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第1章 计算机网络概述

1.1 计算机网络的定义和发展历史

1.1.1计算机网络的定义

• 计算机网络是由计算机技术和通信技术的紧密结合形成的。

• 计算机网络就是将分布在不同地理位置、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，用通信设备和通信链路链接起来，在网络操作系统和通信协议及网络管理软件的协调下实现“资源共享和信息传递”的系统。

• 所谓的网络资源包括硬件资源（力图大容量磁盘、光盘阵列、打印机等），软件资源（例如工具软件、应用软件等）和数据资源（例如数据文件和数据库等）。

1.1.2 计算机网络的发展历史

• 发展历史的四个阶段远程终端联机阶段、计算机网络阶段、计算机网络互联阶段、Internet与信息高速公路阶段。

• 在计算机发展的早期阶段，计算机所采用的操作系统多为分时系统，分时系统将主机时间分成片，给用户分配一定的时间片。

• 1969年12月，Internet的前身--美国的ARPA NET 投入运行，它标志着我们常称的计算机网络的诞生。

• 20世纪80年代初，随着微机应用的推广，微机联网的需求也随之增大，各种基于微机互联的局域网纷纷出台。

• 国际标准化组织（iso）在1984年正式颁布了开放系统互联参考模型（osi/rm），使计算机网络体系结构实现了标准化。

• 1993年美国宣布建立国家信息基础设施（NII）后，全世界许多国家纷纷制定和建立本国的NII，从而极大地推动力计算机网络技术的发展，使计算机网络进入了一个崭新的阶段。

1.2 计算机网络的功能和应用

1.2.1计算机网络的功能

• 实现计算机系统的资源共享、实现数据信息的快速传递、提高可靠性、提供负载均衡与分布式处理能力、集中管理、综合性息服务

1.2.2 计算机网络的应用

• 办公自动化、管理信息系统、过程控制、Internet应用（电子邮件（Email）、信息发布、电子商务（ECommerce）、远程音频、视频应用）

1.3 计算机网络的系统组成

• 计算机网络是由网络硬件系统和网络软件系统组成的。从拓扑结构看计算机网络是由一些网络节点和链接这些网络节点的通信链路组成的。

1.3.1 网络节点和通信链路

1. 网络节点

   • 计算机网络中的节点又称网络单元，一般分为3种：访问节点、转接节点、混合节点，一般情况下，网络节点具有双重性既可以作为访问又可以做转接。

2. 通信链路

   • 通信链路是指两个网络节点之间传输信息和数据的线路。链路可用各种传输介质实现，例如：双绞线、同轴电缆、光纤、微波等。

   • 通信链路又分为物理链路和逻辑链路：物理链路是由介质组成的，逻辑链路是具备数据传输控制能力，在逻辑上起作用的物理链路。只有在逻辑链路上可以传输数据，而物理链路是逻辑链路形成的基础。

1.3.2 资源子网和通信子网

• 从逻辑功能上可以分为两个子网：资源子网和通信子网。

1. 资源子网

   • 资源子网提供访问网络和处理数据的能力，由主机系统、终端控制器和终端组成。

2. 通信子网

   • 资源子网是计算机网络中负责数据通信的部分，主要完成数据的传输、交换以及通信控制。它由网络节点、通信链路组成。

   • 通信子网有两种类型：公用网、专用网。

1.3.3 网络硬件系统和网络软件系统

• 计算机网络系统是由计算机网络硬件系统和网络软件系统组成的。

1. 网络硬件系统

   • 网络硬件系统是指构成计算机网络的硬件设备，包括各种计算机系统、终端及通信设备。常见的网络硬件有以下几种。

   1. 主机系统：主机系统是计算机网络的主体。按其在网络中的用途和功能的不同，可分为工作站和服务器两大类。

      • 服务器是通过网络操作系统为网上工作站提供服务及共享资源的计算机设备。大多数服务器都是专用的，大多数服务器在网络中用途的不同可分为文件服务器、数据库服务器、邮件服务器、打印服务器等。服务器是网络中最重要的资源，配只要有较高。

