计算机网络基础教程-第1章_计算机网络概述

null第1章 计算机网络概述第1章 计算机网络概述本章内容本章内容知识结构知识结构计算机网络概述计算机网络的基本概念标准化组织与机构网络软件的组成网络硬件的组成网络的逻辑结构网络技术的发展趋势计算机网络的结构组成中国国家标准局欧洲组织与机构美国组织与机构国际组织与机构计算机网络的功能计算机网络的定义计算机网络的特点计算机网络的应用计算机网络的发展网络的拓扑结构按传播方式分类按覆盖范围分类按传输介质分类按传输技术分类计算机网络的分类计算机网络的关键技术计算机网络支撑技术计算机网络的研究热点§1.1 计算机网络的基本概念§1.1 计算机网络的基本概念 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它的诞生使计算机的体系结构发生了巨大变化。在当今社会发展中，计算机网络起着非常重要的作用，并对人类社会的进步做出了巨大贡献。 现在，计算机网络的应用遍布全世界及各个领域，并已成为人们社会生活中不可缺少的重要组成部分。从某种意义上讲，计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家的计算机科学和通信技术的水平，也是衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。 那么，计算机网络涉及到哪些基本概念、知识和技术呢？这就是本章所要讨论的问题。1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展 1、远程联机阶段 　　为了共享主机资源和信息采集以及综合处理，用一台计算机与多台用户终端相连，用户通过终端命令以交互方式使用计算机，人们把它称为远程联机系统。 ⑴ 前端处理机结构：前端处理机（FEP）用来专门负责通信工作，实现数据处理与通信控制的分工，发挥了中心计算机的数据处理能力。前端处理机的结构如图1-1所示。图 1-1 利用前端处理机的结构示意图终端ModemModemCCP或FEPModem主机1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展利用调制解调器的结构示意图 ⑵ 调制解调器：由于计算机和远程终端发出的信号都是数字信号，而公用电话线路只能传输模拟信号，所以在传输钱必须把计算机或远程终端发出的数字信号转换成可在电话线上传送的模拟信号,传输后再将模拟信号转换成数字信号。利用调制解调器的结构如下图所示。1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展 ⑶ 集线器结构：把终端发来的信息收集起来，并把用户的作业信息存人集中器中,然后再用高速线路将数据信息传给前端处理机，最后提交给主机。 远程联机系统的特点是系统中只有一个计算机处理中心，各终端通过通信线路共享主计算机的硬件和软件资源，因此，主计算机负担过重，终端独占线路，资源利用率低。利用集线器的结构示意图1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展　　计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基本功能，因此在逻辑结构上可以将其分成两部分：资源子网和通信子网。2、多机互联网络阶段 (1)资源子网：是计算机网络的外层，它由提供资源的主机和请求资源的终端组成。资源子网的任务是负责全网的信息处理。 (2)通信子网：是计算机网络的内层，它的主要任务是将各种计算机互连起来完成数据传输、交换和通信处理。1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展3、标准化网络阶段1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展 4、网络互联与高速网络阶段 进入20世纪90年代,计算机技术、通信技术以及建立在互联计算机网络技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛的发展。