计算机网络与数据通信基础doc第1章计算机网络与数据通信基础.docx
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计算机网络与数据通信基础doc第1章计算机网络与数据通信基础
第1章计算机网络与数据通信基础
教学目标：
1.了解计算机网络的形成与发展过程
2.掌握计算机网络的定义、分类、功能和典型应用
3.掌握计算机网络的组成结构
4.了解计算机网络的基本拓扑结构类型
5.了解数据通信的传输方式、交换技术、同步技术、差错控制技术等基础知识
6.掌握数据传输的类型及相应的编码方法
7.了解多路复用技术的分类和适用场合
8.掌握网络系统的分层的体系结构和OSI七层参考模型
9.了解ARPA的TCP/IP四层模型
10.了解网络的3个著名标准化组织
教学重点：
1.了解计算机网络的基本拓扑结构类型
2.了解数据通信的传输方式、交换技术、同步技术、差错控制技术
3.掌握数据传输的类型及相应的编码方法
4.掌握网络系统的分层的体系结构和OSI七层参考模型
教学难点：
1.了解数据通信的传输方式、交换技术、同步技术、差错控制技术
2.掌握数据传输的类型及相应的编码方法
教学方法：
多媒体教学系统演示教学
教学课时：
6课时
教学过程：
第1章计算机网络与数据通信基础
1.1计算机网络概述
计算机网络是计算机和通信技术这两大现代技术密切结合的产物。
它代表了当代计算机体系结构发展的一个极其重要的方向。
第1代计算机网络，在20世纪50年代中期至20世纪60年代末期，计算机技术与通信技术初步结合，形成了计算机网络的雏形。
2.初级计算机网络
第2代计算机网络又称为计算机-计算机网络。
此时的网络首先将一个计算机网络划分为“通信子网”和“资源子网”两大部分。
3.开放式的标准化计算机网络
第3代，在20世纪70年代初期至90年代中期这个阶段，计算机网络在解决了计算机连网和网络互连标准问题的基础上，提出了开放系统的互连参考模型与协议，促进了符合国际标准化的计算机网络技术的发展。
4.新一代的计算机综合性、智能化、宽带高速网络
第4代，在20世纪90年代中期至21世纪初期这个阶段，计算机网络与Internet（即因特网）向着全面互连、高速和智能化发展，并得到了广泛的应用。
1.1.2计算机网络的定义
为了实现计算机之间的通信交往、资源共享和协同工作，利用通信设备和线路将地理位置分散的、各自具备自主功能的一组计算机有机地联系起来，并且由功能完善的网络操作系统和通信协议进行管理的计算机复合系统就是计算机网络。
计算机网络涉及以下3个要点：
1.自主性
2.通信手段有机连接
3.网络组建的3个目的
1.1.3计算机网络的功能和应用
1.计算机网络的功能
计算机网络应当具有以下3个基本功能：
①计算机之间和计算机用户之间的相互通信交往。
②资源共享，包含计算机硬件资源、软件资源和数据与信息资源共享。
③计算机之间或计算机用户之间的协同工作。
2.计算机网络的典型应用
常用的计算机网络应用系统：
（1）管理信息系统（managementinformationsystem，MIS）
（2）办公自动化（officeautomation，OA）
（3）信息检索系统（informationretrievesystem，IRS）
（4）电子收款机系统（pointofsells，POS）
（5）分布式控制系统（distributedcontrolsystem，DCS）
（6）计算机集成与制造系统（computerintegratedmanufacturingsystem，CIMS）
（7）电子数据交换系统（electronicdatainterchangesystem，EDI）
（8）信息服务系统
1.1.4计算机网络的分类
按分布距离的长短将计算机网络分为三类。
这就是，局域网LAN（LocalAreaNetwork）、城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）和广域网WAN（WideAreaNetwork）。
它们所具有的特征参数见表1-1。
总的规律是距离越长，速率越低。
局域网距离最短，传输速率最高。
1.1.5计算机网络组成
计算机网络分为数据处理和数据通信两大部分
1、计算机资源子网的组成与功能
①、资源子网的组成和功能
资源子网由拥有资源的主机系统、请求资源的用户终端、终端控制器、通信子网的接口设备、软件资源、硬件共享资源和数据资源等组成。
②、资源子网的基本功能：
资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络客户提供各种网络资源和网络服务。
2.计算机通信子网的组成与功能
通信子网的基本功能：
通信子网提供网络通信功能，完成全网主机之间的数据传输、交换、控制和变换等通信任务。
