计算机网络基础知识

第一章 计算机网络基础知识, 本章主要内容： 计算机网络基本知识 数据通信基本知识* 计算机网络传输协议,1.1 计算机网络在信息时代的作用,21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。,因特网(Internet)的发展,进入 20 世纪 90 年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。,因特网的意义,因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。,计算机网络向用户提供的最重要的功能,连通性计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。 共享即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。,计算机网络的功能,数据传送资源共享负载协调提高可靠性提供网络服务,1.2 计算机网络的定义与分类,点对点连接（这是最简单的网络）,总线网,星形网,环形网,使用路由器可以把不同的计算机网络互连起来,互连网(互联网)由许多网络通过路由器互连而成 互连网(互联网)是：“网络的网络”,计算机网络是利用通信线路连接起来的相互独立的计算机的集合。,通信线路 通信传输介质,相互独立 各计算机地位平等、互不依赖,计算机的集合 具有数据处理和运算能力,计算机网络的定义,计算机网络的分类,1、按网络的拓扑结构分类：总线型环型星型树状网状混合型,拓扑结构是借用数学上的一个词汇,从英文Topology音译而来，表示网络传输介质的连接形式，即线路构成的几何形状。,总线结构,所有的节点都连接在一条作为公共传输介质的总线上。,环型结构,各个网络节点通过环节点连在一条首尾相接的闭合环状通信线路中。,星型结构,节点通过点对点通信线路与中心节点连接。,树型结构,节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下节点之间进行。,网状结构,网状型拓扑结构又称完整结构。在网状型拓扑结中,网络节点与通信线路互连成不规则的形状，节点之间的连接是任意的，没有规律。一般每个节点至少与其他两个节点相连。,网状拓扑结构,CERNET主干网拓扑结构,计算机网络的分类,2、按照联网的计算机之间的距离和网络覆盖面的不同，计算机网络可分为三类:,局域网 LAN (Local Area Network)地理范围：小，20KM传输速度：10-1000Mbps，延迟低，出错率低连接介质：电缆（同轴电缆500米,双绞线100米, 或光纤-210公里）,诚域网 MAN (Metropolitan Area Network) 地理范围：中等，100KM传输速度：几Kbps Mbps连接介质 ：光纤, 微波，公共通信网,广域网WAN (Wide Area Network)地理范围：大，100KM传输速度： Kbps连接介质：光纤, 卫星，公共通信网,局域网的工作模式,对等型局域网：网内所有节点一律平等。服务器型局域网：突出服务器的中心地位，是局域网的主流工作模式。,工作模式表明了网络内部各个节点的相互关系,一台主机就是网络上的一个节点（Node）,1. 对等型局域网（peer to peer LAN ）,网内每台计算机既可用作工作站，也可用作服务器，资源分布更加灵活。不需要专用服务器，成本较低，网内同一组中的计算机可以共享相互的资源。安全性较低，适用于小规模的办公室或家庭局域网。,2. 服务器型局域网(server-centric LAN),因特网的兴起带来了C/S工作模式的广泛应用，由于其资源利用更加合理，也在局域网中得到了推广，现在流行的局域网操作系统都支持C/S工作模式。80年代用一台服务器管理着几十台微机，在服务器上建立共享数据库，存储着大量系统软件和应用软件，提供网络上的用户共享，形成了文件共享方式。,文件共享方式,2. 服务器型局域网(server-centric LAN),九十年代又发展了新的网络结构一客户机（Client）/服务器（Server），简称C/S方式，体现了请求与服务之间的合作关系。计算机网络中有多个服务器，每个服务器提供一种专项服务。,C/S结构,局域网操作系统(NOS),NOS的基本功能： 支持网络通信 支持多用户使用 提供统一、友好的网络操作环境,Novell NetwareWindows NT/2000 Server UNIX与Linux要求较高的局域网可配置数台服务器，使用不同的NOS,校园网,校园网是为学校师生提供教学、科研和综合信息服务的宽带多媒体网络。为学校教学、科研提供先进的信息化教学环境。应具有教务、行政和总务管理功能。应满足校内外的通信要求。,校园网特点,实用性技术性安全性可用性经济性,校园网结构图,计算机网络的分类,3. 不同使用者的网络公用网 (public network) 由电信公司出资建造的大型网络。