计算机网络基础一(网络基础知识)

计算机网络基础主讲：白秦华E－mail:[e-mail]网络的形成与发展网络的定义网络的分类网络的拓扑结构数据通信的重要参数与技术第1章网络基本概念网络的形成与发展计算机网络的产生和发展早期的计算机应用模式——单机大、中、小型机—庞大，昂贵，资源无法共享分散的计算机构成了一个个的信息“孤岛”计算机网络产生始于1950’s，产生的原因：资源共享的需求（计算能力、外设、软件、数据）大型项目的合作（进行工程项目协作）人与人之间的信息沟通（数据通信）面向终端的计算机网络阶段多机系统的互连阶段标准化计算机网络阶段网络互连和高速网络阶段计算机网络发展的四个阶段20世纪50年代第一阶段：面向终端的计算机网络特点终端(Terminal)共享主机(Host)的软硬件资源单台主机：以主机为中心，执行计算和通信任务多台终端：终端无处理能力，执行用户交互连接方式：本地或远程代表1963年IBM公司投入使用的飞机订票系统第一代计算机网络是由主机--通信线路--终端组成，只可算是计算机网络的“雏形”。第一阶段：面向终端的计算机网络第二阶段：多机互连的初级计算机网络通信子网资源子网主机主机主机主机终端终端终端终端终端终端终端终端CCPCCPCCPCCPCCPCCP20世纪60年代后期第二阶段：多机互连的初级计算机网络资源子网：组成：主机，终端，及其它软、硬件资源组成。功能：负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。第二阶段：多机互连的初级计算机网络通信子网：分组交换网组成：通信控制处理机（CCP）、通信线路。功能：完成网络数据传输、转发等通信处理任务。特点：分组交换分层次的网络体系较为完善的通信协议代表：1969年美国的ARPA网计算机网络的“春秋战国”时代第二代计算机网络是计算机网络的初级阶段第二阶段：多机互连的初级计算机网络第三阶段：开放的标准化计算机网络20世纪70年代中期以ISO提出的OSI参考模型为指导性标准构建的计算机网络。第三代计算机网络是计算机网络的“成熟”阶段第四阶段：全球化互联网20世纪80年代末相继出现了快速以太网、光纤分布式数字接口(FDDI)、快速分组交换技术(包括帧中继、ATM)、千兆以太网、B-ISDN等一系列新型网络技术，这就是高速与综合化计算机网络阶段。特点：高速（宽带）化业务综合化代表：Internet现代网络的结构路由器FDDITokingRing路由器路由器Ethernet广域网Towerbox以太网光纤分布式数据接口令牌环网络的定义什么是计算机网络？地理位置分散具有独立功能通过通信设备和线路连接遵守通信协议配有相应的网络软件实现信息传输和资源共享大名鼎鼎的Internet互联网络Lan计算机网络三要素自治计算机:AutonomousComputer连网、脱网均可独立工作。计算机网络三要素计算机网络协议：为计算机网络数据交换而制定的：“规则、约定、标准”。协议要统一IPX/SPX协议栈AppleTalk协议栈TCP/IP协议栈TCP/IP协议不通！TCP/IP协议IPX/SPX协议通！苹果机PC机计算机网络三要素资源共享：是建网的主要目的。资源主要是指：硬件软件数据计算机网络的分类计算机网络的分类根据传输技术分类根据网络使用范围分类根据网络的覆盖范围与规模分类按传输技术分类广播式网络（BroadcastNetworks)点—点式网络（Point-to-PointNetworks)定义：所有计算机共享同一条通信信道特征：任一台机器发出的消息能被所有其它机器接收到代表：Ethernet、TokenRing目的地址类型：单点地址(Unicast)广播地址(Broadcast)组播地址(Multicast)广播式网络：定义：一条通信链路连接两台设备特征：通常，源和目的间没有直接的数据通路，而由多段链路组成。源站点发出的消息，必须经过若干中间节点的转发，才能到达目的节点由于从源到目的存在多条路径，因此路径选择是点-点网中必须要解决的重要问题AB点-点式网络：公用网一般是由国家邮电或电信部门建设的通信网络。如CHINANET是中国电信经营管理的中国公用计算机互联网。它采用TCP/IP协议构建，通过高速数字专线与国际INTERNET相连。专用网是指单位自建的、满足本单位业务需求的网络。专用网不向建网单位以外的人提供服务。如军队、铁路、电力等系统均拥有各自系统的专用网。按使用范围分类根据网络的覆盖范围与规模分类局域网(LAN)广域网(WAN)城域网(MAN)局域网(LocalAreaNetwork）定义：有限范围内数据通信和资源共享的计算机网络。从协议层次的观点看，局域网包含着低两层的功能网中所连的数据通信设备是广义的，包括计算机、终端、数字电话、传真机等连网范围较小，通常局限于一个单位、一个建筑物内。局域网(LocalAreaNetwork）特点：具有高数据传输速率：10Mbit/s－10Gbit/s。低误码率。采用广播方式传输数据信号。早期的局域网采用“共享介质”。局域网交换机的出现，使网络性能有了很大的提高，产生了交换式局域网。通常归属一个单位管理LAN常用设备LAN的设计目标：运行在有限的地理区域允许网络设备同时访问高带宽的介质；通过局部管理控制网络的权限；提供全时的局部服务；连接物理上相邻的设备。HUB交换机路由器ATM交换机广域网(WideAreaNetwork)定义：在大范围区域内提供数据通信服务，主要用于互连局域网特点：覆盖的地理范围广（几十公里到几千公里）又叫远程网广域网的通信子网主要使用“分组交换技术”WAN分类公用电话网：PSTN综合业务数字网：ISDN非对称数字用户线：ADSL数字数据网：DDNX.25共用分组交换网帧中继：FrameRelay异步传输模式：ATMWAN常用设备WAN的设计目标：运行在广阔的地理区域；通过低速串行链路进行访问；网络控制服从公共服务的规则；提供全时的或部分时间的连接；连接物理上分离的、遥远的、甚至全球的设备。