因特网计算机网络教案模板下载

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- 1第1章

概述计算机网络

在信息时代的作用 因特网(Internet)的发展 因特网的意义最重要的功能

连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

共享——即资源共享。可以是信息共享、软件共享也可以是硬件共享。

1.2因特网概述

起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网

网络(ne two rk)由若干结点(no de)和连接这些结点的链路(link)组成。互联网是网络的网络‖ (network of networks)。

连接在因特网上的计算机都称为主机(ho st)。

网络与因特网

网络把许多计算机连接在一起。

因特网则把许多网络连接在一起。

1.2.2因特网发展的三个阶段

第一阶段是从单个网络ARPAN ET向互联网发展的过程。

第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。

第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。

万维网WWW的问世

因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络没有人能够准确说出因特网究竟有多大。因特网的迅猛发展始于20世纪90年代。 由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW(World Wide Web)被广泛使用在因特网上大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。

1.2.3关于因特网的标准化工作

制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段

因特网草案(Internet Draft)——在这个阶段还不是RFC文档。

建议标准(Proposed Standard)——从这个阶段开始就成为RFC文档。

草案标准(Dra ft S tandard) 因特网标准(I nterne t S tandard) 1.3因特网的组成

从因特网的工作方式上看可以划分为以下的两大块

(1)边缘部分

由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的用来进行通信传送数据、音频或视频和资源共享。

(2)核心部分

由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的提供连通性和交换。

1.3.1因特网的边缘部分

处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。

主机A和主机B进行通信‖ 实际上是指运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信‖ 。即主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信‖ 。或简称为计算机之间通信‖ 两种通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类

客户服务器方式C/S方式

即Client/Server方式

对等方式P2P方式

即P eer-to-P eer方式

1.客户服务器方式

- 3没有出现差错在转发时也没有被丢弃。

因特网的核心部分

因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成而主机处在因特网的边缘部分。在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。主机的用途是为用户进行信息处理的并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的 即

进行分组交换的。

路由器

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

路由器处理分组的过程是把收到的分组先放入缓存暂时存储

查找转发表找出到某个目的地址应从哪个端口转发

把分组送到适当的端口转发出去。主机和路由器的作用不同主机是为用户进行信息处理的并向网络发送分组从网络接收分组。路由器对分组进行存储转发最后把分组交付目的主机。

分组交换的优点

高效

动态分配传输带宽对通信链路是逐段占用。

灵活

以分组为传送单位和查找路由。

迅速

不必先建立连接就能向其他主机发送分组。

可靠

保证可靠性的网络协议

分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

分组交换带来的问题

分组在各结点存储转发时需要排队这就会造成一定的时延。

分组必须携带的首部里面有必不可少的控制信息也造成了一定的开销。

电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(meage switching)。报文交换的时延较长从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。

计算机网络的产生背景

是20世纪60年代美苏冷战时期的产物。 60年代初美国国防部领导的远景研究规划局ARPA(Advanc ed Re search Project Agency)提出要研制一种生存性(survivab ility)很强的网络。传统的电路交换(c irc uit sw itc hing)的电信网有一个缺点

正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁则整个通信电路就要中断。

如要改用其他迂回电路必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。

新型网络的基本特点

网络用于计算机之间的数据传送而不是为了打电话。

网络能够连接不同类型的计算机不局限于单一类型的计算机。

所有的网络结点都同等重要 因而大大提高网络的生存性。

计算机在进行通信时必须有冗余的路由。

网络的结构应当尽可能地简单 同时还能够非常可靠地传送数据。

ARPAN ET的成功使计算机网络的概念发生根本变化早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。分组交换网则是以网络为中心主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

从主机为中心到以网络为中心1.4计算机网络在我国的发展

(1)中国公用计算机互联网CHINAN ET(2)中国教育和科研计算机网CERN ET(3)中国科学技术网CSTNET(4)中国联通互联网UNINET(5)中国网通公用互联网CNCNET(6)中国国际经济贸易互联网CIETNET(7)中国移动互联网CMNET

-5 处理时延

交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

排队时延

结点缓存队列中分组排队所经历的时延。

排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和

四种时延所产生的地方

5.时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

6.利用率

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的有数据通过。完全空闲的信道的利用率是零。 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。时延与网络利用率的关系根据排队论的理论 当某信道的利用率增大时该信道

引起的时延也就迅速增加。若令D0表示网络空闲时的时延D表示网络当前的时延则在适当的假定条件下可以用下面的简单公式表示D和D0之间的关系

1.6.2计算机网络的非性能特征

费用 质量 标准化 可靠性

可扩展性和可升级性

易于管理和维护

1.7计算机网络的体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行而这种协调‖是相当复杂的。

分层‖可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

关于开放系统互连参考模型

OSI/RM只要遵循OSI标准一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面OSI却失败了。

OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力

OSI的协议实现起来过分复杂且运行效率很低

OSI标准的制定周期太长 因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场

OSI的层次划分并也不太合理有些功能在多个层次中重复出现。

两种国际标准

法律上的(de j ure)国际标准O SI并没有得到市场的认可。是非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。 TCP/IP常被称为事实上的(de facto)国际标准。

