计算机网络教案.docx

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计算机网络教案

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第一章计算机网络基础

本章主要内容

1.1计算机网络的定义

1.2计算机网络组成与功能

1.3计算机网络的发展

1.4计算机网络的分类

1.5计算机网络拓扑结构

1.6计算机网络传输介质

1.1计算机网络的定义

1.定义：

把分布在不同地点且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，在功能完善的软件和协议的管理下实现网络中资源共享系统

2.由定义可知：

（1）计算机网络是“通信技术”与“计算机技术”的结合产物

（2）数据交换是基础，资源交换为目的

1.2计算机网络的组成

组成:

通信子网，资源子网

1、通信子网

（1）功能：

完成网络的通信数据的存储转发

具体的有：

差错控制；流量控制；路由选择；网络安全；流量计费。

（2）构成：

网络结点+通信线路

2.资源子网

（1）功能：

提供网络资源共享，处理数据能力

（2）构成：

主机系统（硬件+软件）

1.3计算机网络的发展

第一阶段（50年代）：

计算机通信网络，特征是计算机与终端互连，实现远程访问。

1．具有远程通信功能的单机系统

解决了多个用户共享主机资源的问题

存在问题：

主机负担重，通信费用高

2、具有远程通信功能的多机系统

解决了主机负担重、通信费用昂贵的问题。

主要问题：

多个用户只能共享一台主机资源

第二阶段（60年代）：

计算机通信系统，特征是计算机与计算机互连

采用分组交换技术实现计算机—计算机之间的通信，使计算机网络的结构、概念都发生了变化，形成了通信子网和资源子网的网络结构

主要问题：

网络对用户不是透明的

第三阶段（70年代中期—80年代末期）：

现代计算机网络阶段，特征是网络体系结构的形成和网络协议的标准化

在计算机通信系统的基础之上，重视网络体系结构和协议标准化的研究，建立全网统一的通信规则，用通信协议软件来实现网络内部及网络与网络之间的通信，通过网络操作系统，对网络资源进行管理，极大的简化了用户的使用，使计算机网络对用户提供透明服务。

局域网技术出现突破性进展。

网络计算的新时代

帧中继；异步传输模式ATM；波分多路复用WDM。

1.4计算机网络的分类

1.按网络地理覆盖范围划分

（1）局域网（LAN）:

是由一系列用户终端和具有信息处理与交换功能的节点及节点见的传输线路组成，限制在有限的距离之内，实现各计算机间的数据通信，具有较高的网络传输速率，局域网范围一般不超过10KM，往往局限于企事业单位内，组建局域网具有组建灵活，成本低廉，运行可靠，速度快等优点。

（2）城域网（MAN）:

也称都市网，它的覆盖范围一般是一个城市，它是在局域网不断普及，网络产品增加，应用领域拓展等情况下兴起的。

它是将一个城市范围的局域网互连起来，以得到更高的数据传输速率

3）广域网（MAN）:

