授課章節第1章計算機區絡概述

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授課內容

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首授班級首授時間課時4學時

1.掌握計算機怪絡的概念。

知識目標2.了解計算機愜絡的產生與發展史。

3.理解計算機快絡的組成、功能及應用。

1.能夠舉例表述計算機網絡的分類及其各類的應用狀況。

能力目標

2.能夠表述某一具體單位的計算機網絡的結構及其應用。

教學重點計算機網絡的概念、傳輸介質

教學難點計算機網絡的新技術

教學地點教具教案、演示課件

第1章計算機網絡的概念

教學過程計算機網絡是現代通信技術與計算機技術相結合的產物，當前.，計算機網絡已經成為社會生

活不可缺少的信息處理和通信工具，成為社會生活的重要組成部分。

1.1.1計算機網絡的產生與發展

計算機網絡的發展經歷了一個從簡單到復雜的過程，計算機網絡的產生與發展經歷三個階

段，分別為面向終端的計算機網絡階段、計算機與計算機網絡階段和開放式標準化的網絡階

段。

1.而向終端的計算機網絡

圖1-1面向終端的單機系統

2.計算機與計算機網絡

美國的ARPA網（Internet的前身）正式投入使用，標志著計算機網絡的興起，ARPA網使

用的分組交換技術。

3.開放式標準化網絡

由于相對獨立的網絡難以實現互連，國際標準化組織ISO于1984年頒布了一個稱為“開放

系統互連基本參考模型”的國際標準ISO7498,簡稱OSI/RM,即著名的OSI七層模型。從

此，計算機網絡有了統一標準，加速了計算機網絡的發展。

I.1.2計算機網絡的定義

計算機網絡就是利用通信設備和線路將地理位置不同的、功能獨立的多個計算機系統互連

起來，以功能完善的網絡軟件（即網絡通信協議、信息交換方式、網絡操作系統等）管理下,

實現網絡中資源共享和信息傳遞的系統。

計算機網絡的定義涉及四個要點，如下所述。

（1）計算機網絡中包含兩臺以上的地理位置不同具有獨立功能的計算機。聯網的計算機稱

為主機（Host）也稱為結點（Node）。但網絡中的結點不僅僅是計算機，還可以是其他通信

設備，如交換機、路由器等。

（2）網絡中各結點之間的連接需要有一條通道，即傳輸介質實現物理互聯。

（3）網絡中各結點之間互相通信必需遵循共同的協議規則，如Internet上.使用的通信協議

是TCP/IP協議簇。

（4）計算機網絡的目的是實現數據通信和網絡資源（包括硬件資源和軟件資源）共享為目

的。

I.1.3計算機網絡的組成

I.計算機網絡的邏輯組成

ifiarw

圖1-3計算機網絡的組成

2.計算機網絡的系統組成

計算機網絡的系統由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。

（1）網絡硬件。

（2）網絡軟件。

1.1.4計算機網絡的功能

計算機網絡的功能主要體現在三個方面分別為資源共享、信息交換與協同處理。

1.資源共享

2.信息交換

3.協同處理

1.2計算機網絡的分類

依據從不同的角度對計算機網絡進行分類，有助于理解計算機網絡。

1.2.1按網絡規模分類

2.城域網（MAN）

3.廣域網（WAN）

圖1-5廣域網實例

1.2.2按網絡使用對象分類

依據網絡使用對象的不同，計算機網絡可以分為公用網絡和專用網絡兩大類。

1.公用網

2.專用網

I.2.3按通信傳輸方式分類

依據數據通信傳輸方式的不同，計算機網絡可以分為廣播式網絡和點對點網絡兩大類。

2.點對點網絡

1.2.4按網絡組件的關系分類

依據網絡中的各結點的關系來劃分，計算機網絡可以分為對等網絡和基于服務器網絡。

1.對等網絡

圖1-8對等網絡實例

2.基于服務器網絡

服

務

器

圖1-9基于服務器的網絡實例

1.2.5按網絡拓撲結構分類

1.總線型拓撲

圖1-10總線拓撲的網絡

2.星型拓撲

圖1-11星型拓撲的網絡

3.環型拓撲

圖1-12環型拓撲的網絡

4.樹型結構

圖1-13樹型拓撲的網絡

5.網狀型拓撲

通信了網

圖1-14網狀型拓撲結構的網絡

I.3傳輸介質與綜合布線

<1）有線傳輸介質。

（2）無線傳輸介質。

1.3.1同軸電纜

圖1-15同軸電纜

依據傳輸信號將同軸電纜分成兩種，基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜。

圖1-16細纜接口

非屏蔽雙絞線（UTP）沒有屏蔽層。其直徑小，重量輕，易彎曲，易安裝，具有獨立性和靈

活性，適用了?結構化綜合布線，如圖1-17所示。

圖1-17非屏蔽雙絞線

屏蔽雙絞線（STP）有屏蔽層。其外層由鋁粕包裹，有效的防止電磁干擾，屏蔽雙絞線價格

