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[计算机]计算机

学习情景一:网络基础知识 任务1:数据通信基础知识 计算机网络的概念、功能与应用

计算机网络是我们这个时代最令人兴奋和重要的技术领域。因特网互联着数以百万计的计算机,提供了一个全球性的通信、存储和计算的基础设施。那么到底什么是因特网?什么是计算机网络呢? 计算机网络的发展

早期的计算机系统是高度集中的,所有的设备安装在单独的大房间中,后来出现了批处理和分时系统,分时系统所连接的多个终端必须紧接着主计算机。50年代中后期,许多系统都将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上,这样就出现了第一代计算机网络。

 第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统。典型应用是由一台计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机定票系统。终端:一台计算机的外部设备包括CRT控制器和键盘,无CPU内存。

 随着远程终端的增多,在主机前增加了前端机FEP当时,人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来,实现远程信息处理或近一步达到资源共享的系统”,但这样的通信系统己具备了通信的雏形。

 第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互联起来,为用户提供服务,兴起于60年代后期,典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPAnet。主机之间不是直接用线路相连,而是接口报文处理机IMP转接后互联的。IMP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务,构成了通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序,提供资源共享,组成了资源子网。两个主机间通信时对传送信息内容的理解,信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵守一个共同的约定,称为协议。在ARPA网中,将协议按功能分成了若干层次,如何分层,以及各层中具体采用的协议的总和,称为网络体系结构,体系结构是个抽象的概念,其具体实现是通过特定的硬件和软件来完成的。

 70年代至80年代中第二代网络得到迅猛的发展。

 第二代网络以通信子网为中心。这个时期,网络概念为“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”,形成了计算机网络的基本概念。

 第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵循国际标准的开放式和标准化的网络。

 IS0在1984年颁布了0SI/RM,该模型分为七个层次,也称为0SI七层模型,公认为新一代计算机网络体系结构的基础。为普及局域网奠定了基础。

 70年代后,由于大规模集成电路出现,局域网由于投资少,方便灵活而得到了广泛的应用和迅猛的发展,与广域网相比有共性,如分层的体系结构,又有不同的特性,如局域网为节省费用而不采用存储转发的方式,而是由单个的广播信道来连结网上计算机。

  第四代计算机网络从80年代末开始,局域网技术发展成熟,出现光纤及高速网络技术,多媒体,智能网络,整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统,发展为以Internet为代表的互联网。

  计算机网络的定义 计算机网络:将多个具有独立工作能力的计算机系统通过通信设备和线路由功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的系统。

 从定义中看出涉及到三个方面的问题: 1)至少两台计算机互联。

 2)通信设备与线路介质。

 3)网络软件,通信协议和NOS 什么是因特网:

公共因特网是一个世界范围内的计算机网络,即他是一个互联了遍及全世界的数以百万计的计算机设备的网络。

  计算机网络的组成

1)网络边缘:端系统、客户机和服务器。

 在计算机网络技术中,与因特网相连的计算机通常被称为端系统(end systems)。因为他们位于网络的边缘,故而被称为端系统。因特网的端系统包含了许多不同类型的计算机,如|:桌面计算机(PC)、苹果系列计算机、便携式电脑和掌上电脑(PDA)等。端系统也被称为主机(host),主机有时又被进一步划分为客户机(client)和服务器(server)。客户机大致等同于桌面PC和移动电脑和PDA等。而服务器大致等同于功能更为强大的机器。

 2)网络核心:路由器、交换机等网络互连设备。

 通过网络互连设备我们能够实现数据的存储和转发即数据传输工作。

 3)物理媒体:是信息传输的媒体。

 当一个比特从一个主机经过若干个路由器到达另一个主机时使用的一条条链路就是一系列的物理媒体。物理媒体具有多种形式和形状。物理媒体可以是双绞线、同轴电缆、光纤、微波和通信卫星。

 (1)双绞线|:最便宜使用最普遍的的传输媒体。我们家里使用的电话线就是双绞线的一种。双绞线由两根绝缘的铜线组成,每根直径大概1mm,以螺旋形状排列着。这两根线被绞、合起来是为了减少对邻近双绞线的电磁干扰。通常许多双绞线捆扎在一起形成一根电缆,并在这些双绞线外面覆盖上保护性防护层。一对电线构成一个通信链路。由于结构的不同,双绞线又分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)。屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹着,它的价格相对要高一些。非屏蔽双绞线一般用在建筑物的计算机网络中,即局域网中。根据技术导体的性能和绞纽的的密度对双绞线进行分类:、1类、2类、3类、4类、5类6类。计算机网络一般使用的是5类、超5类和6类。

