搜索
NankaiUniversity1吴功宜吴英编著《物联网工程导论》NankaiUniversity第5章计算机网络与互联网技术的发展2NankaiUniversity第5章知识点结构3计算机网络组成与结构计算机网络的基本概念计算机网络发展的四个阶段计算机网络发展的三条主线互联网形成与发展计算机网络的定义接入技术的基本概念*计算机网络的分类广域网城域网局域网个人区域网ADSL接入HFC接入光纤接入无线接入电力线接入互联网与物联网的区别与联系从网络端系统接入的角度看互联网与物联网的区别与联系从网络数据采集与传输的角度看互联网与物联网的区别与联系NankaiUniversity5.1计算机网络的发展史5.1.1计算机网络发展的四个阶段•第一阶段：20世纪50年代，数据通信技术与网络理论基础研究•第二阶段：20世纪60年代，ARPANET与分组交换技术•第三阶段：20世纪70年代中期，网络体系结构与网络协议的标准化•第四阶段：20世纪90年代，互联网、高速网络、无线网络、移动互联网与网络安全技术发展4NankaiUniversity计算机网络技术的主要特点：•互联网作为全球性的网际网与大型信息系统，在当今政治、经济、文化、科研、教育与社会生活等方面发挥了越来越重要的作用•互联网大规模接入推动了接入技术的发展，促进了计算机网络、电信通信网与有线电视网的“三网融合”•对等（peer-to-peer，P2P）网络技术的研究，使得即时通信、网络视频、网络音乐、网络游戏等新的网络应用不断涌现，进一步丰富了人与人之间信息交互与共享的方式5NankaiUniversity•无线局域网与无线城域网技术日益成熟，并已进入应用阶段，无线自组网、无线传感器网络的研究与应用受到了高度重视•互联网应用中数据采集与录入从人工方式逐步扩展到自动方式，通过射频标签RFID、各种类型的传感器与传感器网络（SenseNetwork），以及光学视频感知与摄录设备，能够方便、自动地采集各种物品、环境信息，拓宽了人与人、人与物、物与物之间更为广泛的信息交互，促进了物联网技术的形成与发展•强烈的社会需求推动了网络安全技术快速发展6NankaiUniversity5.1.2计算机网络发展的三条主线7网络体系结构与网络协议广域网/城域网/局域网ARPANET-TCP/IP-Internet无线分组网-无线自组网-无线传感器网络网络安全主线1主线2主线3NankaiUniversity5.2互联网的形成与发展5.2.1ARPANET研究•集中式和非集中式拓扑构型•分布式网络的拓扑构型8(a)集中式(b)非集中式NankaiUniversity分组交换技术的基本设计思路•网络中没有一个中心控制节点，联网计算机独立地完成数据接收、转发、接收的功能•发送数据的主机预先将待发送的数据封装成多个短的、有固定格式的分组•如何发送主机与接收主机之间没有直接连接的通信线路，那么分组就需要通过中间节点“存储转发”，这种中间转发节点就是目前广泛使用的路由器•每个路由器可以根据链路状态与分组的源地址、目的地址，通过路由选择算法为每个分组选择合适的传输路径•当目的主机接收到属于一个报文的所有分组之后，再将分组中多个短的数据字段组合起来，还原成发送主机发送的报文9NankaiUniversityARPANET设计思想•通信子网结构与分组交换原理示意图10ABCED通信子网发送进程源主机接收进程目的主机分组IMP（路由器）NankaiUniversity•ARPANET最早四个节点的结构11#3UCSB#2SRI#1UCLA#4UTAHSDSSIGMA7SDS940DECPDP-10IBM360/75NankaiUniversityARPANET对推动网络技术发展的贡献•开展了对计算机网络定义与分类方法的研究•提出了资源子网与通信子网的二级结构概念•研究了分组交换协议与实现技术•研究了层次型网络体系结构的模型与协议体系•开展了TCP/IP协议与网络互联技术研究12NankaiUniversity5.2.2TCP/IP协议研究与发展网络协议的基本概念•计算机网络中连接的计算机之间要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的通信规则•协议是一组控制数据交互过程的通信规则，这些规则明确地规定所交换数据的语义、格式和时序•为网络数据交换制定的通信规则、约定与标准被称为“网络协议”•TCP/IP协议是互联网的核心协议13NankaiUniversity•早期ARPANET的协议结构14源IMP-目的IMP协议IMP-IMP协议IMPIMPIMPIMPIMP通信子网主机主机主机-主机协议NankaiUniversity5.2.3NSFNET对互联网发展的影响•从ARPANET到Internet的发展过程15设立DARPA启动ARPANETARPANET与MILNET分离ARPANET与NSFNET互联NSFNET成为主干网NSFNET退役Internet进入快速发展阶段1969年TCP/IP标准化1983年1957年1980年启动NSFNET1986年1990年1991年ARPANET退役MILNET运行UNIX发布1969年军事目的研究目的商业目的Internet21996年1993年NankaiUniversity5.2.4互联网的形成•互联网是一个全球范围的信息资源网，接入互联网的主机可以是信息服务的提供者，也可以是信息服务的使用者•传统的互联网应用主要有E-mail、TELNET、FTP、BBS与Web•互联网的全球性与开放性，使人们愿意在互联网上发布和获取信息，浏览器、搜索引擎、IPTV、IP电话等•P2P技术的产生，对互联网的发展产生重要的作用，使互联网中的信息更丰富、使用更方便16NankaiUniversity5.2.5互联网的高速发展与信息高速公路的建设•20世纪90年代，世界经济的发展带动了信息产业的发展，信息技术与网络应用已成为衡量21世纪综合国力与企业竞争力的重要标准•1993年9月美国公布了国家信息基础设施（NII）建设计划，NII被形象地称为信息高速公路•各国政府开始认识到信息产业发展对经济发展的重要作用，开始制定信息高速公路建设计划•1995年2月全球信息基础设施委员会成立，目的是推动与协调各国信息技术与信息服务的发展与应用17NankaiUniversity5.2.6宽带城域网与三网融合技术的发展1.