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1 计算机网络基础 孙栩信息科学技术学院 1

2 本节课的主要内容 计算机网络概述 计算机网络的分类 计算机网络的体系结构 2

3 一 计算机网络概述 1.1 什么是计算机网络 连接硬件 连接介质 计算机网络是利用通讯设备和线路, 将地理位置不同的 功能独立的多个计算机系统互联起来, 以功能完善的软件实现网络资源共享和信息交换的系统 互联网 (Internet) 目的 连接软件 是一个由各种不同类型和规模的 独立运行和管理的计算机网络组成的全球范围的巨大计算机网络 互联网上的计算机得到唯一的网络地址 这些主机必须按照共同的协议连接在一起 3

4 一 计算机网络概述 1.2 计算机网络的产生与发展 早期的计算机应用模式 单机 计算机网络是信息社会发展的必然产物 庞大, 昂贵, 资源无法共享 分散的计算机构成了一个个的信息 孤岛 1969 年美国国防部高级计划研究署 (DARPA) 的 ARPANet 投入使用, 并成为现代计算机网络诞生的标志 只有 4 个结点, 连接加州大学洛杉矶分校 加州大学圣巴巴拉分校 斯坦福大学 犹他大学四所大学的 4 台大型计算机 为使网络通达, 需要有统一的语言来沟各计算机之间的交流 网络协议 : 为了在网络上交换数据所制定的规则 1969, 4 个 4

5 一 计算机网络概述 这种新型的网络必须满足如下一些基本要求 用于计算机之间的数据传送 能够连接不同类型的计算机 所有的网络结点都同等重要 必须有冗余的路由 尽可能地简单, 非常可靠地传送数据 网络硬件 网络软件 ARPANet 的发展 卫星线路 1971, 18 个 1973, 40 个 1980 美国中西部 美国东部从美国大陆开始向外延伸 5

6 资源子网与通信子网 一 计算机网络概述 在计算机网络中运行各种应用程序的计算机称为 主机, 这些主机提供资源共享, 组成 资源子网 各计算机之间不是直接用线路相连, 而是由 IMP 转接后互连 IMP 专门负责通信处理 IMP 和它们之间互连的通信线路一起负责主机间的通信任务, 构成 通信子网 计算机网络的传输方式采用了 存储 - 转发 方式, 提高了通信线路资源的利用率 6

7 一 计算机网络概述 互联网 (Internet) 时代互联网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进 : 第一阶段 : 从单个网络 ARPANet 向互联网发展的过程 1983,ARPANet 分解成两个网络 : ARPANet 进行实验研究用的科研网 MILNet 军用计算机网络 TCP/IP 协议成为标准协议人们意识到不可能仅用一个单独的网络来满足所有的通信问题 互连网 ( 因特网 ) 出现 Internet 形成 网络把许多计算机连接在一起, 而因特网则把许多网络连接在一起 7

8 一 计算机网络概述 第二阶段 : 建成了三级结构的因特网 1985~1986 年美国国家科学基金会 (NSF) 建立了国家科学基金网 NSFNet 三级计算机网络 : 主干网 地区网和校园网 覆盖全美主要大学和研究所 1987 年因特网上的主机超过 1 万台 采用 TCP/IP 作为统一的通信协议标准, 传输速率 56kb/s 1.544mbps 8

9 一 计算机网络概述 第三阶段 : 逐渐形成了多层级 ISP 结构的因特网 1993 年开始,NSFNET 逐渐被若干个商用的因特网主干网替代 任何人只要向因特网服务提供商 ISP(Internet Service Provider) 交纳费用, 即可通过该 ISP 接入到因特网 因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s 用户通过 ISP 接入因特网 基于 ISP 的多层结构的因特网 9

10 一 计算机网络概述 万维网 (World Wide Web, WWW) 的出现 Tim Berners-Lee 指在互联网上以超文本为基础形成的一种信息服务 ( 主要表现为各个网站及其超链接关系, 以及多媒体的集成 ) 1989 万维网为用户提供了一个可以浏览的图形化界面, 用户通过点击超媒体链接就可以方便地获取 Internet 上的信息资源 浏览器 : 一个软件程序, 用于与 WWW 建立联结, 并与之进行通信 10

11 一 计算机网络概述 互联网产业的发展 Jerry s Guide to the World Wide Web,1994 杨致远 (Jerry Yang) 大卫 费罗 (David Filo) 1995 杰夫 贝佐斯 (Jeff Bezos) B2C 电子商务模式的成功典范 1995 C2C 电子商务模式 第一款基于 Windows 操作系统的即时聊天工 具,1996 ICQ 是英文 I seek you ( 我找你 ) 的谐音 IM 软件领域的缔造者 11

