计算机网络原理 小抄.doc

第一章 计算机网络概述计算机网络的发展1、计算机网络从20世纪70年代开始发展，它的演变可以概括为：面向终端的计算机网络、计算机计算机网络、开放式标准化网络以及因特网广泛应用和高速网络技术发展等四个阶段。1）面向终端的计算机网络：20世纪50年代，出现了以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机网络。所谓联机系统，就是由一台中央主计算机连接大量的地理上处于分散位置的终端。这类简单的“终端通信线路计算机”系统，成为了计算机网络的雏形。2）计算机计算机网络：20世纪60年代中期，出现了由若干个计算机互连的系统，开创了“计算机计算机”通信的时代，并呈现出多处理中心的特点。ARPA网 标志着目前所称的计算机网络的兴起。ARPANET是一个成功的系统，它是计算机网络技术发展中的一个里程碑。3）开放式标准化网络：国际标准化组织ISO于1984年正式颁布了 “开放系统互连基本参考模型”，OSI/RM的提出，开创了一个具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络新时代。4）因特网的广泛应用与高速网络技术的发展：用户可以利用Internet实现全球范围内的电子邮件、WWW信息查询与浏览、电子新闻、邮件传输、语音与图像通信服务功能。高速网络技术的发展表现在宽带综合业务数字网B-ISDN、异步传输模式ATM、高速局域网、交换网与虚拟网络。2、三大网络，即：电信网络、广播电视网络以及计算机网络1）电话系统由三个主要的部件构成：（1）本地网络 （2）干线（3）交换局。2）三网合一是指把现有的传统电信网、广播电视网和计算机网互相融合，逐渐形成一个统一的网络系统，由一个全数字化的网络设施来支持包括数据、话音和图像在内的所有业务的通信。3、未来网络发展趋势：宽带网络、全光网络、多媒体网络、移动网络、下一代网络NGN！宽带网络可分为宽带骨干网和宽带接入网两个部分。电信业一般认为传输速率达到2Gbps的骨干网称作宽带网。宽带接入技术基本上可分为有线接入和无线接入。计算机网络的基本概念1计算机网络是现代计算机技术和通信技术的结合产物。所谓计算机网络，就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。2一个计算机网络是由资源子网和通信子网构成的，资源子网负责信息处理，通信子网负责全网中的信息传递。资源子网包括主机和终端，通信子网主要由网络节点和通信链路组成。3计算机网络功能表现在硬件资源共享、软件资源共享和用户间信息交换三4计算机网络的应用包括：办公自动化OA、远程教育、电子银行、证券及期货交易、校园网、企业网络、智能大厦和结构化综合布线系统。计算机网络的分类1按拓扑类型分类：星形、总线、环形、树形、混合形及网形拓扑。2按网络的覆盖范围分类：广域网、局域网和城域网。3按网络传输技术分类：广播式网络和点对点方式。采用分组存储转发和路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别之一。4其他分类。如按传输介质分为双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网；按信道的带宽分为窄带网和宽带网；按不同用途分为科研网、教育网、商业网、企业网等。5在选择网络拓扑结构时，应该考虑的主要因素有下列几点：1）可靠性；2）费用；3）灵活性；4）响应时间和吞吐量；3网络拓扑可以根据通信子网中通信信道的类型分为两类：1）点点线路通信子网的拓扑。基本上有4种：星形、环形、树形、网状形。2）广播信道通信子网的拓扑。基本上有4种：总线、树形、无线通信与卫星通信型。计算机网络的标准化1国际标准化组织ISO2其他标准化机构1）国际电信联盟ITU。ITU标准主要用于国与国之间互连，而在各个国家内部则可以有自己的标准。2）美国国家标准学会ANSI。它的成员有电子工业协会EIA、电气和电子工程师学会IEEE等。3）美国国家标准局NBS；4）欧洲计算机制造商协会ECMA。3因特网体系结构局IAB负责Internet策略和标准的最后仲裁。IAB下设特别任务组，其中最著名的是因特网工程特别任务组（IETF）。IETF的工作领域：应用程序、Internet服务管理、运行要求、路由、安全性、传输、用户服务与服务应用程序。第二章 计算机网络体系结1网络协议：为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合称为网络协议。网络协议主要由三个要素组成。1）语义。涉及用于协调与差错处理的控制信息。2）语法。涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。3）定时。涉及速度匹配和排序2网络的体系结构：计算机网络各层次结构模型及其协议的集合，称为网络的体系结构。计算机网络都采用层次化的体系结构。这种层次结构的要点归纳1）除了在物理介质上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。2）对等层的虚通信必须遵循该层的协3）n层的虚通信是通过n/n-1层间接口处n-1层提供的服务以及n-1层的通信来实现的。3计算机网络系统采用分层结构的理由是什么？它的好处是什么？层次结构的划分要遵循的主要原则是什么？理由：计算机网络系统是一个十分复杂的系统。将一个复杂系统分解为若干个容易处理的子系统，然后“分而治之”逐个加以解决，这种结构化设计方法是工程设计中常用的手段。分层是系统分解的最好方法之一。