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第一章 计算机网络概述

计算机网络是企事业单位、国家、全球关键基础设施和核心;是发展知识经济,实现信息化全球化的重要基础;是人们生活、工作、交往的不可或缺的工具;是各国高新技术竞争的关键技术和重要方面。许多国家都在制定本国建设信息基础结构的计划,借助计算机网络,可以实现任何人(whoever)在任何时间(whenever)、任何地方(wherever)、都可以和任何另一个人(whoever)通过计算机网络进行通信,以传递任何信息(whatever),即可以是多媒体或其它任何信息。

1.计算机网络的应用其应用领域无限宽广,例如:(1) 健康保健:远程医疗、紧急医疗响应支持(2) 教    育:远程教育、数字图书馆(3) 科学研究:能源、地理系统、气象、生物(4) 国家安全:高性能全球通信、先进的信息传播(5) 环    境:监测、预测、警告、响应(6) 政    府:电子政务\办公自动化(7) 突发事件:灾难响应、危机管理(8) 设计制造:制造工程(9) 商业应用:电子商务(10) 信息检索(11) 生活娱乐和消遣(12) 分布式计算应用、协同性应用、网格(Grid)

2.计算机网络的功能可归纳为资源共享、数据传送、均衡负荷和分布式处理、信息的集中和综合处理等四项功能:(1) 资源共享:包括硬件和软件资源。硬件资源包括处理机、大容量存储器、打印设备等,软件资源包括各种应用软件、系统软件和数据等。(2) 数据传送:包括网络用户之间、各处理器之间以及用户与处理器间的数据通信。如 E-MAIL、网上 QQ 等。(3) 均衡负荷:指当网络的某个节点系统的负荷过重时,新的作业可以通过网络传送到网中其他较为空闲的计算机系统去处理。(4) 信息的集中和综合处理:各种管理信息系统、智能决策系统等。  

定义 1:一些互连的、自治的计算机的集合。定义 2:把分布在不同物理位置、具有自主特性的计算机互连起来,按照一定的规则实现相互通信,以达到资源共享为目的的计算机之集合。定义 3:计算机网络是指将地理位置不同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、由专门的网络操作系统进行管理,以实现资源共享的系统。强调计算机网络由网络软件和网络硬件组成,实现资源共享的目的。

每个用户对计算机网络关注的侧重点不同,因此存在许多种不同的计算机网络的分类。一、计算机网络按照不同的拓扑结构的网络分类计算机网络分为总线型、星型、树型、环型、网状型。二、计算机网络按照地理分布范围的网络分类计算机网络分为广域网、城域网、局域网和接入网。1.广域网 WAN (Wide Area Network)广域网又称远程网,其覆盖范围可以是几个城市、地区,甚至国家、洲和全球。覆盖范围一般是几十公里到几千公里以上。典型的广域网技术有包括: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)2.城域网 MAN (Metropolitan Area Network)城域网是介于局域网与广域网之间的高速网络,其规模限于一个城市范围。覆盖范围大约是几公里到几十公里,它主要是满足城市、郊区的联网需求。如连接重庆大学各大校区的重庆大学校园网;连接重庆各大中小学的重庆教育城域网等。城域网技术与局域网技术、城域网技术与广域网技术之间的边界正在日益模糊。3.局域网 LAN (Local Area Network)局域网是局部地区网的简称,计算机网络的通信距离通常限于小规模的地理区域内,一般不超过 10 km,可以一个单位或地区组建。覆盖范围一般在几公里以内,如一幢大楼内或一个校园内。典型的 LAN 技术包括:Ethernet 、Token-Ring、FDDI

