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1、计算机网络技术基础（第3版） 第一章 计算机网络基础知识 计算机网络概述 计算机网络的产生和发展 计算机网络的功能 计算机网络的分类和拓扑结构本章学习要点： 计算机网络的应用 三大网络介绍 标准化组织 网络体系结构与协议概述 网络参考模型 1.1 计算机网络的产生与发展 计算机网络的发展大体上可以分为四个时期。在这期间，计算机技术和通信技术紧密结合，相互促进，共同发展，最终产生了今天的Internet。1. 面向终端的通信网络阶段 诞生于20世纪50年代。由一台中央主机通过通信线路连接大量的地理上分散的终端，构成面向终端的通信网络，也称为远程联机系统。这是计算机网络的雏形，如图1-1所示。 图

2、1-1 远程联机系统 2. 计算机互连阶段 远程联机系统最突出的特点是：终端无独立的处理能力，单向共享主机的资源(硬件、软件)，所以称为面向终端的计算机网络。这种网络结构属集中控制方式，可靠性低。 随着计算机应用的发展以及计算机的普及和价格的降低，20世纪60年代中期，出现了多台计算机通过通信系统互连的系统，开创了“计算机计算机”通信时代，这样分布在不同地点且具有独立功能的计算机就可以通过通信线路，彼此之间交换数据、传递信息。如图1-2所示：图1-2 计算机互连示意图 3. 网络互连阶段 1984年，国际标准化组织ISO（International Standards Organization

3、）正式制订和颁布了“开放系统互联参考模型”，简称OSI RM，即著名的OSI七层模型。ISO/OSI RM 已被国际社会所公认，成为研究和制订新一代计算机网络标准的基础。从此，网络产品有了统一标准，促进了企业的竞争，大大加速了计算机网络的发展。并使各种不同的网络互联、互相通信变为现实，实现了更大范围内的计算机资源共享。 第二代计算机网络的主要特点是：资源的多向共享、分散控制、分组交换、采用专门的通信控制处理机、分层的网络协议。这些特点往往被认为是现代计算机网络的典型特征。但是这个时期的网络产品彼此之间是相互独立的，没有统一标准。4. Internet与高速网络阶段 这一阶段计算机网络发展的特点

4、是：互连、高速、智能与更为广泛的应用。Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，用户可以利用Internet实现全球范围的信息传输、信息查询、电子邮件、语音与图像通信服务等功能。 返回本章首页返回本节首页1.2 计算机网络概述 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。所谓计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。 2. 计算机网络包含的四个方面1.2.1 计算机网络的基本概念1. 什么是计算机网络 连接对象（主要指各种类型的计算机或其他数据终端

5、设备） 连接介质（主要指双绞线、同轴电缆、光纤、微波等通信线和网 桥、网关、中继器、路由器等通信设备） 连接的控制机制（主要指网络协议和各种网络软件） 连接方式（指网络所采用的拓扑结构，如星型、环型、总线型和 网状型等）1.2.2 通信子网和资源子网 计算机网络系统在逻辑功能上可分成两个子网：通信子网和资源子网组成两级网络结构，如下图1-3所示： 图1-3 计算机网络系统结构示意图 通信子网由通信控制处理机（CCP）、通信线路和其他网络通信设备组成，它主要承担全网的数据传输、转发、加工、转换等通信处理工作。 资源子网主要负责全网的数据处理业务，向全网用户提供所需的网络资源和网络服务。它主要由主

6、机、终端、终端控制器、连网外设以及软件资源和信息资源等组成。返回本章首页返回本节首页 通信子网 资源子网1.3 计算机网络的功能 计算机网络与通信网的结合,可以使众多的个人计算机不仅能够同时处理文字、数据、图像、声音等信息,而且还可以使这些信息四通八达,及时地与全国乃至全世界的信息进行交换。计算机网络的主要功能归纳起来主要有以下几点：1. 数据通信 数据通信是计算机网络最基本的功能，它为网络用户提供了强有力的通信手段。计算机网络的其他功能都是在数据通信功能基础之上实现的，例如发送电子邮件、远程登录、联机会议、WWW等。 2. 资源共享 资源共享包括硬件、软件和信息资源的共享，它是计算机网络最有

7、吸引力的功能。资源共享指的是网上用户能够部分或全部地使用计算机网络资源，使计算机网络中的资源互通，从而大大地提高各种硬件、软件和信息资源的利用率。3. 均衡负荷与分布式处理 4. 提高计算机系统的可靠性 负载均衡同样是计算机网络的一大特长。例如一个大型的ICP，为了支持更多的用户访问它的网站，在全世界多个地方放置了相同内容的WWW服务器，通过一定技巧使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的页面，这样来实现各服务器的负荷均衡，实现分布处理的目的。此外，利用网络技术，还能将多台计算机连成具有高性能的计算机系统，以并行的方式共同来处理一个复杂的问题，这就是当今称之为协同式计算机的一种网络计算模

