《計算機網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)（第4版）》全套教學(xué)課件

《計算機網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)》第1章緒論

第1章緒論第2章物理層通信第3章數(shù)據(jù)鏈路控制第4章局域網(wǎng)第5章網(wǎng)絡(luò)互連及其協(xié)議第6章路由技術(shù)第7章網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)第8章網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及其協(xié)議第9章網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)第10章新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全套可編輯PPT課件計算機網(wǎng)絡(luò)已成為迅速發(fā)展并在信息社會中得到廣泛應(yīng)用的一門綜合性學(xué)科，所涉及的內(nèi)容比較廣泛。從某種意義上講，計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展水平不僅反映了一個國家計算機科學(xué)和通信技術(shù)的水平，同時也是衡量其國力及現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志之一。本章在簡單介紹計算機網(wǎng)絡(luò)誕生及發(fā)展過程的基礎(chǔ)上，闡釋計算機網(wǎng)絡(luò)的定義、功能、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成、計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)等基本概念，討論計算機網(wǎng)絡(luò)研究的理論問題，并給出全書的內(nèi)容知識架構(gòu)。引言了解計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展簡史；掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的基本概念；掌握計算機網(wǎng)絡(luò)的組成、體系結(jié)構(gòu)；了解計算機網(wǎng)絡(luò)的基本理論問題。第1章緒論計算機網(wǎng)絡(luò)的定義，計算機網(wǎng)絡(luò)的組成；計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)；研究計算機網(wǎng)絡(luò)的基本理論問題及其解決方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)關(guān)鍵知識點1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的誕生與發(fā)展1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的基本概念1.3計算機網(wǎng)絡(luò)的組成1.4計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)1.5計算機網(wǎng)絡(luò)的基本理論問題本章小結(jié)思考與練習(xí)第1章緒論計算機技術(shù)與通信技術(shù)（C&C）的緊密結(jié)合，形成了現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程是計算機技術(shù)與通信技術(shù)的融合過程。20世紀(jì)60年代，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)萌芽；20世紀(jì)70年代興起，以試驗網(wǎng)絡(luò)為主，出現(xiàn)了計算機局域網(wǎng)；20世紀(jì)80年代，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定了計算機網(wǎng)絡(luò)的開放型互聯(lián)參考模型，學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)得到了飛速發(fā)展；90年代以商業(yè)網(wǎng)絡(luò)為主，Internet空前普及推廣，Web技術(shù)在Internet/Intranet中得到廣泛應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、新一代移動通信技術(shù)的誕生，計算機網(wǎng)絡(luò)已發(fā)展成為信息社會的重要基礎(chǔ)設(shè)施。1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的誕生與發(fā)展自從1946年馮·諾依曼發(fā)明第一臺存儲程序電子計算機以來，計算機技術(shù)的研究和應(yīng)用取得了迅猛異常的發(fā)展，計算機的應(yīng)用滲透到了各技術(shù)領(lǐng)域和社會的各個方面。早在1951年，美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室就開始為美國空軍設(shè)計稱為SAGE的半自動化地面防空系統(tǒng)，該系統(tǒng)于1963年建成，可以看作計算機技術(shù)與通信技術(shù)的首次結(jié)合。計算機通信技術(shù)應(yīng)用于民用系統(tǒng)的最早范例，是由美國航空公司與IBM公司在20世紀(jì)50年代初期開始聯(lián)合研制、60年代投入使用的聯(lián)機飛機票預(yù)訂系統(tǒng)SABRE-I。1.1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的誕生20世紀(jì)60年代初，世界正處于冷戰(zhàn)時期，美國國防部高級研究計劃局（DefenseAdvancedResearchProjectAgency，DARPA）組織研究了一種受到攻擊仍能有效實施控制和指揮的計算機系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代中期，隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直在迅速發(fā)展。為了在更大范圍內(nèi)實現(xiàn)計算機資源的共享，人們將眾多的局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）、廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork，WAN）互聯(lián)起來，形成了規(guī)模更大的、開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，即常說的Internet網(wǎng)絡(luò)。1.1.1計算機網(wǎng)絡(luò)的誕生1．面向終端的通信網(wǎng)絡(luò)（第一代）面向終端分布的聯(lián)機系統(tǒng)是計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)合的前驅(qū)，它由一臺大型計算機和若干臺遠(yuǎn)程終端設(shè)備通過通信線路連接起來，構(gòu)成面向終端的通信網(wǎng)絡(luò)，解決遠(yuǎn)程信息的收集、計算和處理。較為典型的是1963年美國空軍建立的SAGE，其結(jié)構(gòu)如圖所示。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展2．分組交換網(wǎng)絡(luò)（第二代）1962年至1965年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）和英國國家物理實驗室（NPL）對新型計算機通信網(wǎng)也進行了研究。1969年12月，美國的分組交換網(wǎng)絡(luò)ARPANet投入正式運行，從此計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進入了一個新紀(jì)元。下圖給出了ARPANet存儲轉(zhuǎn)發(fā)、分組交換計算機網(wǎng)絡(luò)的示意圖。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展2．分組交換網(wǎng)絡(luò)（第二代）ARPANET設(shè)計思想：ARPANET分為通信子網(wǎng)與資源子網(wǎng)。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展3．體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)（第三代）20世紀(jì)70年代中期，由于微電子和微處理機技術(shù)的發(fā)展，以及在短距離局部地理范圍內(nèi)計算機間進行高速通信要求的增長，計算機局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運而生。這一階段典型的標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示，其通信子網(wǎng)的交換設(shè)備主要是路由器和交換機。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展4．高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（第四代）從ARPANET到Internet的發(fā)展過程。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展4．高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（第四代）目前，全球以Internet為核心的高速互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)形成，并成為人類最重要的和最大的知識寶庫。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和高速計算機網(wǎng)絡(luò)被稱為第四代計算機網(wǎng)絡(luò)。Internet的一般框架結(jié)構(gòu)如圖所示。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展4．高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（第四代）Internet主干網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展4．高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（第四代）隨著Internet規(guī)模的擴大，網(wǎng)絡(luò)與主機數(shù)量的增多，它所能提供的信息資源與服務(wù)更加豐富。基于Web的電子商務(wù)、電子政務(wù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、基于對等結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，使Internet以超常規(guī)的速度發(fā)展。進入21世紀(jì)，人類社會進入萬物互聯(lián)的時代。物聯(lián)網(wǎng)（