      • 工作站是网络中用户使用的计算机设备，又称客户机。工作站是网络数据主要的发生场所。用户主要是通过工作站来利用网络资源并完成自己的工作。工作站本身具有独立的功能，具有本地处理能力。工作站的配置要求较低，一般由普通违纪担任。

   2. 终端：终端不具备本地处理能力，不能直接连接到网络上，只能通过网络上的猪基于网络相连发挥作用。

   3. 传输介质：传输介质的作用是在网络设备之间构成物理链路，以便实现信息的交换。最常见的阐述介质类型是同轴电缆、双绞线和光纤。

   4. 网卡：网卡是提供传输介质与网络主机的接口电路，实现数据缓冲器的管理、数据链路的管理、编码和译码。

   5. 集线器：集线器是计算机网络中连接多个计算机或其他设备的连接设备，是对网络进行集中管理的最小单元。集线器的主要功能是放大和中转信号，他把一个端口接收的全部信号向所有端口分发出去。

   6. 路由器：路由器是网络层的互连设备，路由器可以实现不同子网之间的通信，是大型网络提高效率、增加灵活性的关键设备。

2. 网络软件系统

   • 网络软件系统包括网络操作系统、网络通信协议和各类网络应用系统。

   1. 服务器操作系统：就是通常所说的网络操作系统（NOS），都是多任务、多用户的操作系统。它安装在网络服务器上，提供网络操作的基本环境。除具备常规操作系统的五大管理功能之外，网络操作系统还具有网络用户管理、网络资源管理、网络运行状况统计、网络安全性的建立、网络通信等其他网络服务管理功能。

   2. 工作站操作系统：由于网络中的工作站多为微机，所以工作站操作系统就是一般的微机操作系统。

   3. 网络通信协议：网络中计算机与计算机之间、网络设备与网络设备之间、计算机与网络设备之间进行通信时，双方只有遵循相同的通信协议才能实现连接，进行数据的传输，完成信息的交换。

      • 网络通信协议就是实现网络协议规则和功能的软件，网间包交换协议（IPX）、传输控制协议/网际协议（TCP/IP）和以太网协议。

   4. 设备驱动程序：设备驱动程序是计算机系统专门用于控制特定外部设备的软件，它是操作系统与外部设备之间的接口。

      • 网卡的驱动程序控制网卡的运行，并且为操作系统提供接口。

   5. 网络管理系统软件：网络管理系统软件（Network Management System，NMS）简称网管软件。

      • 简单网络管理协议（SNMP）是TCP/IP协议族中提供管理功能的协议，snmp通常作为一个组织网络管理的基础。

   6. 网络安全软件：数据在网络上传输常常暴露在各种危险之中，为抵御这些威胁，保证网络安全运行，系统管理员必须检验和评估各种可选择的网络安群措置。

   7. 网络应用软件：是指在网络环境下开发出来的供用户在网络上使用的应用软件。

1.4 计算机网络的分类

1.4.1 按计算机网络覆盖范围分类

• 由于网络覆盖范围和计算机之间互联距离不同，所采用的网络结构和传输技术也不同。

1. 局域网（Locate Area Network，LAN）,局域网组网方便、灵活、传输速率较高。

2. 广域网（Wide Area Network,WAN），因特网就是典型的广域网。

3. 城域网（Metropolitan Area Network, MAN）。

1.4.2 按计算机网络拓扑结构分类

• 星状网、环状网、总线型网、树状网、网状网

1.4.3 按网络的所有权利分

• 公用网、专用网

1.4.4 按照网络中计算机所处的地位划分

1. 对等网络

   • 在计算机网络中，倘若每台计算机的地位平等， 都可以平等地使用其他计算机内部的资源，每台计算机磁盘上的空间和文件都成为公共资源，这种网络就称为对等局域网（Peer to Peer LAN），简称对等网。

