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1 第 章计算机网络基础 一 计算机网络的概述二 计算机网络的分类三 计算机的网络组成四 计算机的拓扑结构 第 章计算机网络基础 2 一 计算机网络的概述 1 计算机网络的定义2 计算机网络的起源3 计算机网络的发展4 计算机网络的应用5 计算机网络的速度 第 章计算机网络基础 3 1 计算机网络的定义 计算机网络的定义 第 章计算机网络基础 计算机网络是利用通信线路和通信设备 将分散在不同地点 并具有独立功能的多个计算机系统互相联接 按照网络协议进行数据通信 实现资源共享的计算机系统的集合 现代计算机技术与通信技术的结合 现代计算机技术 通信技术 计算机网络 4 2 计算机网络的起源 计算机网络的起源 1835年莫尔斯 S F Morse 发明电报1837年发明莫尔斯电码 莫尔斯电磁式有线电报问世1886年马可尼发明无线电报机1876年贝尔 A G Bell 发明电话机1878年人工电话交换局出现1892年史瑞桥自动交换局设立1912年美国Emerson公司制造出世界上第一台收音机1925年英国人约翰 贝德发明世界上第一台电视机1930年控制论 信息论等理论形成 第 章计算机网络基础 5 3 计算机网络的发展 第 章计算机网络基础 网络的发展 6 3 1技术的发展 第 章计算机网络基础 技术的发展 计算机技术的发展有赖于硬 软件技术的发展 而元件的发展 对其影响特别大 与通信技术的结合后 更是如虎添翼 计算机硬件的发展计算机软件的发展 7 3 2最初的网络 最初的网络 第 章计算机网络基础 早期 使用 终端 通信线路 计算机 结构 由一台主机与若干台终端 通过通信装置连接到电话系统组成 通信装置是调制解调器 将计算机或终端发出的数字信号变换为可在电话交换系统中传输的模拟信号 或进行相反变换 具有通讯功能的单机系统 8 3 3以后的网络 以后的网络 第 章计算机网络基础 以后 为减轻主机负担 用一台计算机 称前端处理机 专门负责与终端的通信工作 为提高线路利用率 降低成本 用低速线路把附近终端送来信息通过集中器 Concentrator 先汇总 再用高速线路把汇总的信息送入主机去处理 具有通讯功能的多机系统 9 3 4后来的网络 后来的网络 第 章计算机网络基础 后来 发展到将分散于各地的计算机用通信链路连接起来 使它们彼此之间能进行数据通信 交换数据 共享资源 计算机 计算机网络 10 3 4分组交换网 分组交换网 第 章计算机网络基础 世界第一个分组交换网由美国国防部高级研究计划局DARPA DefenseAdvancedResearchProjectAgency 于1969年 冷战时期 建立 目的是建立一个用于军事的作战指挥网络系统 ARPANET是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑 它对计算机网络技术发展的主要贡献表现在以下几个方面 完成了对计算机网络定义 分类的研究 提出了资源子网 通信子网的网络结构概念 研究了分组交换方法 采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系 11 3 5网络的组建 网络组建 资源子网 通信子网 第 章计算机网络基础 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能 那么从逻辑功能上就可以分为资源子网和通信子网两部分 从而计算机网络由资源子网与通信子网构成的结构 资源子网由主计算机系统 终端 连网外设 各种软件资源与信息资源组成 资源子网负责全网的数据处理业务 向网络用户提供各种共享的网络资源与网络服务 通信子网由通信控制处理机 通信线路与其它通信设备组成 完成网络数据传输 转发等通信处理任务 12 3 6报文处理机 IMP CCP 第 章计算机网络基础 在ARPANET中 CCP称为接口报文处理机 InterfaceMessageProcessor 它是ARPANET分组交换网中的节点交换机 一个节点交换机就是一个小型计算机 为确保高可靠性 每个IMP至少和另外两个IMP用线路连接 HOST 主机CCP 通信控制处理机 在ARPANET中称IMP 中继IMP 将分组完整地接收下来再为它选定一条合适的路径传给下一个IMP目的IMP 将收到的分组组装成一个完整的报文送给宿主机 13 3 7封闭与开放 封闭系统 开放系统 第 