计算机网络的定义
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第一章
1、计算机网络的定义
计算机网络是一组自治计算机系统的集合
自治:每台计算机都有自主权
互连:通过通信介质进行连接
计算机网络是把处在不同地理位置的独立计算机,用通信介质和设备互连,辅以网络软件进行控制,达到资源共享、协同操作的目的。
2、基本组成
逻辑组成:资源子网和通信子网
物理组成:计算机硬件:可独立工作的计算机;网络设备;传输介质。
网络软件:系统软件;应用软件。
3、计算机网络的功能
资源共享;负载均衡和分布处理;信息交换;综合信息服务
4、计算机网络的分类
按网络分布范围分类:局域网,城域网,广域网
按数据交换的方式分类:电路交换,报文交换,分组交换
按网络拓扑结构分类:星形拓扑;总线拓扑;环形拓扑;树形拓扑;混合型拓扑;网状拓扑;蜂窝状拓扑;
按网络组建的关系分类:对等网络,基于服务器的网络
第二章
1数字调制方式P19:
调制就是进行波形变换(频谱变换)。
最基本的二元制调制方法有以下几种:
调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) :载波的初始相位随基带数字信号而变化。
2.通信方式P17
通信可采用两种基本方式:串行和并行凡是。
通常情况下,并行通信用于近距离传输,串行同通信用于传输距离较远的情况。
并行通信方式P18
⏹并行通信传输中有多个数据位,同
时在两个设备之间传输。
串行通信方式
⏹串行数据传输时,数据是一位一位
地在通信线上传输的。
串行通信的方向性结构P18
⏹单向通信(单工通信)——只能有
一个方向的通信而没有反方向的交
互。
⏹双向交替通信(半双工通信)——
通信的双方都可以发送信息,但不
能双方同时发送(当然也就不能同时
接收)。
⏹双向同时通信(全双工通信)——
通信的双方可以同时发送和接收信
息。
3.数据交换技术
⏹数据经编码后在通信线路上进行传
输,按数据传送技术划分,交换网
络又可分为电路交换网、报文交换
网和分组交换网。
一、电路交换P24
⏹传统的数据交换方式有电路交换和
存储交换。
⏹电路交换要经过3
个阶段
⏹建立通路
⏹传输数据
⏹撤消通路
1)电路建立:在传输任何数据之前,要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。
若主机B要与主机C连接,主机B先向与其相连的B节点提出请求,然后B节点在通向C节点的路径中找到下一个支路。
比如C节点选择经E节点的电路,在此电路上分配一个未用的通道,并告诉E它还要连接G节点;E 再呼叫G,建立电路BCEG,最后,节点G 完成到主机B的连接。
这样主机B与主机C 之间就有一条专用电路BCEG,用于主机B 与主机C之间的数据传输;
2)数据传输:电路BCEG建立以后,数据就可以从B发送到C,再由C交换到E;E经G发送数据。
在整个数据传输过程中,所建立的电路必须始终保持连接状态。
3)电路拆除:数据传输结束后,由某一方(B 或G)发出拆除请求,然后逐节拆除到对方节点。
电路交换的特点
1) 由于需要建立连接过程,建立连接需要时间,因此适合传输大量数据,而传输少量数据时效率不高。
2) 连接一旦建立,便可以固定的速率传输数据,除了传输延迟外,不再有别的延迟。
3) 一旦连接成功,就建立了一条临时专线,即使不通信,他人也不可使用。
优点: 传输的实时性好,适合实时性要求高的交互式信息的传输
缺点:
线路的利用率比较低
不适合少量的突发性数据的传输
要求收发双方不“忙”,有相同的数据传输速率
不能完成编码格式、通信规程等方面的转换
中间节点不具备差错控制能力
当网络通信量很大时,会使线路的连接失败
二、报文交换的工作原理P24
⏹报文交换方式的数据传输单位是报
文,报文就是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。
⏹在交换过程中,交换设备将接收到
的报文先存储,待信道空闲时再转
发出去,一级一级中转,直到目的
地。
这种数据传输技术即存储-转发
⏹缺点:
⏹报文大小不一,造成存储管理
复杂。
⏹大报文造成存储转发的延时
过长;
⏹出错后整个报文全部重发。
三、分组交换P26
⏹分组交换也称包交换,它是将用户
传送的数据划分成一定的长度,每
个部分叫做一个分组。
在每个分组
的前面加上一个分组头,用以指明
该分组发往何地址,然后由交换机
根据每个分组的地址标志,将他们