2. 客户机/服务器模式

   • 这种网络称为客户机/服务器（Client/Server）

第2章 数据通行基础

2.1 数据通信的基本概念

• 数据通信是两个实体间的数据传输和交换，把处在不同位置的终端和计算机，或计算机与计算机连接起来，从而完成数据传输、信息交换和通信处理等任务。

2.1.1 信息和数据

1. 信息

   • 信息是对客事物的反映，可以是对物质的形态、大小、结构、性能等全部或部分特性的描述，也可以表述物质与外部的联系。

2. 数据

   • 信息可以用数字的形式来表示，数字化的信息称为数据。数据是信息的载体，信息则是数据的内在含义或解释。

2.1.2 信道和信道容量

1. 信道

   • 信道是传送信号的一条通道，可以分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路。逻辑信道也是指传输信息的一条通路，但在信号的收、发节点之间并不一定存在与之对应的物理传输介质，而是在物理信道基础上，由节点设备内部的链接来实现。

   • 信道按使用权限可分为专业信道和公用信道；按传输介质可分为有线信道、无线信道、卫星信道；按传输信号的种类可以分为模拟信道和数字信道等。

2. 信道容量

   • 信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用信息速率来表示。单位时间内传送的比特数越多，则信息的传输能力也就越大，表示信道容量越大。信道容量由信道的频带（带宽）、可是用的时间能通过的信号功率和噪声功率决定。

2.1.3 码元和码字

• 在数字传输中，有时把一个数字脉冲成为一个码元，是构成信息编码的最小单位。将计算机网络传送中的每一位二进制数字称为“码元”或“码位”。

2.1.4 数据通信系统主要技术指标

1. 比特率

   • 比特率是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数，单位用比特每秒（bps）或千比特每秒（kbps）表示。

2. 波特率

   • 波特率是一种调制速率，也称波特率。它是针对在模拟信号上进行数字传输时，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波调制状态改编的次数。其单位为比特（Baud）。

3. 误码率

   • 误码指信息传输的错误率，也称错误率，是数据通信系统在日常工作情况下，衡量传书可靠性的指标。

4. 吞吐量

   • 吞吐量是单位时间内整个网络能处理的信息总量，单位是字节/秒或为/秒。在单信道总线型网络中：吞吐量=信道容量*传输效率。

5. 信道的传播延迟

   • 信号在信道中传播，从信源管端到达信宿端需要一定的时间，这个时间称为传播延迟（或时）

2.1.5 带宽与数据传输速率

1. 信道带宽

   • 信道带宽是指信道所能传送的信号频率宽度，它的值为信道上可传送信号的最高频率与最低频率之差。

2. 数据传输速率

   • 数据传输速率是指单位时间内信道内传输的信息量，即比特率。一般来说，数据传输速率的高低由传输每1位数据所处时间决定，传输每1位数据所占时间越小，则传输速率越高。

2.2 数据传输方式

• 在数据通信系统中，通信信道为数据的传输提供了各种不同的通路。

2.2.1 数据通信系统模型

• 数据通信系统的一般结构模型，它是由数据终端设备（DTE）、数据线路端接设备（DCE）和通信线路等组成。

1. 数据终端设备

   • 数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）是指用于处理用户数据的设备，是数据通信系统的信源和信宿。因为这种设备代表通信链路的端点，所以称为数据终端设备。它是资源子网的主体，通常的DTE就是一台具有处理数据的计算机，但它发出的信号并不能直接送达需要借助DCE才能实现。

2. 数据线路端接设备

   • 数据线路端接设备（Data Circuit Terminating Equipment，DCE）又称为数据通信设备（Data Communication Equipment），是介于DTE与传输介质之间的设备，用于将DTE发出的数字信号转换成适合在传输介质上传输的信号形式，并将它送至传输介质上；或者将从传输介质上接受的得远端信号转换为计算机能接收的数据信号形式，并送往计算机，例如Modem等。

2.2.2 数据线路的通信方式

• 根据数据信息在传输线上的传输方向，数据通信方式有单工通信、半双工通信、全双工通信。

1. 单工通信

   • 在单工通信方式中，信息只能在一个方向上发送。

2. 半双工通信

   • 半双工通信的双方可交替地发送和接收信息，但不能同时发送和接收。

3. 全双工通信

   • 全双工通信的双方可以同时进行双向的信息传输。

2.2.3 数据传输方式

• 按照数据在传输线上市原样不变地传输还是调制变样后再传输，数据传输方式可分为：基带传输、频带传输、宽带传输等。

1. 基带传输

   • 在数据通信中，表示计算机中二进制数据比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号。人们把矩形脉冲信号的固有频带称为基本频带，简称基带。

