第1章 計算機網(wǎng)絡基礎知識

第1章計算機網(wǎng)絡基礎知識1.1計算機網(wǎng)絡的發(fā)展過程1.2計算機網(wǎng)絡的基本概念1.3計算機網(wǎng)絡的類型1.4計算機網(wǎng)絡的體系結構1.5數(shù)據(jù)通信基礎1.1計算機網(wǎng)絡的發(fā)展

計算機網(wǎng)絡是計算機技術和通信技術結合的產(chǎn)物，主要經(jīng)歷了四個發(fā)展階段：第一階段：20世紀50年代終端--計算機系統(tǒng)

第二階段：20世紀60年代共享資源的計算機網(wǎng)絡

ARPAnet與分組交換技術的研究與發(fā)展。第三階段：20世紀70年代標準化的計算機網(wǎng)絡網(wǎng)絡體系結構與協(xié)議標準化的研究、廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)與公用分組交換網(wǎng)的研究與應用。第四階段：20世紀90年代國際化的計算機網(wǎng)絡

網(wǎng)絡計算技術的飛速發(fā)展?；ミB、高速、更為廣泛的Internet技術應用為特點。一、計算機網(wǎng)絡的發(fā)展階段1.2計算機網(wǎng)絡的基本概念

人們通常對“計算機網(wǎng)絡”的定義是：計算機網(wǎng)絡是將分布在不同地理位置的具有獨立功能的計算機系統(tǒng)，利用通信設備和線路相互連接起來，在網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡軟件的支持下，進行數(shù)據(jù)通信、實現(xiàn)資源共享的系統(tǒng)。1計算機網(wǎng)絡建立的主要目的是實現(xiàn)計算機資源共享在網(wǎng)絡中的共享資源指：硬件資源、軟件資源和數(shù)據(jù)資源。一般將計算機資源共享作為網(wǎng)絡的最基本特征。2互連的計算機都是獨立的“自治計算機”

一個計算機網(wǎng)絡可以包含有多臺具有“自治”功能的計算機，所謂的“自主”是指這些計算機離開計算機網(wǎng)絡之后，也能獨立地工作和運行。通常將這些計算機稱為“主機”(host)，在網(wǎng)絡中又叫做節(jié)點或站點。一般，在網(wǎng)絡中的共享資源均分布在這些計算機中。3聯(lián)網(wǎng)計算機之間通信必須遵循共同的網(wǎng)路協(xié)議

構成計算機網(wǎng)絡時需要使用通信的手段，把有關的計算機(節(jié)點)“有機地”連接起來。所謂的“有機”地連接是指連接時彼此必須遵循所規(guī)定的約定和規(guī)則。這些約定和規(guī)則就是通信協(xié)議。一、計算機網(wǎng)絡定義的基本理解二、計算機網(wǎng)絡的組成(一)計算機網(wǎng)絡的系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)信息的收集、存儲和處理，并提供各種網(wǎng)絡資源根據(jù)用途分為服務器和工作站數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由通信控制處理機、傳輸介質和網(wǎng)絡連接設備組成完成數(shù)據(jù)通信控制與處理計算機網(wǎng)絡軟件網(wǎng)絡協(xié)議軟件、網(wǎng)絡通信軟件、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理軟件和網(wǎng)絡應用軟件。方便用戶使用網(wǎng)絡資源；管理和調度網(wǎng)絡資源。1.計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)（主機）包括：大型機、中型機、小型機、工作站或微機。主機是資源子網(wǎng)的主要組成單元，它通過高速通信線路與通信子網(wǎng)的通信控制處理機相連接。功能：主機要為本地用戶訪問網(wǎng)絡其它主機設備與資源提供服務，完成數(shù)據(jù)信息處理，同時要為網(wǎng)中遠程用戶共享本地資源提供服務。按功能可分為服務器和工作站。2.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)通信控制處理機（CCP）主要負責主機與網(wǎng)絡的信息傳輸控制。又被稱為網(wǎng)絡節(jié)點。一方面作為與資源子網(wǎng)的主機、終端連接的接口，將主機和終端連入網(wǎng)內；另一方面它又作為通信子網(wǎng)中的分組存儲轉發(fā)節(jié)點，完成分組的接收、校驗、存儲、轉發(fā)等功能，實現(xiàn)將源主機報文準確發(fā)送到目的主機的作用。網(wǎng)絡連接設備（網(wǎng)絡設備）主要實現(xiàn)網(wǎng)絡中主機與主機、網(wǎng)絡與網(wǎng)絡之間的連接，數(shù)據(jù)信號的轉換以及路由選擇等功能。主要包括：中繼器、集線器、調制解調器、網(wǎng)橋、交換機、路由器、網(wǎng)關等設備。傳輸介質（通信線路）傳輸介質是傳輸數(shù)據(jù)信號的物理通道，它將網(wǎng)絡中各種設備連接起來，計算機網(wǎng)絡采用了多種通信線路，如電話線、雙絞線、同軸電纜、光纖、無線通信信道、微波與衛(wèi)星通信信道等。3.計算機網(wǎng)絡的軟件

