盛立军《计算机网络技术基础》课件第一章

计算机网络技术基础2第1章01计算机网络概述章节导读目前，计算机网络已成为全球信息产业的基石，它在信息的采集、存储、处理、传输和分发中扮演了极其重要的角色。计算机网络突破了单台计算机系统应用的局限，使多台计算机交换信息、资源共享和协同工作成为可能。计算机网络的广泛使用，改变了传统意义上的时间和空间的概念，对社会的各个领域，包括对人们的生活方式产生了革命性的影响，促进了社会信息化的发展进程。本章主要讲解计算机网络的基础知识，包括计算机网络的产生与发展、定义、功能、组成、分类、应用以及常见拓扑结构，还涉及了计算机网络发展的新技术。学习目标了解计算机网络的发展历史。掌握计算机网络的定义和功能。掌握计算机网络的组成与拓扑结构。熟悉计算机网络的分类和应用。了解计算机网络发展的新技术。51.1计算机网络的产生与发展计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。纵观计算机网络的发展历史可以发现，计算机网络和其他事物的发展一样，也经历了从简单到复杂，从低级到高级的过程。在这一过程中，计算机技术与通信技术紧密结合，相互促进，共同发展，最终产生了计算机网络。从1946年世界上第一台计算机ENIAC的诞生到现在网络的全面普及，计算机网络的发展大体可以分为以下4个阶段。第一代计算机网络第二代计算机网络第三代计算机网络第四代计算机网络面向终端的计算机网络以通信子网为中心的网络标准化网络以下一代Internet为中心的新一代网络61.1计算机网络的产生与发展第一代计算机网络——面向终端的计算机网络第一代计算机网络也称面向终端的计算机网络，是以单机为中心的通信系统。这样的系统中除了一台中心计算机（主机），其余终端均不具备自主处理功能。面向终端的计算机网络在结构上有三种形式。17（1）第一种结构是计算机与终端直接相连，如右图所示。在这种结构中，主机负载较重，且一条通信线路只能与一个终端相连，通信线路的利用率较低。1.1计算机网络的产生与发展（a）计算机与终端直接相连8（2）第二种结构是终端共享通信线路，如右图所示。这种结构提高了通信线路的利用率，但当多个终端同时要求与主机通信时，主机无法确定与哪一个终端进行通信。为解决这一问题，主机需增加相应的设备和软件完成相应的通信协议转换，但是这样会使得主机工作负荷加重。1.1计算机网络的产生与发展（b）终端共享通信线路9（3）为了减轻主机负荷，在主机前增加通信处理机（CommunicationControlProcessor，CCP）或前端机（FrontEndProcessor，FEP），在终端云集的地方增加集中器或多路器，这就是第三种结构，如图1-1（c）所示。CCP或FEP专门负责通信控制，而主机专门进行数据处理。集中器或多路器实际上是设在远程终端的通信处理机，其作用是实现多个终端共享同一通信线路。1.1计算机网络的产生与发展（c）主机前增加CCP或FEP，终端前增加集中器或多路器图1-1面向终端的计算机网络101.1计算机网络的产生与发展20世纪60年代初美国航空公司与IBM公司联合研制的预订飞机票系统，由1个主机和2000多个终端组成，是一个典型的面向终端的计算机网络。但这种网络系统存在着一些缺点：如果主机的负荷较重，会导致系统响应时间过长；而且单机系统的可靠性一般较低，一旦主机发生故障，将导致整个网络系统的瘫痪。111.1计算机网络的产生与发展第二代计算机网络——以通信子网为中心的网络为了克服第一代计算机网络的缺点，提高网络的可靠性和可用性，人们开始研究将多台计算机相互连接的方法。1969年12月，美国国防部高级研究计划署（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）的计算机分组交换网ARPANET投入运行，它成功地连接了美国加州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学和犹他大学四个节点的计算机。ARPANET的诞生，标志着计算机网络的发展进入了一个新纪元，也使计算机网络的概念发生了根本性的变化。