网络与通信技术-1 导论.ppt

1 网络技术与通讯 授课老师 汪长城 2 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章网络互联与因特网基础第5章因特网的应用第6章计算机局域网络第7章常用网络设备 3 参考教材冯博琴等 计算机网络 第2版 高等教育出版社 2008 11谢希仁 计算机网络 第5版 电子工业出版社 2008 1注 本课程电子教案主要参考两本教材的配套电子教案 课程情况教学 24学时实验 8学时考核 实验 包括平时考勤 30 期末考试70 4 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系统的组成计算机网络的分类计算机网络的主要性能指标计算机网络技术的发展趋势 第1章引论 5 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 早期的计算机应用模式 单机大 中 小型机 庞大 昂贵 资源无法共享计算机构成了一个个的信息 孤岛 1 1计算机网络的的产生和发展 6 1 1计算机网络的的产生和发展 60年代初 美国国防部领导的远景研究规划局ARPA提出要研制一种生存性很强的网络 传统的电路交换的电信网有一个缺点 正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁 则整个通信电路就要中断 如要改用其他迂回电路 必须重新拨号建立连接 这将要延误一些时间 1969年 美国国防部高级研究计划管理局 ARPA 开始建立一个命名为ARPAnet的网络 在ARPAnet上首先实现了以资源共享为目的不同计算机互连的网络 它奠定了计算机网络技术的基础 成为今天因特网的前身 7 早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源 分组交换网则是以网络为中心 主机都处在网络的外围 用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源 1 1计算机网络的的产生和发展 8 IP网络 当部分结点或链路被摧毁时分组交换仍可保持网络畅通 路由器 9 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 1 1计算机网络的的产生和发展 10 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 1 1计算机网络的的产生和发展 11 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 FrontEndProcessor FEP 通信任务分离 12 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 1 1计算机网络的的产生和发展 13 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 问题 CCP和HOST的职责分别是什么 14 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 问题 请举出生活中与这种网络概念相似的例子 15 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 PublicSwitchedTelephoneNetwork 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 16 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 70 s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 17 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 1 1计算机网络的的产生和发展 18 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 ISOOSI RM OpenSystemInterconnection RecommendedModel 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 WHATTODO 而未规定怎样做 HOWTODO 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 1 1计算机网络的的产生和发展 19 因特网 Internet 的产生60年代开始 美国国防部的高级研究计划局ARPA AdvanceResearchProjectsAgency 建立阿帕网ARPANet 向美国国内大学和一些公司提供经费 以促进计算机网络和分组交换技术的研究 1969年12月 ARPANet投入运行 建成了一个实验性的由4个节点连接的网络 到1983年 ARPANET已连接了三百多台计算机 供美国各研究机构和政府部门使用 1983年 ARPANet分为ARPANet和军用MILNET MilitaryNetwork 两个网络之间可以进行通信和资源共享 由于这两个网络都是由许多网络互连而成的 因此它们都被称为Internet ARPANet就是Internet的前身 1 1计算机网络的的产生和发展 20 因特网 Internet 的产生1986年 NSF 美国国家科学基金会 NationalScienceFoundation 建立了自己的计算机通信网络 NSFnet将美国各地的科研人员连接到分布在美国不同地区的超级计算机中心 并将按地区划分的计算机广域网与超级计算机中心相连 实际上它是一个三级计算机网络 分为主干网 地区网和校园网 覆盖了全美国主要的大学和研究所 最初 NSFNet的主干网的速率不高 仅为56kbps 在1989 1990年 NSFNet主干网的速率提高到1 544Mbps 并且成为Internet中的主要部分 NSFnet逐渐取代了ARPANet在Internet的地位 到了1990年 鉴于ARPANet的实验任务已经完成 