计算机网络前三章.docx
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计算机网络前三章
1.1计算机网络概述
21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。
网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。
网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。
1.1.1计算机网络的基本概念是什么？
标准定义：
计算机网络是利用通信线路和通信设备，把布在不同地理位置的具有独立功能的多台计算机连起来，按照网络协议进行数据通信，利用功能完善网络软件实现资源共享的计算机系统的集合。
1.1.2计算机网络的基本功能
1、数据通信
2、资源共享（软硬件共享,信息共享）
3、负荷均衡与分布处理
4、系统的安全性与可靠性
1.1.3计算机网络的基本应用
世界上最大的计算机网络是Internet。
1、在教育、科研中的应用
2、在办公中的应用
3、在商业上的应用
4、在通信、娱乐上的应用
1.2计算机网络的产生与发展
真正意义上的计算机网络的出现是在20世纪60年代，是美苏冷战时期的产物。
有人将计算机演变过程分为四个阶段：
1、面向终端的网络2、通信网络
3、计算机互联网络4、高速互联网络
1.2.1面向终端的计算机网络
第一代计算机网络产生于20世纪50年代初，又叫联机系统。
1.2.2计算机通信网络
20世纪60年代中期出现了多个主机互联的系统。
以共享资源为目的，可以实现计算机之间的互相通
信，称为计算机通信网络。
（第二代计算机网络）
1.2.3计算机互联网
1.2.4高速互联网
20世纪90年代，美国宣布建立国家信息基础设施（NII），许多国家纷纷效仿，使计算机的发展进入了崭新的阶段——高速互联网阶段（第四代）。
特点：
网络的高速化和业务的综合化。
网络高速化是指网络宽频带和传输低时延。
业务的综合化是指网络中的媒体有多种，包括文本、语音、视频和图像等。
第二种说法：
是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。
60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA（AdvancedResearchProjectAgency）提出要研制一种生存性（survivability）很强的网络。
传统的电路交换（circuitswitching）的电信网有一个缺点：
正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。
新型网络的基本特点
网络用于计算机之间的数据传送，而不是仅仅为了打电话。
网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。
计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。
网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。
电话机互相连通
5部电话机两两相连，需10对电线。
N部电话机两两相连，需N（N–1）/2对电线。
当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。
使用交换机
当电话机的数量增多时，就要使用交换
机来完成全网的交换任务。
“交换”的含义
在这里，“交换”（switching）的含义是：
转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。
从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
电路交换的特点
电路交换必定是面向连接的。
电路交换的三个阶段：
建立连接
通信
释放连接
电路交换的缺点：
计算机数据具有突发性。
通信线路的利用率很低。
分组交换
分组：
是指把与发送的整个数据块（报文）分成几个更小的等长数据段，每一段就是一个分组。
分组交换采用存储转发技术，在传输数据时不用先建立连接。
因特网
因特网的基础结构大体上经历了三个阶段
第一阶段：
从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。
第二阶段：
三级结构的因特网。
主干网、地区网和校园网。
第三阶段：
现在的多级结构网络。
1.3计算机网络的基本组成
网络的组成:
硬件：
数据处理、传输数据和建立通信信道。
软件：
控制网络进行数据通信。
具体来说计算机网络有四大要素组成：
计算机系统：
收集、处理和存储数据资源
通信线路和通信设备：
数据的发出、传送、接收和转发
网络协议：
通信双方共同遵守的规则
网络软件：
控制和管理网络工作的软件
1.4计算机网络的拓扑结构
网络拓扑结构：
计算机网络节点和通信链路所组成的几何形状
常用的网络拓扑结构有：
总线型结构、环形结构、星型结构、树形结构、网状结构和混合型结构。
1.5计算机网络的分类
角度不同，计算机网络被分成的种类也不同
1、按照网络覆盖的地理范围
广域网、局域网和城域网
广域网：
覆盖范围通常是几十到几千公里。
局域网：
范围在1km左右
城域网：
范围约为5~50km
接入网：
可满足用户对高速上网的需求，又叫本地接入网或居民接入网。
2、按照所使用的传输技术
广播式网络和点对点网络
广播式网络：
网络中就用一条通信信道，所有节点共同使用这条信道。
点对点网络：
有许多相互连接的节点构成，在每对机器之间都有专用的通信信道，因此不存在新的共享复用的情况。
3、按照网络的交换功能
电路交换；
报文交换；
分组交换；
混合交换；
分组交换:
在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
4、按照网络的使用者分类:
公用网和专用网
1.6有线传输与无限传输
通信线路：
数据通信系统中发送装置和接收装置之间的物理路径。
通常将通信线路分为有线和无线两类。
有线传输介质：
双绞线、同轴电缆和光纤。
无线传输介质：
地球的空间和外层空间。
有线传输媒介
双绞线：
屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）
无屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）
同轴电缆：
50殴W同轴电缆
75殴W同轴电缆
光缆
第二讲计算机网络体系结构与协议
网络中不同的计算机进行通信，要遵守一定的约定，这些约定是计算机网络协议。
网络协议依赖于网络体系结构，由硬、软件协同工作以实现计算机之间的通信。
协议和协议分层是网络体系结构的基础。
一、概述
2.1.1计算机网络体系结构
计算机网络的体系结构（architecture）是计算机网络的各层及其协议的集合。
体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
实现（implementation）是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。
体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。
资源共享的实现依赖于通信子网的数据通信功能，通信子网能否满足资源子网的要求，使资源可以在不同类型的计算机系统中共享？
网络体系结构常采用层次化结构定义计算机网络的协议、功能和提供的服务。
2.1.2计算机网络协议
组成要素：
语法数据与控制信息的结构或格式。
语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
时序事件实现顺序的详细说明。
2.1.3协议分层
划分层次的必要性：
相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。
“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
层次结构：
把一个复杂的系统设计问题分成多个层次分明的局部问题，并规定每一层次所必须完成的功能。
计算机1向计算机2通过网络发送文件。
可以将要做的工作进行如下的划分。
第一类工作与传送文件直接有关。
确信对方已做好接收和存储文件的准备。
双方协调好一致的文件格式。
两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。
剩下的工作由下面的模块负责。
分层的好处
各层之间是独立的。
灵活性好。
结构上可分割开。
易于实现和维护。
能促进标准化工作。
2.1.4网络服务
网络协议使两个同等实体间的通信使得本层能够向他相邻的上一层提供支持，以便完成自己的功能。
这种支持就是服务。
定义：
彼此相邻的两层间下层为上层提供通信能力或操作而屏蔽其细节的过程。
1.服务原语
定义：
在同一系统中，相邻的两层实体间进行信息交互时，交互的信息叫服务原语。
服务原语：
请求：
用以使上层能向下层请求服务
指示：
用以使下层能向上层提示状态
响应：
用以使上层能响应先前的指示原语
证实：
用以使下层能报告先前的请求是否成功
服务：
有证实服务：
包含请求、指示、响应和证实四个服务原语
无证实服务：
包含请求和指示两个服务原语
2、服务形式
面向连接的服务和无连接的服务。
连接：
两个对等实体为进行通信所设定的逻辑通路。
面向连接服务（connection-oriented）（虚电路）：
连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。
无连接服务（connectionless）：
两个实体间的通信不需要先建立好连接。
OSI参考模型
OSI参考模型描述
为了实现不同厂家的产品可以互连,OSI提出了OSI参考模型。
服务：
描述每一层的功能
接口：
定义了某层提供的服务如何被高层访问
协议：
每一层功能的实现方法
1、物理层透明地传送原始的比特流。
单位：
bit（比特）
2、数据链路层在两个相邻结点间的线路上无差错地传送数据；单位：
帧
3、网络层选择合适的路由，使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站的运输层；单位：
分组或包
4、运输层据通信子网的特性最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为源站和目的站主机的进程间建立一条运输连接，以透明地传送报文；单位：
报文
5、会话层负责通讯双方在正式开始传输前的沟通，建立传输时所遵循的规则，使传输更顺畅、高效。
6、表示层负责内码转换、压缩与解压缩、加密与解密。
7、应用层最高层，确定进程间通信的性质以满足用户的需要。
主机网络层（网络接口层）：
将数据包送到电缆上，该层的协议定义了主机如何连到网络，管理物理介质。
网络互连层（IP层）：
数据报方式的信息传送，该层主要设计分组路由和拥塞控制
传输层：
提供端到端的通信功能。
该层有两个协议传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP
应用层：
包含所有高层协议，为用户提供各种服务，包括了应用程序本身
实体、协议、服务和服务访问点
实体（entity）表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）。
应用层的客户-服务器方式
在TCP/IP的应用层协议使用的是客户-服务器方式。
计算机的进程（process）就是运行着的计算机程序。
为解决具体应用问题而彼此通信的进程称为“应用进程”。
应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。
客户和服务器
客户（client）和服务器（server）都是指通信中所涉及的两个应用进程。
客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
客户软件的特点
在进行通信时临时成为客户，但它也可在本地进行其他的计算。
被用户调用并在用户计算机上运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信。
可与多个服务器进行通信。
不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
