第2章 计算机网络基础.ppt

1、第二章 计算机网络基础 武汉大学卫星导航定位技术研究中心 唐 健,本章内容,2.1 计算机网络的形成与发展 2.2 计算机网络的基本概念与功能 2.3 计算机网络的组成与分类 2.4 无线网络技术 2.5 网络安全与技术,2.1 计算机网络的形成与发展,计算机网络是网络GIS的支撑平台。 计算机网络(Computer Network)是计算机技术和通信技术日益发展和紧密结合的产物。 从某种意义上讲，计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家的计算机科学和通信技术的发展水平，而且已经成为衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。,计算机网络的形成与发展,一种新技术的出现一般需要具备两个条件：强烈的社会需

2、求与先期技术的成熟。计算机网络的形成与发展也具备这两个条件。 1946年世界上第一台电子数字计算机在美国诞生时，计算机技术与通信技术之间并没有太多直接的联系。 直至20世纪50年代初，由于美国军方的需要，美国半自动地面防空系统在计算机技术与通信技术的结合上进行了尝试并取得了成功。自此，各种组织结构利用计算机来管理信息的速度和要求迅速加快和加强。 早期由于技术条件的限制，当时的计算机都非常庞大和昂贵；主机是用来共享的，主要用于存储和组织数据、集中控制和管理整个系统 。 早期的集中式计算机网络 最典型的特征是：通过主机系统形成大部分的通信流程，构成系统的所有通信协议都是系统专有的，大型主机在系统中

3、占据着绝对的支配作用，所有控制和管理功能都由主机来完成。,计算机网络的形成与发展,随着计算机技术的不断发展，尤其是大量功能先进的PC问世，使得个人可以使用独立的计算机来完成希望的任务处理 。 以PC 这种独立计算平台和高性能服务器、工作站、无线移动设备构成的计算机网络基础上，产生了许多各异的网络计算模式。,计算机网络的发展阶段,从体系结构上将计算机网络的发展与演化大致归纳为四个阶段。 第一阶段：以主机为中心的连机终端系统。 特点 ： 单台或多台终端系统连接在一台主机上，共享主机的资源(包括主机的软件和硬件资源)。 计算任务、数据管理和主机与终端之间的通信均由主机承担，而终端是作为用户和主机之间

4、交互的设备存在的。,主机负载太重，线路利用率低。,50年代 计算机-终端,多机系统,计算机网络的发展阶段,第二阶段：以通信子网为中心的主机互连。 最初的结构以多主机为中心的网络，网络结构从“主机-终端”转变为“主机-主机”(HOST-HOST)形式。 随着技术的不断发展，主机-主机结构的网络也经过了一系列的演进过程。这种演进的第一个阶段是将通信功能从主机中分离出来，由通信控制处理机专门处理主机与主机之间的通信任务。,其特点是将通信功能从主机中剥离后，减轻主机负担，同时为两层结构的计算机网络的形成奠定了基础。,第二阶段：以通信子网为中心的主机互连,演进的第二个阶段逐渐形成了两层结构的计算机网络，

5、由通信控制处理机连接起来构成的网络，主要为主机提供信息传输服务，称为通信子网。而建立在通信子网基础上的主机集合，主要提供计算资源，称为资源子网。,Internet 的前身Arpanet 是主机-主机结构的典型代表。,60年代末 计算机-计算机,典型代表ARPA网,最早来源于美国国防部高级研究计划局DARPA( Defense advanced Research Projects Agency)的前身ARPA建立的ARPAnet，该网于1969年投入使用。从60年代开始，ARPA就开始向美国国内大学的计算机系和一些私人有限公司提供经费，以促进基于分组交换技术的计算机网络的研究。最初，ARPAne

