《计算机网络》配套教学课件

计算机网络123?天，这收到的都是什么?对方发给我的信息从那里开始?这是发给我的信息么?传送过程中是否有丢失、差错第

1

章概述1.1计算机网络在信息时代中的作用1.2因特网概述1.3因特网的组成1.4计算机网络在我国的发展1.5计算机网络的类别1.6计算机网络的性能1.7计算机网络的体系结构

41.1计算机网络在信息时代的作用21世纪的一些重要特征：数字化、网络化、信息化，是一个以网络为核心的信息时代。

网络已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。网络是指“三网”，即：电信网络、有线电视网络和计算机网络。发展速度最快的并起到核心作用的是计算机网络。5计算机网络向用户提供的最重要的功能连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，使用户的计算机可以彼此连通。共享——即资源共享：信息共享、软件共享，硬件共享。6因特网(Internet)的发展进入20世纪90年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。7因特网的意义因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。81.2因特网概述1.2.1网络的网络起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网互联网是“网络的网络”(networkofnetworks)。网络(network)：由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。9注意名词“结点”“结点”的英文名词是node。虽然node有时也可译为“节点”，但这是指像天线上的驻波的节点，这种节点很像竹竿上的“节”。在网络中的node的标准译名是“结点”而不是“节点”。但数据结构的树(tree)中的node应当译为“节点”。10网络与因特网网络把许多计算机连接在一起。因特网则通过路由器把许多网络连接在一起。11(a)(b)网络互联网（网络的网络）结点链路主机因特网121.2.2因特网发展的三个阶段第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。人们把1983年作为因特网的诞生时间。13第二阶段：建成三级结构的因特网。三级计算机网络，分为主干网地区网校园网（或企业网）。14第三阶段：逐渐形成多层次ISP结构的因特网。出现因特网服务提供者ISP(InternetServiceProvider)。注意：接入因特网的用户都能成为ISP15用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者用户通过ISP上网16根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP分成为不同的层次。一级ISP一级ISP第一层

ISP大公司本地

ISP大公司大公司公司本地

ISP本地

ISP校园网校园网校园网校园网第二层

ISP第二层

ISPNAPNAPAB主机A→本地ISP→第二层ISP→NAP→第一层ISP→NAP→第二层ISP→本地ISP→主机BNAP:NetworkAccessPoint基于ISP多层结构因特网示意图第一层

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP第一层

ISP第一层第二层第三层本地

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP本地

ISP第二层

ISP本地

ISP本地

ISP第二层

ISP17internet和Internet的区别以小写字母i

开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的网络。以大写字母I开始的的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。18万维网WWW的问世因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络。因特网的迅猛发展始于20世纪90年代。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW(WorldWideWeb)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。19因特网的发展情况概况

网络数主机数用户数管理机构数1980101021021001990103105106101

2000105107108102

2005106108109103201.2.3关于因特网的标准化工作211992年，因特网协会ISOC因特网研究指导小组IRSG因特网研究部IRTF因特网工程部IETF因特网工程指导小组IESG…RGWG……RG…领域领域因特网体系结构研究委员会IABWGWGWG注意：所有因特网标准均以RFC（Request

For

Comments）形式在因特网上发表。制订因特网正式标准的四个阶段因特网草案(InternetDraft)——在这个阶段还不是

RFC文档。（有效期：6个月）建议标准(ProposedStandard)——从这个阶段开始就成为RFC文档。草案标准(DraftStandard)因特网标准(InternetStandard)22各种RFC之间的关系23因特网草案建议标准草案标准因特网标准历史的RFC实验的RFC提供信息的RFC6种RFC1.3因特网的组成从因特网的工作方式上看，可以划分为两大块：(1)边缘部分由所有连接在因特网上的主机（又称为端系统(endsystem)）组成。这部分用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。(2)核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。24因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器因特网的边缘部分与核心部分251.3.1因特网的边缘部分“主机A和主机B进行通信”指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。即“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。简称为“计算机之间通信”26两种通信方式网络边缘的端系统中程序之间的通信方式划分为两大类：客户服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式271.客户服务器方式客户(client)和服务器(server)：指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。28运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB①请求服务②得到服务客户服务器客户A向服务器B发出请求服务，而服务器B向客户A提供服务。29客户软件的特点被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。

