计算机网络教程讲解课件

1、计算机网络教程讲解计算机网络教程讲解目 录第1章 概 述第2章 计算机网络的协议与体系结构第3章 物 理 层第4章 数据链路层第5章 局 域 网第6章 广 域 网第7章 网络互连第8章 运 输 层第9章 应 用 层第10章 计算机网络的安全第11章 结 束 语退出目 录第1章 概 述退出第1章 概 述1.1 计算机网络在信息时代的作用1.2 计算机网络的发展过程1.3 计算机网络的分类1.4 计算机网络的主要性能指标返回第1章 概 述1.1 计算机网络在信息时代的作用返1.1 计算机网络在信息时代的作用我们已经进入了21世纪。21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核

2、心的信息时代。知识经济中的两个重要特点就是信息化和全球化。返回1.1 计算机网络在信息时代的作用我们已经进入了21世这里所说的网络是指电信网络(主要的业务是电话，但也有其他业务，如传真、数据等)、有线电视网络(即单向电视节目的传送网络，但现已开始逐渐向双向传输网络改造)和计算机网络。这三种网络通常简称为“三网”。进入20世纪90年代以来，以因特网(Internet)为代表的计算机网络的发展速度十分迅猛，已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络，并已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。返回这里所说的网络是指电信网络(主要的业务是电话，但也有其他1.2 计算机网络的发展过程1.2.1 计算机网

3、络的产生 一百多年来，电话交换机虽然经过多次更新换代，但交换的方式一直都是电路交换。返回1.2 计算机网络的发展过程1.2.1 计算机网络的产生返回返回当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的交换机来完成全网的交换任务。用这样的方法，就构成了覆盖全世界的电信网。这种必须经过“建立连接通信释放连接”三个步骤的连网方式称为面向连接的(connection-oriented)。这里我们要指出，电路交换必定是面向连接的。但面向连接的却不一定是电路交换，因为分组交换也可以使用面向连接的方式(如广域网的X.25网络和ATM网络)。返回当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的交换机来图1-2

4、为电路交换的示意图。在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽。当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。返回图1-2为电路交换的示意图。在通话的全部时间内，通话的两返回返回分组交换则采用存储转发技术。分组的概念如图1-3所示。通常我们将欲发送的整块数据称为一个报文(message)。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个分组(packet)。分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。分组交换的特征是基于标记(label-based)。不先建立连接而随时可发送数据的连网方式，称为无连接的(connecti

5、onless)。返回分组交换则采用存储转发技术。分组的概念如图1-3所示。通返回返回分组交换网由若干个结点交换机(node switch)和连接这些交换机的链路组成，如图1-4(a)所示。图1-4(b)和图1-4(a)的表示方法是一样的，但强调了结点交换机具有多个端口的概念。图中H1 H6都是可进行通信的计算机，但在计算机网络中常称它们为主机(host)。在ARPANET建网初期，分组交换网中的结点交换机曾被称为接口报文处理机IMP (Interface Message Processor)。返回分组交换网由若干个结点交换机(node switch)和返回返回结点交换机处理分组的过程是：将收到

6、的分组先放入缓存，再查找转发表(转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息)，然后由交换机构从缓存中将该分组取出，传递给适当的端口转发出去。分组交换网的主要优点可归纳如表1-1所示。返回结点交换机处理分组的过程是：将收到的分组先放入缓存，再查返回返回分组交换也带来一些新的问题。例如，分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。当网络通信量过大时，这种时延可能会很大。此外，各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。图1-5表示电路交换、报文交换和分组交换的主要区别。返回分组交换也带来一些新的问题。例如，分组在各结点存储转发时返回返回图1-6(a)所示的是早期的面

7、向终端的计算机网络，它是以单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。而分组交换网是以网络为中心，主机和终端都处在网络的外围，如图1-6(b)所示。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。返回图1-6(a)所示的是早期的面向终端的计算机网络，它是以返回返回1.2.2 因特网时代美国国家科学基金会NSF认识到计算机网络对科学研究的重要性，因此从1985年起，美国国家科学基金会就围绕其六个大型计算机中心建设计算机网络。1986年，NSF建立了国家科学基金网NSFNET。NSFNET后来接管了ARPANET，并将网络改名为Internet

