第一章 概述

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

21世纪的一些重要特征是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。

大众熟悉的三种网络

随着技术的发展，网络技术相互融合：

电信网络和有线电视网络都逐渐融入了现代计算机网络技术，扩大了原有的服务范围；

计算机网络也能够向用户提供电话通信、视频通信以及传送视频节目的服务。

从理论上讲，可以把上述三种网络融合成一种网络就能够提供所有的上述服务，这就是很早以前就提出来的“三网融合”。

但实现融合并不简单，因为这涉及到各方面的经济利益和行政管辖权的问题。

Internet发展

互连网与互联网

什么是互联网？

互联网是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的网络。

可以从两种不同的方面来认识互联网：
互联网应用

互联网工作原理与特点

························································

互联网的应用：

互联网工作原理与特点

1.2 互联网的概述

1.2.1 网络的网络

互联网：
特指Internet，起源于美国，现已发展成为世界上最大的、覆盖全球的计算机网络。

计算机网络：
由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机、或者路由器等

互联网：
可以通过路由器把网络互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称之为互连网。

“网络的网络”（network of networks）

关于”云“：

当使用一朵“云”来表示网络时，可能会有两种不同的情况：

1，云表示的网络已经包含了和网络相连的计算机。

2，云表示的网络里面就只剩下许多路由器和连接这些路由器的链路，把有关的计算机画在云的外面。习惯上，与网络相连的计算机常称为主机（host）

基本概念清楚

这样我们建立了下面的基本概念

网络把许多计算机连接在一起，互联网则把许多网络通过路由器连接在一起，与网络相连的计算机常称为主机。

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

internet 和 Internet 的区别

主要覆盖了大学和研究所

isp：互联网服务提供者，类如中国的中国移动和中国联通

isp可以从互联网管理机构申请到很多IP地址（互联网上的主机都必须有IP地址才能上网），同时拥有通信线路，和路由器等设备。

所谓的”上网“就是☞通过isp给的ip地址接入互联网，ip地址的管理机构不会把一个单一的IP地址分配给单个用户，而是把一批IP地址有偿租聘给isp。

IPX：互联网交换点。作用就是允许二个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络转发分组。

例如，在图中右方的两个地区ISP通过一个IXP连接起来了。这样，主机A和主机B交换分组时，就不必再经过最上层的主干ISP，而是直接在两个地区ISP之间用高速链路对等地交换分组。这样就使互联网上的数据流量分布更加合理，同时也减少了分组转发的迟延时间，降低了分组转发的费用。

IXP的结构非常复杂。典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机，这些网络交换机都用局域网互连起来。

万维网WWW的问世

互联网的迅猛发展始于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）被广泛使用在互联网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为互联网的这种指数级增长的主要驱动力。

············································

1.2.3 互联网的标准化工作

互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。

1992年由于互联网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做互联网协会
（Internet Society，简称为1ISOC）[W-ISOC]，以便对互联网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。ISOC下面有一个技术组织叫做互联网体系结构委员会IAB Internet Architecture Board），负责管理互联网有关协议的开发，IAB下面又设有两个工程部:IETF和IRTF

RFC（Request For Comments）的意思就是“请求评论”。所有的RFC文档都可从互联网上免费下载[W-RFC]。

1.3 互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为二大块：

（1）边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。
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 互联网的边缘部分

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。;如上图主机，这些主机又称为端系统（end system）

端系统在功能上可能有很大的差别

• 小的端系统可以是一台普通个人电脑，具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头。
• 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。
• 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（如学校、企业、政府机关等），当然也可以是某个ISP

主机（端系统）之间通信的含义

端系统之间的两种通信方式

可分为二种：

• 客户-服务器方式（C/S 方式）

即Client/Server方式，简称为C/S方式。

• 对等方式（P2P方式）

即Peer-to-Peer方式，简称为P2P方式。

·············································

** 1.客户—服务器方式**

客户端和服务端指的是“运行客户服务的机器”和“运行服务器程序的机器”


客户软件的特点：
被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器软件的特点：

- 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。

- 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。

- 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

————————————
** 2.对等连接方式**

对等连接（peer-to-peer，简写为P2P）是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。

只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。

双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

————————————
对等连接方式的特点

对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器。

例如主机C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。

1.3.2 互联网的核心部分

• 网络核心部分是互联网中最复杂的部分。
• 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。
• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）

路由器是实现分组交换（packet switching）的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

