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自考《计算机网络原理》串讲资料
自考《计算机网络原理》串讲资料
第1章计算机网络概述
1.1计算机网络的发展
1.1.1计算机网络的产生和发展
可以概括为面向终端的计算机网络、计算机一计算机网络、开放式标准化网络以及因特网广泛应用和高速网络技术发展等四个阶段。
1．面向终端的计算机网络
这类简单的“终端一通信线路一计算机”系统，构成了计算机网络的雏形。
这样的系统除了一台中心计算机外，其余的终端设备都没有自主处理的功能，还不能算计算机网络。
2．计算机一计算机网络
20世纪60年代中期，出现了由若干个计算机互连的系统，开创了“计算机一计算机”通信的时代，并呈现出多处理中心的特点。
60年代后期的ARPA网（ARPANET），标志着目前所称的计算机网络的兴起。
ARPANET的主要目标是借助于通信系统，使网内各计算机系统间能够共享资源。
3．开放式标准化网络
国际标准化组织ISO（InternationalStandardsOrganization）于1984年正式颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”（OpenSystemIrterconnectionRefereneeModel）的国际标准IS07498，简称OSI参考模型或OSI/RM。
OSI/RM由七层组成，所以也称OSI七层模型。
OSI/RM的提出，开创了一个具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络新时代。
4．因特网的广泛应用与高速网络技术的发展
20世纪90年代网络技术最富有挑战性的话题是Internet与高速通信网络技术、接入网、网络与信息安全技术。
高速网络技术发展表现在宽带综合业务数字网B--ISDN、异步传输模式ATM、高速局域网、交换局域网与虚拟网络。
更高性能的IntemetⅡ也正在发展之中。
1.1.2三大网络介绍
当前，在我国通信、计算机信息产业以及广播电视领域中，实际运行并具有影响的有三大网络：
即电信网络、广播电视网络以及计算机网络。
1.电信业务网
电信业务网是以电话网为基础逐步发展起来的。
整个网络虽有非对称用户环路（ADSL）和高速用户环路（VDSL）等方式，速率可从几Mbps到几十Mbps，但受到双绞线传输容量这一瓶颈的抑制，目前电话双绞线上网的主流速率为56Kbps，其物理极限为64Kbps。
电信业务网除了传统的电话交换网（PSTN）之外，还有数字数据网（DDN）、帧中继网（FR）和异步转移模式ATM网等。
Z．广播电视网
广播电视网主要是有线电视网（CATV），目前还是靠同轴电缆向用户传送电视节目，处于模拟水平阶段，但其网络技术设备先进，光缆为主干线，贯通各城镇。
3．计算机网
计算机网初期主要是局域网（LAN），广域网（WAN）是在Internet大规模发展后才进入平常家庭的，目前主要依赖于电信网，因此传输速率受到双绞线的限制。
CHINANET网是依托强大的CHINAPAC（分组交换网）、CHINADDN（数字数据网）和PSIN（电话交换网）等公用网，采用先进设备，而成为我国Internet的主干网。
“三网合一”是把现有的传统电信网、广播电视网和计算机网互相融合，逐渐形成一个统一的网络系统，由一个全数字化的网络设施来支持包括数据、话音和图像在内的所有业务的通信。
1.1.3未来网络发展趋势
高速网络技术发展主要表现在：
宽带综合业务数字网B--ISDN、异步传输模式ATM、高速局域网、交换局域网以及虚拟网络。
基于光纤通信技术的宽带城域网与宽带接入网技术已经成为当前研究、应用与产业发展的重点。
1．宽带网络
宽带网络可分为宽带骨干网和宽带接入网两个部分。
骨干网又称为核心交换网，它是基于光纤通信系统的，能实现大范围（如大型ATM交换机和交换路由器）。
电信业一般认为传输速率达2Gbps的骨干网称做宽带网。
2．全光网络
全光网（AllOpticalNetwork，AON）是以光节点取代现有网络的电节点，并用光纤将光节点互连成网，采用光波完成信号的传输、交换等功能，克服了现有网络在传输和交换时的瓶颈，减少信息传输的拥塞、延迟，提高网络的吞吐量。
全光网已被认为是未来通信网向宽带、大容量发展的优选方案。
3．多媒体网络
多媒体网络是指能够传输多媒体数据的通信网络。
多媒体网络需要满足多媒体信息传输所需的交互性和实时性的要求。
主要表现在：
高传输带宽要求、不同类型的数据对传输要求也不同、对多媒体传输有连续性与实时性的要求、对多媒体传输有同步的要求、具有多方参与通信的特点。
4．移动网络
其作用是在任何时间都能及时、准确地为任何地理位置的用户提供服务。
涉及的主要技术有：
蜂窝式数字分组数据通信平台；无线局域网；Adhoe网络；无线应用协议WAP。
5．下一代网络
是一个基于分组的核心网络（有别于先前的时分复用网络）。
1.2计算机网络的基本概念