转发至目的地,这一过程称为分组
交换。
分组交换技术包括数据报分
组(datagram)和虚电路(virtual
circuit)分组两种方式。
⏹优点:
⏹对转发节点的存储要求较
低,可以用内存来缓冲分
组——速度快;
⏹转发延时小——适用于交
互式通信;
⏹某个分组出错可以仅重发
出错的分组——效率高;
⏹各分组可通过不同路径传
输,容错性
报文分组交换特点
1、减少了延迟
2、出现误码后,只重发
有误码的分组
3、在接收下一个分组
的同时,就可以转
发上一个分组,提
高了吞吐量
4、由于分组比较短,
可以存储在内存
中,减少了存储时
间
5、技术实现比较复
杂
4.多路复用技术P22
多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。
FDM(频分多路复用P23)
TDM(时分多路复用p23)
CDM
WDM
5.异步传输和同步传输
一、异步传输方式中,一次只传输一个字符。
每个字符用一位起始位引导、一位停止位结
束。
在没有数据发送时,发送方可发送连续的停止位。
接收方根据"1"至"0"的跳变来判断一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。
二、同步传输时,为使接收双方能判别数据块的开始和结束,还需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾,加有帧头、帧尾的数据称为一帧。
目的是使接收端与发送端在时间基准上一致(包括开始时间、位边界、重复频率等)。
有三种同步方法:1)位同步;2)字符同步;3)帧同步
为了让计算机的各部件协调工作,需要靠时钟对其分别定时和定序。
接收和发送的时序协调也要靠时钟定时,决定发送方每一位的起始和终止,接收方对信号的每一位的采样取值和时间间隔。
完全同步是不可能的。
需要对每一个间隔,校对一次时间。
我们将收发段校对时间称为收发两端的同步。
一般在帧级、字节级和位级进行。
1)位同步:位同步又称同步传输,它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。
实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。
外同步——发送端发送数据时同时发送同步时钟信号,接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
自同步——通过特殊编码(如曼彻斯特编码,详见冯P46 2.4 ),这些数据编码信号包含了同步信号,接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
2)字符同步:可分为异步制和同步制;
以字符为边界实现字符的同步接收,也称为起止式或异步制。
每个字符的传输需要:1个起始位、5~8个数据位、1,1.5,2个停止位。
(如图3所示)
-同步制:同步传输时,不是以字符为单位的,而是面向成组传递。
它在一组信息的开头和结尾有开始和结束传递的信息位。
3) 帧同步:识别一个帧的起始和结束。
△帧(Frame)数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块。
△面向字符的——以同步字符(SYN,16H)来标识一个帧的开始,适用于数据为字符类型的帧。
6.传输媒体P26
传输媒体是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路,计算机网络中采用的传输媒体分有线和无线两大类。
有线传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤等P26
无线传输媒体有:微波、红外线和激光P28
7.常用接口及标准P28
在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统中,经常采用串行通信来交换数据和信息。
交换数据和信息的界面就是接口,为了使不同厂家的产品能够互换或互连,接口在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范,这样的标准规范就是接口标准(或称接口协议)。
接口的标准一般有权威机构颁布。
标准将定义接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程等特性。
