計算機網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用-講義全

..計算機網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用課程定位掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的基本原理基本理論〔計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、局域網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)安全、下一代因特網(wǎng)等學(xué)會組建局域網(wǎng)、Internet接入的方法與步驟學(xué)會使用計算機網(wǎng)絡(luò)進行工作和學(xué)習(xí)參考書目計算機網(wǎng)絡(luò)<第4版><中文版>-潘愛民譯－清華大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)<第4版>－謝希仁－電子工業(yè)出版社計算機網(wǎng)絡(luò)<第4版>－謝希仁－XX理工大學(xué)出版社計算機網(wǎng)絡(luò)<第5版>－謝希仁－電子工業(yè)出版社數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)<第2版>－高傳善等－高教出版社計算機網(wǎng)絡(luò)〔第二版－馮博琴－高教出版社計算機網(wǎng)絡(luò)教程<第4版>－吳功宜－清華大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)〔第2版－吳功宜－清華大學(xué)TCP/IP路由技術(shù)<第一卷><第二版>－葛建立等譯－人民郵電出版社計算機網(wǎng)絡(luò)實驗教程－錢德沛－高教出版社計算機網(wǎng)絡(luò)工程－張衛(wèi)等－清華大學(xué)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)－黃?。袊F道出版社第一章計算機網(wǎng)絡(luò)概述1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生與發(fā)展計算機網(wǎng)絡(luò)源于計算機與通信技術(shù)的結(jié)合,始于20世紀50年代。它的形成和發(fā)展大致分為四個階段以單計算機為中心的聯(lián)機終端系統(tǒng)〔20世紀60年代中期以前以通信子網(wǎng)為中心的主機互連〔20世紀60年代中期到70年代中期體系結(jié)構(gòu)標準化網(wǎng)絡(luò)〔20世紀70年代中期到90年代初期Internet時代<20世紀90年代至今>未來的發(fā)展趨勢：三網(wǎng)合一以單機為中心的聯(lián)機系統(tǒng)分時多用戶系統(tǒng)〔大型機<50年代末期>多個用戶利用多臺終端共享單臺計算機的資源遠程訪問系統(tǒng)：利用通信線路將遠程終端連至主機以通信子網(wǎng)為中心的主機互連多個終端聯(lián)機系統(tǒng)互聯(lián),形成了多主機互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從"主機－終端"轉(zhuǎn)變?yōu)?主機－主機"主機－主機網(wǎng)絡(luò)的演變演變階段1通信任務(wù)從主機中分離,由通信控制處理機〔CCP完成CCP：處理主機之間通信任務(wù)的專用計算機由CCP組成的傳輸網(wǎng)絡(luò)——通信子網(wǎng),提供信息傳輸服務(wù)建立在通信子網(wǎng)基礎(chǔ)上的主機集合——資源子網(wǎng),提供計算資源在通信子網(wǎng)上可有多個資源子網(wǎng),共享通信子網(wǎng)的服務(wù)演變階段2通信子網(wǎng)規(guī)模逐漸擴大私有→社會公用公用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)PSTNX.25優(yōu)點降低用戶系統(tǒng)建設(shè)成本提高通信線路利用率兼容性好體系結(jié)構(gòu)標準化網(wǎng)絡(luò)采用分層思想、標準化方法,以理論指導(dǎo)實踐廠商標準：IBM-SNA<1974>,DEC-DNA等國際標準：ISO的OSI/RM<始于1977年>未能取得成功,但作用顯著事實的工業(yè)標準：TCP/IP體系結(jié)構(gòu)因特網(wǎng)的骨干協(xié)議IEEE802標準<1980年2月>一系列局域網(wǎng)標準出臺促進了局域網(wǎng)的高速發(fā)展Internet時代20世紀80年代開始,Internet網(wǎng)成為最引人注目發(fā)展最快的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1994年以來,Internet的商業(yè)化運作推動了Internet的普及。Internet起源于美國的ARPANET網(wǎng)。1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的概念最簡單的定義1<謝希仁>計算機網(wǎng)絡(luò)是一些互相連接的、自治的計算機的集合。最簡單的定義2<AndrewS.Tanenbaum>由大量的獨立的、但相互連接起來的一組自主計算機來共同完成計算任務(wù)的系統(tǒng)。通過同一種技術(shù)相互連接起來的一組自主計算機的集合。計算機網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)分布式系統(tǒng)是建立在網(wǎng)絡(luò)之上的軟件系統(tǒng)。具有高度的聚性和透明性。<AndrewS.Tanenbaum>分布式系統(tǒng)是在計算機操作系統(tǒng)支持下進行的分布式數(shù)據(jù)庫處理和各計算機之間的并行計算工作,它是在計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上為用戶提供透明的集成應(yīng)用環(huán)境。<馮博琴>1.3計算機網(wǎng)絡(luò)的分類按地理范圍分局域網(wǎng)<LocalAreaNetwork,LAN>局域網(wǎng)地理覆蓋范圍較小<1－5km>,如：房間、大樓、校園。數(shù)據(jù)傳輸速率較高<10Mbps以上>,延遲小。以太網(wǎng)的速率為、100Mbps、1Gbps甚至10Gbps。傳輸距離短,具有較高的可靠性。支持多種傳輸介質(zhì),如同軸電纜、雙絞線、光纜、無線電波及紅外線等。支持簡單的點對點或多點通信,允許低速或高速的外部設(shè)備和不同廠家的微機接入網(wǎng)絡(luò)中。城域網(wǎng)<MetropolitanAreaNetwork,MAN>城域網(wǎng)范圍較大,通常可覆蓋一個或幾個城市,其內(nèi)一般包含若干局域網(wǎng)。分布距離一般為5到50km數(shù)據(jù)傳輸速率一般在幾十Kbps到100Mbps通信線路通常采用光纖或租用專線目前很多城域網(wǎng)采用的是以太網(wǎng)技術(shù),有時也將其并入局域網(wǎng)的范圍內(nèi)進行討論。廣域網(wǎng)〔WideAreaNetwork,WAN>廣域網(wǎng)是指實現(xiàn)計算機遠距離<幾十到幾百公里>連接的網(wǎng)絡(luò),通常是指國家的計算機網(wǎng)絡(luò)。各結(jié)點之間的連接一般是使用高速鏈路,具有較大的通信容量。通信線路通常采用光纖或租用專線。信息傳輸一般采用點對點通信技術(shù),而不采用廣播。整個網(wǎng)絡(luò)是一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。具有明顯的資源子網(wǎng)與通信子網(wǎng)的界定?；ヂ?lián)網(wǎng)<internet>將不同的物理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按某種協(xié)議統(tǒng)一起來而形成的一種高層技術(shù)。它通過某種高層協(xié)議把廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)、廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)、局域網(wǎng)與局域網(wǎng)互聯(lián)起來,形成局部處理與遠程處理、有限地域范圍資源共享與廣大地域范圍資源共享相結(jié)合的互聯(lián)網(wǎng),所以又稱"網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)"。世界上最大也是發(fā)展最快的因特網(wǎng)<Internet>是互聯(lián)網(wǎng)一個典型實例。個人區(qū)域網(wǎng)PAN<PersonalAreaNetwork>在個人工作的地方把屬于個人使用的電子設(shè)備用無線技術(shù)<如藍牙>連接起來的網(wǎng)絡(luò),也稱無線個人區(qū)域網(wǎng)<WirelessPAN>。范圍一般在10m左右。按拓撲結(jié)構(gòu)分從拓撲學(xué)來看網(wǎng)絡(luò)可以看成是由若干結(jié)點<node>和連接這些結(jié)點的鏈路<link>組成的幾何圖形。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點可以是計算機、集線器、交換機和路由器等。鏈路是兩結(jié)點之間的連線。代表是各類傳輸介質(zhì)。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分為兩個方面從物理連接形式考察,稱為物理拓撲結(jié)構(gòu);從內(nèi)部信號流動方式考察,稱為邏輯拓撲結(jié)構(gòu)。一般所講的拓撲結(jié)構(gòu)指的是物理拓撲結(jié)構(gòu)。物理拓撲結(jié)構(gòu)：指網(wǎng)絡(luò)中各結(jié)點的相互連接的方法和形式?？偩€型<Bus>通過一條公共線路把各個節(jié)點連接起來,無中心節(jié)點,信息發(fā)送是廣播式的?？偩€兩端需安裝端接器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、易于擴充、可靠性高缺點：傳輸距離有限、故障診斷與排除困難,不具有實時功能。站點必須是智能的,要有媒體訪問控制功能。所有節(jié)點掛接到一條總線上,廣播式通信總線上任何一個節(jié)點發(fā)出的信息都沿著總線傳輸,而其他節(jié)點都能接收到該信息,但在同一時間內(nèi),只允許一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。由于總線作為公共傳輸介質(zhì)為多個節(jié)點共享,就有可能出現(xiàn)同一時刻有兩個或兩個以上節(jié)點利用總線發(fā)送數(shù)據(jù)的情況,因此會出現(xiàn)"沖突"解決多個節(jié)點訪問總線的介質(zhì)訪問控制問題,可采用分布式控制,也可采用集中式控制。環(huán)型<Ring>環(huán)形結(jié)構(gòu)的所有節(jié)點連接形成一個封閉的環(huán)。結(jié)點之間為點對點通信。使用環(huán)接口〔轉(zhuǎn)發(fā)器將站接入到環(huán)網(wǎng)中。信號在環(huán)上以固定的方向的傳輸。由于環(huán)路公用,一個節(jié)點所發(fā)出的信號必須經(jīng)過環(huán)中所有的環(huán)路接口。環(huán)中數(shù)據(jù)單向逐節(jié)點傳輸,信息流中的目的地址與環(huán)上某個節(jié)點地址相符時,信息被該節(jié)點環(huán)路接口所接收,然后信息繼續(xù)向下一環(huán)路接口流動,一直回到發(fā)送該信息的環(huán)路接口點為止。環(huán)路的維護和控制一般采用某種分布式控制方法,環(huán)中每個節(jié)點都具有相應(yīng)的控制功能。優(yōu)點：電纜長度短、增減工作站只需簡單連接、可用光纖、網(wǎng)絡(luò)初始安裝和控制簡單。