数据通信7.ppt

1,数据通信与网络技术 第7章,大连民族学院 机电信息工程学院 孙进生,2,本章主要内容,计算机网络的形成与发展计算机网络的定义与功能计算机网络的组成 计算机网络的分类计算机网络的拓扑结构标准化组织,3,计算机网络的发展,第一阶段（19571968年）：联机终端系统 第二阶段（19681984年）：通信子网的出现 第三阶段（19841986年）：统一的网络体系 结构 第四阶段（1986年至今）:因特网,4,以单计算机为中心的联机终端系统,由单用户独占一个系统发展到分时多用户系统，即多个终端用户分时占用主机上的资源，这种结构被称为第一代网络。每一个分散的终端都要单独占用一条通信线路，线路利用率低。主机既要承担通信工作，又要承担数据处理，因此主机的负荷较重，且效率低。为了提高通信线路的利用率并减轻主机的负担，使用了多点通信线路、通信控制处理机以及集中器。,5,以单计算机为中心的联机终端系统,通信控制处理机 完成全部的通信任务，让主机专门进行数据的处理，提高数据处理的效率。集中器 负责从终端到主机的数据集中以及从主机到终端的数据分发。,6,多处理机的联机终端系统,随着计算机技术和通信技术的进步，将多个单处理机联机终端网络互相连接起来，形成了以多处理机为中心的网络。利用通信线路将多台主机连接起来，为用户提供服务。有两种连接形式：,7,分组交换技术产生的背景,早期的通信系统中，应用最广泛的是电话交换系统（线路交换），但利用电话线路传送计算机或终端的数据也会出现的问题。由于计算机与各种终端的传送速率不同，在采用线路交换时，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，必须采用一些措施来解决这个问题。计算机通信应采取有效的差错控制技术，可靠并准确无误地传送每一个比特，因此需要研究开发出适用于计算机通信的交换技术。,8,分组交换技术的诞生,美国国防部高级研究计划局ARPA早期研究的项目:分组交换的基本概念与理论。ARPAnet网络是成功的系统，它首次采用了网络信息传输过程中的分组交换技术，并采用层次体系结构，形成了四个层次的网络协议，对于网络通信过程中采用的报文格式也作了详尽的规定。它在概念、结构和设计方面都为后继的计算机网络打下基础。一般把ARPAnet网的出现作为计算机网络诞生的标志。,9,分组交换技术出现的意义,采用分组交换技术的网络试验成功，使计算机网络的概念发生了巨大的变化。早期的联机终端系统是以单个主机为中心，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。而分组交换网以通信子网为中心，主机和终端构成了用户资源子网。用户不仅共享通信子网的资源，而且还可共享用户资源子网的许多硬件和软件资源。这种以通信子网为中心的计算机网络被称为第二代计算机网络，它比面向终端的第一代计算机网络的功能扩大了很多。,10,计算机计算机网络,在第二代计算机网络中，终端和中心计算机间的通信已发展到计算机和计算机间的通信，用单台中心计算机为所有用户服务的集中式工作模式被大量分散而又互连在一起的多台计算机协同工作的模式代替。第二代计算机网络的主要特点是资源已不再是单向共享，而是互连在一起的多个计算机的多向资源共享；对信息的集中式控制方式改为由计算机进行分散控制；采用的信息交换方式是存储转发式的分组交换，主机之间不是通过直接的通信线路，而是通过接口报文处理机转接后互连的；采用专门的通信控制处理机、分层的网络协议。这个时期的网络产品彼此之间是相互独立的，没有统一标准，为实现更大范围内的信息交换和共享，要把不同的第二代计算机网络互连起来相对困难。,11,计算机网络体系结构的形成,经过20世纪60年代和70年代前期的发展，人们对网络技术、方法和理论的研究日趋成熟。为了促进网络产品的开发，各大计算机公司纷纷制定自己的网络技术标准，最终促成国际标准的制定，遵循网络体系结构标准建成的网络称为第三代网络。标准化建设经历了两个阶段：各计算机制造厂商网络结构标准化国际网络体系结构标准化,12,各计算机制造厂商网络结构标准化,各厂商的标准化体系IBM公司：SNA（系统网络体系结构）DEC公司：DNA（数字网络系统结构）UNIVAC公司：DCA（数据通信体系结构）Burroughs公司：BNA（宝来网络体系结构）只在一个公司范围内有效，也就是说，遵从某种标准的、能够互联的网络通信产品，也只限于同一公司生产的同构型设备。