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计算机网络与Internet基础
第7章计算机网络与Internet基础
计算机网络是计算机技术和通信技术结合的范例,以Internet(因特网)为代表的计算机网络因其高效的数据通信、广泛的软硬件和数据资源共享、强大的分布式数据处理等特点而渗透到各个领域,它颠覆着人们生活和工作的传统习惯,给人们带来了意想不到的惊喜与方便。
对于非专业人士而言,电子商务、微博、微信、…是一些耳详能熟而又半知半解的事物,云计算、专业云、移动办公、物联网、…则使更多的人们如坠雾中。
事实上,它们都是计算机网络飞速发展的产物。
例如,物联网就是计算机网络的延伸与扩展,它的功能更为广泛与强大,不仅使得信息的传递与交流更加迅速与广泛,还可以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
本章主要介绍计算机网络的基本知识和Internet的基本应用。
7.1数据通信基础
在数据通信中,文字、图形、话音、图像和数据等信息通常以数据的形态存在,因此,计算机网络的信息传递需要解决的首要问题是计算机之间的数据通信,即在两台计算机或终端之间以二进制形式进行的数据传输。
随着人们对信息传输速度要求的提高,四进制、八进制、…等多进制信息传输也、得到了很快的发展。
7.1.1数据通信系统的构成
如图7-1所示,通信系统的组成通常需要五个要素:
信源、发送器、接收器、信宿和信道。
称信息产生者为信源;称信息接收者为信宿;信道是信息传输的媒介,其作用是把携带信息的信号从发送端传递到接收端,以完成信源和信宿之间的信息交换;把信源的文字、图形、话音、图像和数据等信息变换成适宜于在信道中传输的信号的分系统为发送器;把受到噪声干扰的信道输出信号反变换为信源信息的分系统为接收器。
常见的信道分为有线信道和无线信道。
有线信道包括明线、双绞线,同轴电缆,光纤等,无线信道则包括无线电波、激光等传播空间。
图7-1通信系统的基本结构
1.数字信号与模拟信号
通信系统中数据的表现形式是信号,它可以分为模拟信号和数字信号两类。
模拟信号是幅度和相位连续变化的信号,它可以用连续函数来描述,信源的图形、话音、图像等信息由传感器变换为模拟信号,如图7-2(a)所示。
由于数字计算机不能直接处理模拟信号,因此需要把模拟信号变换为数据,这就是模拟信号的数字化。
信号的数字化需要三个步骤:
采样、量化和编码。
(1)采样是指每隔一定时间用给定时刻上的信号采样值来表示信号,称为在时间上将模拟信号离散化。
(2)信号采样值是任意的有理数值或无理数值,不同的采样值通常需要用不同长度的二进制数表示,以供计算机处理。
然而数字计算机的字长有限且为定值,因此不同的采样值只能用相同长度的二进制数表示,这就是幅度量化,简称量化。
显然,计算机字长为N,意味着数轴上无穷多个实数中只有
个数值可以精确表示,不能精确表示的采样值就会产生误差,这就是量化误差。
称采样后经过幅度量化的信号为数字信号,也就是说,借助于脉冲信号的正、负极性(或者有、无电压或电流)分别表示二进制数字1、0,如图7-2(b)所示,信息可以由表征1码、0码的正、负极性脉冲序列、即二进制数据流来表示。
(a)模拟信号波形图(b)数字信号波形图
图7-2模拟信号图和数字信号图
以脉冲序列形式传输数据的通信系统称为数字通信系统;以模拟信号形式传输信息的通信系统称为模拟通信系统。
上述模拟信号数字化的过程称为脉冲编码调制(PulseCodedModulation,PCM)。
2.编码
把量化得到的二进制数字按照需要以一定的规则排列,称为编码。
例如,二进制数据为了减少上述量化误差的影响,需要把二进制数据流编码为折叠二进码传输;为了增强抗干扰性能,需要把二进制数据流编码为检错吗或纠错码;为了加强信息的安全性,需要按照某些数学规则把二进制数据流加密为密文。
3.调制器与解调器
在发送端,把数字信号转换成适宜于在信道中传输的模拟信号的过程称为调制。
