第1章计算机网络通信基础

计算机网络技术（第2版）张基温编著高等教育出版社第1章计算机网络技术基础•1.1计算机网络的基本概念•1.2计算机网络组成与分组交换•1.3信道技术•1.4数据传输控制•1.5计算机网络体系结构1.1计算机网络的基本概念•1.1.1计算机网络及其功能•1.1.2局域网、城域网和广域网•1.1.3计算机网络的主要性能指标•1.1.4计算机网络标准及其相关机构1.1.1计算机网络及其功能•以信息为对象的两种技术——计算机技术和通信技术的结合：通信技术计算机技术计算机网络技术现代通信技术•计算机网络是多台自治计算机系统连接而成的系统–自治计算机：可以独立工作工作的计算机。–连接计算机：•通过传输介质和传输设备建立计算机间的物理上连接，•连通——进行信息交换。计算机网络的功能•（1）信息服务•（2）资源共享•（3）均衡负载，提高计算机系统的可靠性1.1.2局域网、城域网和广域网•1.局域网（localareanetwork，LAN）–局域网(又称局部地域网)指通信距离通常在中等规模的地理区域内（一般在10km范围内）的网络–微微网（piconet）采用蓝牙等技术，以特定方式组成的、位于一个房间内的几台计算机组成的网络。–个人局域网（personalareanetwork，PAN）一般覆盖距离为100m以内。•2.城域网（metropolitanareanetwork，MAN）–信距离一般在5km~50km以内•3.广域网（wideareanetwork，WAN）–跨地区甚至延伸到整个国家和全世界的网络。1.1.3计算机网络的主要性能指标•带宽（bandwidth）带宽指的是可以传输的信号的频率范围。–窄带信道：通频带宽小的信道称为。例如，传统的传输语音的话路的通频带宽为3400-300=3100Hz。窄带信道只适合传输连续的信号，通常称为模拟信道。–宽带信道：通频带宽很宽（一般大于2.5Gb/s）的信道，常常可以在同一传输介质上实现多重（并行）传输的高速数据传输通道。（b）ADSL频谱结构（a）ADSL信道结构表1.1常用量词在计算机领域与通信领域的含义使用领域k/K（千）M（兆）G（吉）T（太）应用举例通信领域1k=1031061091012带宽计算机领域1K=210=1024220=1048576230=1073741824240存储容量、信息量大小•时延（delay）传输总时延=处理时延+发送时延+传播时延•1个字节的数据•用光纤传输100km的距离，则传播时延为100×103/（2.0×105）=0.5s。若在带宽为1Mb/s的链路中传输，发送时延为8×10-6s；不考虑排队处理时延，传输总时延为0.500008s。•若在100Mb/s的链路中传输，发送时延为8×10-4s，不考虑排队处理时延，传输总时延为0.5008s。•一个长度为200MB（这里，1M为220=1048576，1B=8bit）的数据块，要在1Mb/s（这里，1M=106）的链路中传输，则发送时延不能超过200×1048576×8/106=1677.8s，既必须在不超过近半小时的时间内把这个数据块发送完毕。但是若在带宽为100Mb/s的链路上传输，必须在16.7秒内将这些数据发送完毕。服务质量（qualityofservice，QoS）网络服务质量就是当网络出现过载或拥塞时，要保证重要的业务量不被延迟或丢失，并使网络高效运行。1.1.4计算机网络标准及其相关机构•·美国国家标准协会（AmericanNationalStandardsInstitute,ANSI）；•·国际电工技术委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）;•·国际电信联盟（InternationalTelecommunicationsUnion,ITU）;•·电子工业协会（ElectronicIndustriesAssociation,EIA）;•·Internet工程特别任务组（InternetEngineeringTaskForce，IETF）；•·电气和电子工程师协会（InstituteofElectricalandElectronicEngineers,IEEE）；•·国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization,ISO）；•·国家标准和技术协会（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）。