网络概论基本知识.doc

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1、Chapter 1 计算机网络概论1.1 计算机网络在信息时代的作用一、信息时代的特征数字化、网络化、信息化二、网络发展趋势三网合一(电信网络、电视网络、计算机网络)三、信息基础设施建设NII(National Information Infrastructure)、GII1.2 计算机网络的产生与发展1.2.1 计算机网络的产生与发展 一、面向终端的以单计算机为中心的联机系统通信技术与计算机技术的结合 公用电话网 T M M PSTN 前端机 计算机 T M M 发展演变：线路控制器 多重线路控制器 前端机(局域网中是网卡) 注：终端一侧可以使用集中器图1-1 面向终端的联机系统二、计算机-

2、计算机网络分组(包)交换网络1交换的概念按照某种方式动态地分配传输线路的资源。2电路交换的缺点 Host Host Host Host Host Host Host 路由器/网关图1-2 分组交换网3Packet-Switchingl Store-and-Forwardl 特点：高效、灵活、迅速、可靠 时间延迟、开销(报头)4电路交换、报文交换、分组交换的比较三、Standard NetworkISO/OSI RM(Open Systems Intercon-nection Reference Model)IEEE 802(局域网标准)TCP/IP1.2.2 什么是计算机网络 一、计算机网络的

3、定义 为了资源共享和相互通信而用通信介质连接起来的具有自主运行能力的计算机系统的集合。 1Transmission Media：有线（同轴电缆、双绞线、光纤）、无线（红外线、激光、微波） 2Characters：各计算机身份平等，无主从关系。二、与分布式计算机系统的区别 1Distributed System：CPU距离近，用并行总线连接；在操作系统协调下各CPU协作运行 2Computer Network：CPU耦合松散，串行电缆连接，速度慢；各计算机同时、独立运行 三、与多终端分时系统的区别 1多终端系统：终端无数据处理能力，分时共享主机CPU2Computer Network：工作站有自

4、己的操作系统，具有数据处理能力，可以相对独立地运行1.2.3 因特网时代一、 第一阶段1 1969年：单一的ARPANET2 1983年：引入TCP/IP，划分为ARPANET和MILNET3 1990年：ARPANET关闭二、 第二阶段三级结构的因特网(主干网、地区网、校园网)1 1986年NSF(National Science Foundation)建成NSFNET，56kb/s，收费2 1989年：T1速率(1.544Mb/s)3 1993年：T3速率(45 Mb/s)三、 第三阶段多级结构的因特网1 结构第一级：NAP第二级：主干网第三级：地区ISP(Internet Service

5、 Provider)第四级：本地ISP第五级：园区网络2 速率1996年：155Mb/s1999年：2.5Gb/s3 World Wide Web(WWW) 1993年：CERN(欧洲粒子物理实验室)开发，使用HTTP协议和浏览器(Browser)1.2.4 因特网的标准化RFCRequest For Comment一、 组织机构1 因特网协会ISOC(Internet Society),1992年，职能是全面管理2 因特网体系结构委员会IAB(Internet Archtecture Board)技术组织(1) 因特网工程部IETF(Internet Engineering Task For

6、ce)标准制订由IESG(Internet Engineering Steering Group)管理(2) 因特网研究部IRTF(Internet Research Task Force)理论研究由IRSG(Internet Research Steering Group)管理二、 标准制订过程1. 因特网草案(Internet Draft)2建议标准(Proposed Standard)3草案标准(Draft Standard)4因特网标准(Internet Standard)1.2.5计算机网络在我国的发展一、发展1989年：CNPAC1993年：CHINAPAC1994年4月：接入In

7、ternet(64kb/s专线)1994年9月：CHINANET启动二、建成的网络CHINANET、CERNET、CSTNET、UNINET、CNCNET、CIETNET、CMNET、CGWNET、CSNET1.3 计算机网络的功能和类型1.3.1 The Functions of Computer Networks(计算机网络的功能)一、Data Communication：FTP，E-mail，Telnet、WWW、BBS等 二、资源共享：程序、数据、硬件（打印机、硬盘等）共享三、分布式处理：在分布式操作系统支持下，各计算机协作执行大型任务四、提高系统的可靠性1.3.2 The Type

