第1章_计算机网络基础知识.ppt

1、网络技术课程网站建设课件（人民邮电出版社2008年3月）,主编：朱乃立 杨尚森,第 1 章 计算机网络基础知识,1.1 计算机网络概述 1.1.1 计算机网络的概念 1.1.2 计算机网络的发展 1.1.3 计算机网络的功能 1.2 计算机网络的组成和拓扑结构 1.2.1 计算机网络的组成 1.2.2 计算机网络的拓扑结构,第 1 章 计算机网络基础知识,1.3 网络数据通信 1.3.1 常用的传输介质 1.3.2 数据通信的基本概念 1.3.3 数字信号的传输方式 1.3.4 多路复用技术 1.3.5 差错控制 1.4 计算机网络体系结构 1.4.1 协议和网络体系结构的概念 1.4.2 开

2、放系统互连参考模型 1.4.3 TCP/IP体系结构,第1章 计算机网络基础知识,计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，是存储、传播和共享信息的工具。经过30多年的发展，计算机网络已成为目前信息化社会中经济社会生活的必要工具，成为人们之间信息交流的最佳平台。计算机网络的应用影响和改变了人们的工作、学习和生活方式，网络发展水平成为衡量国家经济发展水平的重要标志。 本章介绍计算机网络的基本概念、组成结构、体系结构以及数据通信的基本知识。,1.1计算机网络概述,1.1.1 计算机网络概念 通常将计算机网络描述为：将地理位置不同且具有独立功能的多个计算机系统通过通信线路和通信设备相互连接在一起

3、、由网络操作系统和协议软件进行管理、能实现资源共享的系统称为计算机网络。,1.1.1 计算机网络的概念,这里，“具有独立功能的计算机系统”是指入网的每一个计算机系统都有自己的软、硬件系统，都能完全独立地工作，各个计算机系统之间没有控制被控制的关系，网络中任一个计算机系统只在需要使用网络服务时才自愿登录上网，真正进入网络工作环境。“通信线路和通信设备”是指通信媒体和相应的通信设备。通信媒体可以是光纤、双绞线、微波等多种形式，一个地域范围较大的网络中可能使用多种媒体。将计算机系统与媒体连接需要使用一些与媒体类型有关的接口设备以及信号转换设备。“网络操作系统和协议软件”是指在每个入网的计算机系统的系

4、统软件之上增加的、用来实现网络通信、资源管理、实现网络服务的专门软件。“资源”是指网络中可共享的所有软、硬件，包括程序、数据库、存储设备、打印机等。,1.1.1 计算机网络的概念,带有多个终端的多用户系统、多机系统都不是计算机网络。邮电部门的电报、电话系统是通信系统，也不是计算机网络。 如今，我们可以随处接触到各种各样的计算机网络，例如企业网、校园网、图书馆的图书检索网、商贸大楼内的电脑收款网，还有内容丰富多彩的因特网等。 通常按网络的地理覆盖范围将计算机网络分为广域网（WAN，Wide Area Network）、局域网（LAN，Local Area Network）和城域网（MAN，Met

5、ropolitan Area Network）。,1.1.1 计算机网络的概念,局域网的地理范围只有几公里，一般分布在一栋大楼内或一组建筑群中，往往是由一个单位或部门自行组建和使用。局域网主要面向连接微型计算机和小型机，具有组建方便、投资少、经济实用的特点，是技术最成熟、应用最广泛的一种计算机网络。局域网类型很多，目前流行的主要是快速以太网以及高速局域网。 城域网也称为都市网，其地理范围通常覆盖一个城市或地区，距离约十几公里至几十公里。通常是将分布在都市范围的多种类型的LAN、计算机通过调制解调器或直接数字设备与线路（光纤或电缆）连接在一起所构成的计算机网络。一个MAN可能是某个大公司将分布在

6、全市范围内多个办公地点的LAN连接起来的、公司自行使用的专用网，也可能是由电信公司组建的、提供公用付费服务的公用网络。,1.1.1 计算机网络的概念,比城域网地理覆盖范围更大的网络称为广域网，其覆盖范围往往是一个地区、一个国家或几个国家。 因特网（Internet）也称为互联网，是一个典型的广域网，它原是美国的一个公用数据网。现在世界上许多国家的公用网络都与之建立了连接，使因特网的服务扩展到全球范围。 计算机网络按所有权可分为公用网和专用网。专用网往往由某单位自行组建使用。公用网一般由政府电信部门管理和控制，用户可申请使用。 计算机网络还可以从拓扑结构、数据交换方式、传输介质、网络操作系统等多

7、种不同角度进行分类，后面有关章节将给予介绍。,1.1.1 计算机网络的发展,计算机网络的发展源于计算机技术和通信技术的结合。计算机应用范围的扩大、通信技术的发展和人们对计算机应用需求的增长，共同促进了计算机网络的快速发展。计算机网络的发展过程可划分为如下三个阶段： 1.计算机网络的初级阶段 在20世纪50年代，计算机比较少且价格昂贵。人们将分布在远距离的多个终端通过通信线路与某地的中心计算机相连，来使用中心计算机系统的主机资源，这称为远程联机系统。远程联机系统中，远程终端负责收集数据，送往中心计算机处理，中心计算机再将处理结果送回远程终端输出，其结构如图1.1（1）所示。,计算机网络的发展,为

