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計算機網絡上海交大ppt

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計算機網絡基礎知識 主 要 內 容 1.1 計算機網絡的作用 1.2 因特網概述 1.3 因特網的組成 1.4 計算機網絡在我國的發展 1.5 計算機網絡的類別 1.6 計算機網絡的性能 1.7 計算機網絡的體系結構 1.1 計算機網絡在信息時代的作用 21 世紀的一些重要特征就是數字化、網絡化和信息化,它是一個以網絡為核心的信息時代。 網絡現已成為信息社會的命脈和發展知識經濟的重要基礎。 網絡是指“三網”,即電信網絡、有線電視網絡和計算機網絡。 發展最快的并起到核心作用的是計算機網絡。 因特網(Internet)的發展 進入 20 世紀 90 年代以后,以因特網為代表的計算機網絡得到了飛速的發展。 已從最初的教育科研網絡逐步發展成為現在的集教育科研、信息共享、休閑娛樂和商業流通的綜合網絡。 已成為僅次于全球電話網的世界第二大網絡。 因特網的意義 因特網是自印刷術以來人類通信方面最大的變革。 徹底改變了人們生活、工作、學習和交往的方式和態度,提高了人們工作、學習和生活的效率。 計算機網絡的功能 連通性——計算機網絡使上網用戶之間都可以交換信息,好像這些用戶的計算機都可以彼此直接連通一樣。 共享——即資源共享。可以是信息共享、軟件共享,也可以是硬件共享。 1.2 因特網概述 1.2.1 網絡的網絡 起源于美國的因特網現已發展成為世界上最大的國際性計算機互聯網。 網絡(network)由若干結點(node)和連接這些結點的鏈路(link)組成。 互聯網是“網絡的網絡”(network of networks)。 網絡與因特網 網絡把許多計算機連接在一起。 因特網則把許多網絡連接在一起。 1.2.2 因特網發展的三個階段 第一階段是從單個網絡 ARPANET 向互聯網發展的過程。 1983 年 TCP/IP 協議成為 ARPANET 上的標準協議。 人們把 1983 年作為因特網的誕生時間。 internet 和 Internet 的區別 internet(互聯網或互連網): 是一個通用名詞,它泛指由多個計算機網絡互連而成的網絡。這些網絡之間的通信協議可以是任意的。 三級結構的因特網 第二階段的特點是建成了三級結構的因特網。 三級計算機網絡,分為主干網、地區網和校園網(或企業網)。 多層次 ISP 結構的因特網 第三階段的特點是逐漸形成了多層次 ISP 結構的因特網。 出現了因特網服務提供者 ISP (Internet Service Provider)。 用戶通過 ISP 上網 萬維網 WWW 的問世 因特網已經成為世界上規模最大和增長速率最快的計算機網絡,沒有人能夠準確說出因特網究竟有多大。 因特網的迅猛發展始于 20 世紀 90 年代。由歐洲原子核研究組織 CERN 開發的萬維網 WWW (World Wide Web)被廣泛使用在因特網上,大大方便了廣大非網絡專業人員對網絡的使用,成為因特網的這種指數級增長的主要驅動力。 萬維網 WWW 的問世 萬維網 WWW (World Wide Web)并非某種特殊的計算機網絡。 萬維網是一個大規模的、聯機式的信息儲藏所。 萬維網用鏈接的方法能非常方便地從因特網上的一個站點訪問另一個站點,從而主動地按需獲取豐富的信息。這種訪問方式稱為“鏈接”。 1.2.3 因特網的標準化工作 在世界范圍內建立大型互聯網,通信協議和接口標準化是非常重要的。計算機網絡領域有影響的標準化組織主要有以下幾個: 1.2.3 因特網的標準化工作 1.2.3 因特網的標準化工作 1.3 因特網的組成 從因特網的工作方式上看,可以劃分為兩大塊: 1.3.1 因特網的邊緣部分 處在因特網邊緣的部分就是連接在因特網上的所有的主機。這些主機又稱為端系統(end system)。 英特網邊緣部分兩種通信方式 在網絡邊緣的端系統中運行的程序之間的通信方式通常可劃分為兩大類: 客戶服務器方式(C/S 方式) 即Client/Server方式 對等方式(P2P 方式) 即 Peer-to-Peer方式 1. 客戶服務器方式(C/S ) 客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所涉及的兩個應用進程。 客戶服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務的關系。 客戶是服務的請求方,服務器是服務的提供方。 客戶軟件的特點 被用戶調用后運行,在打算通信時主動向遠地服務器發起通信(請求服務)。因此,客戶程序必須知道服務器程序的地址。 不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統。 服務器軟件的特點 一種專門用來提供某種服務的程序,可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。 系統啟動后即自動調用并一直不斷地運行著,被動地等待并接受來自各地的客戶的通信請求。因此,服務器程序不需要知道客戶程序的地址。 一般需要強大的硬件和高級的操作系統支持。 2. 對等連接方式(P2P) 對等連接(peer-to-peer,簡寫為 P2P)是指兩個主機在通信時并不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方。 只要兩個主機都運行了對等連接軟件(P2P 軟件),它們就可以進行平等的、對等連接通信。 雙方都可以下載對方已經存儲在硬盤中的共享文檔。 