相對較高，安裝時要比非屏蔽雙絞線電纜困難，如圖1/8所示。

圖1-18屏蔽雙線線

使用雙絞線組網，網卡必須帶有RJ45接口，如圖1-19所示。

riW

圖1-19RJ45接頭

根據EIA/TIA568B的規定，RJ45接口雙絞線的每條線的顏色與編號，如表1-2所示。在8

根導線中只需要4根用來通信，第1、2條用于發送數據，第3、6條用于接收數據。

表1-2EIA/TIA568B的規定的RJ45接口順序

編號12345678

顏色白橙橙白綠藍白藍綠白棕棕

除了EIA/TIA568B規定以外，還有EIA/TIA568A規定。EIA/TIA568A規定是把EIA/TIA568B

規定的排線順序的第I、2條與第3、6條對調，具體順序是：白綠、綠、白橙、藍、白藍、

橙、白棕、棕。

EIA/TIA568B規定，RJ45水晶頭金屬片對著客戶，接口順序，如圖1-20所示。

eiA/TU568B

圖1-20RJ45接口順序

1.3.3光纖

圖1-21光纖

1.光纜的組成

?i???

圖1-22光纖纖芯

光纖芯是光的傳導部分，而包層的作用是將光封

圖1-23光纖中光的傳輸

2.光纖的分類

光纖的模態，所謂的模態就是它的光波的分布形式。若入射光的模樣為圓光斑，射出端仍能

觀察到圓形光斑，這就是單模傳輸：若射出端分別為許多小光斑，這就出現r許多雜散的高

次模，形成多模傳輸，稱為多模光纖。

按照傳輸的總模數來分將光纖分為單模光纖和多模光纖。

(1)單模光纖(SMF)。

(2)多模光纖(MMF)。

3.光纖連接器

圖1-24光纖適配微

<、>C大桿連接制Cb）scjWiSSB<?）FCftHilSS<d，LC丸懺連接同

圖1-25光纖連接器

4.與光纖連接的設備

（1）光纖收發器

圖1-26光纖收發器

（2）光纖接口網卡。

（3）帶光纖接口的交換機。

1.3.4無線傳輸介質

無線傳輸介質是指在兩個通信設備之間不使用任何人為的物理連接。無線通信的方法有微

波、無線電波、激光和紅外線。

1.微波

圖1-28衛星微波通信

2.無線電波

3.激光通信

4.紅外線光

1.3.5綜合布線

綜合布線是?種模塊化的、靈活性極高的建筑物內或建筑群之間的信息傳輸通道。通

過它可使話音設備、數據設備、交換設備及各種控制設備與信息管理系統連接起來，同時也

使這些設備與外部通信網絡相連。

I.綜合布線的特征

綜合布線采用國際先進的標準體系如：EIA/TIA-568（國際綜合布線標準）等，綜合布線系

統與傳統的布線系統相比，有許多優越性，其主要表現在以下幾個方面：

（1）兼容性。

（2）開放性。

（3）靈活性。

（4）可靠性。

（5）先進性。

2.綜合布線的組成

綜合布線系統采用模塊化的結構，按照每個模塊的作用，可以把綜合布線系統分成六個

部分，即工作區子系統、水平布線子系統、垂直二線子系統、管理子系統、設備間子系統和

建筑群子系統，如圖1-29所示。

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:I：

圖1-29綜合布線系統組成

（1）工作區子系統。

（2）水平子系統。

（3）垂直子系統。

（4）設備間子系統。

（5）管理子系統。

（6）建筑群了?系統

3.綜合布線的標準

（1）商用建筑電信布線標準ANSI/EIA/TIA568A

（2）商用建筑通信路徑和間隔標準ANSI/EIA/T1A569。

（3）住宅和小型商業電信連線標準ANSI/EIA/T1A570。

（4）商用建筑通信設施管理標準ANSI/EIA/TIA606o

（5）商用建筑通信設施接地與屏蔽接地要求ANSI/EIA/TIA607。

1.3.6網絡規劃設計

c網絡一劃\

川戶方京分析

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網絡設計

M絡體系結構（子網劃分?~~

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網絡青網與程護

圖1-30組網的四個階段

1.需求分析及可行性分析

需求分析是明確用戶對網絡系統的要求，可以從以下幾個方面進行分析

（1）網絡服務。

（2）性能要求。

（3）運行環境要求。

（4）通信類型和通信量。

（5）地理布同。主要了解用戶的數量及其位置。

2.網絡設計

網絡設計階段主要完成內容是網絡系統的結構和組成設計、網絡方案的選擇、拓撲結構的選

擇、設備及通信線路選擇、網絡邏輯結構圖等。

3.網絡實施與網絡測試

網絡實施是在網絡設計的基礎上進行設備采購、布線、安裝、調試、培訓和系統交割工作。

網絡實施的步驟即任務為：

（1）工程實施計劃.

