第1章 计算机网络教案22

第1章 计算机网络概述 学习目标

– 理解计算机网络的定义 – 了解计算机网络的发展概况 – 掌握计算机网络的组成 – 掌握计算机网络的分类方法 – 了解计算机网络的功能与应用

– 了解计算机网络的标准及若干有影响的标准化组织

第1章 计算机网络概述 教学内容

1.1 计算机网络的定义与发展 1.2 计算机网络的组成 1.3 计算机网络的分类

1.4 计算机网络的功能与应用

1.5 计算机网络的标准及标准化组织 1.6 本章要点小结

1.1 计算机网络的定义与发展 1.1.1 计算机网络的定义 1.1.2 计算机网络的发展

1.1.1－ 计算机网络的定义

?1970年，在美国信息处理协会召开的春季计算机联合会议，定义为：

–以能够共享资源（硬件、软件和数据等）的方式连接起来，并且各自具备独立功能的计算机系

统之集合

?计算机网络是利用通信设备和通信线路，将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机系统

互连起来，通过网络软件实现网络中资源共享和数据通信的系统 1.1.1－计算机网络示意图 1.1.1－网络定义的四个要点

?包含两台以上的地理位置不同具有―自主‖功能的计算机。

?网络中各结点之间的连接需要有一条通道，即由传输介质实现物理互联。 ?网络中各结点之间互相通信或交换信息，需要有某些约定和规则，即协议。 ?以实现数据通信和网络资源（包括硬件资源和软件资源）共享为目的

1.1.2 － 计算机网络的发展 分为四个阶段：

?20世纪50年代：以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机通信网 ?20世纪60年代末 ：多个自主功能的主机通过通信线路互联，形成资源共享的计算机网络

1.1.2 － 计算机网络的发展

?20世纪70年代末 ：形成具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络 ?20世纪80年代末 ：向互连、高速、智能化方向发展的计算机网络

1.1.2 －单机系统典型结构示意 1.1.2 －单机系统典型结构示意

?计算机（主机）负责数据的处理和通信管理；

1

?终端（包括显示器和键盘，无GPU和内存）只有输入输出功能，没有数据处理功能； ?调制解调器进行计算机或终端的数字信号与电话线传输的模拟信号之间的转换

1.1.2 －多机系统的典型结构 1.1.2 －互联的计算机网络

?形成了计算机网络的基本概念，即―以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计

算机之集合体‖

?典型代表是美国国防部高级研究计划局的

Agency）

1.1.2 － ARPAnet主要贡献

ARPAnet（ARPA，Advanced Research Projects

?完成了对计算机网络的定义、分类与子课题研究内容的描述 ?提出了资源子网、通信子网的概念 ?研究了报文分组交换的数据交换方法

?采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系

1.1.2 －计算机互联网络典型结构 1.1.2 －资源子网

?组成

–由网络中的所有主机、终端、终端控制器、外设（如网络打印机、磁盘阵列等）和各种软件

资源组成

?功能

– 负责全网的数据处理和向网络用户（工作站或终端）提供网络资源和服务

1.1.2 －通信子网

?组成

–由各种通信设备和线路组成

? 功能

– 承担资源子网的数据传输、转接和变换等通信处理工作

1.1.2 －遵循标准化的计算机网络

?加速体系结构与协议国际标准化的研究与应用。

?形成具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络 ?两种占主导地位的网络体系结构

–国际标准化组织ISO提出的OSI RM（开放式系统互连参考模型） –Internet所使用的事实上的工业标准TCP/IP RM（TCP/IP参考模型）。

1.1.2 － ―开放‖的含义

?遵循国际标准化协议的计算机网络具有统一的网络体系结构，厂商需按照共同认可的国际标准

开发自己的网络产品，从而可保证不同厂商的产品可以在同一个网络中进行通信。 1.1.2 －互联网络与高速网络

?发展了以Internet为代表的互联网 ?发展高速网络

–―信息高速公路‖是指数字化大容量光纤通信网络，用以把政府机构、企业、大学、科研机构和

2

家庭的计算机联网。

?研究智能网络

1.1.3 计算机网络在中国的发展

?1993年9月建成建立公用分组交换网CHINAPAC ，由国家主干网和各省（自治区、直辖市）

的省内网组成。

?1993年提出三金‖工程

–金桥、金关、金卡

?1996年底建成四个基于Internet技术的公用计算机网络

–中国公用计算机互联网CHINANET –中国金桥信息网CHINAGBN

–中国教育和科研计算机网CERNET –中国科学技术网CSTNET

1.2 计算机网络的组成

?从系统功能的角度看

–计算机网络由通信子网和资源子网两部分组成

? 从系统构成的角度看

– 计算机网络由 网络硬件 和 网络软件 两部分组成

1.2.1 － 网络硬件

?硬件是计算机网络的基础，主要包括：

–主机 –终端

–连网的外部设备 –传输介质 –通信设备等

?网络硬件的组合形式决定了计算机网络的类型

1.2.1 －主机

?传统定义中的主机是指网络系统的中心计算机（主计算机），可以是大型机、中型机、小型机、

工作站或者微型机。

?工作站(Workstation)是一种高档的微型计算机，通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大

的内存储器和外部存储器，并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形、图像处理功能。

1.2.1 －终端

?终端是用户访问网络的接口，包括显示器和键盘，其主要作用实现信息的输入输出。 ?虚拟终端 Virtual Terminal

–用户可以操纵远程计算机，运行远程计算机上的程序，就像是坐在这台计算机前面一样。

1.2.1 － 传输介质

?是网络中信息传输的物理通道 ?分为两类

– 有线

3

双绞线、同轴电缆、光纤

– 无线

红外线、微波、无线电、激光和卫星信道等 1.2.1 －常见连网设备

?网卡 NIC

?调制解调器 Modem ?中继器 Repeater ?集线器 HUB ?网桥 Bridge ?路由器 Router ?交换机 Switcher

?其它：CCP、FEP、集中器、多路选择器

1.2.1 －网卡

?网卡是主机和网络的接口

?在发送方，把主机产生的串行数字信号转换成能通过传输媒介传输的bit流； ?在接收方，把通过传输媒介接收的bit流重组成本地设备可以处理的数据。

?MAC（介质访问控制）地址 ：每块网卡都有一个唯一的12位的十六进制网络结点地址，它

是网卡厂家在生产时写入ROM中的。 1.2.1 －调制解调器（Modem）

?发送信息时，将计算机的数字信号转换成可以通过模拟通信线路传输的模拟信号，即―调制‖； ?接收信息时，把模拟通信线路上传来的模拟信号转换成数字信号传送给计算机，即―解调‖

1.2.1 －中继器与集线器

?中继器(Repeater)

–是最简单的网络延伸设备，作用就是放大通过网络传输的数据信号。

? 集线器(HUB)

– 多个端口中继器

1.2.1 －网桥(Bridge)

?作用是扩展网络的距离，减轻网络的负载。 ?网桥会将非本网段的信号排除掉（即过滤）

1.2.1 － 路由器（Router）

?用于连接多个逻辑上分开的网络。 ?具有判断网络地址和选择路径的功能。

1.2.1 －其它连网设备

?线路控制器：主计算机或终端设备与线路上调制解调器的接口设备。

?通信控制处理机：负责通信处理工作的计算机。有多种名称，如，通信控制机

(CCP-Communication Controller Processor)、前端处理机(FEP-Front End Processor)、接口报文处理机(IMP-Interface Message Processor)等。

?集中器、多路选择器：通过通信线路分别和多个远程终端相连接的设备。

1.2.2 －网络软件

?网络操作系统

4

–常用的网络操作系统有Windows 2000 Server、Netware、Unix、Linux等

?网络通信协议

–如TCP/IP、SPX/IPX、NetBEUI等 –Internet使用的协议是TCP/IP

?网络数据库系统 ?网络管理软件 ?网络工具软件 ?网络应用软件

1.3 计算机网络的分类

?按照网络的拓扑结构可分为：星形、总线形、环形、树形和网状形等 ?按照网络的地理覆盖范围可分为：局域网、城域网和广域网 ?按照网络的管理方式可分为：客户机/服务器网络和对等网络 ?按照网络的使用范围可分为：公用网和专用网

?按照网络的数据传输方式可分为：广播式网络和点对点网络 ?按照网络的带宽和传输能力可分为：窄带网和宽带网 1.3.1 －按拓扑结构分类

?是几何学分支，把实体抽象成点和线的集合，从而研究点、线、面之间的关系。 ?网络拓扑：研究网络结点与通信线路间几何关系。 ?有星形、总线形、环形、树形和网状形等 ?星形、总线形、环形是三种基本的拓扑结构。

