計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概論課件

吳功宜編著中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第1章

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概論本章學(xué)習(xí)要求：了解：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展過程。掌握：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義與分類方法。掌握：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的及組成與結(jié)構(gòu)的基本概念。掌握：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)型的定義、分類與特點(diǎn)。了解：典型的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。了解：網(wǎng)絡(luò)計(jì)算研究與應(yīng)用的發(fā)展。

31.1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的形成

1946年世界上第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC誕生時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)并沒有直接的聯(lián)系；20世紀(jì)50年代初，由于美國軍方的需要，美國半自動(dòng)地面防空系統(tǒng)（SAGE）的研究開始了計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的嘗試；隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，出現(xiàn)了多臺(tái)計(jì)算機(jī)互連的需求，網(wǎng)絡(luò)用戶希望通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源共享的目的；典型的研究成果是ARPAnet。51.1.3網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的研究一些大的計(jì)算機(jī)公司紛紛提出了各種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）成立專門委員會(huì)研究網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議國際標(biāo)準(zhǔn)化問題；ISO正式制訂了開放系統(tǒng)互連參考模型，制定了一系列的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；在1969年ARPAnet的實(shí)驗(yàn)性階段，研究人員就開始了TCP/IP協(xié)議雛形的研究；TCP/IP協(xié)議的成功促進(jìn)了Internet的發(fā)展，Internet的發(fā)展又進(jìn)一步擴(kuò)大了TCP/IP協(xié)議的影響。61.1.4Internet的應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)發(fā)展Internet的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了電子商務(wù)、電子政務(wù)、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、分布式計(jì)算與視頻點(diǎn)播的發(fā)展；高速局網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，F(xiàn)astEthernet、GigabitEthernet已開始進(jìn)入實(shí)用階段，速率為10Gb/s的Ethernet網(wǎng)正在研究之中；基于光纖與IP技術(shù)的寬帶城域網(wǎng)與寬帶接入網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為研究、應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)問題之一；網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)已經(jīng)成為重要的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與研究領(lǐng)域。71.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義與分類

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)定義的基本內(nèi)容資源共享觀點(diǎn)的定義：以能夠相互共享資源的方式互連起來的自治計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的集合。網(wǎng)絡(luò)建立的主要目的是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源的共享；互連的計(jì)算機(jī)是分布在不同地理位置的多臺(tái)獨(dú)立的“自治計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”；連網(wǎng)計(jì)算機(jī)在通信過程中必須遵循相同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。91.2.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類方法主要的是以下兩種：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所使用的傳輸技術(shù)分類；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與規(guī)模分類。101.按網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)進(jìn)行分類通信信道的類型有兩類：

廣播通信信道；點(diǎn)-點(diǎn)通信信道。相應(yīng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也可以分為兩類：

廣播式網(wǎng)絡(luò)（broadcastnetworks）；

點(diǎn)-點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò)（point-to-pointnetworks）。

11局域網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)覆蓋有限的地理范圍，它適用于公司、機(jī)關(guān)、校園、工廠等有限范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)、終端與各類信息處理設(shè)備連網(wǎng)的需求；提供高數(shù)據(jù)傳輸速率（10Mb/s～10Gb/s）、低誤碼率的高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境；一般屬于一個(gè)單位所有，易于建立、維護(hù)與擴(kuò)展；從介質(zhì)訪問控制方法的角度，局域網(wǎng)可分為共享介質(zhì)式局域網(wǎng)與交換式局域網(wǎng)兩類。13局域網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域個(gè)人計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)大型計(jì)算設(shè)備群的后端網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)辦公室與實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)企業(yè)與學(xué)校的主干網(wǎng)

14城域網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)城域網(wǎng)是介于廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的一種高速網(wǎng)絡(luò)；城域網(wǎng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是要滿足幾十公里范圍內(nèi)的大量企業(yè)、機(jī)關(guān)、公司的多個(gè)局域網(wǎng)互連的需求；實(shí)現(xiàn)大量用戶之間的數(shù)據(jù)、語音、圖形與視頻等多種信息的傳輸功能；城域網(wǎng)在技術(shù)上與局域網(wǎng)相似。151.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的組成與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)要完成數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)通信兩大基本功能。早期計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要是廣域網(wǎng)，它從邏輯功能上分為資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)兩個(gè)部分：資源子網(wǎng)—負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的主計(jì)算機(jī)與終端；通信子網(wǎng)—負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信處理的通信控制處理機(jī)與通信線路。17