缺點：節(jié)點故障容易引起全網(wǎng)故障、故障難檢測、媒體訪問協(xié)議采用令牌傳遞方式,負載輕時信通利用率低。星型<Star>星形拓撲結(jié)構(gòu)以一臺設(shè)備作為中心節(jié)點,其他外圍節(jié)點都與中心節(jié)點相連接。中心節(jié)點可以是中繼器或集線器〔交換式或非交換式。目前局域網(wǎng)系統(tǒng)中多采用星型拓撲結(jié)構(gòu)。優(yōu)點控制簡單、故障診斷與隔離容易、易于擴充、服務(wù)方便缺點電纜長度和安裝工作量可觀中央節(jié)點負擔較重各站點分布處理能力較低樹型<Tree>樹型結(jié)構(gòu)是總線型或星型結(jié)構(gòu)的擴展,又叫層次結(jié)構(gòu)。有一定容錯能力,一般一個分支和節(jié)點的故障不影響另一分支節(jié)點的工作。信息廣播式傳送優(yōu)點：易于擴充、故障隔離較容易缺點：節(jié)點對根依賴性太大,根發(fā)生故障,則全網(wǎng)癱瘓。網(wǎng)狀型<Mesh>網(wǎng)絡(luò)中的計算機之間是通過多條線路連接的。具有"強壯"的可靠性,一般用于骨干網(wǎng)。優(yōu)點：健壯性缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、協(xié)議復(fù)雜、成本高按通信介質(zhì)劃分有線網(wǎng)采用如同軸電纜、雙絞線、光纖等傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)采用如紅外線、微波、激光等傳輸介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。目前無線局域網(wǎng)技術(shù)和藍牙技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛使用。按信息傳播方式劃分點對點通信目前Internet中兩臺遠程主機的通信方式就是點對點通信廣播式通信目前局域網(wǎng)中的通信多采用廣播通信方式。1.4計算機網(wǎng)絡(luò)的功能數(shù)據(jù)通信〔最基本的功能資源共享〔主要目的、最突出的優(yōu)點提高可靠性與可用性易于分布式處理1.5計算機網(wǎng)絡(luò)組成典型的計算機網(wǎng)絡(luò)從邏輯功能上可以分為兩個子網(wǎng)：資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)。硬件系統(tǒng)的組成〔網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)適配器它的主要功能將計算機接入到網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享與相互通信。調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)橋&集線器&交換機路由器通信介質(zhì)通信介質(zhì)主要有有線介質(zhì)和無線介質(zhì)兩類。有線介質(zhì)如雙絞線、同軸電纜和光纖等；無線介質(zhì)如微波、衛(wèi)星、激光和紅外線等。軟件系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)對計算機網(wǎng)絡(luò)進行管理的軟件,它負責管理網(wǎng)絡(luò)的所有硬件和軟件資源,協(xié)調(diào)它們一致地工作。目前常用的操作系統(tǒng)有NOVELL的NetWare、Microsoft的Windows、UNIX、Linux等Apple的MACOS。智能手機操作系統(tǒng)：Linux、BlackBerry、WindowsMobile、Palm、Symbian、Android、iPhoneOS網(wǎng)站20XX11月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,在該網(wǎng)站統(tǒng)計的近300個Linux的發(fā)行版中,一直以來受關(guān)注最高的排名前10位的主流發(fā)行版是：Ubuntu、openSUSE、Fedora、DebianGNU/Linux、MandrivaLinux、LinuxMint、PCLinuxOS、SlackwareLinux、GentooLinux、FreeBSD。網(wǎng)絡(luò)通信軟件負責管理各個計算機之間的信息傳輸,如網(wǎng)卡驅(qū)動程序。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件1.6計算機網(wǎng)絡(luò)的性能指標比特率比特〔bit是計算機中數(shù)據(jù)量的單位,也是信息論中使用的信息量的單位。Bit來源于binarydigit,意思是一個"二進制數(shù)字",因此一個比特就是二進制數(shù)字中的一個1或0。比特率<bitrate>是計算機網(wǎng)絡(luò)中最重要的一個性能指標。單位是b/s,或kb/s,Mb/s,Gb/s<注意是千進制>等帶寬<信道容量>"帶寬"<bandwidth>本來是指信號具有的頻帶寬度,單位是赫〔或千赫、兆赫、吉赫等?，F(xiàn)在"帶寬"是數(shù)字信道所能傳送的"最高比特率"的同義語,單位是"比特每秒",或b/s<bit/s>。提高信道的帶寬可以減小數(shù)據(jù)的發(fā)送時延。時延<delay或latency>發(fā)送時延：發(fā)送數(shù)據(jù)時,數(shù)據(jù)塊從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的時間。也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特算起,到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。傳播時延：信號在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。處理時延：交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。排隊時延：結(jié)點緩存隊列中分組排隊所經(jīng)歷的時延。排隊時延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當時的通信量。數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時延就是發(fā)送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和。1.7因特網(wǎng)概述互聯(lián)網(wǎng)是"網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)"<networkofnetworks>,把許多網(wǎng)絡(luò)連接在一起,起源于美國的因特網(wǎng)現(xiàn)已發(fā)展成為世界上最大的國際性計算機互聯(lián)網(wǎng)。因特網(wǎng)的發(fā)展簡史20世紀60年代初,美蘇冷戰(zhàn),美國國防部領(lǐng)導(dǎo)的遠景研究規(guī)劃局ARPA<AdvancedResearchProjectAgency>提出要研制一種生存性<survivability>很強的網(wǎng)絡(luò)。這個由美國軍方建立的實驗性網(wǎng)絡(luò)即因特網(wǎng)的前身—ARPANET。1969-1983連入300多臺計算機,供研究機構(gòu)和政府部門使用。1984年ARPANET網(wǎng)分解為兩個網(wǎng)絡(luò)：ARPANET民用科研網(wǎng),軍用計算機網(wǎng)絡(luò)MILNET。1986年美國國家科學(xué)基金會在美國政府的資助下,租用電信公司的通信線路組建了-NSFNET,用以連接當時的六大超級計算機中心和美國大專院校及學(xué)術(shù)機構(gòu)。1989年ARPANET解散,同時NSFNET對公眾開放,從而成為Internet骨干網(wǎng)絡(luò)。1992年Internet不再歸美國政府管理,而成立了國際組織Internet協(xié)會<ISOC>負責對Internet進行全面管理,并以制定Internet相關(guān)標準和推廣Internet為目標。Internet的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)采用TCP/IP協(xié)議集。因特網(wǎng)發(fā)展的三個階段第一階段是從單個網(wǎng)絡(luò)ARPANET向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程。1983年TCP/IP協(xié)議成為ARPANET上的標準協(xié)議。人們把1983年作為因特網(wǎng)的誕生時間。第二階段的特點是建成了三級結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)。三級計算機網(wǎng)絡(luò),分為主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)和校園網(wǎng)〔或企業(yè)網(wǎng)。第三階段的特點是逐漸形成了多層次ISP結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)。出現(xiàn)了因特網(wǎng)服務(wù)提供者ISP<InternetServiceProvider>。因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展始于20世紀90年代。由歐洲原子核研究組織CERN開發(fā)的萬維網(wǎng)WWW<WorldWideWeb>被廣泛使用在因特網(wǎng)上,大大方便了廣大非網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人員對網(wǎng)絡(luò)的使用,成為因特網(wǎng)的這種指數(shù)級增長的主要驅(qū)動力。因特網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀：/全球IPv4和IPv6地址分配最能反映世界因特網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀其最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù),可通過以下途徑獲得：因特網(wǎng)的標準化工作國際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會<ISOC>是一個非營利組織,成立于1992年,為互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標準、教育和政策提供領(lǐng)導(dǎo)。。下設(shè)技術(shù)組織IAB<InternetArchitectureBoard>,負責管理因特網(wǎng)有關(guān)協(xié)議的開發(fā)。因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究委員會IAB下設(shè)因特網(wǎng)研究部IRTF和因特網(wǎng)工程部IETF兩個分支機構(gòu)。因特網(wǎng)的正式標準要經(jīng)過因特網(wǎng)草案<InternetDraft>、建議標準<ProposedStandard>、草案標準<DraftStandard>、因特網(wǎng)標準<InternetStandard>四個階段。RFC共有建議標準、草案標準、因特網(wǎng)標準、實驗的RFC、提供信息的RFC和歷史的RFC等六種。因特網(wǎng)的組成ARPANET的成功使計算機網(wǎng)絡(luò)的概念發(fā)生根本變化。早期的面向終端的計算機網(wǎng)絡(luò)是以單個主機為中心的星形網(wǎng)。分組交換網(wǎng)則是以網(wǎng)絡(luò)為中心,主機都處在網(wǎng)絡(luò)的外圍。