计算机网络课件第一章计算机网络概述

2020/5/9,2,第一章计算机网络概述,教学目标教学重点教学过程,2020/5/9,3,教学目标,理解和掌握计算机网络的基本概念了解计算机网络的发展过程掌握数据通信的基础知识,2020/5/9,4,教学重点,计算机网络的定义和功能计算机网络的分类计算机网络的通信基础,2020/5/9,5,教学过程,计算机网络的形成与发展计算机网络定义和功能计算机网络的分类计算机网络的通信基础,2020/5/9,6,1.1计算机网络的形成与发展,计算机网络的发展经历了一个由简单到复杂的过程，从解决远程信息收集和处理的联机系统开始，发展到以资源共享为目的的计算机群。计算机网络发展的同时又促进了计算机技术和通信技术的发展，使之渗透到社会生活中的各个领域。其发展过程可归结为以下四个主要阶段。,2020/5/9,7,计算机网络的发展阶段,1.面向终端的计算机网络2.计算机-计算机网络3.开放式标准化网络4.网络计算的新时代,2020/5/9,8,1.面向终端的计算机网络,早期的计算机价格昂贵，是一种宝贵的资源，只有少数的计算中心才拥有这种宝贵的资源，要使用计算机的用户不得不千里迢迢的到计算中心去上机。为了解决这个问题，在计算机内部增加了通信处理功能，即将远端的输入输出设备通过通信线路来与计算机主机相连。,2020/5/9,9,1.面向终端的计算机网络,2020/5/9,10,配备了前端处理机和集中器的系统就是具有通信功能的多机系统。其中前端处理机和集中器均采用小型机。由于小型机具有一定的内存和运算速度，除完成通信任务外还可负责通信处理、信息压缩和代码转换等功能，因而大大地减轻了主机的负担。这种多机系统已具备了计算机网络的雏型。,1.面向终端的计算机网络,2020/5/9,11,2.计算机-计算机网络,第二代计算机网络是多台主计算机通过通信线路互连起来为用户提供服务，即所谓计算机-计算机网络。这类网络是20世纪60年代后期开始兴起的，它和以单台计算机为中心的远程联机系统的显著区别在于：这里的多台主计算机都具有自主处理能力，它们之间不存在主从关系。这样的多台主计算机互连的网络才是我们目前通称的计算机网络。,2020/5/9,12,2.计算机-计算机网络,2020/5/9,13,2.计算机-计算机网络,第二代计算机网络的典型代表是ARPA网（ARPAnet）。20世纪60年代后期，美国国防部高级研究计划署ARPAnet提供经费给美国许多大学和公司，以促进多台计算机互连的网络研究，最终导致一个实验性的4节点网络开始运行并投入使用。ARPA网后来扩展到连接数百台计算机，从欧洲到夏威夷，地理范围跨越了半个地球。,2020/5/9,14,2.计算机-计算机网络,但是，第二代计算机网络有不少弊病，不能适应信息社会日益发展的需要。其中最主要的缺点是，第二代计算机网络大都是由研究单位、大学、应用部门或计算机公司各自研制的，没有统一的网络体系结构。为实现更大范围内的信息交换与共享，把不同的第二代计算机网络互连起来十分困难。因而，计算机网络必然要向更新的一代发展。,2020/5/9,15,3.开放式标准化网络,第三代计算机网络是开放式标准化网络，它具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议。标准化使得不同的计算机能方便地互连在一起。标准化还将带来大规模生产、产品集成化和成本降低等一系列好处。,2020/5/9,16,3.开放式标准化网络,20世纪70年代后期人们认识到第二代计算机网络的不足后，开始提出发展新一代计算机网络的问题。国际标准化组织ISO于1984年颁布了开放式系统互连基本参考模型（OSI）的国际标准。目前广泛使用的因特网（Internet），是在原ARPAnet的基础上改进而发展过来的，它对任何计算机厂商开放，只要遵循TCP/IP协议的标准就可以接入Internet。,2020/5/9,17,4.网络计算的新时代,近年来，随着信息高速公路计划的提出与实施，Internet在地域、用户、功能和应用等多方面的不断拓展，以及Internet技术越来越广泛的应用，计算机网络的发展已进入了网络计算的新时代，换句话说就是以网络为中心的时代。,2020/5/9,18,4.网络计算的新时代,目前，电话、有线电视和数据通信等都有各自不同的网络，随着多媒体网络的建立和日趋成熟，三网融合甚至多网融合是一个重要的发展方向。,2020/5/9,19,计算机网络发展的热点和方向,1.移动计算网络2.Ad-hoc3.ASON,2020/5/9,20,1.2计算机网络的定义和功能,计算机网络是一个复合系统，它是由若干地理上分散的、具有独立功能的计算机系统通过各种通信手段相互连接起来，按照网络协议进行数据通信，以实现信息交换、资源共享或协同工作而形成的计算机系统集合。,2020/5/9,21,计算机网络的定义,地理上分布的具有独立功能的通过通信系统连接起来的以实现信息交换、资源共享、协同工作为目的的,2020/5/9,22,计算机网络的功能,计算机网络有许多功能，如可以进行数据通信、资源共享等。其主要功能有：（1）数据通信（4）集中管理（2）资源共享（5）实现分布式处理（3）远程传输（6）负载平衡,2020/5/9,23,1.3计算机网络的分类,按网络覆盖范围分类按网络的拓扑结构分类按交换方式分类按网络传输技术分类按节点之间的关系分类按网络服务对象分类,2020/5/9,24,1.3.1按网络覆盖范围分类,局域网LAN(LocalAreaNetwork)是将小区域内的各种通信设备互连在一起的网络。