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计算机网络体系结构-第1章-计算机网络概述_图文

计算机网络体系结构-第1章-计算机网络概述_图文

计算机网络 体系结构
讲授:马梁

? 教材:计算机网络体系结构
? 编者:李丽芬

程晓荣等 ? 出版社:中国电力出版社 ? 版次:2006年2月第一版 ? 定价:29.80元

计算机网络与计算机网络体系结构 的区别
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两门课程所涉及的内容的区别: 1、计算机网络涉及计算机网络的绝大部分内容,包 括网络通信的部分硬件设备通信原理和软件(协议)的实 现原理。 即,各个部分都涉及,但是都不深入。它帮助学生建 立一个网络如何设计与实现的一个整体轮廓。 2、计算机网络体系结构侧重于网络通讯规则的设计 与实现。 它规定网络中的机器(硬件和软件)按照什么样的规 则进行通信,规范网络中各节点(资源节点和通信节点) 中的软件的结构(如何分层,分几层),各层之间如何通 信(协议),以及具有相同体系结构的不同机器中同层协 议如何进行通信的规则。它不注重协议的实现细节,而注 重规则的制定和通信过程中控制。 所以计算机网络体系结构是计算机网络中一部分内容 的细化和深入,具有较强的专业性。

第一章计算机网络概述
? 1.1

计算机网络的产生与发展 ? 1.2 计算机网络的定义、组成及 分类 ? 1.3 计算机网络体系结构的发展 ? 1.4 计算机网络协议标准化

教学目的和要求: ? 1.掌握:计算机网络的定义组成及分类 ? 2.熟悉:计算机网络的产生和发展。 ? 3.重点:计算机网络的定义组成及分类。 ? 4.难点: 三种交换方式。
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1.1 计算机网络的产生与发展
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计算机网络: 计算机技术+通信技术

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发展特点:
历史不长,但发展速度很快

发展阶段概述:



产生—20世纪60年代 兴起—20世纪70年代 迅速发展并互联—20世纪70年代中期 80年代 广泛地互联网应用—20世纪90年代

1.1.1 20世纪60年代:面向终端分 布的计算机系统
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产生条件: 强烈的社会需求 先期技术的成熟 1946年,世界上第一台数字电子计算机ENIAC在美国诞 生。 20世纪50年代初:美国军方的需要—将地理上位置分散的 多个终端通过通信线路传送到一台中心计算机上。 20世纪60年代初:美国航空公司构建了航空订票系统 这些系统的特点: 以单机为中心的联机系统—面向终端的远程联 机系统

60年代: 面向终端分布的计算机系统

小结
面向终端的远程联机系统是: 计算机+通信技术的前驱 面向终端的远程联机系统虽然还称不上计算机网 络(因为它不是计算机—计算机互联,而是远程 终端—中心计算机互联),但是它为计算机网络 提供了一个雏形。

70年代:分组交换网(PSN)出现
随着计算机应用的发展,出现了多台计算 机互联的需求: ? 即将分布在不同地点的计算机通过通信线 路互联成计算机—计算机网络,以达到计 算机资源(硬件和软件)共享的目的。 ? 这一时期典型的代表是: 美国国防部高级研究计划局
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? (Advanced Research Projects Agency)的 ARPANET(通常称为ARPA网)

ARPANET的结构分为: ? 通信子网(Communication Subnet) ? 资源子网(Resource Subnet) ? ARPANET采用的交换设备为 接口报文处理机IMP (Interface Message Processor ) 负责主机H1—H6之间的通信任务,实 现信息传输与交换
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交换网结构示意图
H2 1 H4 D 1 H5 1 E C H3 1 H6 1

B

A H1

分组交换原理
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什么是交换? 从通信资源的分配角度来看,交换就是 按照某种方式动态分配传输线路的资源。 交换即转接。 常用的交换技术: 1、电路交换(线路交换) 2、报文交换 3、分组交换(包交换)

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电路交换 电路交换是一种直接的交换方式,它为 一对需要进行通信的装置之间提供一条临 时的专用通道。 这条专用的通道既可以是物理的,也可 以是逻辑的(时分或频分复用技术)。 数据在传输通道如何进行交换? 交换由传输通道的节点中内部电路来完 成。 电路交换主要应用领域: 公用电话网

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经由电路交换的通信包括三个阶段 电路建立 数据传输 电路拆除 电路交换具有以下特点: 1、建立时间长、呼损 ; 2、提供“透明通路” ; 3、适用于实时数据传输 ; 4、线路(信道)利用率低 电路交换有自身的优点,但是其缺点对线 路资源的利用率影响极为巨大。

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报文交换 网络节点通常为一台专用计算机,并带有 足够的外存。 报文交换也叫存储转发(store and forward)。 报文的格式 : 数据+ 报头(源地址 ,目标地址 ,校 验和控制信息) 数据自身的长度没有限制

H2 1

B

H4 D 1 H5 1 E C H6 1

A H1

H3 1

报文交换
? 报文交换的特点:

1、线路不专用; 2、线路利用率高 ; 3、节点要求高; 4、传输的可靠性高 ; 5、不适用于交互式通信(报 文长度可能过大,时延可能较长)

