大学计算机基础 —— 系统工具与环境 （理工科用）

1. 大学计算机基础—— 系统工具与环境 （理工科用） 赵 欢 肖德贵 李丽娟 洪跃山 编著

2. 第一部分 计算科学概论 第4章 计算机网络 大学计算机基础 ——系统工具与环境（理工科用）

3. 本章内容提要 4.1 计算机网络概述 4.2 网络分类 4.3 网络服务模型 4.4 计算机网络体系结构 4.5 网络互连和Internet 4.6 小结 大学计算机基础——系统工具与环境

4. 4.1 计算机网络概述 • 4.1.2 计算机网络定义 • 广义的观点、用户透明性的观点、资源共享的观点 • 计算机网络就是利用通信设备和线路将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机连接起来，按照功能完善的网络软件，即网络通信协议、信息交换方式和网络操作系统等，进行数据通信，以实现网络中资源共享和信息传递的系统。 • 计算机网络是自治计算机的互联集合。自治计算机这一概念排除了网络系统中主从关系的可能性，而互联既包括物理的连接又包括协议的实现，连接可以通过铜线、光纤、微波和通信卫星等。 大学计算机基础——系统工具与环境

5. 4.1 计算机网络概述 • 4.1.1 计算机网络起源 • 联机系统阶段。数据传输方式为“终端—电话线—计算机”，集线器 • 网络互联阶段。完成了对计算机网络的定义、分类，提出了资源子网和通信子网的概念，研究了分组交换的数据交换方法，采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。 大学计算机基础——系统工具与环境

6. 4.1 计算机网络概述 • 4.1.1 计算机网络起源 • 标准化网络阶段。提出了开放系统互连/参考模型与协议，促进了符合国际标准的计算机网络技术的发展。国际标准化组织于1977年成立了专门的机构来研究该问题，在1984年正式颁布了“开放系统互连参考模型”（OSI/RM）的国际标准，产生了第三代计算机网络。 • 网络互联与高速网络。进入20世纪90年代，计算机网络发展的特点是Internet的广泛应用与ATM技术的迅速发展。目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成为人类最重要的、最大的知识宝库。 大学计算机基础——系统工具与环境

7. 4.2 网络分类 • 可以基于网络的内部设计的所有权将计算机网络分为开放网络和封闭网络，开放网络的所有权是在公共领域，而封闭网络（也称私有网络）的所有权在一个单独的实体之内，如某个公司。典型的分类方式是按距离分和按网络功能分 大学计算机基础——系统工具与环境

8. 4.2 网络分类 4.2.1 按距离分类 大学计算机基础——系统工具与环境

9. 4.2 网络分类 • 4.2.1 按距离分类 • 1．局域网-LAN • 局域网是为计算机资源（硬件、软件和数据）共享而设计的，可以简单地把局域网定义为通过传输介质连接起来的计算机及其外设的组合 • 局域网使用的典型拓扑结构有：总线型、环型和星型 总线型 环型 星型 大学计算机基础——系统工具与环境

10. 4.2 网络分类 • 4.2.1 按距离分类 • 2．城域网-MAN • 城域网基本上是一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术。 • MAN通常使用公用通信公司提供的服务，并向个人用户或组织提供服务 大学计算机基础——系统工具与环境

11. 4.2 网络分类 • 4.2.1 按距离分类 • 3．广域网 • 广域网是一种跨度越大（国家、洲）的网络，包含想要运行用户程序的机器的集合。 • 主机（host），有时也称端点系统（end system）。主机通过通信子网（或简称子网）连接。子网由公用通信公司提供和运营 • 当个人使用电话线接入互联网服务供应商（ISP）时实际上使用了广域网。 大学计算机基础——系统工具与环境

12. 4.2 网络分类 • 4.2.2 按网络功能分类 • 电路交换（Circuit Switching） • 经过建立连接、通信、释放连接步骤的交换方式称为电路交换。 • 电路交换方式的主要优点是信息传输延迟小，主要缺点是电路建立时间长、线路利用率低。 • 报文交换（Message Switching） • 存储转发（Store and Forward）的思想。基本原理是用户之间进行数据传输，主叫用户不需要先建立呼叫，而先进入本地交换机存储器，等到连接该交换机的中继线空闲时，再根据确定的路由转发到目的交换机。 • 线路利用率提高。缺点是若报文较长，则需要较大容量的存储器，若将报文放到外存储器中，则会造成响应时间过长，增加了网络延迟时间 大学计算机基础——系统工具与环境

