计算机等级考试三级网络复习资料第二章_图文

1、第二章 网络基本概念2-2 计算机网络的定义2-2-1 计算机网络定义的基本内容按照资源共享的观点, 我们可以将计算机网络定义为 “以能够相互共 享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合” 。这个定义体现了以下的几个基本特征:1 计算机网络建立的主要目的是实现 计算机资源的共享 。计算机资 源主要指计算机 硬件 、 软件 与 数据2 互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“ 自治计算 机 ” ,它们之间可以没有明确的主从关系。3 连网计算机之间的通信必须遵循共同的 网络协议2-2-2 计算机网络的基本结构及其特点1、早期计算机网络结构在网络发展过程中, 最早出现的是 广域网 。 广域网

2、主要有 数据处理 和 数据通信 两大功能。 从计算机网络的组成的角度来看, 早期的计算机 网络从 逻辑功能 上可以分为 资源子网 和 通信子网 两个部分。 1、 资源子网资源子网由 主计算机系统(主机 、 终端 、 终端控制器 、 连网外设 、 各种 软件资源 与 信息资源 组成。 主要负责全网的 数据处理 业务, 向网 络用户提供各种网络资源与网络服务。 2、通信子网通信子网由 通信控制处理机 、 通信线路 与其他通信设备组成, 完成 数 据传输 、 转发 等通信处理任务。2、 现代网络结构的特点随着微型计算机的广泛使用, 大量的 微型计算机 通过局域网连入 广域网, 而局域网与广域网、 广

3、域网与广域网的互联是通过 路由 器 实现的。在 INTERNET 中,用户计算机通过 校园网 、 企业网 或 ISP 联入 地区主干网 ,地区主干网通过 国家主干网 联入国家间的 高速主干网 , 这样就形成一种由 路由器 互联的大型、 层次结构的 互联网络。 2-3 计算机网络的分类2-3-1 网络分类方法计算机网络的分类方法主要有两种:按使用的 传输技术 分类, 根据网 络的 覆盖范围与规模 分类。1、 按照传输技术分类在通信技术中, 通信信道的类型有两类:广播通信信道 与 点对点通信 信道 。 相应的计算机网络也可分为两类:广播式网络 与 点对点式网络 。 在广播式网络中, 所有连网计算机

4、都共享一个公共通信信道 。 当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时, 所有其他的 计算机都会“收听”到这个分组。在点对点式网络中, 每条物理线路连接一对计算机 。 假如两台 计算机之间没有直接连接的线路, 那么它们之间的分组传输就 要通过 中间结点 接收、存储、 转发,直至目的结点。由于从源 结点到目的结点之间的线路比较复杂, 因此需要有 路由选择算 法 。 采用 分组存储转发 与 路由选择 是点对点式网络与广播式网 络的重要区别之一。 2、 按照覆盖的地理范围分 :计算机网络可以分为三类:局域网、城域网与广域网。2-3-2 广域网 (WAN广域网也称为 远程网 。它所覆盖的地理范围从 几

5、十公里到几千公里 。 广域网的通信子网主要使用 分组交换技术 。广域网应具备以下特点:1 适应大容量与突发性通信的要求2 适应综合业务服务的要求3 开放的设备接口与规范化的协议4 完善的通信服务与网络管理由于计算机的数据传输具有“ 突发性 ” 的特点,通信子网中的负荷极 不稳定, 随之可能带来通信子网的暂时与局部的 拥塞现象 。 因此广域 网必须能适应大数据、 突发性传输的要求, 并能对网络拥塞有良好的 控制 功能。讨论广域网必然会涉及 X.25网 、 帧中继 、 SMDS 、 B-ISDN 与 A TM 网 。X.25网 :使用 CCITT 的 X.25建议标准。采用速率较低,误码率较 高的

6、电缆传输介质。为了保证数据传输的可靠性, X.25协议包括了 差错控制、流量控制、拥塞控制等功能。 X.25协议的复杂执行过程 必然要增大网络传输的延迟时间。 帧中继(FR :使用 数据传输速率高、误码率低的光纤,使用简单的 协议, 以减小网络传输延迟, 而必要的差错控制功能将由用户设备来 完成。 B-ISDN :综合业务数据网。实现电话网,电报网和数据通信网的三 网合一。 A TM (异步传输模式 :能保证用户对 数据传输服务质量 QoS 的需求。 实现了线路交换, 分组交换的结合, 符合 B-ISDN 的需求, 因此 B-ISDN 选择了 A TM 作为它的数据传输技术 。 2-3-3 局