IoT）通過傳感器、設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的連接，實現(xiàn)了設(shè)備間的自動化交互和信息共享，推動了智能家居、智能城市、智能制造等領(lǐng)域的發(fā)展，促進了工業(yè)自動化、健康監(jiān)控、交通管理等行業(yè)的智能化。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展5．下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）從20世紀(jì)末開始，通信網(wǎng)絡(luò)開始討論下一代網(wǎng)絡(luò)（NextGenerationNetwork，NGN）問題。ITU為適應(yīng)電信技術(shù)發(fā)展的需要，在2002年ITU-TSG13年會上的相關(guān)文件中引入了NGN的概念。我國關(guān)于NGN的研究也走在了該領(lǐng)域的前頭。2004年3月，我國的IPv6主干網(wǎng)CERNet2試驗網(wǎng)開通。CERNet2不僅是我國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程CNGI（ChinaNextGenerationInternet）的核心網(wǎng)和全國性學(xué)術(shù)網(wǎng)，也是世界上規(guī)模最大的采用純IPv6技術(shù)的下一代互聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)。1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展6．影響計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要因素影響計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的因素有很多，但應(yīng)用、技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)以及政府的作用是推進計算機網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的關(guān)鍵。用戶的作用技術(shù)的作用政府的作用1.1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展通過計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展史可知，早期制造的計算機，一臺機器由一人使用，這種使用方式效率非常低，因此很快被“計算中心”模式取代。在計算中心模式下，一臺計算機同時供許多用戶使用，以共享計算機系統(tǒng)資源，這是計算機技術(shù)應(yīng)用方式的一次飛躍。為解決計算中心把用戶限制在一個地方和一臺機器上的問題，誕生了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它把許多計算機或計算中心連接起來，其中每一臺計算機都可以通過網(wǎng)絡(luò)為任何其他一臺計算機上的用戶提供服務(wù)。究竟什么是計算機網(wǎng)絡(luò)呢？本節(jié)通過對計算機網(wǎng)絡(luò)定義、功能、分類及其組成的討論，以加深對其基本概念的理解。1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的基本概念什么是計算機網(wǎng)絡(luò)？多年來對這個問題的定義并沒有一個完全統(tǒng)一的描述，所定義的內(nèi)容隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展階段和觀點不同而有所不同。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的不斷深入研究，按照計算機網(wǎng)絡(luò)所具有的特性，人們普遍公認(rèn)的定義：計算機網(wǎng)絡(luò)是利用通信設(shè)備和線路將分布在地理位置不同的、具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)連接起來，在功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件（網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)等）的控制下，進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)資源共享、互操作和協(xié)同工作的系統(tǒng)。1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義對于計算機網(wǎng)絡(luò)這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)，可從以下幾個層面進一步討論，以加深理解。從構(gòu)成要素看（硬件+軟件+協(xié)議）。計算機網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的軟硬件結(jié)合系統(tǒng)，包括硬件、軟件及協(xié)議等要素。硬件要素：包括計算機、服務(wù)器、智能手機、路由器、交換機、集線器、網(wǎng)卡、通信線路（光纖、雙絞線、無線電波）等所有物理設(shè)備與傳輸介質(zhì)。軟件要素：包括實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信所必須的各種協(xié)議和算法。例如TCP/IP協(xié)議族、HTTP、DNS、路由算法、擁塞控制算法等。這是網(wǎng)絡(luò)的靈魂。協(xié)議要素：協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信的規(guī)則。研究如何設(shè)計、實現(xiàn)、分析和優(yōu)化通信規(guī)則，如TCP的可靠傳輸機制、IP的尋址和轉(zhuǎn)發(fā)機制等。1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義（進一步討論）從核心問題看（要解決的關(guān)鍵問題）。計算機網(wǎng)絡(luò)需要解決將大量計算機互聯(lián)時產(chǎn)生的一系列關(guān)鍵問題，包括連通性、可擴展性、資源共享、可靠傳輸、尋址與路由、擁塞控制、網(wǎng)絡(luò)安全等。連通性：最基本的問題是連通性。如何用硬件（如鏈路、路由器）將計算機連接起來？采用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)聯(lián)網(wǎng)？可擴展性：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模從幾個結(jié)點擴展到成千上萬個結(jié)點時，如何保證網(wǎng)絡(luò)仍能高效、穩(wěn)定工作？例如，IPv4到IPv6過渡地址枯竭的擴展性問題。資源共享：如何讓不同的用戶和程序高效、公平、安全地共享網(wǎng)絡(luò)的硬件資源（如打印機、存儲器）和軟件資源（如應(yīng)用、數(shù)據(jù)）？1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義（進一步討論）可靠傳輸：在物理線路可能出錯、設(shè)備可能出故障的不完美環(huán)境中，如何保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、無誤、不丟失、不重復(fù)地到達(dá)目的地？尋址與路由：如何為網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備賦予一個唯一標(biāo)識（地址）？如何為數(shù)據(jù)選擇從源到目的地的最佳或可行路徑？例如IP地址和BGP路由協(xié)議。擁塞控制：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量過大超過其處理能力時，如何避免網(wǎng)絡(luò)性能下降甚至崩潰？網(wǎng)絡(luò)安全：如何保證通信的機密性（不被竊聽）、完整性（不被篡改）、可用性（不被拒絕服務(wù)攻擊）？如何實現(xiàn)身份認(rèn)證和訪問控制？1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義（進一步討論）從層次結(jié)構(gòu)看（核心方法論）。為降低復(fù)雜性，計算機網(wǎng)絡(luò)采用分層的體系結(jié)構(gòu)作為核心研究方法。一般將計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)抽象為如下五層，并稱之為實用參考模型：物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義（進一步討論）從應(yīng)用和服務(wù)看（最終目的）。研究計算機網(wǎng)絡(luò)的最終目的是為了支撐上層豐富多樣的應(yīng)用和服務(wù)，主要包括:Web服務(wù)：萬維網(wǎng)（WWW）及其背后的HTTP/HTTPS協(xié)議。文件傳輸：FTP、P2P等。電子郵件：SMTP、POP3、IMAP等。即時通信：各種社交軟件、視頻會議等。分布式計算與云計算：將海量計算和存儲任務(wù)分布到網(wǎng)絡(luò)中的大量計算機上完成。物聯(lián)網(wǎng)（IoT)：將物理世界中的各種設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上進行數(shù)據(jù)采集和控制。1.2.1計算機網(wǎng)絡(luò)的定義（進一步討論）1．?dāng)?shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信是計算機網(wǎng)絡(luò)最基本的功能之一。它用來快速傳輸計算機與終端、計算機與計算機之間的各種數(shù)據(jù)信息，包括文本、圖形、圖像、音頻、視頻數(shù)據(jù)等。2．資源共享所謂“資源”是指構(gòu)成系統(tǒng)的所有要素，包括硬件、軟件和數(shù)據(jù)。“共享”指的就是網(wǎng)絡(luò)中的用戶都能夠部分或全部地享受這些資源。3．分布式處理分布式處理是指，當(dāng)某臺計算機負(fù)擔(dān)過重時，或該計算機正在處理某項工作時，網(wǎng)絡(luò)可將新任務(wù)轉(zhuǎn)交給空閑的計算機來完成。1.2.2計算機網(wǎng)絡(luò)的主要功能1．按地理覆蓋范圍分類按照計算機系統(tǒng)之間的互連距離和分布范圍，可將計算機網(wǎng)絡(luò)分成局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）和互聯(lián)網(wǎng)。2．按傳輸介質(zhì)分類按傳輸介質(zhì)的不同，計算機網(wǎng)絡(luò)可以劃分為有線網(wǎng)、無線網(wǎng)。3．按數(shù)據(jù)傳輸交換方式分類根據(jù)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳輸交換方式，計算機網(wǎng)絡(luò)可分為電路交換網(wǎng)絡(luò)和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)，其中后者又可分為報文交換和分組交換（數(shù)據(jù)報和虛電路）。1.2.3計算機網(wǎng)絡(luò)的分類4．按網(wǎng)絡(luò)組建屬性分類根據(jù)計算機網(wǎng)絡(luò)的組建、經(jīng)營和管理方式，特別是數(shù)據(jù)傳輸和交換系統(tǒng)的擁有性，計算機網(wǎng)絡(luò)可以分為公用計算機網(wǎng)絡(luò)和專用計算機網(wǎng)絡(luò)兩類。5.互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)是一個全球范圍內(nèi)互聯(lián)的計算機網(wǎng)絡(luò)，通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（如TCP/IP）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和共享，使各類設(shè)備和用戶能夠進行信息交換、通信和服務(wù)訪問。注意區(qū)分通信子網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)這三個概念。1.2.3計算機網(wǎng)絡(luò)的分類與計算機系統(tǒng)一樣，也可將計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分：網(wǎng)絡(luò)硬件及其連接形式對網(wǎng)絡(luò)的性能起著決定性作用，是網(wǎng)絡(luò)運行的主體；網(wǎng)絡(luò)軟件則是支持網(wǎng)絡(luò)運行、提高效益和開發(fā)網(wǎng)絡(luò)資源的工具。1.3計算機網(wǎng)絡(luò)的組成按照分組交換計算機網(wǎng)絡(luò)所具有的數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理功能，可以將其劃分為通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)兩部分，其基本組成結(jié)構(gòu)如圖所示。1.3.1計算機網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)1．資源子網(wǎng)資源子網(wǎng)主要是對數(shù)據(jù)信息進行收集、加工和處理，面向用戶提供入網(wǎng)途徑、各種網(wǎng)絡(luò)資源與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。它包括訪問網(wǎng)絡(luò)和處理數(shù)據(jù)的硬軟件設(shè)施，主要有主計算機系統(tǒng)（主機）、終端控制器和端系統(tǒng)、計算機外設(shè)、有關(guān)軟件與可共享數(shù)據(jù)（如公共數(shù)據(jù)庫）等。從互聯(lián)網(wǎng)的角度來看，資源子網(wǎng)屬于互聯(lián)網(wǎng)的邊緣部分。主計算機系統(tǒng)。終端控制器和端系統(tǒng)。計算機外設(shè)。1.3.1計算機網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)2．通信子網(wǎng)通信子網(wǎng)主要負(fù)責(zé)計算機網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息流的傳輸、交換和控制，以及信號的變換和通信中的相關(guān)處理，間接地服務(wù)于用戶。它主要包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)點及連接這些結(jié)點的通信鏈路等軟硬件設(shè)施。從互聯(lián)網(wǎng)的角度來看，通信子網(wǎng)屬于互聯(lián)網(wǎng)的核心部分。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點。