•法定标准是经过一些国家或国际公认的标准机构认证并采纳的标准。•事实标准是由于先入为主、垄断等原因形成的被人们无奈或习惯接受的标准。1.2计算机网络组成与分组交换•1.2.1计算机网络三要素：链路、结点和协议•1.2.2分组交换1.2.1计算机网络三要素：链路、结点和协议•1.网络拓扑•2.网络结点•3.协议1.网络拓扑（a）星形网络（b）树形网络（c）环形网络（d）格状网络（e）全互连网络（f）总线形网络（g）环形总线网络（h）无约束形网络•（1）星形结构。•以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的辐射式互连结构，中央结点实施对全网的控制，并分别通过单独的链路与各个外围结点相连接。其拓扑特点是中央结点与多条链路连接，外围结点只与一条链路连接，•（2）树形结构•树形结构实际上是多个星形结构的级联组合。特点是网络中有多个中心结点，形成一种分级管理的集中式网络，适宜于各种管理部门进行分级数据传送的场合。•（3）环形结构•环形结构是把所有结点首尾相连的通信链路连接成环形。其拓扑特点是每一个结点都与两条链路连接。当某一链路有故障时，还可以通过另一条路径进行通信。•（4）网状结构•格状结构是所有结点具有两个或两个以上直接通路的拓扑结构。•全互连结构是所有结点之间都有直接通路的拓扑结构。•（5）总线结构•在总线形结构中各个计算机网络结点的设备用一根总线挂接起来。总线形结构目前在局域网中应用很广，有如下一些特点：–·结点的插入或拆卸方便，易于扩充；–·不需要中央控制器，有利于分布式控制，某个结点发生故障时对整个系统影响很小，网络的可靠性高；–·总线自身的故障对系统是毁灭性的，因而要求较高的安装质量。•当网络的总线首尾相连成闭合的环路时，这种总线形结构称为环形总线结构。•（6）无约束结构•卫星通信和微波通信采用电磁波传输信息。这种结构属无约束形传输结构。2.网络结点•（1）端结点•（2）中继结点•（3）交换结点•（4）路由接点（1）端结点•端结点是进行数据处理的结点。在计算机网络中，端结点具有两种功能：数据处理和通信。–·数据终端设备（dataterminalequipment，DTE）为具有一定数据处理能力的发送、接收设备，可以是计算机或终端设备。–·数据通信设备（datacommunicationequipment，DCE）为通信接口设备，在DTE与传输线路之间提供信号变换及编码功能，并负责建立、维护和释放物理连接，如波形变换器、基带传输器、调制解调器、网络接口卡（networkinterfacecard,NIC）等。端结点结构（2）中继结点•中继结点用于同类网络介质之间的互连，起到信号再生、放大作用。再生就是通过对失真的但仍可以辨认的波形分析，重新生成原来的波形；放大就是将信号衰减了的幅度加以恢复。通过再生和放大能够使网络传输的距离范围得以扩大。中继器的工作原理（3）交换结点•转发—连接的过程称为交换。•交换机构的功能,实际上是将一条输入信道上的数据转送到另外的输出信道上，将输入端口与输出端口对应起来。通过交换结点连接的通信（4）路由结点•路由结点是一种特殊的交换结点。它位于网络之间，起连接网络的作用，属于所连接的网络共有。用路由结点连接网络3.协议•为了通信或联系所制定的约定、规则和标准称为协议。任何通信过程都需要相应的通信协议，其目的是维护通信的有效性、完整性和公平性。