1.计算机网络概述及拓扑结构ppt课件.ppt

第一章计算机网络概述 1 1计算机网络的发展历史1 2计算机网络的拓扑结构1 3计算机网络的分类1 4计算机网络的组成1 5计算机网络的主要性能指标1 6计算机网络技术发展趋势本章小结习题 1 1 2计算机网络的定义计算机网络的定义是 将地理位置不同的 具有独立功能的多台计算机及其外部设备通过通信线路连接起来 在网络操作系统 网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下 实现资源共享和信息传递的计算机系统 为了实现计算机之间的通信交往 资源共享和协同工作 利用通信设备和线路将地理位置分散的 各自具备自主功能的一组计算机有机地联系起来 并且由功能完善的网络操作系统和通信协议进行管理的计算机复合系统就是计算机网络 概括地说 一个计算机网络必须具备以下三个基本要素 1 至少有两个具有独立操作系统的计算机 且它们之间有相互共享某种资源的需求 2 两个独立的计算机之间必须有某种通信手段将其连接 3 网络中的各个独立的计算机之间要能相互通信 必须制定相互可确认的规范标准或协议 网络的三要素 a 基本功能 数据通信 资源共享b 独立性 地理独立 功能独立 c 控制协议的标准化TCP IP以上三条是组成一个网络的必要条件 三者缺一不可 1 1计算机网络的发展历史 Internet的起源和发展 20世纪50年代中期 美国的半自动地面防空系统 Semi AutomaticGroundEnvironment SAGE 开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试 在SAGE系统中把远程距离的雷达和其他测控设备的信息经由线路汇集至一台IBM计算机上进行集中处理与控制 1969年美国国防部高级研究计划署DARPA DefenceAdvancedResearchProjectsAgency 的前身ARPAnet投入使用 标志现代计算机网络的诞生 1983年 ARPAnet分裂为两部分 民用NFSnet和纯军事用的MILNET 1991年底NSFnet正式对美国公民个人开放 更名为Internet 互联网在中国的发展历程划分为三个阶段 第一阶段为1986 6 1993 3是研究试验阶段 E mailOnly 在此期间中国一些科研部门和高等院校开始研究Internet联网技术 并开展了科研课题和科技合作工作 这个阶段的网络应用仅限于小范围内的电子邮件服务 而且仅为少数高等院校 研究机构提供电子邮件服务 第二阶段为1994 4至1996年 是起步阶段 FullFunctionConnection 1994年4月 中关村地区教育与科研示范网络工程进入互联网 实现和Internet的TCP IP连接 从而开通了Internet全功能服务 从此中国被国际上正式承认为有互联网的国家 第三阶段从1997年至今 是快速增长阶段 国内互联网用户数97年以后基本保持每半年翻一番的增长速度 据中国互联网络信息中心 CNNIC 截止日期2012 06 30公布的统计报告显示网民规模突破5 38亿 网民数量5 38亿 网站数250万 国际出口宽带数1 548 811Mbps IPv43 30亿 注册的域名数873万 1 1 1计算机网络的发展计算机网络的发展经历了以下四个阶段 1 面向终端的计算机通信网络20世纪50年代中期至20世纪60年代末期 计算机技术与通信技术初步结合 形成了计算机网络的雏形 这个时期的计算机网络被称为简单联机系统 主要目的是解决远地站点的计算机问题 其主要特点是 在计算机内部增加通信概念 可以让远地站点的I O设备通过通信线路直接和计算机相连 做到输入 处理同时进行 任务完成后将处理结果送回远地点 如图1 1和图1 2所示 图1 1具有通信功能的单机系统 图1 2面向终端的网络 2 初级计算机网络第二代计算机网络又称为计算机 计算机网络 是具有通信功能的多机系统 又称为复杂联机系统 这个时期的网络有效地解决了主机负担重的问题 在主机前设置一个前端处理机 负责与主机通信 使主机从繁重的通信任务中解脱出来 集中精力完成数据处理 同时在终端集中区域设置线路集中器 大量终端通过低速线路连接到集中器 而集中器通过高速专线和主机相连 