7、域网(LAN 在局域网领域中,采用 以太网 Etherne t 、 令牌总线 (Token Bus 、 令 牌环 (Token Ring原理的局域网产品形成了三足鼎立之势。 2-3-4 城域网(MAN 城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络。 城域网设计的目 标是要满足几十公里范围内的大量企业、 机关、 公司的多个局域网互 连的需求 , 以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信 息的传输功能。早期的城域网产品主要是 光纤分布式数据接口 (FDDI。目前的城域网建设方案有几个共同点,那就是:传输介质采用光纤, 交换结点采用基于 IP 交换的高速路由交换机或 ATM 交换机,在体

8、系结构上采用核心交换层、业务汇聚层与接入层的三层模式。 2-4 计算机网络的拓朴构型2-4-1 计算机网络拓朴的定义网络的拓扑结构指的是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示 网络 结构 , 反映出网络中各实体间的 结构关系 。 拓扑设计是建设计算机网络的 第 一步 , 也是实现各种网络协议的基础, 它对 网络性能 、 系统可靠性 与 通信费 用 都有重大影响。计算机网络拓扑主要是指 通信子网 的拓朴构型。 2-4-2 网络拓朴分类方法网络拓扑分为两类:点对点线路通信子网的拓朴与广播信道通信子网 的拓朴。点对点式网络的基本拓朴构型有:星型、环型、树型、网状型广播式网络的基本拓朴构型有:总线型

9、、树型、环形、 无线通信与卫 星通信型。 星型结构 :结点通过点对点通信线路与中心结点连接, 中心结点控制 全网的通信,任何两结点之间的通信都要通过中心结点。环型结构 :将结点通过点对点通信线路连接成闭合环路。树型结构 :结点按层次进行连接, 信息交换主要在上、 下结点之间进行, 相邻及同层结点之间一般不进行数据交换或数据交换量小。网状结构 ;又称为无规则型。结点之间的连接是任意的,没有规律。具 有较高的系统可靠性,但结构复杂,必须采用 路由选择算法 与 流量控制 方法 。目前实际存在和使用的 广域网 基本上都采用网状拓朴。2-5数据传输速率与误码率2-5-1 数据传输速率的定义计算机网络数据

10、通信有两个基本参数 :数据传输速率 与 误码率1、 数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一。 等于 每秒钟传输构成数据 代码的二进制比特数 ,单位为比特 /秒,记作 bps ,对于二进制数据, 数据传输速率为:S=1/T其中 T 为发送每一比特所需要的时间。 例如, 如果在通信信道上发送 1比特 0、 1信号所需要的时间是 0.001ms , 那么信道的数据传输速率 为 1 000 000bps。常用的数据传输速率单位有:kbps,Mbps,Gbps1kbps=103 bps1Mbps=106 bps1Gbps=109 bps2、 带宽与数据传输速率在现代网络技术的讨论中,人们总是以

11、“ 带宽 ” 来表示信道的 数据传 输速率 , 信道带宽与数据传输速率的关系, 可以用 奈奎斯特准则 与 香 农定律 来回答。这两个定律从定量的角度描述了“ 带宽 ”与“ 速率 ” 的关系。奈奎斯特准则:最大数据传输速率是信道带宽的两倍。 (一般达不到 最大传输速率最大数据传输速率 R max 与通信信道带宽 B (B=f, 单位 Hz 的关系可 以写为:R max =2f对于二进制数据, 若信道带宽为 3000H Z ,则最大数据传输速率为 6000bps香农定理:描述了有限带宽、 有随机热噪声信道的 最大传输速率 与 信 道带宽 、 信号噪声功率比 之间的关系。数据传输速率 R max 与

12、信道带宽 B ,信号与噪声功率比 S/N的关系为: R max =Blog2(1+S/NR max 单位为 bps ,带宽 B 单位为 Hz 。 如果 S/N=1000,信道带宽 B=3000Hz,那么 R max =30(kbps2-5-2 误码率的定义是指二进制 码元 在数据传输系统中的被传错的 概率 , 是衡量网络质量 的一个参数。Pe = Ne/N其中 N 表示传输的二进制码元总数; Ne 表示被传错的码元数。应注意的问题:1 误码率应该是衡量数据传输系统 正常工作状态 下传输 可靠性 的参 数。2 对于一个实际的数据传输系统, 不能笼统地说误码率越低越好 ,误码率 越低 ,传输系统设

