计算机网络概述

计算机网络概述
计算机网络的形成和发展：（1）第一代－面向终端。

特点是面向终端－一台主机面对多个终端；除了主机，其余终端设备都没有自主处理能力；（2）第二代：以通信子网为中心。

分组交换技术，使得计算机间通信得以实现。

特点是计算机网络称为以通信子网为中心得计算机－计算机间得通信。

结构分为由主机组成得用户子网和通信处理机组成得通信子网组成；（3）第三代－网络体系结构与协议标准化。

标志是网络体系结构得形成与标准化，在这一时期，局域网技术也出现突破进展；（4）第四代－高速化、综合化。

代表是宽带综合业务数字网B－ISDN。

高速化是指网络具有宽频带和低时延，采用光缆做介质可实现宽频带，采用快速交换技术保证低时延。

综合化是指将语言、视频、图像、数据多种业务综合到一个网络中去。

//目前，从概念结构看，Internet属于第三代。

计算机网络的四个特征：（1）具有共享能力。

支持网上所有主机共享网络资源；（2）互连的计算机应该是独立的计算机。

网上计算机没有明确的主从关系，可联机工作，也可脱机工作；（3）具有网络管理和控制的一系列网络协议。

网上计算机要有网络协议作为约定和标准；（4）通信网是计算机网络的一个基本要素，是连接计算机，并构成计算机网络的主要组成部分。

计算机网络的构成（13类：访问节点、转接节点、混合节点。

访问节点也称端节点或站点，是拥有计算机资源的用户设备；转接节点也称中间节点，有通信资源和通信能力，入集中器、交换机、路由、集线器；混合节点也称全功能节点。

②链路是两节点之间承载信息和数据的线路。

可用各种传输介质实现。

分为物理链路和逻辑链路。

物理链路是一条点到点的物理线路，中间没有交换节点；逻辑链路是具有数据传输控制能力，在逻辑起作用的物理链路。

//只有在逻辑链路上才能真正传输数据，物理链路是逻辑链路形成的基础，当采用多路复用时，一条物理链路可以形成多条逻辑链路。

（2）计算机网络的用户子网和通信子网。

①用户子网/资源子网。

由访问节点以及连接的链路构成，负责全网的信息处理，服务用户；②通信子网。

分为3类：结合型－通信子网和用户子网结合在一起，多数局域网属于此中类型；公用型－为公共用户服务并共享其通信资源的通信子网，如公用计算机互联网CHINANET、公用数据通信网DDN；专用型－专门为特定的一组用户子网构建的通信子网，如各类金融网。

计算机网络功能（1）资源共享。

包括硬件资源和软件资源的共享；（2）分布处理。

把同一任务分配到网络中不同地理分布的节点上协同完成；（3）网络服务。

在一定协议支持下，向用户提供一定网络服务；（4）网络应用。

可以应用于不同的管理系统和信息系统，构成各种不同功能的网络应用系统。

计算机网络的分类（1）按网络覆盖范围：局域网－高速，1Mb/s以上、广域网－如Internet、城域网；（2）按连接方式分：全连通型网络－可靠性好，成本高；交换型网络－存在中间节点，如星型、网型；广播型网络－如总线型、环型，需解决寻址和访问冲突。

一、计算机网络基础知识
模拟通信系统于数字通信系统（1）模拟数据与数字数据。

模拟数据也称连续数据；数字数据也称离散数据；（2）模拟通信系统：信源－调制器－信道（含噪声源）－解调器－信宿；经过调制后的信号具备2个基本特征：携带信息和适于在通道中传输；（3）数字通信系统模型：信源－加密－编码－调制－信道（含噪声源）－解调－译码－解密－信宿。

