计算机网络讲义Word格式文档下载.docx
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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
计算机网络与互联网的发展历史，计算机网络的标准化工作及相关组织如IETF，RFC等。
网络发展三阶段：
面向终端的网络；
计算机－计算机网络；
开放式标准化网络。
1.面向终端的计算机网络
以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机网络。
用一台中央主机连接大量的地理上处于分散位置的终端。
如50年代初美国的SAGE系统。
为减轻中心计算机的负载,在通信线路和计算机之间设置了一个前端处理机FEP或通信控制器CCU专门负责与终端之间的通信控制,使数据处理和通信控制分工。
在终端机较集中的地区，采用了集中管理器（集中器或多路复用器）用低速线路把附近群集的终端连起来,通过MODEM及高速线路与远程中心计算机的前端机相连。
这样的远程联机系统既提高了线路的利用率，又节约了远程线路的投资。
2.计算机－计算机网络
60年代中期，出现了多台计算机互连的系统，开创了“计算机－计算机”通信时代，并存多处理中心，实现资源共享。
美国的ARPA网，IBM的SNA网，DEC的DNA网都是成功的典例。
这个时期的网络产品是相对独立的，未有统一标准。
3.开放式标准化网络
由于相对独立的网络产品难以实现互连，国际标准化组织ISO（InternationStandardsOrganization）于1984年颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”的国际标准ISO7498，简称OSI/RM。
即著名的OSI七层模型。
从此，网络产品有了统一标准，促进了企业的竞争，大大加速了计算机网络的发展。
（二）计算机网络体系结构与参考模型
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。
ISO/OSI参考模型
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包括了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象。
OSI的体系结构定义了一个七层模型，用以进行进程间的通信，并作为一个框架来协调各层标准的制定；
OSI的服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语；
OSI各层的协议规范，精确地定义了应当发送何种控制信息及何种过程来解释该控制信息。
需要强调的是，OSI参考模型并非具体实现的描述，它只是一个为制定标准机而提供的概念性框架。
在OSI中，只有各种协议是可以实现的，网络中的设备只有与OSI和有关协议相一致时才能互连。
TCP/IP模型，重点是相关的术语（SDU、PDU、IDU及SAP），比较TCP/IP网络体系结构与OSI/RM的异同点，OSI/RM的信息流动过程。
【教学重点和难点】ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型
【典型习题讲解】TCP/IP模型
第二学时：
物理层
（一）通信基础
信道、信号、宽带、码元、波特、速率等基本概念：
1）数据传输速率--每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。
计算公式:
S=1/T*log2N（bps）
式中T为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码）或重复周期（归零码）单位为秒；
N为一个码元所取的离散值个数。
通常N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。
N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。
2）信号传输速率--单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。
B=1/T（Baud）
式中T为信号码元的宽度，单位为秒．信号传输速率,也称码元速率、调制速率或波特率。
可见：
S=B*log2N （bps）或B=S/log2N （Baud）
3）信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：
位/秒（bps）
信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传
输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。
像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。
4）离散的信道容量
奈奎斯特（Nyquist）无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：
B=2*H
（Baud）
奈奎斯特公式--无噪信道传输能力公式：
C=2*H*log2N（bps）
式中H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz；
N为一个码元
所取的离散值个数。
5）连续的信道容量
香农公式--带噪信道容量公式：
C=H*log2（1+S/N）（bps）
式中S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比，通常把信噪比表示成10lg（S/N）
分贝（dB）。
阐述数据传输的几种方式（四种），多元调制、PCM（脉冲编码调制）、抽样定理及其计算，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
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.
