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第1章计算机网络概述 计算机网络基础 第4版 Lizq98 第1章计算机网络概述 目录1 1计算机网络概述1 2计算机网络的拓扑结构1 3网络协议和标准化组织1 4计算机网络体系结构1 5传输介质 2 课程简析 课程地位 专业技术课 课程性质及后续课程 学习本课程的目的 学习本课程的方法 本学期课程主要讲授内容重点章节 2 3 4 5 8 9 10难点章节 2 3 5 9 学分 学时数 实验数和考核办法 3 两份名单 李渔 洪升 顾炎武 金圣叹 黄宗羲吴敬梓 蒲松龄 洪秀全 袁世凯 傅以渐 王式丹 毕沅 林召堂 王云锦刘子壮 陈沅 刘福姚 刘春霖 曾经辉煌显赫 被众星拱月 万人景仰捧在手心 当时是寂寞孤独 郁郁寡欢 门庭冷落 默默无闻 全是清朝科举状元 清朝落第秀才 到后来平平淡淡 湮没无闻 被人遗忘 著名思想家 文学家 农民领袖 一代枭雄 4 第1章计算机网络概述 本章要点 了解计算机网络的产生和发展过程 了解计算机网络的分类方法 掌握计算机网络的通信子网类型和拓扑结构 掌握计算机网络体系结构 分层原理等 掌握OSI RM TCP IP和IEEE802三种模型 5 1 1计算机网络概述 计算机网络 ComputerNetwork 是计算机技术和通信技术紧密结合的产物 1 1 1计算机网络的定义和演变 1 计算机网络的定义把分布在不同地理位置计算机 终端 通过通信设备和线路连接起来 以功能完善的网络软件网络通信协议 信息交换方式及网络操作系统等 实现互相通信及网络资源共享的系统 IEEE高级委员会坦尼鲍姆博士给它的定义是 计算机网络是一组自治计算机互联的集合 人的身体内部也有网络哟 如神经系统 消化系统网络 生活中就存在许多网络 例如电话网 铁路网等 没有严格的定义 内涵也不断变化 6 1 1计算机网络概述 7 第1章计算机网络概述 信息化社会离不开网络 8 1 1计算机网络概述 具有通信功能的多机系统 局域网 计算机网络 面向终端的计算机网络 1 1 1计算机网络的定义和演变2 计算机网络的演变 9 1 1计算机网络概述 1 1 1计算机网络的定义和演变3 网络发展的里程碑 建立的ARPA网 1969 70年代 80年代 1993 1993 出现局域网 特别是以太网 Ethernet CCITT建立了传输声音数据的国际标准 ISO制定了OSI RM 克林顿政府提出了NII IETF成立了Ipng IPv6 工作组 1989 Web技术的出现 使Internet得到了普及 1995 IPng工作组完成IPv6的协议文本 10 1 1计算机网络概述 1 1 1计算机网络的定义和演变4 我国的网络发展 1989年11月CNPAC建成运行 1993年建成CHINAPAC 1993年下半年开始规划实施 金桥 金卡 和 金关 的三金工程 我国四大公用计算机网络 自治系统 l中国公用计算机互联网 CHINANET l中国金桥信息网 CHINAGBN l中国教育和科研计算机网 CERNET l中国科学技术网 CSTNET lGLOBALNET NCFC UNINET CNCNET CMNET CIENET CGWNET CSNET和利用军队资源的数据网等 11 1 1计算机网络概述 1 1 2计算机网络的分类 组成和网络性能1 计算机网络的分类 按覆盖范围分为 WAN LAN MAN 按通信速率分为 低速网 中速网 高速网 按带宽分为 基带网络 宽带网络 其它分类方法 按网络协议分类 按网络操作系统分类 重点掌握 12 1 1计算机网络概述 1 1 2计算机网络的分类 组成和网络性能2 计算机网络的组成 通信子网通信子网提供网络通信功能 完成网络主机之间的数据传输 交换 通信控制和信号变换等通信处理工作 由通信控制处理机CCP 通信线路和其它通信设备组成的数据通信系统 资源子网资源子网由主机系统 终端控制器 请求服务的用户终端 通信子网的接口设备 提供共享的软件资源和数据资源 如数据库和应用程序 构成 13 1 1计算机网络概述 1 1 2计算机网络的分类 组成和网络性能3 网络性能 带宽 Bandwidth 是指网络上数据在一定时刻内从一个节点传输到任意节点的信息量 可以用链路每秒钟能传输的比特数表示 如10Mbps 100Mbps和10GMbps等 也可以用传输每个比特所花的时间长短来衡量 如0 1 s 延迟 Delay 平时说网络 超卡 是指将一个比特从网络的一端传输到另一端所花费的时间 造成延迟的原因有 一是传输介质的传播延迟 二是发送一个数据单元花费的时间 它和网络的带宽和数据分组的大小密切相关 三是网络内部延迟 