大学计算机基础（基础理论篇）第8章

1、概述数据通信基础知识计算机网络体系结构Internet及其应用第8章 计算机网络初步 概述1.早期的计算机网络 2.现代计算机网络的萌芽和发展时期 3.计算机网络标准化阶段4.局域网发展时期5.Internet 发展时期计算机网络的形成和发展1.早期的计算机网络 1951 年，美国麻省理工学院林肯实验室为美国空军设计了一个SAGE 的地面防空系统。 民用方面，最早的是美国航空公司与 IBM 公司在 20 世纪50 年代初研究，20 世纪 60 年代初投入使用的飞机订票系统 SABREI 概述计算机网络的形成和发展1.早期的计算机网络 概述计算机网络的形成和发展50年代计算机-终端多机系统终端中

2、央主机终端前置处理机终端中央主机集中器终端2.现代计算机网络的萌芽和发展时期 现代意义上的计算机网络是以 1969 年美国国防部高级研究计划局(DARPA)建成的 ARPAnet网开始 ARPAnet 网被认为具有现代计算机网络的一般特征：资源共享；分散控制；分组交换；采用专门的通信控制处理机；分层的网络协议。20 世纪 70 年代中后期，各发达国家的政府部门、研究机构和电话公司等都在发展各自的网络概述计算机网络的形成和发展2.现代计算机网络的萌芽和发展时期 概述计算机网络的形成和发展60年代末计算机-计算机典型代表ARPA网 前置处理机中央主机中央主机中央主机 前置处理机 前置处理机3.计算

3、机网络标准化阶段 IBM 于 1974年推出了系统网络体系结构 SNA(System Network Architecture)； 1977 年国际标准化组织 ISO 的 TC97 信息处理系统技术委员会SC16 分技术委员会制定了开放系统互连参考模型 OSI/RM(Open System InterconnectionReference Model)。概述计算机网络的形成和发展4.局域网发展时期 1972 年Xerox 公司发明了以太网 20世纪 80 年代后期，局域网厂商进入专业化的成熟时期 概述计算机网络的形成和发展70年代中期局域网5. Internet 发展时期 20 世纪 90 年

4、代，NSFnet 代替 ARPAnet 成为国家骨干网。 1992 年，Internet 学会成立，该学会把Internet 定义为“组织松散、独立的国际合作互连网络”，“通过主动遵循计算协议和过程来支持主机对主机的通信” 概述计算机网络的形成和发展6.我国互联网的发展中国公用计算机互联网(CHINANET)：CHINANET是原邮电部组织建设和管理的中国教育科研网(CERNET)：CERNET是全国最大的公益性互联网络，已建成由全国主干网、地区网和校园网在内的三级层次结构网络。中国科学技术网(CSTNET)：CSTNET是国家科学技术委员会联合全国各省、市的科技信息机构、建立起来的信息服务网

5、络。 概述计算机网络的形成和发展国家公用经济信息通信网络(金桥网，CHINAGBN)：CHINAGBN是为金桥工程建立的业务网，支持金关、金税、金卡等“金”字头工程的应用。1996年，上海信息港工程启动，此后，北京、天津、广州、山东等省市也纷纷推出各自的信息港计划。信息港工程是一种地区性的信息高速公路计划。 概述计算机网络的形成和发展6.我国互联网的发展1. 计算机网络计算机网络是指利用通信线路和设备将分布在不同物理位置的许多自治计算机互连起来、并在网络软件系统的支持下实现资源共享和信息传递的系统。概述计算机网络的基本概念通信链路概述计算机网络的基本概念1. 计算机网络2.网络的拓扑结构 总线

6、型：只有单一的通信线路(称为总线)，所有站点直接连接到这条总线上。在总线型网络中信息是按广播式进行通信的。任何一个时刻只能有一个站点发送信息，其他结点均可接受信息。优点主要是结构简单、布线容易、成本低廉、易于扩展并具有较高的可靠性等。缺点是总线的故障会导致网络瘫痪概述计算机网络的基本概念网络的拓扑结构是指网络中通信线路和站点(终端结点或转发结点)的几何排列形式。 环型：各个站点通过通信线路连接成一个闭合的环。在单条环路的环型网络中信息流向是单方向的。优点是结构简单、传输延时确定。缺点是一个站点的故障会导致网络瘫痪。概述计算机网络的基本概念2.网络的拓扑结构 星型：有一个惟一的转接结点，各站点通

