计算机网络1.ppt

1、计算机网络,主讲：李慧 Email：zjhz_,课程简介 课程安排 考核方式： 平时（考勤、作业、实验）+考试,第1章 计算机网络基础,本章主要内容： * 计算机网络的定义 * 计算机网络的发展 * 计算机网络的组成 * 计算机网络的体系结构 * 计算机网络的应用 * 计算机网络的分类,1.1 计算机网络的定义,“网络”通常是指为了达到某种目标而以某种方式联系或组合在一起的对象或物体的集合。 如：交通系统、供水或供电系统、邮政系统 计算机网络是指将地理位置不同且功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。,1.2 计算机网络的发展,

2、四个发展阶段 计算机网络初级阶段 计算机网络形成阶段 标准或开放的计算机网络阶段 高速、智能化的计算机网络阶段,1.初级阶段,主要特点:单主机多终端 远程联机系统: “终端-通信线路-计算机”的模式,被称为第一代计算机网络.,2.形成阶段,主要特点：以通信子网为中心，多主机多终端,ARPAnet,ARPAnet首先实现了以资源共享为目的不同计算机互连的网络 。,ARPAnet标志着计算机网络的发展进入了第 二代。,3标准、开放的计算机网络阶段,1984年ISO颁布了“开放系统互连基本参考模型”，这个模型通常被称作OSI参考模型 。,OSI参考模型的提出，标志着计算机网络的 发展步入了成熟阶段。

3、,4高速、智能的计算机网络阶段,网络带宽不断提高 多媒体应用在计算机网络中所占的份额越来越高 网络的可靠性、安全性和可用性得到提高 网络管理也逐渐进入了智能化阶段,上述计算机网络发展的个阶段划分并不是绝对的，各阶段之间也不可能完全分开。,1.3 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， 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。,按功能划分：资源子网和通信子网,资源子网,资源子网的功能：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。 资源子网的组成：主要由主机

4、、终端以及相应的I/O设备、各种软件资源和数据资源构成,通信子网,通信子网的功能：为资源子网提供传输、交换数据信息的能力 通信子网的组成：主要由通信控制处理机、通信链路及其他设备如调制解调器等,1.4 计算机网络的体系结构,计算机网络体系结构的形成,为了降低协议设计的复杂性，提高灵活性，大多数网络都按层（layer）的方式来组织，从而进行处理。,在所有的网络中，每一层的目的都是向它的上层提供一定的服务，而把如何实现这一服务的细节对上层加以屏蔽。,计算机网络的分层特点,分层的优点： 1）各层之间是独立的； 2）灵活性好； 3）结构上可分割； 4）易于实现和维护； 5）能促进标准化工作。 分层的缺

5、点：有些功能会在不同的层次中重复出现，产生额外开销。,几个重要的术语,实体(entity)：实体指每一层中的活动元素。实体可以是软件实体，也可以是硬件实体。 对等(peer to peer)实体：不同机器上位于同一层次、完成相同功能的实体。 协议(protocol)：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 协议由语法、语义和语序三大要素构成： （1）语义：规定协议元素的类型（“讲什么”） （2）语法：确定协议元素的格式（“如何讲”） （3）规则：确定通信过程中的状态变化（“答应关系”）,几个重要的术语,服务： 在网络分层结构模型中，每一层为相邻的上一层所提供的功能称为服务。包含两种不同形式的服

6、务：面向连接服务、无连接服务。 接口（服务访问点SAP）： 定义下层向其相邻的上层提供的服务及原语操作 。 服务访问点SAP：在同一系统中相邻两层的实体进行交换信息的地方。,计算机网络的分层模型,关于网络分层模型的一个类比,接口，对等实体，协议 ，实际路线,服务、接口、协议的说明,服务定义该层作些什么，而不管上面的层如何访问它或该层如何工作。服务定义了两层间的接口，上层是服务用户，下层是服务提供者。 协议是一组规则，定义同层对等实体之间交换的帧，分组和报文的格式及意义。 某一层的接口告诉上面的进程如何访问它，定义的是需要什么参数以及预期结果是什么样。(与该层如何工作无关) 只要不改变提供给上一

