计算机网络基础概述.ppt
计算机网络,第 1 章 计算机网络基础概述,主讲：刘斌,理学院.计算机与网络教研室,2,了解计算机网络发展的历史理解计算机网络的定义掌握计算机网络的分类及不同类型的特点了解计算机网络的几个性能指标,学习目标,第 1 章 计算机网络基础概述,3,讨论1：计算机网络发展的历史讨论2：计算机网络的定义讨论3：计算机网络的分类及其特点讨论4:计算机网络的几个性能指标,学习内容,第 1 章 计算机网络基础概述,4,学习方法要点,学习重点、难点,计算机网络的定义计算机网络的分类,本章是基础知识，在学习时要在理解基本概念的基础上，注意对比分析知识点之间的联系与区别，将所学知识形成体系。,第 1 章 计算机网络基础概述,5,讨论1：计算机网络发展的历史,具体教学内容,1946年，第一台数字电子计算机ENIAC,6,1.面向终端的计算机网络2.面向通信的分组交换计算机网络3.面向应用的开放式标准化计算机网络4.Internet及高性能计算机网络的发展,1954年,收发器的诞生,促使计算机与通信技术相结合,计算机网络经历了由简单到复杂的四个发展阶段,讨论1：计算机网络发展的历史（续）,7,以“主机”为中心,以”分组交换网”为中心,网络的组成结构和服务的变化,8,1.面向终端的计算机网络,20世纪50年代中期60年代中期,(以单个计算机为中心的远程联机系统),第一代网络,讨论1：计算机网络发展的历史（续）,特点:主机负载重,效率低通信线路利用率低集中控制可靠性低,9,10,典型应用:军用:SAGE 美国半自动化地面环境防空系统民用:SABRE-1 美国航空公司的飞机订票系统商用:GE Information Service 美国通用电气公司的信息服务系统,11,2.面向通信的分组交换计算机网络,20世纪60年代末70年代末,第二代网络,讨论1：计算机网络发展的历史（续）,ARPANET模型,特点:主机负载减轻通信线路利用率相对较高分散控制可靠性高采用分组交换技术进行通信网络按照逻辑功能分为资源子网和通信子网,12,13,ARPANET的研究成果在推动计算机网络发展上有着深远的意义。在它的基础上，七、八十年代计算机网络发展十分迅速，出现了大量的计算机网络,20世纪70年代初:英国国家物理实验室NPL网络1972年美国加州大学研制了Newhall环网；1973年:英国邮政的公用分组交换网EPSS1974年英国剑桥大学研制了Cambridge Ring环网；1975年:法国信息与自动化研究所的CYCLADES分布式数据处理网络1976年美国Xerox公司研究了总线拓扑的实验性Ethernet网；1976年:加拿大的DATAPAC公用分组交换网1979年:日本电报电话公司的DDX-3公用数据网1988年:中国公共数据实验网CNPAC,14,随着网络技术的发展与计算机网络的广泛应用，一些大的计算机公司纷纷开展计算机网络研究与产品开发工作，同时也提出了各种网络体系结构与网络协议，例如：IBM公司的SNA(System Network Architecture)DEC公司的DNA(Digital Network Architecture)UNIVAC公司的DCA(Distributed Computer Architecture)Burroughs公司的BNA(Burroughs Network Architecture),15,3.面向应用的开放式标准化计算机网络,第三代网络,20世纪80年代初90年代初,1977年,ISO成立TC97/SC 16，从事网络体系结构与网络协议国际标准化问题的研究，正式制订 OSI/RM；1984年,OSI/RM 形成正式文件-法律上的国际标准,即ISO/IEC 7498国际标准ISO OSI/RM的颁布是第三代网络的新纪元的标志,它对推动网络体系结构理论的发展作用是重大的。在80年代，ISO与CCITT等组织分别为参考模型的各个层次制订了一系列的协议标准，组成了一个庞大的OSI基本协议集；,讨论1：计算机网络发展的历史（续）,16,广域网和微型机的发展八十年代，局域网领域中，采用Ethernet、Token Bus、Token Ring原理的局域网产品形成了三足鼎立之势，并已形成了国际标准；九十年代，局域网技术在传输介质、局域网操作系统与客户机/服务器计算模式等方面取得了重要的进展；光纤分布式数字接口FDDI产品在高速与主干网应用方面起了重要的作用；形成了网络结构化布线技术；1983年Internet的诞生及其快速发展；,TCP/IP-事实上的国际标准,17,4.Internet的应用与高性能网络技术的发展,第四代网络及其未来发展趋势,Internet是覆盖全球的信息基础设施之一；Internet提供E-mail、WWW、FTP、News、Telnet等面向应用的大众化,多元化,信息化服务；高性能网络技术发展主要表现在宽带综合业务数据网B-ISDN、异步传输模式ATM、高速局域网、交换局域网与虚拟网络上；(高的数据传输速率和吞吐量)C/S B/S P2P,标志:1993年,NII(national information infrastructure,信息高速公路)的提出,讨论1：计算机网络发展的历史（续）,18,最终实现电信网络、有线电视网络和计算机网络的三网合一；个人通信与个人通信网实现五个W的个人通信要求(whoever,whenever,whereever,whomever,whatever)IPV6(网络安全性考虑)网格技术无线局域网技术物联网技术,19,讨论2：计算机网络的定义,2.1 计算机网络的基本定义2.2 计算机网络的组成2.3 计算机网络、internet（互联网）、Internet（因特网）、万维网的关系,20,计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、多个具有独立功能计算机系统相互连起来，以功能完善的网络软件（如网络通信协议、信息交换方式以及网络操作系统等）来实现网络中信息传递和资源共享的系统。