10 网络编程知识.pptx

第1页：计算机网络原理与技术课程封面

计算机网络原理与技术

第2页：计算机网络原理与技术

考勤

点名3-5次，满分5分

平时作业

满分5分

一次测验

满分15分

编程作业

满分15分

期末考试

满分60分

• 成绩构成：

第3页：什么是计算机网络？

• 将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件实现资源共享的系统。
• 分布式计算机系统是在分布式计算机操作系统支持下，进行并行计算和分布式数据处理的计算机系统；各互联的计算机互相协调工作，共同完成一项任务。

第4页：区别与联系

• 分布式计算机系统与计算机网络系统在计算机硬件连接、系统拓扑结构和通信控制等方面基本一样，都具有通信和资源共享等功能。
• 计算机网络系统中的计算机是独立的，分布式计算机系统中的计算机是相互联系、协调、有分工的。
• 支持网络的是网络操作系统，支持分布式计算机系统的是分布式操作系统。

第5页：计算机的连接

• 网络中的计算机不论性能、价格上的差异，地位都是平等的。
• 任意两台计算机都要求能够连接起来。
• 直接连（两两相连）
• 连线数量
• 当n较大时，连线数量太多

第6页：计算机的连接

• 利用交换机连
• 计算机直接连在交换机上，任何两台计算机的连通，由交换机帮助完成 网络连接逻辑图

第7页：计算机的连接

交换机和连接线构成连接网（网络）通信设备，称为节点，用圆圈表示通信链路，物理链路作用：连接节点。由一条物理链路连接的两个节点称为相邻节点连接或表示网络中的计算机

第8页：计算机的连接

交换机和连接线构成连接网（网络） 节点 ：HOST，主机。构成资源子网通信子网

第9页：计算机网络在信息时代的作用

• 21世纪是信息时代（数字化、网络化、信息化）
• 信息时代以网络为物质基础
• 网络：电信网络，有线电视网络，计算机网络
• 电信网络传送语音
• 有线电视网络传送图象、语音
• 计算机网络传送数据
• 三网中发展最快、起核心作用的是计算机网络

第10页：计算机网络在信息时代的作用

• 生活、工作、学习、交往、娱乐离不开计算机网络
• 计算机网络作为工具，能发挥更大的作用

第11页：计算机网络的产生与发展

• 计算机网络的发展可分为四个阶段：
• 计算机技术与通信技术相结合，形成计算机网络的雏形；
• 在通信网络基础上，完成网络体系结构与协议研究，形成了计算机网络学科；
• 在解决计算机连网与网络互连标准化问题的背景下，提出开放式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；
• 计算机网络向互连、高速、智能化方向发展，并获得广泛应用

第12页：第一阶段：计算机网络的雏形阶段

第一阶段：计算机网络的雏形阶段（1）早期的计算机系统：一台主机+多台终端主机终端终端终端终端：用户输入输出接口主机：接收用户指令，运算，返回运算结果。主机带有存储器、打印机等附属设备。主机要负责运算和通信工作。和运算相比，通信工作效率极低，主机宝贵的CPU时间资源浪费极大。

第13页：第一阶段：计算机网络的雏形阶段（2）

一台主机+一台辅机+多台终端辅机终端终端终端主机辅机：低档计算机，专门用来处理终端与主机的通信问题。辅机负责收集和分发各个终端的数据，定期与主机通信，交换数据。对于网络的意义：出现了计算机与计算机之间的连接与通信。

第14页：第一阶段：计算机网络的雏形阶段（3）

世界上第一个正式的网络：美国的ARPAnet主机终端终端终端终端主机终端终端终端终端主机终端终端终端终端主机终端终端终端终端四个节点：相距上百甚至上千公里节点：这里表示一个独立的计算机系统，与网络中的节点概念不同。

