第1章 计算机网络与通信基础

1第1章计算机网络与通信基础1.1计算机网络概述1.2计算机网络的功能、分类与应用1.3计算机网络的组成与拓扑结构1.4计算机数据通信基础21.1计算机网络概述1.1.1计算机网络的发展1.1.2计算机网络的定义31.1.1计算机网络的发展1.发展的四个阶段⑴第一阶段20世纪50年代，人们开始将彼此独立发展的计算机技术与通信技术结合起来，完成了数据通信技术与计算通信网络的研究，为计算机网络的产生做好了技术准备，并奠定了理论基础。⑵第二阶段从20世纪60年代美国的APPANET与分组交换技术开始。⑶第三个阶段大致从20世纪70年代中期开始。网络发展迅速，开始出现OSI体系模型。⑷第四阶段从20世纪90年代开始。Internet迅速发展。下一代互联网正在向我们走来，比现在的Internet先进的多，它能使医疗、音乐和娱乐在线互动化，它或许会改变我们的生活方式。41.1.1计算机网络的发展2.发展的三个时期追溯计算机网络的发展历史，它的形成可概括为面向终端的计算机网络，计算机-计算机网络和开放式标准化网络三个时期。⑴面向终端的计算机网络（终端—通信线路—计算机系统）⑵计算机-计算机网络（计算机系统—通信线路—计算机系统）⑶开放标准化网络（OSI参考体系、TCP/IP体系）51.1.2计算机网络的定义1.计算机网络定义的基本内容由资源共享观点出发将计算机网络定义为“以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合”。资源共享观点的定义符合目前计算机网络的基本特征，其主要表现在：⑴计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。⑵互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”。⑶联网计算机必须遵循全网统一的网络协议。61.2计算机网络的功能、分类与应用1.2.1计算机网络的功能1.2.2计算机网络的分类71.2.1计算机网络的功能1.资源共享计算机资源主要指计算机硬件资源、软件资源和数据资源，所以计算机网络中的资源共享包括硬件资源共享、软件资源共享和数据资源共享。2.通信功能用户可以通过计算机网络传送电子邮件、发布新闻消息和进行电子商务活动。81.2.2计算机网络的分类1.按照网络的分布范围不同进行分类按地理分布范围分类，计算机网络可以分为广域网、局域网和城域网三种。⑴广域网，其分布范围可达数百至数千公里，可覆盖一个国家或一个洲。⑵局域网，是将小区域内的各种通信设备互连在一起的网络，其分布范围局限在一幢大楼或一个校园内，大约在几百米到几公里的范围，主要用于连接个人计算机、工作站和各种外围设备以实现资源共享和信息交换。其传输速率比较高，通常在10Mbps以上。⑶城域网，其分布范围介于局域网和广域网之间，目的在大都市较大的地理区域内提供数据、声音和图像的传输。91.3计算机网络的组成与拓扑结构1.3.1资源子网的概念1.3.2通信子网的概念1.3.3计算机网络的拓扑结构101.3.1资源子网的概念资源子网由主计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成。资源子网负责处理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。111.3.1资源子网的概念1.主机系统主计算机系统简称主机(Host)，它可以是大型机、中型机、小型机、工作站或微机。2.终端终端是用户访问网络的界面。终端可以是简单的输入、输出终端，也可以是带有微处理的智能终端。智能终端除具有输入、输出信息的功能外，本身还具有存储与处理信息的能力。121.3.2通信子网的概念通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务1.通信控制处理机通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络节点。它一方面作为与资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面它又作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能，实现将原主机报文准确发送到目的主机的作用。2.通信线路通信线路为通信控制处理机与通信控制处理机、通信控制处理机与主机之间提供通信信道。计算机网络采用多种通信线路，例如，电话线、双绞线、同轴电缆、光缆、光纤、无线通信信道、微波与卫星通信信道等。131.3.3计算机网络的拓扑结构1.计算机网络拓扑定义计算机网络设计的第一步就是要解决所给定计算机的位置，并保证一定的网络响应时间，吞吐量和可靠性的条件下，通过选择适当的线路、线路容量与连接方式，使整个网络结构合理与成本低廉。计算机网络拓扑是通过网中节点或节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映同网络中各实体的结构关系。141.3.3计算机网络的拓扑结构2.计算机网络拓扑的分类计算机网络中常见的拓扑结构主要有：星形、总线形、环形、树形、混合形及网形拓扑。⑴总线型拓扑结构（广播式）15优点：布线容易；增删容易；节约电缆缺点：总线的传输距离有限；故障诊断和隔离较困难，影响大；不具备实时功能（共享介质）信息堵塞161.3.3计算机网络的拓扑结构2.计算机网络拓扑的分类⑵环形拓扑结构（广播式）17优点：电缆长度短；比较易于增删节点；缺点：节点故障引起全网故障；故障检测难；重新配置比较困难181.3.3计算机网络的拓扑结构2.计算机网络拓扑的分类⑶星形拓扑结构19优点：控制简单；故障诊断和隔离容易；可扩展性好缺点：电缆长度和安装工作量可观；中央节点负担太重，瓶颈效应中央节点是网络安全的瘫痪201.3.3计算机网络的拓扑结构2.计算机网络拓扑的分类⑷网状拓扑结构21选择最佳路由结构复杂，成本高可靠性高221.3.3计算机网络的拓扑结构2.计算机网络拓扑的分类⑸树形拓扑结构（广播式）（由总线型演变而来）23优点：易于扩展；故障隔离容易；缺点：对根节点依赖性太大241.3.3计算机网络的拓扑结构2.计算机网络拓扑的分类⑹混合拓扑结构251.3.3计算机网络的拓扑结构3.计算机网络拓扑结构的选择不管是局域网或广域网，其拓扑的选择，需要考虑诸多因素：⑴网络既要易于安装，又要易于扩展。⑵网络的可靠性是考虑选择的重要因素。要易于故障诊断和隔离，以使网络的主体在局部发生故障时仍能正常运行。