資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)兩個(gè)部分的結(jié)構(gòu)示意圖

181.3.1資源子網(wǎng)的概念資源子網(wǎng)的組成主機(jī)終端終端控制器外設(shè)軟件資源信息資源主機(jī)（host）

大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、工作站或微機(jī)

終端（terminal）用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的界面;終端可以是簡單的輸入、輸出終端，也可以是帶有微處理機(jī)的智能終端;終端可以通過主機(jī)連入網(wǎng)內(nèi)，也可以通過終端控制器、報(bào)文分組組裝與拆卸裝置或通信控制處理機(jī)連入網(wǎng)內(nèi)。191.3.3現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，大量的微型計(jì)算機(jī)是通過局域網(wǎng)連入廣域網(wǎng)，而局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)、廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的互連是通過路由器實(shí)現(xiàn)的；在Internet中，用戶計(jì)算機(jī)需要通過校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)或ISP聯(lián)入地區(qū)主干網(wǎng)，地區(qū)主干網(wǎng)通過國家主干網(wǎng)聯(lián)入國家間的高速主干網(wǎng)，這樣就形成一種由路由器互聯(lián)的大型、層次結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。21由路由器互聯(lián)的大型、層次結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意圖221.4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)型

1.4.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩x拓?fù)鋵W(xué)是幾何學(xué)的一個(gè)分支，是從圖論演變而來。拓?fù)鋵W(xué)首先把實(shí)體抽象成與其大小、形狀無關(guān)的點(diǎn)，將連接實(shí)體的線路抽象成線，進(jìn)而研究了點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫峭ㄟ^網(wǎng)中結(jié)點(diǎn)與通信線路之間的幾何關(guān)系表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，反映出網(wǎng)絡(luò)中各實(shí)體間的結(jié)構(gòu)關(guān)系;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕侵竿ㄐ抛泳W(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)型;拓?fù)湓O(shè)計(jì)對網(wǎng)絡(luò)性能、系統(tǒng)可靠性與通信費(fèi)用都有重大影響。23點(diǎn)-點(diǎn)線路的通信子網(wǎng)基本拓?fù)錁?gòu)型點(diǎn)-點(diǎn)線路的特點(diǎn)：—每條物理線路連接一對結(jié)點(diǎn)。點(diǎn)-點(diǎn)線路的通信子網(wǎng)4種基本拓?fù)錁?gòu)型：星型；環(huán)型；樹型；網(wǎng)狀型。251.5典型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ARPANETNSFNET

InternetInternet2261.5.3Internet

20世紀(jì)80年代中期人們開始認(rèn)識(shí)到Internet的重要作用；20世紀(jì)90年代是Internet歷史上發(fā)展的最快的時(shí)期；Internet應(yīng)用主要有E-mail、、FTP與Usenet等，隨著Internet規(guī)模和用戶的不斷增長，Internet上的應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步得到開拓；從用戶的角度來看，Internet是一個(gè)全球范圍的信息資源網(wǎng)；從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)角度看，Internet是一個(gè)由路由器互聯(lián)起來的大型網(wǎng)際網(wǎng)。291.5.4Internet2

由于Internet的商業(yè)化，業(yè)務(wù)量增多，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能降低；1996年10月，一些大學(xué)申請建立Internet2，為其成員組織服務(wù)，初始運(yùn)行速率可達(dá)10Gb/s；Internet2可以用于多媒體虛擬圖書館、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教學(xué)、視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播VOD、天氣預(yù)報(bào)等領(lǐng)域；Internet2在網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行的是IPv4，同時(shí)也支持IPv6業(yè)務(wù)，希望形成下一代Internet的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)；人們希望利用更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)，開展全球通信、數(shù)字地球、環(huán)境檢測預(yù)報(bào)、能源與地球資源的利用研究，以及緊急事務(wù)的快速反應(yīng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。301.6網(wǎng)絡(luò)計(jì)算研究與應(yīng)用的發(fā)展