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
1.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。
2.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。
1.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。
2.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。
4.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。
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.有线传输媒体
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。
铜质线芯，传导性能良好。
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。
可用于点到点连接或多点连接。
对于局域网，速率100Kbps,可传输1公里；
速率10Mbps--100Mbps,可传输100米。
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。
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。
单根同轴电缆直径约为1.02-2.54cm，可在较宽频范围工作。
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
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。
能力比双绞线强。
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。
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。
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。
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。
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。
2.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。
（三）物理层设备中继器，集线器，重点比较其功能和性能的区别。
【教学重点和难点】带宽，速率的概念，电路交换、报文交换与分组交换的区别，中继和集线的区别
【典型习题讲解】带宽，速率的计算
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。
（二）组帧
（三）差错控制检错编码和纠错编码的基本原理的算法解析
用以使发送方确认接收方是否正确收到了由它发送的数据信息的方法称为反馈差错控制。
通常采用反馈检测和自动重发请求（ARQ）两种基本方法来实现。
1.反馈检测法
反馈检测法也称回送校检法或“回声”法，主要用于面向字符的异步传输中，如终端与远程计算机间的通信。
这是一种无须使用任何特殊代码的差错检测法。
双方进行数据传输时，接收方将接收到的数据（可以是一个字符，也可以是一帧）重新发回发送方，由发送方检查是否与原始数据完全相符。
若不相符，则发送方发送一个控制字符（如DEL）通知接收方删去出错的数据，并重新发送该数据；
若相符，则发送下一个数据。
反馈检测法原理简单，实现容易，也有较高的可靠性。
但每个数据均被传输两次，信道利用率很低。
这种差错控制方法一般用于面向字符的异步传输中，因为这种场合下信道效率并不是主要矛盾。
2.自动重发请求法（ARQ法）
实用的差错控制方法，既要传达室输可靠性高，又要信道利用率高。
为此可使发送方将要发送的数据帧附加一定的冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据帧进行差错检测，若发现错误，就返回请求重发的应答，发送方收到请求重发的应答后，便重新传送该数据帧。
这种差错控制方法就称为自动重发请求法（AutomaticRepeatreQuest），简称ARQ法。
ARQ法仅需返回少量控制信息，便可有效地确认所发数据帧是否正确被接收。
ARQ法有几种实现方案，空闲重发请求（IdleRQ）和连续重发请求（ContinuousRQ）是其中最基本的两种方案。
（1）空闲重发请求（IdleRQ）。
空闲重发请求方案也称停等（StopandWait）法，该方案规定发送方每发送一帧后就要停下来等待接收方的确认返回，仅当接收方确认正确接收后再继续发送下一帧。
空闲重发请求方案的实现过程如下：
①发送方每次仅将当前信息帧作为待确认帧保留在缓冲存储器中；
②当发送方开始发送信息帧时，随即启动计时器；
③当接收方收到无差错信息帧后，即向发送方返回一个确认帧；
④当接收方检测到一个含有差错的信息帧时，便舍弃该帧；
⑤若发送方在规定时间内收到确认帧，即将计时器清零，继而开始下一帧的发送；
⑥若发送方在规定时间内未收到确认帧，（即计时器超时），则应重发存于缓冲器中的侍确认信息帧。
从以上过程可以看出，空闲RQ方案的收、发送方仅需设置一个帧的缓冲存储空间，便可有效地实现数据重发并确保接收方接收的数据不会重份。
空闲RQ方案最主要的优点就是所需的缓冲存储空间最小，因此在链路端使用简单终端的环境中被广泛采用。
（2）连续重发请求（ContinuousRQ）。
连续重发请求方案是指发送方可以连续发送一系列信息帧，即不用等前一帧被确认便可发送下一帧。
这就需要在发送方设置一个较大的缓冲存储空间（称作重发表），用以存放若干待确认的信息帧。
当发送方到对某信息帧的确认帧后便可从重发表中将该信息帧删除。
所以，连续RQ方案的链路传输效率大大提高，但相应地需要更大的缓冲存储空间。
连续RQ方案的实现过程如下：
①发送方连续发送信息帧而不必等待确认帧的返回；
②发送方在重发表中保存所发送的每个帧的备份；
③重发表按先进先出（FIFO）队列规
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