网络的拓扑结构及其特点-网络的功能和分类-网络传输介

本章主要介绍计算机网络的基本概念，网络的组成要素，网络的硬件系统和软件系统组成及其作用，网络的拓扑结构及其特点，网络的功能和分类，网络传输介质，网络协议和标准化组织，数据通信的基本知识，网络操作系统，网络计算模型，为以后各章内容的学习奠定必要的基础。第一讲计算机网络概述（1）了解网络的系统组成及组成部分的作用掌握计算机网络的基本知识和基本概念了解网络的功能和特点了解网络的分类方法理解网络的拓扑结构及其特点和应用了解各种常用传输介质的特点及应用了解常见网络协议和标准化组织理解网络通信基本概念了解网络操作系统及特点了解网络计算模型本章学习目标1.1计算机网络的定义与发展1.2计算机网络系统的组成1.3计算机网络的分类1.4网络拓扑结构与网络传输介质1.5常用网络设备1.6计算机网络通信基础1.7网络操作系统及网络计算模型本章内容1.1计算机网络的定义与发展一、计算机网络的发展阶段计算机网络的发展经历了从简单到复杂、从单机到多机、从终端与计算机之间的通信到计算机与计算机之间的直接通信的演变过程，纵观计算机网络的形成与发展大致可以分为三个阶段：面向终端的网络；多机系统的互连阶段；开放式标准化网络。1.1计算机网络概述◆具有通信功能的多机系统◆标准化计算机网络◆面向终端的计算机网络计算机网络的演变1.1计算机网络的定义与发展二、计算机网络的发展趋势1.进入21世纪，计算机网络向着和继续向着综合化、宽带化、智能化和个性化方向发展，这也是网络发展的目标：高速网络，宽带接入，高速交换网络，全光网络等。2.曾经独立发展的电信网络、电视网络和计算机网络正在融合，进而将合而为一(即“三网合一”)。1.1.2计算机网络定义一、计算机网络的定义将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统通过通信线路和通信设备相互连接在一起，由网络操作系统和协议软件进行管理，能实现资源共享的系统称为计算机网络。如今，我们可以随处接触到各种各样的计算机网络，例如企业网、校园网、图书馆的图书检索网、商贸大楼内的电脑收款网，还有提供多种多样接入方式的因特网等。1.1.2计算机网络定义二、计算机网络的基本特征：①具有共享能力②各计算机自治(计算机自成系统)③网络协议支持(管理、控制和通信)④具有通信功能1.1.2计算机网络定义三、计算机网络实例简介1.因特网(Internet)2.公用数据网PDN(PublicDataNetwork)3.SNA(SystemNetworkArchitecture)1.1.3计算机网络的功能计算机网络具有单个计算机所不具备的下述主要功能：1.数据交换和通信2.资源共享3.提高系统的可靠性和可用性4.均衡负荷，相互协作5.分布式网络处理6.提高系统性能价格比，易于扩充，便于维护1.2计算机网络系统的组成1、从系统功能角度看网络的组成（1）资源子网（2）通信子网2、从系统组成的角度看网络的组成（1）硬件系统（2）软件系统（3）网络信息系统1.3计算机网络系统的分类1按网络规模分WAN,LAN,MAN2按拓扑结构分类总线型，星型，树型，环型，网型3其他分类1.3计算机网络的分类三、其他分类1.按照网络的逻辑功能划分：资源子网和通信子网；2.按传输介质的种类划分：双绞线网、同轴电缆网、光纤网、卫星网和微波网等；3.按通信传播方式分点对点传播方式和广播式传播方式4.按照网络的应用范围和管理性质划分公用网和专用网；5.按照网络的交换方式划分：电路交换网、分组交换网、ATM交换网等；6.按网络的信道分类:窄带、宽带7.按网络的用途分类:教育、科研、商业、企业1.4网络拓扑结构和网络传输介质1.4.1网络拓扑结构计算机网络中，通信处理机通过线路相互连接成通信子网。人们借用拓扑学的概念，将通信处理机称为节点，将通信线路称为链路，将节点和链路连接的几何构型称为网络的拓扑结构。网络拓扑结构是决定网络性能的主要因素，构造网络时首先要选择合适的网络拓扑结构来物理连接所有的节点及计算机系统。常见的网络拓扑结构有总线型、环型、星型、树型、网状结构等。1.4网络拓扑结构和网络传输介质1.4.1计算机网络的拓扑结构◆总线型结构优点：结构简单，价格低廉、安装使用方便。缺点：故障诊断和隔离比较困难。1.4网络拓扑结构和网络传输介质1.4.1计算机网络的拓扑结构◆环型结构优点：简化了路径选择控制，传输延迟固定。实时性强。可靠性较高。缺点：节点过多时，影响传输效率。环某处断开会导致整个系统的失效，节点的加入和撤出过程复杂。1.4网络拓扑结构和网络传输介质1.4.1计算机网络的拓扑结构◆星型结构优点：单点故障不影响全网，结构简单。增删节点及维护管理容易；故障隔离和检测容易，延迟时间较短。缺点：成本较高，通信资源利用率低；网络性能过于依赖中心节点。1.4网络拓扑结构和网络传输介质1.4.1计算机网络的拓扑结构◆树型结构优点：结构比较简单，成本低。扩充节点方便灵活。缺点：对根的依赖性大。1.4网络拓扑结构和网络传输介质1.4.1计算机网络的拓扑结构◆网状结构优点：具有较高的可靠性。某一线路或节点有故障时，不会影响整个网络的工作。缺点：结构复杂，需要路由选择和流控制功能，网络控制软件复杂，硬件成本较高，不易管理和维护。1.4.2网络传输介质双绞线非屏蔽双绞线（UTP）屏蔽双绞线（STP，FTP）有线传输介质同轴电缆主要用于组建总线性拓扑结构的网络。细同轴电缆：用于10base2以太网；粗同轴电缆:用于10base5以太网；光导纤维特点：电磁绝缘性好，信号衰减弱，频带宽，传输速度快，传输距离大，主要用于传输距离长，布线条件特殊的主干网络。单模光纤：固体激光器作光源，传输频带宽，容量大，传输距离长，用于地域分散的情况；多模光纤：发光二极管作光源，纤芯粗，传输速度慢，距离短，成本低，用于地理位置相邻的环境。有线传输介质无线传输介质无线电短波其信号频率低于100MHz，靠电离层的反射来进行通信。