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计算机网络基础免费分享
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第一章计算机网络概述
<一>计算机网络概述
1.计算机网路是计算机技术和通信技术紧密结合的产物。
2.计算机网络的定义:
是把分布在不同地理位置的计算机、终端、通过通信设备和线路连接起来,以功能完善的网络软件,实现互相通信及网络资源共享的系统。
3.计算机网络功能:
资源共享、信息传输、集中处理、负载均衡与分布处理和提供综合信息服务。
4.计算机网络的演变(四个阶段):
A.面向终端的计算机网络
优点:
降低成本,达到资源共享
缺点:
随着所连远程端数目增加,主机的负荷加重,系统效率下降;线路利用低,费用也比较高
B.具有通信功能的多机系统
通信控制处理机CCP
前端处理机FEP
C.计算机网络
典型代表是Internet的前身ARPA网
D.局域网
典型代表是以太网,令牌环网
5.网络发展的里程碑:
开放系统互连参考模型OSI/RM
超文本系统WWW
国家信息基础设施NII
6.三金工程:
金桥、金卡、金关
7.四大全国范围的公用计算机网络:
A.中国公用计算机互联网
由中国电信负责,由主干网和接入网组成
B.中国金桥信息网
即金桥工程,以吉通通信,由地面光纤网和卫星网组成
C.中国教育和科研计算机网
是一个公益性网络,由主干网、地区网和校园网三级结构组成
D.中国科学技术网
8.计算机网络的分类:
A.按覆盖范围分类:
广域网(WAN)
特点:
分布范围广,一般从数公里到数千公里
局域网(LAN)
特点:
地理范围有限,规模较小,一般不超过十公里
城域网(MAN)
特点:
从几十公里到上百公里
B.按通信速率分类:
低速网(广域网)
中速网
高速网(局域网)
C.按带宽分类:
基带网络(局域网)
宽带网络(中速网)
D.其他分类方法:
按网络协议分类
按网络操作系统分类
9.计算机网络的组成
在逻辑上:
通信子网和资源子网
在媒体上:
无线和有线
10.衡量网络的性能最主要的参数是带宽和延迟。
<二>计算机网络的拓扑结构
1网络拓扑的概念:
将网络中的计算机及通信设备看成点(节点),将传输看成线(与设备无关),以拓扑学的方法来研究,计算机网络的连接方式。
2.通信子网的信道类型:
点到点式网络(称多点共享)
广播式网络
3.计算机网络的拓扑结构
A.总线(Bus)型结构
适用于局域网;典型代表:
共享式以太网
优点:
结构简单,价格低廉、安装使用方便;连线总长度小于星型结构,若需增加长度,可通过中继器增加一个网段;可靠性高,网络响应速度快;设备少,价格低,安装使用方便;共享资源能力强,便于广播式工作。
缺点:
是故障诊断和隔离比较困难,总线任务重,易产生冲突和碰撞问题。
B.环型(Ring)结构
适合于实时信息处理系统和工厂自动化系统;典型网络:
光纤分布式数据接口FDDI
优点:
信息在网络中沿固定方向流动,俩个节点间仅有唯一通路,简化了路径选择控制;控制软件较简单,传输延迟固定,实时性强,传输速率高,传输距离远,容易实现分布式控制。
缺点:
是由于信息是串行通过多个节点,当节点过多时,会影响传输效率,使用网络响应时间变长;环节点的加入和撤出过程复杂,由于环路封闭,环的某处断开会导致整个系统失效。
C.星(Star)型结构
用于局域网
优点:
通信协议简单,单个站点故障不会影响全网,结构简单,增删节点及维护管理容易;故障隔离和检测容易,网络延迟时间较短;一个端点或链路的故障不会影响到整个网络。
缺点:
是每个站点需要有一个专用链路连接到中心节点,成本较高,通信资源利用率低;网络性能过于依赖中心节点,一旦中心节点出现故障将导致整个网络崩溃。
