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第1章计算机网络概论 1 第1章计算机网络概论 本章内容 1 1计算机网络的形成和发展1 2计算机网络的定义1 3计算机网络的功能1 4计算机网络的分类1 5计算机网络的模式1 6计算机网络的组成1 7网络计算研究与应用的发展 第1章计算机网络概论 2 本章学习要求 了解 网络的定义了解 网络的发展和特点了解 计算机网络的模式了解 网络计算研究与应用的发展掌握 网络的组成掌握 网络的分类掌握 网络的功能 第1章计算机网络概论 3 1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC诞生时 计算机技术与通信技术并没有直接的联系 20世纪50年代初 由于美国军方的需要 美国半自动地面防空系统 SAGE 的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试 随着计算机应用的发展 出现了多台计算机互连的需求 用户希望通过网络实现计算机资源共享的目的 典型的研究成果是ARPAnet 1 1计算机网络的形成和发展 1 1 1计算机网络的形成 第1章计算机网络概论 4 计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物 它涉及到通信与计算机两个领域 它的诞生使计算机体系结构发生了巨大变化 在当今社会经济中起着非常重要的作用 它对人类社会的进步做出了巨大贡献 从某种意义上讲 计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家的计算机科学和通信技术水平 而且已经成为衡量其国力及现代化程度的重要标志之一 第1章计算机网络概论 5 早期的计算机应用模式 单机大 中 小型机 庞大 昂贵 资源无法共享计算机构成了一个个的信息 孤岛 计算机网络产生始于1950年 产生的原因 资源共享的需求 计算能力 外设 软件 数据 大型项目的合作 进行工程项目协作 人与人之间的信息沟通 数据通信 1 1 2计算机网络的发展 第1章计算机网络概论 6 1 从体系结构来观察 计算机网络的发展可分为三个阶段 三代网络 1 以主机为中心的联机终端系统 计算机 终端 系统 2 以通信子网为中心的主机互连 计算机 计算机 网络 3 体系结构标准化网络层次化结构 并对每层进行了精确定义 第1章计算机网络概论 7 1 以主机为中心的联机终端系统 特征 终端 Terminal 共享主机 Host 的软硬件资源单台主机 执行计算和通信任务多台终端 执行用户交互 终端集中器 终端服务器 连接方式 本地或远程 TS T T T T T T HOST 通信线路 T 第1章计算机网络概论 8 例子 飞机订票系统Host 航空公司总部 Terminals 订票点 通信线路 电话线路 缺点主机负荷重 数据处理 通信线路利用率低集中控制方式 可靠性低 改进终端集中器前端处理机 FrontEndProcessor FEP 通信任务分离 第1章计算机网络概论 9 2 以通信子网为中心的主机互连 特征多个终端联机系统互联 形成了多主机互联网络网络结构从 主机 终端 转变为 主机 主机 第1章计算机网络概论 10 主机 主机网络的演变 演变阶段1通信任务从主机中分离 由通信控制处理机 CCP 完成 CCP 处理主机之间通信任务的专用计算机 第1章计算机网络概论 11 由CCP组成的传输网络 通信子网 提供信息传输服务建立在通信子网基础上的主机集合 资源子网 提供计算资源 CCP CCP HOST HOST T T T T T T CCP HOST T T T 通信子网 两层网络概念的出现 第1章计算机网络概论 12 两层网络的概念结构 C C C H H H 资源子网 通信子网 在通信子网上可有多个资源子网 共享通信子网的服务 H H 第1章计算机网络概论 13 演变阶段2通信子网规模逐渐扩大私有 社会公用公用数据通信网PSTNX 25优点降低用户系统建设成本提高通信线路利用率兼容性好 第1章计算机网络概论 14 例子 因特网的前身 ARPANET美苏冷战时期由美国军方建立的实验性网络最初4个节点 70年代的60多个节点地域跨越美洲 欧洲具有现代网络的许多特征 例如分组交换分层次的网络体系较为完善的通信协议 第1章计算机网络概论 15 3 体系结构标准化网络 为什么需要标准化 不同网络设备之间的兼容性是推动网络体系结构标准化的原动力 标准化的目的是为网络硬件 软件 协议 