1.3.1 －星形结构 1.3.1 －环型拓扑

?各结点通过链路连接，在网络中形成一个首尾相接的闭合环路，信息在环中作单向流动，通信线路共享。

?优点：结构简单，容易实现，信息的传输延迟时间固定，且每个结点的通信机会相同。 ?缺点是：网络建成后，增加新的结点较困难 1.3.1 －总线拓扑

?网络中的所有结点均连接到一条称为总线的公共线路上，即所有的结点共享同一条数据通道，结点间通过广播进行通信。

?优点是：连接形式简单、易于实现、组网灵活方便 ?缺点是：传输能力低，易发生―瓶颈‖现象；安全性低 1.3.1 －树型拓扑

?可以看作是星形结构的扩展，是一种分层结构，具有根结点和各分支结点 ?除了叶结点之外，所有根结点和子结点都具有转发功能 ?是一种广域网常用的拓扑结构

1.3.1 －网状拓扑

?每一个结点至少有一条链路与其它结点相连，每两个结点间的通信链路可能不止一条，需进行

路由选择

?是一种广域网常用的拓扑结构，互联网大多也采用这种结构。

1.3.2 － 按地理覆盖范围分类 ?局域网 LAN Local Area Network

–覆盖范围一般在几公里以内，通常不超过10公里

5

–具有高数据传输速率、低误码率的高质量数据传输能力

?城域网 MAN Metropolitan Area Network

–一般为几公里至几十公里

?广域网 WAN Wide Area Network

–也称为远程网，是一种跨越较大地域的网络，其范围可跨越城市、地区甚至国家 –通信速率要比局域网低得多，而信息传输误码率要比局域网高得多

1.3.2 －按管理方式分类

?客户机/服务器网络（Client/Server）

C/S结构是最常用、最重要的一种网络类型。改进结构为浏览器/服务器结构(B/S Browser/Server)。

?对等网：是最简单的网络，网络中不需要专门的服务器，既可以使用其它计算机上的资源，

也可以为其它计算机提供共享资源。比较适合于部门内部协同工作的小型网络，不易管理与监控。

1.3.2 －按网络的使用范围分类

?公用网（Public Network）

公用网一般是由国家邮电或电信部门建设的通信网络。按规定缴纳相关租用费用的部门和个人均可以使用公用网

?专用网（Private Network）

专用网是指单位自建的、满足本单位业务需求的网络。专用网不向本单位以外的人提供服务。如，军队、铁路、电力等系统均拥有本系统的专用网。 1.4 计算机网络的功能与应用

1.4.1 计算机网络的基本功能与特点

–基本功能主要有：数据通信、资源共享、集中管理、分布式处理、可靠性高、均衡负荷和综

合信息服务等。

1.4.2 计算机网络的典型应用

–办公自动化系统、管理信息系统、电子数据交换和电子商务、远程教育、电子银行、企业网

络等。

1.4.1 －计算机网络的基本功能与特点 ?数据通信

数据通信是计算机网络基本的功能，可实现不同地理位置的计算机与终端、计算机与计算机之间的数据传输。 ?资源共享

资源共享包括网络中软件、硬件和数据资源的共享，这是计算机网络最主要和最有吸引力的功能。 ?集中管理 ?分布式处理

将作业分解交给不同的计算机，均衡使用网络资源 ?可靠性高

网络中的各台计算机可以通过网络彼此互为后备机 ?均衡负荷

当网络中的某台计算机处理任务的负荷过重时，新的任务可通过网内的结点和线路分送到其它较空闲的某台计算机，以提高整个系统的利用率。 ?综合信息服务

1.4.2 － 计算机网络的典型应用

?办公自动化系统(OAS-Office Automation System) ?管理信息系统(MIS-Management Information Systems)

6

?电子数据交换(EDI-Electronic Data Interchange) ?现代远程教育(Distance Education) ?电子银行 ?企业信息化

1.5 网络的标准及标准化组织

?1.5.1 －两类标准

–国际标准化组织(ISO)的网络的开放系统互连参考模型(OSI/RM) –事实标准 ：Internet所使用的TCP/IP参考模型

?1.5.2 －有影响的标准化组织

– 最有影响的两个组织是ISO 和IEEE

1.5.2 －国际标准化组织(ISO)

?世界上最大、最有权威性的国际标准化专门机构。

?著名的具有七层协议结构的开放系统互联参考模型(OSI)、ISO9000

标准等。

1.5.2 －美国国家标准协会ANSI

系列质量管理和品质保证

?ANSI（American National Standards Institute)

?ANSI同时也是一些国际标准化组织的主要成员，如国际标准化委员会和国际电工委员会

(IEC)。ANSI标准广泛应用于各个领域，典型应用有：美国标准信息交换码(ASCII)和光纤分布式数据接口(FDDI)等。

1.5.2 －电气与电子工程师协会IEEE

?IEEE-Institute of Electrical and Electronics Engineers

?由从事电气工程、电子和计算机等有关领域的专业人员组成，是世界上最大的专业技术团体。IEEE下设许多专业委员会，其定义或开发的标准在工业界有极大的影响和作用力。

?IEEE802制定了著名的IEEE802系列标准，如IEEE802.3以太网标准、IEEE802.4令牌总线网

标准和IEEE802.5令牌环网标准等。 1.5.2 －国际电信联盟ITU

?ITU-International Telecommunication Union

?ITU是世界各国政府的电信主管部门之间协调电信事务的一个国际组织，它研究制定有关电信业务的规章制度，通过决议提出推荐标准，收集相关信息和情报，其目的和任务是实现国际电信的标准化。

?ITU

的实质性工作由无线通信部门(ITU-R)、电信标准化部门(ITU-T)和电信发展部门(ITU-D)承担。其中，ITU-T就是原来的国际电报电话咨询委员会(CCITT)，负责制订电话、电报和数据通信接口等电信标准化。 1.5.2 －国际电工委员会IEC

?IEC- International Electrotechnical Commission ?它是世界上成立最早的国际性电工标准化机构，负责有关电气工程和电子工程领域中的国际标

准化工作。

?IEC负责有关电气工程和电子工程领域中的国际标准化工作，ISO则负责其他领域内的国际标

准化工作。

1.5.2 －电子工业协会EIA

7

?EIA是美国的一个电子工业制造商组织

?EIA颁布了许多与电信和计算机通信有关的标准。例如，众所周知的RS－232标准，定义了数

据终端设备和数据通信设备之间的串行连结。

?在结构化网络布线领域，EIA与美国电信行业协会(TIA)联合制定了商用建筑电信布线标准（如

EIA/TIA568标准），提供了统一的布线标准并支持多厂商产品和环境。 1.5.2 － Internet协会ISOC ?ISOC-Internet Society

?非政府的全球合作性国际组织，主要工作是协调全球在Internet方面的合作，就有关Internet的发展、可用性和相关技术的发展组织活动。

? ISOC采用会员制，会员来自全球不同国家各行各业的个人和团体。ISOC由会员推选的监管

委员会进行管理。

?中国互联网协会成立于2001年5月，由国内从事互联网行业的网络运营商、服务提供商、设

备制造商、系统集成商以及科研、教育机构等70多家互联网从业者共同发起成立。 本章要点

?计算机网络是利用通信设备和通信线路，将地理位置分散的、具有独立功能的多个计算机系统互连起来，通过网络软件实现网络中资源共享和数据通信的系统。 ?计算机网络的发展的四个阶段

(1)以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机通信网； (2)多个自主功能的主机通过通信线路互联，形成资源共享的计算机网络； (3) 形成具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络； (4) 向互连、高速、智能化方向发展的计算机网络。 本章要点

?计算机网络在中国起步较晚，但发展很快。目前已经建成和正在建设中的基于Internet技术的

公用计算机网络有10个。

?从系统功能的角度看，计算机网络由通信子网和资源子网两部分组成；从系统构成的角度看，

计算机网络由网络硬件和网络软件两部分组成。

本章要点

?计算机网络的类型可从不同的角度进行划分。

–按照网络的拓扑结构可分为：星形、总线形、环形、树形和网状形等； –按照网络的地理覆盖范围可分为：局域网、城域网和广域网； –按照网络的管理方式可分为：客户机/服务器网络和对等网络； –按照网络的使用范围可分为：公用网和专用网；

–按照网络的数据传输方式可分为：广播式网络和点对点网络； –按照网络的带宽和传输能力可分为：窄带网和宽带网。 本章要点

?计算机网络的基本功能与特点是：数据通信、资源共享、集中管理、分布式处理、可靠性高、

均衡负荷及综合信息服务等。

?计算机网络的典型应用有：办公自动化系统、管理信息系统、电子数据交换、现代远程教育、

电子银行、企业信息化等。 本章要点

?由一些权威标准化组织正式认证并采纳的标准称为合法标准，如OSI/RM；未曾被相关行业标

准化组织认可，但却得到广泛应用的标准称为既成事实标准，如TCP/IP参考模型。

?在网络和数据通信领域有影响的标准化组织有：国际标准化组织、美国国家标准协会、电气与

8

电子工程师协会、国际电信联盟、国际电工委员会、电子工业协会、美国国家标准与技术研究院和Internet协会等。 第2章 数据通信基础 学习目标

– 掌握数据通信的基本概念和常用术语 – 掌握数据通信的主要技术指标和通信方式 – 掌握常用传输介质的类型和特性

– 了解数据通信中的编码方法与传输技术 – 掌握多路复用技术的概念、了解实现方法 – 掌握数据交换技术的概念、了解实现方法 – 了解差错控制的概念、原理与方法

第2章 数据通信基础 教学内容

2.1 相关基本概念 2.2 数据传输介质

2.3 数据编码与传输技术 2.4 多路复用技术 2.5 数据交换技术 2.6 差错控制技术 2.7 本章要点小结

2.1 相关基本概念

2.1.1 数据通信系统的模型 2.1.2 数据通信的常用术语 2.1.3 数据通信方式

2.1.4 数据通信中的同步方式 2.1.5 数据通信中的主要技术指标

2.1.1 － 数据通信系统的模型

数据通信是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。 2.1.1 －通信系统模型

?信源指信息的来源或发送者，信宿指信息的归宿或接收者。 ?信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组成

