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网络技术与教育应用 聂竹明 1 教学内容 第1章 引论 第2章 数据通信基础知识 第3章 计算机网络体系结构 第4章 计算机局域网络 第5章 计算机广域网技术 第6章 网络操作系统 第7章 常用网络设备 第8章 网络互联与因特网基础 第9章 因特网的应用 第10章 网络管理与网络安全 2 教材 聂竹明主编，网络技术及教育应用，2008.8 冯博琴主编，计算机网络（第二版），高等教育出版社，2004.7 授课环节 教学：34学时 实验：34学时 考核：平时10%，实验30%，期末考试60% 答疑课件下载 作业提交 以实验报告及专题报告为主 3 第1章 引论 本章内容 计算机网络的产生和发展 计算机网络的概念 计算机网络的功能 计算机网络的分类 4 1.1 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1950s，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） 5 从体系结构来观察，计算机网络的发 展可分为三个阶段（三代网络）： 1. 以主机为中心的联机终端系统 “计算机终端”系统 2. 以通信子网为中心的主机互连 “计算机计算机”网络 3. 体系结构标准化网络 层次化结构，并对每层进行了精确定义 6 1.以主机为中心的联机终端系统 特征：终端(Terminal)共享主机(Host)的软硬件资源 单台主机：执行计算和通信任务 多台终端：执行用户交互 (终端集中器/终端服务器) 连接方式：本地或远程 TS T T T T T T HOST 通信线路 T 7 例子：飞机订票系统 HOST(航空公司总部) Terminals(订票点) 通信线路(电话线路) 缺点 主机负荷重数据处理通信 线路利用率低 集中控制方式，可靠性低 改进 终端集中器(近/远距) 前端处理机（Front-End Processor, FEP）， 将通信任务从主机中分离出来 8 2.以通信子网为中心的主机互连 特征 多个终端联机系统互联，形成了多主机互联网 络 网络结构从“主机终端” 转变为“主机主机” HOST HOSTHOST T T T T T T T T T T 通信线路 9 主机主机网络的演变 演变阶段1 通信任务从主机中 分离，由通信控制 处理机（CCP）完 成 CCP：处理主机之 间通信任务的专用 计算机 CCP CCP HOST HOST T T TT T T CCP HOST TT 10 两层网络概念的出现 由CCP组成的传输网络通信子网，提供 信息传输服务 建立在通信子网基础上的主机集合资源子 网，提供计算资源 CCP CCP HOST HOST T T TT T T CCP HOST TT T 通信子网 11 两层网络的概念结构 C CC H H H 资源子网 通信子网 在通信子网上可有 多个资源子网，共 享通信子网的服务 H H 12 演变阶段2 通信子网规模逐渐扩 大 私有社会公用 公用数据通信网 PSTN X.25 优点 降低用户系统建设成本 提高通信线路利用率 兼容性好 公用数据 通信网 HOST HOST T T TT T T HOST TT T T 13 例子 因特网的前身ARPANET 美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网 络 最初4个节点70s的60多个节点 地域跨越美洲、欧洲 具有现代网络的许多特征，例如： 分组交换 分层次的网络体系 较为完善的通信协议 14 3. 体系结构标准化网络 为什么需要标准化？ 不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动 网络体系结构的标准化的原动力 而兼容性和互操作性的最终目的仍是资源共享 标准化的时机？ 先制定标准再开发还是先开发再制定标准？ 各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、 理论等方面的研究日趋成熟是基础 15 网络体系结构标准化过程的演变 厂商标准：IBM-SNA，DEC-DNA等 缺点：适用范围：兼容性？ 技术垄断：竞争？ 标准不统一：用户利益？ 国际标准（ISO OSI/RM） Open System Interconnection/Recommended Model(开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型 ) OSI参考模型是一种概念上的网络模型，规定了网 络体系结构的框架：7个层次 只说明了做什么（WHAT TO DO）而未规定怎样 做（HOW TO DO） 太复杂，几乎没有与之完全符合的网络 事实上的标准：TCP/IP(因特网的骨干协议) 从体系结构上看，它是OSI参考模型的简化（4层 ） 16 4.