计算机网络概述

计算机⽹络概述
第⼀章计算机⽹络概述
第1节计算机⽹络的产⽣与发展
1.1 计算机⽹络的产⽣与发展
1.1.1 远程联机系统阶段
调制解调器(modem):把计算机或终端的数字信号变换成可以在电话线路传送的模拟信号以及完成相反的变换。

线路控制器:进⾏串⾏和并⾏传输的转换以及简单的差错控制。

1.1.2 计算机互联系统阶段
三种典型的⽹络交换⽅式:电路交换、报⽂交换、分组交换；
电路交换：与电话交换原理基本相同。

电路交换的缺点是电路的利⽤率低，双⽅在通信过程中的空闲时间，电路不能得到充分利⽤。

若所要传送的数据量很⼤，且其传送时间远⼤于呼叫建⽴时间，则采⽤预先分配传输带宽的电路交换较为合适。

电路交换过程包含三个阶段：
在⽹络上两个通信节点开始通信前，交换机必须为两个通信节点建⽴⼀条通信线路，⽽且这条线路要从通信开始保持到通信结束；
当通信线路建⽴后，两个通信节点通过这条线路传输数据，此时线路可以全双⼯⼯作（即可以同时发送和接收数据）；
当通信节点中的任何⼀⽅结束通信时释放这条通信线路。

由于在电路交换中，在通信两⽅进⾏通信的所有时间内始终占⽤了端到端两个节点的固定传输带宽，所以电路交换是⼀种⾯向连接的通信⽅式。

报⽂交换（message switching）指在通信过程中不需要在信源和信宿之间建⽴⼀条专⽤线路，⽽是当信源在发送数据时，将信宿的⽬标地址添加到原始数据（报⽂）上，然后这个经过处理的数据传向⽹络中的下⼀个中间节点，中间节点会储存所有的数据再转发到另⼀个中间节点，另⼀个中间节点重复这个储存转发的过程，直到中间节点与信宿建⽴联系后数据才会传输到信宿，这种存储-转发（store and forward）的传输⽅式就是报⽂交换⽅式。

报⽂通常是指要发送的整块数据；
由于⼀个报⽂的数据量较⼤，不便于计算机⽹络的传输，所以报⽂在计算机⽹络中发送之前⾸先分成⼀个个更⼩的⼤⼩相等的数据段（例如，每个数据段为1024bit）。

为了便于接收⽅数据的恢复，所以在每个数据段的前⾯都要加上⼀个⾸部（header），这样便构成了⼀个分组（packet），如图所⽰；分组⼜称为包，分组的⾸部也称为包头，分组交换也称为包交换
分组交换（packet switching）就是数据在传输之前被分成多个很⼩的有⼀定长度的数据单元，这种数据单元称为分组，每个分组上都有信源和信宿的地址，并且会按照在原数据中的位置进⾏编号。

分组交换是基于标记（label-based）的数据交换⽅式。

另外，在分组交换⽹络中，通信时不必事先建⽴⼀条连接，⽽是随时将分组传送到⽹络进⾏传输，所以分组交换是⾮⾯向连接的。

电路交换、报⽂交换及分组交换的⽐较
试分析传统的电路交换为什么不适合计算机⽹络通信？
计算机的数据是突发式地和间歇性地出现在传输线路上，⽽⽤户应⽀付的通信线路费⽤是按占⽤线路的时间计算的。

呼叫等待时间也太长。

分组交换技术费⽤⽐使⽤电路交换更为低廉。

结点分组交换机的主要任务是：负责分组的存储、选择路由、转发。

采⽤存储转发的分组交换，实质上是采⽤了断续或动态分配传输带宽的策略。

1.1.3 第三代-标准化系统阶段
1.1.4 ⽹络互联系统阶段
第2节计算机⽹络的基本概念
计算机⽹络最简单的定义: ⼀组互相连接的、⾃治的计算机的集合。

⼀个计算机⽹络应当有三个主要的组成部分：
(1）若⼲个主机，它们向各⽤户提供服务；
（2）⼀个通信⼦⽹，它由⼀些专⽤的通信处理机（即通信⼦⽹中的结点交换机）和连接这些结点的通信链路所组成；
（3）⼀系列的协议。