覆盖范围广阔，又称远程网。

广域网覆盖的地理范围可以是一个城市，一个地区，一个省，一个国家。

最大的是Internet。

广域网的传输速率低

2.按信息传输技术划分

（1）广播式网络

在网络中只有一个通信信道，由网络中的所有主机共享

特点：

当从网络中任何一台主机发出一个短报文时，网上所有的主机都可以接受到。

但通过报文中“地址标识”，确定目标主机，它适用于距离范围小，网络内工作站点少。

（2）点到点网络：

当在一个网络中成对的主机间存在着若干对的相互联结关系时，便组成了点到点的网络

特点：

当源主机想目的主机发送“分组”信息时，分组信息可能经由一个或多个中间节点才能到达

1.5网络拓扑结构

1概念：

网络拓扑结构指连接于网络中的端系统或工作站之间互连的方式；简单地说：

指网络形状，网络的连通性

常见的网络拓扑结构：

总线型、星型、环型、树型、混合型、网状型

2.常见网络结构介绍：

（1）总线型：

采用一个公用通道作为传输媒体，所有站点都通过相应的硬件接口直接连接到公用信道上，这一公用信道称为总线

特点：

（1）所有站点发送的信息都通过该公用信道传播

（2）某一时刻只允许一个站点向信道上发送数据（且数据分组中携带有目的地址）

（3）信道上的数据能被其他所有站点接收，且各站点识别分组携带的目的地址，以确定是复制，分组，还是丢弃

（2）星型：

每一个站点直接与一个公共的中心节点连接

中心节点的操作一般有两种方法：

a.中心节点以广播式方式来运作，典型的设备是集线器（HUB）

b.中心节点以交换方式来运作

典型设备是专用交换机（PBX）

（3）环型：

由站点和链路组成闭合环

特点：

数据沿环路单向传输，切绕环行驶一周，回到源站点。

（4）树型型：

是星型的扩展，树型网络是分层结构，具有根节点和分支节点

特点：

适用于分级管理和控制系统

（5）混合型：

是将传统的总线型网络结构与星型网络结构进行有机结合。

注：

混合型（分布式，集散型）网络结构特别使用与一个学校、企业、工厂等各个办公楼分散的情况

（5）其他型：

a.双环型b.拓展星型c.不规则型d.完全网状型e.蜂窝型

1.6传输媒体

无线传输媒体：

无线电、微波、激光、红外线、卫星等

有线传输媒体：

双绞线、同轴电缆、光纤

（1）双绞线

（1）双绞线是普遍使用的一种传输介质；在许多情况下，几公里范围内的传输速率可以达到几兆bps，其性能较好又价格便宜。

（2）由两根绝缘铜线绞合在一起，充当一条通信链路

通常将若干对双绞线捆成一条电缆，用保护套包裹着

（3）双绞线可以分为两种：

非屏蔽和屏蔽。

非屏蔽双绞线电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成。

非屏蔽双绞线（UTP）易受外部干扰，包括来自环境噪音与附近的双绞线；但由于其价格低廉且易于安装和使用，所以应用非常广泛。

在建筑物内部，作为局域网传输介质而被普遍使用的UTP电缆的最大长度一般限制在100米之内。

屏蔽双绞线（STP）,以铝箔屏蔽以减少干扰和串音

（4）1991年，美国电子工业协会（EIA）颁布了EIA-568标准，即商业大楼的通信布线标准。

EIA-568-A有三种UTP电缆。

3类：

UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为16MHZ。

4类：

UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为20MHZ。

5类：

UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为100MHZ。

3类UTP电缆对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆；在有限的距离内，经过适当的设计，数据速率可以达到16Mbps。

5类是数字级电缆，现正成为新建大楼的预装设施；在一定的范围内，经过适当的设计，5类电缆可以达到100Mbps速率。

3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目。

5类旋得较紧，一般为每英寸3-4转，而3类则一般是每英尺3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。

（5）超5类双绞线：

与５类双绞线结构基本相同，与普通５类UTP相比，其衰减更小，串扰更少，同时具有更高的信噪比、更小的延时误差，性能得到了提高。

（6）双绞线的质量鉴别：

有无标识、绞合紧密程度、韧性好、颜色清晰、阻然性良好、用测试仪进行测量双绞线质量参数

（2）同轴电缆

a.结构：

由内向外分别是中心实体；绝缘层；金属网屏蔽层；黑色保护套。

其频率特性比双绞线好，能进行高速率传输。

b分类：

l基带同轴电缆

一条电缆只用于一个信道，50W，用于数字传输

2宽带同轴电缆

一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75W，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器.

