第1章計算機網絡基礎知識1.1計算機網絡的發展過程1.2計算機網絡的基本概念1.3計算機網絡的類型1.4計算機網絡的體系結構1.5數據通信基礎1.1計算機網絡的發展

計算機網絡是計算機技術和通信技術結合的產物，主要經歷了四個發展階段：第一階段：20世紀50年代終端--計算機系統

第二階段：20世紀60年代共享資源的計算機網絡

ARPAnet與分組交換技術的研究與發展。第三階段：20世紀70年代標準化的計算機網絡網絡體系結構與協議標準化的研究、廣域網、局域網與公用分組交換網的研究與應用。第四階段：20世紀90年代國際化的計算機網絡

網絡計算技術的飛速發展。互連、高速、更為廣泛的Internet技術應用為特點。一、計算機網絡的發展階段1.2計算機網絡的基本概念

人們通常對“計算機網絡”的定義是：計算機網絡是將分布在不同地理位置的具有獨立功能的計算機系統，利用通信設備和線路相互連接起來，在網絡協議和網絡軟件的支持下，進行數據通信、實現資源共享的系統。1計算機網絡建立的主要目的是實現計算機資源共享在網絡中的共享資源指：硬件資源、軟件資源和數據資源。一般將計算機資源共享作為網絡的最基本特征。2互連的計算機都是獨立的“自治計算機”

一個計算機網絡可以包含有多臺具有“自治”功能的計算機，所謂的“自主”是指這些計算機離開計算機網絡之后，也能獨立地工作和運行。通常將這些計算機稱為“主機”(host)，在網絡中又叫做節點或站點。一般，在網絡中的共享資源均分布在這些計算機中。3聯網計算機之間通信必須遵循共同的網路協議

構成計算機網絡時需要使用通信的手段，把有關的計算機(節點)“有機地”連接起來。所謂的“有機”地連接是指連接時彼此必須遵循所規定的約定和規則。這些約定和規則就是通信協議。一、計算機網絡定義的基本理解二、計算機網絡的組成(一)計算機網絡的系統組成計算機系統信息的收集、存儲和處理，并提供各種網絡資源根據用途分為服務器和工作站數據通信系統由通信控制處理機、傳輸介質和網絡連接設備組成完成數據通信控制與處理計算機網絡軟件網絡協議軟件、網絡通信軟件、網絡操作系統、網絡管理軟件和網絡應用軟件。方便用戶使用網絡資源；管理和調度網絡資源。1.計算機系統計算機系統（主機）包括：大型機、中型機、小型機、工作站或微機。主機是資源子網的主要組成單元，它通過高速通信線路與通信子網的通信控制處理機相連接。功能：主機要為本地用戶訪問網絡其它主機設備與資源提供服務，完成數據信息處理，同時要為網中遠程用戶共享本地資源提供服務。按功能可分為服務器和工作站。2.數據通信系統通信控制處理機（CCP）主要負責主機與網絡的信息傳輸控制。又被稱為網絡節點。一方面作為與資源子網的主機、終端連接的接口，將主機和終端連入網內；另一方面它又作為通信子網中的分組存儲轉發節點，完成分組的接收、校驗、存儲、轉發等功能，實現將源主機報文準確發送到目的主機的作用。網絡連接設備（網絡設備）主要實現網絡中主機與主機、網絡與網絡之間的連接，數據信號的轉換以及路由選擇等功能。主要包括：中繼器、集線器、調制解調器、網橋、交換機、路由器、網關等設備。傳輸介質（通信線路）傳輸介質是傳輸數據信號的物理通道，它將網絡中各種設備連接起來，計算機網絡采用了多種通信線路，如電話線、雙絞線、同軸電纜、光纖、無線通信信道、微波與衛星通信信道等。3.計算機網絡的軟件

網絡操作系統實現系統資源共享，管理用戶的應用程序對不同資源的訪問。典型的操作系統有Windows2000Sever、Netware、UNIX等。網絡協議軟件實現網絡協議功能，比如TCP/IP、IPX/SPX等。網絡管理軟件用來對網絡資源進行管理，對網絡進行維護。網絡服務器軟件運行在特定的操作系統上，提供網絡服務的軟件。網絡應用軟件網絡應用軟件是為網絡用戶提供服務的，是網絡用戶在網絡上解決實際問題的軟件。1.計算機網絡的邏輯組成