负责全网的数据传输、转发及通信处理等工作。
1.2计算机网络拓扑结构
1.2.1计算机网络拓扑的定义
在计算机网络设计中，将通信子网中的通信处理机和其他通信设备抽象为与大小和形状无关的“点”，并将连接节点的通信线路抽象为“线”，而将这种点、线连接而成的几何图形称为网络拓扑结构。
计算机网络拓扑主要指通信子网的拓扑构型。
网络拓扑的用途
人们在网络的设计中，第一，必须确定各计算机和其他网络设备在网络中的位置；第二，拓扑结构的造型将直接关系到网络的性能、系统可靠性、通信及投资费用等因素；第三，拓扑结构还是实现各种协议的基础。
所以说，网络拓扑结构的设计和选型是计算机网络设计的第一步。
1.2.2通信子网信道类型和网络拓扑结构的分类
1.通信子网的分类
（1）广播式的通信子网
（2）点-点式的通信子网
1.3数据通信基础知识
1.3.1数据通信的基本概念
1.信息
信息的载体是数字、文字、语音、图形和图像等。
2.常用的二进制代码
目前最常用的二进制代码标准为美国标准信息交换码ASCII）
3.数据和信号
网络中传输的二进制代码被统称为数据，它是传递信息的载体。
信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式。
4.信道及信道的分类
（1）信道
“信道”是数据信号传输的必经之路，它一般由传输线路和传输设备组成。
（2）物理信道和逻辑信道
（3）有线信道和无线信道
（4）模拟信道和数字信道
（5）专用信道和公共交换信道
5.码元和码字
在数据通信中，时间轴上的一个信号编码单元被称为码元。
6.数据包和数据帧
在数据传输时，通常将较大的数据块分割成较小的数据段，这些数据段及其附加信息一起形成被称为“数据包”的逻辑数据单位。
在实际传输时，还要将数据包进一步分割成更小的逻辑数据单位，这就是“数据帧”。
1.3.2通信系统的主要技术指标
1.数据传输速率S（比特率）
比特率是指在有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位数。
2.波形调制速率B（波特率）
在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，单位波特。
若以T（秒）表示每个波形的持续时间。
3.带宽
对于模拟信道，带宽是指物理信道的频带宽度，其本来的意思是指信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差,单位为赫兹（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）等。
对于数字信道，“带宽”是指在信道上能够传送的数字信号的速率，即数据传输速率S。
因此，此时带宽的单位就是比特每秒，通常表示为b/s或bps。
4.信道容量
信道容量是一个极限参数，它一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。
5.带宽、数据传输速率和信道容量的关联
由于带宽与数据传输速率这两个术语原来都是用来度量信号实际传输能力的指标。
而现在，一个物理信道常常是既可以作为模拟信道又可以作为数字信道，香农的“信道容量”计算公式指出数据的最大传输速率与信道带宽之间存在着明显的关系，所以人们也常用“带宽”来描述网络中信号传输能力。
6.误码率Pe
（1）误码率Pe的定义
误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，也称“出错率”。
（2）误码率的性质、获取与实用意义
1.串行传输
如图a所示
2.并行传输
如图b所示
在实际采用串行传输时，发送端需要使用并/串转换装置，将计算机输出的并行数据位流变为串行数据位流，然后，送到信道上传输。
在接收端，则需要通过串/并转换装置将串行数据位流还原成并行数据位流。
串行数据通信有以下3种不同方式：
单工通信（双线制）
半双工通信（双线制+开关）
全双工通信（四线制）
1.3.4数据传输类型及相应技术
我们将“数据通信”定义为：
在不同的计算机和数字设备之间传送二进制代码0、1的过程。
这些二进制代码表示了各种字母、数字、符号和控制信息。
计算机网络中的数据传输系统都是“数据通信”系统。
1.基带、基带信号和基带传输
我们把数字信号频谱中，从直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带（或固有频带），简称为“基带”。
在线路上直接传输基带信号的方法称为“基带传输”。
2.数字基带信号的编码
在基带传输中，用不同电压极性或电平值代表数字信号0和1的过程，称为基带信号的编码，其反过程称为解码。
在基带传输中，常采用以下3种编码方法：
（1）非归零编码
1）编码规则
非归零编码NRZ（Non-ReturntoZero）。
