《计算机网络技术与应用》课件-第1章计算机网络的基本概念

第一章计算机网络的基本概念【学习目标】1．了解计算机网络的定义和网络资源共享、数据通信、分布式处理的功能。2．了解计算机网络在WWW服务、IP电话、电子商务方面的应用。3．了解计算机网络的组成，涉及资源子网和通信子网。4．了解计算机网络的拓扑结构和计算机网络分类。学习局域网、广域网和城域网的基本概念。5．了解计算机网络的发展历史和趋势。1.1计算机网络的定义与功能20世纪90年代以来，随着因特网的普及，计算机网络正在深刻地改变着人们的工作方式与生活方式。在政治、经济、文化、科学研究、教育、军事等各个领域，计算机网络获得越来越广泛的应用。目前，一个国家的计算机网络的建设水平，已成为衡量科技能力、社会信息化程度的重要标志。了解和掌握计算机网络技术已成为社会关注的一个热点。1.1.1计算机网络的定义在计算机网络发展的不同阶段，人们对计算机网络的理解和侧重点不同而提出了不同的定义。从目前计算机网络现状来看，以资源共享观点将计算机网络定义为：将相互独立的计算机系统以通信线路相连接，按照全网统一的网络协议进行数椐通信，从而实现网络资源共享的计算机系统的集合。以资源共享观点的定义中，重点强调了以下几个方面：1．计算机系统相互独立——从分布的地理位置来看，它们是独立的，既可以相距很近，也可以相隔千里。从数椐处理功能上来看，也是独立的，它们既可以连入网内工作，也可以脱离网络独立工作，而且联网工作时，也没有明确的主从关系，即网内的一台计算机不能强制性地控制另一台计算机。2．通信线路相连接——各计算机系统必须用传输介质实现互联，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤、微波、无线电等。3．全网采用统一的网络协议——全网中各计算机系统在通信过程中必须共同遵守“全网统一”的通信规则，即网络协议。4．资源共享——计算机网络中一台计算机的资源，包括硬件、软件和信息都可以提供给全网其他计算机系统共享。1.1.2计算机网络的主要功能以资源共享为目标组建起来的计算机网络，一般具有如下的功能1．资源共享计算机网络最主要的功能是实现了资源共享。从用户的角度来看，网中用户既可以使用本地计算机的资源，又可以使用远程计算机上的资源，这里说的资源包括网内计算机的硬件、软件和信息。计算机系统中有些资源是十分昂贵的，资源共享提高了设备的利用率。例如，用户通过远程作业提交的方式，可以共享大型机的CPU、存储器资源和共享的打印机、绘图仪等外部设备。还可以通过远程登录的方式，登录到该大型机上去使用大型软件包，如专用绘图软件等。为了提供全网的信息共享，可以在一台计算机上安装共享数据库，这种共享扩大了信息使用的范围。2．数据通信网络中的计算机与计算机之间交换各种数据和信息，并根据需要对这些信息进行分类或集中处理，这是计算机网络提供的最基本的功能。数据通信提供了信息快捷交流的手段，这在当今的信息化时代尤其显得重要。3．分布式处理利用计算机网络技术，在网络操作系统的调度和管理下，可以将一个大型复杂的计算问题分配给网络中的多台计算机，由这些计算机分工协作来完成。此时的网络就像是一个具有高性能的大中型计算机系统，能很好地完成复杂的处理，但费用却比大中型计算机低得多。4．提高系统的可靠性和可用性在网络中，通过对重要的软件、数据同时存储在网上的不同计算机中，可以避免由于机器损坏而造成资源的丢失。当一台计算机出现故障时，既可在网上的其他计算机中找到相关资源的副本，还可以调度另一台计算机来接替完成计算任务，很显然，比起单机系统来，整个系统的可靠性大为提高。另外，当一台计算机的工作任务过重时，可以将部分任务转交给其他计算机处理，实现整个网络各计算机负担比较均衡，从而提高了每台计算机的可用性。1.2计算机网络的应用随着因特网的日益普及，计算机网络已经在工业、农业、国防、科研、文化教育以及日常生活等各个领域得到广泛应用。电子邮件、WWW服务、文件传输、远程登陆、IP电话、网络娱乐、ICQ等都是人们熟悉的例子。另外虚拟现实、电子商务也正在迅速发展和成熟。下面对几个应用加以简单介绍。1.2.1WWW服务WWW是WorldWideWeb的简称，又称之为万维网。WWW服务，也简称为Web服务，是目前因特网上最受欢迎的服务。WWW中创造性地使用超文本（Hypertext）方式组织、查找和表示信息。