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三级网络技术,第2章 网络基本概念,2.1 计算机网络的形成与发展,2.1.1 计算机网络的发展史,20世纪50年代 通信技术和计算机技术相结合，奠定了计算机网络发展的理论基础。 20世纪60年代 以ARPANET为代表的分组交换技术的发展，为Internet的发展奠定基础。 20世纪70年代中期开始 以OSI模型为代表的网络体系结构的研究工作为网络发展的标准化产生了重要作用。 20世纪90年代至今 标志为Internet的发展，网络发展速度突飞猛进。 同时，网络发展的趋势向宽带化，多媒体化方向进行。,2.1.1 计算机网络的形成与发展(续),Internet的发展 Internet是通过路由器实现多个广域网和局域网互连的大型网际网 更高性能的Internet2正在发展之中。 局域网技术的发展 高速Ethernet：10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps 宽带网络的发展 宽带骨干网 宽带接入网,2.1.2 计算机网络的形成,20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统开始计算机与通信技术相结合的尝试。 后来人们发现可以通过通信系统将地理位置分散的多个终端，通过通信线路连接到一台中心计算机上，该计算机以集中方式处理不同地理位置的用户数据；用户可以在自己办公室内的终端键入程序，通过通信线路传送到中心计算机，分时访问和使用资源进行信息处理，处理结果再通过通信线路回送到用户终端显示或打印。这种以单个计算机为中心的联机系统称做面向终端的远程联机系统。 随着计算机的发展，出现了多台计算机互连的需求。将分布在不同地点的计算机通过通信线路互连便成为计算机网络。 ARPANET是计算机网络发展中的一个里程碑，是Internet出现的基础。 20世纪70年代一些机构开始局域网计算机的研究，并取得了很多成果，这对局域网技术的发展起到重要作用。,2.1.3 网络体系结构与协议标准化,国际标准化组织（ISO）在1984年正式公布了网络系统互连的参考模型，全名为“开放系统互连基本参考模型”（OSI/RM，Open System Interconnection Basic Reference Model），简称OSI，以实现开放系统环境中的互连性、互操作性和应用的可移植性。后来ISO与CCITT等组织分别为参考模型的各个层次制定一些列的协议标准。 OSI虽然为国际标准，但并不实用。随着互联网的高速发展TCP/IP协议与体系结构已经成为业内公认的标准。,2.1.4 互联网的应用与高速网络技术的发展,浏览器、超文本标记语言、搜索引擎、Java跨平台编程技术的发展，对互联网的发展产生了重要的作用。在过去的30年里，由于各种互联网应用的出现，促进了互联网的高速发展。这些应用包括远程登录Telnet、电子邮件E-mail、文件传输服务FTP、新闻组BBS、网络电话、网络会议、网络电视、电子商务、电子政务、远程教育、远程医疗、搜索引擎、P2P文件共享、即时通信、播客、博客和网络游戏等。 1993年9月，美国公布了国家信息基础设施（NII）计划，该计划被形象地称为信息高速公路。1992年2月，全球信息基础设施委员会（GIIC）成立，以推动与协调各国信息技术与信息服务的发展和应用。目前高速网络的发展主要表现在：宽带城域网、异步传输模式、高速局域网、交换局域网、虚拟网络和无线网络。,2.1.5 宽带城域网的发展,从当前城域网技术与应用现状来看，城域网的概念泛指网络运营商在城市范围内提供各种信息服务业务的所有网络，它是以宽带光传输网为开放平台，以TCP/IP协议为基础，通过各种网络互联设备，实现语音、数据、图像、视频、IP电话、IP 接入和各种增值业务与智能业务，并与运营商的广域计算机网络、广播电视网、传统公用电话交换网互联互通的本地综合业务网络。 宽带城域网包括核心交换网与接入网。核心交换网为整个网络提供一个高速、宽带的中心连接，并能提供所有城域网连入Internet所需要的路由服务，实现与全国骨干网络的互连，提供城市高速IP数据出口。接入网技术解决的是最终用户接入地区性网络的问题。目前，可用作用户接入网的有计算机网络、电信通信网和广播电视网。,2.2 计算机网络的定义,2.2.1 计算机网络的基本概念,不同时期对计算机网络有不同的定义，符合网络特征的是资源共享的观点。 “以能够相互共享资源的方式互连起来的多台自治计算机系统的集合。” 三层含义： 联网的目的：资源共享和信息传输。资源指计算机硬件、软件与数据。 “自治计算机”：联网必须使用多台独立的计算机，没有主从关系，可连网工作，也可独立工作。可以为远程用户服务，也可为本地用户服务。 网络协议：必须遵循相同的网络协议。