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性,即:
机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
EIA-232-E 接口标准
DTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备,是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。
DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备,它在DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能,并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。
DTE 通过DCE 与通信传输线路相连
EIA-232/V.24 的信号定义
两个DTE 通过DCE进行通信的例子
第三章
1、网络协议:在计算机网络中,把这些用于规定数据的交换规则,数据包的格式以及如何发送和接收数据的一套规则称为网络协议或通信协议。
2、网络协议的三要素:语义、语法与时序;
(1)语义:用于解释比特流的每一部分的意义;
(2)语法:语法是用户数据与控制信息的结构与格式,以及数据出现的顺序的意义;
(3)时序:事件实现顺序的详细说明。
3、协议、服务、接口
接口(1)每层接口告诉上层进程对其的访问方式
(2)定义需要的参数和预期的结果
服务:每层为上层提供服务,定义该层做什么
协议:(1)每层中使用的对等协议只涉及该层的内部事物
(2)协议的修改和替换不影响更高层次
4、协议分层:按照数据在网上的流动过程将网络上的数据传输整体功能分解为一个个的功能层,成为协议分层。
5、ISO参考模型层次结构和各层的作用(1)第一层;物理层主要规定使用什么样的物理信号来表示"0","1"。
特征:第一层定义了物理连接的标准,即有关物理设备(接口)通过物理媒体(传输介质)进行互联的描述和规定。
定义了数据传输所需要的机械(与接口有关)\电气(如电压也可能光信号特性),功能及规程(时间出现的顺序)的特征等。
(2)第二层:数据链路层规定传输单位是帧,怎样把数据组织成帧,怎样在链路层上传输,以及保证一个帧的传输正确等。
特征:能建立,释放和维持网络实体之间的数据链路,在链路上进行无差错传帧,负责准备物理传输CRC校验错误通知网络拓扑流控等
(3)第三层:网络层:在网络层中数据的传输单位是包。
网络层的功能是路由选择(选路)和对数据报文的分组传递。
路由要求为数据传输选择一条最佳的传输路径。
(4)第四册:传输层:主要功能是完成网络中不同机器上的两个进程只之间的可靠通信。
这里有两层含义:一是数据段除了需要指明送给哪一台机器外,还必须指明送给那台机器的哪个用户进程;二是要实现可靠地传输,保证数据包传输正确,不丢失,有次序等。
网络层与传输层的区别:网络层关心的是网络的细节,传输层则屏蔽这些细节。
(5)第五层:会话层:会话层协议规定怎样与远程系统一个通信会话。
(6)第六层:表示层:表示层协议规定怎样表示交换的数据。
注为异种机器通信提供一种共同的语言。
(7)第七层:应用层:在应用层上有大量的协议,新的应用出现,将有新的应用协议。
第四章网络互联与TCP/IP协议
一、网络互联
网络互联是指通过各种网络设备将各种不同类型的物理层(如不同的LAN或WAN)连接在一起构成统一的大网络。
二、TCP/IP分层模型(internet参考模型)TCP/IP是一个协议簇,包括五层,每一层有一个或多个协议。
二、TCP/IP主要功能
1、第五层应用层(对应最高三层)
·为应用程序提供访问其他层服务的能力并定义应用程序用于交换数据的协议。
·典型协议:远程登录协议Telnet
文件传输协议FTP
简单电子邮件协议SMTP
超文本传输协议HTTP
简单网络管理协议SNMP
域名服务DNS
2、第四层传输层(P44)(对应于传输层)·传输层功能是使源端和目的端主机上的对等实体可以进行会话。
·定义了两个端到端的协议:传输控制协议TCP是一种可靠的面向连接协议;用户数据报协议UDP 是一种不可靠的无连接协议
·典型协议:传输控制协议TCP(面向连接协议):差错控制;流量控制
用户数据报协议UDP(无连接
协议)
3、第三层互联网层(对应于网络层)