 (2)同轴电缆:由两个铜导体组成,但是这两根铜导体是同心的而不是并行的。借助于这种结构和特殊的绝缘体和保护层,同轴电缆能够具有高比特率。同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆也称为50欧姆电缆,大约1cm粗,重量轻,易于弯折,通常用在局域网中。宽带同轴电缆也称为75欧姆电缆,较粗,重量更重,比基带电缆更僵硬,更多地用于电视系统中。

 (3)光纤:是一种细而柔软的能够导引光脉冲的媒体,每个脉冲表示一个比特。一根光纤能够支持巨大的比特速率,高达每秒十倍甚至百倍吉比特。他们不受电磁干扰,长达100公里的光缆具有极低的信号衰减,并且很难折断。适合长途特别是跨海链路。光纤广泛的使用在因特网的主干网、长途电话网络。但是由于高成本的光设备,如:传输器、接收器和交换机阻碍了光纤在短途传输中的使用。

 (4)陆地无线电信道:无线电信道成在电磁频谱中的信号。因为不需要安装无力线路,具有能够穿透墙壁、提供与移动用户的连接能力,并且可以长距离承载信号,因此他们是一种有吸引力的媒体。但是他极大的依赖于传播环境和传输信号的距离。

 (5)卫星无线通道:一颗通信卫星连接两个或多个给予地球的微波传输方/接收方,他们被称为地球站。卫星在一个频段上传输接收信号,使用转发器再生信号,并在另一个频率上传输信号。卫星能够提供每秒吉比特范围的带宽。通信中常使用两类卫星:同步卫星和低纬度卫星。

 4)协议(Protocol): 就是控制数据通信的规则。我们要保证计算机网络能够有条不紊的工作,就必须制定出一系列的通信协议,不同的协议完成不同的任务。完成一项服务功能的多个互相协调工作的协就组成了一个协议族或协议集。

 协议软件就是实现协议规则与功能的软件,它在网络计算机和设备中运行。写在书面上的协议条款只有通过计算机软件才能在网络中得到执行。所谓通信双方使用相同的协议也就是指它们的计算机中安装了相同的协议软件。另外,还有一些进行数据传输的通信软件己经固化在芯片中,安插到设备上,使它的运行速度更快,性能更高。一般主流协议软件集成在操作系统中,用户安装操作系统的同时,就把协议软件安装在计算机中了。例如Windows系统中的TCP/IP协议。当用户进行网络协议设置时,只需要在操作系统中使用特定的工具,通过一系列简单的操作步骤就可以实现。

 计算机网络的分类

1)按照范围划分:局域网、城域网和广域网。

 2)按拓扑结构分类:总线型、环型、星型和网状型。

  3)按照服务方式分类:对等网、客户/服务器网络 4)按介质访问协议分类:以太网、令牌环网和令牌总线网。

 拓扑结构的概念: 局域网的拓扑结构是指网络中结点的互连构形,是网络的接线图。

 大多数局域网使用以下三种基本拓扑之一:1.环形;2.总线形;3.星形。其他许多拓扑是3种基本拓扑的混合组合或变种。

 环形拓扑 这种拓扑的网络由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成一个闭合环。如图所示。

 每个中继器都与两条链路相连。这种链路是单向的,数据在一个方向上围绕着环进行循环。

 环形拓扑的优点: (1)电缆长度短 (2)无需接线盒 (3)可用光纤 (4)环形网是点到点、一个结点一个结点的连接,可以在网上的不同段使用各种传输介质。

 环形拓扑的缺点: (1)一个结点故障会引起全网故障 (2)诊断故障困难 (3)不易重新配置网络 (4)拓扑结构影响访问协议 最常见的采用环形拓扑的网络有令牌环网、FDDI(光纤分布式数据接口)和CDDI(铜线电缆分布式数据接口)网络。

 总线拓扑 总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质,所有站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质上,或称总线上。任何一个站点发送的信号都可以沿着介质双向传播,而且能被其他所有站接收(广播方式)。如图所示。

 总线拓扑的优点: 电缆长度短,容易布线 可靠性高 易于扩充 总线拓扑的缺点: 故障诊断困难 故障隔离困难 中继器配置 站点必须是智能的 采用总线拓扑的最常见的网络有10Base2以太网、10Base5以太网。