13、备 越复杂 ,造价 越高 。3 对于实际数据传输系统,如果传输的不是二进制码元,要 折合成二 进制码元来计算 。另外还要注意,差错的出现具有随机性,在实际测量一个数据传输系 统时,只有被测量的传输二进制码元数越大,才会越接近于真正的误 码率值。注意:由于计算机通信的平均误码率要求低于 10-9,所以普通的通信 线路如不采取差错控制技术,是不能满足计算机的通信要求的。2-6 网络体系结构与网络协议的基本概念2-6-1 网络体系结构的基本概念计算机网络由多个互连的结点组成,每个结点都必须遵守一些事先 约定好的规则。这些规则精确地规定了所交换数据的 格式 和 时序 。 这些为网络数据交换而制定的规则

14、、约定与标准被称为 网络协议 。 网络协议的三要素:1. 语法 :即 用户数据 与 控制信息 的 结构 与 格式 。2. 语义 :即需要发出何种控制信息, 以及完成的动作与做出的响应。3. 时序 :即对事件实现顺序的详细说明。一个功能完备的计算机纸张需要制定一套复杂的协议集, 对于复杂的 计算机网络协议最好组织方式是 层次结构模型 。 我们将 计算机网络层 次结构模型 和 各层协议的集合 定义为 计算机网络体系结构 。 网络体系 结构是对计算机网络应完成的功能的精确的定义, 而这些功能是用什么样的硬件和软件实现的, 则是具体的实现问题。 体系结构是 抽象 的, 而实现是 具体 的,是能够运行的

15、一些硬件和软件。网络体系结构示意图 层次结构的优点:各层之间相互独立。灵活性好。当任何一层发生变化时,只要接口保持不变,则 在这层以上或以下各层均不受影响。各层可采用最合适的技术来实现,不影响其他层。易于实现和维护。有利于促进标准化。世界上第一个网络体系结构是 IBM 公司于 1974年推出的, 命名为 “ 系 统网络体系结构 SNA ”2-6-2 ISO/OSI参考模型1、 OSI 参考模型的基本概念国际标准化组织 ISO 发布的最著名的 ISO 标准是 ISO/IEC7498,又称 为 X.200建议。该体系结构标准定义了网络互连的七层框架,即 ISO开放系统互连参考模型 。 可以实现开放

16、系统环境中的 互连性 、 互操作 性 和 应用的可移植性 。2、 OSI 参考模型的结构与各层的主要功能OSI 模型将整个网络的通信功能划分为七个层次,并规定了每层的功 能以及不同层如何协作完成网络通信。七层由低到高的次序分别称 为:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用 层,如图所示 各层的主要功能:(1 物理层:利用物理传输介质为数据链路层提供 物理连接 , 以便 透明地传送比特流, 是七层中唯一的物理连接。(2 数据链路层:在通信实体之间建立数据链路连接, 传送以 帧 为 单位的数据,采用 差错控制 , 流量控制 方法, 使有差错的物 理线路变成无差错的数据链路 。(3

17、 网络层:传送 分组 数据,实现 路由选择 、 阻塞控制 、 网络互连几大功能。(4 传输层:向用户提供 可靠的端到端服务 , 透明的传送报文 。 是高层与低层的分界线。(5 会话层:组织两个会话进程之间的通信,并管理数据的交换。(6 表示层:处理在两个通信系统中交换信息的表示方式,包括 数据格式转换 、 数据加密与解密 、 数据压缩与恢复等功能 。 (7 应用层:是 OSI 参考模型的最高层。实现文件传送访问和管 理、虚拟终端、事务处理、远程数据库访问、制造业报文规 范和目录服务。2-6-3 TCP/IP参考模型与协议1、 TCP/IP的发展过程TCP/IP并不是 OSI 的标准协议,但在目

