计算机网络基础第4版

第1章计算机网络概述1.1

计算机网络的发展历史1.1.1 第一阶段——远程终端联机阶段这一阶段主要在20世纪50至60年代，出现了以批处理为运行特征的主机系统和远程终端之间的数据通信。早期的计算机系统均设置在专用机房里，人们在自己的终端上提出请求，通过通信线路传送到中央服务器，分时访问和使用中央服务器上的信息资源后，再将信息处理结果通过通信线路送回到各终端用户。通常根据中央服务器的性能和运算速度来决定连接终端用户的数量。

这一阶段的主要特点如下。(1)以主机为中心，面向终端。(2)分时访问和使用中央服务器上的信息资源。(3)中央服务器的性能和运算速度决定连接终端用户的数量。第一阶段的计算机网络结构如图所示。

1.1.2第二阶段——计算机网络阶段第二阶段是在20世纪60年代至70年代，这一阶段是以通信子网为中心，通过公用通信子网和资源子网实现计算机之间的通信。第二阶段的计算机网络结构如图所示。这一阶段的主要特点如下。(1)以通信子网为中心，实现了“计算机—计算机”的通信。(2)ARPAnet的出现，为Internet以及网络标准化建设打下了坚实的基础。(3)大批公用数据网的出现。(4)局域网的成功研制。1.1.3第三阶段——计算机网络互联阶段20世纪80年代开始进入了计算机网络的标准化时代。在这一阶段，人们加快了网络体系结构和网络协议的国际标准化研究。国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）经过多年努力，制定了“开放系统互联参考模型”（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI/RM），即ISO国际电工委员会IEO制定和公布的ISO/IEC7498国际标准。第三阶段的计算机网络结构如图所示。这一阶段的主要特点如下。(1)网络技术标准化的要求更为迫切。(2)制定出计算机网络体系结构──OSI参考模型。(3)随着Internet的发展，TCP/IP协议簇广泛应用。(4)局域网的全面发展。1.1.4第四阶段——国际互联网与信息高速公路阶段目前计算机网络的发展正处于第四阶段。Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，对于用户来说，它像是一个庞大的远程计算机网络。用户可以利用Internet实现全球范围的电子邮件、电子传输、信息查询、语音与图像通信服务功能。实际上Internet是一个用路由器（Router）实现多个远程网和局域网互连的网际网，它已经并将继续对推动世界经济、社会、科学、文化的发展产生不可估量的作用。网络的全球化将地球变得更像一个“村落”，它将人类彼此之间的联系变得更为紧密。这一阶段的主要特点如下。(1)网络的高速发展。(2)网络在社会生活中的大量应用。(3)网络经济的快速发展。1.2

计算机网络的概念、功能和应用计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它实现了远程通信、远程信息处理和资源共享。经过几十年的发展，计算机网络已由早期的“终端—计算机网”、“计算机—计算机网”成为现代具有统一网络体系结构的计算机网络。1.2.1 计算机网络的概念计算机网络不仅仅只是进行科研和学术交流的工具，它已经深入到社会生活的每一个角落，改变着人们传统的生活和工作方式。（1）计算机网络的定义计算机网络的定义随网络技术的更新可从不同的角度给以描述，目前人们已公认的有关计算机网络的定义是：计算机网络是将地理位置不同，且有独立功能的多个计算机系统利用通信设备和线路互相连接起来，且以功能完善的网络软件（包括网络通信协议、网络操作系统等）实现网络资源共享的系统。在上述的定义中，有以下特点。计算机的数量是“多个”，而不是单一的。计算机是能够独立工作的系统。任何一台计算机都不能干预其他计算机的工作，例如启动、停止等。任意两台计算机之间没有主从关系。计算机可以处在异地。每台计算机所处的地理位置对所有的用户都是完全透明的。处在异地的多台计算机由通信设备和线路进行连接，从而使各自具备独立功能的计算机系统成为一个整体。在连接起来的系统中必须有完善的通信协议、信息交换技术、网络操作系统等软件对这个连接在一起的硬件系统进行统一的管理，从而使其具备数据通信、远程信息处理和资源共享功能。（2）计算机网络的组成一个基本的计算机网络通常由以下几个部分组成。①连接介质。连接两台或两台以上的计算机所需的传输介质。连接介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤等“有线”介质，也可以是微波、红外线、激光、通信卫星等“无线”介质。②通信协议。计算机之间要交换信息，实现通信，彼此就需要有某些约定和规则──网络协议。目前有很多网络协议，有一些是各计算机网络产品厂商自己制定的，也有许多是由国际组织制定的，它们已构成了庞大的协议集。③网络连接设备。异地的计算机系统要实现数据通信、资源共享还必须有各种网络连接设备，如中继器、网桥、路由器和交换机等。④网络管理软件。包括通信管理软件、网络操作系统、网络应用软件等。⑤网络管理员。一个计算机网络需要有网络管理人员对网络进行监视、维护和管理，保证网络能够正常有效地运行。1.2.2计算机网络的功能当今时代，计算机网络为人们的生活注入了丰富的色彩。通过网络，可以进行文字、语音或视频聊天，可以查看新闻，在线看电影、玩游戏，也可以查询资料、在线学习等；对于企业用户，网络可以帮助他们宣传产品，直接进行网上交易等。总的来说，计算机网络不但提供了新的生活方式，还提供了资源共享和数据传输的平台。计算机网络是将地理位置不同，具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。图左为通过网络进行的远程监控，图右为通过Internet连接的网络电话计算机网络的基本功能可以归纳为4个方面。1.资源共享所谓的资源是指构成系统的所有要素，包括软、硬件资源，例如计算处理能力、大容量磁盘、高速打印机、绘图仪、通信线路、数据库、文件和其他计算机上的有关信息。由于受经济和其他因素的制约，这些资源并非（也不可能）所有用户都能独立拥有，而网络上的计算机不仅可以使用自身的资源，也可以共享网络上的资源，因而增强了网络上计算机的处理能力，提高了计算机软硬件的利用率。计算机网络建立的最初目的就是为了实现对分散的计算机系统的资源共享，以此提高各种设备的利用率，减少重复劳动，进而实现分布式计算的目标。2.数据通信数据通信功能，即数据传输功能，这是计算机网络最基本的功能，主要完成计算机网络中各个节点之间的系统通信。用户可以在网上传送电子邮件、发布新闻消息，进行电子购物、电子贸易、远程电子教育等。计算机网络使用初期的主要用途之一就是在分散的计算机之间实现无差错的数据传输。同时，计算机网络能够实现资源共享的前提条件就是，在源计算机与目标计算机之间完成数据交换任务。3.分布式处理通过计算机网络，可以将一个任务分配到不同地理位置的多台计算机上协同完成，以此实现均衡负荷，提高系统的利用率。对于许多综合性的重大科研项目的计算和信息处理，利用计算机网络的分布式处理功能，采用适当的算法，将任务分散到不同的计算机上共同完成。同时，连网之后的计算机可以互为备份系统，当一台计算机出现故障时，可以调用其他计算机实施替代任务，从而提高了系统的安全可靠性。4.网络综合服务利用计算机网络，可以在信息化社会实现对各种经济信息、科技情报和咨询服务的信息处理。计算机网络可以对文字、声音、图像、数字、视频等多种信息进行传输、收集和处理。综合信息服务和通信服务是计算机网络的基本服务功能，人们得以实现文件传输、电子邮件、电子商务、远程访问等。1.2.3 计算机网络的用途计算机网络的主要应用场合可以分为面向企业的应用和面向公众的应用。1.面向企业的应用计算机网络在面向企业的应用中，主要有4个目的。(1)解除“地理位置的束缚”。让网络上的用户，无论身处何方，也无论资源的物理位置在哪里，都能使用网络中的程序、设备和数据。(2)依靠可替代的资源来提供高可靠性。例如，所有的文件可以在两台或3台计算机上留有副本，如果其中之一不能使用，还可以使用其他的副本。

