大学计算机基础（第六版）课件 07 计算机网络基础

第7章计算机网络基础01计算机网络概述02计算机网络通信基础03搭建网络：硬件、软件、协议Contents目录01计算机网络概述以数据通信为主的第一代计算机网络基本结构：终端—通信线路—主机/计算机终端不具有独立处理数据的能力，所有的数据处理由主机完成以资源共享为主的第二代计算机网络计算机与计算机之间的互联典型代表是ARPANet网1.1计算机网络的产生与发展体系结构标准化的第三代计算机网络国际标准化组织ISO：开放系统互连参考模型OSI因特网：TCP/IP标准以Internet为核心的第四代计算机网络Internet将分散在世界各地的计算机和网络连接起来，形成了覆盖全球的大网络高速互连、智能与更广泛的应用1.1计算机网络的产生与发展三网合一电信网络、计算机网络和有线电视网络光通信技术一是主干光传输向高速率、大容量的光传送网发展，最终实现全光网络。全光网络是指光信息流在网络中的传输及交换始终以光的形式实现，不再需要经过光/电、电/光转换。二是接入向低成本、综合接入、宽带化光纤接入网发展，最终实现光纤到户和光纤到桌面。1.2未来的计算机网络IPv6协议IPv4地址长度为32位，现在已经全部分配完毕IPv6地址长度128位，地址空间更大，更安全宽带接入技术与移动通信技术1.2未来的计算机网络计算机网络把若干台地理位置不同，且具有独立功能的多台计算机，借助于通信线路和通信设备连接在一起；在通信软件的支持下，实现计算机之间的通信和资源共享。1.3计算机网络的定义和功能通信网络最基本的功能资源共享硬件共享、软件共享和信息共享提高计算机系统的可靠性通过网络中的冗余部件可大大提高可靠性分布式处理通过一定的算法，将任务分给网络中不同的计算机处理，均衡使用网络资源1.3计算机网络的定义和功能终端设备主要负责数据处理计算机、打印机、大型存储设备、手机、电视机、报警设备等通信链路双绞线、光缆、同轴电缆；红外线、微波、卫星等网络互连设备中继器、调制解调器、网卡、交换机、路由器等1.4计算机网络的组成--物理组成网络协议网络操作系统网络应用软件1.4计算机网络的组成—软件组成按网络覆盖范围分类广域网WAN覆盖范围广，通常为几十到几千公里，也称为远程网。广域网是因特网的核心部分。城域网MAN覆盖范围从几公里到几十公里不等，一般是在一个城市范围之内局域网LAN局域网一般为一个单位所拥有，且地理位置和站点数目均有限。个人区域网PAN在个人工作的地方将属于个人的电子设备（如手机，IPAD）用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人区域网WPAN，范围大约在10米左右，比如蓝牙系统。1.5计算机网络的分类按网络拓扑结构分类总线结构环形结构星形结构树形结构网形结构1.5计算机网络的分类按传输介质分类有线网采用双绞线、同轴电缆、光纤做传输介质无线网主要以微波或红外线为传输介质1.5计算机网络的分类按使用性质分类通用网络是一种大众使用的付费网络，属于经营性网络专用网络是某个部门根据本系统的特殊业务需要而建造的网络，一般不对外提供服务1.5计算机网络的分类网络协议网络协议是事先约定好的一整套通信规程，包括要交换的数据格式、控制信息的格式和控制功能以及通信过程中执行的顺序等等。语法：规定用户数据与控制信息的结构或格式语义：发出的控制信息对应的动作与响应时序：对事件实现顺序的详细说明在计算机网络中存在多种协议，每一种都有其设计目的和需要解决的问题。1.6网络协议与体系结构协议分层将网络中需要解决的问题划分为若干个层次，每层解决一部分问题，各层相互合作完成计算机之间的通信。每层需要解决的问题或实现的功能就是本层的协议。分层有助于网络的实现和维护分层有助于技术发展分层有助于网络产品的生产分层能促进标准化工作1.6网络协议与体系结构网络体系结构将计算机网络的层次结构模型与网络各层协议的集合称为网络的体系结构或参考模型。OSI参考模型TCP/IP体系结构1.6网络协议与体系结构OSI参考模型物理层：位于OSI参考模型的最低层，规定了计算机及网络设备物理接口的机械、电气、功能和过程特性。数据链路层：建立和拆除数据链路，将数据按一定格式组装成帧，以便无差错地传送。网络层：解决网络与网络之间的通信问题，其主要功能是提供路由选择。传输层：网络层可以将数据从源主机发送到目的主机，而传输层则可以将数据交给主机上某个具体的应用进程。