分层结构的优点在于：1）每一层实现一种相对独立的功能。每一层不必知道下面一层是如何实现的，只要知道下层通过层间接口提供的服务是什么及本层向上层提供什么样的服务。2）系统经分层后，每一层次的功能相对简单且易于实现和维护。3）若某一层需要作改动或被代替时，只要层间接口不发生变化，则其他层次都不会受其影响，因此有很大的灵活性。4）易于交流、理解和标准化。分层的原则：1）每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。2）层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。3）层数应适中。若层数太少，则造成每一层协议太复杂，若层数太多，则体系结构会过于复杂。4世界上第一个网络体系结构是IBM公司提出的，命名为“系统网络体系结构SNA。5协议与服务的区别：1）服务是由下层向上层通过层间接口提供的，上层的实体通过服务原语来使用其下层所提供的服务。上层是服务的用户，下层是服务的提供者。2）协议是定义同层对等实体之间进行数据交换的规则、标准或约定，利用协议来实现它们的服务定义。3）本层的服务用户只能看见服务，而无法看见下面的协议，下层的协议对上层的服务用户是透明的，因此，只要不改变本层提供给服务用户的服务，高层实体可以任意地改变它们的协议。4）服务是垂直的，协议是水平的。OSI/RM开放系统互连参考模型1、 “开放”的含义表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连。2、 OSI包括了体系结构、服务定义和协议规范三级抽象。OSI的体系结构定义了一个七层模型，用以进行进程间的通信，并作为一个框架来协调各层标准的制定；OSI的服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语；OSI各层的协议规范，精确地定义了应当发送何种控制信息及用何种过程来解释该控制信息。3、 简单概括OSI参考模型的每一层的功能：1）物理层的作用是使原始的数据比特流能在物理介质上传输。2）数据链路层将不可靠的物理链路改造成对网络层来说是无差错的数据链路。3）网络层为分组完成路由选择以及解决网际互连的问题。4）传输层是主机主机的层次，提供端到端的透明数据传输。5）会话层是进程进程的层次，组织和同步不同主机上各种进程间的通信（也称对话）。6）表示层为上层用户提供共同的数据或信息语法表示变换。7）应用层保证用户高效方便地使用网络资源。4、 通信服务可以分为两大类：面向连接服务和无连接服务。A）面向连接服务的特点：1）数据传输过程必须经过建立连接、维护连接和释放连接3个过程，协议复杂，通信效率不高。2）各分组不需要携带目的节点的地址。3）可确保数据传送的次序和传输可靠性。B）无连接服务的特点：1）不需要建立连接、维护连接和释放连接三个过程，节省连接开销和许多保证机制，通信协议相对简单，效率较高。2）每个分组都要携带完整的目的节点的地址，各分组在通信子网中是独立传送的。3）不同分组可能选择不同路径到达目的节点，先发送不一定先到达，可能会出现乱序、重复与丢失现象，稳定性不好。5、 网络数据传输可靠性一般通过确认和重传机制保证。确认是指数据分组接收节点在收到分组后，要求向发送节点回送正确接收分组的确认信息。6、 服务类型有四种：面向连接与确认服务、面向连接与不确认服务、无连接与确认服务、无连接与不确认服务。TCP/IP参考模型1TCP/IP即传输控制协议/互联网协议。它有以下几个特点：1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网中。3）统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都具有唯一的地址。4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。2协议分层模型包括两方面的内容：一是层次结构，二是各层功能的描述。3TCP/IP参考模型分为4个层次，从上到下为：应用层、传输层、互连层、主机网络层。4OSI/RM与TCP/IP参考模型的异同：相同：1）都以协议栈的概念为基础，协议栈中的协议彼此相互独立；2）都采用了层次结构的概念，各层的功能也大体相似。不同：1）层的数量不同，OSI有七层，而TCP/IP只有四层，它们都有网络层（或者称互连网层）、传输层和应用层，但其他的层并不相同；2）OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信，但是传输层上只支持面向连接的通信；TCP/IP模型的网络层只提供无连接服务，但在传输层上同时支持两种通信模式。5OSI/RM的主要缺点：OSI模型的层次数量与内容不是最佳的，会话层和表示层几乎是空的，而数据链路层和网络层包含内容太多，有很多的子层插入，每个子层的功能都有不同的功能。OSI模型以及相应的服务定义和协议极其复杂，它们很难实现，某些功能还在每一层上重复出现，降低了系统的效率。6TCP/IP模型的主要缺点：首先，该模型没有清楚地区分哪些是规范、哪些是实现；其实，TCP/IP模型的主机网络层定义了网络层数据链路层的接口，并不是常规意义上的一层，接口和层的区别是非常重要的，TCP/IP模型没有将它们区分开来。第三章 物理层物理层位于OSI参考模型的最底层，它的主要功能是实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。物理层是指在物理介质之上为上一层（即数据链路层）提供一个传输原始比特流的物理连接。