通信鏈路。信號變換設(shè)備。1.3.1計算機網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)拓?fù)鋵W(xué)將實體抽象成與其大小、形狀無關(guān)的點，將連接實體的線路抽象成線，進而研究點、線、面之間的關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫峭ㄟ^網(wǎng)中結(jié)點與通信線路之間的幾何關(guān)系表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，反映出網(wǎng)絡(luò)中各實體之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕侵竿ㄐ抛泳W(wǎng)的拓?fù)錁?gòu)型。拓?fù)湓O(shè)計對網(wǎng)絡(luò)性能、系統(tǒng)可靠性與通信費用都有重大影響。計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是指計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)點和通信鏈路所組成的幾何形狀。1.3.2計算機網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星狀、總線和環(huán)狀，如圖所示；此外，還有樹狀、網(wǎng)狀及混合型結(jié)構(gòu)等。1.3.2計算機網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩層含義，要特別注意它們之間概念的不同。邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指各組成部分的邏輯關(guān)系，即信息如何流動。物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指各組成部分的物理關(guān)系，即物理連接方式。實際上，考慮較多的是通信子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題。一般地講，通信子網(wǎng)可以設(shè)計成點對點通信（Point-to-Point）和廣播通信（Broadcast）兩種通信（信道）類型。點對點通信的特點是一條線路連接一對結(jié)點。廣播信道的特點是只有一條供諸結(jié)點共享的通信信道。任一結(jié)點所發(fā)出的信息報文可被所有其他結(jié)點接收，當(dāng)然對信道需要有一定的訪問控制機制。1.3.2計算機網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1．計算機網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的組成網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)是組成計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。構(gòu)成一個計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，首先要將計算機及其附屬硬件設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)中的其他計算機系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)物理連接。網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)設(shè)備與通信系統(tǒng)設(shè)備組成，不同的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在硬件及其連接方面是有差別的。隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)硬件日趨多樣化，且功能更強，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。常見的網(wǎng)絡(luò)硬件有：計算機（分為服務(wù)器和工作站兩類）、網(wǎng)絡(luò)接口卡、傳輸介質(zhì)、通信設(shè)備以及各種網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備等。1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成1．計算機網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的組成計算機網(wǎng)絡(luò)的常見組成形式：局域網(wǎng)的基本組成：局域網(wǎng)硬件的基本組成包括服務(wù)器（Server）、客戶機（Clients）又稱工作站以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和傳輸介質(zhì)等。一個典型的局域網(wǎng)組成如圖所示。1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成1．計算機網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的組成計算機網(wǎng)絡(luò)的常見組成形式廣域網(wǎng)的基本構(gòu)成：廣域網(wǎng)的地理覆蓋范圍較大，主要由通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)兩部分組成。一個典型的廣域網(wǎng)組成如圖所示。1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成1．計算機網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的組成計算機網(wǎng)絡(luò)的常見組成形式Internet的基本構(gòu)成：Internet是一個世界范圍的廣域計算機網(wǎng)絡(luò)，也就是說，它是一個互連了遍及全世界數(shù)以百萬計的計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。一個典型的Internet的基本硬軟件構(gòu)成如圖所示。1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成2．計算機網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)的組成利用計算機網(wǎng)絡(luò)進行通信時，需要控制信息傳送的協(xié)議以及其他相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)軟件。計算機網(wǎng)絡(luò)軟件是實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)功能所不可缺少的軟環(huán)境。計算機網(wǎng)絡(luò)軟件通常由網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信軟件等組成。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。目前，有三大主流的計算機網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，即UNIX、Linux和Windows。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信軟件。凡是連入計算機網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器和主機都必須運行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信軟件。1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成3．互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信過程1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成3．互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信過程（續(xù)）運行在主機A上的客戶機進行一個系統(tǒng)調(diào)用，從客戶機的虛擬地址空間復(fù)制數(shù)據(jù)到內(nèi)核緩沖區(qū)。主機A上的客戶機端協(xié)議軟件通過在數(shù)據(jù)前附加互連網(wǎng)絡(luò)報頭PH和LANl幀頭FH1，創(chuàng)建一個LANl幀。互連網(wǎng)絡(luò)報頭PH尋址到互連網(wǎng)絡(luò)主機B。LAN1幀頭首先尋址到路由器，然后它傳送此幀到LAN1適配器。注意，LAN1幀的有效載荷是一個互連網(wǎng)絡(luò)報文，該報文的有效載荷是實際的用戶數(shù)據(jù)，并稱之為封裝(Encapsulation)。LANl適配器復(fù)制該幀到網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)此幀到達(dá)路由器時，路由器的LAN1適配器從電纜上讀取它，并把它傳送到路由協(xié)議軟件。1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成3．互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信過程（續(xù)）路由器從互連網(wǎng)絡(luò)報頭PH中提取出目的IP地址，并用它作為路由表的索引，確定向哪里轉(zhuǎn)發(fā)這個報文，在本圖中是LAN2。路由器剝?nèi)AN1的幀頭，加上尋址到主機B的LAN2幀頭FH2，并把得到的幀傳送到LAN2適配器。路由器的LAN2適配器復(fù)制該幀到網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)此幀到達(dá)主機B時，它的適配器從電纜上讀到此幀，并將它傳送到服務(wù)器端協(xié)議軟件。最后，主機B上的協(xié)議軟件剝落報文頭PH和幀頭FH2。當(dāng)服務(wù)器進行一個讀取這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)調(diào)用時，服務(wù)器端協(xié)議軟件最終將得到的數(shù)據(jù)復(fù)制到服務(wù)器的虛擬地址空間。1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成一個計算機網(wǎng)絡(luò)必須為連入的所有計算機提供通用、高效、公平和堅固的連通性。但似乎這還不夠，因為網(wǎng)絡(luò)不是一成不變的，必須適應(yīng)技術(shù)和應(yīng)用需求的不斷變化。設(shè)計一個滿足這些需求的網(wǎng)絡(luò)并非易事。為此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者制定了層次型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（Architecture），用以指導(dǎo)計算機網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)。1.4計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)1．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議什么是協(xié)議?1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層人際交往的協(xié)議計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議Q:

其它人際交往的協(xié)議?1．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)議就是一組控制數(shù)據(jù)通信的規(guī)則。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是由標(biāo)準(zhǔn)化組織和相關(guān)廠商參與制定的，計算機執(zhí)行的協(xié)議則是用某種程序設(shè)計語言編寫的程序代碼。概括地說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實現(xiàn)某種功能的算法或程序，具體包括如下3個要素：語法：語法用于規(guī)定網(wǎng)絡(luò)中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和控制信息的結(jié)構(gòu)組成或格式，如數(shù)據(jù)報文的格式。語義：語義是指對構(gòu)成協(xié)議的協(xié)議元素含義的解釋。時序：時序是對事件執(zhí)行順序的詳細(xì)說明。1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層2．網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層模型為了減少計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，往往按功能將計算機網(wǎng)絡(luò)劃分為多個不同的功能層。如圖所示，就是將計算機網(wǎng)絡(luò)抽象為五層結(jié)構(gòu)的一種模型，它清楚地描述了應(yīng)用進程之間如何進行通信的情況。1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層3．網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是指計算機網(wǎng)絡(luò)各層的功能、協(xié)議和接口的集合。上層是下層的用戶，下層是上層的服務(wù)提供者。計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)就是計算機網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義，是建立和使用通信硬件和軟件的一套規(guī)則和規(guī)范。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)本身是抽象的，而它的實現(xiàn)則是具體的，是在遵循這種體系結(jié)構(gòu)的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在1977年推出了著名的開放系統(tǒng)互連參考模型（ISO/OSI-RM）。1.4.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分層1．ISO/OSI的7層參考模型ISO/OSI-RM是一個開放體系結(jié)構(gòu)，它規(guī)定將計算機網(wǎng)絡(luò)分為7層，如圖所示。1.4.2ISO/OSI參考模型2．ISO/OSI-RM各層的主要功能物理層物理層是ISO/OSI-RM的最低層或第一層，該層在由物理通信信道連接的任一對結(jié)點之間提供一個傳送比特流（比特序列）的虛擬比特管道。物理信道包括雙絞線、同軸電纜、光纖、無線電信道等。物理層與傳輸介質(zhì)和數(shù)據(jù)鏈路層之間的關(guān)系如圖所示。1.4.2ISO/OSI參考模型2．ISO/OSI-RM各層的主要功能數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層是ISO/OSI-RM的第二層，它控制網(wǎng)絡(luò)層與物理層之間的通信。數(shù)據(jù)鏈路層與網(wǎng)絡(luò)層和物理層的之間的關(guān)系如圖所示。1.4.2ISO/OSI參考模型2．ISO/OSI-RM各層的主要功能網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是在開放系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提供網(wǎng)絡(luò)對等層對等實體建立、維持、終止網(wǎng)絡(luò)連接的手段，并在網(wǎng)絡(luò)連接上交換網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（分組）。網(wǎng)絡(luò)層與數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層之間的關(guān)系如圖所示。1.4.2ISO/OSI參考模型2．ISO/OSI-RM各層的主要功能傳輸層傳輸層提供類似于數(shù)據(jù)鏈路層所提供的服務(wù)，確保數(shù)據(jù)在端到端之間可靠、順序、無差錯地傳輸。傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層和會話層之間的關(guān)系如圖所示。1.4.2ISO/OSI參考模型2．ISO/OSI-RM各層的主要功能會話層會話層負(fù)責(zé)會話的控制和同步。會話層與傳輸層和表示層之間的關(guān)系如圖所示。1.4.2ISO/OSI參考模型2．ISO/OSI-RM各層的主要功能表示層表示層主要解決兩個系統(tǒng)所交換信息的語法和語義問題，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換、壓縮和加密。表示層與會話層和應(yīng)用層之間的關(guān)系如圖所示。1.4.2ISO/OSI參考模型2．ISO/OSI-RM各層的主要功能應(yīng)用層應(yīng)用層直接向用戶（即應(yīng)用進程）提供服務(wù)，負(fù)責(zé)用戶信息的語義表示，并提供網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用軟件（程序）之間的接口服務(wù)。應(yīng)用層是用戶使用OSI環(huán)境的唯一窗口。應(yīng)用層與表示層和用戶之間的關(guān)系如圖所示。1.4.2ISO/OSI參考模型1．TCP/IP模型結(jié)構(gòu)TCP/IP模型歸納成一個相對獨立的四層模型，如圖所示。由該圖可以看出TCP/IP的模型結(jié)構(gòu)及其與ISO/OSI-RM的對應(yīng)關(guān)系，以及TCP/IP模型對應(yīng)的物理網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議。1.4.3TCP/IP模型2．TCP/IP模型各層功能簡介網(wǎng)絡(luò)接口層該層負(fù)責(zé)接收從IP層交來的IP數(shù)據(jù)報并將IP數(shù)據(jù)報通過低層物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，或者從低層物理網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽出IP數(shù)據(jù)報，交給IP層。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)在多個網(wǎng)絡(luò)間通過網(wǎng)關(guān)/路由器傳輸信息。傳輸層在源結(jié)點和目的結(jié)點的兩個進程實體之間提供可靠的端到端的數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)用層確定進程之間通信的性質(zhì)以滿足用戶需要，直接為用戶的應(yīng)用進程提供服務(wù)1.4.3TCP/IP模型1．ISO/OSI-RM與TCP/IP模型的異同在ISO/OSI-RM中有3個基本概念：服務(wù)、接口和協(xié)議。每一層都為其上層提供服務(wù)，服務(wù)的概念描述了該層所做的工作，但并不涉及服務(wù)的實現(xiàn)以及上層實體如何訪問的問題。TCP/IP模型并不十分清晰地區(qū)分服務(wù)、接口和協(xié)議等概念。ISO/OSI-RM的網(wǎng)絡(luò)層提供面向連接和無連接兩種服務(wù)，而傳輸層只提供面向連接服務(wù)。TCP/IP模型在網(wǎng)絡(luò)層只提供無連接服務(wù)，但在傳輸層卻提供面向連接和無連接兩種服務(wù)。1.4.4基于OSI的實用參考模型2．五層實用參考模型綜合ISO/OSI-RM和TCP/IP的優(yōu)點，采用一種實用的五層參考模型，如圖所示；這是AndrewS.Tanenbaum最早建議的一種層次型參考模型。1.4.4基于OSI的實用參考模型2．五層實用參考模型五層實用參考模型各層功能及其研究的重點：物理層：研究如何在連接各種計算機的傳輸介質(zhì)上傳輸比特流（0和1）。關(guān)注點是電氣特性、接口標(biāo)準(zhǔn)、比特同步等。數(shù)據(jù)鏈路層：研究如何在相鄰結(jié)點之間可靠傳輸“幀”。關(guān)注點是幀的封裝、差錯檢測、介質(zhì)訪問控制等。1.4.4基于OSI的實用參考模型2．五層實用參考模型五層參考模型各層功能及其研究的重點（續(xù)）：網(wǎng)絡(luò)層：研究如何為分組選擇鏈路，實現(xiàn)從源到目的地邏輯通信。關(guān)注點是IP編址、路由選擇、擁塞控制。傳輸層：研究如何為運行在不同主機上的應(yīng)用進程提供端到端的邏輯通信。關(guān)注點是可靠傳輸（TCP）、不可靠傳輸（UDP）、流量控制。應(yīng)用層：研究通過應(yīng)用進程間的交互來完成特定的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。關(guān)注點是應(yīng)用協(xié)議的定義和實現(xiàn)，如HTTP、DNS、SMTP。1.4.4基于OSI的實用參考模型3．五層實用參考模型的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖所示描述了層次型五層結(jié)構(gòu)模型中數(shù)據(jù)的實際傳輸過程。在圖中，L5數(shù)據(jù)指第五層（應(yīng)用層）的數(shù)據(jù)，L4數(shù)據(jù)指第四層（傳輸層）的數(shù)據(jù)，依此類推，并在此后相關(guān)章節(jié)內(nèi)容中均表示該含義。發(fā)送進程送給接收進程的數(shù)據(jù)，實際上是經(jīng)過發(fā)送端各層從上到下傳遞到傳輸介質(zhì)的。1.4.4基于OSI的實用參考模型1．網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)所謂標(biāo)準(zhǔn)是指一組規(guī)定的規(guī)則、條件或要求，如名詞術(shù)語的定義、部件的分類，以及材料、性能或操作規(guī)范和規(guī)程的描述等。制訂標(biāo)準(zhǔn)的重要組織：國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際電子技術(shù)委員會（IEC）國際電信聯(lián)盟（ITU）、Internet工程特別任務(wù)組(IETF)電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ANSI)電子工業(yè)協(xié)會(EIA)中國國家標(biāo)準(zhǔn)局1.4.5計算機網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及RFC文檔2．RFC文檔Internet標(biāo)準(zhǔn)是以稱為請求評注（RFC）的文檔形式發(fā)布的。RFCInternet草案可以在網(wǎng)址為的網(wǎng)站上在線獲得。制訂Internet正式標(biāo)準(zhǔn)需要經(jīng)過以下四個階段：Internet草案（InternetDraft）。此時還不是RFC文檔。建議標(biāo)準(zhǔn)（ProposedStandard）。可供正式發(fā)布的正式RFC文檔。草案標(biāo)準(zhǔn)（DraftStandard）。Internet標(biāo)準(zhǔn)（InternetStandard）。1.4.5計算機網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及RFC文檔計算機網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及諸多理論問題，從不同的角度觀察，會有不同的問題需要研究和解決。1．用戶角度在一個由多種類型的計算機網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)構(gòu)成的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，對每個用戶而言，所關(guān)心的問題主要是如何將消息快速而準(zhǔn)確地傳遞到對方。2．網(wǎng)絡(luò)設(shè)計角度網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。服務(wù)時延問題；多址問題。路由問題；流量控制問題；網(wǎng)絡(luò)安全問題；網(wǎng)絡(luò)的管理問題。1.5計算機網(wǎng)絡(luò)的基本理論問題綜上所述，計算機網(wǎng)絡(luò)是一個多層次、多要素的復(fù)雜系統(tǒng)，所要研究解決的關(guān)鍵問題可歸納如下：如何連（連通性與硬件）；如何通（協(xié)議與軟件）；如何好（性能、可靠性、安全性）；如何用（應(yīng)用與服務(wù)）。總而言之，計算機網(wǎng)絡(luò)研究的最終目標(biāo)是構(gòu)建一個高效、可靠、安全、可擴展的全球性信息基礎(chǔ)設(shè)施，以實現(xiàn)無處不在的資源共享及便捷通信。1.5計算機網(wǎng)絡(luò)的基本理論問題3．本課程的主要內(nèi)容什么是計算機網(wǎng)絡(luò)？（第1章緒論）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)是如何工作的？（第2章物理層通信）如何保證網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、可靠性和有效性？（第3章數(shù)據(jù)鏈路控制）用戶經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是如何工作的？如何構(gòu)建一個局域網(wǎng)？（第4章局域網(wǎng)）支持互聯(lián)網(wǎng)工作的核心技術(shù)是什么？如何為用戶的消息或報文分組選擇最佳的傳輸路徑，包括支持結(jié)點的移動性?（第5章網(wǎng)絡(luò)互連及其協(xié)議和第6章路由技術(shù)）1.5計算機網(wǎng)絡(luò)的基本理論問題3．