数字通信系统突出特点：差错控制、保密通信、同步问题、信号再生重传、抗干扰能力强。

这些优点是用比模拟通信占用更宽系统频带换取的。

波特率和比特率（1）波特率也称码元速率，是单位时间传输码元个数。

单位为波特Bd。

也代表单位时间内传输波形/电平个数。

设一个码元持续时间t，则波特率Rs＝1/t；（2）比特率。

数字通信中，把一个二进制所携带的信息称为1比特bit的信息，作为最小信息单位。

比特率，又称数据传输速率，是单位时间传送的比特数/二进制数，单位b/s。

若一个信号有N个状态，则每个码元包含lb（N）个二进制，故Rb＝lbN/t＝Rs*lbN。

一般的，对M进制信号，两者关系：Rb＝Rs*lb（M）。

信道容量（1）奈奎斯定理，理想信道无噪声情况下，信道容量C＝2F＝2F*lb（N）。

其中F为信道宽度（单位Hz）；N为给定时刻数字信号可能取的电平状态个数；（2）香农定理：在随机噪声信道上，容量为：C＝F*lb（1+S/N）,其中F为信道宽带，S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比。

由于一般S/N较大，故常用分贝数dB表示，即10lg（S/N）。

调制解调（1）正弦波调制。

包括模拟调制和数字调制；（2）脉冲调制。

可以实现脉幅调制、脉宽调制、脉位调制。

脉幅调制包括脉冲无编码调制和脉冲编码调制两种。

基带传输：信号输入－信道信号形成器－信道－滤波器－抽样判决器－输出；
频带输出：信号输入－调制器－信道－解调器－输出。

采用频带传输可以充分利用现有公用电话网的模拟信道进行数字通信。

异步传输和同步传输（1）接受端为能够正确译码，需解决三个问题：位同步－区分比特；字符同步－区分字符起止位；帧同步－区分信号块/帧/报文；（2）异步传输。

面向字符，每个字符独立传输。

不需要传输时钟信号，实现简单，但每个字符都要加上起始位和终止位，传输效率低；（3）同步传输。

可以面向字符或比特位。

为了实现同步，需要在数据块前面加上帧头和帧尾，其特征取决于是面向字符还是面向比特位。

有外同步和内同步两种。

外同步，适于近距离传输，增加一根时钟信号线；内同步适于远距离传输，必须从接收到的数据流中提取同步信号，利用锁相技术实现同步，例如曼彻斯特编码。

同步传输效率高，但实现难。

通信方式（1）按信号传送方向和时间，分为单工通信－广播、遥控器、半双工通信－普通无线电报、对讲机、全双工通信；（2）按数字信号在传输中的排列方式，分并行传输和串行传输。

并行优点是不存在字符同步问题，缺点是需要多个信道进行；收发双方保持位同步或字符同步是串行传输必须解决的问题。

数据调制和编码技术（1）模拟信号的模拟调制。

分为幅度调制和角度调制；（2）数字信号数字调制。

为了利用电话网实现计算机数字信号传输，必须先将数字信号转换成模拟信号。

分为3种：①振幅键控ASK。

通过改变载波信号振幅来表示数字信号中0和1。

有使用乘法器和键控方法两种；容易实现，但抗干扰能力差；②移频键控FSK。

通过改变载波信号角频率来表示0和1。

实现教容易，抗干扰能力较强，目前常用；③移相键控PSK。

分为绝对调相和相对调相。

绝对调相用信号初始时刻相位绝对值表示对应的0和1，即与初始时刻相位相比相位不变表示0，改变pi则表示1；相对调相，用跃变表示二进制编码，如数字信号从0变为1，则载波信号相位偏移pi，从1变为0，则不变。

为了提高传输速率，常采用多相调制。

数字信号编码。

数字信号可以直接用基带传输，通常采用二进制代码形式。

（1）单极性编码。

使用一个电平值。

容易实现，但会积累直流分量，对信号传输不利，另外有同步问题；（2）双极性编码。

用正、负电平表示1和0；包括不归零码NRZ和归零码RZ两种。

①不归零码有2种：不归零码电平编码NRZ－L――正表示1，负表示0；反向不归零编码NRZ －I――信号一次反转表示1，没有变化表示0；②归零码。

特点是每个脉冲比比特持续时间短，每个脉冲总要回到零电平；（3）曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

