计算机三级网络技术课件2.ppt

三级网络技术 第2章网络基本概念 2 1计算机网络的形成与发展 3 2 1计算机网络的形成与发展 20世纪50年代20世纪60年代20世纪70年代中期开始20世纪90年代至今 4 2 1计算机网络的形成与发展 续 Internet的发展Internet是通过路由器实现多个广域网和局域网互连的大型网际网更高性能的Internet2正在发展之中 局域网技术的发展高速Ethernet 10Mbps 100Mbps 1Gbps 10Gbps宽带网络的发展宽带骨干网宽带接入网 2 2计算机网络的定义 6 2 2 1计算机网络定义的基本内容 三层含义 7 2 2 2计算机网络的基本结构及其特点 1 早期计算机网络结构结构上 包括主机 终端 CCP与通信线路逻辑功能上 包括资源子网 通信子网 8 2 2 2计算机网络的基本结构及其特点 续 2 现代网络结构的特点微型计算机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联是通过路由器实现的Internet 由路由器互联的大型 层次结构的互联网络 2 3计算机网络的分类 10 2 3 1网络分类方法 网络分类方法有很多 如 最主要的分类方法有两种 传输技术网络规模 11 2 3 1网络分类方法 1 根据网络所使用的传输技术分类广播式所有计算机共享一个通信信道 一台计算机发送的数据 所有计算机都可以接收到每个消息中都有目的地址和源地址局域网大多是广播式网络点到点需要使用分组的存储转发和路由选择技术 数据通过专门的存储转发设备 如路由器 选择路径广域网大多是点到点网络 12 2 3 1网络分类方法 2 根据其覆盖的地理范围进行分类是最能反映网络技术本质特征和最常见网络分类方法按网络的分布距离来分类 可分为 广域网 WAN 局域网 LAN 城域网 MAN 13 2 3 2广域网WAN 作用范围 几十到几千公里 可覆盖一个国家 地区 或横跨几个洲通信子网 可以利用公用分组交换网 卫星通信网和无线分组交换网广域网的主要特点有 适应大容量与突发性通信的要求 适应综合业务服务的要求 开放的设备接口与规范化的协议 完善的通信服务与网络管理 拥塞控制计算机的数据传输具有 突发性 广域网需要进行拥塞控制 14 几种常见广域网技术 分组交换网X 25建立在原有的速率较低 误码率较高的电缆传输介质之上为保证数据的可靠性 X 25协议包括了差错控制 流量控制 拥塞控制等功能帧中继X 25的简化版本传输介质光纤化 通信设备的数字化智能化 使数据传输的差错率降低到可以忽略不计将流量控制 差错控制等功能全部交由智能终端设备处理 15 几种常见广域网技术 续 宽带综合业务数据网B ISDN和异步传输模式ATM宽带综合业务数字网 B ISDN 提供64Kbit s 150Mbit s 甚至到600Mbit s的各种信息速率业务技术基础 ATMATM技术以信元为单位综合了以往电路交换方式和分组交换方式的优点对各种媒体信息 进行一元化的处理 加工 传递和交换 大大提高网络效率服务质量QoS QualityofService 多媒体网络应用及实时通信要求网络传输的高速率与低延迟 16 2 3 3局域网LAN 作用范围 一般在10公里以内 以一个单位或一个部门的范围为限 由这些单位或部门单独组建主要技术以太网 令牌总线 令牌环交换式局域网10Mbps到桌面100Mbps以太网 1Gbps以太网作主干 17 2 3 4城域网MAN 2 4计算机网络拓扑构型 19 2 4 1计算机网络拓扑的定义 抽象 点 工作站 服务器 通信设备等 线 通信介质网络拓扑结构通过网络中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构 反映出网络中个实体间的结构关系 拓扑的重要性对网络的性能 系统可靠性与通信费用都有重大影响主要指通信子网的拓扑构型 20 2 4 2网络拓扑分类方法 采用点 点线路的通信子网星型 环型 树型与网状型不可能存在总线型采用广播信道的通信子网总线型 树型 环型 无线通信与卫星通信型 21 2 4 2网络拓扑分类方法 1 星型拓扑结点通过点 点通信线路与中心结点连接 中心结点控制全网的通信优点 