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1、计算机网络基础知识,本章主要内容,计算机网络的概述 计算机网络的产生与发展 计算机网络的基本组成与逻辑结构 计算机网络的拓扑结构 计算机网络的分类,1.1.1 计算机网络的定义,1.最简单的计算机网络 有两种方法可以组成最简单的计算机网络，一是用通信线路将两台微机通过后面板上的通信端口COM1和COM2或打印端口LPT1连接起来，二是用双绞线（交叉线）将两台微机通过网卡进行连接，如右图所示。,线缆直接连接计算机,2局域网,典型的局域网,要扩大计算机的连网范围，就需要准备:网卡、通信电缆、线缆连接器等硬件设备和网络操作系统。,3广域网,广域网,通过公共通信线路可以在两台异地计算机之间进行点对点通
2、信，实现包括传送文件、收发传真等功能。,总之，计算机网络的本质是把两台以上具有独立功能的计算机系统互连起来，以达到资源共享和远程通信的目的。从用户的角度看，计算机网络是一个透明的数据传输机制和资源共享、协同工作的信息处理系统。,1.1.2计算机网络的功能,1资源共享 所谓共享资源就是共享网络上的硬件资源、软件资源和信息资源。（1）共享打印机等各种硬件设备,2.共享数据资源,3.共享应用程序,2通信功能,通信功能是计算机网络的另一个主要功能，它可以为网络用户提供强有力的通信手段。建设计算机网络的主要目的就是让分布在不同地理位置的计算机用户之间能够相互通信、交流信息和共享资源。,3其他功能,高可靠
3、性,均衡负荷,协调运算,分布式处理,1.1.3 计算机网络的应用,1在单位信息管理中的应用 可以实现资源共享 用不同的计算机软件对信息进行处理，将各种管理信息发布到各地的机构中，完成信息资源的收集、分析、使用与管理，完成从产品设计、生产、销售到财务的全面管理。目前，我们几乎进入了“公司就是网络”的时代。,可以提高信息系统的可靠性 如果我们将重要的文件复制并存储到二三台机器里，一旦其中一台机器发生故障，其他机器中的文件拷贝还可以使用，网络中的多台计算机可以互为备份。可以节约资金 我们可以考虑为每个用户购置一台微机作为客户机，然后购置一台或几台性能较强、配置较高的计算机作为服务器，用网络将多台分散
4、的客户机与服务器互连起来，构成客户/服务器结构。,可以增强信息系统的可扩展性 当网络用户数增多时，需要增加客户机的数量。在客户/服务器模式中，服务器与客户机数量的增加、网络规模的扩大是很容易就能实现的。可以为用户提供一种功能强大的通信工具 工作人员可以在家中远程登录到单位的计算机上，通过家里的计算机完成当天的工作；技术人员可以分散在不同的地方，通过计算机网络来共同设计一种产品；两个网络用户无论相距多远，都可以通过电子邮件传送信息。,2在个人信息服务中的应用 远程信息访问 新的通信工具 家庭娱乐 许多新的计算机网络应用系统不断地涌现出来。如：工业自动化、辅助决策、虚拟大学、远程教育、远程医疗、管
5、理信息系统、数字图书馆、电子博物馆、全球情报检索与查询、网上购物、电子商务、视频会议、视频广播与点播、过程控制，等等。,1.2计算机网络的产生与发展,1.2.1 面向终端的计算机网络,终端可以处于不同的地理位置，它通过传输介质及相应的通信设备与一台计算机相连，用户可以通过本地终端或远程端登录到远程计算机上，使用该计算机系统，远程用户可以在本地方便地使用计算机，这就产生了通信技术与计算机技术的结合。,图(a):是一种具有通信功能的面向终端的计算机系统。图(b):是以单台计算机为中心的远程联机系统。第一代计算机网络：面向终端的计算机通信网络。,第一代计算机网络的主要特点：（1）是每一台终端到计算机
6、的连接，而不是计算机到计算机的连接。（2）主机负担过重。第一代计算机网络是面向终端的计算机通信网，严格地讲，不能算作现在意义上的计算机网络。这些系统的建立没有资源共享的目的，只是为了能进行远程通信。,1.2.2以共享资源为目标的计算机网络,20世纪60年代后期，美国国防部高级研究计划局ARPA，提供经费资助，由美国一些大学和公司合作，共同研究开发了这种新型的计算机网络，决定建设一个多个节点的分组交换网络，由通信子网和主机组成。并于1969年12月建成一个具有四个节点的实验性网络，并投入运行和使用，这就是著名的ARPANET。,最初的ARPANET的网络结构如下图所示。图中：H（HOST）是计算
7、机主机IMP（Interface Message Processor）是接口信息处理机。,ARPANET是计算机网络发展的一个里程碑，它标志着以资源共享为目的的计算机网络的诞生，是第二阶段计算机网络的一个典型范例它为网络技术的发展做出了突出的贡献。其贡献主要表现在它是第一个以资源共享为目的的计算机网络、它使用TCP/IP协议作为通信协议，使网络具有很好的开放性，为Internet的诞生奠定了基础。此外，它还实现了分组交换的数据交换方式，并提出了计算机网络的逻辑结构由通信子网和资源子网组成的重要基础理论。,1.2.3标准化网络,国际标准化组织（ISO，International Standard