從因特網(wǎng)的工作方式上看,可以劃分為以下的兩大塊：邊緣部分由所有連接在因特網(wǎng)上的主機組成。這部分是用戶直接使用的,用來進行通信〔傳送數(shù)據(jù)、音頻或視頻和資源共享。核心部分由大量網(wǎng)絡(luò)和連接這些網(wǎng)絡(luò)的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務(wù)的〔提供連通性和交換。因特網(wǎng)的邊緣部分處在因特網(wǎng)邊緣的部分就是連接在因特網(wǎng)上的所有的主機。這些主機又稱為端系統(tǒng)<endsystem>。"主機A和主機B進行通信",實際上是指："運行在主機A上的某個程序和運行在主機B上的另一個程序進行通信"。即"主機A的某個進程和主機B上的另一個進程進行通信"?；蚝喎Q為"計算機之間通信"。因特網(wǎng)的邊緣部分主機之間的兩種通信方式客戶服務(wù)器方式〔C/S方式即Client/Server方式。客戶<client>和服務(wù)器<server>都是指通信中所涉及的兩個應(yīng)用進程。客戶服務(wù)器方式所描述的是進程之間服務(wù)和被服務(wù)的關(guān)系?？蛻羰欠?wù)的請求方,服務(wù)器是服務(wù)的提供方?？蛻糗浖奶攸c：被用戶調(diào)用后運行,在打算通信時主動向遠地服務(wù)器發(fā)起通信〔請求服務(wù),因此,客戶程序必須知道服務(wù)器程序的地址；不需要特殊的硬件和很復(fù)雜的操作系統(tǒng)。服務(wù)器軟件的特點：一種專門用來提供某種服務(wù)的程序,可同時處理多個遠地或本地客戶的請求；系統(tǒng)啟動后即自動調(diào)用并一直不斷地運行著,被動地等待并接受來自各地的客戶的通信請求,因此,服務(wù)器程序不需要知道客戶程序的地址。一般需要強大的硬件和高級的操作系統(tǒng)支持。對等方式〔P2P方式即Peer-to-Peer方式。是指兩個主機在通信時并不區(qū)分哪一個是服務(wù)請求方還是服務(wù)提供方。只要兩個主機都運行了對等連接軟件〔P2P軟件,它們就可以進行平等的、對等連接通信。雙方都可以下載對方已經(jīng)存儲在硬盤中的共享文檔。對等連接方式從本質(zhì)上看仍然是使用客戶服務(wù)器方式,只是對等連接中的每一個主機既是客戶又同時是服務(wù)器。因特網(wǎng)的核心部分網(wǎng)絡(luò)中的核心部分要向網(wǎng)絡(luò)邊緣中的大量主機提供連通性,使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信〔即傳送或接收各種形式的數(shù)據(jù)。在網(wǎng)絡(luò)核心部分起特殊作用的是路由器<router>。路由器是實現(xiàn)分組交換<packetswitching>的關(guān)鍵構(gòu)件,其任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)收到的分組,這是網(wǎng)絡(luò)核心部分最重要的功能。電路交換的特點電路交換必定是面向連接的,其三個階段包括：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、釋放連接?？杀ＷC服務(wù)質(zhì)量。因為計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)性,很多時候電路交換在計算機網(wǎng)絡(luò)中通信線路的利用率很低。分組交換的主要特點發(fā)送端先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段,每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組〔每一個分組的首部都含有地址等控制信息；然后采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式將分組送到接收端；接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞繉⑵渲亟M而還原成報文。優(yōu)點是：高效、靈活、迅速、可靠。缺點是：分組在各結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊,這就會造成一定的時延；分組必須攜帶的首部〔里面有必不可少的控制信息也造成了一定的開銷。報文交換在20世紀40年代,基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理的報文交換<messageswitching>在電報通信中被采用。報文交換的數(shù)據(jù)傳輸單位是報文〔一次性發(fā)送且有完整消息含義的數(shù)據(jù)單元,采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式,每個報文中需要帶目的地址,支持一對多的通信方式。優(yōu)點：電路利用率高,多個報文可分時共享兩個節(jié)點之間的通道。缺點：在交換節(jié)點中報文需要排隊,時延較長,從幾分鐘到幾小時不等,因此不適合實時通信；報文必須攜帶的地址也造成了一定的開銷。主機和路由器的區(qū)別主機位于因特網(wǎng)的邊緣部分,其用途是為用戶進行信息處理的,并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分組,從網(wǎng)絡(luò)接收分組。路由器位于因特網(wǎng)的核心部分,其用途則是用來轉(zhuǎn)發(fā)分組的,即進行分組交換,最后把分組交付目的主機。在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。路由器處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存〔暫時存儲；查找轉(zhuǎn)發(fā)表,找出到某個目的地址應(yīng)從哪個端口轉(zhuǎn)發(fā)；把分組送到適當?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。因特網(wǎng)在我國的發(fā)展兩個階級第一階段是與Internet的E-mail連通,即1987年9月20日從中國學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)〔CANET,ChinaAcademicNetwork郵件內(nèi)容為"AcrosstheGreatWallwecanreacheverycornerintheworld.〔越過長城,走向世界"第二階段是與Internet實現(xiàn)全功能的TCP/IP連接：1994年4月最新動態(tài)：我國目前有哪幾個主要的互聯(lián)網(wǎng)運營單位？中國公用計算機互聯(lián)網(wǎng)CHINANET,即中國電信網(wǎng)中國科學(xué)技術(shù)網(wǎng)CSTNET中國教育和科研計算機網(wǎng)CERNET中國網(wǎng)通公用互聯(lián)網(wǎng)CNCNET,包含金橋網(wǎng)CHINAGBNh中國聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)UNINET中國移動互聯(lián)網(wǎng)CMNET中國國際經(jīng)濟貿(mào)易互聯(lián)網(wǎng)CIETNET,建設(shè)中。中國長城互聯(lián)網(wǎng)CGWNET第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1相關(guān)基本概念信息、信號、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)：定義為有意義的實體,如描述事物的數(shù)字、字母或符號。信息：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。信號：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。是信息的物理表現(xiàn)、是信息的物理載體。模擬信號、數(shù)字信號信道與帶寬信道是傳輸信號的通路,一條傳輸線路上可存在多個信道。信號帶寬是信號的頻率范圍,信道帶寬是指信道上能夠傳輸信號的最大頻率范圍。通信系統(tǒng)模型信源是信息的來源或發(fā)送者,信宿是信息的歸宿或接收者。信道是傳輸信號的通路。噪聲是信號在傳輸過程中所受到的干擾。按產(chǎn)生原因可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲：如來自通信系統(tǒng)內(nèi)部的隨機熱噪聲。外部噪聲：如來自系統(tǒng)外部的沖擊噪聲〔電磁干擾、電火花等。2.2數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標波特率波特率又稱信號傳輸速率、碼元速率、調(diào)制速率或波形速率,是指單位時間內(nèi)〔1秒所傳輸?shù)男盘柌ㄐ巍泊a元的個數(shù)。其單位為baud<波特>。所謂碼元是指使用時間域的波形表示數(shù)字信號時,代表不同離散數(shù)值的基本波形。一個波形對應(yīng)一個碼元。比特率比特率〔數(shù)據(jù)傳輸速率：每秒傳輸二進制信息的位數(shù),單位為位/秒,記作bps或b/s。計算公式：S=<1/T>*log2N<bps>T為脈沖寬度或周期,單位為秒；N一個波形〔脈沖所代表的有效狀態(tài)數(shù);一個碼元所取的離散值的個數(shù)。比特率直接與波形速率和一個波形所攜帶的信息量有關(guān)。一個波形所攜帶的信息量等效于該波形所代表碼元的信息量〔即該碼元轉(zhuǎn)化為二進制碼元的數(shù)目。波特率與比特率關(guān)系信道容量信道容量：是指信道所能承受的最大數(shù)據(jù)傳輸速率〔受信道帶寬的限制。單位是bps或b/s。有限帶寬無噪聲信道：奈奎斯特公式奈奎斯特<Nyquist>無噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關(guān)系：B=2H奈奎斯特公式：C=2×Ｈ×log2N,C為信道容量〔最大數(shù)據(jù)傳輸速率；H為信道的帶寬,即信道傳輸上、下限頻率的差值,單位為Hz；N為一個脈沖所代表的有效狀態(tài)數(shù)。有限帶寬隨機噪聲信道：香農(nóng)公式C=H×log2<1+S/N><bps>,S為信號功率,N為噪聲功率,S/N為信噪比通常把信噪比表示成10lg<S/N>分貝<dB>：S/NdB=10lgS/N誤碼率誤碼<比特>率：指在信息傳輸過程中,接收到的出錯的碼元<比特>數(shù)與發(fā)送的總的碼元<比特>數(shù)之間的比值。Pe=Ne/N。誤碼<比特>率,用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。誤碼<比特>率是某一段時間內(nèi)的統(tǒng)計平均值。在實際應(yīng)用中通常應(yīng)低于10-6。2.3數(shù)據(jù)調(diào)制與編碼數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼研究如何用信號來表示相應(yīng)的數(shù)據(jù)"0"和"1"。數(shù)字信號的編碼工作由網(wǎng)絡(luò)上的硬件來完成。不歸零編碼〔No-ReturntoZero>不歸零碼在傳輸中難以確定一位的結(jié)束和另一位的開始,需要用某種方法使發(fā)送器和接收器之間進行定時或同步。計算機串口與調(diào)制解調(diào)器之間使用的就是不歸零碼。歸零編碼歸零碼是指它的有電脈沖寬度比碼元寬度窄,每個脈沖都回到零電平,即還沒有到一個碼元終止時刻就回到零值的碼型。在接收端根據(jù)接收波形歸于零電平便可知道1比特信息已接收完畢,以便準備下一比特信息的接收?？梢灾苯犹崛⊥叫盘?。自同步碼自同步碼是指編碼在傳輸信息的同時,將時鐘同步信號一起傳輸過去。自同步碼的典型代表是：曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼Manchester每比特周期分為前T/2和后T/2兩部分：前T/2傳反碼、后T/2傳原碼〔從高電平到低電平的跳變代表"0",反之代表"1"；中間跳變既作時鐘信號,又作數(shù)據(jù)信號。