8、，即因特网。返回1.2.2 因特网时代返回1992年因特网上的主机超过100万台。1993年因特网主干网的速率提高到45 Mbit/s (T3速率)。到1996年速率为155 Mbit/s的主干网vBNS (very high-speed Backbone Service)建成。1998年又开始建造更快的主干网Abilene，数据率最高达2.5 Gbit/s。1999年MCI和Worldcom公司开始将美国的因特网主干网速率提高到2.5 Gbit/s。到1999年底，因特网上注册的主机已超过1000万台。表1-2是因特网上的网络数、主机数、用户数和管理机构数的简单概括COME00。返回1992

9、年因特网上的主机超过100万台。1993年因特网返回返回1.2.3 关于因特网的标准化工作1992年，因特网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做因特网协会ISOC (Internet Society)，以便对因特网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。ISOC下面有一个技术组织叫做因特网体系结构研究委员会IAB (Internet Architecture Board)，负责管理因特网有关协议的开发。IAB下面又设有两个工程部。 因特网工程部IETF (Internet Engineering Task Force) 因特网研究部IRTF (Internet Researc

10、h Task Force)返回1.2.3 关于因特网的标准化工作返回返回返回从一个普通文档上升到因特网的正式标准要经过四个阶段。（1）因特网草案(Internet Draft)。（2）建议标准(Proposed Standard)。（3）草案标准(Draft Standard)。（4）因特网标准(Internet Standard)。返回从一个普通文档上升到因特网的正式标准要经过四个阶段。返回还有三种RFC，即历史的、实验的和提供信息的。图1-8所示的是各种RFC之间的关系。返回还有三种RFC，即历史的、实验的和提供信息的。图1-8所返回返回1.2.4 计算机网络在我国的发展1989年11月，

11、我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行，在此基础上，1993年9月建成新的中国公用分组交换网。在20世纪80年代后期，公安、银行、军队以及其他一些部门也相继建立了各自的专用计算机广域网。自20世纪90年代起，我国陆续建造了基于因特网技术的、可以和因特网互连的9个全国范围的公用计算机网络。返回1.2.4 计算机网络在我国的发展返回表1-3是中国互联网络信息中心公布的我国最近几年来因特网的发展情况。返回表1-3是中国互联网络信息中心公布的我国最近几年来因特网返回返回1.3 计算机网络的分类1.3.1 计算机网络的不同定义计算机网络的精确定义并未统一。关于计算机网络的最简单的定义是TANE96：

12、一些互相连接的、自治的计算机的集合。返回1.3 计算机网络的分类1.3.1 计算机网络的不同定义最简单的计算机网络就只有两台计算机和连接它们的一条链路。最复杂的计算机网络就是因特网。它由非常多的计算机网络通过许多路由器互连而成。因此因特网也称为“网络的网络”(network of networks)。计算机网络与分布式计算机系统虽然有相同之处，但二者并不等同。分布式系统的最主要特点是整个系统中的各计算机对用户都是透明的。返回最简单的计算机网络就只有两台计算机和连接它们的一条链路。1.3.2 计算机网络的几种不同分类方法1从网络的交换功能进行分类电路交换；报文交换；分组交换；混合交换。2从网络的

13、拓扑结构进行分类网络的管理者非常关心网络的拓扑结构。按网络的拓扑结构划分，可以分为：集中式网络；分散式网络；分布式网络。返回1.3.2 计算机网络的几种不同分类方法返回返回返回3从网络的作用范围进行分类广域网WAN (Wide Area Network) 局域网LAN (Local Area Network)城域网MAN (Metropolitan Area Network)多个处理机互连的系统按其大小的分类如表1-4所示。返回3从网络的作用范围进行分类返回返回返回4从网络的使用范围进行分类从网络的使用范围可分为公用网和专用网两种。公用网(public network)专用网(private

14、network)返回4从网络的使用范围进行分类返回1.4 计算机网络的主要性能指标1.4.1 带宽“带宽”本来的意思是指某个信号具有的频带宽度。带宽的单位是赫兹(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。对于数字信道，“带宽”是指在信道上(或一段链路上)能够传送的数字信号的速率，即数据率或比特率。比特(bit)是计算机中的数据的最小单元，它也是信息量的度量单位。带宽的单位就是比特每秒(bit/s)。带宽有时也称为吞吐量。返回1.4 计算机网络的主要性能指标1.4.1 带宽返回如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那么信号在时间轴上的宽度就随着带宽的增大而变窄。图1-10是这一概