章计算机网络基础 各自研制的网络没有统一的网络体系结构 要把不同厂家提供的网络产品实现互连十分困难 这种自成体系的系统称为 封闭 系统 1984年 国际标准化组织ISO正式颁布OSI RM 开放系统互连参考模型 为协调标准的研制提供了一个共同基础 使得它们有了一致的框架 只要遵循OSI标准 一个系统就可以和位于世界上任何地方的 也遵循这同一标准的其它任何系统进行通信 这样的系统我们称为 开放 系统 14 4 计算机网络的应用 第 章计算机网络基础 计算机网络的应用 计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的 具有独立功能的许多计算机系统连接起来 按照某种协议进行数据通信 以实现资源共享的信息系统 文件传输文件共享资源共享打印共享Internet共享Intranet协同工作台联机游戏 网络的功能和服务 数据通信 DataCommunication 资源共享 ResourceSharing 高可靠性 HighReliability 节省投资 SavingMoney 分布处理 DistributedProcessing 网络管理 NetworkManagement 15 5 计算机网络的速度 第 章计算机网络基础 计算机网络的速度 1982年12月IEEE802 3标准的出现 标志着以太网技术标准的起步 同时也标志着符合国际标准 具有高度互通性的以太网产品的面世 1982年IEEE802 3速度为 10Mbps1995年IEEE802 3u速度为 100Mbps1998年IEEE802 3z速度为 1000Mbps 16 二 计算机网络的分类 1 按网络传输技术分类2 按网络地理范围分类3 按网络传输介质分类4 按网络传送方式分类 第 章计算机网络基础 17 1 按网络传输技术分类 点 点网 广播网 第 章计算机网络基础 点 点网中 一条通信链路连接两台设备 通常源和目的间没有直接的数据通路 而由多段链路组成 源站点发出的消息 必须经过若干中间节点的转发 才能到达目的节点 定义 所有计算机共享同一条通信信道特征 任一台机器发出的消息能被所有其它机器接收到类型 单点地址 Unicast 广播地址 Broadcast 组播地址 Multicast A B 17 18 2 按网络地理范围分类 按网络地理范围分类 第 章计算机网络基础 局域网 LocalAreaNetwork LAN 城域网 MetropolitanAreaNetwork MAN 广域网 WideAreaNetwork WAN 19 2 1局域网 局域网 LocalAreaNetwork LAN 第 章计算机网络基础 特征 1 分布在单个办公室 楼宇或校园中 由一个组织所有2 范围较小 局限于几公里3 单一的传输介质和拓扑结构 大多数采用总线 环形或星型结构 介质使用双绞线 同轴电缆等4 速率一般在10M 1000Mbps左右特点 1 距离短2 通信时延小 几十 s 3 数据速率高4 误码率低 10 8 10 11 20 2 2城域网 城域网 MetropolitanAreaNetwork MAN 第 章计算机网络基础 特征 1 范围扩充到整个城市2 可以是单一网络 也可以由若干个LAN连接而成3 可由一个单个公司拥有 也可由公共服务公司来维护4 可传输数据 音频和视频信息 互连局域网等特点 主要有DQDB FDDI等 21 2 3广域网 广域网 WideAreaNetwork WAN 第 章计算机网络基础 特征 1 范围扩充到整个国家乃至全世界2 能够提供数据 语音 图像和视频的远程传输 能实现广大范围内的资源共享3 拓扑结构不规则 为点到点 通过公共 租用或私有线路 跨越各种网络 延迟大 出错率高4 可以由单一公司所拥有 如公司WAN 也可以是公共网络 如Internet 特点 广域网由资源子网与通信子网组成 22 3 按网络传输介质分类 有线网络 无线网络 第 章计算机网络基础 有线网络就是采用线缆 如轴电缆 双绞线 光纤等 作为传输介质 实现计算机之间数据通信的网络 无线网络就是采用无线通信技术代替传统电缆 提供传统有线网络功能的网络 以下是无线网络的优点 22 部署灵活建设速度快安装灵活方便节约建设投资安全性好 23 4 按网络传送方式分类 以太网 ATM FDDI 第 章计算机网络基础 以太网网络标准是Xerox Digital和Intel三家公司于1970年初开发的 是目前应用最为广泛 技术最为成熟的网络类型 