计算机网络教案.docx
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计算机网络教案
第一章概述
计算机网络是计算机技术与通信技术的产物。
计算机网络研究始于60年代，至今只有30多年历史。
世界上最早的计算机网络是ARPANET（它是internet的前身），由美国国防部高级计划研究署研制。
建立ARPANET的初衷是用于军事目的，保证在现代化战争情况下，军事指挥系统发出的指令能够畅通无阻。
ARPANET于1969年开通。
最初仅连接美国本土的四个主机系统（加州大学洛杉矶分校，加州大学伯克利分校，斯坦福研究所，犹他大学），随后网络规模不断扩大，连接的主机数目越来越多，并由最初的纯军事网络演变成为面向教育，科研，商业的全球性网络。
ARPANET的运行成功，标志着网络时代的到来。
在随后的三十年里，计算机网络硬件和软件的史无前列的速度增长，各种计算机网络象一根根蔓藤，伸向国民经济，军事国防，文化教育，政府部门，企事业单位等社会各行各业。
然而，下面问题对许多人来说仍然是个谜，例如：
1．究竟什么是计算机网络？
它是怎样发展起来的？
2．网络上不同的计算机系统是如何进行数据交换的？
3．人们可以从网络上获得什么服务？
4．如何保证网络上的数据安全？
本课程正是围绕上述等问题进行讨论的。
1.1计算机网络的发展
1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国诞生。
早期计算机的主要任务是用来进行科学计算，如求解微分方程解线性方程组等，且数量少，价值连城，只有少数部门才能使用，其使用模式：
主机系统
随着计算机的普及，其应用范围不仅限于数值计算，更多的用于数据处理。
信息的分散化，数据的实时处理，计算机各种软硬件资源的共享，促使计算机技术与通信技术紧密结合，并由此产生计算机网络。
纵观计算机网络的发展，大体上经历了三个阶段：
1）远程联机系统（五十年代中期－六十年代中期）
2）计算机—计算机网络（六十年代末－七十年代末）
3）开放式标准化网络（八十年代－至今）
1.1.1远程联机系统
公共电话网
低速线路
FEP：
FrontEndProcessor，前端处理机。
通常由一台廉价的计算机担任，完成通信任务。
TC：
TerminalController，终端控制器，其功能是将多条低速线路汇集到一条高速线路上，从而提高了高速线路的利用率。
工作模式：
多个远程终端用户可以同时向主机系统提交程序和命令。
这些程序和命令，通过通信线路传递到FEP，由FEP进行差错控制和流量控制，并按一定次序向主机递交。
主机依次处理，并将结果返回给FEP，由FEP送到各相应终端。
面向终端的网络在60-70年代得到了广泛应用和发展。
例如：
美国通用公司的GE网络（GEinformationservices）是当时世界上最大的面向终端网络，该网络覆盖美国国土，欧洲大部分，加拿大，日本及澳大利亚。
另一个典型的面向终端网络是美国航空公司的飞机票预定系统SABRE（Semi-AutomaticBusinessResearchEnvironment）,SABRE系统有一台中心计算机和2000多个中心组成。
1.1.2计算机—计算机网络
计算机—计算机网络与上述简单连机系统和面向终端的网络的主要区别是：
计—计网络中有多台具有独立处理功能和软硬件资源的计算机系统（主机系统），而不是占有一台中心计算机系统。
各计算机系统在网络中地位平等，它们之间不存在明显的主从关系。
各计算机系统不是直接用通信线路连线，而是通过由节点和通信线路构成的通信子网，以存储转发的方式进行数据交换。
以资源共享为目标，而不是一个留在数据通信的水平点上。
现在ARPANET以演化为INTERNET。
这类网络的结构如下：
资源子网
这类网络的典型代表是ARPANET（后发展为INTERNET）.
从逻辑功能上可将这类网络分为两大部份：
1.通信子网：
由路由器和通信链路组成。
完成网络通信任务。
其中，链路通信提供物理信道。
路由器是一种专用计算机，具有存储转发.路由选择.差错控制.流量控制等功能。
2.资源子网：
由连接到通信子网的局域网和主机系统组成，为网络用户提供各种软硬件共享资源和处理能力。
硬件共享资源包括CPU.存储器.硬盘.磁带.打印机。
绘图仪，等.
