第2章Internet技术基础-1

本章学习目标

本章主要讲解Internet网络实现通信所涉及的一些技术基础知识，使大家了解在Internet网络上信息是如何进行传递的。通过对这些基础知识的学习，同学们应该掌握以下内容：

数据通信的基础知识计算机网络的类型、功能以及拓扑结构Internet网络数据的交换方式Internet网络所采用的协议Internet网络的域名管理第2章Internet技术基础

2/2/202312.1数据通信一.信息、数据和信号1、信息：信息是关于客观事实的可通讯的知识。信息是客观世界各种事物的特征的反映——提供有关现实世界事物的消息和知识信息是可以通讯的——信息是构成事物联系的基础信息形成知识——信息与人类的认知能力相结合，产生了知识。2/2/20232

2、信息的度量可以利用概率来度量信息例如，现在某甲到1000人的学校去找某乙，某乙所处的可能性空间是该学校的1000人。当传达室告诉他：“这个人是管理系的”，而管理系有100人，那么，他获得的信息为100/1000＝1/10，也就是可能性空间缩小到原来的1/10。通常，我们不直接用1/10来表示信息量，而用1/10的负对数来表示，即－log1/10＝log10。

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信息量的单位信息量的单位是比特（BIT，是二进位制数字Binarydigit的缩写）。一比特的信息量是指含有两个独立均等概率状态的事件所具有的不确定性能被全部消除所需要的信息。信息量的定义公式可写成：H(x)＝－∑P(Xi)log2P(Xi)i＝1,2,3….,n

这里:Xi代表第i个状态（总共有n个状态）P(Xi)代表出现第i个状态的概率H(x)就是用以消除这个系统不确定性所需的信息量。2/2/20234

信息的度量例如硬币下落可能有正反两种状态，出现这两种状态的概率都是1/2，即:P(Xi)＝0.5这时:H(x)＝–［P(X1)log2

P(X1)＋P(X1)log2

P(X1)］＝–(–0.5–0.5)＝1比特。2/2/202353、数据

数据（Data，又称资料）是对客观事物记录下来的，可以鉴别的符号。这些符号不仅指数字，而且包括字符、文字、图形等等。数据经过处理仍然是数据。只有经过解释，数据才有意义，才成为信息。2/2/202364、信号信号是数据的电磁或电子编码。信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。由于数据信号分成模拟数据信号和数字数据信号，其中模拟信号是指一种连续变化的电信号，例如：电话线上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波信号。数字信号是指一种离散变化的电信号，例如计算机产生的电信号就是“0”和“1”的电压脉冲序列串。

2/2/202374.1信号的特性信号的特性表现在时间特性和频率特性两个方面。4.2数据和信号A数字数据，数字信号B数字数据，模拟信号C模拟数据，数字信号D模拟数据，模拟信号2/2/202385、信号传输速率（1）调制速率:信号调制过程中，单位时间内调制信号波形的变换次数，也就是单位时间内所能调制的调制次数，简称波特率，其单位是波特（Boud).（2）数据信号速率:表示单位时间内通过信道的信息量，单位是比特/秒（3）数据传输速率：单位时间内传送的数据量，其单位可以是比特、字符、码组等，时间单位可以是分、秒、小时等，通常用字符/分为单位。2/2/202396、数据传输中的检错与纠错纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。如果采用这种编码，传输系统中不需反馈信道就可以实现一个对多个用户的通信，但译码器设备比较复杂，且因所选用的纠错码与信道干扰情况有关。某些情况为了纠正差错，要求附加的冗余码较多，这将会降低传输的效率。现在比较常见的纠错编码有：海明纠错码、正反纠错码等。1．纠错码2/2/202310代码结构中的校验位:有多种确定校验位值的方法算术级数法原代码12345各乘以权65432乘积之和6+10+12+12+10=50以11为模去除乘积之和（若余数是10,则按0处理），把得出的余数作为校验码：50/11=4……6，因此代码为123456。几何级数法把所乘权数改为3216842等。质数法把所乘权数改为质数系列，如171311753等。注意:以11为模时，若余数是10，则按0处理。2/2/2023117、信道一般来说，一条通信线路至少包含两条信道，一条用于发送的信道和一条用于接收的信道。和信号的分类相似，信道也可分为适合传送模拟信号的模拟信道和适合传送数字信号的数字信道两大类。（1）模拟数据在模拟信道上传输(有线电话)（2）数字数据在数字信道上传输（3）数字数据在模拟信道上传输(用电话线上网)（4）模拟数据在数字信道上传输2/2/202312典型的例子是话音信号在普通的电话系统中传输。一般人的语音频率范围是300—3400Hz，为了进行传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。在这个传输过程中：语音信号以300—3400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。（1）．模拟数据在模拟信道上传输