这些协议是为在主机和主机之间或主机和⼦⽹之间或⼦⽹中各结点之间的通信⽽⽤的。

协议是通信的双⽅事先约定好的和必须遵守的规则。

第3节计算机⽹络分类
按距离划分
⼴域⽹（远程⽹）W AN 局域⽹LAN 城域⽹MAN
按通信介质划分
有线⽹：采⽤如同轴电缆、双绞线、光纤等物理介质来传输数据的⽹络。

⽆线⽹：采⽤卫星、微波等⽆线形式来传输数据的⽹络。

⽆线有线混合⽹络。

按数据交换⽅式划分
直接交换⽹：⾸先申请物理通道，建⽴通过后，整个时间双⽅始终独占信道。

存储转发交换⽹：先将数据在交换装置控制下缓冲器中暂存，并可对存储的数据进⾏⼀些必
要处理，当空闲时，再将数据发送出去。

存储转发⼜分：报⽂交换和分组交换。

混合交换⽹。

按使⽤范围划分(公⽤⽹专⽤⽹）
按配置划分
同类⽹：⼜称对等⽹。

每台计算机即是服务器，⼜是⼯作站。

单服务器⽹：在⼀个⽹络中，只有⼀台是服务器，其余电脑均为⼯作站。

混合⽹。

按信息容量划分
基带⽹络和窄带⽹络：在⽹络中传输的信号就是信源发出的原始编码信号。

窄带⽹络：<=64Kbit/s的⽹络。

宽带⽹络：同时能够传输多路信息，每路信息使⽤不同频率范围。

按通信传播⽅式划分
点对点传播⽅式⽹：点对点传播⽅式⽹是以点对点的连接⽅式，把各个计算机连接起来的。

这种传播⽅式的主要拓扑结构有：星形、树形、环形、⽹形。

⼴播式传播⽅式⽹：⼴播式传播⽅式⽹是⽤⼀个共同的传播介质把各个计算机连接起来的。

主要有：以同轴电缆连接起来的总线形⽹；以微波、卫星⽅式传播的⼴播形⽹。

按通信传播⽅式划分
点对点传播⽅式⽹这种传播⽅式的主要拓扑结构有：星形、树形、环形、⽹形。

⼴播式传播⽅式⽹主要有：以同轴电缆连接起来的总线形⽹；以微波、卫星⽅式传播的⼴播形⽹。

按⽹络控制⽅式分类（集中式分布式）
按拓扑结构划分
主要有总线形、星形、环形、树形、全互联形和不规则形⼏种。

第三节计算机⽹络的应⽤
第2章数据通信技术
2.1.3 带宽与信道容量
图2-7（a）所描述的信号是⼀个简单的函数，虽然这种简单的正弦三解函数⽆法准确表⽰常见的模拟信号，但它却反应了⼀个模拟信号的特性：频率、振幅和相位。

如果⼀个信号在连续的时间内会不断重复某⼀个模式，那么把其中⼀次循环所使⽤的时间称为⼀个周期，将描述此变化的函数称为周期函数。

频率是单位时间内信号的振荡次数，其单位是HZ（赫兹）。

如果频率为f，周期为T，则f=1/T。

振幅表⽰信号的振荡峰值。

因为函数的值域为[-1，1]，所以函数的值域为[-A，A]，如图2-7（c）所⽰，其振幅为-A和和A。

改变⼀个信号的最后⼀种⽅式是改变它的相位。

相位描述的是信号在⼀个周期中所处的不同阶段，在图像上相位表⽰了函数图形的⽔平移动距离，例如的图形便是将的图形向左移动k 个单元的距离，如图2-7（d）所⽰。

为了描述信号的共同特性，著名法国数学家吉·傅⾥叶（Jean Baptiste Fourier）提出了⼀个定理：
任何⼀个周期函数都可以表⽰成⽆数个具有不同振幅、频率和相位的正弦函数的和，这个和称为傅⾥叶级数（Fourier Series）。

