第二章 网络的基本概念

考点分析之网络概念2.1计算机网络的形成与发展考点1计算机网络发展的四个阶段1第一阶段：20世纪50年代彼此独立发展的计一算机技术一与通信技术开始结合起来，完成了数据通信技术与计算机通信网络的研究，计算机网络的出现做好了技术准备。2第二阶段：20世纪60年代它的标志是美国的ARPANET与分组交换技术。ARPANET是计算机网络技术发展中的一个里程碑，为Internet的形成奠定了基础。3第三阶段：20世纪70年代中期国际上各种广域网、局域网与公用分组交换网发展十分迅速。国际标准化组织(ISO)在推动开放系统参考模型与网络协议的研究方面做了大量的工作。4第四阶段：20世纪90年代开始最主要的标志是Internet的广泛应用，高速网络技术、网络计算与网络安全技术的研究与发展。20世纪90年代以来Internet作为国际性的网际网与大型信息服务系统在人类生活的各个方面发挥了越来越重要的作用。Internet是通过路由器实现多个广域网和局域网互连的大型网际网。以高速Ethernet为代表的高速局域网技术发展迅速。宽带网络的建设正在全球范围内掀起一个高潮。2.2计算机网络的定义考点2计算机网络的定义资源共享观点将计算机网络定义为“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。(1)计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。(2)互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”。(3)连网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。考点3计算机网络的基本结构及特点1早期计算机网络结构广域网在结构上可以分为：负责数据处理的主机与终端；负责数据通信处理的通信控制处理机与通信线路。早期的计算机网络从逻辑功能上可以分为资源子网和通信子网两个部分。(1)资源子网：由主计算机系统、终端控制器、连网外设、各种软件资源与信息资源组成。(2)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，完成网络数据传输、转发等通信处理任务通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络节点，早期ARPANET中由接口报文处理机承担。考点3计算机网络的基本结构及特点2现代网络结构的特点在Internet中，用户计算机需要通过校园网、企业网或ISP连入地区主干网，地区主干网通过国家主干网连入国家间的高速主干网，这样就形成一种由路由器互连的大型、层次结构的互连网络。2.3计算机网络的分类考点4网络分类方法(1)根据网络采用的传输技术分类：广播式网络与点一点式网络。广播式网络中，所有连网计算机共享一个公共通信信道。点一点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。采用分组存储转发与路由选择是它与广播式网络的重要区别之一。(2)根据网络的覆盖范围与规模分类。按照覆盖的地理范围进行分类，可以分为：局域网、城域网与广域网。考点5广域网、局域网、城域网1广域网(WAN)广域网也称远程网，覆盖范围从几十千米到几千千米。它的通信子网主要采用分组交换技术。具备以下特点：(l)适应大容量与突发性通信的要求。(2)适应综合业务服务的要求。(3)开放的没备接口与规范化的协议。(4)完善的通信服务与网络管理。广域网中涉及以下概念：X.25网、帧中继、SMDS、B-ISDN与ATM网。2局域网(LAN)局域网是继广域网之后一个网络研究的热点。采用以太网(Ethernet)、令牌总线、令牌环原理的局域网产品形成了三足鼎力之势。局域网增强了信息社会中资源共享的深度。目前，在覆盖范围比较小的局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动节点的局域网中采用无线技术的趋势已经明朗。3城域网(MAN)城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络。设计的目标是要满足几十千米范围内的多个局域网互连的需求早期的城域网产品主要是光纤分布式数据接口。2.4计算机网络的拓扑构型考点6计算机网络拓扑的定义与分类计算机网络拓扑是通过网中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体之间的结构关系。拓扑设计是建设计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。网络拓扑可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：点一点线路通信子网的拓扑与广播信道通信子网的拓扑。采用点一点线路的通信子网的基本拓扑构型有4种：星型、环型、树型与网状型。采用广播信道通信子网的基本拓扑构型主要有4种：总线型、树型、环型、无线通信与卫星通信型。目前实际存在和使用的广域网基本上都是采用网状拓扑构型。2.5数据传输速率与误码率考点7数据传输速率的定义描述计算机网络中数据通信的基本技术参数有两个：数据传输速率与误码率。1数据传输速率数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特／秒，记做b/s或bps。对于二进制数据，数据传输速率为S＝1/T，常用位／秒、千位／秒或兆位／秒作为单位。对二进制信号的最大数据传输率Rmax与通信信道带宽B(B=f,单位是Hz)的关系可以写为Rmax＝2×f,2带宽与数据传输速率奈奎斯特准则与香农定律从定量的角度描述了带宽与速率的关系。奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信道噪声功率比之间的关系。通信信道最大传输速率与信道带宽之间存在着明确的关系，所以可以用带宽代替数据传输速率。考点8误码率的定义误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于被传错的码元数／传输的二进制码元总数：理解误码率定义时，应注意：(l)误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状况下传输可靠性的参数。(2)对于一个实际系统，要根据实际传输要求提出误码率要求。