網(wǎng)絡操作系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)資源共享，管理用戶的應用程序對不同資源的訪問。典型的操作系統(tǒng)有Windows2000Sever、Netware、UNIX等。網(wǎng)絡協(xié)議軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議功能，比如TCP/IP、IPX/SPX等。網(wǎng)絡管理軟件用來對網(wǎng)絡資源進行管理，對網(wǎng)絡進行維護。網(wǎng)絡服務器軟件運行在特定的操作系統(tǒng)上，提供網(wǎng)絡服務的軟件。網(wǎng)絡應用軟件網(wǎng)絡應用軟件是為網(wǎng)絡用戶提供服務的，是網(wǎng)絡用戶在網(wǎng)絡上解決實際問題的軟件。1.計算機網(wǎng)絡的邏輯組成

資源子網(wǎng)：資源子網(wǎng)由服務器、工作站、共享設備（打印機、網(wǎng)絡硬盤）、各種軟件資源與信息資源組成。資源子網(wǎng)負責全網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理，向網(wǎng)絡用戶提供各種網(wǎng)絡資源與各種網(wǎng)絡服務。通信子網(wǎng)：主要由網(wǎng)絡識配器（網(wǎng)卡）、集線器、交換機、路由器、傳輸介質及相關軟件組成，主要完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、轉發(fā)等通信處理任務。(二)計算機網(wǎng)絡的邏輯組成2.早期網(wǎng)絡結構的特點示意圖早期計算機網(wǎng)絡結構：從邏輯功能上可以分為資源子網(wǎng)和通信子網(wǎng)等兩個部分。

3.現(xiàn)代網(wǎng)絡結構的特點示意圖

三、計算機網(wǎng)絡的功能數(shù)據(jù)交換和通信計算機網(wǎng)絡中的計算機之間或計算機與終端之間，可以快速可靠地相互傳遞數(shù)據(jù)、程序或文件。資源共享充分利用計算機網(wǎng)絡中提供的資源（包括硬件、軟件和數(shù)據(jù)）是計算機網(wǎng)絡組網(wǎng)的主要目標之一。提高系統(tǒng)的可靠性在一些用于計算機實時控制和要求高可靠性的場合，通過計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)備份技術可以提高計算機系統(tǒng)的可靠性。分布式網(wǎng)絡處理和負載均衡對于大型的任務或當網(wǎng)絡中某臺計算機的任務負荷太重時，可將任務分散到網(wǎng)絡中的各臺計算機上進行，或由網(wǎng)絡中比較空閑的計算機分擔負荷。1.3計算機網(wǎng)絡的類型分類按網(wǎng)絡的作用范圍：局域網(wǎng)城域網(wǎng)廣域網(wǎng)按網(wǎng)絡的拓撲結構：總線型網(wǎng)絡環(huán)型網(wǎng)絡星型網(wǎng)絡按服務的提供方式：對等網(wǎng)客戶端/服務器網(wǎng)絡按介質訪問協(xié)議：以太網(wǎng)令牌環(huán)網(wǎng)令牌總線網(wǎng)按通信介質：有線網(wǎng)無線網(wǎng)按傳輸技術：廣播式網(wǎng)絡點到點網(wǎng)絡1.4計算機網(wǎng)絡的體系結構概念網(wǎng)絡是一個復雜、龐大的系統(tǒng)，為了減少計算機網(wǎng)絡的在研究和實現(xiàn)上復雜程度，可將計算機網(wǎng)絡按功能劃分為若干個層次。不同層次完成不同功能，低層為其更高層次提供必要的服務功能。層次間的聯(lián)系通過特定接口完成。網(wǎng)絡體系結構完成計算機間的通信合作，把每個計算機互聯(lián)的功能劃分成有明確定義的層次，并規(guī)定同層次進程通信的協(xié)議及相鄰層之間的接口服務；網(wǎng)絡層次結構模型與各層協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡體系結構社會上存在的郵政系統(tǒng)一、網(wǎng)絡體系結構的相關概念