第15页：第二阶段：计算机网络形成（1）

• 美国国防部1969年开始发展的ARPAnet：用于军事目的，主要是为了在战争的环境下，保持通信的畅通，但结果颇为丰富，ARPAnet可以发电子邮件（E-mail）、文件传输(FTP)、远程登录(Telnet)，成为了Internet的雏形。
• 保持通信畅通的基本要求：线路中断，通信不能中断。这是当时的电话网不能做到的。

第16页：第二阶段：计算机网络形成（2）

• ARPA网是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，它对发展计算机网络技术的贡献表现在以下几方面：
• 完成了对计算机网络的定义、分类；
• 提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念；
• 研究了报文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。个人观点：主要贡献是公开了这些研究成果

第17页：第二阶段：计算机网络形成（3）

• 各大计算机公司、研究机构开始研究网络技术，研制自己的计算机网络，如美国加利福尼亚大学劳伦斯原子能研究所的OCTOPUS网、法国信息与自动化研究所的CYCLADES网、国际气象监测网WWWN、欧洲情报网EIN等。信息共享是推动力。同时还出现了一些研究试验性网络、公共服务网络、校园网、网络协议等研究成果
• 特点：遍地开花，各自为政

第18页：第三阶段：开放式标准化网络

• 计算机网络发展的第三阶段是加速体系结构与协议国际标准化的研究与应用。
• 国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构，正式制订并颁布了“开放系统互连基本参考模型”(OSI/RM，Open System InterconnectionReference Model)。
• 二十世纪八十年代，ISO与CCITT等组织为该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。
• 首先应用在ARPAnet的TCP/IP协议经过不断地改进与规范化，目前广泛应用在Internet上，成为事实上的工业标准。

第19页：第四阶段：Internet时代

• 美国政府看到计算机网络巨大的应用前景，决定由军用转为民用，将ARPAnet技术转交给国家科学基金委员会。
• 美国国家科学基金委员会1986年开始建立基于TCP/IP协议的NSFnet：目的是发展实现信息共享的技术，民用，在科研与教育部门研究、应用，技术不保密，极大地推广了网络技术的发展。
• 90年代初，美国政府和美国国家科学基金委员会（NSF）把NSFnet转交给美国三家最大的电信公司，三家共同组建非赢利组织ANS，90年代在NSFnet基础上建立ANSnet：目的是把成熟技术实用化，网络技术走出象牙塔，走向社会各个领域。现有的Internet是各种网络与ANSnet互联形成的。
• 目前正在研制新一代Internet，特点是速度极大提高，IP地址由32位变成128位，地址空间几乎无限

第20页：计算机网络与本专业的关系

• 网络GIS的前导课程，GIS专业基础课
• 今后的信息系统都以网络为基础，信息必须上网，否则作用不大
• 摄影测量与遥感是获取信息的重要手段，是信息系统的重要组成部分
• 了解计算机网络知识，有助于拓展应用领域

第21页：因特网（互联网）概述

两个概念：单一网络，网际网1.单一网络：通信子网与计算机①通信子网：交换节点及其之间的连线组成，负责连通两台计算机。②计算机连接在各个交换节点上。 节点 ：HOST，主机。构成资源子网通信子网

第22页：因特网概述（2）

因特网概述2.网际网：通信子网与网络①通信子网：交换节点及其之间的连线组成，负责连通两个网络。②计算机连接在各个交换节点上。 节点NN通信子网因特网是最大的网际网，覆盖了全世界

第23页：因特网发展的三个阶段（1）

第一阶段：单个网络互联网 节点HH通信子网 节点NN通信子网

第24页：因特网发展的三个阶段（2）

第二阶段：三级结构H 节点NN通信子网主干网

第25页：因特网发展的三个阶段（2）

第二阶段：三级结构H 节点NN通信子网NHNH节点NN通信子网主干网地区网

第26页：因特网发展的三个阶段（2）

第二阶段：三级结构H 节点NN通信子网NHNH节点NN通信子网NHHN节点NH通信子网主干网地区网局域网

第27页：因特网发展的三个阶段（2）

第二阶段：三级结构 ASAS自治系统（AS）R内部网关协议（IGP）边界网关协议（BGP）核心主干网核心网关地区网地区网局域网

第28页：因特网发展的三个阶段（3）

• 多层次ISP结构的因特网
• 商业阶段，ISP向网络管理者购买IP地址资源，服从网络管理者管理；ISP向下一级ISP和用户出售IP地址资源，成为他的客户的管理者
• 超出了单一机构的控制范围，无法事先规划网络结构。