·互联网层是整个体系结构的关键部分,主要功能是寻址、打包和路由选择。
网络层定义了标准的分组格式和协议,即IP 协议。
设计思想高效、简洁(提供不可靠的无连接服务,提供“尽力传递”服务;假设物理信道的传输质量可以保障,由传输层纠错;点到点的传输)
·IP层有效地解决异种网络互连问题,屏蔽异种网络,全网统一标识(IP地址)·典型协议:IP
4、第二层网络接口层(对应于OSI的最下两层)
·主机必须用某种协议与网络连接,以便通过网络传递IP分组。
·接口类型:设备驱动程序:如LAN的接口(网卡驱动程序)
自身包含网络协议的复杂子系统:如X.25、A TM等
·功能:网络接口层负责从主机或节点接收IP分组,并把它们发送到指定的物理网络上。
三、IP互联网协议
6、IP协议作用
定义互联网地址——IP地址的形式;
定义互联网上传输的数据包的格式为IP数据报
实现无连接的IP数据报的传输
进行IP数据报的路由选择
进行差错处理
7、IP地址层次(p48)
8、IP地址分类(p49)
9、特殊IP地址(p50)
10、子网编址和子网掩码
子网编址的思想是:保持原网络号部分,而从主机号部分借(前面的)若干位用来表示子网。
子网掩码使用了和IP地址相同的格式和表示法
11、域名与IP地址
·域名是有层次的,最重要的部分放在最右面,最左边的域是一台计算机的名字
·常见顶级域名(p55)
12、TCP作用
TCP提供了对段的检错、应答、重传和排序的功能,提供了可靠地建立连接和拆除连接的方法,还提供了流量控制和阻塞控制的机制。
第五章
1、网络接口卡
网络接口卡(NIC,Network Interface Card),又称网络适配器(network adapter),是网络通信的基本硬件组成部分
网络接口卡负责把计算机产生的所要传递的数据转换成可以在网络介质上传输的数据格式,如二进制通信的0和1被转换成为电脉冲、光脉冲、无线电波等。
并控制计算机和相应介质之间的数据流量。
2、网络接口卡的分类
有线网卡:
(1)按总线接口类型分
ISA总线网卡、PCI总线网卡、PCMCIA接口网卡、USB接口网卡。
(2)按网络接口类型划分
双绞线的RJ-45接口、细同轴电缆的BNC接口、粗同轴电缆的AUI接口和光纤接口。
(3)按网络带宽划分
有线网卡有10Mbps网卡、10Mbps/100Mbps自适应网卡、1000Mbps 千兆以太网卡。
(4)按网卡应用领域划分
应用于工作网站的网卡和应用于服务的网卡
无线网卡
(1)按无线接入方式划分
无线局域网网卡、GPRS无线网卡和CDMA 无线网卡
(2)按总线接口类型划分
PCI无线网卡、USB无线网卡、PCMCIA无线网卡、MiniPCI无线网卡、紧凑式闪存卡无线网卡
(3)按功能划分
单模无线网卡和双模无线网卡
(4)按速度划分
低速无线网卡、中速无线网卡、高速无线网卡
3、MAC地址(P83)
MAC (Medium Access Control)地址,也称物理地址或硬件地址,MAC地址用于在数据链路层标识局域网上的每台主机。
4、物理层设备(P83)
中继器和集成器都是工作在物理层的设备,他们不能识别数据帧或数据包等更高层的数据格式,只能对物理层的比特流进行处理。
(1)中继器:用于延长信号传输的距离。
特点:1.只工作在物理层
● 2.不具备查错、纠错能力
● 3.只增加能量,不作其他处理,因
此延迟小
● 4.被中继器连接的网段还是在同一
个网段,它和只有一根网线连接没
有区别。
● 5.主要用于同轴电缆介质,也可以
同轴+双绞线
(2)集成器:只工作在物理层,只对物理层的比特流进行处理,不能识别数据帧等数据格式。
•当某个接口接收到主机发来的比特时,就简单地将该比特向其他所有
接口转发。
•若两个接口同时有信号输入,就会发生冲突,使所有接口都收不到正
确的帧。
•所有接口都在一个冲突域中。
•一种共享的网络设备,即每个时刻只能有一个接口在发送数据,所有
接口共享集线器的带宽。
•物理上星型拓扑,逻辑上总线网。
5、集线器的主要不足
(1)用户带宽共享,带宽受限。
集线器的每个端口并没有独立的带宽,而是所有端口共享总的背板带宽,用户端口带宽较窄,且随着集线器所接用户的增多,用户的平均带宽不断减少。
(2)广播方式,易造成网络风暴。
集线器是一个共享设备,它的主要功能只是一个信号放大和中转的设备,不具备自动寻址能力,即不具备交换作用,所有传到集线器的数据均被广播到与之相连的各个端口,容易形成网络风暴,造成网络堵塞。
(3)非双工传输,网络通信效率低。