協(xié)議（Protocol）網(wǎng)絡協(xié)議是為實現(xiàn)網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而制定的規(guī)則、約定與標準。網(wǎng)絡協(xié)議的三要素：語義、語法與時序；語法：語法是用戶數(shù)據(jù)與控制信息的結構與格式，以及數(shù)據(jù)出現(xiàn)的順序的意義；語義：用于解釋比特流的每一部分的意義；時序：事件實現(xiàn)順序的詳細說明。1.網(wǎng)絡協(xié)議的概念3.接口(Interface)層次是人們對復雜問題處理的基本方法；層次之間的信息交接點；2.層次（layer）二、OSI/RM開放系統(tǒng)參考模型

為了實現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)之間以及不同網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信，國際標準化組織ISO對各類計算機網(wǎng)絡體系結構進行了研究，并于1981年正式公布了一個網(wǎng)絡體系結構模型作為國際標準，稱為開放系統(tǒng)互連參考模型(OSI/RM)，也稱為ISO/OSI?！伴_放”表示任何兩個遵守OSI/RM的系統(tǒng)都可以進行互連，當一個系統(tǒng)能按OSI/RM與另一個系統(tǒng)進行通信時，就稱該系統(tǒng)為開放系統(tǒng)。1.OSI的分層模型2.OSI各層的功能概述第7層：應用層(ApplicationLayer)為網(wǎng)絡用戶或應用程序提供各種服務，如文件傳輸、電子郵件(E-mail)、分布式數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡管理等。第6層：表示層(PresentationLayer)為應用層提供信息表示方式的服務，如數(shù)據(jù)格式的變換、文本壓縮、加密技術等。第5層：會話層(SessionLayer)主要任務是維護節(jié)點間兩個進程間的通信，并對數(shù)據(jù)傳輸進行管理。OSI各層的功能概述（二）第4層：傳輸層(TransportLayer)為上層提供端到端(最終用戶到最終用戶)的透明的傳輸服務。所謂透明的傳輸是指在通信過程中傳輸層對上層屏蔽了通信傳輸系統(tǒng)的具體細節(jié)。第3層：網(wǎng)絡層(NetworkLayer)為傳輸層的數(shù)據(jù)傳輸提供建立、維護和終止網(wǎng)絡連接的手段，把上層來的數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)包(Packet)在節(jié)點之間進行交換傳送，并且負責路由控制和擁塞控制。OSI各層的功能概述

（三）第2層：數(shù)據(jù)鏈路層(DataLinkLayer)在物理層提供比特流服務的基礎上，建立相鄰節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路，傳輸以“幀”為單位的數(shù)據(jù)包。通過差錯控制提供數(shù)據(jù)幀在信道上無差錯地傳輸，并進行數(shù)據(jù)流量控制。第1層：物理層(PhysicalLayer)利用傳輸介質為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，在物理信道上實現(xiàn)比特（bit）流的透明傳輸。提供為建立、維護和拆除物理鏈路連接所需的各種傳輸介質、通信接口特性等。3.OSI/RM的信息流動

1.5數(shù)據(jù)通信基礎一、數(shù)據(jù)通信的基本概念1數(shù)據(jù)、信號與數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)（Data）:被傳輸?shù)亩M制代碼為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像用二進制代碼的數(shù)據(jù)來表示；