宽带城域网技术发展的背景•互联网的广泛应用推动电信网技术的高速发展，电信运营商的服务业务也从以语音服务为主，逐步向数据业务方向发展，引起世界范围内大规模的产业结构调整与企业重组•电信运营商纷纷将竞争重点和大量资金，从广域骨干网的建设转移到支持大量用户接入、支持多种业务的城域网建设中，为信息产业与现代信息服务业的高速发展奠定了坚实的基础18NankaiUniversity2.三网融合技术的发展背景•“三网融合”实质上是计算机网络、电信通信网与电视传输网技术的融合、业务的融合19InternetCATV传输网3G/4G无线移动通信网移动/固定电话用户+电视用户+互联网用户网关网关互联网用户+电话用户+电视用户IPTV电视用户+互联网用户+电话用户云计算平台PSTN有线电话网NankaiUniversity5.3计算机网络定义与分类5.3.1计算机网络定义与特征•计算机网络是“以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”•计算机网络主要特征：—组建计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享—互联的计算机系统是自治的系统—联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议20NankaiUniversity5.3.2计算机网络的分类按网络覆盖范围进行分类：•个人区域网（PAN）—联接用户身边10m之内计算机、打印机、PDA与智能手机等数字终端设备的网络•局域网（LAN）—覆盖10m～10km的网络•城域网（MAN）—覆盖10km～100km的网络•广域网（WAN）—覆盖100km～1000km的网络21个人区域网PAN010m局域网LAN10km100km城域网MAN1000km广域网WANNankaiUniversity5.3.3广域网的基本概念•广域网建设投资很大，管理困难，通常由电信运营商负责组建、运营与维护，因此广域网是一种公共数据网络•广域网需要保证数据交换的服务质量（QoS），因此广域网研究的重点是宽带核心交换技术22NankaiUniversity5.3.4城域网的基本概念•宽带城域网应用领域示意图23宽带城域网Internet远程教育远程医疗电子政务网络银行社区网络服务电子商务城市公共服务家庭网络云计算平台办公室NankaiUniversity宽带城域网主要技术特征：•完善的光纤传输网是宽带城域网的基础•传统电信、有线电视与IP业务的融合成为了宽带城域网的核心业务•高端路由器和多层交换机是宽带城域网的核心设备•扩大宽带接入的规模与服务质量是发展宽带城域网应用的关键24NankaiUniversity•宽带城域网的功能结构25业务管理系统网络管理系统VoiceVideoIPdataIDCVPN核心层汇聚层接入层城市宽带出口管理平台业务平台网络平台宽带城域网国家主干网NankaiUniversity•宽带城域网的网络层次结构26核心交换环网汇聚环网汇聚环网路由器/交换机OC-48/192OC-48/192城市宽带出口OC-48/192OC-48/192路由器路由器交换机交换机电话交换机核心层汇聚层接入层OC-3OC-3/12NankaiUniversity5.4计算机网络的组成与结构5.4.1早期计算机网络组成与结构•最早出现的计算机网络是广域网•广域网设计目标是将分布在世界各地计算机互联起来•从逻辑功能上看，广域网是由资源子网与通信子网两个部分组成•资源子网包括：主机与终端、终端控制器、联网外设、各种网络软件与数据资源，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务•通信子网包括：路由器、各种互联设备与通信线路，负责完成网络数据传输、路由与分组转发等通信处理任务27NankaiUniversity5.4.2ISP的层次结构•从互联网运营管理的角度，而不是从地理位置和实际连接的层次、结构的角度，ISP层次结构在一定程度上反映出互联网的逻辑结构28国际或国家NSP地区ISP地区ISPISPISPISPISPISP地区ISPISPISP国际或国家NSP地区ISP地区ISPISPISPISP地区ISPISPISP国际或国家NSP地区ISP地区ISPISPISPISP地区ISPISPISPNAPNAP国际或国家级地区级本地级NankaiUniversity5.4.3互联网的网络结构•互联网网络结构示意图29PSTN国际或国家主干网地区主干网企业或校园网局域网接入（802.3）无线城域网接入（802.16）电话交换网接入有线电视网接入CATV无线局域网接入（802.11）ADSL接入设备CabelModem无线Adhoc接入3G/4G移动电话交换网接入NankaiUniversity•互联网中边缘部分与核心交换部分结构示意图30核心交换部分端系统：客户端端系统：服务器端端系统：客户端边缘部分端系统：服务器端端系统：服务器端InternetNankaiUniversity5.4.4IP网络：从IPv4到IPv6•互联网的核心技术是TCP/IP协议，它的网络层使用的是IP协议•核心交换网中所示的所有路由器都必须支持IP协议，因此互联网核心交换网也称为IP网络•其他的通信网络，如移动通信网不使用IP协议，因此将不支持IP协议的网络称为非IP网络•由于IP网络与非IP网络的网络层协议不同，属于异构的网络，异构网络的互联需要通过具有协议变换功能的网关（gateway）来实现31NankaiUniversity从IPv4到IPv6•IP协议共出现过6个版本，正式形成国际标准、被采用的是IPv4与IPv6协议•IPv4协议是在1981年制定的，地址长度为32位•2011年2月