三种交换·模式

1.电报交换——用电线连接

需要的线太多

电路交换的特点：



***@
2.分组交换的主要特点

分组交换则采用储存转发技术

在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。

1.4 计算机网络在我国的发展

1.5 计算机网络的类别

1.5.1 计算机网络的定义

根据这个定义：
（1）计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机。
（2）计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的各种应用）。

1.5.2 几种不同类别的网络

1，按照网络的——作用范围进行分类
2，按照网络的——使用者进行分类
3·用来把用户接入到互联网的网络

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

1.速率

比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。

*比特（bit）来源于binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率（data rate）或 比特率（bit rate）.*

速率的单位是bit/s，或kbit/s，Mbit/s、Gbit/s等。例如4 x10^10 bit/s的数据率就记为40 Gbit/s.

速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

2.带宽

两种不同意义：

"带宽”（bandwidth）本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）.
·
在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是bitls，即“比特每秒”

3.吞吐量

4.时延







5.时延带宽积

6.往返时间RTT

7.利用率

1.6.2 计算机网络的非性能特征

1.7 计算机网络体系结构

计算机网络是个非常复杂的系统

例如连接在网络上的二台计算机要互相传送文件。
显然必须要有一条传送数据的通路。但这还不够。至少下面几项工作要完成

1. 发送通信的计算机必须将数据通信的通路哦进行“激活”。所谓“激活”就是要发出一些指令，保证要传送的计算机数据能在这条道路上正确发送和接收。
2. 要靠素网络如何识别接收数据的计算机、
3. 发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已开机，并且与网络正常连接。
4. 发起通信的计算机中的应用程序必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接收文件和储存文件的准备工作。
5. 若计算机的文件格式不兼容，则至少其中一台计算机应完成格式转换能力。
6. 对发生的意外情况，如数据传送错误、重复或者丢失，网络中某个结点交换机出现故障等，应该有可靠的措施保证对方计算机可以最终收到正确的文件。

相互通信的二个计算机必须 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，转换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。

二种国际标准：

法律上的国际标准OSI并没有得到市场的认可。

非国际标准TCP/IP却获得最广泛的应用。TCP/IP常被称为“ 事实上的国际标准”

1.7.2 协议与划分层次

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）

网络协议 ，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。

实际上，只要我们想让连接在网络上的另一台计算机做点什么事情（例如，从网络上的某台主机下载文件）我们都需要有协议。但是当我们经常在自己的个人电脑上进行文件存盘操作时，就 不需要任何网络协议 ，除非这个用来储存文件的磁盘是网络上的某个文件服务器的磁盘。

协议的二种形式：

一种是使用便于人来阅读和理解的 文字描述。

另一种是使用让计算机能够理解的 程序代码。

这二种不同形式的协议都必须能够对网络上信息交换过程 做出精确的解释。

**层次式协议结构 **
ARPANET的研究经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的。

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。

• 确保对方已做好接收和储存文件的准备。
• 双方已协调好一致的文件格式

两个主机将文件传送模版作为最高的一层，在这两个模版之间的虚线表示二台主机系统交换文件和一些有关文件交换的命令。剩下的工作由下面的模版负责。即建立一些新的模版，如下图流程序

层数多少要适当

• 层数太少，就会使每一层的协议太复杂。
• 层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

1.7.3（较重要）具有五层协议的体系结构

OSI的7层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。

TCP/IP 是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。

但最下面的网络接口层并没有具体内容。

因此往往采用折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构

如下图

下面从上往下逐一介绍：

1）应用层——应用层是体系结构中的最高层。应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。这里的进程就是指正在运行的程序。在互联网中的应用层协议很多，对应不同的网络。如支持万维网应用的HTTP协议、支持电子邮件的SMTP协议、支持文件传送的FTP协议，等等。

我们通常把应用层交互的数据单元叫做“报文”。

2）运输层-——运输层的任务就是负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用则是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应的进程。
运输层主要使用以下两种协议：
传输控制协议TCP，是面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
用户数据报协议UDP，是无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能“尽最大努力交付"。

3）网络层-——网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/P体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称为数据报。

网络层的另一个任务就是 要选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。

对于由广播信道构成的分组交换网，路由选择的问题很简单，因此这种网络的网络层非常简单，甚至可以没有。

互联网是由大量的**异构网络通过路由器**互相连接起来的，使用的网络协议是无连接的网际IP协议和许多路由选择协议

4）数据链路层-——常简称为链路层。在两个相邻结点之间（主机和路由器之间或两个路由器之间）传送数据是直接传送的（即不需要经过转发的点对点通信），这时就需要使用专门的链路层的协议。数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上“透明”地传送帧中的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。
在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。

这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提取出数据部分，上交给网络层。

控制信息还使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。如发现有差错，数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧，以免继续传送下去白白浪费网络资源。如果需要改正错误，就由运输层的TCP协议来完成。

5）物理层
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。（透明的传输比特流），物理层还要确定连接电缆插头的定义及连接。

注意：传递信息的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，是在物理层的下面，当做第 0 层

主机1向主机2发送数据：

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

一定要弄清楚协议与服务的不同：

1.7.5 TCP/IP的体系结构

本章的重要概念

第二章 物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。使物理层上面的数据链路层感受不到这些差异.

