计算机网络自学要点.docx
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计算机网络自学要点
第一学时：
计算机网络体系结构
（一）计算机网络概述
1．计算机网络的概念、组成与功能
计算机网络：
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连接起来，以功能完善的网络软件实现网络的硬件、软件及资源共享和信息传递的系统。
简单的说即连接两台或多台计算机进行通信的系统。
计算机网络的组成（结构）
计算机网络：
资源子网＋通信子网
资源子网：
主机Host＋终端Terminal，负责数据处理
通信子网：
通信控制处理机（CCP）+通信线路，负责数据通信处理
CCP在网络拓扑结构中称为网络节点。
2．计算机网络的分类：
1.按网络的分布范围分类:
广域网WAN、局域网LAN、城域网MAN
2.按网络的交换方式分类:
电路交换、报文交换、分组交换
3.按网络的拓扑结构分类:
星形、总线、环形、树形、网形
4.按网络的传输媒体分类:
双绞线、同轴电缆、光纤、无线
5.按网络的信道分类:
窄带、宽带
6.按网络的用途分类:
教育、科研、商业、企业
4．计算机网络的标准化工作及相关组织
在制定计算机网络标准方面，起着重大作用的两大国际组织是：
国际电报与电话咨询委员会（CCITT），与国际标准化组织（ISO），虽然它们工作领域不同，但随着科学技术的发展，通信与信息处理之间的界限开始变得比较模糊，这也成了CCITT和ISO共同关心的领域。
1983年，ISO发布了著名的ISO/IEC7498标准，它定义了网络互联的7层框架，也就是开放式系统互连参考模型。
InternationalTelegraphandTelephoneConsultativeCommittee（CCITT）
CCITT改名为ITU-T,ITU的一个分支。
制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段
因特网草案（InternetDraft）——在这个阶段还不是RFC文档。
建议标准（ProposedStandard）——从这个阶段开始就成为RFC文档。
草案标准（DraftStandard）。
因特网标准（InternetStandard）。
RequestForComments（RFC），是一系列以编号排定的文件。
文件收集了有关因特网相关资讯，以及UNIX和因特网社群的软件文件。
目前RFC文件是由InternetSociety（ISOC）所赞助发行。
TheInternetEngineeringTaskForce（IETF）developsandpromotesInternetstandards,cooperatingcloselywiththeW3CandISO/IECstandardbodiesanddealinginparticularwithstandardsoftheTCP/IPandInternetprotocolsuite.
互联网工程工作小组（InternetEngineeringTaskForce，IETF）负责互联网标准的开发和推动。
IETF由InternetArchitectureBoard（IAB）监督，IAB向互联网协会（InternetSociety，ISOC）负责。
（二）计算机网络体系结构与参考模型
1．计算机网络分层结构：
所谓网络的体系结构（Architecture）就是计算机网络各层次及其协议的集合。
层次结构一般以垂直分层模型来表示。
层次结构的要点：
1）除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。
2）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。
3）n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。
层次结构划分的原则：
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，便不会对邻居产生影响。
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，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。
网络的体系结构的特点是：
1）以功能作为划分层次的基础。
2）第n层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第n-1层提供的服务。
3）第n层在向第n+1层提供的服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。
4）仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
2．计算机网络协议、接口、服务等概念
协议
网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；
网络协议的三要素：
语义、语法与时序
语义：
用于解释比特流的每一部分的意义；
语法：
语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；
时序：
事件实现顺序的详细说明。
接口
接口是同一结点内相邻层之间交换信息的连接点;
同一个结点的相邻层之间存在着明确规定的接口，低层向高层通过接口提供服务;
只要接口条件不变、低层功能不变，低层功能的具体实现方法与技术的变化不会影响整个系统的工作。
服务
服务定义详细地说明了各层所提供的服务；
某一层的服务就是该层及其以下各层的一种能力；
低层的服务是通过接口向上一层提供的;
各层所提供的服务与这些服务是如何实现的无关；
定义了层与层之间的接口与各层使用的原语，但不涉及接口是具体实现的。
3．ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型（重点）
开放系统互连（OpenSystemInterconnection）基本参考模型是由国际标准化组织（ISO）制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型，又称ISO'sOSI参考模型。
“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连。
“OSI/RM”是英文“OpenSystemsInterconnectionReferenceModel”的缩写。
OSI将计算机网络体系结构（architecture）划分为以下七层：
7应用层──ApplicationLayer
6表示层──PresentationLayer
5会话层──SessionLayer
4传输层──TransportLayer
3网络层──NetworkLayer
2数据链路层──DataLinkLayer
1物理层──PhysicalLayer
对OSI参考模型的评价
层次数量与内容选择不是很好，会话层很少用到，表示层几乎是空的，数据链路层与网络层有很多的子层插入；
OSI参考模型将“服务”与“协议”的定义结合起来，使得参考模型变得格外复杂，实现困难；
寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低系统效率；
数据安全性、加密与网络管理在参考模型的设计初期被忽略了；
参考模型的设计更多是被通信的思想所支配，不适合于计算机与软件的工作方式；
严格按照层次模型编程的软件效率很低。
对TCP/IP参考模型评价
在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其它非TCP/IP协议族；
TCP/IP参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；
物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，但是TCP/IP参考模型却没有做到这点。
第二学时：
物理层
（一）通信基础
1．信道、信号、宽带、码元、波特、速率等基本概念：
信号是数据在传输过程中电信号的表示形式。
多路复用技术及其分类（FDM和TDM、WDM）：
多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。
频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。
1.频分多路复用FDM技术原理
在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是步分多路复用。
多路原始信号在步分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号要一个样以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。
为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。
2.时分多路复用TDM技术原理
若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。
每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。
时分多路复用TDM不仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。
数据通信系统的一般结构（DTE、DCE和信道）。
数据通信方式及串行通信的分类（单工、半双工、全双工）：
1.并行通信方式
并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。
发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。
接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。
并行方式主要用于近距离通信。
计算机内的总线结构就是并行通信的例子。
这种方法的优点是传输速度快，处理简单。
2.串行通信方式
串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。
串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。
3.串行通信的方向性结构
串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。
单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；
半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；
全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。
数据传输的同步技术，信源与信宿，编码与调制.