18、前是最流行的商业化协 议,是 事实上的标准 。特点:(1开放的协议标准,可以免费使用(2独立于特定的网络设施,适用于各类网络(3统一的网络地址分配方案,分配唯一地址(4标准化的高层协议2、 TCP/IP参考模型与层次TCP/IP参考模型(见图 3-10 互连层 :负责将源主机的报文分组发送到目的主机, 源主机与目的 主机可以在一个网上,也可以在不同的网上。(1 处 理来自传输层的分组发送请求(2 处 理接收的数据报(3 处 理互连的路径、流控与阻塞问题传输层:在互连网中源主机与目的主机的对等实体之间建立用于会 话的 端对端连接 。它定义了两种协议:传输控制协议 TCP 、 用户 数据报协议 U

19、DPTCP 协议 是一种 可靠 的 面向连接 的协议,它允许将一台主机的字 节流无差错的传送到目的主机。 UDP 协议 是一种 不可靠 的 无连接 协议,它主要用于不要求按分组 顺序到达的传输中,分组传输顺序检查与排序由 应用层 完成。 应用层 :包括了所有高层协议,主要有:网络终端协议 TELNET文件传输协议 FTP电子邮件协议 SMTP域名服务 DNS ,用于实现网络设备名字到 IP 地址映射的网络服 务路由信息协议 RIP网络文件系统 NFSHTTP 协议,用于 WWW 服务主机 网络层:是参考模型的最低层,通过网络发送和接收 IP 数 据报,同时包括各种物理层协议。TCP/IP参考模

20、型层次与协议之间的关系如下图所示: 注意:ARP/RARP并不属于单独的一层,它介于 物理地址(MAC 与 IP 地址 之间,起着屏蔽物理地址细节的作用。应用层的协议分为两种, 一种依赖于 TCP 连接实现服务, 一种依赖 于 UDP 连接实现服务。依赖 TCP 协议的主要有:文件传输协议 FTP 、 电子邮件协议 SMTP 以及 超文本传输协议 HTTP 。依赖 UDP 协议的主要有:简单网络管理协议 SNMP 、 简单文件传 输协议 TFTP 。可以使用 TCP 协议,又可以使用 UDP 协议的是 域名服务 DNS 。 2-7 典型计算机网络 2-7-1 ARPANET1969年 11月,

21、实验性的 ARPANET 开通 。 2-7-2 NSFNET是第一个使用 TCP/IP协议的广域网, 采取层次型结构, 分为主干网、 地区网与校园网。 ANS 公司在 1990年接管了 NSFNET 。 2-7-3 Internet2-7-2 Internet2由于 Internet 的商业化, 使其业务量增多, 从而导致了它的性能的降 低。 在这种情况下, 一些大学申请了国家科学基金, 以建立一个新的、 独立的 NSFNET 内部使用的网络, 相当于一个 专用 的 Internet , 供这些大学使用。 1996年 10月,这种想法以 Internet2的形式付诸实施。Internet2的特

22、点:1 Internet2可以连接到 现在的 Internet 上, 但是它的宗旨是组建一个 为其成员组织服务的 专用的网络 。2 Internet2初始运行速率可达 10Gbps 。3 Internet2在网络层运行的是 IPv4,同时也支持 IPv6业务。 2-8 网络计算研究与应用的发展2-8-1 网络计算的基本概念网络计算有着非常广泛的内涵,网络被视为最强有力的超级计算环境。 移动计算网络、网络多媒体计算、 网络并行计算、网格计算、存 储区域网络 与 网络分布式对象计算 正在成为网络新的研究与应有的 热点问题。2-8-2 移动计算网络的研究与应用1、移动计算的基本概念是将 计算机网络

23、和 移动通信技术 结合起来, 为用户提供移动的计算环 境和新的计算模式, 其作用是在任何时间都能够及时、 准确地将有用 信息提供给在任何地理位置的用户。 移动计算包括 移动计算网络 和 移动 Internet 。移动计算网络是指主机 或局域网可在网中漫游。基于 Internet 的移动计算网络也称移动 Internet ,是目前该领域研究的热点。2、无线局域网(WLAN 以 微波 、 激光 、 红外线 等无线电波来部分或全部代替有线局域网中的 同轴电缆 、 双绞线 、 光纤 , 实现了移动计算网络中移动结点的 物理层与 数据链路层 功能。 3、 Ad hoc 网络Ad hoc网络是一种由一组用