因为交换机在将分组转发出去之前一般要将它存储一段时间 14 1 2计算机网络的拓扑结构 1 2 1网络拓扑的概念 重要概念 拓扑学中先将实体抽象为与大小 形状无关的点 再将连接实体的线路抽象为线 进而研究点 线之间的特性 它是一种橡皮泥技术 而计算机网络的拓扑结构 是研究网络中各节点之间的连线 链路 的物理布局 只考虑节点的位置关系而不考虑节点间的距离和大小 网络拓扑结构将网络中的具体设备 计算机 交换机等网络单元 抽象为节点 而把网络中的传输介质抽象为线 这样从拓扑学的角度看计算机网络就变成了点和线组成的几何图形 即通信链路和节点的几何排列或物理图形布局 15 1 2计算机网络的拓扑结构 点到点式网络 Point to PointNetworks 每条物理线路只连接一对设备 计算机或节点交换机 发送的数据在信道另一端只有惟一的一个设备接收 没有信道竞争 几乎不存在访问控制问题 但点到点信道浪费一些带宽 广播式网络 BroadNetworks也称多点共享 任何一个节点发送报文信息时 所有其它节点都会接收到该信息 会引起争用信道而产生的介质访问冲突的问题 1 2 2通信子网的信道类型 就象打电话时一对一 别人听不到 就象上课时老师讲大家都能听到 16 1 2计算机网络的拓扑结构 1 2 3计算机网络的拓扑结构 总线型结构 广播式 优点 结构简单 价格低廉 安装使用方便 缺点 故障诊断和隔离比较困难 17 1 2计算机网络的拓扑结构 1 2 3计算机网络的拓扑结构 环型结构 广播式 优点 简化了路径选择控制 传输延迟固定 实时性强 可靠性较高 缺点 节点过多时 影响传输效率 环某处断开会导致系统失效 节点的增删过程复杂 总线型结构首尾相连而成 18 1 2计算机网络的拓扑结构 1 2 3计算机网络的拓扑结构 星型结构 点到点式 优点 单点故障不影响全网 结构简单 增删节点及维护管理容易 故障隔离和检测容易 延迟时间较短 缺点 线路增加成本较高 线路利用率低 网络性能过于依赖中心节点 19 1 2计算机网络的拓扑结构 1 2 3计算机网络的拓扑结构 树型结构 点到点式 优点 结构比较简单 成本低 扩充节点方便灵活 缺点 对根的依赖性大 20 1 2计算机网络的拓扑结构 1 2 3计算机网络的拓扑结构 网状结构 点到点式 优点 具有较高的可靠性 某一线路或节点有故障时 不会影响整个网络的工作 缺点 结构复杂 需要路由选择和流控制功能 网络控制软件复杂 硬件成本较高 不易管理和维护 21 1 2计算机网络的拓扑结构 1 2 3计算机网络的拓扑结构 实际组建网络时 网络的拓扑结构通常是几种拓扑结构的组合 在选择网络拓扑结构时 应考虑可靠性 费用 灵活性 响应时间和吞吐量等因素 无线拓扑结构通过空气作为介质传输数据 主要有微波红外线 卫星通信等形式 无线拓扑结构 混合型拓扑 22 1 3网络协议和标准化组织 网络协议就是指网络中计算机 设备之间相互通信和进行数据处理及数据交换而建立的规则 标准或约定 语法 如何讲 语义 讲什么 时序 讲话次序 1 3 1网络协议 OSI RM TCP IP IEEE802就是协议 本课程以它们为主线 介绍计算机网络知识 23 1 3网络协议和标准化组织 国际标准化组织 ISO 国际电信联盟 电信标准化部 ITU T CCITT 美国国家标准化协会 ANSI 电气电子工程师协会 IEEE 电子工业协会 EIA TIA 贝尔 Bell 中心 国际电子技术委员会 IEC 国家标准和技术协会 NIST Internet标准化组织 IETF 1 3 1标准化组织 红色标记的重点记 并背出 后面常用这种缩写 国际电报电话咨询委员会 Internet工程特别任务组 对网络发展起重要作用的组织和机构 24 1 4计算机网络体系结构 1 4 1网络体系结构计算机网络系统的设计采用结构化方法 将一个较为复杂的系统分解为若干个容易处理的子系统 现代计算机网络都采用了层次化体系结构 分层及其协议的集合称为计算机网络体系结构CNA 它是关于计算机网络系统应设置多少层 每个层能提供哪些功能的精确定义 以及层之间的关系和如何联系在一起的 25 1 4计算机网络体系结构 1 4 1网络体系结构1 分层结构的优点 1 分解为相对简单的若干层后 易于实现和维护 2 各层功能明确 相对独立 下层为上层提供服务 上层通过接口调用下层功能 不关心下层具体实现细节 各层都可以选择最合适的实现技术 3 当某一层的功能需要更新或被替代时 只要它和上 下层的接口服务关系不变 则相邻层都不受影响 4 分层结构易于交流 理解和标准化 26 1 4计算机网络体系结构 1 4 1网络体系结构2 分层原则 网络体系结构分层原则 层数要适中 