,13,国际网络体系结构标准化,国际标准化组织（ISO）为适应网络向标准化发展的需要，成立了TC97（计算机与信息处理标准化委员会）下属的SC16（开放系统互联分技术委员会），在研究、吸收各计算机制造厂家的网络体系结构标准化经验的基础上，开始着手制定开放系统互联的一系列标准，旨在方便异种计算机互联，该委员会制定了“开放系统互联参考模型”（OSI/RM），简称为OSI。OSI规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI协议的网络通信产品都是所谓的开放系统，而符合OSI标准的网络也被称为第三代计算机网络。目前，几乎所有网络产品厂商都在生产符合国际标准的产品，而这种统一的、标准化的产品互相竞争市场，也给网络技术的发展带来了更大的繁荣。,14,Internet的产生,60年代开始，美国国防部的高级研究计划局ARPA（Advance Research Projects Agency）建立阿帕网ARPANet，向美国国内大学和一些公司提供经费，以促进计算机网络和分组交换技术的研究。1969年12月，ARPANet投入运行，建成了一个实验性的由4个节点连接的网络。到1983年，ARPANET已连接了三百多台计算机，供美国各研究机构和政府部门使用。1983年，ARPANet分为ARPANet和军用MILNET（Military Network），两个网络之间可以进行通信和资源共享。由于这两个网络都是由许多网络互连而成的，因此它们都被称为Internet，ARPANet就是Internet的前身。,15,Internet的产生,1986年，NSF（美国国家科学基金会，National Science Foundation）建立了自己的计算机通信网络。NSFnet将美国各地的科研人员连接到分布在美国不同地区的超级计算机中心，并将按地区划分的计算机广域网与超级计算机中心相连（实际上它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网，覆盖了全美国主要的大学和研究所）。最初，NSFNet的主干网的速率不高，仅为56kbps。在19891990年，NSFNet主干网的速率提高到1.544Mbps，并且成为Internet中的主要部分。NSFnet逐渐取代了ARPANet在Internet的地位，到了1990年，鉴于ARPANet的实验任务已经完成，在历史上起过重要作用的ARPANet就正式宣布关闭。,16,Internet的发展,随着NSFnet的建设和开放，网络节点数和用户数迅速增长。以美国为中心的Internet网络互联也迅速向全球发展，世界上的许多国家纷纷接入到Internet，使网络上的通信量急剧增大。1992年，Internet上的主机超过1百万台。1993年，Internet主干网的速率提高到45Mbps。到1996年速率为155Mbps的主干网建成。1999年MCI和WorldCom公司将美国的Internet主干网速率提高到2.5Gbps。到1999年底，Internet上注册的主机已超过1千万台。,17,Internet的发展,Internet的迅猛发展始于20世纪90年代。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW被广泛使用在Internet上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为Internet发展的指数级增长的主要驱动力。,WWW的站点数目也急剧增长，1993年底只有627个，1994年底就超过1万个，1996年底超过60万个，1997年底超过160万个，而1999年底则超过了950万个，上网用户数则超过2亿。Internet上的数据通信量每月约增加10%，Internet的发展非常迅速，据预测，到2002年，全球Internet的用户将达到4.5亿。