第5章 网络计算

1计算机科学导论第5章网络计算2计算机科学导论本章学习目标◆初步了解数据通信的方式、传输方式◆熟练掌握计算机网络的体系结构◆掌握Internet和TCP/IP协议◆了解Web和浏览器◆了解网络管理◆了解网络安全机制◆了解网格计算3计算机科学导论计算机网络•在信息化社会中，计算机已从单用户使用发展到网格计算(GridComputing)使用。•越来越多的应用领域需要一定的地理范围内的计算机联合起来进行工作，从而促进了计算机和通信(Communication)这两种技术紧密的结合，形成了计算机网络(CompterNetwork)这门学科。4计算机科学导论5.1通信与组网•Internet是当今信息时代获取信息的重要手段，Internet飞速的发展离不开计算机网络技术，然而计算机网络技术是建立在计算机技术和通信技术的基础之上的，计算机技术和通信技术相互促进，共同发展，才有今天Internet的繁荣。5计算机科学导论5.1.1数据通信的基本概念•信息(Information)是客观事物的属性和相互联系特性的表现，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。•数据(Data)是信息的数字化形式或数字化的信息形式。•数据通信是指在不同的计算机之间或终端之间，传输用二进制代码0、1比特(bit)表示的字母、数字、符号等序列的过程。•模拟数据是指在某个区间产生的连续的值。•数字数据是指产生的离散的值。6计算机科学导论•信号(Signal)是传输介质上携带信息，在通信系统中常用电信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等描述。•模拟信号是在一定的数值范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号(例如，某些物理量的测量结果，模拟计算机的输出)，这种电信号可以按照不同频率在各种介质上传输。•数字信号是一种离散的脉冲序列(例如，计算机的输出，数字仪表的测量结果)，它用恒定的正电压和负电压来表示二进制的1和0值，这种脉冲序列可以按照不同的位速率在有线介质上传输。7计算机科学导论•信道(Channel)是指发送设备和接收设备之间用于传输信号的介质，也就是传送信息的必经之路。•不同的通信信道有不同的数据传输速率，一个信道每秒钟传输比特数的能力称为带宽(Bandwidth)。8计算机科学导论5.1.2数据通信方式•一个通信系统至少由发送器(发送端)、传输介质(信道)和接收器(接收端)三部分组成。•发送器产生信息，经传输介质传送给接收器，这样便完成了信息从一端向另一端的传送。9计算机科学导论1．串行通信和并行通信发送端并串转换12345678串并转换接收端1234567812345678发送端接收端信道1信道2信道3信道4信道5信道6信道7信道8将传送的每个字符的二进制代码按低位到高位的顺序依次发送，每次由发送端传送到接收端的数据只有一位，这种方式称为串行通信。至少有8位的二进制数据同时通过多位数据线从一个设备传送到另一个设备，每次发送多位数据，这种工作方式称为并行通信。10计算机科学导论2．单工、半双工和全双工通信发送设备接收设备数据流通信连接（a）单工发送设备接收设备发送设备接收设备数据流（b）半双工通信连接发送设备接收设备接收设备发送设备数据流（c）全双工通信连接发送设备接收设备数据流通信连接（a）单工发送设备接收设备发送设备接收设备数据流（b）半双工通信连接发送设备接收设备接收设备发送设备数据流（c）全双工通信连接发送设备接收设备数据流通信连接（a）单工发送设备接收设备发送设备接收设备数据流（b）半双工通信连接发送设备接收设备接收设备发送设备数据流（c）全双工通信连接单工：只有一个传输通道，信号单方向传输全双工：有两个传输通道，信号可以同时双向传输半双工：有两个传输通道，信号可以双向传输，但必须是交替进行11计算机科学导论3．同步通信和异步通信•同步是每次发送多个字节或信息块，要求通信的收、发双方在时间基准上保持一致，系统需要一个同步时钟，用于传输大量的信息。•异步每次发送和接收一个字符的数据，异步在字符的基础上进行，起始时刻是任意的，字符与字符之间的间隔也是任意的，即各个字符之间是异步的。•同步和异步的根本区别在于发送端和接收端的时钟是独立的还是同步的。12计算机科学导论5.1.3数据传输方式•1．基带传输•基带就是指电信号所固有的基本频带。基带传输是指在通信信道上传输由计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号，也就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压(电流)来表示，然后送到线路上去传输。•2．频带传输•在频带传输系统中，计算机通过调制解调器与电话线路连接，通过电话交换网，进行数据传输。•3．宽带传输•宽带传输是指传输介质的频带较宽的信息传输，其带宽通常在300～400MHz，它可以容纳全部广播，并可进行高速数据传输，传输距离远。13计算机科学导论5.2计算机网络5.2.1计算机网络的起源•计算机网络的发展过程是从简单到复杂、从单机到多机、由终端与计算机之间的通信、演变到计算机与计算机之间的直接通信的过程。•计算机网络的发展经历了四个阶段：联机系统阶段、网络互联阶段、标准化网络阶段、网络互连与高速网络阶段。14计算机科学导论1．联机系统阶段终端——电话线（通信线路）——计算机15计算机科学导论2.计算机网络互联阶段各计算机通过通信线路连接、相互交换数据、传送软件，实现计算机之间的资源共享16计算机科学导论3.标准化网络阶段•对各种体系结构来说，同一体系结构的网络产品互连是非常容易实现的，而不同系统体系结构的产品却很难实现互连。•1984年正式颁布了“开放系统互连基本参考模型”(OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel：OSI/RM)的国际标准。17计算机科学导论4.网络互连与高速网络•进入90年代，计算机网络向互联、高速、智能化方向发展，并获得广泛的应用。计算机网络发展的特点是Internet的广泛应用与ATM（异步传输模式）技术的迅速发展。•网络互连和高速计算机网络就成为第四代计算机网络。18计算机科学导论5.2.2计算机网络的定义•计算机网络还没有一个精确的定义，在计算机网络发展过程的不同阶段，人们给出了计算机网络的不同定义。