7、过点到点的链路直接连接到转接结点上。优点是结构简单、易于实现和便于管理。缺点是转接结点的故障会导致网络瘫痪。概述计算机网络的基本概念2.网络的拓扑结构中心处理机 树型：结点按层次进行连接。信息交换主要在上下层结点之间。树型网络中除了叶子结点之外的所有非终端结点都是转接结点。优点是组网灵活、易于扩展。缺点是对根结点的依赖性太大，相邻或同层结点之间不能直接传递信息。概述计算机网络的基本概念2.网络的拓扑结构概述计算机网络的基本概念2.网络的拓扑结构网状结构 终端终端终端终端终端终端终端终端终端节点节点节点节点1.计算机网络的分类网络的分类方式很多，主要有两种:按照网络的覆盖范围与规模分类，可以把网

8、络分为:局域网城域网广域网概述计算机网络的分类和应用概述计算机网络的分类和应用采用局域网，传输速率较高，误码率较低。组网方便，技术简单。传输距离远，传输速率较低，误码率较高。机制复杂。局域网 指十几公里的地理范围内将计算机、外设和通信设备互连在一起的网络系统。广域网 涉及的范围较大，通常可以达到几十公里、几百公里，甚至更远。 局域网、城域网、广域网的比较概述计算机网络的分类和应用 地理范围所有者和运营者互连和通信方式数据速率数据速率误码率拓扑结构主要应用 分布处理局域网(LAN)室内，校园内部 单位所有和运营共享介质，分组广播每秒几十兆位至每秒几百兆位每秒几十兆位至每秒几百兆位最小规则结构：总

9、线， 星型和环型办公自动化城域网(MAN)建筑物之间，城区内 几个单位共有或公用共享介质，分组广播每秒几兆位至每秒几十兆位每秒几兆位至每秒几十兆位中规则结构：总线， 星型和环型LAN 互联，综合声音、视频和数据业务广域网(WAN)国内，国际公用，通信运营公司所有共享介质，分组交换每秒几十千位每秒几十千位较大不规则的网状结构 远程数据传输 按照网络的传输技术分类，网络可分为:点到点网络广播式网络 点到点网络：每条物理线路连接一对站点，一条信息从源站点到宿站点的路程上要进行路由选择，并经过多个站点的存储与转发。广域网中的通信一般都采用这种方式。概述计算机网络的分类和应用1.计算机网络的分类广播式网

10、络：所有连网的计算机都连接到一个公共的通信信道上。当一个站点发出信息后，其它的站点都能收到这个信息。传输的信息包含有目标站点地址和源站点地址，每个站点都可以判断哪个信息包是发送给自己的，是谁发来的。概述计算机网络的分类和应用1.计算机网络的分类2.计算机网络的应用 电子数据交换(Electronic Data Interchange，EDI)。EDI是一种电子贸易工具，它通过计算机通信网络将贸易、保险、银行、运输和海关等行业信息表现为标准格式，实现数据交换和处理，并完成以贸易为中心的整个交易过程。 概述计算机网络的分类和应用 办公自动化。网络化办公系统的主要功能是实现信息共享和公文流转，包括领

11、导办公、日程安排、会议管理、档案管理、电子签名、公文处理、信访管理、财务报销、信息发布、全文检索等模块，以解决各种类型的无纸化办公问题。 概述计算机网络的分类和应用2.计算机网络的应用 远程教育。远程网络教学是利用Internet技术与教育资源，在计算机网络上进行的教学方式。 电子银行。电子银行是一种在线服务系统，它以Internet为媒介，为客户提供银行账户信息查询、在线支付、代理业务转账/付款等金融服务。 概述计算机网络的分类和应用2.计算机网络的应用 娱乐和在线游戏。随着视频演播与宽带通信的发展，网络在线游戏逐步成为互联网娱乐的重要组成部分，也是互联网最富群众性和最有潜力的赢利点。 概述

12、计算机网络的分类和应用2.计算机网络的应用数据通信基础知识信息一般是用数据来表示的，而表示信息的数据通常要把它转变为信号进行传递。信号是信息(或数据)的一种电磁编码，信号中包含了所要传递的信息，按其取值是否连续可分为模拟信号和数字信号。数据通讯基础理论1. 信号与通信模拟信号是指信号完全随连续信息的变化而变化的信号。 数字信号是指表示信息的变量是离散的，时间的取值也是离散的信号两者可以相互转化 模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号 数据通信基础知识数据通讯基础理论1. 信号与通信a)模拟信号 b)数字信号数据通信基础知识数据通讯基础理