以我国Internet的发展为例，截止到2001年7月，上网计算机数已达到约1002万台，上网用户人数约2650万人，仅CN下注册的域名数已达到近13万个，而WWW站点已达到24万个。,18,Internet的应用与高速网络技术的发展,Internet 是一个大型广域计算机网络，对推动世界科学、文化、经济和社会的发展有着不可估量的作用。在Internet飞速发展与广泛应用的同时，高速网络的发展也引起了人们越来越多的注意。高速网络技术发展主要表现在高速局域网、交换局域网与虚拟网络、宽带综合业务数据网B-ISDN和异步传输模式ATM。进入90年代以来，世界经济已经进入了一个全新的发展阶段。世界经济的发展推动着信息产业的发展，信息技术与网络的应用已成为衡量21世纪综合国力与企业竞争力的重要标准。人们开始认识到信息技术的应用与信息产业的发展将会对各国经济发展产生重要的作用，很多国家纷纷开始制定各自的信息高速公路的建设计划。,19,Internet的应用与高速网络技术的发展,建设信息高速公路就是为了满足人们在未来随时随地对信息交换的需要，在此基础上人们相应地提出了个人通信与个人通信网的概念，它将最终实现全球有线网、无线网的互连，邮电通信网与电视通信网的互连，固定通信与移动通信的结合。在现有电话交换网PSTN、公共数据网PDN、广播电视网、B-ISDN的基础上，利用无线通信、蜂窝移动电话、卫星移动通信、有线电视网等通信手段，最终实现“任何人在任何地方，在任何的时间里，使用任一种通信方式，实现任何业务的通信”。以ATM为代表的高速网络技术发展迅速。目前，世界上很多发达国家都组建了各自的ATM网络。在我国电信部门的骨干网和一些商业网上也广泛采用了ATM技术。ATM已经成为21世纪电信网的关键技术。,20,计算机网络的定义,定义:简单定义：“互联起来的独立自主的计算机集合”。完整的定义：“利用通信设备和线路，将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统”。,21,计算机网络的功能,数据交换和通信计算机网络中的计算机之间或计算机与终端之间，可以快速可靠地相互传递数据、程序或文件。资源共享充分利用计算机网络中提供的资源（包括硬件、软件和数据）是计算机网络组网的主要目标之一。提高系统的可靠性在一些用于计算机实时控制和要求高可靠性的场合，通过计算机网络实现备份技术可以提高计算机系统的可靠性。分布式网络处理和负载均衡对于大型的任务或当网络中某台计算机的任务负荷太重时，可将任务分散到网络中的各台计算机上进行，或由网络中比较空闲的计算机分担负荷。,22,计算机网络的组成,计算机网络的系统组成 计算机网络完成数据处理与数据通信两大基本功能：负责数据处理的计算机与终端；负责数据通信的通信控制处理机CCP与通信线路。资源子网 通信子网 计算机网络的软件 网络协议软件、网络通信软件、网络操作系统、网络管理软件和网络应用软件。,23,资源子网和通信子网,资源子网资源子网由主机、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。通信子网通信子网由通信控制处理机、通信线路与其它通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务。,24,资源子网的组成,主机大型机、中型机、小型机、工作站或微机。主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。普通用户终端通过主机连入网内。主机要为本地用户访问网络其它主机设备与资源提供服务，同时要为网中远程用户共享本地资源提供服务。终端/终端控制器终端控制器连接一组终端，负责这些终端和主计算机的信息通信，或直接作为网络节点。终端是直接面向用户的交互设备，可以是由键盘和显示器组成的简单的终端，也可以是微型计算机系统。连网外设网络中的一些共享设备，如大型的硬盘机、高速打印机、大型绘图仪等。,25,通信子网的组成,通信控制处理机又被称为网络节点。一方面作为与资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面它又作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能，实现将源主机报文准确发送到目的主机的作用。