15、念的示意图。返回如果我们在网络中某一个点上观察数字信号流随时间的变化，那返回返回1.4.2 时延时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延是由以下几个不同的部分组成的。（1）传播时延传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时延的计算公式是：传播时延 = 信道长度 电磁波在信道上的传播速率返回1.4.2 时延返回（2）发送时延发送时延是发送数据所需要的时间。发送时延的计算公式是：发送时延 = 数据块长度 信道带宽（3）排队时延这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历的时延。数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总

16、时延 = 传播时延 + 发送时延 + 排队时延图1-11画出了三种时延所产生的地方返回（2）发送时延返回返回返回1.4.3 时延带宽积和往返时延网络性能的两个度量传播时延和带宽相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即(传播时延)(带宽)。图1-12的示意图表示时延带宽积。链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。在计算机网络中，往返时延RTT (Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标，它表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。返回1.4.3 时延带宽积和往返时延返回返回返回第2章 计算机网络的协议与体系结构2.1 计算机网络体系结构

17、的形成2.2 协议与划分层次2.3 计算机网络的原理体系结构2.4 OSI与TCP/IP体系结构的比较2.5 客户服务器方式返回第2章 计算机网络的协议与体系结构2.1 计算机网络体系2.1 计算机网络体系结构的形成1974年，美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)。现在它是世界上使用得相当广泛的一种网络体系结构。为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM

18、 (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为OSI。返回2.1 计算机网络体系结构的形成1974年，美国的IB2.2 协议与划分层次为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议。一个网络协议主要由以下三个要素组成：（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；（3）同步，即事件实现顺序的详细说明。两个计算机可将文件传送模块作为最高的一层(如图2-1所示)。返回2.2 协议与划分层次为进行网络中的数据交换而建立的规返回返回分层可以带来如下好处：（1）各层之间是独

19、立的。（2）灵活性好。（3）结构上可分割开。（4）易于实现和维护。（5）能促进标准化工作。返回分层可以带来如下好处：返回计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(architecture)，也就是说，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。返回计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构(arc2.3 计算机网络的原理体系结构2.3.1 从OSI体系结构到原理体系结构OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但其概念清楚，体系价格低廉，理论较完整。TCP/IP的协议现在得到了全世界的承

20、认，但它实际上并没有一个完整的体系结构。TCP/IP是一个四层的体系结构，它包含应用层、运输层、网际层和网络接口层。返回2.3 计算机网络的原理体系结构2.3.1 从OSI体系但从实质上讲，TCP/IP只有三层，即应用层、运输层和网际层，因为最下面的网络接口层并没有什么具体内容。因此在学习计算机网络的原理时往往采取折衷的办法，也就是综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种原理体系结构，它只有五层(如图2-2所示)，这样既简洁又能将概念阐述清楚TANE96。返回但从实质上讲，TCP/IP只有三层，即应用层、运输层和网返回返回1应用层(application layer)应用层是原理体系结构中的最

21、高层。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要(这反映在用户所产生的服务请求)。2运输层(transport layer)运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文段(segment)。运输层具有复用(multiplexing)和分用(demultiplexing)的功能。因特网的运输层可使用两种不同协议。即面向连接的传输控制协议TCP (Transmission Control Protocol)，和无连接的用户数据报协议UDP (User Datagram Protocol)。返回1应用层(application layer)返回3网络层(network la

22、yer)网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。在网络层，数据的传送单位是分组或包。在TCP/IP体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。返回3网络层(network layer)返回4数据链路层（data link layer）数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧(frame)为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。数据链路层有时也常简称为链路层。数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下看去好像是一条不出差错的链路。返回4数据链路层（data link layer）返回5物理层（physical layer）物理层的任务就是透明地传

23、送比特流。“透明”是一个很重要的术语。它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。图2-3说明的是应用进程的数据在各层之间的传递过程中所经历的变化。这里为简单起见，假定两个主机是直接相连的。返回5物理层（physical layer）返回返回返回不要误认为“从计算机1向计算机2传送数据时，是先传送数据部分或尾部，而最后传送首部。”在OSI参考模型中，在对等层次上传送的数据，其单位都称为该层的协议数据单元PDU (Protocol Data Unit)。在文献中也还可以见到术语“协议栈”(protocol stack)。这是因为几个层次画在一起很像一个栈(stack)。返回不要误认为“从