8、式。 计算机系统可靠性的提高主要表现在计算机网络中每台计算机都可以依赖计算机网络相互为后备机，一旦某台计算机出现故障，其它的计算机可以马上承担起原先由该故障机所担负的任务，避免了系统的瘫痪，从而使得计算机的可靠性得到了大大的提高。 返回本章首页返回本节首页1.4 计算机网络的分类和拓扑结构 计算机网络分类的标准很多，如按拓扑结构、应用协议、传输介质、数据交换方式等等。但最能反映网络技术本质特征的分类标准是网络的覆盖范围，按网络的覆盖范围可以将网络分为局域网（LAN）、广域网（WAN）、城域网（MAN）和国际互联网（Internet）。 1. 局域网 LAN（Local Area Network

9、） 一般用微型计算机通过高速通信线路相连，数据传输速率较快，通常在10 Mbit/s以上。但其覆盖范围有限，是一个小的地理区域（例如：办公室、大楼和方圆几公里远的地域）内的专用网络。局域网的目的是将个别的计算机、外围设备和计算机系统连接成一个数据共享集体，软件控制着网上用户之间的相互联系和信息传输。局域网结构如图1-4所示：1.4.1 计算机网络的分类图1-4 局域网结构示意图2. 广域网WAN（Wide Area Network） 广域网是远距离、大范围的计算机网络，覆盖范围一般是几百公里几千公里的广阔地理区域，其主要作用是实现远距离计算机之间的数据传输和信息共享，并且通信线路大多租用公用通

10、信网络（如公用电话网PSTN）。广域网上的信息量非常大，共享的信息资源极为丰富，但数据的传输速率较低，比局域网更容易发生传输差错。广域网结构如图1-5所示。 图1-5 广域网结构示意图3. 城域网MAN（Metropolitan Area Network） 城域网的覆盖范围介于局域网和广域网之间，它可能是覆盖一组邻近的公司、办公室，也可能是覆盖一座城市，地理范围一般为几公里几十公里。城域网通常使用与LAN相似的技术。 4. 国际互联网（Internet） Internet并不是一种具体的网络技术，它是将同类和不同类的物理网络（局域网、广域网、城域网）通过某种协议互联起来的一种高层技术。 不同类

11、型网络之间的比较如下表1-1所示网 络 种 类覆 盖 范 围分 布 距 离局域网房间10m建筑物100m校园1km城域网城市10km以上广域网国家100km以上国际Internet洲或洲际1000km以上 表1-1 不同类型网络之间的比较1.4.2 计算机网络的拓扑结构 网络拓扑结构是指用传输介质互连各种设备的物理布局。它将工作站、服务器等网络单元抽象为“点”，网络中的通信介质抽象为“线”，从而抽象出网络系统的具体结构。 常见的计算机网络的拓扑结构有星型、环型、总线型、树型和网状型。1星型拓扑网络 各节点通过点到点的链路与中央节点连接，如图1-6所示。 图1-6 星型拓扑结构 中央节点可以是转

12、接中心，起到连通的作用；也可以是一台主机，此时具有数据处理和转接的功能。 优点：很容易在网络中增加和移动节点，容易实现数据的安全性和优先级控制； 缺点：属于集中控制，对中央节点的依赖性大，一旦中心节点有故障就会引起整个网络的瘫痪。 2环型拓扑网络 节点通过点到点通信线路连接成闭合环路，如图1-7所示，环中数据将沿一个方向单向传送。图1-7 环型拓扑结构 网络结构简单，传输延时确定，但是环中某一个节点以及节点与节点之间的通信线路出现故障，都会造成网络瘫痪。 环型网络中，网络节点的增加和移动以及环路的维护和管理都比较复杂。3总线型拓扑网络 所有节点共享一条数据通道，如图1-8所示，一个节点发出的信

13、息可以被网络上的每个节点接收。 图1-8 总线型拓扑结构 由于多个节点连接到一条公用信道上，所以必须采取某种方法分配信道，以决定哪个节点可以优先发送数据。 优点是：网络结构简单，安装方便，成本低，并且某个站点自身的故障一般不会影响整个网络。 缺点是：实时性较差，总线上的故障会导致全网瘫痪。4树型拓扑网络 在树型拓扑结构中，网络的各节点形成了一个层次化的结构，如图1-9所示，树中的各个节点通常都为主机， 图1-9 树型拓扑结构 树中低层主机的功能和应用有关，一般都具有明确定义功能，如数据采集、变换等；高层主机具备通用的功能，以便协调系统的工作，如数据处理、命令执行等。 若树型拓扑结构只有两层，就

14、变成了星型结构，因此，树型拓扑结构可以看作是星型拓扑结构的扩展结构。5网状型拓扑网络 节点之间的连接是任意的，没有规律，如图1-10所示。 其主要优点是可靠性高，但结构复杂，必须采用路由选择算法和流量控制方法。广域网基本上都是采用网状型拓扑结构。图1-10 网状型拓扑结构返回本章首页返回本节首页1.5 计算机网络的应用1.5.1 计算机网络的应用 计算机网络应用在企事业单位中 计算机网络应用在个人信息服务中 计算机网络应用在商业中返回本章首页返回本节首页1.6 三大网络介绍 当前，在我国通信、计算机信息产业以及广播电视领域中，实际运行并具有影响力的有三大网络：电信网络、广播电视网络和计算机网络