6、t主要用于军事研究目的。 1970年的ARPANET已初具雏形，并且开始向非军用部门开放，许多大学和商业部门开始接入。但是它只有四台主机联网运行 。1972年，ARPAnet在首届计算机后台通信国际会议上首次与公众见面 ； 1983年，ARPAnet分裂为两部分：ARPAnet和纯军事用的MILNET。1983年1月，ARPA把TCP/IP协议作为ARPAnet的标准协议，其后，人们称呼这个以ARPAnet为主干网的网际互联网为Internet。,70年代中期 局域网,80年代局域网迅速发展,90年代网络互连，Internet崛起,计算机网络的发展阶段,第三阶段：开放式标准化网络。 不同网络设

7、备之间的兼容性和互操作是推动网络体系结构标准化的原动力。在解决计算机连网与网络互连标准化问题的背景下，提出了开放系统互连参考模型与协议，促进了符合国际标准的计算机网络技术的发展。,OSI七层模型,物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。 数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。 传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分

8、段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。 会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。 表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。 应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。,计算机网络协议的标准化进程,许多网络是使用不同的硬件和软件的异构网络，使得大部分网络不能兼容，不能进行通信。因此建立网络的标准是非常必要的。 为此一些大的计算机公司在纷纷开展网络与产品研发工作的

9、同时，提出了各种网络体系结构与网络协议标准。例如，IBM公司的系统网络架构(System Network Architecture，SNA)、DEC公司的数字网络结构(Digital Network Architecture，DNA) 等。 在Internet中目前广泛使用的TCP/IP是在ARPAnet的体系结构基础上发展起来的。 在二十世纪七十年代后期，研究者发现了在计算机网络发展中存在的问题，即，各种网络体系结构和协议标准的不统一，将会使计算机网络的发展和应用受到很大限制。因此，计算机网络体系结构与协议必须走标准化的道路。,计算机网络协议的标准化进程,二十世纪八十年代初期，网络体系结构与

10、协议标准化的研究取得了重大进展。国际标准化组织(International Organization for Sstandardization，ISO)在1983年制定出了开放系统互连参考模型，简称OSI(Open Systems Interconnection) ； 二十世纪八十年代，PC之间资源共享需求的增加促使局域网技术得到快速发展，而随着局域网的广泛使用和各种局域网产品的增加，局域网的标准化愈加显得重要。国际电工电气委员会(IEEE)下设的802委员会在局域网的标准制定方面付出了艰辛努力，制定了IEEE802系列标准，有时也被称为局域网参考模型。 基于交互的网络体系结构框架模型 ，继承

11、传统计算机网络体系结构，同时又吸收软件体系结构 ，将是计算机网络体系结构的重要发展趋势。,通讯协议,通信协议（communications protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义，连接方式，信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。,协议三要素： 语义：“讲什么”，数据内容、含义以及控制信息。 语法：“如何讲”，数据的格式、编码和信号等级（电平的高低）。 定时规则：明确通信的顺序、速率匹配和排序。,TCP/IP协议模型,面向连接的TCP,“面向连接”就是在正式通信前必须要与对方建立起连

12、接。比如你给别人打电话，必须等线路接通了、对方拿起话筒才能相互通话。,运输连接的建立有三个阶段：连接建立、数据传送、连接释放；,面向非连接的UDP协议,UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是与TCP相对应的协议。它是面向非连接的协议，它不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去！ 发短信、 QQ,TCP/UDP通讯比较,自定义协议,语义、语法、时间规则 /短报文： 编码,经度,纬度,速度,方向,状态,时间 A123,128,27,30,180,1,2012-11-11 12:00:00,NEMA 0183协议美国国家海洋电子协会,$GPGGA,121252.000,

13、3937.3032,N,11611.6046,E,1,05,2.0,45.9,M,-5.7,M,0000*77,3、Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息 $GPGGA,M,M,*hh UTC时间，hhmmss（时分秒）格式 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输） 纬度半球N（北半球）或S（南半球） 经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输） 经度半球E（东经）或W（西经） GPS状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算 正在使用解算位置的卫星数量（0012）（前面的0也将被传输） HD