细缆

细缆一般以总线型结构在网络中出现。

连网时，应注意以下几点：

网卡要带有BNC接口；每个用户通过BNC-T型连接器接入网络；在干线的两端必须安装50欧姆的终端电阻；如要拓宽网络范围，需使用中继器。

细缆网络的每段干线长度最大为185米，每段干线最多接入30个用户，且相邻两用户之间的连线距离不能小于0.5米。

可采用4个中继器连接5个网段，使网络最大距离达到925米。

细缆安装较容易，而且造价较低，但因受网络布线结构的限制，其日常维护不甚方便，一旦一个用户出故障，便会影响其他用户的正常工作。

BNC桶型接头：

用于连接两段细同轴电缆。

粗缆

粗缆适用于比较大的局域网的布线，它的布线距离较长，可靠性较好，安装时采用特殊的装置，不需切断电缆，两端头装有终端器。

用粗缆组网时在硬件的设置上必须注意以下几点：

若要直接与网卡相连，网卡必须带有AUI接口（一种15针D型接口）；用户采用外部收发器与网络干线连接；用AUI电缆连接工作站和外部收发器。

粗缆局域网中每段长度可达500米，采用4个中继器连接5个网段后最大可达2500米。

用粗缆组建局域网虽然各项性能较高，具有较大的传输距离，但是网络安装、维护等方面比较困难，而且造价太高，同时细缆近年来的发展较快，所以计算机局域网中一般如无特殊要求都使用细缆组网。

选则粗缆细缆的原则：

为了降低系统的造价，在保证一条混合干线段所能达到的最大长度的情况下，应尽可能使用细缆。

可以用公式计算在一条混合干线段中能够使用的细缆最大长度：

t=（500*m-l）/3.28l为干线段长度，t为可使用的细缆最大长度

（3）光纤（又名：

光导纤维、光缆）

a.结构：

由内向外纤芯、包层、保护

b.光纤通信原理

c.根据光在光纤中传输方式的不同分为：

单模光纤和多模光纤

d.光纤通信的优点：

轻便；低衰减；电磁隔离

本章小结

了解：

计算机网络的产生、发展

掌握：

计算机网络定义、基本功能、计算机网络的组成、网络的常用分类；网络常见拓扑结构的特点；常用传输介质的特点与使用。

思考题：

1、什么是计算机网络，它主要涉及哪些方面？

2、试述计算机网络的主要功能和应用

3、计算机网络可从哪几个方面进行分类？

4、什么是资源子网？

什么是通信子网？

5、常见的局域网拓扑结构有哪几种？

简述它们的主要特点。

6、计算机网络常用的传输介质有哪些？

7、UTP是什么传输介质？

STP是什么？

8、同轴电缆分为几类？

有什么特点？

9、光缆分几类，各有何特点？

10、在选择传输介质时需考虑的主要因素是什么？

第二章数据通信基础

本章主要内容

2.1数据、信号、信息

2.2模拟（数字）信道、模拟（数字）通信

2.3数据编码技术

2.4数据通信的主要技术指标

2.5数据的通信方式

2.6同步方式

2.7多路复用技术

2.8数据交换技术

2.9OSI模型

2.1数据、信号、信息

1.数据：

是信息的实体

模拟数据：

反映的是连续的值（如声音、视频、温度、压力等）

数字数据：

反映的是离散的值（如整数、ASCII文本等）

2.信号：

是数据的电磁编码

模拟信号：

连续变化的电信号

数字信号：

离散变化的电信号

3.信息：

是数据的具体含义

2.2模拟（数字）信道、模拟（数字）通信

1.模拟信道：

传输模拟信号的信道；

数字信道：

传输数字信号的信道

2.模拟通信：

用模拟信号传输数据的通信

数字通信：

用数字信号传输数据的通信

3.两种通信的四种情况：

a.模拟数据的模拟通信

b.模拟数据的数字通信

c.数字数据的模拟通信

d.数字信号的数字通信

2.3数据编码技术

1.数字数据的模拟传输（即数字数据的模拟信号编码）

（1）调制：

由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为“调制”

