Chapter1

计算机网络的发展

1、主机带终端形式的计算机网络
2、基于通信网的计算机网络（分组交换式的计算机网络），采用存储转发技术
3、标准化的计算机网络，为了使各个公司的计算机可以全部互连成网，国际标准化组织(ISO)于1978年提出了“异种机联网标准”的框架结构，即开放式系统互联参考模型（OSI/RM）。
4、以Internet为代表的计算机互联网络

计算机网络的分类

按覆盖范围不同分类：

1、局域网（LAN）
2、广域网（WAN）
3、城域网（MAN）

按拓扑结构不同分类：

1、星形网络
星型拓扑结构的主要优点体现在以下几个方面：
（1）节点扩展、移动方便
（2）网络传输数据快
（3）维护容易
星型拓扑结构的主要缺点体现在如下几个方面：
（1）核心交换机工作负荷重
（2）网络布线较复杂
（3）广播传输影响网络性能

2、树形网络
树形拓扑结构自上而下（从核心交换机（或骨干层）到汇聚层，再到边缘层）是自上而下是依次分层扩展的

“全网状结构”就是指网络中任何两个节点间都是相互连接的。而所谓的“半网状结构”是指网络中并不是每个节点都与网络的其他所有节点有连接，可能只是一部分节点间有互连。

3、总线型网络
总线型拓扑结构（Bus Topology）与环形拓扑结构从外形上看有些类似，都是共享一条同轴电缆作为传输介质，通过RPU（中继转发器，或称“连接器”）连接多台计算机，而且网络通信中都是以令牌的方式进行的。

环型网络中的连接器与电缆是串联的，所以任何连接节点出现问题，都会中断整个网络，而总线型结构中的连接器与电缆是并联的，节点故障不会影响到网络中的其他节点通信。它们采用的技术也不同，环型结构采用的是IEEE802.5令牌环技术，总线结构采用的是IEEE802.4令牌总线技术。

总线拓扑的主要优点：
（1）网络结构简单，易于布线
（2）扩展较容易
（3）维护容易
总线型结构的主要缺点：
（1）传输速率低
（2）故障诊断困难
（3）难以实现大规模扩展

4、环形网络
环形网络拓扑结构主要应用于采用同轴电缆作为传输介质的令牌网中。
环形拓扑结构网络的主要优点体现在以下方面：
（1）网络路径选择和网络组建简单
（2）投资成本低
缺点：
（1）传输速度慢
（2）连接用户数非常少
（3）传输效率低
（4）扩展性能差
（5）维护困难

5、网状网络

数据交换方式

1、电路交换

其工作方式属于一种直接交换方式，两台计算机之间进行数据交换之前需要建立一个真正的物理线路连接，其后的数据交换就在这条线路上进行，属于独占式数据交换。

2、报文交换

报文交换网采用存储转发技术。存储转发技术不需要在两个节点之间建立专用线路。中间交换节点收到数据先存储在缓冲区中，根据目的地址寻找下一个连接的节点将缓冲数据转发出去。
由于报文交换采用的是先存储后转发的方式，不可避免的产生了时延。时延的长短受到报文长短影响，波动幅度变化较大，因此，报文交换不适合实时通信。

3、分组交换

分组交换又称包交换，采用存储转发方式进行数据传输。主机将长报文划分为若干数据块，称为分组。
源主机发出的数据分成若干个分组，以分组为单位在通信线路中进行传输，当所有分组均到达目的主机时，再将所有分组重组成原来的数据。

数据交换方式的选择

数据报方式

数据报方式主要特点：无连接服务

虚电路方式

虚电路方式主要特点：有连接服务

数据报vs虚电路

网络协议

1、语法：“语法”是用来规定通信时的信息格式，包括数据及控制信息的格式、编码及信号电平等，是用来解决“如何做”的问题。
2、语义：“语义”可以理解为“语意”，是用来解决“做什么”的问题，也就是描述该通信协议具体用来完成什么功能。
3、同步（时序）：“同步”是用来解决“做的次序”问题，也就是通信双方要完成某项网络服务，必须依据什么样的流程，匹配什么样的速率、什么样的电平来进行

计算机网络体系结构（七层参考模型）

服务访问点（SAP）：接口上相邻两层实体交换信息之处。
协议数据单元（PDU）：对等实体之间交换的信息单元。
互联网服务提供商（Internet Service Provider）ISP：一般指互联网服务提供商。

