计算机网络绪论ppt课件.ppt

数据通信与计算机网络 课时数总计 63学时其中理论学时 45上机学时 18学分 教材 计算机网络 电子工业出版社 我的联系方式 Tel QQ 619073855E mail 教学安排 1 教学进程2 成绩评定 平时 考试 前言 你可能认为自己已经知道了什么是网络 从实际应用方面来说 这种想法可能有90 是正确的 因为你在使用网络的时候 并不需要确切地知道它是怎样运转的 就像会开车并不需要知道发动机是怎样构造的一样 但是 学习计算机网络的目的是学习网络的原理知识 可以帮助你揭开网络的神秘面纱 并且消除对一些概念的误解 第一章绪论 从第一台计算机发明到现在 计算机技术经历了飞速的发展 计算机网络的产生更是大大地改变了人们的信息交流方式本章介绍计算机网络的基本概念 网络的产生和发展 网络的组成等 网络的重要性 信息的传递要依靠网络 因此实现信息化离不开完善的网络 网络已成为信息社会的命脉和重要基础 计算机网络的地位 现在有三种最主要的网络 电信网络 电话网 有线电视网络计算机网络在这三种网络中 计算机网络的发展最快 其技术已成为信息时代的核心技术 毫无疑问 你听说过计算机网络 它是用电缆连接起来的一组计算机 这样计算机之间就可以互相通信了 今天的计算机网络可以小到将办公室中的两台计算机连接在一起 也可以大到由分布在世界各地的成百上千台各种类型的计算机组成 它们不仅仅是通过电缆连接 而且还通过电话线甚至通过卫星连接 要建立一个真正大型的计算机网络 首先必须建立许多小网络 然后把这些网络互相连接在一起 在遍布全世界的家庭 公司 学校和政府办公室中 数以百万计的各种类型的计算机 PC机 大型机和其他类型的计算机 都连接成了网络 这些网络再彼此连接就构成了Internet 因为所有的计算机都连接起来了 所以Internet上的任意一台计算机都能够与另一台计算机通信 因特网 Internet 改变了世界 因特网是世界上最大的计算机网络 是自印刷术以来人类通信方面最大的变革 因特网缩短了人际交往的时间和空间 改变了人们的生活 工作 学习和交往方式 使世界发生了极大的变化 我国的情况 1994年4月20日我国正式接入因特网 根据中国互联网络信息中心 CNNIC 2006年1月17日发布第17次中国互联网络发展状况统计报告 我国上网计算机数 上网计算机总数为4950万台网用户数 1 44亿 到2010年 我国互联网网民数有望达到2亿 年均增长8 普及率为15 本章知识点 计算机网络的概念计算机网络的功能和应用计算机网络的产生和发展计算机网络的核心技术 分组交换计算机网络的拓扑结构计算机网络的标准化 1 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结合的产物 是自主计算机的互连集合 自主是指每个计算机都是独立的 不存在一台计算机控制另外一台的情况 互连是指两台计算机能够通信 交换数据 而不是指简单地用线缆连接在一起 计算机网络被定义 将分布不同地理位置的多台具有独立功能的自治计算机通过外围设置和通信线路互联起来 在功能完善的管理软件的支持下实现相互资源共享的系统 1 2计算机网络的功能与应用 1 资源与数据共享利用计算机网络 网络中一台主机能够使用另一台主机的数据 程序 设备和其他资源 就好像是用自己的一样 1 2计算机网络的功能与应用 2 信息交换网络给人们提供了非常方便的通信手段 比如 电子邮件 视频会议 远程医疗 远程教育等 1 2计算机网络的功能与应用 3 娱乐越来越多的娱乐形式与网络紧密相连 网络的视频点播 网络的音乐下载 网络游戏等 1 2计算机网络的功能与应用 4 分布式计算一些大型的计算项目 密码解密 药物的研究 寻找外星文明等 都有惊人的计算量 靠单一的计算机在短时间内计算完成是不可能的 有了计算机网络 可以通过网络将大型的计算项目分解成若干小的计算问题 让网络中的计算机进行并行处理 1 3计算机网络的产生和发展 1 3 1计算机网络产生于20世纪50至60年代 1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生时 计算机技术与通信技术并没有直接的联系 1 3计算机网络的产生和发展 20世纪50年代出现了多终端的主机系统 计算机与通信技术相结合起来 多终端主机系统 多终端主机系统能够让多个用户同时使用一台计算机 但是多终端主机系统不能称为计算机网络 因为它的各个终端都不独立 没有处理信息的能力 需要轮流使用主机的资源 CPU 内存 