三、计算机网络按照网络通信方式的网络分类计算机网络分为点—点通信网和广播式通信网。1.在点—点通信网中任意两个节点有一条通信信道;如图 1.1.3-2。2.在广播式通信网中只有一个公共通信信道,为所有节点共享使用,任一时刻只允许一个节点使用公用信道
信息交换技术主要包括:电路交换、报文交换和分组交换三种一、电路交换在拨号呼叫建立连接过程中,电话网中的程控交换机建立物理通路的过程,中国称之为电路交换
两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。5 部电话机两两相连,需 10 对电线。N 部电话机两两相连,需 N(N – 1)/2 对电线。当电话机的数量很大时,这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。当电话机的数量增多时,就要使用交换机来完成全网的交换任务。“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线,使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看,“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
三、分组交换类似于报文交换,只是将报文划分成更小的等长数据段,并加上控制信息组成首部,是计算机网络采用的主要信息交换技术。
2.分组交换的原理如下:(1) 在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。(2) 每一个数据段前面添加上首部构成分组。(3) 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。(4) 依次把各分组发送到接收端(假定接收端在左边)。(5) 每一个分组的首部都含有地址等控制信息。(6) 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息,把分组转发到下一个结点交换机。(7) 用这样的存储转发方式,最后分组就能到达最终目的地。(8) 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。(9) 最后,在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。(10) 这里中国假定分组在传输过程中没有出现差错,在转发时也没有被丢弃。
1.客户机/服务器方式C/S (Client/Server)又称 C/S 结构,是软件系统体系结构的一种。服务器的主要功能是接收客户请求、处理客户请求和返回处理结果;客户的主要功能是提出请求、接收处理结果。2.客户/服务器的特点:(1)服务器、客户都指的是程序,通常,这些程序能在很多类型的机器上运行;(2)基于 TCP\IP 体系的服务器,其中的端口是一个很重要的概念:服务器的端口一般都是固定的、周知的;客户用的端口一般都是随机分配的。3.服务器的工作模式无连接循环服务器、面向连接的循环服务器、无连接的并发服务器和面向连接的并发服务器;在实际应用中,主要采用的模式为无连接循环服务器和面向连接的并发服务器。4.服务器的两种工作方式(1) 循环方式(iterative mode)——在计算机中一次只运行一个服务器进程。当有多个客户进程请求服务时,服务器进程就按请求的先后顺序依次做出响应。(2) 并发方式(concurrent)——在计算机中同时运行多个服务器进程,而每一个服务器进程都对某个特定的客户进程做出响应。5.使用无连接的 UDP 的服务器通常都工作在循环方式—— 一个服务器在同一时间只能向一个客户提供服务。服务器收到客户的请求后,就发送 UDP 用户数据报响应该客户。但对其他客户发来的请求则暂时不予理睬,这些请求都在服务器端的队列中排队等候服务器的处理。当服务器进程处理完毕一个请求时,就从队列中读取来自下一个客户的请求,然后继续处理。6.面向连接并发服务器在同一时间可向多个客户提供服务。TCP 是面向连接的,因此在服务器和多个客户之间必须建立多条 TCP 连接,而每一条 TCP 连接要在其数据传送完毕后才能释放。使用 TCP 的服务器只能有一个熟知端口。因此主服务器在熟知端口等待客户发出的请求。一旦收到客户的请求,就立即创建一个从属服务器,并指明从属服务器使用临时端口和该客户建立 TCP 连接,然后主服务器继续在原来的熟知端口等待向其他客户提供服务。 

7.客户软件在进行通信时临时成为客户,但它也可在本地进行其他的计算;被用户调用,在用户的计算机上运行,在打算通信时主动向远地服务器发起通信;可与多个服务器进行通信;不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。8.服务器软件是一种专门用来提供某种服务的程序,可同时处理多个远地客户的请求;在共享计算机上运行。当系统启动时即自动调用,且不断地运行着;被动地等待并接受来自多个客户的通信请求;一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
1.联机系统也称为初级阶段:20 世纪,50-60 年代。这种终端-通信线路-计算机的模式,严格意义上讲,不属于计算机网络范畴
2.分组交换网阶段分组交换网 ARPAnet 的产生标志着进入计算机网络阶段。其特点是多个计算机互连,以实现“资源共享”为目的多计算机互连形态。20 世纪 60 年代,以 ARPAnet 为典型;其重要贡献是将应用与通信功能从逻辑上分离,产生了通信子网与资源子网的概念
3.网络体系结构形成阶段采用分层思想、标准化方法,以理论指导实践。例如 IBM 的 SNA 体系结构, ISO/OSIRM 开放系统互联参考模型,通信介质、接口、高层处理应用都有详尽的规范和协议,尽管未能取得成功,但作用显著;TCP/IP 体系结构成为了事实上的工业标准。