2.1.1 －噪声

?噪声是指信号在传输过程中受到的干扰 ?按产生的原因可分为：

– 内部噪声：来自通信系统内部，例如：随机热噪声是由导体中电子的热扰动引起的，它存在

于所有电子器件和传输线路中，引起的差错是随机差错

– 外部噪声：来自通信系统外部，例如：冲击噪声是由外界特定的短暂原因（如，电火花等）

所造成的，引起的差错是突发差错。 2.1.2 数据通信常用术语

?数据是指描述物体的数字、字母或符号，有模拟数据和数字数据之分。

?信号是数据在传输过程中的表示形式，是用于传输的电子、光或电磁编码，有模拟信号和数字

信号之分。

9

?数据是信息的载体，信息是数据的内容和解释，而信号是数据的编码。

2.1.2 －模拟信号与数字信号 2.1.2 －信道和带宽

?信道是传输信号的通路，一条传输线路上可以存在多个信道。

?信号带宽指信号的频率范围，而信道带宽是信道上能够传输信号的最大频率范围

2.1.3 数据通信方式 －串行通信

?将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高位的顺序，依次发送。

?特点是：成本低，利用率高，速度慢，需串/并转换，适合长距离的传输。

2.1.3 数据通信方式 －并行通信

?将表示一个字节的二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去，即每次发送一个字节 ?特点是：成本高，速度快，不需串/并转换；但是信道的利用率低。

2.1.3 －单工、半双工和全双工通信

?单工通信

–只支持数据在一个方向上传输（正向或反向），任何时候不能改变信号的传输方向。

?半双工通信

– 允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输 ?全双工通信

–允许数据同时在两个方向上传输（即允许双向传输，并且可以同时进行）。

2.1.4 数据通信中的同步方式

?同步，就是要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。 ? 两种同步方式 –异步传输 –同步传输

2.1.4 －异步传输

? 在异步传输中 比特被划分成小组（通常是字符）独立进行传输 ?异步传输中比特小组一般以字符为单位，具体组成如下： ? 起始位 、 数据位 、校验位 、停止位

2.1.4 －异步传输

?无数据传输时，停止位（逻辑―0‖） ?有数据传输时，检测起始位（逻辑―1‖）

?按收、发双方约定的时钟频率对约定的字符比特数（5～8bit）进行接收 ?差错控制，完成一个字符的传输。

?特点：数据传输额外开销大，主要用于低速设备，例如键盘、某些打印机等。

2.1.4 －同步传输

?在同步传输方式下，比特被划分成大组（通常是数据帧）独立进行传输。 ?同步传输比特组成

–同步字符 –地址字段

10

–控制字段 –数据字段 – 检验字段 –帧结束字段

2.1.4 －同步传输原理

?在无数据传输时，发送空闲信息

?有数据传输时，检测同步字符（SYN）

?按收、发双方约定的时钟频率对约定的数据进行接收 ?差错控制，完成一个数据帧的传输。

?同步传输的特点是：数据传输额外开销小，但实现复杂，常用于高速数据传输 。2.1.5 数据通信中的主要技术指标

?数据传输速率 ?误码率 ?信道容量

?三个指标之间的关系

2.1.5 －数据传输速率

?数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制位的个数 ?单位为比特每秒，表示为bps或b/s。

–S — 表示比特率 –T — 表示脉冲宽度

–N — 表示一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数，通常为2的整数倍。 2.1.5 － 例

?若一连续信号，f = 1200Hz，每个信号可表示4个不同的状态，则

?波特率为1200

?数据传输速率（比特率）为2400bps。

2.1.5 －信号传输速率

?信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数， ?单位为baud（波特）

B = 1 / T

–B 波特率

–T 信号周期。

? 例：若f = 1200Hz 的一连续信号，

则 B = 1/T = 1200 （波特） 2.1.5 － 波特率和比特率之间关系

?比特率针对的是二进制位数传输，波特率针对信号波形的传输

11

?N为 一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数

2.1.5 － 误码率

?误码率主要用于衡量数据传输的质量。

?定义为：二进制数据位在传输中出错的概率。

Pe = Ne / N

–Pe 误码率

–Ne 出错的位数 –N 传输的总位数

2.1.5 －信道容量

?信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率（受信道的带宽限制） ?单位为bps或b/s。 ?两种衡量的方法

– 有限带宽无噪声信道

（奈奎斯特公式）

– 有限带宽随机噪声信道

（香农公式）

2.1.5 －奈奎斯特公式

?其中：C 最大数据速率（信道容量） ? H 信道的带宽（Hz）

? N 一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数

? 奈奎斯特公式表明，对某一有限带宽无噪声信道，带宽固定，则调制速率也固定，但可以通

过提高信号能表示的不同的状态数，以提高信道容量。 2.1.5 －例

?若某信道带宽为4kHz，任何时刻信号可取0、1、2和3四种电平之一，则为:

2.1.5 －香农公式

–H 信道的带宽（Hz） –C 信道内信号的功率

–N 信道内服从高斯分布的噪声的功率

?S/N 是信噪比，通常用 表示 ? 单位： dB 、分贝

2.1.5 －例

?信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率为多少？

?S/N=1000

?表示无论采用何种调制技术，信噪比为30dB，带宽为4kHz的信道最大的数据速率约为40kbps。

12

2.1.5 －三个指标之间的关系

?数据速率是信道的实际数据传输速率 ?信道容量是信道的最大数据传输速率 ?误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。

2.1.5 － 例

?在数字传输系统中，调制速率为1200波特，数据传输速率为3600bps，则每个信号可有几种不

同状态？如要使调制速率和数据传输速率相等，则每个信号应有几种不同状态？ 2.1.5 －例

?在电话系统中，一路电话的带宽是3KHz，典型的信噪比是35dB，请计算电话线上可以取得的

理论上最大的数据传输速率？

?先求解S/N：35dB=10log10S/N，所以S/N≈3162，利用香农公式求解信道容量：C=Hlog2（1+S/N）

=3KHz×log2（1+3162）≈34880bps，即35Kbps左右的比特率将是常规调制解调器的上限 2.2 数据传输介质

2.2.1 传输介质基本概念 2.2.2 双绞线 2.2.3 同轴电缆 2.2.4 光纤 2.2.5 无线介质

2.2.1 －传输介质基本概念

?传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。 ?类型

– 双绞线、同轴电缆、光纤、无线 信道、卫星通信信道

? 特性

– 物理、传输、连通、地理范围、抗干扰、相对价格

2.2.2 －双绞线

?双绞线由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，把两条导线按一定密度对扭在一起可以减少相

互间的电磁干扰。

?双绞线芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。双绞线一般分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽

双绞线（FTP、STP、）。 2.2.2 －非屏蔽双绞线 UTP

?UTP Unshielded Twisted Pair

?是 将一对或多对双绞线线对（常用4对）放入一个绝缘套管，外面没有屏蔽层。

2.2.2 －屏蔽双绞线 FTP、STP

?屏蔽双绞线是在一对或多对双绞线线对的外面加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，然后再放入

一个绝缘套管。

?按屏蔽层设置的不同分成外层屏蔽双绞线（FTP，Floated Twisted Pair），全屏蔽双绞线（STP，

Shielded Twisted Pair）

?屏蔽双绞线的抗干扰性能（尤其是线对间抗干扰性能）要远高于非屏蔽双绞线（UTP），价格

也比非屏蔽双绞线高

2.2.2 － FTP STP 2.2.2 －双绞线的特性

13

?传输特性

–用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号。

?连通性

–双绞线可常用于点到点连接，也可用于多点连接。

?地理范围

–双绞线可以很容易地在15公里或更大范围内提供数据传输。

?抗干扰性

–在低频传输时，抗干扰性高于同轴电缆；而在10～100KHz时，则低于同轴电缆。

?价格

–双绞线的相对价格最便宜

2.2.3 －同轴电缆

? 内芯

– 金属导体，用于传输数据

? 绝缘层

– 用于内芯与屏蔽层间的绝缘

? 屏蔽层

– 金属导体，用于屏蔽外部的干扰

? 塑料外套

– 用于保护电缆

2.2.3 －同轴电缆特性

?同轴电缆内芯一般是铜质的，能提供良好的传导率。 ?同轴电缆分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两类。

–基带同轴电缆 用于传输数字信号

–宽带同轴电缆 既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号，通常用于传输电视信号。

?可用于点到点连接和多点连接 ?抗干扰性通常高于双绞线 ?高于双绞线，低于光纤

2.2.4 －光纤

?传输速率高达几百Mbps、误码率极低，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。

?