傅⾥叶级数的特点是：⽆论周期函数多么复杂，总可以表⽰为多个正弦函数的和。

傅⾥叶级数告诉我们：任何⼀个可⽤周期函数表⽰的信号都是由具有不同的频率、振幅和相位的正弦函数（或余弦函数，因为正弦与余弦函数之间可以进⾏互换）相加后的和。

带宽：带宽是指通信信道的容量。

信道带宽也分为模拟信道带宽和数字信道带宽两种。

2.2 数据传输的基本形式
2.2.2 基带传输
⽹络上信号传输⽅式分为基带传输、频带传输和宽带传输，可传输数字信号和模拟信号。

基带是指调制前原始信号所占⽤的频带，是原始电信号所固有的基本频带。

在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输，基带传输的信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号，具体类型由信源决定。

采⽤基带传输技术的系统称为基带传输系统。

2.2.2 频带传输
频带传输就是把基带数字信号经过调制，变换成模拟信号后在公共电话线上传输。

频带传输是⼀种模拟传输，但频带传输却与传统的模拟传输不同。

宽带传输
对于局域⽹来说，宽带是指专门⽤于使⽤模拟信号传输的同轴电缆，通常还指可以在传输介质上进⾏频分多路复⽤⽅式的传输技术。

由于数字信号的频带很宽，必须先将其转换成模拟信号后才能在宽带⽹络中传输。

宽带⽹络中的多条信道，通常采⽤频带传输技术，传输的是模拟信号，所以宽带传输系统属于模拟信号传输系统
2.4.2 同步传输与异步传输
1．同步传输
同步传输（Synchronous Transmission）也称同步通信，它采⽤的是位同步（即按位同步）技术，以固定的时钟频率来串⾏发送数字信号。

（1）外同步
外同步就是发送端在发送数据之前先向接收端发送⼀串⽤来进⾏同步的时钟脉冲，接收端在收到同步信号后对其进⾏频率锁定，然后以同步频率为准接收数据。

（2）⾃同步
⾃同步就是发送端在发送数据时将时钟脉冲作为同步信号包含在数据流中同时传送给接收端，接收端从数据流中辨别同步信号，再据此接收数据。

在⾃同步传输中，接收端是从接收到的信号波形中获得同步信号，所以称为⾃同步。

2．异步传输
异步传输(Asynchronous Transmission)也称异步通信，它采⽤的是“群”同步的技术。

在这种技术中，根据⼀定的规则，数据被分成不同的群，每⼀个群的⼤⼩是不确定的，也就是说每个群所包含的数据量是不确定的。

这种技术是在位同步基础上进⾏的同步，它要求发送端与接收端在⼀个群内必须保持同步，发送端在数据的前⾯加上起始位，在数据的后⾯加上停⽌位，如图所⽰。

接收端通过识别起始位和停⽌位来接收数据。

2.6.3 奇偶校验码
奇偶校验是最常⽤的差错检测⽅法，也是其他差错检测⽅法的基础。

其原理是在7bit 的ASCⅡ代码的最后⼀位增加1bit的校验位，使新组成的8bit单位中的“1”的个数成奇数（奇校验）或成偶数（偶校验）。

经过传输后，如果其中⼀位（包括校验位）出错，则接收端按同样的规则就能发现错误。

奇偶校验分为⽔平奇偶校验、垂直奇偶校验和⽔平垂直奇偶校验三种。

2.6.4 循环冗余校验
循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）是⼀类重要的线性分组码，⼜称为多项式码。

