《计算机网络》讲义

曲靖师范学院物理系

《网络技术基础》课程

教

学

讲

义

李锐编著

目录

第1章计算机网络概述....................................................1

1.1计算机网络的发展历程............................................1

1.1.1现代计算机发展历程........................................1

1.1.2计算机网络的发展历程.....................................2

1.2计算机网络的定义................................................4

1.2.1计算机网络的定义.........................................4

1.2.2计算机网络的构成要素.....................................4

1.2.3几种类计算机网络系统......................................4

1.3计算机网络的功能................................................5

1.4计算机网络系统的组成............................................5

1.4.1网络软件..................................................5

1.4.2网络系统的组成...........................................5

1.5计算机网络的分类................................................5

1.6计算机网络的应用................................................8

1.7计算机网络的研究与发展..........................................8

1.7.1Internet的应用与高速网络技术发展........................8

1.7.2宽带网络与无线网络的研究与发展...........................8

1.7.3网络计算研究与应用的发展.................................9

第1章计算机网络概述

本章内容主要包括：

计算机网络的产生与发展、计算机网络的概念，计算机网络与其他相关系统之间的区别和联系、

计算机网络的分类、计算机网络的基本组成与基本结构等方面的内容。

1.1计算机网络的发展历程

1.1.1现代计算机发展历程

公元前5世纪，中国人发明了算盘，广泛应用于商业贸易中，算盘被认为是最早的计算机，并

一直使用至今。算盘在某些方面的运算能力要超过目前的计算机，算盘的方面体现了中国人民的智

慧。直到17世纪，计算设备才有了第二次重要的进步。1642年，法国人BlaisePascal(1623-1662)

发明了自动进位加法器，称为Pascalene«1694年，德国数学家GottfriedWilhemvonLeibniz

(1646-1716)改进了Pascaline,使之可以计算乘法。后来，法国人CharlesXavierThomasdeColmar

发明了可以进行四则运算的计算器。现代计算机的真正起源来自英国数学教授CharlesBabbage«

CharlesBabbage发现通常的计算设备中有许多错误，在剑桥学习时;他认为可以利用蒸汽机进行运

算。起先他设计差分机用于计算导航表，后来，他发现差分机只是专门用途的机器，于是放弃了原

来的研究，开始设计包含现代计算机基本组成部分的分析机。(AnalyticalEngine)Babbage的蒸汽动

力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用计算机的

基本功能部分，在概念上是一个突破。在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方面取得了重要

的进步，美国人HermanHollerith(1860-1929),根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带

入商业领域建立公司。

第一代电子管计算机(1946-1957)

1946年2月15日，标志现代计算机诞生的ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorandComputer)

在费城公诸于世。ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑，它通过不同部分之间的重新接线编程，

还拥有并行计算能力。ENIAC由美国政府和宾夕法尼亚大学合作开发,使用了18000个电子管,70000

个电阻器，有5百万个焊接点，耗电160千瓦，其运算速度为每秒5000次。第一代计算机的特点是

操作指令是为特定任务而编制的，每种机器有各自不同的机器语言，功能受到限制，速度也慢。另

一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓储存数据。

第二代晶体管计算机(1957-1964)

1948年，晶体管发明代替了体积庞大电子管，电子设备的体积不断减小。1956年，晶体管在计

算机中使用，晶体管和磁芯存储器导致了第二代计算机的产生.第二代计算机体积小、速度快、功

耗低、性能更稳定。1960年，出现了一些成功地用在商业领域、大学和政府部门的第二代计算机。

第二代计算机用晶体管代替电子管，还有现代计算机的一些部件:打印机、磁带、磁盘、内存、操

作系统等。计算机中存储的程序使得计算机有很好的适应性，可以更有效地用于商业用途。在这'

时期出现了更高级的COBOL和FORTRAN等语言，使计算机编程更容易。新的职业(程序员、分析

员和计算机系统专家)和整个软件产业由此诞生。

第三代集成电路计算机(1964-1972)

1958年德州仪器的工程师JackKilby发明了集成电路(IC),将三种电子元件结合到一片小小的

硅片上。更多的元件集成到单•的半导体芯片上，计算机变得更小，功耗更低，速度更快。这一时

期的发展还包括使用了操作系统，使得计算机在中心程序的控制协调下可以同时运行许多不同的程

序。

第四代大规模集成电路计算机(1972-现在)

大规模集成电路(LSI)可以在一个芯片上容纳几百个元件。到了80年代,超大规模集成电路(VLSI)