15、。1.电信网络 电信网是以电话网为基础逐步发展起来的。电话系统主要由本地网络、干线和交换局三个部件组成。 以前整个电话系统中传输的信号都是模拟的，现在所有的干线和交换设备几乎都是数字的，仅剩下本地回路仍然是模拟的，这种特性使得数字传输比模拟传输更加可靠，而且，维护更加方便，成本更低 。 电信业务除了传统的电话交换网（PSTN）之外，还有数字数据网（DDN）、帧中继网（FR）和异步传输模式网（ATM）等 在DDN中，它可提供固定或半永久连接的电路交换业务，适合提供实时多媒体通信业务。 在帧中继网中，是以统计复用技术为基础，进行包传输、包交换，速率一般在64bit/s2.048Mbit/s，适合提

16、供非实时多媒体通信业务。 在ATM网中，ATM是支持高速数据网建设、运行的关键设备，可支持25Mbit/s4Gbit/s数据的高速传输，不仅可以传输语音，还可以传输图像，包括静态图像和活动影像。 电信网除上述几种网络外，还有X.25公共数据网、综合业务数字网（ISDN）以及中国公用计算机网（CHINANET）等。 2广播电视网 广播电视网主要是指有线电视网（CATV），目前还是靠同轴电缆向用户传送电视节目，处于模拟水平阶段，但其网络技术设备先进，主干网采用光纤，贯通各城镇。 混合光纤同轴电缆（HFC）入户与电话接入方式相比，其优点是:传输带宽约为电话线的一万倍，而且在有线电视同一根同轴电缆上，

17、用户可以同时看电视、打电话、上网，且互不干扰 广播电视网的信息源是以单向实时以及一点对多点的方式连接到众多用户的，用户只能被动地选择是否接收（主要是语音和图像）。 利用混合光纤同轴电缆进行电视点播（VOD）以及通过CATV网接入Internet进行电视点播、通话等是CATV网今后的发展方向。它的主要业务除了广播电视传输之外，还包括电视点播、远程电视教育、远程医疗、电视会议、电视电话和电视购物等。3计算机网络 计算机网络初期主要是局域网，广域网是在Internet大规模发展后才进入平常家庭的，目前主要依赖于电信网，因此传输速率受到一定的限制。 CHINANET依托强大的CHINAPAC、CHIN

18、ADDN和PSTN等公用网，采用先进设备，是我国Internet的主干网。 在计算机网中，用户之间的连接可以是一对一的，也可以是一对多的，相互间的通信既有实时，也有非实时，但在大多数情况下是非实时的，采用的是存储转发方式。 计算机网络提供的主要业务有：文件共享、信息浏览、电子邮件、网络电话、视频点播、FTP文件下载和网上会议等。 “三网合一”就是把现有的传统电信网、广播电视网和计算机网互相融合，逐渐形成一个统一的网络系统，由一个全数字化的网络设施来支持包括数据、语音和图像在内的所有业务的通信。 目前，三网合一逐渐成为了最热门的话题之一，也是现代通信和计算机网络发展的大趋势。返回本章首页返回本节

19、首页1.7 标准化组织1ISO 国际标准化组织（ISO）是一个全球性的非政府组织，是国际标准化领域中一个十分重要的组织。 ISO制定了网络通信的标准，即开放系统互连（OSI）。 ISO的主要任务是促进全球范围内的标准化及其有关活动的开展，以利于国际间产品和服务的交流以及在知识、科学、技术和经济活动中发展国际间的相互合作。2ITU 国际电信联盟（ITU）是世界各国政府的电信主管部门之间协调电信事务方面的一个国际组织。 ITU的宗旨是：维持和扩大国际合作，以改进和合理地使用电信资源，促进技术设施的发展及其有效地运用，以提高电信业务的效率，扩大技术设施的用途，并尽量使公众得以普遍利用那个，协调各国行

20、动，以达到上述的目的 在通信领域，最著名的国际电信联盟标准化部门（ITU-T）标准有V系列标准，例如V.32、V.33和V.42等，另外，还有X系列标准，例如X.25、X.400和X.500为公用数字网上传输数据的标准。2IEEE 电气与电子工程师协会（IEEE）由1963年美国电气工程师学会（AIEE）和美国无线电工程师学会（IRE）合并而成，是美国规模最大的专业学会。 IEEE的最大成果是制定了局域网和城域网的标准，这个标准被称为802项目或802系列标准 3ANSI 美国国家标准学会（ANSI）是由制造商、用户通信公司组成的非政府组织，是美国的自发标准情报交换机构，也是由美国指定的ISO

21、投票成员。它致力于国际标准化事业和实现消费品方面的标准化。4EIA 美国电子工业协会（EIA）创建于1924年。EIA广泛代表了设计生产电子元件、部件、通信系统和设备的制造商以及工业界、政府和用户的利益，在提高美国制造商的竞争力方面起到了重要的作用。5TIA 美国通信工业协会（TIA），是一个全方位的服务性国家贸易组织。其成员包括为美国和世界各地提供通信和信息技术产品、系统和专业技术服务的900余家大小公司，本协会成员有能力制造供应现代通信网中应用的所有产品。此外，TIA还有一个分支机构多媒体通信协会（MMTA）。TIA还与美国电子工业协会（EIA）有着广泛而密切的联系。返回本章首页返回本节首