13. 4.2 网络分类 电路交换： 网络中的两个结点之间在进行信息交互时，要建立一条专用的通信线路，并且在数据传输过程中始终占用这条线路。典型实例：公共电话网（PSTN）。步骤： • 建立线路：建立端到端的物理连接。 • 数据传输：独占线路，全双工连接。 • 拆除线路：一方断开即可。 大学计算机基础——系统工具与环境 13

14. 4.2 网络分类 报文交换： 不需要建立物理连接，采用一种存储转发机制，当发送方发送数据时，将目的方地址附加在报文上连同数据一同发送，报文通过网络，在逐个结点之间传送，每到一个结点，接收整个报文暂存起来，然后发送到下一个节点，一直到达目的方结点。这种报文交换方式也称为“存储转发技术”。 大学计算机基础——系统工具与环境 14

15. 4.2 网络分类 • 4.2.2 按网络功能分类 • 分组交换（Packet Switching） • 采用存储转发技术，把来自用户的信息暂存于存储装置中，并划分为多个一定长度的分组，每个分组前边都加上固定格式的分组标记，用于指明该分组的发端地址、收端地址及分组序号等，然后根据地址转发分组。 • 分组在各交换节点之间一个分组一个分组地转发。大大压缩节点所需的存储容量，缩短网络时延，提高了传输的可靠性。缺点会产生时延，携带控制信息会增加开销，需要专门的管理和控制机制。 • 混合交换 • 混合交换是在一个数据网中同时采用电路交换和分组交换。 大学计算机基础——系统工具与环境

16. H1 H2 1 2 D A C D B A B D A C C A D B 5 B C C B 4 3 4.2 网络分类 分组交换： 把大的报文分割成若干个小块，然后为每个小块数据加上有关地址信息以及分组信息，组成一个小的数据包（分组，包）。分组大小固定，通常是几十到几百字节。这些分组以类似于流水线的方式在网络中经过缓冲、转发而到达目的地。 优点： • 减少了数据传送的延迟时间。由于分组交换，分组信息可以同时向不同的后继结点转发，减少了结点延迟时间。 • 实现了多用户平等地共享网络线路，提高了线路利用率。 • 每个结点上的缓冲容量可以减小。 大学计算机基础——系统工具与环境 16

17. 4.3 网络服务模型 • 网络服务模型用来规定信息和资源的共享方式 • 4.3.1 终端网络模型 • 处理能力集中在一个大型计算机上，通常称为主机。连接在主机上的终端节点能力可以不强。 • 优点之一是对技术人员、软件、数据等控制的相对集中。 • 缺点：对终端用户缺乏控制且灵活性不强；没有充分发挥终端计算机可以提供的运算能力。 • 曾经十分流行。 大学计算机基础——系统工具与环境

18. 4.3 网络服务模型 • 4.3.2 C/S模型 • 客户机/服务器模型，使用一台计算机（称为服务器）来协调和提供服务给网络中的其他节点（称为客户机） • C/S系统广泛运用于Internet上。例如，Internet提供的WWW服务、FTP、Email等等。 • 优点是：可以十分高效地运用于大型网络，有强大的网络管理软件监控网络活动。 • 主要缺点是：安装和维护系统的费用较高。 大学计算机基础——系统工具与环境

19. 4.3 网络服务模型 • 4.3.3 P2P模型 • 对等网络模型中，每个节点既是客户机也是服务器。 • P2P重要特点是改变互联网现在的以大网站为中心的状态、重返“非中心化”，并把权力交还给用户。从“计算机网络是自治计算机的互联集合”看，P2P最符合互联网络设计者的初衷。 • P2P已统治了当今的Internet。使用P2P技术的软件比比皆是，如BitTorrent、eMule、OPENEXT、APIA、eDonkey、Gnutella、Kazaa，即时通信软件QQ、MSN等。 大学计算机基础——系统工具与环境

20. 4.4 计算机网络体系结构 网络协议：在计算机网络中，要实现计算机之间的通信，双方必须遵循相同的规则、标准或约定，即网络协议。 网络协议采用分层结构。将网络的通信功能划分为若干个独立的功能模块，每个模块完成一个相应的功能，通过功能模块之间的连接，最终完成网络的通信过程。 大学计算机基础——系统工具与环境

