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巨域网
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1部分 计算机网络体系第结构
第2部分 数据通信基础
第3部分 局域网
第4部分 TCP/IP
第5部分 组网技术*
参考书
《计算机网络》 Andrew S.Tanenbaum
《用TCP/IP进行网际互连》 Douglas E.Comer
《TCP/IP协议祥解》 W.Richard Stevens
第1部分 计算机网络体系结构
第1章 计算机网络的发展
第2章 计算机网络体系结构
计算机网络的空前发展
计算机网络的产生和发展特别是Internet的
发展在现代科学技术史上具有重大的意义和深远
的影响。
到2002年底，全球Internet用户达6.55亿，
比2001年同期增长30%，其中中国用户达5560万
（联合国贸易发展会议报告 2002）。
我国上网计算机数由1997.1的29.9万台增加到2003.1的2083万台。------CNNIC 2003.1
我国上网用户数由1997.1的62万增加到2003.1的5910万。------CNNIC 2003.1
以太网数据传输速率的提高（Mb/s）
集成电路和计算机技术的发展
摩尔定律：每18个月芯片能力翻一翻
什么是计算机网络？
An interconnected collection of autonomous computers. ----Professor Andrew S. Tanenbaum
A collection of computers and other devices that are interconnected. Provide ubiquitous access to shared resources, allow remote users to commu-nicate, perform transactions. ---- “Introduction to Computer Networks” ,
CS Dept. Stanford Uni. USA
计算机网络示意图
第1章 计算机网络发展概述
1.1 计算机网络的发展
1.1.1 计算机网络的产生
50年代中期
早期的计算机网络是计算机和电话通信系统相结合的产物, 是以单台计算机为中心的远程联机系统。
《图1.1》
美国地面防空系统SAGE
美国航空公司飞机票预定系统SABER-I
图1.1 远程联机系统
1.1.2 分组交换网的出现
60年代后期
多台有自主处理能力的计算机用通信线路连接, 通信使用分组交换方式。
ARPANET
存储转发（store and forward）
分组交换（packet switching）
《 图1.2》
图1.2 存储转发的计算机网络
计算机网络的组成
从宏观上看，网络包括：计算机系统、通信链路 和 网络节点。
从逻辑上看，网络包括：资源子网 和 通信子网。
资源子网
资源子网的功能：
提供资源共享所需的硬件
软件及数据等资源
提供访问计算机网络和处理数据的能力
资源子网包括：主机系统、终端控制器、终端。
通信子网
通信子网的功能：
完成数据的传输
交换以及控制
提供网络通信功能
通信子网包括：
网络节点
通信链路
信号变换器
L. Kleinrock 和第一台IMP
第一台IMP 1969.5.1安装在加州大学洛杉矶分校，稍后其他3台分别安装在斯坦福研究院、加州大学圣巴巴拉分校和犹他大学。Internet的雏形到1969年底就是这区区4个结点。
Leonard . Kleinrock是第一个发表分组交换技术的研究生，后来进行Internet的研究工作。
1.1.3 计算机网络体系结构的形成
计算机网络体系结构: 功能层次、协议、服务
* SNA, DNA等 70-80年代，封闭
* ISO/OSI标准 83年，开放系统互连基本参考
模型OSI/RM (Open System Interconnection
Basic Reference Model)，OSI国际标准
* TCP/IP体系结构 80年代初，ARPANET使用TCP/IP, 支持网络互联，发展成为Internet
计算机网络的分类
1 按照拓扑结构分类：
1.1.4 局域网的产生和发展
计算机局域网LAN（Local Area Network）：一个重要而又活跃的领域.
