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计算机网络技术与应用 1 理论学习 16学时 1 3 5 9周 实践学习 16学时 2 3 5 10周 考试成绩 平时成绩 机试成绩要求 上课 不迟到 不无故旷课实习 按机器号对应学号入座未经老师允许不得做与实习无关的事情 实习报告 电子版 课程参考资料 1 谢希仁 计算机网络 第四版 电子工业出版社2 DouglasE Comer 计算机网与因特网 机械工业出版社3 Andrew ComputerNetworks 4E 清华大学出版社4 黄志晖 计算机网络设备全攻略 西安电子工业出版社 1 3 2 5 4 计算机网络的基础知识 局域网技术 TCP IP协议 6 网络互联技术 8 Internet基础与应用 网络操作系统与网络服务 网页制作 7 局域网组建 1 3 2 5 4 计算机网络的产生发展 计算机网络的概念 计算机网络的分类 6 网络传输介质 8 网络体积结构与网络协议 计算机网络的拓扑结构 数据通信基础 7 计算机网络的工作模式 第一章计算机网络的基础知识 1 1计算机网络的发展 计算机网络应用的发展主要经过从简单数据传输到资源共享的实现 进而到标准化网络与互联网 最后发展到高速互联网的过程 主要演变可以分为面向终端的计算机网络 计算机通讯网络 计算机互联网络和高速互联网络四个阶段 1 面向终端的计算机网络面向终端的计算机网络 2 计算机通讯网络 20世纪60年代 许多机构拥有了自己独立的计算机 为了能够使多台计算机互相共享资源和交换信息 人们把若干台本来相互独立的计算机通过通信线路连接起来 这就形成了第二代计算机网络 这个阶段 计算机网络的代表就是美国国防部高级研究计划局的ARPAnet AdvancedResearchProjectsAgencyNetwork INTERNET之父克伦洛克 3 计算机互联网络 20世纪70年代 网络结构发生了巨大变化 局域网与广域网 广域网与广域网的互连通过路由器实现 1984ISO InternationalOrganizationforStandardization 的OSI 开放互联参考模型 1974提出TCP 后分裂成为TCP IP协议 文顿 G 瑟夫 右 和罗伯特 E 卡恩 左 4 高速互联网络 20世纪90年代中期到21世纪初期 第四代网络又称为网络的国际化阶段 网络技术由低速到高速 由共享到交换 又窄带宽向宽带迅速发展 特点 互联 高速 智能 业务综合化以及更为广泛的应用 网线网络的广泛应用 5 计算机网络的应用 计算机网络提供的服务主要有 1 WWW服务 WWW即WorldWideWeb2 电子邮件服务 即E mail3 DNS服务 域名服务4 FTP服务 文件传输5 数据库服务6 多媒体应用7 管理服务 6计算机网络发展趋势 1 三网合一2 光通讯技术3 IPV6技术4 3G网络5 物联网TheInternetofthings 1 3 2 5 4 计算机网络的产生发展 计算机网络的概念 计算机网络的分类 6 网络传输介质 8 网络体积结构与网络协议 计算机网络的拓扑结构 数据通信基础 7 计算机网络的工作模式 第一章计算机网络的基础知识 1 2 1计算机网络的基本概念 计算机网络是将分布在不同地理位置的具有独立功能的计算机系统 利用通信设备和线路相互连接起来 在网络协议和网络软件的支持下 进行数据通信 进而实现资源共享的系统 一个计算机网络可以包含有多台具有 自主 功能的计算机 所谓的 自主 是指这些计算机离开计算机网络之后 也能独立地工作和运行 因此 通常将这些计算机称为 主机 host 在网络中又叫做节点或站点 一般 在网络中的共享资源 即硬件资源 软件资源和数据资源 均分布在这些计算机中 构成计算机网络时需要使用通信的手段 把有关的计算机 节点 有机地 连接起来 所谓的 有机 地连接是指连接时彼此必须遵循所规定的约定和规则 这些约定和规则就是通信协议 建立计算机网络的主要目的是为了实现数据通信和资源共享 1 2 2网络基本功能 数据通信网络中计算机之间相互通信 传输各种信息 资源共享是网络的基本功能 是组网的主要目标之一 提高系统的可靠性在一些用于计算机实时控制和要求高可靠性的场合 