NRZ码规定：
用负电压代表“0”，正电压代表“1”。
2）NRZ非归零编码的特点与同步信号
优点：
是简单、容易实现。
缺点：
是接收方和发送方无法保持同步。
3）非归零编码的应用
（2）曼彻斯特编码
1）编码规则
每比特的周期T分为前后两个相等的部分。
前半周期传送该码元值的“反码”，后半周期传送该码元值的“原码”。
用负电压代表“0”，正电压代表“1”。
中间的电平跳变，可作为双方的同步信号。
如图1-8（b）所示。
2）曼彻斯特编码的特点和同步信号
曼彻斯特编码的特点如下：
优点：
是收发信号的双方可以根据自带的“时钟”信号来保持同步，无需专门传递同步信号的线路，因此成本较低。
缺点：
是效率较低。
3）曼彻斯特编码的应用
（3）差分曼彻斯特编码
1）编码规则
若本码元值为“0”，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。
若本码元值为“1”，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同。
2）曼彻斯特编码的特点和同步信号
优点：
是“自含时钟”和“同步信号”的编码技术、抗干扰性能较好。
缺点：
是实现技术复杂。
1.调制、解调与频带传输
在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为“调制”，相应的调制设备称为“调制器”；在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程称为“解调”，相应的设备称为“解调器”。
同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器”。
2.模拟信号的调制
在调制过程中，选用的载波信号可以表示为：
振幅A、角频率ω、相位ψ是载波信号的3个可变电参量，当改变这三个参量实现对模拟数据信号编码时，相应的调制方式分别为“幅度调制”、“频率调制”和“相位调制”。
（1）幅度调制ASK
1）ASK调制规则
在幅度调制中，频率和相位都是常数，振幅为变量，即载波的幅度随发送的数字信号的值而变化。
（2）频率调制FSK
1）FSK调制规则
在频率调制中，把振幅和相位定为常量，频率为变量。
（3）相位调制PSK
PSK（phase-shiftkeying），相位调制又称为“移相键控”。
在相位调制中，把振幅和频率定为常量，初始相位为变量。
在二元制情况下，可以分别用不同初始相位的载波信号波形表示二进制数字0和1。
相位调制可以分为绝对调相、相对调相和多相调相等。
1）PSK绝对调相的调制规则
在二元制中，用相位的绝对值表示数字信号0、1，其数学表达式为：
3）PSK多相调相
在模拟信号的通信系统中，人们经常采用一种多相调制的方法，以便达到提高数据传输速率的目的。
与两相调制类似的是，多相调制也有“相对调相”和“绝对调相”两种。
1.3.5数据传输中的同步技术
同步技术需要解决的主要问题如下：
1.何时开始发送数据？
2.发送过程中双方的数据传输速率是否一致？
3.持续时间的长短是多少？
4.发送时间间隔的大小是多少？
1.什么是异步传输方式？
如图所示，其中的DCE表示数据通信设备。
2.异步传输的工作特点
异步传输是指发送信息的一端可以在任何时刻向信道发送信息，而不管接收方是否准备好。
各个位以串行方式发送，附有“起止位”作为识别符。
字符之间通过“空号”来分割。
3.异步传输的应用特点
优点：
设备简单，技术容易，费用低。
缺点：
开销大，浪费了传输时间。
4.异步传输的应用场合
异步传输适用于低速（如10-1500字符/每秒）的通信场合。
同步传输方式
1.什么是同步传输方式？
如图1-11所示。
另外，这些成帧信息还用来区分和隔离连续传输的数据块。
2.同步传输的工作特点
同步传输是指接收端和发送端的步调必须保持一致。
在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块的方式传输。
在位流中采用同步字符来保证定时。
用于同步传输的成帧信息（同步信号）的位数较异步方式少，因此同步传输的效率比异步传输高。
3.同步传输的应用特点
由于同步传输需要较高的时钟装置和高的传输速率，因此，同步装置比异步装置要贵。
4.同步传输的应用场合
同步传输方式，通常主要用在计算机与计算机之间的通信，智能终端与主机之间的通信，以及网络通信等高速数据通信的场合。
5.同步传输的时钟信号
实现同步时钟有“外同步”和“内同步”2种方法：
（1）采用单独的数据线传输时钟信号
（2）采用信号编码的方法传输时钟信号
一、多路复用技术概述
多路复用技术是指在同一传输介质上“同时”传送多路信号的技术。
1.什么是多路复用技术？