D.树(Tree)型结构
是层次化结构;适用于分组管理的场合和控制型网络;内部网大都采用这种结构
优点:
结构比较简单,成本低;网络中任意俩个节点之间不产生回路,每个链路都支持双向传输;扩充节点方便灵活。
缺点:
是除叶节点及其相连的链路外,任何一个节点或链路产生故障都会影响网络系统的正常运行;对根节点的依赖性大,若根节点发生故障,则全网不能正常工作。
E.网状(Mesh)结构
又称分布式结构;用于广域网
优点:
具有较高的可靠性。
缺点:
是由于各个节点通常和多个节点相连,结构复杂,需要路由选择和流控制的功能,网络控制软件比较复杂,硬件成本较高,不易管理和维护。
F.卫星通信网络的拓扑结构
G.混合型拓扑结构
<三>网络协议和标准化组织
1.协议:
是预先规定的格式或约定。
2.网络协议:
是指网络中计算机、设备之间相互通信和进行数据处理及数据交换而建立的规则(标准或规定)。
3.协议三要素:
A.语法
B.语义
C.时序
4.标准化组织
国际标准化组织(ISO)
国际电信联盟-电信标准化部(ITU-T)
美国国家标准化协会(ANSI)
电气电子工程师协会(IEEE)
(美国)电子工业协会(EIA/TIA)
贝尔(Bell)中心
国际电子技术委员会(IEC)
国家标准和技术协会(NIST)
Internet标准化组织
<四>计算机网络体系结构
1.计算机网络体系结构CAN:
分层及其协议的集合。
2.分层结构的优点:
易于实现和维护;
各层都可以选择最合适的实现技术;
灵活性好,有利于技术进步和模型的改进;
易于交流、理解和标准化。
3.分层原则:
层数适中;
层间接口要清晰,跨越接口的信息量尽可能要少;
4.OSI/RM参考模型(用于局域网)
七层模型从上到下分为:
七层模型中,低三层属于通信子网的范畴,通过硬件;高三层属于资源子网的范畴,通过软件。
A.物理层(PL):
单位:
二进制位
功能:
建立和终止呼叫、控制半双工信道上的信道方向、错误控制、确定应该用多少伏电压表示‘1’和‘0’、信道是全双工还是半双工、连接口有多少个插脚及每一根插脚的用途。
B.数据链路层(DLL)
单位:
帧
功能:
完成数据链路的建立、维持和释放、流量控制、差错控制。
C.网络层(NL)
单位:
数据包(分组)
功能:
路由选择、流量控制、不同网络层协议的网络之间互联。
D.传输层(TL)
功能:
数据的分段和重组。
E.会话层(SL)
功能:
实现各个进程之间的建立、维护和结束会话连接。
F.表示层(PL)
功能:
在网络内部实现不同语句格式和编码之间的转换和表示,为应用层提供服务。
G.应用层(AL)
功能:
文件传输、访问管理、电子邮件服务、查询服务及远程作业登录。
5.TCP/IP模型(用于互联网)
TCP/IP是由一组通信协议所组成的协议簇。
6.TCP/IP体系结构—分级结构(四级)
A.网络接口层
B.网际层
核心协议:
网际协议(IP)
网际控制报文协议(ICMP)
地址解析协议(ARP)
逆向地址解析协议(RARP)
网际组报文协议(IGMP)
C.传输层
端到端的协议:
传输控制协议(TCP)
用户数据报协议(UDP)
D.应用层
协议:
基于TCP的应用层协议
基于UDP的应用层协议
基于基于TCP、UDP的应用层协议
7.IEEE802标准为局域网的每一个节点规定了一个48位的全局地址。
8.IEEE802局域网体系结构
A.物理层
B.数据链路层(俩个子层)
逻辑链路控制(LLC)子层
介质访问控制(MAC)子层
第二章数据通信基础
一.数据通信的基本概念
1.数据:
把事件的某些属性规范后的表现形式,分为模拟数据和数字数据。
2.信息:
按照一定要求以某种格式组织起来的数据。
3.信号:
数据的物理表现,是表达信息的一种载体。
