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网络前四章

第一章

计算机网络的基本概念

一、计算机网络的形成

计算机网络技术是计算机技术与通信技术密切结合的产物。

1、具有通信功能的单机系统

1）20世纪50年代初期｛手工阶段（联机）、批处理方式（脱机）｝

2）20世纪50年代后期

终端——计算机网络

2、具有通信功能的多机系统

1）前端处理机的出现

前端处理（FEP）机又叫通信处理机，是一种专用计算机，一般由小型机或微型机配置通信控制硬件和软件组成。

主要完成以下三个功能：

①网络接口功能：

实现资源子网与通信子网的接口协议，接受发送用户信息。

②存储/转发功能：

对入网的信息提供转接功能。

③网络控制功能：

对进网的信息提供路径选择、网络流量控制等监控功能。

2）集中器的出现

面向终端的计算机通信网

3、计算机-计算机网络

美国国防部高级研究计划局研制的ARPANET是计算机网络发展史上的里程碑，标志着以资源共享为目的的现代化计算机网络的诞生。

1）分组交换的数据交换方式

2）层次化的网络体系结构

3）通信子网和资源子网

4、标准开放的计算机网络

所谓“开放”，就是指：

只要遵循同一标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。

开放系统互连参考模型的制定

为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，国际标准化组织ISO对各类计算机网络体系结构进行了研究，并于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，它定义了网络互连的七层框架，这就是开放系统互连参考模型（OSI/RM），也称为ISO/OSI。

二、计算机网络的定义

计算机网络是指将地理位置不同且功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互连接在一起，遵循共同的网络协议，由专门的网络操作系统进行管理，以实现信息交换和资源共享的系统。