通过计算机网络实现备份技术可以提高计算机系统的可靠性 分布式网络处理和负载均衡相对于集中式处理 效率更高 更符合实际需要 对于大型的任务或当网络中某台计算机的任务负荷太重时 可将任务分散到网络中的各台计算机上进行 1 2 3网络的基本组成 1 计算机网络系统组成计算机系统 信息处理 提供网络资源数据通信系统 完成数据通信控制与处理网络软件 实现控制 管理和服务功能网络协议软件网络通信软件网络操作系统网络管理软件网络应用软件 1 2 3网络的基本组成 2 计算机网络逻辑组成网络的基本功能是数据通信和资源共享 从功能逻辑上可分为 通信子网和资源子网 早期网络结构示意图 现代网络结构示意图 1 2 3网络的基本组成 2 计算机网络逻辑组成资源子网 由服务器 工作站 共享设备 打印机 网络硬盘 各种软件资源与信息资源组成 资源子网负责全网的数据处理 向网络用户提供各种网络资源与各种网络服务 通信子网 主要由网络识配器 网卡 集线器 交换机 路由器 传输介质及相关软件组成 主要完成网络数据传输 转发等通信处理任务 通信控制处理机主要负责主机与网络的信息传输控制 又被称为网络节点 一方面作为与资源子网的主机 终端连接的接口 将主机和终端连入网内 另一方面它又作为通信子网中的分组存储转发节点 完成分组的接收 校验 存储 转发等功能 实现将源主机报文准确发送到目的主机的作用 网络连接设备主要实现网络中主机与主机 网络与网络之间的连接 数据信号的转换以及路由选择等功能 主要包括 中继器 集线器 调制解调器 网桥 交换机 路由器 网关等设备 传输介质 通信线路 传输介质是传输数据信号的物理通道 它将网络中各种设备连接起来 计算机网络采用了多种通信线路 如双绞线 同轴电缆 光纤 无线通信信道 微波与卫星通信信道等 网络协议软件实现网络协议功能 比如TCP IP IPX SPX等 网络通信软件用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件 网络操作系统实现系统资源共享 管理用户的应用程序对不同资源的访问 典型的操作系统有NT Netware UNIX等 网络管理软件和网络应用软件网管软件是用来对网络资源进行管理 对网络进行维护的软件 网络应用软件是为网络用户提供服务的 是网络用户在网络上解决实际问题的软件 1 3 2 5 4 计算机网络的产生发展 计算机网络的概念 计算机网络的分类 6 网络传输介质 8 网络体积结构与网络协议 计算机网络的拓扑结构 数据通信基础 7 计算机网络的工作模式 第一章计算机网络的基础知识 1 3计算机网络的类型分类 按网络的作用范围 局域网 城域网 广域网 互联网 按工作模式 对等网 客户端 服务器网络 按拓扑结构 总线型 环型 星型 树形 按通讯介质 有线网 无限网 1 3 2 5 4 计算机网络的产生发展 计算机网络的概念 计算机网络的分类 6 网络传输介质 8 网络体积结构与网络协议 计算机网络的拓扑结构 数据通信基础 7 计算机网络的工作模式 第一章计算机网络的基础知识 1 4计算机网络工作模式 基本概念按作用将网络中计算机分为 服务器 和 客户机 服务器 为整个网络提供资源和服务的计算机 客户机 使用资源和接受服务的计算机 网络工作模式 是指网络中服务与资源提供和使用的方式 又称提供服务的模式 主要分为 客户机 服务器工作模式对等网工作模式两种 1 4计算机网络工作模式 服务器 控制 管理 资源调度 提供服务和共享资源等 客户机 用于使用和处理共享资源和服务 每一台计算机都提供资源和服务 同时使用网络上的资源和服务 每一台计算机在功能上是对等的 没有主从之分 每一台计算机既是服务器又是客户机 1 3 2 5 4 计算机网络的产生发展 计算机网络的概念 计算机网络的分类 6 网络传输介质 8 网络体积结构与网络协议 计算机网络的拓扑结构 数据通信基础 7 计算机网络的工作模式 第一章计算机网络的基础知识 1 5 1网络拓扑结构的概念 拓扑学把实体抽象成与其大小 形状无关的点 将连接实体的线路抽象成线 进而研究点 线 面之间关系 在计算机网络中 将主机和终端抽象为点 将通信介质抽象为线 形成点和线组成的图形 几何排列形式 使人们对网络整体有明确的全貌印象 按网络的拓扑结构分为 总线型 环型 星型 树型 网状 计算机网络的拓扑结构 