4.信道:
传输信息时信号沿发送端到接收端的通路。
5.通信系统的三个基本要素:
信源,信道,信宿。
6.数据的基本信号单位:
码元。
7.数据通信的技术指标:
衡量网络性能的参数。
8.数据传输速率:
比特率(S),波特率(B)。
B=1/TS=B*log2n(n是指数
9.误码率:
数据位被传错的概率。
10.带宽:
传输信号的最高频率和最低频率之差。
11.延迟:
一个比特从网络的一端传输到另一端。
12.抖动:
同一条路由上发送的一组数据中数据包之间的时间差异。
13.吞吐量:
网络中发送数据包的速率,可用平均速率和峰值速率表示。
14.丢包率:
网络中发送数据包时丢弃数据包的最高比率,
二,数据的编码和调制
1.二进制数字数据的数字信号编码的方法:
1)单极性不归零编码
2)双极性不归零编码
3)双极性归零编码
4)双相位编码------------{曼彻斯特编码和差分曼彻斯特}
2.数字数据的模拟调制
1)幅移键控法(ASK)
2)频移键控法(FSK)
3)相移键控法(PSK)
4)正交调幅(QAM)
3.模拟调制有:
调幅(AM),调频(FM),调相(PM)
三.数据传输方式
1并行传输:
数据以成组的方式在多个并行的信道上同时传输,相应的需要若干根传输线。
2.串行传输:
数据在信道上一位一位的逐个传输,从发送到接收端只需要一根传输线,成本少,易于实现。
3.串行数据信号在传输线上的传输方向有以下三种方式:
1)单工通信(听广播和看电视)
2)半双工通信(对讲机)
3)全双工通信(电话)
4.同步传输:
将一个数据块(一组数据或一个报文)一起发送的。
5.异步传输:
码字之间没有确定的时间关系。
四:
多路复用技术
1.概念:
在同一个物理信道上同时传输多路信号,实现通信信道共享的一套技术。
2.包括:
1)频分多路复用(FDM):
把信道的频谱分割成若干个互不重叠的子信道,各相邻子信道间要留有一个狭长的带宽。
每个发送设备产生的信号被调制成相应的子信道的载波频率,调制后的信号再被组合成一个可以通过通信链路的复合信号。
2)时分多路复用(TDM):
将物理信道按时间分成许多等长的时间片,轮流、交替的分配给多路信源,这样使多路输入信号能共享物理信道。
3)波分多路复用(WDM):
原理与频分多路复用的相似,主要用于光纤通信。
3.三种复用的比较:
1)FDM适用于传输模拟信号,TDM适用于传输数字信号,WDM传输的是光波信号。
2)TDM设备比FDM设备易于实现
3)TDM比FDM传输速率高
4)TDM中多路信号只需一个Modem,而FDM中每路信号均需要一个Modem
5)FDM通常需要模数转换设备,而TDM具有明显的数字形式,适合计算机直接相连
6)在进行差错控制和校正操作时,TDM比FDM会产生较多的时间延迟。
五.传输介质
1.双绞线(TP):
1)非屏蔽双绞线UTP:
最常用的是3类、5类线
2)屏蔽双绞线STP:
:
传输信号强
2.同轴电缆;能够传输比双绞线更宽频率范围的信号,分为:
1)细缆:
阻抗为50欧
2)粗缆:
阻抗为50欧
3.光纤
1)传播模式:
多模传播和单模传播
2)光源:
发光的二极管
3)光纤的优点:
传输频带宽,通信容量大,传输速率快,误码率低,不受电磁波干扰,体积小,重量轻。
4)缺点:
价格昂贵,技术难度大,
六,无线传输媒体
1)无线电波分配
2)微波通信
3)卫星通信
4)红外线通信和激光通信
第3章OSI/RM各层功能
1.物理层
(1)物理层的传输单位:
比特(数据流)。
(2)物理层的功能:
保证数据按位传输的正确性,提供通信接口定义、控制信号、数据传输速率、接口信号电平等。
物理层管理。
建立、维持和释放物理连接。
(3)物理层的特性:
●机械特性
●电气特性
●功能特性
●规程特性
(4)物理层协议接口标准
