计算机网络概述、组织结构和性能指标

1、计算机网络概述、组织结构和性能指标11.1 计算机网络的概念1.2 计算机网络的形成与发展1.3 计算机网络的拓扑结构1.4 计算机网络的分类1.5 计算机网络的组成与结构1.6 制定连网标准的组织1.7 计算机网络的主要性能指标1.8 计算机网络的硬件组成21.1 计算机网络的概念 计算机网络: 是指将地理位置不同且功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起、遵循共同的网络协议、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。主机主机主机主机主机打印机主机31.2 计算机网络的形成与发展大致可以划分为4个阶段:（1）面向终端的联机系统（20世纪50-60年代）（2）计算机通信网

2、络（20世纪70年代）（3）开放式标准化网络（20世纪80年代）（4）计算机网络互联时期（20世纪90年代）4经典应用全球定位系统自动售货终端机航空管制系统银行“一卡通”系统电信“神州行”系统 51.SETI home（Search for Extra-Terrestrial Intelligence at Home） 搜寻地外文明计划利用全球联网的计算机共同搜寻地外文明的科学实验计划。志愿者可以通过运行一个免费程序下载并分析从射电望远镜传来的数据来加入这个项目。 射电天文望远镜: Arecibo (350m)地理位置: Puerto Rico接收来自太空的400万 个无线电波段下载屏保程序作

3、数据分析利用的是多余的处理器资源，不影响用户正常使用计算机。6 阿雷西博天文台位于波多黎各岛的山谷中，是世界上最大的单面口径射电望远镜，直径达305米，后扩建为350米，由康奈尔大学管理。项目自1999年开始运行，截至 2005 年关闭之前，它已经吸引了 543 万用户，这些用户的电脑累积工作 243 万年，分析了大量积压数据，但是项目没有发现外星文明的直接证据。72.伯克利开放式网络计算平台BOINC直至2008年1月25日，BOINC在全世界有约549,000台活跃的主机并平均提供约852TeraFLOPS （TFLOPS）的运算能力。 伯克利方面之前曾成功运行 SETIhome 项目6年

4、多，取得巨大成功，吸引了五百多万用户的参加，完成了两百万CPU小时的计算量。BOINC平台的开发，很重要的一个原因是为了吸引更多用户加入更多的其他由实际意义的分布式计算项目，比如气候变化，药物开发等。 SETIhome 搜寻外星文明发出的无线电信号 EinsteinHome 寻找引力波存在的证据 Rosettahome 蛋白质结构预测和设计。 研究气候变化的趋势（简称CPDN）。 World Community Grid IBM公司主持的分布式计算项目，含多个生命科学类的子项目。 81.伯克利开放式网络计算平台BOINC美国加州大学伯克利分校于2003年开发的分布式计算系统。用于志愿计算和网格

5、计算的开放的中间件系统。为众多的数学、物理、化学、生命科学、地球科学等学科类别的项目所使用。很多科研项目都需要超级计算机来处理众多复杂的数据，但不可能每个科研项目都去买一台昂贵的超级计算机。该软件就是充分利用全球个人电脑的闲置时间，组成一台巨大的超级计算机，完成多项复杂的计算任务。当前最为流行的分布式计算平台，提供了统一的前端和后端架构，一方面大为简化了分布式计算项目的开发，另一方面，对参加分布式计算的志愿者来说，参与多个项目的难度也大为降低。原理：项目方把大的计算任务分割成小块（任务单元），通过互联网分发适合你计算机处理能力的数据计算任务，然后由你的计算机来完成计算任务，任务完成后会自动上报

6、至项目方的服务器。（有些项目有屏保，很好看） 93. RC5 密码破解计划破译 RSA 实验室(美国，专门研究加密算法)给出的密码，找出密钥RC5分组密码算法是1994由麻萨诸塞技术研究所的Ronald L. Rivest教授发明的，并由RSA实验室分析。它是参数可变的分组密码算法，三个可变的参数是：分组大小、密钥大小和加密轮数。在此算法中使用了三种运算：异或、加和循环。 RC_56: 250 天破译 (1997)RC_64: 1,757 天破译 (2002)RC_72: ?例如: RC_64采用64位密钥，一共有18,446,744,073,709,551,616 种可能的密钥组合有上百万台