过多则结构过于复杂 各层组装困难 而过少则层间功能划分不明确 多种功能在同一层中 造成每层协议复杂 层间接口要清晰 跨越接口的信息量尽可能要少 计算机系统分为硬件系统和软件系统 计算机网络系统由通信子网和资源子网组成 如果只简单地分为这两部分 则功能划分不明 27 1 4计算机网络体系结构 1 4 1网络体系结构3 常见的网络体系结构1 OSI RM国际标准 参考模型2 TCP IP事实上的工业标准3 IEEE802局域网标准 28 1 4计算机网络体系结构 1 4 2OSI七层参考模型1 OSI七层参考模型 高三层资源子网 低三层通信子网 29 1 4计算机网络体系结构 1 4 2OSI七层参考模型2 OSI RM各层功能简介 物理层 PhysicalLayer PH 数据链路层 DataLinkLayer DL 网络层 NetworkLayer NL 传输层 TransportLayer TL 会话层 SessionLayer SL 表示层 PresentationLayer PL 应用层 ApplicationLayer AL 30 1 4计算机网络体系结构 1 4 2OSI七层参考模型3 OSI RM各层数据封装 OSI RM通信过程flash动画演示 不能演示请修改链接路径 或安装flash插件 例如flashplayer 31 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 Physical 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 物理层 OSI RMTCP IP 1 4计算机网络体系结构 数据传输过程 32 1 4计算机网络体系结构 1 TCP IP概述 1 4 3TCP IP参考模型 TCP IP主要考虑异种网络互联问题 是网络史上最为成功的通信协议 TCP IP是由一组通信协议所组成的协议簇 而TCP和IP是其中的两个主要协议 1980年 ARPAnet的所有机器都使用TCP IP协议 并建立了Internet 为推广TCP IP协议 ARPA以低价出售TCP IP的使用权 还资助一些机构来开发应用于UNIX操作系统中的TCP IP协议 TCP IP使用范围广 既可用于广域网 又可用于局域网 内部网和外部网等各种网络中 TCP IP协议已成为事实上的国际标准和工业标准 33 1 4计算机网络体系结构 2 TCP IP体系结构 网络接口层 是各种网络 实际上TCP IP没定义它 Ethernet ATM FDDI X 25 PPP Token Ring 网际层IP ARP RARP ICMP IGMP 传输层TCP UDP 应用层HTTP FTP TFTP SMTP SNMP Telnet RPC DNS Ping 1 4 3TCP IP参考模型 TCP IP实际只定义了网际层 传输层和应用层三层 级 34 1 4计算机网络体系结构 TCP IP协议也采用对等层通信的模式 封装和解除封装也在各层进行 1 4 3TCP IP参考模型3 TCP IP的数据封装 35 1 4计算机网络体系结构 4 TCP IP和OSI RM的比较 1 4 3TCP IP参考模型 OSI RM理论性强 学术价值高 每层功能划分清晰 适合于各种网络 缺点是层次过多 会话层和表示层划分意义不大 反而增加了复杂性 TCP IP已成了事实上的工业标准 它是先有了实际网络后再总结出的参考模型 核心协议IP和TCP是被仔细设计的 36 1 4计算机网络体系结构 1 4 3TCP IP参考模型 1 OSI RM结构严密 理论性强 学术价值高 各种网络 硬件设备和学术文献都参考它 而TCP IP相对简单 实用性更强 2 OSI中高层只能调用和它相邻的低层所提供的服务 而TCP IP可以跨层调用 效率更高 3 ISO认识到IP协议的重要性后 后来又在网络层划分出一个子层来完成类似IP的作用 4 TCP IP一开始就对面向连接服务和面向无连接服务同样重视 而OSI很晚才完善标准 5 OSI强调可靠性 各层都要检测和处理错误 TCP IP的可靠性由主机来承担 这样效率很高 37 1 4计算机网络体系结构 1 IEEE802局域网标准OSI RM和TCP IP针对广域网制定的 而IEEE802针对的是局域网 IEEE802的发展不同于广域网 局域网厂商一开始就按照标准化 互相兼容的方向发展 局域网的拓扑结构非常简单 数据传输不经过中间节点的转发 IEEE802只定义了物理层和数据链路层两层 而没有定义网络层 对于流量控制 差错控制等功能 就在数据链路层中的LLC中实现了 高层协议主要由操作系统去处理 1 4 