因特网时代的到来 因特网的出现标志着网络时代的到来 因特网是全球性的网络 丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增 长的主要驱动力 截止到2000年, Internet的规模为 网络数达到105数量级, 主机数达到107数量级, 用 户数108数量级，主干速率大于2.5Gbit/s The world is flat（web2.0） 17 因特网事件 以太网的创始人梅克 卡夫说，网络的价值等于上网人数的平方。这就 是与摩尔定律齐名的梅克 卡夫定律。 欧洲粒子实验室的伯纳斯 李开发出万维网（www）成为世 界上最有影响的网络。从此，和种网络终于打破了贫富分隔局面，达 到大一体的因特网。许多国际组织如世界银行呈联合国相继上网。 年中国加入互联网 年美国伊里诺斯大学岁学生马克 安德森开发出浏览器 etscape。 斯坦福大学的华裔表年学生杨致远又开发出搜索工具 ，这样每个人都可随意通过电脑在信息的海洋里遨游。 18 我国因特网事件 1990.4 世界银行贷款项目，中关村地区教育与科研示范网（）启 动 1994.6 国务院三金工程， 金桥(国家公用数据信息通信网工程)、金卡(银 行 信用卡支付系统工程)和金关 (国家对外贸易经济信息网工程) 1994.9 中国电信与美国商务部合作,中国公用计算机互联网(ChinaNet)建 设启动 1994.10 由国家计委投资和国家教委主持,中国教育和科研计算机网 (CERNET)建设启动.CERNET示范工程已经于1995年底提前一年完成 1995.7 建在中国教育与科研计算机网上的水木清华BBS开通,成为中国大陆 上第一个BBS 1996.1 中国公用计算机互联网(ChinaNet)骨干网建设成功,全国范围开始 提供服务19 1997.5 成立CNNIC(中国互联网络信息中心)，中国 教育和科研计算机网络中心管理中国互联网二级域名 1997 ChinaNet和三个互联网即CST-Net(中国科技网 ),CERNET,ChinaGBN互通。 1998.3 成立信息产业部，主管全国电子信息产品制造业、通 信业和软件业。 2000.3 中国因特网用户超过1000万人。 2002.6 4580万，03年增至5900万,06年12300万人 。 20 21 22 1国际出口带宽总量为214,175M，连接的国家有美国、俄罗斯、法国、英 国、德国、日本、韩国、新加坡等。 2按运营商划分： 中国公用计算机互联网（CHINANET）122,587M 中国网络通信集团（宽带中国CHINA169网）60,888M 中国科技网（CSTNET）17,465M 中国教育和科研计算机网（CERNET）4,796M 中国移动互联网（CMNET）4,785M 中国联通互联网（UNINET）3,652M 中国国际经济贸易互联网（CIETNET）2M 中国长城互联网（CGWNET）（建设中） 中国卫星集团互联网（CSNET）（建设中） 23 1.2 计算机网络的概念 计算机网络定义的主要观点： 从应用的观点：以相互共享资源方式连接起 来，且各自具有独立功能的计算机系统的集 合。 从物理的观点：在网络协议的控制下，由若 干台计算机和数据传输设备组成的系统。 观点3：利用各种通信手段，把地理分散的计 算机互联起来，能够互相通信且共享资源的 系统。 24 归纳与综合 计算机网络：相互连接的自治计算机的集合 自治：能独立运行，不依赖于其他计算机 “主控-从属”类型的系统是计算机网络吗 ？ “主机-终端”系统（第一代网络）呢？ 互连：以任何可能的通信连接方式 有线方式：铜线、光纤 无线方式：红外、无线电（微波）、卫 星 通信网络 计算机 系统 计算机 系统 25 计算机网络与其它类似系统的比较 终端分时系统 各终端分时占用主机资源 终端无计算能力，对主机的依赖性极强 通信主要采用异步串行连接（本地或远程） 多机系统 紧耦合，主机间通信多采用共享存储器、共享 总线等（有的系统也采用高速局域网） 分布式系统 见下页 26 计算机网络与分布式系统 分布式系统的特点 在分布式OS统一调度下，各计算机 协调工作，共同完成一项任务，如并 行计算。 用户面对的是一台逻辑上的计算机， 组成分布式系统的各计算机怎样协同 工作，对用户透明。 用途主要是科学计算和事务处理。 27 计算机网络与分布式系统（续） 计算机网络 非协调性的； 松散耦合的； 各计算机对用户非透明，用户必须指定资 源的位置； 用途主要是资源共享。 分布式系统往往是基于计算机网络来实现的 ： 在因特网中，域名服务系统（DNS)是分布式系统 的一项典型的应用。 分布式数据库系统也需要网络的支持。 