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3、分组(packet)交 换 分组交换对于节点的 要求: 是一台专用计算机 分组的格式: 分组=首部(地址 及控制信息)+数据

报文 10011110 … 10010100

首部

数据 分组

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首部 分组

数据

分组所采用的交换方式: 存储转发(store and forward) 分组的交换的传输方式: 1、数据报(datagram) 传输(亦称小报文或 分组) 2、虚电路传输方式

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分组交换具有三个显著的特点 1、节点暂时存储的是一个个分组,而不是整 个数据报文 ; 2、分组是暂时存储在节点的内存中,而不是 保存在节点的外存中,从而保证了较高的交 换速率 ; 3、分组交换采用的是动态分配信道的策略, 极大地提高通信线路的利用率 优点 :信道利用率有了很大的提高

三种交换方式的比较

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电路交换的问题: 电路交换效率不高,适合于连续传递大 量的数据,且传送时间远大于连接建立时 间的情况。 报文交换存在的问题: 报文在传递的过程中需要排队,不适合 于交互式通信,不能满足实时通信的要求。

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分组交换技术在数据网中是最广泛使用的 一种交换技术,适用于突发数据的情况。 小结: 此阶段所取得的成果对推动网络技术的 成熟应用及其重要,它研究的网络体系结 构与网络协议的理论为以后网络理论的发 展奠定了基础。 但是由于此时期众多的网络体系结构与 协议标准的不统一限制了计算机网络自身 的发展和应用。网络体系结构与网络协议 标准化问题提上日程。

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80年代:开放式标准化网络
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此阶段是加速网络体系结构与协议国际标准 化的研究与应用 ISO(International Standards Organization) 与1984年正式颁布了一个 称为“开放系统互联基本参考模型”OSI RM (Open System Interconnection Reference Model) 。 ISO/OSI RM已被国际社会公认,成为研究 和制订新一代计算机网络标准的基础。 国际标准化网络将具有统一的网络体系结构, 目的是能支持各厂商生产的计算机系统互联。

90年代:现代网络技术和协同 计算技术的发展
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此阶段计算机网络发展的特点: 1、互连(Internet), 2、高速(宽带综合业务数据网, 帧中继,异步传输模式ATM,告诉局域网 等), 3、智能与更为广泛的应用--IN (Intelligent Network) 计算机支持的协同工作(CSCW) 支持协同工作的计算机软件称为群件 (Groupware)

1.2计算机网络的定义、组成及分 类
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定义:计算机网络是通过通信设施(通信网络), 将地理上分散的具有自治功能的多个计算机系统互 连起来,进行信息交换,实现资源共享、互操作和 协同工作的系统。 从这个定义中,我们分析一下它的特征: 1、互联的计算机系统的群体; 2、计算机系统是自治的; 3、互联是通过通信设施(有线、无线或卫星等) 来实现; 4、系统通过通信设施(硬件)和各种软件(网 络操作系统、协议)实现各种应用要求

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计算机网络的组成: 通信子网(交换设备 :网桥、中继器、网关、 交换机和路由器) 资源子网(用户设备和网络软件)
1.2.3 计算机网络的分类: 分类角度: 地域范围; 拓扑结构; 信息传输交换方式或协议; 网络组建属性或用途。

1.2.3计算机网络的分类
1、按地域范围分类:
输可靠;
WAN—远程网:借用公共传输网来实现; LAN—设备分布近,传输速度高,费用低,传

MAN—介于WAN与LAN之间的网络 2、按拓扑结构分类: 主要考虑通信子网的拓扑结构问题。 主要设计成两种通信类型: 广播信道:只有一条供诸节点共享的通信信道; 总线型;环形;卫星或无线广播通信方式。 点对点信道: 一条线路连接一对节点; 信息的传输采用存储转发;

1.2.3计算机网络的分类
3、按信息传输交换方式分类: 电路交换和存储转发交换 4、按网络组建属性分类: 公用网;专用网

1.3 计算机网络体系结构发展
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降低网络软件设计的复杂性的方法 网络软件的高度结构化 这种结构化的表现形式是:分层 网络软件分层结构的特点是: 安装相同网络软件的不同机器之间的对话是同 层软件的对话。 在对话过程中用到的规则和习惯合起来称为这一 层的协议。 简单来说,所谓的协议概念是: 通信双方关于如何进行通信的一种约定。

1.3 计算机网络体系结构的发展
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那么什么是网络体系结构呢? 网络体系结构(Network Architecture) 简单来说就是层和协议的集合。 换句话说 网络体系结构就是规定网络软件如何分 层,每一层如何进行通信这些规则的集合。 对于网络体系结构的设计要求? 相关的规则(规范)必须要包含足够的 信息。