自含同步時鐘,傳輸效率低。DifferenceManchester每比特跳變僅作同步之用。每比特值由臨界是否發(fā)生跳變決定。每位開始時有跳變表示"0",無跳變表示"1"。數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼為了在公共電話線路上傳輸數(shù)字信號,必須對其進行數(shù)字調(diào)制,轉(zhuǎn)換成模擬信號。數(shù)字調(diào)制三種形式：移幅鍵控法ASK、移頻鍵控法FSK、移相鍵控法PSK。模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼通常采用脈沖編碼調(diào)制PCM<PulseCodeModulation>。PCM的典型應(yīng)用就是語音數(shù)字化。PCM主要包括：采樣、量化、編碼。采樣采樣定理：若對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣,只要采樣頻率大于等于有效信號最高頻率或其帶寬的二倍,則采樣值便可包含原始信號的全部信息,利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構(gòu)造出原始信號。Fs=1/Ts≥2Fmax或Fs≥2B,Fs采樣頻率,Ts采樣周期,Fmax最高頻率,B帶寬。量化：使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值,將采樣樣本按照量化級取值。編碼：將離散值變成一定位數(shù)的二進制數(shù)碼。量化級越多,量化精度越高,需要的二進制位數(shù)越多。2.4數(shù)據(jù)傳輸與通信技術(shù)基帶傳輸與頻帶傳輸計算機所傳輸?shù)亩M制數(shù)字信號是典型的矩形電脈沖,這種矩形電脈沖信號的固有頻率稱為"基帶",在信道中直接傳輸這種信號,稱為基帶傳輸。在基帶傳輸中,信道只傳輸一路信號,信道利用率低。局域網(wǎng)中通常使用基帶傳輸。在基帶傳輸中通常要對數(shù)字信號進行編碼。頻帶傳輸就是將基帶信號變換成〔調(diào)制成便于在模擬信道中傳輸?shù)?具有較寬的頻率范圍的模擬信號〔稱為頻帶信號,將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸。計算機網(wǎng)絡(luò)的遠距離通信經(jīng)常采用頻帶傳輸?；鶐盘柵c頻帶信號的變換是通過調(diào)制解調(diào)技術(shù)實現(xiàn)的。并行與串行通信并行通信是指數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行的信道上同時發(fā)送,接收設(shè)備同時接收到這些數(shù)據(jù),不需要做任何變換就可直接使用。并行通信主要用于近距離通信。計算機內(nèi)的總線結(jié)構(gòu)就是并行通信的例子。串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地〔串行方式在通信線路上傳輸。串行通信主要用于較遠距離的數(shù)據(jù)通信,它是數(shù)據(jù)通信中最常用的通信方式。同步技術(shù)同步的概念是指接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的重復(fù)頻率及起止時間來接收數(shù)據(jù)。收發(fā)兩端在時間基準上必須保持一致。在接收數(shù)據(jù)前,接收端首先要校準自己的時間和重復(fù)頻率和發(fā)送端一致。同步是數(shù)據(jù)通信中要解決的一個重要問題。同步不良會導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。比特同步<bitsynchronization>比特同步又叫位同步,是數(shù)據(jù)通信中最基本的同步方式。比特同步是指接收端將時鐘調(diào)整到和發(fā)送端完全一樣,當接收到比特流后,在正確的時刻對收到的信號根據(jù)事先已約定好的規(guī)則進行判決,從而將發(fā)送端發(fā)送的每一個比特都正確地接收下來。正確時刻：通常就是在每一個比特的中間位置判決規(guī)則：如,電平若超過一定數(shù)值則為1,否則為0比特同步兩種不同的同步方式全網(wǎng)同步：用一個非常精確的主時鐘對全網(wǎng)所有結(jié)點上的時鐘進行同步。<如SDH/SONET網(wǎng)絡(luò)>準同步：各結(jié)點的時鐘之間允許有微小的誤差。接收端能從收到的比特流中將比特同步的時鐘信息提取出來。如：曼徹斯特編碼就能夠使接收端很方便地從收到的比特流中將時鐘信息提取出來,這樣就能夠很容易地實現(xiàn)比特同步。幀同步<framesynchronization>數(shù)據(jù)通常以幀為單位進行發(fā)送。因此,僅僅有比特同步是不夠的,還需要幀同步。幀同步是指接收端應(yīng)當能從收到的比特流中準確地區(qū)分出一幀的開始和結(jié)束的位置。幀同步又叫幀定界。同步與異步通信同步通信：是每發(fā)送完一個幀進行一次同步。這個幀中通常含多個字符、多個字節(jié)或不定長的較多的比特,即同步通信中一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一般比較大。同步通信要求發(fā)送時鐘與接收時鐘應(yīng)保持完全一致,以免發(fā)生太大時鐘誤差的積累,從而產(chǎn)生接收錯誤。由于幀定界符及校驗位在幀中所占的比率很小,所以傳輸效率高。同步通信有面向字符和面向比特等方式。面向字符方式：SYN<0010110>為同步字符,SOH<0000001>標志幀起始,EOT<0000100>傳輸完畢。面向比特方式：用一組特定的比特模式〔01111110來標志一個幀的開始和結(jié)束。異步通信：是每發(fā)送完一個字符或含有較少比特的幀就重新進行一次同步。異步通信可以是以字符或幀作為發(fā)送的單位。異步通信的同步實現(xiàn)簡單,收發(fā)雙方時鐘無需嚴格同步,允許收發(fā)雙方的時鐘之間有一定的差異,因為在時鐘誤差允許的范圍內(nèi)不會導(dǎo)致接收錯誤。發(fā)送端發(fā)送完一個字符或幀后,可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個,接收端要時刻做好接收的準備。每個字符或每個幀都需要加入起始、終止定界符,以及校驗位等,導(dǎo)致傳輸效率較低。以字符為單位的異步通信中,由于每一個字符只有8個比特,因此只要收發(fā)雙方的時鐘頻率相差不太大,在開始位的觸發(fā)下,這8個比特的比特同步很容易做到,因此不需要采取其他措施來實現(xiàn)比特同步〔但不等于說可以不要比特同步。在以幀為傳送單位的異步通信中,接收端通常是采用從收到的比特流中提取時鐘信息的方法來實現(xiàn)比特同步。單工、半雙工、全雙工通信多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用分為：頻分、時分、波分、碼分時分多路復(fù)用又分為：固定時分和統(tǒng)計時分多路復(fù)用。碼分復(fù)用CDM<CodeDivisionMultiplexing>常用的名詞是碼分多址CDMA<CodeDivisionMultipleAccess>。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型,因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力,其頻譜類似于白噪聲,不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔,稱為碼片<chip>。每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1,則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0,則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。例如,S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時,就發(fā)送序列00011011,發(fā)送比特0時,就發(fā)送序列11100100。S站的碼片序列：<–1–1–1+1+1–1+1+1>。每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同,并且還必須互相正交<orthogonal>。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。碼片序列的正交關(guān)系令向量S表示站S的碼片向量,令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交,就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積<innerproduct>都是0,即：,例如令向量S為<–1–1–1+1+1–1+1+1>,向量T為<–1–1+1–1+1+1+1–1>。把向量S和T的各分量值代入<2-3>式就可看出這兩個碼片序列是正交的。向量S與各站的碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積也是0。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。差錯控制技術(shù)差錯控制方式自動反饋重發(fā)糾錯<AutomaticRepeatreQuest,ARQ>接收方如果檢測出收到的幀中有差錯,就讓發(fā)送方重復(fù)發(fā)送這一幀,直到接收方正確收到這一幀為止。這種方法在計算機網(wǎng)絡(luò)通信中是最常用的。前向糾錯方式<ForwardErrorCorrection,FEC>接收方收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時能自動將差錯改正過來。這種方法的開銷較大,目前計算機網(wǎng)絡(luò)通信采用較少?；旌戏绞?lt;HybridErrorCorrection,HEC>差錯控制編碼FEC和ARQ的實現(xiàn)的核心是差錯檢測和糾正,糾錯碼〔error-correctingcode和檢錯碼〔error-detectingcode是實現(xiàn)差錯檢測和糾正兩種不同的差錯控制編碼技術(shù)或方案。糾錯碼方案：讓每個被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊中包含足夠的冗余信息,以便接收方可以推斷出被發(fā)送的數(shù)據(jù)肯定有哪些內(nèi)容,從而發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸中的差錯。檢錯碼方案：讓每個被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊中包含一定的冗余信息,這些信息只能讓接收方推斷出發(fā)生了差錯,但不能確定錯誤的位置,然后接收方可請求重傳,因而檢錯碼只能發(fā)現(xiàn)但不能自動糾正傳輸中的差錯。糾錯碼和檢錯碼的比較二者適用于不同的環(huán)境：在高度可靠的信道上,比如光纖,比較合適的做法是使用檢錯碼,當偶爾有錯誤發(fā)生時,只需要重傳整個數(shù)據(jù)塊即可。而在差錯率高的信道上,比如無線線路,最好的做法是使用糾錯碼,讓接收方能發(fā)現(xiàn)并能自動糾正錯誤,而不是依靠重傳來解決問題,因為重傳的數(shù)據(jù)塊也可能還是錯誤的。二者各有長短：糾錯碼不需要反向信道來傳遞請求重發(fā)的信息,發(fā)送方也不需要存放用于重發(fā)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū),因而較檢錯碼有優(yōu)越之處,但一般來說糾錯碼比檢錯碼使用更多的冗余信息,編碼效率較低,而且設(shè)備實現(xiàn)復(fù)雜、費用高,因而主要用在單向傳輸或?qū)崟r要求特別高的場合。檢錯碼雖然需要通過重傳機制來達到糾錯,但工作原理簡單,實現(xiàn)容易,編碼與解碼速度快,在網(wǎng)絡(luò)中得到了泛的應(yīng)用。