注意：客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统？30服务器软件的特点一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。

注意：服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持？312.对等连接方式对等连接(peer-to-peer，P2P)：指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方，只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。32对等连接方式的特点从本质上看，仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。例：主机C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。33网络边缘网络核心运行P2P程序运行P2P程序DCEF运行P2P程序运行P2P程序341.3.2因特网的核心部分网络核心部分是因特网中最复杂的部分；向网络边缘中的大量主机提供连通性；使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packetswitching)的关键构件；（与电路交换不同）路由器的任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。351.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。36

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。37

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。38…

交换机“交换”的含义“交换”(switching)：就是转接，把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。39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：建立连接通信释放连接40电路交换举例(1)A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行41((((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(2)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42((((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计算机数据具有突发性。导致通信线路的利用率很低。432.分组交换的主要特点发送端：先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。44报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输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。45数据数据数据报文首部首部首部分组

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”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。46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分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。47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。48数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3收到的数据最后还原成原来的报文最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。注意：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。49数据数据数据报文1101000110101010110101011100010011010010因特网的核心部分因特网的核心部分：由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。因特网核心部分的路由器之间：一般用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。路由器的用途：用来转发分组，即进行分组交换。主机的用途：为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。50H1H5H2H4H3H6路由器网络网络核心部分主机51H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机52路由器路由器处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。53主机和路由器的作用不同主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。54分组交换网的示意图55H1A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！路由器主机注意分组的存储转发过程56H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

发送分组路由器主机在路由器

E

暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机

H5在路由器

C

暂存查找转发表找到转发的端口在路由器

A

暂存查找转发表找到转发的端口分组交换的优点高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠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。57分组交换带来的问题分组在各结点存储转发时需要排队，会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息），造成一定的开销。58存储转发原理并非完全新的概念在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(messageswitching)。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。59三种交换的比较60P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD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计算机网络的产生背景20世纪60年代美苏冷战时期的产物。60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA(AdvancedResearchProjectAgency)提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。传统的电路交换(circuitswitching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。61新型网络的基本特点网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。62ARPANET的成功使

计算机网络的概念发生根本变化早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。

分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

63从主机为中心到以网络为中心64主机终端以主机为中心以分组交换网为中心主机分组交换网1.4计算机网络在我国的发展(1)中国公用计算机互联网CHINANET(1994年9月启动)(2)中国教育和科研计算机网CERNET(3)中国科学技术网CSTNET(4)中国联通互联网UNINET(5)中国网通公用互联网CNCNET(6)中国国际经济贸易互联网CIETNET(7)中国移动互联网CMNET(8)中国长城互联网CGWNET（建设中）(9)中国卫星集团互联网CSNET（建设中）651.5计算机网络的分类1.5.1计算机网络的不同定义最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。因特网(Internet)是“网络的网络”。661.5.2几种不同类别的网络不同作用范围的网络广域网WAN(WideAreaNetwork)（因特网的核心部分）城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)（5-50km）局域网LAN(LocalAreaNetwork)

（1km）个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)（Wireless

PAN）（10m）注：多处理机系统（中央处理机间距离<1m）672.不同使用者的网络从网络的使用者进行分类公用网(publicnetwork)专用网(privatenetwork)

68用来把用户接入到因特网的网络接入网

AN(AccessNetwork)，又称为本地接入网或居民接入网。由ISP提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。接入网即不属于因特网的核心部分，也不属于因特网的边缘部分。采用不同的宽带接入技术（如xDSL），构成不同的宽带接入网。691.6计算机网络的性能

1.6.1计算机网络的性能指标1.速率比特（bit）：计算机中数据量的单位。Bit来源于binarydigit，意思是一个“二进制数字”，一个比特就是二进制数字中的一个1或0。速率，即数据率(datarate)或比特率(bitrate)，是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s（bps），或kb/s,Mb/s,Gb/s等速率往往是指额定速率或标称速率。通常，人们用不严格术语：100M以太网，指100Mb/s702.带宽“带宽”(bandwidth)原意：信号所包含的各种不同频率成份所占据的频率范围。单位：Hz（赫或千赫KHz、兆赫MHz、吉赫GHz等）。计算机网络“带宽”：单位时间内从网络中的某一点到另一点数字信道所能传送的“最高数据率”。单位：“比特每秒”，或b/s(bit/s)。71常用的带宽单位常用的带宽单位千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。72数字信号流随时间的变化在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。73每秒