(3)节约经费。系统设计者用多台功能强大的个人计算机来组建系统，每个用户使用一台个人计算机，数据则存放在一台或多台共享的文件服务器里。在这一模式中，用户被称做客户（Client），而整个结构被称做“客户—服务器模型”。(4)为分布在各地的人员提供强大的通信手段。通过网络，两个或多个生活在不同地方的人可以一起写报告。当某人修改了联机文档的某处时，其他人员可以立即看到这一变更，而不必花几天的时间等待信件。从长远的观点来看，利用网络来增强人际沟通可能比它的技术目的更重要。2.面向公众的应用在面向公众的应用中，计算机网络主要提供访问远程和通信娱乐等服务，下面介绍几个典型应用。(1)信息浏览。WWW（WorldWideWeb，万维网）是Internet最基本的应用方式，用户只需要用鼠标进行简单的操作，就可以坐在家中浏览网上丰富多彩的多媒体信息，知晓天下大事。(2)电子邮件。E-mail是计算机技术与通信技术相结合的产物，主要用于在计算机用户之间快速传递信息。国内免费的电子邮箱主要有网易的163邮箱、搜狐的Sohu邮箱以及腾讯的QQ邮箱等，各公司也可以设立自己的邮箱服务器，提供给会员使用。(3)在线查询。利用丰富的网络资源，用户可以方便地查找到任何需要的信息，如利用百度地图搜索引擎，查找所在地到目的地的公交路线图。除了常规的应用之外，还可以利用计算机网络进行一些特定的查询，如利用搜索引擎查询某地的天气情况、查找IP地址、查询手机号码归属地、使用在线电子地图查看地形等。1.3计算机网络的分类计算机网络可按不同的标准进行分类，已经出现的分类方式主要有按网络的覆盖范围、按网络拓扑结构、按网络传输技术、按网络交换方式和按网络通信协议5种。1.3.1 按网络的覆盖范围分类按照网络的覆盖范围来分类是目前网络分类最为常用的方法，通常将网络分为局域网、城域网、广域网和互联网4种类型，如表1-1所示。虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。1.局域网（LocalAreaNetwork，LAN）局域网就是在局部地区范围内的网络，所覆盖的地区范围较小，是最常见、应用最广的一种网络。随着整个计算机网络技术的发展和提高，局域网得到充分的应用和普及，几乎每个单位都有自己的局域网，甚至有的家庭和宿舍中都有自己的小型局域网。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。一般来说，在企业局域网中，工作站的数量在几十到两百台次左右。在网络所涉及的地理距离上，一般来说可以是几米至10km范围内。2. 城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）城域网是指在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联网。MAN与LAN相比，前者扩展的距离更长，连接距离可达10km～100km，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以认为是LAN的延伸。一个MAN通常连接着多个LAN，如连接政府机构的LAN、医院的LAN、电信的LAN、公司企业的LAN等。由于光纤连接的引入，使MAN中高速的LAN互连成为可能。3. 广域网（WideAreaNetwork，WAN）广域网也称为远程网，所覆盖的范围比城域网更广，一般是在不同城市之间的LAN或者MAN互连，地理范围可从几百公里到几千公里。因为广域网传输距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般是要租用专线，通过IMP（接口信息处理）协议和线路连接起来，构成网状结构。广域网因为所连接的用户多，总出口带宽有限，所以用户的终端连接速率一般较低。4. 互联网（Internet）在网络应用迅猛发展的今天，互联网已成为现代人每天都要打交道的一种网络。无论从地理范围，还是从网络规模来讲，互联网都是最大的一种网络。从地理范围来说，互联网可以是全球计算机的互连，这种网络的最大特点就是不定性，整个网络的计算机每时每刻随着人们网络的接入在不变的变化。当一台计算机连在互联网上的时候，该计算机可以算是互联网的一部分，但一旦断开与互联网的连接时，该计算机就不属于互联网了。互联网信息量大、传播广，无论身处何地，都可以享受到互联网带来的便捷。因为这种网络的复杂性，所以这种网络实现的技术也是非常复杂。1.3.2 按网络的拓扑结构分类拓扑学将实体抽象为与其形状、大小无关的点，将物体之间的连接线路抽象成与距离无关的线，研究点、线、面之间的关系。计算机网络的拓扑结构就是用网络的站点与连接线的几何关系来表示网络的结构，主要分为总线型、星型、树型、环型和网状型。1. 总线型拓扑结构总线型拓扑结构中的所有连网设备共用一条物理传输线路，所有的数据发往同一条线路，并能够由连接在线路上的所有设备感知。连网设备通过专用的分接头接入线路。总线型拓扑结构是局域网的一种组成形式，如图所示。总线型拓扑结构的特点如下。(1) 多台机器共用一条传输信道，信道利用率较高。(2) 同一时刻只能由两台计算机进行通信。(3) 某个节点的故障不影响网络的工作。(4) 网络的延伸距离有限，节点数有限。总线型拓扑结构适用场合：LAN、对实时性要求不高的环境。2. 星型拓扑结构星型拓扑结构是以一台中心处理机（通信设备）为主而构成的网络，其他连网机器仅与该中心处理机之间有直接的物理链路，中心处理机采用分时或轮询的方法为连网机器服务，所有的数据必须经过中心处理机。星型拓扑结构如图所示。星型拓扑结构的特点如下。(1) 网络结构简单，便于管理（集中式）。(2) 每台计算机均需物理线路与处理机互连，线路利用率低。(3) 处理机负载重（需处理所有的服务），因为任何两台连网设备之间交换信息，都必须通过中心处理机。(4) 连网主机故障不影响整个网络的正常工作，中心处理机的故障将导致网络的瘫痪。星型拓扑结构适用场合：LAN、WAN。3. 树型拓扑结构树型拓扑结构是以上两种网络结构的综合，它将网络中的所有站点按照一定的层次关系连接起来，就像一棵树一样，由根节点、叶节点和分支节点组成。树型拓扑结构的网络覆盖面很广，容易增加新的站点，也便于故障的定位和修复，但其根节点由于是数据传输的常用之路，因此负荷较大。树型拓扑结构如图所示4. 环型拓扑结构环型拓扑结构中连网设备通过转发器接入网络，每个转发器仅与两个相邻的转发器有直接的物理链路。环形网的数据传输具有单向性，一个转发器发出的数据只能被另一个转发器接收并转发。所有的转发器及其物理线路构成了一个环状的网络系统。环型拓扑结构如图1-12所示。环型拓扑结构的特点如下。(1) 实时性较好（信息在网中传输的最大时间固定）。(2) 每个节点只与相邻两个节点有物理链路。(3) 传输控制机制比较简单。(4) 某个节点的故障将导致物理瘫痪。(5) 单个环网的节点数有限。环型拓扑结构适用场合：LAN、实时性要求较高的环境。5. 网状拓扑结构网状拓扑结构是利用专门负责数据通信和传输的节点机构成的网状网络，连网设备直接接入节点机进行通信。网状拓扑结构通常利用冗余的设备和线路来提高网络的可靠性，因此，节点机可以根据当前的网络信息流量有选择地将数据发往不同的线路。网状拓扑结构如图所示。网状拓扑结构是一个全通路的拓扑结构，任何站点之间均可以通过线路直接连接。1.3.3 按网络的传输技术分类在广播通信信道中，多个节点共享一个通信信道，一个节点广播信息，其他节点必须接收信息。而在点－点通信信道中，一条通信线路只能连接一对节点，如果两个节点之间没有直接连接的线路，那么它们只能通过中间节点转接。显然，网络要通过通信信道完成数据传输任务，因此网络所采用的传输技术也只可能有两类，即广播（Broadcast）方式与点－点（Point-to-Point）方式。这样，相应的计算机网络也可以分为两类：广播式网络和点对点网络，如上图所示。1. 广播式网络（BroadcastNetwork）在广播式网络中，所有连网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。发送的分组中带有目的地址与源地址，接收到该分组的计算机将检查目的地址是否是与本节点地址相同。如果被接收报文分组的目的地址与本节点地址相同，则接收该分组；否则丢弃该分组。2. 点对点网络（Piont-to-PiontNetwork）与广播网络相反，在点对点网络中，每条物理线路连接一对计算机。假如两台计算机之间没有直接连接的线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间节点的接收、存储和转发，直至目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构可能是复杂的，因此从源节点到目的节点可能存在多条路由。决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路由需要有路由选择算法。采用分组存储转发与路由选择是点对点网络与广播式网络的重要区别之一。1.3.4 按网络的交换方式分类按交换方式来分类，计算机网络可以分为分组交换网、报文交换网、电路交换网和混合交换网4种，如图所示1. 分组交换网分组交换方式是在通信前，发送端先把要发送的数据划分为一个个等长的单位（即分组），这些分组由各中间节点采用存储—转发方式进行传输，最终到达目的端。由于分组长度有限，因此可以比报文更加方便地在中间节点机的内存中进行存储处理，其转发速度大大提高。2. 报文交换网报文交换方式是把要发送的数据及目的地址包含在一个完整的报文内，报文的长度不受限制。报文交换采用存储—转发原理，每个中间节点要为途径的报文选择适当的路径，使其能最终到达目的端。此方式类似于古代的邮政通信，邮件由途中的驿站逐个存储转发一样3. 电路交换网电路交换方式是在用户开始通信前，先申请建立一条从发送端到接收端的物理信道，并且在双方通信期间始终占用该信道。此方式类似于传统的电话交换方式。4. 混合交换网混合交换网集合了前3种交换技术的优点，实际应用更为广泛。上面主要介绍了计算机网络4种主要的分类方法。除此之外，计算机网络按照网络的应用范围，可以分为公用网和专用网；按照网络的服务类型，可以分为内联网和外联网；按照网络操作系统（NetworkOperatingSystem）类型，可以分为UNIX（Linux）、WindowsNT/2000/2003和NetWare等。这些分类方法提供了不同的角度对计算机网络进行多角度的研究。第2章数据通信基础2.1

