列车网络控制技术复习资料

1、列车网络控制1.1.1 什么是计算机网络 荷兰阿姆斯特丹Vrije大学计算机科学系教授、皇家艺术与科学院院士Andrew S. Tanenbaum：计算机网络是自治的计算机互连起来的集合(An Interconnected Collection of Autonomous Computers)。计算机网络有硬件和软件两部分组成：(1) 硬件(Hardware)计算机，即所谓的主机(Host)或端系统(End Systems, ES)。通信设备，即中间系统(Intermediate Systems, IS)。接口设备。传输媒体或称传输介质(Medium)。计算机 通信设备，即中间系统(Inter

2、mediate Systems, IS) ：交换机、集中器、复用器、路由器、中继器 接口设备 传输媒体或称传输介质(Medium)：信息传输的通道，逻辑：信道，类比CATV的电缆和频道之间的关系（2）软件 通信软件（网络协议软件）网络操作系统 网络管理/安全控制软件、网络应用软件 计算机网络提供各种各样的应用服务：(1) 共享资源访问(2) 远程用户通信(3) 网上事务处理计算机网络分类局域网（LAN） 一般地理范围在10km以内。主要特点：1、数据传输速率高，一般为10100Mbit/s。2、数据传输可靠，误码率低，通常为10-1210-7。3、大多数LAN采用总线(Bus)、环形(Ring

3、)及星形(Star)拓扑，结构简单。4、一般为广播网络(Broadcast Network)。5、通常是由单一组织所拥有和使用。LAN有以太网(Ethernet)、令牌环网(Token Ring Network)、令牌总线 网(Token Bus Network)和无线局域网(Wireless LAN, WLAN)等。广域网(WAN)WAN（网型拓扑、交换式网络）的网络结构覆盖地域可达100km以上。WAN一般由主机和通信子网组成。WAN网络拓扑结构一般比LAN复杂，多为网形(Mesh)、树形(Tree)或它们的混合。WAN大多是交换式网络(Switched Network)。WAN常常采用信

4、道复用技术。典型的WAN有ARPANET和分组交换网,帧中继(Frame Relay, FR)，异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode, ATM)。城域网(MAN)一般在10100km的区域。分布式队列双总(Distributed Queue Dual Bus, DQDB)。LAN和WAN都广泛应用到MAN领域中：千兆和万兆以太 网，ATM，同步数字系列/同步光纤网SDH/SONET，波分多路复用WDM技术。弹性分组环(Resilient Packet Ring, RPR)。按地域范围分类局域网(Local Area Network ， LAN)范围：小，20km传

5、输技术：基带，10Mb/s1000Mb/s，延迟低，出错率低（10-11）拓扑结构：总线，环城域网(Metropolitan Area Network ， MAN)范围：中等，100km 传输技术：宽带/基带 拓扑结构：总线广域网(Wide Area Network ， WAN)范围：大，100km 传输技术：宽带，延迟大，出错率高 拓扑结构：不规则，点到点按通信介质有线网 采用如同轴电缆、双绞线、光纤等物理介质来传输数据的网络。 无线网 采用卫星、微波等无线形式来传输数据的网络。 按拓扑结构分类星形：有一个中心节点，其他节点与其构成点到点连接树形：一个根节点、多个中间分支节点和叶子节点构成

6、星 树总线型：所有节点挂接到一条总线上，广播式信道；需要有介质访问控制规程以防止冲突环形：所有节点连接成一个闭合的环，节点之间为点到点连接全连接：点到点全连接，连接数随节点数的增长迅速增长（N(N1)/2），使建造成本大大提高，只适用于节点数很少的广域网中 不规则（网状）：点到点部分连接，多用于广域网，由于连接的不完全性，需要有交换节点 环全总按通信传播方式分类点对点传输方式的网络：由一对对机器间的多条传输链路构成。信源与信宿之间的通信需经过一台和多台中间设备进行传输。网状、环形、树形、星形广播方式网络：一台计算机发送的信息可被网络上所有的计算机接收。总线型、无线（微波、卫星）局域网络通常使用