调制有三类基本方法:
幅移键控,频移键控和相移键控。
随着用户对通信的快速性、可靠性以及安全性等要求的提高,各种新的调制方式也在不断出现。
模拟信号在传输过程中会衰减,还会受到噪声的干扰。
信号到达接收端时把接收到的模拟信号重新还原为数字信号的过程称为解调,其流程如图7-3所示。
将调制器(Modulator)与解调器(Demodulator)两种功能组合在一起的设备称为调制解调器(Modem),它是实现模拟信号与数字信号转换的网络设备。
也有人根据Modem的谐音,称调制解调器为“猫”。
图7-3用模拟信号作为载频传输数字数据
4.数据通信的主要技术指标
在数据通信系统中,以传输速率衡量传输的有效性;以误码率衡量传输的可靠性。
(1)带宽
一个物理信道内可以传输的信号频率范围叫做带宽(BandWidth),它表征通信线路传送数据的能力。
例如,移动通信中GSM的信道带宽是0.2MHz,3G通信中WCDMA的信道带宽是5MHz。
(2)信道传输速率
系指信道每秒所传输的信息量。
在信息论中,信源符号信息量的常用度量单位是“比特”(bit),因此信息传输速率的单位为比特/秒(bit/s),又称为比特率(bps,即bitpersecond)。
在传输码流中0、1码元等概率的条件下,一个二进制码元所含的平均信息量是1“比特”,因而信道传输速率又可以用每秒传输的二进制码元数表示。
例如:
一个数据通信系统每秒传输1024个二进制码元,它的信息传输速率就是1024bps。
在计算机网络中,一般用每秒允许传输的二进制码元数作为带宽的计量单位,常用单位是bit/s、Kbit/s、Mbit/s、Tbit/s:
1Kbps=1×103bit/s1Mbps=1×103Kbit/s
1Gbps=1×103Mbit/s1Tbps=1×103Gbit/s
(3)符号传输速率
符号传输速率是指每秒传输的码元(CodeCell)数目,其单位为波特(Baund),也称为波特率。
对于
进制信号,
,
为正整数,符号传输速率(RB)和信息传输速率(Rb)的关系为:
Rb=RBlog2M。
四进制数据传输时
,信号可用二进制码表为00,01,10,11。
如果符号速率为9600波特,在二进制时,信息传输速率为9600比特/秒,在四进制时为19200比特/秒。
为了提高信息传输率,现代通信的发展方向之一是多进制通信。
(a)二进制数据波形(b)四进制数据波形
图7-4二进制与四进制信号波形图
(4)误码率
在数据传输过程中,由于信道通常不理想以及噪声的干扰,在接收端接收到的码元可能会出现错误,这种现象叫做误码。
误码率
是指在数据传输时码元被传错的概率,它是信道传输的可靠性指标。
在数据通信中一般要求误码率低于10-6。
7.1.2交换技术与差错控制
1.交换技术
两个远距离终端设备要进行通信,需要在它们之间架设一条专用的点到点的通信线路。
公众通信网中任意两个终端之间通常没有直接线路,必须经过中间结点的转接才能实现通信。
这种转接需要用到交换技术。
交换是指按某种方式动态地分配传输线路资源,在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续,用户挂机后该线路又可分配给其它用户,这就可以节省通信线路投资,提高通信线路利用率。
实现交换的方法主要有:
电路交换、报文交换和分组交换。
(1)电路交换服务系指两个用户要进行通信时先要建立一条临时的专用线路,用户通信时独占这条线路而不与其它用户共享,直到通信一方释放这条专用线路为止。
交换过程需要经历三个阶段:
建立连接、数据传输和释放连接。
电路交换的优点是数据传输可靠,传输延迟小,实时性好。
缺点是建立连接需要的时间较长,线路利用率低。
(2)报文交换是以报文为单位进行存储交换的技术。
报文系指需要发送的整个数据块。
报文交换的优点是没有建立和拆除连接所需的等待时间,线路利用率高,传输可靠性高,控制简单,易于实现。
