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计算机网络原理与实用技术 教学内容 第1章计算机网络概论 1 1计算机网络发展概述1 2计算机网络的组成与功能1 3计算机网络的类型1 4计算机网络体系结构与协议1 5计算机网络技术发展趋势 1 1计算机网络发展概述 1 1 1计算机网络1 1 2计算机网络的演变和发展1 1 3信息社会对网络技术的挑战1 1 4信息高速公路必将加速网络技术的进一步发展 1 1 1计算机网络 计算机网络是现代计算机技术和通信技术密切结合的产物 是随社会对信息的共享和信息传递的要求而发展起来的 所谓的计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置不同的 功能独立的多个计算机系统互连起来 以功能完善的网络软件 如网络通信协议 信息交换方式以及网络操作系统等来实现网络中信息传递和资源共享的系统 这里所谓功能独立的计算机系统 一般指有CPU的计算机 1946 世界上第一台计算机Eniac 通信技术的发展 1 1 2计算机网络的演变和发展 1 联机系统所谓联机系统 即以一台中央主计算机连接大量在地理上处于分散位置的终端 所谓终端通常指一台计算机的外部设备 包括显示器和键盘 无中央处理器 CPU CentralProcessingUnit 和内存 随着连接的终端数增加 为了减轻中心计算机的负担 在通信线路和中心计算机之间设置了一个前端处理机FEP FrontEndProcessor 或通信控制器CCU CommunicationControlUnit 专门负责与终端之间的通信控制 出现了数据处理与通信控制的分工 以便更好地发挥中心计算机的处理能力 如图1 1所示的远程联机系统 1 1 2计算机网络的演变和发展 图1 1单计算机为中心的远程联机系统 1 1 2计算机网络的演变和发展 2 计算机互联网络20世纪60年代中期开始 出现了若干个计算机互连系统 开创了计算机 计算机通信的时代 随后各大计算机公司都陆续推出了自己的网络体系结构 以及实现这些网络体系结构的软件硬件产品 但这些网络也存在不少弊端 主要问题是各厂家提供的网络产品实现互连十分困难 这种自成体系的系统称为 封闭 系统 因此 人们迫切希望建立一系列的国际标准 渴望得到一个 开放 系统 这正是推动计算机网络走向国际标准化的一个重要因素 1 1 2计算机网络的演变和发展 第二阶段典型的计算机网络如图1 2所示 这一阶段计算机网络的主要特点是 资源的多向共享 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 这些特点往往被认为是现代计算机网络的典型特征 但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 1 1 2计算机网络的演变和发展 图1 2以多计算机为中心的网络逻辑结构图 1 1 2计算机网络的演变和发展 3 标准化网络20世纪70年代中期 计算机网络开始向体系结构标准化的方向迈进 即正式步入网络标准化时代 20世纪80年代 随着微机的广泛使用 局域网获得了迅速发展 美国电气与电子工程师协会 IEEE 为了适应微机 个人计算机 PC 以及局域网发展的需要 于1980年2月在旧金山成立了IEEE802局域网络标准委员会 并制定了一系列局域网络标准 在此期间 各种局域网大量涌现 这一阶段典型的标准化网络结构如图1 3所示 通信子网的交换设备主要是路由器和交换机 1 1 2计算机网络的演变和发展 图1 3标准化网络结构示意图 1 1 2计算机网络的演变和发展 4 网络互连与高速网络进入20世纪90年代 随着计算机网络技术的迅猛发展 特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施NII NII NationalInformationInfrastructure 后 全世界许多国家纷纷制定和建立本国的NII 从而极大的推动了计算机网络技术的发展 使计算机网络进入一个崭新的阶段 这就是计算机网络互连与高速网络阶段 目前 全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成 Internet已经成为人类最重要的 最大的知识宝库 网络互联和高速计算机网络就成为第四代计算机网络 如图1 4所示 1 1 2计算机网络的演变和发展 图1 4网络互连与高速网络的基本模型 1 1 3信息社会对网络技术的挑战 在信息社会 人们的工作 