全国青年教师素养大赛一等奖ppt课件第8章计算机网络基础.ppt

第8章 计算机网络基础,第8章 计算机网络基础,主要内容8.1 计算机网络概述8.2 计算机网络系统8.3 局域网8.4 Internet 概述8.5 Internet 应用,8.1计算机网络概述,什么是计算机网络 网络的发展历程,什么是计算机网络,计算机网络指使用同一种技术互联的计算机集合。例如用以太网卡+HUB/交换机 使用不同的技术组成的网络被称为互联网。例如因特网（Internet），由多种不同类型、技术的网络互联而成。,网络的发展历程,计算机网络的雏形计算机网络的诞生 计算机网络的成熟 计算机网络的进一步发展,计算机网络的雏形,远程终端：使用电话线将不在同一物理位置的终端和主机连接起来。解决了异地访问计算机主机的问题由于电话线路最初面向语音传输，和计算机通信存在这很大的不同，因此这种通信方式存在很多问题。,计算机网络的诞生,分组交换网的出现标志这计算机网络的诞生。分组交换网的核心是一些被称为接口报文处理器（Interface Message Processor）的设备，这些设备之间由通信线路互联。信息通过存储转发的方式从源节点传输到目的节点。传输的数据单元是有长度限制的，每个数据单元被称为分组。,分组交换网示意图,计算机网络的成熟,网络体系结构和网络协议标准化标志着计算机网络的成熟。网络协议具体来说包括3个方面：语义、语法和同步。其中语法是指信息的表现形式，语法指信息的实际意义，同步指双方活动的次序 网络体系结构包括了网络分层和相应的网络协议。最著名的网络体系结构是国际标准化组织制定的开放系统互联参考模型（OSIRM）。,计算机网络的进一步发展,宽带骨干网从根本上改变了网络特别是因特网的用途，使其不再局限于军事、科研应用，而变成一个社会公众皆可使用的信息交流平台。普遍性：专业用户人民大众，计算机移动终端。社会性：电子邮件组、因特网论坛、博客、视频分享等应用逐步形成虚拟的网络社会。商业性：商业资本渗入到网络的各个方面，如网络基础设施、网络接入服务、各种形式的电子商务等。,8.2 计算机网络系统,计算机网络的组成计算机网络的分类 OSI模型TCP/IP模型,计算机网络的组成,根据设备在计算机网络中发挥的作用不同，可以划分为通信子网和资源子网，如图所示。计算机网络也可以划分为网络硬件和网络软件,计算机网络的分类,最常见的是按照其覆盖范围划分，分为局域网（Local Area Network,LAN），城域网（Metropolitan Area Network,MAN），和广域网（Wide Area Network,WAN）。LAN，范围通常在10-2KM之间，通常属于某个公司或组织。MAN，范围通常在10-100KM之间，通常属于专门的信息服务运营商。WAN，可以覆盖城市、国家，通常由信息服务运营商经营。,OSI模型,OSI模型将网络分为7个层，从上到下分别是应用层(Application Layer):应用程序接口 表示层(Presentation Layer):为不同平台的应用层提供 数据和讯息的语法表示变换方法。会话层(Session Layer):会话的管理 传输层(Transport Layer):端到端传输 网络层(Network Layer):提供路由和寻址 数据链路层(Data Link Layer):将物理层提供的资料改 造成逻辑上无差错的数据链路。物理层(Physical Layer):介质和连接,TCP/IP模型,OSI模型是正式标准,但不是因特网使用的标准。因特网使用的参考模型是TCP/IP模型。分为4层应用层,和 OSI应用层一样,应用程序接口 传输层,和 OSI传输层一样,端到端的传输互联网层,和 OSI 的网络层基本类似,但是多了网络互联 的功能(OSI 的网络层网络互联是后来加入的)。主机到网络层,提供各种通信介质接入。,OSI模型和TCP/IP模型的对应,8.3 局域网,局域网是指范围在100米到2千米内的网络。特点：覆盖范围小，数据率高，遭受干扰的几率小。随着技术的发展，目前绝大多数应用已经不再需要专门的局域网网络层、局域网传输层，采用和Internet同样的技术即可。因此在研究局域网时重点关注其物理层和数据链路层。