1、功能相对独立

2、通信线路

3、网络协议

为了能在两个实体之间正确的进行通信，通信双方必须遵守共同一致的规则和约定，这些规则的集合就称为协议。

这些为网络数据交换而制定的规则、标准或约定称为网络协议。

4、网络操作系统

5、信息交换、资源共享

三、计算机网络的类型

1、按通信所使用的介质：

可分为有线网络和无线网络。

2、按使用网络的对象：

可分为公众网络和专用网络。

3、按网络传输技术：

可分为广播式网络和点到点网络。

4、按网络传输速度：

可分为低速网络和高速网络。

5、按地理覆盖范围：

可分为局域网、城域网、广域网。

局域网（LAN）的主要性能

1）局域网属于某一单位所有而非公共网络。

2）局域网的地理范围（0.1—几公里）

4）局域网的传输延时低（几十毫秒）

5）局域网的误码率较低（10-8—10-11）

城域网（MAN）的覆盖范围为几千米到几十千米。

广域网（WAN）的覆盖范围为几十千米到几千千米以上。

不仅可以覆盖一个国家和地区，还可以跨越各大洲、形成国际性的远程网络。

如：

Internet

四、计算机网络的组成与结构

1、从物理组成的角度，计算机网络被分成硬件与软件两大部分：

硬件：

主计算机、终端、通信控制处理机、通信设备、通信线路。

软件：

系统软件、应用软件、数据与信息资源。

软件：

系统软件、应用软件、数据与信息资源。

1）资源子网：

负责全网的数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源和网络服务。

资源子网终端（简单的输入/输出设备、智能端。

）

主机（大型机、中型机、小型机、微机）

I/O设备、软件资源、数据资源

2）通信子网：

负责为资源子网提供数据传输和转发等通信处理能力。

主要由通信控制处理机、通信链路及其他通信设备（调制解调器等）组成。

通信控制处理机（CCP）：

是一种处理通信控制功能的计算机，按照其功能和用途，可以分为存储转发处理机、网络协议变换器和报文分组组装/拆卸设备。

通信处理机的主要功能：

网络接口功能：

实现资源子网和通信子网的接口功能。

存储/转发功能：

对进入网络传输的数据信息提供转发功能。

网络控制功能：

为数据提供路径选择、流量控制等功能。

通信设备包括调治解调器、集中器、多路复用器等数据传输设备。

五、计算机网络的拓扑结构

所谓拓扑就是把所研究的实体抽象成与其大小、形状无关的点，而把实体之间的联系抽象成线，进而以图的形式来表示和研究这些点与线之间关系的一种数学方法。

这种表示点和线之间关系的图被称为拓扑结构图。

常见的计算机网络拓扑结构有总线型、星型、环型、树型和网壮型。

1、星型拓扑

每个节点通过中央节点发送数据。

1）优点：

A建网容易，配置方便。

B每个连接点的故障容易排除，不影响全网。

C控制协议相对简单。

2）缺点A在同样覆盖面积内所用电缆量大。

B扩展不方便，需要预留或增设电缆。

C对中心站点的要求非常高，一旦中心站点产生故障，全网将不能工作。

2、总线型拓扑将所有站点通过硬件接口连到单根传输介质—共享总线上。

在IEEE802标准中IEEE802.3（即以太网）和IEEE802.5（即令牌总线）都是总线拓扑。

1）优点A与星型相比所用电缆长度较短。

B结构简单，可靠性高。

C扩充（增加节点或延长电缆）较容易。

2）缺点A故障检测很不容易，如总线有故障需分段查找，如站点有故障需一个一个查找。

B站点需要提供访问控制功能。

3、环型拓扑：

由一些中继器通过点到点链路连成的一个闭和环。

入网设备连到中继器上。

中继器是较简单的设备，无存储转发功能。

它从一条链路上接收数据，以相同速率在另一条链路上输出。

数据在环上是单向传输的。

1）优点：

A电缆长度较短，与总线拓扑相似。

B适于采用光纤连接。

从而提高数据传输率

2）缺点：

A某段链路或某个中继器有故障，会使全网不能工作。

B站点离网、入网都较困难。

4、树型拓扑：

可以看做星型结构的扩展，也称为扩展星型拓扑。

5、网壮拓扑：

可以充分、合理地使用网络资源，并且具有网络服务的可靠性，但投资高和复杂度高。

六、计算机网络的体系结构

1、计算机网络体系结构的形成

1）1974年美国IBM公司研制的系统网络体系结构。

2）1977年国际标准化组织ISO提出OSI开放系统互联参考模型。

3）TCP/IP体系结构。

2、几个基本概念

1）实体：