22、页1.8 网络体系结构与协议概述1.8.1 网络体系结构的概念 网络体系结构是指整个网络系统的逻辑组成和功能分配，定义和描述了一组用于计算机及其通信设施之间互连的标准和规范的集合。 研究网络体系结构的目的：定义计算机网络各个组成部分的功能，以便在统一的原则指导下进行网络的设计、建造、使用和发展。 1.8.2 网络协议的概念 网络协议就是指：为进行网络中的数据通信或数据交换而建立的规则、标准或约定。 1. 什么是网络协议 连网的计算机以及网络设备之间要进行数据与控制信息的成功传递就必须共同遵守网络协议。2. 网络协议的三要素 语法（Syntax） 语法规定了通信双方“如何讲”，即确定用户数据与控

23、制信息的结构与格式。 语义（Semantics） 语义规定通信的双方准备“讲什么”，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答 时序（Timing） 时序又可称为“同步”，规定了双方“何时进行通信”，即事件实现顺序的详细说明 1.8.3 网络协议的分层 计算机网络是一个非常复杂的系统，不仅涉及网络硬件设备，还涉及各种各样的软件，所以通信协议必然十分复杂。实践证明，结构化设计方法是解决复杂问题的一种有效手段，其核心思想是：将系统模块化，并按层次组织各模块。1. 分层的好处 各层之间可相互独立 灵活性好，易于实现和维护 有利于促进标准化 2. 各层次间的关系 网络协议都是按层的方式来组织

24、，如图1-11所示，每一层都能完成一组特定的、有明确含义的功能，每一层的目的都是向上一层提供一定的服务，而上一层不需要知道下一层是如何实现服务的。 每一对相邻层次之间都有一个接口（Interface），接口定义了下层向上层提供的命令和服务，相邻两个层次都是通过接口来交换数据的。 图1-11 计算机网络的层次模型 每一层中的活动元素通常称为实体（Entity）。实体既可以是软件实体（如一个进程），也可以是硬件实体（如智能输入/输出芯片）。不同通信节点上的同一层实体称为对等实体（Peer Entity） 。 不同网络中的对等实体之间不能直接进行通信，其通信过程如图1-12所示。图1-12 对等实体

25、间通信示意图3. 层次间的关系举例具体实例请参照教材P 学习。1.8.4 其他相关概念 1. 服务 服务位于层次接口的位置，表示低层为上层提供哪些操作功能，至于这些功能是如何实现的，则不是服务考虑的范畴。 2. 面向连接服务 面向连接服务类似打电话，包括：建立连接、维护连接和拆除连接三个阶段。这种服务的最大好处就是能够保证数据高速、可靠和顺序的传输。 3. 面向无连接服务 面向无连接的服务就像发电报，发送方并不能马上确认对方是否已收到。因此，面向无连接服务不需要维护连接的额外开销，但是 可靠性较低，也不能保证数据的顺序传输。4. 服务访问点（Service Access Point） 服务访问

26、点是相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务的联系点。 5. 协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）协议数据单元是对等实体之间通过协议传送的数据单元。 返回本节首页返回本章首页6接口数据单元（Interface Data Unit，IDU） 接口数据单元是相邻层次之间通过接口传送的数据单元，接口数据单元又称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU） 1.9 网络参考模型 1.9.1 OSI参考模型 1984年，国际标准化组织（ISO）发表了著名的ISO/IEC 7498标准，定义了网络互连的7层框架，这就是开放系统互连参考模型，即OSI参考模型，如图1

27、-13所示。图1-13 OSI参考模型的结构1. OSI参考模型的概念 “开放”是指只要遵循OSI标准，一个系统就可以与位于世界上任何地方、同样遵循OSI标准的其他任何系统进行通信。 OSI参考模型的最高层为应用层，面向用户提供网络应用服务； 最低层为物理层，与通信介质相连实现真正的数据通信。两个用户 计算机通过网络进行通信时，除物理层之外，其余各对等层之间均 不存在直接的通信关系。2. OSI参考模型各层的功能（1）物理层 物理层的主要任务就是：透明地传送二进制比特流，但物理层并不关心比特流的实际意义和结构，只是负责接收和传送比特流。 物理层的另一个任务就是定义网络硬件的特性，包括使用什么样

28、的传输介质以及与传输介质连接的接头等物理特性，所典型规范代表有：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等。 传送信息所利用的物理传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等， 并不在物理层之内而是在物理层之下。 （2）数据链路层 数据链路层的主要任务是：在两个相邻节点间的线路上无差错地传送以帧（Frame）为单位的数据，并要产生和识别帧边界 。 数据链路层还提供了差错控制与流量控制的方法，保证在物理线路上传送的数据无差错。 数据链路层协议的代表有：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等 （3）网络层 网络层的主要任务是：进行路由选择，以确保数据分组从发送