 星形拓扑 星形拓扑是由中央结点和通过点到点链路接到中央结点的各站点组成。如图所示。

 目前流行的PBX(专用交换机)就是星形拓扑的典型实例。

 应注意物理布局与内部工作逻辑结构的区别。有的网络在物理布局上是星形的,但在逻辑上仍是原来的内部控制结构。

 常见的物理布局采用星状拓扑的网络有10BaseT以太网,100BaseT以太网、令牌环网、ARCnet网、FDDI网络、CDDI网络、ATM网等。

 星形拓扑的优点: (1)配置方便 每个连接点只接一个设备 单个连接点的故障只影响一个设备,不会影响全网。

 集中控制和故障诊断容易 容易检测和隔离故障,可方便地将有故障的结点从系统中删除。

 简单的访问协议 星形拓扑的缺点: 电缆长度和安装 这种拓扑结构需要大量电缆,增加的费用相当可观。

 扩展困难 在初始安装时,可能要放置大量冗余的电缆,以配置更多的连接点。

 依赖于中央结点 中央结点产生故障,则全网不能工作。

 学习情景一:网络基础知识 任务2:TCP/IP协议 TCP/IP参考模型的发展 TCP/IP协议的起源: TCP/IP协议研究时,并没有提出参考模型; 1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型; 80年代Leiner、Clark等人对TCP/IP参考模型进一步的研究; TCP/IP协议一共出现了6个版本,后3个版本是版本4、版本5与版本6; 目前我们使用的是版本4,一般被称为IPv4; IPv6被称为下一代的IP协议。

  TCP/IP参考模型的发展 TCP/IP 协议的特点: 开放的协议标准,可以免费使用,并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。

 独立于特定的网络硬件,可以运行在局域网、广域网,更适用于互联网中。

 统一的网络地址分配方案,使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址。

 标准化的高层协议,可以提供多种可靠的用户服务。

 TCP/IP参考模型各层的功能

应用层 (application layer) 传输层 (transport layer) 互连层 (internet layer) 主机-网络层 (host-to-network layer) OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

1、OSI参考模型与TCP/IP参考模型的相同点: 它们都是层次结构的模型;其最低层都是面向通信子网的;它们都有运输层,且都是第一个提供端到端数据传输服务的层次,都能提供面向连接或无连接运输服务;其最高层都是向各种用户应用进程提供服务的应用层等。

  OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

2、OSI参考模型与TCP/IP参考模型的不同点: 两者所划分的层次数不同;TCP/IP中没有表示层和会话层;TCP/IP没有明确规定通信子网的协议,也不再区分通信子网中的物理层、数据链路层和网络层;TCP/IP中特别强调了互联网层,其中运行的IP协议是Internet的核心协议,且互联网层向上只提供无连接的服务,而不提供面向连接的服务等。

  课堂实践1: 任务布置: 列出三台计算机组网所需的设备,画出三台计算机组成的家庭网络拓扑图。

 任务步骤: 1、以小组为单位通过讨论的方式列出三台计算机组成计算机网路所需要的设备。

  2、以个人为单位描述一下你家里目前的网络状况,再以小组为单位讨论出三台计算机在你家里组成成网络的可能的拓扑结构图。

  总结评价 本节重点: 计算机网络的定义、发展及分类; TCP/IP参考模型 拓展知识: 通信的发展简史; TCP/IP协议族简介。

  通信的发展史 1、电报技术:1837年,莫尔斯人工电报诞生,这种设备简单,但效率低。1858年惠司登发明快速自动电报,提高了电路利用率。如今的电报设备已经发展到电子电传机汉字终端和智能终端。

 2、电话技术:1876年,美国科学家贝尔发明了电话。1878年,在美国电话机最早投入商用。1880年,美国很多城市架起了电话线,开设了长途电话。1878年,美国开通了20个用户的市内交换所。1970年,法国开通了程控数字电话交换机,具有体积小,速度快、容量大、可靠性高、便于开发新业务等优点。

 3、无线电通信技术:1927年,美国和英国之间开通了商用无线电话通信。1960年美国发射了“回声一号”卫星,利用人造天体进行通信。卫星通信具有容量大,通道利用率高,保密性好、通信质量高等优点。

