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1计算机网络概述
第1章计算机网络概述
知识要点:
·计算机网络的发展阶段及其技术特征。
·计算机网络的定义、功能,实时应用与非实时应用的技术特征。
·网络组成与结构:
物理组成,逻辑结构,拓扑结构,体系结构,常用的拓扑结构。
·计算机网络的分类:
LAN、MAN、WAN。
RAN、PAN。
·网络体系结构:
ISO/OSI参考模型,TCP/IP参考模型,OSI与TCP/IP结合的原理参考模型,IEEE802参考模型。
计算机网络(ComputerNetworks)是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。
1.1计算机网络的形成与发展
计算机网络从形成、发展到广泛应用大致可以划分为以下四个阶段。
1.计算机与通信技术的结合
●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(SAGE)开始将远程雷达与其他测量控制设备通过通信线路连接到一台IBMAN计算机上,这是首次将计算机与通信技术相结合的重要尝试。
它将远程雷达与其他测量设施测到的信息通过总长度达241万公里的通信线路与一台IBM计算机连接,实现集中的防空信息处理与控制。
●20世纪60年代初期,美国航空公司建成了飞机订票系统SABRE—1。
●这类系统实际上是一种分时多用户(终端)系统,它采用集中控制方式,中心计算机是整个系统的控制及处理中心。
通常把这类系统叫做以单台计算机为中心的联机系统,或称为面向终端的联机(网络)系统,它们是计算机网络的雏形。
●调制解调器、终端集中器、前端处理机(FET)
2、现代计算机网络的形成
●从20世纪60年代初开始,其典型标志是美国的ARPANET与分组交换技术的成熟,产生了现代计算机网络,即计算机—计算机网络。
●ARPANET对计算机网络技术发展的贡献主要表现在以下四个方面:
完成了对计算机网络定义、分类与子课题研究内容的描,采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系;
提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念;
研究并采用了报文分组交换技术;
研究、采用和发展了TCP/IP协议,为Internet的形成与发展奠定了基础。
3、网络体系结构的标准化与局域网的发展
●1974年,IBM公司系统网络体系结构SNA(SystemNetworkArchitecture)标准。
1975年,DEC公司数字网络体系结构DNA(DigitalNetworkArchitecture)标准。
●国际标准化组织(1SO)于1977年成立了计算机与信息处理标准化委员会(TC97)下属的开放系统互连分技术委员会(SC16),并开始着手制定开放系统互连的一系列国际标准。
1981年,ISO正式提出了“开放系统互连(OSI)基本参考模型”的国际标准,从而为计算机网络向国际标准化方向发展奠定了重要基础。
●80年代,ISO与国际电报与电话咨询委员会(CCITT)等组织分别为参考模型的各个层次制订了一系列的协议标准,组成了一个庞大的OSI基本协议集。
●传输控制协议/网际协议(TCP/IP)逐渐得到了工业界、学术界以及政府机构的认可,成为事实上的主要标准,并得到迅速发展,为Internet的兴起和发展起到了决定性的作用。
●70年代,由于计算机的普及应用和数据通信技术的成熟,开始出现在有限的局部范围(办公室、办公楼或园区)内,实现计算机互连组网的需求,从而产生了网络技术的一个重要分支——局域网LAN(LocalAreaNetworks)技术。
●局域网技术的典型代表:
1976年美国Xerox公司开发了以太网(Ethernet),成功地利用了夏威夷大学ALOHA无线网络系统的基本原理,使之发展成为第一个总线竞争式局域网,成为局域网发展史上的一个重要里程碑。
英国剑桥大学计算机实验室1974年开发的剑桥环(Cambridge—Ring);
美国俄亥俄州立大学研制的分布式环形计算机网络(DLCN);
贝尔实验室开发的Spider环形网络;
1977年,Data—point公司推出的第一个用于办公系统的ARC局域网。
●局域网的标准化
1980年美国三大公司Xerox、DEC和Intel联合公布了局域网的DIX标准,即以太规范。
同年2月,美国电气与电子工程师协会(IEEE)的计算机学会成立了802局域网标准委员会,并相继提出了IEEE802.1~14等局域网标准草案。
4、Internet的应用与高速网络技术的发展
●1993年9月,美国宣布了国家信息基础设施NII(NationalInformationInfrastructure)建设计划,被形象地称为信息高速公路。
●1995年2月,全球信息基础设施委员会(GIIC,GlobalInformationInfrastructureCommittee)成立,其目的是推动与协调各国信息技术与信息服务的发展与应用。
●以此为背景,Internet获得了迅猛发展。
各种高速计算网络大量涌现,各种宽带综合业务数字网(B—ISDN)、多媒体通信网、智能网、无线移动网等获得了迅速发展。
万维网WWW(WorldWideWeb,简称Web)技术日趋成熟,有力地促进了Internet的推广应用。
各种基于WindowsNT/2000、UNIX、Linux等的网络系统不断升级翻新,光纤通信、全光通信、个人通信、卫星通信、蜂窝无线通信、移动通信等通信技术也取得了长足的进步。
●高速网络技术的发展主要表现在:
宽带综合业务数据网B-ISDN、异步传输模式ATM、高速局域网、交换局域网与虚拟网络。
以ATM为代表的高速网络技术发展迅速。
速率为100Mb/s与1G(1,000M)b/s的高速Ethernet已经进入实用阶段。
传输速率达到10Gb/s的万兆位以太网(1EEE802.3ae)正在研究之中,交换式局域网与虚拟网络技术的发展也十分迅速。
5、当前计算机网络技术发展的热点
●作为信息基础设施的全光网络技术、移动计算技术、统一的IP骨干网络、宽带接入网技术、网络安全服务。
●高性能网络体系结构
随着光纤通信技术和无线通信技术的飞速发展,CPU处理速度和巨型机处理速度的飞速提高,以及计算机网络从点对点发展到点对多点、多点对多点,从集中控制结构发展到分布控制结构,进一步发展到联邦(具有不同行政管理域的)控制结构,不断暴露出当前网络技术的瓶颈,主要表现在三个方面:
高速的传输信道与低速的协议软件之间的矛盾,多种网络应用需求与单一网络服务之间的矛盾,动态应用需求与静态网络服务提供之间的矛盾。
●三网融合
●因特网的电子业务服务
包括供应链管理、客户关系管理、知识管理、电子商务四个部分。
·供应链管理(SCM):
用可能达到的最小成本,在正确的时间以正确的价格将正确的产品送到正确的地方。
·客户关系管理(CRM):
集成生产、后勤、产品及服务的配送,及与客户的沟通。
·知识管理:
把人们跨地域、跨时间地引导在一起,以生成新思想;系统地改进雇员的技能;知识投资的共享及再利用。
·电子商务:
跨越供应链的买卖;电子数据交换EDI(ElectronicDataIntercharge)、电子账单的提交与付款、电子银行;紧密地与供应链管理、CRM及知识管理链接;集成的后台系统、应用及过程。
6、网络标准化组织
国际标准化组织ISO
国际电信联盟ITU-T(CCITT)
美国电气与电子工程师协会IEEE
美国国家标准协会ANSI
欧洲计算机制造商协会ECMA
Internet——活动委员会IAB,网络研究部IRTF,网络工程部IETF,Internet协会。
2计算机网络的基本概念
2.1计算机网络的定义、功能与应用