13、论1. 信号与通信通信的任务是将表示信息的信号从发送方（信源）传递到接收方（信宿）。模拟通信通常是利用模拟信号来传递信息而数字通信则是利用数字信号来传递信息数据通信基础知识数据通讯基础理论1. 信号与通信2.模拟通信信源调制器信道解调器信宿噪声源图8.4 模拟通信系统模型 数据通信基础知识数据通讯基础理论调制器是用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备。解调器是实现上述过程逆变换的设备。信道是用来传输表示信息的电信号的介质或通路。它可以是双绞线、同轴电缆、光缆、微波以及卫星链路等。模拟通信系统中的噪声源包括了影响该系统的所有噪声，如工业噪声、信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等。数据通信基

14、础知识数据通讯基础理论2.模拟通信3. 数字通信信 源信源编码器信道编码器调 制 器信 道解 调 器信道译码器信源译码器信 宿噪声源发送端时钟接收端时钟图8.5 数字通信系统模型数据通信基础知识数据通讯基础理论信源编码器对模拟信号进行采样、量化及编码，将其变换为数字信号。主要作用：实现数/模转换；降低信号的误码率。信源译码是信源编码的逆过程数据通信基础知识数据通讯基础理论3. 数字通信信道编码：为了能够自动地检测出错误或纠正错误，所采用检错编码或纠错编码；信道译码是信道编码的逆变换 时钟同步：为了保证接收端正确接收数字信号，接收端的接收时钟必须与发送端的发送时钟保持同步 数据通信基础知识数据通

15、讯基础理论3. 数字通信4. 数字通信系统的主要特点可实现高质量的远距离通信抗干扰能力强能适应各种通信业务能实现高保密通信 通信设备的集成化和微型化数字通信的最大缺点是占用的频带宽 数据通信基础知识数据通讯基础理论数据通信基础知识传输介质双绞线同轴电缆光纤卫星通信微波1.双绞线双绞线(Twisted Pair，TP) 由两条相互绝缘的铜导线组成双绞线的技术和标准都是比较成熟的，价格也比较低廉，而且双绞线电缆的安装也相对容易。双绞线电缆的最大缺点是对电磁干扰比较敏感；不能支持非常高速的数据传输。数据通信基础知识传输介质2.同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable，CC)中的材料是共轴的，同轴

16、之名由此而来。外导体是一个由金属丝编织而成的圆形空管，内导体是圆形的金属芯线。内外导体之间填充着绝缘介质。内芯线和外导体一般都采用铜质材料 数据通信基础知识传输介质数据通信基础知识传输介质2.同轴电缆同轴电缆的优点：寿命长、频带宽、质量稳定、外界干扰小、可靠性高、维护便利、技术成熟，其费用介于双绞线与光纤之间数据通信基础知识传输介质2.同轴电缆3. 光纤用光脉冲的出现表示“1”，不出现表示”0”。光纤传输系统可以使用的带宽范围极大。光纤通信的优点：频带宽、传输容量大、重量轻、尺寸小、不受电磁干扰和静电干扰、无串音干扰、保密性强、原料丰富、生产成本低。数据通信基础知识传输介质数据通信基础知识传输

17、介质3. 光纤4.无线介质无线介质是指信号通过空气传输，不能被约束在一个物理导体内。实际上就是无线传输系统，主要包括无线电、微波和卫星通信等优点：传播距离很远，容易穿过建筑物，全方向传播数据通信基础知识传输介质数据通信基础知识传输介质4.无线介质计算机网络体系结构网络体系结构(Network Architecture)是人们对于网络功能的描述，这些功能的实现要通过具体的硬件和软件来完成。 网络协议(Protocol)是指在网络中的结点在进行数据交换时应满足的一些规则、约定与标准。一个网络协议由以下三要素组成：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

18、的响应；时序：对事件实现顺序的详细说明。 OSI开放系统互连参考模型分层是一种结构化技术，系统可以从逻辑上看成是一些连续层次的组合，每一层都包裹住下面的层次，把它们和上面的层次隔离起来。分层的基本想法是每一层都在它的下层提供的服务基础上提供更高级的增值服务，而最高层提供能运行分布式应用程序的服务 分层的作用 把复杂问题分解开 保持层次之间的独立性 计算机网络体系结构1.分层的原理层数据单位主机A主机B传输层传输层传输层协议TPDU会话层会话层会话层协议SPDU表示层表示层表示层协议PPDU应用层应用层应用层协议APDU网络层网络层网络层协议报文物理层物理层物理层协议比特456731接口接口接口