ATM的中文名称为异步传输模式 ATM网络的传输原理可简单的概括为将传输数据切割为固定 53byte 的 信无 在高频通道中建立虚拟通道与虚拟路径 并利用高速交换机执行非同步的信元交换 其速率可达155Mbps 622Mbps FDDI的中文名称叫做光纤分布式数据界面 执行美国国家标准局ANSIX3T9 5的网络标准 以光纤为传输媒介 传输速率可达100Mbps 适用于高速网络主干 23 24 三 计算机的网络组成 1 网络设备2 通信介质3 操作系统4 网络协议 第 章计算机网络基础 25 1 网络设备 第 章计算机网络基础 25 网络设备 整个计算机网络是一个完整的体系 就像一台独立的计算机 既包括硬件系统又包括软件系统 计算机通过网络硬件系统实现与其他用户的连接 网络硬件之间采取的搭配方式不同可能会实现不同的网络功能 路由器 交换机 网卡 集线器 26 1 1网卡 网卡 第 章计算机网络基础 网卡 NIC NetworkInterfaceCard 也称网络界面卡或网络接口卡 是计算机与网络相互连接的接口 26 27 1 2集线器 集线器 第 章计算机网络基础 集线器 Hub 是最早应用于计算机网络的集线设备 作用是将连接至计算机网卡上的一条条电缆汇集在一起 并实现它们之间的连接 集线器采用的数据传输方式是共享传输介质 即集线器上所有的端口都是共享一条传输介质的带宽 如果同时连接的用户数量大多 网络传输速率就会明显降低 27 28 1 3交换机 交换机 第 章计算机网络基础 交换机 Switch 是集线器的换代产品 其作用与集线器相同 也将作为传输介质的线缆汇聚在一起 所有不同的是 交换机能够为计算机提供更高的传输速率 28 29 1 4路由器 路由器 第 章计算机网络基础 路由器其实就是一种专用计算机 用于计算并确定数据传输的路由 路由器的主要作用有两个 一是用于连接不同类型的网络 二是用于隔离广播域 避免广播风暴 29 30 2 通信介质 点 点网 广播网 第 章计算机网络基础 点 点网中 一条通信链路连接两台设备 通常源和目的间没有直接的数据通路 而由多段链路组成 源站点发出的消息 必须经过若干中间节点的转发 才能到达目的节点 定义 所有计算机共享同一条通信信道特征 任一台机器发出的消息能被所有其它机器接收到类型 单点地址 Unicast 广播地址 Broadcast 组播地址 Multicast 30 31 2 1无线 无线 第 章计算机网络基础 无线网络中无线号则是依靠一定的媒体通过电磁波来传输 无线网络的硬件设备主要包括三种 即无线网卡 无线AP和无线天线 31 无线网卡 无线AP 无线天线 32 2 2双绞线 双绞线 第 章计算机网络基础 双绞线类似于普通的相互绞合的电线 只是拥有8根相互绝缘的铜线 8根铜线分为4对 每2根为非作歹对 并按照规定的密度相互缠绕 同时4对线之间也按照一定的规律相互缠绕 32 非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线 33 2 3光纤 光纤 第 章计算机网络基础 光纤的中心是用于光传播的玻璃芯 芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套 使光信号在纤芯中传播前进 光缆安照发光源的不同可分为单模光纤和多模光纤 单模光纤采用激光二极管LD作为光源 多模光纤采用发光二极管LED作为光源 33 34 2 4同轴电缆 同轴电缆 第 章计算机网络基础 同轴电缆是以太网时代最常使用的网络传输介质 分为细缆和粗缆两种 两者均被用于总线型网络 所以网络中所有的计算机只能共享10Mbps 34 35 3 操作系统 操作系统 第 章计算机网络基础 35 如果没有网络系统 网络设备就只是一堆摆设 无法发挥网络的强大作用 网络操作系统是整个网络的灵魂 它决定了网络的功能 并由引决定了不同网络的应用领域及方向 36 4 通讯协议 通讯协议 第 章计算机网络基础 协议 Protocol 是指网络设备用来通信的规则 它专门负责计算机之间的通信 这套规则可以理解成所有计算机都能听得懂的公用语言 被称为网络通信协议 必须为网络选择适当的通信协议 才能保证网络的正常运行 36 37 四 计算机的拓扑结构 1 网络拓扑2 总线拓扑3 环型拓扑4 星型拓扑5 网状拓扑6 树型拓扑7 混合拓扑8 拓扑设计 第 章计算机网络基础 38 1 网络拓扑 第 章计算机网络基础 38 网络拓扑 网络拓扑就是指局域网络中各节点间相互连接的方式 