24、计算机1向计算机2传送数据时，是先传送数据2.3.2 实体、协议、服务和服务访问点实体(entity)这一名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。返回2.3.2 实体、协议、服务和服务访问点返回一定要弄清楚，协议和服务在概念上是很不一样的。首先，协议的实现保证了能够向上一层提供服务。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。其次，协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是

25、“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。返回一定要弄清楚，协议和服务在概念上是很不一样的。返回在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方，通常称为服务访问点SAP (Service Access Point)。OSI将层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU (Service Data Unit)在任何相邻两层之间的关系可概括为图2-4所示的那样。在服务提供者的上一层的实体，也就是“服务用户”，它使用服务提供者所提供的服务。返回在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地

26、方，返回返回2.3.3 面向连接服务与无连接服务从通信的角度看，各层所提供的服务可分为两大类，即面向连接的(connection-oriented)与无连接的(connectionless)。1面向连接服务所谓连接，就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合。面向连接服务是在数据交换之前，必须先建立连接。当数据交换结束后，则应终止这个连接。面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。面向连接服务在网络层中又称为虚电路服务。返回2.3.3 面向连接服务与无连接服务返回2无连接服务在无连接服务的情况下，两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此其下层的有关资源不需要事先进行预定

27、保留。这些资源将在数据传输时动态地进行分配。无连接服务的另一特征就是它不需要通信的两个实体同时是活跃的(即处于激活态)。（1）数据报(datagram)。（2）证实交付(confirmed delivery)。（3）请求回答(request-reply)。返回2无连接服务返回2.4 OSI与TCP/IP体系结构的比较OSI参考模型中采用了七个层次的体系结构，将原理体系结构中的应用层再划分为应用层、表示层和会话层。图2-5画出了TCP/IP与OSI这两种体系结构的对比。返回2.4 OSI与TCP/IP体系结构的比较OSI参考模返回返回在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是很不相同的。（1）T

28、CP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连问题。（2）TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重。（3）TCP/IP有较好的网络管理功能。在讨论两个主机通过两个网络互连在一起时，可以使用如图2-6所示的层次关系。返回在一些问题的处理上，TCP/IP与OSI是很不相同的。返返回返回 还有一种方法，就是用按层次高低的一些协议来表示TCP/IP协议族，如图2-7所示。返回 还有一种方法，就是用按层次高低的一些协议来表示TCP返回返回2.5 客户服务器方式在TCP/IP的进程之间的通信经常使用客户服务器方式。应用层协议并不是解决用户各种具体应用的协议，而是为最终用户提供服务。为了解决具体的应用问

29、题而彼此通信的进程就称为“应用进程”。而应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。返回2.5 客户服务器方式在TCP/IP的进程之间的通信客户软件和服务器软件通常还具有以下一些主要特点。1客户软件（1）在进行通信时临时成为客户，但它也可在本地进行其他的计算。（2）被用户调用，在用户的计算机上运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信。（3）可与多个服务器进行通信。（4）不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。返回客户软件和服务器软件通常还具有以下一些主要特点。返回2服务器软件（1）是一种专门用来提供某种服务的

30、程序，可同时处理多个远地客户的请求。（2）在共享计算机上运行。当系统启动时即自动调用，且不断地运行着。（3）被动地等待并接受来自多个客户的通信请求。（4）一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。客户与服务器的通信关系一旦建立，通信就可是双向的，客户和服务器都可发送和接收信息。大多数的应用进程都是使用TCP/IP协议进行通信。图2-8画出了这种情况。返回2服务器软件返回返回返回功能较强的计算机可同时运行多个服务器进程(如图2-9中的计算机3)。由于运行服务器进程的机器往往有许多特殊的要求(不同于普通的PC机)，因此经常将主要运行服务器进程的机器(硬件)不严格地称为服务器。返回功能较强的计算机可同

