第1章计算机网络概述课件.ppt

第1章 计算机网络概述1.1 计算机网络的形成与发展n计算机网络的发展大致分四个阶段 ：以单台计算机为中心的远程连机系统，构成面向终端的计算机网络；多个主机互连，各主机相互独立，无主从关系的计算机网络；具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化协议的计算机网络；网络互联与高速网络。1.1.1 面向终端的计算机网络图1-1 远程联机系统1.1.2 计算机计算机网络1.1.3 开放式标准化网络nISO制定并在1984年正式颁布了一个称为开放系统互连基本参考模型( Open System Interconnection Basic Reference Model, OSI/RM) 的国际标准ISO 7498 。 n另一个开放式标准化网络的著名例子就是因特网（Internet 也译为国际互联网）。它是在原ARPAnet 技术上经过改造而逐步发展起来的，它对任何计算机开放，只要遵循TCP/IP协议的标准并申请到IP地址，就可以通过信道接入Internet 。这里TCP和IP是Internet所采用的一套协议中最核心的两个，分别称传输控制协议，（Transmission Control Protocol,TCP）和网际协议或互联网协议( Internet Protocol ,IP)。它们虽然不是某个国际官方组织制定的标准，但由于被广泛采用，已成为事实上的国际标准。 1.1.4 网络计算的新时代n计算机的发展已进入了网络计算机的新时代，换句话说就是以网络为中心的时代。 n计算机网络向高速化发展。 n三网融合甚至多网融合是一个重要的发展方向n统一的IP网，即”IP over everying” 和“Everying on IP” 。n有人描述未来通信和网络的目标是实现5W的个人通信 。n未来的计算机网络结构处于核心的是能传输各种多媒体信息的高速宽带主干网，它外连许多汇聚点（Point Of Presence POP）。端用户（User）可以通过电话线、电视电缆、光缆、无线信道等不同的传输媒体进入由形形色色的技术组成的不同接入网（Access Network）,再由汇聚点集中后连入主干网。 1.2 计算机网络的概念1.2.1 计算机网络的定义n对计算机网络可做如下定义：将处于不同地理位置，并具有独立计算能力的计算机系统经过传输介质和通信设备相互连接，在网络操作系统和网络通信软件的控制下，实现资源共享的计算机的集合。 n从这段话中我们可以看到三重意思：首先，一个计算机网络中包含了多台具有自主功能的计算机，所谓具有自主功能是指这些计算机离开了网络也能独立运行与工作。其次，这些计算机之间是相互连接的（有机连接），所使用的通信手段可以形式各异，距离可远可近，连接所用的媒体可以是双绞线（如电话线），同轴电缆（如闭路有线电视所用的电缆）或光纤，甚至还可以是卫星或其他无线信道，信息在媒体上传输的方式和速率也可以不同；最后，计算机之所以要相互连接是为了进行信息交换，资源共享或协同工作。 从概念上说，计算机网络由通信子网和资源子网两部分构成，如图1-3所示,图1-3中通信子网（见图1-4）负责计算机间的数据通信，也就是信息的传输。 图1-3 计算机网络的构成节点 图1-4 通信子网n对计算机网络的概念，不同的书上有不同的定义，但不管怎样都离不开以下四个基本要素：n（1）两台以上的计算机n（2）连接计算机的线路和设备n（3）实现计算机之间通信的协议n（4）按协议制作的软件、硬件1.2.2 计算机网络的特点n计算机网络具有较强的数据通信能力，成本低、效益高，易于分布处理，系统灵活性高、适应性强，各计算机既相互联系，又相互独立。n据预测，今后计算机网络将具有以下几个特点：n 开放式的网络体系结构，使具有不同硬件环境、不同网络协议的网络可以互连，真正达到资源共享、数据通信和分布处理的目标。n 向高性能发展，追求高速、高可靠和高安全性，采用多媒体技术、提供文本、声音、图像等综合性服务。n 计算机网络的智能化，多方面提高网络的性能和综合的多功能服务，并更加合理地进行网络各种业务的管理，真正以分布和开放的形式向用户提供服务。1.2.3 计算机网络的功能和应用n1.计算机网络的功能n计算机网络的功能可归纳为资源共享，提供人际通信手段，提高可靠性，节省费用，便于扩充，分担负荷及协同处理等方面。这些方面的功能本身也是相辅相成的 .n2.计算机网络的应用n它在工业、农业、交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等领域获得越来越广泛的应用。 1.2.4 计算机网络的组成n计算机网络包括通信子网和资源子网。通信子网完成信息分组的传递工作，每个通信节点具有存储转发功能。资源子网包含所有由通信子网连接的主机，向网络提供各种类型的资源。通信子网和资源子网可分别建设。计算机网络系统由网络硬件和网络软件组成。1.网络硬件n网络硬件是指在计算机网络中所采用的物理设备，包括以下内容：（1）网络服务器提供网络资源。（2）工作站用户机。（3）网络设备：网卡（网络适配器）。集线器接线（HUB）。中继器放大信号。网桥两个局域网连接。路由器局域网与广域网的连接。（4）传输介质：如： 同轴电缆、双绞线、光缆、无线电、微波等。2.网络软件n协议和软件在网络通信中扮演了极为重要的角色。网络软件可大致分为网络系统软件和网络应用软件。n网络系统软件是控制和管理网络运行、提供网络通信和网络资源分配与共享功能的网络软件，它为用户提供了访问网络和操作网络的友好界面。n网络应用软件是指为某一个应用目的而开发的网络软件，它为用户提供一些实际的应用。1.3 计算机网络的分类n计算机网络的分类方法可以是多样的，其中最主要的两种方法是：按照网络所使用的传输技术（transmission technology）分类；按照网络的覆盖范围与规模（scale）分类。1.3.1 按传输技术划分n在通信技术中，通信信道的类型有两类：广播通信信道与点一点通信信道。