计算机网络与通信要点

1、第一章1计算机网络的形成与发展面向终端的网络（由一台计算机与若干远程终端通过通信线路按点到点方式直接相连，进行 远程数据通信）缺点：（1）通信资源主要来源于租用现有的电话、电报网的线路，在传输质量和速率等方面不能满 足数据通信的要求；传统电话网的线路交换和电报网的报文交换方式不能在通信线路的利用率和传输迟延两方面获得很好的折中；（3）没有统一的数据通信体制和网络体系结构，各家网络的发展各行其是，而且往往在同一 地区搞重复建设，但又互不兼容，网络之间无法互通面向通信的网络优点：用 通信子网”的概念来研究网络结构中的通信支持；更加强调通信资源的共享；第一次出现了 计算机通信网”的术语，从而开辟了专

2、门研究计算机网络通信体系的 新技术领域。面向应用的网络（资源共享”网络体系结构模型”）计算机网络与通信的现状（信息高速公路,因特网（Internet）2计算机网络的定义；一个互连的自主的计算机集合（互连是指计算机之间实现相互通信，并且相互之间能够交换信息。自主是指计算机之间没有主从关系，所有计算机都是平等 独立的，自主计算机由硬件和软件两部分组成，完整地实现计算机的各种功能）3按传输技术将网络分为广播网（三种地址：单点地址、广播地址、组播地址）和点-点网按规模分为局域网（相距十几米至几千米典型特点：距离短、通信时延小、数据速率高和误码率低；常采用同轴电缆作为传输媒质，按照总线形或环形来组织网络

3、。高速局域网（HSLN）:用于主机与主机及主机与高速外围设备之间的连网，采用分布式控制方法）城域网（相距几十千米覆盖邻近的一群办公室或一个城市；城域网的使用标准是分布式队列双总线（DQDB）；典型的城域网是由一些互连的DQDB子网组成的）广域网（相距100千米以上广域网地理范围较大，常常是一个国家或一个洲，由两个部分组成：末端系统：指运行用户程序的计算机集合。通信子网：负责在用户计算机之间传输数据。大多数通信子网也由两部分组成：传输线路交换单元 ）按交换技术分为线路交换网、分组交换网和信元交换网；按带宽分为窄带网和宽带网。3计算机网络的功能；（1）扩大共享资源的地域范围（2）提高可靠性(3)

4、促进分布式数据处理和分布式数据库的发展(4) 提供各种通信服务(5) 提高可扩充性4通信系统模型输入数据孑 或信号必)发送信号曲)接收信号心输出数据川 或信号d信号是消息的表现形式，有两种基本形式：模拟信号：信号的波形可以表示为时间的连续函数。数字信号：幅度不随时间作连续的变化，只能取有限个离散值。基带信号：未调制的信号直接在信道上传输(注意信号的带宽)数字通信与模拟通信的比较；优点：抗干扰性强，保密性好，设备易于集成，并且便于使用计算机技术对其进行 处理等。缺点：所有的信道频带比模拟通信宽得多，因而降低了信道的利用率。数据通信是指由信息源产生的数据管通过模拟传输还是数字传输的信道，按丄 一定

5、通信协址形成数据流传送到受信者的过程。它包括数据传输和数据交换，以及在传输前后的数据处理过程。网络协议与协议体系结构两个概念：协议。计算机通信体系结构或协议体系结构。协议的三个要素：语法：包括诸如数据格式和信号级别等内容。语义：包括协调和差错处置等控制内容。计时：包括速率匹配和时序等内容在网络访问层中，看不见”传输头部，因为网络访问层不涉及传输PDU的内容。TCP/IP协议和OSI参考模型这两个协议体系结构已经成为网络互连通信标准的重 要基础。TCP/IP协议是当今使用最广泛的互连网络体系结构，而OSI参考模型成为对通信功能进行分类的标准模型。TCP/IP协议体系结构：物理层、网络访问层、 网

6、际互连层、 传输层、应用层。OSI(开放系统互连)参考模型由ISO(国际标准化组织)开发作为计算机通信体系结构 模型和作为开发协议标准的框架。OSI参考模型由7个层次构成，每层执行的功能简单定义如下：(1)物理层涉及在物理媒质上非结构化比特流的传输，处置访问物理媒质的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。(2) 数据链路层 使经过物理链路的信息可靠传输，用必要的同步信号、差错控制 和流量控制发送数据(帧)。(3) 网络层为上面的各个层次提供对数据传输和用于连接系统的交换技术的独立 性，负责建立、管理和终止连接。(4) 传输层 在端点之间提供可靠、透明的数据传输，提供端点的差错恢复和流量控制。

