计算机通信与网络 Chapter1_INTRODUCTION.ppt

计算机通信与网络 Chapter1INTRODUCTION 概述 计算机网络的基本概念计算机网络的应用网络硬件网络软件参考模型网络实例网络标准化 计算机网络的基本概念 计算机网络的形成和发展计算机网络的定义计算机网络的组成计算机网络的分类计算机网络的拓扑结构 计算机网络的形成与发展 1 一 具有通信功能的单机系统基本思想 在计算机上设置一个通信装置使其增加通信功能 将远地用户的输入输出装置通过通信线路 模拟的或数字的 直接与计算机的通信控制装置相连 二 具有通信功能的多机系统面向终端的计算机通信网存在的缺点 1 主机系统的负荷较重 它既要承担数据处理任务 又要承担通信任务 2 通信线路的利用率低 计算机网络的形成与发展 2 在多机互连系统中 为了减轻主机负担 使用前端机专门负责与终端的通信 并采用集中器将附近的多个终端经低速线路汇集 再经高速线路送往前端机 由于前端机和终端都由计算机构成 故称多机互连系统 计算机网络的形成与发展 3 三 计算机通信网络计算机通信网络以通信子网为中心 主机和终端都处在网络的外围 它们构成了用户资源子网 用户不仅共享通信子网的资源 而且还共享用户资源子网的硬件 软件及信息资源 计算机网络的形成与发展 4 四 以Internet为代表的计算机网络其主要标志 1 网络体系结构标准化2 广域和大规模 覆盖全球3 局域网普及4 网络业务综合化 多媒体 交互式5 网络管理智能化发展趋势 1 通信的形式从听觉为主到视觉为主 2 通信传输信号从模拟为主到数字为主 3 通信传输手段从低速电话线为主到高速宽带为主 4 通信设备向模块化 微型化发展 计算机网络的形成与发展 5 返回 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合实现远程信息处理或资源共享的系统 计算机网络是用通信设备和通信线路将分散在不同地点的有独立功能的多个计算机系统互相连接起来 并按照网络协议进行数据通信 实现资源共享的计算机集合 计算机网络的定义 返回 计算机网络由通信子网和资源子网组成 通信子网的主要功能 完成数据传输 交换和通信控制 通信子网由硬件和软件构成 资源子网 用户子网 的主要功能 负责全网的数据处理业务 提供需要共享的硬件 软件和数据的资源和网络服务 包括计算机 终端 数据库及各种软件资源 计算机网络的组成 返回 一 按网络覆盖的地域范围进行分类1 局域网LAN2 城域网MAN3 广域网WAN二 按传输技术进行分类1 广播网络 Broadcast 2 点到点网络 Point to point 一般 局域网采用广播网络 广域网采用点到点网络 三 按网络中数据连路和交换系统的归属权进行分类1 公用网2 专用网 计算机网络的分类 返回 计算机网络的拓扑结构 在计算机网络中节点 计算机及其他设备 与通信链路相互连接的不同的几何形态 反映了计算机网络的物理结构形态 拓扑结构是决定计算机网络性质的关键要素之一 是实现各种网络协议的基础 它对网络性能 系统可靠性与通信费用都有较大影响 从网络拓扑看 计算机网络就是由一组节点组成的系统 节点分为两类 一类是交换节点 如集中器 通信处理机等 另一类是访问节点 如终端 主机等 是用户访问计算机网络的节点 链路是指两个节点之间的通信线路 计算机网络的拓扑结构 1 返回 1 星型结构每个节点均以一条单独的链路连接到一个中心节点 中心节点控制全网的通信 任何两节点之间的通信都要通过中心节点 该中心节点通常叫做集线器 Hub 星型结构的优点 结构简单 易于实现 便于管理 从终端到中心节点的平均延时较小 缺点 中心节点是全网可靠性的瓶颈 中心节点的故障可造成全网瘫痪 成本较高 因通信线路总长度较长 计算机网络的拓扑结构 2 返回 2 树型结构树型结构中 节点按层次进行连接 信息交换主要在上 下节点之间进行 相邻及同层节点之间一般不进行数据交换或数据交换量小 树型结构是星型结构的扩展 适用于汇集信息的要求 与星型结构相比 树型结构的最大优点是成本较低 通信线路总长度较短 但结构较复杂 与中心节点相连的链路有故障时影响较大 计算机网络的拓扑结构 3 返回 3 网格型结构在网格型结构中 节点之间的连接是任意的 没有规律 每个节点至少有两条线路与其他节点相连 当任何一条链路发生故障时 数据可由其他链路通过 可靠性较高 数据流动的方向也可任意 但结构复杂 管理复杂 必需采用路由算法与流量控制方法 实际存在和使用的广域网基本上都采用网格型结构 计算机网络的拓扑结构 4 返回 4 环型结构在环型结构中 节点通过链路连接成闭合环路 环中数据将沿一个方向逐点传送 线路是公用的 环型结构简单 传输延时确定 但环的维护及管理都较复杂 在环型结构中 无路径选择问题 多用于局域网 计算机网络的拓扑结构 