计算机网络概述

第一章计算机网络概述第1节计算机网络的产生与发展1.1计算机网络的产生与发展1.1.1远程联机系统阶段调制解调器(modem):把计算机或终端的数字信号变换成可以在电话线路传送的模拟信号以及完成相反的变换。线路控制器:进行串行和并行传输的转换以及简单的差错控制。1.1.2计算机互联系统阶段三种典型的网络交换方式:电路交换、报文交换、分组交换；电路交换：与电话交换原理基本相同。电路交换的缺点是电路的利用率低，双方在通信过程中的空闲时间，电路不能得到充分利用。若所要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用预先分配传输带宽的电路交换较为合适。电路交换过程包含三个阶段：在网络上两个通信节点开始通信前，交换机必须为两个通信节点建立一条通信线路，而且这条线路要从通信开始保持到通信结束；当通信线路建立后，两个通信节点通过这条线路传输数据，此时线路可以全双工工作（即可以同时发送和接收数据）；当通信节点中的任何一方结束通信时释放这条通信线路。由于在电路交换中，在通信两方进行通信的所有时间内始终占用了端到端两个节点的固定传输带宽，所以电路交换是一种面向连接的通信方式。报文交换（messageswitching）指在通信过程中不需要在信源和信宿之间建立一条专用线路，而是当信源在发送数据时，将信宿的目标地址添加到原始数据（报文）上，然后这个经过处理的数据传向网络中的下一个中间节点，中间节点会储存所有的数据再转发到另一个中间节点，另一个中间节点重复这个储存转发的过程，直到中间节点与信宿建立联系后数据才会传输到信宿，这种存储-转发（storeandforward）的传输方式就是报文交换方式。报文通常是指要发送的整块数据；由于一个报文的数据量较大，不便于计算机网络的传输，所以报文在计算机网络中发送之前首先分成一个个更小的大小相等的数据段（例如，每个数据段为1024bit）。为了便于接收方数据的恢复，所以在每个数据段的前面都要加上一个首部（header），这样便构成了一个分组（packet），如图所示；分组又称为包，分组的首部也称为包头，分组交换也称为包交换分组交换（packetswitching）就是数据在传输之前被分成多个很小的有一定长度的数据单元，这种数据单元称为分组，每个分组上都有信源和信宿的地址，并且会按照在原数据中的位置进行编号。分组交换是基于标记（label-based）的数据交换方式。另外，在分组交换网络中，通信时不必事先建立一条连接，而是随时将分组传送到网络进行传输，所以分组交换是非面向连接的。电路交换、报文交换及分组交换的比较试分析传统的电路交换为什么不适合计算机网络通信？计算机的数据是突发式地和间歇性地出现在传输线路上，而用户应支付的通信线路费用是按占用线路的时间计算的。呼叫等待时间也太长。分组交换技术费用比使用电路交换更为低廉。结点分组交换机的主要任务是：负责分组的存储、选择路由、转发。采用存储转发的分组交换，实质上是采用了断续或动态分配传输带宽的策略。1.1.3第三代-标准化系统阶段1.1.4网络互联系统阶段第2节计算机网络的基本概念计算机网络最简单的定义:一组互相连接的、自治的计算机的集合。一个计算机网络应当有三个主要的组成部分：(1）若干个主机，它们向各用户提供服务；（2）一个通信子网，它由一些专用的通信处理机（即通信子网中的结点交换机）和连接这些结点的通信链路所组成；（3）一系列的协议。这些协议是为在主机和主机之间或主机和子网之间或子网中各结点之间的通信而用的。协议是通信的双方事先约定好的和必须遵守的规则。第3节计算机网络分类按距离划分广域网（远程网）WAN局域网LAN城域网MAN按通信介质划分有线网：采用如同轴电缆、双绞线、光纤等物理介质来传输数据的网络。无线网：采用卫星、微波等无线形式来传输数据的网络。无线有线混合网络。按数据交换方式划分直接交换网：首先申请物理通道，建立通过后，整个时间双方始终独占信道。存储转发交换网：先将数据在交换装置控制下缓冲器中暂存，并可对存储的数据进行一些必要处理，当空闲时，再将数据发送出去。