计算机网络体系结构-第1章-计算机网络概述

计算机网络体系结构讲授：马梁教材：计算机网络体系结构编者：李丽芬程晓荣等出版社：中国电力出版社版次：2006年2月第一版定价：29.80元计算机网络与计算机网络体系结构的区别两门课程所涉及的内容的区别：1、计算机网络涉及计算机网络的绝大部分内容，包括网络通信的部分硬件设备通信原理和软件（协议）的实现原理。即，各个部分都涉及，但是都不深入。它帮助学生建立一个网络如何设计与实现的一个整体轮廓。2、计算机网络体系结构侧重于网络通讯规则的设计与实现。它规定网络中的机器（硬件和软件）按照什么样的规则进行通信，规范网络中各节点（资源节点和通信节点）中的软件的结构（如何分层，分几层），各层之间如何通信（协议），以及具有相同体系结构的不同机器中同层协议如何进行通信的规则。它不注重协议的实现细节，而注重规则的制定和通信过程中控制。所以计算机网络体系结构是计算机网络中一部分内容的细化和深入，具有较强的专业性。第一章计算机网络概述1.1计算机网络的产生与发展1.2计算机网络的定义、组成及分类1.3计算机网络体系结构的发展1.4计算机网络协议标准化教学目的和要求：1．掌握：计算机网络的定义组成及分类2．熟悉：计算机网络的产生和发展。3．重点：计算机网络的定义组成及分类。4．难点：三种交换方式。1.1计算机网络的产生与发展计算机网络:计算机技术+通信技术发展特点：历史不长，但发展速度很快发展阶段概述：产生—20世纪60年代兴起—20世纪70年代迅速发展并互联—20世纪70年代中期到80年代广泛地互联网应用—20世纪90年代1.1.120世纪60年代：面向终端分布的计算机系统产生条件：强烈的社会需求先期技术的成熟1946年，世界上第一台数字电子计算机ENIAC在美国诞生。20世纪50年代初：美国军方的需要—将地理上位置分散的多个终端通过通信线路传送到一台中心计算机上。20世纪60年代初：美国航空公司构建了航空订票系统这些系统的特点：以单机为中心的联机系统—面向终端的远程联机系统60年代：面向终端分布的计算机系统小结面向终端的远程联机系统是：计算机+通信技术的前驱面向终端的远程联机系统虽然还称不上计算机网络（因为它不是计算机—计算机互联，而是远程终端—中心计算机互联），但是它为计算机网络提供了一个雏形。70年代：分组交换网(PSN)出现随着计算机应用的发展，出现了多台计算机互联的需求：即将分布在不同地点的计算机通过通信线路互联成计算机—计算机网络，以达到计算机资源（硬件和软件）共享的目的。这一时期典型的代表是：美国国防部高级研究计划局（AdvancedResearchProjectsAgency）的ARPANET(通常称为ARPA网)ARPANET的结构分为：•通信子网（CommunicationSubnet）•资源子网（ResourceSubnet）ARPANET采用的交换设备为接口报文处理机IMP（InterfaceMessageProcessor）负责主机H1—H6之间的通信任务，实现信息传输与交换交换网结构示意图DBCEAH1H21H31H41H61H51分组交换原理什么是交换？从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态分配传输线路的资源。交换即转接。常用的交换技术：1、电路交换（线路交换）2、报文交换3、分组交换（包交换）电路交换电路交换是一种直接的交换方式，它为一对需要进行通信的装置之间提供一条临时的专用通道。这条专用的通道既可以是物理的，也可以是逻辑的（时分或频分复用技术）。数据在传输通道如何进行交换？交换由传输通道的节点中内部电路来完成。电路交换主要应用领域：公用电话网经由电路交换的通信包括三个阶段电路建立数据传输电路拆除电路交换具有以下特点：1、建立时间长、呼损；2、提供“透明通路”；3、适用于实时数据传输；4、线路（信道）利用率低电路交换有自身的优点，但是其缺点对线路资源的利用率影响极为巨大。报文交换网络节点通常为一台专用计算机，并带有足够的外存。