1.2.1计算机网络的定义
所谓计算机网络，就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以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）实现网络中资源共享和信息传递的系统。
1.2.2计算机网络的组成
一个计算机网络是由资源子网和通信子网构成的。
资源子网负责信息处理，通信子网负责全网中的信息传递。
资源子网包括提供资源的主机HOST和请求资源的终端T（Terminal），它们都是信息传输的源节点或宿节点，有时也统称为端节点。
通信子网主要由网络节点和通信链路组成。
网络节点也称为转接节点或中间节点，它们的作用是控制信息的传输和在端节点之间转发信息。
1.2.3计算机网络的功能与应用
1．计算机网络的功能
计算机网络的实现为用户构造分布式的网络计算环境提供了基础。
它的功能主要表现在硬件资源共享、软件资源共享和用户间信息交换三个方面。
2．计算机网络的应用
办公自动化OA、远程教育、电子银行、证券及期货交易、校园网、企业网络、智能大厦和结构化综合布线系统。
1.3计算机网络的分类
1.3.1按拓扑类型分类
网络拓扑是指网络形状，或者是它在物理上的连通性。
网络的拓扑结构主要有：
星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、树形拓扑、混合形拓扑及网形拓扑。
拓扑结构的选择往往与传输介质的选择及介质访问控制方法的确定紧密相关．在选择网络拓扑结构时，应该考虑的主要因素有下列几点：
可靠性、费用、灵活性、响应时间和吞吐量。
网络拓扑可以根据通信子网中通信信道类型分为两类：
（1）点一点线路的通信子网的拓扑。
（2）广播信道通信子网的拓扑。
在采用点一点线路的通信子网中，每条物理线路连接一对节点。
采用点一点线路的通信子网的基本拓扑构型有4种：
星形、环形、树形、网状形。
在采用广播信道的通信子网中，一个公共的通信信道被多个网络节点共享。
采用广播信道通信子网的基本拓扑主要有4种：
总线形、树形、环形、无线通信与卫星通信型。
以下是几种典型网络拓扑的特点。
1．星形拓扑
星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成，中央节点往往是一个集线器，中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，而各个站点的通信处理负担都很小。
星形拓扑结构具有以下优点：
（1）控制简单；
（2）故障诊断和隔离容易；
（3）方便服务。
星形拓扑结构的缺点：
（1）电缆长度和安装工作量可观。
（2）中央节点的负担较重，形成“瓶颈”。
一且发生故障，则全网受影响，因而对中央节点的可靠性和冗余度方面的要求很高。
（3）各站点的分布处理能力较低。
星形拓扑结构广泛使用于网络的智能集中于中央节点的场合。
2．总线拓扑
总线拓扑结构采用一个广播信道作为传输介质，所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输介质上，该公共传输介质即称为总线。
总线拓扑结构的优点：
（1）总线结构所需要的电缆数量少；
（2）总线结构简单，又是无源工作，有较高的可靠性；
（3）易于扩充，增加或减少用户比较方便。
总线拓扑结构的缺点：
（1）总线的传输距离有限，通信范围受到限制。
（2）故障诊断和隔离较困难。
（3）分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能，大业务量降低了网络速度。
站点必须是智能的，要有介质访问控制功能，从而增加了站点的硬件和软件开销。
3．环形拓扑
环形拓扑网络由站点和连接站点的链路组成一个闭合环，链路可以是单向的，也可以是双向的。
数据以分组形式发送。
环形拓扑的优点：
（1）电缆长度短；
（2）可使用光纤；
（3）所有计算机都能公平地访问网络其它部分，网络性能稳定。
环形拓扑的缺点；
（1）节点的故障会引起全网故障；
（2）环节点的加入和撤出过程较复杂；
（3）环形拓扑结构的介质访问控制协议都采用令牌传递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对来说就比较低。
4．树形拓扑
树形拓扑可以看成是总线和星形拓扑的扩展，形状像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带子分支，树根接收各站点发送的数据，然后再用广播发送到全网。
树形拓扑的优点：
（1）易于扩展；
（2）故障隔离较容易；
树形拓扑的缺点是，各个节点对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。
从这一点来看，树形拓扑结构的可靠性有点类似于星形拓扑结构。
5．混合形拓扑
一种是星形拓扑和环形拓扑混合成的“星一环”拓扑，另一种是星形拓扑和总线拓扑混合成的“星一总”拓扑。