1.计算机网络的定义
按照资源共享观点,可以将计算机网络定义为:
使用各种通信手段互连,按照网络协议相互通信,实现资源共享的自治计算机的集合。
这一定义的基本特征为:
●连网的计算机是分布在不同地理位置的多台“自治”的计算机。
所谓“自治”是指这些计算机既可以连网工作,离开了网络也可以独立运行和工作。
●这些计算机之间互连通信时,所使用的通信手段可以形式各异,距离可远可近,既可以是普通电话网、专用数据通信网,也可以是卫星或移动通信网等。
●连网计算机之间相互通信时必须遵守共同的网络协议。
为保证网络计算机之间的数据交互能正确地、有条不紊地实现,就要求网络中的每台设备在通信过程中必须共同遵守预定的网络通信规则、标准与约定,这种为进行网络中的数据交互而建立的规则、标准与约定称为网络协议(Protocol)。
●计算机互连的主要目的是实现资源共享。
●计算机网络与分布式计算机系统的本质区别:
在后者中,多台自主计算机的存在对用户是透明的。
即用户觉察不到多个处理器的存在,用户面对的是一台虚拟的单处理机,各种系统功能是自动完成的。
在网络中,用户必须明确地指定在哪一台机器上登录,明确地远程提交任务,明确指定文件传输的源和目的地,以及管理整个网络。
●计算机网络与面向终端的计算机系统的关键区别
后者以大型机为基础,各个终端不是独立的计算机,用户的程序运行要依靠大型机的处理器来处理,而网络中互连的计算机是能够独立工作的。
2.计算机网络的功能
●资源共享
●人际信息交互
●提高可靠性
●降低成本
●扩充方便
●负荷均衡
●协同处理
3.计算机网络的应用
●实时应用信息系统
对时间的实时性和等时性有严格要求、访问具有确定性的应用场合,如实时语音通信、IP电话、实时多媒体通信、视频点播(VOD)、视频会议(VideoConference)系统、实时C3I系统、实时仿真系统、工业集散系统、工业过程控制及计算机集成制造系统(CIMS)等。
●非实时应用信息系统
对网络的响应或时间延迟无严格要求,其访问具有某种统计特性,信息的到达具有一定的突发(爆发)性,如各种办公自动化(OA)系统,管理信息系统(MIS),经济信息系统(EIS),电子邮件系统,基于Internet的信息检索,基于Internet的3S(GPS——全球定位系统、GIS——地理信息系统、RS——遥感系统),电子商务系统、网上电子购物系统,电子数据交换(EDI),计算机辅助设计/计算机辅助制造/计算机辅助工程(CAD/CAM/CAE),虚拟现实(VirtualReality)应用系统,网络银行,网络证券交易,决策支持系统(DSS),计算机支持协同工作(CSCW),计算机辅助教育(CAI),远程教育或培训,网络大学,远程控制、测试、诊断、维护和维修,分布式联合设计,异地专家咨询,远程医疗,远程销售或交易(Telemarketing),多媒体桌面会议(MultimediaDesktopConference),分布式计算,移动计算以及高速并行计算应用环境等。
2.2计算机网络的组成
1.网络硬件
●工作站
用户访问和管理网络资源与服务的计算机设备。
●服务器
集中管理网络资源和提供网络服务。
●网络通信设备
控制和实现网络信息的正确传输,主要包括网卡(NetworkInterfaceCard)或适配器(Adapter)、调制解调器(Modem)、连接器、收发器、终端匹配器、集线器(Hub)、交换机或路由交换机、中继器、网桥、路由器、网关等。
●通信介质
实现携带网络信息的电磁或光信号的传输。
●在Internet/Intranet环境下,网络硬件还应包括防火墙等网络管理与网络安全设备。
2.网络软件与网络协议
●集中管理与提供网络资源、网络应用、网络服务、网络安全。
●网络管理软件:
网络用户管理与网络接入认证软件,网络设备及网络运行状态的监控、审计、计费软件,防火墙、入侵检测等网络安全软件
●通信控制软件主要指交换与路由软件,为各通信实体之间选择、建立和维护信息传输所经由的路径。