,2.2.2 计算机网络的基本结构及其特点,1早期计算机网络结构 结构上：包括主机、终端、CCP与通信线路 逻辑功能上：包括资源子网、通信子网,2.2.2 计算机网络的基本结构及其特点(续),2现代网络结构的特点 微型计算机通过局域网连入广域网，而局域网与广域网、广域网与广域网的互联是通过路由器实现的 Internet：由路由器互联的大型、层次结构的互联网络,2.2.3 计算机网络的分类,最能反映网络技术本质特征和最常见的网络分类方法是根据网络的分布距离来进行分类。按网络的分布距离来分类，可分为： 广域网（WAN） 局域网（LAN） 城域网（MAN）,局域网LAN,作用范围：一般在10公里以内，以一个单位或一个部门的范围为限，由这些单位或部门单独组建 按照局域网采用的技术、应用范围和协议标准不同，局域网可以分为共享局域网与交换局域网。交换式局域网通过局域网交换机，可以在它的多个端口之间建立多个并发连接，来提高局域网带宽。,局域网LAN（续）,从局域网应用的角度来看，局域网的主要特点如下： 地理覆盖范围有限，适用于学校、机关、工厂的需求。 数据传输速率高、误码率低。 易于建立、维护和扩展。 从介质访问角度可分为共享式局域网和交换式局域网；从使用的传输介质类型的角度看，可以分为有线介质的局域网和适用无线介质通信信道的局域网。,城域网MAN,介于局域网和广域网之间的一种技术 目标：满足几十公里范围内的多个局域网的互联 主要技术 早期： 使用传统的FDDI技术 现在： 传输介质：光纤 交换结点：基于IP的高速路由交换机和ATM交换机 体系结构：采用核心交换层、业务汇聚层、接入层3层模式,广域网WAN,作用范围:几十到几千公里，可覆盖一个国家、地区、或横跨几个洲 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 用户机可以通过局域网方式接入，也可以选择公用电话交换网、有线电视网、无线网络或者无线局域网方式接入到作为地区级主干网的城域网。城域网又通过路由器与光纤接入到作为国家级或区域主干网的广域网。,2.2.4 计算机网络拓扑构型,计算机网络拓扑的定义 网络拓扑分类方法 点对点线路通信子网的拓扑,计算机网络拓扑的定义,抽象 “点”：工作站、服务器、通信设备等 “线”：通信介质 网络拓扑结构 通过网络中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中个实体间的结构关系。 拓扑的重要性 对网络的性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响 主要指通信子网的拓扑构型,网络拓扑分类方法,采用点-点线路的通信子网 星型、环型、树型与网状型 不可能存在总线型 采用广播信道的通信子网 总线型、树型、环型、无线通信与卫星通信型,网络拓扑分类方法,1星型拓扑 结点通过点-点通信线路与中心结点连接，中心结点控制全网的通信 优点：容易在网络中增加新的站点，易于实现和管理 缺点：中心节点的故障会引起整个网络瘫痪。 2环型拓扑 结点通过点-点通信线路连接成闭合环路 优点：容易安装和监控 缺点：容量有限，网络建成后，难以增加新的站点 3环型拓扑 星型拓扑的扩展 结点按层次进行连接，信息交换主要在上、下结点之间进行，相邻及同层结点之间一般不进行数据交换或数据交换量小 汇集信息的应用要求 4网状拓扑 结点之间的连接是任意的，没有规律 优点：系统可靠性高， 缺点：结构复杂，必须采用路由选择算法与流量控制方法 广域网基本上都是采用网状拓扑构型,2.2.5 描述计算机网络传输特性的参数,数据传输速率 误码率 带宽与数据传输速率关系,数据传输速率,在数值上等于每秒钟传输的构成数据代码的二进制比特数，又称比特率 单位为比特/秒，记作b/s、bit/s或bps 对于二进制数据，数据传输速率可定义为： S=1/T 常用的数据传输速率的单位还有Kbps、Mbps、Gbps和Tbps。换算关系： 1Kbps=1103bps 1Mbps=1106bps 1Gbps=1109bps 1Tbps=11012bps,带宽与数据传输速率关系,带宽：某个信号具有的频率宽度，单位是赫兹（Hz）。 “带宽”和“速率”几乎成了同义词 通信信道最大传输速率与信道带宽之间存在着明确的关系： 奈奎斯特准则 香农定理,带宽与数据传输速率关系(续),奈奎斯特准则 描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系 二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽（B=f，单位HZ）的关系为： 例如，对于二进制数据，若B=3 000Hz，则最大数据传输速率Rmax=6 000bps。,带宽与数据传输速率关系(续),香农定理 描述了有限带宽、有随机热噪声信道时，最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系： 其中：Rmax:数据最大传输速率，单位是bps B:信道带宽，单位是Hz S/N:信号与噪声功率比 例如：信道带宽B=3000Hz，S/N=1 000，那么Rmax30kbps 。 