混合形拓扑的优点：
（1）故障诊断和隔离较为方便；
（2）易于扩展；
（3）安装方便。
混合形拓扑的缺点：
（1）需要选用带智能的集中器。
这是为了实现网络故障自动诊断和故障节点的隔离所必需的。
（2）像星形拓扑结构一样，集中器到各个站点的电缆安装长度会增加。
6．网形拓扑
这种结构在广域网中得到了广泛的应用，它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响。
由于节点之间有路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，从而绕过失效的部件或过忙的节点。
这种结构虽然比较复杂，成本也比较高，提供上述功能的网络协议也较复杂，但由于它的可靠性高，仍然受到用户的欢迎。
1.3.2按网络的交换方式分类
按交换方式分类，计算机网络可以分为电路交换网、报文交换网和分组交换网三种。
1.3.3按网络的覆盖范围分类
按地理分布范围来分类，计算机网络可以分为广域网、局域网和城域网三种。
1.3.4按网络传输技术分类
网络所采用的传输技术有两类：
广播方式和点对点方式。
因此，相应的计算机网络也可以分为两类：
广播式网络（BroadcastNetwork）和点对点式网络（Point—to—pointNetwork）。
在广播式网络中，所有联网计算机都共享一个公共信道。
在广播式网络中，发送的报文分组的目的地址可以有3类：
单播地址、多播地址和广播地址。
在点对点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。
采用分组存储转发和路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别之一。
1.4计算机网络的标准化
1.4.1国际标准化组织（ISO）
1.4.2其它标准化机构
（1）国际电信联盟（ITU）。
主要负责有关通信标准的研究和制定。
（2）美国国家标准局（NBS）。
NBS是美国商业部的一个部门，其研究范围较广，包括ISO和ITU的有关标准，研究目标是力争与国际标准一致。
（3）美国国家标准学会（ANSI）。
ANSI是由制造商、用户通信公司组成的非政府组织。
电子工业协会（EIA）是电子工业的商界协会，也是ANSI成员，主要涉及OSI的物理层标准的制定。
（4）欧洲计算机制造商协会（ECMA）。
ECMA由在欧洲经营的计算机厂商组成，包括某些美国公司的欧洲分部，专门致力于有关计算机技术标准的协同开发。
1.4.3Internet的组织机构
因特网体系结构局IAB（InternetArchitectureBoard）负责Internet策略和标准的最后仲裁。
IAB下设特别任务组（TaskForce），其中最著名的是因特网工程特别任务组（InternetEngineeringTaskForce，IETF）。
它为Internet工程和发展提供技术及其它支持。
第2章计算机网络体系结构
2.1网络的分层体系结构
2.1.1协议的要素
为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合就称为网络协议（Protocol）。
网络协议主要由下列三个要素组成：
（1）语义（Semantics）。
涉及用于协调与差错处理的控制信息。
（2）语法（Syntax）。
涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。
（3）定时（Timing）。
涉及速度匹配和排序等。
2.1.2分层体系结构
层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。
每一层不必知道下面一层是如何实现的，只要知道下层通过层间接口提供的服务是什么及本层向上层提供什么样的服务，就能独立地设计。
计算机网络各层次结构模型及其协议的集合，称为网络的体系结构（Architecture）。
层次结构的划分，一般要遵循以下原则：
（1）每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。
当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻层产生影响。
（2）层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。
（3）层数应适中。
若层数太少，则多种功能混杂在一层中，造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。
这样，有利于促进标准化。
世界上第一个网络体系结构是IBM公司于1974年提出的，命名为“系统网络体系结构SNA”。
2.20SI/RM开放系统互连参考模型
2.2.10SI/RM的结构