常用差錯控制編碼技術(shù)常用的檢錯碼主要有定比碼、奇偶校驗碼和循環(huán)冗余校驗碼等。常用的糾錯碼主要有正反碼、海明碼等。奇偶冗余校驗：計算數(shù)據(jù)中1的比特的個數(shù),再增加一個附加比特位,使得1的個數(shù)為偶數(shù)〔偶校驗或奇數(shù)〔奇校驗。附加比特位叫做奇偶校驗位。垂直奇偶冗余校驗垂直奇偶校驗是將整個發(fā)送的數(shù)據(jù)塊分為定長p位的若干段<比如q段>,每段后面按"1"的個數(shù)為奇或偶數(shù)的規(guī)律加上一位校驗位。在編碼和校驗的過程中,發(fā)送端可以邊發(fā)送邊產(chǎn)生校驗位,并插入發(fā)送,接收端則可以邊接收邊進行校驗并拿去校驗位。因此用硬件或軟件的方法實現(xiàn)垂直校驗都不是很困難的。這種方法的編碼效率為R=p/<p+1>。垂直奇偶校驗?zāi)軝z測出每列中的所有奇數(shù)位的錯,但檢測不出偶數(shù)位的錯。對于突發(fā)錯誤來說,奇數(shù)位的錯和偶數(shù)位的錯的概率接近于相等,因而對差錯的漏檢率接近于1/2。水平奇偶冗余校驗為了降低對突發(fā)錯誤的漏檢率,我們可以使用水平奇偶校驗。它是對各個定長數(shù)據(jù)塊的相應(yīng)位進行橫向編碼,產(chǎn)生一個校驗位。水平奇偶校驗不僅可以檢測出各段同一位上〔同一行的奇數(shù)位錯,而且可以檢測出突發(fā)長度為≦p〔一列的突發(fā)錯誤,因為按照圖中所示的發(fā)送順序發(fā)送數(shù)據(jù)位,則突發(fā)長度≦p的突發(fā)錯誤必然分布在不同的行中,每行一位,所以可以檢測出來。它的漏檢率比垂直奇偶校驗要低。水平奇偶校驗不能邊發(fā)送邊產(chǎn)生校驗位,并插入發(fā)送,必須先要借助較大的存儲器先緩存要發(fā)送的完整的數(shù)據(jù)塊后,再產(chǎn)生校驗位。因此無論是用硬件還是軟件方法它的編碼與檢測都要復(fù)雜一些。水平奇偶校驗的編碼效率R=q/<q+1>。水平垂直冗余校驗同時進行水平和垂直奇偶冗余校驗就得到水平垂直冗余校驗。水平垂直奇偶校驗的編碼效率R=pq/<<p+1><q+1>>。水平垂直奇偶校驗?zāi)軝z測所有3位或3位以下的錯誤<因為此時至少在某一行或某一列上為1位錯>、奇數(shù)位錯、突發(fā)長度≦p+1的突發(fā)錯誤以及很大一部分偶數(shù)位錯。一些試驗測量表明水平垂直奇偶校驗?zāi)苁拐`碼率降至原誤碼率的百分之一到萬分之一。水平垂直奇偶校驗除了檢錯,還有糾正部分差錯的能力,例如,僅在某一列有奇數(shù)位錯時,通過垂直校驗和水平校驗綜合觀察就能確定錯碼的位置在該列和某些行的交叉處海明碼海明碼是由R．Hamming在1950年提出的,是一種可以糾正一比特錯的編碼。原理：n位二進制數(shù)能代表2n次方個不同的數(shù)字。在偶校驗中：S=an-1+an-2+…+a1+a0。接收方S=0示無錯,S=1表示有錯。上式稱為監(jiān)督關(guān)系式,S稱為校正因子海明碼基本思想在k比特信息上附加r比特冗余信息〔也稱校驗比特,構(gòu)成n＝k+r比特的碼字,其中每個校驗比特和某幾個特定的信息比特構(gòu)成偶校驗的關(guān)系。接收端對這r個奇偶關(guān)系進行校驗,即將每個校驗比特和與它關(guān)聯(lián)的信息比特進行相加〔異或,相加的結(jié)果稱為校正因子。如果沒有錯誤的話,這r個校正因子都為0；如果有一個錯誤,則校正因子不會全為0,根據(jù)校正因子的不同取值,可以知道錯誤發(fā)生在碼字的哪一個位置。為了利用r個校正因子來區(qū)分無錯和在碼字中的n個不同位置的一比特錯〔共n+1種不同組合,校驗比特數(shù)r必須滿足以下條件：2r≥n+1,即2r≥k+r+1海明碼產(chǎn)生方案一假設(shè)碼字a6a5a4a3S0=a6+a4+a3+a0〔督關(guān)系式S1=a6+a5+a3+a1〔督關(guān)系式S2=a6+a5+a4+a2〔督關(guān)系式校正因子S2S1S0000001010100011101110111錯碼位置無錯a0a1a2a3a4a5a6設(shè)信息位為k位,冗余位為r位,則要滿足下式第一步：2r>=k+r+1,將r位冗余位順序放在k位信息的后面第二步：確定監(jiān)督關(guān)系式第三步：計算冗余位0=a2+a4+a5+a6即：a2=a4+a5+a60=a1+a3+a5+a6即：a1=a3+a5+a60=a0+a3+a4+a6即：a0=a3+a4+a6海明碼產(chǎn)生方案二設(shè)信息位為k位,冗余位為r位,則要滿足下式第一步：2r>=k+r+1,由信息位和冗余位組成一個碼字〔要求冗余位所在的位數(shù)為20~2r-1位,其余由信息位填充第二步：確定監(jiān)督關(guān)系式第三步：計算冗余位按方案二求信息碼1011的海明碼。解：k=4由2r>=k+r+1得：r>=3,現(xiàn)取r=3a3a2a1r2a0r1r0101?1??創(chuàng)建如下表所示的校正因子取值與錯碼的位置關(guān)系S2S1S0000001010011100101110111錯碼位置無錯r0r1a0r2a1a2a3根據(jù)上表確定如下三個監(jiān)督關(guān)系式,并令S0=S1=S2=0S0=r0+a0+a1+a3S1=r1+a0+a2+a3S2=r2+a1+a2+a3得到：r0=1r1=0r2=0,所以發(fā)送端產(chǎn)生的海明碼為1010101。接收端按發(fā)送端同樣的監(jiān)督式對收到的碼字進行計算,然后根據(jù)校正因子S2S1S0的取值查表便可對收到的信息進行糾正。循環(huán)冗余碼<CRC>一種通過多項式除法檢測錯誤的方法。編碼思想：將位串看成系數(shù)為0或1的多項式檢錯思想：收發(fā)雙方約定一個生成多項式G<x>〔其最高階和最低階系數(shù)必須為1,發(fā)送方在幀的末尾加上校驗和,使帶校驗和的幀的多項式能被G<x>整除。接收方收到后,用G<x>除多項式,若有余數(shù),則傳輸有錯。編碼實例：若采用生成多項式G<x>=x4+x+1,要傳輸?shù)男畔⒋a為1101011011,試計算出要附加的校驗位。要附加的校驗位為1110循環(huán)冗余碼的特點：可以檢測出所有奇數(shù)位錯；可以檢測出所有雙比特的錯；可以檢測出所有小于或等于校驗位長度的突發(fā)錯?！沧ⅲ宏P(guān)于其特點的證明,請參看《數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡(luò)》第2版高傳善高等教育出版社FCS<FrameCheckSequence>：在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列。2.5傳輸媒體導(dǎo)向的傳輸媒體雙絞線雙絞線有屏蔽〔STP和非屏蔽〔UTP雙絞線兩種類型?，F(xiàn)行雙絞線電纜中一般包含4個雙絞線對,具體為橙/白橙、藍/白藍、綠/白綠、棕/白棕。同軸電纜光纖光纖〔OpticalFiber是光導(dǎo)纖維的簡稱,是一種能夠傳導(dǎo)光信號的極細的傳輸介質(zhì)。光纖是由玻璃或塑料等物質(zhì)材料做成的。光纖由纖芯、覆層和保護層三個部分構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖所示。光纖利用全內(nèi)反射來傳輸經(jīng)信號編碼的光束。光纖通信所的波長范圍為0.8微米－2.0微米。常用的波長為0.85,1.31和1.55微米。光載波調(diào)制使用ASK調(diào)制〔有光和無光。單模〔纖芯直徑通常大于50微米,又分為階躍型和漸變型、多模〔纖芯直徑通常小于8微米非導(dǎo)向的傳輸媒體短波無線電地面微波通信衛(wèi)星微波通信無線電ISM和紅外線<IR>：有一些無線電頻段是可以自由使用的。無線局域網(wǎng)WLAN就是使用ISM<Industrial,Scientific,Medical>中的2.4GHz和5.8GHz頻段。第三章計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)3.1網(wǎng)絡(luò)分層的體系結(jié)構(gòu)分層的好處,即為什么要分層可以將不易處理的復(fù)雜而龐大的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為一些較為容易研究和處理的問題,即分解為一些"單層"設(shè)計問題,每一層實現(xiàn)一種相對獨立的功能。具體體現(xiàn)在：獨立性強、功能簡單、適應(yīng)性強、易于實現(xiàn)和維護、結(jié)構(gòu)可分割、易于交流和實現(xiàn)標準化。計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的定義：計算機網(wǎng)絡(luò)的層次及其協(xié)議的集合,計算機網(wǎng)絡(luò)及其組成部分的功能的精確定義?！沧ⅲ哼@種從功能上的描述與設(shè)計是抽象的方法,不涉及具體的功能實現(xiàn)方法。計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的組成要素：系統(tǒng)、實體、層、協(xié)議。計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的三級抽象：體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)定義、協(xié)議規(guī)范。協(xié)議：是控制兩個對等實體〔或多個實體進行通信的規(guī)則的集合〔通信內(nèi)容、通信形式、通信時間。協(xié)議是水平的。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定,簡稱協(xié)議。其有三個要素：語義<Semantics>：規(guī)定通信雙方彼此"講什么",即需要發(fā)出何種控制信息,完成何種動作以及做出何種響應(yīng)。用于協(xié)調(diào)和差錯處理的控制信息。語法<Syntax>：規(guī)定通信雙方"如何講",即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)和形式。如,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼和信號電平等。同步:又稱時序<Timing>,即事件實現(xiàn)順序的詳細說明。如,傳輸速率匹配和事件先后順序。服務(wù)：某一層及其以下各層的一種能力,通過接口提供 給其相鄰上層。服務(wù)是垂直的。下層向上提供兩種不同類型的服務(wù)：面向連接的服務(wù)和無連接的服務(wù)。3.2開放系統(tǒng)互連參考模型〔OSI/RMOSI/RM簡介：ISO于1977年成立專門機構(gòu)研究計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),1979年提出了基于功能分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概念而開發(fā)的抽象模型,稱為"開放系統(tǒng)互連參考模型"<TheReferenceModelofOpenSystemsInterconnection>,簡稱：OSI/RM。1983年形成了其正式文件。OSI試圖達到的一種理想境界：凡是遵循OSI/RM這一標準構(gòu)造的信息系統(tǒng)〔主要指計算機系統(tǒng),都能與世界上遵循同一標準的其他系統(tǒng)互連。OSI/RM為七層〔從下到上：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層。物理層：在物理媒體上透明的傳輸比特〔位流。數(shù)據(jù)鏈路層：相鄰兩節(jié)點無差錯的傳送數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)絡(luò)層：分組傳送、路由選擇、流量控制。傳輸層：端對端的可靠的數(shù)據(jù)通信。會話層：會話管理與數(shù)據(jù)傳輸同步。表示層：數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用層：提供用戶訪問應(yīng)用進程的接口。