常用的物理接口:
●EIA-RS-232C:
包括主信道和辅助信道两种。
●EIA-RS-449
●EIA-RS-422:
该接口主要适合于数字通信系统。
●EIA-RS-423:
该接口主要适合于数字通信系统。
制作9针EIA-RS-232C交叉跳接信号线的DTE-DTE电缆时,是将两侧的第2和第3引脚交叉连接,第5和第5引脚直接连接即可。
数据传输的DTE/DCE接口标准:
X.25(8根线)。
2.数据链路层
(1)数据链路层的传输单位:
数据帧。
(2)数据链路层的主要功能:
成帧、链路管理、差错控制和流量控制等。
(3)常用的帧同步方法:
字节计数法
使用字符填充的首尾定界符法
使用比特填充的首尾定界符法
违法编码法
(4)差错的类型:
单比特差错和突发差错。
检错码:
具有检错能力的编码。
纠错码:
既能检错又具有自动纠错能力的编码。
(5)差错控制方式:
自动请求重发(ARQ)和前向纠错(FEC)。
●冗余技术:
是在发送方的数据单元中增加一些用于检查差错的附加位,便于接收端进行检错。
●奇偶校验码:
是简单地通过在信息位的后面附加一个校验位,使码字中“1”的个数保持为奇数或偶数的编码方法。
●循环冗余校验码(CRC):
是检错码。
CRC是通过在信息位后面附加一串冗余比特实现的。
●CRC码的特性:
封闭性
循环性
(6)流量控制:
用于限制发送方的数据流量。
(7)链路管理:
是面向连接的服务。
●链路管理包括:
链路的建立,维持和释放。
●数据链路控制协议:
同步协议:
在面向比特的协议中,以位为信息传输单位。
异步协议:
以字符为信息传输单位。
●高级数据链路控制HDLC:
是一个面向比特的协议。
●高级数据链路控制(HDLC):
属于数据链路层的协议。
3.网络层
(1)网络层的信息传输单位:
数据包。
(2)网络层的主要作用:
●建立网络连接,提供网络地址,提供寻址;
●实现网络数据单元的传输;
●路由选择;
●流量控制、拥塞控制、差错控制;
●消除通信子网的质量差异;
●确定网络层服务质量参数。
(3)数据交换方式:
电路交换方式
存储转发交换方式
包交换方式:
●包含数据报方式:
是面向无连接的;在传输数据时,每个数据包自己选择传输路径。
●虚电路方式:
是面向连接的;提供了一种使所有包按顺序到达目的地的可靠的数据传输方式。
(4)网络层提供的服务:
●面向连接的服务
●面向无连接的服务
(5)路由选择
静态路由选择策略:
●扩散路由选择
●固定路由选择
●随机路由选择
动态路由选择策略:
●独立路由选择
●集中路由选择
●分布路由选择
路由算法:
找线路最短的。
(6)拥塞控制:
(网络层)
拥塞也称阻塞,是指源节点和目的节点之间某一个中间节点缓存中包数量过多,使得该部分网络来不及处理,以致这部分网络乃至整个网络性能急剧下降,甚至会产生死锁。
4.传输层
(1)
传输层能在源和目的计算机之间提供可靠经济的数据传输服务,而且独立于所使用的网络,同时向高层提供一个标准及完善的服务界面。
传输层也称运输层,是要可靠地把信息发送到对方而进行的搬运、输送,常被称为“补充各种通信子网的差异,保证无误地在相互通信的两个终端进程之间进行透明数据传输的层。
”
(2)传输层的功能:
端到端的传递
寻址
可靠传递
流量控制
复用
分段和重组
&&传输层的一个重要功能:
将乱序收到的数据包重新排列。
5.高层
OSI/RM的高层有:
会话层、表示层和应用层,主要是通过软件来实现的。
各高层的主要服务:
●OSI/RM会话层的主要服务:
数据交换、隔离服务、与会话管理有关的服务、会话层与传输层的交互和同步点。
●OSI/RM表示层的主要服务:
翻译、数据加密、认证和数据压缩。
●OSI/RM应用层的主要服务:
WWW、电子邮件、FTP服务、OICQ聊天等。
