计算机网络原理.ppt

1、1,计算机网络原理,2,课程内容,计算机网络概述 数据通信基础 网络体系结构 计算机局域网络 TCP/IP协议 网络管理与安全,3,教材,Computer Networks() Andrew S. Tanenbaum 计算机网络实用教程 清华大学出版社 王利 张玉祥 杨良怀编著 计算机网络应用教程 机械工业出版社 王洪 贾卓生 唐宏编著 计算机网络 清华大学出版社 潘爱民译,4,第一章 计算机网络基础,1.1 计算机网络的发展和定义 1.2 计算机网络的功能 1.3 计算机网络的组成 1.4 计算机网络的类型 1.5 分布式计算机系统 1.6 计算机网络的结构 1.7计算机网络技术发展趋势,5

2、,1.1 计算机网络的发展和定义,网络发展的两大重要因素： 计算机技术的发展 单功能、多功能、集中处理器、分散处理器、知识处理器 通信技术的发展 模拟传输、数字传输、数字传输网 交换技术 集成电路的发展,6,1.1 计算机网络的发展和定义,60年代：美国国防部高级研究计划局的 ARPA网 IBM公司的SNA网络 DEC公司的DNA网络 法国的TRANSPAC 加拿大的DATAPAC 局域网的出现 70年代末80年代初：ISO 的OSI模型 局域网的发展（以太网、令牌环网） 80年代末90年代初：Internet 目前各种网络技术ISDN,ADSL,ATM等和分布式计算机系统,7,1.1 计算机

3、网络的发展和定义,网络发展的四个阶段： 面向终端的系统 计算机计算机网络 开放式标准化阶段 网络互连与高速网络,8,1.1 计算机网络的发展和定义,1.面向终端的系统：以单个计算机为中心的远程联机系统 所谓联机系统，即以一台中央主计算机连接大量在地理上处于分散位置的终端。所谓终端通常指一台计算机的外部设备，包括显示器和键盘，无中央处理器（CPU，Central Processing Unit）和内存。 随着连接的终端数增加，为了减轻中心计算机的负担，在通信线路和中心计算机之间设置了一个前端处理机FEP（Front End Processor）或通信控制器CCU（Communication Co

4、ntrol Unit），专门负责与终端之间的通信控制，出现了数据处理与通信控制的分工，以便更好地发挥中心计算机的处理能力。如图所示的远程联机系统 。,9,10,1.1 计算机网络的发展和定义,2.计算机计算机网络：计算机相互独立、 平等、地理位置上分散,20世纪60年代中期开始，出现了若干个计算机互连系统，开创了计算机计算机通信的时代。随后各大计算机公司都陆续推出了自己的网络体系结构，以及实现这些网络体系结构的软件硬件产品。 但这些网络也存在不少弊端，主要问题是各厂家提供的网络产品实现互连十分困难。这种自成体系的系统称为“封闭”系统。因此，人们迫切希望建立一系列的国际标准，渴望得到一个“开放”

5、系统，这正是推动计算机网络走向国际标准化的一个重要因素。,11,12,3. 标准化网络 20世纪70年代中期，计算机网络开始向体系结构标准化的方向迈进，即正式步入网络标准化时代。 20世纪80年代,随着微机的广泛使用,局域网获得了迅速发展。美国电气与电子工程师协会（IEEE）为了适应微机、个人计算机（PC）以及局域网发展的需要,于1980年2月在旧金山成立了IEEE802局域网络标准委员会,并制定了一系列局域网络标准。在此期间,各种 局域网大量涌现。 OSI模型和 TCP/IP模型 这一阶段典型的标准化网络结构如图所示，通信子网的交换设备主要是路由器和交换机。,13,OSI模型：国际标准 In

6、ternet：基于TCP/IP的，事实上的工业标准,14,4. 网络互连与高速网络 进入20世纪90年代，随着计算机网络技术的迅猛发展，特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施NII（NII，National Information Infrastructure）后，全世界许多国家纷纷制定和建立本国的NII，从而极大的推动了计算机网络技术的发展。使计算机网络进入一个崭新的阶段，这就是计算机网络互连与高速网络阶段。 目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。网络互联和高速计算机网络就成为第四代计算机网络，如图所示。,