这是一种完全不同于传统文件系统的组织结构，利用从一个站点到另一个站点的链接，WWW中的站点的连接关系是互交叉的。WWW服务友好的用户查询界面，强有力的搜索引擎，使得它在信息服务、广告、新闻、销售与电子商务等诸多领域获得广泛应用。WWW服务的出现是因特网发展中的一个革命性的里程碑。WWW服务采用客户机/服务器工作模式，客户端通过浏览器软件来访问服务器，目前有许多种浏览器软件，常用的有InternetExplorer、NetscapeNavigator等。 1.2.2IP电话IP电话是利用因特网实现远程通话的一种先进通信方式。它使得以市话价格打国际长途成为可能。IP电话与传统电话在实现技术上有很大的不同，前者的传输网络是因特网，后者则是公用电话交换网。它们的交换方式也是完全不同的，前者采用分组交换技术，语音信息按IP协议被分割成若干个分组，各个分组独立地在网中传送，因此通信信道占用时间短，而后者采用电路交换技术，通话时间内独占通信信道，因此占用时问长。正因为交换方式的特点，决定了IP电话的费用可以远低于传统电话。IP电话可以在PC机和PC机，PC机和普通电话，普通电话和普通电话之间进行通话。目前普通电话和普通电话之间的通话方式最受欢迎，它使得用户可以像操作传统电话一样操作IP电话。1.2.3电子商务电子商务起始于20世纪90年代中期。虽然它出现的时间短，但却是一个发展极其迅速的领域。目前，对电子商务的理解和定义尚未统一，因此对“电子商务”有着不同的定义。一种流行的看法是：电子商务是以计算机和通信网络为基础平台，实现在线商业交易活动的全过程。所谓通信网络包括因特网和企业专用网；所谓在线商业交易活动的全过程是指商务活动的各个环节，包括商务谈判、商品交易、资金支付等都在网络上进行。和传统商务相比，电子商务使得商务活动中信息处理和传递的速度明显加快，传播范围更宽，甚至可到达世界的任何地方，而商业成本却可以大大降低。电子商务的影响是多方面的。作为一种新型的商务模式，电子商务改变了商务活动和企业生产的方式，影响了人们的消费行为和观念。总之，电子商务对个人、企业、政府乃至整个社会都产生了重大的影响。1.3计算机网络的组成计算机网络要实现如前所述的功能，必须具有数据处理和数据通信两种能力。从这个前提出发，计算机网络可以从逻辑上被划分成两个子网：资源子网和通信子网，如图1—1所示。图1.1资源子网和通信子网1.3.1资源子网资源子网完成网络的数据处理功能。它包括主机和终端，各种联网的共享外部设备、软件和数据资源。1．主机——包括大型计算机、中型计算机、小型计算机和微型计算机，它是资源子网的主要组成单元。2．终端——包括只具备简单输入、输出功能的普通终端和具有一定存储、处理能力的智能终端。它是网络用户访问网络的界面。3．软件——包括本地系统软件、网络通信软件和用户应用程序。4．数据——包括公共数据库等。1.3.2通信子网通信子网完成网络的数据传输功能。通信子网由通信控制处理机（又称为网络结点）、通信链路及相关软件组成。1．通信控制处理机——它主要起到两个作用，一是“入网接口”，完成将主机和终端连接到网络上的功能；二是“数据转接”，完成在网络中将数据逐个结点地存储和转发，以实现数据从源结点正确传输到目的结点。通信控制处理机具体来说可以是集线器、路由器、网络协议转换器等。在通信子网中，通信控制处理机之间的信道连接方式可以有点一点信道和共享广播信道两种。2．通信链路——它完成实际传送比特流的功能。计算机网络中使用的通信链路常由双绞线、同轴电缆、光纤、无线电、微波等传输介质构成。1.4计算机网络的拓扑结构拓扑结构是决定通信网络性质的关键要素之一。“拓扑”一词来源于拓扑学。拓扑学是几何学的一个分支，它是把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将点一点之间的连接抽象成线段，进而研究它们之间的关系。计算机网络中也借用这种方法来描述结点之问的连接方式。具体来说，就将网络中的计算机和通信设备抽象成结点，将结点．结点之间的通信线路抽象成链路。这样一来，计算机网络被抽象成由一组结点和若干链路组成，这种由结点和链路组成的几何图形称之为计算机网络拓扑结构，或称网络结构。计算机网络拓扑结构是组建各种网络的基础。不同的网络拓扑结构涉及不同的网络技术，对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重要的影响。