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互联网体系结构 第一章计算机网络概述 计算机网络的概念 计算机网络的形成和发展 计算机网络的功能 计算机网络的分类 本章学习内容 计算机网络的应用以及在我国的现状 概述 工业经济时代 能源的流通 物质的流通网络 铁路网 航运网 高速公路网 能源的流通网络 输电网 石油天然气管道网 工业社会的基础设施 信息化时代 信息的存储和处理 计算机 信息的流通 通信和计算机网络 信息社会的基础设施 当前世界经济 工业经济 知识经济 信息化时代 当前经济的三大能源 物质 能源和信息 1 1计算机网络的产生与发展 计算机网络的发展大体上可以分为四个时期 在这期间 计算机技术和通信技术紧密结合 相互促进 共同发展 最终产生了今天的internet 1 以单台计算机为中心的远程联机系统 构成了面向终端的计算机网络 2 多个主机互连 并且各主机相互独立 无主从关系的计算机网络 3 具有统一的网络体系结构 遵循国际标准化协议的计算机网络 4 网络互联与高速网络 第一代计算机网络的诞生1946年产生第一台数字计算机1954年收发器终端的产生60年代初 由多重线路控制器参与组成的网络 被称为第一代计算机网络 1 1计算机网络的产生与发展 1 1计算机网络的产生与发展 1 面向终端的第一代计算机网络 诞生于20世纪50年代 由一台中央主机通过通信线路连接大量的地理上分散的终端 构成面向终端的通信网络 也称为远程联机系统 这是计算机网络的雏形 如图1 2所示 图1 2远程联机系统 50年代计算机 终端 以单个计算机为中心的远程连机系统 构成面向终端的计算机网络 第一代 面向终端的计算机网络 1 使用线路控制器的计算机网络 前置处理机fep 终端 中央主机 终端 多机系统 2 使用前端处理机的计算机网络 它将计算机从管理和处理通信的负担解脱出来 使计算机专门处理数据 第一代 面向终端的计算机网络 多机系统 3 使用集中器的计算机网络 在远程终端密集的地方使用的通信设备 它也属于一种前端处理机 低速连接终端 高速连接计算机 第一代 面向终端的计算机网络 1958年 美国半自动地面防空系统sage项目首次将计算机技术和通信技术结合起来 成为第一个联机数据通信系统 1963年建成的美国航空公司飞机定票系统sabrai 由一台在纽约的中央处理器和2000个遍布各地的终端组成 远程联机系统最突出的特点是 终端分布在各处并与主机相连 无独立的处理能力 单向共享主机的资源 硬件 软件 用户通过本地的终端使用远程的主机 所以称为面向终端的计算机网络 这种网络结构属集中控制方式 以单机为中心 主机是网络的中心和控制者 负荷较重 系统响应时间长 可靠性低 只提供终端和主机之间的通信 子网之间无法通信 在第一代计算机网络 人们着重于数据通信 第二代计算机网络的诞生1964年 baran提出存储转发概念1966年 david提出分组概念1969年 darpa的计算机分组交换网arpanet投入运行 1 1计算机网络的产生与发展 2 计算机 计算机网络阶段 以资源子网络为中心的计算机网络 随着计算机应用的发展以及计算机的普及和价格的降低 20世纪60年代后期 出现了多台计算机通过通信系统互连的系统 开创了 计算机 计算机 通信时代 这样分布在不同地点且具有独立功能的计算机就可以通过通信线路 彼此之间交换数据 传递信息 如图1 3所示 图1 3计算机网络系统 计算机 计算机 通信时代的典型代表 1969年 美国国防部高级研究计划局arpa提出研究网络arpanet的计划开始运行 1969年在美国四所著名的大学建成了具有4个节点的实验网 arpanet被开发成功之后 各个国家都开始投入大量的人力和物力研制计算机网络 例如 加拿大的datapac 法国的cyclandes 英国的npl 日本的jipnet 我国的cnpac arpanet对当代计算机网络的发展有着深远的影响 很多概念和思路被继承了下来 第二代计算机网络的主要特点是 多个计算机都具有自处理能力 计算机之间不存在主从关系 资源多向共享 分散控制 分组交换 采用专门的通信控制处理机 分层的网络协议 终端用户可以访问本地主机和通信子网上所有主机的软硬件资源 这些特点往往被认为是现代计算机网络的典型特征 但是这个时期的网络产品彼此之间是相互独立的 没有统一标准 第二代计算机网络侧重于资源共享 1977年osi参考模型的提出 标志着计算机网络进入到第三个阶段 物理层 osi7层模型 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 1 2 3 4 5 