简而言之，OSI参考模型将网络划分为七层，OSI七层模型从下到上分别为物理层（PhysicalLayer，PH）、数据链路层（DataLinkLayer,DL）、网络层（NetworkLay-er，N）、传输层（也称运输层）（TransportLayer，T）、会话层（SessionLayer，S）、表示层（PresentationLayer，P）和应用层（ApplicationLayer，A）。
整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理介质连接构成。
层次结构模型中数据的实际传送过程：
发送进程发送给接收进程的数据，实际上是经过发送各层从上到下传递到物理介质；通过物理介质传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。
2.2.2面向连接服务与无连接服务
1．通信服务类型
通信服务可以分为两大类：
面向连接服务（Connection-orientedServices）和无连接服务（ConnectionlessServices）。
面向连接服务的特点是：
数据传输过程前必须经过建立连接、维护连接和释放连接的3个过程；在数据传输过程中，各分组不需要携带目的节点的地址。
面向连接数据传输的收发数据顺序不变，因此传输的可靠性好，但需通信开始前的连接开销，协议复杂，通信效率
不高。
无连接服务的特点是：
每个分组都要携带完整的目的节点的地址，各分组在通信子网中是独立传送的。
因此，无连接服务中的数据传输过程不需要经过建立连接、维护连接和释放连接的3个过程。
其可靠性不是很好，通信协议相对简单，效率较高。
2．确认和重传机制
面向连接服务与无连接服务对数据传输可靠性有影响，但网络数据传输可靠性一般通过确认和重传机制保证。
3．服务类型和服务质量
在网络的各个层次的设计中，可以在面向连接与确认服务、面向连接与不确认服务、无连接与确认服务、无连接与不确认服务这4种情况中，根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。
2.3TCP/IP参考模型
2.3.1TCP/IP简介
在诸多网络互连协议中，传输控制协议／互连网协议TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）是一个非常普遍的网络互连标准协议。
TCP/IP协议具有以下几个特点：
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。
2.3.2TCP/IP的体系结构
TCP/IP参考模型可以分为4个层次：
应用层、传输层、互连层、主机一网络层。
在互连层中，IP为互连网协议（InternetProtocol）、ICMP为互连网控制报文协议（InternetControlMessageProtocol）、ARP为地址转换协议（AddressResolutionProtocol）、RARP为反向地址转换协议（ReverseARP）。
互连层的功能主要由IP来提供。
在传输层中，TCP为传输控制协议、UDP为用户数据报协议（UserDatagramProtocol）。
这一层主要功能是负责应用进程之间的端一端通信，它与OSI参考模型的传输层功能是相似的。
TCP提供可靠的字节流信道，UDP提供不可靠的数据报传送信道。
在应用层中，SMTP为简单邮件传送协议（SimpleMailTransferProtocol）、DNS为域名服务（DomainNameService）、FTP为文件传输协议（FileTransferProtocol）、TELNET为远程终端访问协议。
2.40SI/RM与TCP/IP参考模型的比较
OSI和TCP/IP参考模型有很多共同之外，两者都以协议栈的概念为基础，而且两个模型中都采用了层次结构的概念。
首先，OSI模型有七层，而TCP/IP只有四层，它们都有网络层（或者称互连网层）、传输层和应用层，但其它的层并不相同。
其次，在于无连接的和面向连接的通信范围有所不同。
OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信，但是传输层上只支持面向连接的通信。
TCP/IP模型的网络层只有一种模式即无连接通信，但是在传输层上同时支持两种通信模式。
2.4.10Sl模型和协议的缺点
OSI模型中的会话层和表示层这两层几乎是空的，而另外的数据链路层和网络层包含内容太多，有很多的子层插入，每个子层都有不同的功能。
OSI模型以及相应的服务定义和协议都极其复杂，它们很难实现，有些功能，例如编址、流控制和差错控制，都会在每一层上重复出现，这必然会降低系统的效率。
2.4.2TCP/IP模型和协议的缺点
TCP/IP模型和协议也有自身的缺陷。
首先，该模型并没有清楚地区分哪些是规范、哪些是实现，TCP/IP参考模型没有很好地做到这一点，这使得在使用新技术来设计新网络的时候，TCP/IP模型的指导意义显得不大，而且TCP/IP模型不适合于其它非TCP/IP协议簇。