但是它开创了计算机技术和通信技术相结合的先河 1 3 1计算机网络的产生 20世纪60年代 第一个计算机网络ARPANET产生了 它是Internet的祖先 它是由主机和子网组成 子网在主机之间传递分组 IMP InterfaceMessageProcessor称为接口信息处理机 Internet的示意图 1 3 1计算机网络的产生 ARPANET网是美国国防部高级研究计划局 ARPA 军用实验网 它是一种新型的 能适应战争要求的生存性很强的网络 最初的ARPANET网只有4个结点 到了1975年发展到100多个结点 1 3 2因特网的发展和局域网发展时期 先看看因特网的发展 进入20世纪70 80年代 ARPANET稳步壮大 Internet已经初步形成 1983年 ARPANET被分为两个网络 一个依然称为ARPANET 用于实验研究 另一个网络用作军事网络 称为MILNET 20世纪80年代 美国国家科学基金 NSF 认识到网络的互连在科研上的巨大作用 于1986年组建了NSFNET 国家科学基金网 将国内的大学和科研结构连接起来 后来NSFNET与ARPANET相连 成为了Internet的新主干 1990年ARPANET作为实验网络结束使命停止运行后 NSFNET成为了美国境内的区域网络和海外国家网络的主干网络 因特网发展的第二阶段 NSFNET 国家科学基金网 它是一个三级计算机网络 主干网地区网校园网1991年 美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营 并开始对接入因特网的单位收费 1993年因特网主干网的速率提高到45Mb s T3速率 三级结构的因特网 各网络之间需要使用路由器来连接 有时在结构图中可不画出路由器 三级结构的因特网 主机到主机的通信可能要经过多种网络 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 校园网 国家主干网 局域网的发展时期 20世纪70 80年代 计算机硬件技术快速发展 计算机硬件价格不断下降 功能也不断增强 微型计算机和小型计算机被广泛应用在政府部门 公司和学校中 为实现信息和资源共享 各种类型的计算机局域网技术纷纷出现 如Ethernet 以太网 CambridgeRing 剑桥环 whalllop Z netOmninet等 为统一局域网标准 IEEE下属的802委员会推出802系列局域网标准 局域网的发展时期 续 如Ethernet 以太网 CambridgeRing 剑桥环 whalllop Z netOmninet等 为统一局域网标准 IEEE下属的802委员会推出802系列局域网标准 计算机网络体系结构的产生 随着多种网络技术的出现和网络数目的不断增加 将多个网络互连在一起实现信息和资源共享的要求也越来越迫切 网络的互连已经提到日程 但由于不同的网络采用不同的技术和体系机构 要想将网络互连起来 必须制定一套大家都遵守的 标准化的网络体系结构和网络协议 为此 国际标准化组织开始着手制定一系列的国际标准 ISO于1981年推出ISO RM 确立了计算机网络体系结构的理论模型 另一方面 TCP IP协议也在实践中产生了 1983年ARPANET向TCP IP协议的转换全部结束 TCP IP协议成为了Internet上的事实标准协议 1 3 3因特网大发展的时期 20世纪90年代是因特网大发展的时期 因特网演变成了多级结构的网络 不再是单一的主干网络了 从1993年开始 由美国政府资助的因特网主干NSFNET交给私人公司经营 逐渐被若干个商用的ISP接管 并开始对使用互联网的用户收费 从1994年到现在 因特网逐渐演变成多级结构网络 今日的多级结构的因特网 大致上可将因特网分为以下五个接入级网络接入点NAP国家主干网 主干ISP 地区ISP本地ISP校园网 企业网或PC机上网用户 主干网与网络接入点NAP NetworkAccessPoint 连接 实现主干网之间信息的互联互通 多级结构的因特网 大公司 地区ISP 网络接入点NAP 对等点 公司 主干服务提供者 本地ISP 地区ISP 地区ISP 地区ISP 本地ISP 本地ISP 大公司 大公司 网络接入点NAP 对等点 主机到主机的通信可能经过多种ISP 因特网网络的大发展时期 20世纪90年代 万维网 WorldWideWeb WWW 的发明极大地推动了因特网应用的发展 1993年美国提出了NII计划 信息高速公路 世界各国也纷纷提出自己的信息化建设规划 我国于1994年12月10日 