106

个比特时间1

01

0

111s带宽为1Mb/s时间每秒

4

106

个比特0.25s带宽为4Mb/s3.吞吐量吞吐量(throughput)：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。744.时延(delay或latency)时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延发送时延（又称传输时延）（transmissiondelay）：主机或路由器发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。即：从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。75发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延(delay或latency)传播时延电磁波在信道中传播一定的距离而花费的时间。注意：信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。76传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延(delay或latency)处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。77时延(delay或latency)数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：78总时延=发送时延+传播时延+处理时延+处理时延四种时延所产生的地方791011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点

A中产生处理时延和排队时延数据从结点A向结点B发送数据链路例：数据块长度：100MB，信道带宽：1Mb/s，传输媒介是长度为1000km的光纤，传播速率是200000km/s则，发送时延=100*2^20*8b/(1*10^6b/s)=838.9s

传播时延=1000km/(200000km/s)=5ms例：数据块长度：1B，信道带宽：1Mb/s，传输媒介是长度为1000km的光纤，传播速率是200000km/s则，发送时延=1*8b/(1*10^6b/s)=8us

传播时延=1000km/(200000km/s)=5ms说明：缩短传输距离或提高信道带宽并不一定能减少时延。80容易产生的错误概念对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高链路带宽减小了数据的发送时延。815.时延带宽积链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。82（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延带宽时延带宽积例：传输媒介是长度为1000km的光纤，传播速率是200000km/s，带宽为10Mb/s则，传播时延=1000km/(200000km/s)=5ms时延带宽积=传播时延*10*10^6b/s=50000b说明：即若发送方连续发送数据，则在发送的第一个bit到达终点时，发送端已发送50000个bits。836.利用率信道利用率：指某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。注意：由于时延，信道利用率并非越高越好。84时延与网络利用率的关系根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，在适当的假定条件下，D0和D之间的关系可表示为：85U：网络的利用率，数值在0到1之间。时延

D利用率

U10D0时延急剧增大861.6.2计算机网络的非性能特征费用质量标准化可靠性可扩展性和可升级性易于管理和维护871.7计算机网络的体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行这种“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这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。88许多公司设计自己的分层网络络标准1974年，IBM的SNA（SystemNetworkArchitechture）…优点：同一公司的各种设备可以互联组网；缺点：不同公司的设备难以互联组网。89关于开放系统互连参考模型OSI/RM只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。但：在市场化方面OSI却失败，OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

90两种国际标准法律上的(dejure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。是非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。911.7.2协议与划分层次计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。网络协议(networkprotocol)，简称为协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。92网络协议的组成要素语法数据与控制信息的结构或格式。语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步事件实现顺序的详细说明。93划分层次的概念举例例：主机1通过网络向主机2发送文件。将要做的工作划分为三部分：第一部分工作与传送文件直接有关设计文件传送模块确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个主机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。94两个主机交换文件95文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块设计一个通信服务模块96文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入模块

97文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。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。98层数多少要适当若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。99计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(architecture)：计算机网络的各层及其协议的集合。即，体系结构：就是计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implementation)问题：遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。说明：体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。1001.7.3具有五层协议的体系结构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。但最下面的网络接口层并没有具体内容。OSI是七层模型因此往往采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。101102五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)103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1045432154321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

PDU主机

1

向主机

2

发送数据1055432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层PDU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1065432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）主机

1

向主机

2

发送数据1075432154321主机

1AP2AP1主机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机

1

向主机

2

发送数据1085432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机

1

向主机

2

发送数据应用层(applicationlayer)1095432154321物理传输媒体主机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机

2主机

1

向主机

2

发送数据1105432154321主机

1AP2AP1主机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机

1

向主机

2

发送数据1115432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机

1

向主机

2

发送数据1125432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机

1

向主机

2

发送数据1135432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机

1

向主机

2

发送数据1145432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据1155432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！主机