名称	英文	作用
应用层	Application Layer	直接为用户的应用进程（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供服务。如HTTP、SMTP、FTP、DNS 等
表示层	Presentation Layer	把数据转换为能与接收者的系统格式兼容并适合传输的格式，即让两个系统可以交换信息
会话层	Session Layer	负责在数据传输中设置和维护计算机网络中两台计算机之间的通信连接
传输层	Transport Layer	负责端到端通讯，可靠传输，不可靠传输 ，流量控制，复用分用
网络层	Network Layer	负责选择路由最佳路径，规划 IP 地址( ipv4 和 ipv6 变化只会影响网络层)，拥塞控制
数据链路层	Data Link Layer	帧的开始和结束，还有透明传输，差错校验(纠错由传输层解决)
物理层	Physical Layer	定义网络设备接口标准，电气标准(电压)，如何在物理链路上传输的更快

1、物理层
实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。物理层的传输单元为比特。

2、数据链路层（点对点）
数据链路层的传输单元为帧，并采用差错控制与流量控制方法，确保数据线路的无差错传输。

3、网络层（主机对主机）
通过路由算法为分组选择最适合子网通信的路径，实现网络互连和拥塞控制。网络层的传输单元是分组。

4、传输层（端对端）
传输层的任务是向用户提供一种端到端的服务，负责向两个主机进程之间的通信提供服务。传输层是通信体系中关键的一层，因为它实现了向高层屏蔽下层数据通信的全部细节。传输层自始至终将数据从源端带到目的端。

5、会话层
会话层的任务是负责维护两个节点之间会话的建立、管理和终止。会话层允许不同机器上建立用户会话。会话可以提供各种服务，包括对话控制、令牌管理以及同步功能。

6、表示层
表示层关注的是信息的语法和语义。表示层正是用来定义和管理这些抽象的数据结构。主要包括数据格式变换、数据加密和解密、数据压缩与恢复等功能。

7、应用层
它是服务用户，是唯一直接为用户的应用进程访问OSI环境提供手段和服务的层次，应用层以下各层通过应用层间接地向应用进程提供服务。应用层向应用进程提供的服务是所有层提供服务的总和。

服务与协议的关系（概括）

１、服务是垂直的，协议是水平的．
２、服务是下层向上层通过层间接口提供的，上层的实体通过服务原语来使用其下层所提供的服务．上层是服务用户，下层是服务提供者．
３、协议是控制对等实体之间交换PDU的一组规则，协议的实现保证了能向上一层提供服务．本层的服务用户只能看到服务而无法看到下面的协议，下而的协议对上面的服务用户是透明的．

TCP/IP体系结构（四层参考模型）

Chapter2

通信系统模型

通信系统模型由信源、发送变换器、信道、噪声源、接收变换器和信宿组成。

数据通信方式

单工通信（单向通信，如无线电广播）、半双工通信（交替）与全双工通信（同时）

基带信号与宽带信号

编码与调制

按照传输信号是否调制可分为基带传输和频带传输

基带传输指数字信号不加任何改变直接在信道中进行传输的过程。发送端进行基带传输之前，需对信源发送的数字信号进行编码；接收端对接收到的数字信号进行解码，以恢复原始数据。（数字信号几乎要占有整个频带）

频带传输指数字信号经过调制后在信道中传输的过程。在接收端，需要使用专门的解调设备对调制后的信号进行解调。（模拟信号往往只占有有限的频谱）

计算机网络中主要采用全双工通信、串行通信、异步传输。
局域网中主要采用基带传输。

码元

数字数据调制为模拟信号

1、振幅键控调制技术（ASK）

ASK采用两种不同幅度的载波信号表示两个不同的二进制数，通常一种载波的幅度为0，另一种载波的幅度用正常值表示。

0时无振幅，1时有振幅

2、移频键控调制技术（FSK）

FSK采用两种不同频率的信号来表示两个不同的二进制数。

3、移相键控调制技术（PSK）

PSK通过改变载波的相位来表示不同的二进制数。

所以最基本的带通调制方法有：调幅、调频、调相。

练习题

数字数据编码为数字信号

数字-数字数据编码是指将数字信号变换成适合传输的数字信号。

常见的数字-数字数据编码类型有3类：不归零编码（NRZ）、归零编码（RZ）和双相位编码。

不归零编码和归零编码又可分为单极性编码和双极性编码。

“单极性”就是波形中仅用正（或负）电平值来表示信号中的二进制“1”（通常是以正电平表示），0电平表示信号中的二进制“0”

“双极性”是指分别用正和负电平值表示信号中的二进制“1”和“0”，而且正、负脉冲幅度一样。

双相位编码分为曼彻斯特编码（ME）和差分曼彻斯特编码（DME）。

1、非归零编码（NRZ）

2、归零编码（RZ）

归零编码指在一个比特时间内，非零电平持续时间小于比特间隙的时间，即一个比特时间内，后半部分电平总是归于零。

3、曼彻斯特编码

从高电平到低电平的跳变表示比特“1”，低电平到高电平的跳变表示比特“0”。
也可以使用相反的电平跳变策略来定义比特“0”和比特“1”