21. 层 应用协议 7 应用 应用 表示协议 表示 表示 6 会话协议 5 会话 会话 传输协议 传输 传输 4 通信子网边界 内部子网协议 3 网络 网络 网络 网络 2 数据链路 数据链路 数据链路 数据链路 物理 物理 物理 物理 1 路由器 路由器 主机 1 主机 2 网络层主机-路由器协议 数据链路层主机-路由器协议 物理层主机-路由器协议 接口 图4.8 OSI/RM体系结构图 4.4 计算机网络体系结构 • 4.4.1 ISO/OSI • 是一个定义异构计算机连接标准的框架结构。OSI为面向分布式应用的“开放”系统提供了基础。“开放”是指任何两个系统只要遵守参考模型和有关标准，都能实现互连。 1978年 大学计算机基础——系统工具与环境

22. 层 OSI TCP/IP 7 应用 应用 6 表示 5 会话 4 传输 传输 3 网络 网络 2 数据链路 网络接口 1 物理 在模型中不存在 图4.8 OSI/RM体系结构图 4.4 计算机网络体系结构 • 4.4.2 TCP/IP • TCP/IP参考模型是计算机网络的先祖ARPANET和其后继的Internet使用的参考模型。 TCP/IP与OSI模型对比 TCP/IP的体系结构 大学计算机基础——系统工具与环境

23. 4.4 计算机网络体系结构 • TCP/IP协议各层实现的具体功能和作用： • 网络接口层（Network Interface Layer）：让数据可以在不同类型的物理网络上传输。 • 网络层（Network Layer）：网络层的主要功能是负责将数据包由源地址送到目的地址（但不检查是否被正确接收）。 • 传输层（Transport Layer）：传输层的主要功能是建立、提供端到端的通信连接，亦即一个应用程序到另一个应用程序的通信连接。而且对数据包进行管理与校核，保证数据包的正确性。 • 应用层（Application Layer）：应用层根据不同用户的各种需求，向用户提供所需的网络应用程序服务，比如电子邮件、文件传输访问、远程登录等。 大学计算机基础——系统工具与环境 23

24. 1 3 4 1 3 4 网桥 中继器 2 2 4.5 网络互连和Internet • 典型的网络连接设备有4类：中继器、网桥、路由器和网关，其中前两类主要用于同种网络的互连，后两类主要用于不同种网络的互连 • 中继器（Repeater）是物理层的互连设备，又叫转发器，用于连接具有相同物理层协议的局域网，是局域网互连的最简单的设备。 • 网桥（Bridge）是数据链路层互连设备。 大学计算机基础——系统工具与环境

25. 4.4 计算机网络体系结构 网桥： 当局域网上的用户日益增多，工作站数量日益增加时，局域网上的信息量也将随着增加，可能会引起局域网性能的下降。在这种情况下，必须将网络进行分段，以减少每段网络上的用户量和信息量。将网络进行分段的设备就是网桥。 网桥是一个通信控制器，可以根据信号的目的地址来允许或阻止信号的通过：如果目的地址和发送端位于同一个网段中，则网桥不会让该信号送到别的段， 这样可以允许多对机器在同一时间进行通信。对于允许通过的信号，网桥也可以像中继器一样对信号进行再生。 大学计算机基础——系统工具与环境 25

26. 接口 交换机 至各主机 4.5 网络互连和Internet • 交换机（Switch）是一个复杂的有多重接口的网桥，它可以为接入交换机的任意两个网络节点（如主机）提供独享的电信号通路。 大学计算机基础——系统工具与环境

27. 集线器 路由器 路由器 广域网 电话线 路由器 4.5 网络互连和Internet • 路由器（Router）是网络层互连设备，可以连接两个独立的网络：局域网和城域网、局域网和广域网、广域网和广域网等，以形成互连网络。 • 网关（Gateway）或应用网关是实现网络层以上互连的设备的统称，它充当协议转换器的设备，通常是安装了必要软件的计算机，允许两个网络互连并通信，其中每个网络可以使用不同的协议。 大学计算机基础——系统工具与环境