软件共享资源包括：
操作系统，数据库系统，工具软件和应用程序等。
在计—计网络中，每台主机系统或局域网的服务器都拥有丰富的软硬件资源。
与面向终端的网络的更本区别是，计—计网络以资源共享为主要目标，在网络协议的支援下，用户使用远方计算机系统的资源就好像使用本地计算机系统一样方便。
几乎觉察不到地理位置的差别.
1.1.3开放式标准化网络
具有统一的网络体系结构，遵守国际标准化协议，便于网络互连，大规模生产，降低成本，如：
1.OSI参考模型
2.CCITT建议
3.TCP/IP协议族
1.2计算机网络的定义
究竟什么叫计算机网络？
到目前为止，尚未形成如数学概念那样严格的定义（恐怕永远也不会有严格的定义），其原因是：
（1）计算网络曾在不断发展，新的网络技术和网络产品不断涌现。
（2）各种规模的计算机网络（WAN,.MAN,LAN）在体系结构，连接方式，硬件组成，通信方式的功能上差异较大。
（3）网络产品出厂家生产厂家出于商品利益考虑，在文字宣传上并为完全统一。
通常，人们往往根据问题的观点上不同，给计算机网络下不同的定义。
作者在不同的文献中所见到的有关计算机网络定义不下10种。
这是仅介绍一种能够较全面反映计算机网络特征的一种定义：
计算机网络定义：
将若干台具有独立功能的计算机系统，用某种或多种通信介质连接起来，通过完善的网络协议，在数据交换的基础上，实现网络资源共享的系统称为计算机网络。
从上述定义中，我们可以看出，
（1）一个网络中包含了多个独立的计算机系统。
这里，“独立”的含义是指每台计算机都可运行各自独立的操作系统，各计算机系统之间的地位平等，无主从之分。
即任何一台计算机不能干预或强行控制其他计算机的正常运行。
（2）数据交换是网络的最基本功能，其他各种资源共享都是建立在数据交换的基础上的。
（3）数据交换的必然前提是用传输介质将计算机连接起来。
计算机网络可以使用多种网络介质，常用的有双绞线，同轴电缆，光纤，微波和通信卫星等。
1.3.计算机网络的分类
计算机网络分类由多种方式，主要的分类方式有：
1.3.1按地理范围分类：
局域网：
局域网简称为LAN（LocalAreaNetwork）.其覆盖范围一般不超过数公里，即最远的两台计算机之间的距离不超过数公里。
通常安装在一幢大楼内，大学校园内，或长区内。
城域网：
城域网又称为市网，简称为MAN（MetropolitanAreaNetwork）.其覆盖范围通常是一个大城市，大约数十公里到上百公里。
通常由一个城市内的若干LAN或主机系统通过网络互连设备（网络。
路由器。
网关）连线而成。
广域网：
广域网简称为WAN（WideAreaNetwork）.器覆盖范围一般在数百公里商直接覆盖全球，Internet就是目前最大的广域网。
广域网一般利用现有的公用数据连接多个分布遥远的局域网或城域网或主机系统。
注:
上述数据仅为数量级的概念，随着技术的发展，这些数据也会不断的变化。
1.3.2按拓扑结构分类。
1.星型网
如下图（a）所示，它又一个中央节点，转输介质从中央节点向外辐射连接其他节点。
任何两个节点之间的信息交换必须经过中央节点转发。
因此，中央节点的可靠性十分重要，一旦中央发生故障，会引起整个网络瘫痪。
2.环形网
如下图（a）所示，它将网络上所有的节点用传输介质连接成一个闭环，任何两个节点的数据交换必须沿环进行，外相邻结点交换数据要经过中间节点的转发。
环形网的每个节点或链路都直接影响网络的可靠性，一旦等节点或链路发生故障，则环路断开，导致网络无法运行。
3.总线网络。
如图（c）所示，它通过一条总线连接所有的节点，而所有节点通过一条共享总线信道直接连通得。
任何一个节点发送数据，其他节点（包括发送节点本身）都能收到。
这种网络的可靠性好，任何节点故障都不会影响整个网络正常运行。
4.不规则型网
如图（d）所示。
这种网络中的每个节点至少要和其他两个节点连接。
其优点是可靠性好。
任何一个节点或一条链路发生故障都不会影响网络的连通性，此外，布线灵活，几乎不受任何拓扑结构的约束。
广域网：
不规则型。
局域网：
总域形，星形，环形。
1.3.3其它类型