容易在网络中增加新的站点 易于实现和管理缺点 中心节点的故障会引起整个网络瘫痪 2 环型拓扑结点通过点 点通信线路连接成闭合环路优点 容易安装和监控缺点 容量有限 网络建成后 难以增加新的站点3 环型拓扑星型拓扑的扩展结点按层次进行连接 信息交换主要在上 下结点之间进行 相邻及同层结点之间一般不进行数据交换或数据交换量小汇集信息的应用要求4 网状拓扑结点之间的连接是任意的 没有规律优点 系统可靠性高 缺点 结构复杂 必须采用路由选择算法与流量控制方法广域网基本上都是采用网状拓扑构型 2 5数据传输速率与误码率 23 2 5 1数据传输速率的定义 1 数据传输速率在数值上等于每秒钟传输的构成数据代码的二进制比特数 又称比特率单位为比特 秒 记作b s bit s或bps对于二进制数据 数据传输速率可定义为 S 1 T常用的数据传输速率的单位还有Kbps Mbps Gbps和Tbps 换算关系 1Kbps 1 103bps1Mbps 1 106bps1Gbps 1 109bps1Tbps 1 1012bps 24 2 5 1数据传输速率的定义 续 2 带宽与数据传输速率关系带宽 某个信号具有的频率宽度 单位是赫兹 Hz 带宽 和 速率 几乎成了同义词通信信道最大传输速率与信道带宽之间存在着明确的关系 奈奎斯特准则香农定理 25 2 5 1数据传输速率的定义 续 奈奎斯特准则描述了有限带宽 无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽 B f 单位HZ 的关系为 例如 对于二进制数据 若B 3000Hz 则最大数据传输速率Rmax 6000bps 26 2 5 1数据传输速率的定义 续 香农定理描述了有限带宽 有随机热噪声信道时 最大传输速率与信道带宽 信号噪声功率比之间的关系 其中 Rmax 数据最大传输速率 单位是bpsB 信道带宽 单位是HzS N 信号与噪声功率比例如 信道带宽B 3000Hz S N 1000 那么Rmax 30kbps 香农定理给出了一个有限带宽 有热噪声信道的最大数据传输速率的极限值 27 2 5 2误码率的定义 定义 二进制码元在数据传输系统中被传错的概率 定义为 Pe Ne N其中 N 传输总码元数 Ne 传输出错的码元定义的理解 1 误码率是衡量正常状态下传输可靠性的参数 2 对于一个实际的数据传输系统 不能笼统地说 误码率越低越好 误码率越低 设备则越复杂 价格越贵 3 误码率是二进制的比值 误码率的测试是一种统计数字 测试的值越多 越接近精确值计算机网络中 误码率通常要求低于10 6 通信系统达不到 需要进行差错控制 2 6网络体系结构与网络协议的基本概念 29 2 6 1网络体系结构的基本概念 1 网络协议定义 为网络数据交换而制定的规则 约定与标准三要素 语法 用户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 时序 对事件实现顺序的详细说明 30 2 6 1网络体系结构的基本概念 续 2 网络体系结构定义 计算机网络层次结构模型和各层协议的集合体系结构是抽象的 实现是具体的3 层次结构模型结构化设计方法层次结构模型优点 各层之间是独立的设计灵活结构上可分割开易于实现和维护能促进标准化工作第一个计算机网络体系结构 IBM公司的SNA 31 2 6 2ISO OSI参考模型 OSI RM OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel 开放系统互连基本参考模型分层的体系结构 三级抽象 第一级抽象 体系结构第二级抽象 服务定义第三级抽象 协议规格说明OSI RM并不是一个标准 而只是一个概念性的框架 32 ISO划分七层结构的基本原则 网中各结点都具有相同的层次 不同结点的同等层具有相同的功能 同一结点内相邻层之间通过接口通信 每层可以使用下层提供的服务 并向其上层提供服务 不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信 33 OSI参考模型的结构 OSI参考模型的结构 34 OSI参考模型各层的功能 物理层 Physicallayer 