香农定理给出了一个有限带宽、有热噪声信道的最大数据传输速率的极限值,误码率的定义,定义：二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，定义为: Pe = Ne / N 其中：N：传输总码元数；Ne：传输出错的码元 定义的理解： （1）误码率是衡量正常状态下传输可靠性的参数 （2）对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说，误码率越低越好。误码率越低，设备则越复杂，价格越贵 （3）误码率是二进制的比值。误码率的测试是一种统计数字，测试的值越多，越接近精确值 计算机网络中，误码率通常要求低于10-6 ，通信系统达不到，需要进行差错控制。,2.3分组交换技术,2.3.1 电路交换,在早期广域网的通信子网数据交换方式中，可以采用的方法基本可以分为两类：电路交换和存储转发交换。电路交换方式与电话交换的工作过程类似。电路交换的通信过程分为3个阶段。 线路建立阶段 数据传输阶段 线路释放阶段,2.3.1 电路交换(续),电路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会话类通信。 电路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率低，同时不具备数据存储能力和差错控制能力，不能平滑通信量，也无法发现和纠正传输过程中发生的差错。,2.3.2 存储转发交换,存储转发交换也是一种早期广域网中使用的数据交换方式。它将发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定的格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，负责完成数据单元的接收、差错验证、存储、路由选择和转发功能。 存储转发交换方式分为报文交换和报文分组交换。 报文交换中不控制数据的长度，在发送数据时，只把数据当作一个逻辑单元，在数据中加上目的地址、源地址与控制信息后，按一定格式打包后组成一个报文。 分组交换则限制数组的最大长度，源结点需要将一个长报文分成多个分组，由目的结点将多个分组按顺序重新组织成报文。,2.3.2 存储转发交换（续）,存储转发交换方式，它克服了电路交换方式的缺点，具有明显的优点。 通信子网的路由器可以存储分组，因此多个分组可以共享通信信道，线路利用率高。 路由器具有路由选择功能，可以动态选择分组通过通信子网的最佳路径，同时可以平滑通信量，提高系统的效率。 分组在通过通信子网中的每个路由时，都需要进行差错检查和纠错处理，因此可以减少传输错误，提供系统的可靠性。 路由器可以对不同通信速率的线路进行速率转换，也可以对不同的数据代码格式进行转换。,2.3.3 数据报方式和虚电路方式,1数据报方式 在数据报方式中，分组传输不需要预先在源主机和目的主机之间建立“线路连接”。源主机发送的每个分组都可以独立选择一条传输路径，每个分组在通信子网中可能通过不同的传输路径到达目的主机。 数据报方式具有以下特点： 同一报文的不同分组可能经过不同的传输路径通过通信子网。 同一报文的不同分组到达目的节点可能出现乱序、重复或丢失现象。 每个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址。 传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,2.3.3 数据报方式和虚电路方式（续）,2虚电路方式 虚电路方式试图将数据报和电路交换方式结合起来，发挥其各自的优点，以达到最佳的数据交换效果。 虚电路方式在分组发送前，在发送方和接收方之间建立一条逻辑连接的虚电路，在这点上与电路交换方式类似，工作过程分为3个阶段：虚电路建立阶段、数据传输阶段与虚电路拆除阶段。 在数据传输阶段，利用已经建立的虚电路以存储转发方式顺序传送分组，在这点上与数据报方式类似。,2.3.3 数据报方式和虚电路方式（续）,虚电路方式主要有以下特点。 在每次分组传输前，需要在源主机和目的主机之间建立一条逻辑电路，而不需要真正去建立一条物理连接。 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传递，因此分组中不必带目的地址、源地址等信息，分组到达目的结点时不会出现乱序、重复或丢失现象。 分组通过虚电路上的每个节点时，结点只需要进行差错校验，不需进行路由选择。 通信子网中的每个结点可以与任何结点建立多条虚电路连接。,2.4 网络体系结构与网络协议的基本概念,2.4.1 网络体系结构的基本概念,1网络协议 定义：为网络数据交换而制定的规则、约定与标准 三要素： 语法：用户数据与控制信息的结构和格式； 语义：需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应； 时序：对事件实现顺序的详细说明。