,局域网标准,世界最大的专业化组织Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)制定了几个主要的局域网标准，他们分别是IEEE802.3以太网IEEE802.4令牌总线IEEE802.5令牌环IEEE802.11无线局域网IEEE802.15蓝牙,802.3以太网,早期的标准，最大数据率10Mbps10Base5，粗同轴电缆，范围达500米。10Base2，细同轴电缆，范围达185米，接近200米，所以最后的数字为2。10BaseT，T指双绞线（Twisted pair），范围100米，需要集线器。10BaseF，F指光纤（Fiber optics），范围2000米。,以太网的介质访问,最初的以太网是共享介质的，网络中所有站点都可以收听网络中传输的信息。当多个站点同时发送信息时，承载信息的电磁波会互相冲突从而使这些信息都失效。载波侦听多冲访问/冲突检测(CSMA/CD)从2个方面解决这个问题。首先是在发送信息之前先侦听信道，如果信道空闲则发送。如果发生冲突，则各站点会执行一个（截止）二进制指数后退算法解决冲突问题。,以太网的发展,802.3u，100Mbps802.3z，1Gbps802.3ae、802.3ak、802.3an和802.3aq，10Gbps，分别支持不同的介质。802.3ba，目的是支持40Gbps和100Gbps的局域网。共享以太网到交换式以太网，将共享信道改造为独立信道，大大提高了带宽，且无须改变客户端的软硬件。,无线局域网,采用可以自由使用的ISM（Industry,Science,Medical,工业科学医疗）波段，和手机使用的无线电频率不同。主要标准：802.11a，最大数据率是54Mbps。802.11b，最大数据率是11Mbps，但有效范围比802.11a大，因此大大促进了无线局域网的应用。802.11g，最大数据率是54Mbps，但是和802.11b兼容。802.11n，采用多输入多输出(multiple-input and multiple-output,MIMO)技术，即多个无线天线同时工作，大大提高了数据率，最高可达300Mbps，,8.4 Internet 概述,Internet骨干网络Internet骨干网络IP协议和IP地址,早期骨干网的数据链路层,早期骨干网使用铜缆作为通信介质，在其中传输的信息很容易受到各种噪声的干扰。因此这个时候其数据链路层较为复杂，主要目的是保证无差错地传输数据。其中最具代表性的就是高级链路控制协议（High-level Data Link Control,HDLC）。HDLC的协议过程比较复杂，网络设备需花费较多时间用于处理协议过程，这些处理也在一定程度上降低了网络的性能。,HDLC,将比特组成具有一定结构的帧：帧的开始标志，控制比特，数据，校验码，和结束标志。为了避免在帧内出现和开始/结束标志相同的比特模式，采用了比特填充技术。流量控制：保证接收方能处理所有收到的数据，因此发送方必须得到对方明确的指示才能继续发送。差错控制：接收方收到错误的帧则不会给对方回应；发送方长时间收不到对方的回应信息后会自动重发。,骨干网的物理层,当光纤被广泛应用到通信中后，广域网的数据率有了飞速的发展。其中有代表性的技术是同步光纤网络（Synchronous optical networking,SONET）和同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy,SDH）。SONET/SDH属于物理层协议，解决的是如何将利用光信号编码信息的问题。,SONET/SDH数据率,部分SONET和SDH的对照关系,Internet接入网,调制解调器（MOdulator-DEModulator,MODEM）通过的电话线连接的速率最高可达56kbps，这个速率大大限制了网络的应用。综合业务数字网（Integrated Services Digital Network,ISDN）可以支持最高144kbps的数据率，在20世纪90年代曾得到较为广泛的应用。随着用户数字线（Digital subscriber line,DSL）技术的成熟，利用电话线接入的数据率有了很大的提高。,不对称用户数字线,Asymmetric Digital Subscriber Line,ADSL其基本原理是将电话线的带宽分为3个部分：其中0-4kHz用来传输话音，25kHz以上部分用于上载，部分用于下载。由于普通用户上载的数据量远小于下载的数据量，因此分配给上载的带宽要小于下载的带宽，这就是不对称的来由。