1

向主机

2

发送数据1165432154321主机

1AP2AP1主机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机

1

向主机

2

发送数据1175432154321主机

1AP2AP1主机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据1185432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据1195432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应用程序数据H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据1205432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应用程序数据H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据1215432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据1225432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！1.7.4实体、协议、服务和服务访问点实体(entity)：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能向上一层提供服务。要实现本层协议，需要使用下层所提供的服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。123实体、协议、服务和服务访问点（续）124协议(n+1)SAPSAP交换原语交换原语实体(n+1)服务提供者第n层第n+1层实体(n+1)服务用户实体(n)实体(n)协议(n)协议很复杂协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确；还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。125著名的协议举例【例1-1】占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战则可战胜白军。

现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100%而不是99.999…%）取得胜利？

126明日正午进攻，如何？同意收到“同意”收到：收到“同意”………………这样的协议无法实现！127结论这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。没有一种协议能够蓝军能100%获胜。1281.7.5TCP/IP的体系结构129应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络

2网络

1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。沙漏计时器形状的

TCP/IP协议族130HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口

1网络接口

2网络接口

3EverythingoverIPIP

可为各式各样的应用程序提供服务IPoverEverythingIP

可应用到各式各样的网络上【例1-2】客户进程和服务器进程

使用TCP/IP协议进行通信131数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层①

客户发起连接建立请求②

服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用TCP和IP）功能较强的计算机

可同时运行多个服务器进程132数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机3服务器1服务器2数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机1客户1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机2客户2因特网计算机网络第2章物理层2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

2.2.2有关信道的几个基本概念

2.2.3信道的极限容量

2.2.4信道的极限信息传输速率2.3物理层下面的传输媒体

2.3.1导向传输媒体

2.3.2非导向传输媒体*134第2章物理层（续）2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

2.4.2波分复用

2.4.3码分复用2.5数字传输系统2.6宽带接入技术

2.6.1xDSL技术

2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）

2.6.3FTTx技术*1352.1物理层的基本概念

物理层的主要任务：屏蔽硬件设备和传输媒体的差异，确定与传输媒体的接口有关的特性，机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。*1362.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

*137传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机几个术语数据(data)——运送消息(message)的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。模拟(analogous)信号——代表消息的参数的取值是连续的：consistsofvaryingavoltagewithtimetorepresentaninformationstream(overananalogdial-upline)。注：Iftransmissionmedia(analogdial-upline)wereperfect,thereceiverwouldreceiveexactlythesamesignalthatthetransmittersent.Unfortunately,mediaarenotperfect,thiscanleadtoerrors:attenuation,delaydistortion,noise,etc.*138几个术语数字(digital)信号——代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)——在使用时间域（时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

注意：采用不同的编码，码元数量不同；如采用二进制编码，只有两种码元，一种代表0，一种代表1。Baud:thenumberofsamplespersecond(MostModem)2400-baud=>416.667usec/symbolIfthesymbolconsistsof0vfor0and1vfor1,thebitrateis2400bpsIfthevoltages0,1,2,and3voltsareused,everysymbolconsistsof2bits,soa2400-baudlinecantransmit2400symbol/secatadatarateof4800bps*1392.2.2有关信道的几个基本概念信道(channel)：向某一方向传送信息的媒体。一条通信电路通常包含一条发送信道和一条接收信道。单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。*140基带(baseband)信号和

带通(bandpass)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。注意：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(DC信号只适合短距离低速传播)，必须对基带信号进行调制(modulation)(AC

signals

is

used)。

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）。*141几种最基本的调制方法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(DC信号只适合短距离低速传播)。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)(AC

signals

is

used)。

调制方法分两类：基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。带通调制：使用载波(carrier)进行调制，将基带信号的频率范围搬移到较高的频段传输。*142几种最基本的调制方法最基本的二元制（带通）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(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。

说明：可以设计更高传输效率的调制方法。如：Usingsinewavecarrier，对于PM，相位=0，或180，pertimeinterval内一次只能发送1

bit相位=45，135，225，或315，pertimeinterval内一次可以发送2

bits*143对基带数字信号的几种调制方法*144010011100基带信号调幅调频调相说明AccordingtoNyquisttheorem,it

isnotpossibletojustkeepincreasingthesamplingforhighertransmissionrate.Apossiblesolutionistofocusongettingmorebitspersample.