利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接 透明地传送比特流 数据链路层 Datalinklayer 在通信的实体之间建立数据链路连接 传送以 帧 为单位的数据 采用差错控制 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 网络层 Networklayer 通过路由算法 为分组通过通信子网选择一条最佳路径 网络层要实现路由选择 拥塞控制与网络互连等功能 35 OSI参考模型各层的功能 续 传输层 Transportlayer 向用户提供可靠的端到端 End to End 服务 透明地传送报文 向高层屏蔽了下层数据通信的细节 计算机通信体系结构中最关键的一层 会话层 Sessionlayer 组织两个会话进程之间的通信 并管理数据的交换 36 OSI参考模型各层的功能 续 表示层 Presentationlayer 处理在两个通信系统中交换信息的表示方式 数据格式变换 数据加密与解密 数据压缩与恢复等功能 应用层 Applicationlayer 为应用程序提供了网络服务 应用层需要识别并保证通信对方的可用性 使得协同工作的应用程序之间的同步 建立传输错误纠正与保证数据完整性的控制机制 37 2 6 3TCP IP参考模型与协议 1 TCP IP参考模型与协议的发展过程TCP IP TransmissionControlProtocol InternetProtocol 传输控制协议 互联网协议最早在ARPANET中使用TCP IP特点 开放的协议标准 可以免费使用独立于特定的网络硬件统一的网络地址分配方案标准化的高层协议 38 TCP IP参考模型与层次 39 TCP IP参考模型与层次 续 主机 网络层 Host to Networklayer 与OSI的数据链路层和物理层相对应功能 负责接收IP数据报并通过网络发送之从网络口接收物理帧 装配成IP数据报上交给互连层TCP IP中并没有定义这一部分可以连接不同的网络类型局域网 如以太网 令牌环网 令牌总线网公共数据网 如X 25 帧中继 DDN等 40 TCP IP参考模型与层次 续 互连层 Internetlayer 相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务主要功能 处理来自传输层的分组发送请求 处理接收的数据报 处理互连的路径选择 流量控制与拥塞控制等问题 主要协议 IP协议 互连层的核心协议 ICMP 因特网控制报文协议 用于差错控制 IGMP Internet组管理协议 ARP 地址解析协议 负责将IP地址转换为物理地址 RARP反向地址解析协议 负责将物理地址转换IP地址 41 TCP IP参考模型与层次 续 互连层 Internetlayer 相当于OSI参考模型网络层的无连接网络服务主要功能 处理来自传输层的分组发送请求 处理接收的数据报 处理互连的路径选择 流量控制与拥塞控制等问题 主要协议 IP协议 互连层的核心协议 ICMP 因特网控制报文协议 用于差错控制 IGMP Internet组管理协议 ARP 地址解析协议 负责将IP地址转换为物理地址 RARP反向地址解析协议 负责将物理地址转换IP地址 42 TCP IP参考模型与层次 续 传输层 Transportlayer 对应于OSI参考模型的传输层主要功能 负责应用进程之间的端 端 End End 通信 在互联网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用于会话的端一端连接主要协议 TCP 传输控制协议一种可靠的 面向连接的 全双工的面向数据流的协议UDP 用户数据报协议一种不可靠的 无连接协议 差错与排序由应用层完成 43 TCP IP参考模型与层次 续 应用层 Applicationlayer 对应于OSI参考模型的会话层 表示层和应用层直接对用户服务主要协议 网络终端协议TELNET 用于远程登录 文件传输协议FTP 用于实现互联网中交互式文件传输功能 域名服务DNS 用于设备名字到IP地址映射 电子邮件协议SMTP 用于电子邮件传送 超文本传输协议HTTP 用于WWW服务 