2．奈奎斯特定理与香农定理
奈奎斯特准则：
二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz）的关系为
Rmax=2·f（bps）；
香农定理：
在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N的关系为
Rmax=B·log2（1+S/N）S/N为信噪比；
3．信源与信宿
4．编码与调制
编码
5．数据交换技术分类及特点，主要是电路交换、报文交换与分组交换的区别和联系:
数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。
电路交换的工作原理
电路交换的三个过程
1）电路建立：
在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。
2）数据传输：
电路建立以后，数据就可以从一端发送到另一端在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。
3）电路拆除：
数据传输结束后，由某一方发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。
电路交换技术的优缺点及其特点
1）优点：
数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。
2）缺点：
在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费：
在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。
因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。
3）特点：
在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。
在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。
对于猝发式的通信，电路交换效率不高。
报文交换的工作原理
问题的提出：
当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。
采用报文交换则不存在这种问题。
报文交换原理
报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。
当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。
每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。
因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。
一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。
报文交换的特点
1）报文从源点传送到目的地采用"存储--转发"方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。
2）在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。
3.报文交换的优点
1）电路利用率高。
由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。
2）在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。
而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。
3）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。
4）报文交换网络可以进行速度和代码的转换。
报文交换的缺点
1）不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。
2）有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。
分组交换的工作原理
分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。
它适用于交互式通信，如终端与主机通信。
分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。
它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。
6．虚电路和数据报
1.虚电路分组交换原理与特点
在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。
每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。
在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。
最后，由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。
它之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的。
虚电路分组交换的主要特点是：
在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。
但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。
2.数据报分组交换原理与特点
在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。
每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。
一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。
由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。
整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择。
（二）传输介质
1．双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质，物理层接口的特性：
传输媒体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媒体分有线和无线两大类。
传输媒体的特性对网络数据通信的质量有很大影响，这些特征是：
⑴物理特性：
说明传输媒体的特性。
⑵传输特性：
包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送、调制技术、传输容量及传输频率范围。
⑶连通性：
采用点到点连接还是多点连接。
⑷地理范围：
在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。
⑸抗干扰性：
防止噪音、电磁干扰对传输数据影响的能力。
⑹相对价格：
包括元件、安装和维护等价格。
1）双绞线（TP）--由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。
双绞线一般分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。
计算机网络中最常用的是第三类和第五类非屏蔽双绞线。
⑴物理特性：
铜质线芯，传导性能良好。
⑵传输特性：
可用于传输模拟信号和数字信号，对于模拟信号，约5--6公里需要一个放大器；对于数字信号，约2--3公里需要一个中继器。
双绞线的带宽达268kHz。
对于模拟信号，可用频分多路复用技术把它分成24路来传输音频模拟信号，根据目前的Modem技术，若使用移相键控法PSK，每路可达9600bps以上，这样，在一条24路的双绞线上，总传输率可达230kbps。
对于数字信号，使用T1线路总传输率可达1.544Mbps。
达到更高传输率也是可能的，但与距离有关。