對等連接方式的特點 對等連接方式從本質上看仍然是使用客戶服務器方式,只是對等連接中的每一個主機既是客戶又同時是服務器。 例如主機 C 請求 D 的服務時,C 是客戶,D 是服務器。但如果 C 又同時向 F提供服務,那么 C 又同時起著服務器的作用。 1.3.2 因特網的核心部分 網絡核心部分是因特網中最復雜的部分。 網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性,使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信(即傳送或接收各種形式的數據)。 在網絡核心部分起特殊作用的是路由器(router)。 路由器是實現分組交換(packet switching)的關鍵構件,其任務是轉發收到的分組,這是網絡核心部分最重要的功能。 路由器的交換技術 電路交換 分組交換 1. 電路交換的主要特點 兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。 更多的電話機互相連通 5 部電話機兩兩相連,需 10 對電線。 N 部電話機兩兩相連,需 N(N – 1)/2 對電線。 當電話機的數量很大時,這種連接方法需要的電線對的數量與電話機數的平方成正比。 使用交換機 當電話機的數量增多時,就要使用交換機來完成全網的交換任務。 “交換”的含義 在這里,“交換”(switching)的含義就是轉接——把一條電話線轉接到另一條電話線,使它們連通起來。 從通信資源的分配角度來看,“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。 電路交換的特點 電路交換必需是面向連接的。 電路交換要經過以下三個階段: 建立連接(擁有一條實際的物理通路) 通信(一直占用該物理通路) 釋放連接 電路交換舉例 A 和 B 通話經過四個交換機 通話在 A 到 B 的連接上進行 電路交換舉例 C 和 D 通話只經過一個本地交換機 通話在 C 到 D 的連接上進行 電路交換傳送計算機數據效率低 計算機數據具有突發性。 這導致通信線路的利用率很低。 因此,出現分組交換。 2. 分組交換的主要特點 在發送端,先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段。 添加首部構成分組 每一個數據段前面添加上首部構成分組。 分組交換的傳輸單元 分組交換網以“分組”作為數據傳輸單元。 依次把各分組發送到接收端(假定接收端在左邊)。 分組首部的重要性 每一個分組的首部 都含有地址等控制信息。 分組交換網中的結點交換機根據收到分組的首部中的地址信息,確定轉發出口,把分組轉發到下一個結點交換機。 用這樣的存儲轉發方式,最后分組就能到達最終目的地。 收到分組后剝去首部 接收端收到分組后剝去首部還原成報文。 最后還原成原來的報文 最后,在接收端把收到的數據恢復成為原來的報文。 因特網的核心部分小結與舉例 因特網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起來的路由器組成,而主機處在因特網的邊緣部分。 在因特網核心部分的路由器之間一般都用高速鏈路相連接,而在網絡邊緣的主機接入到核心部分則通常以相對較低速率的鏈路相連接。 主機的用途是為用戶進行信息處理的,并且可以和其他主機通過網絡交換信息。路由器的用途則是用來轉發分組的,即進行分組交換的。 分組交換網的示意圖 注意分組的存儲轉發過程 路由器處理分組的過程 在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。 路由器處理分組的過程是: 把收到的分組先放入緩存(暫時存儲); 查找轉發表,找出到某個目的地址應從哪個端口轉發; 把分組送到適當的端口轉發出去。 主機和路由器的作用不同 主機是為用戶進行信息處理的,并向網絡發送分組,從網絡接收分組。 路由器對分組進行存儲轉發,最后把分組交付目的主機。 分組交換的優點 高效 動態分配傳輸帶寬,對通信鏈路逐段占用。 靈活 以分組為傳送單位和查找路由。 迅速 不必先建立連接就能向其他主機發送分組。 可靠 保證可靠性的網絡協議;分布式的路由選擇協議使網絡有很好的生存性。 分組交換帶來的問題 分組在各結點存儲轉發時需要排隊,會產生一定的時延。 分組必須攜帶的首部(里面有必不可少的控制信息)也造成了一定的開銷。 存儲轉發原理并非完全新的概念 在 20 世紀 40 年代,電報通信也采用了基于存儲轉發原理的報文交換(message switching)。 報文交換的時延較長,從幾分鐘到幾小時不等。現在報文交換已經很少有人使用了。 三種交換的比較 三種交換方式的特點 電路交換:建立連接,數據傳輸(整個報文的比特流連續的從源點直達終點,好像在一個管道中傳送),釋放連接。 報文交換:不需建立和釋放連接,整個報文先傳送到相鄰結點,全部存儲下來后查找轉發表,轉發到下一個結點。 分組交換:不需建立和釋放連接,單個分組(這只是報文的一部分)傳送到相鄰結點,存儲下來后查找轉發表,轉發到下一個結點。 1. 4 計算機網絡在我國的發展 (1) 中國公用計算機互聯網 CHINANET (2) 中國教育和科研計算機網 CERNET (3) 中國科學技術網 CSTNET (4) 中國聯通互聯網 UNINET (5) 中國網通公用互聯網 CNCNET (6) 中國國際經濟貿易互聯網 CIETNET (7) 中國移動互聯網 CMNET (8) 中國長城互聯網 CGWNET(建設中) (9) 中國衛星集團互聯網 CSNET(建設中) 1.5 計算機網絡的類別 計算機網絡的不同定義 最簡單的定義:計算機網絡是一些互相連接的、自治的計算機的集合。 因特網(Internet)是“網絡的網絡”。 