2.2.4 －光纤

?直径50-150?m 导光介质。

? 由纤芯、包层、外保护层组成。

? 分室外、室内、桌面型。单模光纤、多模光纤。

2.2.4 －单模光纤与多模光纤

?单模光纤

– 光纤上光信号单角度（轴线）、单光线传输 – 纤芯小、性能好

? 多模光纤

14

– 光纤上光信号多角度、多光线传输 – 纤芯大、性能不如单模光纤

2.2.4 －光纤的特性

?传输特性：

–要实现双向通信就必须成对使用。

?连通性

–只用于点到点连接。

?地理范围

–适用于长距离信号传输

?抗干扰性

–具有良好的抗干扰性，不受任何强电磁的影响，安全性也好。

?价格

–价格比较昂贵。在有线介质中，光纤的价格最高

2.2.5 －无线介质

?频带范围：低频-特高频传输方式：地波、天波、空间波 ?缺点：易受天气等因素影响，信号幅度变化较大 ?优点：技术成熟、应用广泛、发射功率要求小 ?适用：长、中、短波，电视

2.2.5 －微波通信

?频带范围：100M-10G

?传输方式：空间波直线传播 ?缺点：只能视距传播、架高天线

?优点：微波能量集中，发射功率要求小，适合点到点接力传播。 ?适用：调频、电视、移动、定向通信 2.2.5 －卫星通信

?特点：通信距离远、覆盖面积大、不受地理条件限制、费用与距离无关、信道带宽宽、可多址通信和移动通信 ?卫星、地球站

?转发器使用不同频率接受、放大和 发送信号 ?上行链路 Uplink ?下行链路 Downlink

2. 3 数据编码与传输技术

?数据通信是在信源与信宿之间进行信息交流。 ?用模拟信道进行的数据通信称为模拟数据通信 ?用数字信道进行的数据通信称为数字数据通信。

2.3.1 －模拟数据通信

?模拟信道传输模拟数据

–典型的例子是声音在普通电话系统中的传输。

? 模拟信道传输数字数据

– 典型的例子是通过电话系统实现两个计算机（数字设备）之间的通信。

? 由于电话系统只能传输模拟信号，所以需通过调制解调器（Modem ）进行数字信号与模拟

15

信号的转换。

2.3.1 －数字数据通信

?数字信道传输数字数据 典型的例子是将两个计算机通过接口直接相连。

2.3.1 －模拟与数字通信比较

?模拟数据通信长距离传输时，需用放大器增加信号中的能量。虽克服了衰减，但增加了噪声。 ?数字数据通信 长距离传输时，需用中继器增加信号中的能量。既克服了衰减，又克服了噪声，

可以做到信号的完全复原。

2.3.2 －数字数据的数字信号编码

?研究如何用信号来表示相应的数据―0‖和―1‖ 。 ?数字信号编码的工作由网络上的硬件完成 ?常用的编码方法有：

– 不归零码NRZ （non-return to zero ） – 归零码 – 自同步码

2.3.2 －不归零码NRZ

?单极性不归零码

?双极性不归零码

2.3.2 －不归零码NRZ特点

?不归零码是指编码在发送―0‖或―1‖时，在一码元的时间内不会返回初始状态（零）。?缺点：无法保持同步。

?必须用另一个信道同时发送同步时钟信号。

?计算机串口与调制解调器之间使用的就是采用不归零码。

2.3.2 －归零码

?单极性归零码 ?双极性归零码

2.3.2 －自同步码

?自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。 ?在局域网中通常使用自同步码。

?自同步码典型代表有曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

2.3.2 －曼彻斯特编码

?Manchester

?每比特周期分前T/2和后T/2两部分。 ?前T/2传反码，后T/2传原码。 ?自含同步时钟 ?无直流分量 ?传输效率较低

2.3.2 －差分曼彻斯特编码

16

?Difference Manchester

?每比特中间跳变仅作同步之用。 ?每比特值由临界是否发生跳变决定。 ?发生跳变表示传输逻辑―0‖ ?不发生跳变表示传输逻辑―1‖

2.3.2 －例 数据编码方式

2.3.3 数字数据的模拟信号编码

?基本应用

在电话信道传输数字信号，必须把数字信号转换成模拟信号。? 采用技术

– 调制Modulation – 解调Demodulation

? 常用设备

– 调制器Modulator – 解调器Demodulator – 调制解调器Modem

2.3.3 －交流信号三要素

?载波信号

u(t)=Umsin(?t+?0)

? 三要素

幅值、频率、初相位

? 模拟数据编码基本思想

– 用―0‖―1‖ 改变载波三要素（调制），经信道传输后再还原（解调）。2.3.3 －振幅调制

? Amplitude-Shift Keying

? 通过改变载波信号振幅来表示数字信号1和0。 ?

2.3.3 －移频调制

? Frequency-Shift Keying

? 通过改变载波信号角频率来表示数字信号1和0。 ?

2.3.3 －移相调制

?Phase-Shift Keying

?通过改变载波信号相位值来表示数字信号1和0

17

?三种形式

– 绝对调相 – 相对调相 – 多相调相

2.3.3 －绝对相移键控

?用两个固定的不同相位表示数字―0‖和―1‖

2.3.3 －相对相移键控

?用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号

?最简单的相对调相方法是： 与前一个信号同相表示数字―0‖，相位偏移180度表示―1‖ ?这种方法具有较好的抗干扰性

2.3.3 －多相调相

?用载波信号在两位数字信号的交接处产生的不同相位偏移来表示载波所表示的数字信号多种

组合。

?结合ASK、FSK和PSK可以实现高速调制

2.3.4 －模拟数据的数字信号编码

?数字信号传输模拟数据的数字信号编码最常用的方法是脉冲编码调制（PCM ，pulse code

modulation）。

?PCM技术的典型应用是语音数字化 ?过程

– 采样 – 量化 – 编码

2.3.4 －理论基础（采样定理）

?若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽

的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。

?即采样频率：

?其中： T 为采样周期

? fmax为模拟信号的最高频率分量

2.3.4 －采样

?根据采样频率，隔一定的时间间隔采集模拟信号的值，得到一系列模拟值 。

2.3.4 －量化

?将采样得到的模拟值按一定的量化级（本例采用16级）进行\取整\，得到一系列离散值。

2.3.4 －编码

?将量化后的离散值数字化，得到一系列二进制值；然后将二进制值进行编码，得到数字信号。

18

2.3.4 －模拟信号的PCM编码 2.3.4 －三类声音信号编码参数 2.3.5 －基带传输与频带传输

?数字信号频谱

? 在数据通信中，由计算机或终端等数字设备直接发出的信号是二进制数字信号，是

典型的矩形电脉冲信号，其频谱包括直流、低频和高频等多种成份。

?在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基

带。

2.3.5 －基带传输

?数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。 ?在基带传输中，整个信道只传输一路信号，通信信道利用率低。

?由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域

网中通常使用基带传输技术。

?在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。

2.3.5 －频带传输

?频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较宽频率范围的模

拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。

?计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。

?基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。

2.4 多路复用技术

?Multiplexing

?在一条物理线路上建立多条通信信道的技术 ?研究原因与目的

? 通信线路建设费用昂贵，需要充分利用线路容量 ? 实际传输介质容量已超过单一信道通信量

2.4.1－多路复用原理

?将一个区域的多个用户信息通过多路复用器汇集，然后将汇集后的信息群通过一条高速物理线

路传送到接收设备，接收设备通过多路复用器将信息群分离成各个单独的信息，再分发给多个用户。

2.4.1－多路复用技术基本形式

?频分多路复用 FDM

– Frequency Division Multiplexing

? 波分多路复用 WDM

– Wavelength Division Multiplexing

? 时分多路复用 TDM

– Time Division Multiplexing

2.4.2－频分多路复用

19

?以信道频带为分割对象，通过为多个信道分配不重叠的频率范围来实现的多路复用方法。 ?充分利用信道带宽

?使用FDM的前提是：物理信道的可用带宽要远远大于各原始信号的带宽。 ?适合模拟数据信号传输，广泛用于广播电视等领域

2.4.2－频分多路复用 2.4.3－波分多路复用

?波分多路复用主要用于全光纤网组成的通信系统中

?光纤通道技术采用波长分隔多路复用技术，简称波分复用，波分复用是频分复用的一种特殊表

现形式。

2.4.4－时分多路复用

?以信道传输时间为分割对象，通过为多个信道分配不重叠的时间片（时隙）来实现的多路复用

方法。

?时间片内独占信道带宽 ?适合基带数据信号传输 ?分类：

–同步时分多路复用

– 统计时分多路复用（异步时分多路复用）

2.4.4－时分多路复用 2.4.4－同步时分多路复用

?STDM Synchronous TDM

?将时间片预先分配给各个信道，时间片固定不变，各个信道发送与接收必须同步,顺序发送接

收。

?缺点：平均分配，计划分配，信道资源浪费。 ?周期 1s 复用信道n=10 每时间片0.1s

?

