网络与多媒体课件第3章 网络与通信基础

第3章网络与通信基础2023/5/141计算机系基础教研室内容提要3.1数据通信概述3.2数据传输3.3计算机网络概述3.4计算机网络组成3.5局域网技术3.6广域网简介2023/5/142计算机科学与工程系基础教研室3.1数据通信概述几个基本概念通信：信息的传输与交换信息：消息中所包含的有意义的内容信号：数据在传输过程中的表示形式模拟信号：时间和幅度均连续变化数字信号：时间和幅度均离散变化2023/5/143计算机科学与工程系基础教研室数据通信概述（Cont.）系统模型与分类点对点通信系统简化模型把发送端的消息通过某种信道传递到接收端消息→电信号电信号→消息2023/5/144计算机科学与工程系基础教研室数据通信概述（Cont.）系统模型与分类（续）

系统分类按传输媒介：有线和无线按消息类型：模拟和数字按消息内容：电报、电话和图象等按调制方式：基带和频带按复用方式：频分:不同信号占据不同的频率范围

时分:不同信号占据不同的时间区间

码分:用一组包含互相正交的码字的 码组携带多路信号2023/5/145计算机科学与工程系基础教研室数据通信概述（Cont.）通信方式工作方式：单工、半双工、全双工单工：消息只能在单个方向上传输

半双工：通信双方都可以收发消息，但不能同时进行全双工：通信双方可同时进行收发消息2023/5/146计算机科学与工程系基础教研室数据通信概述（Cont.）通信方式（续）数据传输方式：并行传输、串行传输并行传输串行传输2023/5/147计算机科学与工程系基础教研室数据通信概述（Cont.）通信方式（续）异步传输：以字符为单位，发送每一字符代码时，前面加一个“起”信号，字符代码后面加一个“止”信号，传输效率降低。同步传输：以组(或称帧)为单位，一组数据包含多个字符，以同步的时钟节拍来发送数据信号的，传输效率较高。2023/5/148计算机科学与工程系基础教研室数据通信概述（Cont.）差错控制基本思想：发送端在要传输的信息码元上附加一些冗余监督码元构成发送码组；接收端在收到码组后，按照相同的规则去检查该码组中信息码元与监督码元之间的这种关系。若这种关系被破坏，说明传输过程中发生了差错。常用差错控制策略检错重发（ARQ）、前向纠错（FEC）、混合纠错（HEC）、反馈校验（IRQ）循环冗余校验码（CRC）工作原理：通过多项式除法来检测错误2023/5/149计算机科学与工程系基础教研室数据通信概述（Cont.）主要性能指标有效性：码元速率信息速率可靠性：误码率误比特率返回2023/5/1410计算机科学与工程系基础教研室3.2数据传输数字基带传输基带信号和基带传输系统基带信号：基带：基带传输：基带传输系统：常用基带信号单极性：归零、不归零双极性：归零、不归零差分2023/5/1411计算机科学与工程系基础教研室数据传输(Cont.)2023/5/1412计算机科学与工程系基础教研室数据传输（Cont.）数字频带传输频带传输：二进制振幅键控（2ASK）概念：产生：相乘法、键控法特点：双边带调制、基带信号带宽的两倍、 存在载波分量解调：包络检波、相干解调变型：DSB、SSB、QAM2023/5/1413计算机科学与工程系基础教研室数据传输（Cont.）数字频带传输（续）二进制移频键控（2FSK）概念实现：直接调频、频率选择解调：非相干、相干二进制移相键控（2PSK）概念绝对调相与相对调相多进制调相返回2023/5/1414计算机科学与工程系基础教研室3.3

计算机网络概述3.3.1计算机网络的发展第一代网络(20世纪50年代末～60年代中)称为计算机－终端网络

或称为

面向终端的计算机网络。2023/5/1415计算机科学与工程系基础教研室第二代网络（20世纪60年代末～80年代初）

称为计算机─计算机网络。通信子网：负责通信任务（通信部门建立）

资源子网：负责数据处理（用户自己建立）IMPIMPIMPIMPIMPIMPIMPHHHHHHHH通信子网资源子网2023/5/1416计算机科学与工程系基础教研室