通信线路计算机网络采用了多种通信线路，如电话线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信信道、微波与卫星通信信道等。一般在大型网络中和相距较远的两结点之间的通信链路，都利用现有的公共数据通信线路。信号变换设备对信号进行变换以适应不同传输媒体的要求。比如，将计算机输出的数字信号变换为电话线上传送的模拟信号的调制解调器、无线通信接收和发送器、用于光纤通信的编码解码器等。,26,计算机网络的软件,网络协议软件实现网络协议功能，比如TCP/IP、IPX/SPX等。网络通信软件用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件。网络操作系统实现系统资源共享，管理用户的应用程序对不同资源的访问。典型的操作系统有Windows NT、Netware、UNIX等。网络管理软件和网络应用软件网管软件是用来对网络资源进行管理，对网络进行维护的软件。网络应用软件是为网络用户提供服务的，是网络用户在网络上解决实际问题的软件。,27,计算机网络的分类,按网络的作用范围：局域网城域网广域网按网络的传输技术：广播式网络点到点网络 按网络的使用范围：公用网专用网,按通信介质：有线网无线网按企业管理分类：内联网 外联网 因特网,28,局域网（Local Area Network）,LAN通常安装在一个建筑物或校园（园区）中，覆盖的地理范围从几十米至数公里。例如，一个实验室、一栋大楼、一个校园或一个单位。LAN是计算机通过高速线路相连组成的网络，网上传输速率较高，从10Mbps100Mbps1000Mbps。通过LAN，各种计算机可以共享网络资源。例如，共享打印机和数据库。,29,城域网（Metropolitan Area Network）,MAN规模局限在一座城市的范围内，覆盖的地理范围从几十公里至数百公里。MAN是对局域网的延伸，用来连接局域网，在传输介质和布线结构方面牵涉范围较广。,30,广域网（Wide Area Network）,WAN覆盖的地理范围从数百公里至数千公里，甚至上万公里。可以是一个地区或一个国家，甚至世界几大洲，故称远程网。WAN在采用的技术、应用范围和协议标准方面有所不同。在WAN中，通常是利用邮电部门提供的各种公用交换网，将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。广域网使用的主要技术为存储转发技术。,31,广播式网络（Broadcast Network）,广播式网络仅有一条通信信道，网络上的所有计算机都共享这个通信信道。当一台计算机在信道上发送分组或数据包时，网络中的每台计算机都会接收到这个分组，并且将自己的地址与分组中的目的地址进行比较，如果相同，则处理该分组，否则将它丢弃。在广播式网络中，若某个分组发出以后，网络上的每一台机器都接收并处理它，则称这种方式广播（Broadcasting），若分组是发送给网络中的某些计算机，则被称为多点播送或组播（Multicasting），若分组只发送给网络中的某一台计算机，则称为单播(Unicasting)。,32,点到点网络（Point-to-Point Network）,在点到点网络中，两台计算机之间通过一条物理线路连接。若两台计算机之间没有直接连接的线路，分组可能要通过一个或多个中间节点的接收、存储、转发，才能将分组能从信源发送到目的地。由于连接多台计算机之间的线路结构可能非常复杂，存在着多条路由，因此在点到点的网络中如何选择最佳路径显得特别重要。,33,公用网和专用网,公用网由电信部门组建，一般由政府电信部门管理和控制，网络内的传输和交换装置可提供（如租用）给任何部门和单位使用，例如公共电话交换网PSTN、数字数据网DDN、综合业务数字网ISDN等。专用网由某个单位或部门组建，不允许其他部门或单位使用，例如金融、石油、铁路等行业都有自己的专网。专用网可以租用电信部门的传输线路，也可以自己铺设线路，但后者的成本非常高。,34,有线网,有线网是指采用双绞线、同轴电缆、光纤连接的计算机网络。有线网的传输介质包括：双绞线：双绞线网是目前最常见的连网方式，它比较经济，安装方便，传输率和抗干扰能力一般，广泛应用于局域网中。