第29页：因特网的组成网络因特网的结构很复杂将

因特网的组成网络网络网络网络网络因特网的结构很复杂将其看作两部分：网络部分，计算机部分路由器虚拟互连网络（互联网）

第30页：因特网的组成

核心部分

网络中连接计算机的部分，为信息的提供者和获取者提供连接服务。

边缘部分

由所有计算机组成，它们是网络信息的提供者和获取者。

• 因特网由核心部分和边缘部分构成。

第31页：因特网的边缘部分

• 计算机是网络各部分的最终端
• 网络中的各种数据交换，都是计算机上的进程之间进行
• 计算机上的进程之间的通信：端—端通信
• 端—端通信方式：客户/服务器，对等方式

第32页：客户/服务器（C/S）

• 通信总是由客户端发起，而服务器端总是随时等待客户进程要求，响应并提供相应的进程服务
• 客户端提出网络服务要求
• 服务器端满足客户端网络服务要求
• 客户端：主动方，关机不影响网络服务
• 服务器端：被动方，时刻等待八方来求

第33页：对等（P2P）

• 两台主机进程地位相同，都可以成为服务的提供者和要求者
• 常见的共享目录的拷贝就是一种对等通信方式

第34页：因特网的核心部分

• 由交换节点和交换节点之间以及交换节点与主机之间的通信链路组成
• 起到为端与端之间连通与转发数据的作用
• 交换节点的任务：进行分组交换
• 交换节点的工作方式：存储转发
• 为了说明因特网的分组交换，先说明一般网络的电路交换和报文交换。

第35页：电路交换

• 类似于电话系统。传输数据前，在源主机和目的主机之间建立一条实际的物理通道，一直占用，直到数据传输完毕，释放它。中间节点源主机目的主机源节点目的节点
• 专用通道，数据交换速度快
• 建立通道需要较长时间；通道占用期间，其它通信不能使用该线路，线路利用率低。

第36页：报文交换

• 源主机将要传输数据（文件）组成一个报文，以报文为单位传输；节点采用“存储—转发”方式，即从上一个节点接受分组，存储起来，找机会发给下一个更接近目的节点的节点。源主机目的主机源节点目的节点中间节点
• 在报文存储期间，其它通信进程可以使用所有线路；在报文传输期间，其它通信进程可以使用除本段线路之外的所有线路。提高了线路利用率。
• 不同报文大小差异很大，给中间节点存储报文带来很大麻烦。

第37页：分组交换

• 源主机将要传输数据组成一个报文，将报文划分成大小不超过上限的分组，以分组为单位传输；节点采用“存储—转发”方式，即从上一个节点接受分组，存储起来，找机会发给下一个更接近目的节点的节点。源主机目的主机源节点目的节点中间节点
• 数据集装箱化。分组大小有上限，中间节点的存储可以放在内存中，大大缩短延迟时间，提高了速度
• 在能力低下的中间节点处容易形成拥塞
• 源主机需要分包，目的主机需要装配

第38页：计算机网络的类别

按照作用范围分

局域网，城域网，广域网

按照不同使用者分

公用网，专用网

第39页：计算机网络性能指标

数据传输率

每秒传输的比特数

带宽

网络的最大数据传输率，是体现网络性能的一个指标

吞吐量

单位时间通过网络的数据量

时延

数据从源端到目的端所需要的时间。包括发送、传播、处理、排队时延

时延带宽积

通道所能容纳的比特数

往返时间

从源目的源的时延

利用率

被利用的时间。信道利用率、网络利用率

第40页：计算机网络体系结构

• 前面介绍的都是粗粒度的网络知识，计算机网络如何完成数据传送，具体细节应从网络体系结构说起。
• 计算机网络的根本任务就是将信息从一台计算机正确地传输到另一台指定的计算机。
• 信息包含在数据中，实际传递的是一组数据。
• 所以，网络的基本任务就是将一组数据从一台计算机正确地传输到另一台指定的计算机。接收到的数据和发出的数据一模一样