1.6.1網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的基本概念移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)多媒體計(jì)算的研究與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算的研究與應(yīng)用存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用

31“計(jì)算”這個(gè)詞在不同的時(shí)代有不同的內(nèi)涵；20世紀(jì)初，圖靈設(shè)計(jì)的第一個(gè)理論計(jì)算機(jī)模型和第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC問世，從那時(shí)以來，人類開始進(jìn)入了計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)代；需求和計(jì)算機(jī)能力迅速交替上升,而每一次計(jì)算能力的重大進(jìn)步都會(huì)對科學(xué)和人類生活帶來重大的影響；電子郵件、Web服務(wù)、電子商務(wù)與IP電話己給我們的生活帶來了很多變化，但是這僅僅是一個(gè)開始；網(wǎng)絡(luò)帶寬迅速地增長，軟件越來越豐富，網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)與日劇增，人們的生活、學(xué)習(xí)和工作將離不開網(wǎng)絡(luò)，21世紀(jì)人類將進(jìn)入的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算時(shí)代；32網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的“計(jì)算”已經(jīng)有了更為廣泛的含義；網(wǎng)絡(luò)將被看作是最強(qiáng)有力的超級計(jì)算環(huán)境，它包含了豐富的計(jì)算、數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)、傳輸?shù)雀黝愘Y源，用戶可以在任何地方登錄，處理以前不能完成的問題；人們可以在不同的地點(diǎn)，很多人共同完成大型的科學(xué)計(jì)算和工程設(shè)計(jì)；學(xué)生可以在網(wǎng)上聽世界任何一家其他大學(xué)知名教授的講座，查閱全球的數(shù)字圖書館的圖書、文獻(xiàn)；電話、電視機(jī)、收音機(jī)、空調(diào)和家庭安全裝置等各種信息家電都可以聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，可以用戶在異地和移動(dòng)過程中控制和管理。

331.6.2移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用

移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究課題；移動(dòng)計(jì)算是將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信技術(shù)結(jié)合起來，為用戶提供移動(dòng)的計(jì)算環(huán)境和新的計(jì)算模式，其作用是在任何時(shí)間都能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地將有用信息提供給在任何地理位置的用戶；移動(dòng)計(jì)算技術(shù)可以使用戶在汽車、飛機(jī)或火車?yán)镫S時(shí)隨地辦公，從事遠(yuǎn)程事務(wù)處理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、股市行情分析、戰(zhàn)場指揮、異地實(shí)時(shí)控制等。34移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的主要研究內(nèi)容蜂窩式數(shù)字分組數(shù)據(jù)通信平臺(tái)的應(yīng)用

無線局域網(wǎng)的應(yīng)用Adhoc網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用無線應(yīng)用協(xié)議WAP351.6.3多媒體網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用

多媒體網(wǎng)絡(luò)的基本概念

通過網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的結(jié)合，參與者與計(jì)算機(jī)組成了一個(gè)統(tǒng)一的虛擬環(huán)境。在網(wǎng)絡(luò)多媒體系統(tǒng)所提供的虛擬空間中，多臺(tái)計(jì)算機(jī)及其用戶通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)分布式交互仿真環(huán)境;多媒體網(wǎng)絡(luò)需要支持多媒體傳輸所需要的交互性與實(shí)時(shí)性要求;典型的網(wǎng)絡(luò)多媒體系統(tǒng)有網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)、分布式多媒體交互仿真系統(tǒng)、遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。36多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對數(shù)據(jù)通信的要求

高傳輸帶寬要求；不同類型的數(shù)據(jù)對傳輸?shù)囊蟛煌痪W(wǎng)絡(luò)中的多媒體流傳輸?shù)倪B續(xù)性與實(shí)時(shí)性要求；