还可以通过电话线上网，通过现有电力网导线建网。同轴电缆：可以通过专用的粗电缆或细电缆组网。此外，还可通过有线电视电缆，使用电缆调制解调器（Cable Modem）上网。光纤：光纤网采用光导纤维作传输介质。光纤传输距离长，传输率高，可达每秒数千兆比特，抗干扰性强，不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的理想选择。,35,无线网,无线网使用电磁波传播数据，它可以传送无线电波和卫星信号。无线网包括：无线电话：通过手机上网已成为新的热点。目前联网费用较高，速率不高。但由于联网方式灵活方便，是一种很有发展前途的连网方式。无线电视网：普及率高，但无法在一个频道上和用户进行实时交互。微波通信网：通信保密性和安全性较好。卫星通信网：能进行远距离通信，但价格昂贵。,36,内联网（Intranet）,内联网Intranet是指企业的内部网，是由企业内部原有的各种网络环境和软件平台组成的，例如，传统的客户机/服务器模式，逐步改造、过渡、统一到像Internet那样使用方便，即使用Internet上的浏览器/服务器模式。在内部网络上采用通用的TCP/IP作为通信协议，利用Internet的WWW技术，以Web模型作为标准平台。一般具备自己的Intranet Web服务器和安全防护系统，为企业内部服务。,37,外联网（Extranet）,外联网相对企业内部网，Extranet是泛指企业之外，需要扩展连接到与自己相关的其他企业网。采用Internet技术，又有自己的WWW服务器，但不一定与Internet直接进行连接的网络。同时必须建立防火墙把内联网与Internet隔离开，以确保企业内部信息的安全。,38,因特网（Internet）,因特网Internet是目前最流行的一种国际互连网。Internet起源于美国，自1995年开始启用，发展非常迅速，特别是随着Web浏览器的普遍应用，Internet已在全世界范围得到应用。利用在全球性的各种通信系统基础上，像一个无法比拟的巨大数据库，并结合多媒体的“声、图、文”表现能力，不仅能处理一般数据和文本，而且也能处理语音、静止图象、电视图像、动画和三维图形等等。,39,拓扑结构,拓扑学把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间关系。在计算机网络中，将主机和终端抽象为点，将通信介质抽象为线，形成点和线组成的图形，使人们对网络整体有明确的全貌印象。计算机网络的拓扑结构就是网络中通信线路和站点（计算机或设备）的几何排列形式。,40,计算机网络的拓扑结构,41,星型拓扑网络,各节点通过点到点的链路与中心节点相连，中心节点可以是转接中心，起到连通的作用，也可以是一台主机，此时就具有数据处理和转接的功能。优点：很容易在网络中增加新的站点，数据的安全性和优先级容易控制，易实现网络监控。缺点属于集中控制，对中心节点的依赖性大，一旦中心节点有故障会引起整个网络瘫痪。,42,树型拓扑网络,网络中的各节点形成了一个层次化的结构，树中的各个节点都为计算机。树中低层计算机的功能和应用有关，一般都具有明确定义的和专业化很强的任务，如数据的采集和变换等，而高层的计算机具备通用的功能，以便协调系统的工作，如数据处理、命令执行和综合处理等。一般来说，层次结构的层不宜过多，以免转接开销过大，使高层节点的负荷过重。,43,总线型拓扑网络,网络中所有的站点共享一条数据通道，一个节点发出的信息可以被网络上的多个节点接收。由于多个节点连接到一条公用信道上，必须采取某种方法分配信道，以决定哪个节点可以发送数据。总线型网络结构简单，安装方便，需要铺设的线缆最短，成本低，某个站点自身的故障一般不会影响整个网络。因此它是最普遍使用的一种网络。其缺点是实时性较差，总线的任何一点故障都会导致网络瘫痪。,44,环型拓扑网络,在环行拓扑网络中，节点通过点到点通信线路连接成闭合环路。环中数据将沿一个方向逐站传送。环型拓扑网络结构简单，传输延时确定，但是环中每个节点与连接节点之间的通信线路都会成为网络可靠性的屏障。对于环型网络，网络节点的加入、退出、环路的维护和管理都比较复杂。,环型网,45,网状型拓扑网络,网状型拓扑网络中，节点之间的连接是任意的，没有规律。