第一章 计算机网络概述和计算机网络体系结构

第一章计算机网络概述本章内容•计算机网络概念•计算机网络简史•计算机网络的组成•计算机网络的分类•计算机网络的拓朴结构•计算机网络的功能和应用概述•计算机网络体系架构和TCP/IP•重点：–计算机网络的组成–计算机网络的拓朴结构–计算机网络体系架构和TCP/IP•难点:–计算机网络体系架构和TCP/IP•重点内容要求理解•其他内容要求了解1.1.计算机网络的概念•计算机网络就是把分布在不同地点的多个计算机物理地连接起来，按照网络协议互相通信，以共享软件、硬件和数据资源为目标的系统。•计算机互连通常有两种方式：–有线连接：双绞线、同轴电缆、电话线、光纤，–无线连接：微波、红外线和毫米波、光波、地球卫星通信等。•计算机之间的通信是通过通信协议实现的。–这是因为计算机网络中可能存在不同地区、不同的网络提供商、不同种类的计算机，在其上运行的操作系统也不尽相同，它们在机器字长、信息的表示方法等多方面都存在差异，这些都会影响计算机之间的通信所以要制定一定的规则来协调差异。这些规则称为通信协议。•简单的理解可以想象两个商人，一个说西班牙语，一个说韩国语，他们俩谈生意的时候，需要一个既懂西班牙语又懂韩国语的人充当翻译，才有可能谈。这两个商人就相当于两太要相互通信的计算机，而翻译就是互联网通信协议。1.2.计算机网络的发展简史•计算机网络的产生和发展经历了从简单到复杂、从单机系统到多机系统的发展过程，其演变过程可分为三个阶段：–以单计算机为中心的联机系统；–计算机—计算机网络；–网络体系结构标准化。•第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。•1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。•人们把1983年作为因特网的诞生时间。1、以单计算机为中心的联机系统20世纪60年代以前–用户可远地的终端（Terminal）上输入自己的程序和数据，由主机进行处理后再由通信线路将结果返回给用户终端。这种系统也称为终端—计算机网络，是早期计算机网络的主要形式。•缺点：–主机负荷较重，效率较低;–通信线路的利用率低;–集中控制方式，可靠性低。•为了尽量克服以上的缺点，当时人们又开发了一些提高使用效率的技术，对后来网络技术的发展具有很大的启发作用。–多点通信线路–终端集中器和前端处理机2、计算机—计算机网络从20世纪60年代中期到70年代中期–第一种形式是通过通信线路将主计算机连接起来，主机既承担数据处理，又承担通信工作.–第二种形式是把通信从主机分离出来，设置通信控制处理机CCP（CommunicationControlProcessor）主机间的通信通过的中继功能间接进行。由CCP组成的传输网络称通信子网。从主机为中心到以网络为中心主机终端以主机为中心以网络传输为中心主机网络用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者用户通过ISP上网根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次。一级ISP一级ISP第一层ISP大公司本地ISP大公司大公司公司本地ISP本地ISP校园网校园网校园网校园网第二层ISP第二层ISPNAPNAPAB主机A→本地ISP→第二层ISP→NAP→第一层ISP→NAP→第二层ISP→本地ISP→主机B第一层ISP第二层ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP第一层ISP第一层第二层第三层本地ISP第二层ISP本地ISP本地ISP本地ISP本地ISP第二层ISP本地ISP本地ISP第二层ISP因特网的发展情况概况网络数主机数用户数管理机构数198010102102100199010310510610120001051071081022005106108109103关于因特网的标准化工作因特网协会ISOC因特网研究指导小组IRSG因特网研究部IRTF因特网工程部IETF因特网工程指导小组IESG…RGWG……RG…领域领域因特网体系结构研究委员会IABWGWGWG各种RFC之间的关系因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的RFC实验的RFC提供信息的RFC6种RFC3、网络体系结构的标准化依据标准化水平可分为两个阶段：–各计算机制造厂商网络结构标准化例如：IBM公司在SNA（SystemNetworkArchitecture）、DEC公司公布了DNA（数字网络系统结构）Univac公司公布了DCA（数据通信体系结构）、Burroughs（宝来）公司公布了BNA（宝来网络体系结构）等。–国际网络体系结构标准化1977年国际标准化组织（ISO）制定了“开放系统互联参考模型”（OSI）。OSI模型并没有真正流行开来，为什么呢？–糟糕的提出时间–糟糕的技术–糟糕的实现–糟糕的策略•最主要的问题在于糟糕的提出时间研究大量$的投资标准提出4、计算机网络的发展趋势–综合化–智能化–高速化1.3.计算机网络的组成•1.3.1.按系统划分–网络软件通常网络软件包括：•网络协议和协议软件•网络通信软件•网络操作系统•网络管理及网络应用软件–网络硬件•传输线路:有线连接：双绞线、同轴电缆、电话线、光纤，无线连接：微波、红外线和毫米波、光波、地球卫星通信等。•中继器:信号放大整形等•交换机:建立释放联接路由选择等•多路复用器:提高信道利用率•调制解调器•1.3.2.按逻辑划分–资源子网–通信子网因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器因特网的边缘部分与核心部分–资源子网•主计算机（Host）–为本地用户访问网络其他主机设备、共享网络资源提供服务，同时还为网中其他用户（或主机）共享本地资源提供服务。•终端设备(terminal)–终端可以是简单的输入、输出设备，也可以是带有微处理机的智能终端。这种智能终端除具有信息的输入、输出功能外，自身还具有存储和处理信息的功能两种通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：•客户服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式•对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式1.客户服务器方式•客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。