计算机网络基础2.ppt

第6章计算机网络基础 6 1计算机网络概述6 2数据通信基础6 3计算机网络体系结构6 4网络互连设备6 5局域网技术 教学目的和基本要求 了解计算机网络的定义 组成和功能 计算机网络的分类 了解数据通信的基本概念 掌握计算机网络体系结构基本概念 掌握局域网的概念和常用网络互联设备 了解网络操作系统 教学重点 计算机网络的分类 计算机网络体系结构的基本概念 局域网的概念和常用网络互联设备 提出问题 若建立市场信息网络系统 要做哪些工作 什么是计算机网络 它如何构成 计算机网络有哪些功能 为什么要使用网络 什么是网络协议 什么是网络的体系结构 现实是 我们都非常坦然地享受着计算机网络带给我们的种种便利 买火车票不用到车站去了 只要就近找一家预售票处 或打个电话 就能预售到票 出门携带大量现金会遇到种种不便 现在办理一张通存通兑卡 可以异地存取现金 极大方便了外出旅行者 网上大学 使得大学学习可以不受时间和空间的限制 为愿意受教育者开辟了更广阔的自由空间 数字化 6 1计算机网络概述 6 1 1计算机网络的定义 6 1 2计算机网络的产生与发展 6 1 3计算机网络系统的组成和功能 6 1 4计算机网络的分类 6 1 1计算机网络的定义 计算机网络 ComputerNetworks 是利用通信设备和传输介质 将分布在不同地理位置上的具有独立功能的计算机相互连接 在网络协议控制下进行数据通信 实现资源共享 构成网络的四个要素 连接对象 计算机 数据终端设备连接介质 通信线路 通信设备通信设备 路由器 交换机 防火墙 服务器等控制机制 网络协议 网络软件 示意图 6 1 2计算机网络的产生与发展 计算机网络的发展四个阶段面向终端的计算机通信网络分组交换网体系结构标准化的计算机网络Internet时代 1 主机 终端 50年代 特点是主从结构 计算机处于主控地位 承担着数据处理和通信控制的工作 而各终端只有输入输出功能 处于从属地位 2 计算机 计算机 60年代末 通信子网 资源子网 分组交换技术首次使用 它是计算机网络的关键技术 特点 数据处理和通信的分工 70年代中期局域网 80年代局域网迅速发展 4 90年代网络互连 Internet崛起 3 体系结构 国际标准化 特征 各种不同的网络体系结构的网络设备互联 国际标准化组织 ISO开放系统互联参考模型 OSI从此计算机网络走上了标准化的道路 体系结构标准化的计算机网络 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标准化的时机 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其基础 6 1 3计算机网络系统的组成和功能 组成 4个部分 计算机系统 通信线路和通信设备 网络协议 4 网络软件 通信双方相互了解和遵守的规则和约定 分网络系统软件 网络协议软件 通信软件 网络操作系统 和应用软件 计算机网络的功能 主要功能 资源共享 ResourceSharing 网络中所有用户可以共享网络中的资源 硬件 软件和信息资源 用户可以共享网络中各种硬件和软件资源 使网络中各地区的资源互通有无 分工协作 从而提高系统资源的利用率 利用计算机网络可以共享主机设备 外部设备 软件 数据等信息资源 计算机网络的资源共享 硬件资源是指在网络系统中连接的各种硬件设备 例如 大型计算机系统 海量存储器 打印机 绘图仪 数字化扫瞄仪等 软件资源通常将一些大型应用软件安装在软件资源中心的服务器上 用户通过计算机网络系统 申请调用服务器上的这些应用软件 数据资源是指在网络计算机系统中存放的大量数据库和文件 它们提供诸如图书资料 科技动态 股票行情 经济快讯 银行储户信息 学校学籍信息等数据 用以实现计算机与终端或计算机与计算机之间传送各种信息 将地理位置分散的生产单位或业务部门 通过计算机网络连接起来进行集中的控制和管理 主要功能 信息交流 CommunicationMedium 计算机网络最基本的功能 是完成网络中各计算机系统之间的通信 信息交换 主要功能 分布式处理 DistributionProcessing 指在网络系统中若干台在结构上独立的计算机可以互相协作完成同一个任务的处理 在处理过程中 每台计算机独立承担各自的任务 使用各自的资源环境 此外 利用网络技术 能将多台微型计算机联网以构成具有高性能指标的计算机网络系统 解决复杂的问题 