 通信发展史 4、移动通信技术:在微电子技术和计算机技术的推动下,移动通信从一起简单的无线驯化和广播方式发展成为一个把有线、无线融为一体,固定、移动相互连通的全国规模甚至全世界范围的通信系统。公众移动电话网的发展大体分为三个阶段:第一代公众蜂窝式模拟移动通信,由于存在频率利用率低、保密性差、提高的业务少等缺点,已淘汰出局。第二代GSM和CDMA移动通信系统也正向第三代移动通信过渡。第三代的主要特点是,能全球无缝覆盖,全球漫游,并可提高各种宽带信息业务,具有多媒体功能,系统设备低价位,因为服务质量高。

 5、光纤通信:1960年美国休斯公司发明了世界上第一个红宝石激光器,揭开了人类进入光通信的序幕。1970年,美国康宁公司研制出低损耗光纤。光纤通信具有容量大,低成本,且不怕电磁干扰。1977年世界上第一个光纤通讯网络在芝加哥投入运行。长波长激光器和单模光纤的出现,使每芯光纤通话路数达到百万路,中继距离将达到100公里。

 TCP/IP参考模型各层的功能

主机-网络层: TCP/IP参考模型的最低层,负责通过网络发送和接收IP数据分组; 允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议,例如局域网的Ethernet、令牌网、分组交换网的X.25、帧中继、ATM协议等; 当一种物理网被用作传送IP数据包的通道时,就可以认为是这一层的内容; 充分体现出TCP/IP协议的兼容性与适应性,它也为TCP/IP的成功奠定了基础。

  TCP/IP参考模型各层的功能 互连层: 相当OSI参考模型网络层无连接网络服务; 处理互连的路由选择、流控与拥塞问题; IP协议是一种无连接的、提供“尽力而为”服务的网络层协议。

 ICMP协议是提供差错报告的协议 ARP&RARP协议是进行IP地址与MAC地址之间转换的协议 TCP/IP参考模型各层的功能 Internet Protocol(网间协议) IP协议为数据报方式工作的网络层协议。

 即:使用该协议互联的网络,网络设备不需为通信两点保存虚电路,而只是在收到数据时,才去选择一条到达目的站的路径。

  Internet Control Message Protocol(ICMP报文协议) 功能: 主机或路由器可以通过ICMP报告错误或提供有关意外情况。

 例如:路由变更/网络拥塞等 ICMP所处层次 3层 IP报头 | ICMP报文 ICMP应用:ping Address Resolution Protocol(ARP协议) IP地址的转换—ARP 如何实现: 硬件地址(网卡上集成的MAC地址)和逻辑地址(IP地址)的对应? ARP协议(地址解析协议) RFC0826 An Ethernet Address Resolution Protocol or Converting Network Protocol Addresses to 48.bit Ethernet Address for Transmission on Ethernet Hardware 通过广播发送ARP解析请求,获取目标主机的MAC地址。

  Reserved Address Resolution Protocol(RARP协议) RARP-反向地址解析协议 将MAC地址绑定到IP地址。

 发送数据的源设备(主机或者网络设备)知道自己的MAC地址,可是不知道自己的IP地址。

 源设备发送RARP请求:目的MAC为全1,源MAC为自己的MAC。

 网络上的RARP服务器接收到该请求,从映射表中查出该设备的IP地址,然后将该IP写入RARP响应分组返回。

  TCP/IP参考模型各层的功能

传输层: 主要功能是在互连网中源主机与目的主机的对等实体间建立用于会话的端-端连接; 传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议; 用户数据报协议UDP是一种不可靠的无连接协议。

  TCP/IP参考模型各层的功能

应用层: 网络终端协议Telnet 文件传输协议FTP 简单邮件传输协议SMTP 简单网络管理协议SNMP 超文本传输协议HTTP 课堂作业 一、必做题(20分钟) 利用所学知识和网络,总结Internet的功能。写成文档上交。

 二、选做题(30分钟) 利用所学知识和网络,探讨主机到主机的通信服务是如何实现的?怎样才能在一种会丢失或损坏数据的媒体上进行可靠的通信?如何避免网络拥塞?网络应用在哪些方面? TCP/UDP IP Ethernet 主机网络层 … Token ring ARP 互连层 传输层 FTP HTTP DNS STMP SNMP 应用层 POP3 TELNET … ICMP RARP TCP/IP体系结构 TCP/IP协议族简介 * 北京电子科技职业学院电子信息工程技术教研室 裴春梅 TCP/IP 参考模型与 OSI 参考模型的对应关系 *

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