Modem/CSU/DSU路由器广域网交换机接入服务器图2-2通信系统实例PSTN网络连接网络的拓扑结构计算机网络拓扑结构定义：将计算机网络中的通信结点抽象成“点”；将连接这些节点的通信线路抽象成“线”，进而研究“点”、“线”、“面”之间的“结构关系”。常见网络拓扑结构拓扑结构：总线型星型树型环型网状型总线型结构客户机客户机客户机服务器小型端接器小型端接器定义：以一根线缆作为传输介质（称为总线）所有站点都通过相应的硬件接口直接连接到总线上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，网络效率和带宽利用率低。各节点通过总线直接通信，都有权争用总线，不受某节点仲裁。总线型结构星型结构服务器定义：以一台设备作为中央结点，其他外围结点都单独连接在中央结点上，各外围结点必须通过中央结点才能通信。结构简单，便于管理和维护。星型结构的网络容易扩展、升级。星型结构的网络由中心节点控制与管理，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。星型结构环型结构定义：由一组转发器（干线耦合器）和连接转发器的点到点链路组成一个闭合环ABDC站点干线耦合器单向环点到点链路各工作站间无主从关系，结构简单。信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时性较好。两个节点之间仅有惟一的路径，简化了路径选择。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。可扩充性差。环型结构更大的网络通常兼有总线、星形和环形拓扑结构，被成为混合拓扑结构。优点：可以按照要求选择合适的网络拓扑结构实现网络扩展；服务器管理员可以通过一种或多种方法使用户访问网络。缺点：混合网络比星形、总线形或环形拓扑结构更难以设计、优化和维护。混合网络拓扑结构数据通信的重要参数与技术数据通信系统的质量指标传输速率差错率时延数据传输速率也常称为“带宽”，反映计算机、通信线路、以及与通信相关的设备的通信能力。它是指每秒钟能传输的二进制的位数，即bite/s，也可写作“bps”数据传输速率的单位换算1Kbps=103bps1Mbps=106bps1Gbps=109bps1Tbps=1012bps误码率误码率：是指数据传输系统中二进制码元被传错的概率。Pe=Ne/N（Ne：表示被传错的二进制码元数）（N：表示传输的二进制码元总数）误码率用来表示数据传输系统的传输可靠性误码率理解误区：误码率越低越好误码率可以为0时延数据从网络的一个节点传送到另一个节点所需的时间。时延处理时延：对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延：数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延：数据位数/信道带宽多路复用技术频分多路复用时分多路复用频分多路复用当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）。可用频段频率时间子信道A子信道B子信道C子信道D图2.24FDM子信道示意图通道（1）通道（2）通道（3）通道（4）通道（5）通道（6）多路复用器MUXMUX源1源2源3源4源5源6目标1目标2目标3目标4目标5目标6多路复用器频分多路复用FDM系统的原理：它假设有6个输入源，分别输入6路信号到频分多路器FDM-MUX，多路器将每路信号调制在不同的载波频率上（例如f1，f2，…，f6）。每路信号以其载波频率为中心，占用一定的带宽，此带宽范围称作一个通道，各通道之间通常用保护频带隔离，以保证各路信号的频带间不发生重叠。时分多路复用TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的，即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多。可用频段频率时间图2.28TDM子信道示意图ABCDABCDABCDABCD组成子信道A的时隙时分复用帧图2.29TDM原理2多路复用器MUX源1源2源3源4源5源6多路复用器MUX目标1目标2目标3目标4目标5目标634561234516TDM子信道示意图TDM原理时分多路复用单工双工数据传输方式单工：数据单向传输（例：无线电广播）单工双工半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）全双工：数据可以双向同时传输（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。数据交换技术电路交换分组交换电路交换用户在开始通信之前，先要申请建立一条从发端到收端的专用通信线路。线路交换方式的通信包括三种状态：线路建立数据传送线路拆除一旦通路建立,保持至数据传输完毕。路由器B路由器C工作站A工作站B路由器A路由器E路由器D消息1消息2电路交换电路交换的特点数据传输时延小网络节点对用户数据没有存储、分析和处理过程，所以对用户的数据不必附加许多控制信息，数据传输效率较高电路资源被通信双方独占，电路利用率低电路的接续时间较长，而且有呼损分组交换是一种存储－转发交换方式，以分组为单