●网络应用软件主要为网络用户提供各种网络服务,可以分为两类:
由网络软件厂商开发的通用应用软件及工具软件,如电子邮件系统、Web服务器及相应的浏览搜索工具等。
依赖于不同用户业务的专用软件,如基于网络的金融系统、电子商务、电信管理、制造厂商的分布式控制与管理等。
●网络协议是通过网络进行信息交换时共同遵守的规则、标准或约定。
图1.1计算机网络的基本组成
2.3计算机网络的结构
1.计算机网络的逻辑结构
计算机网络的基本功能可以分成数据处理与数据通信两大部分,因此计算机网络可以从逻辑功能上分成资源子网与通信子网两个部分,如图1.2。
图1.2计算机网络的逻辑结构
●通信子网——通信控制处理机(CCP)、通信介质与通信控制软件的集合,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ARPANET中称为接口信息处理机IMP,主要包括数据交换机、路由器等通信控制设备。
●资源子网——通过通信子网互连的主机(Host)、网络操作系统、网络管理软件和网络应用软件、网络资源的集合。
●将计算机网络分离成功能相对独立的通信子网与资源子网两部分,就使得计算机网络的结构从以主机为核心的、面向终端的系统,演变成以通信子网为核心的现代计算机网络系统。
其主要优点是,使通信子网与资源子网可以单独规划管理,简化了整个网络的设计与运行,并且有利于各子网相关技术的发展。
●公用数据网PDN(PublicDataNetwork):
在近距离的局部范围内,一个单位可同时拥有通信子网和资源子网。
广域通信子网一般由政府部门或某电信经营公司拥有并向社会公众开放服务,需要远程连网的单位要提出申请并支付一定的费用,才可以接入该通信子网,使用其服务来实现特定资源子网的数据通信任务。
这类通信子网传输的是数字化的数据,称作公用数据网PDN(PublicDataNetwork)。
2.计算机网络的拓扑结构
●对网络中各节点与链路的布局及其互连形式的抽象描述,它反映了网络结构的某些本质特征。
●为了将复杂的网络结构设计问题予以简化,人们使用拓扑学的概念与方法,引入了网络拓扑的概念。
如果将通信子网中的CCP定义为通信节点,CCP及其直接连接的资源子网设备的集合定义为网络节点,这些节点都用圆点表示;连接任意两个节点的通信介质及其控制机制的集合称为链路,用连线表示。
于是,复杂的网络结构就可以用简单的点和线抽象成拓扑结构图来描述,如图1.2中的通信子网部分,就是采用网络拓扑的方法描述其结构的。
网络拓扑主要用于通信子网的结构设计和性能分析。
通信子网的拓扑结构有很多种,基本的有星形、总线、环形、树形和网格结构等。
3.计算机网络的体系结构
计算机网络的层次结构模型及其各层协议的集合。
2.4基本的网络拓扑结构
基本的网络拓扑结构包括星形、总线、环形、树形和网格结构,如图1.3所示。
其中,局域网采用前四种结构,广域网则通常采用网格结构和星形结构。
(a)星形结构(b)总线结构(c)环形结构
(d)树形结构(e)网格结构
图1.3常用的网络拓扑结构
(1)节点接入通信介质的方式
多点接入方式:
所有的节点(多于两个)共同连接到一条共享的通信介质上,其信号为广播式传送,如总线结构。
点到点接入方式:
每条通信链路只端接一对节点,称为点—点链路,采用这种接入方式的基本拓扑构型有星、环、树与网格结构,其信号是在逐个节点之间以接力方式传送的。
(2)星形结构
技术特征:
存在着一个中心节点,其余节点通过独享的点—点链路与中心节点连接。
中心节点控制全网的通信,任何两节点之间的通信都要通过中心节点。
主要优点:
结构和控制简单、易于实现;局部可靠性好,单一连接或非中心节点的故障不影响全局;故障检测与处理方便;适用结构化智能布线系统和光纤。
主要缺点:
要使用较多的通信介质;系统扩容不太方便;直接通信距离较短;中心
节点是系统可靠性的瓶颈,其故障将导致整个系统失效。