   • 基带传输是一种最基本的数据传输方式，一般用在较近距离的数据通信中。在计算机局域网中，主要就是采用这种方式传输。

2. 频带传输

   • 基带传输要占据整个线路能提供的频带范围，在同一个时间内，一条线路只能传输一路基带信号。为了提高通信链路的利用率，可以用占据小范围带宽的模拟信号作为载波来传送数字信号。

   • 常用的频带调制方式有频率调制、相位调制、幅度调制、调幅加调相的混合调制方式。频带传输克服了电话线上不能直接传送基带信号的缺点，提高通信线路的利用率，尤适用于远距离的数字信道。

3. 宽带传输

   • 在同一信道上，宽带传输系统既可以进行数字信息服务也可以模型信息服务。计算机局域网采用的数据传输系统由基带传输和宽带传输两种传输方式，基带传输和宽带传输的主要区别在于数据传输速率不同。一个带宽信道能被划分为许多个逻辑信道，从而可以将各种声音、图像和数据信息传输综合在同一个物理信道中进行。

2.3 数据交换技术

• 在计算机网络中，传输系统的设备成本很高，所以当通信用户较多而传输的距离较远时，通常采用交换技术，使通信传输线路为各个用户所共用，以提高传输设备的利用率，降低系统费用。通常使用三种交换技术：电路交换、报文交换、分组交换。

2.3.1 电路交换

• 在电路交换（Circuit Exchanging）方式中，通过网络节点（交换设备）在工作站之间建立专用的通行通道，即在两个工作站之间建立实际的物理连接。同性过程可分为三个阶段：电路建立阶段、数据传输阶段和拆除电路连接阶段。

2.3.2 报文交换

• 报文交换（Message Exchanging）与电路交换不同，它采取的是“存储-转发”（Store-and-Forward）方式，不需要在通信的两个节点之间建立专用的物理连接。数据以报文（Message）的方式发出，报文中除包括用户要传送的信息外，还有原地址和目地地址等信息。

2.3.3 分组交换

• 分组交换（Packet Exchanging）也属于“存储-转发”交换方式，但它不是以报文为单位，而是以长度受到限制的报文分组（Packet）为单位进行传输交换的。分组的最大长度一般规定为一千比特。进行分组交换时，发送节点先要对传送的信息分组，每个分组中的数据不一定相同，但都必须小于规定的最大长度。还要对各个数据加上编号，加上源地址和目的地址以及约定的头和尾等其他控制信息。这个分组的过程称为信息打包。分组也称为信息包和包交换。

• 分组在网络中传输，还可以分成不同的两种方式：数据报和虚电路

  1. 数据报（Data Gram）

     • 这种方式有点想报文交换。报文被分组后，在网路中的传播路径是完全根据当时的通信状况来决定的。由于报文被分成许多组，每一组的路径可能是不同的所需要的时间也不同，但是所有组的目标主机是相同。目的主机必须对分组进行排序拼接出原来的信息。

     • 数据报传输分组交换方式的优点是：对于短报文数据，通信传输速率比较高，对网络故障的适应能力强：而它的缺点是传输时延较大，时延离散度大。

  2. 虚电路（Virtual Circuit）

     • 所谓虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前，需要通过通信网络建立逻辑上的连接。

     • 一旦这种连接建立后，就在通信网保持已建立的数据通路，用户发送的数据将按顺序通过新建立的数据通路到达终点，而当用户不需要发送和接收数据时可清除这种连接。

     • 虚电路传输分组交换的优点是：对于数据量较大的通信传输速率高，分组传输延时短，且不容易产生数据分组丢失。而它的缺点：对网络的依赖性较大。

2.3.4 信元交换技术

• 信元交换技术是指异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode,ATM），它是一种面向连接的交换技术，它采用小的固定长度的信息交换单元（信元），话音、视频和数据都可由信元的信息与传输。他综合吸取了分组和电路交换的优点，针对分组交换的弱点，利用电路交换完全与协议处理鱼馆的特点，通过高性能的硬件设备来提高处理速度，以实现高速化。ATM技术是克服了电路和分组交换的局限性的基础上产生的。ATM技术十分复杂，但对有高带宽要求和高级服务质量（QoS）需求的用户，ATM是一种广域网主干线的最好选择。