物理层接口与协议1物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道有关的特性，这些特性包括机械的、电气的、功能性的和规程性的四个方面。1）机械特性对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及其排列方式、锁定装置形式等作了详细规定。2）电气特性规定了导线的电气连接及有关电路的特性。3）功能特性规定了接口信号的来源、作用以及与其它信号之间的关系。4）规程特性规定了使用交换电路进行数据交换控制步骤。2DTE（数据终端设备）是对属于用户所有的连网设备或工作站的统称，是通信的信源或信宿；DCE（数据电路终接设备或数据通信设备），是对为用户提供入网连接点的网络设备的统称。3DTE与DCE接口的各根导线的电气连接的三种平衡方式：非平衡方式（EIA RS-232C）、采用差动接收器的非平衡方式（EIA RS-423）和平衡方式（EIA RS-422）。4ITU V.24建议采用数字命名法，用于DTEDCE接口时，信号线名称均为“1XX”，故也称其为100系列接口信号线；用于DTEACE（自动呼叫设备）接口时，信号线名称均为“2XX”，故也称其为200系列接口信号线。EIA RS-232C采用字母组合命名法，EIA RS-449采用英文缩写命名法。5ITU建议对DTEDCE的接口标准有V系列和X系列两大类建议，V系列接口标准一般是指数据终端设备与调制解调器或网络控制器之间的接口。X系列接口标准是较晚制定的，适用于公共数据网的宅内电路终接设备和数据终端设备之间的接口。6目前由ITU建议在物理层使用的规程有V.24、V.25、V.54等V系列标准，以及X.20、X.20bis、X.21、X.21bis等X系列标准，它们分别适用于各种不同的交换电路中。7EIA RS-232C是由美国电子工业协会EIA颁布的，RS表示“推荐标准”，232是标识号码，C表示该推荐标准已被修改过的次数。RS-232C标准提供了一个利用公用电话网络作为传输介质，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。8RS-232C的远程连接和近地连接示意图，P32。近地连接的电缆也称作零调制解调器。9RS-232C的特性：1）RS-232C的电气特性规定逻辑“1”电平为-15至-5伏，逻辑“0”的电平为+5至+15伏，也即RS-232采用15伏的负逻辑电平，5伏之间为过渡区域不作定义。2）RS-232C机械特性规定使用一个25芯的标准连接器，并对该连接器尺寸及针或孔芯的排列位置等都作了详细说明。3）RS-232C的功能特性定义了25芯标准连接器中的20根信号线，其中2根地线、4根数据线、11根控制线、3根定时信号线、剩下的5根线作备用或未定义。4）由于RS-232C标准信号电平过高，采用非平衡发送和接收方式，所以存在传输速率低（20Kbps）、传输距离短（15米），串扰信号较大等缺点。与此相反，RS-449接口标准具有传输距离远、数据传输率高、抗干扰性能好等优势。10RS-449标准的电子特性有两个子标准，即平衡式的RS-422标准和非平衡式的RS-423标准。1）RS-422 电气标准是平衡方式标准，它的发送器、接收器分别采用平衡发送器和差动接收器，由于完全独立的双线平衡传输，抗串扰能力大大增强。2）RS-423 电气标准是非平衡的标准，它采用非平衡发送器和差动接收器，传输距离和速率比RS-232C有较大提高。信号电平定义为6伏（其中4伏为过渡区域）的负逻辑。11100系列接口标准的机械特性采用两种规定，当传输速率为200bps9600bps，采用25芯标准连接器；传输速率大48Kbps时，采用34芯标准连接器。200系列接口标准则采用25芯标准连接器。100系列接口标准的电气特性采用V.28和V.35两种建议。当传输速率为200bps9600bps，采用V.28建议；当传输速率为48Kbps时，除控制信号仍使用V.28建议外，数据线与定时线均采用V.35建议。200系列接口标准则采用V.28建议。12X.21和X.21 bis为三种类型的服务定义了物理电路，这三种服务是租用电路服务、直接呼叫服务和设备地址呼叫服务。传输介质1传输介质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介质可分为有线和无线两大类。常用的三种有线传输介质是双绞线、同轴电缆和光纤。2传输介质的选择取决于以下因素：网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。3多址接入的方法主要有三种：频分多址接入FDMA、时分多址接入TDMA、码分多址接入CDMA。4卫星通信具有通信距离费用与距离无关、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽宽、可进行多址通信与移动通信的优点。5使用卫星通信时，传输延时的典型值为540毫秒。数据通信技术1数据传输速率：是指每秒能传输的二进制信息位数，单位为位/秒，记作bps或b/s，表达式为：R=(log2N)/T 2信号传输速率：也称码元速率、调制速率或波特率，单位为波特（Baud)，表示单位时间内通过信道传输的码元个数，也就是经调制后的传输速率。码元速率定义为：B=1/T （Baud） 3由（1）和（2）两式可得到调制速率和数据传输速率的对应关系式：R=Blog2N （bps） 或 B = R/log2N （Baud）4信道容量表征一个信道传输数据的能力，单位也用位/秒。