PC-LAN
70年代 兴起 Ethernet, Cambridge Ring
80年代 发展 Ethernet, Z-net, Omninet, C-net
90年代 成熟 Windows NT, NetWare
1.1.4 局域网的产生和发展(续)
LAN特点：
1. 地理范围有限，0.1km～10km；
2. 带宽高，数据传输率 1Mbps～100 Mbps；
3. 传输可靠，误码率 10-7～10-12；
4. 结构简单, 总线、环型及星型拓扑结构；
5. 单一组织所拥有和使用。
网络产生的推动力
通讯发展的需求
计算机的广泛应用
集成电路发展的有力支持
公司、科研院所、组织参与并指定了标准
1.1.5 Internet时代
因特网Internet
互联网(internet)与因特网(Internet)
服务：
电子邮件、文件服务、远程登陆、信息浏览检索、网络新闻、….
1.1.5 Internet时代（续）
2. 新一代Internet
主要特点：更快、更大、更安全、更高QoS、 AnyTime &AnyWhere& Free
* 1996美国国家科学基金会，NGI，vBNS。美国
大学Internet2协会, Abilene , 速率2.5Gb/s。
* 中国高速互联研究实验网NSFCNet，国家863中
国高速信息示范网CAINONet, 中科院中国先进
互联网CAINet。
* IPv6 , 128位；IP over DWDM，光互联网。
1.1.5 Internet时代（续）
3. 内联网 Intranet
因特网技术和工具(TCP/IP协议, WWW技术等）
构造企业内部网。
外联网 Extranet 。
1.2 计算机网络技术国际标准化组织
1. 国际标准界标准化组织
国际标准化组织ISO
电气电子工程师协会IEEE
1.2 计算机网络技术国际标准化组织（续）
2. 因特网标准界组织
因特网协会(Internet society)
因特网体系结构委员会IAB
因特网研究特别任务组IRTF
因特网工程特别任务组IETF
Internet编号管理局IANA
Internet标准：RFC(Request For Comments)文档
3. 电信界标准化组织
国际电信联盟ITU ( 原CCITT )
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第2章 计算机网络体系结构
2.1 ISO/OSI体系结构概述
1977年ISO成立专门的分委员会致力于网络体系结构的标准化制定。
1983年发布了ISO7498 即OSI/RM标准
分层和服务
2.1.1 开放系统互联参考模型OSI/RM
表2.1 OSI/RM的7个层次
图2.1 OSI环境中的数据流
2.1.2 ISO/OSI的一些基本概念
1. 实体（entity） 对等实体（peer entities）
2. 协议（protocol）
三要素： 语法、语义、同步
3. 协议数据单元PDU (Protocol Data Unit)
4. 服务（service）
5. 服务访问点SAP（Service Access Point）
6. 服务原语(service primitive)
图2.2 网络层对等实体通信的例子
2.1.2 ISO/OSI的一些基本概念（续）
ISO/OSI: 总体上由三个层面组成：
OSI/RM分层
2.1.3 ISO/OSI 各层基本功能
物理层
无结构的比特流（bit stream）。编码解码，机械、
电气、功能和过程的特性 。
2. 数据链路层
帧（frame)。链路建立与释放，帧的封装与解封 ，
传输透明性，差错与流量控制 。
3. 网络层
分组（packet)。虚电路和数据报两种传输服务，
路由选择与更新，拥塞控制。
2.1.3 ISO/OSI 各层基本功能（续）
4. 传输层
报文（message）。传输连接建立与拆除， 流
量与拥塞控制， 差错控制， 网络服务质量.
5. 会话层
控制、协调应用进程间的对话，同步。
6. 表示层
信息经传输意义不变, 局部语法和传输语法。
7. 应用层
面向用户，VTP, FTAM, J TM, RDA, MHS.