特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施 （National Information Infrastructure，NII）后，全世界许多国家纷纷制订和建立本国的NII,从而极大的推动了计算机网络技术的发展，使计算机网络进入一个崭新的阶段，这就是计算机网络互联与高速网络阶段。 目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成人类最重要的、最大的知识宝库。网络互联和高速计算机网络就成为第四代计算机网络。 1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.1　计算机网络的形成与发展1.1.2　计算机网络的定义1.1.2　计算机网络的定义 到目前为止, 计算机网络并没有一个确切的定义。其实，我们可以简单地描述为：计算机网络是通过通信线路连接起来的自治的计算机集合。该描述包括了3个方面的含义： ① 必须有两台或两台以上、具有独立功能的计算机系统相互连接起来，以达到共享资源为目的； ② 计算机互相通信交换信息，必须有一条通道。这条通道的连接是物理的，由物理介质来实现（例如铜线、光纤、微波、卫星等）； ③ 计算机系统之间的信息交换，必须要遵守某种约定和规则。 以上从三个方面概括了计算机网络的基本内涵。因此，我们可以把计算机网络定义为： 1.1.2　计算机网络的定义1.1.2　计算机网络的定义 计算机网络是把分布在不同地点，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件和 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的管理下，以实现网络中资源共享为目标的系统。 由多台计算机组成的计算机网络系统模型如图1-4所示。1.1.3　计算机网络的主要功能1.1.3　计算机网络的主要功能1.1.3　计算机网络的主要功能1.1.3　计算机网络的主要功能 1、资源共享 ⑴ 硬件资源：包括各种类型的计算机、大容量存储设备、计算机外部设备，如彩色打印机、静电绘图仪等。 ⑵ 软件资源：包括各种应用软件、工具软件、系统开发所用的支撑软件、语言处理程序、数据库管理系统等。 ⑶ 数据资源：包括数据库文件、数据库、办公文档资料、企业生产报 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 等。 ⑷ 信道资源：通信信道可以理解为电信号的传输介质。通信信道的共享是计算机网络中最重要的共享资源之一。 2、网络通信 通信通道可以传输各种类型的信息,包括数据信息和图形、图像、声音、视频流等各种多媒体信息。1.1.3　计算机网络的主要功能1.1.3　计算机网络的主要功能 3、分布处理 把要处理的任务分散到各个计算机上运行，而不是集中在一台大型计算机上。这样，不仅可以降低软件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的复杂性，而且还可以大大提高工作效率和降低成本。 4、集中管理 对地理位置分散的组织和部门,可通过计算机网络来实现集中管理,如数据库情报检索系统、交通运输部门的定票系统、军事指挥系统等。 5、均衡负荷 当网络中某台计算机的任务负荷太重时，通过网络和应用程序的控制和管理，将作业分散到网络中的其它计算机中，由多台计算机共同完成。1.1.4　计算机网络的特点1.1.4　计算机网络的特点 1、可靠性 在一个网络系统中，当一台计算机出现故障时，可立即由系统中的另一台计算机来代替其完成所承担的任务。同样，当网络的一条链路出了故障时可选择其它的通信链路进行连接。 2、高效性 计算机网络系统摆脱了中心计算机控制结构数据传输的局限性，并且信息传递迅速，系统实时性强。网络系统中各相连的计算机能够相互传送数据信息，使相距很远的用户之间能够即时、快速、高效、直接地交换数据。 3、独立性 网络系统中各相连的计算机是相对独立的，它们之间的关系是既互相联系，又相互独立。