第 8 章通信与网络

第8章通信与网络

学习目的 • 掌握计算机网络的基本概念及功能 • 了解网络体系结构模型 • 掌握分组交换的工作原理 • 掌握TCP和IP协议的基本功能 • 了解网络计算的各种模型及对信息系统的影响

本讲内容 • 计算机网络概述 • 网络体系结构 • TCP/IP协议 • 网络计算

计算机网络概述 • 计算机网络的产生 • 1969年12月，Internet的前身--美国的ARPA网投入运行，它标志着我们常称的计算机网络的产生。 • 这个计算机互联的网络系统是一种分组交换网。 • 分组交换技术使计算机网络的概念、结构和网络设计方面与传统的电信网络相比都发生了根本性的变化，它为后来的计算机网络打下了基础。

计算机网络概述 • 计算机网络的概念 • 计算机网络是利用通信设备和通信介质将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机系统连接起来，按照某种协议进行数据通信，以实现信息传递和资源共享的系统。 • 具有独立功能的计算机是指能单独运行的计算机，即必须具有CPU、内存和I/O部件（即主板）。 • 协议是通信双方事先约定好的控制通信的一组规则。 • 网络中可共享的资源包括硬件、软件和数据资源。

计算机网络概述 • 计算机网络的分类 • 按物理跨距范围分 • 局域网LAN（Local Area Network） • 城域网MAN（Metropolitan Area Network） • 广域网WAN（Wide Area Network） • 按网络传输技术分 • 广播式网络：所有联网计算机都共享一个公共通信信道 • 点对点式网络：每条物理线路连结一对计算机

计算机网络概述 • 网络通信介质 • 有线介质 • 同轴电缆：用电流信号传递数据（现在基本不使用） • 双绞线：用电流信号传递数据（用于局域网） • 光纤：用光波信号传递数据（用于远距离高速通信） • 无线介质 • 用电磁波信号传递数据（使用灵活、方便，用途广）

计算机网络概述 • 计算机网络的功能 • 数据通信 • 资源共享 • 增加可靠性 • 提高系统处理能力

网络体系结构 • OSI/RM参考模型 • 国际标准化组织ISO发布了网络互连的七层框架，即开放系统互连(OSI，Open System Interconnection)参考模型。 • 开放系统是指允许任意两个具有不同基本体系结构的系统进行通信的一套协议集。 • OSI模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包含的可能的服务。

网络体系结构 • OSI/RM参考模型

网络体系结构 • OSI模型各层主要功能

网络体系结构 • TCP/IP模型 • TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internetworking Protocol) 模型不仅被广域网的鼻祖ARPANET所使用，也是目前Internet所使用的协议。 • TCP/IP实际上是一个协议族，模型中的每一层都有许多协议，TCP和IP只是其中的两个主要的协议。 • TCP/IP模型中，IP协议是核心。

网络体系结构 • TCP/IP模型与OSI模型的对关系

网络体系结构 IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上 Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务 • TCP/IP模型 … … 应用层 HTTP SMTP DNS RTP TCP UDP 传输层网际层 IP 网络接口层 … 网络接口3 网络接口2 网络接口1

TCP/IP协议 • 分组交换的工作原理 • 传统的电信网（电话网）采用电路交换技术 • 电路交换就是计算机终端之间通信时，一方发起呼叫，当交换机完成接续，对方收到发起端的信号，双方即可进行通信。 • 在整个通信过程中双方一直占用该电路。 • 它的特点是实时性强，时延小，交换设备成本较低。 • 但同时也带来线路利用率低，电路接续时间长，通信效率低等缺点。

TCP/IP协议 • 分组交换的工作原理 • 分组交换技术 • 分组交换是一种存储－转发技术。把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。 • 要传输的报文被分割为许多较小的分组(packet)。 • 每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。 • 分组交换比电路交换的电路利用率高。

TCP/IP协议 • 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 • 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包） • 依次把各分组发送到接收端 • 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文报文 11010011101 • • • • • • • • 00101001110 发送端数据数据数据分组分组分组发送在前发送数据数据数据分组交换工作原理首部首部首部发送发送数据首部数据首部数据首部接收端 11010011101 • • • • • • • • 00101001110

