计算机网络基础

计算机网络基础邹天云第一章计算机网络概述第一节计算机网络的定义与发展一、计算机网络的定义及涉及到的四个要点一、定义所谓计算机网络，就是利用通信设备和线路将地理位置不同、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式和网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。二、计算机网络的发展第一阶段：以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机通信网（20世纪50年代）；第二阶段：多个自主功能的主机通过通信线路互联，形成资源共享的计算机网络（20世纪60年代末）；第三阶段：形成具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络（20世纪70年代末）；第四阶段：向互连、高速、智能化方向发展的计算机网络（始于20世纪80年代末）。三、计算机网络在中国的发展我国建成的四大Internet主干网中国公用计算机互联网CHINANET中国教育科研网CERNET中国科学技术网CSTNET国家公用经济信息通信网络(中国金桥信息网)CHINAGBN第三节计算机网络的分类一、按网络的地理覆盖范围分类局域网（LAN）广域网（WAN）城域网（MAN）1．局域网的技术特点覆盖有限的地理范围，它适用于公司、机关、工厂、校园等有限范围内的计算机、终端、与各类信息处理设备联网的要求。能提供较高的数据传输数率（10Mbps~10Gbps）、低误码率的高质量数据传输环境。一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展。从介质访问角度来看，局域网可分为共享介质访问和交换介质访问两类。2.广域网的技术特点广域网也称为远程网。覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。覆盖一个国家、地区或横跨几个洲，形成国际性的远程网络。通信子网采用分组交换技术。它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。3．城域网的技术特点城域网是介于广域网和局域网之间的一种高速网络。城域网的设计目标是为了满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需求。实现大量用户之间的数据、语音、图形及视频等多种信息的传输功能。城域网在技术上与局域网相似。二、按网络的拓扑结构分类网络拓扑可反映网络中各实体之间的结构关系，有星形、总线形、环形、树形和网状形等，其中星形、总线形、环形是三种基本的拓扑结构（如下图，分析其特点）三、按网络的管理方式分类网络按照其管理方式可分为：客户机/服务器网络（C/S结构）和对等网络四、按网络的使用范围分类网络按照其使用范围可分为公用网和专用网第四节计算机网络的标准及标准化组织两类标准标准可分为既成事实的标准和合法的标准。电信界最有影响的组织是:国际电信联盟（ITU）国际标准界最有影响的组织是:国际标准化组织（ISO）和电器和电子工程师协会（IEEE）因特网标准界最有影响的组织是:Internet协会。若干有影响的标准化组织国际标准界最有影响的两个组织是ISO和IEEE。计算机网络的基本功能与特点计算机网络的基本功能主要有：数据通信、资源共享、集中管理、分布式处理、可靠性高、均衡负荷和综合信息服务等。计算机网络的典型应用办公自动化系统、管理信息系统、电子数据交换和电子商务、远程教育、电子银行、企业网络等。第二章数据通信基础第一节相关基本概念一、数据通信系统模型数据通信系统由信源/信宿、信道和变换器组成二、数据通信的常用术语信息是人脑对客观物质的反映。数据是信息的载体，信息是数据的内容和解释，而信号是数据的电或磁的编码。信道是传输信号的通路，信号带宽指信号的频率范围，信道带宽指信道上能够传输信号的最大频率范围。三、数据通信的方式按照通信中字节使用的信道数，数据通信的方式可分为:串行传输和并行传输；根据数据通信的传输方向可分为：单工通信、半双工通信和全双工通信；四、数据通信中的同步方式同步，就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致（以下图说明同步的意义）。数据通信中常用的两种同步方式是：异步传输和同步传输异步传输方式（起止式）或字符同步：在被传送的字符前后加起止位，实现定时的传输方式。（起始位处于低电平，停止位处于高电平）异步传输方式的过程和特点每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步不会因偏差的累积而导致错位，加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以异步串行通信的可靠性高由于要在每个字符的前后加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传输效率变低，一般用在数据速率较慢的场合同步传输方式特点：不需要在每个字符前后附加起始和停止位，因此，传输效率提高了。同时，由于采用了一些传输控制字，故增强了通信控制能力和校验功能。五、数据通信的主要技术指标1、数据传输速率：用于衡量信道传输数据的快慢，是信道的实际数据传输速率。有以下两种表示方法。⑴比特率S：数字信号的传输速率，单位：b/s,kb/s,mb/s等⑵波特率B：B＝1/T(Baud)(也表示码元的传输率)比特率和波特率的关系：S＝Blog2N(N表示一个脉冲所表示的有效状态数)（举例如下）2、误码率：表示二进制数据位在传输中出错的概率，用于衡量信道传输数据的可靠性。公式：Pe≈Ne/N例如，若数据传输10000个bit，接收经检查发现有一个bit错了，则误码率Pe=10-43、信道容量：指信道所能承受的最大传输速率，用于衡量信道传输数据的能力。信道容量有两种衡量的方法：奈奎斯特公式和香农公式。(1)奈奎斯特公式（Nyquist）对有限带宽无噪声信道，信道容量可用如下公式计算：其中，C—最大数据速率（信道容量）H—信道的带宽（Hz）N—一个脉冲所表示的有效状态数第二节数据传输介质一、传输介质基本概念指传送信息的载体，是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。