7、广播方式，广域网络通常使用点对点方式(也有例外)。按通信速率分类：低速网 网上数据传输速率在300b/s之间的系统。这种系统通常是借助调制解调器利用 网来实现的。中速网 45Mb/s之间的系统。这种系统主要是传统的数字式公用数据网。高速网 网上数据传输速率在50Mb/s 1000Mb/s之间的系统。信息高速公路的数据传输速率会更高。按使用用户分类公用网 公用网又称公众网。对所有的人来说，只要符合网络拥有者的要求就能使用这个网，也就是说它是为全社会所有的人提供服务的网络。专用网 专用网为一个或几个部门所拥有，它只为拥有者提供服务，这种网络不向拥有者以外的人提供服务。 按使用用户分类：集中式计算机

8、网络：这种网络的处理控制功能都高度集中在一个或少数几个节点上，所有的信息流都必须经过这些节点之一。分布式计算机网络：在这种网络中，网络中的任一节点都至少和另外两个节点相连接，信息从一个节点到达另一节点时，可能有多条路径。按网络环境分类：部门网络（Departmental Network）部门网络是局限于一个部门的LAN，该网络通常由几十个工作站、若干个服务器，以及可共享的打印机等设备所组成。企业网络（Enterprise-Wide Network）这是在一个企业中配置的、能覆盖整个企业的计算机网络。校园网络（Campus Network）指在学校中配置的、覆盖整个学校的计算机网络。1.1.2

9、计算机网络的分类互联网和Internet若干个网络由称为路由器(Router)的网络设备连接在一起便成了互联网，是网络的集合，是网络的网络。Internet是使用TCP/IP协议族的、覆盖全球范围的、开放的互联网。TCP/IP技术的核心是实现网络的互联(Internetworking)，其关键的思想是在底层网络与高层应用程序和用户之间加入中间层次，屏蔽底层细节，向用户提供通用一致的网络服务。Internet拓扑结构是松散分层的，不受某个权威部门的控制，在商业利益驱动下扩展演进。Internet 各个层次的网络干线由不同级别的Internet服务提供商(Internet Service Prov

10、ider, ISP)来建立经营并向社会提供网络服务。n 1.2.1 早期的计算机网络20世纪50年代中期美国地面防空系统(SAGE)。美国航空公司的飞机票预订系统(SABER)。以单台计算机为中心的远程联机系统。从体系结构来观察，计算机网络的发展可分为三个阶段（三代网络）：1. 以主机为中心的联机终端系统“计算机终端”系统特征：终端(Terminal)共享主机(Host)的软硬件资源 单台主机：执行计算和通信任务多台终端：执行用户交互 (终端集中器/终端服务器) 主要缺点：主机负荷重数据处理 通信 ；集中控制方式，可靠性低改进：终端集中器(近/远距)前端处理机（Front-End Proces

11、sor, FEP），将通信任务从主机中分离出来2. 以通信子网为中心的主机互联分组交换网络特征：多个终端主机系统互联，形成了多主机互联网络；网络结构从“主机终端” 转变为“主机主机”ARPANET，IMP(Interface Message Processor)接口报文处理机。存储转发(Store And Forward)。分组交换或包交换，分组交换网。通信子网(Communication Subnet) 资源子网(Re-source Subnet) 公共数据网(Public Data Network-, PDN)。3. 体系结构标准化网络 层次化结构，并对每层进行了精确定义1.2.3 计算机

12、网络体系结构的形成计算机网络的层次结构及各层协议的集合统称计算机网络的体系结构(Architecture)。只有具有同样体系结构的计算机网络才能无缝地互连。开放系统互连参考模型(Open System Interconnection /Reference Model, OSI/RM)，TCP/IP体系结构，事实上的标准。主机主机网络的演变演变阶段1通信任务从主机中分离，由通信控制处理机（CCP）完成。CCP：处理主机之间完成通信任务的专用计算机两层网络概念的出现由CCP组成的传输网络通信子网，提供信息传输服务。建立在通信子网基础上的主机集合资源子网，提供计算资源演变阶段2通信子网规模逐渐扩大