简单网络管理协议SNMP 用于网络管理 44 TCP IP协议簇 45 2 6 4OSI参考模型与TCP IP参考模型的比较 共同点 层次结构的概念传输层功能相似OSI参考模型主要缺陷 模型的层次数量与内容不是最佳的选择把 服务 与 协议 的定义结合起来使得模型变得很复杂 寻址 流量控制与差错控制在每一层重复出现 效率低受到通信思想的支配 不适合计算机与软件的工作方式TCP IP参考模型主要缺陷 在服务 接口与协议的区别上不清楚在某些层次的划分上不够合理 2 7典型计算机网络 47 2 7 1ARPANET 阿帕网 APRANET 是Internet的前身一个分组交换网促进了TCP IP协议的发展分成两个独立的部分一部分仍叫做ARPANET 用于进一步的研究工作 另一部分成为著名的MILNET 用于军方的非机密通信 48 2 7 2NSFNET 第一个使用TCP IP协议的广域网 初始速率56kbps层次型结构 分为主干网 地区网与校园网主机连入校园网 校园网连入地区网 地区网连入主干网 主干网再通过高速通信线路与ARPANET相连 NSFNET 包括主干网与地区网第二个主干网 采用T1载波 速率1 544MbpsANSNET 与ANS提供的T3主干网连通 速率44 746Mbps 49 2 7 3Internet 由NFSNET与ARPANET发展起来的传统的应用 电子邮件 E Mail文件传输 FTP远程登录 Telnet网络新闻 USERNETWWW WorldWideWeb 万维网 的发展 使Internet应用达到新高潮 50 2 7 4Internet2 1996年10月付诸实施初始运行速率可达10Gbps网络层运行的是IPv4 但同时也支持IPv6业务IPv4地址是32位 地址有限IPv6地址是128位 地址空间非常大 2 8网络计算研究与应用的发展 52 2 8 1网络计算的基本概念 计算 内涵的发展网络将被视为最强有力的超级计算环境 包含了丰富的计算 数据 存储 传输等各类资源主要包括 移动计算网络 网络多媒体计算 网络并行计算 网格计算 存储区域网络与网络分布式对象计算 53 2 8 2移动计算网络的研究与应用 移动计算的基本概念为用户提供移动的计算环境和新的计算模式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包括移动计算网络和移动Internet无线局域网用微波 激光 红外线等无线电波来部分或全部代替有线局域网中的同轴电缆 双绞线 光纤Adhoc网络一种由一组用户群构成 不需要基站的移动通信模式没有固定的路由器 每个系统都具备动态搜索 定位和恢复连接的能力WAP协议让用户使用内置浏览器在移动电话的小屏幕上访问Internet移动IP技术支持移动结点在Internet中的操作包括移动IPv4和Pv6 54 2 8 3多媒体网络的研究与应用 1 多媒体网络的基本概念能够传输多媒体数据的通信网络需要支持多媒体传输所需要的交互性与实时性要求2 网络视频会议系统一种典型的网络多媒体系统多媒体会议系统标准H 320 H 323 工具 微软公司的NetMeeting多播主干网 Mbone 应用系统分为 一对一系统 一对多系统 多对一系统 多对多系统 55 2 8 3多媒体网络的研究与应用 续 3 多媒体网络应用对数据通信的要求高传输带宽要求 不同类型的数据对传输的要求不同 网络中的多媒体流传输的连续性与实时性要求 网络中多媒体数据传输的低时延要求 网络中的多媒体传输同步要求 网络中的多媒体的多方参与通信的特点 56 2 8 3多媒体网络的研究与应用 续 4 传统网络对多媒体应用的不适应及解决的思路传统的IP网络不适合多媒体网络应用改进传统网络的方法主要两种 增大带宽 传输介质和路由器性能两个方面着手改进协议 支持IP多播 资源预留协议 区分服务与多协议标识交换路由器的硬件体系结构的发展经历5个发展阶段 从单总线单CPU 单总线主从CPU 单总线对称CPU 多总线多CPU 交换结构从基于软件实现路由功能的单总线单CPU结构路由器 转到使用专门的ASIC芯片的交换式路由器发展 57 2 8 4网络并行计算的研究与应用 1 网络并行计算的基本概念使用多个CPU或者计算机来协同工作的计算模式并行计算的结构 