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第一章计算机网络基础知识§1.1计算机网络概论一、计算机网络的产生和发展其发展经历了四个阶段：(1)以单个计算机为中心的远程连机系统，构成面向终端的计算机网络。(60年代以前)。(2)多个主计算机通过通信线路互连的计算机网络。（60年代中期）。(3)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。(70年代末)。(4)网络互联与高速网络。（90年代）。二、定义及功能计算机网络是指把若干台地理位置不同，且具有独立功能的计算机，通过通信设备和线路相互连接起来，以实现信息的传输和共享。实现三个基本功能：计算机之间和计算机用户之间的相互通信与交往。资源共享，包含计算机硬件资源、软件资源、数据和信息资源。计算机之间或计算机用户之间的协同工作。三、网络的组成从结构上分为两层：面向数据处理的计算机和终端，负责数据通信的通信控制处理机和通信线路。从网络组成角度分为：资源子网和通信子网。1、资源子网（1）主机（2）终端（3）网络软件2、通信子网（1）通信控制处理机（2）通信线路和通信设备四、网络的分类a)跨度分：（1）局域网（2）广域网（3）城域网（4）Internetb)按使用范围分：（1）公用网（2）专用网c)按通信介质分：（１）有线网（２）无线网§1.2数据通信基础一、数据通信的基本概念数据：网络传输中的二进制码，是信息的载体。信息：数据的内在含义和解释。信号：指数据的电编码或电磁编码。噪声：信号在传输过程中遇到的干扰。信道：传送信号的通路。信号带宽：信号传送的电磁波的频率范围。信道带宽：信道上能够传送的信号的最大频率范围。模拟传输和数字传输：以模拟信号的形式在信道上传送数据为模拟传输；以数字信号的形式在信道上传送数据称为数字传输。码元：信号传送中的基本单元。数据包：数据段及其附加信息(如序号、地址、校验码)一起形成的逻辑数据单位。数据帧：数据包在实际传输过程中被分割成的更小逻辑单位。数据传输速率：单位时间内传送的二进制数据位数。(BPS)传输效率：原始数据量占整个传送数据的比率。信道容量：物理信道能够传输信息的最大能力。决定因素：信道带宽、可用时间、传输速率、信道质量等。二、信道1、通信线路的连接方式（1）点—点连接方式（2）多点连接方式2、并行传输和串行传输3、信道的通信方式单工：数据单向传输（无线电广播）。半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）。全双工：数据可同时双向传输（电话）。三、数字信号的转输方式基带：数字信号是一连串矩形电脉冲信号，在其频普中从零频开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带。基带传输：在线路上直接传输数字基带信号。基带传输中，发送端的数据需要用编码器对数字信号进行编码来表示数据，接收端由译码器进行解码，恢复发送端的数据。频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调，需要使用调制器/解调器。例如：通过电话模拟信道传输，传输距离长，但信道的速率有限备注：了解振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)四、数据传输同步方式同步是指接收端与发送端在收发时间上必须一致(包括开始时间、位边界、重复频率等)。包括：异步方式和同步传输方式。五、多路复用技术在实际的计算机网络系统中，传输媒体的能力往往超过来自单一信息源的需求，为了有效地利用通信线路，希望一个信道能够同时传输多路信号。多路复用技术就是把许多信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行传输的技术。采用多路复用技术把多个信号组合在一条物理线缆上传输，在远距离传输时可大大节省线缆的安装和维护费用。两种最常使用的多路复用技术是频分多路复用和时分多路复用。其中时分多路复用又可分为同步时分和异步时分两种。