7、层的服务，协议可以改变。,计算机网络体系结构,我们将计算机网络系统中的层、各层中的协议以及层次之间接口的集合称为计算机网络体系结构 。网络体系结构实质上是一种网络功能层次化结构模型。 说明： 不同的网络体系结构中，分层的数量， 各层的名称、内容以及提供的服务有所不同,1.4.1 OSI参考模型,OSI参考模型 OSI/RM ：The Reference Model of Open System Interconnection 是一个定义连接异种计算机的标准体系结构 所谓开放是指任何计算机系统只要遵守这一国际标准，就能同其他位于世界上任何地方的、也遵守该标准的计算机系统进行通信。,ISO/OSI

8、七层模型,各层功能简介,1、物理层： 提供两结点间比特流的传送； 解决好包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声等在内的一系列问题,给出关于物理接口的机械、电气、功能和规程特性 2、数据链路层：确保结点-结点间帧（frame）的正确传送； 在数据传输过程中提供了确认、差错控制和流量控制等机制,3、网络层: 确保源、目的主机间分组(packet)的正确传输； 网络层必须使用寻址方案 路由选择 提供拥塞控制机制 解决异构网络互连,4、传输层：负责端到端节点间数据传输和控制功能的层 (Segment)； 承上启下的层 传输层为了向会话层提供可靠的端到端传输服务 使用了差错

9、控制和流量控制等机制 数据分段,5、会话层：实现进程间通信的组织与同步 ； 包括：会话连接的建立、维持和中止； 提供同步服务。,6、表示层：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（为应用层提供对报文数据的表示、格式、处理等方面的服务）； 包括： 代码转换、数据压缩/解压、 加密/解密等 7、应用层：由若干的应用组成。网络通过应用层 为用户提供网络服务。 说明： 应用层不是应用程序,OSI模型中的数据传输过程,OSI模型中，同等实体间所传输的数据称为协议数据单元PDU (Protocel Data Unit) 小结： 1、从底层到高层各层名称不同； 2、各层有各层要解决的问题； 3、各层的

10、PDU 名称不同; 4、在实现功能的方法上：下三层大部分用硬件实现 高层基本通过软件实现,1.4.2 TCP/IP模型,TCP/IP参考模型也是层次结构，它是OSI模型的简化,TCP/IP 参考模型各层功能,应 用 层,运输 层,互联网层,子网层,包含所有的高层协议,提供可靠的端到端的数据通信,可以由不同的协议组成，来完成与网络的连接,使主机可以把分组发往目的主机,子网层的功能,负责接收从互联网层交来的IP数据报并将IP数据报通过底层物理网络发送出去，或从底层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给互联网层。,互联网层的功能,负责将源主机的分组发送到目的主机上 1、处理来自运输层的分组发送请

11、求 组装 路由选择 2、处理接收到的数据 转发 或者 接收 3、处理互联的路径、流量控制与拥塞问题,运输层的功能,在源结点和目的结点的两个对等实体间提供可靠的端到端的数据通信 运输层协议提供了确认、差错控制和流量控制等机制 运输层还要提供不同应用程序的标识,应用层的功能,涉及为用户提供网络应用 应用层要处理高层协议、数据表达等任务。,各层主要协议,IP协议 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一 。与 IP 协议配套使用的还有四个协议： 地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol) 逆地址解析协议 RARP (Reverse Address Resol

12、ution Protocol) 因特网控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) 因特网组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol),网际协议 IP 及其配套协议,各种应用层协议,网络接口层,(TELNET, FTP, SMTP 等),物理硬件,运输层,TCP, UDP,应用层,ICMP,IP,RARP,ARP,与各种网络接口,网际层,IGMP,主机名,端口号,IP地址,MAC地址,不同的层使用不同的名字,传输控制协议 TCP（Transport Control Protocol）,TCP 以