（2）解调：

在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程称为“解调”（3）调制的方法：

a.载波的表示：

y=A（t）sin（wt+Ф）

b.由上式可知调制方法：

振幅、频率、相位三种调制方法

1）振幅调制（ASK）:

a.调制原则：

确定w,Ф,改变A表示数字信号的不同状态

b.”0”：

用幅度值为0的载波表示

“1”：

用具有一定幅度值的载波表示

2）频率调制（FSK）:

a.调制原则：

确定A,Ф,改变w表示数字信号的不同状态

b.”0”：

用频率为w的载波表示

“1”：

用频率为2w的载波表示

3）相位调制（PSK）:

a.调制原则：

确定A,w,改变Ф表示数字信号的不同状态

b.”0”：

用相位180°的载波表示

“1”：

用相位0°的载波表示

2.数字数据的数字传输（即数字数据的数字信号编码）

（1）不归零编码

a.编码原则：

用高电平表示“1”，用低电平表示“0”b.特点：

编码简单，不含同

步时钟，抗干扰能力弱

（2）曼彻斯特编码

编码原则：

每比特的1/2周期处要发生跳变，由高电平跳到低电平表示“1”，由低

电平跳到高电平表示“0”，

（3）差分曼彻斯特编码

a.编码原则：

每比特的1/2周期处要发生跳变，在每比特的起始位置发生跳变表示“

0”，不发生跳变表示“1”

b.曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的特点：

编码复杂，内部自含同步时钟，抗干扰能力强

3.模拟数据的数字传输（即模拟数据的数字信号编码）

（1）方法：

脉码调制（PCM）设备：

编码解码器（CODEC）

（2）调制过程：

a.取样b.量化c.编码

2.4数据通信的主要技术指标

1.传输速率：

单位时间内所传递的二进制代码的有效位数

（1）对称比特率，单位为bps或b/s

（2）公式：

S=（1/T）log2n

T——信号脉冲重复周期

n——一个脉冲信号代表的有效状态数，是2的整数位。

二进制n=2

log2n——单位脉冲能表示的比特数

2.波特率（B）：

对称调制速率，波形速率，码元速率

（1）对于模拟信号传输过程：

波特率指“调制解调器”上输出的调制信号每秒钟载波

调制状态改变的次数；对于数字信号传输过程；波特率指线路上没秒钟传送的波形个数

（2）公式：

B=1/T

（3）与传输速率的关系：

S=Blog2n

3.误码率：

指接收码元中错误码元数占传输总码元数的比例

Pe=接收码元中错误码元数/传输的总码元数

4.信道容量：

表征一个信道传输数据的能力

（1）信道容量的计算：

无噪声：

C=2Hlog2N

H——信道带宽

N——一个脉冲信号代表的有效状态数

有噪声：

C=Hlog2[（1+S）/N]

H——信道带宽

S——信号的功率

N——躁声功率

（2）单位：

bps

2.5数据的通信方式

1.并行通信

2.串行通信

（1）单工

（2）半双工方式

（3）全双工方式

2.6同步方式

1.同步的含义：

数据在传输线上传输时,为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误地接收,要求发送端和接收端动作的起始时间和频率保持一致的技术称为“同步技术”

2异步方式同步技术:

⑴以字符为学位传输数据

⑵在字符的开头加1位起始位,在末尾加1到2位的终止位,有时还可加1位校验位.

⑶当线路上持续高电平变成低电平时,标志一个字符的开始.

3.同步方式的同步技术:

⑴以数据块为学位传输数据.

⑵在数据块的开头一般加1到2个字节的SYN（同步字符）.

4.两者对比:

⑴异步方式实现容易;

⑵同步方式传输效率高.

2.7多路复用技术

1.多路复用技术的原因及含义

（1）减少远距离通信时的线路开支

（2）降低学路信号通信时的线路带宽的浪费（3）所谓的多路复用技术:

是指将多路信号在单一的传输线路上同时传输

2.常用的多路复用技术:

频分多路复用技术;时分多路复用技术:

同步时分,异步时分.