2.4.4－同步与统计时分多路复用 2.4.4－统计时分多路复用

?异步时分多路复用

?ATDM Asynchronous TDM ?按需动态分配时间片。

?动态分配通过呼叫响应来实行 ?分为有周期和无周期（动态）两种 ?ATDM为ATM奠定了理论基础

20

2.5.2－数据交换技术

?数据在各节点间的数据传输过程称为数据交换。

?网络中常用的数据交换技术可分为两大类：线路交换和存储转发交换。 ?存储转发交换技术又可分为报文交换和分组交换。 ?

2.5.2－线路交换方式

?Circuit Exchanging

?两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，必须在通信子网中建立一个实际物理线路连接。 ?过程：线路建立、数据传输、线路释放 ?

2.5.2－线路交换原理

2.5.2－线路交换特点

?是物理连接，专用，实时。 ?不适应突发性通信，效率低。 ?无存储功能（透明）。 ?无传输纠错能力。

2.5.3－报文交换方式

?所谓报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。 ?存储转发方式

?Store and Forward Exchanging

?将发送数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成数据单元（报文或报文分组），

由通信控制处理器完成数据接收、差错校验、存储、路选和转发。

?

2.5.3－存储转发原理

2.5.3－存储转发特点

?共享信道，线路利用率高

?动态选择，平滑交通量，系统效率高 ?差错检验和纠错功能

21

?延迟时间长且不定，不适合对实时性要求强的传输 ?通信不可靠、失序。

2.5.3－存储转发分类

? 按交换内容分：

?报文交换 Message Exchanging ?报文分组交换 Packet Exchanging ? 按传输技术分：

?数据报方式 DG Datagram

?虚电路方式 VC Virtual Circuit

2.5.4－分组交换

?数据交换新要求：

?能适应从很低到很高范围内的不同速率的交换，以满足不同用户的需； ?有尽量快的接续速度

?要适应用户实时通信的要求，网络延时要小 ?有高的传输准确性 ?适应多样化数据业务

2.5.4－分组交换原理

?分组交换方式是吸取报文交换方式的优点，仍然采用―存储-转发‖的方式

?把报文―裁成‖若干比较短的、规格化的―分组‖（或称包Packet）进行交换和传输 ?发送站将一个长报文分成多个报文分组，接收站再将多个报文分组按顺序重新组织成一个长报

文

?分组交换技术在实际应用中，可以分成数据报方式和虚电路方式

2.5.4－报文与报文分组结构

2.5.4－数据报方式

? 数据报是报文分组存储转发的一种形式。分组传输过程中，源主机与目的主机不需事先

建立―线路连接‖。每个分组独立选择路径，从源主机达到目的主机。

2.5.4－数据报方式工作原理

2.5.4－数据报方式特点

?不同分组通信路径不同

?分组传输可能乱序、重复、丢失 ?数据必须带源、目的地址、分组编号 ?传输延迟大

22

?适用突发通信，不适用会话、长报文

2.5.4－虚电路方式

?虚电路方式是将线路交换与数据报方式结合起来，发挥两者的优点。分组发送之前，需建立一

条逻辑连接的虚电路。

?过程：虚电路建立、数据传输、虚电路拆除

2.5.4－虚电路方式工作原理

2.5.4－虚电路方式特点

?分组发送前，需建立逻辑连接

?分组沿虚电路顺序传输，不会乱序、重复、丢失 ?结点只做差错检测，不选路径

?每个结点可与任何结点建立多条虚电路（电路不是专用的）连接

2.6 差错控制技术

? 通过信道后，接收数据与发送数据不一样的现象称为传输差错。检验和纠正差错的

方法称差错控制技术。

2.6.1－ 例题

?设有一线路使用PCM和TDM技术供30路采样声音信号在一个通道上复用，帧结构为：两个

字节的帧首字符、30路采样数据和两个字节的帧尾字符；每次采样用8位表示，每秒采样8000次；问线路数据速率最小为多少？

?线路数据速率最小为：（（2+30+2）*8bit）/（1/8000）s=2.176Mbps

2.6.1－差错控制原因与类型

?原因：噪声

?类型 热噪声：随机噪声，时刻存在。

冲击噪声：电磁干扰，突发。

2.6.1－噪声造成差错 2.6.1－误码率定义

?误码率

?误码率是衡量数据传输系统正常工作情况下传输可靠性的参数。 ?合理控制系统误码率

23

?计算机通信要求 Pe < 10-9 ?普通Modem， Pe > 10-6

2.6.1－差错控制的两种方案

?纠错码方案

让每个传输的分组带上足够的冗余信息，以便在接收端发现并自动纠正传输差错。

?检错码方案

让分组带上足够发现差错的冗余信息，但不能确定哪一比特错误，也不能自动纠正传输差错。

2.6.2－差错控制编码

?奇、偶检验

? 校验代码中0和1的个数 ? 简单，检错能力差。 ?循环冗余

? 多项式对比，常用方法 ? 实现容易，纠错能力强

2.6.2－奇、偶校验

?分奇校验、偶校验；水平、垂直 ?以水平奇校验为例：

ASCII码，第一位检验位，后7位字符

统计―1‖个数，若为偶数，检验位置―1‖，若为奇数，?可检验传输过程中的一位出错。

2.6.2－水平垂直（矩阵）冗余校验

奇偶校验位 字符1 1 0 0 1 1 0 0 0 字符2 1 0 0 0 0 1 0 1 字符3 1 0 1 0 0 1 0 0 字符4 1 0 0 1 0 0 0 1 字符5 1 0 1 0 0 0 0 1 字符6 1 0 0 0 0 0 1 1 方块校验码 1 1 1 1 0 1 0 1

?发现一位、二位、三位错误和纠错 ?此例采用奇校验

2.6.2－ CRC工作原理

? CRC Cyclic Redundancy Code

检验位置―0‖24

?CRC码检错能力强，且容易实现，是目前最 广泛的检错码编码方法之一 ?在计算机网络中，CRC被广泛采用 ?多项式和比特串的对应关系

比特串

10010101110可被解释成 2.6.2－循环冗余码工作流程 2.6.2－理论依据

?（n,k)码

n位，k位有效数据位，n-k位冗余

?线性（分组）码，线性码

冗余部分由其有效数据位经模2加算出

?循环码

集合C中任一码字循环右移仍在集合中

?码字多项式 V(X)=Vn-1Xn-1

+ Vn-2Xn-2+…..+V21X+V0

Vi=0或1，110对应X+X 2.6.2－ G(x)多项式

?在采用CRC检错方法中， 发送方和接收方使用的G(x)要一致 ?生成多项式由协议规定，其数学严密性已得到论证 ?CRC12=

?CRC16= （IBM公司） ?CRC16= （CCITT） ?CRC32=

2.6.2－ CRC 校验实例

?F(X) 110011（6bit） X5+X4+X1+1 ??

G(X) 11001(5bit,K=4) X4+X3+1

移4位 1100110000 X9+X8+X5+X4

?异或运算,模2算法 ?R(X) 1001

?实际传送 110011 1101

?正确接收，必能为同G(X)整除

2.6.2－ CRC 检错方法特点

?全部单个错 ?全部离散两位错 ?全部奇数个错

?长度小于等于K个突发错 ?大部分K+1位突发错

25

由G(x)多项式性质决定 2.6.3－差错控制方法

差错纠正是通过差错控制方法来实现的，常用差错控制方法的有反馈检测、自动请求重发（ARQ）和前向纠错（FEC）三种。

2.6. 3－反馈检测

?反馈检测方法又称回送校验法

?反馈检测方法的特点是原理简单、实现容易、可靠性强，但开销大，信道利用率低 2.6. 3－自动请求重发（ARQ） ?计算机网络中较常采用这种方法

?ARQ的特点是使用检错码（常用的有奇偶校验码和CRC码等）、必须是双向信道、发送方需设置缓冲器

2.6. 3－前向纠错（FEC）

?前向纠错方法在计算机网络中不常使用

?FEC的特点是使用纠错码（纠错码编码效率低且设备复杂）、单向信道、发送方无需设置缓冲器

2.7 本章要点小结

?信道是传输信号的通路，一条传输线路上可以存在多个信道。信号带宽指信号的频率范围，而

信道带宽是信道上能够传输信号的最大频率范围。

?数据通信方式按传输方式可分为串行传输和并行传输，按传输方向可分为单工、半双工和全双

工通信，按同步方法可分为异步传输和同步传输 2.7 本章要点小结

?数据通信中的主要技术指标有：数据传输率（用于衡量信道传输数据的快慢）、信号传输速率

（波特率，衡量信道传输信号的快慢）、信道容量（用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率）、误码率（用于衡量信道传输数据的可靠性）。 2.7 本章要点小结

