Chapter 8 连接:网络与通信

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1 Chapter 8 连接 : 网络与通信 浙江大学计算机学院 基础教学中心 2011 年 8 月 29 日

2 8.1 网络的起源 网络实现了计算机的连接, 征服了空间和地域, 人类信息交流更快捷 简单方便 计算机网络或叫做网络 (Network,Net) 的历史只有 30 多年 : 最初是由 MIT 的学生为交流学习而设计 今天, 微机网络成为主流 网络的发展可分三个阶段 : 面向终端 计算机通信网以及计算机网络

3 1. 面向终端的网络 通信线路 终端 主机通信装置通信装置

4 2. 计算机通信网 从 20 世纪 60 年代后期开始 建立了计算机网络协议, 实现了计算机间的通讯 不存在主从关系 ARPANet 就是一个典型的例子 它的出现标志着计算机通信网的产生 缺乏对网上的资源进行统一管理, 所以它仍属于计算机网络的低级形式

5 3. 计算机网络 1970, 施乐公司开始研究网络, 并生产了世界上第一块网卡 大多数观点认为这个时期是计算机网络发展的真正起点 国际标准化组织 ISO 于 1983 年颁布了 开放系统互联参考模型 新一代的计算机网络的基础 : 一个开放式 标准化的计算机网络架构 互连设备连接相对独立的网络, 每个网络中的计算机都具有自主处理能力

6 计算机网络 互联设备 20 世纪九十年代以来, 计算机网络的发展突飞猛进, 出现了 Internet

7 8.2 通信信道和介质 网络 使用通信介质连接计算机并使用通信信道进行通信 信道是一个物理路径或者信号传输频率 电话线 电台信道可能是某个无线频率 通信介质是通信信道的载体, 或者说是信息传输的载体, 又叫传输传输介质或传输媒体 双绞线 CATV 同轴电缆 光缆 Wireless

8 8.2.1 传输速率和带宽 数据传输速率 :: 单位时间内传输的二进制位数 bps(bit per second) 比特率 baud rate, 波特率 每秒钟传送的脉冲数 带宽 (Bandwidth): 信道每秒钟传输的数据量 语音带宽 (Voice Band),9600bps-56Kbps 中等带宽 (Medium Band),56Kbps-264Mbps 宽带 (Broadband),264Mbps-30Gbps 带宽意味着 能够达到的, 但不一定需要和传输速率一致

9 8.2.2 双绞线 双绞线 (Twisted Pair Cable,TP) 一对或多对双绞线放在绝缘套中, 每对双绞线是把两根铜导线按一定的密度互相绞在一起, 可使一根导线在传输中辐射的电波会被另一根导线上发出的电波抵消, 从而降低了信号干扰程度 最长用是 5 类双绞线, 包括四对无屏蔽双绞线, 支持 100Mbps 吞吐量 RJ45 头

10 8.2.3 同轴电缆 同轴电缆 (Coaxial Cable): 绝缘体包围着的一根中央铜线 一个网状金属屏蔽层以及一个塑料封套 ( 如图示 ) 同轴电缆的绝缘体和防护屏蔽层, 使它对噪声干扰有较高的抵抗力 故同轴电缆能比双绞线电缆将信号传输得更远 同轴电缆要比双绞线电缆昂贵得多, 并且只支持较低的吞吐量 (10Mbps) 同轴电缆又分粗缆和细缆 BNC 接口与 T 形头连接

11 8.2.4 光纤 光纤, 光缆由包在玻璃管子中的一根或者多根玻璃或者塑料光纤芯线构成 能够更快地传输数据 电磁绝缘性能好, 光纤的光阻抗极低 故信号在使用中继器之前可传输得更远 抗干扰保密性能好, 它不受电磁干涉的影响, 因信号是通过光波来实现传输的 它对湿气等环境因素具有很强的抵抗能力 这一特性使它非常适用于沿海区域 有多种规格和型号以适应室内 室外的不同传输距离的要求, 主要有单模光纤 (2~10KM) 和多模光纤 (2KM 以内 )

12 8.2.5 无线传输 无线传输 无线电短波通信 微波通信 卫星通信 红外线传输 1945, 英国作家克拉克 (Arthur Clarke) 预言在地球 KM 的高空部署 3 颗同步卫星可组成全球通信网 1964 年有了第一颗同步电视卫星 克拉克被尊称为 卫星通信之父 返回首页

13 通信卫星 使用地球同步卫星通信, 由地面向卫星发送定向的微波, 然后由卫星将信息转发回地面, 其覆盖面可达地球表面的 1/3 如果想让地球各处都能收到该信息, 那么只需围绕地球设臵三颗对称角度的同步卫星说可以了

