计算机网络基本技术

1、计算机网络技术基础 一、传输媒体 双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50 同轴电缆 75 同轴电缆 光缆 各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆 光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯 光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 输入脉冲输出脉冲单模光纤

2、多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤 单模光纤玻璃芯很细(芯径一般为9或10m)，只能传一种模式的光。 多模光纤允许不同波长的光于一根光纤上传输，多模光纤的纤芯直径为50m至100m。 无线传输媒体 无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信 二、通讯网络的核心交换技术电路交换报文交换分组交换 1. 电路交换的主要特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 更多的电话机互相连通 5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2 对电线。 当电话机

3、的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。 使用交换机 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机手工交换机手工交换机程控交换机程控交换机 “交换”的含义 在这里，在这里，“交换交换”(switching)的含义就的含义就是是转接转接把一条电话线转接到另一条把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。电话线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，从通信资源的分配角度来看，“交换交换”就是按照某种方式就是按照某种方式动态地分配动态地分配传输线路传输线路的资源。的资源。 电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建

4、立连接 通信 释放连接 电路交换举例 A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA 电路交换举例 C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA 电路交换传送计算机数据效率低 电路交换一次连接只能一对用户传输数据。 计算机数据具有突发性、不连续性，电路交换会导致通信线路的利用率很低。 2.报文交换-存储转发原理 在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 在数据前面加上地址

5、，称之为报文。 原理与信件邮递相似。 报文交换的缺点 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。 报文3. 分组交换的主要特点 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输 数 据数 据数 据报文添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面” 分组交换的传输单元 分组交换网以分组交换网以“分组分组”作为数据传输单元。作为数据传输单元。 依次依次把各分组发送到接收端（假定接收端

6、把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3 分组首部的重要性 每一个每一个分组的首部都含有分组的首部都含有地址地址等控制信息。等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的组的首部中的地址信息地址信息，把分组，把分组转发转发到下到下一个结点交换机。一个结点交换机。 用这样的用这样的存储转发存储转发方式，最后分组就能到方式，最后分组就能到达达最终目的地最终目的地。 收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数

7、据 数 据数 据数 据最后还原成原来的报文 最后，在接收端把收到的数据最后，在接收端把收到的数据恢复成为恢复成为原来的报文原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机 分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机 分组交换的优点 高效高效 动态分配传输带宽，对

8、通信链路是动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。逐段占用。 灵活灵活 以分组为传送单位和查找路由。以分组为传送单位和查找路由。 迅速迅速 不必先建立连接就能向其他主机发不必先建立连接就能向其他主机发送分组。送分组。 可靠可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。路由选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换带来的问题 分组在各结点存储转发时需要分组在各结点存储转发时需要排队排队，这就，这就会造成一定的会造成一定的时延时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的控制信息）也造成了

9、一定的开销开销。 三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组 分组 分组存储转发存储转发存储转发存储转发 三、计算机网络的性能指标1. 速率速率比特比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。息论中使用的信息量的单位。Bit 来源于来源于 binary digit，意思是一个，意思是一个“二进制二进制数字数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一，因此一个比特就是二

10、进制数字中的一个个 1 或或 0。速率速率即即数据率数据率(data rate)或或比特率比特率(bit rate)是是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是单位是 b/s，或，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等等速率往往是指速率往往是指额定速率额定速率或或标称速率标称速率。 电信提供的家庭接入：4M、8M、20M、50M、100M 3G的速度： WCDMA3.84M CDMA2000 1.2288M TD-SCDMA1.28M 注：CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access) 4G的速度： 理论

11、100M，实测达到20M TD-LTE即 Time Division Long Term Evolution（分时长期演进） FDD-LTE即Frequency Division Duplexing Long Term Evolution（频分双工长期演进） 5G的速度： 三星研究的5G上限达到了7.5Gbps 理论速度达到1Tbps 2. 带宽 “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。如同轴电缆的频率带宽是1GHz，光纤的频率带宽是108MHz。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bi

12、t/s)。 传输媒体的频率带宽无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱 四、几种最基本的调制方法 最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频

13、(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 基带信号（数字信号）和带通信号（模拟信号） 基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。 对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相 五、信道复用

14、技术 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。频分复用时分复用波分复用码分复用 共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术 频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5 时分复用TDM(Time Division Multiplexing) 时分复用

15、则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。 时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 时分复用

16、频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分复用 WD

17、M(Wavelength Division Multiplexing) 波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 码片序列(chip sequenc

18、e) 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。 在实用的系统中是使用伪随机码序列。 码片序列的正交关系 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的

19、码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3) 码片序列的正交关系举例 令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。 正交关系的另一个重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS CDMA 的工作原理 S 站的码片

20、序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端 八、宽带接入技术xDSL技术 xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。 xDSL 技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。 DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写

21、。而 DSL 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。 ADSL 的极限传输距离 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)非对称数字用户线。 例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里，但当传输速率提高到 6.1 Mb/s 时，传输距离就缩短为 3.7 公里。 如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里 ADSL 的特点 上行和下行带宽做成不对称的。 上行指从用户到 ISP(Internet Service Provider互联网服务提供商)，

22、而下行指从 ISP 到用户。 ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。 DMT 技术 DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。 每个子信道占据 4 kHz 带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。 DMT 技术

23、的频谱分布 频谱频率上行信道传统电话04下行信道(kHz)401381100 ADSL 的数据率 由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。 当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。 ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。 通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。 第二代 A

24、DSL 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2 要求至少应支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 则将频谱范围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz，下行速率可达 16 Mb/s（最大传输速率可达25 Mb/s），而上行速率可达 800 kb/s。 采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。 五、计算机网络的体系结构 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才

25、行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。 分层的好处 各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。 两种国际标准 法律上的国际标准 OSI （七层）并没有得到市场的认可。 是非国际标准 TCP/IP （四层）现在获得了最广泛的应用。 TCP/IP 常被称为事实上的国际标准。国际标准 OSI 七层体系结构 具有五层的TCP/IP体系结构 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。 因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP

26、的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。 五层协议的体系结构 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer) 数据链路层5 应用层4 运输层3 网络层2 数据链路层1 物理层主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层数据单元主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2应用层数据单元再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机 1 向主机 2 发送数据 5432154321主机 1AP2AP1主机 2运输层报文再传送到网络层加上网络层