是开放式标准化的网络。两种网络体系结构：

TCP/IP体系结构

ISO的OSI体系结构（7层协议）第三代网络（20世纪80年代中～90年代中）第四代网络（20世纪90年中～至今）

称为新一代的计算机网络。如：带宽、网络安全、地址分配不够、多媒体信息传输的实用化等。2023/5/1417计算机科学与工程系基础教研室3.3.2

计算机网络的定义及功能1.计算机网络的定义 将地理位置分散的、各自具备自主功能的若干台计算机采用通信手段有机地连接起来的一个复合系统，以实现通信交往、资源共享和协同工作等。2023/5/1418计算机科学与工程系基础教研室这里强调：(1)计算机的“自主性”：是指计算机离开了网络环境也能独立地运行，发挥作用。(2)连接的“有机性”：是指将计算机等连接起来时必须遵循一定的通信协议。(3)连接的“目的性”：是指将计算机连接成网络是为了相互进行通信交往，实现信息交换、资源共享或协同工作。1.计算机网络定义(续)2023/5/1419计算机科学与工程系基础教研室

(1)相互通信与交往。(2)共享资源。包括硬件资源、软件资源和数据与信息资源。(3)协同工作、分布处理。

核心功能是共享资源。2.计算机网络的功能2023/5/1420计算机科学与工程系基础教研室3.3.3

计算机网络的分类按网络的拓扑结构分类：总线形网、星形网、环形网、星形树网等；按网络的传输介质分类：同轴电缆网、双绞线网、光纤网等；按网络的传输速率分类：10兆网、100兆网、1000兆网等；按网络的媒体访问控制方式分类：以太网，令牌环网、令牌总线网等；按计算机网络使用的操作系统分类：WindowsNT网、Novell网等；2023/5/1421计算机科学与工程系基础教研室6.

按网络覆盖地理范围的大小分类局域网LAN（LocalAreaNetwork）

在同一房间、同一建筑楼或同一校园内。城域网MAN（MetropolitanArea

Network）

是一种大型的LAN，在同一个城区内。广域网WAN（WideAreaNetwork）

是一种跨越大的地域的网络，通常包含一个国家或洲。

互联网internet

通过WAN连接的LAN的集合，如：Internet返回2023/5/1422计算机科学与工程系基础教研室3.4

计算机网络组成3.4.1计算机网络硬件

主要包括网络服务器、网络工作站、传输介质及接口设备。1.网络服务器Server是网络的核心，它支持网络操作系统的运行，负责网络资源管理与网络通信，运行应用程序、处理网络工作站的服务请求等功能。根据作用的不同，服务器又有文件服务器、打印服务器、应用服务器和通讯服务器之分。

2023/5/1423计算机科学与工程系基础教研室3.4.1

计算机网络硬件（Cont.）2.网络工作站

Workstation是网络用户用来向网络服务器请求共享资源或服务的计算机。不同于网络服务器，作为工作站的计算机可以只是一般的PC机，其上运行的操作系统可以各种各样，如Windows、Linux等。

2023/5/1424计算机科学与工程系基础教研室每一台连到网络上的用户终端电脑，都称为网络工作站。2023/5/1425计算机科学与工程系基础教研室3.4.1

计算机网络硬件（Cont.）3.传输介质传输介质指在发送方与接收方之间的物理通路。

有线传输介质包括：同轴电缆、双绞线、光纤等。（在3.5.2中介绍）

无线传输：各种不同频率的电磁波都可以在空间传播，如：无线电广播用的长波（LW）、中波（MW）、短波（SW）、超短波，电视广播用的甚高频（VHF）、超高频（UHF），通信常用的微波（microwave），红外激光等。2023/5/1426计算机科学与工程系基础教研室微波的种类地面微波卫星微波2023/5/1427计算机科学与工程系基础教研室地面微波地面微波需要很多建立在高山顶上的微波中继塔进行“接力”，才能传到远方。2023/5/1428计算机科学与工程系基础教研室卫星微波卫星微波利用人造卫星“站得高看得远”的接收和转发，很容易将信号传到远方。理论上，在地球上方只要有三颗高轨道的与地球自旋速度同步的卫星，就可以将信号传到地球上的任何地方。卫星微波缺点是，由于卫星太远，虽然电磁波速度为每秒30万公里，但电磁波一上一下，也需要较长时间，用户会感觉到有明显的延时。2023/5/1429计算机科学与工程系基础教研室4.通信接口部件－网卡（NIC）

每一台上网的服务器或工作站上都必须安装网卡，才能进行网络通信，实现网络存取。主要功能是：服务器与工作站之间发送和接收数据。2023/5/1430计算机科学与工程系基础教研室4.通信接口部件（Cont.）

中继器（Repeater）又称转发器、重发器，工作在物理层。由于信号在媒体上传输时，其幅度将会不断地衰减，信号只能传输有限的距离。中继器就是用于扩展传输距离，其功能是对从一条电缆上接收的信号进行再生放大，以补偿信号的衰减，并发送到另一条电缆上。