(3)总线结构
技术特征:
在总线结构中,所有节点共同连接到一条通信介质上,不存在中心节点。
同一时刻只允许一个节点发送信号,并以广播方式到达所有其它的节点。
主要优点:
结构简单、易于实现;使用介质少,布线容易;介质利用率高;节点可靠性好,单一节点的故障不影响全局;系统扩容方便。
主要缺点:
故障诊断与处理比较困难;介质可靠性差,通信介质的故障将导致整个系统失效;直接通信距离较短;不适于光纤介质。
(4)环型结构
技术特征:
所有节点分别通过点—点链路连接成闭合环路,环中的数据沿一个方向(顺时针或逆时针)逐站传送。
主要优点:
结构简单、易于实现;传输时延确定;使用介质少,并且适用光纤;通信距离可以比较长。
主要缺点:
可靠性差,任一节点与通信链路的故障都将导致系统失效;故障诊断与处理比较困难;控制、维护和扩容比较复杂。
(5)树形结构
a)在实际构建一个较大型的本地网时,往往采用多级星形网络,将它们按层次方式连接即形成树形结构的网络。
图1.1所示的网络就是一个由两级星形网组成的树形网。
采用这种结构的主要原因,一是可以扩展网络覆盖的地理范围;其次,在系统的不同层次,可以根据需要灵活地选用不同性能的实现技术,如主干网和二级网可以分别选用100M以太网和10M以太网实现,从而提高系统的性能价格比;第三,可以使系统具有较好的可扩充性。
b)树形结构的另一种应用是基于同轴电缆和宽带传输技术的网络。
这种网络的顶端和分支点处,使用的是转发器,它们只对信号进行转发。
其本质特征相当于总线结构,但在可扩展性和故障检测、隔离方面优于总线结构。
(6)网格结构
技术特征:
又称作无规则结构。
在网格结构中,节点之间根据需求使用点—点链路连接。
由于哪些节点之间需要建立直接的连接,是综合多种因素(通信流量、性能、成本等需求)确定的,因此一般为不规则结构。
当系统中的所有节点两两之间都使用点—点链路直接连接时,就构成了全互连结构。
这种结构的可靠性最高,但成本也最高。
主要优点:
系统可靠性和资源使用效率高,可扩充性好;系统配置灵活,不同的链路可以使用不同的介质、不同的传输速率和不同的传输方式。
主要缺点:
结构和控制复杂,管理难度较大;介质使用量大,实现成本高;必须采用路由选择算法等多种技术。
因此,该结构一般用于广域通信网。
3计算机网络的分类
1.基于服务器的网络和对等网络
按照网络计算模式分类。
●基于服务器的网络
这类网络主要由服务器和客户工作站组成。
前者提供网络资源与服务,后者共享服务器的资源与服务。
较好的安全性。
有利于管理和维护。
较好的性能价格比。
●对等网络
各工作站都是平等的。
它们相互之间既是服务器又是客户机,在各自管理自己的资源和用户的同时,又可以作为客户机访问其他工作站的资源。
网络结构简单,但只适于组成工作组网络,实现小型应用信息系统的组网。
●混合型网络
混合型网络是基于服务器的网络和对等网络相结合的产物。
在混合网络中,服务器负责管理网络用户及重要的网络资源,客户工作站一方面可以作为客户访问服务器的资源,另一方面相互之间又可以组成对等网络,实现相互的资源共享。
2.广播式网络和点到点网络
●在通信技术中,通信信道的类型有两类:
广播信道与点到点信道。
广播信道对应多点接入方式,一个节点发送的信息直接到达全部其它节点。
点到点信道对应点到点接入方式,如果两个节点之间没有直接的连接,那么它们只能通过其它节点转接。
由于网络必须通过信道进行数据传输,因此相应的计算机网络也可以分为两类:
广播式网络(BroadcastNetworks)与点到点式网络(Point—to—PointNetworks)。
●广播式网络
传统的局域网大都属于这类网络,如以太网、令牌总线网、令牌环等。
在广播式网络中,所有连网的计算机都共享一条物理的或逻辑的公共信道。
当一台计算机使用共享信道发送报文时,所有其他的计算机都会“收听”到这个报文。
在任意时刻,信道上只允许有一个节点的信息在传输。