⑶网络拓扑的选择还会影响传输媒体的选择和媒体访问控制方法的确定，这些因素又会影响各个站点的运行速度和网络软、硬件接口的复杂性261.4计算机数据通信基础1.4.1数据通信的基本概念1.4.2数据传输方式1.4.3数据编码技术和时钟同步1.4.4数据交换技术1.4.5多路复用技术1.4.6差错控制方法271.4.1数据通信的基本概念2.模拟数据通信和数字数据通信与连续数据对应变化的信号称为模拟信号，如温度、压力、语音数据转换为信号后都是典型的模拟信号。与离散数据对应变化的信号称为数字信号，如对语音声压的一系列瞬间测量值、量化编码后的信号，计算机中传输处理的二进制信号等。模拟信号可以用模拟线路直接传输，用放大器弥补传输一定距离后造成的信号衰减。模拟信号也可以先调制转换成数字信号、用数字线路传输，到达目的地后解调还原成原来的模拟信号；在数字传输线路中，用中继器对传输一定距离造成的信号衰减和波形畸变进行整形、放大--即信号的再生。数字信号可以用数字线路直接传输，用中继器延伸传输距离。数字信号也可以先调制转换成模拟信号，在模拟线路上传输，到达目的地后解调还原成数字信号。281.4.1数据通信的基本概念4.通信方式⑴并行通信并行通信是指同时有多条数据通道，可同时传送多个比特。⑵串行通信串行通信是指用一条数据线传送比特流，一次只传送一个比特，发送方计算机内的并行数据经并-串转换后组成按序传送的数据流，接收方计算机再进行串-并转换还原成并行数据进行处理。291.4.1数据通信的基本概念4.通信方式⑶单工、半双工及全双工通信在串行通信中，按数据传输方向又分为单工通信、半双工通信、全双工通信。①单工通信只支持数据在一个方向上传送，通信的一方只有发送设备，另一方只有接收设备。②半双工通信支持数据轮流在两个方向上传输，通信双方均具有发送设备和接收设备，但只能轮流工作而不能同时发、收。③全双工通信可同时收、发数据，通信双方各有发送设备和接收设备并可同时工作，全双工通信一般采用四线制，一对线用于发送数据，另一对线用于接收数据。显然，全双工通信方式效率较高。301.4.2数据传输方式数据传输时，对线路频带资源的使用方式有两种：基带传输与宽带传输。所谓基带传输，就是数字信号直接传输，使用数字信号的原始频带，不用调制解调转换，这是一种比较简单的传输方法，信道资源利用率比较低，一条线路只能传送一路信号。网络中的数字信号传输就是采用基带传输的。所谓宽带传输，即是前面所述的数字信号模拟传输方法，对多路信号采用不同的载波频率进行调制，每一路信号占用一定宽度的频带资源，在同一条通信线路上可同时传送多路信号，这样在远距离通信时有利于节约线路资源。311.4.4数据交换技术如图所示是一个交换网络的结构。按所用的数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网，报文交换网和分组交换网。321.4.4数据交换技术⑴电路交换。在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占有。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。⑵报文交换。报文从源点传送到目的地采用“存储-转发”方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。⑶分组交换。交换方式和报文交换方式相类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中，目的地需要重新组装报文；在虚电路分组交换中，数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。331.4.4数据交换技术1.电路交换普遍使用的电话交换网络是使用电路交换技术的典型例子。⑴电路建立如同打电话一样，先要通过拨号在通话双方间建立起一条通路，在传输数据之前，也要经过呼叫过程建立一条端到端的电路。⑵数据传输当电路ABC建立起来以后，数据就可以从A发送到B，再由B交换到C；C也可以经B向A发送数据。这种数据传输有最短的传播延迟，并且没有阻塞问题，除非有意外的线路或节点故障而使电路中断。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。341.4.4数据交换技术⑶电路拆除在数据传输结束后，由某一方A或C发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。被拆除的信道空闲后，就可被其他通信使用。电路交换方式的优点是数据传输可靠、迅速及时，数据不会丢失，且保持原来的序列。缺点是信道长时间被占用，即使信道空闲时，他人也不能使用，造成信道利用率低；此外，在数据传输所花时间不太长的情况下，建立和拆除所用时间得不偿失。因此，电路交换适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。351.4.4数据交换技术2.报文交换⑴报文交换的工作过程报文交换方式的数据传输单位是报文，所谓报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。报文交换不需要在两个站点之间建立专用通路，传送方式采用“存储-转发”方式。当一个站点要发送报文时，它先将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的的节点。每个节点在收下整个报文并检测无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。361.4.4数据交换技术⑵报文交换与电路交换的比较与电路交换比较，报文交换的主要优点有：①电路利用率高。②在电路交换网路上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫，而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。③报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。④报文交换网络可以进行速度和代码的转换。371.4.4数据交换技术报文交换的主要缺点是：它不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长，而且不固定。因此，这种方式不能用于语音连接，也不适合交互式终端到计算机的连接。有时节点收到过多的报文而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。381.4.4数据交换技术3.分组交