信道容量与数据传输速率的区别在于，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，后者表示实际的数据传输速5奈奎斯特给出了在无噪声情况下码元速率的极限值B与信道带宽H的关系：B=2H（Baud），并由此推出信道容量公式：C=2Hlog2N（bps）。6香农给出了受随机噪声干扰的信道容量计算公式：C=Hlog2（1+S/N）（bps），其中，S表示信号功率，N为噪声功率，S/N则为信噪比。7误码率：指衡量数据通信系统在正常工作的情况下的传输可靠性的指标，它定义为二进制数据位传输时出错的概率，公式Pe=Ne/N。计算机网络中，一般要求误码率低于10-9。8通信有两种基本方式：串行方式和并行方式。并行方式用于近距离通信，串行方式用于远距离的通信。移动通信中按照通话状态和频率使用的方法也可分为三种方式：单工制、半双工制、双工制。9串行数据通信的方向性结构有三种：单工、半双工、全双工；单工传输只支持数据在一个方向上传输；半双工传输允许数据在两个方向上传输，但在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输；全双工通信允许数据同时在两个方向上传输。10基本术语：（1）数据：可定义为有意义的实体，它涉及事物的存在形式，分为模拟数据和数字数据两大类。（2）信号：数据的电子或电磁编码。分为模拟信号和数字信号。（3）信息：数据的内容和解释。（4）信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。（5）信宿：通信过程中接收和处理信息的设备和计算机。（6）信道：信源和信宿之间的通信线路。11模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示，也可以用信号形式来传输。12模拟数据和数字数据：（1）模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。（2）数字数据也可以用模拟信号来表示，要利用调制解调器MODEM将数字数据调制转换成模拟信号。（3）模拟数据也可用数字信号来表示，完成模拟数据和数字信号转换功能设施的是编码解码器CODCE。（4）数字数据还可以直接用二进制形式的数字脉冲信号来表示，但为了改善其传播特性，一般先要对二进制数据进行编码。13多路复用技术分为：频分多路复用FDM、时分多路复用TDM、波分多路复用WDM。其中FDM和TDM是两种最常用的多路复用技术。1）在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。2）若介质能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，就可将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用，每一时间片由复用的一个信号占用，这就是时分多路复用。3）Bell系统的T1载波利用肪码调制PCM和时分多路复用TDM技术，使24路采样声音信号复用一个通道。24路信道各自轮流将编码后的8位数字信号组成帧，其中7位是编码的数据，第8位是控制信号。每帧除了192位（248）之外，另加一位帧同步位。这样，一帧中就包含193位，每一帧用125s时间传送，因此T1系统的数据传输速率为1.544Mbps。4）ITU建议了一种2.048Mbps速率的PCM载波标准，称为E1载波（欧洲标准）。它的每一帧开始处有8位作同步作用，中间有8位用作信令，再组织30路8位数据，全帧含256位，每一帧也用125s时间传送，可计算出数据传输速率为256位/125s=2.048Mbps。14通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步，一方面码元之间要保持同步，另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步。实现字符或数据块之间在起止时间上同步的常用方法有异步传输和同步传输两种。15异步传输也称群同步传输。异步传输方式中，一次只传输一个字符（由58位数据组成）。每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为“0”，占一位时间；停止位为“1”，占1到2位的持续时间。16同步传输有两种：面向字符的和面向位的。1） 面向字符的方案。每个数据块以一个或多个同步字符作为开始，以另一个惟一的控制字符结束。同步字符通常称为SYN。代表如IBM公司的二进制同步规程BSC。2） 面向位的传输方案。把数据块作为位流而不是字符来处理。这种方案中，帧头和帧尾都使用模式01111110（称为标志），中间的数据块使用位插入法以避免形成帧头标志和帧尾标志。高级数据链路控制规程HDLC和IBM公司的同步数据链路控制规程SDLC都采用此技术。17位插入法。在面向位的方案中，为了避免在数据块中出现帧头标志和帧尾标志，发送方在所发送的数据中每当出现5个1之后就插入一个附加0。当接收方检测到5个1的序列时，就检查后续的一位数据，若该位是0，接收方就删除掉这个附加的0。这就是所谓的位插入。数据编码1表示二进制比特序列的矩形脉冲信号所占的固有频带，称为基本频带（简称基带）。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，这是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。