《計算機網絡》全套PPT電子課件教案-第1章 引論.ppt

計算機網絡 西安交通大學 計算機教學實驗中心 2012.8 1 教學內容 第1章 引論 第2章 數據通信基礎知識 第3章 計算機網絡體系結構 第4章 計算機局域網絡 第5章 計算機廣域網技術 第6章 網絡操作系統(tǒng) 第7章 常用網絡設備 第8章 網絡互聯與因特網基礎 第9章 因特網的應用 第10章 網絡管理與網絡安全 2 教材 馮博琴主編，計算機網絡（第二版），高等教育出版社，2004.7 授課環(huán)節(jié) 教學：32學時 實驗：16學時 考核：平時25%，實驗15%，期末考試60% 答疑 從 / 進入計教中心主頁，進入后選擇“網絡課堂”，“討 論答疑室”，再選擇“計算機網絡原理”即可進入本課程的網上答疑bbs站。 課件下載 70/teacher/network/計算機網絡ppt_2004 用戶名：student 密碼：ctec 3 作業(yè)提交 每次批改二分之一。按學號交：第1次單號 交，第2次雙號交，依此類推。 提交方法（以下二種方法均可）： 1）作業(yè)本 2）電子郵件: 要求word文件，附在郵件上，請注明 班 級、姓名、學號。 4 第1章 引論 本章內容 計算機網絡的產生和發(fā)展 計算機網絡的概念 計算機網絡的功能 計算機網絡的分類 5 1.1 計算機網絡的產生和發(fā)展 早期的計算機應用模式單機 大、中、小型機龐大，昂貴，資源無法共享 分散的計算機構成了一個個的信息“孤島” 計算機網絡產生始于1950s，產生的原因： 資源共享的需求（計算能力、外設、軟件、數 據） 大型項目的合作（進行工程項目協作） 人與人之間的信息溝通（數據通信） 6 從體系結構來觀察，計算機網絡的發(fā) 展可分為三個階段（三代網絡）： 1. 以主機為中心的聯機終端系統(tǒng) “計算機終端”系統(tǒng) 2. 以通信子網為中心的主機互連 “計算機計算機”網絡 3. 體系結構標準化網絡 層次化結構，并對每層進行了精確定義 7 1.以主機為中心的聯機終端系統(tǒng) 特征：終端(terminal)共享主機(host)的軟硬件資源 單臺主機：執(zhí)行計算和通信任務 多臺終端：執(zhí)行用戶交互 (終端集中器/終端服務器) 連接方式：本地或遠程 ts t t t t t t host 通信線路 t 8 例子：飛機訂票系統(tǒng) host(航空公司總部) terminals(訂票點) 通信線路(電話線路) 缺點 主機負荷重數據處理通信 線路利用率低 集中控制方式，可靠性低 改進 終端集中器(近/遠距) 前端處理機（front-end processor, fep）， 將通信任務從主機中分離出來 9 2.以通信子網為中心的主機互連 特征 多個終端聯機系統(tǒng)互聯，形成了多主機互聯網 絡 網絡結構從“主機終端” 轉變?yōu)椤爸鳈C主機” host hosthost t t t t t t t t t t 通信線路 10 主機主機網絡的演變 演變階段1 通信任務從主機中 分離，由通信控制 處理機（ccp）完 成 ccp：處理主機之 間通信任務的專用 計算機 ccp ccp host host t t tt t t ccp host tt 11 兩層網絡概念的出現 由ccp組成的傳輸網絡通信子網，提供 信息傳輸服務 建立在通信子網基礎上的主機集合資源子 網，提供計算資源 ccp ccp host host t t tt t t ccp host tt t 通信子網 12 兩層網絡的概念結構 c cc h h h 資源子網 通信子網 在通信子網上可有 多個資源子網，共 享通信子網的服務 h h 13 演變階段2 通信子網規(guī)模逐漸擴 大 私有社會公用 公用數據通信網 pstn x.25 優(yōu)點 降低用戶系統(tǒng)建設成本 提高通信線路利用率 兼容性好 公用數據 通信網 host host t t tt t t host tt t t 14 例子 因特網的前身arpanet 美蘇冷戰(zhàn)時期由美國軍方建立的實驗性網 絡 最初4個節(jié)點70s的60多個節(jié)點 地域跨越美洲、歐洲 具有現代網絡的許多特征，例如： 分組交換 分層次的網絡體系 較為完善的通信協議 15 3. 體系結構標準化網絡 為什么需要標準化？ 不同網絡設備之間的兼容性和互操作性是推動 網絡體系結構的標準化的原動力 而兼容性和互操作性的最終目的仍是資源共享 標準化的時機？ 先制定標準再開發(fā)還是先開發(fā)再制定標準？ 