总线型网络拓扑结构 所有的节点都通过网络适配器直接连接到一条作为公共传输介质的总线上 总线可以是同轴电缆 双绞线 或者是使用光纤 总线上任何一个节点发出的信息都沿着总线传输 而其他节点都能接收到该信息 但在同一时间内 只允许一个节点发送数据 由于总线作为公共传输介质为多个节点共享 就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节点利用总线发送数据的情况 因此会出现 冲突 总线型局域网中的 冲突 在 共享介质 的总线型拓扑结构的局域网中 必须解决多个节点访问总线的介质访问控制问题 总线结构的优点 总线结构的缺点 环型拓扑结构 所有节点使用相应的网络适配器连接到共享的传输介质上 通过点到点的连接构成封闭的环路 环路中的数据沿着一个方向绕环逐节点采用令牌传递方式控制节点轮流发送数据 在环型拓扑中 虽然也是多个节点共享一条环通路 但不会出现冲突 对于环型拓扑的局域网 网络的管理较为复杂 与总线型局域网相比 可扩展性较差 星型拓扑结构 在星型拓扑中存在一个中心节点 每个节点通过点到点线路与中心节点连接 在局域网中 由于使用中央设备的不同 局域网的物理拓扑结构和逻辑拓扑结构不同 使用集线器连接所有计算机时 是一种具有星型物理连接的总线型拓扑结构 使用交换机时 是真正的星型拓扑结构 1 3 2 5 4 计算机网络的产生发展 计算机网络的概念 计算机网络的分类 6 网络传输介质 8 网络体积结构与网络协议 计算机网络的拓扑结构 数据通信基础 7 计算机网络的工作模式 第一章计算机网络的基础知识 1 6网络传输介质 基本概念传输介质 是指数据传输过程中发送设备和接收设备之间的物理媒体 其性能特点对 传输速率 通信距离 可连接的网络结点数目和数据传输的可靠性均有很大的影响 网络传输介质分为 有线传输介质和无线传输介质两类 因此计算机网络可分为有线网络和无线网络两种 1 6网络传输介质 1 同轴电缆2 双绞线无屏蔽双绞线 UTP 有屏蔽双绞线 STP 1 6网络传输介质 3 光导纤维多模光纤分单模光纤 1 6网络传输介质 4 无线传输介质是指在两个通信设备之间不使用任何物理的连接器 通常这种传输介质通过空气进行信号传输 根据电磁波的频率 无线传输系统大致分为广播通信系统 地面微波通信系统 卫星微波通信系统和红外线通信系统 对应的3种无线介质是无线电波 30MHz 1GHz 微波 300MHz 300GHz 红外线和激光 1 6网络传输介质 4 无线传输介质 1 3 2 5 4 计算机网络的产生发展 计算机网络的概念 计算机网络的分类 6 网络传输介质 8 网络体积结构与网络协议 计算机网络的拓扑结构 数据通信基础 7 计算机网络的工作模式 第一章计算机网络的基础知识 1 7 1计算机网络协议 复杂问题的研究 复杂问题的解决 抽象 社会上存在的邮政系统 1 7 2网络体系结构 概念网络是一个复杂 庞大的系统 为了减少计算机网络的在研究和实现上复杂程度 可将计算机网络按功能划分为若干个层次 不同层次完成不同功能 低层为其更高层次提供必要的服务功能 层次间的联系通过特定接口完成 网络体系结构完成计算机间的通信合作 把每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次 并规定同层次进行通信的协议及相邻层之间的接口服务 网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构 1 7 3计算机网络协议 协议 Protocol 协议就是为实现网络中的数据交换建立的规则标准或约定 协议由语法 语义和时序三部分组成 即协议的三要素 语法 数据与控制信息的结构和格式 包括数据格式 编码及信号电平等 语义 需要发出任何控制信息 完成何种动作以及做出何种应答等 时序 对有关事件实现顺序的详细说明 如速度匹配 排序 开放系统互连参考模型 OSI RM 为了实现不同厂家生产的计算机系统之间以及不同网络之间的数据通信 国际标准化组织ISO对各类计算机网络体系结构进行了研究 并于1981年正式公布了一个网络体系结构模型作为国际标准 称为开放系统互连参考模型 opensysteminternet referencemondel OSI RM 