2023/5/1431计算机科学与工程系基础教研室4.通信接口部件（Cont.）

集线器（Hub）

又称集中器，它能将多条电缆接收到的信号发送到另一条电缆上。

网桥（Bridge）又称桥接器，当两个相同类型或不同类型的局域网需要连接时可用网桥实现。网桥工作在数据链路层。2023/5/1432计算机科学与工程系基础教研室4.通信接口部件（Cont.）交换机（Switch）用于连接几个独立的局域网或把大的网络分段成许多较小的、阻塞更小的局域网，按需要在局域网之间交换信息，使局域网整体带宽得到成倍提高。

路由器(Router)

当有两个以上同类网络互联时，应选择路由器。路由器不仅具有网桥的全部功能，还具有路径的选择功能

。2023/5/1433计算机科学与工程系基础教研室4.通信接口部件（Cont.）

网关(Gateway)也称信关，用于互联异种网络（即不同类型的网络）。当局域网与广域网相连或广域网与广域网相连时，应配置网关。网关除了具有路由器的全部功能外，还要承担异种网之间不同协议的转换。2023/5/1434计算机科学与工程系基础教研室3.4.2

计算机网络软件

包括网络OS、通信软件和网络通信通信协议。1.通信协议

为了实现计算机网络中不同主机之间、不同操作系统之间的通信，而规定的网络全体成员必须共同遵守的一系列规则和约定。

网络协议的关键要素(1)

语法:

是指数据的结构或格式(2)语义:

是指发送数据中每一部分的含义(3)时序:

是指数据何时发送和发送速率等。

2023/5/1435计算机科学与工程系基础教研室2.

OSI七层协议模型

国际标准化组织（ISO）1977年提出了开放系统互连（OSI）的七层参考模型。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层数据链路层应用层表示层会话层传输层网络层物理层物理通道应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议物理层协议数据链路层协议计算机A计算机B2023/5/1436计算机科学与工程系基础教研室2.

OSI七层协议模型

7层之中，l～3层接近硬件，4～7层则以软件实现为主。一台计算机的某一层与另一台计算机的同一层对话，所使用的规则和约定集合起来称为网络的某一层协议。

在通信时，高层的数据和控制信息传递给相邻的下一层，一层一层直至最底层；通过物理线路传到对方后，再一层一层还原。

最底层实现的是真实的通信，各层之间实现的是虚拟通信。层和协议的集合构成了网络体系结构。12345672023/5/1437计算机科学与工程系基础教研室3.

TCP/IP体系结构 目前在因特网中主要采用TCP/IP结构。它将网络体系结构分为四层，即网络接口层、互联层、传输层和应用层。2023/5/1438计算机科学与工程系基础教研室3.

TCP/IP－网络接口层

这是最低一层，包含各种逻辑链路控制和媒介访问协议，例如各种局域网协议、广域网协议等。该层的作用是接收数据并通过特定网络传输。

2023/5/1439计算机科学与工程系基础教研室3.

TCP/IP－互联层

负责主机之间的通信，即将上面传输层的数据分组装入到本层的数据分组（又称IP数据报）中，IP数据报是可变长度的，包含两个部分，即报文头和数据。除定义数据分组格式外，还具有路由选择和拥塞控制。2023/5/1440计算机科学与工程系基础教研室3.

TCP/IP－传输层

负责点到点的应用实体之间的通信，其中TCP协议是一种可靠的、面向连接的协议，保证主机之间有可靠的数据传输。2023/5/1441计算机科学与工程系基础教研室3.

TCP/IP－应用层 主要向用户提供一组常用的协议：

简单电子邮件协议（SMTP）超文本传输协议（HTTP）远程登录协议（TELNET）文件传输协议（FTP）域名服务（DNS)2023/5/1442计算机科学与工程系基础教研室4.

网络操作系统

定义：实现网络通信的有关协议以及为网络中各类用户提供网络服务的软件的集合，其主要目标是使用户能通过网络上各个计算机站点去方便而高效地享用和管理网络上的各类资源（数据信息资源，软、硬件资源）。目前最为流行的网络操作系统有UNIX，WindowsNT和NovellNetware。返回2023/5/1443计算机科学与工程系基础教研室3.5

局域网技术基本特征：(1)整个局域网中所有物理设备分布在半径不超过几公里的有限地理范围之内（不涉及远程通信问题）。(2)整个局域网由同一组织或机构所拥有。(3)在局域网中可实现相当高的数据传输速率，比较常用的为10Mbps至100Mbps，现在有的单位已构建千兆位以太网，传输速率可达到1000Mb/s。(4)局域网内的连接相当规整，有严格的标准可以遵循。