1.7.2划分层次的必要性

计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题同步含有时序的意思。

网络协议(network protoco l)简称为协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

网络协议的组成要素

语法

数据与控制信息的结构或格式。

语义

需要发出何种控制信息完成何种动作以及做出何种响应。

同步

事件实现顺序的详细说明。

划分层次的概念举例

主机1 向主机2通过网络发送文件。

可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收

-7第2章

物理层

2.1物理层的基本概念

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性 即

机械特性

指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、 固定和锁定装置等等。

电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

过程特性

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型

数据(d ata)——运送消息的实体。

信号(s igna l)——数据的电气的或电磁的表现。

模拟的‖ (analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。

数字的‖ (d ig ita l)——代表消息的参数的取值是离散的。

码元(code)——在使用时间域或简称为时域的波形表示数字信号时代表不同离散数值的基本波形。

2.2.2有关信号的几个基本概念

单向通信单工通信——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信半双工通信——通信的双方都可以发送信息但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。

双向同时通信全双工通信——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带(baseband)信号和带通(band pa)信号

基带信号即基本频带信号——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

基带信号往往包含有较多的低频成分甚至有直流成分而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulatio n)。

带通信号——把基带信号经过载波调制后把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输即仅在一段频率范围内能够通过信道。

几种最基本的调制方法

基带信号往往包含有较多的低频成分甚至有直流成分而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题就必须对基带信号进行调制(modulatio n)。

最基本的二元制调制方法有以下几种

调幅(AM)载波的振幅随基带数字信号而变化。

调频(FM)载波的频率随基带数字信号而变化。

调相(PM) 载波的初始相位随基带数字信号而变化。

正交振幅调制QAM(Quadrature Amp litude Modulation)2.2.3信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高或信号传输的距离越远在信道的输出端的波形的失真就越严重。

信道能够通过的频率范围

1924年奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下为了避免码间串扰码元的传输速率的上限值。在任何信道中码元传输的速率是有上限的否则就会出现码间串扰的问题使接收端对码元的判决即识别成为不可能。如果信道的频带越宽也就是能够通过的信号高频分量越多那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

(2)信噪比

香农(S ha nno n)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

-9抗干扰能力其频谱类似于白噪声不易被敌人发现。

每一个比特时间划分为m个短的间隔称为码片(chip)。

码片序列(chip sequence)每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。

如发送比特1则发送自己的mbit码片序列。

如发送比特0则发送该码片序列的二进制反码。

例如 S站的8 bit码片序列是00011011 。

发送比特1时就发送序列00011011 发送比特0时就发送序列11100100。

S站的码片序列 (–1–1–1+1+1–1+1+1)

C DMA的重要特点

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

码片序列的正交关系

令向量S表示站S的码片向量令T表示其他任何站的码片向量。

两个不同站的码片序列正交就是向量S和T的规格化内积(inner product)都是0

码片序列的正交关系举例

令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1) 向量T为(–1–1+1–1+1+1+1–1)。

把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。

正交关系的另一个重要特性

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。

C DMA的工作原理

2.5数字传输系统

1.脉码调制PCM体制

脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。

由于历史上的原因 PCM有两个互不兼容的国际标准即北美的24路PCM简称

为T1和欧洲的30路PCM简称为E1。我国采用的是欧洲的E1标准。

E1的速率是2.048 Mb/s而T1的速率是1.544 Mb/s。

当需要有更高的数据率时可采用复用的方法。

2.同步光纤网S ON ET和同步数字系列S D H

旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面

速率标准不统一。

如果不对高次群的数字传输速率进行标准化 国际范围的高速数据传输就很难实现。

不是同步传输。

在过去相当长的时间为了节约经费各国的数字网主要是采用准同步方式。

同步光纤网SONET同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。

第1级同步传送信号STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是51.84 Mb/s。光信号则称为第1级光载波OC-1 OC表示Optical Carrier。

同步数字系列S DH

ITU-T以美国标准SONET为基础制订出国际标准同步数字系列SDH

(Sync hro no us D igita l H ierarc hy)。

一般可认为SDH与SONET是同义词。 S DH的基本速率为155.52 Mb/s称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module) 即S TM-1相当于SONET体系中的OC-3速率。

S O N ET标准定义了四个光接口层

- 112.6.2光纤同轴混合网

HFC(Hybrid Fiber Coax)HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HF C网则需要对C ATV网进行改造

HF C的主要特点

(1)HF C网的主干线路采用光纤

HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤并使用模拟光纤技术。在