28 1.3 计算机网络能做什么（功能） 数据通信(Communication Medium) 文件传输、IP电话、email、视频会议、信息发布、交 互式娱乐、音乐 资源共享(Resource Sharing) 软件、硬件、数据（数据库） 提供高可靠性服务(High Reliability) 利用可替代的资源，提供连续的高可靠服务 节省投资(Saving Money) 替代昂贵的大中型机系统 分布式处理(Distributed Processing) 29 1.4 计算机网络系统的组成 硬件 网络节点 端节点：计算机 中间节点：交换机、集中器、复用器、路由器、中继 器 通信链路：信息传输的通道 物理：传输介质 逻辑：信道 类比CATV的电缆和频道之间的关系 软件 通信软件（网络协议软件） 网络操作系统 网络管理/安全控制软件、网络应用软件 30 1.5 计算机网络的分类 n按地域范围分类 局域网(Local Area Network ， LAN) 范围：小，20KM 传输技术：基带，10-1000Mbps，延迟低，出错率低（10-11 ） 拓扑结构：总线，环 城域网(Metropolitan Area Network ， MAN) 范围：中等，100KM 传输技术：宽带/基带 拓扑结构：总线 广域网(Wide Area Network ， WAN) 范围：大，100KM 传输技术：宽带，延迟大，出错率高 拓扑结构：不规则，点到点 31 n按拓扑结构分类 星形 有一个中心节点， 其它节点与其构成 点到点连接 树形 一个根结点、多个 中间分支节点和叶 子节点构成 星形拓扑 树形拓扑 32 n按拓扑结构（续） 总线 所有节点挂接到一 条总线上，广播式 信道 需要有介质访问控 制规程以防止冲突 环形 所有节点连接成一 个闭合的环，结点 之间为点到点连接 总线形拓扑 环形拓扑 33 n按拓扑结构分类（续） 全连接 点到点全连接，连接数 随节点数的增长迅速增 长（N(N-1)/2），使建 造成本大大提高，只适 用于节点数很少的广域 网中 不规则（网状） 点到点部分连接，多用 于广域网，由于连接的 不完全性，需要有交换 节点 不规则拓扑 全连接拓扑 34 按通信传播方式分类： 点对点传输方式的网络：由一对对机器 间的多条传输链路构成。 信源与信宿之间的通信需经过一台和多台 中间设备进行传输。 网状、环形、树形、星形 广播方式网络：一台计算机发送的信息 可被网络上所有的计算机接收。 总线形、无线（微波、卫星） 局域网络通常使用广播方式，广域网 络通常使用点对点方式(也有例外)。 35 数据及计算机通信术语 数据（Data）：传递（携带）信息的实体。 信息（Information）：数据的内容或解释。 信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电 编码），数据以信号的形式在介质中传播。 模拟信号、数字信号 基带（Base band）、宽带（Broad band） 信道（Channel）：传送信息的线路（或通路） 。 比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传 输的比特数（即数据传送速率）。 码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单 元。 36 同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应 t 码元1 码元2码元3码元4码元5 信号 同步脉冲 t 37 波特（Baud）：码元传输的速率单位。波 特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率 ）。 比特率、波特率和信号编码级数的关系如下： Rbit = Rbaud log2M 上式中： M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率 一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在 固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特 率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特 。 例如：当波特率为9600时 若M=2，数据传输率为9600b/s 若M=16，数据传输率为38.4kb/s 38 误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率 值。 信息编码：将信息用二进制数表示的方法。 例如：ASCII编码、BCD编码等 数据编码：将数据用物理量表示的方法。 例如：字符A的ASCII编码为01000001，其数 据编码可能为 01000001 t 39 带宽（Band width，BW）：信道传输能力的度量。 在传统的通信工程中： BW fmax fmin 单位：赫兹（Hz） 在计算机网络中，用每秒允许传输的二进制位数作为带 宽的计量单位。主要单位： b/s ，kb/s，Mb/s，Gb/s。 例如：传统以