各廠商、研究機構、大學在網絡技術、方法、 理論等方面的研究日趨成熟是基礎 16 網絡體系結構標準化過程的演變 廠商標準：ibm-sna，dec-dna等 缺點：適用范圍：兼容性？ 技術壟斷：競爭？ 標準不統(tǒng)一：用戶利益？ 國際標準（iso osi/rm） open system interconnection/recommended model(開放系統(tǒng)互聯參考模型，簡稱osi參考模型 ) osi參考模型是一種概念上的網絡模型，規(guī)定了網 絡體系結構的框架：7個層次 只說明了做什么（what to do）而未規(guī)定怎樣 做（how to do） 太復雜，幾乎沒有與之完全符合的網絡 事實上的標準：tcp/ip(因特網的骨干協議) 從體系結構上看，它是osi參考模型的簡化（4層 ） 17 4.因特網時代的到來 因特網的出現標志著網絡時代的到來 因特網是全球性的網絡 豐富的信息和便利的使用是其規(guī)模迅速增 長的主要驅動力 截止到2000年, internet的規(guī)模為 網絡數達到105數量級, 主機數達到107數量級, 用 戶數108數量級，主干速率大于2.5gbit/s 美國政府資助的“下一代因特網計劃”目標 是 主干網的速率比現在的因特網高1000倍 端到端的速率要達到100mbit/s10gbit/s 18 1.2 計算機網絡的概念 計算機網絡定義的主要觀點： 從應用的觀點：以相互共享資源方式連接起 來，且各自具有獨立功能的計算機系統(tǒng)的集 合。 從物理的觀點：在網絡協議的控制下，由若 干臺計算機和數據傳輸設備組成的系統(tǒng)。 觀點3：利用各種通信手段，把地理分散的計 算機互聯起來，能夠互相通信且共享資源的 系統(tǒng)。 19 歸納與綜合 計算機網絡：相互連接的自治計算機的集合 自治：能獨立運行，不依賴于其他計算機 “主控-從屬”類型的系統(tǒng)是計算機網絡嗎 ？ “主機-終端”系統(tǒng)（第一代網絡）呢？ 互連：以任何可能的通信連接方式 有線方式：銅線、光纖 無線方式：紅外、無線電（微波）、衛(wèi) 星 通信網絡 計算機 系統(tǒng) 計算機 系統(tǒng) 20 計算機網絡與其它類似系統(tǒng)的比較 終端分時系統(tǒng) 各終端分時占用主機資源 終端無計算能力，對主機的依賴性極強 通信主要采用異步串行連接（本地或遠程） 多機系統(tǒng) 緊耦合，主機間通信多采用共享存儲器、共享 總線等（有的系統(tǒng)也采用高速局域網） 分布式系統(tǒng) 見下頁 21 計算機網絡與分布式系統(tǒng) 分布式系統(tǒng)的特點 在分布式os統(tǒng)一調度下，各計算機 協調工作，共同完成一項任務，如并 行計算。 用戶面對的是一臺邏輯上的計算機， 組成分布式系統(tǒng)的各計算機怎樣協同 工作，對用戶透明。 用途主要是科學計算和事務處理。 22 計算機網絡與分布式系統(tǒng)（續(xù)） 計算機網絡 非協調性的； 松散耦合的； 各計算機對用戶非透明，用戶必須指定資 源的位置； 用途主要是資源共享。 分布式系統(tǒng)往往是基于計算機網絡來實現的 ： 在因特網中，域名服務系統(tǒng)（dns)是分布式系統(tǒng) 的一項典型的應用。 分布式數據庫系統(tǒng)也需要網絡的支持。 23 1.3 計算機網絡能做什么（功能） 數據通信(communication medium) 文件傳輸、ip電話、email、視頻會議、信息發(fā)布、交 互式娛樂、音樂 資源共享(resource sharing) 軟件、硬件、數據（數據庫） 提供高可靠性服務(high reliability) 利用可替代的資源，提供連續(xù)的高可靠服務 節(jié)省投資(saving money) 替代昂貴的大中型機系統(tǒng) 分布式處理(distributed processing) 24 1.4 計算機網絡系統(tǒng)的組成 硬件 網絡節(jié)點 端節(jié)點：計算機 中間節(jié)點：交換機、集中器、復用器、路由器、中繼 器 通信鏈路：信息傳輸的通道 物理：傳輸介質 邏輯：信道 類比catv的電纜和頻道之間的關系 軟件 通信軟件（網絡協議軟件） 網絡操作系統(tǒng) 網絡管理/安全控制軟件、網絡應用軟件 25 1.5 計算機網絡的分類 n按地域范圍分類 局域網(local area network ， lan) 范圍：小，20km 傳輸技術：基帶，10-1000mbps，延遲低，出錯率低（10-11 ） 