7、计算机参与这个项目10 为了能顺利无误的将带有密钥的任务包分发给所有参与工作的客户端，RC5正像勤劳的牛一样忙着协调和保养服务器。我们的所有工作完全依赖志愿者们的自发参与，因为这项工程试图通过暴力破解来检验每一种可能的钥匙以得到我们想要的密码。 1997年10月19日，我们开始了对数据安全公司开发的56位密钥(RC5-32/12/7)的密码文件进行解密。该密钥明码为0 x532B744CC20999，在经过256天对34兆个密匙中的47%个密匙进行试验之后，破译RC556的工作终于大功告成。 随后，在2002年7月14日，在经过全球331000名电脑高手共同参与，苦心研究了4年之后，成功破解了

8、以研究加密算法而著称的美国RSA数据安全实验室开发的64位密匙RC5-64密匙。该密钥明文为0 x63DE7DC154F4D039，耗费了1757天才破解。 自2002年12月03日起，开始挑战72位的RSA密钥.最终结果如下：RC5-56:解密出来的信息是：“到了该换一个更长的密码的时候了(Its time to move to a longer key length)。”RC5-64:解密出来的信息是：“有些事情还是不知道为妙(Somethingsarebetterleftunread)。” RC5-72: ? (正在破解中.)114. 欧洲核研究组织 CERNCERN 是世界上最大的核物

9、理研究中心，科学家们试图通过对粒子的研究寻找宇宙的起源。 拥有世界上最大的质子加速器大型强子对撞机Large Hadron Collider12可能产生的数据: 10,000,000GB需要20,000,000 张CD来存储解决方法：网格计算，IBM分布式虚拟存储和文件管理技术CERN需要把世界上最大，功能最强的粒子加速器连接到世界上最大的科学计算网格中的600台电脑上。每台电脑都需要通过可靠的高性能千兆局域网交换机连接 .131.3 计算机网络的拓扑结构来自离散数学中的图论 拓扑(topolgy)是从图论演变而来的概念，是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的方法。在计算机网络中抛开网络中

10、的具体设备，把象工作站、服务器、交换机等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”，这样从拓扑学的观点看计算机和网络系统，就形成了点和线组成的几何图形，从而抽象出了网络系统的具体结构。我们称这种采用拓扑学方法抽象的网络结构为计算机网络的拓扑结构。计算机网络按拓扑结构分为：星型网络、环型网络、总线型网络、树型网络、网状型网络。14常见的网络拓扑结构总线型星 型环 型树 型网状型混合型网络拓朴结构反映了计算机网络中各设备结点之间的内在结构关系，是决定网络性能的主要因素 。构造网络时，首先要选择采用何种网络拓朴结构来物理连接所有的节点与计算机。 151、 总线型 特点：采用单根传输线

11、作为传输介质,所有站点都通过相应的硬件接口直接连到传输介质既总线上；任一站点发送的信号都可以沿介质传输且能被其他所有站点接收,但只有目的站点真正接收,其他的站点则把信号丢弃。 说明：广播式通信方式；每一个节点可以收到来自其他任何节点所发送的信号 优点： 结构简单、电缆长度短、可靠性高、易于扩充。 缺点： 1、总线的物理长度和容纳的站点数有限,故障诊断困难。线路出现故障时，整个网络瘫痪 2、广播式竞争多址通信协议不利于网络业务量的增加，在重负荷下，网络性能急剧恶化。可靠性和灵活性差，传输延时不确定162、星型特点：各节点间无直接的链路，任何两点之间的通信都要通过中心结点。优点：结构简单、实现容易

12、、便于管理缺点：1、可靠性较差,中心节点负担过重，是全网可靠性的关键 2、投资较大AC17扩展星型(campus-based)星型结构的重复( 中央星型拓朴上的节点是另一个星型拓朴的中心节点).减少了链路与设备的投资优点：在星型的优点之外，更富于层次，从而可隔离某些网络流量183、环型特点：各主机经由各自的中继器或转发器和点到点链路组成闭合环。每个节点只与相邻的两个节点相连。环中的数据沿一个方向传输。每个节点必须将信息转发给下一个相邻的节点。优点：结构简单，最大延迟确定， 时实性较好。缺点：1、扩充不如总线型容易，需要对全网拓扑和访问机制进行调整。 2、可靠性差，环中任何一个结点出现故障都会导