每一层中，用于实现该层功能的活动元素被称为实体。

不同机器上位于同一层次、完成相同功能的实体被称为对等实体。

2）协议：

对等实体之间交换数据或通信时所必须遵守的规则或标准的集合称为协议。

一个网络协议主要由以下三个要素组成：

A：

语法即数据与控制信息的结构或格式。

B：

语义即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。

C：

语序：

即事件实现顺序的详细说明。

3）服务：

在网络分层结构模型中，每一层为相邻的上一层所提供的功能称为服务。

下层服务的实体对上层必须是透明的。

“透明”是一个很重要的术语。

它表示：

某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

4）接口：

接口定义了下层向其相邻的上层所提供的服务及相应的原语操作。

2、计算机网络的分层思想

计算机网络是一个非常复杂的系统，因此网络通信也比较复杂。

为了减少计算机网络的复杂程度，计算机网络将其功能划分为若干个层次，这种方法就是结构化设计方法。

实践证明，它是解决复杂问题的一种有效手段，其核心思想就是将系统模块化，并按层次组织各模块。

计算机网络协议具有层次结构，可以有以下的一些好处：

1）各层之间可相互独立

某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层间的接口（即界面）所提供的服务。

由于每一层只实现一种相对独立的功能，因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。

这样，整个问题的复杂程度就下降了。

2）灵活性好

当任何一层发生变化时（例如技术的变化），只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。

3）易于实现和维护

网络的这种分层体系结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。

4）有利于促进标准化

因为每一层的协议已经对该层的功能与所提供的服务做了明确的说明，因此能促进标准化工作。

3、计算机网络体系结构（重点）

我们将计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。

换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。

需要强调的是：

这些功能究竟是用何种硬件或软件完成的，则是一个遵循这种体系结构的实现的问题。

可见体系结构是抽象的，是存在于纸上的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

1）OSI各层功能简介

A、物理层的任务就是为其上一层（即数据链路层）提供一个物理连接，以便透明地传送比特流。

在物理层上所传数据的单位是比特。

B、数据链路层数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。

数据链路层向上一层（网络层）提供一个可靠的点到点的服务。

C、在网络层，数据的传送单位是分组或包。

网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站的运输层。

D、在运输层，信息的传送单位是报文。

当报文较长时，先要把它分割成好几个分组，然后再交给下一层（网络层）进行传输。

运输层向上一层（会话层）提供一个可靠的端到端的服务。

E、会话层在两个互相通信的应用进程之间，建立、组织和协调其交互。

F、表示层主要解决用户信息的语法表示问题。

G、应用层负责用户信息的语义表示。

2）OSI模型中的数据传输过程

在OSI模型中，对等实体间所传输的数据被称为协议数据单元（PDU）

报头及报尾是对等实体间为了实现有效的相互通信所需加上的控制信息，增加报头、报尾的过程称为封装。

封装后得到的应用层数据包被称为应用层协议数据单元（APDU）。

表示层的协议数据单元（PPDU）。

会话层的协议数据单元（SPDU）。

传输层的协议数据单元（报文）。

网络层的协议数据单元（分组）。

数据链路层的协议数据单元（帧）。

物理层为原始比特流。

3）面向连接的服务与无连接的服务

二、计算机网络的发展过程

1、面向终端的计算机网络

1）手工阶段（程序员）

①预约（联机方式）

纸带…………….