物理层
物理层等效为链路层的bit传输信道
数据链路层
网络层
传输层
会话层
表示层
应用层
2.2 TCP/IP体系结构概述
2.2.1 TCP/IP及其发展
TCP/IP 协议族（ TCP/IP protocol suite）
TCP(Transmission Control Protocol)
IP（Internet Protocol）
2.2.2 TCP/IP体系结构
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第2章 计算机网络体系结构
2.1 ISO/OSI体系结构概述
1977年ISO成立专门的分委员会致力于网络体系结构的标准化制定。
1983年发布了ISO7498 即OSI/RM标准
分层和服务
2.1.1 开放系统互联参考模型OSI/RM
表2.1 OSI/RM的7个层次
图2.1 OSI环境中的数据流
2.1.2 ISO/OSI的一些基本概念
1. 实体（entity） 对等实体（peer entities）
2. 协议（protocol）
三要素： 语法、语义、同步
3. 协议数据单元PDU (Protocol Data Unit)
4. 服务（service）
5. 服务访问点SAP（Service Access Point）
6. 服务原语(service primitive)
图2.2 网络层对等实体通信的例子
2.1.2 ISO/OSI的一些基本概念（续）
ISO/OSI: 总体上由三个层面组成：
OSI/RM分层
2.1.3 ISO/OSI 各层基本功能
物理层
无结构的比特流（bit stream）。编码解码，机械、
电气、功能和过程的特性 。
2. 数据链路层
帧（frame)。链路建立与释放，帧的封装与解封 ，
传输透明性，差错与流量控制 。
3. 网络层
分组（packet)。虚电路和数据报两种传输服务，
路由选择与更新，拥塞控制。
2.1.3 ISO/OSI 各层基本功能（续）
4. 传输层
报文（message）。传输连接建立与拆除， 流
量与拥塞控制， 差错控制， 网络服务质量.
5. 会话层
控制、协调应用进程间的对话，同步。
6. 表示层
信息经传输意义不变, 局部语法和传输语法。
7. 应用层
面向用户，VTP, FTAM, J TM, RDA, MHS.
物理层
物理层等效为链路层的bit传输信道
数据链路层
网络层
传输层
会话层
表示层
应用层
2.2 TCP/IP体系结构概述
2.2.1 TCP/IP及其发展
TCP/IP 协议族（ TCP/IP protocol suite）
TCP(Transmission Control Protocol)
IP（Internet Protocol）
2.2.2 TCP/IP体系结构
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第２部分 数据通信基础
第3章 数据通信技术
第4章 传输介质
第3章 数据通信技术
3.1 引 言
数据(data) 信息的载体、表现形式，数值、文本、话音、图形和图像等；模拟数据和数字数据 。
信号(signal) 数据是通过物理信号进行传输，用其特征参数表示数据，模拟信号和数字信号。
信道（channel）信号在信道上传输，指传输介质及线路中恢复信号的装置如中继器等。模拟信道和数字信道 。
数据通信(data communication) 计算机网络使用的通信技术，数字数据。
3.2 数据传输方式
3.2.1 单工、全双工和半双工传输
3.2.2 异步传输和同步传输
1. 同步 帧同步、字符同步；
位同步 , 外同步和内同步。
2. 异步传输 (asynchronous transmission)
字符；独立的时钟，相同的速率；起始位和停止位.