会话层：会话层可以解决控制会话和数据传输方面的管理，如建立、维护和结束会话连接的管理。表示层：负责提供通用的数据格式，以便在不同系统的数据格式之间进行转换。应用层：负责应用程序与网络操作系统之间的联系，为用户提供各种服务，如WWW。1.6网络协议与体系结构TCP/IP体系结构网络接口层网际层传输层应用层1.6网络协议与体系结构常用的应用层协议超文本传输协议HTTP：用于传递制作的万维网WWW网页文件。文件传输协议FTP：用于实现互联网中交互式文件传输功能。电子邮件协议SMTP：用于实现互联网中电子邮件传送功能。网络终端协议Telnet：用于实现互联网中远程登录功能。域名服务DNS：用于实现网络设备名称到IP地址映射的服务。路由信息协议RIP：用于网络设备之间交换路由信息。简单网络管理协议SNMP：用来收集和交换网络管理信息。网络文件系统NFS：用于网络中不同主机间的文件共享。1.6网络协议与体系结构02计算机网络通信基础信源产生和发送信息的一端信宿接收信息的一端信息如果是双向传输，信源也可以是信宿信道可以是一条简单的传输线，也可以是复杂的网络系统2.1通信系统模型信号信道上传输的信息称为信号，是数据的电气或电磁表示，如电信号、光信号。模拟信号：是指在连续时间范围内，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化。数字信号：是指自变量时间的取值是离散的，因变量幅度，频率，或相位的取值也是离散的。例如，常用无电压来表示0，而恒定的正电压表示1。把数字信号转换成模拟信号称为调制；把模拟信号转换成数字信号称为解调。能完成上述功能的设备称为信号变换器，最常见的就是调制解调器（Modem）。2.1通信系统模型速率传播速率指信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率，单位为m/s或者km/s。传播速率只跟传输介质本身有关，如电磁波在空气中的传播速率为光速3×108m/s；而在铜线中的传播速率约为2.3×108m/s。传输速率传输速率指信道在单位时间内能传输的二进制位数，单位为bit/s，简写为bps。更高的的传输速率用Kbps、Mbps、Gbps表示。1Gbps=103Mbps=106Kbps=109bps2.2速率、带宽与时延带宽带宽本来是指某个信号具有的频带宽度，单位为赫兹Hz。现在，“带宽”常用来表示信道单位时间能通过链路的数据量，即数据传输速率，单位为bps。2.2速率、带宽与时延信噪比噪声：信息在传输过程中受到的外界的干扰。香农公式：C=Wlog2（1+S/N）（bit/s）C指信道的极限信息传输速率，单位为bit/s；W为信道的带宽，单位是Hz；S是信道内所传信号的平均功率；N为信道内的高斯噪声的功率；S/N称为信噪比，单位为dB，也就是分贝。香农公式说明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信道的极限传输速率就越高。2.2速率、带宽与时延时延时延，也称为延迟或迟延，是指数据从网络或链路的一端传送到另外一端所需的时间。总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延2.2速率、带宽与时延发送时延发送时延是指数据从结点（如主机、路由器）发送到链路上所用的时间。发送时延=发送数据位数÷发送速率传播时延传播时延是指电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间。传播时延=传播的距离÷传播速率注意，传播速率只与介质有关。2.2速率、带宽与时延处理时延数据在经过中间结点传输时也需要花费一定的时间，比如中间结点要进行差错检查或路由选择，这个时间就是处理时延。排队时延数据在经过中间结点时，若中间结点上等待处理的数据很多，则这些数据要按照先后顺序排队等待处理，排队等待所花费的时间就是排队时延。2.2速率、带宽与时延串行通信在计算机中，通常是用8位二进制代码表示一个字符。将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序，在一条通信信道中依次发送，这种通信方式称为串行通信。并行通信将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送，每次发送一个字符代码，这种通信方式称为并行通信。