2/2/202313（2）数字数据在模拟信道上传输

计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数字数据，而电话系统只能传输模拟信号，所以这个数字数据要进入到模拟信道以前要有一个变换器进行数字信号到模拟信号的转换，以便它能在模拟信道上传输，这样的一个变换过程叫调制（注意：这个调制过程并不改变数据的内容，仅是把数据的表示形式进行了改变）。这个变换器又叫做调制器。而当调制后的模拟信号传到接收端以后，在接收端也有一个变换器再对这个信号进行反变换，即又把它变回数字信号，这样的一个变换过程叫解调。这个变换器又叫解调器。由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，因此在数据通信的双方既有用于发送信号的调制器又有用于接收信号的解调器，所以把这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器（Modem）。调制解调器就是使用一条标准话路（3.1kHz的标准话路带宽）提供全双工的数字信道。2/2/202314

调制解调器最基本的调制方法有以下几种（在图2-1中给出了这几种波形传输数据的波形的示意图）：（1）调幅（AM）即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。（2）调频（FM）即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。（3）调相（PM）即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于180度。2/2/202315（3）模拟数据在数字信道上传输用数字信道传输模拟数据时，需要对模拟数据进行脉冲编码调制（PCM）。PCM最初并不是为传送计算机数据所设计的，它的目的是为了能使电话局之间的一条中继线不只传送一路电话而是可以同时传送几十路电话所设计的。PCM是将模拟电话信号转变为数字信号，所以首先要对电话信号进行取样。根据取样定理，只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从取样的脉冲信号中无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4KHz，为方便起见，取最高频率为4KHz，那么取样频率就是8KHz，相当于取样周期为125μs，即每秒钟采样8000次。下一步是进行编码。在我国使用的PCM体制中，电话信号是采用8bit编码，也就是说，将取样后的模拟电话信号量化为256个不同等级中的一个。2/2/202316（4）数字数据在数字信道上传输

这种方式最典型的例子是在两个装有Windows98操作系统的计算机上，利用Windows98中自带的“直接电缆连接”功能把两个计算机通过串行口或并行口直接相连。在这种情况下通信的双方发出的数据和接收的数据以及在信道上所传输的全部都是数字信号。对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。另外，使用负电压（低）表示0，使用正电压（高）表示1也是很普遍的。后一种技术称为不归零制NRZ（Non—ReturntoZero）。2/2/202317信道容量

对于一个给定的信道环境，在传输差错率（误码率）任意趋近于零的情况下，单位时间内可以传输的信息量。换句话说，信道容量是信道在单位时间里所能传输信息的最大速率，其单位是比特/秒（b/s)2/2/202318二、通信系统的模型（香农模型）信息源编码器信道译码器接收器