生活 学习和娱乐在很大程度上将不再受地理环境的限制 而大部分可在家庭进行 也即人们的就业方式 生产方式 工作方式 学习方式以至生活方式将发生深刻变化 光纤 数据通信 卫星通信和移动通信等现代信息技术将使世界范围内的交流变得更加方便更加容易 真正实现所谓天涯若比邻 应该看到 信息社会对网络技术提出了新的挑战 新的要求 特别是业务量的增长 网络站点数的扩大 以及多媒体的应用 要求网络的规模更大 带宽更宽 速率更高 1 1 4信息高速公路必将加速网络技术的发展 1993年9月 美国克林顿政府做出了一项重大决策 即放弃已经花费300亿美元的星球大战计划 终止拟投入80 120亿美元的超导对撞机计划 放慢航天计划步伐 推出一项举世瞩目的高科技项目 国家信息基础设施 也被称为信息高速公路计划 信息高速公路是 网络的网络 是一个由许多客户机 服务器和同等层与同等层组成的大规模网络 它能以每秒数兆位 数十兆位 甚至数千兆位的速率在其主干网上传输数据 1 2计算机网络的组成与功能 1 2 1计算机网络的组成1 2 2计算机网络的功能 1 2 1计算机网络的组成 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 如图1 5所示 1 2 1计算机网络的组成 图1 5计算机网络 1 2 1计算机网络的组成 1 通信子网通信子网由通信控制处理机 CCP 通信线路与其他通信设备组成 负责完成网络数据传输 转发等通信处理任务 通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络结点 它一方面作为与资源子网的主机 终端连结的接口 将主机和终端连入网内 另一方面它又作为通信子网中的分组存储转发结点 完成分组的接收 校验 存储 转发等功能 实现将源主机报文准确发送到目的主机的作用 目前通信控制处理机一般为路由器和交换机 通信线路为通信控制处理机与通信控制处理机 通信控制处理机与主机之间提供通信信道 1 2 1计算机网络的组成 2 资源子网资源子网主要包括实现网络资源共享的计算机与终端 资源子网实现全网的面向应用的数据处理和网络资源共享 它由各种硬件和软件组成 主机Host 它是资源子网的主体 装有本地操作系统 网络操作系统 数据库 用户应用系统等软件 终端设备 它是用户与网络之间的接口 用户通过网络终端取得网络服务 网络操作系统 它是建立在各主机操作系统之上的一个操作系统 用于实现不同主机之间的用户通信 网络数据库 它是建立在网络操作系统之上的一种数据库系统 应用系统 它是建立在上述部件基础的具体应用 以实现用户的需求 1 2 1计算机网络的组成 图1 6中表示了主机操作系统 网络操作系统和网络数据库系统之间的关系 图1 6主机操作系统 网络操作系统 网络数据库系统之间的关系 1 2 1计算机网络的组成 3 现代网络结构的特点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 另外 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立体结构 图1 7所示的是一个典型的三层网络结构 1 2 1计算机网络的组成 图1 7层次型网络组成 1 2 2计算机网络的功能 1 数据通信这是计算机网络最基本的功能 也是实现其他功能的基础 数据通信功能包含以下几项具体内容 连接的建立和拆除数据传输控制差错检测流量控制路由选择多路复用 1 2 2计算机网络的功能 2 资源共享计算机网络中的资源可分为数据 软件 硬件三类 相应地 资源共享也分为以下三类 数据共享软件共享硬件共享3 负荷均衡和分布处理负荷均衡分布处理 1 2 2计算机网络的功能 4 提高系统的安全可靠性计算机通过网络中的冗余部件可大大提高可靠性 例如在工作过程中 一台机器除了故障 可以使用网中的另一台机器 网中一条通信线路出了故障 可以取道另一条线路 从而提高了网络整体系统的可靠性 1 3计算机网络的类型 1 3 1按网络拓扑结构分类1 3 2按网络控制方式分类1 3 3按网络规模分类1 3 4按通信传输方式分类1 3 5按网络配置分类1 3 6其他分类方式 1 3 1按网络拓扑结构分类 拓扑结构一般指点和线的几何排列或组成的几何图形 计算机网络的拓扑结构是指一个网络的通信链路和结点的几何排列或物理布局图形 链路是网络中相邻两个结点之间的物理通路 结点指计算机和有关的网络设备 甚至指一个网络 按拓扑结构 计算机网络可分为以下五类 1 3 1按网络拓扑结构分类 1 星形网络星形拓扑是由中央结点为中心与各结点连接组成的 