《计算机基础讲义》jc06-1网络基础.ppt

1 计算机网络基础和Internet 授课教师 刘克强 2 计算机网络基础 网络体系结构和网络协议 Internet网络 Internet的连接 计算机网络基础和Internet Internet的基本服务 3 一 计算机网络基础 4 1 计算机网络的概念 计算机网络是计算机技术与通信技术相互结合的产物 计算机网络的根本目的是为了计算机之间能够相互通信 在结构上可从逻辑功能上划分为两大组成部分 通信子网 数据通信系统 资源子网 数据处理系统 计算机网络 就是将地理不同 具有独立功能的数台计算机系统 通过通信设备和传输介质相互物理连接 在网络软件的控制下 按照网络协议进行数据通信以实现资源共享 的信息系统 5 通信子网 由通信控制处理机CCP 通信线路和其他通信设备组成 1 计算机网络的概念 资源子网 由主计算机系统 终端控制器 联网外设 各种软件资源与信息资源组成 负责全网数据处理和向网络用户提供网络资源和网络服务工作 负担全网数据传输 转发等通信处理工作 6 2 计算机网络的形成与发展 计算机网络从形成 发展到应用广泛大致划分为 面向终端阶段 计算机网络阶段 网络体系标准化阶段和Internet阶段 面向终端的计算机网一台主机和多台终端组成 所有控制和管理功能由主机完成 所有通信协议都是系统专用的 采用电路交换 不能提供相互的资源共享 7 计算机网络阶段由通信子网和用户资源子网构成 实现了资源共享 采用层次式的网络结构 分组交换方式 分布式控制 网络中的通信双方都是具有自主处理能力的计算机 此阶段以资源共享为主 而不是以数据通信为主 2 计算机网络的形成与发展 8 网络体系结构的标准化为了解决不同体系结构的网络设备的互联 国际标准化组织 ISO 对网络体系结构的标准化进行了研究 并颁布了 开放系统互联基本参考模型 OSI 2 计算机网络的形成与发展 因特网阶段因特网的建立 把分散在全世界各地的网络互联起来 万维网技术 使Internet飞速发展 9 3 计算机网络的功能 计算机网络的主要功能 资源共享 数据通信或数据传送和分布式处理 资源共享 包括硬件 软件 数据资源 数据通信实现计算机间传送各种信息 分布式处理将一项负责的任务划分成许多部分 由网络内各计算机分别完成有关的部分 提高效率 降低成本 10 4 计算机网络的类型 按网络的规模或距离的远近可将计算机网络分为 局域网LAN 城域网MAN 广域网WAN 局域网LAN Localareanetwork 局域网覆盖范围为几百米到几公里 适用于一个建筑物 办公楼 或相邻的大楼内属于一个部门或者单位组建的专用网络 如公司或高校的校园内部网络 大多数局域网是采用IEEE802网络协议的以太网 局域网的特点 传输速率较高 可达到10Mb s 1Gb s 误码率较低 结构简单 容易实现 11 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 城域网是一种大型的局域网 因此使用类似于局域网的技术 它可能覆盖一个城市 传输速率通常在10Mbps以上 覆盖范围为几十公里到上百公里 广域网WAN WideAreaNetwork 广域网是一种跨度大的地域网络 通常覆盖一个国家或州 联网的计算机之间的距离一般在几百到几千公里以上 广域网由通信子网和资源子网组成 网络上的计算机称为主机 host 通过通信子网 communicationsubnet 连接 实现资源子网中的资源共享 4 计算机网络的类型 12 按照网络的数据交换方式分类 电路交换 报文交换 分组交换 电路交换 CircuitSwitching 建立连接的两端设备独占这条线路进行数据传输 直至该连接被拆除 包括 连接建立 数据传送和连接拆除3个过程 线路利用率不高 4 计算机网络的类型 13 报文交换 MessageSwitching 