专用网 (private network) 某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。,1.3 计算机网络的组成,资源子网：由计算机系统、终端控制器和终端设备、软件和可供共享的数据库等组成，负责全网面向应用的数据处理工作，向用户提供各种可共享的数据资源。,通信子网：由通信硬件（通信设备、通信线路）及通信软件组成，为网中用户共享各种网络资源提供必要的通信手段和通信服务。,任何一个基本的计算机网络均可以看成由资源子网和通信子网两种功能子网组成 。,1.3 计算机网络的组成,1.3 计算机网络的组成,1、服务器安装了网络操作系统并提供共享资源的计算机称为服务器（Server），服务器又指对网络中某种服务进行集中管理和控制的网络主机。服务器在客户机/服务器（Client/Server）网络中扮演支配的角色。网络服务器比普通PC机拥有更强的处理能力、更多的内存和硬盘空间，它可以是微机、小型机、大中型计算机。网络服务器的运行效率和稳定性直接影响着整个网络的工作。根据服务分工的需要，网上可以配置不同数量的服务器，有些服务器提供相同的服务，有些提供不同的服务。在小型网络中，一个服务器可担当多种角色，在可能的情况下，最好专机专用。,网络中常见的服务器,（1）域控制器 在WindowsNT/2000/2003Server的C/S网络中，处于管理和控制核心地位的服务器就是域控制器（Domain Controller，DC）（2）文件/打印服务器通常一个网络至少有一个文件服务器，网络操作系统及其实用程序和共享硬件资源都安装在文件服务器上。（3）应用程序服务器应用程序服务器是实现c/s网络中的CPU资源共享，将原来客户端完成的部分数据处理任务交由服务器处理。应用程序服务器的典型例子就是数据库服务器。,网络中常见的服务器,（4）Web服务器典型的Web服务器安装有Web服务器软件和各种服务器组件，服务器上运行页面的脚本和代码。当远程客户端的页面请求通过因特网发送到企业局域网后，Web服务器调出客户端请求的页面代码，并运行服务器端脚本，调用服务器端组件，打开并访问数据库服务器，形成页面后通过因特网返回远程客户端的浏览器。通常Web服务器由一台或多台计算机充当。,1.3 计算机网络的组成,2、客户机在网络中，客户机一般又称为工作站，它是网络中请求其它计算机上的资源或服务的计算机。通常客户机的硬件配置低于服务器的硬件配置。客户机可以是网络主机或者终端，也可以是没有磁盘驱动器的无盘工作站。,1.3 计算机网络的组成,3、网络通信系统网络通信系统通常由网卡、通信线缆、交换机（或集线器）、路由器等组成。（1）网卡(network card) 网卡常被称为网络适配器，是一种网络连接设备，使客户机能连接到网络，并能与网络中其它计算机相互通信的设备。所有的网卡都能够正确地读出数据传送的目标地址，在以太网中还能检测出冲突。 (2) 调制解调器(modem)当计算机利用公用电话线与网络连接时，最简便的方法是通过调制解调器将计算机接到电话线上。由于电话线使用模拟数据，计算机使用数字数据，所以调制解调器的基本功能应保证数据在模拟信号和数字信号之间进行转换。,（3）集线器 集线器（Hub）属于网内连接设备，主要用于连接星型拓扑网络。集线器连接的网络主机的协议栈完全相同，因此集线器没有任何进行数据格式转换的功能，仅仅是将数据从一个物理连接端口发送到另一个物理连接端口。 （4）交换机 交换机（Switch）也属于网内连接设备，可以用来连接其它交换机、集线器或者网络主机。交换机连接的网络结点上的协议栈完全相同，因此交换机也没有任何进行数据格式转换的功能，但交换机分割了网络的冲突域，允许多台主机同时传输数据（集线器不行），因此，它的数据传输速度快于集线器。交换机主要应用在星型拓扑结构的以太网络中。,3、网络通信系统,3、网络通信系统,（5）路由器 路由器是一种多端口设备，它可以连接具有不同传输速率、不同网段的局域网和广域网。路由器属于OSI模型的第3层，因此可以实现从一个网络（或子网）向另一个网络（或子网）的数据传输。由于路由器需要处理第3层协议或逻辑地址，所以它比交换机的速度慢一些。路由器依赖于协议，针对不同的应用环境，需要对路由器进行协议配置。路由器是大型局域网和广域网连接的非常重要的设备，例如，因特网就是依靠遍布全世界的几百万台路由器连接起来的。,3网络通信系统,(6) 网关(gateway)又称信关，常用于两个或多个异种网之间的连接，在局域网广域网互联、广域网广域网互联中均可使用。由于网关允许两个被连接的网络具有不同的通信协议，故有时也称之为“协议转换器”。从本质上说，它可以看作一个具有复杂功能的“通信服务器”。（7）通信线缆 常用的通信电缆有同轴电缆、双绞线、光缆及无线传输介质。目前网络环境中同轴电缆已很少使用，光缆用得越来越普遍。