（2）網絡設備驗收。

（3）設備安裝。

（4）系統調試。

（5）系統試運行。

（6）系統割接。

（7）人員培訓。

（8）技術支持/服務。

1.4網絡新技術

21世紀己進入計算機網絡時代。計算機網絡極人普及，計算機應用已進入更高層次，出現

「大量計算機網絡新技術。

1.4.1物聯網

物聯網就是物物相連的互聯網。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”

時代的重要發展階段。

1.物聯網的提出

物聯網(InternetofThings,loT)的概念是在1999年提出的，當時不叫物聯網而叫傳感網。

物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也

因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。

2.物聯網的概念

圖1-31物聯網的架構

3.物聯網的特點

(1)要有數據傳輸通路；

(2)要有一定的存儲功能；

(3)要有CPU：

(4)要有操作系統；

(5)要有專門的應用程序；

(6)遵循物聯網的通信協議：

(7)在世界網絡中有可被識別的唯一編號。

4.物聯網分類

物聯網可分為私有物聯網(PrivateIOT)、公有，物聯網(PublicIOT)、社區物聯網(Community

IOT)和混合物聯網(HybridIOT)4種。

5.物聯網的主要應用領域

物聯網比較典型的應用包括水電行業無線遠程動抄表系統、數字城市系統、智能交通系統、

危險源和家居監控系統、產品質量監管系統等。農業物聯網的應用，如圖1-32所示。

衣殳物取網IT決方案拓撲BB

圖1-32農業物聯網的應用

1.4.2三網融合

三網融合又叫“三網合一”，是指電信網、廣播電視網、互聯網這三個網，在向寬帶通信網、

數字電視網、下一代互聯網演變過程中，相互滲透、互相兼容并逐步整合成為全世界統一的

信息通信網絡。

圖1-33所示.

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圖1三明■臺歲曳第ii務缽今

圖1-33三網融合涉及的業務體系

I.4.33G技術

3G技術是指第三代移動通信技術(ThirdGeneration),它的理論研究、技術開發和標準制定

工作始于20世紀80年代中期，在此之前，移動通信技術經歷了兩個階段。

圖1-34第三代移動通信技術標準

1.4.44G技術

隨著數據通信與多媒體業務需求的發展，適應移動數據、移動計算及移動多媒體運作需要的

第四代移動通信開始興起和廣泛應用。

1.4G的簡介

圖1-351G、2G、3G和4G的比較

2.4G的通信特點

4G通信技術的特點可用“多、快、好、省”四個字來概括。

（1）業務種類多

（2）上網速度快

（3）用戶感知好

（4）頻譜資源省

3.4G的核心技術

4G通信系統的這些特點，決定了它將采用一些不同于3G的技術。對于4G中籽使用的核

心技術，業界并沒有太大的分歧。

（1）正交頻分復用（OFDM）技術

（2）軟件無線電。

（3）智能天線技術。

（4）多輸入多輸出（MIMO）技術。

（5）基于IP的核心網。

1.4.5云計算

云計算是指將大量用網絡連接的計算資源統一管理和調度，構成一個計算資源池向用戶按

需服務。用戶通過網絡像用水和用電一樣的簡單方式獲得所需計算機資源和服務。

1.云計算的由來

云計算是一種新興的商業計算模型。它將計算任務分布在大量計算機構成的資源池中，使

各種應用系統能夠根據需要獲取計算能力、存儲空間和各種軟件服務。之所以稱為“云”，

是因為它在某些方面具有現實中云的特征，如規模較大、可以動態伸縮、邊界模糊等。人們

無法也無需確定云的具體位置，但它確實存在于某處。云計算的本質，如圖1-36所示。

云計算的本廉：費源到架構的全面彈性

ETI?做化fitfB

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圖1-36云計算的本質

2.云計算概念

美國國家標準與技術研究院（NIST）的定義是，云計算是一種按使用量付費的模式，這種模

式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網絡、

服務器、存儲、應用軟件、服務），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作,

或與服務供應商進行很少的交互。

3.云計算的特點

云計算是通過使計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程服務器中，企

業數據中心的運行將與互聯網更相似。這使得企業能夠將資源切換到需要的應用上，根據需

求訪問計算機和存儲系統。從研究現狀上看，云計算具有以下特點。

（1）便捷性強

（2）可靠性高。

（3）成本低。

（4）潛在的危險性。

4.云計算應用

(1)云服務。

(2)云計算。

(3)云存儲。

(4)云安全。

I.4.6大數據

1.大數據的定義

指利用常用軟件工具來獲取、管理和處理數據所耗時間超過可容忍時間的數據集。這并不是

一個精確的定義，因為無法確定常用軟件工具的范圍，可容忍時間也是個概略的描述。

九大數據特征

大數據的四大特征，如下所述。

(1)規模性(Volume)

(2)高速性(Velocity)<>

(3)多樣性(Variety)o

(4)價值性(Value)?

Re-ImaginationofData...