微波地面微波接力通信，卫星通信特点：频段高，频段范围宽，通信信道容量大；受外界干扰小，传输质量高；灵活机动，抗自然灾害能力强；相邻站点之间不能有障碍物；隐蔽性和保密性差。红外线方向性强，视距传输，传输信号能够被阻碍物反射，对非透明物体的穿透力差。1.5常用网络设备1.5.1调制解调器及网卡一、调制解调器即Modem，是计算机通过电话线拨号上网所需的装置，是典型的串行通信设备。由于在电话线上传输的信号只能是模拟信号，于是，当两台计算机要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责数-模的转换，这个数-模转换器就是Modem。计算机在发送数据时，先由Modem把数字信号转换为相应的模拟信号，这个过程称为“调制”。经过调制的信号通过电话载波传送到另一台计算机之前，也要经由接收方的Modem负责把模拟信号还原为计算机能识别的数字信号，这个过程我们称“解调”。正是通过这样一个“调制”与“解调”的数模转换过程，从而实现了两台计算机之间的远程通信。1.5.1调制解调器及网卡二、网卡网卡的全称为NetworkInterfaceCard，简写为NIC，也经常被人称为网络适配器(NetworkAdaptor)，它是个人计算机上网所用到的最基本的设备。网卡的主要功能是：读入由其他网络设备（Router、Switch、Hub或其他NIC）传输过来的数据包，经过拆包，将其变成客户机或服务器可以识别的数据，通过主板上的总线将数据传输到所需设备中（CPU、RAM或硬盘）；将PC设备(CPU、RAM或硬盘)发送的数据，打包后输送至其他网络设备中。它的主要工作原理为整理计算机上发往网线上的数据并将数据分解为适当大小的数据包之后向网络上发送出去。1.5.2中继器与集线器一、中继器中继器(Repeater)是连接网络线路的一种装置，是最简单的网络互联设备，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将使信号失真，因此会导致接收错误，中继器就是为解决这一问题而设计的。中继器工作于OSI参考模型第一层，它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行复制、调整和放大，以此来延长网络的长度。二、集线器集线器的英文名称为Hub。Hub的中文含义是“中心”的意思，集线器的主要功能是信息转发，它把从一个端口接收的数据不做任何处理直接向所有直接连接的端口分发出去。同时将收到相对较弱的数据信号进行整形放大后向所有的端口转发，从而可以扩大网络的传输距离，同时把所有端口集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI参考模型第一层，即“物理层”。集线器与网卡、网线等传输介质一样，均属于局域网中的基础设备，采用CSMA/CD(载波侦听多路访问技术)访问方式1.5.3网桥与交换机一、网桥网桥工作在数据链路层，将两个局域网(LAN)连起来，根据MAC地址(物理地址)来转发帧，可以看成一个“低层的路由器”(路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发)。它可以有效地连接两个LAN，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段，网桥通常用于连接数量不多的、同一类型的网段。1．透明网桥2．源路由选择网桥1.5.3网桥与交换机二、交换机交换机的英文名称为Switch，它是集线器的升级换代产品，采用与集线器不同的工作原理。如果从产品的外观上来看，交换机与常用的集线器基本上没有多大区别，一般都是一个具有金属外壳的扁形长方体，在面板上有多个RJ-45接口，如图1.6所示。交换机可以根据被传送的数据中所包含的地址信息，按照一定的选择目的端口方法，把数据从发送方的端口传输到数据指定的接收端口上。如果不加以严格的定义，可以认为交换机就是在数据通信中能够完成信息交换功能的一种设备。1.5.4路由器所谓“路由”，简单地说就是指把需要传送的数据从一个地方通过一系列的传输路径传送到指定的另一个地方的行为和动作。而路由器，英文名称为Router，正是执行这种行为动作的设备。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据分组寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的地址，并且在数据传输过程中对来自网络的数据流量及拥塞情况进行控制。路由器可以连接多个网络或网段，如果不同的网段采用不同的协议，那么这些网段将不能直接进行通信，这时将需要路由器将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使不同网段之间能够相互“读懂”对方的数据，从而构成一个更大的网络。1.5.4路由器路由器主要有以下几个功能：1)网络互联路由器支持各种局域网和广域网接口，主要用于互联局域网和广域网，实现不同网络之间的相互通信。2)数据处理提供包括分组过滤、分组转发、优先级、复用、加密、压缩和防火墙等功能。3)网络管理路由器提供包括配置管理、性能管理、容错管理和流量控制等功能。1.5.5网关网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关不完全是一种网络硬件，而是能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品。网关可以使用不同的格式、通信协议或结构连接起两个系统，它通过重新封装信息以使它们能被另一个系统读取。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。目前主要有三种类型的网关：它们是协议网关、应用网关和安全网关。