并行计算机 上千个CPU组成虚拟超级计算机 由网络互联的多台计算机组成从互联结构上 可分为 紧耦合松耦合 58 2 8 4网络并行计算的研究与应用 续 2 机群计算主要思想 将一些主机连接起来 通过网络互连 使得计算机硬件 操作系统 中间件软件 各种系统管理软件有机结合起来 从而获得较高的性能价格比 组件 高性能的计算结点机 PC或工作站 具有较强网络功能的微内核操作系统 高性能的局域网系统 高速传输协议和服务 中间件与并行程序设计环境 编译器和语言等分类 按应用目标分 高性能机群与高可用性机群 按处理机类型分 PC机群 工作站机群 对称多处理器机群 按处理机的配置分 同构性机群与非同构性机群 59 2 8 4网络并行计算的研究与应用 续 3 网格计算目标 将广域网上一些计算资源 数据源和其他设备等互联 形成一个大的可相互利用 合作的高性能计算网 用户可以像登录一台超级巨型机一样使用它定义 一个广域范围的 无缝的集成和协同计算环境 应用 桌面超级计算 智能设备 协同环境与分布式并行计算 60 2 8 5存储区域网络的研究与应用 存储区域网络的基本概念存储区域网络SAN网络连接存储NAS存储区域网络存储服务提供商SSP 典型考题分析 62 例2 1 以下关于计算机网络特征的描述中 哪一个是错误的 2006年9月 A 计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享B 网络用户可以调用网中多台计算机共同完成某项任务C 联网计算机既可以联网工作也可以脱网工作D 联网计算机必须作同一的操作系统答案 D 63 例2 2 建立计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享 计算机资源主要指计算机的 2002年9月 硬件 软件 Web服务器 数据库服务 数据 网络操作系统A 和 B 和 C 和 D 和 答案 D 64 例2 3 计算机网络的基本分类方法主要有两种 一种是根据网络所使用的传输技术 另一种是根据 2002年9月 A 网络协议B 网络操作系统类型C 覆盖范围与规模D 网络服务器类型与规模答案 C 65 例2 4 在通信技术中 通信信道有点 点通信信道和 通信信道两类 2005年9月 答案 广播式 66 例2 5 点 点式网络与广播式网络在技术上有重要区别 点 点式网络需要采用分组存储转发与 2005年4月 A 路由选择B 交换C 层次结构D 地址分配答案 A 67 例2 6 广域网覆盖的地理范围从几十公里到几千公里 它的通信子网主要使用 2004年9月 A 报文交换技术B 分组交换技术C 文件交换技术D 电路交换技术答案 B 68 例2 7 由于要进行大型科学计算 信息处理 多媒体数据服务与视频服务 广域网需要能提供很高的带宽 同时 计算机的数据传输又具有 突发性 的特点 因此可能带来通信子网暂时的与局部的 现象 2002年9月 答案 拥塞或拥挤 69 例2 8 哪种广域网技术是在X 25公用分组交换网的基础上发展起来的 2006年9月 A ATMB 帧中继C ADSLD 光纤分布式数据接口答案 B 70 例2 9 由于在多媒体网络应用中需要同时传输语音 数字 文字 图形与视频信息等多种类型的数据 不同类型的数据对传输的服务要求不同 因此多媒体网络应用要求网络传输提供高速率与低 的服务 2005年4月 答案 时延 71 例2 10 城域网设计的目标是满足城市范围内的大量企业 机关与学校的多个 2006年4月 A 局域网互联B 局域网与广域网互联C 广域网互联D 广域网与广域网互联答案 A 72 例2 11 以下关于城域网建设方案特点的描述中 那些是正确的 2004年9月 主干传输介质采用光纤 交换结点采用基于IP交换的高速路由交换机或ATM交换机 采用ISO OSI七层结构模型 采用核心交换层 业务汇聚层与接入层3层模式A B C D 答案 A 73 例2 12 在实际的计算机网络组建过程中 一般首先应该做什么 2006年9月 A 网络拓扑结构设计B 设备选型C 应用程序结构设计D 网络协议选型答案 A 74 例2 13 计算机网络拓扑主要是指 子网的拓扑构型 它对网络性能 系统可靠性与通信费用度有重大影响 