在芯片上容纳了几十万个元件，后来的(ULSI)将数字扩充到百万级。可以在硬币大小的芯片上容纳

如此数量的元件使得计算机的体积和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。70年代中期，计算

1

机制造商开始将计算机带给普通消费者，这时的小型机带有友好界面的软件包，供非专业人员使用

的程序和最受欢迎的字处理和电子表格程序。1981年，IBM推出个人计算机(PC)用于家庭、办公室

和学校。80年代个人计算机的竞争使得价格不断下跌，微机的拥有量不断增加，计算机继续缩小体

积。与IBMPC竞争的AppleMacintosh系列于1984年推出，Macintosh提供了友好的图形界面，用

户可以用鼠标方便地操作。

1.1.2计算机网络的发展历程

1.以单计算机为中心的联机系统阶段

一、近距离的单机联机系统

(1)多点通信线路:主机(兼顾通信和数据处理)和终端之间通过一条线路串接;

主机

终端

(2)终端集中器：利用终端集中器处理通信任务

终

端

集

主机中

器

(3)前端处理机：在(2)的基础上，还具有互相连接，并连接多个主机，有路由选择功能。

前

主机端

处

理

主机机

二、远程的单机网络系统

远

地

终

端

图1-1远程联机系统构成

联机终端网络系统，与多处理机网络相比较存在三个明显的不足：①.主机负荷较重，既要承担通信

工作，又要承担数据处理，主机效率低；②.远程终端通过专线与主机相连，通信线路的利用率低,

通信费用高：③.采用集中控制方式，可靠性较低。

图1-2为具有远程通信功能的多机系统的示意图。

2

线

远

,AZ..