（1）频分多路复用（FDM）:

在物理信道能提供比单个原始信号宽的多的带宽情况下,把物理信道的总带宽划分成若干个与单个信号带宽相同（一般略宽,以防相邻频带的串扰）的频带（段）,用每个频段来传输一路信号.

典型应用:

无线广播,无线（有线）电视.

特点:

①发射编在发射之前先将原始信号,用频率调制到对应的频段,称为”频谱搬移”.

②各频带的带宽中预留有”保护带”以防相邻频段信号的串扰.

③一般用于”模拟信号”传输中.

2.时分多路复用（TDM）:

是以信道传输时间作为分割对象,通过为多个信道分配互不重叠的时间片来实现多路复用.

⑴同步时分复用:

将一条共享传输线路上的时隙按固定,预先决定好的形式分配给设备.

注:

此处的”同步”并非”同步传输”,而是指时间片预先分配给固定的数据源,不管数据源是否有数据要传送,其所对应的时间片都被传输出去.

（2）异步时分复用：

将一条共享传输路线上的时隙动态，按需分配给设备的一种时分复用技术。

注：

与同步时分复用相比可克服时隙的浪费，线路的容量可以小于所连接设备数据传输速率总和。

（3）典型应用实例：

①美国AT&T的下信道上的载波就是采用脉码调制（PCM）和时分多路复用技术（TDM）使24路采样声音信号复用一个通道。

工作原理：

将一条路线按时分划分为24个信道，每信道按125μs的间隔采样各自的模拟信号、用128级量化的PCM脉冲编码为8位（7位为数据，1位为控制信号）。

传输速率=（24*8+1）/（125*10-6）=1.544Mbps

②欧洲的CITT标准的E，信道的载波也是采用脉码调制技术与时分多路复用技术。

其帧结构：

开始8位同步信号+8位信令位+30路8位数据信号=256位

传输速率：

256/（125*10-6）=2.048Mbps

2.8数据交换技术

为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。

两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。

就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。

实现交换的方法主要有：

电路交换、报文交换、分组交换。

电路交换

交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。

（最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。

）

特点：

数据传输前需要建立一条端到端的通路。

呼叫——建立连接——传输——挂断

优缺点：

建立连接的时间长；

一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；

无纠错机制；

建立连接后，传输延迟小。

报文交换

整个报文作为一个整体一起发送。

在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。

这种数据传输技术称为存储-转发。

缺点：

1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。

2）大报文造成存储转发的延时过长；

3）出错后整个报文全部重发。

2.9OSI模型

2.9.1OSI/RM参考模型的提出

l世界上第一个网络体系结构由IBM公司提出（74年，SNA），以后其他公司也相继提出自己的网络体系结构如：

Digital公司的DNA，美国国防部的TCP/IP等，多种网络体系结构并存，其结果是若采用IBM的结构，只能选用IBM的产品，只能与同种结构的网络互联。

l为了促进计算机网络的发展，国际标准化组织ISO与1977年成立了一个委员会，在现有网络的基础上，提出了不基于具体机型、操作系统或公司的网络体系结构，称为开放系统互联模型（OSI参考，opensysteminterconnection）

2.9.2OSI划分层次的原则

网络中各结点都有相同的层次

不同结点相同层次具有相同的功能

同一结点相邻层间通过接口通信

每一层可以使用下层提供的服务，并向上层提供服务

不同结点的同等层间通过协议来实现对等层间的通信

2.9.3OSI七层模型

2.9.4OSI/RM分层结构

1.对等层实体间通信时信息的流动过程

对等层通信的实质：

对等层实体之间虚拟通信

下层向上层提供服务

实际通信在最底层完成

在发送方数据由最高层逐渐向下层传递,到接收方数据由最低层逐渐向高层传递.