8、了减轻中心计算机的负担，在20世纪60年代，出现了前端处理机（或称通信处理机）来负责数据的收发等通信控制和通信处理工作，对一些集中在一个地域的终端则相应设置了集中器来实现多个终端共享一条高速通信线路。这种改进后的系统如图1. 1（2）所示，其中的通信处理机或集中器通常都由计算机来充当。,计算机网络技术的发展,图1.1 远程联机系统,具有代表性的远程联机系统是美国在20世纪50年代建立的半自动地面防空系统（SAGE），它将雷达和其他信息从终端输入后，经通信线路送到中心计算机处理。,计算机网络的发展,2计算机网络阶段 20世纪60年代中后期，随着计算机拥有量的增加，人们试图将多台计算机连接起来，以

9、实现计算机间数据的传输。1969年，美国国防部高级研究计划署（DARPA：DefenseAdvanced Research Projects Agency）建成了连接4台计算机的实验性网络ARPANET并投入运行。它标志着当今意义上的计算机网络的兴起。ARPANET的结构如图1.2所示。,图1.2 ARPANET的结构,2.计算机网络阶段,ARPANET是一个分组交换网。其中，IMP（接口信息处理机）负责通信处理和通信控制（包括报文分组、存储转发、信号发收等功能）；H（HOST，主机）负责数据处理；TIP（终端接口处理机）用于将终端连入网络。ARPANET首次引入了通信子网和资源子网的概念，实

10、现了分层结构的网络协议。 此后，许多国家纷纷组建较大规模的网络，如美国的CYBERNET网（一个全国性的商用资源共享网络）和欧洲情报网（EIN）。,3网络体系结构的标准化和网络的高速发展,计算机网络是一个非常复杂的系统，每一个计算机网络又自成体系。20世纪70年代，为适应计算机网络扩充和互连的需要，各网络研制部门开始致力于网络体系结构的研究，提出了多种网络体系结构，其中典型的有：1974年IBM公司提出的系统网络体系（SNA），1975年DEC公司提出的数字网络体系（DNA）。国际标准化组织（ISO）于1977年组织进行了网络体系结构标准的研究，在1983年颁布了“开放系统互连参考模型”（即O

11、SI模型）。这些研究工作大大促进了计算机网络的规范化。,3.网络体系结构的标准化和网络的高速发展,电器与电子工程师学会（IEEE）于1980年2月公布了IEEE 802标来规范局域网的体系结构，作为局域网的国际标准。 20世纪90年代，计算机技术、数字通信技术、光纤技术的成熟和应用使计算机网络进入了一个飞速发展的时期。1993年，美国宣布了国家信息基础设施（NII，又称为“信息高速公路”）建设计划，其预期目标是提供用光纤及宽带传输媒介和高于3Gbps的传输速率的“信息高速公路”，将大量公用或专用的LAN或WAN连接起来。这使得大范围网络连接以及在网上传输各类型信息（除数字信息外，还有声音、图像

12、等信息）成为可能。美国的NII计划也带动了世界各国的网络建设。在90年代，高速局域网如FDDI、快速以太网得到广泛普及，多种广域网如DDN、帧中继、综合业务数字网（ISDN）快速发展，这为网络互连及多媒体信息的传输提供了良好条件，也使得Internet迅速扩展和广泛应用。,1.1.2 计算机网络的功能,1.资源共享 建立计算机网络的主要目的就是要实现网络中软、硬件资源共享。进入网络的用户可以方便地使用网络中的共享资源，包括硬件、软件资源和信息资源，如共享打印机、共享网络服务器上存储的程序、查询网络数据库中的信息等。 2.快速传输信息 信息快速传输是网络的基本功能，是实现其他功能的基础。随着高速

13、网络技术和网络基础设施的不断发展，信息传输速度会更快。 3.提高资源的可用性和可靠性 当网络中某一计算机负担过重时，可以将任务传送给网中另一计算机进行处理，以平衡工作负荷。,计算机网络的功能,计算机网络能够不间断工作，可用在一些特殊部门中，如铁路系统或工业控制现场。 网络中的计算机还可以互为后备，当某一台计算机发生故障时，可由别处的计算机代为完成处理任务。 4实现任务分布处理 这是计算机网络追求的目标之一。对于大型任务可采用合适的算法，将任务分散到网络中多个计算机上进行处理。 5提高性能价格比 提高系统的性能价格比是联网的出发点之一，也是资源共享的结果。,1.2计算机网络的组成和拓扑结构,1.

14、2.1计算机网络的组成 1网络组成部分 计算机网络由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括计机系统、终端 通信处理机、通信设备和通信线路，如图1.3所示。软件部分主要指计算 系统和通信处理机上的网络运行控制软件，如网络操作系统和协议软件。,图1.3 计算机网络的硬件组成,1.网络组成部分,（1）计算机系统和终端 计算机系统和终端提供网络服务界面。地域集的个独立终 端可通过一个终端控制器（TC）连入络。在下面的叙述中将 计算机系统称为主机节点，也称站点。在下面的叙述中将计 算机系统称为主机节点，也称为站点。 （2）通信处理机 通信处理机又称通信控制器或前端处理机，是计算机网络完 成通信控制的专用计算

15、机，一般由小型机或微机充当，或是 带有CPU的专用设备。通信处理机完成通信处理和通信控工 作，具体包括信号的编码、编址、分组装配、发送和接收通 信过程控制等工作。这些工作对网络用户是完全透明的。使 得计算机系统不再关心通信问题，而集中进行数据处理作。,1.网络组成部分,在广域网中，常采用专门的计算机充当通信处理机。在局域网中，由于通信控制功能比较简单，所以没有专门的通信处理机，而采用网络适配器也称网卡，插在计算机的扩展槽中，完成通信控制功能。 实际网络中，除专门的通信控制器（或网卡）外，还有终端控制器、线路集中器、通信交换设备、网关、路由器、集线器等多种形式的通信控制设备。在后面的叙述中，将这