資源子網：資源子網由服務器、工作站、共享設備（打印機、網絡硬盤）、各種軟件資源與信息資源組成。資源子網負責全網的數據處理，向網絡用戶提供各種網絡資源與各種網絡服務。通信子網：主要由網絡識配器（網卡）、集線器、交換機、路由器、傳輸介質及相關軟件組成，主要完成網絡數據傳輸、轉發等通信處理任務。(二)計算機網絡的邏輯組成2.早期網絡結構的特點示意圖早期計算機網絡結構：從邏輯功能上可以分為資源子網和通信子網等兩個部分。

3.現代網絡結構的特點示意圖

三、計算機網絡的功能數據交換和通信計算機網絡中的計算機之間或計算機與終端之間，可以快速可靠地相互傳遞數據、程序或文件。資源共享充分利用計算機網絡中提供的資源（包括硬件、軟件和數據）是計算機網絡組網的主要目標之一。提高系統的可靠性在一些用于計算機實時控制和要求高可靠性的場合，通過計算機網絡實現備份技術可以提高計算機系統的可靠性。分布式網絡處理和負載均衡對于大型的任務或當網絡中某臺計算機的任務負荷太重時，可將任務分散到網絡中的各臺計算機上進行，或由網絡中比較空閑的計算機分擔負荷。1.3計算機網絡的類型分類按網絡的作用范圍：局域網城域網廣域網按網絡的拓撲結構：總線型網絡環型網絡星型網絡按服務的提供方式：對等網客戶端/服務器網絡按介質訪問協議：以太網令牌環網令牌總線網按通信介質：有線網無線網按傳輸技術：廣播式網絡點到點網絡1.4計算機網絡的體系結構概念網絡是一個復雜、龐大的系統，為了減少計算機網絡的在研究和實現上復雜程度，可將計算機網絡按功能劃分為若干個層次。不同層次完成不同功能，低層為其更高層次提供必要的服務功能。層次間的聯系通過特定接口完成。網絡體系結構完成計算機間的通信合作，把每個計算機互聯的功能劃分成有明確定義的層次，并規定同層次進程通信的協議及相鄰層之間的接口服務；網絡層次結構模型與各層協議的集合稱為網絡體系結構社會上存在的郵政系統一、網絡體系結構的相關概念

協議（Protocol）網絡協議是為實現網絡中的數據交換而制定的規則、約定與標準。網絡協議的三要素：語義、語法與時序；語法：語法是用戶數據與控制信息的結構與格式，以及數據出現的順序的意義；語義：用于解釋比特流的每一部分的意義；時序：事件實現順序的詳細說明。1.網絡協議的概念3.接口(Interface)層次是人們對復雜問題處理的基本方法；層次之間的信息交接點；2.層次（layer）二、OSI/RM開放系統參考模型

為了實現不同廠家生產的計算機系統之間以及不同網絡之間的數據通信，國際標準化組織ISO對各類計算機網絡體系結構進行了研究，并于1981年正式公布了一個網絡體系結構模型作為國際標準，稱為開放系統互連參考模型(OSI/RM)，也稱為ISO/OSI。“開放”表示任何兩個遵守OSI/RM的系統都可以進行互連，當一個系統能按OSI/RM與另一個系統進行通信時，就稱該系統為開放系統。1.OSI的分層模型2.OSI各層的功能概述第7層：應用層(ApplicationLayer)為網絡用戶或應用程序提供各種服務，如文件傳輸、電子郵件(E-mail)、分布式數據庫、網絡管理等。第6層：表示層(PresentationLayer)為應用層提供信息表示方式的服務，如數據格式的變換、文本壓縮、加密技術等。第5層：會話層(SessionLayer)主要任務是維護節點間兩個進程間的通信，并對數據傳輸進行管理。OSI各層的功能概述（二）第4層：傳輸層(TransportLayer)為上層提供端到端(最終用戶到最終用戶)的透明的傳輸服務。所謂透明的傳輸是指在通信過程中傳輸層對上層屏蔽了通信傳輸系統的具體細節。第3層：網絡層(NetworkLayer)為傳輸層的數據傳輸提供建立、維護和終止網絡連接的手段，把上層來的數據組織成數據包(Packet)在節點之間進行交換傳送，并且負責路由控制和擁塞控制。OSI各層的功能概述

