第1章 计算机网络基础知识

第1章计算机网络基础知识1.1计算机网络的发展过程1.2计算机网络的基本概念1.3计算机网络的类型1.4计算机网络的体系结构1.5数据通信基础1.1计算机网络的发展

计算机网络是计算机技术和通信技术结合的产物，主要经历了四个发展阶段：第一阶段：20世纪50年代终端--计算机系统

第二阶段：20世纪60年代共享资源的计算机网络

ARPAnet与分组交换技术的研究与发展。第三阶段：20世纪70年代标准化的计算机网络网络体系结构与协议标准化的研究、广域网、局域网与公用分组交换网的研究与应用。第四阶段：20世纪90年代国际化的计算机网络

网络计算技术的飞速发展。互连、高速、更为广泛的Internet技术应用为特点。一、计算机网络的发展阶段1.2计算机网络的基本概念

人们通常对“计算机网络”的定义是：计算机网络是将分布在不同地理位置的具有独立功能的计算机系统，利用通信设备和线路相互连接起来，在网络协议和网络软件的支持下，进行数据通信、实现资源共享的系统。1计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源共享在网络中的共享资源指：硬件资源、软件资源和数据资源。一般将计算机资源共享作为网络的最基本特征。2互连的计算机都是独立的“自治计算机”

一个计算机网络可以包含有多台具有“自治”功能的计算机，所谓的“自主”是指这些计算机离开计算机网络之后，也能独立地工作和运行。通常将这些计算机称为“主机”(host)，在网络中又叫做节点或站点。一般，在网络中的共享资源均分布在这些计算机中。3联网计算机之间通信必须遵循共同的网路协议

构成计算机网络时需要使用通信的手段，把有关的计算机(节点)“有机地”连接起来。所谓的“有机”地连接是指连接时彼此必须遵循所规定的约定和规则。这些约定和规则就是通信协议。一、计算机网络定义的基本理解二、计算机网络的组成(一)计算机网络的系统组成计算机系统信息的收集、存储和处理，并提供各种网络资源根据用途分为服务器和工作站数据通信系统由通信控制处理机、传输介质和网络连接设备组成完成数据通信控制与处理计算机网络软件网络协议软件、网络通信软件、网络操作系统、网络管理软件和网络应用软件。方便用户使用网络资源；管理和调度网络资源。1.计算机系统计算机系统（主机）包括：大型机、中型机、小型机、工作站或微机。主机是资源子网的主要组成单元，它通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。功能：主机要为本地用户访问网络其它主机设备与资源提供服务，完成数据信息处理，同时要为网中远程用户共享本地资源提供服务。按功能可分为服务器和工作站。2.数据通信系统通信控制处理机（CCP）主要负责主机与网络的信息传输控制。又被称为网络节点。一方面作为与资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面它又作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储、转发等功能，实现将源主机报文准确发送到目的主机的作用。网络连接设备（网络设备）主要实现网络中主机与主机、网络与网络之间的连接，数据信号的转换以及路由选择等功能。主要包括：中继器、集线器、调制解调器、网桥、交换机、路由器、网关等设备。传输介质（通信线路）传输介质是传输数据信号的物理通道，它将网络中各种设备连接起来，计算机网络采用了多种通信线路，如电话线、双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信信道、微波与卫星通信信道等。3.计算机网络的软件

网络操作系统实现系统资源共享，管理用户的应用程序对不同资源的访问。典型的操作系统有Windows2000Sever、Netware、UNIX等。网络协议软件实现网络协议功能，比如TCP/IP、IPX/SPX等。网络管理软件用来对网络资源进行管理，对网络进行维护。网络服务器软件运行在特定的操作系统上，提供网络服务的软件。网络应用软件网络应用软件是为网络用户提供服务的，是网络用户在网络上解决实际问题的软件。1.计算机网络的逻辑组成

资源子网：资源子网由服务器、工作站、共享设备（打印机、网络硬盘）、各种软件资源与信息资源组成。资源子网负责全网的数据处理，向网络用户提供各种网络资源与各种网络服务。通信子网：主要由网络识配器（网卡）、集线器、交换机、路由器、传输介质及相关软件组成，主要完成网络数据传输、转发等通信处理任务。(二)计算机网络的逻辑组成2.早期网络结构的特点示意图早期计算机网络结构：从逻辑功能上可以分为资源子网和通信子网等两个部分。