数据通信的基本原理

计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，主要用于数据通信。本章将介绍数据通信的基本原理，包括基本概念和特点；然后介绍数据传输技术、数据交换技术以及其他关键技术，让读者对数据通信的各方面都有基本的了解。数据通信是一项复杂的系统工程，其中涉及较多的专业知识。本节将向读者简要介绍数据通信的基本原理，使读者对数据通信有一个初步的认识。2.1.1 数据通信的基本概念

本部分首先介绍数据通信领域的一些基本概念，为后续章节的学习打下基础。首先来看数据、信息、比特和字节的概念，它们之间既有联系又有区别，如图所示。这些在计算机网络领域频繁使用的名词是学习计算机网络的基础。在数据通信中，信号是数据的表现形式，包括模拟信号和数字信号，如图所示。

信道是传送信息的通路，同样可以分为模拟信道和数字信道，分别用带宽和容量来表示信道的容量，如图所示。2.1.2 数据通信的一般过程如果一个通信系统传输的信息是数据，则称这种通信为数据通信，依照一定的通信协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息。实现这种通信的系统是数据通信系统。以计算机系统为主体构成的网络通信系统就是数据通信系统。1. 数据通信系统模型在计算机网络通信系统中，信源和信宿共同遵守一种规则，系统只按规则进行传输，系统传输的目的不是要了解所传送信息的内容，而是要正确无误地把表达信息的符号也就是数据传送到信宿中，让信宿接收。所以说计算机网络通信系统是数据通信系统。实际的数据通信系统有许多的连接方法，但当把多种连接方法构成的数据通信系统抽象化后，数据通信系统可以被表示成如图所示的模型。2. 数据通信的性能指标在数据通信系统中，信源和信宿是各种类型的计算机和终端，它们被称为数据终端设备，简称DTE（DataTerminalEquipment）。一个DTE通常既是信源又是信宿。数据通信系统中DTE发出和接收的都是数据，我们把DTE之间的通路称为数据电路。信号转换设备位于数据电路的端点，称为数据电路端接设备，简称DCE（DataCircuit-terminatingEquipment），或称为数据通信设备，简称也是DCE（DataCommunicationsEquipment）。衡量数据通信的性能指标通常有数据传输速率和码元传输速率，它们的定义和转换关系如图所示。3. 数据通信的一般过程1924年，H·Nyquist就给出了一个准则：在一个带宽为ｗHz的无噪声低道通信道上，最高的码元传输速率是2wbaud。在1948年，C·Shannon推导出了有高斯白噪声干扰的信道的最大数据传输速率，公式是C=Wlog2（1+S/N），解决了用模拟信道传送数字信号的最大传输速率问题。其中，S/N称为信噪比（Signal-to-NoiseRatio）；w为带宽。通常人们不直接使用S/N，而是使用10*（以10为底数），S/N为指数的对数，其单位为分贝（DB），如S/N=1000时为30DB。例如，某电话通信的带宽为3.1kHz，信噪比S/N＝2000DB。根据香农定理，C=3100log2（1+2000）≈34kbit/s，即通过调制解调技术在其上传送数字信号的最大传输率为34kbit/s。网络中两台计算机之间的通信过程如图所示。2.1.3 数据通信系统一个数据通信系统可分为3个组成部分。1.源系统源系统提供数据的来源，主要包括以下两个要素。(1)源点：源点产生所需要传输的数据，如文本或图像等。(2)发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。2.目的系统目的系统是信号最终的目的地和归宿，主要包括以下两个要素。(1)接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。(2)终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。终点也称为目的站。3.传输系统传输系统实现信号从源系统到目的系统的传输过程，主要包括以下两个要素。(1)传输信道：一般表示向某一方向传输的介质，一条信道可以看成一条电路的逻辑部件。一条物理信道（传输介质）上可以有多条逻辑信道（采用多路复用技术）。(2)噪声源：包括影响通信系统的所有噪声。如脉冲噪声和随机噪声（信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声）。2.1.4 数据通信系统的主要技术指标对数据通信系统中的信号传输，主要从数据传输的数量和质量两方面进行综合评价。数据传输的数量指标主要包括有两个方面：一是信道的传输能力，用信道容量来衡量；另一方面是信道上传输信息的速度，用数据传输速度来表示。而通信质量是指信息传输的可靠性，一般使用误码率来衡量。1.数据传输速率数据传输速率是指传输线路上信号的传输速度，主要有以下两种表示形式。(1)信号速率。信号速率又称为比特率，指每秒传输二进制代码的比特位数，如33600比特/秒表示每秒能传输33600个比特位，其单位比特/秒常简写为b/s或bit/s。(2)调制速率。调制速率又称为码元速率，码元是承载信息的基本信号单位。码元速率是指单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T，则码元速率B=1/T。码元速率也叫波特率，通常用来表示调制解调器之间传输信号的速率。