5 返回 5 总线型结构总线型结构采用单一信道作为传输介质 所有站点通过专门的连接器接到称为总线的公共信道上 采用基带传输 任何一个站点发送的信息可沿总线向两个方向扩散 并能被总线上的每一个站点所接收 任何时刻只允许一个节点占用线路 多用于局域网 总线型结构的优点 结构简单 容易实现 易于扩展 可靠性好 缺点 故障检测和隔离较困难 总线负载能力有限 计算机网络的拓扑结构 6 返回 计算机网络的应用 商业应用家庭应用移动用户社会问题 商业应用 1 由两台客户机和一台服务器构成的网络 商业应用 2 含有请求和应答的客户机 服务器模型 商业应用 3 资源共享电子邮件视频会议电子商务通过Internet与客户进行交易 家庭应用 1 访问远程信息个人之间通信交互式娱乐电子商务 家庭应用 2 在对等系统中 没有固定的客户和服务器 家庭应用 3 电子商务的一些形式 移动用户 无线网络和移动计算的组合 网络硬件 1 传输技术网络作用范围 距离 网络硬件 2 目前普遍使用的传输技术有两种 分别是 1 广播式链接 Broadcastlinks 2 点到点链接 Point to pointlinks 网络硬件 3 广播网络 只有一个通信信道 网络中所有节点共享该信道 任何一个节点发送到网络中的分组 packet 信息都可以被网中其他节点接收 每个节点可以直接接收来自网络中任意一个节点发送的分组信息 多用于局域网 点到点网络 由许多连接构成 每一个连接对应一对节点 在这种网络中 为了将分组从源端传送到目的端 该分组可能要经过一个或多个中间节点 多用于广域网 网络硬件 4 按照网络的物理范围 距离 进行分类 网络硬件 5 局域网LAN 1 局域网的特点 1 覆盖的地理范围小 一般为数百米至数公里 2 数据传输率较高 如10Mbps 100Mbps等 3 具有较低的时延和较低的误码率 误码率一般在10 8 10 11之间 4 能进行广播 一站向其他所有站发送 或多播 一站向多站发送 也称为组播 来传送信息 5 共享传输媒体 对共享媒体而产生的争用问题 采用媒体访问控制技术来处理 网络硬件 5 局域网LAN 2 局域网的关键技术是 1 网络的拓扑结构 总线型 环型 星型 2 传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤 3 布局 设计 线性或星型 4 介质访问控制技术 CSMA CD或令牌 Twobroadcastnetworks a Bus 总线型 b Ring 环型 网络硬件 5 局域网LAN 3 网络硬件 5 城域网MAN 1 MAN是介于LAN和WAN之间的一种高速网络 MAN基本上是LAN的扩展 通常采用相似的技术 其覆盖范围为几十公里 传输速率为1Mbps以上 MAN能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 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 网络硬件 5 城域网MAN 2 基于有线电视的城域网 网络硬件 5 广域网WAN 1 WAN的作用范围从几十公里到几千公里 WAN可覆盖一个国家 地区或横跨几个洲 形成国际性的远程网络 WAN的通信子网主要使用分组交换技术 WAN的通信子网可以利用公用分组交换网 卫星通信网 无线分组交换网 将分布在不同地区的LAN或计算机系统互连起来 达到资源共享的目的 通信子网 subnet 一般由两个独立的部分组成 传输线 transmissionline 和交换单元 switchingelement 分组交换 Packet Switched 采用 存储 转发 store and forward 的方式进行交换 网络硬件 5 广域网WAN 2 广域网上的主机与子网的关系 网络硬件 5 广域网WAN 3 从发送方到接收方的分组流 网络硬件 5 无线网络 1 无线网络可以分为三大类 1 系统互连2 无线LAN3 无线WAN 网络硬件 5 无线网络 2 a 蓝牙配置 b 无线LAN 网络硬件 5 无线网络 3 a 独立的移动计算机 b 一个飞行中的LAN 网络硬件 5 家庭网络 1 家庭网络的类型 1 计算机 桌面PC 笔记本PC PDA 共享的辅助设备 2 娱乐 电视 DVD VCR 便携式摄像机 照相机 立体声音响 MP3 3 电信 电话 移动电话 对讲电话 传真 4 家用电器 微波炉 电冰箱 钟 烤炉 空调 灯 5 遥测设备 电表 烟雾报警器 防盗自动警铃 自动调温器 婴儿监视器 网络硬件 5 家庭网络 2 家庭网络的特性 1 网络与设备必须易于安装 2 网络与设备必须易于操作 3 低的价格 4 网络必须具备足够的传输能力 5 必须能够启动一个或两个设备 并逐渐扩大网络的范围 6 安全性和可靠性非常重要 网络硬件 