路

主刖地

集

终

置中

端

机机器

远

主地

终

端

机

图1-2多机联机系统构成

具有远程通信功能的联机系统称为第一代网络。

HQST|

计

计

算

算

机

机

2.计算机互连系统阶段

计算机互连系统由通信子网和资源子网构成。通信子网和资源子网组成了统一的资源共享的计

算机网络系统。这种具有两层逻辑结构的计算机一计算机网络称为第二代网络。

3.体系结构标准化阶段

为了实现各类网络的互联、适应更大范围的资源共享、促进网络的开放性及标准化程度，国际

标准化组织（ISO）于70年代后期开始制定一系列国际标准，并于1981年正式公布了“开放系统互

连参考模型”（0SI—OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel）,从而确立了计算机

网络的体系结构。按照标准化的体系结构建立的计算机网络称为第三代网络。

4.Internet网络

ARPANET------------►NFSNET------------►Internet------------►Internet2

1、ARPANET

60年代中期（冷战），传统的电路交换电话网络太脆弱，并且1957年前苏联发射了人造卫星，

美国国防部急忙指派给他的研究部门ARPA设计一个坚固的网络，于是联系公司和大学，开发出了

ARPANET网络（分组交换网络，由子网和主机组成），其间产生了TCP/IP模型和协议，到了1983

3

年ARPA把管理权交给了国防部通信局DCA,DCA立即把军事部分分为一个单独的子网，即

MILNETo随着网络的发展，寻找主机的开销太大，因此产生域名系统DNS,到了1990年，ARPANET

被它自己派生出来的新网络代替了。

2、NSFNET

70年代末期，美国国家科学基金会注意到ARPANET在大学科研上的巨大影响，但是当时要连

上ARPANET,各大学必须和国防部签有研究合同，于是NSF开发了一个虚拟网络CSNET（拨号

入网，发送电子邮件），随后NSF直接使用了TCP/IP,连接了当时的六大超级计算机中心，资助了

数以千计的大学、实验室、图书馆等部门，建立了第一个TCP/IPWAN,被称为NSFNET。

3、Internet

随着ARPANET和NSFNET的发展，当两者互联以后，其它国家和地区的网络开始加入，如加

拿大、欧洲和太平洋地区），到了80年代中期，人们把互联的网络集看成互联网，后来就成了因特

网。由于规模的不断扩大，以前运行因特网的非正常方式再也行不通了。在1992年1月，成立了因

特网协会，以推动因特网的使用，90年代中期，产生了一个全新的运用——万维网WWW。

4、Internet2

Internet的商业化造成了网络通信量的剧增，这也导致了网络性能的急剧下降。在这种情况下，

一些大学申请了国家科学基金，成立了高级Internet开发大学合作组（UCAID）,并于1996年10月

以Internet2的形式付诸实现。目前，Internet2的数据传输率可达lOGbps。

1.2计算机网络的定义

1.2.1计算机网络的定义

将分布在不同地理位置上的具有独立功能的计算机及其外部设备，通过通信线路和设备连接起

来，按照某种事先约定的规则（通信协议）进行信息交换，以实现资源共享的系统称为计算机网络。

1.2.2计算机网络的构成要素

1.共享能力

共享能力反映出网络系统所提供的服务能力，主要包括：文件服务、打印服务、消息服务、应用

服务、数据库服务等。

2.联系通道

即传输媒介，是实现计算机间及其各种设备间互连的介质，是信息传输的通路，这条传输通路可以

是有线的，也可以是无线的。

3.通信规则

即通信协议。通信协议一般与网络的特性、结构、所提供的服务类型等有关，主要涉及介质的连接

方式、信息的组织、传输、控制、检错等定义。

1.2.3几种类计算机网络系统

1.终端分时系统：终端不具备单独的数据处理能力，依靠分时系统分享主机资源。

特性分时系统计算机网络

资源共享性集中、分享分散、共享

数据处理并行性分时同时

2.多机系统

（1）数据流机器：利用多个功能单元为同一程序服务的高度并行计算机系统:

（2）多机系统：在距离短、速度快的总线上进行通信的计算机系统；

处理机间距离处理机安装的范围系统类型

0.1m同一电路板数据流机器

1m同一系统多计算机

10m同一房间

局域网

100m同一建筑

4

1km同一园区

10km同一城市城域网

100km同一国家

广域网

1000km同一洲内

10000km同一行星上互联网

3.分布式系统：在分布式计算机操作系统支持下资源分散共享、数据并行处理、通信透明集成的类

计算机网络系统。

1.3计算机网络的功能

（1）信息通信

（2）共享资源

（3）提高可靠性和可扩充性

（4）促进分布式数据处理和分布式数据库的发展

1.4计算机网络系统的组成

1.4.1网络软件

重点在于实现网络特有功能的软件。

1、网络操作系统：在单机操作系统的基础匕还具有管理网络相关硬件和软件资源以及设备间进行

通信的软件。

（1）网络操作系统的类型：

①集中式：多个主机一终端单元之间主机进行连接的网络，如UNIX；

②客户机/服务器模式：利用高性能计算机作为主机的网络，如WindowsNT;

③对等式：连接的所有计算机地位平等的网络。

简单网络连接：计算机之间仅需提供简单的通信和资源共享的工作组性网络，如Windows95/98/Me

分布式系统：利用分布式操作系统管理和控制的网络，无实例。

（2）网络操作系统的基本服务：

①应用服务器；②视频/音频服务器；③聊天服务器；④传真服务器；⑤群件服务器；⑥邮件服务器;