多路复用技术也就是在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。
多路复用技术是一种提高通信介质利用率的方法。
2.多路复用技术的实质和研究目的
（1）人们研究多路复用的主要原因和目的
（2）多路复用技术的实质和工作原理
多路复用技术的实质就是共享物理信道，更加有效地利用通信线路。
多路复用技术的工作原理参见图1-12。
3.多路复用技术的分类
频分多路复用（FDM）
时分多路复用（TDM）
波分多路复用（WDM）
其他常用的复用技术还有：
空分复用（SDM）以及动态时分多路复用等。
二、频分多路复用
频分多路复用（FDM）即频分多路复用技术。
采用FDM时，将信道按频率划分为多个子信道，每个信道可以传送一路信号，如图所示。
三、时分多路复用
TDM的工作原理如下：
首先，将各路传输信号按时间进行分割；其次，每路信号使用其中之一进行传输。
这样，就可以使多路输入信号在不同的时隙内轮流、交替地使用物理信道进行传输，如图所示。
四、波分多路复用技术（WDM）
对于使用光纤通道的网络来说，波分多路复用技术（WDM）是其适用的多路复用技术。
WDM与FDM使用的技术原理是一样的，只要每个信道使用的频率（即波长）范围各不相同，它们就可以使用波分多路复用技术，通过一条共享光纤进行远距离的传输。
与电信号使用的FDM技术不同的是，在WDM技术中，是利用光学系统中的衍射光栅，来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。
在传统的广域网的通信子网中，使用的数据交换技术可分为两大类：
①线路交换技术。
②存储转发交换技术：
存储转发交换技术又可分为“报文交换技术”和“分组交换技术”。
一、线路交换
1.线路交换技术的工作特点
在线路交换和转接过程中，通信的双方首先必须通过网络节点建立起专用的通信信道，然后，双方使用这条端到端的线路进行数据传输。
电话通信系统就是这种工作方式。
其通信过程可以分为：
电路建立阶段、数据传输阶段和拆除电路连接3个阶段。
2.线路交换技术的应用特点
（1）优点
传输延迟小，唯一的延迟是电磁信号的传播时间。
线路一旦接通，不会发生冲突。
对于占用信道的用户来说，数据以固定的速率进行传输，可靠性和实时响应能力都很好。
（2）缺点
电路交换时建立线路所需时间较长。
系统消耗费用高，利用率低。
线路交换方式达不到计算机通信系统要求的指标。
很难适应具有不同类型、规格、速率和编码格式的计算机之间，或计算机与计算机终端之间的通信。
3.线路交换技术应用的场合
线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求强的场合，尤其适用会话式通信、语音、图像等交互式类通信.
二、存储转发交换
1.存储转发交换方式与线路交换方式的区别
第一，拟发送的数据与目的地址、源地址、控制信息等一起，按照一定的格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网。
第二，作为通信子网节点的通信控制处理机CCP，负责完成数据单元的接收、存储、差错校验、路径选择和转发工作。
2.存储转发交换方式的应用特点
ØCCP具有存储功能。
ØCCP具有路经选择功能。
ØCCP具有差错检查和纠错功能。
Ø通过CCP可以进行不同线路之间的不同通信速率的转换，还可以进行不同数据格式之间的变换。
3.存储转发交换方式的分类
利用存储转发交换原理传送数据时，被传送的数据单元可以分为“报文”和“分组”两类，对应的交换方式可以分为报文交换（messageswitching）和分组交换（packetswitching）两类。
分组交换在实际应用中有两种类型。
数据报方式（datagram，DG）
虚电路方式（virtualcircuit，VC）
前者是面向无连接的，后者是面向连接的。
1.3.8差错控制技术
1.什么是差错？
通常，把通过通信信道接收到的数据与原来发送的数据不一致的现象称为“传输差错”，简称为“差错”。
2.差错的分类与差错出现的可能原因
热噪声差错：
冲击噪声差错：
3.无差错传输通常采用的两种控制技术
通常完整的差错控制技术应当包括两个主要内容：
差错的检查和差错的纠正。
（1）检错法
（2）纠错法（又称为正向纠错法）
（3）适用场合
①没有反向信道，无法发回ACK或NAK（肯定应答/否定应答）信息的场合。
②线路传输时间长，要求重发不经济的场合。
4.奇偶校验
（1）奇校验和偶检验
奇偶校验的英文简称为VRC，也被称作“垂直冗余校验”。
这是一种以字符为传输单位的校验方法。
一个字符由8位组成，低7位是信息字符的ASCII代码，最高位（附加位）为奇偶校验的“校验位”，接收方使用这个附加位来检验传输的正确性。
奇偶校验又分为“奇校验”和“偶校验”两种。
（2）奇偶校验的工作原理
