第5章 网络与通信

大学IT（第六版）中国石油大学出版社第5章网络与通信

本章内容

通信基础网络世界网络技术Internet通信与网络应用大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1通信基础5.1.1通信发展历程5.1.2通信原理5.1.3通信技术5.1.4典型的通信系统大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1.1通信发展过程1837年：摩尔斯研制出世界上第一台电磁式电报机；1875年：贝尔（A.G.Bell）发明了世界上第一台电话机；1896年：波波夫、马可尼分别发明了无线电报；1906年：美国物理学家费森登成功地研究出无线电广播；1920年：美国建立了世界上第一家商业无线电广播电台；1935年：美国纽约帝国大厦设立了第一座电视台；1925年：美国无线电公司研制出第一部实用的传真机；1946年：美国研制出世界上第一台电子计算机ENIAC；1969年：计算机网络出现，后来Internet在全球普及；21世纪：出现了第三代移动通信技术（3G）。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1.2

通信原理通通信系统的基本组成模型信是将消息从一地（信源）传送到另一地（信宿）的过程。一个完整的通信系统由信源、信道、信宿、发送设备和接受设备五部分组成.发送设备把要传送的文字、声音、图像等原始信息转换为适宜于传送的信号形式并发送出去。接收设备从来自信道的各种微弱传输信号和噪声中选择所需要的信号，并把它还原为原始信息。在信号传送的过程中，还会受到信道和通信系统中的各种干扰，其中主要是来自信道的干扰，将噪声抽象为从信道引入的，并将噪声的产生源称为噪声源。模拟通信系统和数字通信系统系统传送的信号有模拟信号与数字信号之分。模拟信号：是一种连续变化的物理信号，如语音信号。数字信号：是一种离散的物理信号。模拟通信系统：直接传送模拟信号的通信系统（例如早期的电话系统）。数字通信系统：用数字信号作为载体传送消息的通信系统。5.1.2通信原理tt大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1.4通信系统1.通信网的基本结构网型：传输链路多，经济性差，冗余度大，但连接质量和定性好。星形：经济，节省链路，但要设置转接中心，其不足影响整网性能。环形和总线型：在计算机通信中常用，要求各节点具有较强的信息识别和处理能力。复合型：由网形和星形复合成，小区域或子网络是星形，而区域或子网间是网形，既经济又具一定的可靠性。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1.3通信技术2.交换技术1)线路交换(CircuitSwitching)：交换系统按照用户的要求，在终端之间建立暂时的物理接续通路，类似于铁路的轨道叉接，直到该业务结束拆除线路连接后，该通路才能改作他用。2）报文交换(MessageSwitching)：交换系统在需要通信的终端之间并不建立专用的通路，而是把需要传输的消息加上包含收发地址标记等辅助信息后，送入传输信息的“队列”，在存储器中暂存起来，然后根据网络路由（即网络“交通”）情况，选取适当的通路把消息送到目的地。3）分组交换(PacketSwitching)：交换系统把长的报文分成若干个较短的分组，然后将分组编号，各组报文可按不同的路径进行传输，当各组报文都到达终端后，终端按分组编号重组报文。数据报虚电路大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1.3通信技术3.数字传输中的差错控制技术1）差错原因与类型：所谓差错是指接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象。产生差错主要是因为通信线路上噪声干扰的结果。根据噪声类型不同，可将差错分为随机错和突发错。差错的严重程度由误码率来衡量，误码率Pe等于错误接收的码元数与所接收的码元总数之比。由于信道中的噪声是客观存在的，所以不管信道质量多高，都要进行差错控制。2）差错控制的作用与机制：差错控制的主要作用是通过发现数据传输中的错误，以便采取相应的措施减少数据传输错误。差错控制的核心是对传送的数据信息加上与其满足一定关系的冗余码，形成一个加强的、符合一定规律的发送序列。所加入的冗余码称为校验码（FrameCheckSequence，简称FCS）。校验码按功能的不同被分为纠错码和检错码。纠错码不仅能发现传输中的错误，还能利用纠错码中的信息自动纠正错误。检错码只能用来发现传输中的错误，但不能自动纠正所发现的错误，需要通过反馈重发来纠错。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1.4典型的通信系统1.短波与超短波通信系统

短波:波长100-10m的电磁波。短波通信也称高频无线通信。有时把中波的高频段（1.5-3MHZ）归入短波波段。主要用来传递语言、文字、图像等信息。主要靠电离层反射（天波）方式传播。超短波：波长10-1m的电磁波。可进行电视、雷达和移动台通信。超短波更易受地形、建筑和环境干扰的影响。主要为直线视距传播。信号质量好，信道带宽大，更有利于传输综合业务信息（语音、数据、图像等）。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1.4典型的通信系统2.微波通信系统