报文交换也叫存储转发（storeandforward）。报文的格式：数据+报头（源地址，目标地址，校验和控制信息）数据自身的长度没有限制DBCEAH1H21H31H41H61H51报文交换报文交换的特点：1、线路不专用；2、线路利用率高；3、节点要求高；4、传输的可靠性高；5、不适用于交互式通信（报文长度可能过大，时延可能较长）3、分组（packet）交换分组交换对于节点的要求：是一台专用计算机分组的格式：分组=首部（地址及控制信息）+数据首部数据…首部数据10011110…10010100报文分组分组分组所采用的交换方式：存储转发（storeandforward）分组的交换的传输方式：1、数据报（datagram）传输（亦称小报文或分组）2、虚电路传输方式分组交换具有三个显著的特点1、节点暂时存储的是一个个分组，而不是整个数据报文；2、分组是暂时存储在节点的内存中，而不是保存在节点的外存中，从而保证了较高的交换速率；3、分组交换采用的是动态分配信道的策略，极大地提高通信线路的利用率优点:信道利用率有了很大的提高三种交换方式的比较电路交换的问题：电路交换效率不高，适合于连续传递大量的数据，且传送时间远大于连接建立时间的情况。报文交换存在的问题：报文在传递的过程中需要排队，不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。分组交换技术在数据网中是最广泛使用的一种交换技术，适用于突发数据的情况。小结：此阶段所取得的成果对推动网络技术的成熟应用及其重要，它研究的网络体系结构与网络协议的理论为以后网络理论的发展奠定了基础。但是由于此时期众多的网络体系结构与协议标准的不统一限制了计算机网络自身的发展和应用。网络体系结构与网络协议标准化问题提上日程。80年代:开放式标准化网络此阶段是加速网络体系结构与协议国际标准化的研究与应用ISO（InternationalStandardsOrganization）与1984年正式颁布了一个称为“开放系统互联基本参考模型”OSIRM（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）。ISO/OSIRM已被国际社会公认，成为研究和制订新一代计算机网络标准的基础。国际标准化网络将具有统一的网络体系结构，目的是能支持各厂商生产的计算机系统互联。90年代：现代网络技术和协同计算技术的发展此阶段计算机网络发展的特点：1、互连(Internet),2、高速（宽带综合业务数据网，帧中继，异步传输模式ATM，告诉局域网等）,3、智能与更为广泛的应用--IN（IntelligentNetwork）计算机支持的协同工作（CSCW）支持协同工作的计算机软件称为群件（Groupware）1.2计算机网络的定义、组成及分类定义：计算机网络是通过通信设施（通信网络），将地理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互连起来，进行信息交换，实现资源共享、互操作和协同工作的系统。从这个定义中，我们分析一下它的特征：1、互联的计算机系统的群体；2、计算机系统是自治的；3、互联是通过通信设施（有线、无线或卫星等）来实现；4、系统通过通信设施（硬件）和各种软件（网络操作系统、协议）实现各种应用要求计算机网络的组成：通信子网（交换设备：网桥、中继器、网关、交换机和路由器）资源子网（用户设备和网络软件）1.2.3计算机网络的分类：分类角度：地域范围；拓扑结构；信息传输交换方式或协议；网络组建属性或用途。1.2.3计算机网络的分类1、按地域范围分类：WAN—远程网：借用公共传输网来实现；LAN—设备分布近，传输速度高，费用低，传输可靠；MAN—介于WAN与LAN之间的网络2、按拓扑结构分类：主要考虑通信子网的拓扑结构问题。主要设计成两种通信类型：广播信道:只有一条供诸节点共享的通信信道；总线型；环形；卫星或无线广播通信方式。