这样有效地解决了线路利用率低的问题 如图1 3所示 图1 3具有通信功能的多机系统 3 开放式的标准化计算机网络分组交换网以通信子网为中心 主机与终端都处于网络的外围 构成了用户资源网 可以共享的资源得到了有效的扩充 如图1 4所示 图1 4开放式的标准化计算机网络 4 新一代的综合性 智能化 宽带高速网络20世纪90年代中期至21世纪初期 宽带网络技术的发展为社会信息化提供了技术基础 网络与信息安全技术为网络应用提供了重要安全保障 基于光纤通信技术的宽带城域网与接入技术 以及移动计算机网络 网络多媒体计算 网络并行计算 网格计算等新技术的应用 使计算机网络与Internet 即因特网 向着全面互连 高速和智能化发展 并得到了广泛的应用 1 1 3计算机网络的功能和应用1 计算机网络的功能计算机网络技术使计算机的应用范围和其自身的功能有了突破性的发展 作为计算机网络应当具有以下三个基本功能 1 计算机之间和计算机用户之间的相互通信交往 2 资源共享 包含计算机硬件资源 软件资源和数据与信息资源共享 3 计算机之间或计算机用户之间的协同工作 2 计算机网络的典型应用随着高速信息社会进程的推进 通信和计算机技术的迅猛发展 计算机网络的应用日益多元化 打破了空间和时间的限制 几乎深入到社会的各个领域 可以在一套系统上提供集成的信息服务 包括来自政治 经济等方面的信息资源 同时还提供多媒体信息 如图像 语音 动画等 在多功能 多元化的发展趋势下 许多网络应用的新形式不断出现 如电子邮件 IP Phone 视频点播 网上交易 视频会议等 其应用可归纳为下列几个方面 1 管理信息系统 ManagementInformationSystem MIS 2 办公自动化 OfficeAutomation OA 3 信息检索系统 InformationRetrieveSystem IRS 4 电子收款机系统 PointofSells POS 5 分布式控制系统 DistributedControlSystem DCS 6 计算机集成与制造系统 ComputerIntegratedManufacturingSystem CIMS 7 电子数据交换系统 ElectronicDataInterchangeSystem EDI 8 信息服务系统 EDI也被俗称为 无纸交易 它是一种利用计算机进行商务处理的新方法 EDI是将贸易 运输 保险 银行和海关等行业的信息 用一种国际公认的标准格式 通过计算机通信网络 使各有关部门 公司与企业之间进行数据交换与处理 并完成以贸易为中心的全部业务过程 1 2计算机网络的拓扑结构 1 2计算机网络的拓扑结构1 2 1计算机网络拓扑的定义拓扑结构的定义 由点和线构成的数学几何关系 用于描述网络设备与物理链路之间的简单点线几何关系 拓扑结构方案设计是工程实现计算机网络的起点 也是实现各种网络协议的基础 计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型 1 2 2网络拓扑结构的分类计算机网络的物理连接方式叫做网络的拓扑结构 常用的计算机网络的拓扑结构有 总线型 星型 环型 树型 网状和组合型拓扑结构 1 总线型拓扑 BusTopology 总线型拓扑采用单根传输线作为传输介质 它将所有入网的计算机通过相应的硬件接口直接接入到一条通信线路上 图1 5典型的总线型拓扑结构 2 星型拓扑 StarTopology 星型拓扑是以一个节点为中心的处理系统 各种类型的入网计算机均与该中心节点由物理链路直接相连 其他节点间不能直接通信 通信时需要通过该中心节点转发 如图1 6所示 星型拓扑以中央节点为中心 执行集中式通信控制策略 因此 中央节点相当复杂 而其余各个节点的通信处理负担都很小 又称集中式网络 图1 6星型拓扑结构 3 环型拓扑 RingTopology 环型拓扑是将各台联网的计算机用通信线路连接成一个闭合的环 如图1 8所示是一个点到点的环路 每台设备都直接连接到环上 或通过一个分支电缆连到环上 在环型结构中 信息按固定方向流动 或按顺时针方向 或按逆时针方向 典型的环型网络有令牌环网 TokenRing 和光纤分布式接口网络 FDDI 等 图1 8环型拓扑结构 举例 ABCDE5栋大楼 1 可以怎样连接 2 总线型 