8、of Computer Networks(计算机网络的类型) 一、按网络的覆盖范围划分 1Local Area Networks（LANs）：几公里范围，数据传速可达10Mbps、100Mbps、1000Mbps 2Metropolitan Area Network（MAN）：一二百公里范围内，一般用光纤做传输介质3Wide Area Network（WAN）：国家、洲际、世界范围，速度可达155Mbps、622Mbps4Access Network(AN)：最后一公里 二、按信息的交换方式划分 1Circuit-Switching(线路交换)：类似电话系统，在收、发方之间建立专用的通信链路

9、2Packet Switching：采用“store-and-forward”方式交换数据。这种方式又分为：(1) Datagram(Connectionless Service)：采用“存储转发”方式，分组不保序l 数据报l 证实交付(可靠的数据报)要求服务层对上层的报文/分组进行证实l 请求回答要求接收方对每个报文/分组进行确认 (2) Virtual Circuit(Connection-oriented Service):收发方建立专用的通信链路，分组保序 三、按网络的拓朴结构划分 a. Bus b. Star c. Ring d. IrregularFig 1-3 Network T

10、opology 按拓扑可把网络划分为总线结构网络、树形(星形)结构网络、环形结构网络、网状结构网络。 1Bus topology：各计算机挂挂接在一根公用的输介质上，分时共享传输介质 2Star(Tree) topology：各计算机分别与中央节点（计算机）连接，呈辐射状 3Ring Topology：传输介质为闭合回路，各计算机通过接口连接在传输介质上 4网状结构：一般为不规则的网状结构，用于广域网中 因为共享公用的传输介质，总线、星型、环型结构网络中存在如何分配介质使用权的问题。广域网采用网状结构，存在着如何为所传输的信息选择路径的问题。四、按使用范围划分1 Public Network(

11、公用网络)2 Private Network(专用网络)1.4 计算机网络的主要性能指标1.4.1 带宽(bandwidth)一、 带宽的概念通信线路允许通过的信号的频率范围，单位是赫兹(Hz)二、 数字信道的带宽数据速率，单位是b/s1.4.2 时延(delay/latency)一、 时延的概念一个报文(分组)从网络(链路)一端传送到另一端的时间二、 时延的组成1发送时延：数据块长度/信道带宽2传播时延：信道长度/电磁波在信道中的传播速率3处理时延：分组在交换节点中存储转发处理花费的时间1.4.3 时延带宽积和往返时间一、 时延带宽积=传播时延*带宽二、 往返时延(Round-Trip Ti

12、me)发送数据开始到收到接收方确认所经历的时间1.5 计算机网络的组成 从功能上把网络分为通信子网和资源子网两部分。通信子网实现数据传输功能；资源子网面向用户，提供、管理并支持网络资源共享。1.5.1 Communication Subnet(通信子网) Includes Transmission media、Network adapter、Modem、Repeater、Bridge、Router and Gatway。 一、Transmission Media(传输介质) 1Wire Media(有线介质) Coaxial Cable(同轴电缆)-细缆、粗缆 Twisted Pair(双绞线

13、)-STP(屏蔽双绞线)、UTP(非屏蔽双绞线) 10 BASE-T标准-10Mbps，Baseband，100m/Segment，T-Twisted Pair Optical Fiber(光纤)FDDI 2. Wireless media(无线介质) Infrared Rays(红外线) Laser(激光) Microwave(微波) 二、Repeaters(中继器)再生放大数字信号，扩大网络覆盖范围 三、Hubs(集线器)也叫做集中器，用于星型结构的网络，通过双绞线连接各计算机 四、网络互连设备1. Bridges(网桥)用于连接同构局域网，扩大网络的覆盖范围，减小网络信息流量 2Rout