7、15,16,计算机网络的定义： 将独立自主的、地理上分散的计算机系统，通过通信设备和通信线路互连起来，并在完善的网络软件控制下实现资源共享和信息传输。,注意： 独立自主的、地理上分散 完善的网络软件 资源共享和信息传输,17,1.2 计算机网络的功能,资源共享 数据通信,18,1.2 计算机网络的功能,数据通信 这是计算机网络最基本的功能，也是实现其他功能的基础。数据通信功能包含以下几项具体内容： 连接的建立和拆除 数据传输控制 差错检测 流量控制 路由选择 多路复用,19,1.2 计算机网络的功能,资源共享 计算机网络中的资源可分为数据、软件、硬件三类。相应地，资源共享也分为以下三类： 数据

8、共享 软件共享（软件包、多用户软件） 硬件共享（磁盘、打印机、通信设备） 负荷均衡和分布处理 负荷均衡 分布处理,20,1.2 计算机网络的功能,提高系统的安全可靠性 计算机通过网络中的冗余部件可大大提高可靠性，例如在工作过程中，一台机器除了故障，可以使用网中的另一台机器；网中一条通信线路出了故障，可以取道另一条线路，从而提高了网络整体系统的可靠性。,21,1.2 计算机网络的功能,新型的应用：视频会议、视频点播、电子商务、网上购物 提高用户应用的可靠性 协同处理复杂的问题 资源调剂 突破地域限制 新的数据通信,22,1.3 计算机网络的组成,计算机网络组成：硬件和软件 网络的硬件组成：服务器

9、、工作站、网卡、MODEM、中继器、集线器、网桥、路由器、交换机、通信介质等 网络的软件组成：网络OS（网络适配器驱动程序、协议等）、网络数据库、应用程序等,23,一般而论，计算机网络有三个主要组成部分：若干个主机，它们各为用户提供服务；一个通信子网，它主要由结点交换机和连接这些结点的通信链路所组成；一系列的协议。 为了便于分析，按照数据通信和数据处理的功能，一般从逻辑上将网络分为通信子网和资源子网两个部分。如图所示。,计算机网络功能组成：通信子网和资源子网,24,计算机网络功能组成：通信子网和资源子网,25,计算机网络功能组成：通信子网和资源子网,1通信子网 通信子网由通信控制处理机（CCP

10、）、通信线路与其他通信设备组成，负责完成网络数据传输、转发等通信处理任务。 通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络结点。它一方面作为与资源子网的主机、终端连结的接口，将主机和终端连入网内；另一方面它又作为通信子网中的分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能，实现将源主机报文准确发送到目的主机的作用。目前通信控制处理机一般为路由器和交换机。 通信线路为通信控制处理机与通信控制处理机、通信控制处理机与主机之间提供通信信道。,26,2资源子网 资源子网主要包括实现网络资源共享的计算机与终端。资源子网实现全网的面向应用的数据处理和网络资源共享，它由各种硬件和软件组成。 主机Host。

11、它是资源子网的主体，装有本地操作系统、网络操作系统、数据库、用户应用系统等软件。 终端设备。它是用户与网络之间的接口，用户通过网络终端取得网络服务。 网络操作系统。它是建立在各主机操作系统之上的一个操作系统，用于实现不同主机之间的用户通信。 网络数据库。它是建立在网络操作系统之上的一种数据库系统。 应用系统。它是建立在上述部件基础的具体应用，以实现用户的需求。,27,主机操作系统、网络操作系统、网络数据库系统之间的关系,28,1.4 计算机网络的类型,按数据传输和交换系统的所有权分： 专用网 公共网（ CHINAPAC，CHINADDN，CHINAGBN，CERNET ）,按交换方式分： 电路

12、交换 存储转发交换,按网络的覆盖范围（作用范围）分： 局域网（LAN:Local Area Network） 广域网（WAN:Wide Area Network ） 城域网（MAN:Metropolitan Area Network ）,29,LAN、WAN、MAN的对比,30,1.4 计算机网络的类型,按网络控制方式分类 1. 集中式计算机网络 这种网络的处理和控制功能都高度集中在一个或少数几个结点上，所有的信息流都必须经过这些结点之一。因此，这些结点是网络的处理和控制中心，其余的大多数结点则只有较少的处理和控制功能。 2. 分布式计算机网络 在这种网络中，不存在一个处理和控制中心，网络中任

13、一结点都至少和另外两个结点相连接，信息从一个结点到达另一结点时，可能有多条路径。,31,计算机网络的类型,按通信传输方式分类 1点到点传播型网 网络中的每两台主机、两台结点交换机之间或主机与结点交换机之间都存在一条物理信道。 2广播型网 所有主机共享一条信道，某主机发出的数据，其他主机都能收到。,32,计算机网络的类型,按网络配置分类 同类网 同类网，也称对等网络（Peer-to-peer Network）。 单服务器网 混合网,33,计算机网络的类型,按网络传输信息采用的物理信道来分类，可划分为有线网络和无线网络。 按通信速率的不同来分类，可划分为低速网络（数据传输速率在1.5Mbps以下网