5 互联网 通过一个WAN将多个LAN连接起来形成互联网 gateway 网关 网络软件 协议层次各层的设计问题面向连接与无连接的服务服务原语服务与协议的关系 网络软件 协议层次 1 协议为了在计算机网络中实现资源共享以及进行信息交换 各个通信节点必须遵守一些事先约定好的规则 这些规则明确规定了所交换数据的格式及同步问题 对通信实体间交流什么 怎样交流及何时交流等细节作出了说明 这些规则的集合称为协议 简言之 为网络数据交换而制定的规则 约定与标准的集合称为协议 网络软件 协议层次 2 协议的组成协议由以下三部分组成 三个组成要素 1 语法 定义了如何通信 报文的组织形式 即 用户数据与控制信息的结构和格式 2 语义 定义了通信的内容 哪些是控制信息 哪些是真正的数据信息 3 计时 时序 定义了何时进行通信 是同步传输还是异步传输 包括速度匹配和排序等 网络软件 协议层次 3 协议的功能1 分割和重新组合 将较大的数据单元分成较小的数据包 相反的过程则称为重新组合 2 寻址 有关设备的彼此识别 3 封装 增加一定的控制信息 将数据封装在数据包中进行传送 4 排序 保证数据递交的正确顺序 最简单的方法是将数据按发送顺序进行编号 到达终点后按编号进行排序 5 信息流控制 防止发送方发送数据的速度大于接收方接收数据的速度 6 错误控制 发现传输中的错误并采取相应的处理方法 7 同步 保持收 发双方对数据传输单元的一致性 8 多路传输 多路信息共享信道 以提高信道的利用率及降低网络的通信费用 9 连接控制 控制通信实体之间建立和拆除连接的过程 网络软件 协议层次 4 协议分层的基本原则1 网络中的每一节点都具有相同的分层结构 在相邻层间有一个定义清晰的接口 interface 该接口定义了下层向上层提供的原语操作和服务 2 每一层完成一组特定的有明确含义的协议功能 并尽可能地减少在相邻层间传递信息的数量 3 同一节点中的每一层能够同相邻层通信 但是不能跨层通信 两个节点间的通信 除物理层 最低层 为水平通信外 其它各层都是垂直通信 即网络中各个节点之间的直接接口 只能是物理层 网络软件 协议层次 5 层 协议和接口 网络软件 协议层次 6 网络体系结构在一个网络中 所有层次及其协议的集合称为网络体系结构 协议栈 protocolstack 一个特定的系统所使用的一组协议称为协议栈 网络软件 各层的设计问题 编址 addressing 差错控制 errorcontrol 流量控制 flowcontrol 多路复用 multiplexing 路由 routing 网络软件 面向连接与无连接的服务 1 面向连接的服务提供可靠的数据传输服务 数据传输必须经历建立连接 数据传送和释放连接三个阶段 无连接的服务提供不可靠的数据传输服务 网络软件 面向连接与无连接的服务 2 服务类型及实例 网络软件 服务原语 1 一个服务通常是由一组原语 primitive 操作来描述的 用户进程通过这些原语操作可以访问该服务 这些原语告诉该服务执行某个动作 或者将某个对等体所执行的动作报告给客户 哪些原语可以使用取决于所提供的服务 对于面向连接服务的原语和无连接服务的原语是不同的 网络软件 服务原语 2 实现一个简单的面向连接服务的5个服务原语 网络软件 服务原语 3 在一个面向连接的网络中 简单的客户 服务器交互过程中发送的分组 网络软件 服务与协议的关系 1 服务是指某层向它上层提供的一组原语 操作 服务定义了该层执行哪些操作 并不涉及如何实现这些操作 服务与两层之间的接口有关 其中下层是服务提供者 上层是服务的用户 协议是一组规则 用来规定同一层上的对等实体之间所交换的消息或分组的格式和含义 实体利用协议定义服务 协议是可变的 而服务是不变的 服务涉及到层之间的接口 而协议涉及不同机器上对等实体之间发送的分组 服务是垂直的 协议是水平的 网络软件 服务与协议的关系 2 层次 接口 服务及协议的关系 参考模型 OSI参考模型TCP IP参考模型OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 参考模型 OSI参考模型 1 OSI参考模型 参考模型 OSI参考模型 2 物理层物理层与物理传输媒体直接相关 它定义了设备间的物理接口以及数字比特的传送规则 物理层有四个主要特性 机械特性 电气特性 功能特性和规程特性 其中 前两种特性为传输媒体提供物理接口 并定义比特流在物理链路上的传输特性 后两种特性定义了物理链路建立 维持 和拆除的方法 基本传输单元为数字比特 二进制位 参考模型 OSI参考模型 3 数据链路层数据链路层提供了在相邻两节点之间的线路上无差错地传送一帧数据的功能 每一帧除了数据信息外 还包括地址 同步 差错控制 流量控制等信息 基本传输单元为数据帧 参考模型 OSI参考模型 4 