计算机网络技术 计算机网络基础

《现代网络技术》

软件学院

第一讲计算机网络基础1.1计算机网络概述由于早期的计算机既昂贵又缺乏；联机是为了共享计算机超强的计算能力20世纪60’s以前,特征——共享主机资源:单台主机—计算、通信多台终端—用户交互本地、远程连接本地网络结构：1.以主机为中心的“主机－终端”联机网络系统远程网络结构：远程联机系统--通过专用线路连接远程终端；20世纪60’s–20世纪70’s特征：单主机终端网络的互联，形成多主机为中心的网络网络结构从“主机－终端”转变为“主机－主机”网络结构：2.主机－主机网络HOSTHOSTHOSTTTTTTTTTTT通信线路演变阶段1通信任务从主机中分离CCP-通信控制处理机：专门处理主机之间的通信任务CCPCCPHOSTHOSTTTTTTTCCPHOSTTT主机－主机网络的演变通信线路两层网络概念的出现由CCP组成的传输网络——通信子网，为资源子网提供信息传输服务CCCHHHTTTTTTT资源子网通信子网TT主机的集合——资源子网，提供各种网络资源，建立在通信子网基础上（可多系统并存）演变阶段2

通信子网规模扩大，私有→社会公用公用数据通信网：PSTN、X.25优点降低用户系统建设成本通信线路利用率高兼容性好公用数据通信网HOSTHOSTTTTTTTHOSTTTTT例子因特网的前身——ARPANET美国军方建立的实验性网络最初4个节点→70’s的60多个节点地域跨越美洲、欧洲具有现代网络的许多特征，例如分组交换分层次的网络协议第二代计算机网络的不足之处网络普及程度低标准不统一网络体系结构的研究不成熟1.1.2远程通信模型为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构。两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。

实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。

1.1.3交换技术电路交换交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现。)特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。

呼叫——建立连接——传输——挂断

优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。电路交换示意图：报文交换整个报文作为一个整体一起发送。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为：存储-转发

缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。分组交换（包交换）将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。优点：1）存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组——速度快；2）转发延时小——适用于交互式通信；3）某个分组出错仅重发该分组——效率高；4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高。特点：1）数据传输前不需要建立一条端到端的通路。2）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。分组交换示意图：按传输技术分：广播式网络、点到点网络；按作用范围分：局域网、城域网、广域网；按传输与交换权分：专用网、公用网；按交换技术分：电路交换网、报文交换网、分组（包）交换网；按拓扑结构分：总线网、星型网、环型网；1.1.4计算机网络的分类按距离分类局域网(LAN,LocalAreaNetwork)主要特征范围：小，＜20KM传输技术：基带，10-1000Mbps，延迟低，出错率低（10-11）拓扑结构：总线，环城域网(MAN,MetropolitanAreaNetwork)范围：中等，＜100KM传输技术：宽带/基带拓扑结构：总线广域网(WAN,WideAreaNetwork)范围：大，＞100KM传输技术：宽带，延迟大，出错率高拓扑结构：不规则，点到点1.1.5通信系统的一般模型●通信系统模型通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据

适合传输的信号——便于识别、纠错调制器：信号

适合传输的形式——按频率、幅度、相位解码器：传输信号

原始数据解调器：接收波形

数字信号序列信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息通信系统的任务信息通过通信系统传输

把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。1.

基本概念数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。

--模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据信号(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。

--模拟信号与数字信号

--基带(Baseband)与宽带(Broadband)信号1.2数据通信基础2.模拟信号和数字信号

模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值

数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s)。码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始

带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围信道容量(Channelcapacity)：信道的最大数据率

误码率(Biterrorrate)：信道传输可靠性指标

P=错误的位数/传输的总位数 信息编码：将信息用二进制数表示的方法。数据编码：将数据用物理量表示的规则。例如：字母‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码为：01000001t1.数字信号举例：（用电流发送的二进制比特）2.模拟信号举例：

模拟传输和数字传输话音模拟传输模拟数字模拟模拟CODEC数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010Modem３.数据编码：信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。