正式启动 三金工程 1 3 4计算机网络的未来发展 进入21世纪 在统一的IP网络上实现语音 视频 数据融合已成为不可逆转的趋势 1996年 美国政府推出下一代互联网发展规划NGI 2004中国第一个下一代互联网主干网 CERNET2试验网正式宣布开通并提供服务 1 4计算机网络的组成与结构 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能 那么它在结构上必然分为两个部分 资源子网和通信子网两个部分 资源子网 负责数据处理的主计算机与终端 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 通信子网又称为分组交换网 计算机网络的组成与结构 续 计算机网络是硬件和软件的集合体 既包括主机 网络设备以及它们之间的硬件链路 还包括网络协议 硬件是网络通信的物理基础 网络协议是双方实现信息交换的通信规则 计算机网络的组成与结构 续 1 4 1硬件组成 主机 交换设备 通信线路 1 4 2网络协议 仅仅将主机和网络设备通过通信链路连接起来 还不能实现有效的网络通信 双方需要对通信中可能出现的问题做好特定的约定 比如 发送方准备好了数据 如何确定接收方已经准备接收 数据发送出去以后 如何知道对方已经收到 如果接收方收到了信息 该如何回复 如果接收方没收到了信息 又该怎么办 1 4 2网络协议 续 要真正实现将信息从一方发送到另一方 就要对通信中可能出现的问题考虑到 做好特定的约定 双方都遵守约定的规则 通信才能够正常进行 这些约定或规则就是网络协议 网络协议定义了两个或多个通信实体间交换报文的格式和次序 以及在报文传输或接收时所采取的动作 1 4 2网络协议 续 在网络通信中 执行协议的实体是设备中的硬件组件或软件组件 在因特网上的两台主机要相互通信 必须遵守TCP IP协议的规定 在局域网中两台主机要相互通信 必须遵守这种局域网技术所规定的协议 学习计算机网络的重点就在于学习网络协议 1 5计算机网络的核心技术 分组交换技术 分组交换技术是计算机网络的核心技术 最早使用分组交换技术的网络是ARPANET ARPANET最初只是一个单个的分组交换网 创建ARPANET网络时 电话网络已经非常普及 电话网络使用电路交换技术 为什么在计算机网络中不直接使用电路交换技术 而要重新设计交换技术 电路交换技术不适合计算机网络的特点和要求 回顾一下电路交换的特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来 更多的电话机互相连通 5部电话机两两相连 需10对电线 N部电话机两两相连 需N N 1 2对电线 当电话机的数量很大时 这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比 使用交换机 当电话机的数量增多时 就要使用交换机来完成全网的交换任务 交换机 交换 的含义 在这里 交换 switching 的含义是 转接 把一条电话线转接到另一条电话线 使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的 电路交换的三个阶段 建立连接通信释放连接 电路交换举例 A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电路交换举例 C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电话网络的特性 电话网络的特性 面向连接性和资源独占性传统的电路交换 circuitswitching 的电信网有一个缺点 正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁 则整个通信电路就要中断 如要改用其他迂回电路 必须重新拨号建立连接 这将要延误一些时间 1 5 1分组交换技术的产生 计算机网络的特点计算机网络的产生具有较强的军事背景 军方希望这个网络在受到部分破坏后 仍能够保持畅通的通信如果计算机网络采用电路交换技术 当某条通信线路被毁 通信就会终止 另外 计算机通信具有突发性 采用电路交换技术网络 这导致通信线路的利用率很低 所以 电路交换技术不能满足计算机网络通信的要求 于是新的交换技术 分组交换技术就产生了 分组交换技术 分组交换网分组的概念 通信双方有消息要发送时 消息首先被分割成若干个数据小块 在数据前添加控制信息 称为首部 首部和数据共同构成一个分组 面向终端的计算机系统与分组交换网的不同 