TMCN..SOON

KPCB

圖1-37大數據價值

教學后記

授課章節第2章數據通信技術

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首授班級首授時間課時4學時

1.掌握數據通信的基本概念。

知識目標2.理解數據編碼和調制技術、數據的傳輸方式。

3.了解多路復月技術和數據交換技術。

1.能進行數據通信傳輸速率相關的計算。

能力目標

2.能表述數字通信的優豹并舉例說明。

3.能夠清晰地差錯控制技術的原理及在計算機網絡中的應用。

教學重點數據通信技術編碼

教學難點差錯控制技術

教學地點教具教案、演示課件

第2章數據通信技術

2.1基本概念

計算機網絡是計算機技術與通信技術相結合的前物，數據通信是指用通信線路和通信設

備把兩結點連接起來進行數據傳遞或交換，它是網絡的基礎。

2.1.1常用術語

數據通信包含兩個方面的內容，一個是數據傳輸，另一個是數據傳輸前后的處理。數據

通信是依照通信協議，利用數據傳輸技術在兩個功能單元之間傳遞數據信息。

1.信息

2.數據

3.信號

fwv

教學過程

圖2-1模擬信號波形圖

圖2-2數字信號波形圖

4.噪聲

5.信源、信宿和信道

2.1.2數據通信系統基本結構

1.數據通信系統的組成

數據通信系統的基本組成有三個要素，分別是信源、信宿和信道，如圖2-3所示。

?通信忙道,

[信覆]y-Hf3ffl|

1-聲I

圖2-3數據通信系統

2.數據通信分類

（1）模擬通信

通信信城

嗤百源|

圖2-4模擬通信模型

（2）數字通信

圖2-5數字通信模型

（3）數字通信與模擬通信的比較。

（4）數字通信的特征。

2.I.3數據通信的技術指標

在數據通信中，有4個指標是非常重要的，它們就是數據傳輸速率、數據傳輸帶寬

（也稱“信道容量”）、傳輸時延和誤碼率。

1.數據傳輸速率

（1）比特率。比特率是每秒種傳輸二進制信息的位數，單位為“位/秒”，通常記作

bps,主要單位有Kbps、Mbps和Gpbs。

（2）波特沃。波特率也稱碼元速率、調制速率或者信號傳輸速率，是指每秒中傳

輸的碼元（符號）數，單位為波特，記作Baud。

在數字通信中常常用時間間隔相同的符號來表示一個二進制數字，這樣的時間間隔

內的信號稱為（二進制）碼元。碼元與比特的關系，如圖2-6所示。

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I

OlOOlOl二0?（信號

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用元

信?比特

I

01100001II0：10

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40電平

1ZI元?2個信息比抬

圖2-6碼元與比特的關系

（3）誤碼左（Pe）。誤碼率計算公式為

N

p=-Lxl00%

N^

式中的M為其口出錯的位數，N為傳輸的數據總位數。

2.帶寬與信道容量

（1）帶寬。

（2）信道容量。

（3）奈奎斯特準則。

（4）香農定理。

香農定理描述了在有限帶寬、隨機噪聲分布的信道中最大的數據傳輸速率與信道帶寬的

系。

3.傳輸時延

信號在信道中傳輸，從信源到達信宿需要一定的時間，這個時間稱傳輸時延。信號

的傳輸時延與信道的傳輸介質、信源和信宿的距離有關。

2.2數據編碼和調制技術

escm

圖2-7數據、信號與信道的關系

用數字信號承載數字或模擬數據稱為編碼；用模擬信號承載數字或模擬數據稱為調制,

不同類型的數據傳換成不同類型的信號在信道上傳輸有四種組合，如圖2-8所示，

圖2-8數據轉換成信號的4種組合

2.2.1數字數據的調制

計停機

圖2-9調制與解調

對數字數據進行調制的方法有幅移調制(ASK)、頻移調制］(FSK)和相移調制(PSK)

三種。

(1)幅移鍵控法(ASK)：

(2)頻移鍵控法(FSK)：

(3)相移鍵控法(PSK)：

數字數據的調制方法，如圖2-10所示。

NRZ

我波

ASK

FSK

PSK?wwwwwwwwvyv\i

Iii??itilla?

圖2-10數字數據的調制方法

2.2.2數字數據的編碼

利用數字通信信道直接傳輸數字信號的方法稱作數字信號的基帶傳輸，而數字數據

在傳輸方前，需要進行數字編碼,將數字數據轉換成數字信號。數字數據的編碼方式有

二種，分別足不歸零碼（NRZ）、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。

數字數據編碼如圖2-11所示。

111tliIII

!o：1：。：o；1：o：o：1：

NRZ

曼助斯

特編碼

差分量

沏斯特

■瑪

II??aIIII

圖2-11數字數據編碼

數字編碼特點的比較，如表2-1所示。

2.2.3模擬數據的數字信號編碼

模擬信號的數字編碼通常采用脈沖編碼調制方法（PCMI

脈沖編碼調制方法（PCM）的過程包括采樣、量化和編碼三個步驟，如圖2-12所示。

mum［聯化原［艘碼|

圖2-12脈沖編碼

脈沖編碼調制方法的工作過程如圖2-13所示。

圖2-13脈沖編碼調制方法的工作過程

2.3數據傳輸方式

2.3.1單工、半雙工和全雙工數據傳輸

依據數據在信道上的流向及特點，數據通信可以有單工、半雙工和全雙工三種數據

傳輸方式。

1.單工數據傳輸

發

送

?