图3.1 异步传输 的字符格式
3.2.2 异步传输和同步传输（续）
3. 同步传输 (synchronous transmission)
帧（frame)； 同一时钟；帧定界符 。
SDLC（Synchronous Data Link Control）和
HDLC（High level Data Link Control）
HDLC帧格式（图3.2）
比特 8 8 8 可变 16 8
零比特填充法
3.2.3 频带传输与基带传输
1. 频带传输
数字数据转换成模拟信号（调制），借助于模
拟信道（电话传输系统）进行传输。
FDM (Frequency Division Multiplexing)
2. 基带传输
基带(base band）数字数据不经调制进行编码
变为的数字信号所占用的频带; 用数字信道进
行传输。
TDM (Time Division Multiplexing)
3.3 数据转换技术
3. 3. 1 调制解调技术
调制(modulation)，解调(demodulation)，
载波(carrier) ：正弦波
三种调制方法：
* 幅移键控法ASK（Amplitude Shift Keying）
* 频移键控法FSK（Frequency Shift Keying）
* 相移键控法PSK（Phase Shift Keying）
图3.3 数字数据的3种调制方法
图3.4 频率调制解调器Bell-103
3.3.1 调制解调技术(续)
四相调制( 表3.1)：
八相调制( 表3.2) ：
3.3.2 编码解码技术
编码（coding）：
* 有利于接收端区分 0 与 1 ;
* 传输信号中携带时钟 ;
* 充分利用信道，达到更高的数据传输速率。
1. 不归零制编码（Non-Return to Zero Coding ）
* 用不同的电平信号表示0 /1 ，信号占满整个码
元宽度, 中间不归零。
* 问题： 难以区分 0 与 1 ；直流分量。
3.3.2 编码解码技术（续）
2. 曼彻斯特编码（Manchester Coding）
* 以太网使用；
* 用相位跳变表示数字0 / 1（正跳变 / 负跳变）。
* 优点：自带时钟码（self-clocking-code); 相位
的跳变容易判断0 / 1; 无直流分量。
3. 差分曼彻斯特编码（Differential M. C.）
* 令牌环使用；
* 每位开始有无跳变（正或负）表示数字0∕1（有∕无）。
图3.5 数字数据编码
3.3.2 编码解码技术（续）
4. 4B/5B (4 out of 5）编码
* FDDI使用；
* 选32个5B码中至少有两个 1 且没有连续的
３个０的编码，使接收端易于时钟提取 。
5. 多进制编码
* M进制：码元状态数M ；
* 四∕M（M=2n ）进制码每个码元携带了2∕n
比特数据 。
图3.6 四进制基带传输信号
3.4 多路复用技术
把多路通信复用到一条物理线路上。
3.4.1 频分多路复用FDM
以频率作为信号分割的参量，信道频带分成若
干频段，每路信号占其中一段。
图3.7 频分多路复用FDM
3.4.2 时分多路复用TDM
* 以时间作为信号分割的参量，一帧分成若干
时隙，每路信号占其中一个时隙。
* 模拟电话：模拟传输方式和数字传输方式。
* 脉冲代码调制PCM(Pulse Code modulation):
取样、量化和编码 。
* 4kHz话音带宽，采样 8000次/秒，125μs /次。
3.4.2 时分多路复用TDM( 续)
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电话主干 TDM: 125μs长度的一帧分为若干
时隙，每个时隙传送不同的话路信号。
T1: 北美、日本，24路；
24路×8b/路+1b= 193b,
193b÷125 μs = 1.544Mb/s。
T1 (×4) →T2 ( ×7) → T3 ( ×6) → T4.
E1: 其他地区、中国，32路，2.048Mb/s。
E1 (×4) →E2 (×4) → E3 (×4) → E4
(×4) → E5.