29、端到达接收端，并在数据分组发生阻塞时进行拥塞控制。 网络层还要解决异构网络的互连问题，以实现数据分组在不同类型的网络中传输。 网络层协议的代表有：IP、ICMP、ARP、RIP、OSPF等。 （4）传输层 传输层从会话层接收数据，形成报文（Message），并且在必要时将其分成若干个分组，然后交给网络层进行传输。 传输层的主要任务是：为上一层进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端服务，使传输层以上的各层不再关心信息传输的问题。 端到端是指：进行相互通信的两个节点不是直接通过传输介质连接起来的，相互之间有很多交换设备（如路由器）。 传输层协议的代表有：TCP、UDP等。（5）会话层 会话层的

30、主要任务是：针对远程访问进行管理（比如断点续传）， 包括会话管理、传输同步以及数据交换管理等。 会话层协议的代表有：NetBIOS、ZIP（AppleTalk区域信息协议）等 （6）表示层 表示层的主要任务是：用处理在多个通信系统之间交换信息的表示方式，包括数据格式的转换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等。 表示层协议的代表有：ASCII、ASN.1、JPEG、MPEG等。（7）应用层 应用层的主要任务是：为网络用户或应用程序提供各种服务，如文件传输、电子邮件、网络管理和远程登录等 应用层协议的代表有：WWW、Telnet、FTP、HTTP、SNMP等 3. OSI参考模型中的数据传输过程 图

31、1-14 OSI参考模型中的数据传输过程数据传输的具体细节请参照教材学习。1.9.2 TCP/IP参考模型1. TCP/IP概述 ARPANET的运行经验表明，TCP/IP是一个非常可靠且实用的网络协议。 20世纪80年代末，美国国家科学会借鉴了ARPANET的TCP/IP技术建立了NSFNET。NSFNET使越来越多的网络互连在一起，最终形成了今天的Internet。TCP/IP也因此成为了Internet上广泛使用的标准网络通信协议。 TCP/IP标准由一系列的文档定义组成，这些文档定义描述了Internet的内部实现机制，以及各种网络服务或服务的定义。 TCP/IP标准并不是由某个特定组

32、织开发的，实际上是一些团体所共同开发的，任何人都可以把自己的意见作为文档发布，但只有被认可的文档才能最终成为Internet标准。 TCP/IP实际上是一个协议簇。所有协议都包含在TCP/IP簇的4个层次中，形成了TCP/IP协议栈，如图1-15所示： 图1-15 TCP/IP协议栈2. OSI参考模型和TCP/IP参考模型的对应关系图1-16 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的层次对应关系3. TCP/IP参考模型各层次的功能（1）主机网络层 事实上，TCP/IP参考模型并没有真正定义这一部分，只是指出在这一层上必须具有物理层和数据链路层的功能。 包含了多种网络层协议，如以太网协议（Et

33、hernet）、令牌环网协议（Token Ring）、分组交换网协议（X.25）等 （2）互联层 互联层是整个TCP/IP参考模型的关键部分，它提供的是无连接的服务，主要负责将源主机的数据分组（Packet）发送到目的主机。 互联层的主要功能包括：处理来自传输层的分组发送请求 、处理接收到的数据报、进行流量控制与拥塞控制等。 互联层上定义的主要协议包括：网际协议（IP）、Internet控制报文协议（ICMP）、地址解析协议（ARP）、反向地址解析协议（RARP）等。 （3）传输层 与OSI参考模型的传输层类似，TCP/IP参考模型的传输层的主要功能是：使发送方主机和接收方主机上的对等实体可以

34、进行会话。 在传输层上定义了以下两个端到端的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。 TCP是一个面向连接的可靠传输协议，而UDP是一个面向无连接的不可靠传输协议。 （4）应用层 应用层负责向用户提供一组常用的应用程序，包含了所有TCP/IP协议簇中的高层协议，如FTP、SMTP、HTTP、SNMP、DNS等。 应用层协议一般可以分为3类：一类是依赖于面向连接的TCP；一类是依赖于无连接的UDP；还有一类则既依赖于TCP又依赖于UDP。1.9.3 两种参考模型的比较1. 共同点和不同点 采用了协议分层方法，将庞大且复杂的问题划分为若干个较容易处理的范围较小的问题。 各协议层次的

35、功能大体上相似，都存在网络层、传输层和应用层。 两者都可以解决异构网络的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信。 两者都是计算机通信的国际性标准，虽然这种标准一个(OSI)原则上是国际通用的，一个(TCP/IP)是当前工业界使用最多的。 两者都能够提供面向连接和面向无连接的两种通信服务机制。（1）共同点（2）不同点 模型设计的差别 层数和层间调用关系不同 最初设计的差别 对可靠性的强调不同 标准的效率和性能上存在差别 市场应用和支持上不同2. OSI参考模型的优、缺点 OSI参考模型详细定义了服务、接口和协议三个概念，并将它们严格加以区分，实践证明这种做法是非常有必要的。 OSI参考模

36、型产生在协议发明之前，这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议，因此非常通用。 OSI参考模型的某些层次（如会话层和表示层）对于大多数应用程序来说都没有用，而且某些功能在各层重复出现 （如寻址、流量控制和差错控制），这样影响了系统的工作效率。 OSI参考模型的结构和协议虽然大而全，但显过于复杂和臃肿，因而效率较低，实现起来较为困难。 TCP/IP参考模型产生在协议出现以后，模型实际上是对已有协议的描述。因此，协议和模型匹配得相当好。 TCP/IP参考模型并不是作为国际标准开发的，它只是对一种已有标准的概念性描述。所以，它的设计目的单一，影响因素少，协议简单高效，可操作性强。 TCP/IP参考模型