各高层的作用:
●OSI/RM会话层的作用:
建立、维护和同步正在进行通信的高层之间的会话,它也处理诸如磁盘空间不足等问题。
●OSI/RM表示层的作用:
提供通信中所涉及的信息表示问题。
●OSI/RM应用层的作用:
进程管理、作业管理和设备管理等。
第四章局域网
4.1局域网概述+
局域网的特点:
(1)地理分布范围小,一般为数百至数千米。
(2)数据传输速率高,宽带一般不小于10M。
(3)误码率低
(4)局域网的归属较为单一
(5)一般采用分布式控制和广播式通信。
(6)协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充
协议:
介质访问控制方法是网络中各节在使用传输介质时,进行安全可靠地传输数据的通信规制。
以太网的介质访问控制是:
具有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD,它采用的是随机访问和竞争机制,用于总线型拓扑结构网络。
CSMA/CD的优点:
“竞争型”的介质控制方式,各节点地位平等,结构简单,易于实现。
缺点:
无法设置介质访问优先权,对站点发送信息部提供任何时间上保证。
令牌技术:
采用轮流访问的公平方式。
用于环型拓扑结构、总先行拓扑结构。
令牌访问介质方式的优点:
(1)不存在竞争,因此不会出现冲突,常用于高负荷信量较大的网络。
(2)令牌环绕一周的时间固定,实时性好,适用于控制或实时性要求较高的场合。
(3)令牌单向流动,因此可使用宽带的光纤作为传输介质。
(4)可以设置优先级,适用于集中管理。
(5)负荷较高时,有较好的响应方式。
网络适配器:
又称网络接口卡NIC,简称为网卡,
网卡的作用:
实现介质访问控制协议,为逻辑链路控制层提供服务,它是组建局域网的主要器件。
网卡的基本功能:
并行数据和串行信号之间的转换、数据帧的装配与拆装、介质访问控制和数据缓冲等。
网卡的种类:
(1)按传输速率分为10M不怕死、10/100Mbps自适应和1000Mbps和1000Mbps网卡。
(2)按传输数据信号的位数传输可分为8位、16位、32位和64位网卡。
(3)按网卡与传输介质的接口分为于粗缆连接的AUI接口网卡、与细同缆电缆连接的BNC接口网卡、与双绞线连接的RJ-45接口网卡、与光纤连接的ST、SC插头网卡和无线网卡等。
(4)按总线插槽接口可分为ISA/EISA、VESA、PCI、PCMCIA网卡
(5)按数据传输方向可分为半双工、全双工网卡
NIC地址有两个部分组成:
第一部分是IEEE分配的高24位的厂商地址,第二部分是有生产厂商自己编号的低24位地址
4.2以太网
世界上第一个局域网是以太网。
IEEE802.3定义了两个类别标准,一个是基带(Base为基带),一个是带宽(Baord为宽带)。
数据链路层分为MAC和LLC两个子层,MAC子层负责介质访问控制方法,LLC负责向高层提供统一的界面。
MAC帧格式:
(1)前导符
(2)帧首分界符SFD
(3)目的地址DA
(4)源地址SA
(5)PDU长度/类型
(6)数据
(7)帧校验序列FCS
以太网使用CSMA/CD介质访问控制方式,在数据链路层传输的是帧,物理拓扑结构可以为总线型、星型和树形结构,但在逻辑上却可以是总线型结构。
10Base5称为标准以太网,也称为粗缆以太网。
每个网段的最大长度为500m,一个网段中最多节点为30个。
两个相邻收发器节点之间的最小距离为2.5m
10Base2称为廉价以太网,也称为细缆以太网。
每个网段中最多节点为30个,节点的最小距离为1.5m,一个网段的最大长度为185m
10Base-T定义了一个物理上是星型拓扑的网络,中央节点是一个集线(Hub)。
每个节点通过双绞线与集线器相连。