而费用却比大 中型机降低了许多 2 6 2020 给你发E mail 打印文件mail 共享资源 数据传输 分布式数据处理 我的东西丢失了 提高可靠性 没关系 功能 资源共享 信息交换 数据通信 分布式处理 6 1 4计算机网络的分类 按网络的拓扑结构分类按地理范围分类按信息交换方式分类按网络应用范围分类 其中 按网络的拓扑结构 和 按地理范围 是最常用的两种分类方法 1 网络的基本拓扑结构 指网络节点和链路所构成的网络几何图形 常见的拓扑结构有 总线拓扑结构星型拓扑结构环型拓扑结构树型拓扑结构网状拓扑结构蜂窝型拓扑结构 1 总线拓扑结构 所有节点挂接到一跟公共总线上 广播式信道 没有中央主机 特点 网络简单 便宜 容易安装 扩充 适合于构造宽带局域网 但是对总线依赖性大 总线出现故障将导致整个网络瘫痪 需要有介质访问控制协议以防止冲突 2 星型拓扑结构 主要特点 集中式控制 容易安装 便于管理 某个主机或线路发生故障 不会影响整个系统的正常工作 缺点 架设线路的总长度较长 费用较大 且对中心主机的可靠性要求很高 一旦发生故障 整个网络系统将会瘫痪 3 环型拓扑结构 主要特点 环中各台主机发出的信息沿环顺一个方向流动 这种访问方式没有竞争现象 所以在负载较重时仍然能传送信息 缺点 网上响应时间会随着环上结点的增加而变慢 且当环上某一结点有故障时 整个网络都会受到影响 4 树型拓扑结构 一个根结点 多个中间分支节点和叶子节点构成 树形网络是总线形网络的变形 都属于用广播信道的网络 特点 连接线路简单 容易扩充和进行故障隔离 但结构较复杂 对主机 根 的依赖性太大 不利于提高网络的资源共享能力 5 网状拓扑结构 特点 网状拓扑结构网络的容错能力强 如果网络中一个结点或一段链路发生故障 信息可通过其他结点和链路到达目的节点 故可靠性高 但同时 它导致网络结构复杂 线路成本高 不易管理和维护 路由的选择也比较复杂 6 蜂窝型拓扑结构 蜂窝型拓扑结构由圆形辐射区域组成 每个区域中心都有一个独立的节点优点是用户使用网络方便 网络建设时间短 网络易于扩展缺点是信号在一个蜂窝内无处不在 所以信号很容易受到环境或人为造成的干扰 其次 由于地理和距离上的限制 使得有时信号接收非常困难 另外 蜂窝结构的传输速率较低 投资成本较高 2 计算机网络的类型 局域网 LocalAreaNetwork LAN 范围 小 20KM传输技术 基带 10 10000Mbps 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 点对点 环型 树型和环型相结合广域网 WideAreaNetwork WAN 范围 大 100KM传输技术 宽带 延迟大 出错率高拓扑结构 网状或其他拓扑结构的混合模式 采用局域网 传输速率较高 误码率较低 组网方便 技术简单 传输距离远 传输速率较低 误码率较高 机制复杂 局域网指十几公里的地理范围内将计算机 外设和通信设备互连在一起的网络系统 广域网涉及的范围较大 通常可以达到数千平方公里以上 计算机网络的分类 6 2数据通信基础 6 2 1数据通信系统 6 2 2传输介质 6 2 3数据传输信道 6 2 4数据交换技术与差错控制 6 2 1数据通信系统 1 数据通信系统模型 2 数据编码数字信号编码 数字通信系统 如手机通信模拟信号编码 模拟通信系统 如电话通信 3 数据传输方式 1 基带传输 2 频带传输 3 网络带宽 数字 电信号 电信号 数字 信息源 信息的接收者 基带传输 表示0 1二进制代码的方波固有的频带称为基带 在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输 速率高 误码率低 传输距离较近 频带传输 利用模拟信道传输数据信号的方法 需要用调制解调器 Modem 实现 调制是把数字信号变为模拟信号 解调是把模拟信号变为数字信号 速率低 误码率高 适宜长距离传输 宽带传输 在频带 模拟信号 通信中 带宽指信号频率的上下边界之差 以Hz为单位 6 2 2传输介质 计算机网络中信息靠什么传输 与电话 电报 电视的传输方式是一致的电话靠电信通信网电视靠卫星和有线电视网 同轴电缆 电报靠无线电 金属导体双绞线 同轴电缆光纤无线介质无线电 短波 微波 卫星 光波 双绞线 用于传输模拟信号和数字信号 特别适用于较短距离的信息传输 以箔屏蔽以减少干扰和串音 3类 5类双绞线外没有任何附加屏蔽 非屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 返回 同轴电缆 基带一条电缆只用于一个信道 50 用于数字传输宽带一条电缆同时传输不同频率的几路模拟信号 75 用于模拟传输 300 450MHz 100km 需要放大器 在高频时抗干扰性能比双绞线好 它的成本介于双绞线和光导纤维之间 返回 光纤 依靠光波承载信息高传送速率通信容量大传输损耗小适合长距离传输抗干扰性能好保密性好轻便 多芯光缆 光纤对外界的电磁干扰十分迟钝 传输容量大 传输特性好 返回 2 无线传输介质 使用电磁波无需物理连接 固定终端点 基站 和终端之间是无线链路 返回 地面微波接力 两个地面站之间传送距离 50 100km 返回 卫星 使用微波使用转发器接收和转发 地球同步卫星 与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球 返回 红外线 红外线一般局限于一个很小的区域 如在一个房间内 并且经常要求发送器直接指向接收器 红外硬件与其他设备比较相对便宜 并且不需要天线 红外技术提供了无需天线的无线连接 激光 由于激光是直线传输 而且激光光束不能被阻挡 不能穿透植物以及雪雾等 因此 激光传送的应用受到了一定的限制 激光束除了通过光纤进行通信 也能在空中传输信号 和微波通信系统相似 激光通信通常由两个站点组成 每个站点都拥有发送和接收装置 设备安装在一个固定的位置 通常在一个高塔上 并且相互对准 以便使一个站点的发送器将光束直接发送至另一站点的接收器 6 2 3数据传输信道 1 信道的分类以信道的传输媒体分为 有线信道和无线信道 双绞线电缆 同轴电缆 光纤等为有线信道 红外线 微波 激光等为无线信道以信道多路复用的形式分为 频分复用信道和时分复用信道以信道中传输的信息分为 模拟信道 数字信道及模拟 数字混合信道 2 信道通信方式单工通信 半双工通信 全双工通信信道的带宽带宽 指信道能传送信号的频率宽度 即可传送的信号的最高频率与最低频率之差 衡量传输能力的指标为 比特率或波特率 二者的换算关系为 比特率 波特率 log2NN为一个脉冲信号表示的有效状态数 例 无线电广播 电视 例 对讲机通信 例 接听电话 6 2 4数据交换技术与差错控制 数据交换技术 线路交换 存储转发 1 电路交换 circuitswitching 2 报文交换 messageswitching 3 分组交换 packetswitching 通信连接方式 1 面向连接服务 2 无连接服务 线路建立 数据传输 线路拆除 如电话 报文 整块数据 控制信息 收发 结束 古代驿站传送消息 一站接一站传送 数据划分成数据段 每个数据段加上收发控制信息 分组序列信息 建立连接 数据传输 连接释放 如打电话 不需建立连接 发送端想发就发 如E mail 差错控制差错控制的核心是 差错控制编码差错控制编码分检错码和纠错码两种 检错码 采用的基本策略只是在要发送的数据上附足够的冗余位 使接收端知道有错误发生 但不知道什么样的差错 然后接收端发出重发请求 让发送端重发该数据块 常用的检错码 奇偶校验码和循环冗余校验码 6 3计算机网络体系结构 6 3 1计算机网络体系结构的基本概念 6 3 2OSI RM网络体系结构 6 3 3TCP IP网络体系结构 什么是协议 协议是一种约定 用以确保交流各方清晰地表达思想 什么是网络协议 网络协议是定义并实现网络通信的一组规则和参数 计算机之间 Internet中所有的通信活动都是由协议所控制 什么是通信协议 通信协议是一组规则和标准 用以确保计算机之间互联 并在尽可能少发生错误的前提下交换信息 邮寄协议示例 定义了网络实体间发送和接收报文的格式 顺序以及当传送和接收消息时应采取的动作 人际交流协议 6 3 1计算机网络体系结构的基本概念 网络协议三要素 语法数据的传输和存储格式 解决 怎么讲 的问题 语义控制信息的含义 需要做出的动作及响应 解决 讲什么 的问题 时序规定了操作的执行顺序 解决 顺序和速度 问题 人的协议和网络协议之间的对比 网络通信一步到位固然简单 但如果遇到不同类型的网络 不同类型的数据结构 不同的数据格式怎么处理 2 网络协议的分层 日常生活中结构举例 也可以规定 凡遇到不一致的通信 统统都不处理 那样 岂不是受到太多的限制吗 怎么办 实际上 网络之间的通信通常采用 分而治之 方法 把网络通信分解为多层通信结构 