·用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

原系统包括以下二个部分：

• 源点 源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
• 发送器：通常源点产生的数字比特流需要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。
• 接收器：接受传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息
• 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

下面介绍一些常用术语：

2.2.2 有关信道的几个基本概念

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（modulation）

.
常用编码方式：

从信号波形中可以看出，曼彻斯特（Manchester）编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。

从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法：

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，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。如下图：

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

• 信道能够通过的频率范围
  具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
  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。
  

• 信噪比
  
  
  
  思考：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率？

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

2.3.1 导引型传输媒体

双绞线
最常用的传输媒体。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。

屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）

带金属屏蔽层

无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）

2.3.2 非引导型传输媒体

ISM是指工业、科学和医药
现在无线网运用的2.4GHZ与5.8GHZ就是其中

红外通信、激光通信也使用非导引型媒体。可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据。

2.4 信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

例如：向量S为(-1,-1,-1,+1,+1,-1,+1,+1)，T为（-1,-1,+1,-1,+1,+1,+1,-1) 这相当于T站的码片序列为00101110 .S·T为0

如图，设S站要发送的数据是1 1 0三个码元。再设CDMA的每一个码元扩展为8个码元，而S站选择的码元序列的为（-1，-1，-1，+1,+1,-1,+1,+1). S站发送的扩频信号为Sx。
Sx中，只包括两种互为反码的两种扩频信号。

T站选择的码片序列为（-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1），T站也发送1 1 0三个码元，而T站的扩频信号为Tx。因所有的站使用相同的频率，因此每一个站都能够收到所有的站发送的扩频信号。对于上图，所有的站收到的都是叠加的信号Sx+Tx。

当接收站打算收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积。
这就相当与分别计算S·Sx 和 S·Tx .显然，S·Sx就是S站发送的数据比特，因此在计算规格化内积时候，按S·T相加的各项或者都是+1，或者都是-1；而S·Tx一定是零，因为相加的8项中的—1和+1各占一半，因此总和一定是零。

2.5 数字传输系统

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。
与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。
目前，长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。
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。

2.6 宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为二大类：

• 有线宽带接入
• 无线宽带接入

下面讨论有线的宽带接入。

2.6.1 ADSL技术

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

2.6.3FFTx技术

第二章重要概念

第三章：数据链路层

3.1使用点对点信道的数据链路层

3.1.1 数据链路和帧

3.1.2 封装成帧 透明传输 差错控制

1.封装成帧

2.透明传输

3.差错检测

循环冗余检验的原理

冗余码的计算

解释视频：冗余码的计算

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

3.2.2 PPP 协议的帧格式

3.2.3 PPP协议的工作状态

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网的数据链路层

数据链路层常称为链路层。在两个相邻节点之间传送数据时候，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，差错控制等）

3.3.2 CSMA/CD协议

曼彻斯特编码的编码规则是:
在信号位中电平从低到高跳变表示1
在信号位中电平从高到低跳变表示0
差分曼切斯特编码规则是
在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑"1"
在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑"0" ；
曼切斯特编码的每个比特位在时钟周期内只占一半，当传输“1”时，在时钟周期的前一半为高电平，后一半为低电平；
而传输“0”时正相反。这样，每个时钟周期内必有一次跳变，这种跳变就是位同步信号。
差分曼切斯特编码是曼切斯特编码的改进。它在每个时钟位的中间都有一次跳变，传输的是“1”还是“0”，是在每个时钟位的开始有无跳变来区分的。

从图上看，发生碰撞使A浪费时间TB+TJ。可是整个信道被占用的时间还要增加一个单程端到端的传播时延t。因此总线被占用的时间TB+TJ+一个传播时延

定义帧间最小间隔的意义

3.3.3 使用集线器的星形拓扑

3.3.4 以太网的通道利用率

3.3.5 以太网的MAC层

3.4 扩展的以太网

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