16、类设备统称为（通信）节点。 （3）通信线路和通信设备 通信线路是连接网络节点的、由某种（或几种）传输介质构成的物理通路。,1.网络组成部分,通信设备的采用和线路类型有很大关系。如果采用模拟线路，在线路两端需使用Modem（调制解调器）。如果采用有线介质，在计算机和介质之间还需要使用相应的介质连接部件。 （4）网络操作系统（NOS） 任何一个网络在完成了硬件连接之后，需要继续安装网络操作系统软件，才能形成一个可以运行的网络系统。网络操作系统是建立在单机操作系统之上的、管理网络资源并实现资源共享的一套软件。其主要功能是： 管理网络用户，控制用户对网络的访问。 提供多种网络服务，或对多种网络应用提供

17、支持。,1.网络组成部分,提供网络通信服务，支持网络协议。 进行系统管理，建立和控制网络服务进程，监控网络活动。 （5）协议软件 协议软件是用以实现网络协议功能的软件。网络协议主要用于实现网络通信，典型的协议有TCP/IP、IPX/SPX等。其中TCP/IP协议还包括网络应用服务以及网络管理功能。 （6）网络管理和网络应用软件 任何一个网络中都需要多种网络管理和网络应用软件。网络管理软件用于监控和管理网络工作情况。网络应用软件为用户提供丰富简便的应用服务。,2.资源子网和通信子网,通常从逻辑功能上将网络划分为两部分：资源子网和通信子网，即计算机网络是由两个子网组成的。在图1.3中，虚线内部分是

18、通信子网，其余部分是资源子网。 （1）资源子网 资源子网包括加入网络的所有计算机系统、终端、各种软件资源。 资源子网负责提供用户访问网络和处理数据的能力。 （2）通信子网 通信子网包括通信处理机（或通信控制器）、通信线路和通信设备。 通信子网负责提供网络的通信功能。,1.2.2计算机网络的拓扑结构,计算机网络中，通信处理机通过线路相互连接成通信子网。人们借用拓扑学的概念，将通信处理机称为节点，将通信线路称为链路，将节点和链路连接的几何构型称为网络的拓扑结构。网络拓扑结构是决定网络性能的主要因素。构造网络时首先要选择采用哪种网络拓扑结构来物理连接所有的节点及计算机系统。 常见的网络拓扑结构有星型

19、、树型、总线型、环型、网状拓扑结构等，如图1.4所示。,1.2.2 计算机网路的拓扑结构,图1.4 常见的计算机网络拓扑结构,1.2.2 计算机网路的拓扑结构,1总线型拓扑结构 采用电缆（通常采用同轴电缆）作为公共总线，各节点通过硬件接口连在总线上。如果入网节点数少，公共总线可以是一段电缆，如果节点数多，则用几段电缆通过中继器相连来扩展总线长度。 总线型拓扑结构的网络中，各节点地位平等，都可以向公共总线发送信号。从一个节点发出的信号到达总线后，沿总线向两个方向同时传送。总线型拓扑结构具有结构简单、布线容易、增删节点方便、运行可靠的优点。缺点是故障检测和故障隔离较困难，而且入网节点越多，总线负担

20、越重。 总线型是局域网中常用的拓扑结构。典型的总线型局域网是同轴电缆以太网，如10BASE 2和10BASE 5。,1.2.2 计算机网路的拓扑结构,2环型拓扑结构 环型拓扑结构的几何构型是一封闭环型。每个计算机连到中继器上，每个中继器通过一段链路（采用电缆或光缆）与下一个中继器相连，并首尾相接构成一个闭合环。 信息在环内单向流动，沿途到达每节点时信号都被放大并继续向下传送，直至到达目的节点或发送节点时被从环上移去。 环型拓扑的优点是硬件结构简单；各节点地位平等，系统控制简单；信息传送延迟主要与环路总长有关。缺点是可靠性差，如果整个环路某一点出现故障，会使得整个网络不能工作；扩展性差，在网中加

21、入节点的总数受到介质总长度的限制，增删节点时要暂停整个网络的工作。 环型拓扑也是局域网中常的拓扑结构。常用的环网类型有令牌环网（IBM TOKEN RING）和光纤环网FDDI。,1.2.2 计算机网路的拓扑结构,3星型拓扑结构 星型拓扑结构中，每个节点都通过分支链路与网络中心节点相连。如今流行以集线器（HUB）充当中心节点，用双绞线作分支链路而构成星型网络。网中一个计算机发出的数据信息经集线器转发给其他计算机。在广播式星型网络中，集线器将信息发给其他所有节点，在交换式星型网络中，集线器只将信息发给指定节点。 星型结构具有扩展方便、可由集线器完成故障诊断和网络集中监视与管理、运行可靠等优点。

22、星型网络是目前应用最多的一种局域网类型。目前流行的快速以太网就是典型的星型网络。,1.2.2 计算机网路的拓扑结构,4树型拓扑结构 树型拓扑结构是星型结构的扩展，是一种多级星型结构。在一个大楼内组建网络可采用这种结构，其中，每个楼层内连成一个星型结构，各楼层的HUB再集中到一个中心HUB上或一个中心交换机上。 这种拓扑结构特别适用于分级管理和控制的网络。,7.2.1 安装DNS,5网状拓扑结构 物理网状拓扑结构要求任意两个节点间都设置链路，但实际网络中，从节省费用的角度出发，通常是根据实际需要在两个节点间设置直通链路。前者称为真正的网状拓扑结构，后者称为混合网状拓扑结构。 在网状拓扑结构中，由