31、时运行多个服务器进程(如图2-9中的返回返回第3章 物 理 层3.1 物理层的基本概念3.2 数据通信的基础知识3.3 物理层下面的传输媒体3.4 模拟传输与数字传输3.5 信道复用技术3.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH3.7 EIA-232-E接口标准返回第3章 物 理 层3.1 物理层的基本概念返回3.1 物理层的基本概念用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：（1）机械特性。（2）电气特性。（3）功能特性。（4）规程特性。返回3.1 物理层的基本概念用于物理层的协议也常称为物理层在物理连接上的

32、传输方式一般都是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是，有时也可以采用多个比特的并行传输方式。返回在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个比特一个比3.2 数据通信的基础知识3.2.1 数据通信系统的模型两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。如图3-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。返回3.2 数据通信的基础知识3.2.1 数据通信系统的模型返回返回源系统一般包括以下两个部分：（1）源站。（2）发送器。目的系统一般包括以下两个部分：（1）接收器。（2）目的站。返回源系统一般包括以

33、下两个部分：返回数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟的”就是连续变化的，而“数字的”就表示取值是离散的。因此，数字数据(digital data)就是用不连续形式表示的数据。将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制。返回数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：（1）模拟数据、模拟信号。（2）模拟数据、数字信号。（3）数字数据、模拟信号。（4）数字数据、数字信号。图3-2给出了模拟的和数字的数据、信号

34、的示意图。返回一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信返回返回3.2.2 有关信道的几个基本概念从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。（1）单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。（2）双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。返回3.2.2 有关信道的几个基本概念返回（3）双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。有时也常用“单工”这个名词

35、表示“双向交替通信”。信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。但应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，模拟信号在经过模数变换后也可在数字信道上传送。信道上传送的信号还有基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号之分。返回（3）双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同3.2.3 信道上的最高码元传输速率图3-3给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形。返回3.2.3 信道上的最高码元传输速率返回返回返回奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：理想低通信道的最高码元传输速率

36、 = 2W Baud (3-1)这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)；Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。式(3-1)就是著名的奈氏准则。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。返回奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W)，奈氏准则就变为：理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud (3-2)即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。强调以下两点：（1）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。（2）波特

37、是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”是两个完全不同的概念。返回对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W)，奈氏准则就3.2.4 信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率C可表达为C = W log2(1+S/N) bit/s (3-3)其中：W为信道的带宽(以Hz为单位)；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。式(3-3)就是著名的香农公式。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。返回3.2.4 信道的极限信息传输速率返回由于码元的传输

38、速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多进制)的调制方法。图3-4说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围。返回由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输返回返回3.3 物理层下面的传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。图3-5是电信领域使用

39、的电磁波的频谱。返回3.3 物理层下面的传输媒体传输媒体也称为传输介质或传返回返回3.3.1 导向传输媒体1双绞线把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。从用户电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。图3-6是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。返回3.3.1 导向传输媒体返回返回返回2同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成(图3-7)。返回2同轴电缆返回返回返回通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：（1）50

40、 同轴电缆50 同轴电缆又称为基带同轴电缆。在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。图3-8画的是未经编码的原基带数字信号和在计算机网络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。返回通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：返回返回返回（2）75 同轴电缆75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆。 在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。双电缆系统的示意图如图3-9(a)所示。头端(headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上收到发送给它们的信息。图3-9(b)

41、为单电缆系统。返回（2）75 同轴电缆返回返回返回3光缆光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角(如图3-10所示)。返回3光缆返回返回返回图3-11画出了光波在纤芯中传播的示意图。返回图3-11画出了光波在纤芯中传播的示意图。返回只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤(如图3-12(a)所示)。若

42、光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤(图3-12(b)。返回只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度返回返回图3-13为四芯光缆剖面的示意图。返回图3-13为四芯光缆剖面的示意图。返回计算机网络教程讲解光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。（2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。（4）体积小，重量轻。返回光纤不仅具有通信容量非常大的优点，

43、而且还具有其他的一些特当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。有源的T形接头实际上就是一个有源转发器(如图3-14所示)。返回当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一返回返回3.3.2 非导向传输媒体1无线传输2地面微波接力通信其主要特点是：微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高；与相同容量和长度的电缆载波通信比较

44、，微波接力通信建设投资少，见效快。返回3.3.2 非导向传输媒体返回微波接力通信缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真；微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差； 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。返回微波接力通信缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有3卫星通信卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。返回3卫星通信返回3.4 模拟传输与数字传输3.4.1 模拟传输系统3.4.2 调制解调器1调制