曼彻斯特编码法是将每个二进制分为相等的间隔，每一位中间有一跃变，从高电平到低电平表示0，反之为1。

差分曼彻斯特编码方法是：每个二进制中间跃变仅提供时钟信号。

每个二进制前半个周期与上一个二进制后半个周期电平相同，表示1，电平相反，则为0。

其实现复杂，抗干扰强。

模拟信号的数字编码。

在数字通信系统种传输模拟信号，首先应将模拟信号数字化。

最
好的方法是脉冲编码调制，基PCM （Pulse Code Modulation ），包括抽样、量化、编码三个过程；
差错控制编码（1）基本原理。

传输差错有两种：乘性干扰－码间干扰，一般可通过均衡器纠正；加性干扰－信道噪声引起。

引起加性干扰有热噪声和冲激噪声两类，相应的信道分为随机信道和突发信道。

常用的差错控制方法有检错重发法－如自动请求重发ARQ 、前向纠错法FEC 和反馈检验法。

（2）几种差错控制编码：奇偶校验码、恒比码、正反码和循环冗余码（具体见课本35页！！！掌握方法）
网络拓扑结构：主要是星型、总线型、环型、树型、网型。

（1）星型优缺点：控制简单、容易进行故障诊断和隔离；电缆长度大、中央节点负担大、各站点分布处理能力小；（2）总线型优缺点：所需电缆小、结构简单可靠性好、易于扩充；系统范围有限、故障诊断隔离困难，难以保证信息及时传送；（3）环型优缺点：电缆长度短、扩充易；节点故障会引起全网故障、检测困难、采用令牌控制方式，轻负载时等待时间长；（4）树型优缺点：易扩展、故障易隔离；各节点对根的依赖性大；（5）网型优缺点：不受瓶颈和失效问题影响，可靠性高；结构复杂，成本高，网络协议复杂。

在主干网种网型使用较多。

传输介质（1）有线传播介质。

见下表；（2）无线电波：主要有微波和短波。

①微波频率范围300～300GHz ，主要特点是频率高，通信信道容量大；危害小于短波通信；直线传播；隐蔽性和保密性差。

微波通信有两种方式：地面微波中继通信和卫星通信。

②常用无线技术，有符合802.11系列标准的WLAN 技术和红外技术。

蓝牙和HomeRF 也在无线技术种占据重要位置。

多路复用技术（1）多路复用允许两个或多个信源共享一个传输介质。

包含复合、传输、分离三个过程；分为频分复用技术FDM 、时分复用技术TDM －包括同步时分复用STDM 和异步时分复用A TDM 、码分复用技术CDMA 、波分复用技术WDM －利用衍射光栅实现多路不同频率光波合成和分解。