2023/5/1444计算机科学与工程系基础教研室3.5.1

局域网拓扑结构网络拓扑结构指的是网络上的通信线路以及网络设备之间相互联接的几何排列或物理布局的形式。简言之，拓扑结构是指用传输媒体互联各种设备的物理布局。目前常用的拓扑结构有总线形、星形、环形、星形树拓扑等。2023/5/1445计算机科学与工程系基础教研室网中的每个节点都连接在一条公共传输的总线上，网络上所有节点都要通过总线进行相互通信。优点：结构简单、易安装、成本低、增删节点方便、扩充性强缺点：总线负荷重、系统范围一般在2km以内局域网拓扑结构－总线形结构2023/5/1446计算机科学与工程系基础教研室局域网拓扑结构－星形结构网中的每个节点都连接到中央节点，两个用户只有通过中央节点才能通信。

优点：结构简单、建网容易、传输速度快、便于控制和管理。缺点：可靠性差，中央节点通常采用双机热备份；通信线路不能公用。2023/5/1447计算机科学与工程系基础教研室

网中的各个节点通过一条首尾相连的通信链路连接起来的一个闭合环形结构网。优点：网络接口简单、通信设备和线路节省、通信容量比较均匀。缺点：传输效率低、可靠性差，需增加旁路装置提高可靠性。局域网拓扑结构－环形结构2023/5/1448计算机科学与工程系基础教研室局域网拓扑结构－网状结构网状拓扑结构的每一个节点都与其他节点一一直接互连。利用冗余连接，实现节点之间的高速传输和高容错性能，以提高网络的速度和可靠性。2023/5/1449计算机科学与工程系基础教研室局域网拓扑结构－星形树结构从总线形演变而来，形状像一棵倒挂的树其特点与总线形拓扑大致相似不同的地方是树形拓扑故障易于检测和隔离。星形树是星形结构的一种扩充，每个中心节点与端用户的连接仍为星形中心节点级连形成树，但级连个数有限制，并随厂商的不同而变化。局域网拓扑结构－树形结构2023/5/1450计算机科学与工程系基础教研室

3.5.2常用的传输介质一、有线传输媒体双绞线（twistedpair）

由两根相互绝缘的铜导线对扭绞在一起（目前常用一条线中有四对绞线），又分为屏蔽双绞线STP和非屏蔽双绞线UTP两种，价廉、布线方便。2023/5/1451计算机科学与工程系基础教研室

3.5.2常用的传输介质（cont.）

同轴电缆（coaxial）

由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护性塑料外壳组成。芯线和屏蔽层共用同一轴心，又分为细缆和粗缆两种，抗干扰强。塑料外套屏蔽层铜芯线绝缘层2023/5/1452计算机科学与工程系基础教研室

3.5.2常用的传输介质（cont.）光纤（opticalfiber)

由能传导光波的石英玻璃纤维加保护层构成，以光脉冲的形式来传输信号，具有带宽宽，速度快、距离远、可靠性高等优点，但价格高。2023/5/1453计算机科学与工程系基础教研室光纤分类单模光纤：直径小、采用较长波长的激光传送信号，损耗小、传输距离长；多模光纤：直径大、采用较短波长的激光传送信号，损耗大、传输距离短。光波在纤芯中的传播2023/5/1454计算机科学与工程系基础教研室

3.5.2常用的传输介质（cont.）二、无线传输媒体

使用无线电波作为传输媒体，不需要在数据的发送方和接收方之间“拉线”。

优点：无需布线、机动灵活

缺点：安全性、可靠性、稳定性差2023/5/1455计算机科学与工程系基础教研室

3.5.3局域网体系结构与标准在ISO的OSI七层参考模型中，通信网工作在下三层：物理层、数据链路层和网络层。局域网作为一种特殊的通信网，首先它是用带地址的帧来传送数据；其次局域网拓扑结构非常简单，节点与节点之间直接相连，数据传送不需要中间交换，不存在路由选择的问题，由此看来局域网中没有单独设置网络层的必要。

2023/5/1456计算机科学与工程系基础教研室

局域网体系结构逻辑链路控制子层:处理两个站点间的逻辑链接媒体访问控制子层:控制对传输媒体的访问物理层:负责物理连接和在物理媒体上比特流的传输逻辑链路控制子层媒体访问控制子层物理层2023/5/1457计算机科学与工程系基础教研室