波长为1m～1mm（频率为300MHz～300GHz）的电磁波称为微波。长距离的微波通信又称为微波中继通信。微波中继通信与卫星通信、光纤通信是当今三大传输手段。

3.卫星通信系统

卫星通信指的是利用人造地球卫星中的通信卫星转发信号，在地球站之间传输信息的无线通信。卫星通信系统由通信卫星、跟踪遥测指令站、地球站以及地面传输线路组成，地面传输线路由电缆、光缆或微波接力组成。4.光纤通信系统

光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维（简称光纤）为传输媒介的通信方式。优点：如通信容量大、传输损耗低、中继距离长、抗电磁干扰、轻便好用、保密性好、使用寿命长、成本低等，它也是世界上各个国家正在优先发展的通信系统。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.1.4典型的通信系统5.移动通信系统

移动通信指的是通信双方至少有一方在移动中（或者临时停留在某一个非预定的位置）进行通信。目前广泛使用的有公用蜂窝移动通信系统、无绳电话、集群移动通信系统、移动卫星通信系统和主要应用于矿井下的泄漏电缆通信系统。 蜂窝技术是移动通信的覆盖技术。为了能在有限的频带、很大的地理范围内容纳大量用户，可以把需要覆盖的区域分成一个个小块地理区域（小区），每个小区由一个基站覆盖（即处于该小区范围内的用户由该基站管理，并经由该基站接入移动电话网），若干相邻的小区按一定数目划分为区群。各基站通过移动交换中心相连，移动交换中心（MSC）则通过中继线路连接到其他移动交换中心或公用交换电话网（PSTN）。 下图是以七个小区为一个区群的例子5.1.4典型的通信系统 6.综合业务数字网（ISDN）综合业务数字网是由电话综合数字网（IDN）发展演变而成的，它提供了端到端的数字连接，为用户进网提供了一组标准的多用途网络接口，其业务范围涵盖了现有通信网的全部业务和多种多样的新型业务，并继续向宽带化、高速化方向发展。7.数据通信、计算机通信与信息网络几乎目前所有的通信系统都是以数据通信系统为基础建立起来的。随着通信技术和计算机网络技术的飞速发展，现在不仅可以享用传统的电信业务，如电话、传真等，而且可以享用多种信息服务，如电子邮件、网上浏览、信息搜索、电子商务、网上娱乐等等。大学IT（第六版）中国石油大学出版社大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.2计算机网络基础5.2.1计算机网络发展历程5.2.2计算机网络的分类5.2.3计算机网络的功能5.2.1计算机网络发展历程 计算机网络的发展几乎是和计算机的发展同时起步的。伴随着世界上第一台计算机的诞生，以计算机为主体的各种远程信息处理技术也随之产生和发展起来，计算机技术与通信技术的结合催生了计算机网络。 因特网始于1957年。美国政府成立了美国国防部高级研究计划署（ARPA）。20世纪60年代末，建成了具有4个中心节点的网络—ARPAnet，从此以后，“计算机网络”这个词便渐渐地被广泛使用。到1971年2月，ARPAnet已经拥有15个节点，进入实用阶段。在随后的几年里，RPAnet的节点迅速增加，ARPAnet也成为当今互联网的基础。