1.1.4　计算机网络的特点1.1.4　计算机网络的特点 4、扩充性 在计算机网络系统中,人们能够很方便、灵活地接入新的计算机，从而达到扩充网络系统功能的目的。 5、廉价性 计算机网络使微机用户也能够分享到大型机的功能特性,充分体现了网络系统的“群体”优势，能节省投资和降低成本。 6、分布性 计算机网络能将分布在不同地理位置的计算机进行互连，可将大型、复杂的综合性问题实行分布式处理。 7、易操作性 对计算机网络用户而言,掌握网络使用技术比掌握大型机使用技术简单，实用性也很强。1.1.5　计算机网络的应用1.1.5　计算机网络的应用　　计算机网络技术的发展给传统的信息处理工作带来了革命性的变化，同时也给传统的管理带来了很大的冲击。目前，计算机网络的应用主要体现在以下几个方面：1.1.5　计算机网络的应用1.1.5　计算机网络的应用　　1、数字通信 数字通信是现代社会通信的主流，包括网络电话、可视图文系统、视频会议系统和电子邮件服务。 2、分布式计算 分布式计算包括两个方面：一是将若干台计算机通过网络连接起来，将一个程序分散到各计算机上同时运行，然后把每一台计算机计算的结果搜集汇总，整体得出结果；另一种是通过计算机将需要大量计算的题目送到网络上的大型计算机中进行计算并返回结果。 3、信息查询 信息查询是计算机网络提供资源共享的最好工具, 通过“搜索引擎”，用少量的“关键”词来概括归纳出这些信息内容, 很快地把你所感兴趣的内容所在的网络地址一一罗列出来。1.1.5　计算机网络的应用1.1.5　计算机网络的应用　　4、远程教育 远程教育是利用Internet技术开发的现代在线服务系统，它充分发挥网络可以跨越空间和时间的特点，在网络平台上向学生提供各种与教育相关的信息,做到“任何人在任何时间、任何地点，可以学习任何课程”。 5、虚拟现实 虚拟现实是计算机软硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及心理学等高速发展的结晶。虚拟现实与传统的仿真技术都是对现实世界的模拟,即两者都是基于模型的活动， 而且都力图通过计算机及各类装置达到现实世界尽可能精确地再现。随着计算机科学技术的飞速发展，虚拟现实技术与仿真技术必将在21世纪异彩纷呈，绚丽夺目。1.1.5　计算机网络的应用1.1.5　计算机网络的应用　　6、电子商务 广义的电子商务包括各行各业的电子业务、电子政务、电子医务、电子军务、电子教务、电子公务和电子家务等；狭义的电子商务指人们利用电子化网络化手段进行商务活动。 7、办公自动化 办公自动化能实现办公活动的科学化、自动化，最大限度提高工作质量、工作效率和改善工作环境。 8、企业管理与决策 随着计算机网络的广泛应用，各类企业采用管理科学与信息技术相结合的方式，开发企业管理和决策信息系统，为企业管理和决策提供支持服务。目前，正在朝着开发“智能化”的决策支持系统迅速发展。§1.2　计算机网络的结构组成 §1.2　计算机网络的结构组成 一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的。网络硬件是计算机网络系统的物理实现,网络软件是网络系统中的技术支持。两者相互作用,共同完成网络功能。1.2.1　网络硬件的组成1.2.1　网络硬件的组成　　计算机网络硬件系统是由计算机(主机、客户机、终端)、通信处理机(集线器、交换机、路由器)、通信线路(同轴电缆、双绞线、光纤)、信息变换设备(Modem，编码解码器)等构成。1.2.1　计算机硬件的组成1.2.1　计算机硬件的组成 1、主计算机 在一般的局域网中，主机通常被称为服务器，是为客户提供各种服务的计算机，因此对其有一定的技术指标要求，特别是主、辅存储容量及其处理速度要求较高。根据服务器在网络中所提供的服务不同,可将其划分为文件服务器、打印服务器、通信服务器等。 2、网络工作站 除服务器外，网络上的其余计算机主要是通过执行应用程序来完成工作任务的，我们把这种计算机称为网络工作站或网络客户机，它是网络数据主要的发生场所和使用场所，用户主要是通过使用工作站来利用网络资源并完成自己作业的。 1.2.1　计算机硬件的组成1.2.1　计算机硬件的组成 3、网络终端 是用户访问网络的界面，它可以通过主机联入网内，也可以通过通信控制处理机联入网内。 