在历史上起过重要作用的ARPANet就正式宣布关闭 1 1计算机网络的的产生和发展 21 因特网 Internet 的发展随着NSFnet的建设和开放 网络节点数和用户数迅速增长 以美国为中心的Internet网络互联也迅速向全球发展 世界上的许多国家纷纷接入到Internet 使网络上的通信量急剧增大 1992年 Internet上的主机超过1百万台 1993年 Internet主干网的速率提高到45Mbps 到1996年速率为155Mbps的主干网建成 1999年MCI和WorldCom公司将美国的Internet主干网速率提高到2 5Gbps 到1999年底 Internet上注册的主机已超过1千万台 1 1计算机网络的的产生和发展 22 因特网 Internet 的发展Internet的迅猛发展始于20世纪90年代 由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW被广泛使用在Internet上 大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用 成为Internet发展的指数级增长的主要驱动力 WWW的站点数目也急剧增长 1993年底只有627个 1994年底就超过1万个 1996年底超过60万个 1997年底超过160万个 而1999年底则超过了950万个 上网用户数则超过2亿 Internet上的数据通信量每月约增加10 1 1计算机网络的的产生和发展 23 我国互联网当前发展状况截至2010年6月 我国总体网民规模达到4 2亿 截至2010年6月 我国IPv4地址数量达到2 5亿 落后于4 2亿网民的需求 目前 我国IPv6地址达到395块 326 较去年年底增长332块 32 在全球排名第13位 作为互联网上的 门牌号码 IPv4地址资源正临近枯竭 互联网向IPv6网络的过渡势在必行 预计全球IPv4地址最快将在2011年8月耗尽 向IPv6地址过渡是大势所趋 中国进行大规模IPv6网络部署势在必行 1 1计算机网络的的产生和发展 24 中国网民规模与普及率 引自 中国互联网络发展状况统计报告 2010年7月 25 引自 中国互联网络发展状况统计报告 2010年7月 存在 宽带不宽 的问题 我国平均上网速度 只有857kbps 手机上网网民规模对比图 中国宽带网民规模对比图 26 2006 12 2010 06中国IPv4地址资源变化情况 截至2010年6月 我国IPv4地址数量达到2 5亿 落后于4 2亿网民的需求 目前 我国IPv6地址达到395块 326 较去年年底增长332块 32 在全球排名第13位 预计全球IPv4地址最快将在2011年8月耗尽 向IPv6地址过渡是大势所趋 中国进行大规模IPv6网络部署势在必行 引自 中国互联网络发展状况统计报告 2010年7月 IPv6地址中的 32是IPv6的地址表示方法 对应的地址数量是2 128 32 296个 27 2009 12 2010 06各类网络应用使用率及增长率 引自 中国互联网络发展状况统计报告 2010年7月 28 网络安全和信任环境 半年内是否遇到病毒或木马攻击 半年内是否遇到账号或密码被盗 2010上半年有59 2 的网民在使用互联网过程中遇到过病毒或木马攻击 遇到该类不安全事件的网民规模达到2 5亿人 有30 9 的网民账号或密码被盗过 网络安全的问题仍然制约着中国网民深层次的网络应用发展 引自 中国互联网络发展状况统计报告 2010年7月 29 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系统的组成计算机网络的分类计算机网络的主要性能指标计算机网络技术的发展趋势 30 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 1 2计算机网络的概念 31 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 32 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 1 2计算机网络的概念 33 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 34 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 35 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系统的组成计算机网络的分类计算机网络的主要性能指标计算机网络技术的发展趋势 36 数据通信 CommunicationMedium 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 ResourceSharing 软件 硬件 数据 数据库 提供高可靠性服务 HighReliability 利用可替代的资源 提供连续的高可靠服务节省投资 SavingMoney 替代昂贵的大中型机系统分布式处理 DistributedProcessing 1 3计算机网络的功能 37 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系统的组成计算机网络的分类计算机网络的主要性能指标计算机网络技术的发展趋势 38 一般而论 计算机网络有三个主要组成部分 若干个主机 它们各为用户提供服务 一个通信子网 它主要由结点交换机和连接这些结点的通信链路所组成 一系列的协议 为了便于分析 按照数据通信和数据处理的功能 一般从逻辑上将网络分为通信子网和资源子网两个部分 如下图所示 1 4计算机网络系统的组成 39 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 1 4计算机网络系统的组成 40 1 4计算机网络系统的组成 在现代的广域网结构中 随着使用主机系统用户的减少 资源子网的概念已经有了变化 目前 通信子网由交换设备与通信线路组成 它负责完成网络中数据传输与转发任务 交换设备主要是路由器与交换机 随着微型计算机的广泛应用 连入局域网的微型计算机数目日益增多 它们一般通过路由器将局域网与广域网相连结 