环形 星型连接 B出现故障 有何影响 3 三种拓扑结构的优缺点 4 树型拓扑 TreeTopology 树型拓扑是由总线拓扑演变而来的 它把星型和总线型结合起来 形状像一棵倒置的树 顶端有一个带分支的根 每个分支还可以延伸出子分支 如图1 9所示 图1 9树型网络拓扑结构 5 网状拓扑网状结构分为全连接网状和不完全连接网状两种形式 在全连接网状结构中 每一个节点和网中其他节点均有链路连接 在不完全连接网状结构中 两节点之间不一定有直接链路连接 它们之间的通信依靠其他节点转发 这种网络的优点是节点间路径多 碰撞和阻塞可大大减少 局部的故障不会影响整个网络的正常工作 可靠性高 网络扩充和主机入网比较灵活简单 但这种网络关系复杂 建网和网络控制机制复杂 广域网中一般用不完全连接网状结构 如图1 10所示 图1 10网状拓扑结构 1 3计算机网络的分类 1 3 1按网络的覆盖范围划分根据计算机网络所覆盖的地理范围 信息的传递速率及其应用目的 计算机网络通常被分为局域网 城域网 广域网 这也是目前较为流行的一种分类方法 1 局域网局域网 LAN LocalAreaNetwork 也称局部网 是指将有限的地理区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络 它具有很高的传输速率 几十至千兆比特 其覆盖范围一般不超过几十千米 通常将一座大楼或一个校园内分散的计算机连接起来构成LAN 同时以是否处于限定范围及是否接入同层设备作为判定的条件 局域网LAN 内网 拥有独立的产权和管理权 2 城域网城域网 MAN MetropolitanAreaNetwork 有时又称之为城市网 区域网 都市网 城域网介于LAN和WAN之间 其覆盖范围通常为一个城市或地区 距离从几十千米到上百千米 城域网通常采用光纤或微波作为网络的主干通道 现在已经弱化这一划分概念 3 广域网广域网 WAN WideAreaNetwork 指的是实现计算机远距离连接的计算机网络 可以把众多的城域网 局域网连接起来 也可以把全球的城域网 局域网连接起来 4 接入网接入网 AN AccessNetwork 又称本地接入网或用户接入网 它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术 如图1 11所示 接入网是局域网 或校园网 和城域网之间的桥接区 接入网提供多种高速接入技术 使用户接入Internet的瓶颈得到某种程度上的解决 各类网络具有的特征参数见表1 1 总的规律是距离越长 速率越低 局域网距离最短 传输速率最高 一般以距离中心机房为判定条件 图1 11广域网 城域网 接入网和局域网的关系 表1 1各类计算机网络的特征参数 思科网络划分 一个独立的网络分为核心层 汇聚层 接入层 三层网络对设备的要求不同 核心层 设备吞吐量 背板带宽接入层 灵活的用户控制机制汇聚层 对数据流的控制 1 3 2按数据的传输方式分类根据数据传输方式的不同 计算机网络又可以分为 广播网络 和 点对点网络 两大类 广播网络 BroadcastingNetwork 中的计算机或设备使用一个共享的通信介质进行数据发散传播 网络中的所有节点都能收到任何节点发出的数据信息 广播网络中的传输方式目前有以下3种 单播 Unicast 发送的信息中包含明确的目的地址 所有节点都检查该地址 如果与自己的地址相同 则处理该信息 如果不同 则忽略 可以认为是点对点的传播 组播 Multicast 将信息传送给网络中部分节点 可以认为是有选择的部分传播 说明广播 Broadcast 在发送的信息中使用一个指定的代码标识目的地址 将信息发送给所有的目标节点 当使用这个指定代码传输信息时 其余所有节点都接收并处理该信息 可以认为是全网传播 点对点网络 PointtoPointNetwork 中的计算机或设备以点对点的方式进行数据传输 两个节点间都可能有多条单独的中间链路 这种传播方式应用于广域网中 以太网和令牌环网都属于广播网 而ATM和帧中继网都属于点对点网 除了按网络覆盖范围和数据传输方式这两种最常见的分类方式外 还可以有其他分类方式 按通信传输介质划分 可分为有线网络和无线网络 按使用网络的对象分类可分为专用网和公用网 按照网络中各组件的功能来划分 