一.按数据交换方式分类
电路交换网，分主交换网，信元交换网（ATM网）
二.按传输介质分类
双绞线网，同轴电缆网，光纤网，无线网。
三.按使用对象分
公用网和使用网两大类。
四.按传输技术分类
1.广域网
仅由一条信道，供网络上所有机器的共享，这种网络又成为多点网，它采用多点传输技术，一个机器发送数据，其他都能收到。
2.点到点网
每条信到连接两个机器，保证两台机器独立崭信道带宽。
五.按业务范围分类
军事指挥网，情报检索网，气象监测网，教育网，航空订票网，铁路调度网，金融清算网。
1.4.计算机网络的功能和应用
1.4.1网络的功能
计算机的网络功能很多，归纳起来如下：
1．资源共享。
包括硬件资源共享：
如cpu共享，硬盘共享，打印共享等；
软件资源共享：
如数据库共享，应用软件共享。
2.提供通信手段。
如E-mail.
3.提高可靠性。
如一台机器失效了，可用网络上另一台机器担任它的处理任务；某台机器中的文件被破坏了，可通过网络其他的计算机中找到该文件的副本。
4.节约费用。
微机或小型机比大型机具有更高的性能价格比。
5.便于扩充。
6.分担负荷及协同处理。
不同的网络所提供的网络服务也不尽相同，一般来讲，网络可为用户提供如下服务：
1.文件服务。
包括：
文件传输服务
文件共享服务：
多个用户可以使用同一个文件。
文件管理服务：
好像各自单独使用一样。
（并发控制，安全性控制，文件的复制和备份）
2.电子邮件服务
3.打印服务
4.数据库服务
5.远程登陆服务。
（Telnet）：
实际上是CPU共享，又称为虚拟终端。
6.WWW服务
1.4.2计算机网络的应用
社会各行各业无处没有。
例：
企业利用计算机网络实现生产过程控制，销售，管理，决策等。
民航.铁路系统利用网络实现预定票业务。
教育部门可利用计算机网络进行远程教育。
就业系统利用网络实现电子贸易。
第二章计算机网络协议和网络体系结构
2.1什么叫网络系协议
根据前述的计算机网络定义，网络上的各独立的计算机系统无主从之分，可以说是“群龙无首”，但也不是“无法无天”，他们必须事先遵循事先约定好的“协议”，互相交换数据，共享资源，那么，这种协议究竟是什么呢？
网络协议：
为保证网络中的计算机之间有条不紊的进行数据交换，合理的共享资源，各独立的计算机系统必须严格的遵循事先约定好的一套套的通信规程，包括严格规定要交换的数据形式。
控制信息的格式和控制功能，以及通信过程中事件执行的次序等。
这些通信规程称之为网络协议。
让我们先看一个非常熟悉的例子，也许会有助于你理解网络协议的概念。
假设又一个中国任何一个德国人准备进行异地通话。
要顺利的完成本次通信，双方必须共同遵守如下“协议”：
1.双方在交谈内容上达成一致，即均对谈话内容感兴趣。
2.双方说用的语言必须转换成彼此能够听懂的第三国语言。
3.利用何种通信系统实施语言信号的传输。
计算机网络的数据交换过程与上述电话通信过程非常相似，但远比电话通信复杂。
为了保证网络上数据交换能够顺利完成，各种计算机系统必须遵循更复杂的“协议”。
可能涉及到：
1.通过何种物理传输介质传输数字信号以及如何传输。
2.如何进行数据编码，收/发放如何实现同步。
3.数据传输单元按什么格式组织。
4.谁是发送者？
谁是接收者？
如何控制通信方向，通信费用由谁付。
5.不同操作系统的计算机之间如何进行数据转换。
6.传输过程中是否进行数据加密，如何加密？
7.通过网络的那条路径进行传输。
8.如何控制网络流量？
9.如何发现和纠正错误，保证接收者正确收到数据。
值得注意的是，如果用一个协议描述计算机网络的整个通信规程，那么这个协议势必会过于庞大，复杂，甚至无法实现，并给网络互联和网络扩展带来很大麻烦。
2.2网络体系结构
为了减少网络设计的复杂性，便于网络互联和扩展，需要将整个网络功能划分微若干各层次，每个层次只完成某种特定功能，并有一个特定的协议来描述如何实现这个功能。
这种分层结构及其协议的集合称为网络体系结构。
现在，再看看前面两个人打电话的例子。
按照分层结构的思想，将整个通信功能划分为三层：
计算机网络体系结构：
p.17.图1.8.