13、虚电路的方式提供应用程序或进程之间端到端的通信 TCP具有以下特性: 面向连接(connection-oriented) 可靠(reliable) 在源端将上层的数据流划分成分段（segments）的形式。 在目的端将分段（segments）重新整合成数据流 重传机制 流控制,用户数据报协议 DUP（User Datagram Protocol）,UDP在主机之间提供不可靠的数据传输。 UDP的特性: 面向无连接connectionless 不提供对数据的检测 (不可靠unreliable) 以用户数据报形式传送信息，在目标端不需要重组数据。 不提供确认与流量控制 使用UDP协议的数据传输依赖

14、应用层提供可靠性检测。 UDP 不存在数据的分段或重组。,TCP常用于一次传输要交换大量报文的情形（如文件传输、远程登录等）. UDP 用于传送一次性数据较小的应用（如请求回应模式的DNS等），或对可靠性要求不高的实时语音视频传送。,典型的应用层协议的功能和作用,DNS：实现域名和IP地址之间的相互转换 SNMP：提供了一种监控和管理计算机网络的有效方法 HTTP：用来在浏览器和WWW服务器之间传送超文本的协议 SMTP：一个用于实现电子邮件传输的应用协议。 FTP：建立在TCP协议上，用于实现文件传输的协议 TFTP：建立在UDP协议之上用于提供小而简单的文件传输服务 Telnet：实现远程

15、登录服务,应用层协议的三种类型,依赖于面向连接的TCP协议，包括： 远程登录协议Telnet 简单邮件传输协议SMTP 文件传送协议FTP 超文本传送协议HTTP 依赖于面向无连接的UDP协议，包括： 简单网络管理协议SNMP 普通文件传送协议TFTP 既依赖于TCP协议，又依赖于UDP协议，包括： 域名系统DNS,1.4.3 OSI模型和TCP/IP模型的区别,相似之处 ： 两者都均采用了层次结构 两者都有网络层、运输层和应用层，但具体的功能有所不同，并不是严格意义上的对应。,不同之处,OSI参考模型有七层，TCP/IP模型有四层； TCP/IP模型没有专门的表示层和会话层，并将OSI参考模

16、型的数据链路层和物理层包括到一个网络接口层中； OSI参考模型在网络层和运输层都支持无连接和面向连接的两种服务；TCP/IP模型在互联网层只支持无连接的一种服务，而在运输层则支持连接和无连接两种服务； OSI参考模型仅作为概念上的模型被广泛使用，而TCP/IP模型则已经成为网络互连的事实标准。,1.5 网络硬件,在组建局域网时，无论采用哪种技术，都要涉及局域网组件的选择。局域网组网设备种类很多，下面主要介绍服务器和工作站、网卡、中继器、集线器、网桥、交换机、路由器和网关。,服务器和工作站,局域网中的计算机根据功能和作用的不同被分为两大类：一类是服务器，主要为其他计算机提供服务；另一类是工作站或

17、客户机，主要是使用服务器所提供的服务。 服务器是网络的服务中心，通常由高档计算机承担。 工作站的功能通常比服务器弱，相应地对其在性能和配置上也就没那么高的要求。,网卡,网络适配器（简称网卡）可由不同的厂家生产。目前使用较多的是以太网类型的网卡。网卡用于实现计算机和传输介质之间的物理连接。 选购网卡时需考虑以下因素： 网络类型 传输速率 总线类型 网卡支持的电缆接口 价格与品牌,中继器,中继器又称转发器，主要作用是连接两个或多个网络段，对信号进行整形放大后按原方向传递。 中继器实现网络在物理层上的连接，不仅起到扩展传输距离的作用，还能将不同传输介质的网络连接在一起，但对高层协议是透明的。,集线器

18、,集线器又称集中器，是一种特殊的中继器，主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时还具有组网、指示和隔离故障点等功能。 在选择集线器时应考虑接口类型、接口速度和是否可堆叠这三个因素。,网桥,网桥又称桥接器，可以实现两个或多个局域网互连。网桥除了具有信号放大和整形的功能外，还具有缓冲、过滤和格式变换等功能。 网桥是工作在数据链路层的一种存储转发设备，高层协议对它来说是透明的，它不能连接两个高层协议不同的网络。,交换机,交换机由网桥发展而来，是一种多端口的网桥，也是工作在数据链路层的网络互连设备。它具备了网桥所拥有的全部功能，但也存在一些区别 。 在选择交换机时，应考虑背