（2）复用器输出线线路容量＝复用器输入线线路容量之和；
（3）集中器冲存储能力和一定智能，另外，复用器必须成对使用，而集中器不需要。

网络交换技术（1）是指在任意拓扑结构的数据通信网络中，通过网络节点的某种转换方式实现任意两个或多个系统之间连接的技术。

常用的有线路交换、报文交换、分组交换、
ATM信元交换；（2）线路交换技术。

属于直接交换。

在数据传输之前，首先由源系统发出请求连接呼叫，从而在源系统和目的系统之间建立起一个端到端的专用通路，然后进行数据传输。

包括线路建立、数据传输、线路拆除三个阶段。

优点是：可靠，不丢失，保持原序；线路建立后，网络对用户透明，没拥堵；实时性强。

缺点是：效率低；不具有存储能力和差错控制；（3）报文交换技术。

是存储转发式交换技术。

数据以一份完整报文为单位，一次传送一个报文，无需建立专用通路，每个报文在传输过程中是一段一段占用通道，而非整个通路。

优点是简化了两端系统设备；不要求两端系统工作于相同速率；提高共享性。

缺点是节点时延长。

（4）分组交换技术。

属于储转发式交换技术，其实质和机理完全相同于报文交换。

所不同的是参与交换的数据单元长度不同。

分组是将一份报文分成若干个分组和一个零头。

优点有：线路利用率高、可进行数据传输速率转换、网络受负载影响小、可以使用优先权。

分组交换可采用数据报分组和虚电路分组。

（5）前面四种交换方式比较见下表。

ATM交换技术－异步传输模式。

（Asynchronous Tranter Mode ）（1）ATM技术目的在于建立能提供高速交换方式，减少节点时延，并支持和集成所有类型的服务的网络。

基本特征是数据的交换、传输和复用都以信元为单位。

信元是具有固定长度和格式的超小型分组，共53字节。

ATM采用虚路径Virtual Path和虚信道Virtual Channel技术，使其具有动态分配网络资源的特性。

（2）A TM信元结构：共53字节，5字节作为标头，承载控制信息；48是净荷/载荷，称为信息域，承载用户分发的信息。

对应于A TM网中用户－网络接口UNI荷网络－节点接口NNI，信元标头是不同的。

（3）A TM逻辑连接。

ATM通信子网中的转节点是ATM交换机。

ATM交换面向连接，因此需要建立端到端的连接进行数据传输。

要么使用管理功能事先建立，要么在需要时使用指令动态的建立，分别称为永久虚连接和交换虚连接。

二、网络体系结构与OSI参考模型
OSI-Open System Interconnection,开放系统互连。

网络协议protocol：（1）是指计算机网络中相互通信的对等实体之间交换数据或通信时所必须遵守的规则或准则的集合。

（2）网络协议由3个基本要素组成：语法syntax－用户信息和控制信息的结构与格式；语义semantic－需要发出的何种控制信息、完成的动作及作出的应答；同步timing－也称定时，即事实实现顺序的详细说明和速度匹配。

（3）网络协议功能包括连接管理、通信方式管理、协议数据包的发送和接收以及装配和拆卸，数据包的编码、解码、差错控制等。

网络体系结构，是指计算机网络的分层、各层协议和各层间接口的集合。

由层、协议、接口三要素构成。

层是能提供某一种/类服务功能集合的逻辑结构；协议是为完成该层对等实体之间通信应遵守的规则/标准；接口是各个相邻协议层之间交换信息的连接点调用以及其他所有关系。

网络体系结构的分层及其分析（1）分层原则：功能明确、界限分明；各层独立稳定；
接口清晰简洁；层次数量适中；着眼于标准化；（2）层间服务关心及接口关系分析：①低层向高层提供服务，n层通信子系统是指n层与n层以下所有各层的集合；②层间接口关系分析：服务访问点SAP可视为对网络体系结构结构中相邻层间接口的一种抽象描述，常见的接口间关系有：层间模块调用；共享数据结构及数据缓冲区；
OSI参考模型，即开放系统互连参考模型（1）OSI的分层结构:OSI的物理层和数据链路层属于通信服务层；网络层、运输层、会话层属于网络服务层；表示层和应用层属于用户服务层。

①物理层。

主要功能是为数据链路层提供一个物理链接，保证在通信信道上透明的传输比特流。

数据单元是比特；②数据链路层。

主要功能是在两个相邻节点间线路上，无差错的传输数据帧。

数据单元是数据帧；③网络层。

主要功能是为数据分组进行路由选择，并负责通信子网的流量控制、拥塞控制。

数据单元是分组；④运输层。

只要功能是为会话层提供一个可靠的端到端连接，以使两个端系统之间透明的传输报文。

数据单元是报文；⑤会话层。

⑥表示层。

主要功能是完成被传输数据的表示工作，包括数据的格式、转化、加密和压缩等服务；⑦应用层。

功能和计算机应用系统所要求的网络服务有关。

一般功能是为应用系统提供访问OSI环境的接口和服务。

常见的有虚拟终端、文件传送、远程用户登陆、电子邮件等。

（2）数据传送单元。

在OSI参考模型中，各种数据传送单元共分为3种：协议数据单元PDU、接口数据单元IDU、服务数据单元SDU。

PDU由两部分构成：用户数据信息UDI、协议控制信息PCI；接口数据单元－各层数据单元PDU通过层间接口时，加上接口控制信息ICI，就构成了接口数据单元；服务数据单元SDU－服务访问节点上的、同由服务原语操纵的数据。