存取控制和拓扑提供统一的标准 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体系结构标准化的基础 第1章计算机网络概论 16 厂商标准IBM SNA DEC DNA等缺点 适用范围 兼容性 技术垄断 竞争 标准不统一 用户利益 国际标准 ISOOSI RM OpenSystemInterconnection RecommendedModel 开放系统互联参考模型 简称OSI参考模型 OSI参考模型是一种概念上的网络模型 规定了网络体系结构的框架 7个层次只说明了做什么 Whattodo 而未规定怎样做 Howtodo 太复杂 几乎没有与之完全符合的网络事实上的标准TCP IP 因特网的骨干协议 从体系结构上看 它是OSI参考模型的简化 4层 网络体系结构标准化过程的演变 第1章计算机网络概论 17 为了实现各类网络的互联 适应更大范围的资源共享 促进网络的开放性及标准化程度 国际标准化组织 ISO 于70年代后期开始制定一系列国际标准 并于1981年正式公布了 开放系统互连参考模型 OSI OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel 从而确立了计算机网络的体系结构 按照标准化的体系结构建立的计算机网络称为第三代网络 第1章计算机网络概论 18 因特网时代的到来 因特网的出现标志着网络时代的到来 因特网是全球性的网络 丰富的信息和便利的使用是其规模迅速增长的主要驱动力 截止到2000年 Internet的规模为网络数达到105数量级 主机数达到107数量级 用户数108数量级 主干速率大于2 5Gbit s 美国政府资助的 下一代因特网计划 目标是主干网的速率比现在的因特网高1000倍端到端的速率要达到100Mbit s 10Gbit s 第1章计算机网络概论 19 2 计算机网络按年代划分 第一阶段 20世纪50年代数据通信技术的研究与发展第二阶段 20世纪60年代ARPAnet与分组交换技术的研究与发展第三阶段 20世纪70年代网络体系结构与协议标准化的研究广域网 局域网与分组交换技术的研究与应用第四阶段 20世纪90年代Internet技术的广泛应用网络计算技术的研究与发展宽带城域网与接入网技术的研究与发展网络与信息安全技术的研究与发展 第1章计算机网络概论 20 1 2计算机网络的定义 计算机网络定义的主要观点 从应用的观点 以相互共享资源方式连接起来 且各自具有独立功能的计算机系统的集合 从物理的观点 在网络协议的控制下 由若干台计算机和数据传输设备组成的系统 观点3 利用各种通信手段 把地理分散的计算机互联起来 能够互相通信且共享资源的系统 第1章计算机网络概论 21 计算机网络 相互连接的自治计算机的集合自治 能独立运行 不依赖于其他计算机互连 以任何可能的通信连接方式有线方式 铜线 光纤等无线方式 红外 无线电 微波 卫星等 通信网络 计算机系统 计算机系统 归纳与综合 第1章计算机网络概论 22 计算机网络与其它类似系统的比较 终端分时系统各终端分时占用主机资源终端无计算能力 对主机的依赖性极强数据分时处理 多机系统主机间通信多采用共享存储器 共享总线等 有的系统也采用高速局域网 第1章计算机网络概论 23 分布式系统1 分布式系统的特点 在分布式OS统一调度下 各计算机协调工作 数据并行处理 共同完成一项任务 如并行计算 用途 主要是科学计算和事务处理 第1章计算机网络概论 24 2 计算机网络的特点 非协调性的 松散耦合的 各计算机对用户非透明 用户必须指定资源的位置 用途主要是资源共享 分布式系统往往是基于计算机网络来实现的 在因特网中 域名服务系统 DNS 是分布式系统的一项典型的应用 分布式数据库系统也需要网络的支持 第1章计算机网络概论 25 1 3计算机网络功能 数据通信 CommunicationMedium 文件传输 IP电话 email 视频会议 信息发布 交互式娱乐 音乐 资源共享 ResourceSharing 软件 硬件 数据 数据库 提供高可靠性服务 HighReliability 利用可替代的资源 提供连续的高可靠服务 节省投资 SavingMoney 替代昂贵的大中型机系统 分布式处理 DistributedProcessing 第1章计算机网络概论 26 由计算机网络的功能可知它能提供各种各样的应用服务 主要包括如下几类 共享资源访问如Web FTP等 远程用户通信如E mail IP电话 网络会议等 网上事务处理如电子商务 电子政务 网上储蓄等 第1章计算机网络概论 