14 8.3 有几种类型的网络? 计算机网络并没有统一的定义, 随着网络技术和应用的发展, 网络的概念也在不断的变化 比较公认的定义 : 计算机网络是将地理位置不同的多个计算机系统, 通过通信设备和线路连接起来, 使用网络软件实现网络中资源共享的系统 网络中的计算机 : 具有独立的处理能力的系统 使用网络是借助于网络软件的 它的主要目的是实现 资源共享 按跨越的地理范围, 分局域网 城域网和广域网

15 8.3.1 局域网及其拓扑结构 局域网,Local Area Network,LAN 是连接较小地理范围内的计算机组成的网络 一般在几公里内的区域 最早的网络雏形就是局域网 :MIT 的几个学生通过电话线把计算机连接起来, 互相交流编程的心得 LAN 的配置方式, 简单地说, 就是网络中计算机相互连接的方法与形式 拓扑 (Topology) 结构 局域网主要有星型 总线型 环型和树型 拓扑结构与传输介质和介质访问控制技术密切相关, 它影响着整个网络的设计 功能以及费用等各方面

16 星型网拓扑结构 星形拓扑结构以中央结点 ( 如交换机 集线器 Hub) 为中心, 用单独的线路与其他结点相连 该网络的主要优点是结构简单 组网容易 便于管理和维护, 某个结点 ( 除中央结点 ) 出现故障不会影响网络其他结点的工作 主要缺点是中心结点负担重, 一旦访问负荷加大, 因中心结点 瓶颈 而导致整个网络性能下降

17 总线型网拓扑结构 总线拓扑结构采用单根传输线 ( 称为总线 ) 作为传输介质, 所有节点都通过一个叫做 T 形的接口直接连接到总线上 任何节点的信息都可沿总线两个方向传播, 且能被所有节点接收, 这种方式称为广播通信方式 任何节点故障会导致整个网络瘫痪

18 环网 树型网拓扑结构 环型 树型 在环型网中, 所有节点连接成一个封闭的 环 在环网上设置一个令牌, 只有获得令牌的节点才能发送消息, 所以又叫令牌网 树型网可以看成由多个星型网络按层次方式排列构成的 目前, 较大规模的局域网多采用这种拓扑结构

19 8.3.2 城域网 (MAN) 在一个城市及周边地区建设数据通信设施, 构建覆盖整个城市区域的网络, 以满足城市建设和居民对信息服务的需求 光缆为 MAN 主干, 带宽高, 城市中设施使用专用的光缆线路 管理和服务需要 我国的城市信息化建设在近年间发展迅速, 中 大城市都建有城域网

20 MAN 示意图 城市公共网

21 8.3.3 广域网 (WAN) 从地域上看,WAN 的范围没有限制 如 Internet 就是最大的广域网 理论上, 只要两个以上的局域网实现互连, 所形成的网络就是广域网 城域网也属于广域网的范畴 广域网实现在不同网络间的通信

22 WAN 示意图 路由 公共网 路由

23 8.4 网络设备 网络需要通过网络设备进行连接 网络接口卡 集线器 交换机 中继器 网桥 路由器 网关等 Modem

24 8.4.1 网络接口卡 NIC NIC 插在计算机主板的扩展槽中, 通过网线与网络相连 主要功能 : 串 并数据转换 数据包的装配和拆装 网络的存取控制即网络信号的产生等 接入 LAN 的计算机, 网卡是必须的 NIC 有一个唯一的 48 位物理地址 MAC( 介质访问控制 ) 地址, 形如 E8-51-0E-7C 前六位代表生产厂商 后六位为该厂商自行分配给网卡的唯一号码 网络管理管理中, 通过 MAC 地址进行流量计量和故障定位

25 交换机 ( 左 ) 和集线器 ( 右 ) 集线器和交换机 集线器 ( 简称 HUB) 一般有多个连接端口, 如 8 口 16 口和 24 口等, 其中一个端口作入口, 其余端口作出口 交换机即交换式的集线器, 和和集线器间的区别 集线器采用的是多个端口共享带宽的工作方式而交换机是一个独享的通道, 它能确保每个端口使用的带宽

26 上行接服务器 下行接网络中的计算机

27 8.4.3 中继器 中继器 作用 : 用来加强信号和整形信号

28 8.4.4 网桥 网桥 (Bridge) 连接局域网的存储转发设备, 用于连接两个相同类型的局域网, 组成扩展的局域网 网桥

29 Router 连接网络的示意图 LAN LAN Hub Hub 路由器 广域网 路由器 Router 连接局域网和广域网 (Internet) 的主要互连设备 可以连接不同类型的网络入广域网 为经过路由器的数据寻找一条最佳传输路径, 并将该数据传送到目的地点 在路由器中保存着各种传输路径的相关数据 路径表, 供路由时选择使用

30 8.4.6 网关 Gateway 传统上, 指充当网络协议转换器的连接设备 网关通常是安装了协议软件的计算机 目前主要有三类网关是 协议网关 : 在使用不同协议的网络区域间作协议转换, 使得使用不同协议的网络可以互连 应用网关 : 在使用不同数据格式间翻译数据, 进行格式转换 安全网关 : 最典型的应用是防火墙

31 8.4.7 调制解调器 通过公用电话网通信线路, 语音信号 模拟量 计算机数字信号 调制 为适合电话线上传播的 载波 信号 通过电话线的模拟信号 MODEM MODEM 数据信号 数据信号 Modem 进行数字和模拟信号的转换.