⑦代理服务器；⑧终端仿真服务器：⑨万维网服务器；⑩列表服务器：。因特网中继聊天服务器。

（3）网络操作系统的特征：

①硬件无关性：②广域网连接：③支持不同类型的客户端；④目录服务；⑤多用户、多任务支持；

⑥网络管理；⑦安全性和存取控制；⑧系统容错能力；⑨互操作性。

2、网络协议和通信软件：实现网络工作站之间通信的软件，通常嵌于网络操作系统中，如TCP/IP

协议。

3、网络管理：对网络资源进行监控管理、对网络进行维护的软件，如天网等。

4、网络应用软件：为用户提供便于操作的网络服务功能的软件。

1.4.2网络系统的组成

1、组成单元：通信子网（面向通信控制和通信处理）和资源子网（拥有资源的主机和终端）；

2、组成元素：网络节点（端节点——通信的源和目的节点（如用户主机和终端）和转节点——网络

通信过程中起控制和转发信息作用的节点（如交换机、集中器、接口信息处理机等））和通信链路（传

输信息的通道（如电话线、同轴电缆、双绞线、光纤、无线电线路等）。

1.5计算机网络的分类

对计算机网络进行分类，目的在于加深对网络特性的全面理解。从不同的角度观察网络系统，

可有不同的划分方法。

1.按规模划分

（1）广域网WAN（WideAreaNetwork）

（2）局域网LAN（LocalAreaNetwork）

5

有时，在WAN和LAN之间又划分出城域网MAN(MetroplitanAreaNetwork),其规模界于二者之间,

运行方式与LAN相似。

2.按逻辑划分

(1)资源子网

(2)通信子网

3.按拓扑结构划分

(a)总线结构(b)环型结构(c)星型结构

图1-4三种典型的拓扑结构

通信子网中传输介质与各转发节点的物理连接结构及互连模式称为子网的拓扑结构。常见的拓

扑结构主要有总线型、环型和星型三种基本结构，如图1-4所示。

除上述三种基本结构外，还可有树型结构、网状结构、全连接结构以及不规则结构等种种变形

结构。

(1)星形：星形拓扑是由中央结点和通过点到点链路接到中央结点的各站点组成。

星形拓扑的优点：

1.配置方便

2.每个连接点只接一个设备单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。

3.集中控制和故障诊断容易检测和隔离故障，可方便地将有故障的结点从系统中删除。

4.简单的访问协议

星形拓扑的缺点：

1.电缆长度和安装：这种拓扑结构需要大量电缆，增加的费用相当可观。

2.扩展困难：在初始安装时，可能要放置大量冗余的电缆，以配置更多的连接点。

3.依赖于中央结点：中央结点产生故障，则全网不能工作

(2)总线拓扑

总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质，所有站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输

介质上，或称总线上。任何•个站点发送的信号都可以沿着介质双向传播，而且能被其他所有站接

收(广播方式)。

总线拓扑的优点：

L电缆长度短，容易布线

2.可靠性高

3.易于扩充

总线拓扑的缺点：

1.故障诊断困难

2.故障隔离困难

3.中继器配置

4.站点必须是智能的

(3)环形：这种拓扑的网络由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成•个闭合环。每个中继器

都与两条链路相连。这种链路是单向的，数据在•个方向上围绕着环进行循环。

环形拓扑的优点：

1.电缆长度短

2.无需接线盒

3.可用光纤

6

环形网是点到点、一个结点一个结点的连接，可以在网上的不同段使用各种传输介质。

环形拓扑的缺点：

1.一个结点故障会引起全网故障

2.诊断故障困难

3.不易重新配置网络

4.拓扑结构影响访问协议

*网络拓扑的选择

选择拓扑结构时，应考虑以下几点：

1.费用低

最理想的情况是建楼的同时进行安装，并考虑今后扩展的要求。

2.灵活性

要考虑到设备搬动时，能容易地重新配置网络拓扑。

3.可靠性

拓扑的选择要使故障检测和故障隔离较为方便。

4.按通信传播方式划分

(1)广播网

(2)点一点网

5.按网络工作模式划分

(1)对等网络(PeertoPeer)

(2)文件服务器网

(3)客户机/服务器网(Client/Server)

6.按数据的组织方式划分

(1)分布式网络

(2)集中式网络

较理想的网络系统一般综合采用上述两种方法。

7.按信号传输速率分类

(1)低速网(300Kb/s—1.4Mb/s)如猫一电话线上网方式:

(2)中速网(1.5Mb/s—45Mb/s)如传统的数字式公用数据网；

(3)高速网(50Mb/s—lOOOMb/s)如IOOM(1000M)局域网。

(4)超高速网(lOOOMb/s以上)如lOOOM(lOOOOM)超高速局域网。

8.按数据交换方式划分

(1)直接交换网

(2)存储转发网

(3)混合交换网

9.按信息容量划分

(1)基带网络：信源(信息源，也称发终端)发出的没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始

电信号，说的通俗•点,基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波

就是基带信号。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。

(2)窄带网络：将网络接入速度为64Kbps及其以下的网络接入方式称为“窄带”，相对于宽带而

言窄带的缺点是接入速度慢传输速率低，很多互联网应用无法在窄带环境下进行，如在线电影，网

络游戏，高清晰的视频及语音聊天等。

(3)宽带网络：宽带是指比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱。

10.按通信介质分类

(1)有线网；

(2)无线网；

11.按信用范围分类

7

(1)公用网；

(2)专用网；

12.按网络环境分类

(1)部门网络；

(2)企业网络；

(3)校园网络。

1.6计算机网络的应用

1.企业信息化；

2.电子商务；

3.信息的发布与检索；

4.个人通信；

5.家庭娱乐；

6」nternet(因特网)和Intranet(企业内部网)。

1.7计算机网络的研究与发展

1.7.1Internet的应用与高速网络技术发展

1、Internet高速发展

Internet不仅是一种资源共享、数据通信和信息查询的手段，还逐渐成为人们了解世界、讨论

问题、购物休闲，乃至从事学术研究、商贸活动、教育，甚至是政治、军事活动的重要领域。

2、信息高速公路建设

世界经济的发展推动着信息产业的发展，信息技术与网络应用己成为衡量21世纪综合国力与企

业竞争力的重要标准。1993年9月，美国公布国家信息基础设施(NationalInformation

Infrastructure,NII)建设计划，NH被形象地称为信息高速公路。1995年2月，全球信息基础设

施委员会(GlobalInformationInfrastructureCommittee,GIIC)成立，目的是推动与协调各国

信息技术与信息服务的发展与应用。全球信息化的发展趋势已经不可逆转。

3^基于Web技术的Internet应用的高速发展

Web技术的出现，使Internet变为一种广泛使用的信息交互工具，已广泛应用于电子商务、远

程医疗与信息服务等领域。典型的技术：邮件、搜索引擎、P2P、播客(podcast)、博客(blog)、

维客(wiki)、即时通信、网络电视等。

4、网络安全技术的发展

为了有效地保护金融、贸易等商业秘密，保护政府机要信息与个人隐私，网络与信息安全的研

究一直成为研究、应用和产'业发展的重点问题。

1.7.2宽带网络与无线网络的研究与发展

1、宽带城域网技术的研究与发展

如果将国家级大型主干网比作是国家级公路，各个城市和地区的高速城域网比作是地区级公路,

接入网就相当于最终把家庭、机关、企业用户接到地区级公路的道路。目前，可以作为用户接入的

网络主要有3类：计算机网络、电信通信与广播电视网。从技术的角度来看，Internet的用户接入

方式主要分为五类：地面有线通信系统、无线通信和移动通信网、卫星通信网、有线电视网和地面

广播电视网。

“最后一公里”问题：将家庭、机关、企业的计算机接入地区主干网的问题称为信息高速公路

的''最后一公路”问题。

2、光网络技术的研究与发展

如果把传输介质的发展作为传输网络的划代标准，第一代传输网络以铜缆与形成线射频为主，

在发展过程中必然无法逾越带宽的瓶颈问题；第二代传输网络在主干线路使用光纤，发挥光纤的高

带宽、低误码率、抗干扰能力强等优点，但是交换结点(例如路由器)的电信号与光信号转换仍然

8

是带宽的瓶颈；第三代全光网将以光结点取代现有网络的电结点，并使用光纤将光结点互连成网，

利用光波完成信号的传输、交换等功能，以此来克服现有网络在传输和交换时的瓶颈，减少信息传

输的加塞和提高网络的吞吐量。

1.7.3网络计算研究与应用的发展

1、网络计算的基本概念

“网络计算”：网络将被视为最强有力的超级计算环境，它包含丰富的计算、数据、存储、传输

等各类资源，用户可以在任何地方登录，处理以前不能完成的问题。

2、移动网络计算的研究与应用

(1)移动网络计算的基本概念

移动网络计算是当前网络领域中一个重要的研究课题，它将计算机网络和移动通信技术相结，

为用户提供移动的计算环境和新的计算模式，其作用是在任何时间都能及时准确地将有用信息提供

给任何位置的用户。

移动计算包括移动计算网络和移动Internet两种类型。移动计算网络是指主机或局域网可以在

网络中漫游，它支持通话、高速数据与视频的多媒体业务，是实现个人通信的重要途径。移动

Internet是指基于Internet的移动计算网络，它是目前移动计算领域中的研究热点。支持移动计

算的无线网络技术包括无线局域网与无线城域网。

(2)宽带无线接入技术与IEEE802.16标准

2002年IEEE802委员会成立的一个专门负责研究宽带无线网络标准的工作组公布了宽带无线网

络IEEE802.16标准。该标准又称为无线城域网(wirelessMAN,WMAN)标准。按标准建立的无线网

络覆盖一个城市或城市的部分区域，它需要在一些建筑上建立基站，基站之间采用全双工、宽带通

信方式工作，可以提供2—155Mbps的带宽。

无线接入技术可以分移动接入和固定接入两大类。移动无线接网包括移动电话网、无线寻呼网、

集群电话网、卫星移动通信网和个人通信网等，是当今通信行业中最活跃的领域之一。固定无线接

入是指从交换结点到固定用户终端采用无线接入方式，它实际是有线接入方式的延伸。

(3)无线局域网与IEEE802.11标准

1990年，IEEE802委员会决定成立IEEE802.11工作组，专门研究无线局域网(wirelessLAN,

WLAN)的标准，无线局域网以微波、激光与红外线等无线电波作为传输介质，部分或全部代替传统

同域网中的同轴电缆、双绞线与光纤，实现移动计算网络中移动结点的物理层与数据链路层功能。

目前，支持2Mbps传输速率的系统已经成熟，速率为40—80Mbps的系统在研究中。

(4)蓝牙技术与IEEE802.15标准

所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种基于几米范围内的个人操作空间(personal

operatingspace,POS)设备连网需求的短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化

掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这

些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加

迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及

点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为1Mbpso

采用时分双工传输方案实现全双工传输。

蓝牙，这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王HaraldBlatand,Blatand在英文里的意思可