20世纪80年代以来，随着计算机技术和通信技术的发展和完善，全世界越来越多的计算机通过各种方式连接起来，组成了一个超级的“网络”，也就是今天的Internet。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.2.2计算机网络的分类按照计算机网络覆盖的地理范围可分为局域网、城域网、广域网和接入网。1）局域网LAN：局域网的地理覆盖范围相对较小，一般最大距离不超过10公里；通信频带较宽，数据传输速率较高；传输距离较短，因而失真小，误码率也很小，可靠性较高；能支持多种传输介质；支持简单的点对点和多点通信。2）城域网MAN：城域网的地理覆盖范围比局域网大，通常可覆盖一个城市，所以又称为都市网。覆盖范围一般不超过十至几十公里，通信线路通常采用光纤或微波。3）广域网WAN：广域网是指实现计算机远距离连接的网络，通常是指跨城市、跨地区甚至跨国家的计算机网络。由于广域网分布距离很远，所以传输速率比局域网低，构成网状结构。4）接入网AN：是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络。接入网是局域网（或校园网）和城域网之间的桥接区。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.2.2计算机网络的分类按照计算机网络的拓扑结构可分为总线型、环形、星形和树形四种。1.总线型各工作站和服务器挂在一条总线上，工作站地位平等，无中心节点控制。信息多以基带形式串行传递，又称广播式网络。总线型拓扑结构一般由两个终节点来限定其长度。优点：结构简单、安装容易、增加或撤消设备方便、成本较低。单一工作站故障并不会影响网络的其他站点。可靠性较高。缺点：总线断开通信就断开。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.2.2计算机网络的分类2.环形各节点首尾相连形成闭合环形。网络信息是单向传送的，与双向传送相比，它不会由于两帧数据相对发送而造成丢失。适合于信息量小的场合。优点：布局简单，成本低。缺点：一个设备发生故障，将导致整个网络不能正常工作。可靠性较差。5.2.2计算机网络的分类3.星形以一台设备作为中央节点，其他节点（工作站和服务器）都与中央节点相连接，又称为集中式网络。中央节点可以是服务器、集线器或控制器，任意两个外围节点不能直接通信，必须通过中央节点转发。外围节点与中央节点的通信是双向的。优点：建网容易，结构简单，维护方便。只要中央节点正常，个别外围节点故障不会影响其他设备。可靠性差。大学IT（第六版）中国石油大学出版社大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.2.2计算机网络的分类4.树形树形结构是总结型结构的扩展。树形网是一种分层网或广播网，结构可以对称，联系固定，具有一定的容错能力，一个分支和节点的故障不影响另一分支节点的工作，任何一个节点送出的信息都可以传遍整个传输介质（广播式网络）。5.2.3计算机网络的功能根据网络的规模和设计的目的，一般有以下几项功能：1）资源共享2）信息快速传输和集中处理功能3）均衡负载及分布处理4）综合信息服务功能大学IT（第六版）中国石油大学出版社大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3网络技术

5.3.1计算机网络的基本组成5.3.2网络协议5.3.3网络操作系统5.3.4Internet的接入方式大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.1计算机网络的基本组成计算机网络一般由网络服务器、工作站、网络适配器（网卡）、通信介质和网络软件五部分组成。1.服务器网络的核心，提供网络共享资源并对其进行管理。OS就运行在服务器上，它决定了网络性能。一般由具有高档微机（大内存）或专用服务器（具有大硬盘）担任。网络常用的服务器有文件服务器、打印服务器、通信服务器等。一个局域网至少有一个服务器，或在一台计算机上运行多个服务器程序。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.1计算机网络的基本组成2.工作站指连接到网络中并通过应用程序执行任务的个人计算机，是用户与网络设备的接口。通常由PC机来充当，分为有盘工作站、无盘工作站（引导程序装在网卡的EPROM上，称为开机ROM），可防止服务器从工作站传入病毒。3.网络适配器连接网络所必需的部件，将服务器或工作站连入网络，实现网络资源的共享和相互通信。基本功能是实现网络的物理连接和电信号匹配；接收和执行工作站和服务器送来的各种控制命令；实现网络的存取控制、信息帧的发送和接收、差错校验和串并代码的转换等；提供收发数据的缓冲能力；实现无盘工作站的引导和连接到服务器。4.通信介质传输信息的媒体，决定了网络的传输速度、每段网络的最大长度、可靠性。常用的有双绞线、同轴电缆和光纤等。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.1计算机网络的基本组成5.网络软件1）网络操作系统（NOS）：运行在服务器上，由连网的用户（客户）共享，它对网络资源进行管理和控制，是用户与网络资源之间的接口。NOVELL的NetWare，Microsoft的WindowsNT系列以及UNIX等。2）网络通信软件：管理计算机间的信息传输，如网络驱动程序。3）网络协议软件：实现文件服务器与工作站间的连接，包括网卡上实现的软件。4）网络DBMS：MSSQLServer,Oracle,Sybase,Infomix等5）网络应用软件大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议1.网络协议为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。网络协议通常分层实现，每层完成独立的功能。2.开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI/RM）是1984年10月国际化标准组织（ISO）提出的，它是一个指导信息互连、互通和协作的国际标准。开放是指只要遵循OSI标准，位于世界上任何地方的任何系统之间就可以进行通信，开放系统指遵守互连协议的实系统，如电话和邮政系统。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议ApplicationlayerPresentationSessionTransportNetworkDatalinkPhysical大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议1）物理层（比特）任务：考虑如何在传输介质上传输数据比特流，确定与传输介质接口的一些特性。机械特性：接口形状、尺寸、引脚数目、排列顺序等电气特性：接口电缆上各线的电压范围功能特性：每条线某一电平代表的意义规程特性：指明各种事件的出现顺序大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议2）数据链路层（帧）(1)向网络提供良好的服务接口(2)将物理层的比特流编成帧(3)差错检验和流量控制。差错检测码、差错纠错码停等协议：只有一帧完成发送成功才发下一帧顺序接收的管道协议：又称“回退n“，为控制发送速度及缓冲区的限制，需对发送方已发出但未确认的帧的数目进行限制，称发送窗口，接收言方顺序接收。选择重传协议：接收方缓存出错帧后的帧，只求对方重传错帧。5.3.2网络协议3）网络层（最复杂、分组）主要解决多节点传送时的路由选择，寻找最佳通信路径，将信息传送到目的地。提供的两种服务方式：虚电路、数据报。静态策略：扩散法（分发）、固定路由选择法（手制路由表）、随机路由选择法、基于流量的路由选择法动态策略：孤立路由选择法（尽快发给具最短队列的链路）、集中路由选择法（路由控制中心制作路由表）、分布路由选择法（路由表中包括对应目的地路由中下一节点的标识）大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议4）传输层（最关键、报文）在源端（计算机）和目的端提供可靠的、经济的数据传送服务，独立于物理网络。用户不能对通信子网加以控制，无法采用更优的通信处理机来解决网络层服务低劣的问题，唯一办法就是在网络层上加传输层，弥补网络层服务质量的缺陷。运输层提供两种服务：面向连接、无连接的运输服务。如:TCP/IP-TCP（传输控制协议，面向连接）UDP（用户数据报协议，面向无连接）