3.5.4典型的局域网技术由于以IBMPC为代表的个人计算机的普及应用，80年代中期局域网技术的应用得到迅速发展和普及。典型的LAN技术，除了以太网(Ethernet)和令牌环(Tokenring)网以外，还发展了在光纤介质上运行、通信距离更远的FDDI(光纤分布式数据接口)，用作局域网的干线或者园区网。2023/5/1458计算机科学与工程系基础教研室

以太网技术---1以太网是国际上的主流网络，已发展了近三十年，性能不断提高，从最初的10Mb/s以太网发展到100Mb/s的快速以太网，以及最近发展到1000Mb/s的千兆位以太网。

网络拓扑从总线形发展为星形；工作方式从共享式发展到交换式；网上应用从单纯传输数据发展到传输多媒体信息。

2023/5/1459计算机科学与工程系基础教研室

以太网技术---2传统的以太网的传输速率为10Mb/s。它所采用的主要技术如下：传输速率为10Mb/s基本拓扑结构为总线形介质存取方式为CSMA/CD共享争用方式。CSMA/CD：带冲突检测的载波侦听多路存取方式。2023/5/1460计算机科学与工程系基础教研室

以太网技术---3

CSMA/CD一般采用的操作如下：如果传输介质空闲，它就发送数据。如果传输介质正忙，它等待直至传输介质空闲才发送。如果发生冲突，立即取消本次信息发送，并在等待一个随机时间（即长短不确定的一段时间）之后重新发送。这样，两个站的发送就有可能错开时间，避免再次冲突。2023/5/1461计算机科学与工程系基础教研室

以太网技术---4CSMA/CD工作流程：2023/5/1462计算机科学与工程系基础教研室

快速以太网---1快速以太网100Base-T

快速以太网100Base-T是在传统以太网10Base-T的基础上发展起来的具有100Mb/s传输速率的以太网。有两种形式：使用共享式集线器使用交换式集线器（即交换机）

2023/5/1463计算机科学与工程系基础教研室

快速以太网---2使用共享式集线器

网络带宽由连接到该集线器上的所有站点共享，每个站点所能获得的平均带宽为网络带宽除以站点总数。例如，对100Mb/s的快速以太网来说，若连接了10个站点，则100Mb/s网络带宽由这10个站点共享，平均到每个站点能得到10Mb/s的带宽。2023/5/1464计算机科学与工程系基础教研室快速以太网---3使用交换式集线器网络中每个站点独占网络带宽，网络性能大有提高。仍以100Mb/s的快速以太网为例，不管网络上连接有多少站点，每个站点都能独立使用100Mb/s带宽。它能像电话总机那样，使一个用户与另一个用户的通信（例如A与C、B与D的通信）互不干扰，各自独占100Mb/s带宽。2023/5/1465计算机科学与工程系基础教研室快速以太网---4交换式以太网

2023/5/1466计算机科学与工程系基础教研室千兆位以太网具有每秒1000兆位的传输速率(1000Mb/s)传输介质采用光纤或短程铜线千兆以太网的出现，能有效地解决主干上拥挤的问题，使网络性能大大提高。实际应用中，一般这样组网：桌面系统采用10Mb/s的传统以太网技术，办公楼系统采用100Mb/s的快速以太网技术，而构筑校园网或企业网主干的使用千兆位以太网。

2023/5/1467计算机科学与工程系基础教研室令牌环网技术在令牌环上，所有工作站像共享式以太网一样通过一条公共信道进行通信。与以太网不同的是，令牌环采用令牌传递（TokenPassing）方式控制各站对公共信道的使用。每个站必须拥有令牌才能占用公共信道发送数据。2023/5/1468计算机科学与工程系基础教研室令牌环网技术---1截获令牌与发送帧令牌沿着环路流动，当某个站希望发送数据时，首先必须截获令牌，此时环上暂时没有令牌，以确保任一时刻环上只有一个站可以发送数据。

2023/5/1469计算机科学与工程系基础教研室令牌环网技术---2接收帧与转发帧

当某站获得令牌将信息帧发送到环上后，该信息帧将沿着环路一个站一个站地传送。每经过一个站，该站便检查帧的目的站是否包括本站（因为有可能组播）。若包括，则拷贝该帧到自己的缓冲区，同时将该帧转发到其下游站；否则该站直接将该帧转发给其下游站。2023/5/1470计算机科学与工程系基础教研室令牌环网技术---3清除帧与释放令牌当信息帧在环上绕行一圈回到发送站时，发送站检查发现该帧的源站正是本站就不再往下转发，转去检查该帧的发送情况：若发送成功，则将该帧从环上清除，并产生一个新的令牌释