拓撲結構：總線，環(huán) 城域網(metropolitan area network ， man) 范圍：中等，100km 傳輸技術：寬帶/基帶 拓撲結構：總線 廣域網(wide area network ， wan) 范圍：大，100km 傳輸技術：寬帶，延遲大，出錯率高 拓撲結構：不規(guī)則，點到點 26 n按拓撲結構分類 星形 有一個中心節(jié)點， 其它節(jié)點與其構成 點到點連接 樹形 一個根結點、多個 中間分支節(jié)點和葉 子節(jié)點構成 星形拓撲 樹形拓撲 27 n按拓撲結構（續(xù)） 總線 所有節(jié)點掛接到一 條總線上，廣播式 信道 需要有介質訪問控 制規(guī)程以防止沖突 環(huán)形 所有節(jié)點連接成一 個閉合的環(huán)，結點 之間為點到點連接 總線形拓撲 環(huán)形拓撲 28 n按拓撲結構分類（續(xù)） 全連接 點到點全連接，連接數 隨節(jié)點數的增長迅速增 長（n(n-1)/2），使建 造成本大大提高，只適 用于節(jié)點數很少的廣域 網中 不規(guī)則（網狀） 點到點部分連接，多用 于廣域網，由于連接的 不完全性，需要有交換 節(jié)點 不規(guī)則拓撲 全連接拓撲 29 30 按通信傳播方式分類： 點對點傳輸方式的網絡：由一對對機器 間的多條傳輸鏈路構成。 信源與信宿之間的通信需經過一臺和多臺 中間設備進行傳輸。 網狀、環(huán)形、樹形、星形 廣播方式網絡：一臺計算機發(fā)送的信息 可被網絡上所有的計算機接收。 總線形、無線（微波、衛(wèi)星） 局域網絡通常使用廣播方式，廣域網 絡通常使用點對點方式(也有例外)。 31 數據及計算機通信術語 數據（data）：傳遞（攜帶）信息的實體。 信息（information）：數據的內容或解釋。 信號（signal）：數據的物理量編碼（通常為電 編碼），數據以信號的形式在介質中傳播。 模擬信號、數字信號 基帶（base band）、寬帶（broad band） 信道（channel）：傳送信息的線路（或通路） 。 比特（bit）：即一個二進制位。比特率為每秒傳 輸的比特數（即數據傳送速率）。 碼元（code cell）：時間軸上的一個信號編碼單 元。 32 同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始 同步脈沖也可位于碼元的中部 一個碼元也可有多個同步脈沖相對應 t 碼元1 碼元2碼元3碼元4碼元5 信號 同步脈沖 t 33 波特（baud）：碼元傳輸的速率單位。波 特率為每秒傳送的碼元數（即信號傳送速率 ）。 比特率、波特率和信號編碼級數的關系如下： rbit = rbaud log2m 上式中： m-信號的編碼級數，rbit-比特率，rbaud-波特率 一個信號往往可以攜帶多個二進制位，所以在 固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特 率。換句話說，一個碼元中可以傳送多個比特 。 例如：當波特率為9600時 若m=2，數據傳輸率為9600b/s 若m=16，數據傳輸率為38.4kb/s 34 誤碼率：信道傳輸可靠性指標，是一個概率 值。 信息編碼：將信息用二進制數表示的方法。 例如：ascii編碼、bcd編碼等 數據編碼：將數據用物理量表示的方法。 例如：字符a的ascii編碼為01000001，其數 據編碼可能為 01000001 t 35 帶寬（band width，bw）：信道傳輸能力的度量。 在傳統(tǒng)的通信工程中： bw fmax fmin 單位：赫茲（hz） 在計算機網絡中，用每秒允許傳輸的二進制位數作為帶 寬的計量單位。主要單位： b/s ，kb/s，mb/s，gb/s。 例如：傳統(tǒng)以太網理論上每秒可以傳輸一千萬比特，它的帶寬 為10mb/s。 時延（delay）：信息從網絡的一端傳送到另一端所需的 時間。 時延=處理時延+排隊時延 +發(fā)送時延+傳播時延 處理時延=對數據進行處理和錯誤校驗所需的時間 排隊時延=數據在中間結點等待轉發(fā)的延遲時間 發(fā)送時延=數據位數/信道帶寬 傳播時延=d/s d:距離，s:介質中信號傳播速度(0.7c) 36 時延帶寬乘積：某一信道所能容納的比特數 。 時延帶寬乘積=帶寬傳播時延 例如，某信道的時延帶寬乘積為100萬比特，這 意味著第一個比特到達目的端時，源端已發(fā)送 了100萬比特。 信道 帶寬 傳播時延 管道體積=時延帶寬乘積 37