在最低层,计算机通信包括以某种能量的形式编码数据，并沿着传输介质发送能量.例如，可以用电流编码数据：EncoderDecoderModulatorDemodulator数字或模拟数字或模拟数字信号模拟信号g(t)m(t)px(t)s(t)g(t)m(t)数字或模拟数字或模拟P—调制参数编码调制编码和调制用数字信号承载数字或模拟数据——编码用模拟信号承载数字或模拟数据——调制常用的调制技术有：调幅：amplitudemodulation(AM),调频：frequencymodulation(FM),调相：phaseshiftmodulation(PM).４远程通信：必须使用载波调幅调频调相调幅：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)调频：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)调相：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)00110100010电话通讯构成：本地回路、交换局、干线端局端局长途局中心局长途局本地回路准长途干线高带宽长途干线准长途干线本地回路光纤、微波、同轴双绞线双绞线本地回路编码解码器Codec编码解码器Codec用户设备用户设备ModemModem端局端局长途局数字干线模拟线路（本地回路）模拟线路（本地回路）●绝大多数为模拟线路●计算机间传输：以模拟为主，所以信号要经过多次变换：数字→模拟→数字→模拟→数字1.2.1多路复用技术

频分多路复用Frequencydivisionmultiplexing(FDM)频分复用原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f适用于模拟信号传输

由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长表示光载波。 现在可以在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号，即密集波分复用DWDM（densewavelengthdivisionmultiplexing）

波分复用WaveDivisionMultiplexing(WDM)F2F1F3

光谱F1F2F3共享光纤的光谱

光纤2光纤3光纤1共享光纤

采用无源设备，更可靠棱柱/衍射光栅波分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。EDAF:光纤放大器，直接对光信号进行放大。

时分多路复用：Time

DivisionMultiplexing(TDM).分为两种类型：1.同步时分多路复用：SynchronousTimeDivisionMultiplexing(STDM).2.统计多路复用：StatisticalMultiplexing.时分复用原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。

A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输

时间片数字载波标准T-标准北美、日本E-标准欧洲、中国、南美用数字信号传输语音和数据的时分复用标准。

每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（供32个用户轮流使用）。每通道占用125us/32=3.90625us

每通道一次传送8位二进制数据，即每个二进制位占用0.48828125us，所以

E1速率=1/0.48828125=2.048Mb/s

E1标准也可以这样计算E1速率

E1速率

=(32x8bit)/125ms=2.048Mb/sE1-帧格式0121631125ms=32时隙

=2.048Mbps帧同步信令信道30路话音数据信道+2路控制信道1.3网络协议1.3.1概述协议(protocol)

：通信涉及的所有部分都必须认同一套用于信息交换的规则。网络协议

(Networkprotocol):在计算机网络中，为进行网络中的数据交换（通信）而建立的规则、标准或约定。(=语义+语法+规则)协议软件(protocolsoftware)：实现这些规则的软件。“你好”“Hello”传真中国教师翻译秘书“Hallo”“Hello”传真德国教师翻译秘书对交谈内容共识用英语对话使用传真通信P3P2P1物理通信线路对等通信示例：中德教师之间的对话问题：中国教师与德国教师之间、翻译之间，他们是在直接通信吗？翻译、秘书各向谁提供什么样的服务？中德教师、翻译各使用谁提供的什么服务？对等层通信的实质：

对等层实体之间虚拟通信

下层向上层提供服务实际通信在最底层完成右图给出了对等层通信更一般的抽象。系统A系统BP3P2P121321物理通信线路3N+1NN-1N+1NN-1Pn-1PnPn+1消息1.3.2OSI参考模型1.OSI参考模型的分层结构OSI的通信模型结构

段头数据

段头数据网络头帧头

段头数据网络头帧尾数据段数据包帧比特电脉冲011101000011000010100101111010110数据多层封装示意图封装拆封数据OSI中数据传输过程1.3.3TCP/IP协议集