在广播通信信道中，多个结点共享一个通信信道，一个结点广播信息，其它结点必须接受信息。而在点一点通信信道中，一条通信线路只能连接一对结点，如果两个结点之间没有直接连接的线路，那么它们只能通过中间结点转接。显然，网络要通过通信信道完成数据传输任务，因此网络所采用的传输技术也只能有两类，即广播（Broadcast）方式与点一点（Point-to-Point）方式。（1）广播式网络（Broadcast Networks）：如总线形网、环形网、微波卫星网等。（2）点一点式网络（Point-to-Point Networks）：如星形、树形、网形等。1.3.2 按分布距离划分n1.局域网 (LAN，Local Area Network)：n2.广域网 (WAN，Wide Area Network)：n3.城域网 (MAN，Metropolitan Area Network)：表1-1 计算机网络的主要特征参数网络分类缩写分布距离（大约）网络中的物理设备传输速率范围局域网LAN10m房间4Mb/s2Gb/s100m建筑物几千米校园城域网MAN10km城市50kb/s100Mb/s广域网WAN10-1000 km城市、国家和洲9.6kb/s45Mb/s1.3.3 其它几种分类方法1.按传输速率划分n低速网络：传输速率为几十至10Kbps。n中速网络：传输速率为几万至几十Mbps。n高速网络：传输速率为100M至几个 Gbps。n注：1K=1024 b 1M=1024 K 1G=1024 M。n2.按传输媒体划分n有线计算机网：传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤等。 n无线计算机网：传输介质有无线电波、微波、红外线、激光等。n3.按拓扑结构划分n网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构。可分为星型、总线型、环形、树型、网状结构。n3.按交换方式划分n电路交换网：如电话系统。n报文交换：如电报。n分组交换（信元交换）：如因特网、ATM网络。n5.按适用范围划分n公用网：如CHINAPAC。n专用网：如微软公司的内部网络。n6.按照在网络中所处的位置划分n接入网：用来把用户接入到因特网的网络，由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。 n传输网：如x.25，ATM等。1.4 计算机网络拓扑结构n计算机网络拓扑的定义n计算机网络设计的第一步就是要解决在给定计算机的位置及保证一定的网络响应时间、吞吐量和可靠性的条件下，通过选择适当的线路、线路容量、连接方式，使整个网络的结构合理，成本低廉。为了应付复杂的网络结构设计问题，人们引入了网络拓扑的概念。n计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。n网络的拓扑结构是抛开网络物理连接来讨论网络系统的连接形式，网络中各站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。拓扑结构图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，它的结构主要有星型结构、总线结构、树型结构、网状结构、环形结构等。 1.4.2 两类网络拓扑n网络拓扑可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：n1)点一点线路子网的拓扑(点对点式)。n2)广播信道子网的拓扑(多点式)。n在采用点一点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对结点。采用点一点线路的通信子网的基本拓扑构型有4种：星型 、环型、树型、网状型。n在采用广播信道的通信子网中，一个公共的通信信道被多个网络结点共享。采用广播信道通信子网的基本拓扑构型主要有4种：总线型、树型、环型、无线通信与卫星通信型。常见的几种网络拓扑特点n1.总线型拓扑n定义：总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位是平等的。 n特点：结构简单，可扩充性好，但维护难，分支节点故障查找难。n以太网是一种流行的公共总线网络。 2.星型拓扑n定义：星型拓扑是指所有的网络节点都通过传输介质与中心节点相连，采用集中控制，即任何两节点之间的通信都要通过中心节点进行转发。 n特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于建网；网络延迟时间较小，传输误差较低，但成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差。3.环型拓扑n定义：由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环。n特点：信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单；但可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。4.树型拓扑的主要特点n定义：是分级的集中控制式网络。树状型拓扑见图1-8。n特点：通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。 集线器 集线器 交换机 5.网状型拓扑n网状拓扑构型又称做无规则型。在网状拓扑构型中，结点之间的连接是任意的，没有规律的。网状型拓扑见图1-9。n特点：它的安装也很复杂，但系统可靠性高，容错能力强。 6.分布式结构n定义：是将分布在不同地点的计算机通过线路互连起来的一种网络形式。n特点：由于采用分散控制，即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操作，因而具有很高的可靠性，但连接线路电缆长，造价高；网络管理软件复杂；报文分组交换、路径选择、流向控制复杂；在一般局域网中不采用这种结构。