2.误码率通常把信号传输中的错误率称为误码率，它是衡量差错的标准。在二进制电平传输时，误码率等于二进制码元在传输中被误传的比率，即用接收错误的码元数除以被传输的码元总数所得的值就是误码率。3.信道容量信道是信息传递的必经之路，它有一定的容量。信道容量是指它传输信息的最大能力，通常用单位时间内可传输的最大比特数来表示。信道容量的大小由信道的频带F和可使用的时间T及能通过的信号功率与干扰功率之比决定。4.信道带宽信道的带宽在不同环境中有不同的定义。在通信系统中，带宽是指在给定的范围内可用于传输的最高频率与最低频率的差值。5.信道延迟信道延迟是指信号从信源发出经过信道到达信宿所需的时间，它与信源到信宿间的距离及信号在信道中的传播速度有关。在多数情况下，信号在不同的介质中速度略有不同。在具体的网络中，应该考虑该网络中相距最远的两个站点之间传输信号的延迟，并根据延迟的大小来决定采用什么样的网络技术。（二）数据通信介质

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。传输介质的特性，包括物理特性、传输特性、连通性、地理范围、抗干扰性和价格因素等，对网络数据通信质量有很大影响。2.2.1 有线传输介质常见的线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。1.双绞线双绞线由螺旋状扭在一起的2根绝缘导线组成，如图所示。线对扭在一起可以减少相互间的辐射电磁干扰，是最常用的传输媒体，很早就开始用于电话通信中的模拟信号传输，也可用于数字信号的传输。双绞线上也可直接传送数字信号，使用T1线路的总数据传输速率可达1.544Mbit/s。达到更高数据传输率也是可能的，但与距离有关。(1)物理特性。双绞线芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。(2)传输特性。双绞线既可以用于传输模拟信号，也可以用于传输数字信号。(3)连通性。双绞线普遍用于点到点的连接，也可以用于多点的连接。作为多点媒体使用时，双绞线比同轴电缆的价格低，但性能较差，而且只能支持很少几个站。(4)地理范围。双绞线可以很容易地在15km或更大范围内提供数据传输。局域网的双绞线主要用于一个建筑物内或几个建筑物间的通信，10Mbit/s和100Mbit/s传输速率的10Base-T和100Base-T总线传输距离均不超过100m。(5)抗干扰性。在低频传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆，但在超过10kHz～100kHz时，同轴电缆的抗干扰性就比双绞线明显优越。2.同轴电缆同轴电缆也像双绞线一样由一对导体组成，但它们是按“同轴”形式构成线对。最里层是内芯，向外依次为绝缘层、屏蔽层，最外层则是起保护作用的塑料外套，内芯和屏蔽层构成一对导体。同轴电缆结构如图所示(1)物理特性。单根同轴电缆的直径约为1.02cm～2.54cm，可在较宽的频率范围内工作。(2)传输特性。同轴电缆具有高带宽和极好的噪声抑制特性。同轴电缆的带宽取决于电缆长度。1km的电缆可以达到1Gb/s~2Gb/s的数据传输速率。还可以使用更长的电缆，但是传输率要降低或使用中间放大器。(3)连通性。同轴电缆适用于点到点和多点连接。基带50电缆每段可支持几百台设备，在大系统中还可以用转接器将各段连接起来；宽带75电缆可以支持数千台设备，但在高数据传输率下使用宽带电缆时，设备数目相对较少。(4)地理范围。传输距离取决于传输的信号形式和传输的速率，典型基带电缆的最大距离限制在几千米，在同样的数据传输速率条件下，粗缆的传输距离较细缆的长。宽带电缆的传输距离可达几十千米。(5)抗干扰性。同轴电缆的抗干扰性能比双绞线强。

3.光纤光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成。相对于金属导线来说具有重量轻、线径细的特点。用光纤传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检测器还原成电信号。光纤结构如图所示。(1)物理特性。在计算机网络中均采用2根光纤（一来一去）组成传输系统。按波长范围（近红外范围内）光纤可分为3种：0.85m波长区（0.8m～0.9m）、1.3m波长区（1.25m～1.35m）和1.55m波长区（1.53m～1.58m）。(2)传输特性。光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号，内部的全反射可以在任何折射指数高于包层媒体折射指数的透明媒体中进行。实际上，光纤作为频率范围1014Hz～1015Hz的波导管，这一范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。光纤的数据传输率可达Gbit/s级，传输距离达数十千米。(3)连通性。光纤普遍用于点到点的链路。总线型拓扑结构的实验性多点系统已经建成，但是价格颇高。原则上讲，由于光纤功率损失小、衰减少的特性以及有较大的带宽潜力，因此一段光纤能够支持的分接头数比双绞线或同轴电缆多得多。(4)地理范围。从目前的技术来看，可以在6km～8km的距离内不用中继器传输，因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络。(5)抗干扰性。光纤具有不受电磁干扰或噪声影响的独有特征，适宜在长距离内保持高数据传输率，而且能够提供很好的安全性。2.2.2 无线传输介质无线电通信、微波通信、红外通信以及激光通信的信息载体都属于无线传输介质。无线传输介质通过空间传输，不需要架设或铺埋电缆或光纤，目前常用的技术有：无线电波、微波、红外线和激光。便携式计算机的出现，以及在军事、野外等特殊场合下移动式通信连网的需要，促进了数字化元线移动通信的发展，现在又出现了无线局域网产品。各通信介质使用的电磁波谱范围如图所示。

微波通信的载波频率为2GHz～40GHz。因为频率很高，所以可同时传送大量信息，如一个带宽为2MHz的频段可容纳500条话音线路，用来传输数字数据，速率可达数兆比特每秒。微波通信的工作频率很高，与通常的无线电波不同，是沿直线传播的。这3种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线（LineofSight）通路，故它们统称为视线媒体。所不同的是，红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号直接在空间传播。这3种视线媒体由于都不需要铺设电缆，对于连接不同建筑物内的局域网特别有用。这3种技术对环境气候较为敏感，例如雨、雾和雷电。相对来说，微波对一般雨和雾的敏感度较低。在数据通信传输技术中，传输设备占有很重要的位置。数据通信的传输设备包括网卡、中继器、集线器、交换机和路由器等。2.3