6 7 3 计算机网络互联阶段 以osi参考模型为基础的计算机网络 3 计算机网络互联阶段 以osi参考模型为基础的计算机网络 1984年 国际标准化组织iso internationalstandardsorganization 正式制订和颁布了 开放系统互联参考模型 简称osirm 即著名的osi七层模型 iso osirm已被国际社会所公认 成为研究和制订新一代计算机网络标准的基础 从此 网络产品有了统一标准 促进了企业的竞争 大大加速了计算机网络的发展 并使各种不同的网络互联 互相通信变为现实 实现了更大范围内的计算机资源共享 4 internet与高速网络阶段 宽带技术和多媒体技术相结合的计算机网络 目前计算机网络的发展正处于第四阶段 这一阶段计算机网络发展的特点是 互连 高速 智能与更为广泛的应用 internet是覆盖全球的信息基础设施之一 用户可以利用internet实现全球范围的信息传输 信息查询 电子邮件 语音与图像通信服务等功能 网络综合化与高速化网络 90年代 网络体系的演变过程 返回本章首页 返回本节首页 计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的 具有独立功能的许多计算机系统连接起来 按照某种协议进行数据通信 以实现资源共享的信息系统 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物 1 2计算机网络的定义 1 2 1什么是计算机网络 网络定义的四个要素 1 通信线路和通信设备2 有独立功能的计算机3 网络软件支持 协议 网络操作系统 网管软件 4 实现数据通信与资源共享 1 2计算机网络的定义 1 2 1什么是计算机网络 不同的人群对计算机网络的含义和理解是不尽相同 早期 人们将分散的计算机 终端及其外设 利用通信介质连接起来 能够实现相互的通信称作网络系统 1970年 在美国信息处理协会召开的春季计算机联合会议上 计算机网络定义为 以能够共享资源 硬件 软件和数据等 的方式连接起来 并且各自具备独立功能的计算机系统之集合 上述两种描述的主要区别是 后者强调计算机必须具备独立的功能 而且资源 文件 数据和打印机等 必须实现共享 图1 1两台计算机互连 简单的网络就是两台计算机互连 而复杂的计算机网络则是将全世界的计算机连在一起 网络传输信息示意图 从计算机网络组成角度来分 典型的计算机网络在逻辑上可以分为两个子网 资源子网和通信子网 实现网络通信功能的硬件及其软件的集合称为网络的通信子网 把网络中实现资源共享功能的硬件及其软件的集合称为资源子网 1 2 2通信子网和资源子网 通信子网与资源子网 通信子网主要承担全网的数据传输 转发 加工 转换等通信处理工作 为资源子网提供信息传送服务 是支持资源子网上用户之间相互通信的基本环境 它主要是由分组交换器pse 集线器 分组组装 拆卸设备pad 网络控制中心ncc 网关等组成 资源子网主要负责全网的数据处理业务 向全网用户提供所需的网络资源和网络服务 它主要由主机 终端以及软件资源和信息资源等组成 返回本章首页 返回本节首页 通信子网 资源子网 通信子网与资源子网 它用于实现分组交换 即接收从物理链路送来的分组 经过处理后 再根据分组中的目标地址选择一条最佳传输路径 将分组发往下一个节点 分组交换器通常就是计算机 又称节点交换机 通信子网与资源子网 用于实现从多路到一路 或从一路到多路的转换 以便多个终端共享信道 提高信道的利用率 通信子网与资源子网 它用于连接大量的同步和异步终端 1 组装 pad接收终端发来的字符流 将它们组装成适于在网络中传输的信息分组后送入网中 2 拆卸 pad接收从网络传来的分组 再根据分组中的目标地址 将分组拆卸成字符流后 送至相应的终端 通信子网与资源子网 它管理整个网络的运行 为网络的用户注册 登记和记帐 对网络中发生的故障进行检测 它也是由计算机来充当 通信子网与资源子网 用于实现各网络之间的互连 是网络之间的硬件和软件接口 实现信息格式变换和规程变换 通常也由计算机来充当网关 通信子网与资源子网 它是资源子网中的主体 主机中装有各种用户软件 数据库和各种工具软件 小至微机 大至巨型机 都可用作网络中的主机 通信子网与资源子网 它是用户与网络之间的接口 用户可以通过终端取得网络服务 终端输出是字符流 因此终端不能直接入网 而必须通过主机或pad 3 网络操作系统 nos 用于实现不同主机系统之间的用户通信 以及全网硬件和软件资源的共享 并向用户提供统一的 方便的网络接口 便于用户使用网络 4 网络数据库 网络数据库系统是建立在网络操作系统之上的一种数据库系统 