1.5.2 幾種不同類別的網絡 1 .不同作用范圍 的網絡 廣域網 WAN (Wide Area Network) 局域網 LAN (Local Area Network) 城域網 MAN (Metropolitan Area Network) 個人區域網 PAN (Personal Area Network) 在個人工作地方,把屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來的網絡,也稱無線個人區域網WPAN。 1.5.2 幾種不同類別的網絡 2. 從網絡的使用者 進行分類 公用網 (public network) : 指電信公司(國有或私有)出資建造的大型網絡,所有愿意按照電信公司規定繳納費用的人都可以使用。 專用網 (private network) : 某單位為自己的特殊業務工作需要而建立的只為本單位服務的網絡。 1.5.2 幾種不同類別的網絡 3.用來把用戶接入到因特網的網絡 1.6 計算機網絡的性能 1.速率 2.帶寬 3.吞吐量 4.時延 5.時延帶寬積 6.往返時間RTT 7.利用率 1.6 計算機網絡的性能 1.速率 比特(bit)是計算機中數據量的單位,也是信息論中使用的信息量的單位。一個比特就是二進制數字中的一個 1 或 0。 速率即數據率(data rate)或比特率(bit rate)是計算機網絡中最重要的一個性能指標。速率的單位是 b/s,或kb/s, Mb/s, Gb/s 等 速率往往是指額定速率或標稱速率。 2. 帶寬 “帶寬”(bandwidth) :指信號具有的頻帶寬度,單位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。 常用的帶寬單位 更常用的帶寬單位是 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) 請注意:在計算機界,K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。 3. 吞吐量 吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網絡(或信道、接口)的數據量。 吞吐量更經常地用于對現實世界中的網絡的一種測量,以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。 吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。 4. 時延(delay 或 latency) 時延:指數據(一個報文或分組或比特)從網絡(或鏈路)的一端傳送到另一端所需的時間。也稱延遲或遲延。 4. 時延(delay 或 latency) 傳輸時延(發送時延 ):是主機或路由器發送數據時,數據塊從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。 即:從發送數據幀的第一個比特算起,到該幀的最后一個比特發送完畢所需的時間。 4.時延(delay 或 latency) 傳播時延:電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。 信號傳輸速率(即發送速率)和信號在信道上的傳播速率是完全不同的概念。 4.時延(delay 或 latency) 4.時延(delay 或 latency) 處理時延 交換結點為存儲轉發而進行一些必要的處理所花費的時間。 排隊時延 結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延。 排隊時延長短往往取決于網絡中當時的通信量。 4.時延(delay 或 latency) 數據經歷的總時延就是發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和: 四種時延所產生的地方 容易產生的錯誤概念 對于高速網絡鏈路,我們提高的僅僅是數據的發送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。 提高鏈路帶寬 :減小了數據的發送時延。 5. 時延帶寬積 時延帶寬積表示該管道的體積,即這樣的鏈路可容納多少個比特。 鏈路時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。 5. 時延帶寬積 例:設某段鏈路的傳播時延為20 ms,帶寬10Mb/s,則時延帶寬積=20*10-3*10*106=2*105 bit, 即:若發送端連續發送數據,則在第一個比特即將到達終點時,發送端已經發送了2*105 bit數據,而這些比特都正在鏈路上向前移動。 6. 往返時間RTT 往返時間RTT表示: 從發送方發送數據開始,到發送方收到來自接收方的確認(接收方收到數據后便立即發送確認),總共經歷的時間。 7. 利用率 利用率由兩種: 信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的(有數據通過)。完全空閑的信道的利用率是零。 網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。 信道利用率并非越高越好。 信道或網絡利用率過高會產生非常大的時延。 時延與網絡利用率的關系 根據排隊論的理論,當某信道的利用率增大時,該信道引起的時延也就迅速增加。 若令 D0 表示網絡空閑時的時延,D 表示網絡當前的時延,則在適當的假定條件下,可以用下面的簡單公式表示 D 和 D0之間的關系: 1.6.2 計算機網絡的非性能特征 費用 質量 標準化 可靠性 可擴展性和可升級性 易于管理和維護 1.7 計算機網絡的體系結構 相互通信的兩個計算機系統必須高度協調工作才行,而這種“協調”是相當復雜的。 “分層”可將龐大而復雜的問題,轉化為若干較小的局部問題,而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。 開放系統互連參考模型(OSI/RM) 為了使不同體系結構的計算機網絡都能互聯,國際標準化組織OSI提出了一個試圖使各種計算機在世界范圍內互聯的標準框架,即開放系統互連參考模型OSI/RM,1983年形成了開放系統互聯基本參考模型的正式文件——ISO7498標準,即七層協議體系結構。 只要遵循 OSI 標準,一個系統就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統進行通信。 OSI/RM 在市場化方面 OSI 卻失敗了。 OSI 專家在完成 OSI 標準時沒有商業驅動力; OSI 協議實現起來過分復雜,運行效率很低; OSI 標準制定周期太長,因而使得按 OSI 標準生產的設備無法及時進入市場; OSI 的層次劃分并也不太合理,有些功能在多個層次中重復出現。 兩種國際標準 法律上的國際標準 OSI 并沒有得到市場的認可。 非國際標準 TCP/IP 現在獲得了最廣泛的應用——事實上的國際標準。 1.7.2 劃分層次的必要性 計算機網絡中的數據交換必須遵守事先約定好的規則。 這些規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題(同步含有時序的意思)。 網絡協議(network protocol),簡稱為協議,是為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。 網絡協議的組成要素 網絡協議主要由以下三個要素組成: 語法 數據與控制信息的結構或格式 。 語義 需要發出何種控制信息,完成何種動作以及做出何種響應。 同步 事件實現順序的詳細說明。 劃分層次的概念舉例 主機 1 向主機 2 通過網絡發送文件。 可以將要做的工作進行如下的劃分。 第一類工作與傳送文件直接有關。 確信對方已做好接收和存儲文件的準備。 雙方協調好一致的文件格式。 兩個主機將文件傳送模塊作為最高的一層 。剩下的工作由下面的模塊負責。 兩個主機交換文件 再設計一個通信服務模塊 再設計一個網絡接入模塊 社會上存在的郵政系統 分層的好處 各層之間是獨立的。 靈活性好。 結構上可分割開。 易于實現和維護。 能促進標準化工作。 層數多少要適當 若層數太少,就會使每一層的協議太復雜。 層數太多又會在描述和綜合各層功能的系統工程任務時遇到較多的困難。 計算機網絡的體系結構 計算機網絡的體系結構(architecture)是計算機網絡的各層及其協議的集合。 計算機網絡的體系結構就是這個計算機網絡及其部件所應完成的功能的精確定義。 實現(implementation)是遵循這種體系結構的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。 體系結構是抽象的,而實現則是具體的,是真正在運行的計算機硬件和軟件。 1.7.3 具有五層協議的體系結構 OSI參考模型 1.7.3 具有五層協議的體系結構 TCP/IP參考模型 1.7.3 具有五層協議的體系結構 五層協議的體系結構 應用層(application layer) 運輸層(transport layer) 網絡層(network layer) 數據鏈路層(data link layer) 物理層(physical layer) 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 應用層(application layer) 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 主機 1 向主機 2 發送數據 1.7.4 相關術語 實體(entity) 表示 任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。 協議是控制兩個對等實體進行通信的規則的集合。 (如:所要交換信息的格式,發送者或接收者要完成什么操作,在何種條件下數據必須重傳或丟棄等。) 在協議的控制下,兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。 要實現本層協議,還需要使用下層所提供的服務。 相關術語(續) 本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協議。下面的協議對上面的服務用戶是透明的。 協議是“水平的”,即協議是控制對等實體之間通信的規則。 服務是“垂直的”,即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。上層使用下層的服務時必須向下層交換一些命令——服務原語。 同一系統相鄰兩層的實體進行交互(交換信息)的地方,稱為服務訪問點 SAP (Service Access Point)。 相關術語(續) 協議不但復雜且全面 協議必須把所有不利的條件事先都估計到,而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 看一個計算機網絡協議是否正確,不能光看在正常情況下是否正確,而且還必須非常仔細地檢查這個協議能否應付各種異常情況。 1.7.5 TCP/IP的體系結構 沙漏計時器形狀的 TCP/IP協議族 例2 客戶進程通信 運行多個服務器進程

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