网络基础知识教程

计算机网络实用教程刘四清编写清华大学出版社2006年4月第1章计算机网络基础本章主要介绍的内容有：计算机网络的基本概念计算机网络的产生与发展计算机网络的功能与应用计算机网络的基本组成计算机网络的拓扑结构与分类1.1计算机网络概述1.1.1什么是计算机网络计算机网络是将若干台独立的计算机通过传输介质相互物理连接，并通过网络软件逻辑地相互联系到一起而实现信息交换、资源共享、协同工作和在线处理等功能的计算机系统。“网络”主要包含连接对象（即元件）、连接介质、连接的控制机制（如约定、协议、软件）和连接的方式与结构四个方面。1.1计算机网络概述1.1.2计算机网络的功能1．共享硬件与软件2．共享信息3．通信电子邮件、网络聊天、IP电话和网络会议等。4．负荷均衡与分布处理5．系统的安全与可靠性能1.1计算机网络概述1.1.3计算机网络的应用在科研和教育中的应用在企事业单位中的应用在商业上的应用在通信与娱乐上的应用1.2计算机网络的产生与发展计算机网络最早出现于20世纪50年代。计算机网络也经历了从简单到复杂，从单机到多机的发展过程，其演变过程主要可分为以下四个阶段，即：面向终端的计算机网络、计算机通信网络、计算机互联网络、高速互联网络。1.2计算机网络的产生与发展1.2.1面向终端的计算机网络公用电话网MODEMMODEMMODEMMODEM多重线路控制器终端终端.........主机1.2计算机网络的产生与发展1.2.2计算机通信网络通信子网资源子网CCPCCPCCPCCPCCPCCP主机主机主机终端终端终端1.2计算机网络的产生与发展1.2.2计算机通信网络计算机通信网络在逻辑上可分为两大部分：通信子网（CommunicationSubnet）资源子网资源子网由主计算机系统、终端、终端控制器、连网外设、各种软件资源与信息资源组成。资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。通信子网由通信控制处理机（CommunicationControlProcessor,CCP）、通信线路和其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务。1.2计算机网络的产生与发展1.2.3计算机互联网络通信子网路由器路由器路由器路由器路由器路由器主机局域网主机局域网主机局域网主机局域网路由器路由器路由器路由器服务器服务器服务器服务器1.2计算机网络的产生与发展1.2.4高速互联网络基于传统电信网络为信息载体的计算机互联网络不能满足人们对网络速度的要求，促使网络由低速向高速、由共享到交换、由窄带向宽带方向迅速发展，即由传统的计算机互联网络向高速互联网络发展。以IP技术为核心的计算机网络（信息网络，也称高速互联网络）将成为网络（计算机网络和电信网络）的主体，信息传输、数据传输将成为网络的主要业务，一些传统的电信业务也将在信息网络上开通，但其业务量只占信息业务的很小一部分。1.3计算机网络的基本组成计算机网络的主要由四部分组成：1．计算机系统2．通信线路和通信设备通信设备指网络连接设备、网络互联设备，包括：网卡、集线器、中继器、交换机、网桥和路由器以及调制解调器等其他的通信设备。3．网络协议如TCP/IP协议、NetBEUI协议、IPX/SPX协议。4．网络软件网络软件可分为网络系统软件和网络应用软件两大类型。1.4计算机网络拓扑结构网络拓扑结构是计算机网络节点和通信链路所组成的几何形状。计算机网络有很多种拓扑结构，最常用的网络拓扑结构有：总线型结构、环型结构、星型结构、树型结构、网状结构和混合型结构。1.4计算机网络拓扑结构1.4.1总线型结构总线型结构采用一条单根的总线为公共的传输通道，所有的节点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输。1.4计算机网络拓扑结构1.4.2环型结构环型结构是各个网络节点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中，每个节点设备只能与它相邻的一个或两个节点设备直接通信。