8、s Organization）于1984年公布了“开放系统互连参考模型”的正式文件，即著名的国际标准ISO7498，通常称它为开放系统互连参考模型OSI/RM。OSI/RM极大地推动了网络标准化的进程。从此，计算机网络进入了标准化网络阶段。网络的标准化又促进了计算机网络的迅速发展，因此标准化网络也是计算机发展的重要阶段，有人把这个阶段的网络称为第三代网络。,随着计算机网络的发展，在全球建立了不计其数的局域网和广域网，为了扩大网络规模以实现更大范围的资源共享，人们又提出了将这些网络互联在一起的迫切需求。国际互联网Internet应运而生。ARPANET是第一个分组交换网，它的出现标志着以资源共享
9、为目的的计算机网络的诞生，广域网（WAN）的发展也是从ARPAENT的诞生开始的。这一时期美国许多计算机公司开始大力发展计算机网络，纷纷推出自己的产品和结构。,1.2.5 广域网的发展,1.2.4 互联网,目前，一些高速的广域网技术相继问世，如POS（Packet-Over-SDH/SONET）技术，波分多路复用技术（WDM/DWDM）等都能为广域网连接提供高带宽，这些技术将广域网的传输速率提高到10Gbps。另外，最新的万兆以太网技术也可以支持广域网连接，传输速率也是10Gbps。这些高速广域网技术的出现使广域网的发展开始了一个新的里程碑。,1.2.6 局域网的发展,20世纪80年代，由于P
10、C机性能不断提高，PC机和小型机的价格不断降低，计算机从“专家”群里走进“大众”中，网络应用也从科学计算走入事务处理，使得PC机大量地进入各行各业的办公室和百姓的家中。,个人计算机的大量涌现和广泛分布，基于信息交换和资源共享的需求越来越迫切。一个办公室、一栋楼或一个园区内的计算机互相连接起来，交换信息、交互工作，共享硬件、软件和信息资源。,1.3计算机网络的基本组成与逻辑结构,1.3.1计算机网络的基本组成,1计算机系统 2.通信线路和通信设备 3网络协议 4网络软件,1.3.2计算机网络的逻辑结构,根据计算机网络各组成部分的功能，将计算机网络划分为两个功能子网，即资源子网和通信子网。这就是计
11、算机网络的逻辑结构。,1.4 计算机网络的拓扑结构,1.总线型结构网络,这种结构的典型代表就是使用粗、细同轴电缆所组成的以太网。总线型拓扑结构的特点如下：结构简单，易于扩展。共享能力强，便于广播式传输。网络响应速度快；但负荷重时则性能迅速下降，易于安装，费用低。网络效率和带宽利用率低。采用分布控制方式，各节点通过总线直接通信。各工作节点平等，都有权争用总线，不受某节点仲裁。,2.星形结构,中心节点的设备：集线器（HUB）、中继器、交换机。星型结构的主要特点如下：结构简单，便于管理和维护。容易实现结构化布线。星型结构的网络容易扩展、升级。通信线路专用，电缆成本高。星型结构的网络由中心节点控制与管
12、理，中心节点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性，中心节点一旦出现故障，会导致全网瘫痪。中心节点负担重，易成为信息传输的瓶颈。,3.树形结构,树型拓扑结构是从总线型和星型演变而来的。在树型拓扑结构中，顶端有一个根节点，它带有分支，每个分支还可以有子分支，其几何形状像一棵倒置的树，故得名树型拓扑结构。树型拓扑结构的主要特点如下：天然的分级结构，各节点按一定的层次连接。易于扩展。易进行故障隔离，可靠性高。对根节点的依赖性大，一旦根节点出现故障，将导致全网瘫痪。电缆成本高。,4.环形结构,在环型拓扑结构中，各个网络节点通过环节点连在一条首尾相接的闭合环状通信线路中。环型拓扑结构有两种类型，单环结构和
13、双环结构。令牌环（Token Ring）网采用单环结构，而光纤分布式数据借口（FDDI）是双环结构的典型代表。,环型拓扑结构的主要特点如下：（1）各工作站间无主从关系，结构简单。（2）信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时 性较好。（3）两个节点之间仅有惟一的路径，简化了路径选择。（4）可靠性差，任何线路或节点的故障，都有可能引起全网故障，且故障检测困难。（5）可扩充性差。,5.网状型,网状型拓扑结构又称完整结构。在网状型拓扑结中,网络节点与通信线路互连成不规则的形状，节点之间没有固定的连接形式。一般每个节点至少与其他两个节点相连。,网状拓扑结构,CERNET主干网拓扑结构,6.混合状拓扑
14、结构,混合状拓扑结构是由以上几种拓扑结构混合而成的，如：环星型结构，它是令牌环网和FDDI网常用的结构，还有总线型和星型的混合结构，等等。,1.5 计算机网络的分类,计算机网络的分类方法如下：（1）按网络覆盖的地理范围分类。（2）按网络的拓扑结构分类。（3）按局域网的标准协议分类。（4）按传输介质分类。（5）按所使用的网络操作系统分类。（6）按传输技术分类。,按网络的作用范围进行分类局域网 LAN(Local Area Network)城域网 MAN(Metropolitan Area Network)广域网 WAN(Wide Area Network),1.5.1 按网络覆盖的地理范围分类,