存储转发又分：报文交换和分组交换。混合交换网。按使用范围划分(公用网专用网）按配置划分同类网：又称对等网。每台计算机即是服务器，又是工作站。单服务器网：在一个网络中，只有一台是服务器，其余电脑均为工作站。混合网。按信息容量划分基带网络和窄带网络：在网络中传输的信号就是信源发出的原始编码信号。窄带网络：=64Kbit/s的网络。宽带网络：同时能够传输多路信息，每路信息使用不同频率范围。按通信传播方式划分点对点传播方式网：点对点传播方式网是以点对点的连接方式，把各个计算机连接起来的。这种传播方式的主要拓扑结构有：星形、树形、环形、网形。广播式传播方式网：广播式传播方式网是用一个共同的传播介质把各个计算机连接起来的。主要有：以同轴电缆连接起来的总线形网；以微波、卫星方式传播的广播形网。按通信传播方式划分点对点传播方式网这种传播方式的主要拓扑结构有：星形、树形、环形、网形。广播式传播方式网主要有：以同轴电缆连接起来的总线形网；以微波、卫星方式传播的广播形网。按网络控制方式分类（集中式分布式）按拓扑结构划分主要有总线形、星形、环形、树形、全互联形和不规则形几种。第三节计算机网络的应用第2章数据通信技术2.1.3带宽与信道容量图2-7（a）所描述的信号是一个简单的函数，虽然这种简单的正弦三解函数无法准确表示常见的模拟信号，但它却反应了一个模拟信号的特性：频率、振幅和相位。如果一个信号在连续的时间内会不断重复某一个模式，那么把其中一次循环所使用的时间称为一个周期，将描述此变化的函数称为周期函数。频率是单位时间内信号的振荡次数，其单位是HZ（赫兹）。如果频率为f，周期为T，则f=1/T。振幅表示信号的振荡峰值。因为函数的值域为[-1，1]，所以函数的值域为[-A，A]，如图2-7（c）所示，其振幅为-A和和A。改变一个信号的最后一种方式是改变它的相位。相位描述的是信号在一个周期中所处的不同阶段，在图像上相位表示了函数图形的水平移动距离，例如的图形便是将的图形向左移动k个单元的距离，如图2-7（d）所示。为了描述信号的共同特性，著名法国数学家吉·傅里叶（JeanBaptisteFourier）提出了一个定理：任何一个周期函数都可以表示成无数个具有不同振幅、频率和相位的正弦函数的和，这个和称为傅里叶级数（FourierSeries）。傅里叶级数的特点是：无论周期函数多么复杂，总可以表示为多个正弦函数的和。傅里叶级数告诉我们：任何一个可用周期函数表示的信号都是由具有不同的频率、振幅和相位的正弦函数（或余弦函数，因为正弦与余弦函数之间可以进行互换）相加后的和。带宽：带宽是指通信信道的容量。信道带宽也分为模拟信道带宽和数字信道带宽两种。2.2数据传输的基本形式2.2.2基带传输网络上信号传输方式分为基带传输、频带传输和宽带传输，可传输数字信号和模拟信号。基带是指调制前原始信号所占用的频带，是原始电信号所固有的基本频带。在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输，基带传输的信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号，具体类型由信源决定。采用基带传输技术的系统称为基带传输系统。2.2.2频带传输频带传输就是把基带数字信号经过调制，变换成模拟信号后在公共电话线上传输。频带传输是一种模拟传输，但频带传输却与传统的模拟传输不同。宽带传输对于局域网来说，宽带是指专门用于使用模拟信号传输的同轴电缆，通常还指可以在传输介质上进行频分多路复用方式的传输技术。由于数字信号的频带很宽，必须先将其转换成模拟信号后才能在宽带网络中传输。宽带网络中的多条信道，通常采用频带传输技术，传输的是模拟信号，所以宽带传输系统属于模拟信号传输系统2.4.2同步传输与异步传输1．同步传输同步传输（SynchronousTransmission）也称同步通信，它采用的是位同步（即按位同步）技术，以固定的时钟频率来串行发送数字信号。（1）外同步外同步就是发送端在发送数据之前先向接收端发送一串用来进行同步的时钟脉冲，接收端在收到同步信号后对其进行频率锁定，然后以同步频率为准接收数据。