可分为对等网络和基于服务器网络 1 4计算机网络的组成 从资源构成的角度讲 计算机网络是由硬件和软件组成的 硬件包括各种主机 终端等用户端设备 以及交换机 路由器等通信控制处理设备 而软件则由各种系统程序和应用程序以及大量的数据资源组成 从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网 图1 12给出了典型的计算机网络结构 其中 资源子网负责全网的数据处理业务 并向网络用户提供各种网络资源和网络服务 资源子网主要由主机 终端以及相应的I O设备 各种软件资源和数据资源构成 图1 12典型的计算机网络结构 1 4 1资源子网的组成与功能资源子网由拥有资源的主机系统 请求资源的用户终端 终端控制器 通信子网的接口设备 软件资源 硬件共享资源和数据资源等组成 资源子网负责全网的数据处理业务 并向网络客户提供各种网络资源和网络服务 1 4 2通信子网的组成与功能通信子网按功能可以分为数据交换和数据传输两个部分 通信子网提供网络通信功能 完成全网主机之间的数据传输 交换 控制和转换等通信任务 负责全网的数据传输 转发及通信处理等工作 在广域网结构中 随着使用主机系统用户的减少 资源子网的概念已经有了变化 目前 通信子网由交换设备与通信线路组成 它负责完成网络中数据传输与转发任务 交换设备主要是路由器与交换机 随着微型计算机的广泛应用 连入局域网的微型计算机数目日益增多 主要是通过路由器将局域网与广域网相连接 另外 从组网的层次角度看 网络的组成结构也不再是一种简单的平面结构 可能变成一种分层的层次结构 图1 13所示为一个典型的三层网络结构 最上层称为核心层 中间层称为分布层 最下层称为访问层 为最终用户接入网络提供接口 图1 13典型的三层网络结构示意图 1 5计算机网络的主要性能指标 1 5 1带宽在局域网和广域网中 都使用带宽 Bandwidth 来描述它们的传输容量 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度 带宽的单位为赫兹 或千赫 兆赫等 在通信线路上传输模拟信号时 将通信线路允许通过的信号频带范围称为线路的带宽 或通频带 在计算机科学中 bit是表示信息的最小单位 叫做二进制位 一般用0和1表示 Byte叫做字节 由8个位 8bit 组成一个字节 1Byte 用于表示计算机中的一个字符 bit与Byte换算关系为 1Byte 8bit 或简写为 1B 8b 在计算机网络或者是网络运营商中 一般 宽带速率的单位用bps 或b s 表示 在实际所说的1M带宽的意思是1Mbps 是兆比特每秒Mbps不是兆字节每秒MBps 记住以下换算公式 1B 8b1B s 8b s 或1Bps 8bps 1KB 1024B1KB s 1024B s1MB 1024KB1MB s 1024KB s4M带宽传输速率为 kbps KB s 网络中的数据是由一个个数据包组成 防火墙对每个数据包的处理要耗费资源 吞吐量是指在没有帧丢失的情况下 设备能够接受的最大速率 网速 由于诸多原因使得吞吐量常常远小于所用介质本身可以提供的最大数字带宽 决定吞吐量的因素主要有 网络互联设备 所传输的数据类型 网络的拓扑结构 网络上的并发用户数量 用户的计算机 服务器 拥塞 1 5 2时延时延 Delay或Latency 是指一个报文或分组从一个网络 或一条链路 的一端传送到另一端所需的时间 通常来讲 时延由以下几部分组成 1 发送时延发送时延是节点在发送数据时使数据块从节点进入传输介质所需要的时间 也就是从数据块的第一个比特开始发送算起 到最后一个比特发送完毕所需的时间 又称为传输时延 它的计算公式是 信道带宽就是数据在信道上的发送速率 也常称为数据在信道上的传输效率 2 传播时延传播时延是电磁波在信道上需要传播一定的距离而花费的时间 传播时延的公式是 电磁波在自由空间的传播速率是光速 即3 0 108m s 电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些 在铜缆中的传播速率约为2 3 106m s 在光纤中的传播速率约为2 0 108m s 例如 1000km长的光纤线路产生的传播时延大约为5ms 3 