本課程的主要內(nèi)容如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中計算機之間的分布式進程通信？（第7章網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)）如何實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用，并不斷擴展網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域？（第8章網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及其協(xié)議）。何謂網(wǎng)絡(luò)安全？密碼學(xué)的核心目標(biāo)是什么？如何保障網(wǎng)絡(luò)安全，如何讓網(wǎng)絡(luò)安全運行、安全應(yīng)用？（第9章網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)）信息網(wǎng)絡(luò)日異月新，新一代信息網(wǎng)絡(luò)有哪些新形態(tài)，主要涵蓋了哪幾方面的技術(shù)？如何把握信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢站在信息技術(shù)的前沿，應(yīng)用發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)？（第10章新一代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）1.5計算機網(wǎng)絡(luò)的基本理論問題本章小結(jié)本章內(nèi)容的覆蓋面甚廣!計算機網(wǎng)絡(luò)知識涉及計算機網(wǎng)絡(luò)的理論、技術(shù)與應(yīng)用。學(xué)習(xí)時要知其然，更要知其所以然。所以需要了解計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史，計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中有哪些重要的里程碑事件。本章的重點是計算機網(wǎng)絡(luò)的定義、功能、組成、體系結(jié)構(gòu)；另一個重點是計算機網(wǎng)絡(luò)的組成涉及哪些網(wǎng)絡(luò)硬件、網(wǎng)絡(luò)軟件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有哪些結(jié)構(gòu)形式和描述方法，涉及哪些技術(shù)術(shù)語，這些術(shù)語又怎樣理解；尤其是關(guān)于ISO/OSI-RM和TCP/IP的描述。本章小結(jié)本章的重要性在于：建立計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的概念，對各層協(xié)議有一個大致的了解；比較重要的是協(xié)議、接口和服務(wù)的概念。TCP/IP為運行在不同機器上和交換信息的終端提供了通信服務(wù)。本章是一幅描繪計算機網(wǎng)絡(luò)的全景視圖，后繼各章將對網(wǎng)絡(luò)各層的問題和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進一步進行詳細(xì)的專題討論。也就是說，此后各章將對這張全景視圖進行具體詮釋。本章的思維導(dǎo)圖如下，可用于厘清知識點及其知識鏈，把握計算機網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)的知識體系。思維導(dǎo)圖思考與練習(xí)1．計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展經(jīng)歷了哪幾個階段？試舉出幾個比較典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，說明每個階段各有什么特點？2．簡述計算機網(wǎng)絡(luò)的定義。3．簡述計算機網(wǎng)絡(luò)的主要功能。請舉例說明。4．計算機網(wǎng)絡(luò)在邏輯上分為哪幾個部分？它們各自是由哪些硬軟件組成的？各有什么特點？5．計算機網(wǎng)絡(luò)可以從哪些方面進行分類？LAN具有哪些主要特征？6．什么是計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？局域網(wǎng)常采用哪幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)？各有何特點？思考與練習(xí)7．簡述計算機網(wǎng)絡(luò)的組成。8．計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為什么要采用分層結(jié)構(gòu)？9．網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三個要素是什么？各有什么含義？10．什么是ISO/OSI-RM？簡述ISO/OSI-RM中每一層的主要功能。11．描述ISO/OSI-RM中的數(shù)據(jù)傳輸基本過程，并解釋物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的數(shù)據(jù)傳送單元分別是什么？12．簡述TCP/IP模型及各層的主要功能。13．簡述五層實用參考模型的要點。強化實踐，拓展認(rèn)知Thankyou！

《計算機網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)》第2章物理層通信

計算機網(wǎng)絡(luò)采用何種數(shù)據(jù)通信方式傳輸數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)物理層通信呢？本章將針對計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中物理層的功能特性，介紹常見的傳輸介質(zhì)、物理層接口特性及標(biāo)準(zhǔn)；討論二進制數(shù)據(jù)傳輸、交換和處理的理論、方法以及實現(xiàn)技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量參數(shù)（如信道極限容量等），并給出與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的公式；簡單介紹數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)理論，包括數(shù)據(jù)的調(diào)制編碼技術(shù)、多路復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸與交換方式等。引言掌握物理層的功能特性、物理層接口標(biāo)準(zhǔn)；了解常用傳輸介質(zhì)；掌握數(shù)據(jù)編碼技術(shù)、傳輸方式；掌握多路復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)。第2章物理層通信物理層功能特性及接口標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)編碼技術(shù)、傳輸方式；多路復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)。學(xué)習(xí)目標(biāo)關(guān)鍵知識點2.1物理層的基本概念和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)2.2數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)2.3數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.4數(shù)據(jù)傳輸方式2.5傳輸介質(zhì)2.6多路復(fù)用技術(shù)2.7數(shù)據(jù)交換技術(shù)本章小結(jié)思考與練習(xí)第2章物理層通信物理層是OSI-RM或?qū)嵱脜⒖寄Ｐ椭械淖畹蛯樱情_放系統(tǒng)互聯(lián)的物理基礎(chǔ)。它的上一層是數(shù)據(jù)鏈路層，向下直接與傳輸介質(zhì)相連，涉及網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備之間的接口。物理層的功能非常簡單直接，但又至關(guān)重要：將數(shù)字比特流（0和1）從一個結(jié)點通過傳輸介質(zhì)傳輸?shù)搅硪粋€結(jié)點。物理層協(xié)議要解決的關(guān)鍵問題，是計算機等數(shù)據(jù)終端設(shè)備與通信線路上的通信設(shè)備之間的接口特性、信號表示、數(shù)據(jù)傳輸模式、比特同步、傳輸介質(zhì)問題。2.1物理層的基本概念和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)物理層接口特性需定義連接器的形狀、針腳的數(shù)量和功能、電壓的大小等。1．?dāng)?shù)據(jù)通信的DTE/DCE模型大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的物理層協(xié)議使用DTE/DCE模型。如圖所示，DTE表示數(shù)據(jù)終端設(shè)備，即網(wǎng)絡(luò)中的用戶端設(shè)備，如主機、終端、各種I/O設(shè)備等。2.1.1物理層接口的四種特性2．DTE/DCE接口特性機械特性物理層接口的機械特性對連接器的幾何參數(shù)，包括連接器的引腳數(shù)量、排列方式、幾何尺寸等都做出了詳細(xì)規(guī)定。電氣特性指有關(guān)DTE和DCE接口之間多條信號線的電氣連接、相關(guān)電路特性和電氣參數(shù)的詳細(xì)規(guī)定。功能特性指對連接器各芯線的含義、功能以及與各信號之間對應(yīng)關(guān)系的規(guī)定。過程特性2.1.1物理層接口的四種特性1．CCITTX.21接口標(biāo)準(zhǔn)目前在廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接中，常用到許多物理接口，如X.21、X.24、X.35、X.36和EIA-530等，其中又以X.21接口的應(yīng)用最為廣泛。機械特性：規(guī)定機械接口采用15引腳連接器，但實際上接口的信號線只用了8條。電氣特性：X.21建議指定的數(shù)據(jù)速率有5種，即600bps、2400bps、4800bps、9600bps和48000bps。功能特性。過程特性。2.1.2物理層接口標(biāo)準(zhǔn)示例2．通用串行總線接口通用串行總線（USB）接口是指連接外部裝置的一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范PC與外部設(shè)備的連接與通信。USB標(biāo)準(zhǔn)中將USB分為5個部分：控制器、控制器驅(qū)動程序、USB芯片驅(qū)動程序、USB設(shè)備以及針對不同USB設(shè)備的客戶驅(qū)動程序。USB接口有5種類型。USB接口的機械特性和電氣特性定義了由4根針腳組成的連接器，支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。USB接口的功能特性和過程特性規(guī)定，主機采用輪詢方式與外圍設(shè)備通信，操作過程由驅(qū)動軟件實現(xiàn)。2.1.2物理層接口標(biāo)準(zhǔn)示例數(shù)據(jù)通信技術(shù)是發(fā)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要基礎(chǔ)，它主要研究在不同的計算機系統(tǒng)之間傳輸表示字母、數(shù)字和符號的二進制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號的過程。在早期的通信領(lǐng)域中主要采用的是模擬通信技術(shù)。隨著計算機技術(shù)與數(shù)字設(shè)備的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)通信技術(shù)在通信領(lǐng)域中發(fā)揮了越來越重要的作用。數(shù)據(jù)通信是指通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，將攜帶信息的數(shù)據(jù)以某種信號方式從信源（發(fā)送端）安全、可靠地傳輸?shù)叫潘蓿ń邮斩耍?shù)據(jù)通信包括數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)在傳輸前后的處理，涉及以下幾個基本概念。2.2數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是指以計算機系統(tǒng)為中心，用通信線路連接分布在不同地理位置的數(shù)據(jù)終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)。實際上數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成因用途不同而異，如圖所示是一個基本的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型，說它是計算機網(wǎng)絡(luò)也可以。信源和信宿信號變換器信道噪聲源2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1．信息從通信的角度考慮，可以認(rèn)為信息是生物體或具有一定功能的機器通過感覺器官或相應(yīng)設(shè)備同外界交換的內(nèi)容的總稱。2．?dāng)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)（Data）是傳遞信息的實體，是任何描述物體、概念、形態(tài)的事實、數(shù)字、符號和字母。3．信號在傳輸過程中，數(shù)據(jù)的電編碼、電磁編碼或光編碼的表現(xiàn)形式就是信號（Signal），它是傳遞數(shù)據(jù)的載體。4．碼元、幀和分組2.2.2數(shù)據(jù)通信的常用術(shù)語1．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率與信號傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率：數(shù)據(jù)傳輸速率簡稱數(shù)據(jù)率，是指數(shù)字信道傳輸數(shù)字信號的速率，即每秒傳輸二進制信息的位數(shù)，單位為位/秒，記作bps或bit/s。數(shù)據(jù)傳輸速率的計算公式為：