纸带机

内存

②脱机方式（操作员）

2）批处理阶段

实现作业间转换的自动化

3）具有通信功能的单机系统

进步意义：

单机系统减轻了远程用户来往路径上的时间。

两个问题：

A：

主机的负担加重。

主机既要进行数据处理，又要完成通信控制，通信控制任务的加重，势必降低了处理数据的速度，对昂贵的主机来讲，显然是一种浪费。

4）前端处理机和集中器的的出现

前端处理（FEP）机又叫通信处理机，是一种专用计算机，一般由小型机或微型机配置通信控制硬件和软件组成。

主要完成以下三个功能：

①网络接口功能

实现资源子网与通信子网的接口协议，接受发送用户信息。

②存储/转发功能

对入网的信息提供转接功能。

③网络控制功能

对进网的信息提供路径选择、网络流量控制等监控功能。

B：

线路的利用率比较低，特别是在终端速度比较低时更明显。

2、计算机-计算机网络

美国国防部高级研究计划局研制的ARPANET是计算机网络发展史上的里程碑，标志着以资源共享为目的的现代化计算机网络的诞生。

1）分组交换的数据交换方式

2）层次化的网络体系结构

3）通信子网和资源子网

3、标准开放的计算机网络

它具有统一的网络体系结构，遵循标准化协议，使得不同的计算机方便地互连起来。

标准化带来了大规模生产和降低成本等一系列好处，进一步促进了计算机网络技术和应用的发展。

所谓“开放”，就是指：

只要遵循同一标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。

三、计算机网络的发展趋势

目前计算机网络正向着综合化、智能化、高速化的方向发展。

四、数据交换方式

交换的概念

计算机网络中的数据在网络结点中的传递方式。

从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

数据交换方式：

电路交换（线路交换）方式；存储转发方式：

报文交换；分组交换：

（数据报分组交换；虚电路分组交换）

1、电路交换（线路）

线路交换方式的整个通信过程由三个阶段组成

1）线路建立阶段

2）数据传输阶段

3）线路拆除阶段

优缺点分析：

电路交换方式适宜连接时间长、数据量大的报文交换，如：

话音、传真等。

统计表明，计算机通信的数据流具有间歇性，即大多数情况下是短报文，因此电路交换方式不适合计算机通信。

电路交换方式的线路利用率低。

因为在一次接续保持期间，通路上的所有链路都被一对DTE独占，即使不传输数据也在占用，因而造成资源的大量浪费。

2、报文交换

报文是具有完整消息含义的数据单元。

报文可以很短，也可以很长，完全取决于用户的意愿。

优缺点分析：

不必要求每条链路的数据速率相同，也不必要求两端DTE工作于相同的速率。

任何时刻一份报文只占用一条链路的资源，不必占用通路上所有链路资源，提高了链路的利用率。

报文交换方式并不适合传输实时或交互式的业务。

3、分组交换

分组交换与报文交换同属于存储转发交换。

其工作机理完全相同，差别在于参与交换的数据单元的长度不同。

报文交换的数据单位是报文，即具有完整消息含义的数据单元。

而分组交换的数据单元是分组（包），且长度固定。

具体地说，分组交换方式是把超过分组长度的报文分成多个分组，以分组为单位进行发送、存储和转发。

分组交换

在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块

每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）

依次把各分组发送到接收端

接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文

1）数据报分组交换。

2）虚电路分组交换。

1、从网络的交换功能进行分类1）电路交换2）报文交换3）分组交换

第二章物理层

一、信息、数据、信号

1、数据是信息的载体与表现形式

2、信息是数据的内容和解释。

3、信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式。

信号一般以时间为自变量，以表示数据的某个参数（振幅、频率、相位）作为因变量。

按照其因变量对时间的取值是否连续，信号被分为模拟信号和数字信号。

1）模拟信号：

模拟信号是指信号的因变量随时间连续变化的信号，又被称为连续信号。

2）数字信号：

数字信号是指信号的因变量不随时间连续变化的信号，通常表现为离散的脉冲形式，因此也被称做离散信号。

4、数据通信：

发送方将要发送的数据转换成信号，并通过物理信道传送到数据接收方的过程被称为数据通信。

1）模拟数据通信：

是指在模拟信道上以模拟信号形式来传输数据。

2）数字数据通信：

是指在数字信道上以数字信号形式来传输数据。

二、数据通信系统模型

任何一个数据通信系统都由信源、信宿和信道三部分组成。

1、信源与信宿：

在数据通信中，通常将数据（信号）的发送方称为信源，而将数据（信号）的接收方称为信宿。

2、信号转换器：

信号转换器的功能是把信源所要发送的数据转换成适合于在信道上传输的信号，或者相反，把从信道上接收的信号转换成信宿所能识别的数据。

DTE:

数据终端设备，泛指网络中的信源和信宿。

DCE:

数据线路端接设备，是用户端设备的入网节点。

3、信道：

为了在信源和信宿之间实现有效的数据传输，必须在信源和信宿之间建立一条传送信号的物理通道，简称信道。

三、通信系统的主要性能指标

1、波特率、又称码元传输速率也称调制速率、波形速率或符号速率。

指单位时间所传送的码元（即脉冲）数目，或者表示信号调制过程中单位时间内调制信号波形的变换次数。

单位为波特（Baud或Bd）。

（Bd=1/T,T为调制信号周期）单位为波特（Baud）

码元：

在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。

这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。

带宽：

“带宽”（bandwidth）是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

在过去很长的一段时间，通信的主干线路都是用来传输模拟信号（即连续变化的信号）因此，表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽或通频带。