当接收方收到含有附加位的数据之后，它会对收到的数据做与发送端一致的“奇检验”或“偶校验”，并将结果与原来的奇偶校验位核对，如果有错，就要求对方重发。
奇偶检验虽然十分简单，但并不是一种安全的差错控制方法。
5.方块校验
LRC校验的工作原理
LRC校验的工作原理与VRC类似，其LRC字符在发送端产生并传输，接收方也产生同样的校验字符，并与从发送端收到的校验字符相比较，如果相同，就认为传输正确，否则通知对方重发。
这种方法有较强的检错能力，基本能发现所有一位、两位或三位的错误，从而使误码率降低2～4个数量级。
因此，被广泛地用在计算机通信和某些计算机外设的数据传输中。
6.循环冗余校验
最精确和最常用的差错控制技术是循环冗余校验，即CRC校验。
这是一种较为复杂的校验方法，它将要发送的二进制数据（比特序列）当作一个多项式F（x）的系数。
在发送端，用收发双方预先约定的G（x）生成多项式的比特序列去除，求得一个余数多项式；将此余数多项式加到F（x）数据多项式的比特序列之后；发送到接收端。
在接收端，用同样的G（x）生成多项式的比特序列去除接收到的比特序列，若能被其整除，则表示传输无误；反之，表示传输有误，通知发送端重发数据，直至传输正确为止。
7.无差错传输过程中采用两种差错控制机制
常用的差错控制机制通过反馈重发的方法实现纠错目的。
自动反馈重发，即ARQ（automaticrequestforrepeater）有两种：
停止等待方式和连续工作方式。
（1）停止等待的ARQ协议方式
（2）连续的ARQ协议方式
1）拉回式方式
2）选择重发方式
1.4计算机网络协议与体系结构
1.4.1网络协议
1.协议的本质
在计算机网络的一整套规则中，任何一种协议都需要解决3方面的问题。
（1）协议的语法问题
（2）协议的语义问题
（3）协议的定时问题
2.协议的功能和种类
（1）协议的功能
①分割与重组：
②寻址：
③封装与拆装：
④排序：
⑤信息流控制：
⑥差错控制
⑦同步
⑧干路传输
⑨连接控制
（2）协议的分类
①标准或非标准协议：
②直接或间接协议：
③整体的协议或分层的结构化协议：
1.4.2计算机网络体系结构
1.网络分层体系结构的工作原理
将这个复杂的过程划分为四个层次，下面将说明这四个层次的大致工作过程。
2.计算机网络体系结构概述
面对日益复杂化的网络系统，必须采用结构化的方法来描述网络系统的组织、结构和功能，才能够很好地研究、设计和实现网络系统。
3.层次化体系结构中的基本概念
（1）协议（protocol）
协议是一种通信约定。
（2）层次（layer）
层次是人们对复杂问题的一种基本处理方法。
（3）实体（Entity）
在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成。
（4）接口（interface）
接口就是同一节点内，相邻层之间交换信息的连接之点。
（5）层次性模型结构（NetworkArchitecture）
一个功能完备的计算机网络系统，需要使用一整套复杂的协议集。
4.网络体系结构的研究意义
①各层之间相互独立。
②结构上独立分割。
③灵活性好。
④易于实现和维护。
⑤有益于标准化的实现。
网络体系结构化分的基本原则是：
把应用程序和网络通信管理程序分开；同时又按照信息在网络中传输的过程，将通信管理程序分为若干个模块；把原来专用的通信接口转变为公用的、标准化的通信接口。
从而，使得网络具有了更大的灵活性，也使得网络系统的建设、改造和扩建的工作更加简化。
由此，大大降低了网络系统运行、维护的成本，提高了网络的性能。
1.4.3OSI七层参考模型
一、ISO与OSI七层参考模型的关系
1.ISO的名称
国际标准化组织即ISO（InternationalStandardsOrganization）
2.ISO的组成
3.ISO主要贡献
“七层模型”
二、OSI参考模型的各层功能
下面来介绍OSI参考模型的七层，以及每层协议所完成的具体功能。
1.物理层（physicallayer）
物理层是OSI参考模型的最低层，也是OSI模型的第1层。
物理层的功能用一句话表示就是“物理层的任务就是透明地传送比特流”。
为了实现物理层的功能，该层所涉及的内容主要有以下几个方面：
（1）通信连接端口与传输媒体的物理和电气特性
（2）比特数据的同步和传输方式
（3）网络的物理拓扑结构
（4）物理层完成的其他功能
2.数据链路层（datalinklayer）
数据链路层是OSI模型的第2层，负责建立和管理节点间的链路。
该层的主要功能用一句话表示就是：
在物理层的基础上，“在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。
每一帧包括数据和必要的控
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