多结点与中央结点通过点到点的方式连接 拓扑结构如图1 8 a 所示 图1 8星形和树形网络拓扑 1 3 1按网络拓扑结构分类 它具有以下特点 网络结构简单 便于管理 控制简单 建网容易 网络延迟时间较短 误码率较低 网络线路共享能力较差 通信线路利用率不高 中央结点负荷太重 网络可靠性低 1 3 1按网络拓扑结构分类 2 树形网络树形网络是将多级星形网络按层次方式排列得到的网络 其拓扑结构如图1 8 b 所示 图1 8星形和树形网络拓扑 1 3 1按网络拓扑结构分类 图1 9某大学校园网结构示意图 1 3 1按网络拓扑结构分类 特点 结构简单 成本低 每个链路都支持双向传输 结点扩充方便灵活 除叶结点及其相连的链路外 任何一个结点或链路产生的故障都会影响整个网络 星形和树形网络是LAN中最常见的实现形式 1 3 1按网络拓扑结构分类 3 总线形网络由一条高速公用总线连接若干个结点所形成的网络即为总线形网络 拓扑结构如图1 10 a 所示 图1 10总线形和环形网络拓扑 1 3 1按网络拓扑结构分类 特点 结构简单灵活 便于扩充 信道利用率高 传输速率高 可靠性不高 产生冲突问题 1 3 1按网络拓扑结构分类 4 环形网络环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中 环上任何结点均可请求发送信息 拓扑结构如图1 10 b 所示 图1 10总线形和环形网络拓扑 1 3 1按网络拓扑结构分类 特点 大大简化了路径选择的控制 可靠性高 结点过多时 网络响应时间长 网络确定时 其延时固定 实时性强 1 3 1按网络拓扑结构分类 图1 11某大学主干网 1 3 1按网络拓扑结构分类 5 网状形网网状形网是广域网中最常采用的一种网络形式 拓扑结构如图1 12所示 图1 12网状形网络拓扑结构 1 3 1按网络拓扑结构分类 特点 网络可靠性高 可扩充性好 网络可建成各种形状 采用多种通信信道 多种传输速率 1 3 1按网络拓扑结构分类 以上介绍了五种基本的网络拓扑结构 事实上以此为基础 还可构造出一些复合型的网络拓扑结构 例如 中国教育科研计算机网络 CERNET 可认为是网状形网 树形网和环形网的复合 如图1 13所示 其主干网为网状形结构 连接的每一所大学大多是树形结构或环形结构 1 3 1按网络拓扑结构分类 图1 13中国教育科研计算机网络拓扑图 1 3 2按网络控制方式分类 1 集中式计算机网络这种网络的处理和控制功能都高度集中在一个或少数几个结点上 所有的信息流都必须经过这些结点之一 因此 这些结点是网络的处理和控制中心 其余的大多数结点则只有较少的处理和控制功能 2 分布式计算机网络在这种网络中 不存在一个处理和控制中心 网络中任一结点都至少和另外两个结点相连接 信息从一个结点到达另一结点时 可能有多条路径 1 3 3按网络规模分类 1 局域网一般用微机通过高速线路相连 作用范围通常在10公里以内 一般是一幢楼房或一个单位 2 城域网作用范围介于广域网和局域网之间 通常为数十至数百公里 3 广域网又称远程网 作用范围通常为几十到几千公里 CHINADDN CHINAGBN CERNET以及覆盖全球的Internet均是广域网 1 3 4按通信传输方式分类 1 点到点信道网络中的每两台主机 两台结点交换机之间或主机与结点交换机之间都存在一条物理信道 2 广播信道所有主机共享一条信道 某主机发出的数据 其他主机都能收到 1 3 5按网络配置分类 1 同类网如果在网络系统中 每台机器既是服务器 又是工作站 那这个网络系统就是同类网 也称对等网络 Peer to peerNetwork 2 单服务器网单服务器网指只有一台机器作为整个网的服务器 其他机器全部都是工作站 3 混合网如果网络中的服务器不只一个 同时又不是每个工作站都可以当作服务器来使用 那么这个网就是混合网 1 3 6其他分类方式 1 按网络传输信息采用的物理信道来分类 可划分为有线网络和无线网络 2 按通信速率的不同来分类 可划分为低速网络 数据传输速率在1 5Mbps以下的网络系统 中速网络 数据传输速率在50Mbps以下的网络系统 高速网络 数据传输速率在50Mbps以上的网络系统 1 3 6其他分类方式 3 按使用范围的大小分类 可分为公用网和专用网 其中专用网络根据网络环境又可细分为部门网络 企业网络 校园网络三种 4 按传输的信号分类 可分为数字网和模拟网 5 按采用的网络操作系统分类 可分为Novell网 WindowsNT网 Windows2000Server网 Unix网 