,4、网络操作系统,网络操作系统（Network Operation System，NOS）主要运行在服务器上，它负责管理数据、用户、用户组、安全、应用程序以及其它网络功能。当我们准备把多台计算机连接起来组成网络，实现多台电脑资源共享及协同工作时，就需要使用网络操作系统了。目前最流行的网络操作系统是Microsoft的Windows NT/2000 Server、Novell的NetWare，以及UNIX、Linux等。,4、网络操作系统,（1）Windows NT/2000/2003 Server Windows NT Server 是一种多用途的网络操作系统，它提供了可靠的文件和打印服务，同时也提供了运行强有力的客户机/服务器应用程序的结构。Windows NT Server不仅具有强大的网络功能和易学易用性，而且还有很好的扩展性和兼容性、高可靠性和安全性、高性能和多种平台支持以及集成联网环境等。,4网络操作系统,（2）NetWare NetWare是一个真正的网络操作系统，而不是其它操作系统下的应用程序。它直接对微处理器编程，伴随着最新的微处理器一起发展，充分利用微处理器的高性能，从而达到高效的服务。 在NetWare网络中，允许存在多个服务器，一般的个人计算机就可以作为服务器。NetWare能支持多种拓扑结构，具有较强的容错能力。NetWare的主要缺点是其操作性和应用软件的数量不如WindowsNT/2000/2003。,4网络操作系统,（3）UNIXUNIX是AT&T贝尔实验室的研究人员在1969年开发出来的，因此比Windows NT20002003、NetWare的历史要长得多。它是一个通用的、多用户、分时网络操作系统。 事实上，UNIX要早于20世纪70年代开发的TCPIP协议，也可以说是UNIX导致了TCPIP协议的诞生。目前，在因特网上担当服务器角色的计算机有80以上运行的都是UNIX操作系统。 UNIX能提供所有的因特网服务，其最主要的特点是具有很好的稳定性、开放性和可移植性，但其用户界面较差（某些版本的UNIX已做了一些改进，如SCO Open Server），对管理人员素质要求较高，且整体集成费用高，比较适合于大中型网络系统。,4网络操作系统,（4）Linux Linux是一个完全公开的操作系统，任何用户都可以在其中添加代码，以满足自己的需要。Linux可以运行在网络服务器上，也可以运行在客户机上。 Linux作为一种类UNIX操作系统，可以在多种硬件平台上运行，支持对称多处理器的计算机系统；能仿真多种操作系统的环境，如DOS、Windows、Windows NT等。Linux的内核源代码是完全共享的，通过因特网全世界都可使用Linux作为文件和Web服务器。 由于Linux的内核是基于UNIX的，所以这也给企业的管理、开发人员提出了较高的要求。,1.4 计算机网络的发展,第一阶段 计算机网络技术与理论的准备阶段20世纪50年代中期至60年代中期，是计算机网络的萌芽阶段。,特点与标志性成果主要表现在：1、数据通信技术研究与技术的日趋成熟，为计算机网络的形成奠定技术基础；2、分组交换概念的提出为计算机网络的研究奠定了理论基础，也标志着现代电信时代的到来。,1.4 计算机网络的发展,第二代 计算机通信网络20世纪60年代后期至70年代后期，计算机网络的形成时期。特点与标志性成果主要表现在：1、ARPANET的成功运行证明了分组交换理论的正确性2、TCP/IP协议的成功为更大规模的网络互联打下；了坚实的基础；3、DNS、E-mail、FTP、TELNET、BBS等应用为网络发展展现了美好的前景。,1.4 计算机网络的发展,第三代 计算机网络体系结构20世纪70年代末，计算机网络的成熟阶段。特点与标志性成果主要表现在：1、OSI参考模型的研究对网络理论体系的形成与网络协议的标准化起到了重要的推动作用；2、TCP/IP协议完善它的体系结构研究，经受市场和用户的检验，吸引大量投资，推动Internet产业的发展，成为业界事实上的标准。,1.4 计算机网络的发展,第四代 网络互连与高速网络20世纪80年代末，计算机网络的继续发展阶段光纤、信息基础设施、多媒体网络、智能网、无线网络技术、宽带网络技术、快速分组交换技术特点与标志性成果主要表现在：1、Internet作为国际网在各方面发挥越来越重要的作用；2、宽带城域网已成为一个现代化城市重要的基础设施之一；3、无线局域网与无线城域网技术日益成熟；4、P2P网络的研究使得新的网络应用不断涌现；5、网络安全技术的研究与应用计入高速发展阶段。,1.4 计算机网络在我国的发展,(1) 中国公用计算机互联网 CHINANET(2) 中国教育和科研计算机网 CERNET(3) 中国科学技术网 CSTNET(4) 中国联通互联网 UNINET(5) 中国网通公用互联网 CNCNET(6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET(7) 中国移动互联网 CMNET(8) 中国长城互联网 CGWNET(9) 中国卫星集团互联网 CSNET,1.5 计算机网络的性能指标,1. 