14、ers(路由器)主要作用是路径选择，一般用于与广域网的连接3 Gateway(网关)功能是实现不同网络协议之间的转换，用于不同类型的网络 五、Modem把数字信号转换为模拟信号，或把模拟信号转换为数字信号(拨号方式上网)1.5.2 Resource Subnet(资源子网) 由各种服务器、客户机（工作站）、打印机等组成。 一、Hosts即网络中的计算机以服务器或客户机（工作站）的形式出现。二、Other hardwerePrinters and 存储设备等。 三、Network softwere 1. Network Operating System(NOS：网络操作系统) 管理网络中的软硬件

15、资源，支持资源共享和网络通信，如NetWare、Windows NT、UNIX等。 2Communication Softwere(通信软件) (1) Browsers：支持用户在WWW网络中浏览多媒体信息，查询信息 (2) FTP：从网络中下载文件，或向网络中上传文件 (3) Telnet：使用户计算机成为网络中主机的终端 四、Network Database Systems(网络数据库系统) 管理文本及多媒体数据，支持用户查询数据库中的信息。1.5 Computer Network Architecture(计算机网络体系结构)1.5.1 计算机网络体系结构的形成一、Protocols(协

16、议)通信双方应共同遵守的规则和约定。 协议三要素:1. Syntax（语法）Includes such things as data formation and signal levels2. Semanttics(语义)Includes control information for coordination and error handling3. Timing(时序)Includes speed matching and sequencing 二、Network Architecture(网络体系结构) 实现通信功能的硬件和相应软件的逻辑功能的层次划分及其协议的集合，叫做网络体系结构。

17、三、The development of Network Architecture(网络体系结构的发展)1 ARPANET(1969年)2 IBM SNA(1974年) and DEC DNA3 ISO OSI/RM(1983年) Opne System Interconnection Reference Model4 IEEE 8025 TCP/IP(工业标准)1.5.2 划分层次的必要性一、 各层之间独立，可灵活实现，易于维护各层的主要功能：连接建立和释放、差错控制、流量控制、分段和重装、复用和分用。二、 易于标准化1.5.3 开放系统互连参考模型(OSI/RM) 一、The concep

18、t of open system(开放系统的概念) 遵循网络互联协议标准的实系统；系统网络互连部分。 二、The Reference Models of Open Systems Interconnection(ISO OSI/RM) ISOInternational Standards OrganizationHost A(端开放系统) Host B(端开放系统) Application A层协议 应用层A Presentation P层协议 表示层P Session S层协议 会话层S Transport T层协议 传输层T Network N N 网络层N Data Link DL DL

19、 DL 数据链路层DL Physical PH PH PH 物理层PH 通信子网 中继开放系统 中继开放系统 中继开放系统 图1-4 OSI/RM 三、The Layers of OSI/RM(各层概述) (一) Physical Layer(物理层) 1. DTE and DCE (1) Data Terminal Equipment(DTE：数据终端设备) (2) Data Circuit Terminal Equipment(DCE：数据电路端接设备) 2. Physical Layer functions(物理层功能)(1) 物理链接的建立与拆除(2) 物理数据单元的传输(3) 物理层

20、管理(功能激活、差错控制等)3. Services of Physical Layer(物理层提供的服务)(1) 物理链接(点-点连接、多点连接、动态连接、永久连接等)(2) 物理服务数据单元(3) 顺序化处理(与发送的顺序一致)(4) 数据电路标识(5) 故障情况报告(6) 服务质量指标 (二) Data Link Layer(数据链路层) 1. 数据链路层的功能与服务(1) 数据链路的建立与释放(2) 数据链路数据单元的封装(3) 帧同步(4) 帧顺序和流量控制(5) Error Control(差错控制) 2. 数据链路层协议(1) 面向字符的通信规程 不是起止式的单个字符传输，而是把若