对于局域网（10BASE-T和100BASE-T总线），传输速率可达10Ｍbps-100Ｍbps。
常用的3类双绞线和5类双绞线电缆均由4对双绞线组成，3类双绞线传输速率可达10Ｍbps，5类双绞线传输速率可达100Ｍbps。
但与距离有关。
⑶连通性：
可用于点到点连接或多点连接。
⑷地理范围：
对于局域网，速率100Kbps,可传输1公里；速率10Mbps--100Mbps,可传输100米。
⑸抗干扰性：
低频（10kHz以下）抗干扰性能强于同轴电缆，高频（10-100kHz）抗干扰性能弱于同轴电缆。
⑹相对价格：
比同轴电缆和光纤便宜得多。
2）同轴电缆--由绕同一轴线的两个导体所组成，被广泛用于局域网中。
为保持同轴电缆的正确电气特性，电缆必须接地，同时两头要有端接器来削弱信号反射作用。
⑴物理特性：
单根同轴电缆直径约为1.02-2.54cm，可在较宽频范围工作。
⑵传输特性：
基带同轴电缆仅用于数字传输，阻抗为50Ω，并使用曼彻斯特编码，数据传输速率最高可达10Mbps。
宽带同轴电缆可用于模拟信号和数字信号传输，阻抗为75Ω，对于模拟信号，带宽可达300-450MHz。
在CATV电缆上，每个电视通道分配6MHz带宽，而广播通道的带宽要窄得多，因此，在同轴电缆上使用频分多路复用技术可以支持大量的视、音频通道。
基带50
⑶连通性：
可用于点到点连接或多点连接。
⑷地理范围：
基带同轴电缆的最大距离限制在几公里；宽带电缆的最大距离可以达几十公里。
⑸抗干扰性：
能力比双绞线强。
⑹相对价格：
比同轴电缆贵，比光纤便宜。
3）光纤--由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成的。
光纤具有宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、传输距离远等优点。
按使用的波长区的不同分为单模和多模光纤通信方式。
⑴物理特性：
在计算机网络中均采用两根光纤（一来一去）组成传输系统。
按波长范围可分为三种：
0.85um波长（0.8-0.9um）、1.3um波长（1.25-1.35um）和1.55um波长区（1.53-1.58um）。
不同的波长范围光纤损耗特性也不同，其中0.85um波长区为多模光纤通信方式，1.55um波长区为单模光纤通信方式，1.3um波长区有多模和单模两种方式。
⑵传输特性：
光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号，内部的全反射可以在任何折射指数高于包层媒体折射指数的透明媒体中进行。
实际上光纤作为频率范围从1014-1015Hz的波导管，这一范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。
光纤的数据传输率可达Gbps级，传输距离达数十公里。
目前，一条光纤线路上只能传输一个载波，随着技术进一步发展，会出现实用的多路复用光纤。
⑶连通性：
采用点到点连接还是多点连接。
⑷地理范围：
可以在6-8公里的距离内不用中继器传输，因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网。
⑸抗干扰性：
不受噪声或电磁影响，适宜在长距离内保持高数据传输率，而且能够提供良好的安全性。
⑹）相对价格：
目前价格比同轴电缆和双绞线都贵。
4）无线传输媒体
1）微波通信：
载波频率为2GHZ至40GHZ。
频率高，可同时传送大量信息；由于微波是沿直线传播的，故在地面的传播距离有限。
2）卫星通信：
是利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式。
卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。
3）红外通信和激光通信：
和微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。
但红外通信和激光通信要把传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号后才能直接在空间沿直线传播。
微波、红外线和激光都需要在发送方和接收方之间有一条视线通路，故它们统称为视线媒体。
2.物理层接口的特性
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
机械特性：
指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性：
指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：
指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
过程特性：
指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
（三）物理层设备中继器、集线器
中继器将输入信号增强放大的模拟设备，简单的延长通信介质的距离。
集线器具有两个功能，第一，实现中继功能（它实质上是一个多端口的中继器）；第二，汇接多台主机，因此，它被形象地称为Hub。
第三学时：
数据链路层
（一）数据链路层的功能
链路管理，帧定界，流量控制，差错控制，将数据和控制信息区分开，透明传输，寻址等主要功能。
链路（Link）是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其它的交换结点。
一条链路只是一条通路的一个组成部分。
数据链路（datalink）除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。
若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。
一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。
（二）组帧
封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。
确定帧的界限，首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
（三）差错控制检错编码和纠错编码
1.差错编码
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。
2.纠错编码
不考
（四）流量控制与可靠传输机制.流量控制
1．可靠传输与滑动窗口机制
2．单帧滑动窗口与停止-等待协议
3．多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）
4．帧滑动窗口与选择重传协议（SR）
（五）介质访问控制.
1．信道划分介质访问控制
频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用
2．随机访问介质访问控制
纯ALOHA协议
当传输点有数据需要传送的时候，它会向立即向通讯频道传送。
接收点在收到数据后，会ACK传输点。
如果接收的数据有错误，接收点会向传输点发送NACK。
当网络上的两个传输点同时向频道传输数据的时候，会发生冲突，这种情况下，两个点都停止一段时间后，再次尝试传送。
改进的ALOHA协议
改进之处在于，它把频道在时间上分段，每个传输点只能在一个分段的开始处进行传送。
每次传送的数据必须少于或者等于一个频道的一个时间分段。
这样很大的减少了传输频道的冲突。
CSMA
用载波侦听多路访问（CSMA）时，有时尽管已侦听信道空闲，但由于信道传播迟延的原因，前面已发送的数据尚未到达对方，因此发送的数据仍会发生冲突。
CSMA/CD是对CSMA方式的进一步改进。
它是在侦听信道空闲后，在发送数据时同时进行冲突检测（CD），如果在发送数据过程中检测到冲突，就立即停止发送数据，并等待一些时间，再重复发送。
CSMA/CD
具有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD采用随机访问和竞争技术，这种技术只用于总线拓扑结构网络。
CSMA/CD结构将所有的设备都直接连到同一条物理信道上,该信道负责任何两个设备之间的全部数据传送，因此称信
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