大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议5）会话层当两台计算机连接时，存在着逻辑对话，会话可以使一个远程终端登录到远地的计算机，进行文件传输或进行其它的应用。负责管理、终止进程间的会话，控制每一站究竟什么时候可以传送和接收数据。(1）令牌与对话管理如远程终端是半双工交互式通信，要使用令牌(2）活动会话服务用户之间的合作称为活动，任一时刻，一个会话连接只为一个活动使用，一个活动可跨多个会话连接，多个活动可顺序地使用一个会话连接(3）同步与重新同步（同步点、同步序号）不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用层之间的通信的机制。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议6）表示层不同类型的计算机使用的语法不同。完成不同数据格式编码之间的转换，主要解决用户信息的语法表示问题，如同接口之间的翻译。将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法转换为适合于OSI系统内部使用的传送语法；数据的压缩和解压缩，加密和解密等工作也由表示层负责。如:文本：ASCII，EBCDIC图形：TIFF，JPEG，GIF，PICT声音：MIDI，MPEG，QUICKTIME大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议7）应用层直接为用户的应用程序进程访问OSI环境提供服务，确定进程之间通信的性质以满足用户的需要。不仅提供进程所需要的信息交换和远地操作，还作为应用进程的代理，完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能。如：HTTP协议、FTP协议、SMTP协议、telnet等。大学IT（第六版）中国石油大学出版社大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.2网络协议3.TCP/IP协议TCP/IP是一个四层的体系结构，包含应用层、传输层、网际层和网络接口层。最著名的就是两个协议：网际协议IP和传输控制协议TCP。IP协议对应于OSI七层模型的网络层，它规定了所有在网络上流通的数据标准，规定了Internet上通信所必须遵守的基本规则，这些规定确保了路由的正确选择和报文的正确传输。TCP协议在IP协议之上，对应于OSI七层模型的传输层，它提供面向连接的可靠数据服务，以保证数据正确无误地到达目的地。现在人们经常提到的TCP/IP并不一定是指TCP和IP这两个具体的协议，而往往是表示整个TCP/IP协议簇。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.4.1Internet基础4.IP地址IP地址：是Internet上主机或路由器的数字标识,用来惟一地标识该设备，由32位二进制数(四个字节)组成。采用点分十进制地址：8位一组以小点分隔,将每个字节转化为十进制数（0—255）表示。IP地址由类别、网络号、主机号组成，由国际组织NIC统一分配。位8……1516……2324……31A类0网络号占7位地址范围1-126127诊断用，全0为本地网主机号（224-2=16,777,214）占24位注意：主机地址各位不能全是1（广播地址）或0（网络上无主机）B类10网络号占14位地址范围128-19110000000-10111111主机号（216-2=65,534），占16位C类110网络号占21位地址范围192-22311000000-11011111主机号（28-2台）占8位D类1110留给Internet体系结构委员会(IAB)使用，占28位E类11110留作实验或将来使用5.4.1Internet基础5.域名主机域名命名系统（域名系统DNS）：使用名字来为计算机主机命名，为避免命名重复，通常把主机的名字用几部分组成，采用一种层次型的命名机制。这种命名方法称为主机域名命名系统（DNS）DNS格式：计算机名.[机构名.][网络名.]顶级域名常用组织类顶级域名常用地理类顶级域名5.3.3网络操作系统（NOS）NOS：对计算机网络进行管理的操作系统软件，它负责管理网络上的硬件和软件资源，使它们协调一致地工作。网络操作系统一般运行在服务器上，并由联网的计算机用户共享，这类用户又被称为客户。为防止一次由一个以上的用户对文件进行访问，一般网络操作系统都具有文件加锁功能。NOS还负责管理用户和打印机之间的连接。NOS还对每个网络设备间的通信进行管理，这是通过NOS中的媒体访问技术来实现的。NOS的各种安全特性可用来管理每个用户的访问权限，确保关键数据的安全保密。NOS从根本上说是一种管理器，用来管理连接、资源和通信量。目前常用的网络操作系统有NOVELL公司的Netware、Microsoft公司的Windows系列以及UNIX操作系统等。大学IT（第六版）中国石油大学出版社大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.3.4Interne的接入方式电话拨号上网方式Modem+直拨电话+用户账号（ISP）宽带接入方式DSL(用户数字环路)：基于普通电话线的宽带接入技术，它在同一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备；并且不需要拨号，一直在线，属于专线上网方式。ADSL(非对称数字用户环路，上行640bps,下行8Mbps)：网卡+ADSLMODEM。VDSL(高速数字用户环路)：DSL家族数据传输的最高版本，短距离内的最大下传速率可达55Mbps，上传速率可达19.2Mbps，甚至更高适合用户集中、用小交换机的住宅小区LAN：重铺线路，光纤到楼，双绞线入户，不需MODEM，需网卡,线路稳定，10-1000Mbps。5.4Interne在中国