每一层有相应的协议 各层之间规定有相应的接口标准 网络系统采用层次化的结构有以下优点 各层之间相互独立 高层不必关心低层的实现细节 可以做到各司其职某个网络层次的变化不会对其他层次产生影响分层结构提供了标准接口 使软件开发商和设备生产商易于提供网络软件和网络设备分层结构的适应性强 只要服务和接口不变 层内实现方法可任意改变 3 网络体系结构 计算机网络层次模型和各层协议的集合定义为网络体系结构常见的计算机网络体系结构有OSI RM TCP IP等 6 3 2OSI RM网络体系结构 OSI RM参考模型定义的网络7个功能层分别为 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 并规定了每层的功能以及不同层次之间如何协调 1 物理层 物理层是OSI RM的最底层 其功能是为数据链路层提供物理连接该层将信息按比特一位一位地从一个实体经物理通道送往另一个实体 以实现两实体间的比特流传送物理层的接口标准有RS 232 RJ 45等 物理层接口具有4个重要特性 即机械 电气 功能和过程特性 2 数据链路层 数据链路层的主要功能是保证两个节点之间数据以帧 Frame 为单位的无差错传输帧是一组由字符组成的信息块 它包括用户数据和一些通信控制信息典型的数据链路层协议有HDLC 高级数据链路控制规程 PPP 点对点 等 3 网络层 网络层的主要功能是为网络内两个设备之间的数据交换提供服务 并进行路由选择和流量控制网络层传输的信息以报文分组或包为单位网络层接收来自源主机的报文 并把它转换为报文分组 然后按路由选择算法确定的路径送到指定目标主机 当它到达目标主机之后再还原成报文 4 传输层 传输层也称为运输层或传送层 该层的功能是对高层 会话层 隐蔽下面各层的结构 并提供传输服务 使源主机与目标主机好像是点对点连接起来的一样传输层信息传送的单位是报文 该层的具体工作是接收会话层送来的数据 5 会话层 会话层又称为对话层 它的任务是为不同系统中的两个用户进程建立会话连接 并管理它们在该连接上的对话 使它们之间按顺序正确地完成数据交换 6 表示层 表示层主要处理用户信息的表示问题表示层提供应用实体之间数据的表示服务 主要是所交换数据的语法 目的是解决应用系统之间格式和数据表示的差别该层还完成数据压缩与恢复 数据加密与解密等功能 7 应用层 应用层是OSI RM参考模型的最高层 该层的任务是负责两个应用进程之间的通信为网络用户之间的通信提供专用的应用程序 如电子邮件 文件传输 数据库存取等 OSI开放系统互连参考模型 传输介质 D D D D D D D D D D D D H H H H H H H H H H H H 11100011001010111001110100100 主机A 主机B 演示 6 3 3TCP IP网络体系结构 TCP IP协议的层次结构如图所示 从TCP IP的分层结构可知 TCP IP协议的层次与OSI RM的对应层在功能上虽然并不完全对应 但在概念上是相似的 1 网络接口层 网络接口层是TCP IP协议实现的物理基础 但是TCP IP协议并没有定义网络接口层的具体内容 它直接采用IEEE802定义的协议系列目前网络接口层常用的协议有 IEEE802 3系列Ethernet 以太网 协议 PSTN 公用电话网 的相关协议 ATM 异步传输网 网络相关协议 SDH 同步数字系列 网络协议等 2 网络层 网络层采用IP 网际协议 其他协议有ICMP 网际报文控制协议 ARP 地址解析协议 RARP 反向地址解析协议 3 传输层 传输层由TCP 传输控制协议 和UDP 用户数据报协议 两个协议组成 TCP协议提供可靠传输服务 但传输性能较低 UDP提供不可靠传输服务 但传输性能较高 4 应用层 应用层规定主机应用程序进程在通信时应当遵循的协议常用的应用层协议有 DNS 域名服务 协议 HTTP 超文本传输协议 SMTP 简单邮件传送协议 FTP 文件传输协议 Telnet 远程登录 协议 6 4网络互连设备 6 4 1物理层网络设备 6 4 2数据链路层网络设备 6 4 3网络层网络设备 6 4 4其他层网络设备 6 4 1物理层网络设备 物理层设备主要功能包括设备的物理连接与电信号匹配 完成比特流的传输 1 调制解调器 Modem Modem是一种信号转换设备在发送数字信号时 调制器将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形接收时 