13、私有社会公用公用数据通信网 PSTN（公共交换 网络 ）X.25 （第一个面向连接的网络 ）优点：降低用户系统建设成本；提高通信线路利用率；兼容性好1.2 计算机网络的标准化工作*为什么需要标准化？不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构的标准化的原动力，而兼容性和互操作性的最终目的仍是资源共享。*标准化的时机？先制定标准再开发，还是先开发再制定标准？各厂商、研究机构、大学在网络技术、方法、理论等方面的研究日趋成熟是基础网络体系结构标准化过程的演变厂商标准：IBM-SNA，DEC-DNA等缺点：适用范围：兼容性？技术垄断：竞争？标准不统一：用户利益？国际标准（ISO OSI/RM）

14、1977Open System Interconnection/Recommended Model(开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型)OSI参考模型是一种概念上的网络模型，规定了网络体系结构的框架：7个层次只说明了做什么（What to do），而未规定怎样做（How to do）太复杂，几乎没有与之完全符合的网络。事实上的标准：TCP/IP(因特网的骨干协议)从体系结构上看，它是OSI参考模型的简化（4层）n 1.3.1 标准化组织国际标准化领域相关组织国际标准化组织(International Standards Organization, ISO)。电气电子工程师协会(Insti

15、tute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)。因特网标准化机构因特网协会(Internet Society, ISOC)。因特网体系结构委员会(Internet Architecture Board, IAB)。因特网工程部(Internet Engineering Task Force, IETF)。因特网研究部(Internet Research Task Force, IRTF)。因特网编号管理局(Internet Assigned Numbers Authority, IANA)，Internet名字和号码分配公司(ICANN)

16、。 RFC 编辑部(RFC Editor)，RFC (Request For Comments, 请求评注)文档。电信界标准化组织国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)。下属的电信标准化部门ITU-T，前身为国际电报 咨询委员会(CCITT)，其标准称为“建议”，政府可以按自己的意愿决定是否采用。 第2章 计算机网络体系结构计算机网络体系结构描述了计算机网络系统的总体架构，是网络功能的结构性的划分。计算机网络的层次结构及各层协议的集合统称计算机网络的体系结构(Architecture)。具有同样体系结构的计算机网络才能无缝地互连。世

17、界上第一个计算机网络体系结构: IBM公司于1974年提出系统网络体系结构(SNA)。开放系统互连参考模型(OSI/RM)分为七层。TCP/IP体系结构为四个层次。五层体系结构。分层的方法有以下好处：简化了网络的设计与实现。具有层间无关性，系统易于更新。OSI的一些基本概念实体和对等实体 协议和协议数据单元协议(Protocol)是某一个层次中指导实体之间通信的规则。包含三个方面的要素：语法、语义、同步协议数据单元(Protocol Data Unit, PDU)由两部分组成：本层的协议控制信息和用户数据。N层实体在N层协议的控制下可以向N+1层实体提供服务(Service)实现N+1层所需要

18、的某种功能服务有如下两种形式：面向连接的服务(Connection-Oriented Service)无连接的服务(Connectionless Service)服务访问点(Service Access Point, SAP)是上下层实体之间信息交换的接口。服务原语(Service Primitive)描述提供的服务，定义服务规范，规定通过SAP所必需传递的信息。2.3 TCP/IP体系结构Internet使用TCP/IP体系结构。网络接口层严格说并不是一个独立的层次，没有定义什么具体的协议。网际层、传输层和应用层是TCP/IP的主要内容。高层（57）应用层（application layer

19、）TELNET FTP SMTP HTTP DNS TFTP NFS SNMP传输层（4）传输层 (transport layer)TCP UDP网络层（）网际层（internet layer）IGMP ICMP IP ARP RARP低层（12）网络接层(network interface layer)可使用各种网络五层体系结构Andrew S. Tanenbaum 建议了计算机网络的五层体系结构。根据Internet的实际情况，以TCP/IP体系结构为基础，综合了TCP/IP和OSI两种体系结构。自下而上分别为: 物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层高层（57） 应用层（applic