图3.8 T1线路的时分复用帧
3.4.3 同步光纤网SONET/ SDH
光纤TDM主干线路标准。
SONET（Synchronous Optical Network）：
同步光纤网， 1989年，美国国家标准局标准。
SDH (Synchronous digital hierarchy)：
同步数字分级结构 ，CCITT标准。
同步传输模式：
一个TDM帧承载的多路话音信号在所有帧中
所占的时隙位置固定不变，有规律。
3.4.3 同步光纤网SONET/ SDH( 续)
一级同步传输信号STS-1：
基本的SONET信道；
相应的光信号为1级光载波OC-1；
8b/byte×810byte /帧×8000帧/s = 51.84 Mb/s。
N级同步传输信号STS-N:
相应的光信号为N级光载波OC-N；
N: 3、9、12……192等，数据传输速率为：
155.52、466.56、622.08……9953.28 MHz。
3.4.4 波分多路复用WDM/ DWDM
SONET TDM:
一根光纤上传输一个波长（一种频率）的光信号。
WDM( Wavelenth Division Multiplexing) ：
一根光纤上传输多个不同波长的光信号，发送端
将多个光信号复合，接收端分离。
概念上WDM和FDM相同，但WDM是对光信号
的复合和分离, 而FDM是对电信号 。
3.4.4 波分多路复用WDM/ DWDM（续）
密集波分多路复用DWDM(Dense WDM) :
同一个波段中通道间隔较小的WDM ，使用
1.525~1.565μm的波段，衰减小，可达 160
路×10 Gb/s 。
IP over DWDM：
DWDM和高速交换式路由器的IP技术结合；
新一代高速Internet---光互联网。
3.5 数据交换技术
广域网中的数据转发技术。
交换技术减少线路和接入设备的投资，提高设备的利用率。
3.5 数据交换技术
3.5.1 电路交换（circuit switching）
通过电路建立，信息传输，电路释放。
特点： 及时可靠，利用率不高，超荷拒绝服务。
电路交换方式又可分为：
空分电路交换
时分电路交换
3.5 数据交换技术
3.5.2 报文交换（message switching）
* 报文是一次传输的信息块（一个程序/文件等）
* 存储转发（store and forward）的传输方式
* 特点：线路可被多个传输所用；收方可处于不可用状态；一对多和优先级的传输 ；中间结点转发中可进行差错校验和处理；传输延时大。
3.5.3 分组交换（packet switching）
分组/ 包（packet）; 缓存用内存，速度快。
数据报(datagram) 方式 connectionless
虚电路(virtual circuit)方式 connection-oriented
图3.9 数据交换方式示意图
3.5.4 高速交换技术
帧中继FR（Frame Relay）
· 一个帧还没有接收完时就开始转发此帧；
· 转发站不进行差错检验和控制；
· 使用面向连接的永久虚电路；
· 可达到 T1/ E1的传输速率 。
3.5.4 高速交换技术(续)
异步传输模式ATM(Asynchronous Transfer Mode )
* 信元（cell）交换 ，53个字节，长度固定且很短，
用硬件电路进行处理，缩短了处理的时间；
* 转发站不进行差错检验和控制；
* 面向连接;
* 可达到几百M --2.2Gb/s 传输速率。
* 宽带综合业务数字网B-ISDN.
3.6 差 错 校 验
纠错码 (error-correcting code)
检错码 (error-detecting code)，反馈重发纠错。
循环冗余校验CRC码 (Cyclic Redundancy Check)
码多项式： C(x) = Cn-1xn-1 + Cn-2xn-2 + … + C1x+ C0
由：信息码(k位)：码多项式 K(x), (k-1）次；
校验码(r位)：码多项式 R(x), (r -1）次；
可得：CRC码(n =k +r 位)，码多项式C(x) ：
C(x) = xr K(x) + R(x)，(n -1)次。
只要求得R(x) 即可。
3.6 差 错 校 验（续）
发方由已知的 K(x) 求 R(x) :
R(x) = xr K(x) ÷ G(x) 的 r 位余数
除法用无借位减
G(x) : 给定的生成多项式 (generator polynomial)
《示例》
收方校验：
设xr K(x)除以G(x)的商为Q(x)，则
xr K(x)= G(x) Q(x)+ R(x)