19、板带宽、端口速率和端口数、是否带网管功能、是否支持模块化、是否支持VLAN等因素。,路由器,路由器用来连接两个以上复杂网络的，具有路由选择及协议转换的，并可以进行有条件异种网络互连的，工作在网络层的网络互连设备，是一个软件和硬件的综合系统。,网关,网关又称协议转换器，是连接两个协议差别很大的计算机网络时使用的设备。它可以将具有不同体系结构的计算机网络连接在一起。 网关工作在会话层、表示层和应用层，所以它比路由器和网桥更为复杂，除了具有路由器的全部功能外，还能为互连网络的双方提供高层协议的转换服务。 网关互连网络时工作效率比较低，而且透明性不好，往往用于针对某种特殊用途的专用连接，而不是在不同网

20、络之间一般性的通信连接。,常用网络接入设备 （1）网卡（网络适配器）：是计算机连网的必备设备。 （2）调制解调器（Modem）：利用它通过电话线和互联网相连。 （3）集线器（Hub）：是局域网中计算机和服务器的连接设备。一个Hub有多个端口。 （4）交换机（Switch）：功能于集线器相似，但比集线器强，还可以连接两个局域网络段。,网络设备,网络互连设备通常分成如下4种： （1）中继器：在物理层上透明地复制二进制位，以补偿信号的衰减。它不与更高层次的协议交互作用。 （2）网桥：在不同或相同类型的局域网之间存储并转发帧，必要时进行链路层上的协议转换。可连接两个或多个网络，在其中传送信息包。 （3

21、）路由器：工作在网络层，在不同的网络间存储并转发分组，根据信息包的地址将信息包发送到目的地，必要时进行网络层上的协议转换。 （4）网关（协议转换器）：指对高层协议（包括传输层及更高层次）进行转换的网间连接器。,有关互连设备处在OSI七层模型的位置及它们的用途如图所示。,1.6 计算机网络的功能,计算机网络的功能 数据通信数据通信是计算机网络的最基本功能。 资源共享 计算机网络的主要目的是资源共享。计算机网络中的资源有数据资源、软件资源、硬件资源三类，网络中的用户可以使用其中的所有资源。 均衡负荷与分布处理 提高可靠性,1.7 计算机网络的应用,计算机网络的应用 办公自动化 电子数据交换 远程教

22、育 电子银行 证券及期货交易 企业网络 娱乐和在线游戏,Internet形成与发展,Internet起源于美国的ARPA网络。 1983年，ARPA正式将TCP/IP通信协议作为网际互联的标准协议，从而奠定了现在Internet的基础。 1985年，美国国家科学基金会（NSF）筹建了5个超级计算中心，1986年又建立了基于IP协议的计算机通信网络NSFnet，并向全社会开放。 NSFnet后来接管了ARPAAnet，并将网络改名为Internet。到了1990年，ARPAAnet正式宣布关闭。 目前，Internet逐步发展成信息高速公路的基础和标准。,Internet服务简述,使用Inter

23、net就是使用Internet所提供的各种服务。 这些服务包括WWW服务、电子邮件、文件传输、远程登录、新闻组等，全球用户可以通过Internet提供的这些服务，获取Internet上提供的信息和功能。,1.8 计算机网络的分类,常见计算机网络分类的方法 按通信所使用的介质分为有线网络和无线网络 按使用网络的对象分为公众网络和专用网络 按网络传输速度的高低将计算机网络分为低速网络和高速网络 按地理覆盖范围，将网络划分为广域网、城域网和局域网 按拓扑结构进行分类。,1.8.1 网络拓扑结构,拓扑的概念 所谓“拓扑”就是把实体抽象成与其大小、形状无关的“点”，而把连接实体的线路抽象成“线”，进而以