•协议包含了所传输信息的格式（语法）、语义和时序（传输的时间顺序）三个方面的约束。•（1）语法•语法是关于信息格式的规定。在计算机网络中传输的信号是一些二进制数字流，为了让系统能够识别这些数字流，需要将信息按一定的格式进行组织和传输。例如，一个数据分组有多长，具体划分为几个字段等。两个不同的网络互连，即当一个数据分组被转换为数字信号以后从一个网络进入另一个网络时，必须进行数据格式的转换，这就需要根据两种网络协议的规定进行数据的分割与组装。•（2）语义•在计算机网络中，传输的数据有用户信息和控制命令两种。语义用来规定命令和应答的含义。•（3）时序•通信中的时序表明通信双方动作之间的时间关系规则。电话的时序关系•①首先主叫方向被叫方发出请求（拨号）；•②接着被叫方听到振铃后拿起话筒；•③然后双方通话。1.2.2分组交换•1.电路交换•在电路交换（circuitswitching或circuitexchanging）方式下通信的双方在进行数据传送之前先要建立一个实际的物理电路连接，连接的电路被通信的一对用户独占，只有通信结束电路释放后，才能被别人使用。简单地说，它要经过3步：建立连接（呼叫）,数据传送,线路拆除（释放）。在通信过程中，交换机为通信双方提供物理电路连接。电路交换的基本过程•电路交换有如下特点：•（1）由于需要连接过程，建立连接需要时间，故适合传输大量数据，而传输少量数据时效率不高；•（2）连接一旦建立，便可以固定的速率传输数据，除了传输延迟外，不再有别的延迟；•（3）一旦连接成功，就建立了一条临时专线，即使不通信，他人也不可使用。2.存储-转发交换•存储-转发交换（store-and-forwardswitching）是一种不要求建立专用物理信道的交换技术。当发送方要发送信息时，应把目的地址先加到报文中，然后从发送结点起，按地址把报文一个结点、一个结点地转送到目的结点；在转送过程中，中间结点要先把报文暂时存储起来，然后在线路不忙时将报文转发出去。报文交换的基本过程报文交换与分组交换•报文大，传输延时就长，不适合传输语音等实时信号；并且,在传输过程中容易因为个别错误而导致整个报文传输作废。•分组交换（packetswitching）,也称包交换。。•在分组交换网中，要先把一个报文分割成规定长度的信息组——分组打包，然后在每个分组上贴上标签——报头，按编号一批一批地将“数据分组”发出去。报文分组3.分组交换的虚电路服务和数据报服务•分组交换有虚电路（virtualcircuit）和数据报（datagram）两种服务方式。（1）虚电路服务虚电路的通信方式虚电路工作时的时序关系虚电路服务过程•①建立虚电路A启动路由算法，选择下一个结点B，并向B发送一个“呼叫请求分组”；接着B也启动路由算法，选择下一个结点C，并向C转发“呼叫请求分组”。于是“呼叫请求分组”沿A→B→C的路径到达目的结点D。目的结点D则沿DC→B→A的路径返回“呼叫应答分组”。至此虚电路建立。•②数据传输A将报文分组打包，不需再加目的主机的全地址，只需带上到B的虚电路号（A对可能到达的每个结点编号）即可，按照该虚电路号将各数据分组发送到B。B如法炮制，将各数据分组发送到C，由C再发送到D。•③拆除虚电路报文传送完毕，A沿A→B→C→D路径发送“释放请求分组”到D；D返回“释放应答分组”，将虚电路拆除。（2）数据报服务•每个分组都加有目的地地址，并且按“各自为战”的策略，依据网络的运行情形各自选择合适的路径，向目的地进发。数据报工作原理示意图1.3信道技术•1.3.1信道的物理介质•1.3.2信道的基本通信模式•1.3.3信道带宽与信道容量1.3.1信道的物理介质表1.2几种传输介质的性能比较性能双绞线同轴电缆（基带）同轴电缆（宽带）光纤地面微波卫星最大传输距离（km）0.32.510010040~50不受限制抗强电干扰性较差高高极高差差安装难易程度易中中较难易易布局多样性好较好较好中好好保密性一般好好极好差差经济性低较低较低较高中较高时延小小小小小大1.双绞线（a）非屏蔽双绞线电缆（b）