3.现代网络结构的特点示意图

三、计算机网络的功能数据交换和通信计算机网络中的计算机之间或计算机与终端之间，可以快速可靠地相互传递数据、程序或文件。资源共享充分利用计算机网络中提供的资源（包括硬件、软件和数据）是计算机网络组网的主要目标之一。提高系统的可靠性在一些用于计算机实时控制和要求高可靠性的场合，通过计算机网络实现备份技术可以提高计算机系统的可靠性。分布式网络处理和负载均衡对于大型的任务或当网络中某台计算机的任务负荷太重时，可将任务分散到网络中的各台计算机上进行，或由网络中比较空闲的计算机分担负荷。1.3计算机网络的类型分类按网络的作用范围：局域网城域网广域网按网络的拓扑结构：总线型网络环型网络星型网络按服务的提供方式：对等网客户端/服务器网络按介质访问协议：以太网令牌环网令牌总线网按通信介质：有线网无线网按传输技术：广播式网络点到点网络1.4计算机网络的体系结构概念网络是一个复杂、庞大的系统，为了减少计算机网络的在研究和实现上复杂程度，可将计算机网络按功能划分为若干个层次。不同层次完成不同功能，低层为其更高层次提供必要的服务功能。层次间的联系通过特定接口完成。网络体系结构完成计算机间的通信合作，把每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次，并规定同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务；网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构社会上存在的邮政系统一、网络体系结构的相关概念

协议（Protocol）网络协议是为实现网络中的数据交换而制定的规则、约定与标准。网络协议的三要素：语义、语法与时序；语法：语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序的意义；语义：用于解释比特流的每一部分的意义；时序：事件实现顺序的详细说明。1.网络协议的概念3.接口(Interface)层次是人们对复杂问题处理的基本方法；层次之间的信息交接点；2.层次（layer）二、OSI/RM开放系统参考模型

为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信，国际标准化组织ISO对各类计算机网络体系结构进行了研究，并于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准，称为开放系统互连参考模型(OSI/RM)，也称为ISO/OSI。“开放”表示任何两个遵守OSI/RM的系统都可以进行互连，当一个系统能按OSI/RM与另一个系统进行通信时，就称该系统为开放系统。1.OSI的分层模型2.OSI各层的功能概述第7层：应用层(ApplicationLayer)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(E-mail)、分布式数据库、网络管理等。第6层：表示层(PresentationLayer)为应用层提供信息表示方式的服务，如数据格式的变换、文本压缩、加密技术等。第5层：会话层(SessionLayer)主要任务是维护节点间两个进程间的通信，并对数据传输进行管理。OSI各层的功能概述（二）第4层：传输层(TransportLayer)为上层提供端到端(最终用户到最终用户)的透明的传输服务。所谓透明的传输是指在通信过程中传输层对上层屏蔽了通信传输系统的具体细节。第3层：网络层(NetworkLayer)为传输层的数据传输提供建立、维护和终止网络连接的手段，把上层来的数据组织成数据包(Packet)在节点之间进行交换传送，并且负责路由控制和拥塞控制。OSI各层的功能概述

（三）第2层：数据链路层(DataLinkLayer)在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻节点之间的数据链路，传输以“帧”为单位的数据包。通过差错控制提供数据帧在信道上无差错地传输，并进行数据流量控制。第1层：物理层(PhysicalLayer)利用传输介质为数据链路层提供物理连接，在物理信道上实现比特（bit）流的透明传输。提供为建立、维护和拆除物理链路连接所需的各种传输介质、通信接口特性等。3.OSI/RM的信息流动

1.5数据通信基础一、数据通信的基本概念1数据、信号与数据通信

数据（Data）:被传输的二进制代码为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；

信号（signal）:是数据的具体物理表现。信号是数据在传输过程中的电信号的表示形式，为传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示。数据通信:是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。2.数据通信系统基本结构数据通信系统的基本通信模型：产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信，在数据通信系统中，也将通信线路称为信道；在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。二、通信信道的分类