1.除物理层上进行真正的物理通信外，其余各对等层实体间都是进行虚拟通信。
2.对等层的虚拟通信必须遵顺该层协议。
3.n-1层为n层提供服务。
N层直接使用n-1层提供的服务，间接使用n-2,n-3,…….层提供的服务。
对等层虚拟通信只要能够获得下一层的足够支持，这种虚拟通信就能转成实际通信。
4.层与层之间忽视黑匣子。
当某一层具体实现方法更新时，只要保持层间接口不变，就不会影响邻层。
2.3OSI参考模型
尽管现代计算机网络都采用分层结构，但不同的网络厂亦采纳的网络体系结构的层次不尽相同。
每层结构的功能也尽不相同，层与层之间的接口标准也不相同，因此给网络互连带来了很大的麻烦。
在此情况下，ISO（InternationalStandardOrganization）以IBM的SNA（SystemNetworkArchitecture）为背景，于1977年制定了开放系统互连标准，简称为OSI.。
ISO制定着一个标准的宗旨是任何一种计算机系统，无论它位于世界上任何地方，只要符合OSI标准，就能与另一遵循OSI标准的计算机系统互连通信。
这就像电话一样。
任何一台又入网证的电话机都可以在世界上任何地方和世界上其他地方电话通信。
OSI参考模型将整个网络功能划分为七层（所以又成为七层协议），并定义了每层功能及层间接口的标准。
结构P.17.图1.8所示。
OSI参考模型的各层功能如下;
1.物理层：
保证二进制位流在物理介质上传输，而不是这些位流的信息含义。
2.数据链路层：
保证数据在相邻的节点见透明传输。
3.网络层：
保证报文分组在源—目的节点之间透明传输。
4.传输层：
保正报文在源主机进程—目的主机进程之间的透明传输。
5.会话层：
为两个会话建立通信伙伴关系。
通信方向控制（弹工，半双工，全双工）谁是发送者？
谁是接收者？
谁付费？
如何进行故障点恢复等。
说明：
什么叫会话？
（Session）
loginusername
loginpassword
Session….….