20、ation layer ） 应用层 传输层（4） 传输层（transport layer） 传输层 网络层（3） 网络层（network layer） 网际层 数据链路（2） 数据链路层（data link layer） 网络接口层 物理层（1） 物理层（physical layer） 五个层次的功能简述如下：物理层：为数据链路层提供透明的比特流(Bit Stream)传输服务，向下与物理媒体相连，规定连接物理媒体的网络接口规范。物理层涉及网络接口机械的、电气的、功能的和规程的规范。数据链路层：负责在单个链路上的节点间传送称为帧(Frame)的PDU，在不太可靠的物理链路上可以实现可靠的传输。

21、对于广播链路进行链路的访问控制。为了实现传输的可靠性，可以提供流量控制和差错控制。提供传输透明性。网络层：负责计算机间的通信，在分组交换网络上传送称为分组或包(Packet)的PDU，从源结点通过中间转发结点逐跳地(Hop by Hop)将分组传送到目的结点。实现网络互连，路由优化。传输层：负责应用进程间的通信，为两个应用进程之间提供端到端(End to End)的数据传输服务。为应用进程提供一条端到端的逻辑信道, 在源结点和目的结点的两个传输层实体之间，不涉及线路中间的路由器等中间系统。通信连接，流量控制、拥塞控制和差错控制。应用层：对应OSI的高三层，对应TCP/IP的应用层，提供面向用户

22、的网络服务。第2讲 数据通信的基础知识数据通信系统源系统 源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。目的系统 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。传输系统 可以是简单的物理通信线路，也可以是连接源系统和目的系统之间的复杂网络设备数据通信的基本过程5个阶段 包含两项内容：数据传输和通信控制数据与信号信息（Information） 数据（Data） 信号（Signal） 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个信号值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号

23、值。最常见的是二值信号周期信号信号：由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。信息编码：将信息用二进制数表示的方法 数据编码：将数据用物理量表示的方法信息通过数据通信系统进行传输的过程把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地.信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输.编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位解调：接收波形数字信号解码：数字信号原始数据不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：编码与调制的区别编码：用数字信号承载数字或模拟数据调制：用模拟信号承载数字或模

24、拟数据2.2.2 信道信道（Channel）：传送信息的线路（或通路） 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道;计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道 CATV、无线电广播、 拨号线路数字通信与模拟通信数字通信: 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信: 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的特点1、抗噪声（干扰）能力强2、可以控制差错，提高了传输质量3、便于用计算机进行处4、易于加密、保密性强 5、可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 6、占用信道频带较宽。2.2.3 通信

25、方式单工 ：数据单向传输 半双工 ：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输全双工 ：数据可以双向同时传输2.2.4 传输方式基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）频带传输：数字信号调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调。宽带传输： 通过借助频带传输,把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 数据编码数字数据的数字信号编码：使数字数据能在数字信道上传输数字数据的调制编码：使数字数据能在模拟信道上传输模拟信号的数字编码：使模拟数据能在数字信道上传输2.4.1 数字数据的数字信号编码不归零码（Non-Return

26、to Zero， NRZ ）（归零码，单极性码，双极性码）二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用5V表示1，5V表示0；缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。 曼彻斯特编码（Manchester Coding）用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变 。高低的跳变代表0，低高的跳变代表1。每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）2.4.2 数字数据的调制三种常用的调制技术：幅移键控

27、ASK （Amplitude Shift Keying）频移键控FSK （Frequency Shift Keying）相移键控PSK （Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号 S(t) = Acos(wt+j) S(t)的参量包括： 幅度A、频率w 、初相位j 调制就是要使A、w 或j随数字基带信号的变化而变化2.4.3 模拟数据的数字信号编码采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是 语音信号，模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号

28、。PCM编码：采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码 编码后的信号称为PCM信号（ Pulse Coded Modulation，脉码调制）。2.5 多路复用技术多路复用：多个信息源共享一个公共信道为何要复用？提高线路利用率 适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）复用的基本思想：把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据。复用方法频分复用FDM （Frequency Division Multiplexing）按频率划分不同的信道，如CATV系统时分