缺点是存储转发延迟较大,由此带来较大的时延。
(3)分组交换方式是把传输的报文分成若干个小的数据块,称为分组,然后以分组为单位采用存储转发技术,它的延时和灵活性均优于报文交换。
分组交换又称为包(Packet)交换。
分组交换有两类:
虚电路方式和数据报方式。
虚电路的效率高,适用于一段连续的时间内交换数据;数据报无呼叫建立,代价小、灵活、可靠。
2.差错控制
信息传输总会出现差错。
一个实用的通信系统必须对通信中出现的差错进行检测和复原。
差错控制系指在数据通信过程中发现、检测差错,并对差错进行纠正,从而把差错限制在数据传输所允许的尽可能低的范围内的技术和方法。
差错控制方法主要有两类:
自动请求重发(AutomaticRepeat-reQuest,ARQ)和前向纠错。
(1)自动请求重发是利用检错码编码规则在接收端检测差错,检测出差错后通知发送端重发数据,直到无差错为止。
常用的检错码主要有奇偶校验码和循环冗余码。
奇偶校验码
奇偶校验码的工作原理是在原始数据字节的最高位或最低位增加一个附加校验位,使码字内1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。
增加的附加校验位称为奇偶校验位。
例如:
原始数据1010010,偶校验后的数据为11010010,奇校验后的数据为01010010。
循环冗余编码(CyclicRedundancyCheck,CRC)
循环冗余编码是一种利用代数多项式检测错误的方法。
其原理是将待传输的二进制码串看成系数为0或1的多项式,如110101可表示为码多项式
。
发送前收、发双方约定按国际标准选取一个生成多项式
,发送方在码串的末尾加上校验和,使带校验和的码串多项式能被
整除。
接收方收到后,用
除发送的码多项式,若整除,传输无错。
循环冗余编码检错能力强,容易实现,是目前数据通信中应用最广泛的编码方法。
(2)前向纠错是利用纠错码编码规则在接收端对接收的数据进行检测,当检测出差错后能自动纠正差错。
常用的纠错码主要有循环码、卷积码等。
7.2计算机网络基础
计算机网络为利用各种通信手段(比如电话、电报、微波通信等)把地理上分散的计算机有机地连接在一起,达到相互通信而且共享软件、硬件和数据等资源的系统。
它是计算机和通信技术结合的产物。
7.2.1网络的发展史
从美国国防部高级研究计划署于1969年出资研究开发ARPANET网开始,计算机网络经历了一个从简单到复杂、从低级到高级的发展过程。
计算机网络的发展大致可以划分为四个阶段:
1.以单机为中心的联机终端系统
第一阶段大体上在20世纪60年代中期以前,实际上是以单个计算机为中心的远程联机系统。
各个终端(Terminal)通过通信线路共享主机(Host)的硬件和软件资源,这种系统称为面向终端的单机系统。
随着终端数目的增加,主机的数据处理和通信任务负载太重,且线路利用率低,可靠性差。
为了减轻主机负担,可在主机和通信线路之间设置一个专门负责通信控制的前端处理机(FrontEndProcessor,FEP),将通信任务分离,如图7-5所示。
称这种系统称为面向终端的多机系统。
图7-5终端主机模式图
2.以通信子网为中心的主机互连
第二阶段大体从20世纪60年中期至20世纪70年中期,随着计算机技术和通信技术的进步,将多个单机联机终端通过通信线路互联,形成了多计算机互联的网络,为用户提供服务。
它的显著特点是网络中的多台计算机都具有自主处理能力,它们之间不存在主从关系,并且通信任务从主机中分离出来,设置通信控制处理机(CommunicationControlProcessor,CCP)专门负责通信任务,主机间的通信通过CCP的中继功能间接进行。
计算机网络逻辑结构主要分为通信子网和资源子网。
由CCP组成的传输网络称为通信子网,主要提供数据的加工、变换、传输和交换等通信服务;建立在通信子网基础上的主机集合成为资源子网,主要提供数据处理、提供网络资源和网络服务,如图7-6所示。
图7-6通信子网和资源子网结构图