7、(5) 会话层为应用程序之间的通信提供了控制结构，建立、管理和终止应用程序之间的连接(会话)。(6) 表示层为各个应用进程提供在数据表示差异上的独立性。(7) 应用层 提供对应用OSI环境的访问，还提供各种分布式的信息服务。协议体系结构模型TCP/IP |OSlX/ J应用足1应用层(传输层) t主机至主机会话层网麻互连展慎输层网络访问层网络层数据链路层物理层-硬件软件f周件用户空側操作系统图中示出了 TCP/IP协议巢和OSI体系结构的各个层次， 并简要说明了两者之间功能上的对应关系.图中也给出了 实现各个层次的常用手段或方式。标准化优点：确保符合标准的设备与部件有巨大的市场，这将降低生产成

8、本，提高质量，使用户受益。允许不同厂商生产的产品相互通用，使用户对设备的选择有更大的自由度。同时也应看到标准的应用带来的问题：采用标准倾向于将技术状况冻结起来。对同一领域或设备，存在多个标准。第2章数据通信技术基础数据通信研究的内容划分为以下三个基本方面：数据传输数据编码数据交换单工(simplex):信号只沿单方向传输；一端是发射机，另一端是接收机。半双工(half-duplex):传输的两端都可以发射，但是每次只允许一端发射。全双工(full-duplex):两端可以同时发射。基带传输：将基带信号进行传输的方式。(基带是指未经调制变换的信号所占的频带)频带传输：将基带信号通过某种频率变换(

9、例如调制，不局限于频率 )后利用模拟信道进行传输的方式。信号是数据的表达形式。数据传输的优点：数字技术的优势数据完整性带宽的有效利用安全性与保密性统一性衰减向传输工程师提出了如下三个需要考虑的问题：接收到的信号必须有足够的强度；信号的电平必须保持足够高以便超出噪声，保证信号可以被正确地接收； 衰减是频率的递增函数。三个需要考虑问题的解决方法第一个问题和第二个问题可以通过加强信号强度和使用放大器或转发器来加以解 决。第三个问题对于模拟信号尤其值得注意。因为衰减量是频率的函数，它随频率的变化而变化，所以接收到的信号会产生畸变，从而减少了信号的可理解性。为了解决这个问题，可采用不同的技术使经过某频带

10、的衰减保持均衡。信道容量的概念在给定条件下，通过指定的通信路径或信道所能够获得的最大数据传输速率称为信道容量(C)。与信号容量相关的 4个概念：数据传输速率：这是数据通信能够达到的速率，其单位是b/s(比特/秒)。信道带宽：这是由发射机和传输媒质的特性所限定的传输信号的带宽，通常以Hz或周/秒为单位 。噪声：通信路径上噪声的平均电平 。差错率：错误发生的比率。当发射 0接收到1或者发射1接收到0时，便算产生 了一个差错。奈奎斯特公式理想信道的最高信号传输速率在无噪声信道中，数据传输速率的制约因素是信号带宽奈奎斯特公式成立：理想带通信道的最高波形传输速率C = 2WlbM (Baud)式中，W是

11、信号带宽，M是离散信号或电平的数目香农公式 信道的极限信息传输速率信号平均功率(S/N) =10log噪声平均功率C = Wlb (1 + S/N)(b/s)式中，C是以b/s为单位的信道容量， W是以Hz为单位的信道带宽，S/N是平 均信号噪声功率比。数字信号的编码形式OiOi(0IIII I li T伪三辿制码曼彻斯特编码； ! |!|II；IIII1II1!IItI I I w t /|/ I O I L U I j I / I會JTWHJTLfirLTLLrTLb数字数据转换为模拟信号的基本调制技术比较简单，有三种：幅移键控(ASK) 载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，“0対应于无