4IEEE802标准 38 1 4计算机网络体系结构 2 IEEE802局域网体系结构 物理层主要完成编码 解码 时钟同步 发送和接收数据 载波检测及提供与数据链路层的接口 数据链路层 分为LLC子层和MAC子层l逻辑链路控制 LLC 子层 和介质访问控制方法无关 对高层提供统一的界面 l介质访问控制 MAC 子层 对不同类型的局域网是不同的 主要完成介质访问控制功能 解决共享传输介质而引起的争用介质问题 1 4 4IEEE802标准 39 1 5传输介质 二进制比特流通过物理层处理 编码 调制 串行同步 多路复用等 后 需要在传输介质上传输 传输介质是数据传输的物理通道 需要注意的是 传输介质不属于物理层 物理层只是定义如何在这些介质上实现数据传输 物理层直接和它有关 传输介质是构成信道的主要部分 信号的传输质量不但与传输的数据信号和收 发特性有关 而且与传输介质的特性有关 40 1 5 1有线传输媒体 1 双绞线 TP 双绞线也称为双扭线 价格便宜 易于安装 是最常用的传输介质 性能 传输距离 带宽和数据速率等 较光纤要差 一对绝缘铜导线扭绞在一起 形成有规则的螺旋形后 可减小一根导线中电流能量对另一根导线的干扰 也减少其他导线信号干扰这对导线 当两根导线靠得很近但相互垂直时 一根导线中的电流变化几乎不会在另一根导线上产生电流 所以 一对导线旋绞或不扭绞 扭绞时扭矩多少 效果都大不一样 扭绞得越密价格越贵 性能也越好 1 5传输介质 41 1 5 1有线传输媒体 1 双绞线 TP 分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP两种 计算机网络中主要使用UTP 1 5传输介质 42 1 5 1有线传输媒体 1 双绞线 TP STP外面环绕一圈保护层 可提高抗干扰能力 但增加了成本 而UTP易受各种电信号的干扰 但成本较低 电话系统使用的双绞线一般是一对双绞线 而计算机网络使用的双绞线一般是四对 最常用的UTP是3类 5类和超5类线 5类线与3类线的主要区别就是一方面增加了每单位长度的绞合次数 另一方面在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心的设计并在生产中加以严格的控制 使干扰在一定程度上得以抵消 从而提高了线路的传输特性 1 5传输介质 43 1 5 1有线传输媒体 剥双钳 测试仪 RJ 45 1 5传输介质 44 1 5 1有线传输媒体 信息模块 RJ 45工具包 1 5传输介质 45 1 5 1有线传输媒体 1 双绞线 TP 10Base T 100Base Tx常用5类或超5类双绞线电缆 但只使用4对双绞线中的2对线 1 2用于发送数据 3 6用于接收数据 100Base T4使用3类双绞线的全部4对线 1000Base T使用超5类双绞线的全部4对线 每一段UTP的长度都在100m以内 UTP连接到网络设备 Hub Switch 的连接器 是类似电话插口的咬接式插头 称为RJ 45 俗称水晶头 1 5传输介质 46 1 5 1有线传输媒体 直通线连接示意图 交叉线连接示意图 是将发送端的1 2接到接收端的3 6 1 5传输介质 47 1 5 1有线传输媒体 2 同轴电缆同轴电缆能够传输比双绞线更宽频率范围的信号 具有较高的抗干扰能力 中心是实心硬质铜缆 包上一根圆柱形的绝缘皮 外导体为硬金属 金属箔 或金属网 它既作为屏蔽层又作为导体的一部分来形成一个完整的回路 外导体外还有一层绝缘体 最外面是一层塑料皮包裹 1 5传输介质 48 1 5 1有线传输媒体 2 同轴电缆同轴电缆根据无线电波控制 RG 级别分类 RG 8 用于粗缆以太网 RG 9 用于粗缆以太网 RG 11 用于粗缆以太网 RG 58 用于细缆以太网 RG 75 用于电视系统 同轴电缆具有较高的抗干扰能 以太网使用二种规格 一种是粗缆的10Base 5 称为标准以太网 另一种是细缆的10Base 5 称为廉价以太网 1 5传输介质 49 3 光纤光纤通信是利用光纤传递光脉冲信号实现的 室外非金属光缆室外金属光缆 室内单芯单模光缆室内多芯多模光缆 1 5传输介质 1 5 1有线传输媒体 50 1 5 1有线传输媒体 1 光纤的传播模式光纤分为单模光纤SMF Single ModeFiber 和多模光纤MMF Multi ModeFiber 两种 传播模式也分为多模传播和单模传播两种 多模传播模式是可以有多束光线从光源经纤芯通过不同的光路传播 而单模传播是采用高度集中的光源 使得发出的光线限制在非常接近水平的很小范围内 1 5传输介质 51 1 5 1有线传输媒体 2 光源为实现数据传输 在发送方需要安装光源