2.3数据通信方式数据通信按照信号传送方向与时间的关系，可以分为3种：单工通信、半双工通信、全双工通信。单工通信又称为单向通信，在这种通信方式中，数据只能从一端发往另外一端，发送方永远只能发送，而接收方永远只能接收，例如无线电广播、遥控等。2.3数据通信方式半双工通信又称为双向交替通信，是指通信双方都可以发送和接收，但不能同时发送（或接收），即一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。例如，对讲机。全双工通信又称为双向同时通信，是指通信的双方可以同时发送和接收信息。全双工通信需要两条信道，每个方向一条，相当于把两个相反方向的单工通信信道组合在一起，同时进行信号传输。2.3数据通信方式交换技术可以动态的分配线路资源。即主机通信时占用线路资源，不通信则不占用线路资源。交换技术分为：电路交换报文交换分组交换2.4数据交换技术电路交换主要应用在电信网络中。电路交换是面向连接的，面向连接的通信有三个基本步骤：建立连接--通信--拆除连接。建立连接就是要在网络中选择一条从主叫方到被叫方的专用物理线路。通信双方传输的数据都通过这条专用物理线路，而且这条物理线路在整个通信过程中不会被其他用户占用，这是电路交换的一个重要特点。电路交换因使用专用物理线路传输信息，所以延迟小，实时性好、可靠性高，多用于传输连续的大量的数据。2.4数据交换技术分组交换分组交换采用存储-转发技术。因特网就采用了分组交换技术。分组交换不需要像电路交换那样，先占用一条从源到目的地的专用物理线路。分组在哪一段链路上传送，就占用哪一段链路的通信资源。分组交换将要发送的整块数据划分成多个更小的分组（包），然后将一个个分组依次交给网络中的交换设备（一般是路由器）。交换设备将分组暂存到内存，然后根据分组首部中的目的地址选择一条合适的空闲输出线路，将分组转发给下一个交换设备。分组就这样经过一个个交换设备和一段段链路，直至到达目的结点。2.4数据交换技术分组交换的优点以较小的分组为单位进行传输和交换，交换速度比较快；而且分组长度较短，传输过程中检错容易并且出错重发分组花费的时间较少。逐段的占用链路资源，省去了建立连接和释放连接的开销，传输效更高。分组交换网采用网状拓扑结构，当某段链路或某个交换设备出故障时，可以为下一个分组选择另外的路由，更灵活可靠。2.4数据交换技术分组交换的缺点分组在交换设备中存储转发时，需要排队等待，造成了一定的时延，且时延长度不定，不适宜传送实时性要求高的数据。分组首部必须携带的控制信息也造成了一定的开销。2.4数据交换技术报文交换报文交换的原理和分组交换是一样的，也采用了存储转发技术。不同的是，报文交换把要发送的一整个报文加上首部，形成一个报文段发送出去。由于报文段比较大，导致报文交换的时延比较长，从几分钟到几小时不等，所以现在报文交换已经很少使用了。20世纪40年代的电报通信就采用了报文交换技术。2.4数据交换技术复用技术可以使一根电线能够为多个用户服务。频分复用时分复用码分复用2.5复用技术根据网络中计算机的角色和工作性质的不同，可以分为客户/服务器模式、浏览器/服务器模式和对等模式。要特别明确一点，网络中的两台主机之间的关系实际上是主机上的进程之间的关系。2.6计算机网络的工作模式客户/服务器模式客户/服务器模式简称C/S模式，是网络中最常用的模式。在这种模式中，运行客户程序的主机称为客户机，运行服务器程序的主机称为服务器。客户机处于主动提出请求享用服务的角色，而服务器处于被动的接收请求提供服务的角色。服务器的功能比较强大、资源丰富，集中进行共享数据的管理和存取，能同时给多个客户机提供服务。客户机功能比较简单，不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。2.6计算机网络的工作模式浏览器/服务器模式浏览器/服务器模式简称B/S模式，它本质上也是一种C/S模式。由于因特网的发展，现在B/S模式已经成为一种主流工作模式。在这种模式中，客户端软件是统一的WWW浏览器（C/S模式中，客户端软件多种多样），这也是与C/S模式的最大区别。2.6计算机网络的工作模式对等模式对等模式简称P2P，它是指网络中的每台主机没有主次之分，既可以作为客户机也可以作为服务器，彼此之间是对等关系的工作模式。对等模式中没有专用的服务器，主机都运行P2P软件，可以对等地相互通信，还可以共享彼此的软硬件资源。