网络软件系统和网络硬件系统是网络系统赖以存在的基础 1 3计算机网络的功能 计算机网络的主要功能归纳为 资源共享 提供人际通信手段 提高可靠性 节省费用 便于扩充 分担负荷及协同处理等方面 1 数据通信 基本功能 它为网络用户提供了强有力的通信手段 快速传输计算机与终端 计算机与计算机间的各种信息 包括文字 图片 声音 图像等 利用这一特点 可实现将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来 进行统一的调配 控制和管理 计算机网络的其他功能都是在数据通信功能基础之上实现的 例如发送电子邮件 远程登录 联机会议 www等 计算机网络的功能 数据通信 联网前 联网了 既省了软盘也省时间 联网后 计算机网络的功能 资源共享增加可靠性提高系统处理能力 1 3计算机网络的功能 2 资源共享 资源共享包括硬件 软件和数据的共享 它是计算机网络最有吸引力的功能 资源共享指的是网上用户能够部分或全部地使用计算机网络资源 使计算机网络中的资源互通 从而大大地提高各种硬件 软件和信息资源的利用率 3 均衡负荷与分布式处理 4 提高计算机系统的可靠性 负载均衡同样是计算机网络的一大特长 例如一个大型的icp 为了支持更多的用户访问它的网站 在全世界多个地方放置了相同内容的www服务器 通过一定技巧使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的页面 这样来实现各服务器的负荷均衡 实现分布处理的目的 此外 利用网络技术 还能将多台计算机连成具有高性能的计算机系统 以并行的方式共同来处理一个复杂的问题 这就是当今称之为协同式计算机的一种网络计算模式 计算机系统可靠性的提高主要表现在计算机网络中每台计算机都可以依赖计算机网络相互为后备机 一旦某台计算机出现故障 其它的计算机可以马上承担起原先由该故障机所担负的任务 避免了系统的瘫痪 从而使得计算机的可靠性得到了大大的提高 返回本章首页 返回本节首页 1 4计算机网络的分类 根据网络所采用的传输技术进行分类 1 广播 broadcast 方式 在广播信道中 多个结点共享一个通信信道 一个结点广播信息 其他结点必须接受信息 如总线网 环形网 微波卫星网等网络拓扑结构 工作方式 一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时 所有其他的计算机都会 收听 到这个分组 并根据检查目的地址是否与本结点地址相同 来决定接收还是丢弃 1 4计算机网络的分类 根据网络所采用的传输技术进行分类 2 点对点 point to point 方式 在点对点信道中 一个通信信道只能连接一个结点 如果两个结点之间没有直接连接的线路 那么它们只能通过中间结点转接 如星型网络 树型网络 网型网络等网络拓扑结构 工作方式 若两台主机之间没有直接连接的线路 则传输的分组通过中间结点接收 存储 转发 直至目的结点 如果存在的线路较多 还牵涉到路由选择 1 4计算机网络的分类 计算机网络最能反映网络技术本质特征的分类标准是网络的覆盖范围 按网络的覆盖范围可以将网络分为 局域网 lan 广域网 wan 城域网 man 1 局域网 lan localareanetwork 一般用微型计算机通过高速通信线路相连 数据传输速率较快 通常在10mbit s以上 但其覆盖范围有限 几米至几公里范围 适合部门或单位组建 可设置在一栋楼房 校园或宿舍区内 图1 4局域网结构示意图 按照网络的拓扑结构和传输介质 局域网通常可划分为以太网 ethernet 令牌环网 tokenring 光纤分布式数据接口 fddi 异步传输模式 atm 等 其中最常用的是以太网 将基于个人计算机的智能工作站连成局域网 可以共享文件相互协同工作 还可以共享磁盘 打印机等资源 这类网络的关键问题是连网的费用要低 若将大型计算机连成局域网也是一个广泛的应用领域 其关键是要提高办公室的效率 综合声音 图像 图形的多介质技术 使计算机网络的应用更加广泛 局域网 2 广域网 wan wideareanetwork 广域网是远距离 大范围的计算机网络 覆盖范围一般是几十公里 几千公里的广阔地理区域 如一个国家 洲际间 甚至全球建立的网络 主要连接不同地域的大型主机系统或局域网为目的 但数据的传输速率较低 误码率比局域网高 广域网结构如图1 5所示 图1 5广域网结构示意图 城域网 广域网 wan 是由相距较远的局域网或城域网互连而成 通常是除了计算机设备以外 还要涉及一些电信通讯方式 以下是主要的几种 公用电话网 pstn publicswitchedtelephonenetwork 速度9600bps 