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内容提要 计算机网络的基本概念计算机网络的分类计算机网络的拓扑结构计算机网络的体系结构 1 什么是计算机网络 计算机网络 是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备 通过通信线路连接起来 在网络操作系统 网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下 实现资源共享和信息传递的计算机系统 简单地说 计算机网络就是通过电缆 电话线或无线通讯将两台以上的计算机互连起来的集合 2 计算机网络通俗地讲就是由多台计算机 或其它计算机网络设备 通过传输介质和软件物理连接在一起组成的 总的来说计算机网络的组成基本上包括 计算机 网络操作系统 传输介质 可以是有形的 也可以是无形的 如无线网络的传输介质就是看不见的电磁波 以及相应的应用软件四部分 3 计算机网络的主要功能 计算机网络的功能主要目的是实现计算机之间的资源共享 网络通信和对计算机的集中管理 除此之外还有负荷均衡 分布处理和提高系统安全与可靠性等功能 4 1 资源共享 1 硬件资源 包括各种类型的计算机 大容量存储设备 计算机外部设备 如彩色打印机 静电绘图仪等 2 软件资源 包括各种应用软件 工具软件 系统开发所用的支撑软件 语言处理程序 数据库管理系统等 5 3 数据资源 包括数据库文件 数据库 办公文档资料 企业生产报表等 4 信道资源 通信信道可以理解为电信号的传输介质 通信信道的共享是计算机网络中最重要的共享资源之一 6 2 网络通信 通信通道可以传输各种类型的信息 包括数据信息和图形 图像 声音 视频流等各种多媒体信息 7 3 分布处理 把要处理的任务分散到各个计算机上运行 而不是集中在一台大型计算机上 这样 不仅可以降低软件设计的复杂性 而且还可以大大提高工作效率和降低成本 8 4 集中管理 计算机在没有联网的条件下 每台计算机都是一个 信息孤岛 在管理这些计算机时 必须分别管理 而计算机联网后 可以在某个中心位置实现对整个网络的管理 如数据库情报检索系统 交通运输部门的定票系统 军事指挥系统等 9 5 均衡负荷 当网络中某台计算机的任务负荷太重时 通过网络和应用程序的控制和管理 将作业分散到网络中的其它计算机中 由多台计算机共同完成 10 计算机网络的结构组成 一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的 网络硬件是计算机网络系统的物理实现 网络软件是网络系统中的技术支持 两者相互作用 共同完成网络功能 网络硬件 一般指网络的计算机 传输介质和网络连接设备等 网络软件 一般指网络操作系统 网络通信协议等 11 网络硬件的组成 1 主计算机2 网络工作站3 网络终端4 通信处理机5 通信线路6 信息变换设备 12 网络软件的组成 1 网络操作系统网络操作系统是网络软件中最主要的软件 用于实现不同主机之间的用户通信 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 目前网络操作系统有三大阵营 UNIX NetWare和Windows 目前 我国最广泛使用的是Windows网络操作系统 13 2 网络协议软件网络协议是网络通信的数据传输规范 网络协议软件是用于实现网络协议功能的软件 目前 典型的网络协议软件有TCP IP协议 IPX SPX协议 IEEE802标准协议系列等 其中 TCP IP是当前异种网络互连应用最为广泛的网络协议软件 14 3 网络管理软件网络管理软件是用来对网络资源进行管理以及对网络进行维护的软件 如性能管理 配置管理 故障管理 记费管理 安全管理 网络运行状态监视与统计等 15 4 网络通信软件是用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件 使用户能够在不必详细了解通信控制规程的情况下 控制应用程序与多个站进行通信 并对大量的通信数据进行加工和管理 16 5 网络应用软件网络应用软件是为网络用户提供服务 最重要的特征是它研究的重点不是网络中各个独立的计算机本身的功能 而是如何实现网络特有的功能 17 计算机网络的分类 从网络的作用范围进行分类广域网WAN WideAreaNetwork 局域网LAN LocalAreaNetwork 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 接入网AN AccessNetwork 18 广域网 城域网 接入网以及局域网的关系 城域网 城域网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 广域网 局域网 局域网 校园网 企业网 19 按传输介质分类 1 有线网 WiredNetwork 双绞线 其特点是比较经济 安装方便 