23、于两个节点间通信链路可能有几条，可以考虑选择合适的一条或几条路径来传送数据。 网状拓扑结构具有容错性能好、易于故障诊断、通信信道容量能有效保证的优点。缺点是安装和配置复杂、线路费用高。 网状拓扑常用于广域网中或将几个LAN互连时。,1.3 网络数据通信,1.3.1常用的传输介质 传输介质是计算机网络中用来连接各个计算机的物理媒体，而且主要指用来连接各个通信处理设备的物理质。 常用的传输介质有两类：有线介质和无线介质。有线介质包括双绞线、同轴电缆、光纤，如图1.5所示。无线介质包括无线电、微波、红外线、激光等.用于评价传输介质性能的主要因素有：（1）带宽：传输介质的频带宽度，即频带范围；（2）数

24、据传输速率：在有效带宽上单位时间内能可靠传输的二进制位数；（3）容量：指介质传输信息的能力，用带宽或数据传输速率来表示；（4）衰减：信号传输过程中，信号被削弱的趋势或失真的程度；（5）抗干扰能力；（6）价格；（7）安装难易度。,1.3.1 常用的传输介质,图1.5 三种有线介质,1.3.1 常用的传输介质,1双绞线 双绞线是两根具有绝缘保护层的铜导线均匀地绞在一起而构成的，这种绞扭可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。通常将多对双绞线放置在一个绝缘套管中，构成双绞线电缆。 2同轴电缆 同轴电缆的最内层是内导体，内导体是一根单股实心或多股绞合铜导线，用作

25、传输信号。内导体外是绝缘层，然后是编织呈网状的屏层，用于消除干扰。 同轴电缆的类型是按尺寸（RG）和特性阻抗（单位：）作为标准来划分的。计算机网络中常用的同轴电缆类型为细缆，特性阻抗50。,1.3.1 常用的传输介质,3光导纤维 光导纤维（简称光纤）是利用光反射原理传输信号的一种介质，由纤芯和包层两层组成。纤芯很细，是用玻璃或塑料制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，是光传播的通道。它质地脆，易断裂。纤芯的外面是起保护作用的塑料护套。 通常使用的是将多根光纤捆在一起、再加上一层用塑料或其他材料制成的护套而构成的光缆。 4微波 微波分卫星微波和地面微波，如图1.6所示。,1.3.1 常用的传输介质

26、,图1.6 微波通信示意图,1.3.1 常用的传输介质,（1）地面微波 地面微波一般采用定向式抛物面形天线发送和接收信号，要求发送端和接收端之间没有大的障碍或视线能及。地面微波适合于连接两个位于不同建筑物中的LAN或在建筑群中构成一个完整的网络，还广泛用于长距离电话和电视业务。利用地面微波进行长距离传输时，需要用一连串的微波中继塔进行信号转接。 （2）卫星微波 卫星微波是以通信卫星作为微波中继站，卫星接收地面微波发送站发射的微波信号后，以广播方式发向地面上的微波接收站。使用卫星微波要求通信卫星与地面微波定向抛物天线之间没有大的障碍。 卫星微波系统主要用来远距离传送电话、电传和电视业务，是构成通

27、信国际干线的传输媒介。,1.3.1 常用的传输介质,5无线电 无线电与微波的基本区别在于无线电是无（弱）方向性的。 计算机网络中所使用的无线电频率范围在30MHz1GHz之间。常用的无线电传输技术有两类： （1）大功率单频率无线电 一般选用GHz级的高频率，能达到110Mbps的数据传输速率。其衰减与频率有关，频率越高，衰减越小。这种无线电抗干扰能力差，保密性差，设备昂贵，安装复杂。 （2）扩展频段无线电 扩展频段无线电或称为扩展频谱技术。它首先使用一种伪随机编码（即扩频序列）对待传数据信息进行调制，实现频谱扩展后进行传输。接收端则使用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始的数据信息。,1.3

28、.1 常用的传输介质,6红外线 红外线的使用与地面微波相类似，其抗干扰能力强，容易安装，而且不需经过批准，传输速率较高，但方向性很强。红外线的缺点是传输距离短、没有穿透力、载波频率低，只适合小范围的网络传输。,1.3.2 数据通信的基本概念,1数据 将现实世界的各种形式的信息，如文字、声音、图像等符号化后转化为计算机所能接受的形式，称为数据。数据是计算机网络中处理和传输的对象。 2信号 数据通信中的“信号”是指数据的电编码或电磁编码。 信号分为模拟信号和数字信号两种。模拟信号是连续变化的电信号。公用交换电话网中将声音转化为模拟信号形式进行传送。数字信号是一个电脉冲序列。由计算机、终端直接发出的

29、数据信号是数字信号。,1.3.2 数据通信的基本概念,3信号带宽 信号带宽即信号的频谱范围。 4数据传输 数据传输就是将数据从网络中一个计算机向另外的计算机传送。 以数字信号形式进行数据传输称为数字传输。以模拟信号形式传输数据称为模拟传输。,1.3.2 数据通信的基本概念,5数据通信 数据通信是指网络中收发双方之间的一次数据传送过程。 按通信过程中是否允许收发双方同时相互传送数据，数据通信方式可分为全双工通信、半双工通信和单工通信三种方式，如图1.7所示。,计算机A,数据,应答,计算机B,计算机 A,数据,应答,计算机B,计算机A,计算机B,数据,应答,数据,应答,（1）单工通信,（2）半双工

30、通信,（3）全双工通信,图1.7 数据通信方式示意图,1.3.2 数据通信的基本概念,单工通信是指数据传送只能在一个固定的方向上进行。单工通信采用二线制实现。 半双工通信中，通信双方可以互相发送数据，但不能同时进行。实现半双工通信也采用二线制。 全双工通信允许通信双方同时相互发送数据。以全双工方式传输数据需要4根线。,1.3.2 数据通信的基本概念,6数据通信系统 数据通信系统是执行从一个系统向另一个系统传送数据的系统。计算机网络是一个典型的数据通信系统。 数据通信系统的连接方式有点点连接和多点连接两种，如图1.8所示。,图1.8 数据通信系统的连接方式,1.3.2 数据通信的基本概念,点点连