（2）自同步自同步就是发送端在发送数据时将时钟脉冲作为同步信号包含在数据流中同时传送给接收端，接收端从数据流中辨别同步信号，再据此接收数据。在自同步传输中，接收端是从接收到的信号波形中获得同步信号，所以称为自同步。2．异步传输异步传输(AsynchronousTransmission)也称异步通信，它采用的是“群”同步的技术。在这种技术中，根据一定的规则，数据被分成不同的群，每一个群的大小是不确定的，也就是说每个群所包含的数据量是不确定的。这种技术是在位同步基础上进行的同步，它要求发送端与接收端在一个群内必须保持同步，发送端在数据的前面加上起始位，在数据的后面加上停止位，如图所示。接收端通过识别起始位和停止位来接收数据。2.6.3奇偶校验码奇偶校验是最常用的差错检测方法，也是其他差错检测方法的基础。其原理是在7bit的ASCⅡ代码的最后一位增加1bit的校验位，使新组成的8bit单位中的“1”的个数成奇数（奇校验）或成偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位（包括校验位）出错，则接收端按同样的规则就能发现错误。奇偶校验分为水平奇偶校验、垂直奇偶校验和水平垂直奇偶校验三种。2.6.4循环冗余校验循环冗余校验码（CyclicRedundancyCheck，CRC）是一类重要的线性分组码，又称为多项式码。利用CRC进行检错的过程可简单描述为：在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码(CRC码)，附在原始信息后边，构成一个新的二进制码序列数共k+r位，然后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。2.6.5海明码第3章ISO体系结构3.1.1OSI参考模型的分层特点3.3.1数据链路层的概念通过一些数据链路层协议（或链路控制规程），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。1．链路与数据链路链路是数据传输中两个节点间一条无源的点到点的物理线路段，链路间不存在其他交换节点（如交换机、路由器）。将网络中连接两台计算机之间的多个通信链路也称为通路。把用来实现控制数据传输规程的一些硬件和软件加到链路上就构成了数据链路。2．帧与报文在本书第2章中我们曾介绍过报文和分组之间的关系，其中分组是一个位于OSI第三层（网络层）的概念，当分组要OSI的第二层（数据链路层）时称之为帧3.3.4通信控制规程（面向字符型和面向比特型）1．面向字符型面向字符型即在链路上所传输的数据必须是由规定字符集（如ASCⅡ码）中的字符组成，而不能使用其他的字符。另外，在链路上传输的控制信息也必须由同一个字符集中的某些指定的控制字符组成。面向字符的通信控制规程具有以下的特点：以字符为信息传输的基本单位，且规定：用于传输控制信息的控制字符不允许在用户信息中出现，以避免产生控制信息和用户信息的混淆；采用指定的编码，如ASCⅡ码等；允许使用同步和异步传输方式；差错控制采用反馈重发方式，差错控制编码通常采用水平垂直寄偶校验；发送方式采用应答确认方式；多采用半双工通信方式，也可以采用全双工通信方式。面向字符通信控制规程的效率较低，可靠性较低，在计算机网络的发展过程中曾起到了重要作用，目前还在一定的范围内在使用。2．面向比特型随着计算机网络技术的发展以及应用范围的不断拓宽，面向字符型的通信控制规程在许多方面已无法适应新业务的应用需求。20世纪60年代末出现了面向比特型的通信控制规程。与面向字符型的通信控制规程相比，面向比特型的通信控制规程具有很大优点，具体如下：在面向比特型的通信控制规程中，报文的数据和控制信息完全独立，具有良好的透明性；差错检验一般采用纠错方式，可靠性较强；在链路上可进行信息的双向发送，传输效率较高；信息的传输都采用统一的格式，以帧为单位进行，控制简单。3.3.8面向比特型的通信控制规程HDLCHDLC具有以下的主要特点：DHCL协议不