,2.4.1 网络体系结构的基本概念(续),2网络体系结构 定义：计算机网络层次结构模型和各层协议的集合 体系结构是抽象的，实现是具体的 3层次结构模型 结构化设计方法 层次结构模型优点： 各层之间是独立的 设计灵活 结构上可分割开 易于实现和维护 能促进标准化工作 第一个计算机网络体系结构：IBM公司的SNA,2.4.2 ISO/OSI参考模型,OSI/RM Open System Interconnection Basic Reference Model，开放系统互连基本参考模型 分层的体系结构、三级抽象： 第一级抽象：体系结构 第二级抽象：服务定义 第三级抽象：协议规格说明 OSI/RM并不是一个标准，而只是一个概念性的框架,ISO划分七层结构的基本原则,网中各结点都具有相同的层次； 不同结点的同等层具有相同的功能； 同一结点内相邻层之间通过接口通信； 每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务； 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。,OSI参考模型的结构,OSI参考模型的结构,OSI参考模型各层的功能,物理层（Physical layer） 利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接； 透明地传送比特流。 数据链路层（Data link layer） 在通信的实体之间建立数据链路连接； 传送以“帧”为单位的数据； 采用差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。 网络层（Network layer） 通过路由算法，为分组通过通信子网选择一条最佳路径； 网络层要实现路由选择、拥塞控制与网络互连等功能。,OSI参考模型各层的功能(续),传输层（Transport layer） 向用户提供可靠的端到端（End-to-End）服务，透明地传送报文； 向高层屏蔽了下层数据通信的细节； 计算机通信体系结构中最关键的一层。 会话层（Session layer） 组织两个会话进程之间的通信，并管理数据的交换,OSI参考模型各层的功能(续),表示层（Presentation layer） 处理在两个通信系统中交换信息的表示方式； 数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等功能。 应用层（Application layer） 为应用程序提供了网络服务； 应用层需要识别并保证通信对方的可用性，使得协同工作的应用程序之间的同步； 建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制。,2.4.3 TCP/IP参考模型与协议,1TCP/IP参考模型与协议的发展过程 TCP/IPTransmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网协议 最早在ARPANET中使用 TCP/IP特点： 开放的协议标准，可以免费使用 独立于特定的网络硬件 统一的网络地址分配方案 标准化的高层协议,TCP/IP参考模型与层次,TCP/IP参考模型与层次(续),主机-网络层（Host-to-Network layer） 与OSI的数据链路层和物理层相对应 功能： 负责接收IP数据报并通过网络发送之 从网络口接收物理帧，装配成IP数据报上交给互连层 TCP/IP中并没有定义这一部分 可以连接不同的网络类型 局域网：如以太网、令牌环网、令牌总线网 公共数据网：如X.25、帧中继、DDN等,TCP/IP参考模型与层次(续),互连层（Internet layer） 相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务 主要功能： 处理来自传输层的分组发送请求； 处理接收的数据报； 处理互连的路径选择、流量控制与拥塞控制等问题。 主要协议： IP协议：互连层的核心协议； ICMP：因特网控制报文协议，用于差错控制； IGMP：Internet组管理协议 ； ARP：地址解析协议 ，负责将IP地址转换为物理地址； RARP反向地址解析协议，负责将物理地址转换IP地址。,TCP/IP参考模型与层次(续),互连层（Internet layer） 相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务 主要功能： 处理来自传输层的分组发送请求； 处理接收的数据报； 处理互连的路径选择、流量控制与拥塞控制等问题。 主要协议： IP协议：互连层的核心协议； ICMP：因特网控制报文协议，用于差错控制； IGMP：Internet组管理协议 ； ARP：地址解析协议 ，负责将IP地址转换为物理地址； RARP反向地址解析协议，负责将物理地址转换IP地址。