ADSL仍属于物理层范畴，在ADSL之上有多种数据链路层协议可选，使用最广泛的是通过以太网接口的点到点协议（Point to Point Protocol over Ethernet,PPPoE）。,无线广域网接入,第二代移动电话网络（2G）最初在数据传输方面表现不佳，为了解决这个问题，通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)被开发出来。因此人们也把GSM+GPRS称为2.5G。在第三代移动通信中，码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)信道访问技术起到关键的作用。这种高效的信道访问技术使得3G在数据通信方面比2.5G有了长足的进步，其数据率通常可以达到2.4Mbps。由于移动设备通常具有较低的分辨率和较慢的数据处理能力，此外还要考虑电池因素，因此其数据率相对较低。,光纤接入,这方面的技术有光纤接入（Fiber To X,FTTx），其中的X指不同的接入场合。FTTC（Curb），指光纤到路边，将光纤接入设备放置到路边机箱，然后再通过铜质线缆接入用户。FTTH（Home），用光纤直接接入用户住宅，可支持各项宽带应用。,IP协议,互联网协议（Internet protocol，IP）是因特网网络层使用的主要协议，其主要的作用是寻址和路由。IP协议是无连接的协议，在传输数据之前无需建立连接，其传输的数据单位被成为分组，每个分组必须携带完整的源地址和目的地址。目前使用最广泛的IP协议版本是4（IPv4）。IPV6正在逐步推广中。,IP地址,在IPV4中每个地址占32个比特。由于其二进制形式书写不方便，因此习惯上将这32个比特分为4组，每组8个比特，写成十进制形式，其范围在0-255之间，中间用小数点隔开。每个IP地址分为2个部分：网络号和主机号。可以类比长途电话号码的长途区号+本地号码。但与之不同的是IP地址的长度是固定的，在IPV4的分组格式中明确规定为32个比特。,IPV4的分配,早期使用A、B、C类来分配，分配效率低，后来就不再按类分配了。解决的方法是采用无类域间路由（Classless Inter-Domain Routing）技术，顾名思义，不再按照类别来分配网络地址，而是直接指定网络号码的长度。由于IP地址的总长度是32比特，因此指定了网络号码的长度，也就间接地限定了该网络中可以容纳的主机个数。例如某网络中的一个地址是202.205.107.10/22，说明了其网络号码长度是22个比特，那么其主机号码长度就是10个比特，可容纳210-2=1022台主机，范围是202.205.104.0到202.205.107.255,查询某个IP所在地区,Unix/Linux操作系统中有whois命令可以查询IP地址的归属单位和地区，windows操作系统中需要第三方的whois应用程序。（中国互联网信息中心）可以查询亚太地区的IP数据库。,网络地址转换（Network Address Translation,NAT）,IPv4地址已经分配光了，NAT技术的出现大大缓解IPv4的短缺状况。其原理是在公司或组织内部用内部IP，需要访问外部网络时再用有效IP代替内部IP。为此预留了3段IP地址：10.0.0.0/8172.16.0.0/12192.168.0.0/16这些IP地址被用作内网IP，在外部的路由器会丢弃含有这些地址的分组。,8.5 Internet应用,域名系统、统一资源定位器、统一资源标识万维网万维网的发展电子邮件文件下载,域名系统,域名系统的基本思路就是将名字与IP地址关联起来，以便通过名字来访问主机的服务。为了实现这一目标，需要有一个权威机构来分配IP地址及名字，这个机构是互联网名称与数字地址分配机构(Internet Corporation for Assigned Names and Numbers,ICANN)。该机构又授权5个地区机构，例如在亚洲太平洋地区是APNIC（Asia Pacific Network Information Centre）。在中国可通过APNIC的会员单位如中国互联网信息中心（China Network Information Center,CNNIC）等申请域名及IP地址。,域名,域名是一种层次化的命名体系，主要有2类:一类是通用域（generic），另一类是国家域。