点对点信道：一条线路连接一对节点；信息的传输采用存储转发；1.2.3计算机网络的分类3、按信息传输交换方式分类：电路交换和存储转发交换4、按网络组建属性分类：公用网；专用网1.3计算机网络体系结构发展降低网络软件设计的复杂性的方法网络软件的高度结构化这种结构化的表现形式是：分层网络软件分层结构的特点是：安装相同网络软件的不同机器之间的对话是同层软件的对话。在对话过程中用到的规则和习惯合起来称为这一层的协议。简单来说，所谓的协议概念是：通信双方关于如何进行通信的一种约定。1.3计算机网络体系结构的发展那么什么是网络体系结构呢？网络体系结构（NetworkArchitecture）简单来说就是层和协议的集合。换句话说网络体系结构就是规定网络软件如何分层，每一层如何进行通信这些规则的集合。对于网络体系结构的设计要求？相关的规则（规范）必须要包含足够的信息。1.3计算机网络体系结构的发展网络体系结构的发展特点1、从封闭到开放IBM公司的系统网络结构SNA；DEC公司的分布式网络结构DNA等各个公司、组织和政府部门的网络体系结构不统一这个现实，严重阻碍了网络的互联和发展。1984年提出了“开放系统互连基本参考模型”ISO/OSI-RM；IEEE则提出了局域网（LAN）参考模型，制定了著名的IEEE802标准；Internet的迅猛发展和应用使得TCP/IP协议成为最有影响的网络协议和事实上的工业标准。2、从专用到公用这种转换的推动力来源于Internet的商业化网络地址空间的扩充：IPv6（128位），以便容纳更多的网络服务业务。例如：IP电话、IP电视为了保证网络业务的服务质量（QoS）：IPv6中“区别服务”；为了保证公用网络服务的安全：IETF提出了SSL(SecureSocketLayer)和Internet协议安全性（IPsec）等网络安全协议。目前已经实现了“IPovereverything”（可在任何通信网上建立IP网），下一步将向“everythingoverIP”（任何业务都可在IP网上实现）从数据通信到多媒体通信传统的数据网络构建的原因：传统的网络的信息以数据为主。因此计算机网络一开始便采用了面向非连接的分组交换技术，网络节点机一直采用“尽量服务”原则，对突发性不相关数据的传输具有较高的效率。随着计算机网络迅猛地发展和应用，使得网络处理多媒体信息的需求提上了日程。多媒体通信产生条件1、硬件条件：为了使得网络能够处理多媒体信息，网络的传输速度必须得到很大的提升：兆位（Mb/s）提升到吉位（Gb/s）而且即将进入太位（Tb/s）数量级2、软件条件各种支持多媒体通信的网络协议软件的出现，以及基于网络的多媒体应用程序的出现。多媒体通信的特征：在一次单一的通信会话（Communicationsession）期间，可以有多个参与方、多条连接，而且资源和用户数量可增减。体现了群体性、交互性和多值性等新特点。例如：VoIP（VoiceoverInternetProtocol）实现了IP电话，打破了“按业务建网”的传统;动态多点连接的组播（multicast）；多媒体通信的服务质量（QoS）保证措施：区别服务、资源预约、准入控制和动态带宽分配等许多QoS控制方法;提高多媒体通信速率的方式：1、提高通信线路的带宽；2、降低数据源的数据速率（图像和语音数据的压缩）例如：JPEG、MPEG、H.261和H.320、H.324等一系列国际标准1.4计算机网络协议标准化计算机网络的协议标准可分为两类：事实上的标准；法定标准。1、电信领域中最有影响的组织国际电信联盟（ITU，InternationalTelecommunicationUnion）它的任务是国际电信的标准化。ITU有三个主要部门：无线通信部门ITU-R（RadiocommunicationsSector）:关注全球范伟内的无线电频率分配事宜电信标准化部门ITU-T（TelecommunicationsSector）关注电话和数据通信系统开发部门ITU-D（DevelopmentSector）电