37、没有明显地区分服务、接口和协议的概念。因此，对于使用新技术来设计新网络，TCP/IP参考模型则不是一个很好的模板。 由于TCP/IP参考模型是对已有协议的描述，因此通用性较差，不适合描述除TCP/IP参考模型之外的其他任何协议。 3. TCP/IP参考模型的优、缺点 某些层次的划分不尽合理，如主机网络层。1.9.4 网络参考模型的建议图1-17 一种建议的参考模型返回本节首页返回本章首页本章小结返回本章首页 本章是计算机网络的引论，这一章，我们首先介绍了计算机网络产生的历史背景和发展过程，强调了计算机网络是通信技术和计算机技术相结合的产物；然后总结归纳了计算机网络的基本概念和基本组成；接着详细

38、阐述了计算机网络的基本功能、基本类型、拓扑结构以及国际上一些著名的标准化组织；另外本章还对网络体系结构和协议的分层、两种重要的网络参考模型OSI和TCP/IP的层次结构和各层次的功能等也做了详细的分析和讨论。 通过这一章的学习，主要是使读者对计算机网络有一个全面的、感性的认识，总体上明确网络是什么，本课程所研究的主要问题是什么。第二章 数据通信技术 本章学习要点： 数据通信的基本概念 传输介质的主要特性和应用 无线通信技术 数据交换技术 数据传输技术 数据编码技术 差错控制技术 2.1 数据通信的基本概念 2.1.1 信息、数据与信号 信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。任何事

39、物的存在，都伴随着相应的信息的存在，信息不仅能反映事物的特征、运动和行为，而且还能够借助媒体（如空气、光波、电磁波等）传播和扩散。信息的载体可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画等。 数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。数据按其连续性可分为模拟数据与数字数据。 信号是数据的电磁波表示形式，一般以时间为自变量，以表示信息（数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。 模拟信号是随时间连续变化的信号，如图2-1（a）所示，这种信号的某种参量，如振幅和频率，可以表示要传送的信息。例如，电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号等。 数字信号是指离散的信号

40、,如图2-1（b）所示，如计算机使用的由“0”和“1”组成的信号。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值。因为电信号可呈现两种状态，可以分别表示“0”和“1”。图2-1 模拟信号和数字信号波形 2.1.2 基带信号与宽带信号 2.1.3 信道及信道的分类 信道（information channels）是信号传输的必经之路，包括传输媒体和通信设备。传输媒体可以是有形媒体，如电缆、光纤等，也可以是无形媒体，如传输电磁波的空间。 基带信号就是将计算机发送的数字信号“0”或“1”用两种不同的电压表示后，直接送到通信线路上传输的信号。 宽带信号是基带信号经过调制后形成的频分复

41、用模拟信号。1、信道的概念 2、信道的分类 常见的分类有以下一些： （1）有线信道和无线信道 （2）物理信道和逻辑信道 有线信道是指使用有线传输介质的信道主要包括双绞线、同轴电缆和光缆等。 无线信道是指以电磁波在空间传播的方式传送信息的信道，主要包括长波信道、短波信道和微波信道等。 物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，物理信道由传输介质及有关设备组成。 数字信道是用来传输离散数字信号的。离散的数字信号在计算机中指由“0”和“1”的二进制代码组成的数字序列，当利用数字信道传输数字信号时不需要进行变换，通常需要进行数字编码。（3）数字信道和模拟信道 逻辑信道也是一种通路，但一般是指人为定义的

42、信息传输通路，在信号收、发点之间并不存在一条物理传输介质，通常把逻辑信道称为“连接”。 模拟信道是用来传输模拟信号的。模拟信号的电平随时间连续变化，语音信号就是典型的模拟信号。如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。调制解调器就是完成这种变换的。2.1.4 数据通信的技术指标 传输速率是指：通信线路上传输信息的速度,它是描述数据传输系统的重要技术指标之一。传输速率一般有两种表示方法，即信号速率和调制速率。 信号速率是指：单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，单位为比特/秒（bit/s）。数字信号的速率通常用“比特/秒”来表示 调制

43、速率是指：每秒传送的脉冲数，单位为波特/秒（Baud/s），是指信号在调制过程中，调制状态每秒钟转换的次数。模拟信号的速率通常用“波特/秒”来表示。1. 传输速率注意： “波特”与“比特”的意义是不同的，每一“波特”，即模拟信号的一个状态不仅仅表示一位数据，而是代表了多位数据。（2）信道带宽 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，单位用赫兹（Hz）表示。 数据通信系统的信道传输的是电磁波（包括无线电波、微波、光波等），其带宽就是所能传输电磁波的最大有效频率减去最小有效频率所得到的值。 （3）信道容量 信道容量，即单位时间内信道上所能传输的最大比特数，单位为比特/秒（bi