TCP/IP协议 查找路由表查找路由表查找路由表目的地下一跳路由器目的地下一跳路由器目的地下一跳路由器 • 分组交换的工作原理路由器 A 网络网络路由器网络路由器网络网络路由器路由器网络路由器网络 B 这就是基于存储转发的分组交换

TCP/IP协议 • 分组交换的工作原理 H4 H2 注意分组路径的变化！ D 结点交换机 B 主机 H6 H1 E H2 向 H6发送分组 A H1 向 H5发送分组 H5 C 分组交换网 H3

TCP/IP协议 • 分组交换的优缺点 • 优点 • 高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 • 灵活：以分组为传送单位和查找路由。 • 迅速：不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。 • 可靠：完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。

TCP/IP协议 • 分组交换的优缺点 • 缺点 • 分组在各节点路由器存储转发时需要排队，这就会造成一定的延迟。 • 每个分组必须携带的头部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

TCP/IP协议 当部分结点或链路被摧毁时分组交换仍可保持网络畅通 • IP网络的结构可靠性 IP 网络路由器

TCP/IP协议 • IP网络的特点 • 每一个分组独立选择路由。 • 发往同一个目的地的分组，后发送的有可能先收到（即可能不按顺序接收）。 • 当网络中的通信量过大时，路由器就来不及处理分组，于是要丢弃一些分组。 • 因此， IP 网络不保证分组的可靠地交付。 • IP 网络提供的服务被称为：尽最大努力服务(best effort service)

TCP/IP协议 带有 TCP 协议的计算机向用户程序提供可靠交付 TCP 协议分组交换的因特网不保证可靠交付丢弃丢弃丢弃 TCP/IP网络的可靠性 TCP TCP

TCP/IP协议 • IP地址 • IP 地址就是给每个连接在网络上的主机（或路由器）分配一个在整个网络范围内惟一的逻辑标识符。 • 目前全球广泛应用的IP协议是4.0版本，即IPv4。 • IPv4 协议规定：IP 地址是 32 位二进制数字，通常采用“点分十进制”记法。 • IP地址的结构分两部分，即网络号和主机号。

TCP/IP协议 • IP地址 • IP 地址分为A到E五类，其中A、B、C类称为基本类，用于主机地址，D类用于组播，E类保留不用。

TCP/IP协议 • IP地址 • IP地址实际上是一个网络接口的地址，有些设备有多个网络接口，如路由器，那它就会有多个IP地址。一台计算机也可以有多块网卡，每块网卡都会有一个IP地址。 • 在IP地址中，有一些是特殊的地址，不用于标识一台设备。

TCP/IP协议 • IP地址 • 公网地址(全球地址) ——全球惟一的IP地址，必须向因特网的管理机构申请。 • 保留地址/私有地址(Private Address) ——仅在机构内部使用的 IP 地址，可以由本机构自行分配。

TCP/IP协议 • IP地址 • 保留地址只能用于一个机构的内部通信，而不能用于和因特网上的主机通信。 • 在因特网中的所有路由器对目的地址是保留地址的数据包一律不进行转发。 • 保留地址通过网络地址转换NAT后可与外网通信。

TCP/IP协议 • TCP协议 • IP协议只管将分组传送到目的主机，无论传输正确与否，不做验证，不发确认，也不保证分组的到达顺序。 • 这些问题就由传输层的TCP协议来解决。 • TCP协议为应用层提供了可靠的、无差错的通信服务。 • 当数据包到达目的地址后，TCP检查数据包在传输过程中是否有错误，如果接收方发现有损坏的数据包，就要求发送端重新发送被损坏的数据包，确认无误后再将数据包重新组合成完整的报文。

TCP/IP协议 • 常见网络设备防火墙交换机无线宽带路由器路由器

网络计算 • 集中式计算模型 • 所有处理都在主机上进行，用户终端仅仅是一个输入/输出接口设备，没有任何处理和存储能力。 • 集中存储、集中计算。 • 起始成本高，扩展性较差。 • 可靠，高效，安全，管理成本低。