2在计算机通信与网络中，广泛采用的同步方法有位同步法和群同步两种。（1）位同步。位同步法使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。习惯于把位同步称为“同步传输”。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步A外同步法：在发送数据之前，发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲，接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率，以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步。B自同步法：能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子：曼彻斯特编码，这种编码常用于局域网传输。（2）群同步：所谓“群”，一般以字符为单位，在每个字符的前面冠以起始位、结束处加上终止位，从而组成一个字符序列。习惯于把群同步称为“异步传输”。字符间的异步定时和字符中比特之间的同步定时，是群同步的特征。这种传输方式中，每个字符以起始位和停止位加以分隔，故也称“起止”式传输。3群同步传输规程中的每个字符可由下列四部分组成：A1为起始位，以逻辑“0”表示； B58位数据位，即要传输的字符内容；C1位奇/偶检验位，用于检错，该部分可以不选；D12位停止位，以逻辑“1”表示，用作字符间的间隔。4（1）曼彻斯特编码：每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号。从高到低的跳变表示“1”，从低到高的跳变表示“0”；（2）差分曼彻斯特编码：每位中间的跳变仅提供时钟定时，每位开始处有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。5对模拟数据进行数字信号编码的最常用方法是脉码调制PCM，它常用于对声音信号进行编码。脉码调制是以采样定理位基础的，该定理从数学上证明：若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，利用低通过滤器可以从这些采样中重新构造出原始信号。5信号数字化的转换过程可包括：采样、量化、编码三个步骤。6从电话公司的端局到家庭或者小型业务部门的双线本地回路经常称为“最后一英里”，但实际上它的长度可以达到几英里。7传输线路存在三个主要问题：衰减、延迟畸变和噪声。8每秒钟采样的次数可以用波特（Baud）来计量。在实践中，大多数调制解调器采样率为2400次/秒，也即波特为2400，每秒传输2400个码元。9V.32调制解调器标准使用了32（24+1）个星座点，每个码元传输4个数据位和1个奇偶校验位，在2400波特上可以达到9600bps（24004，带纠错特性）。类似地，V.32bis标准使用了128（26+1）个星座点，在2400波特上可以达到14400bps（24006，带纠错特性）。10V.34标准的数据传输速率是28.8Kbps（240012）；最后一个标准V.34bis的传输速率是33.6Kbps（240014）。标准调制解调器在33.6Kbps这里停住了，原因是电话系统的香农定律限制大约是35Kbps，所以，比35Kbps更快的速度会违反物理学（热力学部分）的法则。11为什么使用56Kbps调制解调器？其理由与奈奎斯特理论有关系。电话信道的带宽大约是4000Hz（包括防护频段）。因此，每秒钟的最大独立采样次数为8000。在美洲，每个采样的位数是8，其中1位被用于控制用途，因而每秒钟允许传输用户数据56000（78000）位。在欧洲，所有这8位数据都可以给用户使用，所以64Kbps的调制解调器也已经在使用。但是，为了有一个国际性的标准约定，故选择了56000。这种调制解调器的标准称为V.90。它提供了33.6Kbps的上行信道和56Kbps的下行信道。V.90之后的下一步是V.92。对于这样的调制解调器，如果线路允许的话，它的上行信道可以达到48Kbps。数据交换技术1通常将作为信源或信宿的一批设备称为网络站，而将提供中间通信的设备称为节点。这些节点以某种方式用传输链路相互连接起来，每个站都连接到一个节点上，这些节点的集合便称为通信网络。2电路交换网是使用电路交换技术的典型例子。用电路交换技术完成数据传输要经历电路建立、数据传输、电路拆除三个过程。电路交换方式的优点是数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。缺点是某些情况下，电路空闲的信道容量被浪费。3报文交换不需要在两个站点之间建立专用通路，它的数据传输单位是报文，传送方式采用“存储-转发”方式。报文交换的优点：A电路利用率高。B在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。C报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。D报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 缺点是：它不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。4分组交换是将一个报文分成两若干个分组，每个分组的长度有一个上限；分组交换适用于交互式通信，具体过程又可以分为数据报分组交换和虚电路分组交换。