14、OP水平精度因子（0.599.9） 海拔高度（-9999.999999.9） 地球椭球面相对大地水准面的高度 差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空） 差分站ID号00001023（前面的0也将被传输，如果不是差分定位将为空）,Internet介绍,ARPA网,Internet,60年代末,90年代初,主要协议：TCP/IP,40多万个网络 近2000万台计算机 1亿多个用户,中国的公用网络,中国公用计算机互连网CHINANET,中国科学技术计算机网CSTNET,国家公用经济信息通信网GBNET,中国教育和科研计算机网络CERNET,计算机网络的发展阶段,第四阶段

15、：宽带综合业务数字网。随着计算机技术和信息技术的进一步发展，计算机网络向综合化、高速化和智能化方向发展，并获得广泛应用。目前计算机网络的发展正处于这个阶段。,计算机网络基础,2.1 计算机网络的形成与发展 2.2 计算机网络的基本概念与功能 2.3 计算机网络的组成与分类 2.4 无线网络技术,2.2 计算机网络的基本概念与功能,在计算机网络的不同发展阶段，人们提出了不同的定义。这些定义也正反应了当时的网络技术发展的水平以及人们对网络的认识程度。 主要是从广义的观点、资源共享的观点和用户透明性的观点三个方面来对计算机网络进行定义的。 基于资源共享观点的定义能够比较准确地表述计算机网络的基本特征

16、。 广义的观点更侧重于对计算机通信网络的描述 用户透明性的观点则更多地是描述分布式计算机系统。,计算机网络的概念,根据资源共享观点对计算机网络进行定义是当前广泛采用的一种比较容易理解和为人所接受的方式。相关的定义如： 以能够相互共享资源的方式互连起来的计算机系统的集合。 将若干台计算机通过传输介质物理连接，并通过网络软件相互连系到一起而实现资源共享的计算机系统。 利用各种通信手段，例如电话、微波通信等，把地理上分散的计算机有机地结合在一起实现相互通信且共享软件、硬件和数据等资源的系统。 将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件实现资源共享的系

17、统。,计算机网络的概念,资源共享的观点所定义的计算机网络具有以下共同点： (1)计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享，其中共享的资源包括软件、硬件和数据资源。 (2) 互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”。 (3) 连网的计算机之间的通信必须遵循共同的通信规则协议。,计算机网络与分布式计算机系统的区别,共同点： 在计算机硬件连接、系统拓扑结构和通信控制等方面基本一样，都具有通信和资源共享的功能。 区别： 分布式计算机系统是在分布式计算机操作系统支持下进行的并行计算和分布式数据处理。计算机网络系统是在网络操作系统支持下，实现互连的计算机之间的资源共享。 分布式系统是一

18、个构建于网络之上的软件系统。这样，计算机网络和分布式系统之间的区别主要在软件(尤其是操作系统)方面，而不是硬件。,给你发E-mail,打印文件mail,共享资源,实现数据传输,分布式数据处理,我的东西 丢失了！,提高可靠性,没关系！,计算机网络的功能,数据通信 资源共享 共享的主要资源有：硬件、软件和数据。 提高系统的可靠性和可用性 对于一个非网络系统来说，单个部件或计算机的暂时失效必须通过替换设备才能维持整个系统的继续运行。而在计算机网络系统中，由于各种资源分布存放，有些资源互为备份，这样可以避免因单点的暂时失效而影响用户。 促进分布式数据处理和分布式数据库的发展 单个系统的处理能力是有限的

19、，而自治计算机之间的互连使它们之间实现分布式协同计算成为可能，从而为分布式数据处理和分布式数据库的发展奠定了必要的硬件基础。,计算机网络基础,2.1 计算机网络的形成与发展 2.2 计算机网络的基本概念与功能 2.3 计算机网络的组成与分类 2.4 无线网络技术,计算机网络的组成及分类,计算机网络的组成概括为以下几个部分：计算机、操作系统、传输介质(可以是有形的，也可以是无形的，如无线网络的传输介质就是无形的无线电波)以及相应的应用软件。 计算机是网络中被连接的对象； 传输介质则用于将分布在不同地理位置的计算机连接起来构成网络； 操作系统和相应的软件则是计算机网络的通信规则和规程的具体实现。,