也称为ISO OSI 开放 表示任何两个遵守OSI RM的系统都可以进行互连 当一个系统能按OSI RM与另一个系统进行通信时 就称该系统为开放系统 OSI的分层模型 基于OSI的通信模型结构 OSI各层的功能概述 三 第7层 应用层 ApplicationLayer 为网络用户或应用程序提供各种服务 如文件传输 电子邮件 E mail 分布式数据库 网络管理等 第6层 表示层 PresentationLayer 为应用层提供信息表示方式的服务 如数据格式的变换 文本压缩 加密技术等 第5层 会话层 SessionLayer 为表示层提供建立 维护和结束会话连接的功能 并提供会话管理服务 OSI各层的功能概述 二 第4层 传输层 TransportLayer 为上层提供端到端 最终用户到最终用户 的透明的 可靠的数据传输服务 所谓透明的传输是指在通信过程中传输层对上层屏蔽了通信传输系统的具体细节 第3层 网络层 NetworkLayer 为传输层的数据传输提供建立 维护和终止网络连接的手段 把上层来的数据组织成数据包 Packet 在节点之间进行交换传送 并且负责路由控制 拥塞控制和网络互连 OSI各层的功能概述 一 第2层 数据链路层 DataLinkLayer 在物理层提供比特流服务的基础上 建立相邻节点之间的数据链路 通过差错控制提供数据帧在信道上无差错地传输 并进行数据流量控制 第1层 物理层 PhysicalLayer 在物理信道上传输原始的数据比特 bit 流 提供为建立 维护和拆除物理链路连接所需的各种传输介质 通信接口特性等 OSI RM的信息流动 1 3 2 5 4 计算机网络的产生发展 计算机网络的概念 计算机网络的分类 6 网络传输介质 8 网络体积结构与网络协议 计算机网络的拓扑结构 数据通信基础 7 计算机网络的工作模式 第一章计算机网络的基础知识 1 8数据通信基础 计算机网络是计算机技术和数据通信技术相结合的产物 数据通信技术是网络发展的基础 1 8 1数据通信中的概念 信息 数据和信号 信息 通信的目的是交换信息 信息的载体可以是数字 文字 语音 图形或图像 计算机中信息一般是字母 数字 语音 图形或图像的组合 数据 Data 被传输的二进制代码为了传送这些信息 首先要将字母 数字 语音 图形或图像用二进制代码的数据来表示 信号 是数据的具体物理表现 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式 为传输二进制代码的数据 必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示 数据通信 是指在不同计算机之间传送表示字母 数字 符号的二进制代码0 1比特序列的模拟或数字信号的过程 数据通信系统基本结构 数据通信系统的基本通信模型 产生和发送信息的一端叫信源 接收信息的一端叫信宿 信源与信宿通过通信线路进行通信 在数据通信系统中 也将通信线路称为信道 在数据通信系统中 传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 而传输数字信号的系统称为数字通信系统 1 8 2通信信道 信道是信号传输的通道 包括传输媒体和通信设备 传输媒体可以是有形媒体 如电缆 光纤等 也可以是无线媒体 如传输电磁波的空间 信道可以按不同的方法分类 有线信道与无线信道 模拟信道与数字信道 专用信道和公用信道 有线信道与无线信道 信道按所使用的传输介质分类 可以分为有线信道与无线信道 有线信道使用有形的媒体作为传输介质的信道称之为有线信道 有线信道包括双绞线 同轴电缆和光缆等 无线信道以电磁波在空间传播方式传送信息的信道称之为无线信道 无线信道包括无线电 微波 红外线和激光以及卫星通信信道等 有线信道 无线信道 1 8 3数据通信的技术指标 数据通信速率 传输速率 传输率是指数据在信道中传输的速度 数据通信速率分为两种 码元速率和信息速率 码元速率RB 每秒中传送的码元数 单位为波特 秒 Baud s 又称为波特率 信息速率Rb 每秒中传送的信息量 单位为比特 秒 bit s 又称为比特率 信道带宽与信道容量 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围 