第41页：计算机网络体系结构

• 任务艰巨，有许多问题：
• 发送数据的源主机如何找到接收数据的目的主机；
• 在网络中众多的交换节点中，选择哪些节点进行数据传输工作；
• 如何在这些交换节点之间进行数据传输；
• 如何保证数据传输过程中不出错；
• 将这些问题，从网络的角度，划分成若干个相对容易的子任务。完成了多个容易的子任务，艰巨任务完成。

第42页：计算机网络体系结构

• 子任务：在相邻通信设备间传输数据；如何确保数据传输正确；如何选路径；如何分组；数据传输出错如何处理；……
• 子任务如何组织，由谁来完成，先做什么、后做什么，……，也需要设计规定好。
• 计算机网络体系结构是对计算机网络系统功能的一种划分方法，划分成若干个子系统，每个子系统完成规定的子任务。

第43页：计算机网络体系结构

• 计算机网络体系结构是以分层的方式对计算机网络系统进行功能划分的，每个层次构成一个子系统。以子系统为单元进行建设。
• 网络体系结构：对网络系统层次的划分（分层模型），以及各层功能的精确定义。
• 网络系统中的各个子系统（层次）在实现自身功能的同时，与其它相关联子系统（层次）相互配合，共同实现网络系统功能。
• 各个子系统（层次）如何配合、有何规律？与现代邮政系统的信件传递，任务类似，机构也类似。
• 为了便于理解，先介绍现代邮政系统。

第44页：邮政系统

• 没有邮政系统的信件传输：鸿雁传书，捎口信。信件传递在古代很麻烦、很困难。
• 建立了现代邮政系统，信件传输问题十分简单：写地址，贴邮票，投信箱
• 简单来源于庞大现代邮政系统的支持

第45页：邮政系统

邮政系统分成了三个层次，每个层次的任务都很简单用户子系统邮政子系统运输子系统

第46页：邮政系统

• 每个层次只需要按照同层以及上下层之间的约定（协议）完成自己的工作
• 各种约定都是为了达到将信件从一个源点送到某一个目的点这个目标而设计的。
• 有了这些约定后，每个实体的工作变得简单了。

第47页：邮政系统的启示

• 信息交流是双方的事，必须在信息交流的两个实体之间建立必要的约定、规范（协议），以保证双方不产生歧义。完成信息的正确交流；
• 不同地方的系统分层划分必须一致，即符合相同的规范要求；
• 每个层次只与本地上下层、以及外地的同层存在信息交流，必须在这些实体之间建立通信协议；
• 同层交流是双向的，上下层之间的交流不是双向的；
• 下层为上层服务，下层为上层提供了服务接口，确定了规范要求；上层在服务接口处满足了下层的要求，才能得到下层的服务。

第48页：计算机网络系统

• 网络系统借鉴了邮政系统的思想，即：
• 将整个系统分层，每一层作为一个独立实体都有各自的功能
• 每一个层只与对方的同层以及本方的上下层打交道（通信）
• 相应地，在同层之间，以及上下层之间需要做相应的约定。

第49页：计算机网络体系结构

• 网络体系结构：对网络系统层次的划分（分层模型）（如何分、分几层），以及各层功能的精确定义（每一层干什么事）。
• 计算机网络系统是一个庞大、复杂的系统，将其划分成若干个相对简单的子系统，便于整个系统的实现。
• 两个远程计算机之间的通信是一个十分庞大复杂的任务，将其划分成若干个子任务，并由各个子系统来分别完成，有助于通信功能的实现。
• 各个子系统可以看作一个独立的实体，完成规定的子任务。