31、接是将两个节点之间采用专用线路连接起来，从而保证了直接相连的两个节点间有足够的信道容量，适用于通信量大的情况。 多点连接指所有节点共享一个共同信道，采用广播方式通信，任一节点发出的信息，其他节点均可收到。 所有计算机网络都是建立在点一点连接和多点连接基础上的。交换式星型拓扑和网状拓扑中采用的是点一点连接方式。总线型拓扑、卫星微波系统以及地面无线电通信网中采用多点连接。,1.3.2 数据通信的基本概念,7信道信道是传送信号的一条通路，由传输介质和传输设备构成。同一传输介质上可能提供多条信道。一条信道允许一路信号通过。 8码元码元是承载信息的基本信号单位。采用数字传输时，一个码元承载的信息量就是一

32、比特（bit）。在模拟传输中采用调制技术，可使一个码元携带多个比特的数据。,1.3.2 数据通信的基本概念,9数据包和数据帧 在数据传送时，往往将要传送的大段数据划分成若干个数据段，再为每段附加一些信息（如序号、地址、校验等）形成一个个逻辑数据单元，称为数据包，然后将每个数据包独立发送。有时，还要将数据包划分为更小的逻辑数据单元后进行传送，称为数据帧。 10数据传输速率 传输速率指数据传输中线路上每秒内传输的二进制数据位（bit，比特）数，其单位是bps（bit per second），是衡量数据通信系统性能的主要指标。局域网的数据传输速率一般在10Mbps以上。,1.3.3 数字信号的传输方

33、式,计算机、终端直接发出的信号是数字信号。在计算机网络中，采用数字传输方式或模拟传输方式传输数字信号。利用公用电话交换网来传输数字数据就是采用摸拟传输方式。在局域网中多采用数字传输方式。 实现数字信号的数字传输的技术称为基带传输；实现数字信号的摸拟传输的技术称为宽带传输。,1.3.3 数字信号的传输方式,1基带传输技术 由计算机或终端直接产生的数字信号是一连串的脉冲信号，由直流、低频、高频的多个成分组成。在其频谱中，从零开始的能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称基带。 实际传输时需要对基带信号进行编码来表示数据，数据编码工作由网络硬件完成。实际应用中常采用不归零编码和曼彻斯特编码两种编码技

34、术，如图1.9所示。,图1.9 基带信号的编码,基带传输技术,不归零编码用两个不同的电位分别表示二进制数字代码0和1，例如用高电位表示1，低电位表示0。这种编码的缺点是无法判断一位的开始与结束，需要采用某种措施来保证发送时钟与接收时钟同步。 曼彻斯特编码是在每个时钟周期中间产生一个跳变。由低电位向高电位的跳变表示“1”，由高电位向低电位的跳变代表“0”。这种编码的优点是自带时钟信号，发收双方可根据跳变来保持同步。 基带传输抗噪能力强，成本低，传输速率高，但信号衰减严重，只能利用有线介质近距离传输。由于基带信号频带宽，传输时需要占用整个介质带宽。基带传输是局域网中常采用的传输技术。,1.3.3

35、数字信号的传输方式,2宽带传输与信号的调制 若采用现有的电话网络来传输数字信号，就必须进行信号变换。一般方法是在音频范围内选择某一频率的正弦波（称为载波），将要传送的数字数据“寄载”在载波上，即利用数字数据对载波的某些特性（振幅、频率、相位）进行控制，使载波特性发生变化，然后将变化了的载波送往线路进行传输。将数字数据寄载在载波上的过程称为调制。当携带数据信号的载波到达接收端时，还要将数据信号分离出来，称为解调，然后提供给接收设备。 根据调制所控制的载波特性的不同，有三种调制方式，如图1.10所示。,1.3.3 数字信号的传输方式,图1.10 调制方式示意图,2.宽带传输与信号的调制,1）振幅键

36、控（ASK） 振幅键控调制方式是用数据信号影响载波的振幅特性，以两个不同振幅分别表示0或1。通常两个振幅之一为零。 这种方式技术简单，但抗干扰能力差，调制效率最低。 （2）移频键控（FSK） 移频键控调制方式用两个靠近载波频率的不同频率分别表示0和1。 这种方式抗干扰能力较强，调制效率较高。,2.宽带传输与信号的调制,（3）移相键控（PSK） 移相键控调制方式以载波相位的变化来表示数据。图1.12中是以相邻两个周期的载波相位相差为0或180（差分相位调制）来区别两位代码相同还是不同，这称为两相调制。如果有四种相位变化（称为四相调制），就可以分别表示四种不同的数字代码。 PSK方式具有更强的抗干

37、扰能力和更高的调制速率。,2.宽带传输与信号的调制,实际应用中，通常将几种调制技术结合起来使用。 在模似传输中，往往将多路信号的频带分别调制到不同频段上，来充分地利用传输介质带宽，因此又称为宽带传输。 在频带传输中，完成信号调制（modulation）功能的设备称为调制器，完成信号解调（demodulation）功能的设备称为解调器，实际应用中是将调制和解调功能集成在一起，构成一个设备调制解调器（Modem）。现在所说的Modem（俗称为“猫”）属于频带Modem，即音频频带Modem，是使用某种调制方式将将计算机发出的数字信号与电话线路所传输的音频信号相互转换的设备。Modem是目前家庭用户