32 8.5.1 网络协议 Protocol: 通信双方必须共同遵守的规则及约定, 如通信过程的同步方式 数据格式 编码等 它是网络赖以工作的保证 有网络必有通信 有通信必有协议 网络中有各种各样的协议, 针对不同的应用, 有不同的协议 大多数网络协议的功能被纳入到操作系统中了 机器上已经安装了常用的数百种网络协议, 能满足用户的网络服务需求

33 部分网络协议介绍 DHCP 协议 : 动态主机配置协议 DNS 协议 : 域名服务 FTP 协议 : 文件传输 ICMP 协议 : 网间控制报文协议, 联网所需基本协议 TCP/IP 协议 :Internet 协议 POP3 协议 : 接受邮件协议 SMTP 协议 : 发送邮件必须遵守的协议 PPP 协议 : 点对点协议 电话拨号上网或宽带上网用户需遵守的协议 Telnet 协议 : 远程网络登陆时遵守的协议 HTTP: 网页浏览

34 8.5.2 OSI 网络模型 联网所要解决的问题太复杂, 所以采用分层结构 因此, 需要一个模型来定义各层之间的关系和功能 OSI 模型 Open System Interconnect Reference Model 七层模型, 国际标准化组织提出的 物理层 (Physical Layer) 数据链路层 (Data Link Layer) 网络层 (Network Layer) 传输层 (Transport Layer) 会话层 (Session Layer) 表示层 (Presentation Layer) 应用层 (Application Layer)

35 网络 应用层 表示层 应用层 表示层 会话层 会话层 传输层 网络层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 数据链路层 物理层 物理介质

36 类比 : 书信通信过程 写信 阅读信 每层都有各自的协议, 每层都有各自的数据格式, 传输时层层打包, 收时层层解包 到公共邮筒到邮局封装 应用层传输层网络层逻辑层 到用户邮筒到邮局封装 邮政车 / 飞机 物理层

37 8.5.3 局域网 局域网简单地说就是将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络 国际电子电气工程师协会 (IEEE) 给出的定义是 : 局域网是一个通信系统, 它允许适量彼此无关的计算机在适当的范围内以适当的传输速率进行直接的通信 我们可以从以下 4 点来理解 : 1. 彼此无关的计算机设备 局域网应该允许不同厂家, 不同硬件系统, 甚至不同操作系统的计算机连结在一起 2. 直接通讯 局域网上的任何二部计算机都应该可以直接通信而不必通过第三者的转接 3. 适当的范围 计算机分布的区域不可太大, 距离不可太远 通常是指 5 公里以内的范围 4. 适当的传输速率 计算机之间数据传送的速率不可太慢 通常要求在每秒传送 1Mbps 到 100Mbps 左右

38 IEEE 802 标准 局域网标准只定义了相当与 OSI 模型中的最下面两层, 即物理层和数据链路层 OSI 数据链路层 LAN 逻辑链路层 (LLC) 媒体访问控制层 (MAC) 物理层 物理层 为促进局域网产品的标准化, 美国电气电子工程师协会 (IEEE) 于 1980 年成立了 IEEE802 委员会, 专门制定了一系列局域网协议标准, 并得到了国际标准化组织 (ISO) 的认可, 这些被称为 IEEE 802 局域网协议标准已成为计算机局域网的标准

39 IEEE 802 标准 IEEE 802 标准系列中各个子标准之间的关系如图所示 :

40 8.5.4 局域网组网技术 决定局域网的主要技术有 传输介质 拓扑结构 介质访问控制方法 局域网介质访问控制方法, 不同的方法协议不同 载波监听多路访问 / 冲突检测技术 (CSMA/CD), 适用于总线型 星型网 令牌环技术 (Token-Ring), 适用于环型 令牌总线技术 (Token-Bus), 适用总线型 / 树型 局域网 : 以太网 ARCNET 和 IBM 令牌网,ATM

41 以太网 ( Ethernet) 以太网组网主要采用如下技术 : 拓扑结构为总线型或星型, 以星型为主 传输介质为同轴电缆或双绞线, 以双绞线为主 万兆以太网的介质为光缆 传输速率有 10M,100M,1000M 和 10G 介质访问控制方法为 CAMA/CD 采用分组交换技术, 即把发送的数据封装为一个个数据包进行传送 CSMA/CD 方法简单地概括为以下 4 句话 : 1 先听后发 2 边听边发 3 冲突停止 4 随机延迟后重发