?传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。常用的传输介质可分为有线（双绞线、

同轴电缆和光纤）和无线两类（无线电波、微波和红外线等）。

2.7 本章要点小结

?通过模拟信道进行的数据通信称为模拟数据通信，通过数字信道进行的数据通信称为数字数据

通信。模拟信道传输数字数据，需对数字数据进行模拟信号编码（调制：ASK、FSK和PSK）；数字信道传输模拟数据，需要对模拟数据进行数字信号编码（PCM脉冲编码调制）。 2.7 本章要点小结

?常用的数字数据编码有三类：不归零码、归零码和自同步码（曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编

码）

?多路复用是指在一条物理信道上同时传输多路信息。常用的多路复用技术有频分多路复用

（FDM）、时分多路复用（TDM）和波分多路复用（WDM）三种。 2.7 本章要点小结

?数据在通信子网中各结点间的传输过程称为数据交换。网络中常用的数据交换技术可分为两大

类：线路交换和存储转发交换，其中存储转发交换技术又可分为报文交换和分组交换。

2.7 本章要点小结

26

?差错就是在通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象，有随机错和突

发错两类。计算机网络中的差错主要是突发差错。差错检测通过差错控制编码（计算机网络中常用奇偶校验码和CRC码）来实现；而差错纠正则通过差错控制方法（反馈检测、ARQ和FEC）来实现。

第3章 计算机网络体系结构 第3章 计算机网络体系结构 学习目标

– 掌握计算机网络体系结构的概念 – 了解分层体系结构中的数据传输方式 – 了解OSI 参考模型的7 层结构

– 掌握OSI 参考模型低三层的概念及工作在相应层次的连网设备 – 掌握TCP/IP 参考模型的层次结构 – 了解TCP/IP 各层对应的主要协议

第3章 计算机网络体系结构 教学内容

–3.1 网络体系结构的基本概念 –3.2 OSI 参考模型 –3.3 TCP/IP 参考模型 –3.4 本章要点小结

3.1 网络体系结构的基本概念 3.1.1 网络协议

3.1.2 网络的分层结构 3.1.3 网络的体系结构

3.1.1 －网络协议

?协议本质上是一套行为规则，是一系列规则和约定的规范性描述。

?为实现网络通信而建立的关于信息传输顺序、信息格式和信息内容等方面的一组规则、标准或

约定，统称为网络协议（Protocol）。 3.1.1 －网络协议三要素

?语法（Syntax)

–规定通信双方―如何讲‖，即数据与控制信息的结构、编码及信号电平等。

?语义（Semantics)：

–规定通信双方―讲什么‖，即协议元素的含义

?语序（Timing，又称时序或定时）

–规定通信双方―讲的顺序‖或―应答关系‖，即对事件实现顺序的说明，解决何时进行通信的问题。

3.1.2 －网络的分层结构

3.1.2 －网络层次结构的优点

?分层可以把一个庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，以方便研究和实现

– 各层的功能明确，并且相互独立 – 易于实现和维护 – 易于实现标准化

27

3.1.2 －网络层次结构的划分原则

?每层具有特定的功能，相似的功能尽量集中在同一层 ?各层相对独立，某一层的内部变化不能影响另一层

?相邻层之间的接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少，以利于标准化 ?层数应适中

3.1.3 －网络的体系结构

?网络的层次结构模型与各层协议和层间接口的集合统称为网络体系结构(Network Architecture) ?两个著名的网络体系结构

–OSI参考模型 –TCP/IP参考模型

3.2 OSI参考模型

3.2.1 OSI参考模型简介 3.2.2 物理层 3.2.3 数据链路层 3.2.4 网络层 3.2.5 传输层

3.2.6 会话层、表示层和应用层

3.2.1 － OSI参考模型简介 3.2.1 －物理层

?物理层它利用传输介质为数据链路层提供物理连接。

?该层定义了物理链路的建立、维护和拆除有关的机械、电气、功能和规程特性 ?物理层的作用是通过传输介质发送和接收二进制比特流。

3.2.1 －数据链路层

?数据链路层是为网络层提供服务的，解决两个相邻结点之间的通信问题，传送的协议数据单元

称为数据帧

?数据帧中包含物理地址（又称MAC地址）、控制码、数据及校验码等信息。

3.2.1 －网络层

?网络层是为传输层提供服务的

?传送的协议数据单元称为数据包或分组。 ?主要作用

– 解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法（路由）将数据包送到目的

地。

3.2.1 －传输层

?传输层的作用是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务 ?包括处理差错控制和流量控制等问题

?传输层传送的协议数据单元称为段或报文

3.2.1 －会话层和表示层

?会话层主要功能是管理和协调不同主机上各种进程之间的通信（对话），即负责建立、管理和

终止应用程序之间的会话

28

?表示层处理流经结点的数据编码的表示方式问题，以保证一个系统应用层发出的信息可被另一

系统的应用层读出。 3.2.1 －应用层

?应用层是OSI参考模型的最高层，是用户与网络的接口

?该层通过应用程序来完成网络用户的应用需求，如文件传输、收发电子邮件等

3.2.2 －物理层

?功能

–规定了网络设备之间的物理接口特性及通信规则，即，规定了为建立、维护和拆除物理链路

（通信结点之间的物理路径）所需的机械、电气、功能和规程特性

? 协议（标准）的内容

– 是

DTE 和DCE 或其它通信设备之间的一组约定，主要解决网络结点与物理信道如何连接的问题。

3.2.2 －RS-232接口

?EIA RS-232C是一种目前使用最广泛的串行物理接口

–在DTE一侧采用孔式插座形式，DCE一侧采用针式插头形式

3.2.2 －物理层的网络连接设备

?中继器（Repeater） ?集线器（HUB）

– 依据带宽的不同，集线器分为

100/1000Mbps 自适应等

10Mbps 、100Mbps 、10/100Mbps 自适应、1000Mbps 、

– 按配置形式的不同可分为独立型集线器、模块化集线器和堆叠式集线器 – 根据管理方式又可分为智能型集线器和非智能型集线器

3.2.3 －数据链路层

?链路就是数据传输中任何两个相邻结点间的点到点的物理线路。 ?数据帧通常是由网卡（NIC）产生：

– 上一层的协议数据单元（数据包）传递到NIC 后，NIC 通过添加头部和尾部将数据打包（封

装成帧）；然后数据帧沿着链路再传送至目的结点。 3.2.3 －帧同步

?帧同步要解决的问题是接收方如何能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束

– 字节计数法 – 字符填充法 – 比特填充法 – 违法编码法

3.2.3 －数据链路层协议分类

?异步协议以字符为独立的信息传输单位 ，在每个字符的起始处对字符内的比特实现同步，但

字符与字符之间的间隔时间是不固定的(即字符之间是异步的)

?同步协议是以许多字符或许多比特组织成的数据块——帧为传输单位，在帧的起始处同步，使

帧内维持固定的时钟。 3.2.3 －HDLC

?HDLC（High-level Data Link Control） ?面向比特的同步协议的典型代表

29

?组成

3.2.3 －数据链路层的网络连接设备

?网卡

?网桥（Bridge） ?交换机

3.2.4 －网络层

?网络层提供的服务有两类：

–面向连接的网络服务 –无连接的网络服务

? 典型的网络层协议是X.25

– 由ITU-T （国际电信联盟电信标准部）提出的一种面向连接的分组交换协议 –X.25 只是一个分组交换公用数据网的接口规范

3.2.4 －组包和拆包

?在发送方，传输层的报文到达网络层时被分为多个数据块，在这些数据块的头部和尾部加上一

些相关控制信息后，即组成了数据包（组包）

?数据包的头部包含源结点和目标结点的网络地址（逻辑地址） ?在接收方，数据从低层到达网络层时，要将各数据包原来加上的包头和包尾等控制信息去掉（拆

包），然后组合成报文，送给传输层 3.2.4 －路由选择

?路由选择也叫做路径选择，是根据一定的原则和路由选择算法在多结点的通信子网中选择一条

最佳路径

?确定路由选择的策略称为路由算法

3.2.4 －流量控制

?流量控制的作用是控制阻塞，避免死锁

?对防止出现阻赛和死锁，需进行流量控制，通常可采用滑动窗口、预约缓冲区、许可证和分组

丢弃四种方法

3.2.4 －路由选择算法简介

?静态路由算法

–又称为非自适应算法，是按某种固定规则进行的路由选择 –特点是算法简单、容易实现，但效率和性能较差

?动态路由算法

–又称为自适应算法，是一种依靠网络的当前状态信息来决定路由的策略。 –能较好地适应网络流量、拓扑结构的变化，有利于改善网络的性能 –算法复杂，实现开销大

3.2.4 －网络层的网络连接设备

?路由器（Router）

– 根据数据包中的逻辑地址（网络地址）而不是MAC 地址来转发数据包的 – 可用于LAN 与LAN 、LAN 与WAN 或WAN 与WAN 之间的连接

3.2.5 － 传输层

?传输层负责将数据可靠地传送到相应的端口 ?基本功能

30

–分割与重组数据 –按端口号寻址 –连接管理

–差错控制和流量控制

?典型的传输层协议

–SPX –TCP

3.2.6 －会话层、表示层和应用层

?会话层提供会话服务、会话管理和会话同步等功能

?表示层包括数据表示 、语法转换、语法选择 、连接管理等服务

?应用层是用户与网络的接口，通过支持不同应用协议的程序来解决用户的应用需求 3.3 TCP/IP参考模型 3.3.1 TCP/IP参考模型简介 3.3.2 网络接口层 3.3.3 网际互联层 3.3.4 传输层 3.3.5 应用层