计算机网络中根据结点之间链路的连接方式不同可分为点一点链路和共享链路，因而网络拓扑结构也可以根据链路类型的不同而分为两类。1.4.1点一点链路的拓扑结构点一点链路的拓扑结构中，每条物理线路连接一对结点。没有直接链路的两结点之间必须经其他结点转发才能通信。点一点链路多应用在远距离传输上。点一点链路拓扑结构有3种基本结构：星型、树型、网状型，如图1．2（a）、（b）、（c）所示。（a）星型（b）树型（c）网状型（d）总线型（e）环型图1．星型拓扑的主要特点星型拓扑结构中的各结点通过点一点通信线路与中心结点连接。任何两结点之问的数据传输都要经过中心结点的控制和转发。中心结点控制全网的通信。星型拓扑结构简单，易于组建和管理。但中心结点的可靠性是至关重要的，它的故障可能造成整个网络瘫痪。以集线器为中心的局域网是一种最常见的星型网络拓扑结构。2．树型拓扑的主要特点树型拓扑结构可以看成是星型拓扑的扩展。树型拓扑结构中，结点具有层次。全网中有一个顶层的结点，其余结点按上、下层次进行连接，数据传输主要在上、下层结点之问进行，同层结点之间数据传输时要经上层转发。这种结构的优点是灵活性好，可以逐层次扩展网络，但缺点是管理复杂。目前，一个单位的局域网组建时多采用树型拓扑结构，以便于实现信息的汇集、转发和管理的要求。3．网状型拓扑的主要特点网状拓扑结构中两结点之间的连接是任意的，特别是任意两结点之间都连接专用链路则可构成全互联型。网状拓扑的主要优点是系统可靠性高，数据传输快，但是网状拓扑结构建网费用高昂，控制复杂，目前常用于广域网中，全互联可用在广域网的主要结点之间实现高速通信。1.4.2共享链路的拓扑结构共享链路的拓扑结构中，多个网络结点共享一个公共的链路。结点往往采用广播的方法来传输信息，因而这种拓扑结构又被称为广播网络拓扑结构。共享链路拓扑结构广泛应用于局域网中，它主要有4种基本结构：总线型、环型（如图1.2（d）、（e）所示）、无线通信型与卫星通信型。1．总线型拓扑的主要特点网络中所有结点连接到一条共享的传输介质上，所有结点都通过这条公用链路来发送和接收数据，因此，必须有一种控制方法（介质访问控制方法），使得任一时刻只允许一个结点使用链路发送数据，而其余的结点只能“收听”到该数据。目前，以太网即是一个典型的总线型拓扑结构的例子，采用的介质访问控制方法叫作载波监听多路访问／冲突检测（CSM～CD）控制机制。2．环型拓扑的主要特点环型拓扑结构中的结点通过点一点通信线路，首尾连接构成闭合环路。从点一点相连的构造方式，有时也被划分入点一点链路拓扑范畴。数据将沿环中的一个方向逐个结点传送，当一个结点使用链路发送数据时，其余的结点也能先后“收听”到该数据。这里也需要一种介质访问控制方法，使得任一时刻只允许一个结点发送。环型拓扑结构简单，传输延时确定，但环路的维护复杂。IBM令牌环网是典型的环型拓扑结构，介质访问控制方法是结点通过获取“令牌”来获得数据发送权。3．无线型拓扑的主要特点采用同一频率的无线电波作为公用链路，网络中的各结点均通过“广播”的方式发送数据。4．卫星通信型拓扑的主要特点网络中的卫星是所有数据的转发中心。当一个结点需要给另一结点发送数据时，发送结点将数据发送给卫星，由卫星再中转给接收结点。1.5计算机网络的分类对计算机网络进行分类时，根据其强调网络的特性不同，其分类方法是多种多样的，按覆盖的地域范围与规模可以被分为三类：局域网（LANLocalAreaNetwork）、城域网（MANMetropolitanAreaNetwork）与广域网（WANWideAreaNetwork）。1.5.1局域网局域网是目前网络技术发展最快的领域之一。至今人们还很难给局域网一个严格的定义。但大多数人认为，局域网是指在较小的地理范围内（一般不超过几十公里），将有限的通信设备互联起来的计算机网络。局域网的规模相对于城域网和广域网而言为小。常在公司、机关、学校、工厂等有限范围内，将本单位的计算机、终端以及其他的信息处理设备连接起来，以实现办公自动化、信息汇集与发布等功能。从功能的角度来看，局域网的服务用户个数有限，网络中传输速率高，误码率低，使用费用低，采用广播式或交换式通信。典型的三种局域网产品是以太网Ethernet、令牌总线网TokenBus、令牌环网TokenRing。1.5.2广域网广域网在地域上可以覆盖一个地区、一个国家、甚至横跨几个洲，因此也称为远程网。目前大家熟知的因特网就是一个横跨全球，可公共商用的广域网络。