信息被分成一个个独立的报文 采用存储 转发 方式发送 网络中每个节点要将报文完整地接收并存储下来 进行必要的错误检查 然后转发到下一个节点 报文传输出错 需要重发时 必须重发整个报文 4 计算机网络的类型 14 分组交换 PacketSwitching 采用存储转发 的交换方式 以短的 标准的分组作为传输的基本单位 每个分组都带有自己的源地址和目的地址 可以不按顺序 不走同样的转发路径 网络中的中间节点收到一个分组后就可以转发 而不必等所有分组都到齐后再转发 从而提高交换速度 线路的有效利用率 传输出错只需重发出错的分组 4 计算机网络的类型 15 分组交换与电路交换相比 分组交换的线路利用率高 但实时性差 16 计算机网络拓扑的定义 是指将网络单元抽象为节点 通信线路抽象为链路 计算机网络由一组节点和连接节点的链路组成 5 计算机网络的拓扑结构 基本拓扑结构的类型 总线型 环型 星型 树型 网状型 目前在局域网中主要采用的网络拓朴结构是总线型 环型 星型 也就是指计算机网络中计算机物理连接的抽象表现形式 决定网络使用性能的关键是网络的拓扑结构 17 特点 连网简单 布线容易 可靠性高 便于网络扩充 成本较低故障检测比较困难效率较低 不适于构造大型网络 1 总线型 BUS 所有计算机及辅设均通过相应的硬件接口连在一根网线上 5 计算机网络的拓扑结构 18 特点 信息分段 单向传送效率较高信号逐级放大抗干扰性高 网络半径较大可靠性高 但单结点故障 将影响全网成本较高 5 计算机网络的拓扑结构 2 环型 RING 所有计算机及辅设均通过网络接口设备 中继器 连在一个环路上 中继器 对接收信号进行再生和发送 扩大一个网络的作用范围 19 3 星型 STAR 所有计算机及辅设均连在一中心设备上 任何两个节点之间要进行信号的传送必须通过中央节点 由发送端发出 经过中央节点后转发到接收端 中央结点是一种信息开关和通用数据处理设备 特点 可靠性较高 单结点故障不影响其它结点可以有较高的速度布线稍难 成本略高 5 计算机网络的拓扑结构 20 4 树型在树型拓扑结构中所有节点是按照一定的层次关系排列而成的 就像一棵倒立着的树 与总线结构的主要区别在于树型中有 根 如下图所示 特点 易于扩展和故障隔离对根结点依赖性太大 5 计算机网络的拓扑结构 21 5 网状型网状型网络是一种不规则的网络结构 节点之间的连接是任意的 特点 容错能力强 可靠性高结构复杂 必须采用路由算法和信息流量控制 5 计算机网络的拓扑结构 Internet采用的是这种拓扑结构 22 6 计算机网络的组成 硬件 网络服务器 Server 在计算机网络中承担数据处理和网络控制的工作 是网络的主要资源 由具有较高性能的计算机或专门用作服务器的产品担任 服务器视其具体功能的不同 可分为文件服务器 数据库服务器 打印服务器 邮件服务器和Web服务器等 网络服务器和一般微机的一个重要区别是硬盘容量大 网络中的服务器运行网络操作系统 负责对网络的管理和控制 提供网络的服务功能 提供网络的共享资源 23 网络工作站 Workstation 一般是指个人计算机 是用户直接进行操作和使用的设备 通过工作站来访问服务器 网络工作站是通过网络接口连接到网络上的个人计算机 它保持原有计算机的功能 作为独立的个人计算机系统为用户服务 同时又可以按照被授予的一定权限访问服务器 网络工作站的主要功能是不仅可以访问服务器 而且工作站之间可以相互通信和资源共享 6 计算机网络的组成 硬件 网卡 NetworkInterfaceCarle NIC 网络接口卡 是计算机与通信介质的接口 是构成网络的基础部件 其主要功能 是实现网络数据格式与计算机数据格式转换 网络数据的接收与发送等 网卡是局域网中的通信设备 负责执行局域网的通信协议 每台网络服务器和工作站都至少配有一块网卡 通过通信介质将它们连接到网络上 网卡插在计算机或服务器PCI扩展槽中 