依泅信息

圖2-14單工數據傳輸

2.半雙工數據傳輸

圖2-15半雙工數據傳輸

3.全雙工數據傳輸

圖2-16全雙工數據傳輸

2.3.2并行傳輸和串行傳輸

依據數據傳輸的順序，數據通信可以分為并行傳輸和串行傳輸。

數

據

發

送

設

備

閭巾行傳輸圖

圖2-17并行傳輸與串行傳輸

2.3.3數據傳輸的同步技術

所謂同步，就是要求通信的收發雙方在時間基準上保持?致。實現收發之間的同步是數

據傳輸中的關鍵技術之一。數據通信中常用的兩種同步方式是異步傳輸和同步傳輸。

1.異步傳輸

圖2-18異步傳輸方式

2.同步傳輸

0UUU0|110000/0110UIKXHIIUOOOO|0UUI10

ilH機數據傳輸方向“算機

圖2-19同步傳輸方式

2.3.4數據傳輸形式

數據傳輸形式可分三類具體為基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸。

1.基帶傳輸

在數字信號頻譜中，把直流（零頻）開始到能量集中的一段頻率范圍稱為基本頻帶，簡

稱為基帶。

2.頻帶傳輸

頻帶傳輸就是先將基帶信號變換（調制）成便于在模擬信道中傳輸的、具有較高頻率范

圍的模擬信號（稱為頻帶信號），再將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸。

3.寬帶傳輸

將信道分成多個子信道，分別傳送音頻、視頻和數字信號，稱為寬帶傳輸。它是一種傳

輸介質的頻帶寬度較寬的信息傳輸，通常在300-400MHZ左右。系統設計時將此頻帶分

割成幾個字頻帶，采用多路復用技術。

2.4多路復用技術

多路復用技術是指在一條物理通信線路上建立多條邏輯通信信道，同時傳輸若干路

信號的技術。多珞復用是多個用戶共享公用信道的一種機制，通過多路復用技術，多個

終端能共享一條高速信道,從而達到節省信道資源的目的，如圖2-20所示.