物理层（1）常用模型DTE/DCE模型，Data Terminal Equipment表示数据终端设备，泛指网络中信源或信宿设备，即用户终端；Data Circuit Equipment表示数据线路设备或数据通信设备；（2）基本功能3个：物理连接的建立、维持和拆除；数据传输；物理层管理；（3）接口特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。

按功能可将接口信号线分为5类：数据信号线、控制、定时、接地、次信道信号线；（4）物理层协议实例：①EIA RS－232，由美国电子工业协会EIA颁布。

RS－232是计算机等数据终端设备DTE和作为DCE的调制解调器M之间的物理层接口标准；它定义了20根信号线，2根为A类线；2根为B类线；8根为C类线；3根为D类线；5根为S类线（22835）；②V系列；X系列；I系列。

都是由CCITT颁布，分别以V、X、I开头编号。

数据链路层（1）主要功能：数据链路管理；帧同步；差错控制；流量控制；寻址。

其中帧同步有4种方法：字节计数发、字符填充法、比特填充法、违法编码法；（2）数据链路控制①点－点式链路。

分为非平衡和平衡两种。

非平衡点点式链路特点是链路两端的两个站有固定的主站和次站之分，主站是控制站，次站是受控制站。

非平衡链路有两种操作方式：正常响应方式NRM和异常响应方式ARM。

平衡点点式链路特点是链路两端的两个站都是复合站，同时具有主站和次站的功能。

一个站有数据要发送到另一个站，则发出询问信息ENQ，这时它自动居于主站地位，另一个站接到ENQ后自动居于次站地位；平衡式链路的数据传输方式是异步平衡方式ABM，特点是每个复合站都可以平等的发起数据传输。

一般采用全双工通信；②多点式链路。

由一个主站和若干次站组成。

数据只在主站和某一次站之间进行传输，主站采用轮询控制方式，向各站请求数据；（3）链路差错控制：①XON/XOFF方案，它与差错控制无关，是一种纯流量控制技术。

XON为“请继续发送”，XOFF为“请停止发送”。

能有效避免接受缓冲区的溢出和处理能力的过荷；②停止等待协议Stop and Wait。

简单的差错控制和流量控制协议。

特点是一次发送一个数据帧后，便停止发送，等待接受端响应帧，分为四种情况：正确接收，正常响应；传输差错，接收端检测后请求重发；发送的数据帧丢失，接收端无响应，出现死锁；正确接收，但响应帧丢失，出现死锁；（对死锁可采用定时重发技术）③连续ARQ协议。

通过自动重发达到纠错的目的。

发送端在没有接收到响应前，可以连续的发送数据帧，并对这些数据帧进行拷贝和编号以区分，若接收到某帧的确认帧ACK，
则可删除该帧的拷贝，如果接收到否认帧NAK，则重发出错帧以后的所有帧。

如果已发送的数据帧或响应帧丢失，引起定时器超时，也应重发；④选择重传ARQ协议。

加大接收窗口。

（4）高级链路控制规程HDLC①HDLC是面向比特的同步数据链路规程。

定义了3种操作方式：正常响应方式NRM、异步响应方式ARM和异步平衡方式ABM；和3种非正常操作方式：正常断开方式NDM、异步断开方式ADM和初始化方式IM；②HDLC的帧格式：标志字段F、地址字段A、控制字段C、信号字段I、帧校验序列字段FCS；③HDLC帧的类型：数据帧/I帧、监督帧/S帧、无编号帧/U帧。

其中S帧按控制字段S1S2的不同有4种类型：00－接收准备就绪RR；01－拒绝接收REJ；10－接收准备未就绪RNR；11－选择拒绝SREJ；④HDLC的通信过程，包括3个阶段：建立链路、传输数据、拆除链路。