•客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。•客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB客户服务器客户A向服务器B发出请求服务，而服务器B向客户A提供服务。客户软件的特点•被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。•不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。服务器软件的特点•一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。•系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。•一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。2.对等连接方式•对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。•只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。•双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。对等连接方式的特点•对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。•例如主机C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。网络边缘网络核心运行P2P程序运行P2P程序DCEF运行P2P程序运行P2P程序–通信子网•通信子网主要由网络通信控制处理机、通信线路及其他通信设备组成。其功能是进行全网的数据传输、交换及通信控制等通信处理工作。通信子网有三种组织形式。–没有通信子网，网络不能工作；而没有资源子网，通信子网的传输也失去了意义，两者合起来组成了统一的资源共享的两层网络。H1H5H2H4H3H6路由器网络网络核心部分主机计算机网络的功能和应用•计算机网络的功能–数据通信–资源共享–远程传输–集中管理–实现分布式计算–负荷均衡•计算机网络的应用–信息服务–通信与协作服务–交易服务与电子商务–休闲娱乐服务–计算服务–分布式控制系统–计算机集成与制造系统1.4中国的计算机网络发展(1)中国公用计算机互联网CHINANET(2)中国教育和科研计算机网CERNET(3)中国科学技术网CSTNET(4)中国联通互联网UNINET(5)中国网通公用互联网CNCNET(6)中国国际经济贸易互联网CIETNET(7)中国移动互联网CMNET(8)中国长城互联网CGWNET(9)中国卫星集团互联网CSNET1.5计算机网络的分类•l.5.1根据网络的覆盖范围进行分类–局域网LAN（LocalAreaNetwork）–广域网WAN（WideAreaNetwork）–城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）•局域网LAN–局域网用于将有限范围内（如一个实验室、一幢大楼、一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互连成网。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同可以分为共享局域网与交换局域网。局域网技术发展迅速，应用日益广泛，是计算机网络中最活跃的领域之一。•广域网WAN–广域网也称为远程网。它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。•城域网MAN–城市地区网络常简称为城域网。目标是要满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互连的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输功能。–其实城域网基本上是一种大型的局域网，通常使用与局域网向死的技术，把它单列为一类主要原因是它有单独的一个标准而且被应用了。DQDB（Distributedqueuedualbus扥不是队列双总线）•1.5.2按交换方式进行分类–线路交换–报文交换–分组交换•线路交换–最早出现在电话系统中，早期的计算机网络就是采用此方式来传输数据的，数字信号经过变换成为模拟信号后才能在线路上传输。•报文交换–是一种数字化网络。当通信开始时，源机发出的一个报文被存储在交换器里，交换器根据报文的目的地址选择合适的路径发送报文，这种方式称做存储一转发方式。•分组交换–采用报文传输，但它不是以不定长的报文作为传输的基本单位，而是将一个长的报文划分为许多定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位。灵活性高且传输效率高。三种交换的比较报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发•1.5.3按网络拓扑结构进行分类–星形网络–树形网络–总线形网络–环形网络–网状网络。拓扑（Topology）是从图论演变而来的，是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的方法。•1星形拓扑结构–星形布局是以中央结点为中心与各结点连接而组成的，各个结点间不能直接通信，而是经过中央结点控制进行通信.•特点优点：–结构简单–便于管理–组网容易–网络延迟时间短–误码率低缺点–共享能力较差–通信线路利用率不高–中央结点负担过重•2环形拓扑结构–环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以请求发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。–一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流中目的地址与环上某结点地址相符时，即被该结点的环路接口所接收，而后信息继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口结点为止，•特点优点：–简化了路径选择的控制–可靠性较高–实时性强缺点–结点过多时传输效率低–故扩充不方便•3总线形拓扑结构–用一条称为总线的中央主电缆，将相互之间以线性方式连接的工作站连接起来的布局方式称为总线形拓扑。•特点