●点到点网络
假如两台计算机之间没有直接连接的线路,那么它们之间的报文传输就要通过其它节点的接收、存储与转发,直至目的节点。
由于连接多台计算机的网络结构可能是复杂的,因此从源节点到目的节点可能存在多条路由,决定报文从通信子网的源节点到达目的节点的路由需要使用路由选择算法。
采用存储转发与路由选择机制是点到点网络与广播式网络的重要区别之一。
3.广域网、城域网与局域网
●计算机网络按其覆盖地理区域的远近可分为三类:
广域网(WAN)、城域网(MAN)和局域网(LAN)。
它们覆盖的地理区域不同,工作环境存在较大的区别,这就导致它们具有不同的本质特征,如拓扑结构、所有权、网络通信协议与实现技术等。
●广域网
广域网WAN(WideAreaNetworks)的覆盖距离从数十公里到数千公里,。
典型的低、中速广域网技术有X.25网络,综合业务数字网ISDN等。
高速广域网技术包括帧中继、宽带综合业务数字网B—ISDN、同步光纤网(SONET)、同步数字系列(SDH)、异步传输模式(ATM)、基于异步传输模式的网际协议(IPOA)、ATM局域网仿真(ATMLANE)、基于ATM的多协议访问(MPOA)、多协议标记交换(MPLS)及无线ATM等。
其中,ATMLANE应属于高速局域网范畴,为使ATM的论述具有完整性和系统性而把它与ATM的其他内容放在一起论述。
●城域网
城域网MAN(MetropolitanAreaNetworks)的覆盖距离从几公里到几十公里,可通过专门铺设的线路,或利用已有的电话线、有线电视电缆(CATV)、光纤、无线电、微波等来组建,是信息高速公路的重要支柱。
为了适应城域网发展的需要,IEEE802制定了IEEEE802.6标准。
该标准以分布式排队双总线(DQDB)网络为基础。
●局域网
局域网LAN(LocalAreaNetworks)的覆盖距离为10km以内,可采用双绞线、同轴电缆、光纤、微波、红外线等来组建校园、公司、企事业单位的网络应用信息系统。
典型的低、中速局域网包括:
基于载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)技术的总线网(IEEE802.3),含10BASE5(IEEE802.3)、10BASE2(IEEE802.3a)、10BASE-T(IEEE802.3i)、10BASE-F(IEEE802.3j)、10BASE-FP、10BASE-FL、10BASE-FB;令牌总线网(IEEE802.4),令牌环(IEEE802.5),无线局域网(IEEE802.11)等。
典型的高速局域网包括:
快速以太网或100BASE—T(IEEE802.3u),又分成100BASE-TX、100BASE-FX、100BASE-T4、100BASE-T2等;100VG-AnyLAN(IEEE802.12),光纤分布式数据接口FDDI(FiberDistributedDataInterface),高性能并行接口(HIPPI),千兆位以太网(IEEE802.3z),ATM局域网等。
高速局域网的数据传输速率至少为100Mb/s。
4.其它分类
●有线(固定)网与无线(移动)网
有线网一般指其通信介质采用的是有线介质,如双绞线、同轴电缆、光纤等。
在这类网络中,工作站的位置一般是固定的。
为了满足人们移动上网的需求,产生了无线局域网、移动Internet、移动IP网等移动网络技术,并已显示出广泛的应用前景。
●公用网和专用网
公用网一般由政府部门、大型企事业单位或公司组建,并由它们运营和管理。
公用网内的传输和交换装置,提供给其他单位和部门租用。
专用网是由某个单位组建的网络,所有权为该单位,由该单位独立进行运营、管理和维护。
专用网往往通过租用公用网的传输线路来实现远程组网
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