解调器将经过调制器变换所形成的模拟信号恢复成原来的数字信号 按通信接入技术分类 Modem有以下几种类型 Modem 调制解调器 ADSLModem 非对称数字用户线环路调制解调器 CableModem 电缆调制解调器 基带Modem 2 中继器 中继器是一种信号放大和整形的网络设备信号在网络中传输时 因为线材本身的阻抗会使信号越来越弱 导致信号衰减失真 当网线长度超过使用距离时 信号就会衰减到无法识别的程度中继器的主要功是将收到的信号重新整理 使其恢复原来的波形和强度 然后继续传送下去 集线器 Hub 是一种将多台计算机连接在一起 从而构成一个计算机局域网的网络互联设备集线器实际上是一种多端口中继器 它采用共享带宽的方式进行数据传输集线器主要用于小型局域网 产品有10Mbit s 100Mbit s几种集线器一般有4 8 16 24等数量的RJ 45接口 3 集线器 Hub 用集线器搭建简单的网络 HUB UTP PC机 服务器 以1台服务器 3台PC机为例 一台HUB4块UTP接口的网卡1台服务器3台PC机8个RJ45接头 水晶头 若干米UTP双绞线 使用HUB构建网络的缺点 使用Hub的LAN的缺点 多个站点同时发送会造成冲突 网络中站点越多 冲突现象越严重 每个站点的平均拥有带宽为W n 解决的方法 使用网桥或者交换机进行网段分割 微网段化 减少每个网段中站点的数量网段分割后网络总体带宽增加现实生活中邮局的例子 增加邮政点 6 4 2数据链路层网络设备 1 网卡 NIC 网卡 NIC 网络适配器 是数据链路层的网络互连设备网卡一般采用RJ 45接口 笔记本计算机一般采用USB接口 部分服务器网卡采用光纤接口网卡应与网络传输介质类型一致 网卡的质量在很大程度上影响网络的性能服务器网卡的选择应具备较高的数据传输速率 较低的CPU占用率 可进行网络管理等功能 2 网桥 网桥是一种数据链路层设备 主要用于连接两个同构的相互独立的计算机网络网桥的主要功能是进行数据帧转发 数据帧过滤和路径学习 3 交换机 以太网交换机实质上是支持以太网接口的多端口网桥交换机产品有以太网交换机 ATM网交换机 电话网程控交换机等 计算机网络主要采用以太网交换机 以太网交换机 6 4 3网络层网络设备 1 网关 网关主要用于连接两个异构的相互独立的网络 早期也将路由器称为网关网关可以工作在网络模型的不同层次 但是目前常见的网关是路由器 它属于网络层互连设备 2 路由器 网络连接功能通信协议转换功能数据包转发功能路由信息维护功能管理控制功能安全功能 路由器支持多种网络协议 如TCP IP IPX SPX AppleTalk等 我国绝大多数路由器运行TCP IP协议 路由器的主要功能有 6 4 4其他层网络设备 1 防火墙 防火墙是外部网络与内部网络之间的一个安全网关防火墙可以工作在网络的各个层次 如工作在应用层的软件防火墙 以及工作在传输层和网络层的硬件防火墙 2 网络服务器 服务器一词在网络中有双重含义 一是指提供某种网络服务的系统软件 如常用的DNS服务器 Web服务器 FTP服务器 E mail服务器等另一个含义是指运行某种网络服务软件的计算机 或称为服务器主机 与防火墙一样 服务器也可以工作在网络的各个层次 6 5局域网技术 6 5 1局域网概述 6 5 2局域网体系结构 6 5 3以太网 LAN的特点 覆盖范围小高传输速率10Mbit s 10Gbit s低误码率10 8 10 12双绞线 光纤 6 5 1局域网概述 局域网由网络硬件和网络软件两部分组成 这两部分互相依赖 共同完成局域网的通信功能 6 5 2局域网体系结构 早期局域网将数据链路层划分为两个子层 即媒体接入控制 MAC 子层和逻辑链路控制 LLC 子层 而网络的服务访问点 SAP 则在LLC层与高层的交界面 局域网的参考模型只相当于OSI RM的最低两层 1 早期局域网参考模型 6 5 2局域网体系结构 在IEEE802 3 2002标准中 物理层分为3个子层 物理编码子层 PCS 物理介质连接子层 PMA 和物理介质相关子层 PMD 以及与这些子层相关的接口 2 IEEE802 3 2002局域网参考模型 6 5 3以太网 1 IEEE802网络标准的发展 1973年以太网发明100Base TX确立了以太网技术在桌面的统治地位1985年IEEE802委员会正式推出IEEE802 3标准 即基于CSMA CD访问控