以被解释为Bluetooth(蓝牙)，因为国王喜欢吃蓝梅，牙龈每天都是蓝色的所以叫蓝牙。

(5)Adhoc网络与无线传感器网络、无线网格网

Adhoc网络是一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络，又称为移动Adhoc网络(mobile

Adhocnetwork,MANET)，它是在无线分组网络PRNET的基础上发展起来的。它的发展趋势有两个

方向：一是向军事特定行业发展和应用的无线传感器网络(wirelesssensornetwork,WSN)；二是

向民用的接入网领域发展的无线网格网(wirelessmeshnetwork,WMN)技术。

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无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的、廉价的微型传感器结点组成，通过无线通信方

式形成的一个多跳的、自组织的Adhoc网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感

知对象的信息并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成传感网络的3个要素。

3、多媒体网络的研究与应用

(1)多媒体网络的基本概念

典型的网络多媒体系统有：网络视频会议系统、分布式多媒体交互仿真系统、远程教学系统与

远程医疗系统。通过网络和多媒体技术的结合，参与者与计算机组成一个统一的虚拟环境。在网络

多媒体系统所提供的虚拟空间中，多台计算机和用户通过网络构成•个分布式交互仿真环境，各个

仿真结点通过网络传送音频、视频与文字，使用户感觉仿佛处于一个共同的虚拟环境中。根据网络

多媒体应用系统的互联方式，可以把它分为四种基本结构：一对一系统、一对多系统、多对一系统

和多对多系统。

(2)多媒体网络多用对数据通信的要求

①高传输带宽要求

分辩率为640X480的彩色图像(每个像素用24bit表示)，其数据量为737Mbit,如果以每一

秒25帧的速度动态显示，则需要的通信带宽约为184Mbps(640X480X24X25)。这样的通信带宽

是很难实现的，减小带宽的主要方法是采用压缩技术。常用的压缩标准有ITU-T的H.26UH.263

和ISO的MPEG等。

②不同类型的数据对传输的要求不同

多媒体通信包含有对多种类型媒体数据的处理和传输，不同类型的数据对于通信网络的性能和

服务有不同要求。例如：语音数据传输对实时性要求较高，对通信带宽的要求则不是很高，64Kpbs

的传输速率已足够；高质量的视频通信对实时性和带宽的要求都很高。多媒体对误码率的要求也不

相同。压缩后的数据分为关键帧和非关键帧。非关键帧的误码只会导致质量下降，而关键帧的误码

是不能容忍的。

③网络中的多媒体流传输的连续性与实时性要求

网络中的多媒体传输一般是连续、实时的传输，例如动画或影像等。编码技术可以使多媒体内

容边下边看。

④网络中多媒体数据传输的低时延要求

例如，网络电话中的语音延时超过150ms,就会感到相互通信困难。语音传输最大可接受的延

时为250ms,而分组的到达延时抖动不能大于100ms,否则就会感到语音不连续。

⑤网络中的多媒体传输同步要求

多媒体通信与传统通信方式的根本不同在于：它要求在传输过程中保持多媒体数据之间在时序

上的同步约束关系。同步性主要包括两个方面：一是指单一时间内相关数据之间的时间关系，例如

音频流的各个分组的连续等时性：二是指有时空约束关系的数据之间的时间关系，例如必须严格保

持音频与视频的同步。这种同步性的问题也是多媒体通信中的关键问题之一。

⑥网络中的多媒体多方参与通信的特点

对于大多数多媒体应用来说，通常要求多个用户之间同时进行多种信息的交流。例如，视频会

议、视频点播等。

(3)传统网络对多媒体应用的不适应及解决的思路

①增大带宽

增大带宽可以从路由器性能和传输介质带宽两个方面着手。

②改进协议

1)改进协议最直接有效的方法是支持IP多播通信。

2)支持多媒体网络Qos的协议之一是资源预留协议(resourcereservationprotocol,RSVP)。

3)区分服务DiffServ是根据每种服务来进行控制。

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4)多协议标识交换(multi-protocollabelswitching,MPLS)技术的提出是为了更好地将IP协