SuchasQAM*145正交振幅调制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

*146r(r,)可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。(4amplitudes*4phases)

若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。举例2.2.3信道的极限容量任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。*147数字信号通过实际的信道有失真，但可识别失真大，无法识别*148实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形信道能够通过的频率范围1924年，奈奎斯特(Nyquist)推导出著名的奈氏准则：给出了在假定的理想条件下，为避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。信道的频带越宽，能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。*149(2)信噪比香农(Shannon)用信息论的理论推导出带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)

b/s

W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

*150香农公式表明

C=Wlog2(1+S/N)

b/s

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（实际信道不可能这样），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。*151注意对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。*152信噪比换算举例db=10*log10(S/N)S/N=10db/10题目：一条信噪比为30db，带宽为3Khz的信道，其最大信息传输速率为多少？解：因为s/n=30db,所以换算成比值为：S/N=1030/10=103

代入香农公式C=Wlog2(1+S/N)可得C=3000*log2(1000+1)=3000*Log2(1001)2.3物理层下面的传输媒体*154传输媒体导向传输媒体非导向传输媒体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)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱*1552.3.1导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆coaxialcable50

同轴电缆，阻抗参数，用于基带传输75

同轴电缆宽带传输光缆*156各种电缆*157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*158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光纤通信：传递光脉冲进行通信；可见光频率极高，故传输带宽高，1：有光脉冲0：无光脉冲*159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光脉冲输出光脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤*160输入光脉冲输出光脉冲多模光纤直径50-125微米2.3.2非导向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

*161共享信道2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。*162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

(FrequencyDivisionMultiplexing)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：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（注意：这里的“带宽”是频率带宽，而不是数据的发送速率）。*163频率时间频率1频率2频率3频率4频率5*164FrequencyDivisionMultiplexing(a)Theoriginalbandwidths.(b)Thebandwidthsraisedinfrequency.(b)Themultiplexedchannel.时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)时分复用：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(slot)。每个用户所占用的时隙周期性出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。即：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。*165时分复用*166频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用*167频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用*168频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用*169频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用可能会造成

线路资源的浪费*170ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。统计时分复用

STDM

(StatisticTDM)*171用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用特点：Slot数少于用户数，slot动态分配给用户；集中器按顺序扫描用户输入的数据，将缓存中数据依次放入STDM帧中slot，当一帧放满，再发送1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分复用就是光的频分复用。*17282.5Gb/s载波：1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器2.4.3码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名词：码分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，可以在同时使用同样的频带通信，彼此不会造成干扰。（相当于大家使用不同的暗语，同时喊话，收听者只会收听自己能听懂的暗语）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。

*173CDMA工作原理

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。(m=8,64,0r128)每个CDMA站被指派一个唯一的mbit码片序列(chipsequence)。如发送比特1，则发送自己的mbit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：S站的8bit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。将0写为-1，1写为+1，则S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)*174CDMA的重要特点每个站分配的码片序列必须各不相同必须互相正交(orthogonal)必须与反码正交模为1在实用的系统中，码片序列使用伪随机码序列。*175码片序列的正交关系令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，指向量S和T的规格化内积(innerproduct)为0：*176(2-3)码片序列的正交关系举例例：令向量S

=(–1–1–1+1+1–1+1+1)，

向量T=

(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)，可看出这两个码片序列是正交的。*177码片向量的模为1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。根据上述特性，当所有站使用相同频率，我们可以将多个站点发送的信息相加后，在一个信道中发送，实现信道共享*178CDMA的工作原理*179S站的码片序列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2.5数字传输系统

1.脉码调制PCM体制

脉码调制PCM(Pulsecode

Modulation)体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。PCM有两个互不兼容的国际标准，北美的24路PCM（简称为T1）：T1的速率是1.544Mb/s欧洲的30路PCM（简称为E1）：E1的速率是2.048Mb/s。*1801.脉码调制PCM体制

模拟电话信号转变为数字信号的过程：根据采样定理，以不低于电话信号最高频率2倍的采样频率S，对电话信号采样。（小）我国采用欧洲的E1标准。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。*181模拟电话信号转变为数字信号的过程：根据采样定理，以不低于电话信号最高频率2倍的采样频率S，对电话信号采样。实际S

=

8kHz，即采样周期T

=

125us，每秒8000个脉冲信号，用8位二进制编码PCM速率：8*8000

=

64kbps采用时分复用方法，可以提高线路利用率。E1标准：一个时分复用帧(T=125us)划分为32个slots，每个slot传送8bits，因此PCM一次群E1的数据率：32