（三）第2層：數據鏈路層(DataLinkLayer)在物理層提供比特流服務的基礎上，建立相鄰節點之間的數據鏈路，傳輸以“幀”為單位的數據包。通過差錯控制提供數據幀在信道上無差錯地傳輸，并進行數據流量控制。第1層：物理層(PhysicalLayer)利用傳輸介質為數據鏈路層提供物理連接，在物理信道上實現比特（bit）流的透明傳輸。提供為建立、維護和拆除物理鏈路連接所需的各種傳輸介質、通信接口特性等。3.OSI/RM的信息流動

1.5數據通信基礎一、數據通信的基本概念1數據、信號與數據通信

數據（Data）:被傳輸的二進制代碼為了傳送這些信息，首先要將字母、數字、語音、圖形或圖像用二進制代碼的數據來表示；

信號（signal）:是數據的具體物理表現。信號是數據在傳輸過程中的電信號的表示形式，為傳輸二進制代碼的數據，必須將它們用模擬或數字信號編碼的方式表示。數據通信:是指在不同計算機之間傳送表示字母、數字、符號的二進制代碼0、1比特序列的模擬或數字信號的過程。2.數據通信系統基本結構數據通信系統的基本通信模型：產生和發送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源與信宿通過通信線路進行通信，在數據通信系統中，也將通信線路稱為信道；在數據通信系統中，傳輸模擬信號的系統稱為模擬通信系統，而傳輸數字信號的系統稱為數字通信系統。二、通信信道的分類

信道是信號傳輸的通道，包括傳輸媒體和通信設備。傳輸媒體可以是有形媒體，如電纜、光纖等，也可以是無形媒體，如傳輸電磁波的空間。信道按所使用的傳輸介質分類，可以分為有線信道與無線信道；有線信道使用有形的媒體作為傳輸介質的信道稱之為有線信道。有線信道包括電話線、雙絞線、同軸電纜和光纜等；無線信道以電磁波在空間傳播方式傳送信息的信道稱之為無線信道。無線信道包括無線電、微波、紅外線和衛星通信信道等。三、數據通信的技術指標

數據通信速率（傳輸速率）傳輸率是指數據在信道中傳輸的速度。數據通信速率分為兩種：波特率和信息速率。波特率：模擬線路信號的速率，也稱調制速率，以波形每秒的振蕩數來衡量，也叫碼元速率信息速率：每秒中傳送的信息量，單位為比特/秒（bit/s），又稱為比特率；波特率與比特率的關系為：比特率=波特率×單個調制狀態對應的二進制位數信道帶寬是指信道中傳輸的信號在不失真的情況下所占用的頻率范圍，通常稱為信道的通頻帶，單位用赫茲（Hz）表示。信道帶寬是由信道的物理特性所決定的，如電話線路的頻率范圍在300～3400Hz，則它的帶寬300～3400Hz。信道容量（信道的最大傳輸速率）是衡量一個信道傳輸數字信號的重要參數。信道容量是指單位時間內信道上所能傳輸的最大比特數，用每秒比特數（bps）表示。當傳輸的信號速率超過信道的最大信號速率時，就會產生失真。四、數據傳輸方式并行通信數據以成組的方式在多個并行信道上同時進行傳輸。并行通信的優點是速度快，但發端與收端之間有若干條線路，導致費用高，僅適合于近距離和高速率的通信。1.數據的串行傳輸和并行通信串行通信數據流以一次一個比特位的方式在一條信道上傳輸，串行通信的優點是收、發雙方只需要一條傳輸信道，易于實現，成本低，但速度比較低。2.單工、半雙工、全雙工通信單工方式：指通信信道是單向信道，數據信號僅沿一個方向傳輸，發送方只能發送不能接收，接收方只能接收而不能發送，任何時候都不能改變信號傳送方向。半雙工通信：是指信號可以沿兩個方向傳送，但同一時刻一個信道只允許單方向傳送，即兩個方向的傳輸只能交替進行，而不能同時進行。當改變傳輸方向時，要通過開關裝置進行切換。如公安系統使用的“對講機”全雙工通信：是指數據可以同時沿相反的兩個方向作雙向傳輸。比如，電話通話。3.基帶傳輸、頻帶傳輸基帶傳輸就數字信號而言，它是一個離散的方波，“0”代表低電平，“1”代表高電平，這種方波固有的頻帶稱為基帶，方波信號稱為基帶信號，因此，基帶實際上就是數字信號所占用的基本頻帶。基帶傳輸是在信道中直接傳輸數字信號，且傳輸媒體的整個帶寬都被基帶信號占用，雙向地傳輸信息。頻帶傳輸所謂頻帶傳輸是指將數字信號調制成音頻信號后再發送和傳輸，到達接收端時再把音頻信號解調成原來的數字信號。可見，在采用頻帶傳輸方式時，要求發送端和接收端都要安裝調制器和解調器。在實現遠距離通信時，經常借助于電話線路，此時就需要利用頻帶傳輸方式。利用頻帶傳輸，不僅解決了利用電話系統傳輸數字信號的問題，而且可以實現多路復用，以提高傳輸信道的利用率。五、信道復用技術