TCP头应用层数据应用层数据

TCP头应用层数据IP头帧头

TCP头应用层数据IP头帧尾TCP/IP协议的封装示意图：应用层

传输层

网际层

数链层

1.TCP/IP协议栈模型的层次结构1.1IP数据报格式1.2IP地址的格式图2-2IP地址的格式IP网络中每台主机都必须有一个惟一的IP地址；

IP地址是一个逻辑地址；(与MAC地址比较一下)因特网上的IP地址具有全球唯一性；32位，4个字节，常用点分的十进制标记法：如00001010

00000010

00000000

00000001

记为10.2.0.11.2.1IP地址的种类32比特的IP地址被划分为两个部分：网络号（NetworkID，NID）主机号（HostID，HID）IPv4定义了5类IP地址，即：A、B、C、D、E类地址。A类地址：允许27个网络，每个网络224-2个主机；B类地址：允许214个网络，每个网络216-2个主机；C类地址：允许221个网络，每个网络28-2个主机；1．A类图2-3A类地址可以用于分配的A类IP地址范围：A类１.0.0.0～126.255.255.2551.x.y.z—126.x.y.z，其中x、y、z的各个二进制位不能全为0或全为1。2．B类图2-4B类地址可以用于分配的B类IP地址范围：B类128.0.0.0～191.255.255.255128.0.y.z—191.255.y.z，其中y、z的各个二进制位不能全为0或全为1。3．C类图2-5C类地址可以用于分配的C类IP地址范围：C类192.0.0.0～223.255.255.255192.0.0.z—223.255.255.z，其中z的各个二进制位不能全为0或全为1。4．D类图2-6D类地址D类地址主要用于多播（multi-casting）5．E类图2-7E类地址E类地址被保留作为实验用6．其他第1个位域的取值范围在248~254之间的IP地址保留不用。7．IP地址的分配注意事项网络号不能为127主机号不能全为0或2550.0.0.02.2.2子网（Subnet）划分因特网规模的急剧增长，对IP地址的需求激增。带来的问题是：IP地址资源的严重匮乏路由表规模的急速增长解决办法：从主机号部分拿出几位作为子网号这种在原来IP地址结构的基础上增加一级结构的方法称为子网划分。前提：网络规模较小——IP地址空间没有全部利用。例如：三个LAN，主机数为20，25，48，均少于C类地址允许的主机数。为这三个LAN申请3个C类IP地址显然有点浪费。子网划分举例例如：C类网络192.10.1.0，主机号部分的前三位用于标识子网号，即：

110000000000101000000001

xxxyyyyy网络号+子网号新的主机号部分子网号为全“0”全“1”不能使用，于是划分出23-2=6个子网，子网地址分别为：

11000000000010100000000100100000--192.10.1.3211000000000010100000000101000000--192.10.1.6411000000000010100000000101100000--192.10.1.9611000000000010100000000110000000--192.10.1.12811000000000010100000000110100000--192.10.1.16011000000000010100000000111000000--192.10.1.192子网掩码（SubnetMask）子网划分后，如何识别不同的子网？解决：采用子网掩码来分离网络号和主机号。子网掩码格式：32比特，网络号(包括子网号)部分全为“1”，主机号部分全为“0”。“网络号+子网号”部分“主机号”部分11……1100….00子网掩码计算前面的例子中：网络号24位，子网号3位，总共27位。所以子网掩码为：

11111111

11111111

11111111

11100000即255.255.255.224缺省子网掩码：A类：255.0.0.0 B类：255.255.0.0 C类：255.255.255.0子网地址计算子网掩码∧IP地址，结果就是该IP地址的网络号。例如：IP地址202.117.1.207，子网掩码255.255.255.224110010100111010100000001110

01111

∧1111111111111111

1111111111100000

11001010011101010000000111000000∴子网地址为：202.117.1.192

主机号为：15

主机之间要能够通信，它们必须在同一子网内，否则需要使用路由器（或网关）实现互联。图2-1子网掩码的应用-1图2-2

子网掩码的应用-22.2.3

子网划分举例2.2.1非标准子网划分图2-3

非标准子网划分1．对C类网络进行非标准子网划分图2-4

借用2比特的主机号来充当子网络号图2-501子网计算过程2.2.4

全0和全1网段例，标准C类网络201.15.66.0划分成