利⽤CRC进⾏检错的过程可简单描述为：在发送端根据要传送的k位⼆进制码序列，以⼀定的规则产⽣⼀个校验⽤的r位监督码(CRC码)，附在原始信息后边，构成⼀个新的⼆进制码序列数共k+r位，然后发送出去。

在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规
则进⾏检验，以确定传送中是否出错。

2.6.5 海明码
第3章ISO体系结构
3.1.1 OSI参考模型的分层特点
3.3.1 数据链路层的概念
通过⼀些数据链路层协议（或链路控制规程），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。

1．链路与数据链路
链路是数据传输中两个节点间⼀条⽆源的点到点的物理线路段，链路间不存在其他交换节点（如交换机、路由器）。

将⽹络中连接两台计算机之间的多个通信链路也称为通路。

把⽤来实现控制数据传输规程的⼀些硬件和软件加到链路上就构成了数据链路。

2．帧与报⽂
在本书第2章中我们曾介绍过报⽂和分组之间的关系，其中分组是⼀个位于OSI第三层（⽹络层）的概念，当分组要OSI的第⼆层（数据链路层）时称之为帧
3.3.4 通信控制规程（⾯向字符型和⾯向⽐特型）
1．⾯向字符型
⾯向字符型即在链路上所传输的数据必须是由规定字符集（如ASCⅡ码）中的字符组成，⽽不能使⽤其他的字符。

另外，在链路上传输的控制信息也必须由同⼀个字符集中的某些指定的控制字符组成。

⾯向字符的通信控制规程具有以下的特点：
以字符为信息传输的基本单位，且规定：⽤于传输控制信息的控制字符不允许在⽤户信息中出现，以避免产⽣控制信息和⽤户信息的混淆；
采⽤指定的编码，如ASCⅡ码等；
允许使⽤同步和异步传输⽅式；
差错控制采⽤反馈重发⽅式，差错控制编码通常采⽤⽔平垂直寄偶校验；
发送⽅式采⽤应答确认⽅式；
多采⽤半双⼯通信⽅式，也可以采⽤全双⼯通信⽅式。

⾯向字符通信控制规程的效率较低，可靠性较低，在计算机⽹络的发展过程中曾起到了重要作⽤，⽬前还在⼀定的范围内在使⽤。

2．⾯向⽐特型
随着计算机⽹络技术的发展以及应⽤范围的不断拓宽，⾯向字符型的通信控制规程在许多⽅⾯已⽆法适应新业务的应⽤需求。

20世纪60年代末出现了⾯向⽐特型的通信控制规程。

与⾯向字符型的通信控制规程相⽐，⾯向⽐特型的通信控制规程具有很⼤优点，具体如下：在⾯向⽐特型的通信控制规程中，报⽂的数据和控制信息完全独⽴，具有良好的透明性；差错检验⼀般采⽤纠错⽅式，可靠性较强；
在链路上可进⾏信息的双向发送，传输效率较⾼；
信息的传输都采⽤统⼀的格式，以帧为单位进⾏，控制简单。

3.3.8 ⾯向⽐特型的通信控制规程HDLC
HDLC具有以下的主要特点：
DHCL协议不依赖于任何⼀种字符集；
数据报⽂可透明传输，易于硬件实现；
可实现全双⼯通信，不必等待确认便可连续发送数据，有较⾼的数据链路传输效率；
所有帧均采⽤CRC校验，对信息帧进⾏顺序编号，可防⽌漏收或重份，传输可靠性⾼；传输控制功能与处理功能分离，具有较⼤的灵活性。

由于以上特点，⽬前⽹络设计普遍使⽤HDLC数据链路控制协议。

HDLC的帧格式
在HDLC中，数据和控制信息均以帧的标准格式传送。

HDLC中命令和响应以统⼀的格式按帧传输，完整的HDLC帧由标志字段(Flag)、地址字段(Address)、控制字段(Control)、信息字段(Information)、帧校验序列字段(FCS)等组成，其格式如下：。