29、复用TDM （Time Division Multiplexing） 按时间划分不同的信道，目前应用最广泛波分复用WDM （Wave Division Multiplexing） 按波长划分不同的信道，用于光纤传输码分复用CDM （Code Division Multiplexing） 按地址码划分不同的信道，非常有发展前途频分复用FDM原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。时分复用TDM原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。 由于每路数据总是使

30、用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。一个时间片内传输的多路数据称为帧。波分复用光的频分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。码分复用CDM原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被迭加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。地址码序列必须两两相互正交2.6 数据交换技术什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源。最初的交换：人工转接交换 为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利

31、用率。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。电路交换在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为“面向连接的”（典型例子： ）过程：建立连接通信释放连接优缺点：1、建立连接的时间长；2、一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；3、无纠错机制；4、建立连接后，传输延迟小。5、不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。报文交换以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的

32、地。这种数据传输技术称为存储-转发。传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻节点传输报文时建立节点间的连接。称为“无连接的”（典型例子：电报）整个报文（Message）作为一个整体一起发送。优缺点：1、没有建立和拆除连接所需的等待时间；2、线路利用率高；3、传输可靠性较高；4、报文大小不一，造成存储管理复杂；5、大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；6、出错后整个报文全部重发。数据报方式（Datagram）各分组独立地确定路由（传输路径）。不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装虚电路方式（Virtual Circuit）什么是差错控制？在通信过程中，发现、

33、检测差错并进行纠正为何要进行差错控制1、不存在理想的信道传输总会出错2、与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。产生差错的原因：1、信号衰减和热噪声；2、信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；3、信号反射，串扰；4、冲击噪声，闪电、大功率电动机的启停等。差错控制的基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。错码与检错码实际采用的差错控制技术(滑动窗口协议)自动请求重传（ Automatic Repeat Request, ARQ） 停等 ARQ 1、每发送一帧就需要一个应答帧2、只重传刚才出错的帧3、帧编号只需0和1即可Go-back-N ARQ 1、每发

34、送N帧需要一个应答帧2、需重传前面（N-i+1）帧（0iN）3、帧编号从0到N-1选择重传 ARQ 1、每发送N帧需要一个应答帧2、只重传出错的帧奇偶校验（Parity Checking）差错检测原理：收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方根据发送的数据和G(x)计算出CRC校验和并把它加在数据的末尾。校验和是16位或32位的二进制位串。 CRC校验的关键是如何计算校验和。 相除的模2运算，加法不进位，减法不借位。时延时延：一个数据块（帧、分组、报文段等）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。总时延发送时延 + 传播时延 + 转发时延 发送时间数据块长度/信息传输速率传播时延信道长度

35、/电磁波在信道上的传播速率带宽（Band Width，BW）：信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：BW fmax fmin 单位：赫兹（Hz）时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽传播时延误码率与误比特率误码率：Pc是指传输的码元被传错的概率 Pc 传错的码元数 传输的码元总数 误比特率：Pb是指传输的比特被传错的概率Pb 传错的比特数 传输的比特总数信息传输速率与码元传输速率信息传输速率比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。单位为“bit/s”。 信息传输速率：是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数 码元传输速率 码元（Co

36、de Cell）：时间轴上的一个信号编码单元。码元传输速率：是指每秒传输的码元数 .单位为“波特”（Baud），也称波特率。吞吐量：单位时间发送的比特数、字节数或帧数 比特率 = 波特率 X 单个调制状态对应的二进制位数信道的最大数据传输率Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道C = 2W log2 M C 数据传输率，单位b/s W 带宽，单位Hz M 信号编码级数Shannon公式：用于有噪声干扰信道C = W log2 （1+S/N） C传输率，单位b/s W 带宽，单位Hz S/N信噪比第3讲 计算机网络体系结构发展历程对于复杂的网络系统，用什么方法能合理地组织网络的结构，以达到：