28 8kbps 需要异步调制解调器和电话线 投资少 安装调试容易 常常用拨号访问方式 通常 我们访问互联网多采用此种方式 综合业务数据网 isdn integratedservicedatanetwork 128kbps的基本接口 使用普通电话线但需要电信提供isdn业务 x 25网速度为9600bps 64kbp 采用冗余校验纠错 可靠性高 但速度慢 延迟时间长 帧中继 framerelay 速度为64kbps 2 048mbps e1标准 支持一点对多点的连接方式 分组交换 采用bursty技术 在传输信息量大的情况下可以超越传输线速度 广域网 wan 3 城域网 man metropolitanareanetwork 城域网的覆盖范围介于局域网和广域网之间 它可能是建立在大城市 大都市区域的计算机网络 地理范围一般为几公里 几十公里 城域网通常使用与lan相似的技术 二 按拓扑结构分类 计算机网络拓扑结构是把工作站 服务器等网络单元抽象为 点 把网络中的电缆等通信介质抽象为 线 就形成点和线的几何图形 从而抽象出网络系统的具体结构 称这种结构为计算机网络的 拓扑结构 什么是计算机网络拓扑结构 网络的拓扑结构 1 总线型拓扑结构2 星型拓扑结构3 环型拓扑结构4 网型拓扑结构5 树型拓扑结构 计算机网络的拓扑结构 星形 总线型 环型 计算机网络的拓扑结构 网状 树状 总线型 所有计算机都串接在一条传输线路上 1 总线型拓扑结构 总线型网络特点 1 各结点计算机地位相等 无中心结点 属于分布式控制 2 在通信的过程中每个计算机发出的信号都会通过总线广播到网络中的每一台计算机上 3 结构简单 扩充容易 可靠性较强 4 访问控制复杂 受总线长度限制而延伸范围小 星型拓扑 hub 网络中所有的计算机都有自己的独立的网线 并且所有的网线都集结到中央集线设备上 星型拓扑 星型拓扑结构的优点 所有的计算都有自己独立的线路所以传输速率快 10mbps 100mbps 1000mbps 易于故障诊断 网络稳定性好 扩展容易 星型网络的缺点 费用高 多了中央集线设备 布线难由于每台计算机都有自己的线路 所以节点一但增加 线数将是一个很大的问题 依赖中央节点 环型拓扑 指网络中所有的计算机都两两邻接而形成的一个封闭的电缆环路 信号会从发出信号的计算机出发 沿着环路一次流动直到回到出发的计算机 环型网络的特点由于该网络是一个封闭的环 所以要增加新的计算机比较困难 可靠性差 一点出现故障 影响整个网络 不易管理 环型网络可以实现大距离传输 故其使用于广域网 环型网络中数据传输一般采用令牌传递 网型拓扑 优点 节点间路径多 传输速率高 容错高 可靠性好 各节点通过传输线相互连接起来并任何一个节点都至少与其它两个节点相连 缺点 1 网络结构和协议复杂2 建网成本高 常用于广域网中 树型拓扑结构 树状 也叫做多级星状网络 由多个层次的星型结构纵向连接而成 树的每个结点都是计算机或转接设备 线路总长度短 成本低 结点易于扩充 但结构复杂 传输延迟大 6 混合型拓扑结构 各种拓扑的分析 1 总线型拓扑结构2 星型拓扑结构3 环型拓扑结构4 网型拓扑结构5 数型拓扑结构拓扑结构是网络组建和日后维护的基本资料 目前在lan中采用的星型较多 总结 从不同的角度对计算机网络进行分类 覆盖范围 lan man wan 逻辑功能 资源子网 通信子网 拓扑结构 总线 星形 环形 网形 树形 通信媒体 双绞线网络 同轴电缆网络 光纤网络 微波网络 卫星网络 应用范围 公用网和专用网 校园网 企业网 交换方式 电路交换 报文交换 分组交换 返回本章首页 返回本节首页 1 5计算机网络的应用以及在我国的现状 1 5 1计算机网络的应用 计算机网络应用在企事业单位中 计算机网络应用在个人信息服务中 计算机网络应用在商业中 1 信息高速公路 与 三金 工程 1 5 2计算机网络在我国的现状 信息高速公路 这一术语 是由美国前副总统戈尔在1991年提出的 这一划时代的提案 成为克林顿政府重振美国经济计划的重要组成部分 1993年9月 美国政府正式宣布的nii 即国家信息基础设施 发展计划 成为美国科学界到实业界最具有挑战的实践措施 它迅速传向世界 受到各国的重视 并引起强烈反响 各国纷纷规划实施本国的nii计划 信息高速公路是多种信息高速传输的网络系统 是一个交互式多媒体通信网络 它是以光纤为 路 以集电话 电脑 电视 传真等功能为一体 能传送语音 文字 图像等信息 以多媒体终端为 车 使信息的高速传输 共享和增值成为可能的设施 信息高速公路的含义 我国提出的 三金 工程计划是指 高速度 高准确度地传递数字化的多媒体信息新的方式存储大量数据开放型交互