19、接口接口接口2数据连路层数据连路层协议帧数据连路层OSI 模型的网络体系结构OSI开放系统互连参考模型计算机网络体系结构2OSI七层功能概述 应用层。是OSI体系结构的最高层。直接为端用户服务，提供分布式处理环境。应用层管理开放系统的互连，包括系统的启动、维持和终止，并保持应用进程间建立连接所需的数据记录。 表示层。处理通信信号的表示方法，进行不同格式之间的转换，并负责数据的压缩、解密与恢复等。 会话层。负责两个会话进程之间的通信，即两个会话层实体之间的信息交换和管理数据的交换。OSI开放系统互连参考模型计算机网络体系结构 传输层。在其低层服务的基础上提供一种可靠的端到端的服务。会话实体利用这

20、种透明的数据传输服务使数据传输能高效地进行而不必考虑下层通信网络的工作细节。 网络层。把上层来的数据组织成分组在通信子网的结点之间交换传送。交换过程中要解决路径选择、防止网络中出现局部的拥挤或全面阻塞的情形。OSI开放系统互连参考模型计算机网络体系结构2OSI七层功能概述 数据链路层。在两主机之间建立、维持和释放数据链路，向物理层传输数据信号。并对信号进行处理，使之无差错地传输。物理层。物理层规定通信设备的机械、电气、功能和过程的特性，用以建立、维持和释放数据链路实体间的连接。以便透明的传送比特流。OSI开放系统互连参考模型计算机网络体系结构2OSI七层功能概述 TCP/IP参考模型应用层传输

21、层互连网层网络接口层TCP/IP参考模型计算机网络体系结构网络接口层 (Network interface layer)是TCP/IP模型的最低层，负责接收从IP层交来的IP数据报并将IP数据报通过低层物理网络发送出去，或者从低层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。TCP/IP参考模型计算机网络体系结构互联网层(Internet layer) 负责相邻结点之间的数据传送。主要功能包括三个方面:处理来自传输层的分组发送请求：将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往目的结点的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。处理输入数据报：首先检查数据报的合法性，然后进行路由选择，假如该数据报已

22、到达目的结点(本机)，则去掉报头，将IP报文的数据部分交给相应的传输层协议；假如该数据报尚未到达目的结点，则转发该数据报。处理ICMP报文：即处理网络的路由选择、流量控制和拥塞控制等问题。TCP/IP网络模型的互联网层在功能上非常类似于OSI参考模型中的网络层。TCP/IP参考模型计算机网络体系结构传输层 (Transport layer) 在源结点和目的结点的两个进程实体之间提供可靠的端到端的数据传输。TCP/IP模型提供两个传输层协议：传输控制协议TCP，TCP协议是一个可靠的面向连接的传输层协议，它将某结点的数据以字节流形式无差错投递到互联网的任何一台机器上。用户数据报协议UDP是一个不

23、可靠的、无连接的传输层协议，UDP协议将可靠性问题交给应用程序解决。TCP/IP参考模型计算机网络体系结构TELNETTFTPSMTPWWWTCPUDPIP以太网FDDIX.25ATM应用层传输层互连网层网络接口层图8.11 TCP/IP 模型各层使用的协议TCP/IP参考模型计算机网络体系结构应用层 (Application layer)：包括所有的高层协议。如远程登录协议(Telnet)、文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)、简单邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol，SMTP)、域名服务(Domain Name Servi

24、ce，DNS)；网络新闻组(Network News Transfer Protocol，NNTP)和超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)等。TCP/IP参考模型计算机网络体系结构TCP/IP与ISO/OSI 在ISO/OSI参考模型中，有3个基本概念：服务、接口和协议。TCP/IP模型并不十分清晰地区分服务、接口和协议这些概念。ISO/OSI参考模型是在其协议被开发之前设计出来的。更具有通用性。但在协议实现方面存在某些不足。而TCP/IP模型先有协议，模型只是现有协议的描述，因而协议与模型非常吻合。计算机网络体系结构TCP/IP与ISO/OSI

25、 具体差异反映在：两种模型的层数不同，ISO/OSI模型有7层，而TCP/IP模型只有4层。在使用方面有很大区别，ISO/OSI模型的网络层提供面向连接和无连接两种服务，而传输层只提供面向连接服务。TCP/IP模型在网络层只提供无连接服务，但在传输层却提供两种服务。 计算机网络体系结构Internet及其应用Internet是一个由各种不同类型和规模的独立运行和管理的计算机网络互连起来的全球范围的计算机网络。采用的基本协议是TCP/IP协议，虽然Internet的管理结构是松散的，但连入Internet的计算机必须遵守TCP/IP协议。从网络设计者的角度考虑，Internet是一个计算机互联网络；从Internet使用者的角度考虑，Internet是一个信息资源网络 Internet及其应用 Internet中主机的每一个连接都必须有授权单位分配的全球都能接收和识别的唯一标识，即IP地址