城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)其目的是在一个较大的地理区域内提供数据、声音和图像的传输。广域网WAN(WideAreaNetwork)也称远程网，其分布范围可达数百至数千公里，可覆盖一个国家或一个洲。,2020/5/9,25,1.3.2按拓扑结构分类,“拓扑”这个名词是从几何学中借用来的。网络拓扑是指网络形状，或者是它在物理上的连通结构。拓扑结构的选择往往与传输媒体的选择及媒体访问控制方法紧密相关。在选择网络拓扑结构时，应该考虑的主要因素有下列几点：(1)可靠性。(2)费用。(3)灵活性。(4)响应时间和吞吐量。,2020/5/9,26,1.3.2按拓扑结构分类,2020/5/9,27,1.星形拓扑,星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路连接到中央节点的各个站点组成。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，而各个站点的通信处理负担都很小。这种结构一旦建立了通道连接，就可以无延迟地在连通的两个站点之间传送数据。目前流行的专用交换机PBX(PrivateBranchexchange)就是星形拓扑结构的典型实例。,2020/5/9,28,1.星形拓扑,星形拓扑结构具有以下优点：(1)控制简单。在星形网络中，任何一站点只和中央节点相连接，因而媒体访问控制方法很简单，致使访问协议也十分简单。(2)故障诊断和隔离容易。在星形网络中，中央节点对连接线路可以逐一地隔离开来进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。(3)方便服务。中央节点可方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。,2020/5/9,29,1.星形拓扑,星形拓扑结构的缺点：(1)电缆长度和安装工作量可观。因为每个站点都要和中央节点直接连接，需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量也骤增。(2)中央节点的负担较重，形成瓶颈。一旦发生故障，则全网受影响，因而对中央节点的可靠性和冗余度方面的要求很高。(3)各站点的分布处理能力较低。,2020/5/9,30,2.总线拓扑,总线拓扑结构采用一条信道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，该公共传输媒体即称为总线。任何一个站发送的信号都沿着传输媒体传播，而且能被所有其它站所接收。,2020/5/9,31,2.总线拓扑,总线拓扑结构的优点：(1)总线结构所需要的电缆数量少。(2)总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性。(3)易于扩充，增加或减少用户比较方便。,2020/5/9,32,2.总线拓扑,总线拓扑的缺点：(1)总线的传输距离有限，通信范围受到限制。(2)故障诊断和隔离较困难。(3)分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能。站点必须是智能的，要有媒体访问控制功能，从而增加了站点的硬件和软件开销。,2020/5/9,33,3.环形拓扑,环形拓扑网络由站点和连接站点的链路组成一个闭合环。每个站点能够接收从一条链路传来的数据，并以同样的速率串行地把该数据沿环送到另一端链路上。这种链路可以是单向的，也可以是双向的。,2020/5/9,34,3.环形拓扑,环形拓扑的优点：(1)电缆长度短。环形拓扑网络所需的电缆长度和总线拓扑网络相似，但比星形拓扑网络要短得多。(2)增加或减少工作站时，仅需简单的连接操作。(3)可使用光纤。光纤的传输速率很高，十分适合于环形拓扑的单方向传输。,2020/5/9,35,3.环形拓扑,环形拓扑的缺点：(1)节点的故障会引起全网故障。这是因为环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点，一旦环中某一节点发生故障就会引起全网的故障。(2)故障检测困难。这与总线拓扑相似，因为不是集中控制，故障检测需在网上各个节点进行，因此就不很容易。(3)环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。,2020/5/9,36,4.树形拓扑,树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支。树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。树形拓扑的特点大多与总线拓扑的特点相同，但也有一些特殊之处。,2020/5/9,37,4.树形拓扑,树形拓扑的优点：(1)易于扩展。这种结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新节点和新分支都能容易地加入网内。(2)故障隔离较容易。如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开来。,2020/5/9,38,4.树形拓扑,树形拓扑的缺点是：各个节点对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。从这一点来看，树形拓扑结构的可靠性有点类似于星形拓扑结构。,2020/5/9,39,1.3.3按交换方式分类,电路交换网报文交换网分组交换网,2020/5/9,40,1.3.4按网络传输技术分类,1.