21、干字符组成一个信息块帧。(2) 面向比特的通信规程HDLC(高级数据链路控制规程) (三) The Network Layer(网络层) 1网络层的功能(1) 网络连接的建立与拆除(2) 路径选择和中继(3) 网络连接多路复用(4) 数据分段和重组(5) 传输和流量控制(6) Error control(差错控制) 2. Routing(路由选择) 3. Congestion Control(拥挤控制) (四) The Transport Layer(传输层主机到主机的层次) 1. 传输层的功能 (1) 映射传输地址到网络地址 (2) 多路复用与分割 (3) 传输链接的建立与释放 (4) 数据

22、分段与重新封装 (5) 组装与拆分 (五) The Session Layer(会话层进程对进程的层次) 1会话层的功能(1) 会话连接到传输连接的映射(2) 数据(常规数据、加速数据、特权数据和能力数据)传输(3) 会话连接的恢复与释放(4) 会话管理 2数据令牌和数据交换在交互式半双工通信中，用数据令牌控制常规数据的传输，实现数据发送权的轮换。 (六) The Presentation Layer(表示层)1. 数据语法的表示抽象的标准语法(ASN 1)2. 数据语法转换抽象语法标记到传输语法的转换3. 管理所需要的数据结构集合4. 数据加密和压缩 (七) The Application

23、Layer(应用层直接为用户的应用进程提供服务) 应用层只保留了进程中与进程交互相关的部分，对各种经常使用的功能及其协议进行了标准化。 Application Layer Protocols(应用层协议)1. 文件传输、存取和管理FTAM2. 虚拟终端协议TELNET3. 报文处理系统HMS5. 作业传递与操作6. 事务处理TP1.5.4 实体、协议、服务和服务访问点1 端开放系统信源、信宿计算机系统2 中继开放系统中继交换系统(路由器、交换机等)3 对等层间协议及PDU(1) Protocols(协议)控制两个对等实体进行通信的规则的集合。(2) Protocol Data Unit(PDU

24、: 协议数据单元)对等层之间传输的数据单位。4 Transmission(通信过程)5 实体、协议、服务、服务访问点、服务数据单元(1) Entity(实体)任何可以发送和接收信息的硬件或软件进程。(2) Service(服务)下层通过接口提供给上层的功能。(3) Service Access Point(服务访问点)同一实体中相邻两层的实体进行交互的地方(一个逻辑接口)。(4) Service Data Unit(SDU:服务数据单元)上下相邻的层之间交换数据的单位。(5) Service Primitives(服务原语)上层使用下层服务时，上下两层之间所交换的命令与响应。 Request(

25、请求)An entity wants the service to do some work Indication(指示)An entity is to be informed about an event Response(响应)An entity wants to respond to an event Confirm(证实)The response to an earilr request has come back1.5.5 TCP/IP Reference Models一、层次划分Application Layer(DNS、TELNET、FTP、SMTP、HTTP等)运输层：TCP、

26、UDP网际层：IP、ICMP、ARP、RARPNetwork Access Layer图1-5 TCP/IP Reference Model共4层：应用层、运输层、网际层、网络接口层。二、Protocols(各层协议)1Application Layer2Tansport LayerTCP = Transmission Protocol3Internet LayerIP = Internet Protocol UDP = User Datagram ProtocolICMP = Internet Control Message Protocol BGP = Border Gatway Prot

27、ocolIGMP = Internet Group Management Protocol RARP = Reverse Address Resolve ProtocolARP = Address Resolve Protocol OSPF = Open Shotest Path First4Network Access LayerFTP = File Transfer Protocol SMTP = Simple Mail Transfer ProtocolHTTP = HyperText Transfer Protocol 1.5.6 面向连接服务与无连接服务1.6 应用层的客户/服务器方

28、式一、基本原理客户与服务器网络通信所涉及的两个应用进程(运行中的程序)二、客户软件和服务器软件的特点第二章 Physical layer数据通信基础知识2.1 Data Communications System(数据通信系统概述)2.1.1 数据、信息与信号的概念 一、数据、信息与信号的概念1 Information信息是我们要表达的意义，一般体现为一个判断句，例如，张强是北京人2 Data数据是信息的表示形式，是信息的载体。包括文字、图形及电、磁、声、光等3 Signals信号是数据在通信系统中传输时的表现形式，一般是电磁波或线路编码二、信号的类型1 Analog Signals连续变化的