4、通信处理机 一方面作为资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面它又作为通信子网中分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能。 5、通信线路 通信线路（链路）是为通信处理机与通信处理机、通信处理机与主机之间提供通信信道。 6、信息变换设备 对信号进行变换，包括：调制解调器、无线通信接收和发送器、用于光纤通信的编码解码器等。1.2.2　网络软件的组成1.2.2　网络软件的组成　　在计算机网络系统中，除了各种网络硬件设备外，还必须具有网络软件。网络软件的组成1.2.2　计算机软件的组成1.2.2　计算机软件的组成 1、网络操作系统 网络操作系统是网络软件中最主要的软件,用于实现不同主机之间的用户通信，以及全网硬件和软件资源的共享，并向用户提供统一的、方便的网络接口,便于用户使用网络。目前网络操作系统有三大阵营：UNIX、NetWare和Windows。目前， 我国最广泛使用的是Windows网络操作系统。 2、网络协议软件 网络协议是网络通信的数据传输规范，网络协议软件是用于实现网络协议功能的软件。 目前, 典型的网络协议软件有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、IEEE802标准协议系列等。其中, TCP/IP是当前异种网络互连应用最为广泛的网络协议软件。1.2.2　计算机软件的组成1.2.2　计算机软件的组成 3、网络管理软件 网络管理软件是用来对网络资源进行管理以及对网络进行维护的软件，如性能管理、配置管理、故障管理、记费管理、安全管理、网络运行状态监视与统计等。 4、网络通信软件 是用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件，使用户能够在不必详细了解通信控制规程的情况下，控制应用程序与多个站进行通信,并对大量的通信数据进行加工和管理。 5、网络应用软件 网络应用软件是为网络用户提供服务，最重要的特征是它研究的重点不是网络中各个独立的计算机本身的功能，而是如何实现网络特有的功能。1.2.3　网络的拓扑结构1.2.3　网络的拓扑结构 拓扑学是几何学的一个分支。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点,将连接实体的线路抽象成线,进而研究点、线、面之间的关系,即拓扑结构(Topology Structure)。 在计算机网络中，抛开网络中的具体设备，把服务器、工作站等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆、双绞线等传输介质抽象为“线”。 计算机网络的拓扑结构就是指计算机网络中的通信线路和结点相互连接的几何排列方法和模式。拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等许多方面，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。1.2.3　网络的拓扑结构1.2.3　网络的拓扑结构优点：结构简单，价格低廉、安装使用方便。 缺点：故障诊断和隔离比较困难。 1、总线型拓扑结构 总线型拓扑结构是指所有结点共享一根传输总线,所有的站点都通过硬件接口连接在这根传输线上。 图 1-6 总线型拓扑结构示意图1.2.3　网络的拓扑结构1.2.3　网络的拓扑结构 2、星型拓扑结构 星型拓扑结构是符合令牌协议的高速局域网络。它是以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的幅射式互连结构。 优点：单点故障不影响全网，结构简单。增删节点及维护管理容 易；故障隔离和检测容易，延迟时间较短。 缺点：成本较高，资源利用率低；网络性能过于依赖中心节点。1.2.3　网络的拓扑结构1.2.3　网络的拓扑结构 3、树型拓扑结构 树型结构是星型结构的扩展，它由根结点和分支结点所构成，如图1-8所示。 优点：结构比较简单，成本低。