45、解调器的作用图3-15表示了出现一个误码的示意图。返回3.4 模拟传输与数字传输3.4.1 模拟传输系统返回返回返回若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。调制解调器(modem)就是由调制器(MOdulator)和解调器(DEModulator)这两个字各取其字头合并而成的。调制器的主要作用就是个波形变换器，解调器的作用就是个波形识别器。返回若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。返回2几种最基本的调制方法所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。最基本的二元制调制方法有以下几种(如图3-16所示)：（1）调幅(

46、AM（2）调频(FM)（3）调相(PM)返回2几种最基本的调制方法返回返回返回上述的对数字信号的调频和调相，分别称为移频键控FSK (Frequency Shift Keying)和移相键控PSK (Phase Shift Keying)。而对移相键控还可再分为绝对移相键控和相对移相键控(DPSK)。图3-17画的是一种正交调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)的星座图。若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多)，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。返回上述的对数字信号的调频和调相，分别称为移频键控FSK (返回返回3关于调制

47、解调器的速率图3-18(a)表示两个计算机用户A和B通过V.34调制解调器(33.6 kbit/s)进行通信。由于大部分的ISP都使用租用数字专线接入到电话交换机，因此用户与ISP之间的通信信道是图3-18(b)所示的那样。经数模转换后到用户环路，只有在模拟信号到达用户的调制解调器后才进行数模转换，这时才产生量化噪声。返回3关于调制解调器的速率返回返回返回4调制解调器使用异步通信方式数据通信可分为同步通信和异步通信两大类。同步通信就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等(这常称为收发双方的时钟是同步的)，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确的。当接收端的判决点移动的时间超过码

48、元宽度的一半时(本来判决点应当处于每一个码元的中间)，就要产生差错(比特重读或漏读)，这就是所谓的滑动(slip)。返回4调制解调器使用异步通信方式返回准同步方式是各有关信号使用一些独立的、具有相同的频率标称值的时钟源，但这些频率的实际数值允许有微小的误差(在容许范围之内)。异步通信则采用另一种方法。这就是在发送端将欲发送的数据以字节(8个比特)为单位进行逐个字节的封装。异步通信是通过增加通信开销(每发送10个比特就有两个比特的额外开销，因而数据的有效传输速率就降低了)使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。返回准同步方式是各有关信号使用一些独立的、具有相同的频率标称3.4.

49、3 数字传输系统为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4 kHz，为方便起见，采样频率就定为8 kHz，相当于采样周期为125 s。图3-19表示了上述的概念。返回3.4.3 数字传输系统返回返回返回图3-20在2.048 Mbit/s的传输线路两端同步旋转的开关(这只是为阐述原理用的示意图)，表示32个时隙中的比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱。返回图3-20在2.048 Mbit/s的传输线路两端同步旋返回返回 表3-1

50、给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。返回 表3-1给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数返回返回3.5 信道复用技术3.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用和时分复用的特点分别如图3-21(a)和(b)所示。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。返回3.5 信道复用技术3.5.1 频分复用、时分复用和统计返回返回在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计

51、算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时(例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息)，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。图3-22说明了这一概念。返回在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用返回返回统计时分复用STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。图3-23是统计时分复用的原理图。统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。从平均的角

52、度来看，这两者是平衡的。返回统计时分复用STDM (Statistic TDM)是一返回返回3.5.2 波分复用图3-24表示8路传输速率均为2.5 Gbit/s的光载波(其波长均为1310 nm)，经光的调制后，分别将波长变换到1550 1557 nm，每个光载波相隔1 nm (这里只是为了说明问题的方便，实际上光载波的间隔一般是0.8或1.6 nm)。返回3.5.2 波分复用返回返回返回3.5.3 码分复用码分复用CDM (Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple

53、 Access)每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。返回3.5.3 码分复用返回3.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个。（1）速率标准不统一（2）不是同步传输为了解决上述问题，美国首先在1988年推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET (Synchronous Optical Ne