29、信号，如电压、电流等信号，波形为连续曲线2 Digital Signals取值是离散的，值的大小用离散的数字化(0和1)的状态表示三、什么是数据通信数字化通信，是与语音通信技术相对的一种现代通信技术。2.1.2 物理层规程一、物理层的功能屏蔽物理介质及接口的差异，在连接计算机的介质上传输数据位流。1. 物理链接的建立与拆除2. 物理数据单元的传输3. 物理层管理(功能激活、差错控制等)二、Physical procedure(物理层规程)1. 机械特性网络接口部件、传输介质的结构、尺寸2 电气特性0和1的表示3 功能特性引脚的信号分配：数据线、控制线、地址线等4 规程特性信号及其操作的时序2.

30、2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统模型 一、数据通信系统的结构 信源 变换器 信 反变换器 信宿 信宿 反变换器 道 变换器 信源 发送/接收方 噪声源 接收/发送方 图2-1 通信系统一般结构二、数据通信系统的组成1 Data Transmission System(数据传输系统)(1) Transmission Line(传输线路)(2) Modem(3) 多路复用器(4) (程控)交换机/Routers/Gatways2 数据处理系统(1) Terminals(终端设备)(2) Hosts(计算机系统)三、数据的传输(数据与信号的组合)见P35图2-2(1) 模拟数据模拟信号

31、(2) 模拟数据数字信号(3) 数字数据模拟信号(4) 数字数据数字信号2.2.2 与信道有关的基本概念一、信道与电路信 道：信息传输的通道；包括有线信道和无线信道。信道与电路：一条电路至少包含一个信道，信道是电路的逻辑组成部分。二、信息交换的基本方式1Simplix communication(单工方式：单向传输)2Half-duplex communication(半双工方式：轮流着在两个方向上传输)3 Full-duplex communication(全双工方式：双向同时传输)三、数字信道和模拟信道 1Digital Channels(数字信道)信道中传输的是数字信号 2Analog

32、Channels(模拟信道)信道中传输的是模拟信号四、基带信号和宽带信号1 基带信号数字信号Baseband(基带)：“0”、“1”方波固有的频带。Baseband Signals(基带信号)：方波电信号，用两种不同的电压表示数字信号0和1。Baseband Transmission(基带传输)：在信道上直接传输数据的基带信号。2 宽带信号模拟信号，带宽至少为0Hz-300MHz，可用子频带传输音频、视频和数字信号3 频带传输信道中传输的是音频模拟信号五、信号带宽和信道宽带1Bandwith of Signal(信号的带宽)信号的频率范围2Bandwidth of Channel(信道的带宽)

33、能够通过信道的信号的频率范围2.2.3 信道的最高码元传输速率 一、传输速率1 波特率(码元速率)RB(1) 什么是码元？(2) 波特率每秒种传输的码元个数，单位为baud。 RB =，T码元的周期。2 数据速率(比特率)Rb每秒种传输的二进制位数，单位为bpsRb= RBlog2M ，M是码元状态个数。二、理想低通信道的最高码元传输速率(Nyquist Bandwidth C)奈氏准则 理想低通信道的最高码元传输速率C=2W Baud， W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。 理想带通(矩形特性)信道的最高码元传输速率C=W Baud2.2.4 信道的极限信息传输速率一、信道的极限信息传输速率

34、C Shannon定理： bps WBandwidth of Channel(信道的带宽)； S/NSignal-to-noise ratio(信号的平均功率/高斯噪声功率)。二、差错率错误比特占所接收的总比特的百分比。一般要求在十万分之一以下。2.3 Transmission Media(传输介质)f(Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 无线电 微波 红外线 X射线 射线 可见光 紫外线f(Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 101