3.体系结构标准化网络
第三阶段大体上从20世纪80年代初至20世纪90年代初,人们对组网的技术、方法和理论的研究日趋成熟,建成了网络体系结构标准化的第三代网络,这是开放式、标准化的计算机网络,不同网络设备之间的兼容性和互操作性使不同的计算机网络也能方便地互联在一起。
国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)于1983年正式制定了“开放系统互联参考模型”(OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel,OSI/RM),即七层协议的体系结构。
但是OSI协议实现起来过分复杂、制定周期太长、划分层次不太合理等原因影响了其推广,最终得到广泛应用的是20世纪80年代使用的非国际标准TCP/IP协议集。
原则上,任何计算机只要遵守TCP/IP协议,都能按一定的规则接入Internet。
4.Internet时代
第四阶段是从20世纪90年代开始,因特网(Internet)已成为世界上规模最大、增长速率最快和最常用的计算机网络,它的主要特征是数字通信和光纤接入,它的主要特点为:
网络化、综合化、高速化及计算机协同能力。
Internet上不仅有分布在世界各地计算机上的难以估量的信息资源,而且Internet上应用程序丰富,能为入网的用户提供各种各样的服务。
Internet的出现标志着网络时代的到来,是人类社会由工业社会向信息社会发展的重要标志。
7.2.2网络的类别与组成
计算机网络的分类标准有多种,比如:
按协议分类为以太网和移动通信网;按交换形式分为电路交换网和分组交换网;按通信速率分为低速网,中速网和高速网;按网络环境分为部门网,企业网和校园网等。
依据网络覆盖的地理范围和规模分类是最普遍的分类方法,它把计算机网络分为四种:
广域网,城域网、局域网和个人区域网。
1.网络的分类
(1)广域网(WideAreaNetwork,WAN)的作用范围通常为几十到几千公里,又称远程网。
广域网是因特网的核心部分,其任务是通过长距离(例如,跨越不同的国家)运送主机所发送的数据。
连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路,具有较大的通信容量。
(2)城域网(MetropolitanAreaNetwork,MAN)是介于广域网和局域网之间的一种高速网络,覆盖范围一般是一个城市,其作用距离约为5~50km。
(3)局域网(LocalAreaNetwork,LAN)是一种在有限区域内使用的网络(最大不超过10km),适用于一个部门或一个单位组建的网络。
现在局域网已经广泛使用,它具有高数据传输率(10Mbit/s~10Gbit/s),误码率低,成本低,易管理和易维护等特点。
(4)个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备(如:
笔记本,PDA等)用无线技术连接起来的网络,也称为无线个人区域网WPAN(WirelessPAN),其范围大约在10m左右。
2.网络的组成
完整的计算机网络系统由网络硬件系统和网络软件系统组成。
下面仅以基于服务器模式的计算机网络为例进行介绍。
(1)硬件组成
计算机网络硬件系统是由服务器(Server)、客户机(Client)、通信处理设备和通信介质组成。
服务器和客户机是构成资源子网的主要设备,通信处理设备和通信介质是构成通信子网的主要设备。
服务器
服务器一般是一台高配置(比如:
CPU速度快,内存和硬盘的容量大,总线频率高等)计算机,它为客户机提供服务。
按照服务器所能提供的资源来区分,可分为:
文件服务器、打印服务器、应用系统服务器和通信服务器等。
在实际应用中,常把几种服务集中在一台服务器上,这样一台服务器就能执行几种服务功能。
例如:
将文件服务器连接网络共享打印机,此服务器就能作为文件和打印服务器使用。
客户机