网络层（1）是通信子网的最高层。

功能是网络连接；路由选择；网络流量控制；数据传输控制（数据单元是分组）；（2）网络层服务。

OSI将网络划分两类：面向连接和面向无连接。

面向连接网络服务具体实现是虚电路服务；面向无连接具体实现是数据报服务。

虚电路服务和数据报服务的差别：①从服务质量看，虚电路是面向连接的，能保证数据分组按序交付，而且不丢失、不重复，差错控制和流量控制由通信子网完成；数据报服务不能保证按序或不丢失不重复，通信子网也无法提供差错控制和流量控制；②从使用情况看，虚电路可以向端系统提供无差错数据传输，但数据报传输速率高。

（3）路由选择。

好的路由选择应满则下列要求：最小费用、计算简单、适应网络变化、稳定。

①静态路由算法，基于一定的网络性能要求，网络拓扑结构和业务分布情况，按固定规划进行的路由选择。

优点是算法简单，开销小，常用的有洪泛法和固定路由法；②动态路由算法，基于一定网络性能要求命根据当前网络状态信息决定各节点的路由选择。

有孤立式、分布式和集中式三种。

孤立式特点是每个节点接收到一个分组时，仅考虑本节点到当前各输出链路的等待队列长度，选择最短；集中式要求所有节点周期性的将状态参数报告给路由控制中心RCC，RCC生成路由表分发给每个节点使用；分布式每个节点都有时延表和路由表。

（4）网络流量控制①网络拥塞：通信子网的资源包括链路容量、节点缓冲区等都是有限的。

当某个部分或某段出现网络资源可用部分小于网络资源的共享需求时，会出现拥塞；②网络死锁：拥塞加剧，使得网络吞吐量下降至0，无法工作。

死锁是网络中最容易出现的故障之一，即使负载不重也可能出现。

分为直接死锁、间接死锁和重装死锁。

直接死锁由于双方相互占用对方所需网络资源无法释放而造成的；间接死锁则发生于一组节点之间，每个节点都企图向相邻的节点发送分组，但都无空的缓冲区用于接收，形成闭环死锁；重装死锁比较严重，是由于目的节点缓冲区已满，而无法将缺少的分组重装报文发送往主机而出现的死锁，一般发生于目的节点同时接收多个报文的情况。

③流量控制的层次。

避免拥塞和死锁，但设计不当，本身会称为拥塞和死锁的原因。

实际的流量控制按级进行，一般分为4级：链路级、端端级、进网级、运输级。

（5）X.25协议。

是描述主机DTE与分组交换网PSN之间的接口规范，以虚电路服务为基础。

①X.25协议分层：包括物理层、数据链路层和分组层3层。

第一层定义二进制比特流传送的机械、电气和规程的特性，用于激活和断开DTE与DCE的连接；第二层采用LAPB规程为DTE/DCE 链路上定义了帧格式；第三层对应于OSI参考模型的网络层；②X.25分组交换方式。

基于虚电路服务，提供可靠的面向连接的服务。

提供的虚电路有两种：交换型虚电路SVC，永久型虚电路PVC；③X.25分组格式，由标头和数据帧两部分组成；④差错控制采用重建Reset 和重新开始Restart。

重建即重新建立虚电路，仅限于数据传送阶段；重新开始则影响到所有正在工作的虚电路。

（6）帧中继。

①和ATM技术均属于高速分组交换技术。

帧长度可变时，被实现为帧中继；帧长度固定时，被实现ATM交换。

②帧中继特点为：使用的链路是逻辑连接，而非物理连接；简化了X.25第三层功能，提高信息处理效率；提供错误检测但不提供发现错误后的重传操作；帧的信息长度比分组长的多，至少1.6KB；提供合理的宽带管理和防止拥塞的机制；提供SVC和PVC；③最适应帧中继的是局域网互连。

局域网和主机通过帧。