噪音干扰2/2/2023191、模拟通信系统模型

2/2/2023202、数字通信系统模型2/2/2023213、数据通信数据通信是指由信息源产生的数据，不管通过模拟传输还是数字传输的信道，按照一定的通信协议，形成数据流传到受信者的过程。4、数据通信系统凡是将终端设备与计算机经由模拟或数字传输系统连接起来，并以收集、传输、分配和处理数据为目的的系统称为数据通信系统，它是实现数据痛惜的功能性物理实体。从系统设备级的构成出发，由三部分组成：终端设备子系统、数据传输子系统及数据处理子系统。2/2/2023225、数据通信网数据通信网是由一些处于不同地理位置的数据传输设备、数据交换设备和通信线路等构成的系统，它的作用是使网上任两点之间进行正确、快速地传送数据和交换数据。数据通信系统中的数据传输子系统实际上是一个数据通信网。2/2/2023232.2计算机网络一、计算机网络的定义什么是计算机网络？目前还没有一个严格的定义，这里可以作如下理解：用通信介质把分布在不同地理位置上的具有独立功能的多台计算机、终端及其附属设备在物理上互连，在网络协议和软件的支持下，实现信息互通和资源（硬件、软件和数据资源）共享的系统称作计算机网络。

2/2/2023242.2.1传输介质

一、有向媒介1、双绞线双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。

图2-1屏蔽双绞线2/2/2023252.2.1传输介质2、同轴电缆

同轴电缆的结构，它的中央是铜质的芯线（单股的实心线或多股绞合线），铜质的芯线外包着一层绝缘层，绝缘层外是一层网状编织的金属丝作外导体屏蔽层（可以是单股的），屏蔽层把电线很好地包起来，再往外就是外包皮的保护塑料外层了。

2/2/2023262.2.1传输介质3、光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传送光脉冲来进行通信。光纤不仅具有通信容量非常大的特点，而且还具有其他的一些特点：抗电磁干扰性能好保密性好，无串音干扰信号衰减小，传输距离长抗化学腐蚀能力强2/2/2023272.2.1传输介质二、无向媒介1、无线电波:无线电波的电磁波频段呗分成8部分，称作波段，这些波段级别分别为：甚低频

VLF

10~30KHZ

低

频

LF

30~300KHZ

中

频

MF

300~3000KHZ

高

频

HF

3~30MHZ

甚高频

VHF

30~300MHZ

超高频

UHF

300~3000MHZ

过高频

SHF3000~30000MHZ极高频EHF30~300GHz2/2/2023282、地面微波：微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。3、卫星通信：卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来的电磁波放大后再返送回另一地球站。地球站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户通过地球站出入卫星系统形成链路。2/2/202329常见卫星通信（1）VSAT卫星通信系统（2）铱星系统（3）海事卫星通信系统（4）全球卫星导航与定位系统2/2/2023304、蜂窝电话：蜂窝电话是为在两个移动设备，或是一个移动与固定单元之间建立稳定的通信连接而设计的。2/2/2023312.2.2协议及网络软件协议就是控制数据通信的一组规则。协议三要素：语法、语义、时序语法：数据的结构或格式，指数据表示的顺序。语义：比特流每一部分的含义。时序：数据何时发送以及以多快的速率发送。网络软件包括网络操作系统、网络通信软件、网络管理及网络应用软件。2/2/2023322.2.3节点和链路节点：网络中某分支的端点或网络中若干条分支的公共交汇点。链路：设备之间的通信信道。2/2/202333二、通信设备之间的关系1、线路配置：两个或两个以上的通信设备连接到链路的方式。（1）点到点（2）多点连接2/2/2023342、拓扑结构网络拓扑是所有链路和连接的所有设备相互之间的几何表示，共有五种可能的基本网络拓扑：网状、星形、树形、总线形、环形。2/2/202335（1）网状网络中任意两站点间都有直接通路相连，所以任意两站点间的通信无需路由，而且有专线相连没有等待延迟故通信速度快，可靠性高。但是组建这样网络投资是非常巨大的，例如你在有4个站点的全互连拓扑网络上增加一个站点，那么你就得在这个网络上增加4根线使这4个站点的每一个站点都与新站点有一根线进行连接。由此也可看出这种全部互连型拓扑的灵活性差。但这种全部互连型拓扑结构适用于对可靠性有特殊要求的场合。2/2/202336星型拓扑结构是由中心结点和通过点对点链路连接到中心结点的各站点组成。星型拓扑结构的中心结点是主结点，它接收各分散站点的信息再转发给相应的站点。目前这种星型拓扑结构几乎是Ethernet双绞线网络专用的。这种星型拓扑结构的中心结点是由集线器或者是交换机来承担的。星型拓扑结构有以下优点：