议与ATM高速交换技术相结合，以实现IP分组的快速交换。

4、网络并行计算的研究与应用

(1)网络并行计算机的基本概念

并行计算是高性能计算的关键技术，•直是计算机界高度重视的重要研究领域。从互联结构上

来看，并行计算机可以分为紧耦合和松耦合两种方式.早期通常采用紧耦合方式，即由多路开关连

接多个微处理器构成阵列机或向量机。松耦合方式是指由多个高性能计算机通过高速专用网络互联

形成虚拟工作组，或利用网络中已有的各类资源形成的高性能协同计算工作环境，来解决许多中、

大型的复杂计算问题，用户可以把它作为单一的计算环境来使用。

(2)网格计算

网格计算(gridcomputing)的目标是将Internet上一些计算资源、数据源和其他设备等互连,

形成一个大的可相互利用、合作的高性能计算网，用户可以像登录一台超级巨型机一样使用它。网

格可以分为两种类型：计算型网格和访问型网格。计算型网格可以提供无限制的计算能力和数据资

源。访问型网格通过一组协同环境向用户提供资源和服务，用户可以通过浏览器等方式来访问网格。

网格计算的应用主要包括：桌面超级计算、智能设备、协同环境与分布式并行计算。桌面超级计算

可以将普通用户和超级计算中心、大型数据库连接，用户可以不受距离限制使用这些计算能力。智

能设备可以连接大量的、分布的、远程的智能设备(例如显微镜、望远镜、传感器、卫星设备等)

进行实时处理和远程操作等。协同环境可以连接多个虚拟环境使不同位置的用户能进行交互和仿真。

分布式并行计算可以使多个异构计算机协同解决单机难以完成的任务，将不同性质的任务调度到最

合适的计算机结构中运行。

5、存储区域网络的研究与应用

(1)存储区域网络的基本概念

从某种意义上来说，网络数据的存储是知识积累的一种重要方式，同时从技术上直接促进网络

存储技术和服务的发展。数据存储量的剧增和对数据管理的要求导致新型存储技术的出现，其中的

典型是存储区域网络(storageareanetwork,SAN)和网络连接存储(networkattachedstorage,

NAS)o

(2)存储区域网与存储服务提供商

一台网络服务器在存储容量和数据处理流量方面(依赖于I/O设备的处理能力)的能力是有限

的，已不能适应Internet的S速发展，解决的办法就是建立存储区域网，以及出现存储服务提供商

(storageservicesprovider,SSP)«SSP可以为各种网络信息系统与网站提供数据存储服务，包

括磁盘存储、文件系统管理、备份和恢复，以及远程镜像等功能，甚至服务于个人。

作业：

1、教材第一章习题1。

2、教材第一章习题2。

11

第2章数据通信技术

2.1模拟数据与数字数据

2.1.1信息、数据和信号

1、信息(Information)：物质存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的一种普遍属性，一般指