logout
一个Session可能持续很长时间。
1.表示层：
进行数据格式转化（不同操作系统间）
数据加密/解密
数据压缩/解压
2.应用层：
为用户提供各种网络服务。
包括围歼服务，电子邮件服务，数据库服务，WWW,BBS,News,DNS等。
在这七层中，1—4层完成网络通信，5—7层完成数据处理。
说明：
尽管OSI参考模式是国际标准化组织制定的，并且当时大多数专家认为OSI模型及其协议将取代其他结构。
然而，这并未成为事实上OSI参考模型从来就没有流行过，其原因是：
1.当OSI出现时，TCP/IP易被广泛的应用，很多开发商以已经谨慎的交付TCP/IP产品，他们不愿意在支持第二种协议集（体系结构）。
2.OSI参考模型的服务定义和协议都极其复杂，打印出来的文档堆起来一大叠。
直到现在，它很难读懂，实现他也很困难操作效率低。
3.糟糕的等级。
TCP/IP很早就移植到UNIXDE内核。
而50年代，UNIX很受学术界的宠爱。
另一方面，OSI则被认为是欧洲电信部门.欧洲体以及美国政府的产物。
尽管这种认为不完全正确，但这样一堆政府官僚试图将技术有缺陷的标准强加给可怜的研究人员，这对推动计算机网络的发展不是无意义的。
2.4Internet参考模型
Internet参考模型又成为TCP/IP参考模型，因为该参考模型中两个核心协议为TCP/IP协议。
顾名思义，Internet参考模型就是Internet采用的网络体系结构。
Internet是由许多网络互连而成的，所以专门设立了互联网络。
Internet参考模型入p.22图1.11所示。
Internet参考模型供划分为四个层次：
一、应用层：
大体对应OSI参考模型的应用层，表示层，会话层。
该层协议主要包括:
●FTP（文件传输协议）
●SMTP（简单报文传输协议）
●TELNET（远程网络登陆协议）
●DNS（域名服务）
●HTTP（超文本传输协议）
二、传输层：
大体上对应OSI的传输层。
该层协议主要包括：
TCP（传输控制协议）:
Transmissioncontrolprotocol它是面向连接的协议，将报文以字节流形式从一台机发到另一台机器。
他把输入的字节流分成报文段并传递给互连网层。
UDP（用户数据报协议）:
UserDatagramprotocol它是一个不可靠的，无连接的协议。
适用于只有一次的客户服务的请求—应答查询，以及快速递交比准确递交更重要的应用程序。
三、互连网层:
大体上对应OSI的网络层。
该层的主要协议是IP,IP（INTERNETPROTOCOL）是Internet体系结构的核心协议。
IP协议的功能就是要把IP分组以数据报方式发送到应该去的地方。
路由选择和流量控制是这里的主要设计方向。
子网层。
四、子网层：
大体上对应OSI的物理层和链路层。
Internet体系结构对该层没有规定，这就意味着Internet体系结构的低层是开放的，只要主机能够使用某种协议域网络连接，并能够在器上传递IP分组就可以了。
因此，Internet体系结构几乎支持任何一种子网，如包括：
●Ethernet（802.3）
●Token（802.5）
●FDDI
●PPP
●SLIP
●TokenBus（802.4）
●快速以太网
●千速以太网
第三章物理层
物理层的功能：
在物理传输介质上传数比特流。
简单的手，一旦发出“o”或“1”,对方能够正确接受并能识别。
物理层的功能由物理层协议描述并实现为了在传输介质上建立，维持和终止物理连接，以及传输比特流，物理层协议涉及到物理连接的机械，电气，功能和过程特性。
如：
1.采用何种传输介质。
2.信道采用多少更导线，相应的扦头和扦座机械形状和大小机扦脚数？
3.什么电信号代表“1”？
什么电信号代表“0”？
4.每秒传输多少个bits
5.最初如何建立连接，传输完毕后又如何拆除连接。
本章就上述问题进行讨论。
3.1数据通信基础
3.1.1通信系统模型
信源的作用：
把各种信息转换成原始电信号，如：
计算机，中断，FAX，电话机等。
交换器：
将远市电信号转换成适合在信道上传输的信号，如MODEM,TA,光电转换器等。
信道：
传输信号的一条通路。
通常一条物理线路可构成一个或多个信道。
噪声源：
信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰。
如：
热噪声，闪电，强电磁场干扰等。
上面给出的单向通信系统模型，实际中的通信系统很多都是双向的。
此时，信道可进行双向传输，信源和信宿会成一体，变换器和反变换器合成一体。
3.1.2模拟通信与数字通信.
