网络基础及应用一

第一讲问题什么叫计算机网络？数据通信的关键技术有哪些？网络互连设备有哪些？（一）课程总体介绍一、课程简介专业选修课高等学校计算机基础教育三个层次——技术基础（网络技术基础知识和基本应用技能的培养）课程的基本要求二、课程内容理论部分绪论因特网概述因特网接入因特网典型应用因特网其他应用网页开放软件页面编码与站点发布局域网广域网与城域网企业内部网实验部分接入因特网万维网与搜索引擎电子邮件电子商务网页开放软件的使用页面编码站点的发布ASP动态网页综合网页设计三、学时分配总学时32（理论学时22；上机学时10）四、参考书网络技术基础与应用胡华等浙江大学出版社现代通信网络沈庆国等人民邮电出版社因特网应用技能培训教程殷娅玲等海洋出版社网络企业管理卢向南等高等教育出版社（二）本节主要内容1.1计算机网络1.1.1计算机网络的发展计算机网络的发展经历了四个阶段：面向终端的计算机网络计算机-计算机网络开放式标准化网络互联网时代1.第一代计算机网络特征：本质是一个以单个计算机为中心的远程联机系统，系统除了一台中心计算机外，其余终端都不具备自主处理功能，主要完成终端与计算机中心间的数据通信面向终端的计算机网络－以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机网络。2.第二代计算机网络特征：多台计算机通过通信线路互联，为用户提供服务，每个主计算机都具有自主处理能力，兼容性差60年代中期，出现了多台计算机互连的系统，开创了“计算机－计算机”通信时代，并存多处理中心，实现资源共享。美国的ARPA网，IBM的SNA网，DEC的DNA网都是成功的典例。这个时期的网络产品是相对独立的，未有统一标准。最大的缺陷为兼容性。3.第三代计算机网络特征：具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议开放式标准化网络由于相对独立的网络产品难以实现互连，国际标准化组织ISO(InternationStandardsOrganization)于1984年颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”的国际标准ISO7498，简称OSI/RM。即著名的OSI七层模型。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。OSI的目标过于理想，而且没有考虑商业盈利的要求；体系过于庞大和复杂，很难保证运作的效率，所以直到20世纪90年代仍然几乎没有任何厂家生产出符合OSI的商用级别的产品。TCP/IP从设计上考虑了多种不同结构的网络相互连接的问题，并将网络协议作为一个重要的组成部分。这一点上OSI考虑的过于简单，它试图采用一种标准的公用数据网将各种不同的网络连接起来，实际上这种看似简单的方式意味着对第二代网络的全面否定，同时也意味着广大厂商如果采用OSI模型就可能要淘汰已经花费数百万甚至上千万美元建立起来的计算机网络，这对于以盈利为目标的商业机构来说是不可接受的。这也许就是OSI失败的重要原因。4.互联网时代特征：世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络1969年--ARPANET，ARM模型，早于OSI模型，低三层接近OSI，采用TCP/IP协议。1988年--NSFNET，OSI模型，采用标准的TCP/IP协议，成为Internet的主干网。计算机网络的定义三类定义1.计算机技术与通信技术相结合，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统2.以能够相互共享资源的方式连接起来，并且具有独立功能的计算机系统的集合3.存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，负责调用完成用户任务所需要的资源，而整个网订单管理软件、酒店管理软件等。3.从逻辑功能上划分资源子网－主机Host＋终端Ｔerminal组成：计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源和数据资源功能：全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务通信子网－通信链路组成组成：网络通信控制处理机、通信线路和其他通信设备功能：全网的传输、交换及通信控制等通信处理工作1.2数据传输系统1.2.1数据通信的特点(1)抗干扰能力强、无噪声积累(2)便于加密处理(3)便于存储、处理和交换(4)设备便于集成化、微型化(5)便于构成综合数字网和综合业务数字网(6)占用信道频带较宽1.2.2信息编码及调制数据——有意义的实体模拟数据－在某个区间内产生的连续值数字数据－由模拟数据进行抽样取整后产生的离散值信号——数据的表现形式/电子编码模拟信号－在一定的数值范围内可以连续取值的信号数字信号－一种离散的脉冲序列模拟信号