（1）虚电路方式：在进行数据传输前，网络的源节点和目的节点之间先要建立一条逻辑通路，每个分组除了包含数据之外还得包含一个虚电路标识符。在预先建立好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。（2）数据报方式：每个分组被称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息，且每个分组的传送是被单独处理的。各节点随时根据网络流量、故障等情况选择路由，不保证各个数据报按顺序到达目的地，甚至有可能出现分组重复、丢失现象。5交换技术的比较：不同的交换技术适用于不同的场合：对于交互式通信来说，报文交换肯定是不合适的；对于较轻和间歇式负载来说，电路交换是最合适的，可以通过电话拨号线路来实行通信；对于较重和持续的负载来说，使用租用的线路以电路交换方式实行通信是合适的；对于必须交换中等到大量数据的情况，可用分组交换法。6三种交换技术的主要特点：1）电路交换。在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。2）报文交换。报文从源点传送到目的地采用“存储转发”的方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要3）分组交换。与报文交换类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中，目的地需要重新组装报文；在虚电路分组交换中，数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。分组交换技术是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。7目前光交换技术的发展主要有以下几种：1）微电子机械系统的光交换机。2）无交换式光路由器。3）阵列波导光栅路由器。第四章数据链路层数据链路层的功能1数据链路层的作用是将物理层提供的不可靠的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，即使之对网络层表现为一条无差错的链路，向网络层提供透明的和可靠的数据传送服务。2数据链路层的基本功能有：帧同步；差错控制；流量控制；链路管理。3帧同步是指接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止。常用的帧同步方法有：1）使用字符填充的首尾定界符法。使用一些特定的字符来定界一帧的起始与终止，如BSC规程。2）使用比特填充的首尾标志法。以一组特定的比特模式来标志一帧的起始与终止，如HDLC规程。3）违法编码法。在特殊的编码环境中，借用一些违法编码序列来定界帧的起始与终止，如曼彻斯特编码。4）字节计数法。以一个特殊字符表征一帧的起始，并以一专门字段来标明帧内的字节数。如数字数据通信报文协议DDCMP。4差错控制的一些方法：反馈重发、超时机制、帧编号等。为了避免由于数据帧和反馈信息帧丢失而导致发送方永远收不到接收方发来的反馈信息，进而使传输过程停滞引入计时器超时机制。为了避免同一帧数据被重复发送多次而引入帧编号的方法，即赋予每帧一个序号，从而使接收方能从序号来区分是新发送的帧还是已经接收但又重新发送来的帧。5流量控制实际上是对发送方数据流量的控制，使其发送速率不致超过接收方所能承受的能力。常用的流量控制有两种：停止等待方案和滑动窗口机制。1）停止等待方案：发送方每发出一帧，然后等待应答信号到达后再发送下一帧；接收方每收到一帧后送回一个应答信号，表示愿意接收下一帧，如果接收方不送回应答，则发送方必须一直等待2）滑动窗口机制：发送方每发送一帧，待确认帧的数目便增加1，每收到一个确认信息后，待确认帧数目便减1。“窗口”随着数据传送过程的发展而向前滑动，因而称为滑动窗口流量控制。当重发表长度计数值，即待确认帧的数目等于发送窗口尺寸时，便停止发送新的帧6链路管理功能主要面向连接服务。数据链路层连接的建立、维持和释放就称作链路管理。7噪声有两大类：一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。其中，冲击噪声是产生差错的主要原因。热噪声引起的差错称为随机错，冲击噪声引起的差错称为突发错。从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个码元间所有码元的个数，称为突发错的突发长度。8差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，把差错限制在尽可能小的范围内的技术和方法。差错控制的首要任务就是如何进行差错检测。差错检测包含两个任务：差错控制编码和差错检验。1）数据信息位在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送，这个过程称为差错控制编码过程。衡量编码性能好坏的重要参数是编码效率R，它是码字中信息位所占比例。2）接收端收到该码字后，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，这个过程称为差错检验过程。9利用差错控制编码来进行差错控制的方法基本上有两类：一类是自动请求重发ARQ，另一类是前向纠错FEC。在ARQ方式中，接收端检测出有差错时，就设法通知发送端重发，直到正确的码字收到为止。在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正10差错控制编码可分为检错码和纠错码。