选择网卡的主要依据是网络的拓扑结构 网络传输速度 计算机系统总线的类型 以及使用的传输介质的类型 6 计算机网络的组成 硬件 25 传输介质 在网络中作为传输的媒体 是物理连接通道 有以下几种 双绞线 6 计算机网络的组成 硬件 26 双绞线 俗称 10BASE T或100BASE T 10是指传输速率10Mbps而言 Base是基频 即基本的频宽 在这里就是宽频的意思 T就是指双绞线 双绞线可分为非屏蔽双绞线 UTP 和屏蔽双绞线 STP 双绞线依据品质的高低又可分为 3类 4类 5类 超5类 双绞线与RJ45头的连接 直连接 白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕 级连接 1 3换 2 6换 6 计算机网络的组成 硬件 27 双绞线的特点 采用直流信号 其优点 单位长度价格最低 其缺点 是抗高频干扰能力较低 6 计算机网络的组成 硬件 28 同轴电缆 是由内导体 外导体 绝缘层及外部保护层组成 内导体是一根芯线 外导体是一系列以内导体为轴的金属细丝组成的圆柱编织面 内外导体之间由填充物支持以保持同轴 常用的同轴电缆有 电阻是50 和电阻是75 宽带同轴电缆 一般用于总线型网络拓扑结构 细缆之间 以及细缆和计算机之间采用T型头 T型BNC接口 连接 总线的两端需安装终端电阻器 6 计算机网络的组成 硬件 29 同轴电缆的特点 采用直流信号 抗干扰能力强 其综合性能介于双绞线和光缆之间 6 计算机网络的组成 硬件 30 光纤 又称为光缆 横截面为圆形 分纤芯和包层两部分 光纤芯是光纤的导体部分 它是光波的通道 包层的折射率与玻璃纤维的折射率不同 包层将光线反射回纤维内部 同时避免来自其他光源的干扰 6 计算机网络的组成 硬件 光纤是利用折射率的差别采用全内反射来传输经过信号编码的光束 一根或多根光导纤维组合在一起形成光缆 31 光纤分类 单模光纤 若光纤的直径减小到只有一个光的波长 则光纤就像一根波导一样 可使得光线一直向前传播 而不会有多次反射 这样的光纤就称为单模光纤 采用激光源作为发射源 多模光纤 在光纤中 只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一个临界角度 就可以产生全反射 有许多不同角度入射的光线在一条光纤中传输 这种光纤就称为多模光纤 采用发光二极管作为发射源 6 计算机网络的组成 硬件 32 光纤的特点 频带宽 传输距离远 传输容量大 抗电磁场干扰能力强 6 计算机网络的组成 硬件 33 无线传输 微波 红外线 卫星 6 计算机网络的组成 硬件 微波接力通信 通信信道容量很大 传输质量较高 可靠性较高 隐蔽性和保密性较差 卫星通信 是在地球地面站之间利用位于36000km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信 34 网络互联设备网络互联是指局域网与局域网 局域网与广域网之间的连接 常见的网络互连设备有 网桥集线器交换机路由器网关 6 计算机网络的组成 硬件 35 网桥 Bridge 用来实现局域网互联的常用的技术 网桥属于数据链路层的存储转发设备 它独立于高层协议 可用于同构局域网之间连的设备 其作用 在一个大型局域网中 网桥被用来将局域网分成即独立又能相互通信的多个子网 从而可以改善各个子网的性能与安全性 两个不同类型局域网的互连也可以通过网桥实现 其工作原理 它能够建立 保存和维护一张地址表 该表将网桥的端口与所连接的设备地址对应起来 6 计算机网络的组成 硬件 36 集线器 6 计算机网络的组成 硬件 37 集线器 HUB 又称集中器 是计算机网络中连接多个计算机或其他设备的连接设备 是对网络进行集中管理的最小单元 集线器有多个用户端口 所有网络站点都连接到一个中心点 此中心点称作网络集线器 集线器主要提供信号放大和中转功能 