,2.1 计算机网络的基本定义,讨论2：计算机网络的定义(续),21,2.2 计算机网络的组成,讨论2：计算机网络的定义(续),硬件：终端设备：计算机 传输设备：路由器，交换机，网桥，集线器，网关设备等 链路：传输线路和介质软件：网络协议、设备驱动程序、网络系统、网络应用软件等,22,2.3 计算机网络、internet（互联网）、Internet（因特网）、万维网的关系,讨论2：计算机网络的定义(续),单一技术互联,网络的网络,23,Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。,一级 ISP,一级 ISP,第一层 ISP,大公司,本地 ISP,大公司,大公司,公司,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,第二层 ISP,NAP,NAP,A,B,主机A 本地 ISP 第二层 ISP NAP 第一层 ISP NAP 第二层 ISP 本地 ISP 主机B,第一层 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第一层 ISP,第一层,第二层,第三层,本地 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,本地 ISP,本地 ISP,第二层 ISP,因特网的分级结构,25,万维网特指由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的，建立在因特网硬件和软件基础上的一种分布式应用系统，一种中间件，它屏蔽了网络中软硬件的差异，为用户提供统一的接口和平台。它使人们只用关注网络的应用，从而大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。,26,讨论3：计算机网络的分类及其特点,根据地理覆盖范围分类,根据物理拓扑结构分类,LAN(Local area networks,局域网)MAN(Metropolitan Area Networks,城域网)WAN(Wide Area Networks,广域网),Star(星型)Ring(环型)Bus(总线型)Tree(树型)Net(网型),27,28,卫星无线网络,29,根据传输介质分类,Twisted Pair(双绞线)Coaxial cable(同轴电缆)Fiber optics(光纤),Fiber cables(光缆),Radio waves(无线电波)Microwave(微波)Infrared and Millimeter Waves(红外线和毫米波)Laser(激光)Communication satellites(通信卫星),有线网络,无线网络,30,根据用途分类,专有网络公共网络增值网络,31,根据数据交换方式分类,32,讨论4:计算机网络的几个基本概念和性能指标,Information(信息)Message(消息)Signal(信号)Data(数据)Data Communication(数据通信)Channel(信道)Encode&modulation(编码&调制)Symbol/code cell(码元),信道带宽信道最大传输速率误码率和误比特率时延时延带宽积利用率,基本概念,性能指标,33,信息:,消息:,消息的实际内涵,是消息的含义-抽象性数据的内容或解释。,信息的表现形式,可以是数字、文字、语音、图形或图像-物理性,讨论4:几个基本概念和性能指标（续）,4.1 基本概念,34,数据:,是以0,1这种数的形式来表达信息的数字类消息,是数字计算机或数字终端装置的处理对象(传递（携带）信息的实体),信号:,信号是数据的电子或电磁编码,数据以信号的形式在介质中传播。信号可分为模拟信号和数字信号,35,模拟信号:时间上连续，包含无穷多个信号值数字信号:时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号,t,a）模拟信号,b）数字信号,36,信道:是信号从信源到信宿所经过的路径,包括传输线路和中间物理设备.,模拟信道适于模拟信号传输CATV、无线电广播、电话拨号线路数字信道适于数字信号传输计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网,37,信息编码：将信息用二进制数表示的方法 例如：ASCII编码、BCD编码等数据编码：将数据用物理量(电压、振幅、频率、相位等)表示的方法,38,数据通信:是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号或图形、图像的二进制代码0、1比特序列的过程；即:特指数字计算机或其他数字终端装置之间的通信,特指传输数据类消息的通信方式.,数据通信系统要研究的是如何将表示各类信息的二进制比特序列通过传输介质，在不同计算机之间进行传送的问题。,39,信息通过数据通信系统进行传输的过程把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输,编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位解调：接收波形数字信号解码：数字信号原始数据,40,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：,41,模拟传输和数字传输所使用的技术,编码与调制的区别?,42,编码与调制的区别编码：用数字信号承载数字或模拟数据调制：用模拟信号承载数字或模拟数据,43,调制与解调,44,信道,信号,信源,信宿,变换器,反变换器,通信系统概念模型,噪音,45,码元,波特率与比特率,码元：时间轴上一个信号的编码单元,是传输中的一个电信号或光信号单元,即:一个脉冲状态。