信號（signal）:是數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)。信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電信號的表示形式，為傳輸二進制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬或數(shù)字信號編碼的方式表示。數(shù)據(jù)通信:是指在不同計算機之間傳送表示字母、數(shù)字、符號的二進制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號的過程。2.數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本結構數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本通信模型：產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源與信宿通過通信線路進行通信，在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，也將通信線路稱為信道；在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，傳輸模擬信號的系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)，而傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。二、通信信道的分類

信道是信號傳輸?shù)耐ǖ溃▊鬏斆襟w和通信設備。傳輸媒體可以是有形媒體，如電纜、光纖等，也可以是無形媒體，如傳輸電磁波的空間。信道按所使用的傳輸介質分類，可以分為有線信道與無線信道；有線信道使用有形的媒體作為傳輸介質的信道稱之為有線信道。有線信道包括電話線、雙絞線、同軸電纜和光纜等；無線信道以電磁波在空間傳播方式傳送信息的信道稱之為無線信道。無線信道包括無線電、微波、紅外線和衛(wèi)星通信信道等。三、數(shù)據(jù)通信的技術指標

數(shù)據(jù)通信速率（傳輸速率）傳輸率是指數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)乃俣?。?shù)據(jù)通信速率分為兩種：波特率和信息速率。波特率：模擬線路信號的速率，也稱調制速率，以波形每秒的振蕩數(shù)來衡量，也叫碼元速率信息速率：每秒中傳送的信息量，單位為比特/秒（bit/s），又稱為比特率；波特率與比特率的關系為：比特率=波特率×單個調制狀態(tài)對應的二進制位數(shù)信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，通常稱為信道的通頻帶，單位用赫茲（Hz）表示。信道帶寬是由信道的物理特性所決定的，如電話線路的頻率范圍在300～3400Hz，則它的帶寬300～3400Hz。信道容量（信道的最大傳輸速率）是衡量一個信道傳輸數(shù)字信號的重要參數(shù)。信道容量是指單位時間內信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)，用每秒比特數(shù)（bps）表示。當傳輸?shù)男盘査俾食^信道的最大信號速率時，就會產(chǎn)生失真。四、數(shù)據(jù)傳輸方式并行通信數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行信道上同時進行傳輸。并行通信的優(yōu)點是速度快，但發(fā)端與收端之間有若干條線路，導致費用高，僅適合于近距離和高速率的通信。1.數(shù)據(jù)的串行傳輸和并行通信串行通信數(shù)據(jù)流以一次一個比特位的方式在一條信道上傳輸，串行通信的優(yōu)點是收、發(fā)雙方只需要一條傳輸信道，易于實現(xiàn)，成本低，但速度比較低。2.單工、半雙工、全雙工通信單工方式：指通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號僅沿一個方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收而不能發(fā)送，任何時候都不能改變信號傳送方向。半雙工通信：是指信號可以沿兩個方向傳送，但同一時刻一個信道只允許單方向傳送，即兩個方向的傳輸只能交替進行，而不能同時進行。當改變傳輸方向時，要通過開關裝置進行切換。如公安系統(tǒng)使用的“對講機”全雙工通信：是指數(shù)據(jù)可以同時沿相反的兩個方向作雙向傳輸。比如，電話通話。3.基帶傳輸、頻帶傳輸基帶傳輸就數(shù)字信號而言，它是一個離散的方波，“0”代表低電平，“1”代表高電平，這種方波固有的頻帶稱為基帶，方波信號稱為基帶信號，因此，基帶實際上就是數(shù)字信號所占用的基本頻帶?；鶐鬏斒窃谛诺乐兄苯觽鬏敂?shù)字信號，且傳輸媒體的整個帶寬都被基帶信號占用，雙向地傳輸信息。頻帶傳輸所謂頻帶傳輸是指將數(shù)字信號調制成音頻信號后再發(fā)送和傳輸，到達接收端時再把音頻信號解調成原來的數(shù)字信號?？梢?，在采用頻帶傳輸方式時，要求發(fā)送端和接收端都要安裝調制器和解調器。在實現(xiàn)遠距離通信時，經(jīng)常借助于電話線路，此時就需要利用頻帶傳輸方式。利用頻帶傳輸，不僅解決了利用電話系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號的問題，而且可以實現(xiàn)多路復用，以提高傳輸信道的利用率。五、信道復用技術