集线器的同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信,而不能像交换机那样进行双向双工传输,网络执行效率低,不能满足较大型网络通信需求。
6网桥(P84)
网桥是一种存储-转发装置。
一个在网络N1和网络N2之间的网桥B定义为这样一种设备,它完成以下工作:
▪读取网络N1上的所有帧并接收那些指向N2的帧;
▪将接收的帧送到数据链路层,在该层上计算校验和并计算到达N2的
路由;
▪将接受的帧用N2的MAC协议转发到N2上;
▪对从N2到N1的信息流完成相同的功能。
用网桥进行LAN扩展的不足之处
∙存储转发导致时延增加
∙无流量控制功能,负载重时会丢失帧
∙不能防止广播风暴(广播消息仍会泛滥到网桥所连接的各个网段)
7、以太网交换机
交换机的基本结构
硬件结构:接口、主板、主处理器(CPU)、内存(RAM)、FLASH、电源系统
软件结构:引导程序、网络操作系统交换机的工作原理:(P85)
交换机的交换方式(三种)
•存储转发方式(Store and forward)•整个帧完整接收并存储到缓冲区,对整个帧进行差错检验,然后
再查表找出目的端口并转发
•优点:进行差错校验,错误不会扩散到目的网段
•缺点:交换延迟比较大
•直通交换(Cut-through)
•因为转发仅依赖于目的地址DA,所以只要收到帧的前6个字节
(DA字段),就可查表找出目的端口
并转发
•优点:交换延迟小
•缺点:无法进行差错校验,帧错误会扩散到目的网段
•无碎片直通(Fragment free cut-through)
以上两种方案的折衷。
接收了一帧的前64字节后,再查表找出目的端口并转发
∵帧出错的主要原因是冲突,而以太网的帧至少为64B,
∴<64字节的帧必然是冲突造成的帧碎片(错误帧)
优点:交换速度较快,并且降低了错误帧转发的概率
缺点:长度大于64字节的错误帧仍会转发,转发延时高
于直通式
使用网络交换机带来的好处
▪分割冲突(碰撞)域——减少了冲突
▪允许建立多个连接——提高了网络总体带宽
▪减少每个网段中的站点数——提高了站点平均拥有带宽
▪允许全双工连接——提高带宽
网络交换机在网络中的地位
▪作为LAN核心主干连接设备,如网络中心、数据中心等
▪高网络通信流量的应用场合,如图
像处理、视频流等
对网络响应速度要求比较高的场合交换机工作原理
传统的交换技术是在OSI网络标准模型中的第二层—数据链路层进行操作的,而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发。
简单地说,三层交换技术就是:二层交换技术+三层转发技术。
一个具有三层交换功能的设备,是一个带有第三层路由功能的第二层交换机,但它是二者的有机结合,并不是简单地把路由器设备的硬件和软件简单的叠加在局域网交换机上网关的类型
•根据工作的协议层次,网关可分为传输网关和应用网关。
•根据网关的实现方式,又可分为硬件网关和软件网关。
第六章
按功能划分为两个子层:LLC和MAC 功能分解的目的:
• 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开,降低实现的复杂度。
• 局域网特点:共享信道(如总线)。
需要解决介质访问控制(MAC)问题。
分层可以使帧的传输独立于介质和MAC方法。
LLC:与介质、拓扑无关;
MAC:与介质、拓扑相关。
CSMA/CD工作原理:
发送前先监听信道是否空闲,若空闲则立即发送数据。
在发送时,边发边继续监听。
若监听到冲突,则立即停止发送。
等待一段随机时间(称为退避)以后,再重新尝试。
2快速以太网
•物理层
–拓扑结构:全面采用集线器
构成星形拓扑。
–物理层标准:快速以太网在
统一的MAC子层下面,制
订了4种物理层标准:
100BaseT2、100BaseT4、
100BaseTX和100BaseFX
–10/100Mb/s自适应技术
–自动协商功能
–10/100Mb/s自适应
–
千兆位以太网
•物理层
–物理层体系结构:千兆位以
太网的物理层包括编码/译
码、收发器以及传输介质3
个主要模块,还包括了MAC
子层与物理层连接的介质
无关接口(Media
Independent Interface,MII)。
–MAC子层
–载波扩展技术
–分组突发技术
–
–以太网交换机的结构
•软件执行交换结构
•矩阵交换结构
•总线交换结构
•共享存储器交换结
构
–以太网交换机的交换方式
•静态交换
•动态交换
•全双工以太网。