传输率和抗干扰能力一般 广泛应用于局域网中 同轴电缆 俗称细缆 现在逐渐淘汰 光纤电缆 特点是光纤传输距离长 传输效率高 抗干扰性强 是高安全性网络的理想选择 20 2 无线网 WirelessNetwork 无线电话网 是一种很有发展前途的连网方式 语音广播网 价格低廉 使用方便 但安全性差 无线电视网 普及率高 但无法在一个频道上和用户进行实时交互 微波通信网 通信保密性和安全性较好 卫星通信网 能进行远距离通信 但价格昂贵 21 计算机网络的拓扑结构 常用的拓朴结构有 总线型结构 环型结构 星型结构 树型结构 22 1 总线型拓扑结构 23 总线型拓扑结构是指 网络上的所有计算机都通过一条电缆相互连接起来总线上的通信 在总线上 任何一台计算机在发送信息时 其他计算机必须等待 而且计算机发送的信息会沿着总线向两端扩散 从而使网络中所有计算机都会收到这个信息 但是否接收 还取决于信息的目标地址是否与网络主机地址相一致 若一致 则接受 若不一致 则不接收 24 特点 其中不需要插入任何其他的连接设备 网络中任何一台计算机发送的信号都沿一条共同的总线传播 而且能被其他所有计算机接收 有时又称这种网络结构为点对点拓朴结构 优点 连接简单 易于安装 成本费用低缺点 传送数据的速度缓慢 共享一条电缆 只能有其中一台计算机发送信息 其他接收 维护困难 因为网络一旦出现断点 整个网络将瘫痪 而且故障点很难查找 25 2 星型拓扑结构 26 每个节点都由一个单独的通信线路连接到中心节点上 中心节点控制全网的通信 任何两台计算机之间的通信都要通过中心节点来转接 因些中心节点是网络的瓶颈 这种拓朴结构又称为集中控制式网络结构 这种拓扑结构是目前使用最普遍的拓扑结构 处于中心的网络设备跨越式集线器 Hub 也可以是交换机 27 优点 结构简单 便于维护和管理 因为当中某台计算机或头条线缆出现问题时 不会影响其他计算机的正常通信 维护比较容易 缺点 通信线路专用 电缆成本高 中心结点是全网络的可靠瓶颈 中心结点出现故障会导致网络的瘫痪 28 3 环型拓扑结构 29 环型拓扑结构是以一个共享的环型信道连接所有设备 称为令牌环 在环型拓扑中 信号会沿着环型信道按一个方向传播 并通过每台计算机 而且 每台计算机会对信号进行放大后 传给下一台计算机 同时 在网络中有一种特殊的信号称为令牌 令牌按顺时针方向传输 当某台计算机要发送信息时 必须先捕获令牌 再发送信息 发送信息后在释放令牌 30 优点 电缆长度短 环型拓扑网络所需的电缆长度和总线拓扑网络相似 但比星型拓扑结构要短得多 增加或减少工作站时 仅需简单地连接 可使用光纤 它的传输速度很高 十分适用一环型拓扑的单向传输 传输信息的时间是固定的 从而便于实时控制 31 缺点 节点过多时 影响传输效率 环某处断开会导致整个系统的失效 节点的加入和撤出过程复杂 检测故障困难 因为不是集中控制 故障检测需在网个各个节点进行 故障的检测就不很容易 32 4 树型拓扑结构 33 树型结构是星型结构的扩展 它由根结点和分支结点所构成 优点 结构比较简单 成本低 扩充节点方便灵活 缺点 对根结点的依赖性大 一旦根结点出现故障 将导致全网不能工作 电缆成本高 34 5 网状结构与混合型结构 网状结构是指将各网络结点与通信线路连接成不规则的形状 每个结点至少与其他两个结点相连 或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连优点 可靠性高 因为有多条路径 所以可以选择最佳路径 减少时延 改善流量分配 提高网络性能 但路径选择比较复杂 缺点 结构复杂 不易管理和维护 线路成本高 适用于大型广域网 35 计算机网络的主要性能指标带宽 带宽 bandwidth 本来是指信号具有的频带宽度 单位是赫 或千赫 兆赫 吉赫等 现在 带宽 是数字信道所能传送的 最高数据率 的同义语 单位是 比特每秒 或b s bit s 36 常用的带宽单位 更常用的带宽单位是千比每秒 即kb s 103b s 兆比每秒 即Mb s 106b s 吉比每秒 即Gb s 109b s 太比每秒 即Tb s 1012b s 请注意 在计算机界 K 210 1024M 220 G 230 T 240 37 计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构 architecture 是计算机网络的各层及其协议的集合 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义 实现 implementation 是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题 体系结构是抽象的 而实现则是具体的 是真正在运行的计算机硬件和软件 38 ISO OSI网络体系结构 国际标准化组织ISO InternationalStandardsOrganization 在80年代提出的开放系统互联参考模型OSI