它把一个端口的全部信号向所有端口发出去 每个端口的带宽平均分配其总带宽 即共享带宽 6 计算机网络的组成 硬件 集线器集线器有4端口 8端口 16端口和32端口等不同规格 优点 价格低廉 安装简单 稳定性好 可靠性高 适用性广等特点 38 6 计算机网络的组成 硬件 交换机 39 交换机 Switch 专门为计算机之间能够相互高速通信且独享带宽而设计的一种包交换的网络设备 其工作原理 交换机内部拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵 其所有的端口都挂接在这条背部总线上 控制电路收到数据包以后 处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC的网卡挂接在那个端口上 通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口 若目的MAC不存在 则广播到所有的端口 若接收端口回应后 交换机将 学习 新地址 并把它加入到内部地址表中 6 计算机网络的组成 硬件 40 路由器 6 计算机网络的组成 硬件 41 路由器 Router 用于将局域网与局域网 局域网与广域网和广域网与广域网互联设备 它属于OSI模型的网络层设备 在网络层上对分组信息进行存储转发 实现多个网络互联 其工作原理 路由器内有一个路由表 包含临近网络拓扑 其它路由器位置和网络状态等信息 选择最佳路径的依据有拥塞程度 传输费用 转接时延及传送距离等 当一个数据包到来时 路由器根据其中的目的地址 对应本身的路由表 选择一个最佳路径 把他发往下一路由器 每个路由器都做同样的工作 直到到达一个与该数据包的目的地址在同一网络的路由器上 再由它负责把这个数据报直接发给目的主机 6 计算机网络的组成 硬件 42 网关 Gateway 又称协议转换器 通过使用适当的软件和硬件 来实现不同协议之间的转换 硬件提供不同网络的接口 软件实现不同协议的转换 网关的功能体现在OSI模型的应用层 它可以将具有不同体系结构的计算机网络连在一起 把一种协议变成另一种协议 把一种数据格式变成另一种数据格式 把一种速率变成另一种速率 以求两者的统一 在互联网中 网关一般都是一台计算机设备 通过安装两块网卡并运行软件实现 网关也可以是一台路由器 6 计算机网络的组成 硬件 43 综上所述 各常用网络互连设备进行网络互连所在OSI参考模型的层次 物理层互联设备 即集线器 中继器 Repeater 数据链路层互联设备 即桥接器 交换机 网络层互联设备 即路由器 网络层以上的互联设备 通称网关 6 计算机网络的组成 硬件 44 计算机网络中的软件主要包括 网络操作系统 网络应用软件 网络通信协议 网络操作系统 是一组管理程序 主要是对处理器 作业 储存 文件和设备的管理 目前常用的网络操作系统有UNIX Linux WindowsNTServer WindowsServer2003 NetWare 网络应用软件如电子邮件客户软件 BBS客户软件 7 计算机网络的组成 软件 45 计算机局域网中的网络软件主要包括 思考 网络操作系统 网络应用软件 网络数据库管理系统 46 二 网络体系结构和网络协议 47 协议 计算机网络是由多个互联的节点组成 节点之间交换数据和控制信息时 每个节点都必须遵守一些事先约定好的规则 这些规则明确规定了所交换数据的格式和时序 这些为网络数据交换而制定的规则 约定 标准称为网络协议 主要由三要素组成 语法 数据与控制信息的结构和格式 语义 需要发出何种控制信息 以及完成的动作与做出的响应 同步 对事件顺序的详细说明 1 网络体系结构的基本概念 48 层次 人们采用分级处理的方法来解决计算机网络的技术问题 采用层次结构把复杂问题 分而治之 降低复杂问题的处理难度 接口 是同一节点内相邻层之间交换信息的连接点 低层向高层通过接口提供服务 