38、接入Internet常用的设备。如果通过电话网以拨号或xDSL方式上网时，就需要使用Modem。,1.3.4 多路复用技术,多路复用是指在同一传输介质上同时传输多个不同信号源发出的信号，并且信号之间互不影响，其目的是提高传输介质的利用率。 完成多路复用和解复用的设备称为多路复用器（MUX）。 多路复用技术有两类：频分多路复用和时分多路复用，如图1.11所示,图1.11 多路复用示意图,1.3.4 多路复用技术,1频分多路复用 频分多路复用技术（FDM）应用在数字信号的模拟传输中，是将一个较大带宽的线路带宽划分为若干个频率范围，其间适当留出合适的频率范围（用作保护频带）以减少相互干扰，将多路信号

39、分别调制到各个频率范围中，在线路上同时进行传输。 频分多路复用技术是公用电话网中用来复用电话线路传输语音信息的常用技术，也广泛应用在宽带计算机网络中。 2时分多路复用 时分多路复用技术（TDM）适用于基带传输中，用于数字信道的传输速率大大超过各路数字信号的传输速率的场合。 时分多路复用是将一条信道的工作时间以时间片T为单位划分成若干个时间片，每个时间片供一路信号传输，多路信号按时间片依次轮流地利用线路传输数据。如果某路信号在一个时间片内不能完成数据传输，则需将其数据适当分段，将一些数据段放入下一个时间片内传输。,1.3.4 多路复用技术,3统计时分多路复用 如果各个信源的数据传送都是阵发性的，

40、使用通常的时分多路复用就会浪费带宽。采用统计时分多路复用（STDM）技术，可为各个数据源动态分配时间片，能更合理、更充分利用信道带宽。,1.3.5 差错控制,数据传输系统的基本任务是高效率无差错地传输数据。但在实际传输中，尤其在远距离传输中，由于线路质量以及外部干扰的影响，会不可避免地产生差错，即出现接收端接收的码元序列与发送端发送的码元序列不一致的现象。 衡量传输质量的一个参数是误码率Pe，定义为：,1.3.5 差错控制,采取必要的措施来发现错误并进行修正，称为差错控制。差错控制的核心是对要传送的数据信息码附加上与其满足一定关系的冗余码，形成一个符合一定规律的发送码序列。接收端利用这种规律对

41、接收码进行检查从而发现错误。附加的冗余码元称为校验码元。具体进行差错控制有两种方式：反馈重发纠错和自动向前纠错。前者是当接收方发现差错时，便给发方发送发馈信息要求重发，直到认为接收数据正确为止。后者是当接收方发现错误后能自动纠正。常用的是前一种方式。 校验码也称为检错码或纠错码，有以下几种常用校验码。,1.3.5 差错控制,1.奇偶校验码 奇偶校验有以下几种： （1）垂直奇偶校验 在面向字符的数据传输中，在每个字符的7位信息码后附加一个校验位0或1，使整个字符中的“1”的个数构成奇数个（称为奇校验）或者偶数个（称为偶校检）。接收端收到数据后，检查每个字符中“1”的个数是否为奇数（奇校验）或偶数

42、（偶校验），符合则认为传输正确。 （2）水平奇偶校验 在发送字符块未尾附加一个校验字符，该校验字符的第i位是对字符块中所有字符的第i位进行奇（或偶）校验的结果。 （3）垂直水平奇偶校验 是垂直奇偶校验和水平奇偶校验的综合，即对字符块中每个字符作垂直奇（或偶）校验，再对整个字符块作水平奇（或偶）校验。,1.3.5 差错控制,以下是一个垂直水平奇偶校验的例子，其中垂直和水平方向都采用奇校验。,以上几种奇偶校验方法都在传错奇数个码元时有效。,1.3.5 差错控制,2循环冗余校验（CRC） 循环冗余校验是一种检错能力很强的校验方法，也是计算机网络中广泛采用的检错方法。其原理如下： 将整个待传数据块看成

43、一个n位的二进制数据，并将它与一个多项式P(x)对应起来：P(x)=an-1xn-1+a1x+a0，其中ai（i=n-10）就是待发送数据的第n-i位。 然后用一个选定的多项式G(x)称为生成多项式（例如CCITT提出的生成多项式是G(x)=x16+x12+x5+1）作为除式，把P(x)乘以G(x)的最高次数（如x16）作为被除式，来做多项式除法，求得商式m(x)和余式r(x)。r(x)的各项系数构成一个二进制数据（其位数与G(x)次数相同），即为冗余码。待传数据块附加上冗余码后就构成发送码元序列。,1.3.5 差错控制,例：假设要发送的数据是110011，则对应的多项式P(X)=X5+X4+

44、X+1。假定指定的生成多项式是G(X)=X4+X3+1，P(X)*X4得到被除式：X9+X8+X5+X4。作多项式除法： 由余式X3+1得到校验码1001，于是待发送序列为：1100111001。 当接收方接收到码元组后，将整个码元组看成一个多项式，同样用G(x)去除。如果余式为0，表示没有差错，就取出冗余码之前的数据作为正确结果接收；否则认为出错，要求重传。 实际应用中CRC校验是由硬件机构完成的。,1.4计算机网络体系结构,1.4.1 协议和网络体系结构的概念 计算机网络是一个由多个同型或异型的计算机系统及终端通过通信线路连接起来、相互通信、实现资源共享的系统。为了进行计算机间的相互通信，