圖2-20多路復用技術

多路復用有頻分多路復用（FDM）,時分多路復用（TDM）,波分多路復用（WDM）

和碼分多路復用（CDMA）幾種。

2.4.1頻分多路復用（FDM）

圖2-21頻分多路復用

2.4.2時分多路復用（TDM）

時分多路復用技術又可分為同步時分多路復用技術和異步時分多路愛用技術。

1.同步時分多路復用技術（STDM）

圖2-22同步時分多路復用

2.異步時分多路復用技術（ATDM）

圖2-23異步時分多路復用

2.4.3波分多路復用（WDM）

2.4.4碼分多路復用（CDMA）

2.5數據交換技術

圖2-24交換網絡的拓撲結構

2.5.1電路交於

電路交換也稱為線路交換，當前的電話網就使用這個技術。利用線路交換通信時中

間交換節點間要建立一條專業的通信電路。

1.電路交換的過程

線路交換的過程分成電路建立、數據傳輸和線珞拆除三個階段。

2.電路交換的特征

電路交換技術的特征，如下所述。

（1）電路交換優點是數據傳輸可靠、迅速，數據不會丟失且保持原來的序列。

（2）電路交換缺點是電路一經建立，就歸通信雙方所有，利用率低、浪費嚴重。它適

用于系統間要求高質量的大量數據傳輸的情況，

（3）電路交換的特點是在數據傳送開始之前必須先設置一條專用的通路。在線路釋放

之前，該通路由一對用戶完全占用。對于猝發式的通信，電路交換效率不高。

電路交換所用的時間如圖2-25所示。

圖2-25電路交換時間

2.5.2存儲轉發交換

存儲轉發交換是通信雙方在進行通信時.，不需要預先建立一條專用的電路。發送端將需

要發送的數據（報文或分組）中加入目的地址。直接交給通信網絡，通過存儲轉發方式

傳輸給目的站點。

1.存儲轉發交換的特點

存儲轉交交換不需要在兩個站點之間建立專用通路，可以節省信道容量和有效時間。其

特點如下所述。

（1）線路利用理高。

（2）在電路交換網絡上，當通信量變得很大時，就不能接受新的呼叫。

（3）存儲轉發交換系統可以把一個報文（分組）發送到多個目的地，而電路交換網絡

很難做到這一點。

（4）存儲轉發交換網絡可以進行速度和代碼的轉換。

（5）有時節點收到過多的數據而無空間存儲或不能及時轉發時，就不得不丟棄報文，

而且發出的報文不按順序到達目的地。

需要傳輸的數據分為報文和分組，傳輸報文的稱報文交換、傳輸分組的稱分組交換。

2.報文交換

圖2-26報文交換時間

3.分組交換

分組交換是報攵交換的一種改進，它將報文分成若干個分組，通過網絡傳輸分組,

每個分組的長度有一個上限，有限長度的分組使得每個節點所需的存儲能力降低了，分

組可以存儲到內存中，提高了交換速度。

（1）虛電路分組交換。

圖2-27虛電路分組交換

圖2-28虛電路分組交換時間

（2）數據包分組交換。

圖2-29數據包分組交換方式

圖2-30數據包分組交換時間

2.5.3.各種數據交換技術的性能比較

電路交換、報文交換和分組交換這三種交換方式各有優缺點，因而各有適用場合，并且

可以互相補充。其性能特征，如下所述。

（1）電路交換。在數據傳輸之前必須先設置?條完全的通路。在線路拆除（釋放）之

前，該通路由一對用戶完全占用。電路交換效率不高，適合于較輕和間接式負載使用租

用的線路進行通信。

（2）報又交換。報文從源點傳送到目的地采用存儲轉發的方式，報又需要排隊。因此

報文交換不適合于交互式通信，不能滿足實時通信的要求。

（3）分組交換。分組交換方式和報文交換方式類似，但報文被分成分組傳送，并規定

了最大長度。分組交換技術是在數據網中最廣泛使用的一種交換技術，適用于交換中等

或大量數據的情況。

2.6差錯控制技術

2.6.I差錯

通信信道的噪聲分為熱噪聲和沖擊噪聲兩種。由這兩種噪聲分別產生兩種類型的差錯，

隨機差錯和突發差錯。

（1）熱噪聲，

（2）沖擊噪聲

2.6.2差錯控制

差錯控制就是檢測和糾正數據通信中可能出現差錯的方法,保證計算機通信中數據傳輸

的正確性和傳輸效率。

差錯控制編碼可分為檢錯碼和糾錯碼。檢錯碼只能自動發現差錯的編碼；糾鑄碼不僅能

發現差錯而且能自動糾正差錯的編碼。

常用的差錯控制方式有自動請求重發（ARQ）和前向糾錯（FEC）o

1.自動請求重發

自動請求重發（ARQ）是計算機網絡中較常采用的差錯控制方法。ARQ的原理是發送

方將要發送的數據附加上一定的冗余檢錯碼一并發送，接收方則根據檢錯碼對數據進行

差錯檢測，如發現差錯，則接收方返回請求重發的信息，發送方在收到請求重發的信息

后，重新傳送數據；如沒有發現差錯，則發送下?個數據，如圖2?31所示。

圖2-31自動請求聿發流程

自動請求理發的特點是使用檢錯碼（常用的有奇偶校驗碼和CRC碼等）、必須是雙

向信道、發送方需設置緩沖器。采用這種差錯控制方法需要具備雙向通道，一般在計算

機數據通信中應用。檢錯重發方式分為三種類型，其中ACK是確認信號，NAK是否認

信號。

2.前向糾錯

前向糾錯（FEC）其原理是發送方將要發送的數據附加上一定的冗余糾錯碼一并發送，

接收方則根據糾錯碼對數據進行差錯檢測，如發現差錯，由接收方進行糾正，如圖2-32

所示。

圖2-32前向糾錯流程

前向糾錯（FEC）特點是使用糾錯碼（糾錯碼編碼效率低且設備復雜）、單向信道、發送

方無需設置緩沖器。

3.混合糾錯檢錯方式

4.反饋校驗方式

2.6.3差錯控制編碼

差錯控制編碼的原理是：發送方對■準備傳輸的數據進行抗干擾編碼，即按某種算法附加

上一定的冗余位，構成一個碼字后再發送。接收方收到數據后進行校驗，即檢查信息位

和附加的冗余位之間的關系，以檢查傳輸過程中是否有差錯發生。

1.奇偶校驗

奇偶校驗碼是一種最簡單的檢錯碼。其原理是通過增加兀余位來使得碼字中“1”