早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源 分组交换网则是以网络为中心 主机都处在网络的外围 用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源 从以主机为中心到以网络为中心 以主机为中心 以分组交换网为中心 报文 1 5 2分组交换的原理 一 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 数据 数据 数据 分组交换的原理 二 每一个数据段前面添加上首部构成分组 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 分组交换的原理 三 分组交换网以 分组 作为数据传输单元 依次把各分组发送到接收端 假定接收端在左边 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息 把分组转发到下一个结点交换机 就这样一站一站接力式地向下传递 最终分组到达了接收方 分组交换网的示意图 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 结点交换机 主机 分组交换的原理 四 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 数据 数据 数据 分组交换的原理 五 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错 在转发时也没有被丢弃 分组交换技术 分组交换技术的特点1 对于分组交换机而言 它的任务就是将分组转发到正确的下一站 同时各分组交换机之间都冗余的链路 当一条链路损坏后 分组能通过其它的链路到达接收方 因此 分组交换机网有很强的生存能力 2 每个分组都是分段地占用通信线路 分组从一个站点传输到下一个站点后 相应的线路资源就释放了 从而可以为下一个分组服务 因此 分组交换中通信线路的资源利用率高 分组交换技术 分组交换技术的原理虽然简单 但仍有两个问题需要考虑 1 当分组交换机正在转发一个分组时 另一个分组到了 分组交换机该如何处理 丢弃新来的分组显然不行 解决的办法是每个分组交换机都要设置一定的缓存区 将新来分组暂存下来 排成一个队列 按照先后顺序依次转发 所以 分组交换技术的核心是存储转发机制 分组交换技术 存储转发机制简单 高效 非常适合计算机网络通信的要求 但会带来排队时延和处理时延 当缓存占满后 还会出现丢弃分组的现象 分组交换技术 2 分组交换技术需要考虑另一个问题 如何为分组选路 见备注 说明 H1分组要发给H4 H1会将分组发给R1 R1应将其转发给R2还是R3 无论发给谁 都可以到达目的地 在分组交换中可能会有好几条路都可以到达目的主机 因此存在一个路径选择问题 注意分组的存储转发过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 结点交换机 主机 在结点交换机A暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机C暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 1 5 3分组交换技术分类 分组交换技术分类 数据报虚电路 分组交换技术 数据报方式 数据报只要有数据发送 就直接生成分组交给分组交换机而不需要事先与目的地建立联系 每个分组的首部都包含接收方完整的地址 每个分组都被独立地转发 到达同一台主机的分组可能会走不同的路 对网络的适应能力比较强 每个分组首部中都要包含目的地的完整地址 开销比较大 同时属于同一个报文的各个分组可能会乱序到达 在接收方需要将其排序 分组交换技术 虚电路方式 虚电路发送数据前要建立双方逻辑上的连接 确定发送方到接收方的一条路 称为虚电路 用虚电路号表示所有的数据都要走这条固定的路 数据传输完毕后拆除虚电路 所有的分组都走同一条路到达接收方 能够保证分组顺序到达 虚电路号来标识路径 虚电路号要比完整的地址小得多 因此开销较小 出现故障 虚电路要重建 网络适应能力上不如数据报 虚电路技术示意图 1 6计算机网络的分类 根据所采用的传输技术的不同 计算机网络可以分为广播式网络和点对点网络 在广播式的网络中 所有主机共享一条通信线路在点对点的网络中 每条通信线路只连接两个主机 计算机网络的分类 根据网络规模大小不同 计算机网络