35、5 1016双绞海事无线线 调电无同轴频线电电缆 调 无频线电电视卫星地面微波光纤图2-2 电磁波的频谱及相应的应用领域2.3.1 Twisted Pair(双绞线) 一、结构与类型1 结构2 类型(1) UTP(Unshielded Twisted Pair)100(2) STP(shielded Twisted Pair)150表2-1 EIA/TIA-568规范的UTP分类类别特性用途3类线直径：24AWG，最高模拟信号频率：16MHz在5 16MHz频带内，长度可达90米可传输语音或最高10 Mbps的数字信号10BASE-T、令牌环(4Mbps)100VG-AnyLAN25Mbps的

36、ATM-LAN4类线直径：24AWG，最高模拟信号频率：20MHz在10 20MHz频带内，长度可达90米可传输语音或最高16 Mbps的数字信号上述所有LAN令牌环(16Mbps)5类线直径：22AWG/24AWG，最高模拟信号频率：100MHz在20 100MHz频带内，长度可达90米可传输语音或最高100 Mbps的数字信号上述所有LAN100BASE-TX、FDDI TP-PMD155.5/622Mbps的ATM-LAN5E类增强型5类UTP，特性与5类基本相同，改善了近端串音、远端串音等功能上述所有LAN6类性能比5类大幅度改善，用于1000Mbps、1.2Gbps的ATM等高速网络

37、上述所有LAN1000BASE-T、1.2Gbps ATM注：AWGAmerican Wire Gauge(美国线规)EIA/TIA-568Commercial Building Telecommunications Cabling Standard(商用建筑物电信布线标准) EIA(Electronic Industries Association) TIA(Telecommunications Industries Association) RJ-45：RJ(Registered Jack-注册的插头/座) 二、配置标准10 BASE-T、100 BASE-T、1000 BASE-T2.3

38、.2 Coaxial Cable 一、50 Coaxial Cable1 结构2 配置标准10 BASE-5：100个收发器/Segment；50米/收发器电缆；15针/AUI连接器 10 BASE-2 ：RG58A/U、RG58C/U(R:Radio;G:Government;U:通用工具;A、C:版本号)二、75同轴电缆(宽带同轴电缆)1 Frequency(频率范围) 300450MHz(300MHz带宽可以支持150Mbps的数据速率，一路电视信号占用6MHz带宽)。2 传输距离100km。2.3.3 Optical Fiber 一、Characteristics1 抗电磁干扰性能好2

39、 保密性能好3 传输损耗小，传输距离长4 带宽宽(三个波段中心：850nm、1300nm、1550nm，每个波段带宽25000-30000GHz)5 体积小，重量轻6 Shortages：光电接口比较贵；连接光纤需要专用设备 二、结构纤芯、包层见P44图2-10。入射角大于某个临界值，就会产生全反射。 三、类型1 Multimode Optical Fiber(多模光纤)能够传输许多不同入射角度光束的光纤(可以使用发光二极管作光源)。2 Single-mode Optical Fiber(单模光纤)直径只有光的波长大小的光纤，使用半导体激光器作为光源。2.5Gbps速率下可传输几十公里。四、光

40、纤的连接T形接头、环路1无源连接2有源连接2.3.4 地面微波接力通信微波(300MHz300GHz)通信(常用的是240GHz) 一、传输距离50km(使用100m高的天线，可以达到100km)。使用中继站进行接力通信。 二、Characters 1Advantages(1) 微波波段频率很高，频段范围大，信道容量大(9602700路语音信息/46GHz)；(2) 工业和雷电干扰频率低，对高频微波危害小，通信质量高；(3) 投资少，见效快。 2Shortages(1) 相邻中继站之间不能有视线障碍物；(2) 有时通信会受到恶劣天气的影响；(3) 与电缆系统相比，隐蔽性、保密性较差；(4) 中继站的维护需要一定的人力物力。2.3.5 Satellite Microwave(卫星通信)微波通信 1Characters(1) 用同步人造卫星(36000km)作中继器，通信覆盖区域跨度大(达18000公里)。在赤道上空的同步轨道间隔120度放置3颗卫星，就可以覆盖全球。表2-2