的個數保持為奇數（奇校驗）或偶數（偶校驗），奇偶校驗的舉例如表2-3、表2-4所示。

表2-3偶校驗舉例

發送順序<偶校驗

11001010

表2-4奇校驗舉例

發送順序奇校驗

11001011

在實際使用時，奇偶校驗可分為以下三種方式，具體為垂直奇偶校驗、水平奇偶校驗和

水平垂直奇偶校驗。

（1）垂直奇偶校驗。其原理是將要發送的整個數據分為定長p位的q段，每段的后面

按“1”的個數為奇數或偶數的規律加上一位奇偶位，如圖2-33所示。

發

送

圖2-33垂直奇偶校驗

表2-5是垂直奇偶校驗的舉例。

表2-5垂宜奇偶校驗舉例

1100101

A11101101

0100110

0101000

1110010

發送1111100

順序0110010

偶校驗0111010

（2）水平奇偶校驗。其原理是將要發送的整個數據分為定長p位的q段，對各個數據

段的相應位橫向進行編碼，產生一個奇偶校驗冗余位，如圖2-34所示。

發

送

圖2-34水平奇偶校驗

表2-6是水平奇偶校驗的舉例。

（3）水平垂直奇偶校驗。其原理是能同時進行水平和垂直奇偶校驗，如圖2-35所示

發

送

圖2-35水平垂直奇偶校驗

表2-7是水平垂直奇偶校驗的舉例。

表2-7水平垂直奇偶校驗舉例

偶校臉

11001010

11011011

01001101

01010000

11100100

發送11111001

順序01100101

偶校檢01110100

2.循環冗余校驗（CRC）

循環冗余校驗（CRC）是采用一種多項式的編碼方法。它是把要發送的報文看成系數為

1或0的多項式，將一個K位的報文可能看成是從Xi到X°的一個K位多項式的系

數序列。例如，一個要發送的報文的二進制序列為1010110,具有7位。

相應報文的多項式為

M（X）=1X6+OX5+1X4+OX34-1X2+1X'+OX°

在發送時將要發送的報文用另一個多項式G（X）來除，G（X）稱為生成多項式。生

成多項式由通信雙方約定，已有多種生成多項式成為國標標準，如：CRC16

G（X）=X16+X,5+X2+1

多項式的運算以2為模相加，如同邏輯異或運算。除法也同二進制運算一樣，只要被除

數具有和除數一樣多的位，即把除數“加到”被除數匕在發送報文時將相除結果的余

數R（X）作為校驗碼，附在報文碼之后發送出去。

當接收方收到帶校驗的報文時，用同一生成多項式G（X）去除它，若能除盡，即余數為

0,表明傳輸正確；否則若有余數，則傳輸有錯誤，再請求重傳。

教學后記

授課章節第3章網絡體系結構

授課內容

首授班級首授時間課時4學時

1.理解網絡體系結構概念。

2.理解網絡協議的概念。

知識目標3.掌握ISO/OS［參考模型的層次結構和各層的功能。

4.掌握TCP/IP體系結構的各層的功能。

5.掌握IP地址的概念、子網掩碼及下一代IPv6的概念。

1.能夠清晰地描述ISO/OSI參考模型與TCP/IP體系結構的共同點和差別。

能力目標2.能夠進行簡亙的網絡設計及進行了網的規劃。

3.能夠清晰的描述IPv4和IPv6的差別。

教學重點TCP/IP體系結構

教學難點IP地址、子網規劃

教學地點教具教案、演示課件

第三章網絡體系結構

3.1網絡體系結構概述

網絡體系結構CNA（ComputerNetworkArchitect）是指為了完成計算機之間的通信，把

每臺計算機互連的功能劃分成有明確定義的層次，并規定了同層次進程通信的協議及相

鄰之間的接口及服務，用分層研究方法定義網絡各層的功能，各層協議和接口的集合。

3.1.1分層結溝

分層可以把一個復雜的大系統分解為若干個容易處理的小系統，然后逐個解決。計算機

網絡體系結構就采用分層的方法。

1.為什么要采用分層結構

分層結構是處理復雜問題的一種有效方法，合理的層次結構，優點如下所述。

（1）易于實現和維護。

教學過程

（2）各層功能明確，相對獨立。

（3）靈活性好。

（4）易于標準化工作。

2.分層的原則

計算機網絡分層時要遵循原則，如下所述。

（1）結構清晰，層數適中。

（2）層間接口清晰，跨越接口的通信量盡可能少。

（3）每一層都通過層間接口使用下層的服務，并為上層提供服務。

（4）網絡中各節點都有相同的層次，各個節點的對等層按照協議實現對等層之間的通

信。

3.層次結構中的相關概念

計算機網絡的層次結構相關的概念，如下所述。

(1)實體(Entity)(>

(2)協議(Protocol)o網絡協議就是使計算機網絡能協同工作實現信息交換和資源共

享必須遵循某種互相都能接受的規則、標準或約定。

網絡協議的3要素分別是語法、語義和同步。

語法(Syntax)規定通信雙方“如何講”，確定數據與控制信息的結構、格式、信號電平

等，一般以二進制形式表示。語義(Semantics)規定通信雙方“講什么”，確定協議元

素的種類，即需要發出何種控制信息，完成何種動作及做出何種應答。同步(Timing)