数据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。

2、数据(Data)：是对客观事物的符号表示，是用于表示客观事物的未经加工的原始素材，如图形符

号、数字、字母等。或者说，数据是通过物理观察得来的事实和概念，是关于现实世界中的地方、

事件、其他对象或概念的描述。在计算机科学中是指所有能输入到计算机并被计算机程序处理的符

号的介质的总称。

3、信号(Signal)：信号是运载消息的工具，是消息的载体。从广义上讲，它包含光信号、声信号

和电信号等。例如，古代人利用点燃烽火台而产生的滚滚狼烟，向远方军队传递敌人入侵的消息，

这属于光信号；当我们说话时，声波传递到他人的耳朵，使他人了解我们的意图，这属于声信号；

遨游太空的各种无线电波、四通八达的电话网中的电流等，都可以用来向远方表达各种消息，这属

电信号。人们通过对光、声、电信号进行接收，才知道对方要表达的消息。

2.1.2模拟数据和数字数据

表达数据的方式和承载数据的媒体是紧密相关的，不同的媒体能够表达数据的方式是有限的。

模拟数据和数字数据是表达数据的两种方式。当数据采用电信号方式表达时，由于受电物理特性所

限，数据只能被表示成离散的编码和连续载波两种形式。

反映非连续信息、以离散值表示的数据称为数字数据。如姓名、学号等o

反映连续信息、以连续值表示的数据称为模拟数据。如语音数据等。

2.1.3模拟信号和数字信号

信号是数据的电编码或电磁编码，又可分为模拟信号和数字信号两类。其中：

模拟信号是连续变化的电磁波，常以正弦波表示

数字信号是一串电压脉冲序列，常以矩形波表示

如模拟信号数字信号

在一定技术措施下，两种信号可以相互转换。

2.2数据通信

2.2.1通信系统

用来实现通信过程的系统被称为通信系统。通信系统必须具备三个基本要素：信源、传输媒体和信

宿。

通信系统中，除信源、通信媒体和信宿三个基本要素外，通常还需要有信号变换设备、信号复原设

备等，如图2-1所示。

图2-1通信系统基本模型

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通信系统需要完成的主要任务

•传输利用率：信道的有效传输率

•接口：各种设备之间的连接端口

•同步：数据帧的起止标识及比特宽度

•交换管理：各个中间节点之间的交换管理

•差错管理：系统应当具备的差错检测、差错恢复等控制、管理功能

•寻址和路由：确定数据信号传输路径和方法的过程

•系统恢复：对系统因某些故障引发的系统中断进行恢复处理

•格式转换：为适应信源、信宿以及中间节点对数据格式的不同表示所进行的格式一致性转换

•安全：为保证数据的正确、完整和无泄漏传输所提供的安全策略

•管理：包括对系统进行的各项管理

2.2.2数据通信

1.数据通信的特点

•数据通信是实现计算机和计算机之间以及人和计算机之间的通信。

•数据通信中，信息量具有突发性，并且不同业务通信流量及持续时间差异性也较大。

•数据通信的“用户”所采用的计算机和终端等设备多种多样，它们在通信速率、编码格式、同步方

式和通信规程等方面都有很大的差别。

•数据通信的数据传输速率要求高，要求连接和传输响应快。

2.传输线路、传输信道、数据电路和数据链路

传输线路、传输信道、数据电路和数据链路是四个不同的概念。

・传输线路：用于传输数据信号所使用的具体物理线路

・传输信道：传输线路中的传递信号的通道

•数据电路：由收发双方间的传输信道及其转换、交换设备构成的数据传输路径

•数据链路：在数据电路的基础上增加通信/传输控制器，并按一定的规程进行数据交换的逻辑链路

3.数据通信系统的基本模型

DTEDCEDCEDTE

或

或

计

计

数

终

输

算

算

输数

据

设传端设传

入

机

机

入

电

输据设输

输

系

系

输信道

路

控电备控

出

统

统备制路备制

i-1-l

多：（DataJTermi|LLUuipkent）是数据终端各类十

备构成,主要功能是兜成数据的输溜酒理数就处理、-数据存储以及通信控制等。DCE（Data

Circuit-tdlninatingEquipment）为数据电鬻数牖鞍备,位于数据电路的端点，叫作用是在信道特性和

传输质量的基础上实现正确的数据传输，并实现收发端的传输同步。如在模拟信道中常见的调制解

调器Modem,在数字信道中可以是路由器、交换机端口等。

2.2.3数据电路连接方式与数据通信过程

在数据通信系统中，各数据站（由DTE和TCE组成）之间通过数据电路实现连接，常见的连接方

式主要有三种：

•点对点连接（见图2-2）

•点对多点线路连接（见图2-3）

•多点对多点复用连接（见图2-4）

图2-2点时点连接

专用线路

集SIso

SO中

器

SI

13

图2-3（a）点-多点集中式连接图2-3（b）点—多点专线连接

S10

复

复Si

用

用

器

器

Sin

4.数据通信过程

数据通信通常被划分为五个基本阶段，每个阶段包括一组操作，这样的一组操作就称为通信功

能。数据通信的五个基本阶段对应五个主要的通信功能。

第一阶段：建立通信线路

第二阶段：建立数据传输链路

第三阶段：传送通信控制信号和数据。

第四阶段：数据传输结束。

第五阶段：释放物理链接通道。

2.2.4常用术语

1、模拟传输与数字传输：传输的信号是模拟信号就是模拟传输；传输的信号是数字信号就是数

字传输。

2、信道容量与信道传输速率

信道上能够传送信息的最大能力称为信道容量。若信道上传输的是数字信号，则以每秒可以传

输的比特位作为信道传输率Sp的度量，记为bps（bitpersecond）或b/s,它等于传送Ibit所需时

间耳的倒数,即Sp=l/Tb，称为比特率。

若信道上传输的是模拟信号，则信道可以通过的最大频率范围称为信道带宽，单位为赫（Hz）。

①码元速率（RB）：又称为信息速率，指每秒传送的码元数，单位为波特，也称波特率。

②信息速率（&）：指每秒传送的信息量。单位为b/s。其速度取决于编码方法和信号频率。

对M进制信号，信息速率和码元速率两者的关系是：

Rb=RBlog2M（注：每个信号可以运载几比特）

③消息速率（Rm）：指单位时间内所传送消息的数量。通常单位是字符/秒。

④信道的最大传输速率

1）无噪声信道（理想信道）

尼奎斯特定理：C=2Wlog2M

C一信道容量或传输速率，W—信道带宽，M一信号或电平的个数。

例：一个无噪声的3kHz的信道不能以高于6000b/s的速率传输二进制信号。

2）有噪声信道

香农公式