点到点2.广播,2020/5/9,41,1.3.5按节点之间的关系分类,1.Client/Server2.peer,2020/5/9,42,1.3.6按网络服务的对象分类,1.公用网Internet2.专用网银行、航空、军事,2020/5/9,43,1.4计算机网络的通信基础,通常点到点的通信系统包括信源，信道和信宿三个部分。,2020/5/9,44,1.4.1数据通信基础知识,信源的作用是把各种可能信息转换成原始电信号，为了使原始电信号能在信道上传输，就要通过变换器转换成适合于在信道上传输的信号。信道是信号的传输媒体及有关设备构成的传输通道。通过信道传输到远地的电信号先由接收端的反变换器转换复原成原始的信号，再送给接受者（信宿），而后由信宿将其转换成各种信息。,2020/5/9,45,1.4.2传输介质及特性,网络中数据传输是通过传输介质完成的。目前常用的物理传输介质有：双绞线、同轴电缆和光纤等；无线传输介质有：无线电、红外线、微波、激光和卫星通讯等。,2020/5/9,46,传输介质及特性,1.双绞线,2020/5/9,47,传输介质及特性,2.同轴电缆同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆,2020/5/9,48,传输介质及特性,3光纤,2020/5/9,49,光纤,光纤按传输模式可分单模光纤(SingleModeFiber)和多模光纤(MultiModeFiber)。单模光纤的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。,2020/5/9,50,传输介质及特性,4无线传输介质,2020/5/9,51,1.4.3模拟传输与数字传输,模拟信号和数字信号都能够在合适的传输媒体上进行传输，即模拟传输和数字传输。模拟信号可以表示模拟数据，也可以表示数字数据。无论哪种情况，在传输一定距离之后，模拟信号都将衰减。为了实现长距离传输，模拟传输系统要用放大器来增强信号的能量，但同时也会使噪音分量加大，以至引起信号畸变。,2020/5/9,52,模拟传输系统,为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须首先将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后，再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。,2020/5/9,53,模拟传输系统,模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素，即幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。数字调制的三种基本形式，即幅移键控法ASK，频移键控法FSK和相移键控法PSK。,2020/5/9,54,数字传输系统,数字信号可以直接采用基带传输，所谓基带就是指基本频带。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，这是一种最简单的传输方式。基带传输时，需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题。对于传输数字信号来说，最简单最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字。,2020/5/9,55,数字数据的数字信号编码,几种基本的数字信号脉冲编码方案：不归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码,2020/5/9,56,模拟数据的数字信号编码,对模拟数据进行数字信号编码的最常用方法是脉冲编码调制PCM(PulseCodeModulation)，PCM是以采样定理为基础的。1.采样2.量化3.编码,2020/5/9,57,1.4.4多路复用,在数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量是有限的，为了有效地利用通信线路，往往希望一个信道可以同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(MultIPlexing)。,2020/5/9,58,频分多路复用FDM,在物理信道的可用带宽超过单个信号所需带宽的情况下，可将物理信道的带宽分割成若干个与单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。多路不同的信号在传输前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的带宽搬移到物理信道频谱的不同段上，即使不同信号的带宽不相互重叠，这可以通过采用不同的载波频率进行调制来实现。,2020/5/9,59,频分多路复用FDM,2020/5/9,60,时分多路复用TDM,若媒体能达到的传输速率超过所传数据的传输速率，则可采用时分多路复用TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。,2020/5/9,61,同步时分多路复用TDM,同步(Synchronous)时分多路复用TDM，它的时间片是预先分配好的，而且是固定不变的，因此各种信号源的传输定时是同步的。,2020/5/9,62,异步时分多路复用TDM,异步时分多路复用TDM允许动态地分配传输媒体的时间片，这种方式也被称为统计时分复用STDM（StatisticTDM）。