13、致全网瘫痪19双环(FDDI)两个非相连的独立同心环主环+备用环（同一时刻只有一个环在使用）优点：在单环之上增加了高度的可靠性。缺点：维护与管理复杂，投资大204、树型组成: 各节点按层次进行连接,处于越高层次的节点,其可靠性要求越高。优点: 总线路长度较短,容易扩展和进行故障隔离。缺点: 结构比较复杂且对根的依赖性太大CD215、网状型 特点：结点间的连接是任意的，没有规律，网 络的任一结点一般至少有两条链路与其 它结点相连。 优点：系统可靠性高，节点间存在着冗余链路,某个链路出了故障,还可以选择其它。 缺点：成本高、结构复杂22完全网状结构每一个节点均与其他每一个节点直接相连。数据的传输有

14、赖于所采用的网络设备优点：多条链路提供了冗余连接缺点：链路随着节点数目的增加呈指数增长。236、混合型 在一些庞大复杂的应用系统中，有时需要将各种拓扑结构的局域网连接在一起而组合成复合型的拓扑结构。 24关于网络拓扑结构的说明1、局域网的基本拓扑结构：总线型 星型 环型2、广域网的网络基本形式：网状拓扑3、局域网中经常使用的混合拓扑：总线型-星型4、网络拓扑是决定网络性能的主要因素251.4 计算机网络的分类 计算机网络有多种分类标准，如按传输技术、通信介质、按数据交换方式、通信速率和使用范围等。最普遍的是按地理范围（广域网，城域网，局域网）按传输介质（双绞线，同轴电缆，光纤，无线网）使用网络

15、的对象（公用网，专用网）按网络传输技术 （广播式，点到点式）按传输速度（低速网络和高速网络）按逻辑功能（资源子网和通信子网）按拓扑结构（星，环，总线，树，网）261.从网络的使用者进行分类1.4 计算机网络的分类 （1）公用网:一般是国家的电信部门建造的网络。是指对所有公众开放、用于为公众提供服务的网络，公用网也可称为公众网。例：中国公用计算机互联网(CHINANET)（2）专用网:是某个部门为本系统的特殊业务工作的需要而 建造的网络。 例：银行系统的网络271.4 计算机网络的分类 2.按地理范围划分：局域网（Local area networks ，LANs) 范围：小，10KM传输技术：

16、基带，10Mbps-1000Gbps，延迟低，出错率低拓扑结构：总线，环广域网（Wide area networks ，WANs)范围：大，100KM传输技术：宽带，延迟大，出错率高拓扑结构：不规则，点到点城域网（Metropolitan area networks ， MANs)范围：中等，100KM传输技术：宽带/基带拓扑结构：总线282.按地理范围划分：1.4 计算机网络的分类 （1）局域网LAN（Local Area Network）:是将小区域如工厂、学校、公司等的计算机、终端和外围设备等互连在一起的通信网络。 特点: 高数据率1000Mbps)、短距离2.5Km)和低误码率.（2）

17、广域网WAN（Wide Area Network）:大区域的计算机网络,如多个LAN互联而构成的跨市、国家和国际性的计算机网络。广域网有时也称为远程网。 特点:数据传输率LAN低得多,一般是数百至数千bps,近年来随着通信技术进步可提高到数十甚至几百Mbps。（3）城域网MAN（Metropolitan）:作用范围在广域网和局域网之间,例如作用范围是一个城市,其传送速率的范围较宽,其距离范围约为550km。（4）接入网AN（Access Network）：又称为本地接入网或居民接入网，提供多种高速接入技术。2930典型的局域网技术:Ethernet Token-Ring FDDI31典型的广域

18、网技术：Modems ISDN (Integrated Services Digital Network)DSL (Digital Subscriber Loop) Frame relay ATM (Asynchronous Transfer Mode) T-Carrier Series (T1, T3, etc.) SONET (Synchronous Optical Network) 321.4 计算机网络的分类 3.按通信传播方式分类 ：点对点传播方式的网络：由一对对机器间的多条链路构成。这种网络上的报文分组在信源和信宿之间需通过一台和多台中间设备进行传播。广播方式网络：仅有一条通道，由

19、网络上所有的计算机共享。331）任何一台计算机发出的消息都能够被所有连结到这条共享通信信道上的其他计算机收到，接收到信息的计算机根据消息报文中的目的地址来判断是进一步处理该收到的报文还是丢弃该报文；2）任何时间内只允许一个结点使用信道，从而在广播式网络中需要为信道争用提供相应的解决机制。 广播式的网络的两个特点 一般来说，局域性网络使用广播方式；广域性网络使用点对点方式。341.4 计算机网络的分类 星形总线型环型网状4.按拓扑结构分类：35星形：有一个中心节点，其它节点与其构成点到点连接1.4 计算机网络的分类 4.按拓扑结构分类：星形拓扑树形拓扑树形：一个根结点、多个中间分支节点和叶子节点