3.3.1 － TCP/IP参考模型简介

3.3.1 － TCP/IP体系结构分层工作原理 3.3.2 － 网络接口层

?与OSI参考模型中的物理层和数据链路层相对应 ?是TCP/IP与各种LAN或WAN的接口

3.3.3 － 网际互联层

?其主要功能是解决主机到主机的通信问题，以及建立互联网络 ?有4个主要协议：

– 网际协议（IP ）

– 地址解析协议（ARP ）

– 反向地址解析协议（RARP ） – 互联网控制报文协议（ICMP ）

3.3.4 －传输层

?TCP提供的是面向连接的可靠的传输服务 ?UDP提供的是无连接的不可靠的传输服务

3.3.4 －端口号

?TCP和UDP报头中的端口号字段占16bit，因此端口编号的取值范围是从0～65535

–0 ～254 用于公共应用

–255 ～1023 分配给有商业应用的公司

–1024 ～65535 没有限制（用户可自行定义）

3.3.4 － UDP协议

?UDP数据报由报头和数据两部分组成 ?报头只有8个字节

3.3.4 － UDP的功能与特点

31

?UDP直接利用IP协议来传送报文，没有繁琐的顺序控制、差错控制和流量控制等功能 ?是无连接的和不可靠的 ?开销小、效率高

3.3.4 －TCP协议

?TCP提供的是一种可靠的、面向连接的数据传输服务，即进行通信的双方在传输数据之前，首

先必须建立连接（类似虚电路） 3.3.4 － TCP的执行机制

?建立TCP连接

–通过―三次握手‖来完成

?传输报文段 ?拆除TCP连接

3.3.5 －应用层

?例如，目前广泛采用的HTTP、FTP、TELNET等是建立在TCP协议之上的应用层协议，不同

的协议对应着不同的应用。 3.3.5 －HTTP协议

?HTTP即超文本传输协议是一种Internet上最常见的协议，用于从WWW服务器传输超文本文

件到本地浏览器

?用户通过URL（Uniform Resource Locators）可链接到相应的Web服务器，并打开需访问的页

面

3.3.5 － FTP协议

?FTP工作时需建立两条TCP连接

– 一个是命令链路，用来在

为21

3.3.5 －TELNET协议

FTP 客户端与服务器之间传递控制命令，服务器端默认的端口号

– 另一个是数据链路，用于传送文件，服务器默认的端口号为20

?TELNET是远程登录协议，也称为远程终端访问协议。使用该协议，通过TCP连接可登录（注

册）到远程主机上，使本地机暂时成为远程主机的一个仿真终端，即把在本地机输入的每个字符传递给远程主机，再将远程主机输出的信息回显在本地机屏幕上。 3.3.5 －TELNET远程登录过程

?本地与远程主机建立连接

?将本地终端上输入的用户名和口令及以后输入的任何命令或字符以NVT（Net Virtual Terminal）

格式传送到远程主机。

?将远程主机输出的NVT格式的数据转化为本地所接受的格式送回本地终端，包括输入命令回

显和命令执行结果；

?本地终端对远程主机撤消连接，即撤销一个TCP连接。

3.3.5 －SMTP

?SMTP是简单邮件传送协议，规定在两个相互通信的SMTP进程之间应如何交换信息。 ?SMTP只能传送可打印的ASCII码邮件 ?工作过程

– 连接建立 – 传送邮件

32

– 连接释放

3.3.5 －SNMP

?SNMP即简单网络管理协议，它为网络管理系统提供了底层网络管理的框架。 ?三要素

– 管理员 – 管理代理

– 管理信息数据库（MIB ）

3.3.5 －DNS

?提供域名到IP地址的转换，允许对域名资源进行分散管理。

3.3.5 －

本章要点

?网络协议的三要素是语法、语义和语序，并采用分层实现的设计原则

?网络的层次结构模型与各层协议和层间接口的集合统称为网络体系结构。即

TCP/IP参考模型。

OSI参考模型和

?对等层之间交换的信息单元称为协议数据单元（PDU）。 OSI参考模型数据链路层的PDU是

数据帧，网络层的PDU是数据包，传输层的PDU是报文；TCP/IP参考模型网际互联层的PDU是IP数据报，传输层的PDU是UDP数据报或TCP报文段。 本章要点

?物理层的作用是通过传输介质传输非结构化的比特流，定义了为建立、维护和拆除物理链路所

需的机械、电气、功能和规程特性

?数据链路层解决两个相邻结点之间的无差错数据传输；

?网络层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题，即通过路径选择算法将数据包

送到目的结点； 本章要点

?传输层是为上层协议提供端到端的可靠和透明的数据传输服务；

?会话层组织和同步进程间的通信，提供会话服务、管理和同步等功能； ?表示层主要处理流经端口的数据代码的表示方式问题；

?应用层通过支持不同应用协议的程序来解决用户的应用需求

本章要点

?MAC地址是全球唯一的48位物理地址，由厂家在生产时固化到网卡的ROM中 ?IP地址是32位的逻辑地址，通过IP地址可惟一性地标识出网络上的每个主机

?TCP/IP是一组协议的代名词，传输层的TCP协议、网际互联层的IP协议和许多别的协议共同

构成了TCP/IP协议簇。 本章要点

?IP协议的基本功能是提供无连接的数据报传送服务和数据报路由选择服务，现在的版本是IPv4

（地址长度为32位），下一个版本是IPv6（地址长度为128位）

?TCP/IP

参考模型的传输层定义了两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。

–TCP提供的面向连接的可靠的传输服务

–UDP提供的是无连接的不可靠的传输服务，一般用于数据量比较小的传输。

33

第4章 局域网技术 第4章 局域网技术 学习目标

–了解局域网的概念、技术特点和拓扑结构

–了解局域网的参考模型及IEEE802局域网系列标准 –掌握几种常用的媒体访问控制方法

–了解交换式局域网和虚拟局域网的概念及应用 –掌握以太网组网技术、并了解高速局域网 –了解结构化布线系统的组成和特点 –了解网络操作系统的发展和基本功能 第4章 局域网技术 教学内容

4.1 局域网概述

4.2 局域网的拓扑结构 4.3 局域网的体系结构

4.4 共享介质局域网的介质访问控制机制 4.5 交换式局域网与虚拟局域网 4.6 局域网组网技术 4.7 结构化布线技术简介 4.8 网络操作系统 4.9 本章要点小节

4.1 局域网概述

4.1.1 局域网的概念

4.1.2 局域网的组成和分类 4.1.3 局域网的技术特点

4.1.1 局域网的概念

?局域网是由一组计算机及相关设备通过共用的通信线路或无线连接的方式组合在一起的系统，

它们在一个有限的地理范围进行资源共享和信息交换。

?典型的局域网由一台或多台服务器和若干个工作站组成。

?局域网有着较高的数据传输速率，误码率也很低，但是对传输距离有一定的限制。

4.1.1 －局域网特点

?地理分布范围较小 ?数据传输速率高

?误码率低，一般在10-11 ? 10-18以下

?局域网协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充

?局域网一般为一个单位所建，在单位或部门内部控制管理和使用，侧重于信息的共享和处理

4.1.2 － 局域网的组成

?局域网由网络硬件和网络软件两部分组成。 ?网络硬件

–服务器、工作站、传输介质和网络连接部件等

? 网络软件

34

– 包括网络操作系统、控制信息传输的网络协议及相应的协议软件、大量的网络应用软件等

4.1.2 －常见的局域网 4.1.2 －服务器

?文件服务器

–用来管理局域网内的文件资源

?打印服务器

–为用户提供网络共享打印服务

?通信服务器

–负责本地局域网与其它局域网、主机系统或远程工作站的通信

?数据库服务器

–为用户提供数据库检索、更新等服务

4.1.2 －工作站

?也称为客户机（Clients），可以是一般的个人计算机，也可以是专用电脑，如图形工作站等 ?通过运行工作站的网络软件可以访问服务器的共享资源 ?常见的工作站有Windows2000工作站和Linux工作站