42 局域网软件的协议 : IPX/SPX IEEE 802 定义了局域网的网络体系结构和协议标准, 只涉及到物理层和数据链路层 局域网常用的三种通信协议分别是 TCP/IP IPX/SPX NetBEUI TCP/IP 协议 TCP/IP 协议毫无疑问是这三大协议中最重要的一个, 也是互联网的基础协议, 没有它就根本不可能上网 IPX/SPX 协议 IPX/SPX 协议本来就是 Novell 开发的专用于 NetWare 网络中的协议, 但是现在也非常常用, 大部分可以联机的游戏都支持 IPX/SPX 协议, 比如星际争霸, 反恐精英等等

43 局域网软件的协议 : NetBEUI Net BIOS Extended User Interface Microsoft 公司开发的传输层协议 微软网络的 BIOS 的扩充 比较小 易于实现 传输快 为目前 Win NT(Win 2000 Server) 首选 同一微软产品联网时, 应使用 NetBEUI 协议 如 Windows 的 网上邻居

44 8.5.5 构建广域网 广域网的基本概念就是网与网的互联, 广域网由节点交换机以及连接这些交换机的链路组成 节点交换机执行分组存储转发的功能 广域网

45 8.5.5 构建广域网 Cont 分组存储转发采用两种技术实现 : 数据报和虚电路 数据报的特点是可以随意发送数据, 每个分组 ( 一个具有规定长度的信息单位 ) 可独立选择路由, 到达目的站后按分组顺序还原数据文件 虚电路的特点是发送主机先发出一个呼叫, 若接收主机同意通信, 就发出回应, 然后双方建立一条专用的 电路 通道传送数据, 传送结束后撤掉 电路

46 *8.5.6 ATM Asynchronous Transfer Mode,ATM 异步传输模式 ATM 信元 (Cell) 数据传输, ATM 信元 53B 每次传输的数据长度都是相同 ATM 信元长度固定 很小 硬件实现 以太网包交换速度慢和效率低 ATM 理论传输速率和实际传输几乎相同 实时性 好, 无延迟 大型网或 MAN 用 ATM 作为网络核心, 以太网作为接入网

47 *8.5.7 VPN: 虚拟专网 有不同的应用, 就需要不同的技术和实现 VPN,Virtual Private Network, 虚拟专用网 VPN: 租用公共线路构建的企业内部网 如何确保其不被非法进入 VPN 技术 VPN 是虚拟网, 不是物理上的连接 VPN 是专用网, 它只为指定用户提供连接 VPN 网络安全 : 认证 访问控制 加密和数据完整

48 8.6.1 网络服务器和软件 网络中的计算机分 : 服务器和工作站 这些承担管理和服务的计算机就叫做服务器 (Server) 组建网络, 往往都把服务器作为核心设备 服务器可以使用各种类型的计算机, 一般小型局域网使用 PC 服务器 网络服务器类型 1. 文件服务器 : 为工作站提供程序和数据文件 如 FTP 服 务器 2. 打印服务器 : 提供打印控制服务 3. 应用服务器 :: 帮助工作站运行有关的程序

49 8.6.2 网络操作系统 网络操作系统除了有操作系统基本功能外, 还必须有处理网络协议 控制网上数据流 维护网络安全并为局域网用户提供服务等功能 1.Novell Netware 2.Windows 3.UNIX 4.Linux

50 8.6.3 网络应用程序 使用网络需要应用程序吗? Yes! 大多数应用软件, 即使不是为网络专门设计的, 也包含了一些网络功能, 如 Office 系统 另一类网络应用程序需要专门开发, 如网上审批 网上选课 网上银行等 使用网络模型 网络协议 网络设备 通信介质和计算机组成的网络是一个基础设施, 它提供了资源共享和各种网络服务的平台 而要在网络上进行各种服务, 都需要有专门的应用程序加以支持

51 Review 数据通信和计算机网络的基本概念 按覆盖地域范围可分局域网 城域网和广域网 LAN 是网络的基础形式, 有星型 总线型 环型和树型等 网络的互连需要网络设备 主要的网络设备有网卡 交换机 集线器 网桥 网关等 路由器是构建广域网的主要设备 数据通信必须遵循的规则为通信协议 按照适用范围, 主要有广域网协议和局域网协议, 后者以 IEEE802 标准为主 目前的局域网主要是以太网 网络服务器为网络提供各种服务, 如文件 打印和应用服务 网络操作系统需要处理网络协议 控制网上数据流 维护网络安全并为局域网用户提供服务等 Windows Unix Linux 等操作系统都支持网络服务 网络应用需要有网络应用程序支持

52 Lab And Exercise

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