信道復用的目的是讓不同的計算機連接到相同的信道上，共享信道資源。四種信道復用方式：頻分復用FDM、時分復用TDM、(波分復用WDM和碼分復用)。1.頻分多路復用FDMFDM是把信道的可用頻帶分成多個互不交叉（重疊）的頻段（帶），每個信號占其中一個頻段。接收時用適當的濾波器分離出不同信號，分別進行解調接收。2.時分多路復用TDM同步時分復用STDM

STDM采用固定時間片分配方式，將傳輸信號的時間按特定長度連續地劃分成特定時間段（一個周期），再將每一時間段劃分成等長度的多個時隙，每個時隙以固定的方式分配給各路數字信號，各路數字信號在每一時間段都順序分配到一個時隙。由于在同步時分復用方式中，時隙預先分配且固定不變，無論時隙擁有者是否傳輸數據都占有一定時隙，形成了時隙浪費，其時隙的利用率很低。2.時分多路復用TDM異步時分復用ATDM只有當某一信源有數據要發送時才把時間片分配給它；把發送端地址和接收端地址作為附加信息發送。六、數據交換技術在數據通信系統中，當終端與計算機之間，或者計算機與計算機之間不是直通專線連接，而是要經過通信網絡的接續過程來建立連接的時候，那么兩端系統之間的傳輸通路就是通過通信網絡中若干節點轉接而成的所謂“交換線路”。在數據通信網絡中，通過網絡節點的某種轉接方式來實現從任一端系統到另一端系統之間接通數據通路的技術，就稱為數據交換技術。數據交換技術主要包括電路交換、存儲--轉發兩種方式也稱為線路交換，是為一對需要進行通信的節點之間提供一條臨時的專用通道，即提供一條專用的傳輸通道。電路交換的步驟：電路建立通過源節點請求完成交換網中相應節點的連接過程，這個過程建立起一條由源節點到目的節點傳輸通道。數據傳輸電路建立完成后，就可以在這條臨時的專用電路上傳輸數據。電路拆除在完成數據傳輸后，源節點發出釋放請求信息，請求終止通信。在電路拆除階段，各節點相應地拆除該電路的對應連接，釋放由該電路占用的節點和信道資源1.“電路交換”方式2.“存儲-轉發”方式為要發送的信息帶上源地址和目標地址，由通信網絡中的節點一步一步選擇路徑進行存儲—轉發，使數據在通信網絡上傳遞。存儲--轉發的兩種方式：報文交換分組交換報文頭數據報文交換(MessageSwitching)

數據以報文(message)為單位傳輸，報文可以理解為信息的一個邏輯單位，長度不限且可變，數據傳送過程采用存儲轉發的方式。結點A結點F結點C結點E結點D結點G結點Bp2p1p1p1p1p2p2p2p1p2ACKACKACKACKACKACK主機A主機B分組交換(PacketSwitching)分組交換屬于“存儲/轉發”交換，它不像報文交換以報文為單位進行交換、傳輸，而是以更短的、標準的“報文分組”（Packet）為單位進行交換傳輸。

由于電路交換在通信之前要在通信雙方之間建立一條被雙方獨占的物理通路（由通信雙方之間的交換設備和鏈路逐段連接而成），因而有以下優缺點。優點：①由于通信線路為通信雙方用戶專用，數據直達，所以傳輸數據的時延非常小。②通信雙方之間的物理通路一旦建立，雙方可以隨時通信，實時性強。③雙方通信時按發