主要优点是可靠性高，但结构复杂，必须采用路由选择算法和流量控制方法。广域网基本上采用网状型拓扑结构。,46,标准化组织ISO,ISO 国际标准化组织ISO(International Standardization Organization)，是一个全球性的非政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。ISO于1947年2月23日正式成立，总部设在瑞士的日内瓦。ISO致力于开发科学、技术、经济领域里的广泛合作，尤其在信息技术方面，ISO制定了网络通信的标准，即开放系统互连OSI。,47,标准化组织 ITU,国际电信联盟（ITU）国际电信联盟（ITU）是世界各国政府的电信主管部门之间协调电信事务方面的一个国际组织，成立于1865年5月17日。ITU的宗旨是维持和扩大国际合作，以改进和合理地使用电信资源、提高电信业务的效率、扩大技术设施的用途、协调各国行动。ITU的原设机构有：国际电报、电话咨询委员会（CCITT），国际无线电咨询委员会（CCIR），国际频率登记委员会（IFRB）。1993年3月1日ITU第一次世界电信标准大会（WTSC-93）在芬兰召开，将原有的三个机构CCITT、CCIR、IFRB进行了改组，取而代之的是电信标准部门（TSS，即ITU-T）、无线电通信部门（RS，即ITU-R）和电信发展部门（TDS，即ITU-D）。在通信领域，最著名的ITU-T标准有V系列标准，例如V.32、V.35、V.42标准对使用电话线传输数据作了明确的说明；X系列标准，例如X.25、X.400、X.500为公用数字网上传输数据的标准；ITU-T的标准还包括了电子邮件、目录服务、综合业务数字网ISDN以及宽带ISDN等方面的内容。,48,标准化组织 ANSI,美国国家标准学会ANSIANSI（American National Standards Institute）成立于1918年。当时，美国的许多企业和专业技术团体，已开始了标准化工作，但因彼此间没有协调，存在不少矛盾和问题。为了提高效率，制订统一的通用标准，1918年，美国材料试验协会（ASTM）、与美国机械工程师协会（ASME）、美国矿业与冶金工程师协会（ASMME）、美国土木工程师协会（ASCE）、美国电气工程师协会（AIEE）等组织，共同成立了美国工程标准委员会（AESC）。1928年，美国工程标准委员会改组为美国标准协会（ASA）。为致力于国际标准化事业和消费品方面的标准化，1966年8月，ASA又改组为美利坚合众国标准学会（USASI）。1969年10月6日改为美国国家标准学会（ANSI）。,49,标准化组织 IEEE,电气和电子工程师学会IEEEIEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers)于1963年，由美国电气工程师学会（AIEE）和美国无线电工程师学会（IRE）合并而成，是美国规模最大的专业学会。IEEE的标准制定内容有电气与电子设备、试验方法、原器件、符号、定义以及测试方法等。IEEE最大的成果是定义了局域网和城域网的标准，这个标准被称为802项目或802系列标准。,50,标准化组织 EIA,美国电子工业协会EIAEIA创建于1924年，它代表了设计生产电子元件、部件、通信系统和设备的制造商以及工业界、政府和用户的利益，在提高美国制造商的竞争力方面起到了重要的作用。在信息领域，EIA在定义数据通信设备的物理接口和电气特性等方面做了巨大的贡献，尤其是数字设备之间串行通信的接口标准，例如EIA RS-232、EIA RS-449和EIA RS-530。,51,标准化组织 IEC,国际电工委员会IECIEC成立于1906年，是世界上最早的国际性电工标准化机构，总部设在日内瓦。IEC负责有关电工、电子领域的国际标准化工作，其他领域则由ISO负责。IEC的宗旨是促进电工、电子领域中标准化及有关方面问题的国际合作，增进相互了解。为实现这一目的，出版包括国际标准在内的各种出版物，并希望各国家委员会在其本国条件许可的情况下，使用这些国际标准。IEC的工作领域包括了电力、电子、电信和原子能方面的电工技术。现已制订国际电工标准3000多个。,