信号波形模拟着信息的变化而变化，其特点是幅度连续(连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值)。图(a)所示的信号是模拟信号，其信号波形在时间上也是连续的，因此它又是连续信号。图(b)所示的信号是对图(a)所示的模拟信号按一定的时间间隔T抽样后的抽样信号，由于其波形在时间上是离散的，它又叫离散信号。但此信号的幅度仍然是连续的，所以仍然是模拟信号。电话、传真、电视信号都是模拟信号。数字信号其特点是幅值被限制在有限个数值之内，它不是连续的而是离散的。图(a)是二进码，每一个码元只取两个幅值(0，A)：图(b)是四进码，每个码元取四(3、1、－1、－3)中的一个。这种幅度是离散的信号称数字信号。当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时候，电磁波本身既是信号载体，同时也作为传输介质；而当采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路来传输；当数字信号采用离散的电脉冲或光脉冲来表示时，则一般需要用双绞线，电缆或光纤介质传输；1.数字数据的模拟信号编码（振幅/频率/相位）振幅——振动物体离开平衡位置的最大距离叫振动的振幅。在数值上等于最大位移的大小。频率——一秒钟内振动质点完成的全振动的次数叫振动的频率，其单位为赫(HZ)

频率也是表示质点振动快慢的物理量。相位——某瞬间信号大小变化的方向。这种编码方式是将数字数据调制成模拟信号进行传输。通常采用三种模拟信号的载波特性(振幅、频率和相位)之一来表示被调制的数字数据，并由此产生三种基本调制方式。(1)幅移键控(ASK)法ASK(AmplitudeShiftKeying)是使用载波频率的两个不同振幅来表示两个二进制值，在一般情况下，用振幅恒定载波的存在与否来表示两个二进制值。ASK方式的编码效率较低，容易受增益变化的影响，抗干扰性较差，在音频电话线路上一般只能达到1200b/s的传输速率。(2)频移键控(FSK)法FSK(FrequencyShiftKeying)是使用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值，FSK比ASK的编码效率高，不易受干扰的影响，抗干扰性较强，在音频电话线路上的传输速率可以大于1200b/s。(3)相移键控(PSK)法PSK(PhaseShiftKeying)是使用载波信号的相位变化来表示二进制数据，在PSK方式中，信号相位与前面信号序列同相位的信号表示0，信号相位与前面信号序列反相位的信号表示1。PSK方式也可以用于多相的调制，例如在四相调制中可把每个信号序列编码为两位。PSK方式具有很强的抗干扰能力，其编码效率比FSK还要高。在音频线路上，传输速率可达9600b/s。这些信号调制技术主要用于调制解调器(Modem)中。在实际的Modem中，一般将这些基本的调制技术组合起来使用，以增强抗干扰能力和编码效率。常见的组合是PSK和FSK方式的组合或者PSK和ASK方式的组合。ASK－幅移键控法FSK－频移键控法PSK－相移键控法PSK>FSK>ASK三种基本调制方式2.数字数据的数字信号编码最常用－用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。常用的数字信号编码不归零（NRZ）码－负电压表示“0”，正电压表示“1”，无需归零。差分不归零（DNRZ）码－通过信号相位的变化来表示二进制数据，起始处有跳变表示“1”，起始处无跳变表示“0”。主流的信号编码技术曼彻斯特（Manchester）码－每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示"1"，从低到高跳变表示"0"。差分曼彻斯特（DM）码－每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示“0”或“1”，有跳变为“0”，无跳变为“1”。自同步法－能从数据信号波形中提取同步信号的方法。共同缺点：信号速率为数据速率的两倍，主要用于中速网络3.模拟数据的数字信号编码脉冲编码调制（PCM），它常用于对声音信号进行编码。采样定理－若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。模拟信号数字化的三步骤