2121.1计算机网络的产生与发展早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星型网，各终端通过电话网共享主机的硬件和软件资源。但分组交换网则以由接口信息处理机（InterfaceMessageProcessor，IMP）构成的通信子网为中心，主机和终端都处在网络的边缘，构成了用户资源子网，如图1-2所示。用户不仅共享通信子网的资源，而且还可共享用户资源子网中丰富的硬件和软件资源。这种以通信子网为中心的计算机网络通常被称为第二代计算机网络。图1-2采用资源子网与通信子网组成的两级网络结构131.1计算机网络的产生与发展第三代计算机网络——标准化网络在网络中，相互通信的计算机必须高度协调工作，而这种“协调”是相当复杂的。为了降低网络设计的复杂性，早在当初设计ARPANET时就有专家提出了层次模型。分层设计方法可以将庞大而复杂的问题转化为若干较小且易于处理的子问题。国际标准化组织（InternationalStandardOrganization，ISO）于1977年设立专门的机构研究解决不同公司之间的网络不能互连互通的问题，并于不久后提出了一个使各种计算机能够互连的标准框架——开放式系统互连参考模型（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel，OSI/RM），简称OSI模型。OSI模型是一个开放体系结构，它将网络分为7层，并规定每层的功能。OSI参考模型的出现，意味着计算机网络发展到第三代，即标准化网络。3在OSI参考模型推出后，计算机网络就走上了标准化道路。在开放式环境下，所有计算机设备和通信设备只要遵循共同制定的国际标准，就可以实现不同产品在同一网络中的顺利通信。目前主要有两种网络体系结构，即开放式系统互连体系结构和用于Internet的TCP/IP体系结构。141.1计算机网络的产生与发展第四代计算机网络——以下一代Internet为中心的新一代网络第四代计算机网络是从20世纪80年代末开始出现的。当时局域网技术已经逐步发展成熟，光纤、高速网络技术及多媒体、智能网络等技术相继出现，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。20世纪90年代，微电子技术、大规模集成电路技术、光通信技术和计算机技术不断发展，为网络的发展提供了进一步有力的支持。4第四代计算机网络的特点是：互连、高速、智能与更为广泛的应用。现在的计算机网络成为将多个具有独立工作能力的计算机系统通过通信设备和线路相连，并由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统。计算机网络正迅速朝着高速化、实时化、智能化、集成化和多媒体化的方向不断深入，它的快速发展和广泛应用对全球的经济、教育、科技、文化的发展已经产生并且仍将发挥重要影响。151.2计算机网络的定义与功能随着计算机技术的不断发展，计算机网络的内涵也在不断变化，人们对计算机网络有着不同的理解和定义。从资源共享的角度看，通常将计算机网络定义为：将地理位置不同的具有独立功能的计算机或由计算机控制的外部设备，通过通信设备和线路连接起来，在网络操作系统的控制下，按照约定的通信协议进行信息交换，实现资源共享的系统。计算机网络自20世纪60年代末诞生以来，以异常迅猛的速度发展，被越来越广泛地应用于政治、经济、军事、生产及科学技术的各个领域。计算机网络的主要功能体现在如下几个方面。1.数据通信3.提高系统的可靠性2.资源共享4.均衡负荷与分布式处理161.2计算机网络的定义与功能组建计算机网络的主要目的之一就是使分布在不同地理位置的计算机用户能够相互通信。在计算机网络中，计算机与计算机之间，或计算机与终端之间可以快速、可靠地相互传递各种信息，如数据、程序、文件、图形、图像、声音、视频流等。利用计算机网络的数据通信功能，人们可以使用网络上的各种应用（也称服务），如收发电子邮件、视频点播、视频会议、远程教学、远程医疗等。