C(x) =xr K(x) + R(x)= G(x) Q(x)+ R(x) +R(x)
= G(x) Q(x) ----整除
由 K(x) 求 R(x)示例
信息位串：
1101001
生成多项式：
11001
得到余数：
1010
3.7 数据通信的性能指标
3.7.1 数据传输速率和码元传输速率 数据传输速率：每秒传输的数据（编码前的数字
数据）的二进制位数，b/s, 或bps，比特率。
信号传输速率：编码后传输信号在信道上的传输
速率，每秒钟传输信号变化的次数，波特(baud)，
，码元传输速率，波特率。
若：码元状态数为M (M为2的整数次幂)，码元
传输速率为B，
则：数据传输速率C 为: C= B log2 M
3.7.2 奈奎斯特准则和香农定理
信道的带宽：信道所能传输的信号的频率围，赫
兹(Hz)。带宽小的信道会限制信号的部分频率成
分的传输，使之衰减和失真。
奈奎斯特准则：带宽为W Hz的无噪声低通信道，
的最高的码元传输速率： BMAX = 2W
香农定理：信噪比( Signal-to-Noise ratio) 为S/N
的高斯白噪声干扰信道可达到的数据传输速率：
C= W log2 ( 1+ S/N )
通常使用10log10S/N，分贝(dB)，如S/N=1000，
相当于30dB。
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第4章 传输介质
4.1 双绞线(twisted pair)
绞合：可以减小和邻近线路间的电磁干扰。
无屏蔽双绞线UTP（unshielded twisted Pair）
类(category ) ：3、4、5、5e、6。
屏蔽双绞线STP (shielded twisted pair)
100欧姆双绞线按其性能(单位长度的带宽)分为：
3类：规定为16MHz
4类：规定为20MHz
5类/5E类：规定为100MHz
6类：规定为250MHz
7类：规定为600MHz
10Mbps/100Mbps/1000Mbps以太网的双绞线标准如下：
10BASE-T：采用三类非屏蔽双绞线UTP容量10Mbps衰减限制距离100米，采用曼彻斯特编码。
100BASE-T：采用五类非屏蔽双绞线UTP容量100Mbps衰减限制距离100米，采用4B/5B编码。
1000BASE-ab：采用五类非屏蔽双绞线四对，容量1000Mbps衰减限制距离25米。采用8B/10B编码。
采用六类双绞线的以太网标准，即将制定出来。距离将达到100米.
4.2 同轴电缆(coaxial cable)
基带同轴电缆 , 宽带同轴电缆
特点：屏蔽性好，高带宽、噪声抑制性好。
RG-x x 系列区别体现在：结构、特性阻抗、传输速度
4.3 光纤（fiber）
光传输系统：光源、光纤和光敏元件接收装置
多模光纤 50/125μm等，单模光纤 5.0/85μm等
使用3个波段：0.85、1.30 和 1.55μm 为中心
高带宽，低损耗，高抗电磁干扰，难以窃听。
步级多膜： 纤维(Core)的折射率是均匀的。直径50－
100um。光波以折线路径传输.
渐级多膜： 纤维(Core)的折射率是非均匀的，直径
50－100um。光波以短折近似曲线的路径传输.
单膜： 纤维(Core)的折射率是近似均匀，直径与光波
波长近似大小。直径5－10um。光波以近似直线线路径
传输.
4.4 无线传输
4.4.1 电磁波频谱(electromagnetic wave spectrum )
电磁波传播速度:真空光速，铜线或光纤1km/5µs。
电磁波运载的信息量与其带宽成正比。
图4.1 电磁波的频谱和应用
4.4.2 无线电（radio）传输
无线电波：电磁波频谱1GHz以下，易穿过建筑物，
全方向传播，传播距离远，易受电磁干扰 。
4.4.3 微波(microwave)传输
频谱范围：300M~300GHz, 用2G~40GHz，直线传
播，难以穿过建筑物，微波塔中继. 卫星(中继)通信.
4.4.4 红外线（infrared ray）传输
频谱范围：3×1011 ~ 2×1014 Hz ，有方向性，不能穿
过物体，室内用（阳光中有强红外线）。
接口器件
1 、天线 无线电接头
2 、RS232
3 、RJ-45 双绞线接头
4 、BNC 同轴缆线接头
5 、MIC FDDI光纤接头
6 、ST 配线箱内接头
7 、SC 集线器接头
网络传输设备
网络传输设备
网络传输设备
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