通常称为信道的通频带 单位用赫兹 Hz 表示 信道带宽是由信道的物理特性所决定的 例如 电话线路的频率范围在300 3400Hz 则它的带宽300 3400Hz 信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数 信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数 用每秒比特数 bps 表示 当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时 就会产生失真 1 8 4数据的传输方式 1 按照字节使用的信道数可以分为串行通信和并行通信 2 按照通信信号的传输方向与时间的关系 可以分为单工 半双工 和全双工方式 3 按照数据在通信信道上是否经过了调制变形处理 可以分为基带传输 频带传输 数据的串行传输和并行传输 串行通信数据流以串行方式在一条信道上传输 由于计算机内部都采用并行通信 因此 数据在发送之前 要将计算机中的字符进行并 串变换 在接收端再通过串 并变换 还原成计算机的字符结构 才能实现串行通信 串行通信的优点是收 发双方只需要一条传输信道 易于实现 成本低 但速度比较低 数据的串行传输和并行传输 并行通信数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输 并行通信的优点是速度快 但发端与收端之间有若干条线路 导致费用高 仅适合于近距离和高速率的通信 信道的通信方式 单工通信 单工方式指通信信道是单向信道 数据信号仅沿一个方向传输 发送方只能发送不能接收 接收方只能接收而不能发送 任何时候都不能改变信号传送方向 无线电广播和电视都属于单工通信 信道的通信方式 半双工通信 半双工通信是指信号可以沿两个方向传送 但同一时刻一个信道只允许单方向传送 即两个方向的传输只能交替进行 而不能同时进行 当改变传输方向时 要通过开关装置进行切换 半双工信道适合于会话式通信 比如公安系统使用的 对讲机 和军队使用的 步话机 半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信 信道的通信方式 全双工通信 全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输 比如 电话通话 信号的传输方式 基带传输 基带传输就数字信号而言 它是一个离散的方波 0 代表低电平 1 代表高电平 这种方波固有的频带称为基带 方波信号称为基带信号 因此 基带实际上就是数字信号所占用的基本频带 基带传输是在信道中直接传输数字信号 且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用 双向地传输信息 信号的传输方式 频带传输 频带传输所谓频带传输是指将数字信号调制成音频 模拟 信号后再发送和传输 到达接收端时再把音频 模拟 信号解调成原来的数字信号 可见 在采用频带传输方式时 要求发送端和接收端都要安装调制器和解调器 在实现远距离通信时 经常借助于电话线路 此时就需要利用频带传输方式 利用频带传输 不仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题 而且可以实现多路复用 以提高传输信道的利用率 信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上 共享信道资源 四种信道复用方式 频分复用FDM 时分复用TDM 波分复用WDM和码分复用 1 8 5多路复用技术 频分多路复用FDM FDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段 带 每个信号占其中一个频段 接收时用适当的滤波器分离出不同信号 分别进行解调接收 时分多路复用TDM TDM又分为同步时分复用 SynchronousTimeDivisionMultiplexing STDM 和异步时分复用 AsynchronousTimeDivisionMultiplexing ATDM 同步时分复用STDM STDM采用固定时间片分配方式 