S=(1/T)*log2N(bps)信號傳輸速率：單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)，單位為波特。信號傳輸速率的計算公式為：

B=1/T(Baud)2.2.3數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)2．帶寬帶寬（Bandwidth），指網(wǎng)絡(luò)路徑的理論最大數(shù)據(jù)傳輸能力，是一個容量概念。原意是指某個信號具有的頻帶寬度。由于一個特定的信號往往由許多不同的頻率成分組成，因此一個信號的帶寬是指該信號的各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率范圍。帶寬由用戶的網(wǎng)絡(luò)合同、網(wǎng)線類別、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口速度等物理和合同因素決定。例子：你辦理了“1000兆寬帶”，這里的1000兆（1000Mbps）指的就是帶寬，是理論上可以達(dá)到的最高速度。2.2.3數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)3．吞吐量網(wǎng)絡(luò)通信吞吐量指的是在單位時間內(nèi)，通過網(wǎng)絡(luò)連接或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成功傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)量。簡單來說，它就是“網(wǎng)絡(luò)實際跑多快”的衡量標(biāo)準(zhǔn)。單位時間：通常以秒為單位。成功傳輸：只有被接收方正確確認(rèn)的數(shù)據(jù)才被計算在內(nèi)。丟失、損壞、重傳的數(shù)據(jù)包不計入吞吐量。有效數(shù)據(jù)：通常指應(yīng)用層的數(shù)據(jù)。例如，你下載一個文件，吞吐量衡量的是文件本身的數(shù)據(jù)量，不包括TCP/IP頭部、以太網(wǎng)幀頭等協(xié)議開銷。利用如S，可以測試用戶與服務(wù)器之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，來估算用戶的當(dāng)前下行和上行吞吐量。2.2.3數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)4．時延網(wǎng)絡(luò)通信時延，也稱為延遲，是指一個數(shù)據(jù)包從發(fā)送端開始傳輸，到最終被接收端成功接收所經(jīng)歷的總時間。簡單來說，它就是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上“跑一個來回”所需要的時間。時延是衡量網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響操作的“即時感”。一次網(wǎng)絡(luò)通信的總時延由發(fā)送時延（傳輸時延）、傳播時延、處理時延和排隊時延幾個關(guān)鍵部分累加而成。總時延≈發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延其中，傳播時延由物理距離決定，排隊時延是網(wǎng)絡(luò)擁塞的主要表現(xiàn)。2.2.3數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)5．時延帶寬積時延帶寬積是一個將網(wǎng)絡(luò)“速度”（帶寬）和“距離”（時延）關(guān)聯(lián)起來的綜合性指標(biāo)。它告訴我們，一條網(wǎng)絡(luò)鏈路不僅僅是一條“路”，更是一個有“容積”的“管道”。理解和計算時延帶寬積，是設(shè)計和優(yōu)化高速長距離網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。時延帶寬積描述的是：在發(fā)送方持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，而第一個比特尚未到達(dá)接收方之前，已經(jīng)進入鏈路的比特總量。它衡量的是這條鏈路的“數(shù)據(jù)容量”。時延帶寬積的計算公式：時延帶寬積=傳播時延×帶寬2.2.3數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)6．往返時延往返時延是指從發(fā)送端開始發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，到它收到來自接收端針對該數(shù)據(jù)包的確認(rèn)信號所經(jīng)歷的總時間，常縮寫為RTT（Round-TripTime）。RTT是網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度的終極體現(xiàn)。ping命令的工作原理就是直接測量RTT。它發(fā)送一個ICMP回顯請求包，并計算收到ICMP回顯回復(fù)包的時間。RTT之所以至關(guān)重要，是因為它是TCP等核心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運作的基石，直接決定了重傳、流量控制和擁塞控制的行為。降低RTT是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能（尤其是Web和實時應(yīng)用）的關(guān)鍵手段之一。2.2.3數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)1．信道容量信道容量是表征信道傳輸數(shù)字信號能力的指標(biāo)。奈奎斯特定理表明：在信道具有理想低通矩形特性和無噪聲情況下，有限帶寬為B的信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸速率為：

2．誤碼率和誤組率誤碼率。誤碼率P是指在某一段時間（ITU規(guī)定測試時間為15min）內(nèi)，接收到出錯的比特數(shù)e1與總的傳輸比特數(shù)e2之比：

P=(e1/e2)×100%2.2.4數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量參數(shù)3．傳輸損耗指標(biāo)在傳輸過程中，信道的傳輸損耗會引起信號質(zhì)量的下降。影響傳輸損耗的主要參數(shù)：衰減時延失真噪聲2.2.4數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量參數(shù)通常，計算機網(wǎng)絡(luò)中的模擬信道支持模擬信號的傳輸，數(shù)字信道支持?jǐn)?shù)字信號的傳輸。為了實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字傳輸和數(shù)字信號的模擬傳輸，必須研究數(shù)據(jù)在信號傳輸過程中如何進行編碼（變換）的問題。本節(jié)主要討論幾種數(shù)據(jù)編碼技術(shù)：模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼技術(shù)；模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼技術(shù)。2.3數(shù)據(jù)編碼技術(shù)模擬數(shù)據(jù)的模擬編碼是將輸入的模擬數(shù)據(jù)與頻率為f的載波相結(jié)合，產(chǎn)生帶寬中心在f處的信號S(t)的過程。具體方法是對信號的幅度、頻率和相位三個基本特征分別進行調(diào)制，即幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）。2.3.1模擬信號傳輸模擬數(shù)據(jù)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的調(diào)制方法有移幅鍵控法（ASK）和移頻鍵控法（FSK）、移相鍵控法（PSK）三種基本形式，如圖所示。2.3.2模擬信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)1．非歸零碼非歸零碼是一種二進制編碼方案，它用兩種不同的電平分別代表二進制數(shù)字“0”和“1”。用低電平表示邏輯0，用高電平表示邏輯1，同步時鐘的上升沿作為采樣時刻，判決門限采用幅度電平的一半（0.5V）。當(dāng)采樣時刻的信號值在0.5～1.0V之間，就判定為1；若信號值在0～0.5V之間，就判定為0。非歸零碼是一種簡單高效的編碼方式，但其固有的“同步問題”限制了它在許多信道上的直接應(yīng)用。理解NRZ的缺陷是理解后續(xù)各種復(fù)雜編碼技術(shù)（如曼徹斯特、4B/5B、擾碼等）為何被發(fā)明出來的關(guān)鍵。2.3.3數(shù)字信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)2．曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼是一種非常重要的數(shù)字信號編碼技術(shù)，完美解決了非歸零碼（NRZ）的同步問題。曼徹斯特編碼采用自同步方法，任一跳變既可以作為時鐘信號，又可以作為數(shù)字信號。該編碼的規(guī)則是：每一碼元中間都有一個跳變，由高電平跳到低電平表示為1；由低電平跳到高電平表示為0。若出現(xiàn)連續(xù)的1或0碼時，碼元之間也存在跳變。曼徹斯特編碼是一種以“犧牲帶寬換取可靠同步”的經(jīng)典方案。它在帶寬資源不那么緊張的早期局域網(wǎng)中是一種非常優(yōu)秀和可靠的選擇，其設(shè)計思想對后來的通信技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。2.3.3數(shù)字信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)3．差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特（DifferenceManchester）編碼是對曼徹斯特編碼的改進。4．mB/nB編碼在mB/nB編碼技術(shù)中，將m位數(shù)據(jù)進行編碼，然后轉(zhuǎn)換成所對應(yīng)的n（n＞m）位編碼比特，選擇的編碼比特可為定時恢復(fù)提供足夠的脈沖，并且能限制相同電脈沖的數(shù)量。mB/nB編碼技術(shù)的目的是使發(fā)送端與接收端的信號代碼間保持同步，減少信息傳輸?shù)膩G失與差錯。在光纖通信中使用5B/6B編碼。2.3.3數(shù)字信號傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)將模擬數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號最常采用的技術(shù)是脈沖編碼調(diào)制（PCM）技術(shù)，簡稱脈碼調(diào)制。脈碼調(diào)制以采樣定理為基礎(chǔ)，對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，利用大于或等于有效信號最高頻率或其帶寬２倍的采樣頻率，通過低通濾波器從這些采樣中重新構(gòu)造出原始信號。模擬信號數(shù)字化的變化過程包括三個步驟：采樣：采樣是模擬信號數(shù)字化的第一步。采樣的理論基礎(chǔ)是采樣定理。量化：量化是將采樣樣本幅度按量化級別決定取值的過程。經(jīng)過量化后的樣本幅度由原來的連續(xù)值轉(zhuǎn)換為離散量。編碼：編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量化級。2.3.4數(shù)字信號傳輸模擬數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式指的是數(shù)據(jù)在通信信道中流動的方向和時間順序。選擇何種傳輸方式，取決于通信場景、效率要求和成本考量。傳輸方式不但定義了比特流從一個端點傳輸?shù)搅硪粋€端點的方式，還定義了比特是同時在兩個方向上傳輸還是輪流發(fā)送和接收。