•计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机系统连接起来，按照以功能完善的网络软件(即网络通信协议、信息交换方式和网络操作系统(NetworkOperatingSystem：NOS等)进行数据通信，以实现网络中资源共享和信息传递的系统。19计算机科学导论5.2.3计算机网络的主要部件•资源子网由主机系统、终端、终端控制器、连网外设、各种软件资源与信息资源组成。资源子网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。•通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，负责完成网络数据传输、转发等通信处理任务。20计算机科学导论计算机网络主要由以下部件组成：•(1)主计算机(HostComputer：HC)，简称主机•(2)终端(Terminal：T)是用户输入的信息转换为适合于传输的信息并送到网络上，或把网络上其它节点通过通信线路传输来的信息转换为用户能识别的信息•(3)通信控制处理机(CommunicationControlProcessor：CCC)，简称通信控制器是执行通信控制功能的专用计算机•(4)集中器(Concentrator：C)，又称集线器，可使多个网络用户共用一条传输线访问网络。•(5)多路复用器(MUX)将多个离散的信号组合在一个传输媒介上的设备，可以实现多路信号的同时传输，以有效地利用装个传输媒介的宽带，提高信道的利用率。21计算机科学导论计算机网络主要由以下部件组成：•(6)调制解调器(Modem)负责计算机数字信号和模拟信号进行转换•(7)线路控制器(LineController：LC)是主机或终端与线路上的调制解调器的接口设备•(8)前端处理机(FrontEndProcessor：FEP)是负责通信处理的设备•(9)通信线路是传输信息的载波媒体22计算机科学导论5.2.4计算机网络的传输媒体•1．有线传输介质•(1)双绞线无屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair：UTP)和屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair：STP)铜线聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层铜线聚氯乙烯套层绝缘层23计算机科学导论(2)同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体①50Ω同轴电缆②75Ω同轴电缆24计算机科学导论(3)光缆25计算机科学导论2．无线传输介质•(1)短波-通过地面发射无线电波，经电离层的多次发射到达接收端。•(2)无线地面微波接力通信•(3)卫星通信•(4)VSAT卫星通信（甚小口径地球终端）由一个卫星转发器、一个大型终端和大量的VSAT小站组成•(5)红外线通信和激光通信–将要传输的信号分别转换为红外线信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播26计算机科学导论5.2.5计算机网络的分类•1．按距离划分•(1)广域网(WideAreaNetwork：WAN)也称为远程网，它所覆盖的范围很广•(2)城域网(MetropolitanAreaNetwork：MAN)在一个城市范围内建立的计算机通信网•(3)接入网(AccessNetwork：AN)又称本地接入网或居民接入网，由于用户对高速上网需求的增加而开发的一种网络技术•(4)局域网(LocalAreaNetwork：LAN)用于将有限范围内的各种计算机、终端盒外部设备互联成网城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网……27计算机科学导论电路交换是一种直接交换方式。发送点与接收点之间构成一条实际连接的专用物理线路。报文采用存储转发技术，主叫用户不需先建立呼叫，而进入本地交换机，以报文为交换单位，临时选择通信网络中的一条线路传送数据。分组交换-采用存储转发技术，将报文划分成一个个平均大小保持不变的小组作为交换单位，其他与报文交换相同。报文控制信息报文正文信息结束信息混合交换(在一个数据网中同时采用电路交换和分组交换)2．按网络的功能划分28计算机科学导论5.2.6计算机网络拓扑结构•1．拓扑的概念•计算机科学家通过采用从图论演变而来的“拓扑”方法，把工作站、服务器(Sever)等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆等通信媒体抽象为“线”，这样从拓扑学的观点看计算机网络系统，就形成了点和线组成的几何图形，从而抽象出了网络系统的具体结构。29计算机科学导论2．链路与通路•链路是两个节点间的连线。链路分“物理链路”和“逻辑链路”两种，前者是指实际存在的通信连线，后者是指在逻辑上起作用的连线。•通路是从发出信息的节点到接收信息的节点的一串节点和链路。也就是说，它是一系列穿越通信网络而建立起的节点到节点的链路。30计算机科学导论3．网络拓扑结构•网络拓扑结构是指一个网络中各个节点之间互连的几何构形，即指各个节点之间的连接方式。31计算机科学导论星形拓扑总线形拓扑结构特点：结构简单，可靠性高布线容易，连线总长度小于星形结构对站点扩充和删除容易总线任务重，易产生瓶颈问题特点：通信协议简单对外围站点要求不高单个站点故障不会影响全网电路利用率低，连线费用大网络性能依赖中央结点每个站点需要有一个专用链路32计算机科学导论特点：传输速率高，传输距离远各节点的地位和作用相同各节点传输信息的时间固定容易实现分布式控制站点的故障会形起整个网络的崩溃环形拓扑结构特点：信息交换在上、下节点之间进行通信线路连接简单，网络管理软件也不复杂，维护方便资源共享能力差，可靠性低树形拓扑33计算机科学导论5.2.7计算机网络的体系结构•计算机网络系统是由各个节点相互连接而成的，每个节点都是具有通信功能的计算机系统，并且是按照层次结构来构造的。不同系统的各个层次实体之间应能够相互通信。•两个实体要想实现通信，则必须使用相同的语言以及遵从双方都能接受的规则，这些规则的集合称为网络协议(NetworkProtocol)。34计算机科学导论