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MAN2.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。-2-（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──ApplicationLayer6表示层──PresentationLayer5会话层──SessionLayer4传输层──TransportLayer3网络层──NetworkLayer2数据链路层──DataLinkLayer1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。-4-应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层应用层OSI参考模型TCP/IP参考模型传输层互联层主机-网络层对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01001011数据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码-6-5．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