2.4數(shù)據(jù)傳輸方式1．串行通信與并行通信在數(shù)據(jù)通信中，若按照傳輸數(shù)據(jù)的時空順序分類，數(shù)據(jù)通信的傳輸方式可以分為串行通信與并行通信兩種。串行傳輸;數(shù)據(jù)的各個比特在一條信道上按順序一位一位地傳輸。并行傳輸:數(shù)據(jù)的各個比特在多條并行的信道上同時傳輸。2.4.1數(shù)據(jù)通信方式2．單工、半雙工與全雙工通信按照數(shù)據(jù)信號在信道上的傳輸方向與時間的關(guān)系，數(shù)據(jù)通信方式可分為單工、半雙工和全雙工三種通信方式，如圖所示。單工通信:數(shù)據(jù)只能在一個方向上傳輸，且方向是固定的。半雙工通信:數(shù)據(jù)可以在兩個方向上傳輸，但不能同時進行。在任一時刻，數(shù)據(jù)只能在一個方向上流動。全雙工通信:數(shù)據(jù)可以在兩個方向上同時傳輸。2.4.1數(shù)據(jù)通信方式1．異步式異步式把各個字符分開傳輸，并在字符之間插入同步信息。具體做法是，在要傳輸?shù)淖址霸O(shè)置啟動用的起始位，預(yù)告字符的信息代碼即將開始傳輸，在信息代碼和校驗位（一般總共為8比特）結(jié)束以后，再設(shè)置1～2比特的終止位，表示該字符已結(jié)束。終止位也反映了平時不進行通信時的狀態(tài)，即處于“傳號”狀態(tài)。字母“A”的代碼（1000001）在異步式時的代碼結(jié)構(gòu)如圖所示。2.4.2數(shù)據(jù)同步方式2．同步傳輸同步模式關(guān)注的是發(fā)送方和接收方如何保持步調(diào)一致，以確保數(shù)據(jù)被正確識別。同步傳輸是指以大的數(shù)據(jù)塊（幀）為單位進行傳輸。在幀的開頭和結(jié)尾有特定的同步字符或標(biāo)志，整個幀內(nèi)的比特流是連續(xù)的。其工作原理為：發(fā)送前，雙方先通過同步字符建立時鐘同步。然后連續(xù)發(fā)送一個完整的數(shù)據(jù)幀（可能包含數(shù)百上千字節(jié)）。接收方利用統(tǒng)一的時鐘對連續(xù)的數(shù)據(jù)流進行采樣，識別出幀的起始和結(jié)束。2.4.2數(shù)據(jù)同步方式傳輸介質(zhì)是指在物理層提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，也稱為傳輸媒體或傳輸媒介，是指網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)兩端的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。用于計算機連網(wǎng)的傳輸線路可以由用戶自己鋪設(shè)，也可以利用通信公司提供的公用通信網(wǎng)絡(luò)。一般說來，單位建立局域網(wǎng)時通常是自己鋪設(shè)通信線路，而遠(yuǎn)程的計算機聯(lián)網(wǎng)則需要由通信公司提供專用傳輸介質(zhì)。計算機網(wǎng)絡(luò)中可以使用各種傳輸介質(zhì)來組成物理信道。常用的傳輸介質(zhì)可以分為導(dǎo)向傳輸介質(zhì)和非導(dǎo)向傳輸介質(zhì)兩大類。不同的傳輸介質(zhì)具有不同的傳輸特性，而傳輸介質(zhì)的特性將影響數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。2.5傳輸介質(zhì)1．雙絞線雙絞線一般由2根、4根或8根22～26號絕緣銅導(dǎo)線相互纏繞而成，如圖所示。線對在每厘米長度上相互纏繞的次數(shù)決定了其抗干擾的能力和通信質(zhì)量。線對的扭合程度越高，抗干擾能力越強。2.5.1導(dǎo)向傳輸介質(zhì)1．雙絞線局域網(wǎng)中所使用的雙絞線分為非屏蔽雙絞線（UTP）與屏蔽雙絞線（STP）兩類。非屏蔽雙絞線就是普通的電話線，由外部保護層與多對雙絞線組成。非屏蔽雙絞線分為第3類、第4類、第5類和增強型5類、6類等形式，通常簡稱為3類線、5類線等。屏蔽雙絞線。屏蔽雙絞線（STP）由外部保護層、屏蔽層和多對雙絞線組成，外層護套和導(dǎo)線束之間由鋁箔包裹，受外界干擾較小，能有效地防止電磁干擾，傳輸數(shù)據(jù)可靠。2.5.1導(dǎo)向傳輸介質(zhì)2．同軸電纜同軸電纜按同軸的形式構(gòu)成線對，其特性參數(shù)由內(nèi)導(dǎo)體、外屏蔽層及絕緣層的電參數(shù)與機械尺寸決定。按照同軸電纜的傳輸特性可分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜。基帶同軸電纜。基帶同軸電纜阻的抗為50

，僅用于數(shù)字信號的傳輸，通常數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbps。寬帶同軸電纜。寬帶同軸電纜的阻抗為75

，常用的CATV有線電視電纜就是寬帶同軸電纜，寬帶同軸電纜可使用的頻帶高達(dá)500MHz。2.5.1導(dǎo)向傳輸介質(zhì)3．光纖光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，由多種玻璃或塑料外加保護層構(gòu)成。為了提高機械強度，必須將光纖做成很結(jié)實的光纜。光纜的結(jié)構(gòu)是在折射率較高的單根光纖外面，用折射率較低的包層包裹起來，形成一條光纖信道。一根光纖只能單向傳送信號，如果要進行雙向通信，光纜中至少要有兩根獨立的芯線，分別用于發(fā)送和接收。光纜的結(jié)構(gòu)如圖所示。2.5.1導(dǎo)向傳輸介質(zhì)3．光纖光纖工作常用的3個頻段的中心波長分別為850nm、1300nm和1550nm，所有3個頻段的帶寬都在25000～30000GHz之間，因此光纖的通信容量很大。根據(jù)傳輸類型，光纖分為單模光纖和多模光纖兩類。單模光纖（SMF）是指光纖中的光信號僅與光纖軸成單個可分辨角度的單光線傳輸。多模光纖（MMF）是指光纖中的光信號與光纖軸成多個可分辨角度的多光線傳輸。光纖類型由所采用的材料及纖芯尺寸決定。單模光纖的纖芯很細(xì)，傳輸速率較高，單模光纖的性能優(yōu)于多模光纖。2.5.1導(dǎo)向傳輸介質(zhì)非導(dǎo)向傳輸介質(zhì)是指利用自由空間作為傳播電磁波的通路，亦稱無線傳輸1．無線電波傳輸無線電波的發(fā)送和接收通過天線進行。無線電波的傳輸屬于全方向傳播，其特性與頻率關(guān)系很大，在高頻段可用于短波通信。2．微波傳輸?shù)孛嫖⒉ㄍㄐ畔到y(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)3．紅外線和激光傳輸4．移動通信系統(tǒng)2.5.2非導(dǎo)向傳輸介質(zhì)多路復(fù)用技術(shù)是指在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，允許兩個或兩個以上的數(shù)據(jù)源共享一個公共傳輸介質(zhì)，把多個信號組合起來在一條物理信道上進行傳輸。多路復(fù)用技術(shù)的實現(xiàn)方法，包括信號的復(fù)合、傳輸和分離三個方面。信道多路復(fù)用的原理框圖如圖所示。2.6多路復(fù)用技術(shù)頻分多路復(fù)用（FDM）的基本工作原理如圖所示。基于頻帶傳輸?shù)姆绞骄褪菍⑼ㄐ畔到y(tǒng)信道的帶寬劃分為多個子信道，每個子信道為一個頻段，并將這些頻段分配給不同的用戶使用，這些頻道之間互不交疊。2.6.1頻分多路復(fù)用時分多路復(fù)用（TDM）是指將信道中用于傳輸?shù)臅r間劃分為若干時隙，每個用戶分得一個時隙；在其占有的時隙內(nèi)，用戶輪流使用通信信道的全部帶寬，其工作原理如圖所示。2.6.2時分多路復(fù)用通常把波長分隔多路復(fù)用的方法簡稱為波分復(fù)用（WDM），是一種光信號的頻分多路復(fù)用技術(shù)。波分復(fù)用主要用于全光纖組成的計算機網(wǎng)絡(luò)。波分多路復(fù)用的工作原理如圖所示。2.6.3波分多路復(fù)用數(shù)據(jù)交換技術(shù)是指在任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的某種轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)任意兩點或多個系統(tǒng)之間連接的技術(shù)。目前常用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)有電路交換和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換兩大類。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換又可分為報文交換方式和分組交換方式。由于不同的業(yè)務(wù)對傳輸速率、誤碼率、時延等傳輸特性的要求各不相同，因此必須采用不同的交換技術(shù)以保證獲得所需要的傳輸特性。2.7數(shù)據(jù)交換技術(shù)電路交換技術(shù)是傳統(tǒng)電話網(wǎng)所采取的一種交換技術(shù)，屬于直接交換。典型的電路交換方式的工作原理如圖所示。電路交換過程包括線路建立、數(shù)據(jù)傳輸和線路釋放三個階段。2.7.1電路交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換是一種數(shù)據(jù)交換方法。在這種方式下，交換設(shè)備（如交換機、路由器）必須先完整地接收整個數(shù)據(jù)幀/分組，并將其存儲在內(nèi)部緩沖區(qū)中，然后才會進行后續(xù)的處理和轉(zhuǎn)發(fā)決策。按照信息結(jié)構(gòu)的不同，存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換技術(shù)可以分為報文交換與報文分組交換。報文與報文分組的通用信息格式的區(qū)別如圖所示。2.7.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換是一種以“犧牲少量延遲換取極高數(shù)據(jù)傳輸可靠性”的交換方式。它是構(gòu)建現(xiàn)代高質(zhì)量、可管理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，因其出色的錯誤過濾和能力，已成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備事實上的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用場景包括：現(xiàn)代以太網(wǎng)交換機：絕大多數(shù)現(xiàn)代交換機都默認(rèn)采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。因為其高可靠性的優(yōu)勢遠(yuǎn)大于延遲增加的劣勢，而現(xiàn)代硬件處理速度極快，已大大削弱了延遲的影響。路由器：所有路由器都使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，因為它們需要將整個數(shù)據(jù)包上升到網(wǎng)絡(luò)層，檢查IP頭部，并查詢路由表。需要QoS和ACL的網(wǎng)絡(luò)：在這些場景中，必須檢查整個幀/包的內(nèi)容，因此存儲轉(zhuǎn)發(fā)是唯一選擇。2.7.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換1．光交換技術(shù)簡介所謂光交換是指能有選擇地將光纖、集成光路（IOC）或其他光波導(dǎo)中的信號從一個回路或通路轉(zhuǎn)換到另一個回路或通路的交換方式。光交換技術(shù)是指用光纖來進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、信號傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)交換傳輸技術(shù)。光電路交換光分組交換2.7.3光交換2．組成光交換系統(tǒng)的核心器件數(shù)據(jù)傳輸和交換目前正由電光網(wǎng)絡(luò)向全光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。全光網(wǎng)絡(luò)以光纖為傳輸介質(zhì)，采用光波分復(fù)用（WDM）技術(shù)提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。WDM技術(shù)的進步主要依賴光器件的進步。組成光交換系統(tǒng)的核心器件主要有：光開關(guān)器件光緩存器件光邏輯器件波長變換器及光調(diào)制器等2.7.3光交換本章小結(jié)本章首先介紹了物理層的概念、各種傳輸介質(zhì)的特性以及常用的物理層接口標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)可以在導(dǎo)向傳輸介質(zhì)上傳輸，如光纖；或在非導(dǎo)向傳輸介質(zhì)上傳輸，如某些類型的無線鏈路。由于傳輸介質(zhì)和傳輸設(shè)備的種類繁多，因此物理層接口的標(biāo)準(zhǔn)也非常多。然后，介紹了數(shù)據(jù)通信中有關(guān)信息、數(shù)據(jù)和信號的概念，通信系統(tǒng)模型以及通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)。本章介紹得較多的是通信領(lǐng)域的內(nèi)容，重點是識記一些基本概念：曼徹斯特編碼與差分曼徹斯特編碼；奈奎斯特定理和香農(nóng)定理的相關(guān)計算；帶寬、時延、往返時延（RTT）和時延帶寬積的概念及其物理意義；波特率與數(shù)據(jù)傳輸速率之間的區(qū)別；電路交換、報文交換與分組交換的運行機制及相互之間的比較；數(shù)據(jù)報與虛電路的運行機制及相互之間的比較；不同傳輸介質(zhì)中的數(shù)據(jù)傳輸速率。思維導(dǎo)圖思考與練習(xí)1．物理層主要實現(xiàn)哪些功能？2．物理層接口特性有哪些？試分別給予描述。3．光纖傳輸有哪些優(yōu)點？單模光纖與多模光纖的主要區(qū)別是什么？為什么多模光纖允許的傳輸距離較短？4．誤碼率、誤組率的定義是什么？為何要測試這兩項參數(shù)？5．簡述帶寬、時延、往返時延（RTT）和時延帶寬積的物理意義。6．如何理解信息、數(shù)據(jù)和信號這幾個概念的含義以及它們之間的關(guān)系？請舉例說明。7．什么是數(shù)據(jù)通信？試說明數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成。思考與練習(xí)8．多路復(fù)用技術(shù)主要有哪幾種類型？它們各有什么特點？9．信道帶寬與信道容量的區(qū)別是什么？增加信道帶寬是否一定能增加信道容量？10．簡述電路交換、報文交換和分組交換的運行機制，并比較它們各自的優(yōu)缺點。11．簡述無線電的頻率劃分，并簡要說明各個波段無線電的應(yīng)用范圍。12．若某信道帶寬為6MHz，假定不考慮熱噪聲并使用4電平的數(shù)字信號，那么每秒能發(fā)送的比特數(shù)是多少?13．設(shè)信道帶寬為3kHz，信噪比為20dB，若傳送二進制信號，則可達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率是多少？。Thankyou！