44、t/s），它是某个信道传输数据速率的一个上限。 注意：信道的容量与信道带宽成正比关系，即信道带宽越宽，信道容量就越大，所以人们有时愿意将“带宽”作为信道所能传送的“最高速率”的同义语，尽管这种叫法不太严格。 传输数据的速率都不可能超过信道容量上限，否则信号就会失真 2.1.5 通信方式 通信方式是指通信双方的信息交互的方式，在设计一个通信系统时，还要回答以下3个问题。 是采用单工通信方式，还是采用半双工或全双工通信方式？ 是采用串行通信方式，还是采用并行通信方式？ 是采用同步通信方式，还是采用异步通信方式？ 单工通信是指数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送

45、，任何时候都不能改变信号传送方向。如图2-2所示：发送端接收端数据的单方向性主机显示器图2-2 单工通信示意图 单工通信1、单工、半双工与全双工通信 半双工通信 半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。如图2-3所示：发送端/接收端发送端/接收端不同时刻的数据双向传输对讲机对讲机图2-3 半双工通信示意图 全双工通信 全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输，比如，电话通话。全双工通信需要两条信道，一条用来接收信息，一条用来发送信息，因此其通信效率很高。如图2-4所示。发送端接收端任何时刻的数据双向传输

46、电话机电话机图2- 4 全双工通信示意图 2、串行通信和并行通信 串行通信 串行通信，是将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高的顺序，依次发送，如图2-5所示。其优点是：收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低；缺点是：速度比较慢。在远程数据通信中，一般都采用串行通信方式。图2- 5 串行通信示意图 并行通信 并行通信，是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，如图2-6所示。其优点是速度快，但发送与接收端之间有若干条线路，费用高，仅适合于近距离和高速数据通信的环境下使用。图2- 6 并行通信示意图 3、同步技术 同步，就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致，它是数字通信中

47、必须要解决的一个重要问题。 在数据通信过程中，常用的同步技术有以下两种。 异步通信方式 每传送1个字符都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验位后面加1或2个停止位，表示字符结束。 接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用。异步通信方式如图2-7所示。 图2- 7 异步通信方式 异步方式的实现比较简单，但每传输一个字符都需要多使用2到3位，所以适合于低速通信。 同步通信方式 该方式中，传输的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。 对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步

48、字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。 在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束，如图2-8所示。 返回本节首页返回本章首页图2- 8 同步通信方式 在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。这种方法一般用在高速传输数据的系统中，例如，计算机之间的数据通信。2.2 传输介质的主要特性和应用 2.2.1 传输介质的主要类型 常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的，一类是

49、无线的。有线传输介质主要有双绞线（Twisted Pair，包括屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线）、同轴电缆（Coaxial Cable）及光纤（Fiber Optics），如图2-9所示；无线传输介质有无线电和微波等。图2- 9 常用的有线传输介质 2.2.2 双绞线（Twisted-pair） 1、双绞线的物理特性 双绞线是由相互绝缘的两根铜线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，为了减少信号传输中串扰及电磁干扰（EMI）影响的程度，通常将这些线按一定的密度互相缠绕在一起。每根铜线加绝缘层并有颜色来标记，如图2-10所示： 图2-10 双绞线结构示意图 双绞线的价格在传输媒体中是最便宜

50、的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。 双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号会发生衰减，这时就要使用中继器来放大信号和再生波形。 在局域网中一般都采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP），如图2-11所示。两者的差异在于屏蔽双绞线在双绞线和外皮之间增加了一个铅箔屏蔽层，如图2-11(a)所示，目的是提高双绞线的抗干扰性能。图2-11 STP与UTP（a）屏蔽双绞线STP （b）非屏蔽双绞线UTP 2非屏蔽双绞线的类型 按照EIA/TIA（电气工业协会/电信工

51、业协会）568A标准，共分为16 类。 1类线 可用于电话传输，但不适合数据传输，这一级电缆没有固定的性能要求。 2类线 可用于电话传输和最高为4Mbit/s的数据传输，包括4对双绞线。 3类线 可用于最高为10Mbit/s的数据传输，包括4对双绞线，常用于10BaseT以太网的语音和数据传输。 4类线 可用于16Mbit/s的令牌环网和大型10BaseT以太网，包括4对双绞线。其测试速度可达20Mbit/s。 5类线 既可用于100Mbit/s的快速以太网连接又支持150Mbit/s的ATM数据传输，包括4对双绞线，是连接桌面设备的首选传输介质。 6类线 在外形上和结构上与5类和超5类双绞线

52、都有一定的差别，与5类和超5类线相比，它具有传输距离长、传输损耗小、耐磨、抗干扰能力强等特性，常用在千兆位以太网和万兆位以太网中。 注意： 计算机网络常用的是3类线（CAT3）、5类线（CAT5）、超5类线（CAT5e）和6类线（CAT6）。3. 双绞线组网常用的连接设备图2-13 RJ-45水晶头 图2-14 集线器/交换机 图2-12 6类UTP 5类线和3类线相比大大增加了每单位长度的绞合次数，并在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心的设计，这样大大提高了线路的传输质量。6类线增加了绝缘的十字骨架，电缆的直径更粗，将双绞线的4对线分别置于十字骨架的4个凹槽内，保持4对双绞线