24、图的形式来表示这些点与线之间关系的方法，其目的在于研究这些点、线之间的相连关系。表示点和线之间关系的图被称为拓扑结构图 网络拓扑结构: 计算机网络中，我们把计算机、终端、通信处理机等设备抽象成点，把连接这些设备的通信线路抽象成线，并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。,1.8.2 常见的网络拓扑结构,总线型,星 型,环 型,树 型,网状型,1、总线型,特点：总线型网络是将各个结点设备和 一根总线相连。 说明：广播式通信方式 优点： 结构简单、易于扩充 缺点： 线路出现故障时，整个网络瘫痪,2、星型,特点： 优点： 缺点：,每个结点都由一条单独的通信线路与中 心结点连接。 任何两点之间的

25、通信都要通过中心结点。,结构简单、实现容易、便于管理,1、可靠性较差 2、投资较大,3、环型,特点： 优点： 缺点：,各结点通过通信线路组成闭合环路， 环中的数据沿一个方向传输。,结构简单、实现容易,1、扩充不如总线型容易 2、可靠性差（环中任何一个结点出现 故障都会导致全网瘫痪）,4、树 型,特点：树型网络拓扑是星型网络拓扑的扩展,5、网状型,特点： 优点： 缺点：,系统可靠性高,结构复杂，花费高,结点间的连接是任意的，没有规律，网络的任一结点一般至少有两条链路与其它结点相连。,关于网络拓扑结构的说明,1、局域网的基本拓扑结构：总线型 星型 环型 2、广域网的网络基本形式：网状拓扑 3、网络

26、拓扑是决定网络性能的主要因素,1.8.3局域网、城域网和广域网,最为常见的一种计算机网络分类方法 原因：地理覆盖范围的不同直接影响网络技术的实现与选择 局域网 (LAN：local area network) 局域网的覆盖范围大约是几公里以内，如一幢大楼内或一个校园内。局域网通常为使用单位所有。学校的实验室或中、小型公司的网络通常都属于局域网。,城域网（MAN: metropolitan area network） 城域网的覆盖范围大约是几公里到几十公里，它主要是满足城市、郊区的联网需求。例如，将某个城市中所有中小学互连起来所构成的网络就可以称为教育城域网。,广域网（WAN:wide area

27、 network） 广域网的覆盖范围一般是几十公里到几千公里以上，它能够在很大的范围内实现资源共享和信息传递。大家所熟悉的Internet，就是广域网中最典型的例子。,个人区域网(PAN) 局域网(LAN) 校园网(CAN) 城域网(MAN) 广域网(WAN) 全球网(GAN),1.9 网络传输介质,传输介质泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，特指用来连接各个通信处理设备的物理介质。 传输介质的可靠性是信息能够正确、快速传递的前提。 分类： 有线介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等 无线介质，如微波、红外线、激光等,1. 同轴电缆,分为50同轴电缆和75同轴电缆两种： 1）50又称基带同

28、轴电缆，仅用于数字信号传输 2）75又称宽带同轴电缆，可以传输模拟和数字两种信号,特点：价格通常介于双绞线与光纤之间，抗电磁干扰能力比双绞线强，安装较双绞线复杂。在目前最新的布线标准中已不再推荐使用。,2. 双绞线,双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号 双绞线：两根相互绝缘的导体以螺旋形式相互缠 绕而成，线芯是铜线或镀铜钢线。将两根导线缠绕一起，可以使它们发射和接收的电磁干扰相互抵消。 双绞线按是否有屏蔽层分为： 1）屏蔽双绞线（STP） 2）非屏蔽双绞线（UTP）,非屏蔽双绞线（UTP） 特性：最大传输距离=100 m 传输速率 10M100M 信号衰减大、抗干扰性较差、价格低,屏蔽双绞线（STP） 特性：抗干扰性比UTP强 价格UTP 传输距离UTP,UTP可以分为六类：,l类：主要用于电话连接，通常不用于数据传输。 2类：通常用在程控交换机和告警系统。 3类：又称为声音级电缆，是一类广泛安装的双绞线。3类UTP的阻抗为100欧姆，最高带宽为16MHz，适合于10Mbps双绞线以太网和4Mbps令牌环网的安装，也能运行16Mbps的令牌环网。 4类：最大带宽为20MHz，其它特性与3类UTP完全一样，能更稳定的运行16Mbps令牌环网。 5类：又称为数据级电缆，质量最好。它的带宽