24、户群构成,不需要基站的移动通信模式。 在这种方式中, 没有固定的路由器。 每个系统都具备动态搜索、 定位 和恢复连接的能力。 4、 WAP 协议无线应用协议 WAP 是一个开放的全球化协议,能让用户 使用移动电 话访问 Internet ,提供了一个对无线 Internet 的解决方案。 5、移动 IP 技术开发移动 IPV4协议,支持移动结点在 Internet 中漫游。 用户离开北京总公司, 出差到上海分公司时, 只要简单地将笔记本电脑连接至上 海分公司网络上, 就可以享受到跟在北京总公司里一样的所有操作。 用户依旧能 使用北京总公司的共享打印机, 或者可以依旧访问北京总公司同事电脑里的共

25、享 文件及相关资源; 诸如此类的种种操作, 让用户感觉不到自己身在外地, 同事也感觉不到你已经出差到外地了。换句话说:移动 IP 的应用让用户的 “ 家 ” 网络随 处可以安 “ 家 ” ,不再忍受移动节点因 “ 出差 ” 带来的所有不便之苦2-8-3 多媒体网络的研究与应用1、多媒体网络的基本概念多媒体网络是指能够传输多媒体数据的通信网络。 多媒体网络需要支 持多媒体传输所需要的 交互性 与 实时性 要求。目前已经出现了大量的网络多媒体系统, 其中典型的有 网络视频会议 系统 、 分布式多媒体交互仿真系统 、 远程教学系统 与 远程医疗系统 。 2、网络视频会议系统网络视频会议系统是一种典型

26、的网络多媒体系统。 国际电信联盟 ITU 定义了基于电信网络的多媒体会议系统标准 H.320.H.323。 可以把网络多媒体应用系统分为 一对一系统 、 一对多系统 、 多对一系 统 、 多对多系统 等 4种。 3、多媒体网络应用对数据通信的要求1 高传输带宽要求数字化的音频、视频的数据量是很大的。分辩率为 640*480的真 彩色图像(像素分辨率为 24b ,其数据量为 7。 37Mb ,如果以每 秒 25帧 动 态 显 示 , 则 需 要 的 通 信 带 宽 约 为 184Mbps (640*480*24*25 。这样的通信带宽很难实现, 减小带宽的主要方法是采用压缩技术。 常用的压缩标准

27、有 ITU-T 的 H.261、 H.263和 ISO 的 MPEG 等。2 不同类型的数据对传输的要求不同不同类型的数据对于通信网络的性能和服务有不同的要求。例如 语音数据传输对实时性要求较强,而它对通信带宽的要求则不是 很高, 64kbps 的传输速率可完全满足要求。而高质量的视频通信 对实时性和通信带宽的要求都比较高。3 网络中的多媒体流传输的连续性与实时性要求网络中的多媒体传输一般都是连续、实时的传送。4 网络中多媒体数据传输的 低时延 要求5 网络中的多媒体传输同步要求(音频与视频的同步6 网络中的多媒体的多方参与通信的特点4、传统网络对多媒体应用的不适应及解决的思路由于传统的网络协

28、议不适于多媒体应用, 所以需要改进。 改进传统网络的方法主要有 增大带宽 与 改进协议 。1 增大带宽可以从 传输介质 和 路由器 性能两个方面着手。路由器是 网络中的核心设备。路由器的硬件体系结构的发展经历了单总线 单 CPU 、单总线主从 CPU 、单总线对称多 CPU 、多总线多 CPU 和交换结构 5个发展阶段。这个发展从产品上集中表现在从基于 软件实现路由功能的单总线 CPU 结构的路由器, 转向基于 硬件专 用 ASIC 芯片 的路由交换功能的高性能的交换路由器发展。 2 改进协议主要表现在 支持 IP 多播 、 资源预留协议 、 区分服务 与 多 协议标识交换 等方面。2-8-4 网络并行计算的研究与应用1、网络并行计算的基本概念并行计算是使用 多个 CPU 或者 计算机 来协同工作的计算模式。从互 联结构上, 并行计算机可分为 紧耦合 和 松耦合 两种方式。 早期的并行 机通常采用紧耦合方式, 随着网络技术的发展, 人们多采用 松耦合 方 式。网络的并行计算主要有 机群计算 和 网格计算 。2,机群计算 , 机群计算的主要思想是将一些主机连接起来,通过网络互联,使得计 算机硬件, 操作系统, 中间件软件, 各种系统管理软件有机结合起来, 从而获得较高的性能价格比. 机群系统按应用目标可以分为:高性能机