12、载波输出，而“ 1对应于有载波输出。频移键控(FSK)载波的频率随基带数字信号而变化。例如，“ 0对应于频率fl，而“ 1対应于频率f2。相移键控(PSK)载波的频率随基带数字信号而变化。例如，“ 0对应于频率fl，而“ 1対应于频率f2。模拟数据的数字信号编码：编码过程中使用到的两个主要技术：脉码调制(PCM) PCM的基础是取样原理(1最大主频率两倍的速率进行取样 2 要生成PCM数据，PAM样本必须被量化。就是说，每个 PAM脉冲用一个n比特 整数近似。比如n = 3时，要近似PAM脉冲可以用8 = 23个电平值来实现， 量化后 的脉冲和编码后的比特流)增量调制(DM ) 用于提高PCM

13、的性能或降低其复杂性的技术有多种，其中使用最广的一种PCM的替代方案是增量调制(DM)。基本模拟数据的调制技术有：调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。扩频基本思想是将携带信息的信号扩散到较宽的带宽中，用以加大干扰及窃听的难 度 电路交换的基本原理是在源端和目的端间实时地建立起电路连接，构成一条信息通 道，专供两端用户通信。分组交换：在分组交换中，数据以短分组的形式传输，分组长度一般为1000字节。如果发送端有更长的报文需要发送，那么这个报文被分割成一个分组序列。每个分 组由控制信息和用户数据两部分组成。分组交换相对于电路交换来说有 以下几个优点线路的效率较高分组交换网络能够完成数据率之间

14、的转换。当电路交换网络中的通信量变得非常拥挤时，某些呼叫会被阻塞，直到网络负荷有 所减轻。在分组交换网络中，分组仍然能够被接收，只是传递的时延增长。能够使用优先级别三种时延：传播时延：信号从一个节点传播到下一个节点所需的时间。传播时间：发送器向外发送一块数据所需的时间。 节点时延：节点在交换数据时完成必要的过程所需 的时间。通信交换技术对比电路左换7数据报分组立换虚电路分组交换专用的传输通路没有专用通路没有专用通路#号数据连接傻输分组棲輸分组楼输足够快.可交互足够快*可交互足够快，可交互报文丟保存分组在传递出去之前可能要保分组在传递出去之前 妙尿 存.* -在整个会话过程建立鬱为袖爪分组建盒路

15、由为整个会话过程建立蟹呼叫建立时延传输时延可忽 略分组传輪时延呼叫建立时延；分组繇时延如果披叫方忙，则蛊回忙倍号如果分组没有交ft可能会通 知发送方向发送方通知连接被否决趙負荷可能会阻塞呼叫的建 立t对于已建龙的呼叫没有时 延超负荷合增加分组时延超员荷可能会阻塞呼叫的建 立；增加分组时延机电式或计算机式交换节点用 户负责对报文丢失的保护小型交换节点网貉可能会对单 个分组负责小型交换节点网络可能会对 单个分组负责通常没有速率或编码的转换有速率和编码转换有速率和编码转换固定带宽传输动恚使用带宽动态使用带宽 j在呼叫建立后就没有额外的开 销出特每亍分组中都有额外的开销比 特每个分组中都有额外的百1A

16、TM是异步传输模式，ATM信元(cell)是固定长度的分组， 共有53字节，前面的5 字节为信头，主要完成寻址的功能；后面的48字节为信息段，用来装载来自不同用户、不同业务的信息。ATM不是基于HDLC的。相反，ATM基于一种称为信元的全新的帧格式，它使用的处理开销最少。什么编码是自身带有时钟信号：曼切斯特编码第三章数据链路控制数据链路控制要求和目标帧同步：数据以数据块的形式发送，这些数据块简称为帧。每个帧的开始和结束 必须可以辨别。流量控制：发送站点发送帧的速度不得超出接收站点接纳这些帧的速度。差错控制：由传输系统引起的比特差错必须被校正。停止等待流量控制：源 给定报文 M =1010001

17、101(10 bit)模式 P = 110101(6 bit)FCS R =由计算得出(5 bit)(2) 报文 M 乘以 25，得到 101000110100000ItOIOIOlID T户十 1101 们)101000110100000 1 O M I (L 1 1 |席机在r璋网中曲世址和龙抉机中的的忧爲曲衣L悩|曲呻由表Iff A 2的跡|鼻目的站 F姑目胡規下一站目的站下一皑o 1-13| 15Q2322 22 23Jaj13J4J44444O图7百團7占中每入节点的路宙表节点1的卑曲4Wjiii的朋也袤卄点的幽由衣节虑的离山盍M的站 F站II的站F站冃的站下一站怦的姑下一甘111