网络体系结构 是网络层次模型与各层次协议的集合 目前国内流行四种类型的局域网络体系结构 即 以太网结构 令牌环网结构 星型网结构 光纤分布式数据网结构 1 网络体系结构的基本概念 49 2 网络的标准化组织 ISO组织 国际标准化组织OSI参考模型 开放式系统互联参考模型 即七层通信网络模型 IEEE组织 国际电子电气工程师协会IEEE802协议 ARPA组织 美国国防部的高级研究计划署TCP IP协议与FTP协议 50 国际标准化组织ISO于1984年制定了 开放系统互连参考模型 即著名的OSI OpenSystemInterconnection OSI标准将网络的通信功能划分为七个层次 1 物理层 physicallayer 2 数据链路层 datalinklayer 3 网络层 networklayer 4 传输层 transportlayer 5 会话层 sessionlayer 6 表示层 presentationlayer 7 应用层 applicationlayer 3 OSI参考模型 51 OSI划分层次原则 网络中各节点都有相同的层次 不同节点的同等层具有相同的功能 同一节点内相邻层之间通过接口通信 每一层可以使用下层提供的服务 并向其上层提供服务 不同节点的同等层按照协议来实现对等层之间的通信 3 OSI参考模型 52 各分层的主要功能 物理层 physicallayer PH 透明传输比特流 其主要功能是利用传输介质为数据链路层提供物理连接 实现比特流的透明传输 物理层处于OSI的最低层 利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接 它会按照传送介质的电器特性的不同而有不同的格式 传送的单位为bit 并将信息按照位逐一从一个系统经物理通道送往另一个系统 3 OSI参考模型 53 各分层的主要功能 数据链路层 datalinklayer DL 无差错传输 帧 信号 数据链路层位于第二层 其主要功能 是在物理层提供的服务基础上 数据链路层在相邻节点之间建立数据链路连接 传输以 帧 为单位的数据包 并采用差错控制与流量控制方法 使有差错的物理线路变成无差错的数据链路 其网络产品最多的是网卡 3 OSI参考模型 54 各分层的主要功能 网络层 networklayer N 分组传送和路由选择 网络层位于第三层 其主要功能 是负责网络内任意两个通信子网间的数据交换 为信息所走的路径提供选择的方案 即通过网络传输数据 通常数据在这一层被转换为数据包 然后通过路径选择 分段组合 顺序进 出路由等控制 将信息从一台网络设备传送到另一台网络设备 3 OSI参考模型 55 各分层的主要功能 运输层 transportlayer T 透明传输报文 运输层位于第四层 其主要功能 是负责收到高层的数据 并将数据分成较小的信息单位传送到网络层 达到两个传输层间无差错地传送 即向用户提供可靠的端到端服务 透明地传送报文 向高层屏蔽下层通信的细节 其主要解决的问题是 接收从会话层发出的数据 根据需要把数据划分为许多很小的单元 即报文 传送给网络层 3 OSI参考模型 56 各分层的主要功能 会话层 sessionlayer S 会话的管理与数据传输的同步 会话层位于第五层 其主要功能 是负责不同机器上用户的会话关系 即负责维护节点之间的会话进程之间的通信 管理数据交换等功能 其主要解决的问题是 把要求建立会话的用户所提供对话的用户地址 转换成相应的传送开始地址 以实现正确的传送连接 3 OSI参考模型 57 各分层的主要功能 表示层 presentationlayer P 数据格式的转换 表示层位于第六层 其主要功能 是负责对用户进行各种转换服务 即用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式 主要包括数据格式交换 