中国信息基础设施CII（ChinaInformationInfrastructur）的建设，连接因特网成为最关注的热点之一。第一阶段：与Internet的E-MAIL连通。1987年9月中国学术网络（CANET）与Internet交换第一封E-mail，标志着我国开始进行Internet网。90年CANET在InterNIC注册顶级域名CN。92年中国研究网络（CRN）建成。第二阶段：与Internet实现全功能TCP/IP连接。94年4月，接通了一条64bps的国际线路，三个网络的用户对Internet进行了全方位的访问。同时，93年中国高能物理研究所与Stanford大学建立了直接联系，并在94年建立全方位的Internet连接，标志我国正式加入Internet。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.4Interne在中国到目前为止，我国陆续建造了基于Internet技术的并可以和Internet互连的9个全国范围的公用计算机网络：①中国教育和科研计算机网CERNET②中国科学技术网CSTNET③中国公用计算机互联网CHINANET④中国联通互联网UNINET⑤中国网通公用互联网CNCNET⑥中国移动互联网CMNET⑦中国国际经济贸易互联网CIETNET⑧中国长城互联网CGWNET⑨中国卫星集团互联网CSNET

大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.4Interne在中国1.中国教育科研互连网(CERNET)是第一个覆盖全国的、由10所高校承担自行设计、建设的网络，由原国家教委主管。网络中心设在清华大学，整个网络分为三个层次；主干网、地区网（8个网点）、校园网。非营利性，主要为学校、科研和学术机构及非营利部门服务。2.中国科学技术网(CSTNET)是中关村地区教育与科研示范网（NCFC）和中国科学院网（CASnet）的基础上建设、发展起来的覆盖全国范围的大型计算机网络，由中科院管理。服务主要包括网络通信服务、信息资源服务、超级计算服务和域名注册服务。受国务院信息化工作领导小组委托，管理中国互联网络信息中心（CNNIC），负责向全国提供域名注册服务。3.中国公用计算机互连网（CHINANET)由邮电部门经营管理，结构分为核心层、区域层、接入层。网络共有10个B类IP地址，用户主要是单机拨号入网。原则上所有商业用户都只能通过它与Internet连接，其商业业务除由邮电部经营外，还有各种商业公司经营，其策略是积极扩展市场。大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.5通信与网络应用5.5.1通信与网络的社会应用5.5.2通信与网络的日常应用大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.5.1通信与网络的社会应用手机3G互联网物联网大学IT（第六版）中国石油大学出版社5.5.2通信与网络的日常应用1．WWW浏览2.信息搜索（1）世界著名四大检索系统EICompendexWeb：是EI工程索引的网络版WebofScience：是SCI科学引文索引的网络版。WebofScienceProceedings：是ISTP科学技术会议录索引的集成。ISR：IndextoScientificReviews：科学评论索引，尚无Web版。（2）