Linux网等 1 4计算机网络体系结构与协议 1 4 1引言1 4 2网络系统的体系结构1 4 3网络系统结构参考模型ISO OSI1 4 4TCP IP协议1 4 5OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 1 4 1引言 为了对体系结构与协议有一个初步了解 我们先分析一下实际生活中的邮政系统 如图1 14所示 图1 14邮政系统分层模型 1 4 2网络的体系结构 1 层次结构人类思维能力不是无限的 如果同时面临的因素太多 就不可能做出精确的思维 处理复杂问题的一个有效方法 就是用抽象和层次的方式去构造和分析 同样 对于计算机网络这类复杂的大系统 亦可如此 如图1 15所示 可将一个计算机网络抽象为若干层 其中 第n层是由分布在不同系统中的处于第n层的子系统构成 1 4 2网络的体系结构 图1 15网络层次结构 1 4 2网络的体系结构 2 网络协议网络协议是指在计算机网络中 各计算机之间或计算机与终端之间在有关信息传输顺序 信息格式和信息内容等方面的一组约定或规则 它由三个要素组成 语义 指构成协议的协议元素含义的解释 如在基本型数据链路控制协议中 SOH的语义表示报头开始 ETX表示正文结束 语法 指用于规定将若干个协议元素组合在一起表达一个更完整的内容时所应遵循的格式 规则 规定事件的执行顺序 1 4 2网络的体系结构 3 网络体系结构计算机网络的层次及其协议的集合 即网络的体系结构 具体而言是关于计算机网络应设置哪几层 每层应提供哪些功能的定义 至于这些功能应如何实现 则不属于网络体系结构部分 1 4 3网络系统结构参考模型ISO OSI 1 有关标准化组织为确保发送方和接受方能彼此协调 若干标准化组织促进了通信标准的开发 先简单介绍5个这种组织 ANSI ITU CCITT EIA IEEE和ISO ANSI 美国国家标准协会 AmericanNationalStandardInstitute ITU 国际电信联盟 InternationalTelecommunicationUnion EIA 电子工业协会 ElectronicIndustriesAssociation IEEE 电气和电子工程师协会 InstituteofElectricalandElectronicsEngineers ISO 国际标准化组织 InternationalStandardOrganization 1 4 3网络系统结构参考模型ISO OSI 2 开放系统互连参考模型的制定国际标准化组织信息处理系统技术委员会 ISOTC97 于1978年为开放系统互连建立了分委员会SC16 并于1980年12月发表了第一个开放系统互连参考模型 OSI RM OpenSytermsInterconnection ReferenceModel 的建议书 1983年它被正式批准为国际标准 即著名的0SI7498国际标准 通常人们也将它称为OSI参考模型 并记为OSI RM 有时简称为OSI 我国相应的国家标准是GB9398 1 4 3网络系统结构参考模型ISO OSI 3 OSI的七层体系结构OSI参考模型的体系结构如图1 16所示 由低层至高层分别称为物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层和应用层 1 4 3网络系统结构参考模型ISO OSI 图1 16OSI网络系统结构参考模型及协议 1 4 4TCP IP协议 1 TCP IP协议分层前已介绍 OSI模型最基本的技术就是分层 TCP IP也采用分层体系结构 每一层提供特定的功能 层与层间相对独立 因此改变某一层的功能就不会影响其他层 这种分层技术简化了系统的设计和实现 提高了系统的可靠性及灵活性 TCP IP也采用分层体系结构 共分四层 即网络接口层 Internet层 传输层和应用层 每一层提供特定功能 层与层之间相对独立 与OSI七层模型相比 TCP IP没有表示层和会话层 这两层的功能由应用层提供 OSI的物理层和数据链路层功能由网络接口层完成 TCP IP参考模型及协议族如图1 17所示 1 4 4TCP IP协议 图1 17TCP IP参考模型 1 4 4TCP IP协议 2 TCP IP协议简介TCP IP的最高层是应用层 在这层中有许多著名协议 如远程登录协议Telnet 文件传输协议FTP 简单邮件传送协议SMTP等 在往下的一层是TCP IP的传输层 也叫主机到主机层 这一层可使用两种不同的协议 一种是面向连接的传输控制协议 TCP