其次，TCP/IP模型的主机一网络层并不是常规意义上的一层，它是定义了网络层与数据链路层的接口。
接口和层的区别是非常重要的，而TCP/IP模型却没有将它们区分开来。
第3章物理层
物理层位于OSI参考模型的最底层，它的主要功能是实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。
它直接面向实际承担数据的物理介质（即通信信道）。
物理层的传输单位为比特，即一个二进制位（“0”或“1”）。
3.1物理层接口与协议
3.1.1物理层接口
ISO对OSI模型的物理层所作的定义为：
在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特流传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。
比特流传输可以采用异步传输，也可以采用同步传输完成。
3.1.2物理层的功能和提供的服务
1．机械特征
为了使不同厂家生产的DTE、DCE设备便于连接，物理层的机械特性对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及其排列方式、锁定装置形式作了详细的规定，其几何尺寸与DCE连接相配合，插针芯数和排列方式与DCE连接器成镜像对称。
2．电气特征
物理层的电气特征规定了导线的电气连接及有关电路的特性，DTE与DCE接口的各根导线（也称电路）的电气连接方式有非平衡方式、采用差动接收器的非平衡方式和平衡方式三种。
3．信号的功能特性
物理层的功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系。
4．规程特性
物理层的规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。
目前由ITU建议在物理层使用的规程有V系列标准，X系列标准，它们分别适用于各种不同的交换电路中。
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3.1.3物理层协议举例
1．RS-232C标准提供了一个利用公用电话网络作为传输介质，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。
RS-232C标准接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE之间的电话网络没有直接的关系。
RS-232C的电气特性规定逻辑“1”的电平为-15至-5伏，逻辑“O”的电平为+5至+15伏，也即RS-232C采用士15伏的负逻辑电平，±5伏之间为过度区域不作定义。
2．EIARS-449及RS-422与RS-423接口标准
1977年年底，EIA颁布了一个新标准RS-449，次年，这个接口标准的两个电气子标准：
RS-423（采用差动接收器的非平衡方式）和RS-422（平衡方式）也相继问世。
RS-449标准的电气特性有两个子标准，即平衡式的RS-422标准和非平衡式的RS-423标准。
RS-422电气标准是平衡方式标准，它的发送器、接收器分别采用平衡发送器和差动接收器，由于采用完全独立的双线平衡传输，抗串扰能力大大增强。
又由于信号电平定义为士6伏（士2伏为过渡区域）的负逻辑，性能远远优于RS--232C标准。
RS-423电气标准是非平衡标准，它采用单端发送器（即非平衡发送器）和差动接收器。
虽然发送器与RS-232C标准相同，但由于接收器采用差动方式，所以传输距离和速率仍比RS-232C有较大的提高eRS-423的信号电平定义为±6伏（其中±4伏为过度区域）的负逻辑。
3.100系列和200系列接口标准
ITUV.24建议中有关DTE--DCE之间的标准有100系列、200系列两种。
4．X．21和X．21bis建议
ITU对DTE--DCE的接口标准有V系列和X系列两大类建议。
3.2传输介质
传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线两大类。
双绞线、同轴电缆和光纤是常用的三种有线传输介质；无线电通信、微波通信、红外通信以及激光通信的信息载体都属于无线传输介质。
3.2.1双绞线
双绞线是最常用的传输介质。
双绞线芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。
既可以用于传输模拟信号也可以用于传输数字信号。
双绞线分为两种：
无屏蔽的和屏蔽的。
3.2.2同轴电缆
同轴电缆分为基带同轴电缆（阻抗50
）和宽带同轴电缆（阻抗75
）。
基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆两种，都用于直接传输数字信号；宽带同轴电缆用于频分多路复用的模拟信号传输，也可
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