数据传输及交换技术

数据交换技术（dataswitchingtechniques），是在两个或多个数据终端设备（DTE）之间建立数据通信的暂时互连通路的各种技术。数据传输（datatransmission），指的是依照适当的规程，经过一条或多条链路，在数据源和数据宿之间传送数据的过程。也表示借助信道上的信号将数据从一处送往另一处的操作。2.3.1 数据传输技术数据通信使用的几种主要的数据传输技术如下。1.并行传输与串行传输串行传输每次由源到目的传输的数据只有一位，如图（a）所示。由于线路成本等方面的因素，远距离通信一般采用串行通信技术。并行传输主要用于局域网通信等距离比较近的情况，至少有8bit数据同时传输，如图（b）所示。计算机内部的数据多是并行传输，如用于连接磁盘的扁平电缆一次就可以传输8bit或16bit数据，外部的并行端口及其连线都利用并行传输。

2.异步传输与同步传输同步问题在数据通信中非常重要。“同步”是指接收端要按照发送端所发送的信号的起止时刻和间隔时间接收数据，使得发送与接收在步调上一致，否则将会导致通信误码率增加，甚至完全不能通信。按照通信双方协调方式的不同，目前的数据传输方式有同步和异步两种。(1)同步传输。同步传输采用的是按位同步的同步技术，即位同步。在同步传输中，字符之间有一个固定的时间间隔，这个时间间隔由数字时钟确定，因此，各字符没有起始位和停止位。在通信过程中，接收端接收数据的序列与发送端发送数据的序列在时间上必须取得同步，为此目的有两种情况，即外同步和自同步。外同步指由通信线路设备提供同步时钟信号，该同步信号与数据编码一同传输，以保证线路两端数据传输同步，如图所示。内同步指某些编码技术内含时钟信号，在每一位的中间有一个电平跳变，这一个跳变就可以提取出来用做位同步信号，如曼彻斯特码。

(2)异步传输。有数据需要发送的终端设备可以在任何时刻向信道发送信号，而不管接收方是否知道它已开始发送操作。这种传输方式把每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。为了标志字节的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1bit、1.5bit或2bit停止位，构成一个个的“字符”。这里的“字符”指异步传输的数据单元，不同于“字节”，一般略大于一个字节，如图所示。这种传输方式开销大，效率低，速度慢，优点是控制简单，如果传输有错只需要重新发送一个字符。

3. 数据传输方向根据信号在信道上的传输方向与时间关系，信道可以分为3种：单工、半双工和全双工。(1)单工。单工数据传输的数据只能在一个方向上流动，发送端使用发送设备，接收端使用接收设备，如图（a）所示。无线电广播和电视广播都属于单工信道。(2)半双工。半双工数据传输的数据在某一时刻向一个方向传输，在需要的时候，又可以向另外一个方向传输，它实质上是可切换方向的单工通信，如图（b）所示。半双工适合会话式通信。(3)全双工。全双工数据通信允许数据在两个方向上同时传输，它在能力上相当于两个单工通信方式的结合，如图（c）所示。在全双工通信中，通信双方的设备既要充当发送设备，又要充当接收设备。

2.3.2数据交换技术通常数据通信有3种主要的交换方式：电路交换、报文交换和分组交换。1.电路交换电路交换是指两台计算机或终端在相互通信时，使用同一条实际的物理链路，通信中自始至终使用该链路进行信息传输，且不允许其他计算机或终端同时共亨该电路，如图所示。电路交换的特点如下。(1)有通话的建立过程。(2)通话建立以后，源与目的间有一条专用的通路存在。

2. 报文交换报文交换是将用户的报文存储在交换机的存储器中（内存或外存），当所需输出电路空闲时，再将该报文发往需接收的交换机或终端。这种存储—转发的方式可以提高中继线和电路的利用率。报文交换过程如图所示。报文交换的特点如下。(1)无呼叫建立和专用通路。(2)存储—转发式的发送技术。

3.分组交换分组交换是将用户发来的整份报文分割成若干个定长的数据块（称为分组或打包），将这些分组以存储—转发的方式在网内传输。第一个分组信息都连有接收地址和发送地址的标识。在分组交换网中，不同用户的分组数据均采用动态复用的技术传送，即网络具有路由选择，同一条路由可以有不同用户的分组在传送，所以线路利用率较高。分组交换过程如图所示。分组交换的特点如下。(1)无呼叫建立和专用通路。(2)存储—转发式的发送技术。(3)将数据分成有大小限制的分组后发送2.4

数据通信的其他关键技术

本小节对数据通信中需要使用的其他关键技术，如数据编码调制、信道复用和差错控制技术做简单介绍。数据通信的其他关键技术数据编码调制信道复用差错控制技术

2.4.1 数据编码调制所谓编码是指用数字信号承载数字或模拟数据，而调制是指用模拟信号承载数字或模拟数据。模拟数据信号的编码主要包括移幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）技术。数字数据的编1.不归零码（Non-ReturntoZero，NRZ）二进制数字0、1分别用两种电平来表示，常常用−5V表示1，+5V表示0。缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步，如图（a）所示。2.曼彻斯特编码（ManchesterCode）用电压的变化表示0和1，规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1。每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍），如图（b）所示。3.差分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterCode）每个码元的中间仍要发生跳变，用码元开始处有无跳变来表示0和1，有跳变代表0，无跳变代表1，如图（c）所示。码是把数字数据转换成某种数字脉冲信号。常见的有不归零码和曼彻斯特编码。

数字数据到数字信号的编码方法2.4.2 信道复用所谓信道复用是指，多个信息源共享一个公共信道。信道复用的目的是提高线路利用率。信道复用适用于信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求的情形。信道复用类型有以下3种。1.频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）在频分复用中，整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。2.波分复用（WaveDivisionMultiplexing，WDM）波分复用──光的频分复用。整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。3.时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）时分复用原理是把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。

2.4.3差错控制与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。在数据通信中，由于信号衰减和热噪声，信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变，信号反射、串扰和冲击噪声、闪电、大功率电机的启停等，容易产生差错。为此需要相应的差错控制技术。差错控制的基本方法是接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错检测主要有两种方法。1.奇偶校验（ParityChecking）在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。例如1100010增加偶校验位后为11100010，若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。此方法只能用于面向字符的通信协议，只能检测出奇数个比特位错。2.循环冗余校验（CyclicRedundancyCheck，CRC）该差错检测原理是将传输的位串看成系数为0或1的多项式。收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。校验和是16bit或32bit的位串，CRC校验的关键是如何计算校验和。常用的差错控制技术包括自动请求重传（AutomaticRepeatRequest，ARQ）、停等ARQ、Go-back-NARQ和选择重传AR等。第3章计算机网络体系结构3.1