2005年4月 答案 通信 75 例2 14 广域网一般采用网状拓扑构型 该构型的系统可靠性高 但是结构复杂 为了实现正确的传输必须采用 2004年9月 光纤传输技术 路由选择算法 无线通信技术 流量控制方法A 和 B 和 C 和 D 和 答案 C 76 例2 15 描述计算机网络中数据通信的基本技术参数是数据传输速率与 2005年4月 A 服务质量B 传输延迟C 误码率D 响应时间答案 C 77 例2 16 数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一 数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的二进制 2003年4月 A 比特数B 字符数C 帧数D 分组数答案 A 78 例2 17 常用的数据传输率单位有Kbps Mbps Gbps 如果局域网的传输速率100Mbps 那么发送1bit数据需要的时间是 2006年9月 A 1 10 6sB 1 10 7sC 1 10 8sD 1 10 9s答案 C 79 例2 18 常用的数据传输速率单位有Kbps Mbps Gbps与Tbps 1Mbps等于 2005年4月 A 1 103bpsB 1 106bpsC 1 109bpsD 1 1012bps答案 D 80 例2 19 奈奎斯特定理描述了有限带宽 无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系 对于二进制数据 若信道带宽B 3000Hz 则最大数据传输速率为 2003年9月 A 300bpsB 3000bpsC 6000bpsD 2400bps答案 C 81 例2 20 香农定理描述了信道带宽与那些参数之间的关系 2005年4月 1 最大传输速率2 信号功率3 功率噪声A 1 2和3B 仅1和2C 仅1和3D 仅2和3答案 A 82 例2 21 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的 2006年9月 A 比特数B 字节数C 概率D 速度答案 C 83 例2 22 以下关于误码率的描述中 哪种说法是错误的 2006年4月 A 误码率是指二进制码元在数据传输系统中传错的概率B 数据传输系统的误码率必须为0C 在数据传输速率确定后 误码率越低 传输系统设备越复杂D 如果传输的不是二进制码元 要折合成二进制码元计算答案 B 84 例2 23 一个功能完备的计算机网络需要制定一套复杂的协议集 对于复杂的计算机网络协议来说 最好的组织方式是 2002年9月 A 连续地址编码模型B 层次结构模型C 分布式进程通信模型D 混合结构模型答案 B 85 例2 24 以下关于网络体系结构的描述中 错误的是 2005年9月 A 网络体系结构是抽象的 而实现是具体的B 层次结构的各层之间相对独立C 网络体系结构对实现所规定功能的硬件和软件有明确的定义D 当任何一层发生变化时 只要接口保持不变 其他各层均不受影响答案 C 86 例2 25 一个网络协议主要由以下三个要素组成 语法 语义与时序 其中语法规定了哪些信息的结构与格式 2003年4月 I 用户数据 服务原语III 控制信息 应用程序A I和IIB I和 C I 和IVD II和 答案 B 87 例2 26 以下关于OSI参考模型的描述中 哪一种说法是错误的 2006年9月 A OSI参考模型定义了开放系统的层次结构B OSI参考模型定义了各层所包括的可能的服务C OSI参考模型定义了各层接口的实现方法D OSI参考模型作为一个框架协调组织各层协议的制定答案 C 88 例2 27 关于网络体系结构 以下哪种描述是错误的 2006年4月 A 物理层完成比特流的传输B 数据链路层用于保证端到端数据的正确传输C 网络层为分组通过通信子网选择适合的传输路径D 应用层处于参考模型的最高层答案 B 89 例2 28 在ISO OSI参考模型中 网络层的主要功能是 2002年9月 A 提供可靠的端 端服务 透明地传送报文B 路由选择 拥塞控制与网络互连C 在通信实体之间传送以帧为单位的数据D 数据格式变换 数据加密与解密 数据压缩与恢复答案 B 90 例2 2