14、络系统）、中速网络（数据传输速率在50Mbps以下的网络系统）、高速网络（数据传输速率在50Mbps以上的网络系统）。,34,计算机网络的类型,按传输的信号分类，可分为数字网和模拟网。 按采用的网络操作系统分类，可分为Novell网、Windows NT网、Windows 2000 Server网、Unix网、Linux网等。,35,1.5 分布式计算机系统,分布式系统和计算机网络的不同点： 分布式系统是耦合程度更高的计算机网络。 分布式系统是有目的的进行系统组织的 分布式的操作系统：统一管理全系统的资源 分布式的数据库：数据分散存储 分布式的的程序设计：作业的分解及相互之间的通信,分布式系统

15、是计算机网络发展的高级阶段、数据处理对用户来说更加透明,分布式系统和计算机网络的相同点： 拓扑结构、通信协议、通信控制,36,网格,1998年，Ian Foster和Carl Kesselman首次对网格（the Grid）进行定义 ：网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能则更多更强，让人们透明地使用计算、存储等其他资源。,37,1.6 计算机网络的结构,计算机网络三大结构： 功能结构：通信子网和资源子网 拓扑结构：

16、总线、星形、树形等 体系结构：OSI七层参考模型,38,功能结构：通信子网和资源子网,通信子网：C 通信控制处理器 完成数据的传输 资源子网：H 主机 提供网络所需的资源,39,拓扑结构,研究拓扑结构的目的： 利用数学来解决网络的问题 系统的响应时间 系统的可靠性 系统的成本,计算机网络拓扑的概念： 将计算机映射为点，将通信线路映射为线，这样就将网络映射为了有点和线构成的几何图形。,40,拓扑结构：,研究拓扑结构的目的： 利用数学来解决网络的问题 主要是研究网络点的分布、线路的走向、流量、容量、速率、延迟、可靠性等。,计算机网络拓扑的概念： 将计算机映射为点，将通信线路映射为线，这样就将网络映

17、射为了有点和线构成的几何图形。,设计网络拓扑结构经常考虑的问题： 系统的响应时间、系统的可靠性、系统的成本,41,网络拓扑结构,一、基本概念： 拓扑：由图论演变，研究与大小、形状无关的点、线、面特性的方法。 结点：访问结点：提供资源 转接结点：支持网络连接 链路：承载信息流的信道，物理的以及逻辑的 通路：路径，由多个链路组成 跳跃：信息从一个结点到另一个结点就是一跳,42,拓扑结构：常见拓扑结构,43,环型结构的特点： 大大简化了路径选择的控制。 可靠性高。 结点过多时，网络响应时间长。 网络确定时，其延时固定，实时性强。,总线型结构的特点： 结构简单灵活，便于扩充。 信道利用率高。 传输速率

18、高。 可靠性不高。 产生冲突问题。,44,树型结构的特点,结构简单，成本低。 每个链路都支持双向传输。 结点扩充方便灵活。 除叶结点及其相连的链路外，任何一个结点或链路产生的故障都会影响整个网络。,45,46,拓扑结构：常见拓扑结构,47,星型结构的特点： 网络结构简单，便于管理。 控制简单，建网容易。 网络延迟时间较短，误码率较低。 网络共享能力较差。 通信线路利用率不高。 中央结点负荷太重。 网络可靠性低。,48,计算网络的体系结构,计算机网络的体系结构： 逻辑上的包括硬件软件在内的网络的架构、组成、及其相应的服务以及实现服务的原则和方法,计算机体系结构： 计算机的硬件、软件组成的逻辑结构

19、。 例如： 冯诺依曼结构,网络体系结构：层次协议,49,为了对体系结构与协议有一个初步了解，我们先分析一下实际生活中的邮政系统,邮政系统分层模型,50,网络的体系结构,1. 层次结构 人类思维能力不是无限的，如果同时面临的因素太多，就不可能做出精确的思维。处理复杂问题的一个有效方法，就是用抽象和层次的方式去构造和分析。 同样，对于计算机网络这类复杂的大系统，亦可如此。如图所示，可将一个计算机网络抽象为若干层。其中，第n层是由分布在不同系统中的处于第n层的子系统构成。,51,网络的体系结构,52,网络的体系结构,2. 网络协议 网络协议是指在计算机网络中，各计算机之间或计算机与终端之间在有关信息