由于每个设备都用一根线路和中心结点相连，如果这根线路损坏，或与之相连的工作站出现故障时，在星型拓扑结构中，不会对整个网络造成大的影响，而仅会影响该工作站。网络的扩展容易。控制和诊断方便。访问协议简单。星型拓扑结构也存在着一定的缺点：过分依赖中心结点。成本高。（2）星形2/2/202337树型拓扑是从总线拓扑演变过来的，形状象一棵倒置的树，顶端有一个带有分支的根，每个分支还可延伸出子分支。树型拓扑是一种分层的结构，适用于分级管理和控制系统。这种拓扑与其它拓扑的主要区别在于其根的存在。当下面的分支节点发送数据时，根接收该信号，然后再重新广播发送到全网。这种结构不需要中继器。与星型拓扑相比，由于通信线路总长度较短，故它的成本低，易推广，但结构较星型复杂。

树型拓扑结构有以下的优点：易于扩展。从本质上看这种结构可以延伸出很多分支和子分支，因此新的节点和新的分支易于加入网内。故障隔离容易。如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将这分支和整个系统隔离开来树型拓扑的缺点是对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作，因此这种结构的可靠性与星型结构相似。（3）树形2/2/202338总线型拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有的站点（包括工作站和文件服务器）均通过相应的硬件接口直接连接到传输介质或称总线上，各工作站地位平等，无中心结点控制。

总线型拓扑结构的总线大都采用同轴电缆。总线上的信息多以基带信号型式串行传送。某个站点发送报文（把要发送的信息叫报文），其传送的方向总是从发送站点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息一样，又称为广播式计算机网络，在总线网络上的所有站点都能接收到这个报文，但并不是所有的都接收，而是每个站点都会把自己的地址与这个报文的目的地址相比较,只有与这个报文的目的地址相同的工作站才会接收报文。（4）总线形2/2/202339在总线型拓扑结构中，由于各站点通过总线来传输信息，并且各站点对于总线的使用权是平等，因此就产生了如何合理分配信道问题，这种合理解决信道分配问题的控制方法叫介质访问的控制方式。总线型拓扑结构的介质访问控制方式是叫CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）。总线型拓扑结构有以下的主要优点：l

从硬件观点来看总线型拓扑结构可靠性高。因为总线型拓扑结构简单，而且又是无源元件。l

易于扩充，增加新的站点容易。如要增加新站点，仅需在总线的相应接入点将工作站接入即可。l

使用电缆较少，且安装容易。l

使用的设备相对简单，可靠性高。2/2/202340环型拓扑结构是由网络中若干中继器通过点到点的链路首尾相连型成一个闭合的环。这种环型拓扑结构使公共使用电缆型成环型连接。每个中继器与两条链路相连，由于环型拓扑的数据在环路上沿着一个方向在各节点间传输，这样中继器能够接收一条链路上来的数据，并以同样的速度串行地把数据送到另一条链路上，而不在中继器中缓冲。每个站对环的使用权是平等的，所以它也存在着一个对于环型线路的“争用”和“冲突”的问题。在环路上发送和接收数据的过程大致如下：

发送报文的工作站（简称发送站）将报文分成报文分组，每个报文分组包括一段数据再加上某些控制信息，在控制信息中含有目的地址。发送站依次把每个报文分组送到环路上，然后通过其它中继器进行循环，每个中继器都对报文分组的目的地址进行判断，看其是否与本地工作站的地址相同，仅有地址相同工作站才接收该报文分组，并将分组拷贝下来，当该报文分组在环路上绕行一周重新回到发送站时，由发送站把这些分组从环路上摘除。由此可看出环路上某一结点发生故障，它将不能正常地传送信息。