41 1 4计算机网络系统的组成 从组网的层次角度看网络的组成结构 也不一定再是一种简单的平面结构 而可能变成一种分层的层次结构 如图所示的是一个典型的三层网络结构 最上层称为核心层 中间层称为分布层 最下层称为访问层 为最终用户接入网络提供接口 42 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系统的组成计算机网络的分类计算机网络的主要性能指标计算机网络技术的发展趋势 43 1 5计算机网络的分类 按地域范围分类局域网 LocalAreaNetwork 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 MetropolitanAreaNetwork MAN 范围 中等 100KM传输技术 宽带 基带拓扑结构 总线广域网 WideAreaNetwork 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 44 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系统的组成计算机网络的分类计算机网络的主要性能指标计算机网络技术的发展趋势 45 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 1 5计算机网络的分类 46 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 1 5计算机网络的分类 47 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 1 5计算机网络的分类 48 因特网的拓扑结构点 端接系统 PC 服务器 PDA等 交换 节点设备 路由器 集中器 交换机等 边 通信链路 光纤 线缆 无线链路等 因特网服务提供商 ISP 提供网络接入 1 5计算机网络的分类 49 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 1 5计算机网络的分类 50 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系统的组成计算机网络的分类计算机网络的主要性能指标计算机网络技术的发展趋势 51 1 6计算机网络的主要性能指标 影响网络性能的因素有很多 如传输的距离 使用的线路 传输技术 带宽 对用户而言 则主要体现在所获得的网络速度不一样 计算机网络的主要性能指标是指带宽 吞吐量和时延 带宽带宽是通信信道的宽度 是信道频率上界与下界之间之差 是介质传输能力的度量 在传统的通信工程中通常以赫兹 Hz 为单位计量 在计算机网络中 一般使用每秒位数 b s或bps 作为带宽的计量单位 主要单位 kb s Mb s Gb s例如 传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特 它的带宽相应为10Mb s 52 1 6计算机网络的主要性能指标 时延信息从网络的一端传送到另一端所需的时间时延之和 处理时延 排队时延 发送时延 传播时延处理时延 分组首部和错误校验等处理时间排队时延 数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延 数据位数 信道带宽传播时延 d cd 距离 c 光速 53 时延带宽乘积某一链路所能容纳的比特数时延带宽乘积 带宽 传播时延例如 某链路的时延带宽乘积为100万比特 这意味着第一个比特到达目的端时 源端已发送了100万比特 链路 带宽 传播时延 体积 时延带宽乘积 54 往返时延 Round TripTime RTT 从信源发送数据开始 到信源收到信宿确认所经历的时间RTT 2 传播时延传输可靠性两个含义 数据能正确送达数据能有序送达 当采用分组交换时 55 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系统的组成计算机网络的分类计算机网络的主要性能指标计算机网络技术的发展趋势 56 1 7计算机网络技术发展趋势 计算机网络的支撑技术从系统的观点看 计算机网络是由单个结点和连结这些结点的链路所组成 单个结点主要是连入网内的计算机以及负责通信功能的结点交换机 路由器 这些设备的物理组成主要是集成电路 而集成电路的一个重要支撑就是微电子技术 网络的另一个组成部分就是通信链路 负责所有结点间的通信 通信链路的一个重要支撑就是光电子技术 为了对计算机网络的发展有所把握 我们首先要对计算机网络的两个重要的支撑技术 即微电子技术和光电子技术做深入探讨 57 1 7计算机网络技术发展趋势 计算机网络的关键技术上面我们从系统物理组成的角度分析了计算机网络的发展趋势 下面我们再从系统的层次结构对计算机网络做一分析 计算机网络架构的发展方向将是IP技术 光网络 光网络将会演进为全光网络 从网络的服务层面上看将是一个IP的世界 从传送层面上看将是一个光的世界 从接入层面上看将是一个有线和无线多元化的世界 为此 目前比较关键的技术主要有软交换技术 IPv6技术 光交换与智能光网络技术 宽带接入技术 3G以上的移动通信系统技术等 58 1 7计算机网络技术发展趋势 1 软交换技术为了把服务控制功能和网络资源控制功能与传送功能完全分开 需要应用软交换技术 根据新的网络功能模型分层 计算机网络将分为接入与传输层 媒体层 控制层 业务 应用层 也叫网络服务层 四层 从而可对各种功能作不同程度的集成 59 1 7计算机网络技术发展趋势 2 IPv6技术未来的计算机网络是基于IPv6技术的网络 现有的IPv4技术在地址空间方面有很大的局限性 已成为网络发展的最大障碍 此外 IPv4在服务质量 传送速度 安全性 支持移动性与多播等方面也有局限性 这些局限性妨碍着网络的发展 使许多服务与应用难以开展 60 1 7计算机网络技术发展趋势 3 光交换与智能光网络技术尽管波分复用光纤通信系统有巨大的传输容量 但它只提供了原始带宽 还需要有灵活的光网络节点实现更加有效与更加灵活的组网能力 当前组网技术正从具有上下光路复用 OADM 和光交叉连接 OXC 功能的光联网向由光交换机构成的智能光网络发展