常见的通用域包括com（公司）、edu（教育机构）、gov（美国政府）、int（国际性组织）、mil（美国军队）、net（网络供应商）、org（非赢利组织）、biz（商贸）、info（信息）等。国家域则用2个字母代表不同的国家，如cn（中国）、jp（日本）、us（美国）等。,域名解析,将域名变换成对应的IP地址的过程被称为域名解析.为了实现这个过程，每台连接Internet的计算机都要设定好其DNS服务器。DNS服务器记录了它所知道的域名及其对应的IP地址，这些记录分为2类：权威的和非权威的。权威的指该记录是直接记录在该域名服务器中的；而非权威的是指该记录是DNS服务器向其他服务器查询得到的。非权威的记录有效期较短，一定时间后自动失效。,统一资源定位器,在访问互联网时，人们常常用“网址”来表示所访问的地址，“网址”的正式名称应该是统一资源定位器（Uniform Resource Locator,URL）。URL说明了如何访问一个网络资源，由3个部分构成：第一部分是协议（或称为服务方式）；第二部分是存有该资源的主机地址（有时也包括端口号）；第三部分是主机资源的具体地址，如目录和文件名等。,URL类型实例,统一资源标示,URL的一个问题是当某个资源的存取地址变化时，必须更新URL，因此就无法用URL来指代某个资源了。统一资源标示（Uniform Resource Identifier,URI）用来指定在网络中的任意一个空间。可以把URL看成是URI的一个子集，URI指定某个资源，而URL说明如何访问到这个资源。,万维网,万维网（World Wide Web），由许多互相链接的超文本文件组成的系统，通过互联网访问。万维网只是互联网所能提供的服务其中之一，是靠着互联网运行的一项服务。万维网的核心部分由三个标准组成：统一资源标识符（URL），负责给万维网上的网页资源定位的系统。超文本传送协议（HTTP），它负责规定浏览器和服务器如何交换信息。超文本标记语言（HTML），作用是定义超文本文档的结构和格式。,万维网应用,信息的发布和获取：通过网络即时地发布信息，包括产品宣传、新闻、科学知识等，和传统的媒体相比不仅时效性增强，而且在技术上不受地域的限制。虚拟社区：包括各种网络论坛、博客等服务。其内容的构建通过用户的参与及其之间的互动实现，形成各具特色的虚拟社区文化。企业应用：使用WWW构建企业应用系统具有许多优点，包括天然的对网络的支持、用户界面友好、降低培训成本等。,万维网应用（续）,电子娱乐：包括分享视频、音频、大型多用户角色扮演游戏、局域网对战游戏等。电子商务：大致可以分为4类。B2B（Business to Business），网站作为一个平台撮合企业之间的交易；B2C（Business to Customer），各种直接针对最终消费者的购物网站；C2C（Customer to Customer），网站作为一个平台撮合消费者之间交易；G2C（Government to Customer），公民通过网站直接完成各项对政府申报的义务，如个人纳税申报。,浏览器,用户访问WWW使用的软件被称为用户代理程序，也就是通常所说的“浏览器”。2011年统计的常见浏览器所占市场份额见右表。,浏览器的使用,地址栏输入所要访问的URL访问历史记录察看曾经访问过的页面。使用收藏夹功能记录感兴趣的页面。可以用目录功能组织收藏夹内容。清除隐私数据清除历史记录清除自动完成的输入项目，包括用户密码,IE6中清除隐私数据,选择菜单“工具”“Internet选项”，弹出的对话框中选择“内容”面板，点击“自动完成”按钮，在弹出的对话框中分别点击“清除表单”和“清除密码”。,搜索引擎,2007年估计世界上有290亿个页面，靠人工在这样大规模的信息中获取所需的内容几乎是不可能的。因此搜索引擎对于访问WWW非常重要。搜索引擎的工作原理简要来说包括下列步骤：首先用程序自动收集所能获取的网页；之后用关键字对收集到的网页做索引；最后当用户查询某个关键字时搜索引擎根据索引可以快速找出那些含有所查询关键字的网页。,使用搜索引擎,关键字的选择，应该选择含义具体的词，而不是选择含义宽泛的词。关键字加双引号和不加的区别加双引号表示整个关键字一字不差地连续出现才被选中。不加双引号表示关键字可以由网页中的不连续的词拼接而被选中。例如“中国银行”不会选中中国工商银行，但不加引号的中国银行就可以选中中国工商银行用高级搜索功能限制搜索范围，如针对某个域名下的页面的搜索。