,2020/5/9,63,1.4.5数据交换方式,对于网络中的数据通信，交换是一个重要的问题。为避免建立多条点对点的信道，就必须使计算机和交换设备相连。在当前的数据通信网中，主要有三种交换方式：电路交换、报文交换和分组交换。一个网络的有效性、可靠性和经济性直接受到所采用的交换方式的影响。,2020/5/9,64,1.电路交换,在数据通信网发展初期，人们根据电话交换原理，发展了电路交换方式。当用户想要发送信息时，由源交换机根据信息要到达的目的地址，把线路连接到目的交换机。这个过程称为线路连接。线路接通后，就形成了一条端对端(信息发送的源端和目的端)的信息通路，在这条通路上双方即可进行通信。通信完毕，由通信双方的某一方，向自己所属的交换机发出拆除线路的要求，交换机收到此信号后就将此线路拆除，以供别的用户通信使用,2020/5/9,65,1.电路交换,电路交换方式的主要优点是：独占性：建立线路之后、释放线路之前，发送站点独占整个线路的带宽，可获得较高的数据传输速率。实时性好：一旦线路建立，通信双方的所有资源（包括线路资源）均用于本次通信，除了少量的传输延迟之外，不再有其它延迟，具有较好的实时性；线路交换设备简单，不提供任何缓存装置；用户数据透明传输，要求收发双方自动进行速率匹配。,2020/5/9,66,1.电路交换,电路交换的主要缺点是：线路建立过程所需时间长、独占性使得线路利用率低。,2020/5/9,67,2.报文交换,它的基本原理是用户之间进行数据传输，发送方与接收方事先不需要建立连接，而是先将数据组装成报文，发送到本地交换机，等到连接该交换机的中继线路空闲时，再根据确定的路由将报文转发到目的交换机。由于每份报文的头部都含有完整的目的地址，所以每条路径不是固定分配给某一用户的，而是由多个用户进行统计复用的。,2020/5/9,68,3.分组交换,同报文交换方式相比，分组交换方式在各交换节点之间的数据传送更为灵活，交换节点不必等待整个报文的所有分组全部到齐，而是一个分组、一个分组地转发。这样可以大大降低节点所需的存储容量，也缩短了网路时延。另外，较短的分组比报文大大减少了差错的产生，提高了传输的可靠性。,2020/5/9,69,数据报分组交换,分组交换网中数据传输之前无需建立连接的方式称为数据报方式,2020/5/9,70,虚电路分组交换,虚电路方式需要通过网络建立逻辑上的连接，一旦这种连接建立之后，通信双方才能进行数据传输。,2020/5/9,71,1.4.6差错控制和流量控制,差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的范围内的技术和方法。数据通信中，利用编码方式来进行差错控制的方式基本上有两类，一类是自动请求重发ARQ(AutomaticRepeatreQuest)，另一类是前向纠错FEC(ForwardErrorCorrection)。在ARQ方式中，接收端检测出有差错时，就设法通知发送端重发，直到正确的码字收到为止。,2020/5/9,72,差错控制编码,1.奇偶校验码奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“1”的个数恒为奇数或偶数的编码方法，它是一种检错码。在实际使用时又可分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验等几种。,2020/5/9,73,差错控制编码,2.循环冗余CRC校验任何一个由二进制数位串组成的代码，都可以惟一地与一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系。例如，代码1010111对应的多项式为X6+X4+X2+X+1，同样多项式X5+X3+X2+X+1对应的代码为101111。,2020/5/9,74,循环冗余CRC校验,CRC码在发送端编码和接收端校验时，都可以利用事先约定的生成多项式G(X)来得到。k位要发送的信息位可对应于一个(k-1)次多项式K(X)，r位冗余位则对应于一个(r-1)次多项式R(X)，由k位信息位后面加上r位冗余位组成的n=k+r位码字则对应于一个(n-1)次多项式T(X)=XrK(X)+R(X)。例如信息位：1011001K(X)=X6+X4+X3+1冗余位：1010R(X)=X3+X码字：10110011010T(X)=X4K(X)+R(X)=X10+X8+X7+X4+X3+X,2020/5/9,75,循环冗余CRC校验,由信息位产生冗余位的编码过程，就是已知K(X)求R(X)的过程。在CRC码中可以通过找到一个特定的r次多项式G(X)(其最高项Xr的系数恒为1)，然后用XrK(X)去除以G(X)，得到的余式就是R(X)。以上例中K(X)=X6+X4+X3+1为例(即信息位为1011001)，若G(X)=X4+X3+1(对应代码11001)，取r=4，则X4K(X)=X10+X8+X7+X4(对应代码为0110010000)，,2020/5/9,76,循环冗余CRC校验,由模2除法求余式R(X)的过程所示如下：得到的最后余数为1010，这就是冗余位，对应R(X)=X3+X。,2020/5/9,77,循环冗余CRC校验,信道上发送的码字多项式T(X)=XrK(X)+R(X)。若传输过程无错，则接收方收到的码字也对应于此多项式，也即接收到的码字多项式能被G(X)整除。因而接收端的校验过程就是将接收到的码字多项式除以G(X)的过程。若余式为零则认为传输元差错；若余式不为零则传输有差错。,2020/5/9,78,流量控制,流量控制处理的是发送方发送能力大于接收方接收能