12 一 计算机网络概述 采用 PageRank 技术的新型搜索引擎, 年成立公司 这个名字源于一个与它发音相同的英语单词 googol googol 是个量词, 意思是 10 的 100 次方 Wikipedia,2001 自由 免费 内容开放的百科全书 拉里 佩奇 (Larry Page) 和 谢尔盖 布林 (Sergey Brin) Jimmy Donal Wales 12

13 一 计算机网络概述 Facebook, 2004, 世界上最大的社交网络站点 Twitter,2006, 微博先驱 马克 扎克伯格 YouTube,2005, 世界最大的视频分享网站 13

14 二 计算机网络的分类 2.1 按规模 ( 作用范围 ) 分类 局域网 (Local Area Network, LAN) 规模相对较小的网络, 分布在一个单位内或一座大楼内, 使用单一的传输媒介 通常意义上的局域网被视为一个无网络互联的单层网络 城域网 (Metropolitan Area Network, MAN) 作用范围介于广域网和局域网之间, 例如一个城市或地区 通常采用不同的系统硬件 软件和通信传输介质构成, 使不同类型的局域网有效连接 共享资源 广域网 (Wide Area Network, WAN) 覆盖范围广, 网络结构和类型复杂 Internet 是最大的广域网 14

15 2.2 按网络管理模式分 对等网 (Peer-to-Peer, P2P) 二 计算机网络的分类 网络中各成员计算机的地位都是平等的, 每台计算机都既可以作为其他计算机资源访问的服务器, 又可作为客户机来访问其他计算机 C/S (Client/Server, 客户机 / 服务器 ) 客户向服务器发出服务请求, 服务器对客户的请求做出响应 服务器一般只作为服务器角色而存在 单台服务器 C/S 网 多台 ( 不同类型 ) 服务器 C/S 网 15

16 二 计算机网络的分类 2.3 按网络的拓扑结构分类 拓扑结构 各个网络设备在网络上的连接形式 星型拓扑结构 每个网络设备都与中央结点 ( 集线器或交换机 ) 的一个接口直接相连 优点 : 容易确定网络故障点 ; 便于集中控制 ; 不会因一个站点的故障而受到影响, 网络设备的增删方便 ; 网络延迟时间较小, 传输误差较低 缺点 : 对中心节点依赖性高 16

17 二 计算机网络的分类 环型拓扑结构 各网络设备通过通信介质连成一个封闭的环形 优点 : 结构简单, 容易实现 ; 简化了路径选择的控制 缺点 : 不便于扩充 ; 可靠性低 ; 环中任一个节点出现线路故障都可能造成网络瘫痪, 传输效率低 17

18 二 计算机网络的分类 总线型拓扑结构 共享一条数据传输通道, 所有网络设备都通过相应接口直接连接到总线 优点 : 布线简单 ; 成本低 ; 接入灵活 ; 可扩充性好 某个站点的故障一般不会影响整个网络 缺点 : 介质的故障会导致网络瘫痪 ; 稳定性较差 18

19 二 计算机网络的分类 网状拓扑结构 各节点之间通过传输介质彼此互连, 构成一个网状结构 混合型拓扑结构 多种结构单元组成的结构 常见星型结构和总线型结构的混合 19

20 三 计算机网络体系结构 3.1 什么是计算机网络体系结构 计算机网络体系结构是一个分层次的模块式结构 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作, 而这种 协调 是相当复杂的 分层可将庞大而复杂的问题, 转化为若干较小的局部问题, 较易于研究和处理 协议的分层 以电话聊天为例 20

21 三 计算机网络体系结构 每一层都向上一层提供特定的服务, 同时又调用它的下层所提供的服务 ; 相邻层之间通过接口进行通信 计算机网络的各个层和在各层上使用的全部协议统称为网络的体系结构 21

22 3.2 OSI/RM 体系结构 三 计算机网络体系结构 第一个标准化的计算机网络互连体系结构 OSI/RM( 开放系统互连参考模型 ) OSI 七层参考模型 22

23 三 计算机网络体系结构 OSI/RM 各层基本功能 只要遵循 OSI 标准, 一个系统就可以和位于世界上任何地方的 也遵循同一标准的其他任何系统进行通信 OSI 协议实现起来过于复杂 层次划分并不太合理 23

24 三 计算机网络体系结构 3.3 TCP/IP 协议体系结构 又称 TCP/IP 协议参考模型 非国际标准的 TCP/IP 协议体系结构成为事实上的国际标准 OSI 体系结构 TCP/IP 体系结构 网际互连层 网络访问层 24

25 三 计算机网络体系结构 广泛建议的五层网络体系结构 25

26 三 计算机网络体系结构 OSI 体系结构 TCP/IP 体系结构 针对特定应用程序的协议数据格式转换建立和断开通信连接负责数据的可靠传输地址管理与路由选择节点之间的通信传输比特流与电子信号的切换 26