,万维网的发展,进入21世纪后，原有的WWW技术有了进一步的发展，出现了许多新的特性，开始有人把之前的www称为web1.0，而把符合一些特点的应用称为web2.0。将网络作为一个应用平台直接发布服务。鼓励用户的参与，由用户构建知识库。采用非同步JavaScript和XML（Asynchronous JavaScript And XML,AJAX）技术，大大提高了用户访问Web的体验。,Web2.0的词汇,Web2.0中常用不同字号表示一个词的相关度/热度。,web3.0,web3.0的细节人们还没有形成统一的认识，但是可以大致归纳为以下几点：利用人工智能技术，将web变成一个巨大的机器可理解的知识库。需要为网络中的各种资源添加语义标注由人工或机器自动完成；并研究适当的算法来对之分析、加工，从而支持各种智能应用。实现面向服务的架构，特别是智能自主地组合服务以便满足客户的应用需求。这既要依赖人工智能的进一步研究，也对软件过程和方法提出新的要求。增强的视觉效果，包括利用3D等多种图形技术。例如在一款新型的在线游戏“second life”中所呈现的虚拟世界。,电子邮件,电子邮件的格式，包括发送者、收件人、邮件标题、邮件体等。有时邮件的发件者和作者不同，其中作者（From）是最初写邮件的用户，而发送者（Sender）是真正发送该邮件的用户。例如在用户甲收到一封用户乙的邮件后，使用转发（Forward）功能将之转发给其他用户，那么转发后的邮件作者仍是用户乙，但发送者就成了用户甲了,电子邮件的发送和接收,邮件传输协议（Simple Message Transfer Protocol,SMTP）负责将邮件发送，并不关心对方收到邮件后如何存储、交付给最终用户。邮局协议版本3（Post Office Protocol version 3,POP3）或因特网消息访问协议（Internet Message Access Protocol,IMAP）规定了用户如何获取邮件的接口。POP3默认使用TCP110号端口，而IMAP默认使用143号端口。POP3鼓励用户下载邮件到本地之后再阅读，而IMAP增强了在线管理邮件的功能，并支持用户多次登陆同一个账号。,电子邮件的帐号,电子邮件的帐号形如U其中符号前面的是用户在邮件服务商注册的用户名，后面的字符串则是对应的邮件服务器的名字。邮件服务器可以分为2类一类是公共的，例如许多门户网站都提供免费或收费的电子邮件服务另一类是专用的，通常是各个公司、机构为其员工开设的电子邮件服务,文件下载,文件传输协议（File Transfer Protocol,FTP）是专门提供文件的上传和下载服务的。很多电脑厂商用FTP服务器来发布其相关产品的驱动程序、升级包等。在浏览器的地址栏里直接输入一个FTP服务的URL，就可以访问该服务器了。匿名访问，也就是无需注册直接用anonymous用户来访问，这个用户的口令是任意一个电子邮件地址。如果FTP服务器和客户机在一个局域网内或者一个机构内部，那么使用浏览器来上传和下载是最方便的。如果在外部，而且要访问的文件很大，那么用直接用浏览器进行操作往往会由于网络延迟而失败，这时最好使用专用的下载客户端软件。,HTTP下载,利用用HTML语言的超链接也可以支持下载文件。这种发布的优点是可以很好地组织要下载的文件页面，连带文件的使用说明、用户交流都可支持。缺点是用户上传文件非常不便。因此这种方法适合于发布文件。,FTP和HTTP下载的局限,FTP或者HTTP传输文件是典型的客户机服务器模式应用，其特点是少数几台提供服务的机器用来存放文件，很多访问服务的客户机上传或下载。这种模式的一个弊端是当用户数量增加时，会加重服务器的负担，从而使得每个用户都感到上传/下载速度很慢。更糟糕的是，很多专门的文件下载软件都支持多线程操作，这使得少数几个用户就可以造成相当大的服务器负载。,P2P协议,P2P的应用中每个节点既是客户机，同时也是服务器。多个节点共享一个文件时，每个节点即可以从其他节点上下载该文件，同时也作为服务器向其他节点提供该文件（该节点已经下载的部分）的下载服务。因此在p2p模式下，一个文件下载的用户越多，每个用户更容易获得较高的下载速度（当然要受到用户线路能力的限制）。目前使用最广的P2P协议有2个，BitTorrent和Emule。这2个都是公开的协议，有许多开源的自由软件客户端可以使用。,