客户机又称为用户工作站,是用户与网络联系的设备,一般由微机担任,每一个客户机都运行在它自己的、并为服务器所认可的操作系统环境中。
客户机主要享受网络上提供的各种资源。
网络接口卡
网络接口卡(NetworkInterfaceCard,NIC)是计算机和传输介质之间的物理接口,简称网卡。
服务器和客户机都需要配置一块(或多块)网卡。
网卡的作用是将计算机内的数据转换成传输介质上的信号发送出去,并把传输介质上的信号转换成计算机所能识别的数据接收进来。
网卡的“金手指”插在计算机的扩展槽中(现在的网卡一般集成在计算机主板上),网络接口与传输介质相连。
通信介质
通信介质也称为传输介质,用于连接计算机网络中的网络设备,传输介质一般可分为有线传输介质和无线传输介质两大类。
常用的有线传输介质是双绞线、同轴电缆和光导纤维(简称光纤),常用的无线传输介质是无线电波、激光等。
通信处理设备
通信处理设备主要包括调制解调器、中继器、集线器、网桥、交换机、路由器、网关和无线访问点等。
a.调制解调器(Modem):
是远程计算机通过电话线连接网络所需配置的设备。
调制解调器同时具备调制和解调双重功能,因此它既能发送数据又能接收数据。
b.中继器:
当信号在电缆上传输时,信号的强度会发生衰减,因此要对信号进行放大、整形,使信号能够传输更远的距离,完成这些功能的设备称为中继器。
c.集线器(Hub):
本质是一个多端口的中继器。
它除了对接收到的信号放大整形后再通过所有端口发送出去外,还可为网络布线和集中管理带来方便。
集线器一般有5~24个端口,供计算机等网络设备连接使用。
d.交换机(Switch):
分为第二层交换机和第三层交换机。
第二层交换机同时具备了集线器和网桥的功能。
第三层交换机除了具有第二层交换机的功能之外,还能进行路径选择功能。
e.路由器(Router):
具有数据格式转换功能,可以连接不同类型的网络。
它能够识别数据的目的地址所在的网络,根据内置的路由表,从多条通路中,选择一条最佳路径发送数据。
f.网关(Gateway):
网关又叫协议转换器,它的作用是使网络上连接两个不兼容的系统进行互相通信,需要在高层进行协议的转换,进而实现互联。
g.无线访问点
无线AP(AccessPoint)也称为无线访问点或无线桥接器,通过无线AP,任何一台装有无线网卡的主机都可以连接有线局域网络进行数据传输。
(2)软件组成
在网络系统中,网络上每个用户都可享用系统中的各种资源,系统必须对用户进行控制,否则会造成系统混乱、数据丢失和破坏。
网络软件是实现网络功能不可缺少的软环境。
通常计算机网络软件包括:
网络协议和通信软件:
通过网络协议和通信软件可实现网络工作站之间的通信。
如:
TCP/IP、FTP、SMTP等
网络操作系统:
网络操作系统用以实现系统资源共享,管理用户的应用程序对不同资源的访问,这是最主要的网络软件。
如:
Windows系列、Linux、Unix、MacOSX等。
网络管理及网络应用软件。
网络管理软件是用来对网络资源进行监控管理、对网络进行维护的软件,如:
事件监视器、网络防火墙等。
网络应用软件是为网络用户提供服务,网络用户用以在网络上解决实际问题的软件。
如:
IE、Firefox、QQ等。
7.2.3网络的协议与体系结构
国际上制定通信协议和标准的主要组织有:
IEEE:
电气和电子工程师协会(InstituteofElectricalandElectronicEngineers,IEEE)是世界上最大的专业技术团体,由计算机、通信、自动化等专业人士组成。
IEEE在通信领域中最著名的研究成果之一是802标准,它定义了总线网络和环形网络等的通信协议。
ISO:
国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)是一个世界性组织,具有七层协议结构的开放系统互连模型(OSI)是它的一个典型的范例。
ITU:
国际电信联盟(InternationalTelecommunicationsUnion,ITU)其前身是国际电报电话咨询委员会(ConsultativeCommitteeonInternationalTelephoneandTelegraph,CCITT)。
ITU是联合国机构,其成员包括科研机构、工业组织、电信组织、电话通信方面的权威人士,还有国际标准化组织ISO。
ITU已经制定了许多网络和通信方面的标准。
1.网络通信协议
一个计算机网络有许多互相连接的结点,在这些结点之间为了保证数据通信双方能够正确而自动地进行通信,每个结点就必须遵守一些事先约定好的规则。
这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议(NetworkProtocol)。
网络协议主要由以下3个要素组成:
(1)语法:
即数据与控制信息的结构或格式。
例如在某个协议中,第一个字节表示源地址,第二个字节表示目的地址,其余字节为要发送的数据等;
(2)语义:
定义数据格式中每一个字段的含义。
例如发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种应答等;
(3)同步:
收发双方或多方在收发时间和速度上的严格匹配,即事件实现顺序的详细说明。
2.计算机网络体系结构
所谓网络的体系结构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。
如果两个网络的体系结构不完全相同就称为异构网络。
异构网络之间的通信需要相应的连接设备进行协议的转换才能实现。
(1)开放系统互连参考模型(OSI)
OSI的体系结构是一个堆栈式的七层模型,从下(低)到上(高)依次包括:
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层,如图7-7所示。
图7-7OSI七层模型
各层的主要功能如下:
物理层:
物理层是七层中的最低层,它建立在物理通信介质的基础上,作为系统和通信介质的接口,为数据链路层实体间实现透明的位流传输。
数据链路层:
数据链路层的主要功能是在不一定可靠的物理线路上实现数据的可靠传输,即数据链路层提供网络中相邻结点之间的可靠的、以帧(帧为协议数据单元)为单位的数据通信。
网络层:
数据链路层提供的是两个结点之间数据的传输,主机到主机之间数据的传输工作是则由网络层来完成。
网络层的主要功能是路由选择和结点交换,使用数据链路层的服务将每个数据报文从源站点传输到目的站点。
路由选择是网络层的一项主要工作。
网络层传送数据的单位是分组,就是将一个报文分成等长的分组。
传输层:
传输层亦称作运输层或传送层。
该层的功能是负责向源主机与目的主机两个主机中进程之间的通信提供服务。
由于一个主机可同时运行多个进程,因此传输层有复用和分用的功能。
会话层:
会话层又称为会晤层或对话层。
会话层所提供的会话服务主要分为两大部分,即会话连接管理与会话数据交换。
表示层:
表示层的目的是提供两个通信系统中信息的表示方式。
主要完成数据字符集的转换,数据格式化和文本压缩,数据加密、解密等工作。
应用层:
应用层位于最高层,它是OSI用户的窗口,并为用户提供一个OSI的工作环境。
应用层的内容主要取决于用户的需要。
应用层包括的功能最多,已经制定的应用层协议包含网络管理,电子邮件,文件传送,WWW应用等。
(2)TCP/IP协议模型
在诸多网络互连协议中,传输控制协议/互连网协议TCP/IP(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol)是当前最流行的商业化协议。
目前,众多的网络产品厂家都支持TCP/IP协议,并被广泛用于因特网(Internet)连接的所有计算机上,TCP/IP已成为一个事实上的工业标准或实施标准,建立在TCP/IP结构体系上的协议也成为应用最广泛的协议。
TC
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