45、必须对整个通信过程的各个环节制定规则或约定，包括传送信息采用哪种数据交换方式、采用什么样的数据格式来表示数据信息和控制信息、如传输有错采用哪种差错控制方式、发收双方选用哪种同步方式等。有关通信双方通信时所应遵循的一组规则和约定称为协议。 协议既是一个整体概念，又是一个个体概念。一个具体协议包括语法、语义和定时三个方面的内容。语法规定数据的格式、信号电平等。语义规定协议语法成分的含义。定时确定协议语法成分的顺序和速度匹配关系。,1.4.1 协议和网络体系结构的概念,实现计算机网络通信是很复杂的，用来约定通信过程的网络协议同样很复杂。为了减少协议设计和实现的复杂程度，通常将网络协议按照层次设计方法

46、进行设计，即将协议按功能分成若干层，每层完成一定功能，并对其上层提供支持；每一层建立在其下层之上，即一层功能的实现以其下层提供的服务为基础。整个层次结构中各个层次相互独立，每一层的实现细节对其上层是完全屏蔽的，每一层可以通过层间接口调用其下层的服务，而不需要了解下层服务是怎样实现的。 在如图1.12所示分层结构中，每一层协议的基本功能都是实现与另外一个层次结构中对等实体（可以理解为进程）间的通信，因此称之为“对等层协议”。另一方面，每层协议还要提供与同一个计算机系统中相邻的上层协议的服务接口。,1.4.1 协议和网络体系结构的概念,图1.12 分层协议工作示意图,1.4.1 协议和网络体系结构

47、的概念,通过对协议进行分层，降低了网络实现的复杂程度，将复杂的计算机系统之间的通信问题划分为若干个层次的功能进行实现。每个层次要解决的问题简单多了，每一层直接利用其下层的功能，而把精力集中在完成本层功能上。协议分层的另一优点是灵活性，实现每一层时只需保证为其上层提供规定的服务，至于如何实现本层功能、采用什么样的硬件或软件，则没有任何限制。允许任意一层或几层在设计时作灵活变动。 通常将网络功能分层结构以及各层协议统称为网络体系结构。不同的网络体系结构中分层的个数、各层的名称、内容和功能不尽相同。 。,1.4.2 开放系统互连参考模型,在网络发展过程中，已建立的网络体系结构很不一致，这就给在网络中

48、扩充计算机系统带来了不便。为了促进多厂家的国际合作以及使网络体系结构标准化，1997年， ISO专门成立了一个委员会SC16，来开发一个异种计算机系统互连网络的国际标准。一年多过后，SC16基本完成了任务，开发了一个“开放系统互连参考模型”（OSI/RM：The Reference Model of Open Systems Interconnection）。1979年底，SC16的上级技术委员会TC97对该模型进行了修改。1983年，OSI参考模型正式得到了ISO和CCITT的批准，并分别以ISO7498和X.200文件公布。“开放系统互连”的含义是任何两个遵守OSI标准研制的系统是相互开放

49、的，可以进行互连。现在，OSI标准已被广泛接受，成为指导网络发展方向的标准。 OSI参考模型是一个分层结构，包括7层功能及对应的协议，如图1.13所示。,1.4.2 开放系统互连参考模型,图1.13 OSI参考模型,事实上，OSI模型仅仅给出了一个概念框架，它指出实现两个“开放系统”之间的通信包括哪些任务（功能）、由哪些协议来控制，而不是对具体实现的规定。网络开发者可以自行决定采用硬件或软件来实现这些协议功能。,1. OSI模型基本术语,（1）服务 服务是在OSI/RM内部相邻层之间，由下一层向上一层提供的功能的总称。所谓N层服务就是由第N层以及N层以下所有协议层、通过N层与N+1层的接口、向

50、N+1层提供的功能的总称。 OSI服务在服务提供层与服务应用层之间，以交换服务原语的方式工作。ISO有关文本定义服务原语的种类以及原语所需参数，定义原语使用规则、先后顺序以及服务状态变迁规律。 OSI模型定义的服务分面向连接的服务和无连接服务两种。面向连接的服务完成实体间数据传送的过程包括建立连接、传送数据、拆除连接三个阶段。利用无连接服务传送数据时不需要建立连接和连接拆除两个阶段，而是直接进入数据传送。,1. OSI模型基本术语,（2）协议 协议是对对等层实体间交换数据的格式、意义和交换规则的描述。OSI服务功能必须通过协议来提供。但是如果更换下层协议，只要保持服务原语不变，服务应用层就不需

51、做任何变化，而且也意识不到下层的这些变化。 协议的基本元素称为协议数据单元。协议数据单元是对等层实体间交换的逻辑数据单位。OSI模型各层的逻辑数据单元单位（或名称）如图1.18所示。 由于服务是由协议提供的，因此协议也有面向连接的协议和无连接的协议之分。 OSI协议文本通常要描述协议所在层的位置，定义协议数据单元的种类、名称、格式以及内部参数，还要定义协议状态的变迁规律。,2OSI模型各层功能简介,（1）物理层 物理层协议的功能是定义网络物理设备DTE和DCE之间的接口，在DTE和DCE之间实现二进制位流的传输。按ISO术语，DTE称为数据终端设备，指各种用户终端、计算机及其他用户通信设备；D

52、CE即数据电路端接设备，指由通信业务者提供的通信设备，如Modem等。 具体来说，物理层定义了设备连接接口（插头或插座）的四个特性： 机械特性：规定接插件的规格尺寸、引脚数量和排列等。 电气特性：规定了传输二进制位流时线路上的信号电压的高低（用什么电平分别表示0或1）、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。 功能特性：规定了物理接口上各信号线的功能。 规程特性：定义了利用信号线传输二进制位流的一组操作规程，即各信号线工作的规则和先后顺序，如怎样建立和拆除物理连接，全双工还是半双工操作，同步传输还是异步传输等。,2OSI模型各层功能简介,（2）数据链路层 数据链路层规定最小数据传送逻辑单位帧的格式，实