37、1、结构清晰2、简化设计与实现3、便于更新与维护4、较强的独立性和适应性计算机网络中，层、协议和层间接口的集合被称为计算机网络体系结构。换句话说：体系结构包括三个内容：分层结构与每层的功能、服务与层间接口、协议。 最早的网络体系结构源于IBM的SNA 。其他的网络体系结构还有DEC的DNA等。由国际化标准组织ISO制定的网络体系结构国际标准是OSI/RM 。实际中应用最广泛的是TCP/IP体系结构 层次结构方法的优点独立性强耦合程度低上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务黑箱方法。适应性强只要服务和接口不变，每层的实现方法可任意改变。易于实现和维护把复杂的系统分解成若干个涉及范围小、功能简单

38、的子单元：（1）使系统的结构清晰，实现、调试和维护变得简单和容易。（2）使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块。3. 基本概念实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。 对等层：两个不同系统的同级层次。对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。对等层通信的实质网络分层体系结构原理禁止不同主机的对等层之间进行直接通信对等层通信的实质：（1）对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信；（2）下层向上层提供服务；（3）上层依赖

39、下层提供的服务来与其他主机上的对等层通信；（4） 实际通信在最底层完成。 体系结构各层中实现的主要功能差错控制使对等层的通信更加可靠 流量控制控制发送端的速率，使接收端能来得及接收分段和重装发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新组合复用和分用多个高层的对等层通信会话复用一条低层连接 建立连接和释放连接通信协议人际交流的协议:人类之间 通信协议:计算机之间；网络中所有的通信活动都是由协议所控制 协议：定义网络实体间发送和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取的行动。（语义、语法和时序）通信协议三要素：语义、语法、时序协议数据单元（PDU）网络体系结构中，对等层之间交换的信息报文统

40、称为协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称：传输层段（Segment） 网络层分组/包（Packet）数据链路层帧（Frame）物理层比特（Bit）PDU由协议控制信息（协议头）和数据（SDU）组成:3.2 七层网络参考模型物理层（Physical Layer）OSI模型的最底层，描述物理设备之间的接口。服务：串行和并行主要的功能：（1）实现实体之间按位的传输，并保证传输的正确性。（2）监督电磁型号的转换与传输过程。（3）完成对数据传输物理信道的建立，保持和拆除DTE (Data Terminal Equipment)是指具

41、有一定的数据处理能力以及收发能力的数据输入/输出设备、终端设备或计算机等终端装置。 DCE(Data Communication Equipment) 是指自动呼叫应答设备、交换机以及其他一些中间装置的集合,其作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路连接。 数据链路层（Data Link Layer）数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介乎于物理层和网络层之间数据链路层是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一无差错的线路。数据链路层的协议：面向字符的：1、数据以字

42、符为单位传输，用控制字符控制通信 2、IBM的BSC规程面向比特的：1、数据以位为单位传输，用帧中的控制字段控制通信 2、ISO的HDLC规程共享信道问题(LAN or Wireless)：如何控制对共享信道的访问？1、将数据链路层划分为逻辑链路控制(Logical Link Control, LLC)和介质访问控制(Media Access Control, MAC)两个子层，由MAC子层解决共享介质访问控制问题。LAN使用的两种主要介质访问控制方法：1、CSMA/CD（Carry Sense Multiple Access With Collision Detect）2、TOKEN PAS

43、SINGHDLC(高级数据链路控制) HDLC的特性：透明传输 、可靠性高、传输效率高 、灵活性高 HDLC是面向比特协议 2、采用比特填充技术 3、根据特定用途选择一个子集 站的类型：主站：负责控制整个链路的操作。从站：从主站的控制下进行操作。组合站：组合了主站和从站两种特性链路结构 非平衡型：由一个主站和若干个从站组成。 平衡型：由两个组合站组成。HDLC基本内容网络层主要的功能：路由选择及其算法，如何在多条通信路径中找一条最佳路径？依据：速度、 距离(步跳数)、 价格、 拥塞程度路由器路由表建立与维护静态：人工设置，只适用于小型网络动态：运行过程中根据网络情况自动地动态维护路由算法建立与