（5）环形2/2/202341环型拓扑结构有以下优点：路由选择控制简单。因为信息流是沿着固定的一个方向流动的，两个站点仅有一条通路。电缆长度短。环型拓扑所需电缆长度和总线拓扑结构相似，但比星型拓扑要短。适用于光纤。光纤传输速度高，而环型拓扑是单方向传输，十分适用于光纤这种传输介质。环型网络的缺点：结点故障引起整个网络瘫痪。在环路上数据传输是通过环上的每一个站点进行转发的，如果环路上的一个站点出现故障，则该站点的中继器不能进行转发，相当于环在故障结点处断掉，造成整个网络都不能进行工作。诊断故障困难。因为某一结点故障会使整个网络都不能工作，但具体确定是哪一个结点出现故障非常困难，需要对每个结点进行检测。2/2/202342（6）混合形拓扑2/2/2023433、传输模式：对两个相互连接的设备之间的信号流动的方向进行定义。（1）单工模式（2）半双工模式（3）全双工模式2/2/2023444、网络类型（1）按网络的拓扑结构分类（2）按网络的交换功能分类（3）按网络的覆盖范围分类局域网，城域网，广域网（4）按网络服务的对象分类2/2/2023455、网际互连（internet)将2个甚至多个计算机网络互连起来，构成一个互联网（internet)的环境。2/2/202346三、计算机网络的功能和应用数据通信资源共享

计算机系统可靠性和可用性的提高

易于进行分布处理

2/2/202347四、数据通信的应用和发展前景1、远程信息业务2、消息处理系统3、分组无线电网PRNET和分组卫星网PSNET4、综合业务数字网ISDN5、利用各种通信网络的消息系统6、应用于计算机综合制造（CIM）2/2/202348五、交换分组技术数据交换是网络中节点之间进行数据传输的基础，数据交换方式有多种，如线路交换、报文交换和分组交换，其中分组交换是Internet采用的一种数据交换方式。2/2/202349使用线路交换方式，就是通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的通信线路。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。最普通的线路交换例子是电话系统。在通话之前，通过用户的呼叫（即拨号），如果呼叫成功，则从主叫端到被叫端就建立了一条物理通路，这样双方就能进行通话了，当通话结束后双方挂机，这时为进行通话所建立起来的物理通路就自动拆除了。其实，线路交换方式的通信也应包括这三种状态，即线路建立、数据传送和线路拆除。1、线路交换2/2/202350在数据交换中，对一些实时性要求不高的信息，可以采用另一种数据交换的方法叫报文交换。报文交换方式传输的单位是报文，在报文中包括要发送的正文信息和指明收发站的地址及其它控制信息。在这种报文交换方式中，不需要在两个站之间建立一条专用通路。相反，如果一个站想要发送一个报文给另一站，它只要把一个目的地址附加在报文上，然后发送整个报文即可。报文从发送站到接收站，中间要经过多个结点，在这每个中间结点中，都要接收整个报文，暂存这个报文，然后转发到下一个结点。2、报文交换2/2/202351报文分组交换是国际上计算机网络普遍采用的数据交换方式。报文分组交换试图综合报文交换和线路交换的优点。报文分组交换原理是把一个要传送的报文分成若干段，每一段都作为报文分组的数据部分，由于报文分组交换允许每个报文分组走不同的路径，所以一个完整的报文分组还必须包括地址、分组编号、校验码等传输控制信息，并按规定的格式排列每个分组。报文分组交换的工作方式非常象报文交换，形式上的主要差别在于：在分组交换网络中，要限制所传输的数据单位的长度。典型的最大长度是1000位到几千位。3、分组交换2/2/202352分组交换适用于计算机网络，在实际应用中有两种类型：虚电路方式和数据报方式。

(1)数据报方式的工作原理

2/2/202353(2)虚电路方式

2/2/202354六、复用技术多路复用是指两个或多个用户共享公用信道的一种机制。通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的，多路复用有频分多路复用（FDMA），时分多路复用（TDMA），码分多路复用（CDMA）几种。

2/2/2023551、频分复用频分复用(FDM，FrequencyDivisionMultiplexing)就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输1路信号。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立隔离带，这样就保证了各路信号互不干扰(条件之一)。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作，每一路信号传输时可不考虑传输时延，因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。频分复用技术除传统意义上的频分复用(FDM)外，还有一种是正交频分复用(OFDM)。2/2/2023562/2/