服务器软件的特点
专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
在共享计算机上运行。
当系统启动时即自动调用并一直不断地运行着。
被动等待并接受来自多个客户的通信请求。
一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
局域网协议举例
NetBEUI协议
NetBIOS扩展用户接口，适用于单网段部门级的小型局域网，不具有跨网段工作的功能。
IPS/SPX协议适合于大型网络使用，可以连接多个网段，
Microsoft公司使用的网络协议
NetBEUI
NWLink
协议栈
协议与绑定
第3章物理层
物理层的基本概念
物理层与传输媒体的接口的一些特性
机械特性：
接口所用接线器的形状和尺寸等
电气特性：
在接口电缆的各条线上出现的电压范围
功能特性：
某条线上出现某一电平的电压表示何意
规程特性：
不同功能的各种事件出现的顺序
有关信道的几个概念
信道：
通信双方传输信息的通道。
通信双方信息交互的方式有三种：
单向通信
双向交替通信
双向同时通信
信道的最高码元传输速率：
码元
二进制码元与N进制码元：
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率
信号传输的距离
奈氏（Nyquist）准则
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
W是理想低通信道的带宽，单位为赫（Hz）。
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。
另一种形式的奈氏准则
理想带通特性信道的最高码元传输速率=WBaud
W是理想带通信道的带宽，单位为赫（Hz）
每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元。
码元速率和信息速率
波特（Baud）和比特（bit）是两个不同的概念。
波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。
码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。
比特是信息量的单位。
一个带宽为3K的理想的低通信道，其最高码元传输速率为多少？
假设一个码元携带3bit的信息量，则最高信息传输速率为多少？
信道的极限信息传输速率
香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
信道的极限信息传输速率C可表达为
C=Wlog2（1+S/N）b/s
W为信道的带宽（以Hz为单位）；
S为信道内所传信号的平均功率；
N为信道内部的高斯噪声功率。
数据通信方式
并行传输与串行传输
将待传送的每个字符的二进制代码由低位到高位的顺序依次发送，这种工作方式叫串行传输。
将表示一个字符的N位二进制代码通过N条并行的通信信道同时发送过去，每次发送一个字符代码，这种工作方式叫并行通信。
2.异步传输和同步传输
数据通信的基本要求：
接收方要知道他所接收的每一位的开始时间和持续时间。
异步传输：
同步传输：
异步传输方式
工作原理：
每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。
异步传输的特点：
（1）每个字符代码前后的起始和停止位标识字符的开始和结束。
（2）起始和停止位兼作线路两端的同步时钟，不再需要额外的时钟同步。
（3）字符之间间隔任意。
速率较低，适合于对误码率要求不高及对数据速率要求低的线路。
同步传输
对一组字符组成的数据块进行同步。
字符同步：
在数据块前面加特殊模式的位组合或同步字符（SYN），并通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。
为了保证数据的正确传输，字符传输方式还要在每一位上进行位同步，位同步又分为两种：
内同步和外同步。
内同步指某些编码技术内含时钟信号；
外同步指由通信线路设备提供同步时钟信号。
同步传输方式特点：
同步传输方式由字符同步和位同步共同构成。
开销小、效率高，适合以较高速率传输数据。
整个数据块一旦有一位错传，就必须重传整个数据块的内容。
3、基带传输与频带传输
基带传输：
计算机信息的数字传输
频带传输：
计算机信息的模拟传输
计算机中二进制比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号，矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带，矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带
3.2.6数据交换技术
常用的数据交换方式：
电路交换方式和存储交换方式
1.电路交换
电路交换的三个阶段：
建立连接、通信、释放连接
优缺点：
电路建立的延迟较大
线路利用率较低
传输实时性、透明性好
2.存储交换（存储转发）
可分为报文交换和分组交换
报文交换：
过程：
发送方将要传送的数据分成多个报文，在报文上附加发、收端的地址和控制信息，形成新的报文，然后以新的报文为单位在网络中传输。
每个报文包含三个部分：
报头、报文征文和报尾。
与电路交换相比：
线路利用率高；
不需要同时启动发送器和接收器来传输数据，可以先存储后发送和接收；
延迟增加可把一份报文发往多个目的地；
分组交换（报文分组交换）
交换原理
在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
每一个数据段前面添加上首部构成分组。
每一个分组的首部都含有地址等控制信息。
分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。
接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。
这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。
特点：
规定了分组的长度；
降低了对网络节点存储容量的要求；
可以利用节点设备的主存储器进行存储转发，处理速度加快，降低了延迟；