扩充节点方便灵活。 缺点：对根的依赖性大。图 1-8 树型拓扑结构示意图工作站工作站打印机服务器集线器集线器集线器集线器1.2.3　网络的拓扑结构1.2.3　网络的拓扑结构 环型结构的显著特点是每个节点用户都与两个相邻节点用户相连。 优点：简化路径选择控制，传输延 迟固定,实时性强,可靠性高。 缺点：节点过多时,影响传输效率。 环某处断开会导致整个系统 的失效，节点的加入和撤出 过程复杂。 4、 环型拓扑结构 环型拓扑结构将所有网络结点通过点到点通信线路连接成闭合环路,数据将沿一个方向逐站传送，每个结点的地位和作用相同，且每个结点都能获得执行控制权。1.2.3　网络的拓扑结构1.2.3　网络的拓扑结构 5、网状拓扑结构 网状拓扑结构中的所有结点之间的连接是任意的,没有规律。实际存在与使用的广域网基本上都采用网状拓扑结构。 优点：具有较高的可靠 性。某一线路或 节点有故障时， 不会影响整个网 络的工作。 缺点：结构复杂，需要 路由选择和流控 制功能，网络控 制软件复杂，硬 件成本较高，不 易管理和维护。§1.3 计算机网络的分类 §1.3 计算机网络的分类 从不同方向来进行分类　　由于计算机网络自身的特点，其分类方法有多种。根据不同的分类原则，可以得到不同类型的计算机网络。1.3.1　按覆盖范围分类 1.3.1　按覆盖范围分类 ⑴ 局部区域网：传输速率为1～20Mb/s,最大距离为25km,采用分组交换技术,入网最大设备数为几百到几千。 ⑵ 高速区域网：采用CATV电缆或光缆,传输速率一般50Mb/s，最大距离为1km,入网最大设备数为几十个。图 1-11 局域网连接示意图服务器工作站工作站工作站打印机 根据网络连接的地理范围,可将计算机网络分成局域网、城域网、广域网三种类型。 1、 局域网（Local Area Network，LAN） 局域网的作用范围是几百到几千米，通常用于组建企业网和校园网，并分为局部区域网和高速区域网。1.3.1　按覆盖范围分类1.3.1　按覆盖范围分类 2、 城域网（Wide Area Network，WAN） 　城域网是局域网的延伸,用于局域网之间的连接,网络规模局限在一座城市范围内, 覆盖的地理范围从几十至几百公里。图 1-12 城域网链接示意图1.3.1　按覆盖范围分类1.3.1　按覆盖范围分类 3、广域网（Wide Area Network，WAN） 广域网又称远程网，是指在一个很大地理范围（从数百公里到数千公里，甚至上万公里）由许多局域网组成的网络。广域网是将远距离的网络和资源连接起来的任何系统，主要用在一个地区、行业甚至在全国范围内组网,达到资源共享的目的。1.3.1　按覆盖范围分类1.3.1　按覆盖范围分类图 1-14 广域网、城域网和局域网的连接关系示意图 广域网使用的主要技术为存储-转发技术。城域网与局域网之间的连接是通过接入网来实现的。接入网又称为本地接入网或居民接入网，它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术，是局域网与城域网之间的桥接区。1.3.2　按传播方式分类1.3.2　按传播方式分类 如果按照传播方式不同，可将计算机网络分为“广播网络”和“点-点网络”两大类。　　广播式网络是指网络中的计算机或者设备使用一个共享的通信介质进行数据传播，网络中的所有结点都能收到任一结点发出的数据信息。 广播式网络的基本连接如图所示。1、广播式网络1.3.2　按传播方式分类1.3.2　按传播方式分类目前，在广播式网络中的传输方式有3种：1.3.2　按传播方式分类1.3.2　按传播方式分类点-点传播方式主要应用于WAN中，通常采用的拓扑结构有：星型、环型、树型、网状型。　　 点-点式网络是两个结点之间的通信方式是点对点的。如果两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储、转发，直至目的结点。2、点-点网络（Point-to-point Network）1.3.3　按传输介质分类 1.3.3　按传输介质分类 1、有线网（Wired Network） ⑴ 双绞线：其特点是比较经济、安装方便、传输率和抗干扰能力一般，广泛应用于局域网中。 ⑵ 同轴电缆：俗称细缆，现在逐渐淘汰。 ⑶ 光纤电缆：特点是光纤传输距离长、传输效率高、抗干扰性强，是高安全性网络的理想选择。 2、 无线网（Wireless Network） ⑴ 无线电话网：是一种很有发展前途的连网方式。 ⑵ 语音广播网：价格低廉、使用方便，但安全性差。 ⑶ 无线电视网：普及率高，但无法在一个频道上和用户进行实时交互。 ⑷ 微波通信网：通信保密性和安全性较好。 ⑸ 卫星通信网：能进行远距离通信，但价格昂贵。1.3.4　按传输技术分类 1.3.4　按传输技术分类 计算机网络数据依靠各种通信技术进行传输，根据网络传输技术分类，计算机网络可分为以下5种类型：1.3.4　按传输技术分类 1.3.4　按传输技术分类 事实上，网络类型的划分在实际组网中并不重要，重要的是组建的网络系统从功能、速度、操作系统、应用软件等方面能否满足实际工作的需要；是否能在较长时间内保持相对的先进性；能否为该部门（系统）带来全新的管理理念、管理方法、社会效益和经济效益等。 §1.4 计算机网络技术的发展趋势 §1.4 计算机网络技术的发展趋势 1.4.1　计算机网络的支撑技术 　　计算机网络的两个重要的支撑技术就是微电子技术和光电子技术。这两个重要支撑技术具体体现在网络存储和光交换与智能光网络技术上。 1、网络存储技术 随着信息时代的到来，人们对数据的依赖性也越来越强.因此, 数据的存储及安全性已经提到了一个非常重要的地位， 目前，在各类网络中普遍采用的数据存储模式有3种形式：直连存储、网络附加存储和存储区域网。 2、光交换与智能光网络技术 目前组网技术正从具有上下光路复用(OADM)和光交叉连接(OXC)功能的光联网向由光交换机构成的智能光网络发展；从环形网向网状网发展，从光一电一光交换向全光交换发展。1.4.2　计算机网络的关键技术 1.4.2　计算机网络的关键技术 网络技术的发展趋势1.4.3　计算机网络的研究热点 1.4.3　计算机网络的研究热点 在以上技术的带动下，计算机通信网将是一个包括地下的光缆、地面的微波和蜂窝移动通信，地面以上数百至数千公里的低轨道卫星通信，1万公里左右的中轨道卫星通信，以及3.6万公里高的静止轨道通信卫星系统组成的一个混合系统。§1.5 标准化组织与机构 §1.5 标准化组织与机构 　　随着计算机通信、计算机网络和分布式处理系统的激增，协议和接口的不断进化, 迫切要求不同公司制造的计算机之间以及计算机与通信设备之间方便地互连和相互通信。因此, 接 口、协议、计算机网络体系结构都应有共同遵守的标准。 目前，世界范围内的标准化组织与机构有： 1.5.1　国际组织与机构 1.5.1　国际组织与机构 国际标准化组织国际电信联盟国际电报电话咨询委员会电气和电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师协会因特网体系结构委员会1.5.2　美国组织与机构 1.5.2　美国组织与机构 1.5.3　欧洲组织与机构1.5.3　欧洲组织与机构 1、欧洲计算机制造商协会 　 欧洲计算机制造商协会（ECMA）是一个由在欧洲销售计算机的厂商（包括在欧洲的一些美国公司）所组成的标准化和技术评议机构，致力于计算机和通信技术标准的协调和开发。 ECMA虽是CCITT和ISO的无表决权成员，但一些分委员会积极地参与了ISO和原CCITT的工作，并且发布了它自己的标准，对ISO工作有着重大影响。 2、欧洲电信标准机构 　 欧洲电信标准机构（ETSI）是由一些从事电信的厂家和研究所参加的一个从研究开发到标准制定的机构。1.5.4　中国国家标准局 1.5.4　中国国家标准局 中国国家标准局是我国有关工程和技术标准的法律制定机构，它负责有关标准的颁布。 　 由于我国决定在计算机与通信等领域采用相应的国际标准，所以国家标准局的主要工作是将有关国际标准采纳为国家标准，其标准代号均为GB＊＊＊＊一＊＊，每个＊表示一位十进制数字，前4位是标准号，后两位表示颁布的年份。 　 1983年成立了“中国计算机和信息处理标准化技术委员会”，与ISO/TC97对口，有关OSI国家标准的制定由其下属“开放系统互连”和“数据通信”两个分技术委员会负责。本章小结本章小结本章小结本章小结