1、频分多路复用（FDM）在物理信道能提供比单路原始信号宽得多的带宽的情况下，我们就可以把该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单路信号带宽相同(或稍微宽一点)的子信道，每个子信道传输一路信号。这就是频分多路复用。多路的原始信号在频分复用前，首先要通过频谱搬移把各路信号的频谱搬移到物理信道的不同频谱段上，这可以通过在频率调制时采用不同的载波来实现。将一定带宽的线路划分为若干有较小带宽的信道，每个信道供一个用户使用,每个信道之间留出适当的频率范围作为保护频带。如无线电视,有线电视,每个频道都通过一个频段发送信号。2、时分多路复用（TDM）若媒体能达到的位传输速率超过单一信号源所要求的数据传输率，就可采用时分多路复用(TDM)技术，就是将一条物理信道按时间分成若干时间片轮流地给多个信号源使用，每一时间片由复用的一个信号源占用，而不象频分多路复用(FDM)那样同一时间同时发送多路信号。同步时分多路复用是指时分方案中的时间片是分配好的，而且是固定不变的，轮流占用，而不管某个信息源是否真有信息要发送。这样，时间片与信息源是固定对应的，或者说，各种信息源的传输定时是同步的，故称为同步TDM。在接收端，根据时间片序号便可判断是哪一路信息，因而便可送往相应的目的地。异步时分多路复用允许动态地分配传输媒体的时间片。这样便可大大减少时间片的浪费。当然，实现起来要比同步TDM困难一些。在接收端无法根据时间片的序号来断定接收的是哪一路信息源的信息，因此，需要在所传输的信息中带有相应的信息采用分时技术，使复用的各路信号在时间上不重叠。每一时间片由一路信号占用，各路信号按时间片轮流利用信道。时分复用技术较为复杂，但是更有效。六、数据交换技术和差错控制技术1、数据交换技术：解决资源子网中的两台计算机如何通过通信子网实现数据交换的技术。实现交换的方法主要有：线路交换、报文交换、报文分组交换。1）、电路交换与电话交换方式类似，交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。特点：数据传输前需要建立一条节点到节点的通信信道。线路建立——传输——线路释放。优缺点：呼叫建立的时间长存在呼损；建立连接后，传输延迟小，适用实时大批量连续数据传输；一旦建立连接就独占线路，信道利用率低；2）报文交换两个节点无需建立专门线路，整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发技术。报文交换是我国公用电报网中采用的交换方式。3）报文分组交换分组交换是将长的报文分成若干个较短的报文分组，以报文分组为单位进行交换。在计算机网络中常用分组交换，偶尔用到电路交换，但绝不会使用报文交换的。2、差错控制技术差错：通信信道受到噪声干扰，在达到接收端时，接收信号与噪声叠加产生差错。误码率：接收码元中被传错的码元数除以传输的二进制码元总数。差错控制：在数据通信过程中发现、检测差错、对差错进行纠正，从而把差错控制在允许的范围内称为差错控制。检错码：能发现错误但不能自动纠错的编码。常用的检错码：奇偶校验码、循环冗余校验码。1）奇偶校验码有以下几种：垂直奇偶校验、水平奇偶校验、垂直水平奇偶校验。可参考书本进行讲解。2）循环冗余校验（CRC）§1.3引入：计算机网络标准化组织和通信标准简单地讲，通信双方在通信时需要遵循的一些规则和约定就是协议。协议主要由语义、语法和定时三部分组成，语义规定通信双方准备“讲什么”，亦即确定协议元素的种类；语法规定通信双方“如何讲”，确定数据的信息格式、信号电平等；定时则包括速度匹配和排序等。一、网络标准界主要机构：1、CCITT(国际电报电话咨询委员会)如:制定的X.24标准2、ISO国际标准化委员会如:OSI协议3、IEEE(电气电子工程师协会)如:IEEE802标准二、OSI七层参考模型网络协议通常按照层次设计的方法进行设计每一层不必知道下面一层是如何实现的，只要知道下层通过层间接口提供的服务是什么，以及本层应向上层提供什么样的服务，就能独立地设计。分层结构易于交流、易于理解和易于标准化，对于计算机网络这种涉及两个和更多个实体间通信的系统就更有其优越性。