1.3 计算机网络体系结构的发展
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网络体系结构的发展特点 1、从封闭到开放 IBM公司的系统网络结构SNA; DEC公司的分布式网络结构DNA等 各个公司、组织和政府部门的网络体系结构不统一这个现实,严重阻碍 了网络的互联和发展。 1984年提出了“开放系统互连基本参考模型” ISO/OSI-RM ;IEEE则 提出了局域网(LAN)参考模型,制定了著名的IEEE802标准 ;Internet的迅 猛发展和应用使得TCP/IP协议成为最有影响的网络协议和事实上的工业标准。 2、从专用到公用 这种转换的推动力来源于Internet的商业化 网络地址空间的扩充:IPv6(128位),以便容纳更多的网络服务业务。 例如: IP电话、IP电视 为了保证网络业务的服务质量(QoS):IPv6中 “区别服务”; 为了保证公用网络服务的安全:IETF提出了SSL (Secure Socket Layer) 和Internet 协议安全性 (IPsec)等网络安全协议 。 目前已经实现了“IP over everything”(可在任何通信网上建立IP网), 下一步将向“everything over IP”(任何业务都可在IP网上实现)

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从数据通信到多媒体通信 传统的数据网络构建的原因: 传统的网络的信息以数据为主。 因此计算机网络一开始便采用了面向非连接的分组交 换技术,网络节点机一直采用“尽量服务”原则,对突发 性不相关数据的传输具有较高的效率。 随着计算机网络迅猛地发展和应用,使得网络处理多 媒体信息的需求提上了日程。 多媒体通信产生条件 1、硬件条件: 为了使得网络能够处理多媒体信息,网络的传输速度 必须得到很大的提升: 兆位(Mb/s)提升到吉位(Gb/s)而且即将进入太位 (Tb/s)数量级 2、软件条件 各种支持多媒体通信的网络协议软件的出现,以及基 于网络的多媒体应用程序的出现。

多媒体通信的特征: 在一次单一的通信会话(Communication session) 期间,可以有多个参与方、多条连接,而且资源和用户数 量可增减。 体现了群体性、交互性和多值性等新特点。 例如:VoIP(Voice over Internet Protocol)实现了IP电 话,打破了“按业务建网”的传统 ; 动态多点连接的组播(multicast); 多媒体通信的服务质量(QoS)保证措施: 区别服务、资源预约、准入控制和动态带宽分配等许多 QoS控制方法 ; 提高多媒体通信速率的方式: 1、提高通信线路的带宽; 2、降低数据源的数据速率(图像和语音数据的压缩) 例如:JPEG、MPEG、H.261和H.320、H.324等一系列 国际标准

1.4 计算机网络协议标准化
计算机网络的协议标准可分为两类: 事实上的标准; 法定标准。 1、电信领域中最有影响的组织 国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union) 它的任务是国际电信的标准化。
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ITU有三个主要部门:
? 无线通信部门ITU-R(Radio communications Sector) : 关注全球范伟内的无线电频率分配事宜 ? 电信标准化部门ITU-T(Telecommunications Sector) 关注电话和数据通信系统 ? 开发部门ITU-D(Development Sector)

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电信标准化部门ITU-T(电话和数据通信) 的四类成员
? 政府部门 ? 部门成员 ? 合作成员 ? 管理代理 ITU-T制订的标准中最广为人知的是通过电话线 进行数据通信标准的V系列标准; 规定了通过公用数字网络进行传输标准:X系 列 并规定了国际数字网络融合标准的综合服务数 字网(ISDN)标准。

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ISO(International Standards Organization)
? 1946年成立 的一个自愿的、非条约性质的组织。包括:ANSI (美国)、BSI(英国)、AFNOR(法国)等 ? ANSI(American National Standards Institute, 美国国家标准协会) 。 其标准常常被ISO采纳为国际标准。 ISO采纳国际标准的程序: 精心设计的,以便可能获得广泛的同意和支持。 1、某一国家组织提出某一标准; 2、形成工作组,工作组提出CD(Committee Draft, 委员会草案) ; 3、该CD传送给所有的成员,进行评价; 4、如果绝大部分成员同意,在生成一份修订文档,称为 DIS(Draft International Standard,国际标准草案) ; 5、投票表决。 ? 在标准化领域,另一个很大、也很有影响的组织是IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气和电子工程师协会) , 它是世界上最大的专业组织。 ? IEEE的802委员会已经标准化了很多类型的LAN,例如: 802.3—以太网; 802.11—无线LAN; 802.15—个人区域网络(蓝牙); 802.16—宽带无线

Internet标准领域中最有影响的组织
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Internet体系结构委员会(IAB,Internet Architecture Board),非正式的标准化组织。 它分成:
? IRTF(Internet Research Task Force):Internet 研究任务组(攻关组),负责长期的与Internet发展 相关的技术研究。 ? IETF(Internet Engineering Task Force): Internet工程任务组,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。 IAB的标准化程序: 草案标准(DS,Draft Standard); 请求评议(注解)RFC (Request For comments); IS(Internet Standards);

练习题
1:计算机网络由哪两部分组成?面向通信 子网的两种设计和IMP的功能各是什么? ? 2:在网络领域中,标准化是非常重要的。 ITU和ISO是最主要的官方标准化组织。请 到他们的Web站点www.itu.org和 www.iso.org,学习和了解一下他们的标准 化工作。
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