对等连接方式可以支持大量对等用户同时工作，现在这种模式主要用于文件下载和游戏更新。2.6计算机网络的工作模式03搭建网络：硬件、软件、协议网络硬件是计算机网络系统的物质基础，由主体设备、传输介质和互连设备三部分组成。主体设备计算机网络中的主体设备是计算机，也称为主机（Host），根据其在网络中的服务特性，一般划分为中心站（又称服务器）和工作站（客户机）两类。3.1网络硬件传输介质有线传输介质双绞线、同轴电缆和光纤等无线传输介质无线电、微波、红外线、激光等3.1网络硬件双绞线双绞线安装方便，成本低廉，数据传输速率较高，因此性价比高；但是数据传输距离有局限性，且抗干扰性较差。局域网中最常见的网线就采用双绞线。双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两种。使用双绞线制作网线的标准主要有EIA/TIA-568A标准和EIA/TIA-568B标准。这两个标准最主要的不同就是芯线序列的不同：568A标准的线序：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕568B标准的线序：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕直通双绞线和交叉双绞线3.1网络硬件同轴电缆同轴电缆有较好的抗干扰能力，衰减也比双绞线小，主要应用于速率较高的数据传输。目前比较常用的同轴电缆有两种：50Ω电缆：主要用于数字传输，也被称为基带同轴电缆。75Ω电缆：主要用于模拟传输，也被称为宽带同轴电缆，是有线电视网（CATV）中的标准传输电缆。3.1网络硬件光纤是一种由玻璃或塑料拉丝制成的非常细、透明的光导纤维。通常再加上抗拉纤维做成结实的光缆。光纤中的光信号利用光的全反射原理传播。光纤的抗雷电和电磁的干扰能力强；保密性好，不易被窃听；光信号衰减小，中继距离长（几十千米），对远距离的传输特别经济；体积小、重量轻；带宽高（约108MHz），传输速度快（可达100Gbit/s）。但光纤成本昂贵，设置复杂，主要用于主干网。3.1网络硬件微波微波是无线通信使用非常广泛的一种传输介质。微波通信可以分为地面微波通信和卫星通信。微波是沿直线传播的，收发双方必须直视，为实现远距离传输，必须设立若干中继站。中继站把收到的信号放大后再发送到下一站。中继站设在地面，则称为地面微波通信；中继站采用卫星，则称为卫星通信。卫星通信具有传输距离远、覆盖区域大、灵活、可靠、不受地理环境条件限制等独特优点。但由于卫星离地面较远，所以卫星通信有较大的传播时延。3.1网络硬件红外线红外线具有较强的方向性（即直线传输）；传输距离短；不能透射非透明物体；通信成本低；但实现简单、设备便宜。主要用于短距离、无障碍通信，目前广泛应用于各种家电的遥控器。3.1网络硬件ISM频段有一段无线电频段是可以自由是使用的，称为ISM频段，它是开放给工业、科学、医学等机构使用的频段。在该频段内无须授权许可，只需要遵守一定的发射功率要求，且不对其他频段造成干扰，即可使用。常见的Wi-Fi、蓝牙和ZigBee无线通信网就工作在此频段内。3.1网络硬件互联设备网络互连设备主要完成信号的转换和恢复或继续传输工作，可以分为接口设备和网络连接设备两大类。接口设备：网卡、调制解调器等网络连接设备：中继器、集线器、网桥、交换机、路由器、网关等3.1网络硬件网卡网卡又称网络适配器（NIC），是上网的必用设备。网卡属于数据链路层的设备，主要作用是进行数据的串并转换和实现局域网的协议。现在绝大部分的局域网都是以太网，每个以太网网卡都有一个固定的全球唯一的网卡地址，又称物理地址，MAC地址或者硬件地址，此地址也是计算机在网络中的物理标识。以太网的网卡地址采用十六进制数表示，共6字节（48位），如00-00-E8-51-0E-7C。3.1网络硬件调制解调器Modem调制解调器俗称“猫”，是通过电话线入网的必备设备，属于物理层设备。计算机处理的是数字信号，而电话线传输的是模拟信号，调制解调器在其中起到数模转换的作用。将计算机产生的数字信号转换成可以用电话线传输的模拟信号的过程称为调制。把电话线上传来的模拟信号转换成计算机可以接收和处理的数字信号的过程称为解调。3.1网络硬件中继器在模拟传输系统中称为放大器。主要作用是放大整形衰减的信号，延长网络传输距离。中继器属于物理层设备。