53、现两个相邻节点之间无差错的数据帧的传输。 具体功能有： 规定信息帧的类型（包括控制信息帧和数据信息帧等）和帧的具体格式，例如每种帧都包括哪些信息段、每段多少位、每种信息码表示什么含义。数据链路层从网络层接收数据分组、封装成帧，然后传送给物理层。由物理层传送到对方数据链路层。 进行差错控制。在信息帧中携带有校验信息段，当接收方接收到信息帧时，按照约定的差错控制方法进行校验，来发现差错，并进行差错处理。 进行流量控制，协调相邻节点间的数据流量，避免出现拥挤或阻塞现象。,2OSI模型各层功能简介,进行链路管理，包括建立、维持和释放数据链路，并可以为网络层提供几种不同质量的链路服务。 典型的数据链路层

54、协议是ISO制定的高级数据链路协议（HDLC）。它是一个面向位的链路层协议，能够实现在多点连接的通信链路上一个主站与多个次站之间的数据传输。 （3）网络层 网络层是通信子网的最高层，其主要功能是控制通信子网的工作，实现网络节点之间穿越通信子网的数据传输。,2OSI模型各层功能简介,具体功能有： 规定分组的类型和具体格式。将传输层传递过来的长的数据信息拆分为若干个分组。 确定网络中发送方和接收方数据终端设备地址。 定义网络连接的建立、维持和释放以及在其上传输数据的规程，包括选择数据交换方式和路由选择，在源节点和目的节点之间建立一条穿越通信子网的逻辑链路。这条逻辑链路可能经过若干个中间节点的转接，

55、在网络互连的情况下，这条逻辑链路甚至可以穿过多个网络，这就需要网络层确定寻址方法。 网络层可能复用多条数据链路连接，并向传输层提供多种质量的网络连接服务。,2OSI模型各层功能简介,（4）传输层（传送层）（运输层） 传输层又叫传送层、运输层，完成同处于资源子网中的两个主机（即源主机和目的主机）间的连接和数据传输，也称为端到端的数据传输。 传输层是负责数据传送的最高层次。由于网络层向传送层提供的服务有可靠和不可靠之分，而传输层则要对其高层提供端到端的可靠通信，因此，传输层必须弥补网络层所提供的传输质量的不足。 具体功能： 为高层数据传输建立、维护和拆除传输连接，实现透明的端到端数据传送。 提供端

56、到端的错误恢复和流量控制。 信息分段与合并。将高层传递的大段数据分段形成传输层报文，接收端将接收的一个或多个报文进行合并后传递给高层。 考虑复用多条网络连接，来提高数据传输的吞吐量。,2OSI模型各层功能简介,（5）会话层 会话层的功能是实现进程（又称为会话实体）间通信（或称为会话）的管理和同步。 具体功能： 提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以提供单方向会话或双向同时进行的会话。 在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。 在OSI层次结构中，会话层协议是ISO 8327。,（7）应用层,作业传送和操作。将作业从一个开放系统传送到

57、另一个开放系统去执行；对作业所需的输入数据可以在任意系统进行定义；将作业的结果输出到任意系统；网络中任意系统对作业的监控等。 虚拟终端。虚拟终端是指将各种类型实际终端的功能一般化、标准化后得到的终端类型。由于不同厂家的主机和终端往往各不相同，因此虚拟终端服务要完成实际终端到应用程序使用的虚拟终端类型的转换。,1.4.3 TCP/IP体系结构,TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）是传输控制协议/网际协议的缩写。 1TCP/IP与Internet TCP/IP是Internet上采用的协议。它源于ARPANET。在20世纪7

58、0年代中期，DARPA（美国国防部高级研究计划局）为了实现异种网之间的互连与互通，大力资助网间技术的开发，导致了TCP/IP协议的出现和发展。 美国国家科学基金（NSF）于1985年开始涉足TCP/IP协议的研究与开发。NSF以其6个超级计算机中心为基础，建立起基于TCP/IP协议的互连网。并于1986年资助建立远程主干网NSFnet，NSFnet接连了NSF的全部超级计算机中心，并与ARPANET相连。,1.4.3 TCP/IP体系结构,如今，TCP/IP协议已发展成为一个完整的协议簇，由多个协议组成，构成了一个网络协议体系，并且得到了广泛应用和支持，是事实上的国际标准和工业标准。 2TCP

59、/IP的体系结构 TCP/IP协议在物理网基础上分为4个层次。自下而上依次为网络接口层、网际层、传输层和应用层。它与ISO/OSI模型的对应关系及各层协议组成如图1.14所示。,图1.14 TCP/IP和OSI模型的对应,1. OSI模型基本术语,由于TCP/IP的形成是在OSI模型之前，因此它与OSI模型的对应关系不是很严格的。TCP/IP没有与OSI模型的物理层和数据链路层相对应的内容，可以建立在各种物理网基础上。这些网络包括多种局域网如Ethernet、Token Ring、FDDI等。也包括多种广域网如帧中继、X.25公共数据网等。 3TCP/IP体系结构各层主要功能 网络接口层：定义与物理网络的接口规范，负责接收IP数据报，传递给物理网络。,1.4.3 TCP/IP体系结构,网际层：主要功能是实现两个不同IP地址的计算机（在Internet上都称为主机）的通信，这两个主机可能位于同一网络或互连的两个不同网络中。具体工作包括形成IP数据报和寻址。如果目的主机不是本网的，就要经路由器予以转发直到目的主机。网际层主要包括4个协议：网际协议（IP）、网际控制报文协议（ICMP）、地址解析协议（ARP）和逆向地址解析协议（RARP）。 传输