第50页：ISO/OSI参考模型通信子网资源子网

ISO/OSI参考模型通信子网资源子网资源子网

第51页：计算机网络协议（1）

• 计算机网络协议
• 两个远程计算机之间的通信需要通过许多中间实体的数据交换来完成。
• 两个独立实体之间要实现正确的通信，必须遵循统一的信息交换标准或规约（约定），这些标准或规约就是协议。
• 协议必须清晰，不会产生歧义。但任何协议都不能100%地保证信息的正确交流。

第52页：体系结构与网络协议

• 体系结构确定后，独立实体（子系统）就确定了，它们之间的相互关系就确定了。
• 相互关联的实体之间必须制定协议。
• 所有协议总和称为协议集。
• 根据协议集也可以确定体系结构，两者是紧密相关的。
• 体系结构加网络协议就是常说的层次模型。

第53页：体系结构与网络协议

• 为了便于信息交流，加入网络的所有计算机系统都应该采用相同的层次模型。
• 通信一方的任何实体，不仅要与本方的相关实体建立协议，还要与对方的同层次实体建立通信协议。

第54页：网络协议与体系结构

• 网络系统中同层次间、上下层次各个实体间所有的通信约定构成了网络协议。通信约定根据“水平”、“垂直”两个方向，分为两类。
• 其中, “水平”方向的通信约定称为“协议”，“垂直”方向的通信约定称为“服务”。
• 协议和服务都是通信约定，但他们又有所不同。

第55页：网络协议与体系结构

• 同层次的实体之间采用相同的协议，两个实体是对等的，之间的通信是双向的。
• 上下层次的实体是不对等的，他们之间的关系是下层为上层提供服务，上层向下层传输的是服务要求，下层向上层传输的是服务结果。

第56页：网络协议与体系结构

不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口传递信息。

第57页：网络协议与体系结构

• 服务(Service)这个术语在计算机网络中是一个非常重要的概念。
• 服务就是网络中各层向其相邻上层提供的一组操作，是相邻两层之间的界面。

第58页：网络协议与体系结构

• 分层设计方法将整个网络通信功能划分为垂直的层次集合。在通信过程中，下层向上层隐蔽其实现细节。
• 同一网络内的计算机必须采用相同的网络协议，通过网络进行信息交换的两台计算机必须具有相同的体系结构。

第59页：标准问题

• 各单位有自己的模型，按照自己的模型建立了网络。
• 模型不同的网络无法互连，模型必须标准化。
• 标准之争有巨大的商业利益。
• 结束标准之争：权威机构或超强者。
• 权威机构：ISO推出OSI网络体系结构。
• 超强者：ARPAnet推出TCP/IP网络体系结构。

第60页：ISO/OSI参考模型（1）

• OSI/RM模型是国际标准化组织(ISO)提出的开放式系统互连参考模型。OSI参考模型是研究如何把开放式系统(即为了与其他系统通信而相互开放的系统)连接起来的标准。
• OSI参考模型将计算机网络分为七层

第61页：ISO/OSI参考模型

ISO/OSI参考模型（2）通信子网资源子网资源子网

第62页：ISO/OSI参考模型（3）

• OSI模型详细地描述了一个计算机网络模型，用这个模型可以很好地讨论计算机网络。
• OSI模型太细、太复杂，执行效率低，不实用。
• OSI模型并未流行起来。

第63页：TCP/IP体系结构（1）

TCP/IP分层模型也被称为互连网分层模型或互连网参考模型，TCP/IP参考模型及其两个主要协议(TCP和IP)，就是为提高多个网络无缝连接能力而设计的。

第64页：TCP/IP体系结构（2）

TCP/IP模型的层次结构与OSI模型有所不同，它由网络接口层、互连网层、传输层和应用层组成。

第65页：TCP/IP体系结构（3）

• TCP/IP协议事先并没有描述模型，只是在对实际应用的协议进行总结、归纳后提出了一个模型。
• TCP/IP模型层次不分明，允许用户应用层直接调用底层，不符合分层精神。但效率高，实用。
• TCP/IP模型被广泛应用。
• TCP/IP协议从未宣称自己是标准，但成为事实上的国际标准。