检错码是指能自动发现差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。11奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“1”的个数恒为奇数或偶数的编码方法，它是一种检错码。在实际使用时又可分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验等几种。1）垂直奇偶校验方法能检测出每列中的所有奇数位错，但检测不出偶数位错，对突发错漏检率约1/2；2）水平奇偶检验不但可以检测出各段同一位上的奇数位错，而且还能检测出突发长度P的所有突发错误。3）水平垂直奇偶校验能检测出3位或3位以下的错误、奇数位错、突发长度P+1的突发错以及很大一部分偶数位错。还可纠正1位错。12循环冗余码（CRC）的特点：1）可检测出所有奇数位错；（2）可检测出所有双比特的错；3）可检测出所有小于等于校验位长度的突发错。基本数据链路层协议1自动请求重发ARQ的两种最基本方案：空闲重发请求和连续重发请求。2空闲重发请求也称停等法，该方案规定发送方每发送一帧后就要停下来等待接收方的确认返回，仅当接收方确认正确接收后再继续发送下一帧。停等协议的实现过程如下：1）发送方每次仅将当前信息帧作为待确认帧保留在缓冲存储器中；2）当发送方开始发送信息帧时，赋予该信息帧一个帧序号随即启动计时器；3）当接收方收到无差错的信息帧后，即向发送方返回一个与该帧序号相同的ACK确认帧；4）当接收方检测到一个含有差错的信息帧时，便舍弃该帧；5）若发送方在规定时间内收到ACK确认帧，即将计时器清零，继而开始下一帧的发送；6）若发送方在规定时间内未收到ACK确认帧（即计时器超时），则应重发存于缓冲区中的待确认信息帧。3停等协议最主要的优点就是所需的缓冲存储空间最小，因此在链路端使用简单终端的环境中被广泛采用。它的最大缺点是，发送方要停下来等待ACK帧返回后再继续发送而造成的信道浪4连续重发请求方案就是指顺序接收管道协议。该协议的实现过程如下：1）发送方连续发送信息帧而不必等待确认帧的返回；2）发送方在重发表中保存所发送的每个帧的备份；3）重发表按先进先出（FIFO）队列规则操作；4）接收方对每一个正确收到的信息帧返回一个确认帧；5）每一个确认帧包含一个惟一的序号，随相应的确认帧返回；6）接收方保存一个接收次序表，它包含最后正确收到的信息帧的序号；7）当发送方收到相应信息帧的确认帧后，从重发表中删除该信息帧的备份；8）接收方因某一帧出错，则对后面再发送来的帧均不接收而丢弃，即接收方只允许顺序接收。5Go-back-N策略的基本原理：当接收方检测出失序或出错的信息帧后，要求发送方重发最后一个正确接收的信息帧之后的所有未被确认的帧；或者当发送方发送了n个帧后，若发现该n帧的前一帧在计时器超时区间内仍未返回其确认信息，则该帧被判定为出错或丢失，此时发送方就要重发该出错帧及其后的n帧。6选择重传协议是对Go-back-N策略的改进。当接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可收下来，存放在一个缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可与原已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。7在选择重传协议中，若帧序号采用3位二进制编码，则最大序号为Smax=23-1=7。对于有序接收方式，发送窗口最大尺寸选为Smax；对于无序接收方式，发送窗口尺寸至多是序号范围的一半。发送方管理超时控制的计时器数应等于缓冲器数，而不是序号空间的大小。8从滑动窗口的观点来统一看待停等、Go-back-N及选择重传三种协议，它们的差别仅在于各自的窗口尺寸的大小不同而已：1）停等：发送窗口=1，接收窗口=1；2）Go-back-N：发送窗口1，接收窗口=1；3）选择重传：发送窗口1，接收窗口1；链路控制规程1数据链路控制协议也称链路通信规程，也就是OSI参考模型中的数据链路层协议。链路控制协议可分为异步协议和同步协议两大类。1）异步协议：以字符为独立的信息传输单位，在每个字符的起始处开始对字符内的比特实现同步，但字符与字符之间的间隔时间是不固定的（即字符之间是异步的）。由于每个字符都要附加诸如起始位、校验位、停止位等较多的冗余位，故信道利用率很低，一般用于数据速率低的场合。2）同步协议：是以许多字符或许多比特组织成的数据块帧为传输单位，在帧的起始处同步，使帧内维持固定的时钟。由于以帧为传输单位，所以信道利用率高，也便于实现差错控制、流量控制等功能。同步协议可分为面向字符的同步协议、面向比特的同步协议和面向字节计数的同步协议三种类型。2面向字符的同步协议是最早提出的同步协议，其典型的代表是IBM公司的二进制同步通信BSC协议。3任何链路层协议均可由链路建立、数据传输和链路拆除三部分组成。为实现链路建立、链路拆除等链路管理以及同步等各种功能，需要一些控制字符。BSC协议用ASC或EBCDIC字符集定义的传输控制字符来实现相应的功4BSC协议的一些控制字符的功能说明如下：SOH（Start of Head）：序始，用于表示报文的标题信息或报头的开始。STX（Start of Text）：文始，标志标题信息的结束和报文文本的开始。ETX（End of Text）：文终，标志报文文本的结束。EOT（End of Transmission）：送毕，用以表示一个或多个文本块的结束，并拆除链路。ENQ（Enquire）：询问，用以请求远程站给出响应，响应可能包括站的身份或状态。