常用的传输介质可分为有线（双绞线、同轴电缆和光纤）和无线两类。选择传输介质应考虑的因素（介质特性）物理特性：传输介质物理结构的描述传输特性：传输介质允许传输数字或模拟信号，以及调制技术、传输容量、传输的频率范围。地理范围：传输介质最大的物理传输距离抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力易用性：安装连接是否方便。可维护性：维护费用二、双绞线双绞线分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两类，可以用于传输模拟或数字信号，常用点到点连接，也可用于多点连接。在三种有线传输介质中，双绞线的地理范围最小、抗干扰性最低，但价格最便宜，是当前使用最普遍的传输介质。（如下图所示）三、同轴电缆同轴电缆有基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种基本类型。其中，基带同轴电缆用来传输数字信号，宽带同轴电缆可以传输模拟或数字信号。同轴电缆可用于点到点连接或多点连接。在三种有线传输介质中，同轴电缆的地理范围中等、抗干扰性中等，价格也中等。四、光纤光纤分单模光纤和多模光纤两种，只能单向传输数字信号，用于点到点连接。在三种有线传输介质中，光纤性能最好、传输距离长、不受电磁干扰或噪声影响、体积小、重量轻，但价格也是最高的。五、无线介质常用的无线介质是无线电波和微波等。无线传输不需铺设网络传输线，而且网络终端移动方便。其中，微波通信常用的有地面微波通信和卫星通信两种。第三节数据编码与传输技术在计算机中，数据是以离散的二进制“0”、“1”比特序列方式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。通信信道分为模拟信道和数字信道，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据。因此，数据的编码方法包括数字数据的编码与调制和模拟数据的编码与调制。利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有四种：不归零码、归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。不归零编码（Non-ReturntoZero，NRZ）NRZ编码规定可用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一，其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”；差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。第三章计算机网络体系结构第一节网络体系结构的基本概念一、网络协议网络协议是指为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。它由三部分组成：语法、语义和同步（定时）。①协议的语法（如何讲）问题。②协议的语义（讲什么）问题。③协议的语序（讲话次序）问题二、网络的分层结构将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。对于计算机网络系统这样一个十分复杂的系统，分层是系统分解的最好方法之一。1、网络层次结构的特点（1）除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。（2）对等层的虚通信必须遵循该层的协议。（3）n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。2、网络层次结构中的协议(1)不同主机同一层次（对等层）实体之间进行的通信。遵守的是“同层协议”。(2)同一主机相邻层的实体之间进行的通信。遵守的是“接口协议”。3、网络层次结构的优点(1)各层的功能明确，并且相互独立。(2)易于实现和维护。(3)易于实现标准化。4、络层次结构的划分原则(1)每层具有特定的功能，相似的功能尽量集中在同一层。(2)各层相对独立，某一层的内部变化不能影响另一层，低层对高层提供的服务与低层如何完成无关。(3)相邻层之间的接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少，以利于标准化。(4)层数应适中。三、网络的体系结构所谓网络体系就是为了完成主机之间的通信，把网络结构划分为有明确功能的层次，并规定了同层次虚通信的协议及相邻层之间的接口及服务。第二节OSI参考模型OSI参考模型简介１、OSI（OpenSystemInterconnection）参考模型：开放式系统互联。“开放”：表示任何两个遵守OSI标准的系统可以互连“系统”：指计算机、终端或外部设备等1、OSI参考模型的结构ISO参考模型由ISO组织提出，目的是实现异种机互连。OSI参考模型是七层结构（物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层），提供了从抽象的应用层到具体的物理层的层结构视图。（如下图）2、OSI参考模型中的数据传输过程在OSI参考模型中，不同主机对等层之间按相应协议进行通信，同一主机不同层之间通过接口进行通信。除了最低层的物理层是通过传输介质进行物理数据传输外，其他对等层之间的通信均为逻辑通信。在这个模型中，每一层将上层传递过来的通信数据加上若干控制位后再传递给下一层，最终由物理层传递到对方物理层，再逐级上传，从而实现对等层之间的逻辑通信。（如下图所示）3、OSI参考模型各层的功能简介能(1)物理层(PhysicalLayer)物理层的作用是通过传输介质发送和接收二进制比特流，实现比特流的透明传输。(2)数据链路层(DataLinkLayer)该层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路转换成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层传送的协议数据单元（PDU)称为数据帧。数据帧中包含物理地址（又称MAC地址）、控制码、数据及校验码等信息。(3)网络层(NetworkLayer)该层的主要作用是解决如何