44、维护路由表的方法距离向量算法：RIP、CGP等链路状态算法：OSPF等 第4讲 局域网4.1 局域网（LAN）概述1. LAN的特点:覆盖范围小;房间、建筑物、园区范围;距离25km;高传输速率10Mb/s1000Mb/s 私有性：自建、自管、自用2. LAN的技术特征 ：介质：UTP、Fiber、COAX；拓扑结构（逻辑、物理）；总线型、星形、环形、树形 介质访问方法 CSMA/CD、Token-passing 信号传输形式 ：基带、宽带局域网的标准：IEEE802（ISO8802）其体系结构只包含了两个层次：数据链路层、物理层数据链路层又分为逻辑链路控制和介质访问控制两个子层局域网的物理层

45、 功能：1、位流的传输；2、同步前序的产生与识别；3、信号编码和译码。IEEE802定义了多种物理层，以适应不同的网络介质和不同的介质访问控制方法。局域网的数据链路层 按功能划分为两个子层：LLC和MAC功能分解的目的：1、将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开，以适应不同的传输介质。2、解决共享信道(如总线)的介质访问控制问题，使帧的传输独立于传输介质和介质访问控制方法。 LLC： 与介质、拓扑无关； MAC：与介质、拓扑相关。n 局域网的数据链路层的特点：1、局域网链路支持多路访问，支持成组地址和广播；2、支持介质访问控制功能；3、提供某些控制的功能，如多路复用、流量控制、差错控制

46、 n MAC子层功能：实现、维护MAC协议，差错检测，寻址。LLC子层功能：向高层提供统一的链路访问形式，组帧/拆帧、建立/释放逻辑连接，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。局域网的网络层和高层IEEE 802标准没有定义网络层和更高层：没有路由选择功能：局域网拓扑结构比较简单，一般不需中间转接流量控制、寻址、排序、差错控制等功能由数据链路层完成网络层和更高层通常由协议软件（如TCP/IP协议、IPX/SPX协议）和网络操作系统来实现。局域网中的介质访问控制方法:1、载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）2、令牌传递（Token Passing）采用受控访问技术的分散控制型介质访问

47、控制方法基本的CSMA 访问算法 坚持退避算法：一. 非坚持CSMA 二. 1-坚持CSMA 三. P-坚持CSMA坚持退避算法一. 非坚持CSMA 优点： 利用随机时间等待来降低发生冲突的概率。缺点：可能介质利用率较低。二. 1-坚持CSMA 优点： 提高了非坚持算法的利用率。缺点：如果多个站点同时检查到介质空闲，则冲突不可避免。三. P-坚持CSMA 优点： 减低了1-坚持中发生冲突的概率，又部分的解决了非坚持算法中的利用率问题。难点：取一个合适的P。CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问 用于以太网 工作原理：1、发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；2、如果信道忙，则继续监听

48、，一旦空闲就立即发送；3、在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送冲突强化信号（Jam）；4、发送Jam信号的目的是使所有的站点都能检测到冲突5、等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。CSMA/CD协议的时间槽时间槽能够检测到冲突的时间区间（也称为争用时隙或碰撞窗口）时间槽的意义：一个站点开始发送后，若在时间槽内没有检测到冲突，则本次发送不会再发生冲突以太网中，常用的时间槽传输速率为10Mb/s时，一个时间槽内可发送512 bit，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节） 。由此可知：1. 冲

49、突只可能在一帧的前64字节内发生；2. 帧长度小于64字节时，将无法检测出冲突；所以，以太网规定的最小帧长度为64字节3. 长度小于64字节的帧（碎片帧）都是无效帧。1000M最小帧长度512字节、100M最小帧长度64字节与时间槽相关的几个网络参数 采用CSMA/CD的局域网中，由于时间槽的限制，传输速率R、网络跨距S、最小帧长Fmin三者之间必须满足一定的关系： FminkSR k:系数 退避时间的确定（退避算法）CSMA/CD采用了截断二进制指数退避算法算法如下：1. 令基本退避时间T=2a（即时间槽长度）；2. k=min（重传次数，10）；3. r=在 0, 1, , (2k-1)