第66页：具有5层协议的体系结构（1）

具有5层协议的体系结构（1）

第67页：具有5层协议的体系结构（2）

• 应用层----网络与用户的界面
• 接受用户需要传输的数据和数据向哪里传的指令；
• 按照用户的要求，对用户数据进行处理，如加密、解密；压缩、解压缩；
• 按照网络信息传输本身的要求对数据进行处理，如数据格式转换等；
• 向用户反馈信息。
• 用户的要求是多方面的，应用层是由系统中的一些专门针对某种要求的应用模块构成。
• 应用层完成数据处理后，将指令和经过处理的数据交给传输层，由传输层将数据交给指令明确的用户手中。

第68页：具有5层协议的体系结构（3）

• 网络的用户不是指人，而是指进程。是进程在利用网络发送和接收数据。
• 传输层(Transmission Layer)的主要功能是完成网络中不同主机上的用户进程之间的数据传输。
• 每一个利用网络发送和接收数据的进程，都必须首先占据一个计算机端口。因此，网络上不同进程之间的数据传输，又可以看成是网络上两个不同端口之间的数据传输。不同进程之间的通信又称为端到端的通信。
• 传输层是利用网络层为其提供的主机到主机（点到点）的数据传输服务，来完成应用层所要求的进程到进程的数据传输。
• 传输层的具体工作包括：报文划分成报文分组或将报文分组组合成报文；进行传输错误的检错、纠错工作。

第69页：具有5层协议的体系结构（4）

• 网络层(Network Layer)的主要功能是完成网络中源节点传输到目的节点间的数据包（报文分组）传输。
• 网络层利用了数据链路层在两个相邻节点（一根通信线连接的两个节点）之间传输数据帧的服务，将每个报文分组从源主机传输到目的主机。
• 网络层的另一个功能是为源节点和目的节点之间选择最佳的路由通道。
• 如果在通信子网中某些节点处同时出现过多的报文分组，通信子网的这一部分可能拥塞，必须加以避免。网络层通过最佳路径选择，避开负担过重的节点，使整个网络的流量达到平衡。

第70页：具有5层协议的体系结构（5）

• 数据链路层(Datalink Layer)的主要功能是如何确保在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。
• 为了保证数据传输的可靠性，发送方把数据包封装成数据帧(Frame)，利用物理层在相邻节点之间传输数据帧。
• 发送方为每个数据块计算出CRC (Cyclic Redun-dancy Check，循环冗余检验)检错码并加入帧中，这样，接收方就可以通过重新计算CRC来判断数据接收的正确与否。

第71页：具有5层协议的体系结构（6）

• 数据链路层传下来的帧在物理层中表现为0，1码组成的比特流（流动的比特字符串）
• 物理层的主要功能是完成相邻节点之间原始比特流的传输。
• 物理层通过将比特符号变成适合于传输线路传输的信号形式，通过传输线路将信号传送到相邻节点。
• 物理层协议关心的典型问题是：
• 使用什么样的物理信号来表示数据“0”和“1”，以脉冲电信号为例，“0”或“1”分别用多大的电压表示，每个脉冲持续的时间有多长；
• 数据传输是否可同时在两个方向上进行；
• 最初的连接如何建立和完成通信后连接如何终止；
• 物理接口(插头和插座)是什么形状，有多少针以及各针的功能。

第72页：各层中的数据流应用层传输层网络层数据链路

各层中的数据流应用层传输层网络层数据链路层物理层应用进程A主机A主机B应用层传输层网络层数据链路层物理层物理传输介质应用进程B数据数据报文比特序列帧首部（对方提取数据所需要的信息）帧首帧尾