协议数据单元PDU

SI参考模型中，对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元（PDU,ProtocolDataUnit）。

而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：

传输层——数据段（Segment）

网络层——分组（数据报）（Packet）

数据链路层——数据帧（Frame）

物理层——比特（Bit）

2.9.5OSI各层概述

物理层

1、物理层的主要功能是：

为数据链路层的比特流提供物理连接，对高层屏蔽掉具体传输介质的差异，保证比特流的透明传输。

2、主要内容：

物理层协议主要定义硬件接口，包括接口的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性。

①机械特性：

定义接口插件、插座的形状、尺寸、引脚数量、排列顺序等。

如：

RS-232是25芯、D型，RS-499为37芯等。

②电气特性：

定义信号的高低、脉冲宽度、阻抗匹配、传输速率、传输距离等。

③功能特性：

归定每个引脚的功能、数据类型、控制方式等

④过程特性：

定义通信双方的动作顺序。

如：

如何建立、拆除物理连接、采用全双工还是半双工通信等。

数据链路层

1、数据链路层的功能

利用物理层提供的物理通路，在相邻节点之间建立数据链路，将要传送的数据组装成帧，加入应答、差错控制、流量控制信息，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，为网络层提供可靠的信息传送机制

2、协议的主要内容

（1）链路管理：

主要是发送数据前后的一些控制活动。

包括：

链路建立：

在通信以前，通信双方要交换一些信息，确认对方已准备好。

链路维护：

通信过程中维持链路

拆除链路：

通信结束后释放链路

（2）成帧与拆帧

①帧是数据链路层的数据单位。

将数据装配成帧是为了在出现差错时，重传方便。

②在发送端，将网络层传来的数据分割成小的数据块，加入控制信息即为成帧。

然后送物理层发送。

在接收端，将收到的数据帧按相反的顺序去掉控制信息。

③帧有其具体格式，包括帧头、帧尾标志，差错控制方法等，不同的协议，格式不同。

④常用帧同步的方法：

字符填充、字节记数、比特填充、编码违例法等

（3）差错控制

①发送端在数据帧中加入检错码，接收端发现错误可采用出错重发或前向纠错的方法。

②检错方法有奇偶校验、循环冗余校验等。

帧的格式实例：

③发送端在数据帧中加入检错码，接收端发现错误可采用出错重发或前向纠错的方法。

检错方法有奇偶校验、循环冗余校验等。

帧的格式实例：

（4）流量控制

①当发送端发送的速度快，接收端的速度慢时，链路会堵塞，严重时数据会丢失，因此，要有调整发送端发送速度的机制。

主要方法有：

②停止等待：

发送方发送数据，接收方正确收到数据后回送响应帧ACK，否则，回送否认帧NAK。

③滑动窗口技术（连续ARQ协议）：

允许连续发送若干帧，可以进行差错控制和流量控制。

网络层

1、网络层的功能：

在结点之间创建逻辑链路，保证传输层传来的数据顺利通过通信子网

网络层为传输层提供数据报和虚电路服务，并解决由此引起的路径选择，拥塞控制等问题，为传输层提供端到端的透明传输服务。

2、主要内容

（1）数据交换方式：

虚电路方式与数据报方式

（2）路由选择

数据报方式在每个节点都要进行路由选择，虚电路方式在建立虚电路时也要进行路由选择。

（3）网络拥塞控制

①当通信子网内传送的报文分组过多、节点接收速度太慢、线路容量不足时，都会导致网络性能变差，出现拥塞。

当拥塞加剧网络吞吐量急剧下降为零。

这时网络无法工作，称为网络死锁。

②避免拥塞的方法有：

缓冲区预分配法、分组丢弃法、许可证法等

（4）寻址

　在网络层上要进行网际互联，每个网络、主机都要有一个唯一的地址，不同的网络编址方案不同，如TCP/IP中用4组每组8位二进制数编