用户可通过计算机网络交换信息，而信息最终是以数据形式表示。
如计算机用二进制数据表示信息。
数据以电信号，电磁信号或光信号通过通信线路进行传输。
信号分为模拟信号：
信号在传输过程中连续变化。
数字信号：
信号在传输过程中离散变化，及脉冲序列。
v
模拟信号数字信号
模拟通信：
利用模拟信号来传输数据称为模拟信号。
数字通信：
通过数字信号来传输数据称为数字通信。
与模拟通信相比，数字通信有以下的优点：
1.抗干扰能力强。
2.适合远距离传输。
因为在远距离传输过程中，可通过中继器对信号进行放大，整形，避免由于干扰而产生的积累效应。
3.安全保密性好。
可采用复杂的家米技术对数字信号进行加密处理，有效的防止非法者窃取信息。
4.适合多媒体信息传输。
文体，语言，图像等信息都可以统一转换成数字信号进行传输。
3.1.3信号带宽
根据付利叶分析，一个有限时间T内的数字信号，可以看成一个一次时间T为周期，周期函数F（t）,此函数可展开成付利叶级数。
其中：
，称为基波频率（即一次谐波频率）；
（直流分量）
（n次谐波的正弦振幅值）
（n次谐波的余弦振幅值）
为n次谐波的均方根振幅值，它和n次谐波的能量成正比。
信号的带宽：
信号能量所集中的频率范围（频谱）。
例如，语音信号占用的频率谱为300—3400Hz,那么带宽为3400—300=3000Hz
对于数字信号，则带宽H可近似的表示为：
H=1/τ,（τ为脉冲宽度）
显然，脉冲越窄，信号占用的带宽越大。
3.1.4信道
信道:
传输信号的一条通路。
信道通常由物理传输介质和通信设备（如MODEM,?
?
均衡器）组成。
值得注意的是信道与物理线路不完全等同，在实际通信中，一条物理线路可同时复用多条信道。
衡量信道的质量的两个主要参数：
一．道的带宽和信道的最大数据速率。
信道带宽：
信道允许传输信号的频率范围称为信道的带宽（或叫做通频宽）单位为Hz.
例如：
普通的电话道是道频带宽是300—3400Hz,这就是说频率低于300Hz或高于3400Hz的信道不能直接通过电话信道。
新道的数据速率：
信道每秒最多传输的二进制位数。
单位为bps.
奈奎斯特定理：
（1924年）对无噪音信道，则C=2Hlog2L（bps）
其中，C为信道最大数据传输率（即容量）；
H为信道的带宽；
L为数字信号的离散取值数目。
若对二进制数字信号，则
C=2H（bps）
香农定理：
对有噪音信道，则
C=Hlog2（1+S/N）
其中，S为信号功率，N为噪音功率，S/N为信噪比。
通常，我们用带宽来表示是模拟信道的容量，数据数率来表示数据信道的容量.带宽与数据速率之间的关系可有奈奎斯特定理和香农定理描述。
波特率:
由称为码元速率，它是值每秒传输码元的数目，单位为波特（BAND）.
注：
码元市数字信号传输的基本单位。
若码元的离散取值数目为L，波特率为B，数据率为C，则：
C=Blog2L
二．误码率
误码率：
数据信号比特（二进制位）在传输过程中出错的概率。
P=Ne/N
P为误码率；Ne为出错的比特率；N为传输的总比特率。
3.1.5物理传输媒体（通信介质）
一、双绞线。
双绞线由两根绝缘的铜先绞在一起。
双绞线非屏蔽双绞线（UTP）三类UTP
五类UTP
屏蔽双绞线（STP）:
150ΩSTR。
3类UTP:
100Ω,100m,10Mbps.用于10BASE-T
五类UTP:
100Ω,100m,100Mbps.用于100BASE-T
三类与五类双绞线的主要区别在于：
五类绞得太紧，一般每一英寸3—4次；三类绞的较松，每英尺3—4次。
二．同轴电缆
同轴电缆的基础构造是两个导体按“同轴”形式组成。
如P.52.图2.5所示，同轴电缆中央是一根铜导线，外报一层绝缘材料（泡沫塑料），这层绝缘材料又被第二层网状导体裹住，以屏蔽外界电磁干扰。
同轴电缆基带同轴电缆（5
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