4.Internet 与高速网络阶段(高速智能的第四代计算机网络)高速:主干带宽的增加达到 10Gbps 或更高,接入带宽可以高达 1000Mbps。互连:Intranet、Extranet、Internet、Internet Ⅱ。智能:服务质量(QoS)、网络管理。特点是:网络规模全球化,各种网络和通信技术层出不穷,如光通信;各种网络应用层出不穷,如多媒体通信。
1.APRANET  2.NSFnet(美国国家科学基金会)National Science Foundation  3.INTERNET 图 1.2.2 因特网的边缘部分与核心部分4.因特网标准组织NSI 是最早的国际域名管理机构,始于 1993 年,顶级域名如:.com,.net,.org;ICANN,始于 1998 年底,主要进行域名系统的管理、IP 地址的分配、 协议参数的配置、 主服务器系统管理;CNNIC 是中国互联网络信息中心,始于 1997 年 6 月,主要进行我国的域名注册服务.cn,IP 地址的分配,目录数据库服务,第 3 方流量认证,中国互联网络发展统计。5.Internet 网络管理机构IRTF:负责长期的与 Internet 发展相关的技术研究;IETF:负责 Internet 中、短期技术标准和协议制定,以及 Internet 体系结构的确定。
计算机网络的物理结构由通信子网和资源子网两级子网组成。主要网络单元由计算机系统(包括计算机和终端)、网络结点(或通信处理机)和通信链路(通信线路和网络设备)等组成。1.通信子网不同类型的网络,其通信子网的物理组成各不相同。局域网最简单,它的通信子网由物理传媒介质和主机、网络接口板(网卡)组成;广域网,除物理传媒介质和主机、网络口接板(网卡)外,必须靠通信子网的转接结点传递信息。
2.资源子网一般由主机系统、终端、相关的外部设备和各种软硬件资源、数据资源组成。主计算机是在计算机网络中承担数据处理的计算机系统,可以是单机系统,也可以是多机系统;通信处理机也称节点计算机或前端处理机。它是主计算机与通信线路之间设置的计算机,负责通信控制和通信处理工作;集中器设置在终端较集中的地方,它把若干终端用低速线路先集中起来再与高速线路连接,以提高通信效率,降低通信费用;调制解调器提供计算机等数字信号与话音频带线路等模拟信号之间的转换;通信线路主要用来连接网络各结点,它是传输信息的物理信道以及为达到有效、可靠的传输质量所必需的信道设备的总称。
其中,CCP 具有如下三大主要功能:(1) 网络接口功能——实现资源子网和通信子网的接口功能;(2) 存储/转发功能——对进入网络传输的数据信息提供转接功能;(3) 网络控制功能——为数据提供路径选择、流量控制等功能。
一、“拓朴”的概念来自离散数学中的图论;拓扑学方法是指把实体抽象成与其大小、形状无关的“点”,而把连接实体的线路抽象成“线”,进而以图的形式来表示这些点与线之间关系的方法,其目的在于研究这些点、线之间的相连关系。拓扑结构与几何结构属于两不同的数学概念。在几何结构中,中国要考察的是点、线之间的位置关系,或者说几何结构强调的是点与线所构成的形状及大小;拓扑学关注的是点与线之间的关系。不同的几何结构可以具有相同的拓扑结构。二、计算机网络拓朴结构将通信子网中的通信处理机、计算机等设备抽象成点,把连接这些设备的通信线路抽象成线,并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构。网络拓朴结构反映出网络的结构关系,对于网络的性能、可靠性以及建设管理成本等都有着重要的影响,在整个网络设计中占有十分重要的地位,是网络构建时首先要考虑的因素之一。常见的网络拓朴结构包括总线型、星型、树型、环型、网状型。1.总线型所有节点直接连到一条物理链路上,除此之外节点间不存在任何其他连接。每一个节点可以收到来自其他任何节点所发送的信息。优点:简单、易于实现。缺点:可靠性和灵活性差、传输延时不确定。

2.星形结构网络由各节点以中央节点为中心相连接,各节点与中央节点以点对点方式连接。 节点之间的数据通信要通过中央节点。优点:结构简单,管理方便,可扩充性强,组网容易。缺点:中心节点成为全网可靠性的关键
3.扩展星型星型结构的重复( 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。
4.树型结构树型结构(又称层次结构):数据流具有明显的层次性。
5.环型结构节点与链路构成了一个闭合环,每个节点只与相邻的两个节点相连。 每个节点必须将信息转发给下一个相邻的节点。优点:简单、易于实现,传输延时确定。缺点:维护与管理复杂。
6.双环(如 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。
7.网状结构又称无规则型。结点间的连接是任意的,不存在规律。是目前数据的传输有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:结构复杂。
8.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。
1. 计算机网络的体系结构是抽象的结构模型为了能够使网络中位于不同地理位置且功能相对独立的计算机之间实现资源共享,计算机网络系统需要涉及和解决许多复杂的问题,包括信号传输、差错控制、寻址、数据交换和提供用户接口等一系列问题。计算机网络体系结构是中国为简化这些问题的研究、设计与实现而抽象出来的一种结构模型。
2. 计算机网络的体系结构是计算机网络的分层体系结构及其各层的协议的集合计算机网络的体系结构的作用是复杂网络的抽象结构;基于该结构实现网络的结构化设计;界定每层功能、接口模式、数据结构;作为实现的依据。体系结构研究的着眼点在于为实现网络功能,各节点系统所具备的功能及功能的划分
从资源构成的角度讲,计算机网络由硬件和软件组成,硬件包括各种主机、终端等用户端设备,以及交换机、路由器等通信控制处理设备,网络互连设备、连接设备和传输介质;软件由各种系统程序和应用程序以及大量的数据资源组成,包括网络体系结构、网络操作系统、网络协议软件、网络工具软件、网络编程软件和网络应用软件。
1.计算机网络是通过通信设施、传输介质和通信协议,将分散在不同地点的计算机设备互连起来,实现资源共享、信息传输的系统。2.每个用户对计算机网络关注的侧重点不同,因此存在许多种不同的计算机网络的分类。3.计算机网络技术的发展经历了 4 个阶段:(1)联机终端通信网络(2)计算机-计算机网络(3)开放式标准化网络(4)因特网时代 4.交换技术有:电路交换;报文交换;分组交换。5.计算机网络的组成和结构从三个方面进行讨论:计算机网络的物理构成;计算机网络的拓扑结构;计算机网络的协议体系结构。


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