也就是网络中计算机之间如何相互连接的问题 拓扑结构的选择往往与通信介质的选择和介质访问控制方法的确定紧密相关 并决定着对网络设备的选择 39 2 总线拓扑 第 章计算机网络基础 39 总线拓扑 总线型拓扑结构采用单根传输线作为传输介质 所有站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质上 或称总线上 任何一个站点发送的信号都可以沿着介质双向传播 而且能被其他所有站接收 广播方式 40 3 环型拓扑 第 章计算机网络基础 40 环型拓扑 环型拓扑是将网络中的各节点通过通信介质连成一个封闭的环型 并且所有节点的网络接口卡作为中继器 环型网络中没有起点和终点 一般通过令牌来传递数据 41 4 星型拓扑 第 章计算机网络基础 41 总线拓扑 星形拓扑是由中央结点和通过点到点链路接到中央结点的各站点组成 42 5 网状拓扑 第 章计算机网络基础 42 网状拓扑 设备通过网络节点间冗余复杂的导线进行连接 网络节点可以为路由器 交换机等设备 网状拓扑网络共有两种结构 全网状拓扑结构和半网状拓扑结构 43 6 树型拓扑 第 章计算机网络基础 43 树线拓扑 大中型网络几乎全部采用树型拓扑结构 核心交换机作为根 骨干交换机作为主干 工作组交换机作为枝 普通计算机作为叶 整个网络分为三层 即核心层 汇聚层和接入层 44 7 混合拓扑 第 章计算机网络基础 44 混合拓扑 是指一个网络中使用了多种拓扑结构 并将这些拓扑结构的优点结合在一起而形成的网络 最常见的就是星型环和星型总线拓扑 45 8 拓扑设计 第 章计算机网络基础 45 拓扑设计 在给定计算机和终端位置及保证可靠性 延时 吞吐量等服务性能要求的情况下 通过选择合适的通路 线路的容量以及流量分配 使整个网络的成本最低 设计分为 主干网设计和接入网设计 接入网 主干网 46 第 章OSI模型与网络协议 一 OSI参考模型二 数据传送方式 第 章OSI模型与网络协议 47 一 OSI参考模型 1 网络体系的发展2 网络体系的原理3 网络体系的结构4 网络的对等通信5 网络的数据封装6 网络层次的概念7 网络层次的意义 第 章OSI模型与网络协议 48 1 网络体系的发展 48 网络体系的发展 1 ARPAnet对计算机网络技术的贡献2 IBM公司的系统网络结构SNA3 ISO的开放系统互连 OSI 体系结构 提出并实现了分组交换的数据交换方式 采用层次化的网络体系结构 提出了通讯子网和资源子网两级子网的概念 第 章OSI模型与网络协议 按分层思想设计 各公司提出的不同体系结构网络无法互通 只要遵循OSI标准 一个系统可以与任何遵循同一个标 准的系统通信 第三代计算机网络的产生 49 2 网络体系的原理 49 网络体系的原理 网络体系结构就是使这些用不同媒介连接起来的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现互操作性 并满足各种业务的需求的一种粘合剂 它营造了一种 生存空间 任何厂商的任何产品 以及任何技术只要遵守这个空间的行为规则 就能够在其中生存并发展 它们互相交织 形成了非常复杂的系统应用环境 多种通信媒介 有线 无线 不同种类的设备 通用 专用 不同的操作系统 Unix Windows 不同的应用环境 固定 移动 不同种类业务 分时 交互 实时 宝贵的投资和积累 有形 无形 用户业务的延续性 不允许出现大的跌宕起伏 第 章OSI模型与网络协议 50 3 网络体系的结构 50 网络体系的结构 计算机网络的体系结构 对计算机网络及其部件所完成功能的比较精确的定义 是层次和协议的集合 第 章OSI模型与网络协议 51 4 网络的对等通信 51 对等层通信实质 OSI参考模型中 对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元 PDU ProtocolDataUnit 以下是对等层通信的实质 第 章OSI模型与网络协议 对等层实体之间虚拟通信下层向上层提供服务 52 5 网络的数据封装 52 数据封装的实质 一台计算机要发送数据到另一台计算机 数据首先必须打包 打包的过程成为封装 封装就是在数据前面加上特定的协议头部 OSI参考模型中每一层都要依靠下一层提供的服务 数据自上而下递交的过程实际上就是不断封装的过程 到达目的地后自下而上递交的过程就是不断拆封的过程 由此可知 在物理线路上传输的数据 其外面实际上被包封了多层 信封 但是 