54、twork)。表3-2为SONET和SDH的比较。返回3.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH数字传返回返回SONET标准定义了四个光接口层。SONET的层次自下而上如图3-25所示。 光子层(Photonic Layer) 数字段层(Section Layer) 线路层(Line Layer) 路径层(Path Layer)返回SONET标准定义了四个光接口层。SONET的层次自下而返回返回3.7 EIA-232-E接口标准EIA-232-E是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准。EIA-232是DTE与DCE之间的接口标准。DTE (Data Terminal Equipme

55、nt)是数据终端设备。数据电路端接设备DCE (Data Circuit-terminating Equipment)。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。DTE通过DCE与通信传输线路相连，如图3-26所示。返回3.7 EIA-232-E接口标准EIA-232-E是返回返回 图3-27画的是最常用的10根引脚的作用，括弧中的数目为引脚的编号。返回 图3-27画的是最常用的10根引脚的作用，括弧中的数返回返回返回返回 所谓虚调制解调器就是一段电缆，具体的连接方法如图3-29所示。返回 所谓虚调制解调器就是一段电缆，具体的连接方

56、法如图3返回返回EIA-232接口标准有两个较大的弱点，即：数据的传输速率最高为20 kbit/s；连接电缆的最大长度不超过15 m。RS-449由3个标准组成。即：（1）RS-449 规定接口的机械特性、功能特性和过程特性。RS-449采用37根引脚的插头座。（2）RS-423-A 规定在采用非平衡传输时(即所有的电路共用一个公共地)的电气特性。（3）RS-422-A 规定在采用平衡传输时(即所有的电路没有公共地)的电气特性。它可将传输速率提高到2 Mbit/s，而连接电缆长度可超过60 m。返回EIA-232接口标准有两个较大的弱点，即：数据的传输速第4章 数据链路层4.1 数据链路层的基

57、本概念4.2 停止等待协议4.3 连续ARQ协议4.4 选择重传ARQ协议4.5 面向比特的链路控制规程HDLC4.6 因特网的点对点协议PPP返回第4章 数据链路层4.1 数据链路层的基本概念返回4.1 数据链路层的基本概念链路(link)就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。数据链路(data link)则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要通信协议来控制这些数据的传输(这将在后面讨论)。也有人采用另外的术语。这就是将链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路，而逻辑链路就是上面的数据链路，是物理

58、链路加上必要的通信协议。返回4.1 数据链路层的基本概念链路(link)就是一条无数据链路层的主要功能归纳如下：（1）链路管理 数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。（2）帧同步（3）流量控制(flow control)（4）差错控制（5）将数据和控制信息区分开（6）透明传输（7）寻址返回数据链路层的主要功能归纳如下：返回4.2 停止等待协议停止等待(stop-and-wait)协议是最简单但也是最基本的数据链路层协议。4.2.1 不需要数据链路层协议的数据传输图4-1所示的简化模型对于一个计算机网络中任意一条链路上的数据传输情况都是适用的。返回4.2 停止等待协议停止等待(stop-an

59、d-wai返回返回4.2.2 具有最简单流量控制的数据链路层协议由接收方控制发送方的数据流，乃是计算机网络中流量控制的一个基本方法。返回4.2.2 具有最简单流量控制的数据链路层协议返回假定：链路是理想的传输信道，即所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。在发送结点：（1）从主机取一个数据帧；（2）将数据帧送到数据链路层的发送缓存；（3）将发送缓存中的数据帧发送出去；（4）等待；（5）若收到由接收结点发过来的信息(此信息的格式与内容可由双方事先商定好)，则从主机取一个新的数据帧，然后转到（2）。返回假定：链路是理想的传输信道，即所传送的任何数据既不会出差在接收结点：（1）等待；（2）若收到由发

60、送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓存；（3）将接收缓存中的数据帧上交主机；（4）向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机；（5）转到(1)。图4-2是前面所述的两种情况的对比。返回在接收结点：返回返回返回4.2.3 实用的停止等待协议传输数据的信道不能保证使所传的数据不产生差错，并且还需要对数据的发送端进行流量控制。图4-3(a)画的是数据在传输过程中不出差错的情况。当发现差错时，结点B就向主机A发送一个否认帧NAK，以表示主机A应当重传出现差错的那个数据帧。图4-3(b)画出了主机A重传数据帧。返回4.2.3 实用的停止等待协议返回有时链路上的干扰很严重，或由于其他一些原