OpenSystemInterconnection 这个模型将计算机网络通信协议分为七层 39 物理层 物理层建立在物理通信介质的基础上 作为系统和通信介质的接口 用来实现数据链路实体间透明的比特 bit 流传输 只有该层为真实物理通信 其它各层为虚拟通信 物理层实际上是设备之间的物理接口 物理层传输协议主要用于控制传输媒体 40 数据链路层 数据链路层为网络层相邻实体间提供传送数据的功能和过程 提供数据流链路控制 检测和校正物理链路的差错 物理层不考虑位流传输的结构 而数据链路层主要职责是控制相邻系统之间的物理链路 传送数据以帧为单位 规定字符编码 信息格式 约定接收和发送过程 在一帧数据开头和结尾附加特殊二进制编码作为帧界识别符 以及发送端处理接收端送回的确认帧 保证数据帧传输和接收的正确性 以及发送和接收速度的匹配 流量控制等 41 数据链路层的目的 提供建立 维持和释放数据链路连接以及传输数据链路服务数据单元所需的功能和过程的手段 数据链路连接是建立在物理连接基础上的 在物理连接建立以后 进行数据链路连接的建立和数据链路连接的拆除 具体说 每次通信前后 双方相互联系以确认一次通信的开始和结束 在一次物理连接上可以进行多次通信 数据链路层检测和校正在物理层出现的错误 42 网络层 广域网络一般都划分为通信子网和资源子网 物理层 数据链路层和网络层组成通信子网 网络层是通信子网的最高层 完成对通信子网的运行控制 网络层和传输层的界面 既是层间的接口 又是通信子网和用户主机组成的资源子网的界限 网络层利用本层和数据链路层 物理层两层的功能向传输层提供服务 43 传输层 从传输层向上的会话层 表示层 应用层都属于端一端的主机协议层 传输层是网络体系结构中最核心的一层 从这层开始 各层通信全部是在源与目标主机上的各进程间进行的 传输层为源主机和目标主机之间提供性能可靠 价格合理的数据传输 具体实现上是在网络层的基础上再增添一层软件 使之能屏蔽掉各类通信子网的差异 向用户提供一个通用接口 使用户进程通过该接口 方便地使用网络资源并进行通信 44 会话层 会话是指两个用户进程之间的一次完整通信 会话层提供不同系统间两个进程建立 维护和结束会话连接的功能 提供交叉会话的管理功能 有一路交叉 两路交叉和两路同时会话的3种数据流方向控制模式 会话层是用户连接到网络的接口 45 表示层 表示层的目的是处理信息传送中数据表示的问题 表示层的主要功能是完成被传输数据表示的解释工作 包括数据转换 数据加密和数据压缩等 表示层协议主要功能有 为用户提供执行会话层服务原语的手段 提供描述负载数据结构的方法 管理当前所需的数据结构集和完成数据的内部与外部格式之间的转换 46 应用层 应用层作为用户访问网络的接口层 给应用进程借助于应用实体 AE 实用协议和表示服务来交换信息 应用层的作用是在实现应用进程相互通信的同时 完成一系列业务处理所需的服务功能 应用层作为用户访问网络的接口层 给应用进程提供了访问OSI环境的手段 47 五层协议的体系结构 TCP IP是四层的体系结构 应用层 运输层 网际层和网络接口层 最下面的网络接口层并没有具体内容 因此往往采取折中的办法 即综合OSI和TCP IP的优点 采用一种只有五层协议的体系结构 48 五层协议的体系结构 应用层 applicationlayer 运输层 transportlayer 网络层 networklayer 数据链路层 datalinklayer 物理层 physicallayer 数据链路层 5应用层 4运输层 3网络层 2数据链路层 1物理层 49 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 应用进程数据先传送到应用层 加上应用层首部 成为应用层PDU 50 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 应用层PDU再传送到运输层 加上运输层首部 成为运输层报文 51 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 运输层报文再传送到网络层 加上网络层首部 成为IP数据报 或分组 52 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 IP数据报再传送到数据链路层 加上链路层首部和尾部 成为数据链路层帧 53 计算机1向计算机2发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 计算机1 AP2 AP1 计算机2 数据链路层帧再传送到物理层 最下面的物理层把比特流传送到物理媒体 54 计算机1向计算机2发送数据 应用层 applicationlayer 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 物理传输媒体 计算机1 AP2 AP1 电信号 或光信号 在