认识体系结构和网络协议（一）认识网络体系结构1.网络层次模型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”，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。（1）第n层是第n-1层的用户。（2）第n层又是第n+1层的服务提供者。（3）第n+1层虽然只直接使用了第n层提供的服务，实际上它通过第n层还间接地使用了第n-1层以及以下所有各层的服务。2.网络层次结构（1）网络层次结构的特点。除了在物理媒体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。对等层的虚通信必须遵循该层的协议。第n层的虚通信是通过第n/n-1层间接口处第n-1层提供的服务以及第n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。（2）层次结构划分的原则。每层的功能明确，并且相互独立。当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响。层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。（3）网络的体系结构的特点。以功能作为划分层次的基础。第n层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第n-1层提供的服务。第n层在向第n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。3.网络体系结构网络体系就是为了完成计算机间的通信合作，把每个计算机互连的功能划分成定义明确的层次，规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务。（二）认识网络协议1.网络协议的概念一个功能完善的计算机网络是一个复杂的结构，网络上的多个节点间不断地交换着数据信息和控制信息，在交换信息时，网络中的每个节点都必须遵守一些事先约定好的共同的规则。为网络数据交换而制定的规则、约定和标准统称为网络协议。2.网络协议的基本要素语法：表明用户数据与控制信息的结构和格式。语义：表明需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出的响应。时序：对事件实现顺序的说明。（三）认识网络协议分层1.邮政通信系统2.计算机网络中的分层结构3.2

认识OSI参考模型（一）认识OSI参考模型的层次结构OSI参考模型将整个网络的通信功能划分成7个层次，每层各自完成一定的功能。由低层至高层分别称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。OSI参考模型划分层次的原则如下。网络中各节点都具有相同的层次。不同节点的同等层具有相同的功能。同一节点内相邻层之间通过接口通信。每一层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务。不同节点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。1.物理层物理层负责最后将信息编码成电流脉冲或其他信号用于网上传输。它由计算机和网络介质之间的实际界面组成，可定义电气信号、符号、线的状态和时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。2.数据链路层数据链路层提供物理链路上可靠的数据传输，负责在两个相邻节点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。不同的数据链路层定义了不同的网络和协议特征，其中包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流控。3.网络层网络层提供两个终端系统之间的连接和路径选择，负责在源和终点之间建立连接，一般包括网络寻径，还可能包括流量控制、错误检查等。4.传输层传输层负责两端节点之间的可靠网络通信，向高层提供可靠的端到端的网络数据流服务。传输层的功能一般包括流量控制、多路传输、虚电路管理及差错校验和恢复。5.会话层会话层建立、管理和终止应用程序会话并管理表示层实体之间的数据交换。通信会话包括发生在不同网络应用层之间的服务请求和服务应答，这些请求与应答通过会话层的协议实现。会话层允许不同机器上的用户建立会话关系，允许进行类似传输层的普通数据的传输，在两个互相通信的应用进程之间，建立、组织和协调其交互（interaction）。6.表示层表示层主要解决用户信息的语法表示问题，提供多种功能用于应用层数据编码和转化，以确保一个系统应用层发送的信息可以被另一个系统应用层识别。7.应用层应用层是最接近终端用户的OSI层，这就意味着OSI应用层与用户之间是通过应用软件直接相互作用的。应用层包含大量人们普遍需要的协议。通过定义一个抽象的网络虚拟终端，编辑程序和其他所有的程序都面向该虚拟终端。3.3