1、OSI参考模型的结构2、OSI参考模型的七层及其功能应用层Application表示层Presentation会话层session处理网络应用数据表示主机间通信传输层transport网络层Network数据链路层Link介质访问（接入）物理层端到端的连接寻址和最短路径DataPhysical二进制传输对于局域网来说，最下面三层（物理层、数据链路层、网络层）直接做在网卡上，其余的四层则由网络操作系统来控制。三、IEEE802通信标准局域网的标准主要是由IEEE802委员会制定的。该委员会成立于1980年，它专门负责制定不同工业类型的网络标准，主要的几个标准参见下表：其它的标准参见下：802.1:体系结构和网络互联，以及网络管理和性能测量802.2:逻辑链路控制802.3：CSMA/CD（规定了以太网的具体结构）802.4：令牌总路线球802.5：令牌环网802.6：城域网802.7：宽带技术802.8：光纤技术802.9：综合话音数据局域网802.10：可互操作规程的局域网安全802.11：无线局域网四、TCP/IP通信标准美国国防部高级研究计划局（ARPA）从1969年建成的ARPANET是首先用层次结构的通信系统之一。TCP/IP（传输控制协议/互连网协议）规定了计算机在Internet上通信时所必须遵守的基本规则。五、备注ARPANET：美国国防部高级研究计划局网TCP/IP：传输控制协议/互连网协议CSMA/CD：载波监听多点接入技术IEEE：电气电子工程师协会ISO：国际标准化组织CCITT：国际电报电话咨询委员会IPX：InternetworkPacketExchange（IPX）网间分组交换SPX：顺序分组交换（SequencesPacketExchange）六、小结1、国际标准界主要机构？2、OSI模型、TCP/IP协议计算机局域网技术引入：局域网的研究始于20世纪70年代，以太网是其典型代表。决定局域网特性的主要技术有三种：传输介质、拓扑结构、介质访问控制方法。最重要的是介质访问控制方法。一、局域网的定义和特性1、定义局域网是一种小范围地域内的微机组网，一般由微型计算机、外部设备、网络接口卡和通信线路等硬件连接而成，并配有相应的网络控制软件。LAN不是纯计算机网络，从广义上讲，计算机化的电话交换机也属于LAN。广泛的物理拓扑结构可分为：星型、总线型、树型和环型2、特性1)较高的数据传输速率。一般在1-100Mbps之间，应用最多的是10-100Mbps。较小的地域范围。2)局域网一般由某个单位所建，其所有权属于单位自己，因此LAN的设计、安装、使用和操作等均不受公共网络的束缚。3)低误码率。误码率通常在10-7至10-12。4)支持多种传输介质，如：粗缆、细缆、双绞线等。5)易于安装、组建和维护，具有较强的灵活性。6)站点个数有限，可从2个站点到上千个站点不等。7)可方便地共享各种外部设备、主机以及软件和数据，从一个站点可访问全网的资源。二、局域网的拓扑结构网络中各个节点相互连接的方法和形式如同拓扑学中的几何图形，故称为网络拓扑结构。1、选择拓扑结构应考虑的主要因素费用低、灵活性、可靠性。2、星型拓扑星型拓扑使用一条条独立的电缆或双绞线将各节点（计算机或其他网络设备）连接到中央设备上，中央设备通常是集线器（HUB）HUB。从一个节点接收数据并将它们发送到指定的节点。“无源HUB”（Passivehub）不转换信号，只简单的将信号分发到星型网络的所有分支，每个节点负责接收数据。“有源HUB”（Activehub）使用外部电源，并在信号发送之前进行放大和再生。有源HUB可以互相连接，而无源HUB则不行。局域网通常使用的是有源HUB。1）、星型结构的优点：（1）方便服务。（2）每个连接只接一个设备。（3）集中控制和故障诊断。（4）简单的访问协议。2）、星型结构的缺点：（1）费用可观。（2）扩展困难。（3）依赖于中央节点。3、总线型拓扑1）、定义所有网络上的计算机通过合适的硬件接口连接在总线上，也就是说，网络所有节点共享这条公用通信线路。2）总线结构的优点：（1）电缆长度短，布线容易。（2