10Base-F是IEEE802.3中定义的以光纤为传输介质的标准。
10兆以太网的中规制(5-4-3-2-1):
(1)从一个发送端到接收端之间只能有5个网段
(2)从一个发送端带接收端之间只能经过4个中继器
(3)其中的3个网段可增加站点
(4)另2个网段只能作为中继器链路,不能连接站点
(5)整个网络组成了1个冲突域
4.3快速以太网
快速以太网不能改变MAC帧的结构。
长度和错误检测机制等,采用CSMA/CD介质访问控制方式。
10兆以太网和快速以太网的不同点:
(1)传输速率提高而冲突域降低
(2)介质无关接口MII代替了连接单元接口AUI
(3)10/100Mbps自适应双速功能
(4)中继规则的改变
(5)工作频率不同
(6)物理层支持的传输介质和编码方式不同
4B/5B编码模式:
没4比特编码成5比特单元。
4位二进制编码取值为0000-1111共16个,而5位二进制编码取值为00000-11111共32个,在32个编码中选择16个作为数字编码,选择的原则:
(1)凡是三个以上连“0”的选择
(2)以两个连“0”开头的不选,尽量选择以“1”结尾,偶数数字以“0”结尾
(3)表示4位奇数数字时5位编码中以“1”结尾,偶数数字以“0”结尾
4.4交换式以太网和全双工以太网
4.4.2交换式以太网
交换式以太网是在10Base-T和100Base-TX双绞线基础上发展的一种高速网络,它的关键设备是交换机。
交换机是一种特殊的网桥,它的一个端口是一个冲突域。
4.4.3共享式以太网和交换式以太网的区别
1)信道类型不同:
交换式以太网中站点和站点之间的链接方式是点对点连接,是一个并行处理系统;而共享式以太网中站点和站点之间的连接方式是广播式的共享方式。
2)带宽的区别:
共享式以太网所有站点共享宽带,每个站点的实际带宽是用集线器的理论带宽或传输率除以站点数。
3)通信方式的区别:
共享式以太网是共享信道模式,所以只能以半双工通信方式进行传输数据,而交换式以太网是允许并发传输,因此全双工通信方式。
4)拓扑结构不同:
共享式以太网物理拓扑结构是星型,而逻辑上仍为总线型拓扑结构。
交换式以太网物理拓扑结构和逻辑拓扑结构是一致的,都是星型结构。
4.4
4.4.4全双工以太网
共享式以太网因为共享传输介质,因此都是以半双工方式工作的。
交换技术是全双工的必要条件,全双工以太网一定是交换式以太网,而交换式以太网却不一定全双工以太网。
为了支持全双工操作,网卡、交换机和链路必须也是全双工的。
如果交换机出现拥塞或者性能下降,有两种解决的方法:
1)采用流量控制机制,这样会使吞吐量下降;2)选用更大缓冲容量的交换机,但会增大等待时间。
交换机性能的主要指标是交换容量,交换容量是所有端口支持的全部负载所需的带宽
4.5千兆以太网
千兆位以太网的MAC帧采用:
全双工或半双工两种方式进行通信
半双工方式下的千兆以太网的MAC帧的技术:
遵循以太网的CSMA/CD介质访问方式。
采用了两种技术:
载体扩展和数据包突发技术
千兆位以太网的特点:
(1)技术简单
(2)成本低,方便10/100/1000Mbps升级
(3)支持新的网络应用
(4)网络设计灵活、良好的互操作性
4.6令牌环网
令牌环的工作原理:
标准是IEEE802.5,使用的是差分曼彻斯特编码,寻址方式也是使用字节的地址和NIC上的物理地址对应,和以太网地址相似。
令牌环帧格式:
令牌帧,异常中止帧和数据/命令帧,令牌环的操作过程:
1)网络空闲时,只有一个令牌在环中单向绕行.
2)当一个站点要发送数据时,必须等待获得命令,得到令牌后将令牌帧的标志位设置为”1”,然后发送数据帧或命令帧.
3)环路中的每个
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