18、1-r343+42234 44*3图7.7对图5便用了款认路由的简化路由农路由选择算法的要求是：(1) 正确性和完整性，即能正确而迅速地将分组从源节点传送到目标节点；(2) 简单性，算法在计算上应简单，实现方便，相应的软件开销少；(3) 健壮性，算法应能适应网络拓扑的变化(如某节点损坏)和通信量的变化，并选择新的路由；(4) 稳定性，算法应是可靠的，即不管运行多久，保持正确性而不发生振荡；(5) 公平性和最优化，既要保证每个节点都有机会传送信息，又要保证路由选择 最佳。路由选择可分为两大类：非自适应路由选择(1 .扩散式和选择扩散式 2.随机式3 固定路由法)与自适应路由选择( 1分布式路由选

19、择策略 2集中式路由选择 策略3混合式路由选择策略)。非自适应路由选择也称为静态路由选择，它根据网络的一般运行规律，预先计算好路由表。自适应路由选择也称为动态路由选择，它总是根据网络当前流量和拓扑来选择最佳路由。如何制作这样的路由表常用的方法是将网络内任何两个节点之间的最短通路事先计算好，然后根据这些最 短通路制成路由表，存放在各个节点中。每个分组都可在所到达的节点中查找到下 一步应转发到哪一个节点 (即下一站节点或后继节点 )。可见，这种路由选择策略的 关键就是要算出给定网络中任何两个节点之间的最短通路0(2)-0(4).4妙&ug!-【L. 4右4Cd 2-血4. ”a虹4-畀1. 1-

20、4,号:h4-1. 2. 3. J.勺”空hIf4-5-1. 乳 4.4.2-J-1*最后就得岀以节点1为根的最短通路树 和节点1的内存中的路山表。目的节”点肩堆节点2234445464暈短通路数(b)节点I貉由衷分布式路由选择策略每个节点周期性地从相邻的节点获得网络状态信息，同时也 将本节点做出的决定周期性地通知周围的各节点，以使这些节点不断地根据网络新 的状态更新其路由选择决定。整个网络的路由选择经常处于一种动态变化的状态策略特点：各个节点的路由表相互作用。两中基本算法：(1)距离向量算法；(2)链路状态算法。一个分布式的路由选择算法包括以下三个要素，即(1) 对于网络的某种特性的测量过程

21、；(2) 关于如何传播上述特性的测量结果的协议；(3) 如何计算出所确定的路由。集中式路由选择策略的核心是网控中心(NCC) ，NCC负责全网状态信息的收集、路由计算及路由选择的实现。集中式路由选择策略的最大好处是：各个节点不需要进行路由选择计算，较容易 得到更精确的路由最优化，同时还消除了路由不断变来变去的振荡”现象集中式路由选择策略存在着两个较严重的缺点：一个缺点是在离NCC较近的地方通信量的开销较大。另一个更严重的缺点是可靠性问题。拥塞(congestion):对资源的需求可用资源。网络拥塞往往是由许多因素引起的。拥塞控制与流量控制的关系密切，它们之间也存在着一些差别。拥塞控制是一个全局

22、性的过程，涉及到所有的主机、所有的路由器，以及与降低网 络传输性能有关的所有因素。流量控制往往指在给定的发送端和接收端之间的点对点通信量。进行拥塞控制需要付出代价。拥塞控制可以分为开环控制和闭环控制两种方法。 开环控制方法就是在设计网络时事先将有关发生拥塞的因素考虑周到，力求网络 在工作时不产生拥塞。闭环控制是基于反馈环路的概念。属于闭环控制的措施有以下几种：(1) 监测网络系统以便检测到拥塞在何时、何处发生；(2) 将拥塞发生的信息传送到可采取行动的地方；(3) 调整网络系统的运行以解决出现的问题。 防止网络拥塞的方法 ：(1) 缓冲区预分配法(2) 许可证法(3) 分组丢弃法 第 八章 网