将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段 一个周期 再将每一时间段划分成等长度的多个时隙 每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号 各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙 由于在同步时分复用方式中 时隙预先分配且固定不变 无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙 形成了时隙浪费 其时隙的利用率很低 异步时分复用 异步时分复用技术又被称为统计时分复用 它能动态地按需分配时隙 避免每个时间段中出现空闲时隙 ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它 当用户暂停发送数据时 则不给它分配时隙 电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输 在所有的数据帧中 除最后一个帧外 其他所有帧均不会出现空闲的时隙 从而提高了资源的利用率 也提高了传输速率 波分多路复用WDM WDM主要用于全光纤网组成的通信系统 波分复用就是光的频分复用 人们借用传统的载波电话的频分复用的概念 可以做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号 提高了光纤的传输能力 最初 在一根光纤上只能复用两路光载波信号 随着技术的发展 在一根光纤上复用的路数越来越多 现在已达到在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号 这种复用方式就是密集波分复用DWDM DenseWavelengthDivisionMultiplexing 码分多路复用 码分多路复用又称为码分多址CDMA CodingDivisionMultiplexingAccess CDMA也是一种共享信道的方法 每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信 但使用基于码型的分割信道方法 即每个用户分配一个地址码 各个码型互不重叠 通信各方之间不会相互干扰 且抗干扰能力强 1 8 6数据交换技术 数据在通信双方进行传输 最简单的方式就是在两个互连设备之间直接建立一个现实的传输通道 但在计算机网络中 直接连接两个设备是不现实的 数据从一个工作站传输到另一个工作站 中间往往要经过多个节点 构成通信网络的中间节点起着数据交换的作用 将数据从一个节点传到另一个节点 直至目的地 整个数据传输过程称为数据交换过程 目前通常使用的数据交换方式有三种 电路交换 报文交换 和分组交换 数据交换技术 电路交换 电路交换 CircuitSwitching 也称为线路交换 是一种直接的交换方式 为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道 即提供一条专用的传输通道 既可以是物理通道又可以是逻辑通道 使用时分或频分复用技术 这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择 连接而完成的 是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路 如此的两个节点如何实现电路交换过程的呢 数据交换技术 电路交换 电路交换通信的三个阶段 电路建立通过源节点请求完成交换网中相应节点的连接过程 这个过程建立起一条由源节点到目的节点传输通道 数据传输电路建立完成后 就可以在这条临时的专用电路上传输数据 通常为全双工传输 电路拆除在完成数据传输后 源节点发出释放请求信息 请求终止通信 若目的节点接受释放请求 则发回释放应答信息 在电路拆除阶段 各节点相应地拆除该电路的对应连接 释放由该电路占用的节点和信道资源 电路交换通信的三个阶段 电路交换的特点 呼叫建立时间长且存在呼损 电路交换的信道利用率低 对通信双方而言 必须做到双方的收发速度 编码方法 信息格式和传输控制等一致才能完成通信 适用于实时大批量连续的数据传输 数据交换技术 报文交换 对于数字数据通信 广泛使用的是