TCP/IP模型：TCP/IP是一個四層的體系結(jié)構(gòu),目前得到了廣泛的應(yīng)用。從實質(zhì)來講,TCP/IP只有三層,即應(yīng)用層、運輸層和網(wǎng)際層,因為最下面的網(wǎng)絡(luò)接口層并沒有什么具體內(nèi)容。TCP/IP是事實上的國際標準,在學(xué)習(xí)計算機網(wǎng)絡(luò)原理時往往采取折中的辦法,綜合OSI和TCP/IP的優(yōu)點,采用五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。TCP/IP與OSI的不同OSI七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)既復(fù)雜又不實用,但其概念完整,體系結(jié)構(gòu)理論較完整。TCP/IP一開始就考慮了多種異構(gòu)網(wǎng)的互連問題并將IP協(xié)議作為其重要組成部分。TCP/IP一開始就對面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)并重。OSI一開始只強調(diào)面向連接的一種服務(wù),一直到很晚才制定無連接服務(wù)標準。TCP/IP較早就有較好的網(wǎng)絡(luò)管理功能,OSI后來才考慮這個問題。TCP/IP的不足之處在于對服務(wù)、協(xié)議、接口等概念并沒有很清楚的區(qū)分開。TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)接口層嚴格來說并不是一個層次而僅僅是一個接口。TCP/IP協(xié)議的特點是：上下兩頭大而中間小。應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)接口層有很多種協(xié)議,而中間IP層很小?？梢蕴峁└鞣N應(yīng)用服務(wù)<everythingoverIP>,同時也可連接到各種各樣的網(wǎng)絡(luò)上<IPovereverything>。3.3物理層物理層協(xié)議規(guī)定了與建立、維持及斷開物理信道所需的機械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性。其作用是確保比特流能在物理信道上傳輸。在實際應(yīng)用中物理層協(xié)議的控制作用只發(fā)生在DTE和DCE之間的接口上。物理層接口協(xié)議實際上是DTE和DCE或其它通信設(shè)備之間的接口協(xié)議,主要解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與物理信道如何連接的問題。機械特性：規(guī)定了接口所用的接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目及排列方式、固定與鎖定裝置形式等。電氣特性：規(guī)定發(fā)送和接受器的電器參數(shù),主要應(yīng)指明接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性：對接口連線的功能給出確切的定義,如指明某條線上出現(xiàn)某一電平電壓表示何種意義。規(guī)程特性：對接口在通信過程中的操作順序和信號線上各種信號的時間關(guān)系所做的說明。即指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。物理層接口標準示例EIARS-232EIA-568A/568B說明功能1TX+發(fā)送+2TX-發(fā)送-3RX+接收+4未使用

5未使用

6RX-接收-7未使用

8未使用

3.4數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層模型鏈路：就是一條無源的點到點的物理線路段,中間沒有任何交換結(jié)點,也稱物理鏈路。數(shù)據(jù)鏈路：也稱邏輯鏈路,是指物理鏈路加上必要的通信規(guī)程。即在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時,除了必須有一條物理線路外,還必須有一些必要的規(guī)程來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。為了便于說明,我們采用一個簡化的通信模型,把數(shù)據(jù)鏈路層以上的各層抽象為一個主機,而把物理層和傳輸媒體則抽象成一條簡單的鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的功能鏈路管理：按照OSI/RM的觀點,數(shù)據(jù)鏈路層必須為上層提供一個可靠的服務(wù),因此首先需要數(shù)據(jù)鏈路層是面向連接的。數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放就叫做數(shù)據(jù)鏈路管理。由于TCP/IP中網(wǎng)絡(luò)層就是不可靠的,因此Internet中數(shù)據(jù)鏈路層并不提供可靠的服務(wù)。幀同步：在數(shù)據(jù)鏈路層,數(shù)據(jù)的傳送單位是幀,收方應(yīng)當能從收到的比特流中準確地區(qū)分出一幀的開始和結(jié)束。其主要的方法有：字節(jié)計數(shù)法、字符填充首尾定界符法、比特填充首尾定界符法、違法編碼法。比特填充的首尾定界符法：該法以一組特定的比特模式〔如01111110來標志一幀的起始與終止。HDLC規(guī)程即采用該法。為了避免起始、結(jié)尾標志與幀中的數(shù)據(jù)混淆,發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在檢測到數(shù)據(jù)比特流中有連續(xù)5個1出現(xiàn)時,就在其后加一個0,接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將5個1后面的0取走還原。流量控制：發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率必須使接收方來得及接收。當接收方來不及接收時,就必須及時控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率,以使收發(fā)雙方的速率達到匹配。數(shù)據(jù)鏈路層上的流量控制,控制的是相鄰兩節(jié)點之間數(shù)據(jù)鏈路上的流量。差錯控制：ARQ自動反饋重發(fā)是計算機通信最常用的差錯控制方法。具體又分為：空閑重發(fā)<IdelRQ>/停止等待法<stopandwait>、連續(xù)重發(fā)<continuousRQ>。而后者又分為GO-BACK-N策略和選擇重發(fā)策略。透明傳輸:不管所傳數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合,都應(yīng)當能夠在鏈路上傳送。當所傳數(shù)據(jù)中的比特組合恰巧與某一個控制信息完全一樣時,就必須采取適當?shù)拇胧?使收方不會將這樣的數(shù)據(jù)誤認為是某種控制信息。這樣才能保證數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸是透明的。舉例：零比特填充法和DEL字符填充法。尋址：數(shù)據(jù)鏈路層也存在簡單的尋址問題。在點對點的鏈路上傳輸數(shù)據(jù)時,無所謂尋址。在多點式的鏈路上傳輸數(shù)據(jù)時,必須保證每一幀都能送到正確的接收方,接收方也應(yīng)知道發(fā)送方是哪一個。數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)無確認、無連接服務(wù)：目的結(jié)點不作確認,差錯由上層負責。有確認的無連接服務(wù)：目的節(jié)點對收的幀作確認,發(fā)送節(jié)點可以知道已發(fā)出的幀是否安全到達目的節(jié)點。面向連接服務(wù)：可靠地傳送數(shù)據(jù)的服務(wù),為網(wǎng)絡(luò)層實體間的交互提供了最可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議兩個假定：①鏈路是理想的傳輸信道,所傳送的任何數(shù)據(jù)既不會出錯也不會丟失。②不管發(fā)方以多快的速率發(fā)送數(shù)據(jù),收方總是來得及收下,并及時上交主機。滿足以上兩個假定數(shù)據(jù)鏈路層不需要任何協(xié)議就可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。去掉第二個假定會怎么樣？兩個解決方案〔根據(jù)緩沖存儲空間大小等待發(fā)送〔停止等待協(xié)議：發(fā)送方發(fā)出一幀后,要停下來等待接收方的應(yīng)答,收到確認后才能發(fā)送下一幀連續(xù)發(fā)送：發(fā)送方可以連續(xù)發(fā)送若干幀,如果在此過程中收到接收方的肯定應(yīng)答,可以繼續(xù)發(fā)送；若收到對其中某一幀的否認幀,則從該幀開始的后續(xù)幀全部重發(fā),或只重發(fā)出錯幀。簡單的停止等待協(xié)議前提：鏈路是理想的傳輸信道,所傳送的任何數(shù)據(jù)既不會出錯也不會丟失。方案：只需要解決流量控制問題即可,用接收端來控制發(fā)送端,發(fā)送端每發(fā)完一幀必須停下來,只有收到接收端發(fā)來的確認才能繼續(xù)發(fā)送下一幀,接收端每正確收到一幀才便發(fā)送一個確認。實用的停止等待協(xié)議前提：不滿足兩個假定,我們要考慮：數(shù)據(jù)幀出錯、數(shù)據(jù)幀丟失、應(yīng)答幀丟失。解決方案：在簡單的停止等待協(xié)議中采用的流量控制方法是用接收端來控制發(fā)送端的發(fā)送速度,即發(fā)送端每發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀,就停下來等待著接收端的確認,只有收到了接收端的確認才繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。顯然這種方法對于實用的停止等待協(xié)議同樣適用,可以很好的進行流量控制。而在傳輸過程中出現(xiàn)了差錯,則可以采取以下解決方法：對數(shù)據(jù)幀進行校驗,出錯重發(fā)；對數(shù)據(jù)幀丟失,設(shè)置超時定時器,超時重發(fā)。應(yīng)答幀丟失的處理,設(shè)置超時定時器,以序號標識數(shù)據(jù)幀<解決重復(fù)幀問題>。數(shù)據(jù)幀出錯時兩種解決方法兩種不同的幀丟失的解決方法特點：停止等待協(xié)議的優(yōu)點是比較簡單,但缺點信道利用率不高〔因為信道還遠遠沒有被數(shù)據(jù)比特填滿。為了提高信道的利用率,就產(chǎn)生了另外兩種協(xié)議：連續(xù)ARQ和選擇重傳ARQ。連續(xù)ARQ〔Go-Back-N>協(xié)議工作原理：連續(xù)ARQ協(xié)議的工作要點是發(fā)送端每發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀后,不是停下來等待接收端的確認幀,而是可以連續(xù)再發(fā)送若干個數(shù)據(jù)幀。如果在此過程中收到了接收端發(fā)來的確認幀,那么還可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。若收到對其中某一幀的否認幀,或某個幀對應(yīng)的應(yīng)答幀超時,則從該幀開始的后續(xù)幀全部重發(fā)。緩沖區(qū)要求：要求發(fā)送端的發(fā)送緩沖區(qū)必須能緩存多個數(shù)據(jù)幀,而接收端的緩沖區(qū)只需要能容納一個數(shù)據(jù)幀就足夠了。特點：連續(xù)ARQ協(xié)議一方面因連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀而提高了傳輸效率,但另一方面,在重傳時又必須把原來已正確傳送過的數(shù)據(jù)幀進行重傳〔僅因這些數(shù)據(jù)幀之前有一個數(shù)據(jù)幀出了錯,這樣又使傳輸效率降低。