27 三 计算机网络体系结构 每一层都向上一层提供特定的服务, 而把如何实现这些服务的细节对上一层加以屏蔽 计算机网络的各个层和在各层上使用的全部协议统称为网络的体系结构 4/5 层接口 3/4 层接口 2/3 层接口 1/2 层接口 主机 1 主机 2 第 5 层协议第 5 层第 5 层 第 4 层 第 3 层 第 2 层 第 1 层 第 4 层协议 第 3 层协议 第 2 层协议 第 1 层协议 第 4 层 第 3 层 第 2 层 第 1 层 物理介质 27

28 三 计算机网络体系结构 分层的好处 各层之间是独立的 灵活性好 结构上可分割开 易于实现和维护 能促进标准化工作 28

29 五 计算机网络体系结构 5.2 物理层 为网络定义了机械 电子接口, 考虑的是怎样才能在连接各种计算机的物理传输介质上传输数据比特流有导向介质 双绞线 两根相互绝缘的铜线以螺旋状绞在一起 目前最常见的连网方式, 经济 安装方便, 传输率和抗干扰能力一般 同轴电缆 比双绞线有更好的屏蔽性 抗噪特性和很高的带宽 光纤 - 采用光导纤维作传输介质 传输距离长, 传输率高, 抗干扰性强, 能够处理更高的带宽 是高安全性网络的理想选择 无导向介质 无线电波 微波 红外线 射频等 29

30 五 计算机网络体系结构 5.3 数据链路层 结点 帧 帧 结点 将一个原始的传输设施转变成一条逻辑的传输线路 ( 数据链路 ) 最常用的方法是使用网络适配器 ( 网卡 ) 来实现这些协议的硬件和软件 网卡的主要作用 : 将计算机数据转换为能够通过介质传输的信号 两个对等的数据链路层之间传输的数据单位是帧 成帧 帧首部帧的数据部分帧尾部 差错检测 ( 使用循环冗余检验 ) 物理层接受的原始位流并不能保证没有错误, 检测错误的工作由数据链路层来完成 30

31 五 计算机网络体系结构 5.4 网络层 将数据信息分段组织成报文 ( 包 ) 将报文路由到正确的目标 路由的转发分组是网络层的主要工作 互联网协议 ( 网际协议 )IP 互联网协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一 用来使互连起来的许多计算机网络能够进行通信 因此,TCP/IP 体系中的网络层常常称为网际层或 IP 层 分类的 IP 地址 IP 地址 := {< 网络号 >, < 主机号 >} 31

32 5.5 传输层 五 计算机网络体系结构 提供端到端控制和错误检查, 以决定数据包是否已经安全正确到达 在其下面的各层下, 协议存在于每台机器与它的直接邻居之间, 而不存在于最终的源机器和目标机器之间 传输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节, 使应用进程看见的就好像在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信道主机 A 主机 B AP 路由器 1 路由器 2 1 LAN AP 3 LAN WAN AP AP 4 IP 协议的作用范围 传输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围 32

33 五 计算机网络体系结构 根据应用程序的不同需求, 传输层有两种不同的传输协议 面向连接的 TCP( 传输控制协议 ) 在传送数据前必须先建立连接, 数据传送结束后要释放连接 提供可靠的 面向连接的服务, 因此不可避免地增加了许多开销, 如确认 流量控制 连接管理等 无连接的 UDP ( 用户数据报协议 ) 在传送数据之前不需要先建立连接 远地主机的传输层在收到 UDP 报文后, 不需要给出任何确认 不提供可靠交付, 但在某些情况下却是一种最有效的工作方式 33

34 五 计算机网络体系结构 5.6 应用层 规定应用进程在通信时所遵循的协议. 应用层的许多协议都基于客户机服务器方式 应用层协议 : 文件传输 FTP 远程终端协议 Telnet 超文本传输协议 HTTP 简单邮件传输协议 SMTP: 邮件发送协议 SMTP 邮件读取协议 POP3 电子邮件地址的格式 : 邮箱所在主机的域名 通用因特网邮件扩充 MIME 域名系统 DNS 34

35 6.1 常用的网络测试命令 ping 六 网络性能的评价 对网卡工作状态及连网状态进行测试 ping ( 或 localhost, 为 TCP/IP 所保留的地址, 指本主机 ) ping 其他主机 IP/ping 网关 /ping 域名服务器等 ipconfig 使用不带参数的 ipconfig 命令可以显示所有适配器的 IP 地址 子网掩码和默认网关 如果要显示适配器的完整 TCP/IP 网络配置值, 可使用参数 /all 35

36 六 网络性能的评价 6.2 计算机网络的主要性能指标 带宽 在通信线路上传输信号时的最大数据范围 比特 / 秒 : 即通信线路每秒所能传输的比特数 吞吐量 一组特定的数据在特定的时间段经过特定的路径所传输的信息量的实际测量值 吞吐量常常远小于所用介质本身可提供的最大数字带宽 时延 一个报文或分组从一个网络的一端传输到另一端所需的时间 由发送时延 传播时延 处理时延几部分组成 36