20、计算机网络的组成,实现网络设备之间的连接的硬件设备： 中继器(Repeater) ，提供对信号的放大和转发，它只能连接具有相同物理协议的局域网，中继器主要用于扩充局域网电缆段的距离。,实现网络设备之间的连接的硬件设备,集线器(Hub)。用于连接计算机组和具有复杂拓扑的局域网。是计算机网络中连接多个计算机或其他设备的连接设备 ，是对网络进行集中管理的重要工具 。,实现网络设备之间的连接的硬件设备,交换机(Switch)。为网络用户组提供比Hub更优秀的性能。交换机建立一个工作站和服务器间的私有连接(或者一个到服务器的高速骨干连接)。,实现网络设备之间的连接的硬件设备,路由器(Router)。使用

21、在广域网中，它工作在网络层，把网络数据报文传送到正确的传送设备。路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。路由器的基本功能：网络互连 、数据处理 、网络管理 。 网桥(Bridge)。是在数据链路层实现局域网互连的存储转发设备，它独立于高层协议，可以实现异构型局域网的互连。网桥的功能在延长网络跨度上类似于中继器，然而它能提供智能化连接服务。,内置式,外置式,PC卡式,数字信号,模拟信号,数字信号与模拟信号转换,电话网,网络硬件-传输介质,双绞线,同轴电缆,光纤,卫星通信,微波,网络操作系

22、统,网络通信软件,网络协议软件,网络软件,TCP/IP,IPX,NETWARE,Windows NT,IP地址与域名,连接到Internet上的每台计算机拥有的唯一的地址。,IP格式,nnn.nnn.nnn.nnn,4段，取值0255,IP地址,IP地址与域名,为方便记忆而为计算机进行命名。,202.112.144.65,域名与主机名,国家域,领域,机构域,主机名,域名,IP地址,计算机网络的分类,按分布距离 局域网，这是最常见、应用最广的一种网络，是在局部地区范围内的网络，它所覆盖的地区范围较小。局域网在网络所覆盖的地理距离上可以从几米至10千米以内。 指在某一区域内由多台计算机互联成的计算

23、机组。它一般用于短距离的计算机之间数据、信息的传递，属于一个部门或一个单位组建的小范围网络，其成本低、应用广、组网方便、使用灵活 。 如：学校、医院、机关、工厂,按分布距离分类,城域网，是在一个城市、但不在同一地理小区范围内的计算机互连而成的网络。这种网络的连接距离可以在10-100千米。 广域网，也称为远程网，所覆盖的范围比MAN更广，它一般是在不同城市之间的LAN或者MAN互连而成，地理范围可从几百千米到几千千米。 Internet，无论从地理范围，还是从网络规模来讲，目前它都是世界上最大的一种网络。,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

24、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。,计算机网络的分类,按交换方式 电路交换，在数据传输之前设置一条连通的物理通路。 报文交换，报文交换方式的数据传输单位是报文。报文是站点一次性要发送的完整数据块，其长度不限且可变。 分组交换，分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限。有限长度的分组降低了每个节点的存储能力，分组可以存储到内存中，以提高交换速度。,计算机网络的分类,按拓扑结构分类 拓扑结构是指网络中计算机的连接方式，它影响着网络

25、的设计、功能、可靠性以及通信费用等方面。 总线型网络 ：总线型网络采用一个公共信道作为传输媒体，所有节点都通过相应的硬件接口直接连到公共传输媒体上，任何一个节点计算机发送的信号都沿传输媒体传播，且能被其他节点计算机接收。 其优点是所需线缆少、成本低、易于扩充、结构简单、可靠性较高。缺点是采用竞争总线方式传输，易产生争用总线的冲突，在节点多、负荷重的情况下，传输效率很低；,按拓扑结构分类,星型网络:星型结构的网络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节点组成，采用集中式控制策略，节点间的通信都要通过中央节点并由其控制。 优点是结构和控制简单、便于管理；故障诊断和隔离容易，单个节点发生