網(wǎng)絡(luò)中多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r(shí)延要求；

網(wǎng)絡(luò)中的多媒體傳輸同步要求；網(wǎng)絡(luò)中的多媒體的多方參與通信的特點(diǎn)。37傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)對多媒體應(yīng)用的不適應(yīng)及解決的思路

改進(jìn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的方法主要是：—增大帶寬；—改進(jìn)協(xié)議。增大帶寬的主要方法是：—增大傳輸介質(zhì)的帶寬；—提高路由器性能。38改進(jìn)協(xié)議：

改進(jìn)協(xié)議最直接有效的方法是支持IP多播通信；支持多媒體網(wǎng)絡(luò)QoS的協(xié)議之一是資源預(yù)留協(xié)議(resourcereservationprotocol，RSVP)；區(qū)分服務(wù)DiffServ是根據(jù)每一類服務(wù)進(jìn)行控制；

多協(xié)議標(biāo)識(shí)交換(multiprotocollabelswitching，MPLS)技術(shù)的提出主要是為了更好地將IP協(xié)議與ATM高速交換技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)IP分組的快速交換；

391.6.4網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算的研究與應(yīng)用

基于網(wǎng)絡(luò)的并行計(jì)算：機(jī)群計(jì)算（clustercomputing）工作站網(wǎng)絡(luò)（networkofworkstation）可擴(kuò)展的計(jì)算（scalablecomputing）元計(jì)算（metacomputing）40機(jī)群計(jì)算機(jī)群計(jì)算是采用高速網(wǎng)絡(luò)連接一組工作站或微機(jī)組成一個(gè)機(jī)群，或在通用網(wǎng)上尋找一組空閑處理機(jī)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的虛擬機(jī)群，在中間件管理控制下提供具有很高性價(jià)比的高性能計(jì)算服務(wù)；

機(jī)群系統(tǒng)主要包括下列組件：—高性能的計(jì)算結(jié)點(diǎn)機(jī)（PC或工作站）；—具有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能的微內(nèi)核操作系統(tǒng)；—高性能的局域網(wǎng)系統(tǒng)；—高速傳輸協(xié)議和服務(wù)；—中間件與并行程序設(shè)計(jì)環(huán)境；—編譯器和語言等。41網(wǎng)格計(jì)算網(wǎng)格計(jì)算被定義為一個(gè)廣域范圍的無縫的集成和協(xié)同計(jì)算環(huán)境；網(wǎng)格計(jì)算不僅提供利用超級計(jì)算能力與環(huán)境，還是一種基礎(chǔ)組織。它把各種其他類遠(yuǎn)程資源和設(shè)備組織成統(tǒng)一的整體，這些設(shè)備包括從傳感器到數(shù)據(jù)源、從超級計(jì)算機(jī)到個(gè)人數(shù)字設(shè)備等廣泛的領(lǐng)域，對用戶提供最普遍的服務(wù)；網(wǎng)格計(jì)算包括分布式計(jì)算、高吞吐量計(jì)算、協(xié)同工程和數(shù)據(jù)查詢等多種功能。它也可理解為一種把廣義的各類資源（包括機(jī)群系統(tǒng)）綜合起來的超級機(jī)群；42網(wǎng)格計(jì)算的應(yīng)用包括：桌面超級計(jì)算、智能設(shè)備、協(xié)同環(huán)境與分布式并行計(jì)算。桌面超級計(jì)算可以將普通桌面用戶和超級計(jì)算中心、大型數(shù)據(jù)庫連接起來，用戶可以不受距離限制使用這些計(jì)算能力；智能設(shè)備可以連接用戶和大量的、分布的、遠(yuǎn)程的智能設(shè)備，如顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、傳感器、衛(wèi)星設(shè)備等，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和遠(yuǎn)程操作等；協(xié)同環(huán)境可以連接多個(gè)虛擬環(huán)境使不同位置的用戶能進(jìn)行交互、仿真。

431.6.5存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用

Internet與存儲(chǔ)技術(shù)的結(jié)合，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)量的劇增和對數(shù)據(jù)高效管理的要求導(dǎo)致了存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（storagearean