认识TCP/IP参考模型（一）认识TCP/IP的体系结构TCP/IP不是一个简单的协议，而是一组小的、专业化协议，包括TCP/IP、UDP、ARP、ICMP以及其他的一些子协议。大部分网络管理员将整组协议称为TCP/IP。1.主机—网络层主机─网络层是TCP/IP参考模型的最低层，负责接收从IP层交来的IP数据报并将IP数据报通过低层物理网络发送出去，或者从低层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。2.网络互连层网络互连层的主要功能是负责相邻节点之间的数据传送。它的主要功能包括3个方面。3.传输层TCP/IP参考模型中传输层的作用与OSI参考模型中传输层的作用是一样的，即在源节点和目的节点的两个进程实体之间提供可靠的端到端数据传输。为保证数据传输的可靠性，传输层协议规定接收端必须发回确认，并且假定分组丢失，必须重新发送。4.应用层传输层的上一层是应用层，应用层包括所有的高层协议。早期的应用层有远程登录协议（Telnet）、文件传输协议（FileTransferProtocol，FTP）和简单邮件传输协议（SimpleMailTransferProtocol，SMTP）等。（二）认识IP1.IP的功能IP的功能是在一个个IP模块间传送数据报。网络中每个计算机和网关上都有IP模块。数据报在一个个模块间通过路由处理网络地址传送到目的地址，因此，搜寻网络地址是IP十分重要的功能。（1）IP与IP层服务。IP主要负责为计算机之间传输的数据报寻址，并管理这些数据报的分片过程。（2）IP地址。（3）IP地址的概念。连入Internet中的计算机与连入电话网的电话机非常相似，计算机的每个连接也有一个由授权单位分配的号码，称之为IP地址。（4）IP地址的组成。IP地址由32位二进制数值组成（4字节），但为了方便用户的理解和记忆，通常采用点分十进制标记法，即将4字节的二进制数值转换成4个十进制数值，每个数值小于等于255，数值中间用“.”隔开，表示成w.x.y.z的形式。（5）IP地址的用途。根据IP地址，网络可以判定是否通过某个路由器将数据传递出去。通过分析要传递数据的目的IP地址，如果其网络地址与当前所在的网络相同，那么，该数据就可以直接传递，无须经过路由器。（6）IP地址的分类。按照IP规定，Internet上的地址共有A、B、C、D、E共5类。IP地址的分类。2.子网地址和掩码在Internet中，A类、B类和C类IP地址经常被使用，经过网络号和主机号的层次划分后，能适应不同的网络规模。使用A类IP地址的网络可以容纳超过1600万台主机，而使用C类IP地址的网络最多仅可以容纳256台主机。（1）子网地址。在实际应用中，需要对IP地址中的主机号部分进行再次划分，将其划分成子网号和主机号两部分（2）子网掩码。再次划分后的IP地址的网络号部分和主机号部分用子网掩码来区分，子网掩码也为32位二进制数值，分别对应IP地址的32位二进制数值。3.IP数据报需要进行传输的数据在IP层首先需要加上IP头信息，封装成IP数据报。（1）版本与协议类型。在IP报头中，版本域表示该数据报对应的IP版本号。（2）长度。报头中有两个表示长度的域，一个为报头长度，另一个为总长度。（3）服务类型。服务类型域规定对本数据报的处理方式。（4）报文的分片和重组控制。由于利用IP进行互连的各个物理网络所能处理的最大报文长度有可能不同，所以IP报文在传输和投递的过程中有可能被分片。（5）生存周期。（6）头部校验和。头部校验和用于保证IP头数据的完整性。（7）地址。（8）数据报选项和填充。IP选项主要用于控制和测试两大目的。4.路由器和路由选择（1）路由器的用途。路由器在Internet中起着重要的作用，它连接两个或多个物理网络，负责将从一个网络接收来的IP数据报，经过路由选择，转发到一个合适的网络中。（2）路由表。一个路由表通常包含许多（N，R）对序偶，其中N指目的网络的IP地址，R是到网络N路径上的“下一个”路由器的IP地址。下图是一个简单的网络互连图与其路由器R的路由表。(3)路由选择。在下图中，网络和网络都与路由器R直接相连。路由器R收到一IP数据报，如果其目的IP地址的网络号为或，那么，R就可以将该报文直接传送给目的主机；如果接收报文的目的地网络号为，那么，R就需要将该报文传送给与其直接相连的另一路由器Q，由路由器Q再次投递该报文。同理，如果接收报文的目的地网络号为，那么，R就需要将报文传送给路由器S。5.IP数据报的传输在Internet中，IP数据报根据其目的地的不同，经过的路径和投递次数也不同。下图所示为一个源主机A（）发送一IP数据报给目的主机B（）的过程。从主机A发送一数据报至主机B大致需要如下几步。(1)主机A形成原始数据并按照IP在IP层封装成IP数据报。(2)根据主机B的IP地址判断B是否与自己在同一网络中。如果A和B在同一网络，则A直接将报文投递给B；如果A和B不在同一网络，则需要经过某一路由器再次投递。显然，图3-14中A和B不在同一网络中，因此，A将IP数据报投递给路由器Q。(3)路由器Q接收该数据报，并判断B是否与自己同属一网络。如果Q和B在同一网络，则Q直接将报文投递给B；如果Q和B不在同一网络，则需要经过下一路由器再次投递。因为Q和B不在同一网络中，因此，Q必须将IP数据报投递给另一路由器。从图3-14中可以看到，路由器Q通过网络与路由器R和T相连。至于Q将数据报传送给哪个路由器，要看Q的路由表中到目的网络一项的下一跳指向哪个路由器。假定Q的路由表将到网络的下一跳指向路由器T，则Q就将数据报传送给T。(4)最后，路由器T接收该报文，由于T的另一端与B在同一网络中，T直接将数据报传送给目的主机B。（三）认识TCP1.TCP服务（1）TCP的用途。TCP是非常重要的一个协议，在将数据从一端发送到另一端时，运行于传输层的TCP能够为应用层提供一个可靠的（保证传输的数据不重复、不丢失）、面向连接的、全双工的数据流传输服务。（2）TCP的特点。TCP是一个端到端的传输协议，可以提供一条从一台主机的一个应用程序到远程主机的另一个应用程序的直接连接。（3）TCP的工作过程。TCP使用IP传递信息。每一个TCP信息被封装在一个IP数据报中并通过互联网传送。当数据报到达目的主机时，IP将先前封装的TCP信息再送交给TCP。2.TCP流量控制和阻塞机制（1）TCP流量控制。TCP采用活动窗口机制进行流量控制。建立一个连接时，每端都为该连接分配一块接收缓冲区，数据到达时先放到缓冲区中，然后在适当的时候由TCP实体交给应用程序处理。由于每个连接的接收缓冲区大小是固定的，如发送方发送过快时，就会导致缓存区溢出造成数据丢失，因此，接收方必须随时通知发送方缓冲区的剩余空间，以便发送方调整流量。（2）阻塞机制。阻塞发生时会引起发送方超时，虽然超时也有可能是由数据传输出错引起的，但在当前的网络环境中，由于传输介质的可靠性越来越高，数据传输出错的可能性越来越小。采用以上的流量控制和阻塞控制机制后，发送方可以随时根据接收方的处理能力和网络的处理能力来选择一个最合适的发送速率，从而充分有效地利用网络资源。3.TCP数据报数据报各个组成部分的含义和用途。源端口和目的端口：分别与源IP地址和目的IP地址一起标识TCP连接的两个端点。序号：TCP段中第一个字节的序号。确认序号：准备接收的下一个字节序号。头长：包括固定头和选项头。保留：保留为今后使用，目前置为0。标识：包括紧急比特URG和确认比特ACK等一组位标识，用于识别当前信息传递的状态。窗口大小：TCP使用可变长度的滑动窗口进行流量控制，窗口大小表明发送方可以发送的字节数（从确认序号开始）。校验和：对TCP头、数据及伪头结构进行校验。紧急指针：指出紧急数据的位置（距当前序号的偏移值）。选项：选项可用来提供一些额外的功能。4.TCP建立连接（1）“三方握手”原理。（2）TCP连接过程。第4章计算机网络硬件4.1服务器和工作站（一）网络服务器服务器（Server）就是为网络上的用户提供服务的节点，在服务器上装有网络操作系统和网络驱动器，而使用这个服务器的称为该服务器的客户（Clients）或用户。

左图所示为某类型服务器的实物图；右图所示为服务器的内部结构图。服务器内部的重要部件如下。CPU：CPU是主板上最重要的部件，一般的服务器主板都具有多CPU插槽，可以安装多个CPU，并多为双核或四核。北桥芯片：主要控制和配合CPU工作。南桥芯片：控制主板上的各个接口、插槽及其外围芯片的工作。内存条：内存条是服务器工作性能好坏的重要部件，一般的主板会提供6～24个插槽。电源：主板的供电设备，要求输出电压稳定、噪声小、功率大等。（二）网络工作站工作站（也称客户机）是用户使用的普通计算机，可根据具体情况对计算机进行配置。

服务器/客户机性能对比表部件名称服务器配置个人机配置CPU服务器专用，2～8路对称多处理器系统，一般2个以上（内置双核或四核）单CPU系统（或内置双核）内存4～12个插槽，DDR内存条DDRECC自动纠错内存，可多达48个插槽硬盘SATA、SAS机械硬盘或SSD企业级固态硬盘，可安装几块甚至几十块硬盘SATA接口，一般为1块硬盘，500GB～2TB显卡无需强大功能要求较高显示器无性能要求21英寸以上纯平或液晶显示器声卡一般不需要（一般应用集成声卡即可）独立高效声卡或集成声卡网卡4*GE以太网卡自适应网卡或集成网卡插槽具有多种扩展插槽，一般4～12个PCI插槽和2个ISA插槽一般4～6个PCI插槽和1个AGP插槽电源两个以上可热插拔、功率300W以上电源1个电源，一般250W或300W操作系统服务器专用，一般为WindowsServer2012/2016Windows7/Windows10等下面以网吧服务器和计算机设置为例，进一步说明网络服务器和工作站的概念。网吧里经常能够看到客户区的计算机，而服务器和其他交换设备则一般不易被察觉到，这是因为服务器和交换设备比较贵重，为避免和用户接触，一般都安置在单独房间里或者安放在比较偏僻的地方。图所示为网吧的设备安放结构图。4.2网络传输介质在当前的网络架设中，传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤。以太网大部分使用双绞线，令牌环网络主要采用同轴电缆和光纤，高速宽带网络主要使用光纤。（一）双绞线1.双绞线的结构御景园双绞线是局域网最基本的传输介质，由不同颜色的4对8芯线组成，每2条按一定规则缠绕在一起，成为1个线对，如图所示。2.双绞线的分类双绞线的分类有两种。（1）按照线缆是否屏蔽分类。分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）两种，屏蔽双绞线在电磁屏蔽性能方面比非屏蔽双绞线要好些，但价格略高。