分组较短，分组下一节点和线路的响应时间较短，
提高了传输速率，同时出错的概率变小；
接收端需要对分组进行重装。
3.2.7数据通信的主要性能指标
数据通信的性能主要从数据传输的有效性和可靠性去衡量。
有效性：
带宽和时延（传输延迟）
可靠性：
误码率
1.带宽
组成信号的各种不同频率成分所占据的频率范围（信号带宽）。
信号带宽=组成信号的最高频率-最低频率。
信道带宽：
某个信道允许传输的信号的有效频率范围。
信道带宽=最大有效频率-最小有效限频率。
宽带：
是单位时间的数据吞吐量
数据率：
数字信道传送数字信号的速率（比特率）单位时间内传送的比特数。
当通信信道传送数字信号时，习惯将带宽作为数字信道的数据率的同义语，因此网络带宽的单位是比特每秒bps；
注意：
此时，1kbps=1000bps；
更常用的带宽单位是
千比每秒，即kb/s（103b/s）
兆比每秒，即Mb/s（106b/s）
吉比每秒，即Gb/s（109b/s）
太比每秒，即Tb/s（1012b/s）
请注意：
在计算机界，K=210=1024
M=220,G=230,T=240。
在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。
时延：
一个报文或分组从一个网络的一端发到另一端所需要的时间。
发送时延（传输时延）：
发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
信道带宽：
数据在信道上的发送速率。
常称为数据在信道上的传输速率。
发送时延=数据块长度（比特）/信道带宽（比特/秒）
传播时延：
电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
传播时延=信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）
处理时延：
交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。
处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
有时可用排队时延作为处理时延。
数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：
总时延=发送时延+传播时延+处理时延
假定一个长度为100M的数据块，在带宽是1Mb/s的信道上传输，若让其与1000m出的计算机使用光纤进行通信（电磁波在光纤中的传输速率约为200000Km/s），处理时延忽略不记，总的传输时延约是多少？
往返时延RTT（Round-TripTime）表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
2.误码率
二进制码元在传输过程中被传错的概率。
误码率=被传错的码元数/传输的二进制码元数。
3.2.8模拟传输与数字传输
长途干线最初采用频分复用FDM的传输方式FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）。
目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。
调制解调器
数据经过模拟传输系统后会出现差错。
调制解调器的作用：
调制解调器（modem）包括：
调制器（MOdulator）：
把要发送的数字信号转换为频率范围在300~3400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。
解调器（DEModulator）：
把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。
一种正交调制QAM（QuadratureAmplitudeModulation）
可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。
由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。
若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。
3.2.9数字传输系统
现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM（PulseCodeModulation）体制。
时分复用
为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM信号用时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。
中国采用欧洲体制，以E1为一次群。
美国和日本等国采用北美体制，以T1为一次群。
3.2.10信道复用技术
频分复用、时分复用和统计时分复用
频分复用：
所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用：
所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
码分复用CDMA
常用的名词是码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。
码片序列（chipsequence）
每个站被指派一个惟一的mbit码片序列。
如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。
如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。
例如，S站的8bit码片序列是00011011。
发送比特1时，就发送序列00011011，
发送比特0时，就发送序列11100100。
CDMA的重要特点
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交（orthogonal）。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
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