2、信道的最高码元传输速率（奈氏准则）

理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud

W是理想低通信道的带宽，单位为赫（Hz）

每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。

Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。

理想带通特性信道的最高码元传输速率=WBaud

W是理想带通信道的带宽，单位为赫（Hz）

每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元。

3、比特率又称数据传输速率

是指每秒传送的信息量，即单位时间内所传送的二进制代码的有效位数。

基本单位是比特每秒（bps）。

4、信道的极限信息传输速率（香农公式）

香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2（1+S/N）

W为信道的带宽（以Hz为单位）；

S为信道内所传信号的平均功率；

N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。

实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s（bit/s）。

更常用的带宽单位是

●千比每秒，即kb/s（103b/s）

●兆比每秒，即Mb/s（106b/s）

●吉比每秒，即Gb/s（109b/s）

●太比每秒，即Tb/s（1012b/s）

请注意：

在计算机界，K=210=1024

M=220,G=230,T=240。

四、基带传输

1、基本概念

将数字信号“1”或“0”直接用两种不同的电压表示，这种高电平和低电平不断交替的信号称为基带信号，而基带就是这种原始信号所占的基本频带。

将基带信号直接送到线路上传输称为基带传输。

2、数字数据编码方法

1）不归零码（NRZ，Non-ReturntoZero）

二进制数字0、1分别用两种电平来表示。

常用+5V表示1，-5V表示0。

2）曼彻斯特编码（Manchestercode）

用电压的变化表示0和1。

规定在每个码元的中间发生跳变：

高→低的跳变——1，低→高的跳变——0

3）差分曼彻斯特编码

与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：

用在码元开始处有无跳变来表示0和1：

码元开始处有跳变——0

码元开始处无跳变——1

五、频带传输

1、基本概念

将基带信号进行调制后形成的模拟信号。

将频带信号直接送到线路上传输称为频带传输

2、数字数据的模拟信号调制

A：

幅移键控ASK，调幅

用载波频率的两个不同的振幅来表示两个二进制数。

B：

频移键控FSK，调频

用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制数。

C：

相移键控PSK，调相

用载波信号的相位移动来表示两个二进制数。

ASK：

用载波的两个不同振幅表示0（0v）和1（+5v）

FSK：

用载波的两个不同频率表示0（1.2KHz）和1（2.4KHz）

PSK：

用载波的起始相位的变化表示0（同相）和1（反相）

数据的调制与编码

1、什么是调制，什么是编码？

1）用模拟信号承载数字或模拟数据——调制

2）用数字信号承载数字或模拟数据——编码

2、为什么要进行调制或编码？

为了与传输介质相适应。

3、如何进行调制，如何进行编码

六、通信方式

1、串行传输与并行传输

在串行通信中，发送端与接收端由一条数据线相连，各数据位依次串行通过该线路。

在并行通信中，发送端与接收端由N条数据线相连，N个数据位并行通过该线路。

2、全双工通信与半双工通信

在通信过程中，数据的传输是有方向的。

根据数据在发送端和接收端之间传输方向的不同，可分为单工通信、半双工通信和全双工通信3种方式。

1）单向（单工）（无线电广播）

2）双向交替（半双工）（对讲机）

3）双向同时（全双工）（电话）

七、传输介质

双绞线

1、双绞线的组成

双绞线一般由两根22-26号绝缘铜导线相互缠绕而成，每根铜导线的绝缘层上分别涂有不同的颜色，以示区别。

如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。

2、双绞线的分类

双绞线可分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）两大类。

STP又分为：

3类、5类

UTP又分为：

1类、2类、3类、4类、5类

3、双绞线的传输特性

双绞线主要是用来传输模拟声音信息的，但同样适用于数字信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输。

双绞线的模拟信号带宽可达到250kHz；双绞线的数字信号的数据速率随距离而不同。

一般100米100Mbps,10米2400bps。

4、双绞线连网时的特点

双绞线一般用于星型网络的布线，每条双绞线通过两端安装的RJ-45连接器（俗称水晶头）与网卡和集线器（或交换机）相连，最大网线长度为100m。

如果要加大网络的范围，在两段双绞线电缆间可安装中继器，但最多可安装4个中继器，使网络的最大范围达到500m。

这种连接方法，也称之为级连。

5、双绞线的识别和选择（5类UTP）

1）查看电缆外面的说明信息。

在双绞线电缆的外面包皮上应该印有诸如“AMPSYSTEMSCABLE……24AWG……CAT5”的字样，表示该双绞线是AMP公司（最具声誉的双绞线品牌）的5类双绞线，其中24AWG表示是局域网中所使用的双绞线，CAT5表示为5类，如果印有CAT5e，表示是超5类双绞线。

2）电缆中双绞线对的扭绕

为了降低信号的干扰，双绞线电缆中的每一线对都是由两根绝缘的铜导线相互扭绕而成的，而且同一电缆中的不同线对具有不同的扭绕度。

同时，标准双绞线电缆中的线对是按逆时针方向进行扭绕。

6、双绞线与设备之间的连接方法

双绞线主要用于连接网卡与集线器或集线器与集线器（因为集线器的连接方式与交换机相同，所以如无特殊说明，集线器的连接方式同样适用于交换机的连接），有时也可直接用于两个网卡之间的连接。

以5类（4对8根）非屏蔽双绞线为标准进行介绍。

1）RJ-45水晶头与T568A/T568B

引脚顺序：

水晶头扣位向下，开口向内水晶头从左至右的引脚顺序为1-8。

RJ-45头

1

2

3

4

5

6

7

8

T568A

白绿

绿

白橙

蓝

白蓝

橙

白棕

棕

T568B

白橙

橙

白绿

蓝

白蓝

绿

白棕

棕

2）连接方法

（1）直通线

用于不同设备之间的互连（交换机-PC）

T568B-T568B

（2）交叉线

用于同种设备之间的互连（PC-PC）

T568A-T568B

3）制作方法

工具：

制作双绞线的工具一般只要RJ-45压线钳和一个斜口钳。

第1步，根据需要的长度用斜口钳剪取一段双绞线。

第2步，将双绞线的一端插入压线钳的剥线端，将双绞线的外皮剥去一小段，大约1．2cm。

第3步，根据排线顺序将双绞线