,TCP/IP参考模型与层次(续),传输层（Transport layer） 对应于OSI参考模型的传输层 主要功能： 负责应用进程之间的端-端（End-End）通信； 在互联网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用于会话的端一端连接 主要协议： TCP：传输控制协议 一种可靠的、面向连接的、全双工的面向数据流的协议 UDP：用户数据报协议 一种不可靠的、无连接协议，差错与排序由应用层完成,TCP/IP参考模型与层次(续),应用层（Application layer） 对应于OSI参考模型的会话层、表示层和应用层 直接对用户服务 主要协议： 网络终端协议TELNET，用于远程登录； 文件传输协议FTP，用于实现互联网中交互式文件传输功能； 域名服务DNS，用于设备名字到IP地址映射； 电子邮件协议SMTP，用于电子邮件传送； 超文本传输协议HTTP，用于WWW服务； 简单网络管理协议SNMP，用于网络管理； ,TCP/IP协议簇,2.4.4 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较,共同点： 层次结构的概念 传输层功能相似 OSI参考模型主要缺陷： 模型的层次数量与内容不是最佳的选择 把“服务”与“协议”的定义结合起来使得模型变得很复杂 ，寻址、流量控制与差错控制在每一层重复出现，效率低 受到通信思想的支配，不适合计算机与软件的工作方式 TCP/IP参考模型主要缺陷： 在服务、接口与协议的区别上不清楚 在某些层次的划分上不够合理,2.5 互联网应用的发展,2.5.1 基于Web应用的发展,Web服务器中储存着各种形式的信息，从可执行程序和服务软件到文本、语音、图形和视频等。信息以页面的形式表示。Web页面由各种文件组成，这些文件包含如何显示信息的说明以及用户可以看到的最终结果。用户通过浏览器可以方便地观看Web页面中的内容。 为了支持各种基于Web的网络应用，网络必须具有足够的带宽、良好的服务质量和完善的安全机制，以满足电子政务、电子商务、远程教育、远程医疗、分布式计算、数字图书馆与视频点播的不同应用需求。一部分仍叫做ARPANET，用于进一步的研究工作；,2.5.2 搜索引擎技术的发展,搜索引擎是运行在Web上的应用软件系统。互联网中信息种类多、覆盖范围广，在信息海洋中要获取想要的信息不可能完全使用人工方法完成，需要借助于互联网中的搜索引擎技术。最初人们通过使用匿名访问的FTP站点的方式来共享信息资源。1990年麦基尔大学的研究人员在开发了一个软件Archie，以便于人们在FTP资源中找到所需的信息。Archie被公认为现代搜索引擎技术的鼻祖。 现代搜索引擎的思路源于Web Wanderer。Web Wanderer由Matthew Gray于1993年开发，是世界上第一个利用HTML网页之间的链接关系来检测Web发展规模的“robot程序”。由于它通过在Web中沿超链接“爬行”的方式实现检索功能，因此这种程序也称为“蜘蛛”。目前，常用的搜索引擎有Google、百度、天网等。,2.5.3 播客技术的应用,播客是基于互联网的数字广播技术之一。根据节目类型的不同，播客可以分为3类：传统广播节目的播客、专业播客提供商和个人播客。传统广播节目的播客中提供的内容是经过编辑后的电视节目、网络广播等；专业播客提供商作为信息服务业的新业态出现，提供各种节目供播客用户下载；个人播客使用麦克风、视频头与计算机将自己的生活感悟记录下来，作为个人音频版的日记传输到播客共享空间与网友共享。 由于播客技术继承了传统播音的大众性，同时增加收听节目的灵活性，听众选择节目与参与节目的主动性、互动性，因此很快得到年轻人的青睐。2004年8月诞生了世界上第一个专业的播客网站“每日源代码”；2004年底，中国第一个播客网站“土豆网”诞生。,2.5.4 博客技术的应用,博客即网络日志，是指以文章的形式在互联网上实现信息共享。提供博客服务的网站会为博客使用者开辟一个共享空间，使用户可以使用文字、视频、图片或链接建立自己的个性化信息共享空间。 现实意义的博客是从20世纪90年代中后期开始的。最早的博客软件是由Blogger公司的前身Pyra公司开发的，1999年在网上公布了免费的Blogger程序，并得到广泛的认同和支持。2000年，博客成为网络社会的一个热点话题。博客作为在网络中人与人之间交流的一种新的、重要的形式，受到全社会的关注。2002年8月，博客中国网站出现。,2.5.5 网络电视,网络电视是通过宽带IP网络传输的，可以实行与用户的互动点播，同时也可以方便地将传统的电视服务与WWW、E-mail以及其他的互联网服务功能结合起来。 从2004年，全球网络电视（IPTV）市场持续发展，中国电信与中国网通开始进入IPTV领域。2005年，国家广播电视局正式在国内发放第一张IPTV业务经营许可证。,2.5.6 P2P技术,P2P网络淡化服务提供者与服务使用者之间的界限，彼此接连的计算机之间处于一种对等的地位，整个网络一般不依赖于专