计算机网络与通信基础.

计算机网络技术及实训张蒲生主编中国水利水电出版社2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31.1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41.1.1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。⑷第四阶段从20世纪90年代开始。下一代互联网(Internet2)正在向我们走来，Internet2比现在的Internet先进的多，速度要快一百到一千倍，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。51.1.1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⑵计算机-计算机网络⑶开放标准化网络61.1.2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。71.1.2计算机网络的定义2.计算机网络与分布式系统的区别计算机网络中“存在着一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务所需要的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。”分布式系统一般具有以下特征：⑴系统拥有多种通用的逻辑资源，可以动态地给它们分配任务。⑵系统中分散的物理和逻辑资源通过计算机网络实现信息交换。⑶系统存在一个以全局方式管理系统资源的分布式操作系统。⑷系统中联网各计算机既合作又自治。⑸系统内部结构对用户是完全透明的81.2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1.2.3计算机网络的应用91.2.1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。3.提高系统的可靠性在计算机网络中，各台计算机可彼此互为后备机，每一种资源都可以在两台或多台计算机上进行备份。这样当某台计算机、某个部件或某个程序出现故障时，其任务就可以由其他计算机或其他备份的资源所代替，避免了系统瘫痪，提高了系统的可靠性。101.2.1计算机网络的功能4.网络分布式处理与均衡负载所谓网络分布式处理，是指把同一任务分配到网络中地理上分布的结点机上协同完成。通常，对于复杂的、综合性的大型任务，可以采用合适的算法，将任务分散到网络中不同的计算机上去执行。另一方面，当网络中某台计算机、某个部件或某个程序负担过重时，通过网络操作系统的合理调度，可将其任务的一部分转交给其他较为空闲的计算机或资源去完成。5.分散数据的综合处理网络系统还可以有效地将分散在网络各计算机中的数据资料信息收集起来，从而达到对分散的数据资料进行综合分析处理，并把正确的分析结果反馈给各相关用户的目的。111.2.2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。121.2.2计算机网络的分类2.按照网络的交换方式不同进行分类⑴电路交换方式。它类似于传统电话交换方式，用户在开始通信前，必须申请建立一条从发送端到接收端的物理信道，而且在双方通信期间始终占用该信道。⑵报文交换方式。其数据单元是要发送的一个完整报文，报文长度无限制。报文交换采用存储-转发原理，这好像古代的邮政通信那样，邮件由途中的驿站逐个存储和转发。报文中含有目的地址，每个中间节点要为途经的报文选择适当的路径，使其能最终到达目的端。⑶分组交换方式。通信前，发送端将数据划分为一个个等长的单位(即分组)，这些分组逐个由各中间节点采用存储-转发方式进行传输，最终到达目的端。131.2.3计算机网络的应用计算机网络在资源共享和信息交换方面所具有的功能，是其他系统不能替代的。它所具有的高可靠性、高性能价格比和易扩充性等优点，使得它在工业、农业、交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等各个领域、各个行业获得了越来越广泛的应用。办公自动化电子数据交换远程交换远程教育电子银行电子公告板电子邮件系统POS系统校园网联机事务处理企业网络智能大厦和结构化综合布线系统141.3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151.3.1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。161.3.1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。终端可以通过主机连入网内，也可以通过终端控制器、报文分组组装与拆装装置可通过处理机连入网内。171.3.2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。181.3.3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在给定计算机的位置，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。191.3.3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201.3.3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211.3.3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221.3.3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231.3.3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1.信号、数据与信息数据是对某一客观现象的物理度量。信号是与实际对应的、以电磁形式表示的连续或者离散数据。信息应当是从一批数据中分析、统计得出的有用数据。281.4.1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。291.4.1数据通信的基本概念3.数据通信中的主要技术指标数字通信中，传送数据的最小单位是一个二进制“位”--比特(bit)。实际字符信息则由多个比特组成，如ASCII码中字符“A”，则由“1000001”7个比特组成，数字“1”则由“0110001”组成等，实际信道上传输的就是这样一连串的比特，简称比特流。⑴数据传输率单位时间传送的比特数(bps)，用于描述数字信道的传输能力，即发送、接收双方及中间交换的处理能力。⑵误码率Pb传输时出错比特数与总传送比特数之比。301.4.1数据通信的基本概念3.数据通信中的主要技术指标⑶信道容量物理信道的最大传输率还与线路所受电磁干扰强弱有关，实际信道数据传输率的上限值、即信道容量的香农(Shannon)公式为：C=Blog2(1+S/N)式中：C--信道容量，即信道最大传输率bps。B--信道频带Hz。S--信道中信号功率。N--信道中电磁噪声功率。一般，信道中信噪比用分贝dB数表示，由分贝定义式dB=10log10S/N可知，当信噪比为30分贝时，S/N=1030/10。由香农公式计算得出的信道容量是信道传输速率的理论上限值，信道的实际数据速率小于信道容量。311.4.1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。如图所示。321.4.1数据通信的基本概念4.通信方式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。如图所示。331.4.1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。341.4.2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