某一层只能识别由对等层封装的 信封 而对于被封装在 信封 内部的数据仅仅是拆封后将其提交给上层 本层不作任何处理 第 章OSI模型与网络协议 数据 53 6 网络层次的概念 53 网络层次的概念 OSI OpenSystemInternet 开放系统互连 模型 是由国际标准化组织 ISO 为实现世界范围的计算机系统之间的通信而制定的标准框架 OSI模型将数据从一个站点传送至另一个站点的工作 分割成7个不同的任务 这些任务按层进行管理 即分为此层 每个层都对包进行封装和解封 每一层都包含了不同的网络设备和网络协议 把网络分成7层具有以下意义 简化相关的网络操作 提供即插即用的兼容性和不同厂商之间集成的标准接口 使工程师们能专注于设计和优化不同网络互连设备的操作性 防止一个区域的网络变化影响另一个区域的网络 把复杂的网络连接问题分解成几个简单的小问题 第 章OSI模型与网络协议 54 7 网络层次的意义 54 网络层次的意义 OSI构造了顺序式的7层模型 即物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 不同系统同等层之间按相应协议进行通信 同一系统不同层之间通过接口进行通信 其通信过程为将通信数据交给下一层处理 下一层对数据加上若干控制位后再交给它的下一层处理 最终由物理层传递到对方系统物理层 实际上 每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信 处理网络应用 数据表示 互连主机通信 端到端连接 寻址和最短路径 接入介质 二进制传输 第 章OSI模型与网络协议 上层使用下层提供的服务 ServiceUser 下层向上层提供服务 ServiceProvider 55 7 1物理层 55 物理层 物理层在OSI模型的最底层 它建立在通信介质的基础上 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比特 bit 流的传输 物理层的特性包括 第 章OSI模型与网络协议 机械特性 物理连接器的尺寸 形状 规格电气特性 信号电平 脉冲宽度 频率 传送速率 距离等功能特性 接口引脚的功能作用规程特性 信号时序 应答关系 操作过程 56 7 2数据链路层 56 数据链路层 数据链路层是将位收集起来 即将物理层传来的0 1信号组成包 也称为帧 Frame 的格式 将数据链路层划分为逻辑链路控制 LLC 和介质访问控制子层 MAC 两个子层 由MAC子层解决介质访问控制问题 第 章OSI模型与网络协议 网络层的分组被封装在帧的Data域中 A MAC地址字段 包括源地址和目的地址C 控制字段FCS 帧检验序列 一般采用CRC校验 其校验范围包括A C和Data字段 57 7 3网络层 57 网络层 网络层主要规划数据在网络中最佳的传输路径 本层维护路由表并确定哪一个路由是最快捷的 以及何时使用替代路由 以上是路由表建立与维护 第 章OSI模型与网络协议 静态 人工设置 只适用于小型网络动态 运行过程中根据网络情况自动地动态维护 58 7 4传输层 58 传输层 传输层把数据分段并组装成数据流 为数据的传输提供服务 对上层屏蔽传输层执行的细节 传输层作为一个转换层 即最后一个管理路由包的错误恢复的层 用于弥补网络层的任何不足 传输层以上各层 面向应用 以下各层 面向传输 传输层位于资源子网和通信子网的交界处 起着承上启下的作用 真正意义上的从源到目标实现 端到端 连接的层 第 章OSI模型与网络协议 1 3层 链接 中继4 7层 端到端 59 7 5会话层 59 会话层 会话层也称会晤层 主要负责建立 管理和终止两节点应用程序之间的会话 完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换 会话失败后 恢复到最后一个检查点处 而不用从头开始 一次会话传送多个文件 其中每一个文件的传送为一个活动 第 章OSI模型与网络协议 60 7 6表示层 60 表示层 表示层确保一个系统应用层发送的信息能够被另外一个系统的应用层所识别 处理被传送数据的表示问题 即信息的语法和语义 如有必要 使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换 例如 在日期 货币 数值 特别是浮点数 等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换 数据的加解密