28. 4.5 网络互连和Internet • 4.5.1 Internet概述 • Internet，即国际互联网，源于1973年启动的由美国国防部的高级研究计划署资助的一个研究项目（ARPANET） • Internet是以美国国家科学基金会的主干网NSFnet为基础的全球最大的计算机因特网。 • Internet可以看作是相互连接的自治系统的集合，每个自治系统称为一个域，一个域组成一个网络或者一个相对较小的互联网。域通过路由器的方式连入Internet，该路由器通常被称作网关。 • 个人用户，若属于某一组织，可以借助于其组织构建的域访问Internet；也可以通过接入到ISP建立的域来访问Internet 大学计算机基础——系统工具与环境

29. 4.5 网络互连和Internet • 4.5.2 IP地址 • Internet上计算机或路由器的每个网络接口（一般来说，一台计算机有一个接口，而一台路由器有多个接口）都有一个由授权机构分配的号码，称为IP地址。 • IP地址能够唯一地确定Internet上的每个网络接口。由32位二进制数组成的地址称为IPv4地址。 • 32位二进制数分成4段，每段包含8位二进制数。为了便于应用，将每段都转换为十进制数，段与段之间用“.”号隔开，称为点分十进制（Dotted Decimal Notation），如202.197.96.18。 Internet是一个庞大的网络，在这样的网络上进行信息交换的基本要求是网上的每一台计算机、路由器等都要有一个唯一可标识的地址，就像日常生活中朋友间通信必须写明通信地址一样。 在Internet上为每台主机指定的地址称为IP地址。在Internet网中，IP地址是唯一的。 大学计算机基础——系统工具与环境

30. 4.5 网络互连和Internet • 4.5.2 IP地址 • IP地址结构 • IP地址编码方案 Internet体系结构委员会规定IP地址分为A，B，C，D，E等5类，分别对应于不同类型的网络，如下图所示： 大学计算机基础——系统工具与环境 30

31. 4.5 网络互连和Internet 大学计算机基础——系统工具与环境

32. 4.5 网络互连和Internet • A类地址：第一个字节为网络号，高端第1位为0，后三个字节为主机号，用于大型网络，主机数可达224台； • B类地址：前二个字节为网络编号，高端前二位为10，后二个字节为主机号，用于中型网络，主机数可达216台； • C类地址：前三个字节为网络编号，高端前三位为110，最后一个字节为主机号，用于较小型网络，主机数可达28台； • D类地址：高端前四位为1110，后面是广播地址，用于多点传送； • E类地址：高端为前五位为11110，用于实验开发和研究。 大学计算机基础——系统工具与环境 32

33. 4.5 网络互连和Internet 十进制数IP地址的分类： 给定的IP地址是属于哪一类可以通过其第一个字段的十进制值来区分。若为0～127，则该IP地址为A类地址； 若为128～191，则该IP地址为B类地址； 若为192～223，则该IP地址为C类地址； 若为224～239，则该IP地址为D类地址； 若为240～254，则该IP地址为E类地址； 例：湖南大学的E-mail服务器地址为：202.197.96.5 大学计算机基础——系统工具与环境 33

34. 4.5 网络互连和Internet • 4.5.2 IP地址 • 下一代网际协议 • IPv4已经不能满足时代的要求，最主要的问题就是32位的IP地址不够用。 • 怎么办？临时解决——网络地址转换（NAT）；最终解决——下一代网际协议IPv6 • IPv6的特点 • IPv6地址长度为128位，地址空间增大了296倍。 • 灵活的IP报文头部格式，加快了报文处理速度。 • IPv6简化了报文头部格式，加快报文转发，提高了吞吐量。 • 提高安全性。身份认证和隐私权是IPv6的关键特性。 • 支持更多的服务类型。 • 允许协议继续演变，增加新的功能，使之适应未来技术的发展。 大学计算机基础——系统工具与环境

35. 4.5 网络互连和Internet • 4.5.2 Internet提供的服务 • 域名系统 • IP地址很难记忆，为了使用和记忆方便，Internet还采用了域名管理系统（DNS） • 域名系统采用层次结构。结构由若干个分量组成，顶级域名放在最右面，各分量之间用“.”隔开：……三级域名.二级域名.顶级域名。常见顶级域名包括国家顶级域名，如.cn表示中国，.us表示美国等；通用顶级域名，如.com，.net，.org，.edu等 • 域名只是个逻辑概念，并不反映出计算机所在的地理位置 • 域名方便人类记忆，网络世界使用IP地址，域名到IP地址的转换由域名服务器完成 大学计算机基础——系统工具与环境 35