1.4计算机网络拓扑结构1.4.3星型结构星型结构的每个节点都由一条点到点链路与中心节点（公用中心交换设备，如：交换机、集线器等）相连。1.4计算机网络拓扑结构1.4.4树型结构树型结构是从总线型和星型结构演变来的。网络中的节点设备都连接到一个中央设备如集线器上，但并不是所有的节点都直接连接到中央集线器，大多数的节点首先连接到一个次级集线器，次级集线器再与中央集线器连接。树型结构有两种类型，一种是由总线型拓扑结构派生出来的，它由多条总线连接而成；另一种是星型结构的变种，各节点按一定的层次连接起来，形状像一棵倒置的树，故得名树型结构。1.4计算机网络拓扑结构1.4.4树型结构1.4计算机网络拓扑结构1.4.5网状结构与混合型结构网状结构是指将各网络节点与通信线路互联成不规则的形状，每个节点至少与其他两个节点相连，或者说每个节点至少有两条链路与其他节点相连。1.5计算机网络的分类计算机网络可以有不同的分类方法，如：按网络覆盖的地理范围分类；按网络控制方式分类；按网络的拓扑结构分类；按网络协议分类；按传输介质分类；按所使用的网络操作系统分类；按传输技术分类和按使用范围分类等。1.5计算机网络的分类1.5.1局域网、城域网和广域网按照网络覆盖的地理范围的大小，可以将网络分为：局域网、城域网和广域网三种类型。1．局域网1.5计算机网络的分类2．城域网1.5计算机网络的分类3．广域网1.5计算机网络的分类1.5.2广播式网络与点到点网络根据所使用的传输技术，可以将网络分为：广播式网络点到点网络1.5计算机网络的分类1.5.3公用网与专用网1．公用网公用网又称公用数据通信网。通常，公用数据通信网是由政府的电信部门建立和管理的，这也是区别于其他网络的主要标志之一。2．专用网专用网络根据网络环境又可细分为部门网络、企业网络和校园网络三种。第2章数据通信基础本章主要介绍的内容有：数据通信的基本概念数据通信方式数据通信传输介质数据编码技术数据传输速率传输介质数据网简介2.1数据通信的基本概念数据通信是指在计算机之间、计算机与终端以及终端与终端之间传送表示字符、数字、语音、图像的二进制代码0、1比特序列的过程。信号（Signal）是数据的电磁波表示形式。按照在传输介质上传输的信号类型，可以分为：模拟信号数字信号两类相应地将数据通信系统分为：模拟通信系统数字通信系统两种。2.1数据通信的基本概念2.1.1数据、信息与信号1．信息和数据数据是信息的载体，信息则是数据的具体内容和解释，有具体含义，表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像及动画等。信息涉及数据所表示的内涵，而数据涉及信息的表现形式，它可以是数字、文字、语音、图形或图像等，数据是通信双方交换的具体内容。2.1数据通信的基本概念2.1.1数据、信息与信号2．信号在数据通信中，信息被转换为适合在通信信道上传输的电磁波编码。这种在信道上传输的电磁波编码叫做信号（Signal）。信号是数据在传输过程中的电磁波的表示形式。2.1数据通信的基本概念2.1.1数据、信息与信号下图分别表示模拟信号和数字信号。(a)v(t)v(t)tt(b)2.1数据通信的基本概念2.1.2数据通信系统信息传输信系统由三个主要部分组成：信源（发送机）、信宿（接收机）和信道。发送设备发送机信道接收设备接收机图3-3数据传输系统模型信息信息信号信号编码器调制器信道译码器解调器比特流比特流信号信号2.1数据通信的基本概念2.1.2数据通信系统计算机网络中数据通信图示说明。通信子网资源子网CCPBCCPDCCPCCCPECCPACCPF主机H主机HAB2.2数据通信方式2.2.1并行传输与串行传输发送端接收端串行通信信道(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道(b)2.2数据通信方式2.2.2异步传输与同步传输下图为异步传输起始位数据位0数据位1数据位2数据位3数据位4数据位5数据位6校验位停止位停止位字符2字符1字符3字符4┗─┳─┛┗┳┛┗┳┛任意间隔任意间隔任意间隔2.2数据通信方式2.2.3数据传输方向发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收接收发送发送接收接收发送2.2数据通信方式2.2.4连接方式下图分别为点到点连接方式和多点连接方式。