53、的相对位置，如图2-12所示，从而提高了电缆的平衡特性和抗干扰性，而且传输的衰减也更小。2.2.3 同轴电缆（Coaxial cable） 1同轴电缆的物理特性 同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成，即内导体（铜芯导线）和外导体(屏蔽层)，外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离，如图2-14所示。同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗干扰特性。图2-14 同轴电缆结构图 同轴电缆又可分为两类：粗缆和细缆。经常提到的10BASE-2和10Base-5以太网就是分别使用细同轴电缆和粗同轴电缆组网的。用同轴电缆组网，需要在两端连接50的反射电阻，这就是通常所说的终端匹配器。 使用同轴

54、电缆同轴电缆组网的其它连接设备，细缆与粗缆的不尽相同，即使名称一样，其规格、大小也是有差别的。 2. 细缆组网常用的连接设备图2-15 细缆常用连接设备2.2.4 光缆（Fiber Optical Cable） 1光纤的物理特性 光纤是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的，直径很细，能传导光信号的媒体，如图2-16所示。 一根光缆中至少应包括两条独立的导芯，一条发送，另一条接收。图2-16 光纤结构示意图 一根光缆可以包括二至数百根光纤，并用加强芯和填充物来提高机械强度。光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，质量高。因此光纤多适用于高速网络和骨干网。 根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤

55、和单模光纤。 单模光纤采用注人式激光二极管作为光源，激光的定向性强。单模光纤的芯线直径非常接近光波的波长，当激光束进人玻璃芯中的角度差别很小时，光线则不必经过多次反射式的传播，而是一直向前传播能以单一的模式无反射地沿直线传播，如图2-17所示。 玻璃芯的直径接近光波波长图 2-17 单模光纤传播示意图 玻璃芯的直径大于光波波长图 2-18 多模光纤传播示意图 多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源，当光纤芯线的直径比光波波长大很多时，由于光束进入芯线中的角度不同传播路径也不同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播，如图2-18所示。2光纤的特点 光纤有较大的带宽，通信容量大。 光纤

56、的传输速率高，能超过千兆位/秒。 光纤的传输衰减小，连接的范围更广。 光纤不受外界电磁波的干扰，因而电磁绝缘性能好，适宜在电气干扰严重的环境中使用。 光纤无串音干扰，不易被窃听和截取数据，因而安全保密性好。 3光纤的规格 光纤类型玻璃芯（微米）覆层（微米）62.5/12562.512550/12550.0125100/140100.01408.3/1258.3125返回本节首页返回本章首页2.3 无线通信技术 2.3.1 电磁波谱 描述电磁波的参数有三个：波长 、频率f 和光速C。三者间的关系为：C=f 电磁波的传播有两种方式：一种是在有限空间领域内传播，如利用双绞线、同轴电缆和光纤来传输电磁

57、波；另一种方式是在自由空间中传播，即通过无线方式传播。1. 电磁波2. 电磁波的频谱图 按照频率由低到高的顺序排列，不同频率的电磁波可以分为无线电、红外线、可见光、紫外线、X射线和射线,如图2-19所示。 图2-19 电磁波谱与通信类型关系示意图 2.3.2 无线电通信 无线电通信主要有以下一些特点： 传播距离较远，容易穿过建筑物，而且无线电波是全方向传播的，因此无线电波的发射和接收装置不必要求精确对准。 无线电波极易受到电子设备的各种电磁干扰 ，并且其传播特性与频率密切相关。 中、低频（频率在1MHz以下）无线电波沿地球表面传播，能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧下降，

58、且通信带宽较低，如图2-20(a)所示。 高频和甚高频（频率在3MHz1GHz之间）无线电波趋于直线传播，易受障碍物的阻挡并将被地球表面吸收。但是到达离地球表面大约100km500km高度的带电粒子层的无线电波将被反射回地球表面，如图2-20(b)所示。我们可以利用无线电波的这种特性来进行数据通信。 图2-20 无线电波传播示意图 2.3.3 微波通信 微波通信主要有以下一些特点： 微波的频率范围为2GHz400GHz，其典型的工作频率为2GHz、4GHz、8GHz和12GHz。微波在空间主要是直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准。又由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像

59、无线电通信可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。 微波经长距离传送后会发生衰减，因此每隔一段距离就需要架设一个微波中继站，两个中继站之间的距离一般为30km50km，如图2-21所示。地球图2-21 微波通信示意图2.3.4 卫星通信 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大，可同时传送大量的信息，且传输质量也比较稳定。与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波通信建设投资少、见效快。 微波通信的缺点是：它在雨雪天气传输时会被吸收，从而造成损耗，而且微波的保密性也不如电缆和光缆好，对于保密性要求比较高的应用场合需要另外采取加密措施。 卫星通信实质上就是在地面站之间利用地球上

60、空三万六千公里的同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。 卫星通信主要有以下一些特点： 通信距离远、容量大、质量稳定、可靠性高。在电波覆盖范围内，任何一处都可以通信，且通信费用与通信距离无关。 卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制。一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上的表面只要在地球赤道上空的同步轨道上等距离地放置三颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信，如图2-22所示。36000公里地球 信号受陆地灾害影响小，易于实现广播通信和多址通信。 卫星通信的缺点是：通信费用高，延时较大，不管两个地面站之间的地面距离是多少，传播的延迟时间都为270ms，这比地面电缆的传播延迟时间要高几