,T,46,码元速率(信号速率,波特率,调制速率):信道中每秒钟传输的信号状态的个数,即每秒钟传输的码元数,单位为波特，记作 Baud,计算公式:B=1/T(Baud)其中 T为信号码元的宽度，单位为秒。,数据传输速率(信息速率,比特率):每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps。,47,计算公式:R=B log 2 V(bps)式中 B为码元速率,单位波特；V为对一个码元编码采样的离散值的个数,即:脉冲信号的所有可能状态数；,波特率和比特率之间的关系,四进制,48,信道带宽,信道由于受到物理因素的制约，只能适合传输频率在一定范围的信号，超过该范围，信号在传输过程中将会发生严重畸变，该频率范围称为该信道的带宽。单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。,4.2 性能指标,讨论4:几个基本概念和性能指标（续）,49,信道的极限（最大）传输速率,C=2Hlog2V bps,H-Bandwidth(信道带宽)V-discrete levels(信号的离散等级),C-Maximum data rate(最大数据传输速率),（1）理想无噪信道的最大传输速率-Nyquist,1924,50,C=Hlog2(1+S/N)bps,H-Bandwidth(信道带宽)S-signal power(信号功率)N-noise power(噪音功率)S/N-signal-to-noise ratio(信噪比),（2）理想有噪信道的最大传输速率-Shannon,1948,10 log10 S/N-单位：分贝,DB,51,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C=2H log2V用于理想信道（这样的信道存在吗？）数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=H log2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,52,带宽(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s(bit/s)。,更常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s（103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K=210=1024 M=220,G=230,T=240。,53,在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。,54,吞吐量(throughput):表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。,55,误码率与误比特率,56,误码率：Pc是指传输的码元被传错的概率 Pc 传错的码元数/传输的码元总数误比特率：Pb是指传输的比特被传错的概率Pb 传错的比特数/传输的比特总数,57,时 延,时延：数据块(一个报文或分组)从网络（或链路）的一端传送到另一端所经历的总时间,58,传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间,也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。,时延的构成,59,传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。,信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。,60,处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延,排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。,数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：,总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延,61,四种时延所产生的地方,1 0 1 1 0 0 1,发送器,队列,结点 B,结点 A,数据,以两个相邻结点为例：A 向结点 B 发送数据,链路,62,容易产生的错误概念,对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高链路带宽减小了数据的发送时延。,63,时延带宽积,（传播）时延,链路,带宽,时延带宽积=传播时延 带宽,链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。,时延带宽积,64,信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。,利用率并非越高越好,利用率,65,根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。D0 表示网络空闲时的时延D 表示网络当前的时延,时延与网络利用率的关系,66,计算机网络的非性能特征,费用质量标准化可靠性可扩展性和可升级性 易于管理和维护,