①屏蔽双绞线。屏蔽双绞线又分为两类，即STP和FTP。STP是指每条线都有各自屏蔽层的屏蔽双绞线，FTP则是采用整体屏蔽的屏蔽双绞线。图所示为FTP屏蔽双绞线的截面结构图。.②非屏蔽双绞线。由于价格原因（除非有特殊需要），通常在综合布线系统中只采用非屏蔽双绞线，图列出了该类双绞线的优点。（2）按照电气特性分类。

按照电气特性可将双绞线分为3类、4类、5类、超5类、6类、7类双绞线等类型，数字越大技术越先进、带宽越宽、价格也越高。目前在局域网中常用的是5类、超5类或者6类非屏蔽双绞线。①5类非屏蔽双绞线。

这类双绞线由4对相互扭绞的线对组成，这8根线外面有保护层包裹，结构如图所示。4对线对通常只使用两对（1、2线对发送数据

，3、6线对接收数据），另外两对通常不使用。

②6类、7类双绞线。由于这类双绞线是新型的网线类型，且价格昂贵，因此较少在综合布线工程中采用。3.分辨双绞线的优劣

双绞线质量的优劣是决定局域网带宽的关键因素之一，劣质双绞线对网络的信息传输将起到很大的制约作用。下面将分别介绍几种比较有效的识别劣质双绞线的方法。

（1）确认5类双绞线的线对数。快速以太网中存在着3个标准：100Base-TX、100Base-T2和100Base-T4。其中，100Base-T4标准要求使用全部的4对线进行信号传输，另外两个标准只要求使用2对线。在购买100Mbit/s网络中使用的双绞线时，不要为贪图便宜而使用只有2个线对的双绞线。（2）查看电缆表面的说明信息。在双绞线电缆的外皮上应该印有像“AMPSYSTEMSCABLE……24AWG……CAT5”的字样，如图所示。这些标识表示该双绞线是AMP公司（最具声誉的双绞线品牌公司）的5类双绞线，其中24AWG表示为局域网中所使用的双绞线，CAT5表示为5类。还有一种NORDX/CDT公司的IBDN标准5类网线，上面的字样就是“IBDNPLUSNORDX/CDX……24AWG……CATEGORY5”，这里的“CATEGORY5”也表示是5类线。（3）气味辨别。优质双绞线应当无任何异味，而劣质双绞线则有一种塑料味道。点燃双绞线的外皮，正品线采用聚乙烯，应当基本无味，而劣质线采用聚氯乙烯，味道刺鼻。（4）手感度。优质双绞线手感舒适，外皮光滑，线缆还可以随意弯曲，以方便布线。为了使双绞线在移动中不至于断线，除外皮保护层外，内部的铜芯还要具有一定的韧性。同时，为便于接头的制作和连接可靠，铜芯既不能太软，也不能太硬。（5）导线颜色。与橙色线缠绕在一起的是白橙色相间的线，与绿色线缠绕在一起的是白绿色相间的线，与蓝色线缠绕在一起的是白蓝色相间的线，与棕色线缠绕在一起的则是白棕色相间的线。注意，这些颜色绝对不是后来用染料染上去的，而是使用相应的塑料制成的。（6）是否具有阻燃性。双绞线最外面的一层包皮除应具有很好的抗拉特性外，还应具有阻燃性。可以用火烧一下测试：如果是优质线，胶皮会受热松软，不会起火。4.选购双绞线双绞线作为一种价格低廉、性能优良的传输介质，不仅可以传输数据，还可以传输语音和多媒体信息。目前的超5类和6类非屏蔽双绞线可以提供155Mbit/s带宽，并具有升级到千兆带宽的潜力，是水平布线时的首要选择，其选购要点如表所示。注意事项要点包装包装完整，避免购买包装粗糙的产品标识线体上应印有厂商、线长以及产品规格等标识绞合密度优先选用绞合密度高的双绞线韧性优质产品能自由弯曲，铜芯软硬适中阻燃性优质产品具有阻燃性5.选购水晶头

双绞线是通过水晶头（又称RJ-45接口）与网卡和路由器上的端口相连的。

水晶头前端有8个凹槽，简称8P（Position），每个凹槽内都有金属片，简称8C（Contact）。

双绞线中共有8根芯线，与水晶头的8C相接时，其排列顺序应与水晶头的脚位相对应。将水晶头带有金属片的一面朝上，从左至右的脚位依次为1～8，如图所示。（二）光纤光纤是一种以玻璃纤维为载体对光进行传输的介质，它具有重量轻、频带宽、不耗电、抗干扰能力强以及传输距离远等特点，目前在通信市场得到广泛应用。1.光纤的发展光纤技术至今已有100多年历史了，其发展大致可分为如下4个阶段。第一阶段（1880～1966年）：技术探索时期。第二阶段（1966～1976年）：从基础研究到商业应用的开发时期。第三阶段（1976～1988年）：以提高传输速率、增加传输距离为研究目标和大力推广应用的发展时期。第四阶段（1988年至今）：以超大容量、超长距离为目标，全面深入开展新技术研究的时期。2.光纤内部结构光纤一般为圆柱状，是由纤芯、包层、涂覆层组成。图所示为16芯光缆图。缆芯是最内层部分，它由一根或多根非常细的、由玻璃或塑料制成的光纤组成。每一根缆芯都有各自的涂层，最外层是保护层，由分层的塑料和其附属材料制成，用来防止潮气、擦伤、压伤和其他外界带来的危害，如图所示。3.光纤的分类

光纤主要分为两种类型，即单模光纤（SingleModeFiber，SMF）和多模光纤（MultiModeFiber，MMF）。1000Mbit/s单模光纤的传输距离为550m～100km，常用于远程网络或建筑物间的连接和邮电通信中的长距离主干线路。1000Mbit/s多模光纤的传输距离为220m～550m，常用于中、短距离的数据传输网络和局域网络。4.光纤传输的优点与其他传输介质相比，光纤传输具有以下优点。（1）频带宽。频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。目前多模光纤的频带约几百兆赫，好的单模光纤可达10GHz以上。

（2）损耗低。光纤传输不但损耗小，而且损耗随着传输范围的扩展不会显著增强，同时损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。

（3）重量轻。单模光纤芯线直径一般为4μm～10μm，外径也只有125μm，加上防水层、加强筋、护套等，用4～48根光纤组成的光缆直径不到13mm。光纤是玻璃纤维，比重小，重量轻，安装十分方便。

（4）抗干扰能力强。光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。

（5）保真度高。光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。（三）同轴电缆同轴电缆是由一根空心的外圆柱导体（铜网）和一根位于中心轴线的内导线（电缆铜芯）组成，内导线与圆柱导体以及圆柱导体与外界之间都由绝缘体隔开，如图所示。同轴电缆的抗干扰能力强，数据传输稳定、价格便宜，常用作闭路电视线。根据直径的不同，同轴电缆可以分为粗缆和细缆两种类型，二者的对比如表所示。注意事项特点粗缆适合于大型局域网的网络干线布线距离长、可靠性高安装和维护较困难