由此可見,若信道傳輸質(zhì)量很差,誤碼率較高時,連續(xù)ARQ協(xié)議不一定優(yōu)于停止等待協(xié)議。選擇重發(fā)ARQ協(xié)議工作原理：為了進一步提高信道的利用率和傳輸效率,可以設(shè)法只重傳出錯的數(shù)據(jù)幀或者是定時器超時的數(shù)據(jù)幀。此時必須加大接收端的緩沖區(qū)使其能容納多個數(shù)據(jù)幀,以便接收端先緩存那些正確的數(shù)據(jù)幀〔發(fā)送序號可能是不連續(xù)的,等到所缺序號的數(shù)據(jù)幀收到之后再一并送交主機。緩沖區(qū)要求：要求收發(fā)雙方的緩沖區(qū)必須都能緩存多個數(shù)據(jù)幀。特點：可避免重傳那些本來已經(jīng)正確到達接收端的數(shù)據(jù)幀。但是我們必須付出的代價：在接收端需要設(shè)置具有相當容量的緩存空間,這在很多情況下是不夠經(jīng)濟的。正因如此,選擇重傳ARQ協(xié)議在目前還遠沒有連續(xù)ARQ協(xié)議使用的那么廣泛。今后隨著存儲器芯片價格的下降,選擇重傳ARQ協(xié)議還是有可能得到重視的?；瑒哟翱?lt;SlidingWindow>協(xié)議在使用連續(xù)ARQ協(xié)議時,如果發(fā)送端一直沒有收到對方的確認,那么實際上發(fā)送端并不能無限制的發(fā)送數(shù)據(jù)幀。這是因為：<1>當未被確認的數(shù)據(jù)幀的數(shù)目太多時,只要有一幀出錯或丟失,就要有很多的數(shù)據(jù)幀需要重傳,這必然浪費很多時間,增大了開銷。<2>為了對所發(fā)送的大量數(shù)據(jù)幀進行編號,每個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號也要占用較多的比特,這樣又增加了一些不必要的開銷。因此,在連續(xù)ARQ協(xié)議中必須將已發(fā)送出去、但未被確認的數(shù)據(jù)幀的數(shù)目加以限制,這就是滑動窗口協(xié)議所要討論的內(nèi)容。本協(xié)議的幾個要點：<1>加入適當?shù)目刂茩C制,在發(fā)送端和接收端分別設(shè)定"發(fā)送窗口"和"接收窗口"。<2>發(fā)送窗口用來對發(fā)送端進行流量控制,而發(fā)送窗口的大小Ws代表在還沒有收到對方確認的條件下發(fā)送端最多可以發(fā)送多少個數(shù)據(jù)幀。顯然,停止等待協(xié)議的發(fā)送窗口大小是1。就是說,只要發(fā)送出去的某個數(shù)據(jù)幀未得到確認,就不能再發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀。發(fā)送窗口的概念用圖形來說明比較容易,我們可以用水平窗口和圓形窗口兩種方法來表示。<3>接收窗口是為了控制接收端哪些數(shù)據(jù)幀可以接收而哪些幀不可以接收。在接收端只有當收到的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號落入接收窗口內(nèi)才允許將該數(shù)據(jù)幀收下。若接收到的數(shù)據(jù)幀落在接收窗口之外,則一律將其丟棄。在連續(xù)ARQ協(xié)議中,接收窗口的大小WR=1。<4>接收窗口驅(qū)動發(fā)送窗口的轉(zhuǎn)動。<5>發(fā)送窗口與接收窗口的大小必須滿足一定的約束關(guān)系。采用3比特編號,而發(fā)送窗口等于8時的兩種情況：使發(fā)送窗口Ws=8將導(dǎo)致協(xié)議失敗。那么發(fā)送窗口究竟應(yīng)滿足一個什么樣的約束關(guān)系才能保證滑動窗口協(xié)議正確運行呢？證明：只有滿足一定的約束關(guān)系時,滑動窗口協(xié)議才能正確運行。為便于證明,我們采用水平窗口表示法,如下圖所示。采用3個比特供數(shù)據(jù)幀的序號使用,Ws=6,WR=3。對于位置③,應(yīng)要求在Ws+WR的范圍內(nèi)無重復(fù)序號,對于位置②,要求在Ws的范圍內(nèi)無重復(fù)序號,對于位置①,除了要求在Ws的范圍內(nèi)無重復(fù)序號外,還要求發(fā)送端重發(fā)的哪些數(shù)據(jù)幀的序號不能與WR的范圍內(nèi)的序號重復(fù)。綜合以上三種要求可知,當用n個比特進行編號時,發(fā)送窗口的大小Ws和接收窗口的大小WR必須滿足以下的約束關(guān)系：Ws+WR<=2n如果從滑動窗口的觀點來看停止等待協(xié)議、連續(xù)ARQ協(xié)議和選擇重發(fā)ARQ協(xié)議,它們都可以看做是一種滑動窗口協(xié)議,差別僅在于各自窗口尺寸的大小不同而已。對于停止等待協(xié)議,Ws=1,WR=1,根據(jù)公式3-1可知n>=1。因此,對于數(shù)據(jù)幀編號只需要1比特就足夠了。對于連續(xù)ARQ協(xié)議,WR=1,根據(jù)公式3-1可得出Ws<=2n-1,所以發(fā)送窗口的取值范圍為1<Ws<=2n-1。用3比特編碼時,發(fā)送窗口的最大值是7。對于選擇重發(fā)ARQ協(xié)議,Ws>1,WR>1,Ws+WR<=2n。由于接收窗口不能大于發(fā)送窗口,因此接收窗口的取值范圍1<WR<=2n-1,當n=3時,WRmax=4,Ws=4。HDLC協(xié)議早期的計算機通信所使用的數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議都是面向字符的,如ARPANET的IMP-IMP協(xié)議和IBM公司BSC規(guī)程。所謂面向字符就是說在鏈路上所傳送的數(shù)據(jù)必須是由規(guī)定字符集〔例如ASCII碼中的字符所組成。不僅如此,在鏈路上傳送的控制信息也必須由同一個字符集中的若干指定的控制字符構(gòu)成。1974年IBM推出了著名的體系結(jié)構(gòu)SNA,SNA中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議采用了面向比特的SDLC〔SynchronousDataLinkControl。所謂面向比特是指鏈路上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和控制信息都是由比特來組成的,比特是最基本的單元,由于比特組合是多種多樣的,因此幀中的控制信息可以得出很多不同的功能,這就使得SDLC協(xié)議能滿足各種用戶的不同需求。SDLC使用同步傳輸,傳輸效率大大提高。后來,ISO對SDLC進行了修改,稱為高級數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程HDLC,作為國際標準ISO3309。CCITT則將HDLC再修改后稱為鏈路接入規(guī)程LAP〔LinkAccessProcedure,并作為建議書X.25的一部分。不久,HDLC的新版本又把LAP修改為LAPB〔Balanced鏈路接入規(guī)程。HDLC幀格式HDLC的幀格式如圖所示。HDLC幀中的信息字段的長度沒有具有沒有具體的規(guī)定,其用來封裝網(wǎng)絡(luò)層交下來的分組。標志字段F〔flag為01111110,共8個比特,標識一個幀的開始和結(jié)束,作為幀的邊界。HDLC使用零比特填充法實現(xiàn)透明傳輸。地址字段A是8個比特。全1為廣播地址,而全0為無效地址,有效地址共254個,HDLC可用于實現(xiàn)一點對多點的通信?？刂谱侄蜟共8bit,最復(fù)雜的字段。HDLC許多重要的功能都靠控制字段來實現(xiàn),根據(jù)其前面兩個比特的取值,可將HDLC的幀劃分為三大類,即信息幀〔控制字段的第1比特為0時、管理幀〔控制字段的第1-2比特為10時和無編號幀〔控制字段的第1-2比特都是1時。在控制字段中有幾個比特用于幀的編號〔傳送數(shù)據(jù)的信息幀和確認幀都帶有編號,如圖3.27所示,信息幀中的Seq域是某一幀的序號,Next域是一個捎帶確認〔所期望接收的下一幀的序號,因此HDLC可以使用連接ARQ或選擇重發(fā)ARQ協(xié)議,從而實現(xiàn)可靠傳輸。信息幀中控制字段的格式檢驗序列FCS字段共16比特,校驗范圍是從地址字段的第1個比特起,到信息字段的最后1個比特為止。它采用生成多項式的是CRC-CCITT因特網(wǎng)的點對點協(xié)議PPPInternet是由大量的主機和路由器以及連接它們的通信設(shè)施構(gòu)成的。無論是路由器到路由器的租用專線的連接,還是從主機到路由器的撥號連接,在線路上都需要某一種點對點的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,來完成組幀、錯誤控制以及其它數(shù)據(jù)鏈路層功能?，F(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點對點協(xié)議PPP<Point-to-PointProtocol>。用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時,一般都是使用PPP協(xié)議。它有多種用途,其中包括傳送從路由器到路由器的流量,以及家庭用戶到ISP之間的流量。PPP協(xié)議是由IETF于1992年制訂,經(jīng)過1993年和1994年的修訂,現(xiàn)在的PPP協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標準[RFC1661],另外[RFC1662]和[RFC1663]又進一步對其進行了詳細的闡述。PPP協(xié)議的工作狀態(tài)PPP協(xié)議有三個組成部分：一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法、鏈路控制協(xié)議LCP<LinkControlProtocol>、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP<NetworkControlProtocol>。PPP協(xié)議的幀格式標志〔Flag域使用01111110〔0x7E進行首尾定界,標識一幀的開始與結(jié)束。當PPP進行異步傳輸和同步傳輸時,分別使用字節(jié)填充法和零比特填充法來實現(xiàn)PPP幀的透明傳輸。地址域和控制域默認配置下總是常量,所以LCP提供了必要的機制,允許通過協(xié)商,將二者省略。地址〔Address域總是被設(shè)置成11111111〔0xFF,以表示所有站都可以接受該幀。控制〔Control域的默認值為00000011〔0x03,表明此幀為一個無編號的幀,也就是說,在默認方式下,PPP并沒有使用序號和確認來實現(xiàn)可靠傳輸。在有噪聲的環(huán)境〔如無線網(wǎng)絡(luò),可以使用編號模式來實現(xiàn)可靠傳輸。但在實踐中很少使用可靠傳輸。協(xié)議〔Protocol域是指明凈荷中是哪一種分組。如其值為0x21時,PPP幀的凈載荷是IP數(shù)據(jù)報,為0xC021時,PPP幀的凈載荷是鏈路控制協(xié)議LCP的數(shù)據(jù),為0x8021時,PPP幀的凈載荷是網(wǎng)絡(luò)層控制數(shù)據(jù)。協(xié)議域的默認大小為2字節(jié),通過LCP可以將它協(xié)商為1字節(jié)。凈荷〔Payload域是變長的,最多可達到商定的最大值,如果在線路建立時沒有通過LCP協(xié)商該長度的大小,則使用默認值1500字節(jié)。校驗和〔Checksum域是使用CRC的幀校驗序列FCS,通常為2字節(jié),可通過協(xié)商使用4個字節(jié)。透明傳輸問題：當PPP用在同步傳輸鏈路時,協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充〔和HDLC的做法一樣。當PPP用在異步傳輸時,就使用一種特殊的字節(jié)填充法。PPP協(xié)議的特點：PPP協(xié)議是不可靠的傳輸協(xié)議。PPP協(xié)議要求簡單,不進行糾錯、流量控制,在RFC1661定義的PPP不提供像HDLC那樣〔使用序號和確認,不使用序號和確認機制保證可靠傳輸。PPP之所以被做成了不可靠的協(xié)議原因主要是：<1>在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯的概率不大時,使用比較簡單的PPP協(xié)議較為合理。