1.5 几种典型的计算机网络结构类型n依信息处理的方式不同,计算机局域网的类型常见的主要有以下四种：集中处理的主机-终端机结构、对等网络系统结构和基于服务器的客户机服务器系统结构以及无盘工作站网络结构。1.5.1 集中处理的主机-终端机结构n从计算机的发展来看，在20世纪60年代后期曾形成了以一台主机为中心的多用户系统，这是一种集中式网络（centralized network）的主机-终端机系统结构。这种系统结构的特点是终端计算机只是简单的输入/输出设备，其本身不做任何处理，所有事务都由主机集中处理。1.5.2 对等网络结构n对等网络是非结构化的访问网络资源。网络中的所有设备可直接访问数据、软件和其他网络资源。换言之，每一台网络计算机与其他连网的计算机是对等（peer）的，它们没有层次的划分。1.5.3 客户机服务器网络结构n客户-服务器结构（简称C/S结构）是在专用服务器结构的基础上发展起来的。随着局域网的不断扩大和改进，在局域网的服务器中共享文件、共享设备的服务仅仅是典型应用中的一部分。技术的发展使得文件服务器也可以完成一部分处理工作。每当用户需要一个服务时，由工作站发出请求，然后由服务器执行相应的服务，并将服务的结果送回工作站，这时工作站已不再运行完整的程序，其身份也自然从工作站变化为客户机。这里的C/S结构是指将局域网中需要处理的工作任务分配给客户机和服务器端共同完成的。其实，客户机和服务器并没有一定的界限，必要时两者的角色可以交换，到底何为客户机？何为服务器？完全按照其所扮演的角色来确定。一般的定义是：提出服务请求的一方称为客户机，而提供服务的一方就是服务器。无盘工作站网络结构n无盘工作站顾名思义就是没有硬盘，软驱基于服务器网络的一种结构，无盘工作站利用网卡上的启动芯片与服务器连接，使用服务器的硬盘空间进行资源共享。n“无盘工作站网络”可以实现“客户机服务器网络”的所有功能，在它的工作站上，没有磁盘驱动器，但因为每台工作站都需要从“远程服务器”启动，所以对服务器、工作站以及网络组建的要求较高，因而成本并不比“客户机服务器网络”成本低多少，但它的稳定性，安全性一直为大众所看好，特别是被一些安全系数要求较高的企业所喜爱。1.6 计算机网络的性能1.6.1 计算机网络的性能指标n1. 速率n比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。n速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等。n速率往往是指额定速率或标称速率。 2. 带宽 n“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 n常用的带宽单位b/s (bit/s)，更常用的带宽单位是：千比每秒，即 kb/s （103 b/s），兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s），吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s），太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）。n请注意：在计算机界，K = 210 = 1024， M = 220, G = 230, T = 240。n数字信号流随时间的变化，在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。 图1-10 时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄3. 吞吐量n吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。4. 时延(delay 或 latency)n传输时延（发送时延 ） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。 n传播时延： 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 n信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 n处理时延： 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 n排队时延： 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。n数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和（如图1-11所示）： n总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+处理时延下面是四种时延所产生的地方。 假设信息从结点 A 向结点 B 发送数据。5. 时延带宽积n传播时延和带宽的乘积叫做时延带宽积，如图所示。这是一个代表链路的圆形管道，管道的长度是链路的传播时延，而管道的截面积是链路的带宽，因此，时延带宽积就表示这个管道的体积，表示这样的链路可容纳多少个比特。6. 利用率n信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。 n时延与网络利用率的关系：n根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系： U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。 UDD101.6.2 计算机网络的非性能特征 n1.费用n2.质量n3.标准化n4.可靠性n5.可扩展性和可升级性 n6.易于管理和维护