(3)对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制码元，要折合成二进制码元来计算。误码率有随机性。普通的通信线路如不采取差错控制技术，是不能满足计算机的通信要求的。2.6网络体系结构和网络协议考点9网络体系结构的基本概念为网络数据交换而制定的规则、约定与标准被称为网络协议。一个网络协议主要由以下3个要素组成。(l)语法：用户数据与控制信息的结构和格式。(2)语义：即需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应。(3)时序：即对事件实现顺序的详细说明。网络协议对计算机网络是不可缺少的。对于复杂的计算机网络协议，最好的组织方式是层次结构模型。计算机网络层次结构模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构。采用层次结构的好处是：(1)各层之间相互独立。(2)灵活性好。(3)各层都可以采用最合适的技术来实现，各层实现技术的改变不影响其他层。(4)易于实现和维护。(5)有利于促进标准化。考点10ISO/OSI参考模型1OSI参考模型的基本概念国际标准化组织ISO发布了OSI(开放系统互连)参考模型，以实现开放系统环境中的互连性、互操作性和应用的可移植性：在OSI中采用了3级抽象：体系结构、服务定义和协议规格说明。OSI参考模型定义了开放系统的层级机构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务。OSI的服务定义详细说明了各层所提供的服务。OSI标准中的各种协议定义非常精确。OR参考模型并没有提供一个可以实现的方法。2OSl参考模型的结构与各层的主要功能ISO将整个通信功能划分为7个层次。物理层：OSI参考模型的最底层，利用物理传输介质为数据链路层提供连接，以便透明地传送比特流。数据链路层：在通信实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。网络层：通过路由算法，为分组通过通信子网选择最适当的路径。传输层：向用户提供可靠的端到端服务，透明地传送报文。向高层屏蔽了下层数据通信的细节，因而是计算机通信体系结构中最为关键的一层。会话层：组织两个会话进程之间的通信，并管理数据的交换。表示层：处理在两个通信系统中交换信息的表示方式。应用层:OSI参考模型的最高层。确立进程之间的通信的性质，以满足用户的需要。考点11TCP/IP参考模型与协议1TCP/IP参考模型与协议的发展过程TCP/IP的特点：开放的协议标准，独立于特定的网络硬件，统一的网络地址分配方案，标准化的高层协议。2TCP/IP参考模型与层次TCP/IP分为4个层次：应用层、传输层、互连层与主机一网络层。互连层的作用：处理来自传输层的分组发送请求；处理接收的数据包；处理互连的路径、流控与拥塞问题。传输层的作用：负责应用进程之间的端一端通信。定义了两种协议：传输控制协议TCP与用户数据报服务协议UDP。应用层：包括了所有的高层协议，并且不断有新的协议加入。主要有：网络终端协议，文件传输协议，电子邮件协议，域名服务，路由信息协议，网络文件系统，HTTP服务。主机一网络层：参考模型的最低层，负责通过网络发送和接收IP数据报。考点12OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较共同之处是都采用了层次结构的概念，在传输层中二者定义了相似的功能，但二者在层次划分、使用的协议上是有很大区别的。OSI不能流行的原因之一是模型与协议自身的缺陷。TCP/IP参考模型与协议也有自身的缺陷：在服务、接口与协议的区别上不清楚。2.7典型计算机网络考点13ARPANET、NSFNET、Internet与Internet21ARPANET最初的ARPANET的主要研究内容是分组交换设备、网络通信协议、网络通信与系统操作软件。1969年11月，实验性的ARPANET开通。1975年，ARPANET正式运行1983年，ARPANET向TCP/IP的转换全部结束。20世纪80年代中期，ARPANET成为了Internet的主干网。1990年，ARPANET被新的网络所替代。MILNET仍在运行着。2NSFNET1984年，NSF决定组建NSFNET,NSFNET主干网连接美国6个超级计算机中心。采取的是一种层次型结构，分为主干网、地区网和校园网。ANS公司于1990年接管了NSFNET。3Internet自1983年TCP/IP协议正式成为ARPANET的网络标准后，大量的网络、主机和用户都连入了ARPANET。当NSFNET与ARPANET互连后，发展呈指数形式增长。NSFNET对Internet的结构和功能都有重要影响。20世纪90年代初，Internet在学术界、政府与研究部门获得了广泛的应用，一种新的应用：应用方式，使Internet的应用达到一个高潮。4Internet2由于Internet的商业化，业务量增多导致其性能的降低。1996年，Internet2建立，它是UCAID的一个项目；UCAID是一个非营利组织。Internet2是一个试验性质的网络，初始速度可达10Gbps。2.8网络计算研究与应用的发展考点14网络计算的基本概念移动计算网络、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算、存储区域网络与网络分布式对象计算正在成为网络新的研究与应用的热点问题。考点15移动计算网络的研究与应用移动计算是将计算机网络和移动通信技术结合起来，为用户提供移动的计算环境和新的计算模式。移动计算包括移动计算网络和移动Internet。无线局域网(WLAN)是实现移动计一算机网络的关键技术之一。ADHOC网络是一种由一组用户群构成、不需要基站的移动通信模式。无线应用协议(WAP)是一个新的、开放的、全球化的协议，能让用户使用内置浏览器在移动电话上访问Internet。考点16多媒体网络的研究与应用多媒体网络是指能够传输多媒体数据的通信网络，需要支持多媒体传输所需要的交互性与实时性要求。网络视频会议系统是一种典型的网络多媒体系统。多媒体网络应用对数据通信的要求：高传输带宽要求；不同类型的数据对传输的要求不同；网络中的多媒体流传输的连续性与实时性要求；网络中多媒体数据传输的低时延要求；网络中多媒体传输同步要求；网络中的多媒体的多方参与通信的特点。考点17网络并行计算的研究与应用并行计算是高性能计算的关键技术，一直是计算界高度重视的重要研究