27 计算机网络的分类方法主要有以下几种 1 根据网络所使用的传输技术分类2 根据网络的覆盖范围与规模分类3 按拓扑结构分类 1 4计算机网络的分类 第1章计算机网络概论 28 1 按网络传输技术进行分类 通信信道的类型有两类 广播通信信道点 点通信信道相应的计算机网络也可以分为两类 广播式网络 broadcastnetworks 点 点式网络 point to pointnetworks 局域网络通常使用广播方式 广域网络通常使用点对点方式 也有例外 第1章计算机网络概论 29 1 点 点式网络 由一对对机器间的多条传输链路构成 信源与信宿之间的通信需经过一台和多台中间设备进行传输 网状 环形 树形 星形 点 点通信方式 第1章计算机网络概论 30 2 广播式网络 一台计算机发送的信息可被网络上所有的计算机接收 总线形 无线 微波 卫星 广播式通信方式 第1章计算机网络概论 31 2 根据网络的覆盖范围与规模分类 局域网 LocalAreaNetwork LAN 范围 小 10KM传输技术 基带 10 1000Mbps 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 介于10KM 100KM传输技术 宽带 基带拓扑结构 总线IEEE专门为MAN定义了一个标准IEEE802 6 称为分布式队列双总线 DQDB 但并未得到预期的应用 第1章计算机网络概论 32 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 不规则 点到点 互联网由若干个物理网络包括LAN MAN和WAN等由路由器 或称网关 的网络设备连接在一起的 互联网是由路由器互连在一起的物理网络的集合 是网络的网络 第1章计算机网络概论 33 星形有一个中心节点 其它节点与其构成点到点连接树形一个根结点 多个中间分支节点和叶子节点构成 星形拓扑 树形拓扑 3 按拓扑结构分类 第1章计算机网络概论 34 总线所有节点挂接到一条总线上 广播式信道需要有介质访问控制规程以防止冲突环形所有节点连接成一个闭合的环 结点之间为点到点连接 总线形拓扑 环形拓扑 第1章计算机网络概论 35 全连接点到点全连接 连接数随节点数的增长迅速增长 使建造成本大大提高 只适用于节点数很少的广域网中不规则 网状 点到点部分连接 多用于广域网 由于连接的不完全性 需要有交换节点 不规则拓扑 全连接拓扑 第1章计算机网络概论 36 因特网的拓扑结构 点 端接系统 PC 服务器 PDA等 交换 节点设备 路由器 集中器 交换机等 边 通信链路 光纤 线缆 无线链路等 因特网服务提供商 ISP 提供网络接入 第1章计算机网络概论 37 计算机网络的模式主要有两种 它们分别是 对等网络模式和客户 服务器模式 1 对等网络模式在对等网络模式中 相连的机器之间彼此处于同等地位 没有主从之分故又称为对等网络 它们能够相互共享资源 每台计算机都能以同样方式作用于对方 1 5计算机网络的模式 第1章计算机网络概论 38 2 客户机 服务器模式 C S 客户机 服务器网络是一种基于服务器的网络 与对等网络相比 基于服务器的网络提供了更好的运行性能并且可靠性也有所提高 在基于服务器的网络中 不必将工作站计算机的硬盘与他人共享 实际上 如果想与某个人共享一份文件 就必须先将文件拷贝到服务器的硬盘上 或者一开始就在服务器上生成该文件 这样别人才能访问这份文件 共享数据全部都集中存放在服务器上 第1章计算机网络概论 39 1 6计算机网络的组成 计算机网络主要由计算机系统 包括计算机和终端 网络节点 通信处理机 和通信链路 通信线路和网络设备 等网络单元组成 从功能上可以将计算机网络分为 资源子网和通信子网 1 资源子网 负责数据处理的主计算机与终端等2 通信子网 负责数据通信处理的通信控制处理机与通信线路等 第1章计算机网络概论 40 资源子网和通信子网结构示意图 第1章计算机网络概论 41 1 资源子网的概念 资源子网的组成主机 终端 终端控制器外设 软件资源 信息资源主机 host 大型机 中型机 小型机 工作站或微机终端 terminal 用户访问网络的界面 终端可以是简单的输入 输出终端 也可以是带有微处理机的智能终端 终端可以通过主机连入网内 也可以通过通信控制处理机连入网内 第1章计算机网络概论 42 2 通信子网的概念 早期的ARPAnet中 承担通信控制处理机功能的设备是接口报文处理机IMP 也就是现在广泛使用的路由器 IMP将主机和终端连入网内 IMP完成分组接收 校验 存储 转发功能 第1章计算机网络概论 