包括速度匹配和排序等，即事件實現順序的詳細說明。

(3)接口(Interface)。

(4)服務(Service)。

3.1.2層次結溝模型

層次結構一般以垂直分層模型來表示，如圖3-1所示。

(1)除了在物理介質上建立的物理連接是實通信外，其它各對等層之間的連接都是建

立在邏輯連接上的虛通信。

(2)各對等層間的虛通信必須遵循層的協議。

(3)n層的虛通信是通過n層和n-1層間接口處n-l層提供的服務以及n-1層的通信來

實現的。

在圖3-1所示的結構中，n層是n-1層的用戶又是n+I層的服務提供者。n+1層直接使

用n層的服務，間接使用了n-1層及以下所有各層的服務。

圖3-1網絡分層結構示意圖

3.20sl參考模型

開放系統互聯參考模型（0SI/RM）。這是一個標準化開放式計算機網絡層次結構模型,

只要遵循OSI標準，世界上任何地方的兩個系統都能夠互相連接通信。

3.2.10SI/RM結構

圖3-20SI七層參考模型

3.2.20SI/RM各層功能簡介

0SI參考模型將計算機網絡分為7層，從底層開始各層所要完成的功能，如下所述。

1.物理層

(1)機械特性

(2)電氣特性

(3)功能特性。

(4)規程特性。

物理層協議標準中規定的機械特征，如圖3-3所示。

目

I,1

AN片

0?釧

圖3-3物理層協議標準

2.數據鏈路層

在物理層提供比特流傳輸服務的基礎之上，數據鏈路層通過在通佶的實體之間建立數據

鏈路連接傳輸稱為“幀"（Frame）的數據單元，

FAC）HI卜

口瞄|一檻|髭也|順創闞|M柬標.廠

圖3-4一般的幀格式

數據鏈路層主要完成數據鏈路的建立、維持和釋放、流量控制、差錯控制等功能，在局

域網的標準中，數據鏈路層分成兩個子層：邏輯鏈路控制子層（LogicLinkConirol,LLC）

和介質訪問控制子層（MediaAccessControl,MAC）。

3.網絡層

網絡層是OSI參考模型的第三層，傳輸的數據單元是數據包（Packet）也叫分組。網絡

層要涉及不同網絡之間的數據傳送，網絡地址（IP地址）也是網絡層協議的重要內容,

（1）IP地址尋址。

（2）路由選擇

（3）流量和擁塞控制

4.傳輸層

傳輸層傳輸的信息單位被稱為報文（Message）,其功能是提供無差錯的可靠的端到端的

服務，提供端到端的差錯控制和流量控制。

5.會話層

會話層的作用是建立、維護、和釋放面向用戶的連接，并且對會話質量進行管理和控制,

保證會話數據可靠傳輸。

6.表不層

表示層的作用是處理傳輸信息的語法和語義，就是從一個系統應用層發出的信息能被另

一個系統的應用層所識別。這就要涉及到數據的編碼和譯碼、數據的加密和解密、認證

和數據壓縮與解壓等問題。表示層的工作，如圖3-5所示。

1.網絡接口層

TCP/IP的網絡接口層和OSI/RM的物理層及數據鏈路層對應，該層沒有具體的特定協

議，只是給出了支持物理通信的網絡接口，基本上已有的各種邏輯鏈路控制和介質訪問

控制協議都支持。例如，X.25、幀中繼、ATM和Ethernet都可以運行在TCP；IP架構網

絡上。

2.網際層

網際層是TCP/IP體系結構的關鍵，主要負責生成IP數據報、1P尋址、路由選擇、校驗

數據報有效性、分段和包重組等功能。可以把數據報從源主機發送到FI標主機，不管源

主機與目標主機在相同的網絡上還是在不同的網絡上。網際層包含了幾個核心協議有因

特網協議IP、因特網控制報文協議ICMP、地址解析協議ARP、反向地址解析協議RARP

和因特網組報文協議IGMPo

(1)因特網協議IP(InternetProtocol)。

(2)因特網控制報文協議ICMP(InternetControlMessageProtocol)o

(3)地址解析協議ARP(AddressResolutionProtocol)o

(4)反向地址解析協議RARP(ReverseAddressResolutionProtocol)o

(5)因特網組報文協議IGMP(InternetGroupManagementProtocol)

3.傳輸層

傳輸層的功能是提供從發送主機應用程序到接收主機應用程序的通信，被稱為端到端的

通信。在傳輸層中，TCP/IP定義了兩個主要的協議為傳輸控制協議TCP和用戶數據報

協議UDP。

■□□n:

IH

圖3-8三次握手

4.應用層

應用層中的協議很多，而且一直在開發新的協議，常見的協議有負責文件傳輸的協議

FTP(FileTransferProtocol),負責郵件發送和接受的協議SMTP(SimpleMailTransfer

Protocol)和POP(PostOfficeProtocol),負責域名系統解析的協議DNS(DomainName

System),負責超文本文件傳輸的協議HTTP(HyperTextTransferProtocol),負責動態主

機地址分配的DHCP(DynamicHostConfigurationProtocol),以及遠程登錄訪問協議

TELNET(TelecommunicationsNetwork)等等。

3.3.3TCP/IP和OSI/RM的比較

TCP/IP協議各層的功能，如圖3-9所示。

一■二

?二伶?

圖3-9TCP/IP協議各層的功能

TCP/IP和OSI/RM在設計上采用的都是分層的方法，但層次劃分和使用協議上都有不

同之處。OSI/RM的層次過多，太過復雜難以實現。TCP/IP模型是在Internet的發展中

逐漸完善的，是一個先有協議應用再總結出的模型，存在一些先天的不足，總的來說兩

種模型比較如下所述。

(1)在OSI/RM模型有7層，而TCP/IP模型只有4層。

(2)在OSI/RM參考模型中，服務、接口和協議的概念區分很清楚，每一層都為其上

層提供服務，服務的概念描述了該層所做的工作，并不涉及服務的實現以及上層實體如

何訪問的問題。接口定義了服務訪問所需的參數和期望的結果，也不涉及到某層實體的

內部機制,只要能夠完成它必須提供的功能，對等層之間可以采用任何協議。

(3)OSI/RM參考模型是在其協議被開發之前設計出來的，這意味著OSI/RM模型并

不是基于某個特定的協議集而設計的，因而它更具有通用性。而TCP/IP模型正好相反。

先有協議，模型只是現有協議的描述，因而協議與模型非常吻合。TCP/IP模型不是通

用的，它在描述其他非TCP/IP網絡時用處不大。

3.41P地址

作為Iniernet通信基礎的TCP/IP協議簇，網際協議IP是一個關鍵的低層協議。IP協議

的主要功能是尋址，提供了能適應各種各樣網絡硬件的靈活性，并且對底層網絡硬件幾

乎沒有任何要求。IP地址是IP協議提供的一種統一的地址格式，它為互聯網上的每一

個網絡和每一臺主機分配一個邏輯地址，以此來屏蔽物理地址的差異。每臺聯網的計算

機都需要有IP地址，才能正常通信。

計算機網絡通信通過名字查找主機的，名字在網絡系統中必須具有唯一性，就像我們要

寄信給某人一定要知道對方的地址一樣。名字有面向機器和面向人的兩類，面向機器的

名字有物理地址和1P地址，面向人的名字是域名。

3.5.1物理地址

網卡地址由48位二進制數字組成（用12位十六進制數表示），高24位二進制是由IEEE

分配的網卡生產廠商地址，低24位是由網卡生產廠商自己定義的地址，一般是生產的

序列號，每一個網卡的物理地址在全球都是唯一的，如圖3-10所示。

IEEE分配廠商自己分配

圖3-10物理地址分配

圖3-11物理地址

3.5.2IP地址

IP協議規定網絡內IP地址是唯一確定一臺主機的標識符，在同一個網絡內不允許有兩

臺主機有相同的IP地址。當前主流的IP協議是IPV4版本。

11001010.11IOIOO.OOOIOOIO.OOIOII10

二進制轉換為

點分十進制

圖3-12IP地址的點分十進制表示法

按照網絡規模的大小，IP地址分為A類、B類、C類、D類和E類共5類，如圖3-13

(b)所示。

(a)IP地址組成

(b)IP地址分類

圖3-13