50、中随机取一个数；4. 退避时间=rT。最大重传次数限定为16，若发送16次仍不成功，则发送失败。CSMA/CD的优缺点：1、控制简单，易于实现；2、网络负载轻（40以内）时，有较好的性能/3、延迟较小4、网络负载重时，性能急剧下降，5、冲突数量增加6、各工作站需要频繁执行重发操作7、大量的重发操作反过来又使冲突率进一步增加8、网络延迟增大，延迟时间不可预计（非确定性延迟）/9、网络跨距S不能太大令牌传递（Token Passing）主要用于令牌环网 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环MAC地址又称为物理地址，它是网络站点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关。网络站点的每一个网络接口都有一个M

51、AC地址。一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口的个数。网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址。以太网的物理层选项与标识方法 ：速率、信号方式、介质类型MAC地址的长度为6个字节，共48位；MAC地址的三种类型：单播地址：（I/G0）多播地址：（I/G1）广播地址：（全1地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF）操作1、任何站点发送数据时都要遵循CSMA/CD协议；2、每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据（广播信道）；3、只有地址与帧的目的地址相同的站点才接收数据；4、目的站点将复制该帧，其他站点则忽略该帧。MAC地址又称为物理地址，它是网络站点的全球唯一的标

52、识符，与其物理位置无关。注意：MAC地址是在数据链路层进行处理，而不是在物理层网络站点的每一个网络接口都有一个MAC地址。MAC地址大多固化在网络站点的硬件中一个站点允许有多个MAC地址，个数取决于该站点网络接口的个数。例如：安装有多块网卡的计算机；有多个以太网接口的路由器。网络接口的MAC地址可以认为就是宿主设备的网络地址。4.4 局域网扩展什么情况下需要扩展？1、网络范围扩大2、更多的站点加入网络3、多个独立的局域网进行互联如何扩展？主要在三个层次上、物理层、数据链路层、网络层在物理层上进行局域网扩展 设备：总线网：中继器 星形/环形网：集线器特点：一个网段上的信号不加选择地被复制到另一个

53、网段；扩展后的网络仍是一个冲突域。优缺点：简单、成本低；网络规模不能太大；只能互联相同类型的网络 在数据链路层上进行局域网扩展 设备：网桥、交换机特点：一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段；扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域；扩展后的网络仍是一个广播域。优缺点：冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；地域范围不再受时间槽的限制；远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上转发速度有所降低；在网络层上进行局域网扩展 设备：路由器特点：一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络；扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。优缺点：地域范围可以任意扩展；能根据最佳路由转发分组；可以互联不同类型的网络；

54、转发速度低，成本较高，维护复杂。 快速以太网（Fast Ethernet，FE） 传输速率为100Mb/s的以太网，比传统以太网快10倍，提供了10/100Mb/s自适应功能；传输介质只支持双绞线和光纤；快速以太网的应用：主干连接；需要高带宽的服务器和高性能工作站；网络服务器、图形工作站、工程工作站、网管工作站；向桌面系统普及 广域网 广域网的基本概念 网络互联的动力：更大范围的资源共享 网络互联：HOST-LAN、LANLAN/WAN网络互联层次从网络体系结构的层次观点来考察，广域网可在四个层次上观察：物理层、数据链路层、网络层、网络层以上。广域网的归纳 ：物理层：使用中继器或集线器在不同的

55、电缆段之间复制位信号，无寻址功能；数据链路层：使用网桥或交换机在局域网之间存储转发数据帧，用MAC地址寻址；网络层：使用路由器在不同的网络之间存储转发分组，用IP地址寻址；传输层及应用层：使用网关提供更高层次的互连，用端口号或其他特定标识寻址。网际协议IPInternet ProtocolIP是因特网的网络层中最重要的协议。1、提供数据报（Datagram）的投递服务（主机到主机）。2、在不同的数据链路层上进行数据转发操作IP的数据报投递服务是非连接的，不可靠的a、 非连接:数据报之间没有相互的依赖关系；不能保证报文的有序投递。b、 不可靠：数据报的投递没有任何品质保证（QoS），数据报可能被正确投递，可能被丢弃。IP地址 IP地址包括2个部分: 1、网络地址（网络号）2、主机地址（主机号） 划分子网为什么要划分子网？1、IP分类不合理， 2、每个网络都指定一个网络地址将使路由表太大3、两级IP地址不够灵活划分子网（Subnetting）又称子网寻址或子网路由选择