信道復用的目的是讓不同的計算機連接到相同的信道上，共享信道資源。四種信道復用方式：頻分復用FDM、時分復用TDM、(波分復用WDM和碼分復用)。1.頻分多路復用FDMFDM是把信道的可用頻帶分成多個互不交叉（重疊）的頻段（帶），每個信號占其中一個頻段。接收時用適當?shù)臑V波器分離出不同信號，分別進行解調接收。2.時分多路復用TDM同步時分復用STDM

STDM采用固定時間片分配方式，將傳輸信號的時間按特定長度連續(xù)地劃分成特定時間段（一個周期），再將每一時間段劃分成等長度的多個時隙，每個時隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號，各路數(shù)字信號在每一時間段都順序分配到一個時隙。由于在同步時分復用方式中，時隙預先分配且固定不變，無論時隙擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)都占有一定時隙，形成了時隙浪費，其時隙的利用率很低。2.時分多路復用TDM異步時分復用ATDM只有當某一信源有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才把時間片分配給它；把發(fā)送端地址和接收端地址作為附加信息發(fā)送。六、數(shù)據(jù)交換技術在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，當終端與計算機之間，或者計算機與計算機之間不是直通專線連接，而是要經(jīng)過通信網(wǎng)絡的接續(xù)過程來建立連接的時候，那么兩端系統(tǒng)之間的傳輸通路就是通過通信網(wǎng)絡中若干節(jié)點轉接而成的所謂“交換線路”。在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中，通過網(wǎng)絡節(jié)點的某種轉接方式來實現(xiàn)從任一端系統(tǒng)到另一端系統(tǒng)之間接通數(shù)據(jù)通路的技術，就稱為數(shù)據(jù)交換技術。數(shù)據(jù)交換技術主要包括電路交換、存儲--轉發(fā)兩種方式也稱為線路交換，是為一對需要進行通信的節(jié)點之間提供一條臨時的專用通道，即提供一條專用的傳輸通道。電路交換的步驟：電路建立通過源節(jié)點請求完成交換網(wǎng)中相應節(jié)點的連接過程，這個過程建立起一條由源節(jié)點到目的節(jié)點傳輸通道。數(shù)據(jù)傳輸電路建立完成后，就可以在這條臨時的專用電路上傳輸數(shù)據(jù)。電路拆除在完成數(shù)據(jù)傳輸后，源節(jié)點發(fā)出釋放請求信息，請求終止通信。在電路拆除階段，各節(jié)點相應地拆除該電路的對應連接，釋放由該電路占用的節(jié)點和信道資源1.“電路交換”方式2.“存儲-轉發(fā)”方式為要發(fā)送的信息帶上源地址和目標地址，由通信網(wǎng)絡中的節(jié)點一步一步選擇路徑進行存儲—轉發(fā)，使數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡上傳遞。存儲--轉發(fā)的兩種方式：報文交換分組交換報文頭數(shù)據(jù)報文交換(MessageSwitching)

數(shù)據(jù)以報文(message)為單位傳輸，報文可以理解為信息的一個邏輯單位，長度不限且可變，數(shù)據(jù)傳送過程采用存儲轉發(fā)的方式。結點A結點F結點C結點E結點D結點G結點Bp2p1p1p1p1p2p2p2p1p2ACKACKACKACKACKACK主機A主機B分組交換(PacketSwitching)分組交換屬于“存儲/轉發(fā)”交換，它不像報文交換以報文為單位進行交換、傳輸，而是以更短的、標準的“報文分組”（Packet）為單位進行交換傳輸。

由于電路交換在通信之前要在通信雙方之間建立一條被雙方獨占的物理通路（由通信雙方之間的交換設備和鏈路逐段連接而成），因而有以下優(yōu)缺點。優(yōu)點：①由于通信線路為通信雙方用戶專用，數(shù)據(jù)直達，所以傳輸數(shù)據(jù)的時延非常小。②通信雙方之間的物理通路一旦建立，雙方可以隨時通信，實時性強。③雙方通信時按發(fā)