43 3 现代网络结构的变化 随着微型计算机的广泛应用 大量的微型计算机是通过局域网连入广域网 而局域网与广域网 广域网与广域网的互连是通过路由器实现的 在Internet中 用户计算机需要通过校园网 企业网或ISP联入地区主干网 地区主干网通过国家主干网联入国家间的高速主干网 这样就形成一种由路由器互联的大型 层次结构的网际网的Internet网络结构 第1章计算机网络概论 44 Internet网络结构示意图 第1章计算机网络概论 45 从软件和硬件的角度计算机网络系统的组成是 硬件网络节点端节点 计算机中间节点 交换机 集中器 复用器 路由器 中继器通信链路 信息传输的通道物理 传输介质逻辑 信道类比 CATV的电缆和频道之间的关系 软件通信软件 网络协议软件 网络操作系统网络管理 安全控制软件 网络应用软件 第1章计算机网络概论 46 1 7网络计算研究与应用的发展 1 7 1网络计算的基本概念移动计算网络的研究与应用网络多媒体计算的研究与应用网络并行计算的研究与应用存储区域网络的研究与应用 第1章计算机网络概论 47 计算 这个词在不同的时代有不同的内涵 20世纪初 图灵设计的第一个理论计算机模型和第一台电子计算机ENIAC问世 从那时以来 人类开始进入了计算机计算时代 电子邮件 Web服务 电子商务与IP电话己给我们的生活带来了很多变化 但是这仅仅是一个开始 网络带宽迅速地增长 软件越来越丰富 网络用户数与日剧增 人们的生活 学习和工作将离不开网络 21世纪人类将进入网络计算时代 第1章计算机网络概论 48 网络时代的 计算 已经有了更为广泛的含义 网络将被看作是最强有力的超级计算环境 它包含了丰富的计算 数据 存储 传输等各类资源 用户可以在任何地方登录 处理以前不能完成的问题 人们可以在不同的地点 很多人共同完成大型的科学计算和工程设计 学生可以在网上听世界任何一家其它大学知名教授的讲座 查阅全球的数字图书馆的图书 文献 各种信息家电都可以联入网络 用户可以在异地和移动过程中控制和管理 第1章计算机网络概论 49 1 7 2移动计算网络的研究与应用 移动计算网络是当前网络领域中一个重要的研究课题 移动计算是将计算机网络和移动通信技术结合起来 为用户提供移动的计算环境和新的计算模式 其作用是在任何时间都能够及时 准确地将有用信息提供给在任何地理位置的用户 移动计算技术可以使用户在汽车 飞机或火车里随时随地办公 从事远程事务处理 现场数据采集 股市行情分析 战场指挥 异地实时控制等 第1章计算机网络概论 50 1 7 3多媒体网络的研究与应用 多媒体网络的基本概念通过网络和多媒体技术的结合 参与者与计算机组成了一个统一的虚拟环境 在网络多媒体系统所提供的虚拟空间中 多台计算机及其用户通过网络构成一个分布式交互仿真环境 多媒体网络需要支持多媒体传输所需要的交互性与实时性要求 典型的网络多媒体系统有网络视频会议系统 分布式多媒体交互仿真系统 远程教学系统与远程医疗系统 第1章计算机网络概论 51 传统网络对多媒体应用的不适应及解决的思路 改进传统网络的方法主要是 增大带宽 改进协议增大带宽的主要方法是 增大传输介质的带宽 提高路由器性能 第1章计算机网络概论 52 1 7 4网络并行计算的研究与应用 基于网络的并行计算 由多个高性能计算机通过高速专用网络互联形成虚拟并行工作组 或者利用网络上已有的各类资源形成的高性能协同计算工作环境 来解决许多中 大型的复杂计算问题 用户可以把它作为单一的计算环境使用 主要有下面几种 机群计算 clustercomputing 工作站网络 networkofworkstation 可扩展的计算 scalablecomputing 元计算 metacomputing 第1章计算机网络概论 53 1 7 5存储区域网络的研究与应用 Internet与存储技术的结合 数据存储数量的剧增和对数据高效管理的要求导致了存储区域网络SAN和网络连接存储NAS的出现 网络存储一个重要的发展趋势是存储服务提供商SSP的出现 SSP将提供Internet存储服务和资源 第1章计算机网络概论 54 小结 计算机网络是计算机技术与通信技术高度发展 紧密结合的产物 网络技术对当前社会发展产生着重要的影响 从资源共享观点来看 计算机网络是 以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合 随着微型计算机和局域网的广泛应用 现代的广域网一般是通过路由器将局域网与广域网互联起来 构成各种信息系统的运行平台 第1章计算机网络概论 55 Internet经历了AR