36. 4.5 网络互连和Internet • 4.5.2 Internet提供的服务 • WWW（World Wide Web）的中文名为万维网，简称为Web，是Internet技术发展中的一个重要里程碑，也有人将它称为3W或WWW。正是3W使得Internet这一“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家” • WWW服务 • 超文本与超媒体 • WWW的工作方式 • URL与信息定位 • 主页 • Web浏览器 • 搜索引擎 大学计算机基础——系统工具与环境

37. 客户程序 服务器程序 服务器 客户机 4.5 网络互连和Internet WWW采用客户端/服务器工作模式 。 • 当用户需要使用某一信息或资源时，在浏览器中输入所需信息的地址回车，浏览器向Web服务器发送一个请求。 • Web服务器收到请求后，在指定位置查找该信息，发送给Web浏览器。 • Web浏览器将接收到的信息或资源进行相应处理。 大学计算机基础——系统工具与环境 37

38. 网页(Web Page) 主页(Home Page) 4.5 网络互连和Internet • 主页:一个WWW站点通常包含多个网页文件（Web页面），其中主页（home page）是访问其它网页的入口。 • 超链接:超链接(Hyperlink)是指网页与网页之间的链接。 • 超文本:超文本(Hyper Text)是一种非线性文本。与一般的文本(Text) 的差别是，一般文本是线性的，有先后顺序，而超文本是非线性的，通过超链接(hyperlink)实现超文本信息片段之间的非线性关联。是WWW采用的一种资源组织方式。 大学计算机基础——系统工具与环境 38

39. 4.5 网络互连和Internet HTML:HTML (Hyper Text Markup Language，超文本标记语言)是一种专门用于Web页制作的编程语言。 超媒体:早期的网页以文本为主，现在加入了图形、图像、声音、动画或影视片断等各种多媒体元素。所有的文本以及多媒体元素都是通过超链接组织到一起，这样的一种资源组织方式称为超媒体（Hyper Media）。超媒体 = 超文本 + 多媒体 大学计算机基础——系统工具与环境 39

40. 4.5 网络互连和Internet URL:URL（Uniform Resource Locator，统一资源定位器）指的是Internet上信息资源的地址。Internet上每一个文件都要有一个唯一的地址。 • URL的格式由下列三部分组成： • 1. 协议名； • 2. 主机名（可以是IP地址，有时包括端口号）； • 3. 主机资源的具体地址，是带路径的文件名。 • 第一部分和第二部分之间用“：//”符号隔开，第二部分和第三部分用“/”符号隔开。第二部分是不可缺少的，第一部分和第三部分有时可以省略。 大学计算机基础——系统工具与环境 40

41. 4.5 网络互连和Internet • 例：http://www.hunu.edu.cn/hnu/huda.html • 协议名称用来定义所要查找资源的类型。 大学计算机基础——系统工具与环境 41

42. 4.5 网络互连和Internet • 4.5.2 Internet提供的服务 • 电子邮件服务 • 电子邮件是一种非实时的服务，基于C/S结构。电子邮件包括邮件头与邮件体 • 用户使用电子邮件服务需要邮件服务器上得账号和密码 • 文件传输服务 • 又称FTP服务，实现Internet上的计算机相互可靠传送文件。FTP服务是一种实时的联机服务，采用C/S工作模式 • 用户使用FTP服务需要账号（有匿名账号）和密码 • 远程登录服务 • 又称为Telnet服务，是指用户使用Telnet命令，使自己的计算机暂时成为远程计算机的一个仿真终端的过程。典型的C/S工作模式 • 使用Telnet功能，需要：Telnet应用软件；远程计算机上有的账户和密码 • 其他服务 大学计算机基础——系统工具与环境

43. 4.6 小结 本章介绍计算机网络的基本知识。主要内容包括： (1)计算机网络概念及其发展历程； (2)计算机网络的分类方法； (3) 计算机网络服务模型及常用的终端网络模型、C/S模型、P2P网络模型； (4)计算机网络的体系结构及ISO/OSI和TCP/IP； (5)网络互连与Internet。 大学计算机基础——系统工具与环境