<2>在因特網(wǎng)環(huán)境下,PPP的信息字段放入的數(shù)據(jù)是IP數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。<3>幀檢驗序列FCS字段可保證無差錯接受。3.5網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的功能網(wǎng)絡(luò)連接、路由選擇與轉(zhuǎn)發(fā)、擁塞控制、數(shù)據(jù)傳輸〔分組交換、存儲轉(zhuǎn)發(fā)、其他功能〔分段與組合、多路復(fù)用、子網(wǎng)接入、計費、異構(gòu)網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換、差錯檢測與恢復(fù)等網(wǎng)絡(luò)層提供的兩種服務(wù)面向連接和無連接的服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)層的實現(xiàn)方式是虛電路和數(shù)據(jù)報。電信網(wǎng)設(shè)計者的思路：計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)使用面向連接的通信方式,兩個計算機通信時,建立虛電路<VirtualCircuit>,以保證雙方通信所需的一切網(wǎng)絡(luò)資源。雙方沿著已建立的虛電路發(fā)送分組,分組中不需要填寫完整的目的主機地址,只需要填寫這條虛電路的編號。虛電路表示這只是一條邏輯上的連接,分組都沿著這條邏輯連接按照存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式傳送,而并不是真正建立了一條物理連接。請注意,電路交換的電話通信是先建立了一條真正的連接。因此分組交換的虛連接和電路交換的連接只是類似,但并不完全一樣。因特網(wǎng)采用的設(shè)計思路：計算機網(wǎng)絡(luò)提供無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)即可。網(wǎng)絡(luò)層向上只提供簡單靈活的、無連接的、盡最大努力交付的數(shù)據(jù)報服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)在發(fā)送分組時不需要先建立連接。每一個分組〔即IP數(shù)據(jù)報獨立發(fā)送,與其前后的分組無關(guān)〔不進行編號。網(wǎng)絡(luò)層不提供服務(wù)質(zhì)量的承諾。即所傳送的分組可能出錯、丟失、重復(fù)和失序〔不按序到達終點,當然也不保證分組傳送的時限。因特網(wǎng)采用的設(shè)計思路的好處：使網(wǎng)絡(luò)的造價大大降低,運行方式靈活,能夠適應(yīng)多種應(yīng)用。由于傳輸網(wǎng)絡(luò)不提供端到端的可靠傳輸服務(wù),這就使網(wǎng)絡(luò)中的路由器可以做得比較簡單,而且價格低廉〔與電信網(wǎng)的交換機相比較。如果主機〔即端系統(tǒng)中的進程之間的通信需要是可靠的,那么就由網(wǎng)絡(luò)的主機中的運輸層負責〔包括差錯處理、流量控制等。比較虛電路服務(wù)與數(shù)據(jù)報服務(wù)對比的方面虛電路服務(wù)數(shù)據(jù)報服務(wù)思路可靠通信應(yīng)當由網(wǎng)絡(luò)來保證可靠通信應(yīng)當由用戶主機來保證連接的建立必須有不需要終點地址僅在連接建立階段使用,每個分組使用短的虛電路號每個分組都有終點的完整地址分組的轉(zhuǎn)發(fā)屬于同一條虛電路的分組均按照同一路由進行轉(zhuǎn)發(fā)每個分組獨立選擇路由進行轉(zhuǎn)發(fā)當結(jié)點出故障時所有通過出故障的結(jié)點的虛電路均不能工作出故障的結(jié)點可能會丟失分組,一些路由可能會發(fā)生變化分組的順序總是按發(fā)送順序到達終點到達終點時不一定按發(fā)送順序端到端的差錯處理和流量控制可以由網(wǎng)絡(luò)負責,也可以由用戶主機負責由用戶主機負責路由選擇及分類路由選擇：通信子網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點和目的節(jié)點提供了多條傳輸路徑,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在收到一個分組后后,要確定向下一節(jié)點傳送的路徑,這就是路由選擇。在數(shù)據(jù)報方式中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要為每個分組路由做出選擇。而在虛電路方式中,只需在連接建立時確定路由。路由算法：確定路由選擇的策略稱路由算法。分為靜態(tài)路由和動態(tài)路由。理想的路由算法應(yīng)具有以下一些特點：算法必須是正確和完整的、算法在計算上應(yīng)簡單、算法應(yīng)能適應(yīng)通信量和網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化〔自適應(yīng)性、算法應(yīng)具有穩(wěn)定性、算法應(yīng)是公平的、算法應(yīng)是最佳的。擁塞控制擁塞是指當通信子網(wǎng)中有太多的分組時,網(wǎng)絡(luò)吞吐量將隨流入網(wǎng)絡(luò)的分組的增加而下降,網(wǎng)絡(luò)的性能會明顯變差,甚至導(dǎo)致通信業(yè)務(wù)停頓〔死鎖。擁塞控制的基本方法：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制方法就是在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時事先將有關(guān)發(fā)生擁塞的因素考慮周到,力求網(wǎng)絡(luò)在工作時不產(chǎn)生擁塞。閉環(huán)控制是基于反饋環(huán)路的概念。屬于閉環(huán)控制的有以下幾種措施：監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以便檢測到擁塞在何時、何處發(fā)生。將擁塞發(fā)生的信息傳送到可采取行動的地方。調(diào)整網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行以解決出現(xiàn)的問題。擁塞具體處理方法：分組刪除、流量控制、緩沖分配、抑制分組。死鎖兩種類型：存儲轉(zhuǎn)發(fā)死鎖、重裝死鎖。3.6傳輸層傳輸層的地位和作用：傳輸層是OSI或TCP/IP模型中最重要的一層。傳輸層的兩個主要目的是：提供可靠的端對端的通信、為高層提供透明的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。傳輸層通常只存在于端主機中,實現(xiàn)源主機到目的主機"端到端"的連接。傳輸層提供面向連接的服務(wù)和無連接服務(wù)兩種類型。傳輸層提供服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)層類似,但傳輸層并不是可有可無的。原因是：通信子網(wǎng)類型眾多、服務(wù)質(zhì)量千差萬別,需要傳輸層為高層提供獨立于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一通信服務(wù)。通信子網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量不一定完全可靠。需要傳輸層補充和完善通信子網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量差異和不足,提供差錯控制、流量控制、崩潰恢復(fù)等傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層的不同：網(wǎng)絡(luò)層是為主機之間提供邏輯傳輸；傳輸層是為應(yīng)用進程之間提供邏輯傳輸。傳輸層協(xié)議的基本要素連接管理尋址：通常采用地址=<國家><網(wǎng)絡(luò)><主機><端口>,而在Internet中<IP地址><端口>。多路復(fù)用：向上多路復(fù)用〔多個傳輸連接共用一條網(wǎng)絡(luò)連接不同的傳輸服務(wù)走不同的端口、向下多路復(fù)用〔一條傳輸連接使用多個網(wǎng)絡(luò)連接流量控制：使用滑動窗口協(xié)議,但不同于數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)緩沖策略。崩潰恢復(fù)：如果網(wǎng)絡(luò)層中的路由器發(fā)生崩潰,仍保證數(shù)據(jù)安全到達目的節(jié)點。3.7會話層會話層的功能：管理用戶進程之間的對話過程,數(shù)據(jù)傳輸同步。會話層所提供的服務(wù)：會話連接建立與釋放〔有序、無序、數(shù)據(jù)交換管理〔會話管理和數(shù)據(jù)傳輸同步、活動管理、異常報告。3.8表示層表示層：完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,保證通信雙方相互理解。其提供的服務(wù)主要包括：語法轉(zhuǎn)換、表示上下文、數(shù)據(jù)壓縮、加密等。3.9應(yīng)用層應(yīng)用層位于最高層,它為本地系統(tǒng)的應(yīng)用進程提供訪問網(wǎng)絡(luò)的手段。它提供的服務(wù)主要包括：FTP、telnet、HTTP、DNS、DHCP、POP、SMTP、IMAP等。第四章局域網(wǎng)4.1局域網(wǎng)概述局域網(wǎng)的產(chǎn)生與發(fā)展對局域網(wǎng)的研究開始于20世紀60年代,局域網(wǎng)產(chǎn)生于20世紀70年代,1975年美國Xerox公司推出的Ethernet,是局域網(wǎng)發(fā)展史上重要里程碑。1980年,美國的Xerox,DEC和Intel公司聯(lián)合公布了EthernetII。1980年2月,IEEE下屬802局域網(wǎng)標準委員會成立,相繼推出了一系列局域網(wǎng)標準。20世紀90年代以來,局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展突飛猛進,日新月異的新技術(shù)、新產(chǎn)品令人目不暇接。目前,以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)技術(shù)最主要的,也是應(yīng)用最廣泛的兩項局域網(wǎng)技術(shù)局域網(wǎng)特點局域網(wǎng)是指覆蓋較小的地理范圍的計算機網(wǎng)絡(luò),它有如下特點：地理范圍??；傳輸速率高；誤碼率低；協(xié)議簡單、拓撲結(jié)構(gòu)靈活〔總線、星型、環(huán)型等；網(wǎng)中無中央主機,以PC機為主,各站共享公共信道；功能只包括OSI參考模型中的低三層功能〔通信子網(wǎng)。局域網(wǎng)的分類按網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)：總線型、星型、環(huán)型局域網(wǎng)等按網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)：同軸電纜、雙絞線、光纖、無線局域網(wǎng)等按數(shù)據(jù)傳輸速率：10M,100M,1000M局域網(wǎng)等按介質(zhì)訪問方式：以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)、令牌總線網(wǎng)等4.2局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)中層次劃分需求由OSI模型可知,依賴于網(wǎng)絡(luò)的層次主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。在局域網(wǎng)中物理層必不可少,物理層負責物理連接和在媒體上傳輸比特流,其主要任務(wù)是描述傳輸媒體接口的一些特性；數(shù)據(jù)鏈路層也