26、故障不会影响全网；中央节点对各个节点的服务方便，对全网的重新配置也方便。缺点是所需线缆长、成本高；可靠性依赖于中央节点，若中央节点发生故障，则全网瘫痪。,按拓扑结构分类,环型网络:由节点和连接节点的链路组成的一个闭合环，每个节点能接收从一条链路传来的数据，并以同样的速度把该数据沿着环路送到另一端链路上。 优点是结构简单、所需线缆短、成本低；扩充方便、增减节点容易；可使用光纤，传输率高。缺点是可靠性差，一个节点发生故障可导致全网瘫痪；故障检测困难；,网状结构,按拓扑结构分类,计算机网络的分类,按服务性质 工作组网络，工作组网络通过连接有限数量的用户(通常25个或更少)来实现共享文件、打印设备和其

27、他计算机资源的目的。 部门级网络 ，部门级网络使用专门的服务器来为客户工作站提供资源 企业级网络，企业级网络用来连接多个部门级LAN。,计算机网络基础,2.1 计算机网络的形成与发展 2.2 计算机网络的基本概念与功能 2.3 计算机网络的组成与分类 2.4 无线网络技术 2.5 网络安全与技术,2.4 无线网络技术,无线组网技术是目前国际上较为先进的技术。无线网络利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供了可能。 无线网络的通信范围不受环境条件的限制，使得网络的传输范围得以拓宽，最长可达数十千米。 无线网络的分类 无线广域网(Wirele

28、ss Wide Area Network，WWAN)技术可使用户通过远程公共网络或专用网络建立无线网络连接。通过使用无线服务提供商所维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆盖广大的地理区域 。(2G系统：GSM、CDMA) 无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是一个灵活的数据通信系统，它能够取代或扩展有线局域网，以提供更多功能。利用RF技术，无需架设线缆，无线局域网就可以通过空气穿越墙壁、屋顶甚至水泥结构建筑物来发送和接收数据。它反映出网络基础设施不一定是实实在在的物理实体，不一定就是固定的、难以移动的（或移动成本很高），而是可以随用户一起移动，甚

29、至可以跟企业的变化速度一样快。,无线网络的分类,无线个人区域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)是为个人提供特殊无线通信的技术，它所涉及的设备有PDA、移动电话和便携式计算机等。目前两个主要的WPAN技术是蓝牙和红外光波。,无线局域网,无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)是移动计算网络的关键技术之一，它主要实现移动站中的物理层与链路层功能，为移动计算网络提供必要的物理接口。 无线局域网与有线局域网的主要区别 ： 移动性不同 ，有线局域网中每个地址对应于一台固定在某个位置的计算机设备，受到线缆的约束。在一个局部区域

30、内(例如大楼、校园)，无线局域网用户可以在任何地方实时地访问网络信息。 传输介质不同，无线局域网使用无线电波或光波来传输信号。 拓扑结构不同，无线局域网的拓扑结构是移动的，它不同于有线局域网的拓扑结构。 可靠性处理不同，为了方便无线局域网与TCP/IP协议的连接，无线局域网的逻辑链路层被设计成与其他有线网络的逻辑链路层相同。因此，无线网络的移动性被限制在介质访问（Media Access Control，MAC）层内，这就要求MAC层担负更多的可靠性处理任务。,无线局域网的组成,无线局域网由无线网络接口卡(Network Interface Card，NIC)、传输介质、无线接入点(Access Point，AP)、站点和有关设备组成，采用单元结构，将整个系统分成许多单元，每个单元称为一个基本服务组 （BSS）。 无线网络接口卡。又称为无线网络适配器，用于将PC或其他设备同无线网络连接起来。 接入点。又称为存取点。它就象是无线网络的一个无线基站，能将多个无线的接入站聚合到有线网络上，相当于有线网络中的互连设备。 站点。能接收和发送无线信号并共享无线局域网频段的设备。 传输介质。传输信号的媒体，如无线电波等。 基本服务组。 采用两种控制方式，集中控制方式：每个单元由一个中心站控制，网络中的终端在该中心站的控制下与其他终端通信