20、传输顺序、信息格式和信息内容等方面的一组约定或规则。,53,网络的体系结构,计算机网络的层次及其协议的集合，即网络的体系结构。具体而言是关于计算机网络应设置哪几层，每层应提供哪些功能的精确定义。至于这些功能应如何实现，则不属于网络体系结构部分,54,网络系统结构参考模型ISO/OSI,标准化国际组织 ANSI：美国国家标准协会（American National Standard Institute） ITU：国际电信联盟（International Telecommunication Union） EIA：电子工业协会（Electronic Industries Association） I

21、EEE：电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers） ISO：国际标准化组织（International Standard Organization）,55,开放系统互连参考模型,国际标准化组织信息处理系统技术委员会（ISO TC97）于1978年为开放系统互连建立了分委员会SC16,并于1980 年12月发表了第一个开放系统互连参考模型（OSI/RM：Open Syterms Interconnection/Reference Model）的建议书,1983年它被正式批准为国际标准，即著名的IS0 7498国际标准

22、。通常人们也将它称为OSI参考模型，并记为OSI/RM，有时简称为 OSI。我国相应的国家标准是GB 9398。,56,OSI的七层体系结构,OSI参考模型的体系结构如图所示，由低层至高层分别称为物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。,57,58,1.7 计算机网络技术发展趋势,计算机网络并不是计算机和通信系统的简单结合，也不是计算机或通信系统的简单扩展或延伸，而是融合了信息采集、存储、传输、处理和利用等一切先进信息技术，是具有新功能的新系统。因此，对于现代计算机网络的研究和分析，应该特别强调“计算机网络是系统”的观点，站在更高的高度来重新认识计算机网络结构、性能及网络工

23、程技术和网络实际应用中的重要问题，便于把握计算机网络的发展趋势。,59,计算机网络技术发展趋势,计算机网络的支撑技术 从系统的观点看，计算机网络是由单个结点和连结这些结点的链路所组成。 单个结点（主机、交换机、路由器等），这些设备的物理组成主要是集成电路，而集成电路的一个重要支撑就是微电子技术。 网络的另一个组成部分就是通信链路，负责所有结点间的通信，通信链路的一个重要支撑就是光电子技术。,60,1.7 计算机网络技术发展趋势,微电子技术的发展是信息产业发展的基础，也是驱动信息革命的基础。其发展速度是惊人的，可用摩尔定理来预测，微电子芯片的计算功能每18个月提高一倍。这一发展趋势到2010年趋

24、于成熟，那时芯片最多可包含1010个元件，理论上的物理极限是每个芯片可包含1011个元件。对于典型的传统逻辑电路，每个芯片可包含的元件数少于108到109个。每个芯片的实际元件数可能因经济上的限制而低于物理上的极限值。,61,计算机网络技术发展趋势,自1980年以来，微处理器的速度一直以每5年10倍的速度增长。PC的处理能力在2000年达103MIPS（Million Instructions Per Second） ，预测在2011可达105MIPS。 Metcalfe定理用于预测网络性能的增长，该定理预测网络性能的增长是连到网上PC的能力的平方。这表示网络带宽的增长率是每年3倍。不久的将来

25、会出现每秒1015位的网络频宽需求。,62,计算机网络技术发展趋势,光电子技术是一个较为庞大的领域，可应用于信息处理的各个环节，在信息传输中的光电子技术光纤通信。 光纤传输在过去10年间，该性能每年翻一番，这种增长速度可望持续10到15年。 第一代光纤传输使用0.8m波长的激光器，传输速率可达280Mbps。第二代使用1.3m波长的激光器和单模光纤，传输速率可达560Mbps。第三代使用单频1.5m波长的激光器和单模光纤。目前使用的第四代采用光放大器，数据传输率可达10G20Gbps。,63,计算机网络技术发展趋势,计算机网络的关键技术 计算机网络架构的发展方向将是IP技术+光网络，光网络将会

26、演进为全光网络。 从网络的服务层面上看将是一个IP的世界；从传送层面上看将是一个光的世界；从接入层面上看将是一个有线和无线多元化的世界。 为此，目前比较关键的技术主要有软交换技术、IPv6技术、光交换与智能光网络技术、宽带接入技术、3G以上的移动通信系统技术等。,64,计算机网络技术发展趋势,软交换技术 为了把服务控制功能和网络资源控制功能与传送功能完全分开，需要应用软交换技术。根据新的网络功能模型分层，计算机网络将分为接入与传输层，媒体层，控制层，业务应用层（也叫网络服务层）四层，从而可对各种功能作不同程度的集成。,65,1.7 计算机网络技术发展趋势,IPv6技术 未来的计算机网络是基于IPv6技术的网络。现有的IP