ACK（Acknowledge）确认，由接收方发出的作为对正确接收到报文的响应。DLE（Data Link Escape）：转义，用以修改紧跟其后的有限个字符的意义。NAK（Negative Acknowledge）：否认，由接收方发出的作为对未正确接收的报文的响应。SYN（Synchronous）：同步字符，用以实现节点之间的字符同步；或在无数据传输时保持该同步。ETB（End of Transmission Block）块终或组终，用以表示一个数据块的结束。5BSC协议的数据块有如下四种格式：（1）不带报头的单块报文或分块传输中的最后一块报文：SYN SYN STX 报文 ETX BCC（2）带报头的单块报文： SYN SYN SOH 报头 STX 报文 ETB BCC（3）分块传输中的第一块报文：SYN SYN SOH 报头 STX 报文 ETB BCC（4）分块传输中的中间报文： SYN SYN STX 报文 ETB BCC6BSC协议的正、反向监控报文有如下四种格式：（1）肯定确认和选择响应：SYN SYN ACK（2）否定确认和选择响应：SYN SYN NAK（3）轮询/选择请求： SYN SYN P/S前缀 站地址 ENQ（4）拆链： SYN SYN EOT7BSC各监控报文的作用：1）ACK和NAK监控报文的作用：首先是作为对先前所发数据块是否正确接收的响应，因而包含识别符（序号）；其次，用作对选择监控信息的响应，以ACK表示所选站能接收数据块，而NAK表示不能接收。2）ENQ用作轮询和选择监控报文，在多站结构中，轮询或选择的站地址在ENQ字符之前。3）EOT监控报文用以标志报文交换的结束，并在两站点间拆除逻辑链路。8BSC协议的特点：1）与特定的字符编码集关系过于密切，故兼容性较差。2）为满足数据透明性而采用的字符填充法，实现起来也比较麻烦，且也依赖于所采用的字符编码集。3）由于BSC是一个半双工协议，它的链路传输效率很低。4）由于BSC协议需要的缓冲存储空间较小，因而在面向终端的网络系统中仍然被广泛使用。9作为面向比特的数据链路控制协议的典型，HDLC具有如下特点：协议不依赖于任何一种字符编码集；数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0”比特插入法易于硬件实现；全双工通信，不必等待确认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，具有较大灵活性。10链路上用于控制目的的站称为主站，其它的受主站控制的站称为从站。主站负责对数据流进行组织，并且对链路上的差错实施恢复。由主站发往从站的帧称为命令帧，而由从站返回主站的帧称为响应帧。传输控制操作有主站、从站之分的，且各功能不同的操作，称为非平衡操作，反之，称为平衡操作。11HDLC中常用的操作方式有以下三种：（1）正常响应方式NRM。是一种非平衡数据链路操作方式，适用于面向终端的点点或点与多点的链路。传输过程由主站启动，从站只有收到主站某个命令帧后，才能作为响应向主站传输信息。主站负责管理整个链路，具有轮询、选择从站及向从站发送命令的权利，同时也负责对超时、重发及各类恢复操作的控制。（2）异步响应方式ANM。也是一种非平衡数据链路操作方式。传输过程由从站启动。从站主动发送给主站一个帧或一组帧。由从站来控制超时和重发，适用于采用轮询方式的多站链路。（3）异步平衡方式ABM。任何两个站点都能启动传输操作，每个站点既可作为主站又可作为从站，即每个站都是组合站。各站都有相同的一组协议，任何站点都可以发送或接收命令，也可以给出应答，并且各站对差错恢复过程都负有相同的责任。12HDLC的帧格式在HDLC中，数据和控制报文均以帧的标准格式传送。完整的HDLC帧由标志字段（F）、地址字段（A）、控制字段（C）、信息字段（FCS）等组成，（1）标志字段（F）：标志字段为01111110的比特模式，用以标志帧的起始和前一帧的终止，也可以作为帧与帧之间的填充字符。采用“0比特插入法”实现透明传输。（2）地址字段（A）：地址字段的内容取决于所采用的操作方式。命令帧中的地址字段携带的是对方站的地址，而响应帧中的地址字段所携带的是本站的地址。全“1”表示广播地址，全“0”只作测试用。（3）控制字段（C）：控制字段用于构成各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制。（4）信息字段（I）：可以是任意的二进制比特串，比特串长度上限由FCS字段或站点缓冲器容量来确定，下限是0；监控帧（S帧）中规定不可有信息字段。（5）帧校验序列字段（FCS）：帧校验字段可以使用16位的CRC，对两个标志字段之间的整个帧的内容进行校验。FCS的生成多项式由ITU V.41建议规定为X16+X12+X5+1。13HDLC有信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）三种不同类型的帧，各类帧中控制字段的格式及比特定义如下：控制字段中的第1位或第1、第2位表示传送帧的类型。第5位是P/F位，即轮询/终止位位。当P/F位用于命令帧（由主站发出）时，起轮询的作用，即当该位为“1”时，要求被轮询的从站给出响应，所以此时P/F位可称为轮询位（或P位）；当P/F用于响应帧（由从站发出）时，称为终止位（或F位），当其为“1”时，表示接收方确认的结束。为了进行连续传输，需要对帧进行编号，所以控制字段中还包括了帧的编号。（1）信息帧（I帧）：信息帧用于传送有效信息或数据。I帧以控制字段第1位为“0”来标志。N（