15、1.局域网（LAN）覆盖的地理范围：有限范围（如实验室内、大楼内、校园内）一般在几十米到几十千米。2.广域网（WAN）覆盖的地理范围：几十千米到几千千米。通常利用公用网络进行组建。3.城域网（MAN）覆盖的地理范围：几十千米之内。,表11 LAN与WAN的比较,1.5.2 按网络的拓扑结构分类,按网络的拓扑结构分类，可以把网络分为：总线型、环型、星型、树型和网状型网络。例如：以总线拓扑结构组建的网络为总线型网；以星型拓扑结构组建的网络为星型网；交换式局域网系统属于星型网。,1.5.3 按局域网标准协议分类,根据所使用的局域网标准协议分类，可以把计算机网络分为：IEEE802.3：以太网IEEE
16、802.3u：快速以太网IEEE802.3z和IEEE802.3ab：千兆以太网IEEE802.3ae：万兆以太网IEEE802.5：令牌环网,1.5.4 按使用的传输介质分类,根据网络使用的传输介质，可以把计算机网络分为：双绞线网：以双绞线为传输介质光纤网：以光缆为传输介质同轴电缆网：以同轴电缆为传输介质无线网络：以无线电波为传输介质卫星数据通信网：通过卫星进行数据通信等。,1.5.5 按使用的网络操作系统分类,根据网络所使用的网络操作系统分类，可以把网络分为：Netware网 UNIX网 Windows NT 网 3网等。,1.5.6 按传输技术分类,根据网络所使用的传输技术，可以把计算机
17、网络分为广播式网络和点到点网络。1广播式网络 在广播式网络中，所有连网计算机都共享一条公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。由于发送的分组中带有目的地址与源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否与本结点地址相同。如果被接收报文分组的目的地址与本结点地址相同，则接收该分组，否则丢弃该分组。,广播式通信方式,总线型以太网就是典型的广播式网络。,2点到点网络,与广播式网络相反，在点到点网络中，每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储与转发，直至目的结点。由于连
18、接多台计算机之间的线路结构可能很复杂，因此从源结点到目的结点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源结点到达目的结点的路由需要由路由选择算法实现。采用分组存储转发与路由选择机制是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。,点点通信方式,1.6 计算机网络的数据交换方式,电路交换报文交换报文分组交换,电路交换的特点,电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接,电路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换举例,C 和 D 通话只经过一个本地
19、交换机通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换传送计算机数据效率低,计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。,报文,分组交换的原理（一）,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（二）,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,分组交换的原理（三）,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分
20、组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。,分组交换的原理（四）,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（五）,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,分组交换网的示意图,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,注意分组的
21、存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,结点交换机,主机,在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口,在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口,在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,分组交换的优点,高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活 以分组为传送单位和查找路由。迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。,分组交换带来的问题,分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,