20、构成36总线：所有节点挂接到一条总线上，广播式信道；需要有介质访问控制规程以防止冲突总线形拓扑环形拓扑4.按拓扑结构分类（续）环形：所有节点连接成一个闭合的环，结点之间为点到点连接37全连接：点到点全连接，随节点数的增长（Nx(N-1)/2），建造成本急剧增长，只适用于节点数很少的广域网中不规则拓扑全连接4.按拓扑结构分类： （续）不规则：点到点部分连接，多用于广域网，由于连接的不完全性，需要有交换节点381.5 计算机网络的组成与结构计算机网络 = 资源子网 + 通信子网39资源子网资源子网：负责全网的数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源和网络服务。 资源子网由主计算机、终端以及相应的

21、 I/O 设备、各种软件资源和数据资源构成。主计算机（HOST)：可以是大、中小型机，工作站或微机， 拥有各个终端用户所要访问的资源，是承担数据处理任务的计算机系统。终端（Terminal）：用户进行网络操作时所使用的末端设备。40通信子网通信子网：负责为资源子网提供数据传输和转发等通信处理能力。通信子网主要由通信控制处理机、通信链路及其他通信设备如调制解调器等组成。 通信控制处理机（CCP）：是一种处理通信控制功能的计算机，按照它的功能和用途，可以分为存储转发处理机、网络协议变换器和报文分组组装/拆卸设备等。通信控制处理机主要功能包括： 网络接口功能-实现资源子网和通信子网的接口功能； 存储

22、/转发功能-对进入网络传输的数据信息提供转接功能； 网络控制功能-为数据提供路径选择、流量控制等功能。 411.6 制定连网标准的组织标准: 是用于确保材料、产品、处理和服务达到要求的指导性技术规范或其他精确准则的一组文档化协议。制定网络标准的必要性：由于以前网络界所使用的硬件、软件种类繁多，如果没有标准，可能由于一种网络硬件不能与另一种兼容，或者因一个网络应用程序（网络操作系统和网络应用软件） 不能与另一个通信而不能进行网络设计。 例如，一个厂商的1 厘米宽网络电缆插头另一公司生产的槽口为0 .8 厘米宽，则无法将电缆插入这种槽口著名的标准化组织：ANSI、ISO、ITU、IEEE .42重

23、要的网络标准化组织ANSI：（美国国家标准协会）负责制定电子工业的标准，此外也制定其他行业的标准，如化学和核工程、健康和安全。 A N S I 标准的一个例子即是ANSI T1 .2 4 0 - 1 9 9 8 ，“电信操作、管理、维护、供应操作系统和网络部件之间接口的通用网络系统信息模型”。E I A ：（Electronic Industries Association 电子工业联盟）商业组织，代表来自全美各电子制造公司。涉及到电视机、半导体、计算机以及网络设备。该组织不仅为自己的成员设定标准，还帮助制定A N S I 标准。I E E E ：（Institute of Electrica

24、l & Electronic Engineers 电气电子工程师协会），是一个由工程专业人士组成的国际社团，为电子和计算机工业制定自己的标准，并对其他标准制定组织如A N S I 的工作提供帮助。 I E E E 技术论文和标准在网络专业受到高度重视。I E E E 标准的例子：“信息技术2 0 0 0 年测试方法”、“虚拟桥接局域网”，以及“软件项目管理计划”。43重要的网络标准化组织I S O ：International Standardization Organization, 国际标准化组织）是一个代表了1 3 0 个国家的标准组织的集体。I S O 的目标是制定国际技术标准以促进全

25、球信息交换和无障碍贸易。在I S O 大约1 2 , 0 0 0 标准中，仅有大约5 0 0 个应用于计算机相关的产品和功能中。I T U :（International Telecommunications Union 国际电信同盟）是联合国特有的管理国际电信的机构，它管理无线电和电视频率、卫星和 的规范、网络基础设施、全球通信所使用的关税率。44“带宽” 本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫兹现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位是“比特每秒”(bit/s)。数字信道传送数字信号的速率称为数据率/比特率 1.7 计算机网络的主要性能指标 1. 带宽每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 45常用的带宽单位更常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：计算机中数据量常用字节为单位，1byte=8bitK = 210 = 1024，M = 220，G = 230， T