计算机计算机调制解调器调制解调器公共电话交换网图3-9多点连接通信服务器终端终端终端2.2数据通信方式2.2.5基带传输与频带传输数据信号的基本传输方式有两种，即：基带传输频带传输除此之外，在前两种数据信号基本传输方式的基础上演化而来还有：宽带传输数字数据传输2.3数据编码技术数据通信的数据编码方式分为两类：模拟数据编码与数字数据编码。数据编码方法模拟数据编码数字数据编码振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK非归零码NRZ曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码2.3数据编码技术2.3.1模拟数据编码方法010010ωωπ0πππ0+0+π+0+0+0ω2ω1ω2+π数据（a）ASK（b）FSK（c）PSK（绝对）（d）PSK（相对）ω1ω2ω12.3数据编码技术2.3.2数字数据编码方法010110010数字数据（a）NRZ编码NRZ编码的同步时钟（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码2.3数据编码技术2.3.3脉冲编码调制方法2.4数据传输速率1．信道带宽信道上传输的是电磁波信号，某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。2．数据传输速率与信道最大传输速率数据传输速率是指信道每秒所能传输的二进制比特数。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的，即信道带宽越宽，数据传输速率越高，所以人们可以用“带宽”去取代“速率”。2.4数据传输速率3误码率误码率是衡量通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。误码率是指二进制码元在传输过程中被传错的概率。4传输延迟、利用率和抖动传输延迟是指计算机系统的发送和接收处理之间的时间。利用率是吞吐量和最大数据传输速率之比。延迟不是固定不变的，它的实时变化叫做抖动（Jitter）。2.5传输介质传输介质是指数据通信系统中发送器和接收器之间的物理路径，它是传输数据的物理基础。传输介质分为有线和无线两大类。有线传输介质包括双绞线、同轴电缆和光缆；无线传输介质是指利用大气和外层空间作为传播电磁波的通路。现在比较流行的使用方式为：局域网由双绞线连接到桌面，光缆作为通信干线，卫星用于跨国界传输。2.5传输介质2.5.1双绞线双绞线通常有非屏蔽式和屏蔽式两种。下图是非屏蔽双绞线UTP。灰色保护套双绞线线芯图1-15非屏蔽双绞线UTP2.5传输介质2.5.2同轴电缆同轴电缆有粗缆和细缆之分，下图所示为细同轴电缆段。内导体透明绝缘体外导体黑色保护套图1-16细同轴电缆2.5传输介质2.5.3光纤包带层防护套填充物光纤及包层远程电源线加强芯图1-19四芯光缆剖面图2.5传输介质2.5.4无线传输介质无线传输主要包括：无线电波、微波、红外线和激光等，各种无线传输对应的电磁波谱范围如下图所示。10010210410610810101012101410161018102010221024无线电微波红外紫外线可见光X-射线γ-射线1041051061071081091010101110121013101410151016f(Hz)f(Hz)双绞线同轴电缆无线电(AM)无线电(FM)电视频道卫星通信地面微波通信光纤频段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF2.5传输介质1．地面微波通信图1-21微波地面中继通信地球表面2.5传输介质2．卫星微波通信卫星微波通信（简称卫星通信）实际上是使用人造地球卫星作为中继器来转发信号的。2.6数据通信网简介计算机网络（主要指广域网和城域网）有时需要借助电信部门的公用数据通信网络系统作为它的通信链路进行网络通信。通信网的基础是电信技术和计算