处理时延处理时延是指数据在交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间 在节点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分 因此 处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量 当网络的通信量很大时 还会发生队列溢出 使分组丢失 这相当于处理时延为无穷大 有时可用排队时延作为处理时延 这样 数据经历的总时延就是以上三种时延之和 总时延 传播时延 发送时延 处理时延图1 14所示为三种时延所产生的位置 图1 14三种时延产生的位置 4 时延带积和往返时延将传播时延和带宽相乘就是传播时延带积 即传播时延带积 传播时延 带宽在计算机网络中 往返时延RTT Round TripTime 表示从发送端发送数据开始 到发送端收到来自接收端的确认 接收端收到数据后便立即发送确认 总共经历的时延 在互联网中 往返时延包括各中间节点的处理时延和转发数据时的发送时延 1 6计算机网络技术发展趋势 1 6 1计算机网络的支撑技术从系统的观点看 计算机网络是由单个节点和连接这些节点的链路所组成的 单个节点主要是连入网内的计算机以及负责通信功能的节点交换机 路由器 这些设备的物理组成主要是集成电路 而集成电路的一个重要支撑就是微电子技术 网络的另一个组成部分就是通信链路 负责所有节点间的通信 通信链路的一个重要支撑就是光电子技术 因此计算机网络的两个重要的支撑技术就是微电子技术和光电子技术 1 6 2计算机网络的关键技术计算机网络架构的发展方向将是IP技术 光网络 光网络将会演进为全光网络 从网络的服务层面上看将是一个IP网络的世界 从传送层面上看将是一个光的世界 从接入层面上看将是一个有线和无线多元化的世界 为此 目前比较关键的技术主要有软交换技术 IPv6技术 光交换与智能光网络技术 宽带接入技术 3G以上的移动通信系统技术等 1 软交换技术Softswitch是基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的设备和系统 因此 软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关 传输层 中分离出来 通过软件实现基本呼叫控制功能 从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离 为控制 交换和软件可编程功能建立分离的平面 软交换主要提供连接控制 翻译和选路 网关管理 呼叫控制 带宽管理 信令 安全性和呼叫详细记录等功能 与此同时 软交换还将网络资源 网络能力封装起来 通过标准开放的业务接口和业务应用层相连 可方便地在网络上快速提供新的业务 2 IPv6技术未来的计算机网络是基于IPv6技术的网络 和IPv4相比 IPv6的主要改变就是地址的长度为128位 也就是说可以有2128个IP地址 足以保证地球上的每个人拥有一个或多个IP地址 3 光交换与智能光网络技术光交换是指不经过任何光 电转换 将输入端光信号直接交换到任意的光输出端 全光网可以克服电子交换在容量上的瓶颈限制 可以大量节省建网成本 可以大大提高网络的灵活性和可靠性 智能光网络是下一代光网络 具有自动发现功能 包括能够自动地发现业务 拓扑 资源的变化 具有强大的计算功能 能够根据网络环境的这些变化 进行计算 分析 推理和判断 根据资源有效配置这一原则最终做出决定 具有快速的动态的连接建立能力 并能为需要的业务提供保护和恢复功能 能够提供不同类型的 不同优先级的服务等 智能光网络及其网元的分析判断功能依赖其强大的计算能力 网络系统使用算法的先进性及系统所存储和访问的信息数据量 快速和动态的连接建立能力是智能光网络的核心功能 其他功能都服务于这个核心功能 同时也对其他功能模块提出了挑战 保护和恢复功能是智能光网络中最基本的功能之一 在智能光网络中 由于引入了基于网状网的保护恢复机制 所以能采用更加灵活的方式来保护和恢复中断的业务 智能光网络另一个重要的特征是能够为用户提供更新型 更多带宽的服务 如按需带宽业务 波长批发 波长出租 带宽交易 光虚拟专用网 OVPN 等 4 宽带接入技术计算机