数据通信1171.2计算机网络的定义与功能所谓资源共享就是共享网络上的硬件资源、软件资源和信息资源。计算机的许多硬件设备是十分昂贵的，例如可以进行复杂运算的巨型计算机，海量存储器，高速激光打印机，大型绘图仪和一些特殊的外设等。这些硬件设备不可能为每个用户所独自拥有。因此，共享硬件资源就是让连接在网络上的用户可以共享使用网络上各种不同类型的硬件设备。共享硬件资源的好处是显而易见的。网上一个低性能的计算机，可以通过网络使用不同类型的设备，既解决了部分资源贫乏的问题，同时也有效地利用了现有的资源，充分提高了资源利用率。资源共享21）硬件资源181.2计算机网络的定义与功能互联网上有极为丰富的软件资源，如网络操作系统、应用软件、工具软件、数据库管理软件等。共享软件功能允许多个用户同时调用服务器的各种软件资源，并且保持数据的完整性和统一性。要实现这一功能，用户可以使用各种网络应用软件共享远程服务器上的软件资源；也可以通过一些网络应用程序，将共享软件下载到本机使用。例如，匿名FTP就是一种专门提供共享软件的信息服务。信息资源是一种非常重要和宝贵的资源。互联网就是一个巨大的信息资源宝库，其信息资源涉及各个领域，内容极为丰富。每个接入互联网的用户都可以在任何时间以任何形式去搜索、访问、浏览及获取这些信息资源。2）软件资源3）信息资源191.2计算机网络的定义与功能在某些对实时性和可靠性要求较高的场合，通过计算机网络的备份技术可以提高计算机系统的可靠性。当网络中的某一台计算机出现故障时，可以立即由另一台计算机代替其完成所承担的任务。这种技术在许多领域得到广泛应用，如铁路、工业控制、空中交通、电力供应等。当网络中某台主机负荷过重时，通过网络和一些应用程序的管理，可以将任务传送给网络中其他计算机进行处理，以均衡工作负荷，减少网络延迟，充分发挥网络系统上各主机的作用，提高整个网络的工作效率。这种处理方式称为分布式处理，既可以处理大型任务，减轻计算机负荷，又提高了系统的可用性。均衡负荷与分布式处理4提高系统的可靠性3201.3计算机网络的组成与拓扑结构1.3.1计算机网络的组成典型的计算机网络从逻辑功能上可以分成两个子网：资源子网和通信子网，如图1-3所示。图1-3计算机网络的组成21资源子网11.3计算机网络的组成与拓扑结构资源子网主要负责全网的数据处理业务，向全网用户提供各种网络资源与网络服务。资源子网由主机、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源与数据资源组成。主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。在资源子网中，主机可以是大型机、中型机、小型机、工作站或微型机。主机主要为本地用户访问网络或其他主机设备、共享资源提供服务。根据其作用的不同分为文件服务器、应用程序服务器、通信服务器和数据库服务器等。1）主机221.3计算机网络的组成与拓扑结构终端是用户访问网络的界面，可以是简单的输入、输出终端，也可以是带有微处理机的智能终端。终端可以通过主机连入网内，也可以通过终端控制器、报文分组组装/拆卸装置或通信控制处理机连入网内。在网络中，每个用户都可享用系统中的各种资源。所以需要对网络资源进行全面的管理、合理的调度和分配，并防止网络资源丢失或被非法访问、破坏。网络软件是实现这些功能不可缺少的工具。网络软件主要包括网络协议软件、网络通信软件、网络操作系统、网络管理软件和网络应用软件等。其中，网络操作系统用于控制和协调网络资源分配、共享，提供网络服务，是最主要的网络软件。2）终端（Terminal）3）网络软件23通信控制处理机（CommunicationControlProcessor，CCP）是一种在计算机网络或数据通信系统中专门负责数据传输和控制的专用计算机，一般由小型机、微型机，或是带有CPU的专门设备承担。CCP在网络拓扑结构中通常被称为网络节点，它一方面作为资源子网的主机、终端的接口节点，将它们连入网中；另一方面又实现通信子网中报文分组的接收、校验、存储、转发等功能。1.3计算机网络的组成与拓扑结构通信子网2通信子网主要承担全网的数