TransmissionControlProtocol 另一种是无连接的用户数据报协议 UDP UserDataProtocol 传输层传送的数据单位是报文 message 或数据流 stream 报文也常称为报文段 segment 1 4 4TCP IP协议 传输层下面的是TCP IP的互连层 其主要的协议就是无连接的网络互连协议 IP InternetProtocol 该层传送的数据单位是分组 packet 与IP协议配合使用的还有三个协议 那就是Internet控制报文协议 ICMP InternetControlMessageProtocol 地址解析协议 ARP AddressResolutionProtocol 和逆地址解析协议 RARP ReverseAddressResolutionProtocol 有关TCP IP的详细内容将在第5章作介绍 1 4 5OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 OSI模型和TCP IP模型之间有很多相似之处 它们都采用了层次体系结构 每一层实现的特定功能大体相似 当然 除了一些基本的相似之处以外 这两个模型之间也存在着许多差异 两个模型在层的数量上有明显的差别 OSI模型有七层 而TCP IP协议模型只有四层 相对而言 TCP IP协议要简单得多 ISO OSI协议在数量上也要远远大于TCP IP协议 1 5计算机网络技术发展趋势 1 5计算机网络技术发展趋势 人们常用C C computerandcommunication 来描述计算机网络 但从系统的观点看 这还很不够 固然计算机和通信系统是计算机网络中非常重要的基本要素 但计算机网络并不是计算机和通信系统的简单结合 也不是计算机或通信系统的简单扩展或延伸 而是融合了信息采集 存储 传输 处理和利用等一切先进信息技术 是具有新功能的新系统 因此 对于现代计算机网络的研究和分析 应该特别强调 计算机网络是系统 的观点 站在更高的高度来重新认识计算机网络结构 性能及网络工程技术和网络实际应用中的重要问题 便于把握计算机网络的发展趋势 1 5计算机网络技术发展趋势 1 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 1 5计算机网络技术发展趋势 微电子技术的发展是信息产业发展的基础 也是驱动信息革命的基础 其发展速度是惊人的 可用摩尔定理来预测 微电子芯片的计算功能每18个月提高一倍 这一发展趋势到2010年趋于成熟 那时芯片最多可包含1010个元件 理论上的物理极限是每个芯片可包含1011个元件 对于典型的传统逻辑电路 每个芯片可包含的元件数少于108到109个 每个芯片的实际元件数可能因经济上的限制而低于物理上的极限值 1 5计算机网络技术发展趋势 自1980年以来 微处理器的速度一直以每5年10倍的速度增长 PC的处理能力在2000年达103MIPS MillionInstructionsPerSecond 预测在2011可达105MIPS Metcalfe定理用于预测网络性能的增长 该定理预测网络性能的增长是连到网上PC的能力的平方 这表示网络带宽的增长率是每年3倍 不久的将来会出现每秒1015位的网络频宽需求 1 5计算机网络技术发展趋势 驱动信息革命的另一个支撑技术是光电子技术 光电子技术是一个较为庞大的领域 可应用于信息处理的各个环节 这里我们讨论的是在信息传输中的光电子技术 光纤通信 评价光纤传输发展的标准是传输的比特率和信号需要再生前可传输的距离的乘积 在过去10年间 该性能每年翻一番 这种增长速度可望持续10到15年 第一代光纤传输使用0 8 m波长的激光器 传输速率可达280Mbps 第二代使用1 3 m波长的激光器和单模光纤 传输速率可达560Mbps 第三代使用单频1 5 m波长的激光器和单模光纤 目前使用的第四代采用光放大器 数据传输率可达10G 20Gbps 1 5计算机网络技术发展趋势 2 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 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 1 5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 1 5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 目前我们使用的第二代互联网IPv4技术 核心技术属于美国 它的最大问题是