• ATM模型分为三个功能层：ATM物理层、ATM层和ATM适配层。

  1. ATM物理层：ATM物理层是控制数据位在物理介质上的发送和接收。另外，它还负责跟踪ATM信号边界，将ATM信元封装成类型和大小都合适的数据帧。

  2. ATM层：主要负责建立虚链接并通过ATM网络传输ATM信元。

  3. ATM适配层：主要任务是在上层协议处理所产生的数据单元和ATM信元之间建立一种转换关系。同时适配层还要完成数据包的分段和组装。

• 建立连接，数据从应用层向下传输到ATM适配层，将数据分成定长的48B，并适配到底层的ATM服务上。ATM标准化组织ATM Forum 已经定义了若干不同的ATM适配类型，将定长的数据传输到ATM层添加5B的信元头，构成一个53B的信元。信元到达目的地址后从物理层向上传递到ATM适配层将48B的定长数据在进行组装，向高层传递。在交换通路某一个中间结点上，点个信元都是根据信元头的内容进行交换的。

2.4 差错检验与校正

• 计算机网络的基础要求是高速而且无差错的传输数据信息，而通信系统主要由一个个物理实体组成。每个在运行中，也会受到周围环境的影响，因此，一个通信系统无法做到无美无瑕，需要考虑如何发现和纠正信号传输中的差错。

• 数据传输出现差错有多种原因，一般分为内部因素和外部因素：内部因素有噪音脉冲、脉动噪音、衰减、延迟失帧等；外部因素有电磁干扰、太阳噪音、工业噪音等。为了确保无差错传输数据，不需具有检错和纠错的能力。

2.4.1 奇偶校验

• 奇偶校验是一种最简单的检错方法。是在数据的最后加上以为奇偶校验位，接收器检查接收到的数据的最后查看是否是奇数或偶数，来判断是否错误情况。若有两个数据同时错误将无法查出错误。

2.4.2 循环冗余校验

• 循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check ,CRC）是一种较为复杂的校验方法，又称多项式码。这种编码对随机差错和突发差错均能以较低的冗余度进行严格的检查，有很强的检错能力。它是利用事先生成的一个多项式g(x)=x^16+x^12+x^5+1去除要发送的信息多项式m(x)，得到余式就是所需的循环冗余校验码，它相当于一个16位长的双字符。它将传送的数据后附加若干个校验位。接收端接收时先去除同一多项式，去除出错则数据错误。

2.5 多路复用技术

• 多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道上传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提号信道的利用率。

2.5.1 频分多路复用

• 频分多路复用(FDMA)是将具有一定宽带的信道分成若干个有效小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。这用，在信道中就可以同时传输多个不同频带的信号。没分开的各个子信道的中心频带互不重合，且各个信道之间留有一定的空闲频带。

2.5.2 时分多路复用

• 时分多路复用（TDMA）是将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片轮流的给多个信号使用。时分多路复用技术实现的条件是，信道能达到的数据传输速率超过各路信号源所要求的数据传输速率。

2.5.3 波分多路复用

• 波分多路复用（WDMA）主要用于由全光纤网组成的用信息系统中。所谓波分多路复用，是指在一根光纤上能够同时传输多个不同波长光载波的复用技术。

2.5.4 码分多路复用

• 码分多路复用（CDMA）是一种用于移动通信系统的新技术，一个数字助理（PDA）以及手提电脑（HPC）等移动计算机的联网通信将会大量使用码分多路复用技术。

• 码分多路复用技术的工作是基于码型分割信道。每个用户分配有一个地址码，而这些码型互相不重叠，其特点是频率和时间资源均为共享。在频率和时间资源紧缺的情况下，码分多路复用技术可以很好的解决问题。

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