除此之外，许多大型企业以及跨国公司和组织也建立了属于内部使用的广域网络。广域网可以适应大容量、突发性的通信需求；提供综合业务服务；具备开放的设备接口与规范的协议以及完善的通信服务与网络管理。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，将分布在不同地区的局域网或计算机系统互联起来，达到资源共享的目的。广域网典型的代表有X.25网、帧中继网和B—ISDN网。1.5.3城域网城域网所覆盖的地域范围介于局域网和广域网之间，一般从几十公里到几百公里的范围。城域网是随着各单位大量局域网的建立而出现的。同一个城市内各个局域网之间需要交换的信息量越来越大，为了解决它们之间信息高速传输问题，提出了城域网的概念，并为此制定了城域网的标准。一个早期的城域网标准是光纤分布式资料接口（FDDI，FiberDistributedDataInterface），目前正转向采用光纤作为传输介质，基于IP交换的高速路由交换机或ATM交换机作为交换结点的方案。值得注意的是，计算机网络因其覆盖地域范围的不同，它们所采用的传输技术也是不同的，因而形成了各自不同的网络技术特点。除了上述常见的网络划分外，还有以下一些常见的分类方法：·根据链路采用的传输介质分为有线网络和无线网络。·根据网络的信道带宽分为窄带网、宽带网和超宽带网。·根据工作原理分为以太网、令牌环网、FDDI网、ATM网。·根据控制方式分为集中式网和分布式网。·根据使用范围分为公用网和专用网。·根据交换技术分为共享式网和交换式网。交换式网络又可分为线路交换网、分组交换网、信元交换网等。1.6计算机网络的发展计算机网络出现的历史不长，它的形成和发展大致可以分为4个阶段。第一代计算机网络第二代计算机网络第三代计算机网络第四代计算机网络1.6.1第一代计算机网络第一代计算机网络以面向终端为特征。这一阶段可以追溯到20世纪50年代。人们将多台终端通过通信线路连接到一台中央计算机上而构成“主机．终端”系统。这里的终端不具备自主处理数据的能力，仅仅完成简单的输入输出功能，所有数据处理和通信处理任务均由主机完成。根据资源共享观点对计算机网络的定义，主机一终端系统只能称得上是计算机网络的雏形，还算不上是真正的计算机网络，因为终端没有独立处理数据的能力。但这一阶段进行的计算机技术与通信技术相结合的研究，成为计算机网络发展的基础。1.6.2第二代计算机网络20世纪60年代，计算机的应用日趋普及，许多部门，如工业、商业机构都开始配置大、中型计算机系统。这些地理位置上分散的计算机之间很自然需要进行信息交换。这种信息交换的结果是多个计算机系统连接而成为一个计算机通信网络，被称之为第二代网络。其重要特征是通信在“计算机一计算机”之间进行，计算机各自具有独立处理数据的能力，并且不存在主从关系。计算机通信网络主要用于传输和交换信息，而资源共享程度不高。美国的ARPAnet就是第二代计算机网络的典型代表。ARPAnet为Internt的产生和发展奠定了基础。1.6.3第三代计算机网络20世纪70年代中期开始，许多计算机生产商纷纷开发出自己的计算机网络系统并形成各自不同的网络体系结构。例如IBM公司的系统网络体系结构SNA、DEC公司的数字网络体系结构DNA。这些网络体系结构有很大的差异，无法实现不同网络之间的互联，因此网络体系结构与网络协议的国际标准化成了迫切需要解决的问题。1977年国际标准化组织ISO（InternationalStandardsOrganization）提出了著名的开放系统互联参考模型OSI／RM，形成了一个计算机网络体系结构的国际标准。尽管因特网上使用的是TCP／IP协议，但OSI／RM对网络技术的发展产生了极其重要的影响。第三代计算机的特征是全网中所有的计算机遵守同一种协议，强调以实现资源共享（硬件、软件和数据）为目的。1.6.4第四代计算机网络从20世纪90年代开始，因特网实现了全球范围的电子邮件、WWW、文件传输、图像通信等数据服务的普及，但电话和电视仍各自使用独立的网络系统进行信息传输。人们希望利用同一网络来传输语音、数据和视频图像，因此提出了宽带综合业务数字网（B—ISDNBroadbandIntegratedServicesDigitalNetwork）的概念。这里宽带的意思是指网络具有极高的数据传输速率，可以承载大数据量的传输；综合是指信息媒体，包括语音、