1)采样，以采样频率把模拟信号的值采出；

2)量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；

3)编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。在接收端，先进行译码，将二进制数码转换成代表原来模拟信号的幅度不等的量化脉冲，然后再经过滤波(如低通滤波器)，就可使幅度不同的量化脉冲还原成原来的模拟信号。1.2.3数据传输系统的构成传输信道有线线路－由同轴电缆、光纤、双绞线等构成无线线路－由卫星和地面微波站等构成模拟传输系统信号以连续变化的电磁波在媒体中传输。传输的媒体可以是双绞线电缆、同轴电缆、光缆、空气、水或太空。使用调制技术将输入信号(数据)组合到载波信号上。载波信号是某种特定频率。在收音机上调台时，选择特定载波频率可以调谐到该电台。主要的调制技术有两种：改变载波信号振幅(高度)的调幅和调制载波频率的调频。使用放大器来增加信号的能量数字传输系统信号以不连续的电压脉冲传输常使用中继器来克服衰减和畸变每个端点必须通过编码解码器实现数据编码传输速率传输速率—每秒中所能传输的位数调制速率－数据经过调制后的传播速率在二元制调制方式中，二者可以通用1.2.4数据交换技术数据交换功能－中心节点提供交换设备，把数据从一个节点转发到另一个节点，直至到达目的端的功能1.电路交换电路建立：要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。数据传输：传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。电路拆除：由某一方发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费：在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。2.报文交换报文－站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。端与端之间无需先通过呼叫建立连接。特点

1)报文从源点传送到目的地采用"存储--转发"方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。

2)在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。3.分组交换分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。在数据报交换中，每个分组的传送是被单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择。虚电路交换的主要特点是：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。1.电路交换：在数据传输之前必须先设置一条完全的通路。在线路拆除(释放)之前，该通路由一对用户完全占用。电路交换效率不高，适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信。

2.报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，报文需要排队。因此报文交换不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。

3.分组交换：分组交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大长度。分组交换技术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术，适用于交换中等或大量数据的情况。1.2.5多路复用技术多路复用——为了提高信道利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰。频分多路复用FDM－在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。时分多路复用TDM—若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，则可将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。1.FDMFDM的基本前提是：传输介质的可用带宽要大于多路给定信号所需带宽的总和。如果将这几路信号中的每路信号以不同的载波频率进行调制，则这些信号就可同时在单一介质上传输。为了保证各路信号带宽不相互重叠，各路载波频率之间应当留有一定的保护间隔，参见下图。 FDM在图中，6路信号源输入到一个多路复用器中，这个多路复用器使用不同的频率来调制每一路信号，每一路信号具有一定的带宽，图中的f1～f6分别对应于6路信号带宽，形成6个信道。为了防止各个信道之间的重叠干扰，相邻的信道之间要用保护带隔离开。保护带是信号带宽中不用的部分。f1～f6以及各个保护带宽之和要小于或等于传输介质的可用带宽。例如，假设传输介质的可用带宽为70MHz，每路信号带宽为10MHz。如果采用FDM同时传输6路信号，则各路信号带宽分配如下：f1=0～10MHz，f2=11～21MHz，f3=22～32MHz，f4=33～43MHz，f5=44～54MHz，f6=55～65MHz，其中各路信道之间的保护带宽为1MHz。当携带多路信号的载波通过传输介质传送到另一端的多路复用器后，再解调(还原)成各个单路信号，输出到各自对应的输出线上。2.TDMTDM的基本前提是：传输介质所能支持的位传输速率应大于多路数据传输所需的位传输速率的总和。如果每路信号按时间先后轮流交替地使用单一信道，那么在宏观上多路数字信号便可以实现同时传输。各路信号可以位、字节、块或帧等为单位交替地使用单一信道。在下图中，多路复用器有6路信号输入，设每路信号的传输速率为10Mb/s，传输介质的传输带宽大于60Mb/s，使用TDM技术同时传输这6路信号。TDM具体的实现方法是：规定传送一个数据单元所需要的时间为一个时间片，每个输入端一次传送一个数据单元，6个时间片便可将6个输入端轮流输入一次，这6个时间片便构成了一帧(Frame)。在一般情况下，帧长是固定的，即一个帧所拥有的时间片数等于信号输入的个数。如果在某个时间片内对应的