23、络互连 网络互连：将分布在世界上不同地理位置的同构或异构网络连接起来，构成更大规 模的互连网络，以实现信息交换、资源共享。网络互连的目标提供一个无缝的通信系统 网络互连主要有以下几种类型：LAN-LANLAN-WANLAN-WAN-LANWAN-W AN 实现将上述网络互相连接起来的设备称为网络互连设备，包括： 中继器 (repeater) ：一种物理层设备，仅用来放大或再生较弱的信号。网桥(bridge):工作在数据链路层上实现同构型网络互连的设备 路由器 (router) ：是在网络层上实现网络互连的设备。网关(gateway):也称为网间连接器、信关或联网机。如果高层协议不相同的两个网

24、络要互相连接，就需要使用网关。集线器(hub):常见的网络连接设备，常用于构建LAN或LAN中的一个网段 。网际协议(IP)是TCP/IP体系中两个最主要的协议之一，也是最重要的因特网标准协 议之一。与IP协议配套使用的还有4个协议：地址解析协议(ARP)、逆地址解析协议(RARP) 、因特网控制报文协议 (ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和异常情况。)和因特网组管理协议(IGMP用来进行多播(multicast)的 )。IP 地址的编址方法共经过了如下三个历史阶段(1) 分类的 IP 地址。 (2) 子网的划分。 (3) 构成超网IP地址由网络号(net-id)和主机号(host-id

25、)两级组成。网络号标志一个网络，由 Internet 网络信息中心 (NIC) 负责分配。主机号标志某网络中的一个主机。IP地址：=网络号 , 主机号 符号“：=”表示定义为32 bis5类IP地址A类、B类和C类地址的网络号字段分别为1字节、2字节和3字节，相应的主机号字段分别为3字节、2字节和1字节。A类地址：可标志最大网络数为126个，第一字节的选值范围是1126,如80.120.106.26，每个网络中的最大主机数为16777214。B类地址：可标志最大网络数为16382个，第一字节的选值范围是128佃1,如202.114.88.10，每个网络中的最大主机数为65534。C类地址：可标

26、志最大网络数为2097150，第一字节的选值范围是192223,如194.123.45.7,每个网络中的最大主机数为254。IP地址有时可用来指明一个网络的地址，此时其主机号字段置全零。如20.0.0.0和201.123.58.0都是指某网络的地址。IP地址的重要特点：(1) 每个IP地址都由网络号和主机号两部分组成。(2) 实际上IP地址是标志一个主机(或路由器)和一条链路的接口(3) 用转发器或网桥连接一起来的若干个局域网仍为一个网络，因为这些局域网都具有同样的网络号。具有不同网络号的局域网必须使用路由器进行互连。(4) 在IP地址中，所有分配到网络号的网络(不管是范围很小的局域网，还是可

27、能覆盖很大地理范围的广域网)都是平等的。划分子网的基本思路如下：(1) 一个拥有许多物理网络的单位，可将所属的物理网络划分为若干个子网 (subnet)。划分子网纯属一个单位内部的事情。本单位以外的网络看不见这个网络 是由多少个子网组成的，因为这个单位对外仍然表现为一个网络。(2)划分子网的方法是从网络的主机号借用若干位作为子网号(subnet-id)，当然主机号也就相应减少了同样的位数。 于是两级IP地址在本单位内部就变为三级 IP地址， 可以记为：IP地址：=网络号 , 子网号 , 主机号)(3) 凡是从其他网络发送给本单位某个主机的IP数据报，仍然是根据IP数据报的目的网络号找到连接在本

28、单位网络上的路由器。但此路由器在接收到IP数据报后，再按目的网络号和子网号找到目的子网，把IP数据报交付给目的主机。子网掩码指明了子网号与主机号的分界线。对于A类、B类和C类IP地址，其对应的子网掩码默认值(若不进行子网划分)分别是 255.0.0.0、255.255.0.0 和 255.255.255.0。IP地址不能直接用来通信，因为IP地址只是主机在网络层中的地址。若要将网络层中传送的数据报交给目的主机，还要传到数据链路层转变成MAC帧后才能发送到网络。而MAC帧使用的是源主机和目的主机的硬件地址，因此必须在IP地址和主机的硬件地址之间进行转换。从IP地址到物理地址的转换是由 ARP完成的主机怎样知道这些地址呢？ ( ARP的工作原理)(1) ARP进程在本局域网上广播发送一