数据加密与解密 数据压缩与恢复等功能 其主要解决的问题是 用标准编码方式对数据进行编码 对该数据结构进行定义 并管理这些数据 3 OSI参考模型 58 各分层的主要功能 应用层 applicationlayer A 与用户应用进程的接口 表示层位于第七层 其主要功能 负责各用户访问网络的接口 为用户提供在OSI环境下的服务 即要求应用层采用不同应用协议来解决不同类型的应用要求 并且保证这些不同的应用所采用的底层通信协议是一样的 在应用层用户可以通过计算机访问网络资源 使用通过各种接口支持的各类服务 例如 浏览网页 远程登录 电子邮件与其它网络软件服务 3 OSI参考模型 59 数据在OSI参考模型的传输过程 在发送端 当主机A上的用户利用某一应用程序将数据发送到应用层时 应用层将它自己的信息 报头 附加在数据信息上并送至下一层 表示层接到该信息后 将本层的报头附加在该数据上并送至会话层 依此类推 数据沿着OSI模型自上而下进行传输 直至传送到物理层 在这一层 数据将被转变为由1和0组成的比特流 当该比特流通过传输介质到达主机B时 上述的过程将反过来进行 在每一层 该层的报头被剥去 然后数据被传送到上一层 最后 数据被传递到相关的应用程序 3 OSI参考模型 OSI网络体系结构中数据传输时的数据变化过程 61 TCP IP的发展 TCP IP TransmissionControlProtocol InternetProtocol 协议是为美国ARPAnet设计的 目的是使不同厂家生产的计算机能在共同网络环境下运行 Internet上的计算机均采用TCP IP协议 UNIX操作系统把TCP IP作为它的核心组成部分 TCP是传输控制协议 规定一种可靠的数据信息传递服务 IP协议又称因特网协议 网际协议 是支持网间互连的数据报协议 它提供网间连接的完善功能 包括IP数据报规定互连网络范围内的地址格式 4 TCP IP参考模型 62 TCP IP参考模型与OSI参考模型的层次对应关系 OSI参考模型 TCP IP参考模型 4 TCP IP参考模型 63 应用层 主要向用户提供一组常用的应用程序 传输层 主要提供应用程序间的通信 其功能包括 格式化信息流和提供可靠的传输 网络层 主要负责相邻计算机之间的通信 基本功能包括 处理分组发送请求 处理输入数据报 处理ICMP报文 数据链路层 主要负责接收IP数据报并通过网络发送出去 或者从网络上接收物理帧 抽出IP数据报 交给IP层 4 TCP IP参考模型 64 TCP IP协议簇 TCP IP协议簇可以分为3个层次 应用层协议 主要包括超文本传输 HTTP 远程登录 Telnet 文件传输 FTP 和电子邮件 SMTP 等协议 传输层协议 主要是传输控制 TCP 和用户数据报 UDP 协议 网络层协议 主要是网际协议 IP 地址转换协议 ARP 和反向地址转换协议 RARP 4 TCP IP参考模型 65 OSI网络协议 对于局域网来说 物理层和数据链路层完全由硬件来实现 并规定了传输介质的类型 网络拓扑结构 介质访问控制方式以及帧格式等 物理层由网络电缆 连接器和网卡上的收发电路实现 数据链路层由网卡上的协议处理器来实现 从网络层到应用层中的各层标准化工作 还不统一 5 局域网络协议 66 IEEE802网络协议 IEEE802委员会制定了标准化的计算机局域网络协议 IEEE802 3 以太网 Ethernet IEEE802 5 令牌网 Token Ring IEEE802 6 城域网目前 局域网中最具有代表性的标准是 CSMA CD总线访问方法和物理层技术规范IEEE802 3 Token Ring令牌环访问方法和技术规范IEEE802 5 Token Bus令牌总线访问方法和技术规范IEEE802 4 5 局域网络协议 67 IEEE802网络协议定义的标准中最重要的是将数据链路层划分为 逻辑链路控制 LLC