网络计算 • 文件服务器模式（分散式） • 八、九十年代的信息系统通常是基于FoxBase、Foxpro或Access等桌面数据库的，数据以文件的形式存放于文件服务器中，供客户机共享访问。 • 文件服务器模式只适用小规模的局域网，对于用户多、数据量大的情况就会产生网络瓶颈。

网络计算 • 客户/服务器模式（C/S模式） • 客户向服务器发出服务请求，服务器响应客户的请求，提供客户所需要的网络服务。

网络计算 • 客户/服务器模式（C/S模式） • 主要优点 • 实现了异构平台之间的资源共享 • 可充分利用服务器的高性能 • 网络流量小

网络计算 • 客户/服务器模式（C/S模式） • 对于每一套信息系统，客户端都要安装相应的客户端软件，这种客户端称为胖客户端。 • C/S 模式的缺点 • 系统移植困难 • 对客户端资源要求较高、应用的伸缩性较差 • 用户界面风格不一，使用繁杂 • 客户端维护困难 • C/S两层结构的这些缺点完全无法适应互联网应用高用户量、高安全性、客户端零管理的要求。

网络计算 • 浏览器/服务器模式（B/S模式）应用层数据层表现层

网络计算 • 浏览器/服务器模式（B/S模式） • 浏览器/服务器模式即B/S(Browser/Server)结构 • 由于B/S三层结构模型的各层次都有较强的独立性，因此在系统软、硬件环境发生变化时，比二层C/S模型有更强的适应能力。 • 与C/S模式相比具体更好的数据库安全性。 • 客户端不需要安装专用的软件，只需要一个浏览器就可以访问许多应用系统。这种客户端称为瘦客户端。 • 可以实现客户端零管理。

网络计算 • 浏览器/服务器模式（B/S模式） • 应用服务器返回给客户端的是整个页面，不仅包含内容本身，还包含大量的显示格式信息。 • 不论是两层C/S结构还是三层B/S结构，在海量信息的组织、访问等方面都不同程度地存在着如单点服务瓶颈、无法抵抗DoS攻击等问题。

网络计算 • P2P计算模式 • P2P是一个非中央化的体系结构，在网络中并没有客户或者服务器的状态区分。 • 各节点是逻辑对等的，节点间可直接进行数据通信而不需要通过中间的服务器。 • 每个节点都为网络提供了一些资源，当越来越多的节点加入网络时，网络的性能将会增强。（与B/S不同） • 人人为我，我为人人

网络计算 非中心化负载均衡可扩展性 P2P 隐私保护健壮性高性价比 • P2P技术特点

网络计算 • P2P系统的应用分类 Napster、Gnutella、eDonkey Emule、Maze、BT 文件内容共享和下载 PPStream、PPLive、 QQLive SETI@home Avaki Popular Power 基于P2P技术的网络电视计算能力和存储共享 P2P系统 P2P通讯与信息共享基于P2P技术的系统与服务共享平台 Skype、Crowds JXJA、Magi、Groove 即时通讯工具 ICQ、QQ、 Yahoo Messenger、 MSN Messenger

网络计算 GPRS/ EDGE/ TDMA Base Station Wireless Backbone and Gateways • codec converter • bandwidth manager • store & forward • playback • 整合的语音和数据 • video postcards • 通话时图片 • 上传/下载 Multimedia & Messaging Server IP Network UMTS/ CDMA2000 Base Station Content Bluetooth Cable, xDSL, V90 10/100-BaseT Radio Hub Location Services Wi-Fi Wireless PAN Wireless LAN • 移动通信技术

网络计算 • 普适计算（ UC/PvC 计算） • 普适计算技术是与虚拟现实技术相反的概念。 • VR会将用户置于计算机制造的虚拟世界中。 • UC/PvC中，计算机融入环境中，计算技术虽然看不见但无所不在。 • 任何人(Anybody)在任何地点(Anywhere)、任何时间(Anytime)可以使用任何设备(Anydevice)访问任何信息资源(Anything)。 • 实现产品和服务的可定位性，如LBS。

网络计算 • 普适计算的主要研究内容

网络计算 • 普适计算应用实例——物流

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