速率比特（Bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。网络技术中的速率指的是连接在网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据率(data rate)或比特率(bit rate)。速率的单位是 b/s(比特每秒)，也可写成bps。当数据率较高时，也可以用kb/s(k=103=千)、 Mb/s (m=106=兆)、Gb/s(G=109=吉)、 Tb/s(T=1012=太) 。,1.5 计算机网络的性能指标,2. 带宽“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。,1.5 计算机网络的性能指标,常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。,什么是宽带？,宽带线路：可通过较高数据率的线路。宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。,对宽带传输的错误概念,有些人愿意用“汽车在公路上跑”来比喻“比特在网络上传输”，认为宽带传输的好处就是传输更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。,?,1.5 计算机网络的性能指标,3. 吞吐量吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。,1.5 计算机网络的性能指标,4. 时延(delay 或 latency)时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。由几部分组成：传输时延(发送时延)发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延。,1.5 计算机网络的性能指标,5. 利用率信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。,计算机网络的非性能特征,费用质量标准化可靠性可扩展性和可升级性 易于管理和维护,1.6 数据通信基础,数据通信是指在两点或多点之间以二进制形式进行的信息交换。数据通信的过程是把字符或符号转换成编码，产生与编码相对应的信号，信号传送到目的地后被接收设备接收，按编码的规则将信号解码，再还原成相应的字符或符号。,数据(Data)具有一定编码、格式和位长要求的数字信息，它是传递（携带）信息的实体。目前，美国信息交换标准编码ASCII码被用于计算机内码，也是数据通信中的编码标准。,一、基本概念,一、基本概念,信号(Signal)数据在传输过程中的电信号的表示形式。电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号称为模拟信号(analog signal)。计算机所产生的电信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，称为数字信号(digital signal),模拟信号与数字信号,模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值,模拟信号与数字信号,数字信号状态简单，容易识别，但不适合长距离传输；模拟信号状态复杂，不容易识别，但能够长距离传输。计算机世界 - 数字信号显示世界 - 模拟信号实际应用中模拟信号和数字信号经常混合在一起，调制解调器就是一种能进行信号转换的设备。,数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活, 仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。 如用modem通过拨号线路传输数字信号。,调制和解调,调制解调器（Modem）：即调制器（Modulator）与解调器（Demodulator）的组合缩写。,将计算机输出的数字信号变换成适应模拟信道传输的信号的过程称为调制，相应的设备称为调制器。,从已调制信号恢复为数字信号的过程称为解调，相应的设备称为解调器。,二、数据通信,1、数据通信分类按照通信方式，数据通信分为并行通信和串行通信，其中串行通信分为同步通信和异步通信；按照通信的方向，数据通信分为单工、半双工和全双工；按照通信时对信道的使用方式，数据通信分为共享通信和点对点通信。,二、数据通信,并行通信和串行通信 并行通信是指使用独立的通信线路同时传输多组据。并行通信普遍应用于两个短距离设备之间的通信。串行通信是指使用一条通信线路，依次传送多组数据。它具有成本低、适合长距离传输等优点。,二、 数据通信,异步通信和同步通信 异步通信指数据的传送以一个字符为单位。 同步通信是指把若干个要传送的