計算機網(wǎng)絡(luò)原理與技術(shù)第3章數(shù)據(jù)鏈路控制

數(shù)據(jù)鏈路訪問和控制的許多概念都是計算機網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容。通過物理鏈路從一個結(jié)點到另一個結(jié)點有效地傳輸數(shù)據(jù)需要解決許多問題，例如為了可靠傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)鏈路層需要合適的錯誤控制機制。本章在引入數(shù)據(jù)鏈路層基本概念的基礎(chǔ)上，側(cè)重于常用的幀與幀同步技術(shù)、差錯檢測和糾錯技術(shù)，重點討論數(shù)據(jù)鏈路控制機制，包括滑動窗口協(xié)議、因特網(wǎng)中的點到點協(xié)議（PPP），以及數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議實例。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是為收發(fā)對等實體間保持一致而制定的，目的是為了順利地完成對網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)。引言3.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念3.2幀與幀同步技術(shù)3.3差錯檢測和糾錯技術(shù)3.4數(shù)據(jù)鏈路控制機制3.5數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議本章小結(jié)思考與練習(xí)第3章數(shù)據(jù)鏈路控制掌握幀與幀同步技術(shù)、差錯檢測和糾錯技術(shù)。掌握數(shù)據(jù)鏈路控制機制。掌握數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。第3章數(shù)據(jù)鏈路控制數(shù)據(jù)鏈路層的功能，幀與幀同步技術(shù)、差錯檢測和糾錯技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路控制機制。數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。學(xué)習(xí)目標(biāo)關(guān)鍵知識點物理層為數(shù)據(jù)鏈路層提供了一組虛擬的比特管道，而且只關(guān)心如何把0和1變成光、電信號在物理介質(zhì)上傳輸，不關(guān)心這些信號的含義和順序。那么，在這樣的比特管道上如何形成一條可靠的業(yè)務(wù)通道為上層提供可靠的服務(wù)呢？為了在DTE與網(wǎng)絡(luò)之間或DTE與DTE之間有效、可靠地傳輸數(shù)據(jù)信息，必須在數(shù)據(jù)鏈路層對數(shù)據(jù)信息的傳輸進行控制。數(shù)據(jù)鏈路層是計算機網(wǎng)絡(luò)OSI參考模型中的第二層，也是TCP/IP模型中介于網(wǎng)絡(luò)層和物理層之間的一個層次。它的核心任務(wù)是在直接相連的節(jié)點（即同一局域網(wǎng)或網(wǎng)段內(nèi)）之間，提供可靠、無差錯的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。3.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念1．鏈路和數(shù)據(jù)鏈路所謂鏈路（Link）就是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他交換結(jié)點。數(shù)據(jù)鏈路則是指從發(fā)送端經(jīng)過通信線路到接收端之間的物理上的傳輸路徑和邏輯上的傳輸信道的總稱。兩個端點設(shè)備之間可以有一條或多條數(shù)據(jù)鏈路。當(dāng)需要在一條線路上傳輸數(shù)據(jù)時，不但必須有一條物理線路，還必須有一些必要的通信協(xié)議來控制數(shù)據(jù)的傳輸。只有把實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，才能構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路。現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（網(wǎng)卡）來實現(xiàn)。3.1.1數(shù)據(jù)鏈路層的功能2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層的功能物理層的原始比特流傳輸存在不可靠問題，如差錯、幀同步、流量控制等問題。數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是通過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在不太可靠的物理鏈路上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層提供了以下關(guān)鍵功能：幀控制，即封裝成幀。將網(wǎng)絡(luò)層傳遞下來的數(shù)據(jù)包（如IP數(shù)據(jù)報）加上一個“頭”和一個“尾”，形成一個幀。幀是數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝弧^：通常包含目標(biāo)MAC地址、源MAC地址和一些控制信息。幀尾：通常包含用于差錯檢驗的序列（如CRC）。3.1.1數(shù)據(jù)鏈路層的功能2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層的功能透明傳輸：確保無論網(wǎng)絡(luò)層傳遞下來的是什么數(shù)據(jù)（即使是看起來像幀開始或結(jié)束標(biāo)志的特定比特組合），都能被正確地封裝和傳輸，接收方也能正確識別。常用技術(shù)是“字節(jié)填充”或“比特填充”。差錯控制：檢測并可能糾正數(shù)據(jù)傳輸中產(chǎn)生的錯誤。流量控制：控制發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)送速率，使其不超過接收方的接收能力。數(shù)據(jù)鏈路管理：當(dāng)多個設(shè)備共享同一個傳輸介質(zhì)（如傳統(tǒng)的同軸電纜以太網(wǎng)、無線Wi-Fi）時，需要一套規(guī)則來決定誰在什么時候可以發(fā)送數(shù)據(jù)。區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和控制信息。尋址。3.1.1數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層提供的基本服務(wù)是在兩個用物理線路連接起來的設(shè)備之間，將源端網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿薅说木W(wǎng)絡(luò)層。如圖所示，在源端計算機（Sender）上有一實體稱為進程，它將網(wǎng)絡(luò)層的比特序列交給數(shù)據(jù)鏈路層；數(shù)據(jù)鏈路層又將它們傳送到目的計算機（Receiver），交給那里的網(wǎng)絡(luò)層。3.1.2數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)1．面向連接確認(rèn)服務(wù)面向連接確認(rèn)服務(wù)存在3個階段，即數(shù)據(jù)鏈路的建立階段、傳輸階段和釋放階段。第一階段，從源到宿建立連接（占用資源）。第二階段在連接上進行實際的幀傳送，對每個被傳輸?shù)膸M行編號，以確保幀傳輸?shù)膬?nèi)容與傳輸順序的正確性。每幀只接收一次，對每一幀都確認(rèn)。第三階段斷開連接，釋放占用的資源。2．無連接確認(rèn)服務(wù)無連接確認(rèn)服務(wù)與面向連接確認(rèn)服務(wù)的不同之處在于，它不需要在幀傳輸之前建立數(shù)據(jù)鏈路，也不需要在幀傳輸結(jié)束后釋放數(shù)據(jù)鏈路。3．無連接不確認(rèn)服務(wù)3.1.2數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)物理層通常僅負(fù)責(zé)比特的傳輸，并不對比特的含義和作用進行區(qū)分。在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)以幀為單位進行傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層將網(wǎng)絡(luò)層的分組連續(xù)送到物理層進行傳輸時，有一個問題需要解決，即如何決定什么時刻是一幀的開始，什么時刻是一幀的結(jié)束，哪一段傳輸?shù)氖怯糜诓铄e校驗的比特。這些都是幀同步技術(shù)所要解決的問題。3.2幀與幀同步技術(shù)數(shù)據(jù)鏈路層采用幀作為數(shù)據(jù)傳送邏輯單元，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的核心任務(wù)是根據(jù)所要實現(xiàn)的數(shù)據(jù)鏈路層功能來規(guī)定幀的格式。盡管不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議給出的幀格式存在一定的差異，但它們的基本格式大同小異，如圖所示。3.2.1幀的基本格式1．字節(jié)計數(shù)法字節(jié)計數(shù)法以一個特殊字符表示一幀的開始（如SOH控制字符），并用一個專門字段來標(biāo)明一幀的字節(jié)數(shù)。接收端可以通過這些字符的識別從比特流中區(qū)分出幀的開始，并從專門字段中獲知該幀中隨后跟隨的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，從而確定幀的終止位置。面向字節(jié)計數(shù)的同步規(guī)程的典型實例是DEC公司的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信報協(xié)議（DDCMP）。DDCMP采用的幀格式如圖所示。3.2.2幀同步方法2．字符填充法字符填充法使用特定字符來界定一幀的起始與終止，在數(shù)據(jù)鏈路層中，如果傳輸無論什么樣的字符組合的數(shù)據(jù)，都能夠按照原樣無差錯地通過數(shù)據(jù)鏈路層，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)鏈路層對于這些數(shù)據(jù)是透明的，即透明傳輸技術(shù)。在面向字符的傳輸中，假設(shè)分組包含整數(shù)個字節(jié)（8位），典型的幀結(jié)構(gòu)如圖所示。3.2.2幀同步方法3．比特填充法比特填充法是數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)透明傳輸?shù)囊环N關(guān)鍵技術(shù)。比特填充法采用統(tǒng)一的幀格式，以特定的位序列進行幀同步和定界。比特填充法的工作原理，是采用一組特定的比特組合標(biāo)志一幀的起始與終止。發(fā)送端（填充規(guī)則）。最常見的規(guī)則（如HDLC協(xié)議所使用的）是：在幀的首尾加上幀定界標(biāo)志，例如01111110。發(fā)送方在數(shù)據(jù)字段（包括地址、控制等信息）中，從頭到尾掃描比特流。每當(dāng)掃描到連續(xù)的5個“1”時，就自動插入一個“0”。繼續(xù)掃描后續(xù)的比特。3.2.2幀同