网络层网络层将数据分成一定长度的分组 使之穿过通信子网从信源送至信宿 网络层的功能包括路由选择 拥塞控制等 当分组需要跨越多个网络才能到达目的地时 还要解决网络互连的问题 网络层提供的服务使上层不需要了解网络中的数据传输和交换技术 基本传输单元为分组 参考模型 OSI参考模型 5 传输层传输层是第一个端 端 主机 主机 层 它利用低三层所提供的服务向高层提供可靠的端到端的透明数据传送 传输层中信息的传送单位是报文 当报文较长时先把它分成若干个分组 然后交给下一层进行传输 基本传输单元为报文 参考模型 OSI参考模型 6 会话层会话层负责在两个进程之间建立 组织和同步会话 解决进程之间会话的具体问题 如会话活动管理等 对于长时间的数据传输 会话层允许在数据流中插入若干同步点 一旦数据传输因故中断 可从最近的一个同步点继续进行 所谓会话 通常是指各种服务 包括对话控制 dialogcontrol 令牌管理 tokenmanagament 及同步功能 synchronization 参考模型 OSI参考模型 7 表示层表示层负责定义信息的表示方法 并向上层提供一系列的信息转换 使两个系统使用共同的语言进行通信 表示层的主要服务有 信息压缩 数据转换 数据加解密等 参考模型 OSI参考模型 8 应用层应用层是OSI参考模型的最高层 包含了各种协议 直接为用户 用户进程 访问OSI环境提供一种手段 应用层包括了各种公共应用程序 如电子邮件 文件传输 远程登录等 并提供网络管理功能 基本传输单元为文件 程序 参考模型 TCP IP参考模型 1 TCP IP参考模型 参考模型 TCP IP参考模型 2 TCP IP模型分为四层 与OSI模型的对应关系如下 参考模型 TCP IP参考模型 3 网络接口层 TheHost to NetworkLayer 网络接口层是TCP IP的最低层 该层负责接收IP数据报并通过网络发送出去 或者从网络上接收物理帧 抽出IP数据报 交给IP层 这层和物理网络的具体实现有关 各物理网络可使用自己的数据链路层协议和物理层协议 因此TCP IP协议可以运行于当前几乎所有物理网络之上 参考模型 TCP IP参考模型 4 网际层 网络互连层TheInternetLayer 网际层主要解决计算机到计算机的通信问题 其功能包括 处理来自传输层的分组发送请求 将分组装入IP数据报 填充报头 选择通往信宿的路径 通过网络接口层将数据报发出 对接收的数据报进行处理 去掉报头传给传输层或转发该数据报 处理ICMP InternetControlMessageProtocol 报文 解决路径 流量控制 差错控制 拥塞控制等问题 参考模型 TCP IP参考模型 5 网际层 网络互连层TheInternetLayer 该层的核心协议为IP InternetProtocol 协议 其任务是通过互联网传送数据报 其它协议提供IP协议的辅助功能 协助IP协议更好地完成数据报的传送 有 地址转换协议ARP AddressResolutionProtocol 逆向地址转换协议RARP ReverseAddressResolutionProtocol 网际控制报文协议ICMP 参考模型 TCP IP参考模型 6 传输层 TheTransportLayer TCP IP传输层的作用是提供应用程序间 端到端 的通信服务 该层提供两个协议 传输控制协议TCP TransportControlProtocol 和用户数据报协议UDP UserDatagramProtocol TCP是一个可靠的 面向连接的协议 提供高可靠的数据传送服务 主要用于一次传送大量报文 UDP是一个不可靠的 无连接的协议 提供高效率的数据传送服务 用于一次传送少量的报文 其可靠性由应用程序提供 UDP的价值在于它的高效率 且UDP比TCP要简单得多 参考模型 TCP IP参考模型 7 应用层 TheApplicationLayer TCP IP的最高层是应用层 为用户提供访问Internet的一组高层协议 在这一层有许多著名的协议 如文件传输协议FTP FileTransferProtocol 远程登录协议TELNET 简单邮件传输协议SMTP SimpleMailTransferProtocol 简单网络管理协议SNMP SimpleNetworkManagementprotocol 域名系统DNS DomainNameSystem 超文本传输协议HTTP HyperTextTransferProtocol 等 同时新的应用协议还在不断涌现 参考模型 TCP IP参考模型 8 TCP IP模型中早期的协议和网络 参考模型 OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 1 差别1 OSI模型将服务 接口和协议等概念明确地区分开来