信道是信号传输的通道，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。信道按所使用的传输介质分类，可以分为有线信道与无线信道；有线信道使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信道。有线信道包括电话线、双绞线、同轴电缆和光缆等；无线信道以电磁波在空间传播方式传送信息的信道称之为无线信道。无线信道包括无线电、微波、红外线和卫星通信信道等。三、数据通信的技术指标

数据通信速率（传输速率）传输率是指数据在信道中传输的速度。数据通信速率分为两种：波特率和信息速率。波特率：模拟线路信号的速率，也称调制速率，以波形每秒的振荡数来衡量，也叫码元速率信息速率：每秒中传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），又称为比特率；波特率与比特率的关系为：比特率=波特率×单个调制状态对应的二进制位数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，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的，如电话线路的频率范围在300～3400Hz，则它的带宽300～3400Hz。信道容量（信道的最大传输速率）是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失真。四、数据传输方式并行通信数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。并行通信的优点是速度快，但发端与收端之间有若干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。1.数据的串行传输和并行通信串行通信数据流以一次一个比特位的方式在一条信道上传输，串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。2.单工、半双工、全双工通信单工方式：指通信信道是单向信道，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，任何时候都不能改变信号传送方向。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。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换。如公安系统使用的“对讲机”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。3.基带传输、频带传输基带传输就数字信号而言，它是一个离散的方波，“0”代表低电平，“1”代表高电平，这种方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号，因此，基带实际上就是数字信号所占用的基本频带。基带传输是在信道中直接传输数字信号，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。频带传输所谓频带传输是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。可见，在采用频带传输方式时，要求发送端和接收端都要安装调制器和解调器。在实现远距离通信时，经常借助于电话线路，此时就需要利用频带传输方式。利用频带传输，不仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。五、信道复用技术

信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。四种信道复用方式：频分复用FDM、时分复用TDM、(波分复用WDM和码分复用)。1.频分多路复用FDMFDM是把信道的可用频带分成多个互不交叉（重叠）的频段（带），每个信号占其中一个频段。接收时用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。2.时分多路复用TDM同步时分复用STDM

STDM采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙，形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低。2.时分多路复用TDM异步时分复用ATDM只有当某一信源有数据要发送时才把时间片分配给它；把发送端地址和接收端地址作为附加信息发送。六、数据交换技术在数据通信系统中，当终端与计算机之间，或者计算机与计算机之间不是直通专线连接，而是要经过通信网络的接续过程来建立连接的时候，那么两端系统之间的传输通路就是通过通信网络中若干节点转接而成的所谓“交换线路”。在数据通信网络中，通过网络节点的某种转接方式来实现从任一端系统到另一端系统之间接通数据通路的技术，就称为数据交换技术。数据交换技术主要包括电路交换、存储--转发两种方式也称为线路交换，是为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道。电路交换的步骤：电路建立通过源节点请求完成交换网中相应节点的连接过程，这个过程建立起一条由源节点到目的节点传输通道。数据传输电路建立完成后，就可以在这条临时的专用电路上传输数据。电路拆除在完成数据传输后，源节点发出释放请求信息，请求终止通信。在电路拆除阶段，各节点相应地拆除该电路的对应连接，释放由该电路占用的节点和信道资源1.“电路交换”方式2.“存储-转发”方式为要发送的信息带上源地址和目标地址，由通信网络中的节点一步一步选择路径进行存储—转发，使数据在通信网络上传递。存储--转发的两种方式：报文交换分组交换报文头数据报文交换(MessageSwitching)

数据以报文(message)为单位传输，报文可以理解为信息的一个逻辑单位，长度不限且可变，数据传送过程采用存储转发的方式。结点A结点F结点C结点E结点D结点G结点Bp2p1p1p1p1p2p2p2p1p2ACKACKACKACKACKACK主机A主机B分组交换(PacketSwitching)分组交换属于“存储/转发”交换，它不像报文交换以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的“报文分组”（Packet）为单位进行交换传输。

由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成），因而有以下优缺点。优点：①由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。②通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。③双方通信时按发