4.1.2 －传输介质

?可用的传输介质很多，包括有线介质（双绞线、同轴电缆和光纤）和无线介质（红外线、微波、

无线电等）。

?目前主要采用双绞线，局部采用光纤。

4.1.2 －网络的主要连接部件

?网卡 ?中继器 ?交换机 ?集线器

4.1.2 －网络操作系统

?应该具有硬件独立性，可以在不同的网络硬件上运行；

?应提供多用户环境，支持多用户环境下的数据和设备资源共享； ?支持网络实用程序和管理功能；

?提供安全和访问控制，对用户资源进行控制，对用户提供限制权限的访问方法；

?提供多系统连接接口，便于网络的互联性，支持不同系统之间的桥接和路由功能，使其能够相

互连接。

4.1.2 －局域网的分类

?按网络的拓扑结构分类

–有星型、总线型和环型局域网等。

?按网络的传输介质分类

–同轴电缆、双绞线、光纤和无线局域网等

?按网络的介质访问方式分类

–以太网、令牌环网和令牌总线网等

?按网络操作系统分类

– Netware网、3+网、Windows2000网

?按数据的传输速度

35

–为10Mbps局域网、100Mbps局域网、千兆局域网等

4.1.3 －局域网的技术特点 4.2 局域网的拓扑结构 4.2.1 网络拓扑结构的概念 4.2.2 星形拓扑结构 4.2.3 总线形拓扑结构 4.2.4 环形拓扑结构 4.2.5 树形拓扑结构

4.2.1 － 网络拓扑结构的概念

?局域网的拓扑结构

–源于几何学

–将局域网中的结点抽象成点，将通信线路抽象成线，通过点和线之间的几何关系来表示网络

结构，即网络形状

?局域网的拓扑结构有星形、总线、环形和树形

4.2.1 －逻辑拓扑和物理拓扑结构

?逻辑拓扑结构

–指计算机网络中信息流动的逻辑关系

?物理拓扑结构

–指计算机网络各个组成部分之间的物理连接关系

?具有相同逻辑拓扑结构的计算机网络可以具有不同的物理拓扑结构 ?具有相同物理拓扑结构的计算机网络可以具有不同的逻辑拓扑结构

4.2.2 －星形拓扑结构 4.2.2 －星形拓扑结构

?优点 –中央结点

–结构简单，易维护管理和故障判别 –可扩展，传输快

–共享能力差，线路利用率低 ? 缺点

– 对中心结点的可靠性和冗余度要求很高

4.2.3 －总线形拓扑结构 4.2.3 －总线形拓扑结构

?优点

–电缆长度短，成本低，易于布线和维护

–结构简单 ? 缺点

– 故障的诊断比较困难 – 扩展 困难

4.2.4 － 环形拓扑结构 4.2.4 － 环形拓扑结构

36

?优点

–信息在环型网络中按一个特定的方向流动 ，简化了路径的选择 –非常适合于光纤

? 缺点

– 对环接口的要求很高

– 任何结点的故障都会对网络造成影响

4.2.5 － 树形拓扑结构 4.2.5 － 树形拓扑结构

?优点

–网络成本低，结构比较简单，扩充方便、灵活，寻址方便 –通信线路连接简单 –维护方便

? 缺点

– 对根结点的依赖性太大，可靠性低 – 根结点发生故障，全网就不能工作

4.3 局域网的体系结构 4.3.1 局域网的参考模型 4.3.2 IEEE 802标准

4.3.1 －局域网的参考模型 4.3.2 － IEEE 802标准

?IEEE在 1980年2月成立局域网标准委员会，简称IEEE802委员会 ?LLC层 Logic Link Control

–向高层提供一个或多个逻辑接口 （SAP）

?MAC层 Media Access Control

– 提供多个可供选择的媒体访问控制方式

– 如CSMA/CD ，Token Ring ，Token Bus 等

4.3.2 － IEEE 802标准

4.4 共享介质局域网的介质访问控制机制 4.4.1 以太网的介质访问控制方法 4.4.2 令牌环网的介质访问控制方法 4.4.3 令牌总线网的介质访问控制方法 4.4.4 无线网的介质访问控制方法

4.4.1 － 以太网的介质访问控制方法

?IEEE802.3标准

?对应OSI RM的最低两层

?详细描述总线拓扑结构CSMA/CD介质访问控制方法，物理收发信号（PLS）子层的服务规范

以及物理层的逻辑、电器和机械特性等

37

4.4.1 －基带传输与宽带传输

?基带传输

– 10Base5、 10Base2、 10BaseT – 100Base5、100 baseT

? 宽带传输

– 10Broad36 ， 模拟信号PSK 编码

? 中继器可以增加传输距离

4.4.1 － IEEE802.3帧格式

?信息在以太网中最小的传输单位是―帧‖

4.4.1 － CSMA/CD原理

?CSMA/CD

– Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

?载波侦听多路访问，冲突检测 ?随机争用，多结点共享总线

?先听后发，边听边发，冲突停止，随机延迟后重发

4.4.1 － CSMA/CD原理示例

4.4.1 － CSMA/CD数据帧长度限制

?其中：冲突检测时间为信号在网络中最远距离上的来回 ?否则在发送帧结束后才能得到冲突。

4.4.2 令牌环网的介质访问控制方法

?令牌环 Token Ring于1969年贝尔实验室提出 ?IEEE 802.5标准 ?局域网标准

?电缆、TCU串成环，环路中可加入中继器延长长度 ?物理层采用曼彻斯特编码

4.4.2 － IEEE 802.5参考模型 4.4.2 －令牌环工作示意图

4.4.3 令牌总线网的介质访问控制方法 4.4.4 －无线网的介质访问控制方法

?WLAN，传输介质采用无线电波、激光、红外线等 ?IEEE802.11标准

?无线站：PC机+无线网卡

?接入点：无线输出（入）口+有线网络接口（802.3），网桥、路由器、网关4.4.4 － IEEE802.11标准系列 4.4.4 －“隐蔽站” 4.4.4 － “暴露站”

4.4.4 － CSMA/CA原理

38

?CSMA/CA

– Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

?载波侦听多路访问，冲突避免

?先听、发RTS帧、接收端回复CTS帧、发送数据、等待回音ACK、未确认重发

4.4.4 － CSMA/CA工作原理 4.5 交换式局域网与虚拟局域网 4.5.1 交换式局域网 4.5.2 虚拟局域网

4.5.1 － 交换式局域网

?Switched Ethernet

?共享介质方式改为交换方式 ?网络流量限制在端到端

?核心设备为局域网交换机，Switch Hub ?针对某类局域网而设计

4.5.1 －交换式以太网的优点

?保留原以太网基础设施，节省升级费用 ?网络分段，重组

?技术成熟，高低速自适应 ?全双工、速度快 ?多通道，冲突减少

4.5.1 －局域网交换机

?对称和不对称的交换机

–对称交换机用相同的带宽在端口之间提供交换连接 –不对称交换机在不同带宽的端口间提供了交换连接

? 交换方式

– 直通方式

– 存储- 转发方式

4.5.2 － 虚拟局域网

?VLAN是一种逻辑网络，由分布在不同物理网段的结点组成，形成一独立的广播域 ?实际网络环境中，往往按业务范围和信息需求组建逻辑工作组

4.5.2 －虚拟局域网结构

4.5.2 － VLAN原理及实现方法

?VLAN是以交换以太网为基础的，它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLAN ID将用

户划分为更小的工作组，每个工作组就是一个虚拟局域网

–基于端口实现的VLAN –基于MAC地址的VLAN –基于第三层协议的VLAN –基于策略的VLAN

39

4.6 局域网组网技术 4.6.1 以太网标准

4.6.2 10M以太网组网技术 4.6.3 高速以太网组网技术 4.6.4 常用的环型网组网技术

4.6.1 － 以太网标准

4.6.2 － 10M以太网组网技术

?10Base5 粗电缆 ?10Base2 细电缆 ?10BaseT 双绞线

4.6.2 －10Base5组网技术

?是IEEE802.3中最早定义的以太网标准，也叫粗缆以太网 ?组成

–同轴电缆、网卡、收发器以及收发器（AUI）电缆

?传输距离

– 单缆最长距离500米，最多4个中继器，网络最长距离2500米

?最多结点数

–每段最多支持100个结点 ，网络结点最多为300个

4.6.2 －“5-4-3”原则

?为了减少冲突，保证网络性能

?即最多使用4个转发器连接5个网段，其中只有3个网段可以连接结点，其余的网段仅用作加

长距离。

4.6.2 －“5-4-3”原则

4.6.2 －10Base2组网技术

?也叫细缆以太网，因其价格比较低廉故又被称为―廉价网‖ ?组成

–网卡（带BNC头）、细同轴电缆和BNC-T型连接器

?传输距离

– 单缆最长距离185米，最多4个中继器，网络的最大长度为925米，网络结点最多为90个

?BNC-T型连接器

–外表为―T‖型，有三个接口，一个连接网卡，另外两个分别连接电缆

4.6.2 － 10BaseT组网技术

?又称双绞线以太网，是一种传输介质采用非屏蔽双绞线（UTP）的星型局域网 ?组成

– 带RJ-45口以太网卡、集线器Hub、3类、5类UTP、RJ-45连接头

?组网方式

– 单集线器结构、多集线器级连结构、堆叠式集线器结构

40

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u6u6.html