4、差分曼彻斯特编码

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码是自带同步时钟的编码

5、反向不归零编码（NRZI）

模拟数据编码为数字信号

模拟数据调制为模拟信号

小结

数据通信的主要性能指标

通常用数据传输速率、带宽、吞吐量、时延、往返时间等说明

数据传输速率

数据传输速率有两种表示方式：码元速率和信息速率。

码元速率

注：码元周期又称为码元宽度或信号宽度

信息速率（又称为比特率）

信息传输速率（网速）= 码元传输速率x码元所带信息量（多少比特）

码元所带信息量（比特数）= log2（码元进制数）

比特率和波特率的关系

思考题

带宽

计算机网络中通常使用带宽来描述网络的传输容量。带宽原意指某个信号具有的频带宽度，带宽的单位为Hz。
目前以太网的带宽有10Mbps、100Mbps、1000Mbps和10Gbps等几种类型。

注：


就比方说，下课，我们从教学楼往外走，有两条路，分两拨人。一条路叫M路，大多数人喜欢走，因为通往图书馆，另一条是通往马路的N路，我和B同学喜欢走N路，而全班其他同学喜欢走M路，而大家步行速度都是一样的，只是路上的人数不同罢了

奈奎斯特定理

练习题

香农定理

例题

吞吐量（Throughput）

时延

发送时延（传输时延）

传播时延

多路复用技术

多路复用技术是指在单一线路上同时传输多路信号的技术，其逆过程称解多路复用。
多路复用的目的：使得多路信号能够在同一线路上进行传输，最大限度地利用信道资源。

频分多路复用技术

频分多路复用（FDM）是将线路的可用频带划分成若干条在频率上互不重叠的较窄的子频带，每一条子频带传输一路信号，各子频带之间通常要留有一定的空闲频带，称为保护频带，以减少各路信号的相互干扰，因此，各路信号可以互不干扰地同时传输。

频分多路复用中信号复用、解 复用过程示意

波分多路复用技术

波分多路复用（WDM）过程和频分多路复用过程相似，其本质上也属于频分多路复用技术。
波分多路复用是将多个单一波长的光信号复用在一起，而且每一种光信号只有有光和无光（信号强度为0）两种强度。
通过使用不同波长的光载波，可以在一根光纤上传输多路光信号。由于光载波的频率很高，人们习惯上用波长而不是频率来表示不同频率的光载波，因此将光载波在光纤上的复用称为波分多路复用。WDM被应用于光纤通信领域。

时分多路复用技术

时分多路复用（TDM）是将一条线路的传输时间分成若干个时隙（Time Slot，又称为时间片），按一定的次序轮流给各路信号源使用，即每路信号占用一个时隙（时间片）。
在每路信号所占的时间片内，其使用通信线路的全部带宽。
时分多路复用可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用。

同步时分多路复用技术

同步时分多路复用是将传输信号的时间分成多个周期，其中每个周期又根据要传送信号的路数分成若干个时隙，每路信号被固定分配一个时隙。

异步时分多路复用技术

异步时分多路复用又称统计时分多路复用，仅仅在某路信号有数据要发送时，才为其分配时隙，即动态为每路信号按需分配时隙，因此，不会造成时隙资源的浪费，提高了信道的利用率。

Attention！！！
“同步传输”是一种以数据块为传输单位（通常是以“帧”为单位的）
“异步传输”是以字符为单位进行数据传输的。

码分多路复用技术

传输介质

双绞线

同轴电缆

光纤

导向传输媒体包括：双绞线、同轴电缆和光纤

无线传输介质

电磁波、无线电波、微波、卫星通信、红外通信…

小结

物理层设备

中继器

5-4-3规则是为了限制中继器使用次数的
5是指不能超过5个网段
4是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过4个
3是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机

集线器

集线器是个大的冲突域，同时只能有一组设备进行通讯，只会传输信号，不智能

Chapter3

物理层概述

物理层并非仅指连接计算机的具体物理设备或负责信号传输的具体物理设备，而是指在连接开放系统的传输介质上，为数据链路层提供一个透明的原始比特流传输的物理连接！！！即构造一个可以传输各种数据比特流的透明通信信道。提供机械的、电气的、功能性和规程性的手段。

Attention！！！
透明传输只与数据链路层有关

物理层提供的主要服务

物理层的接口特性

三种通讯方式（单工、半双工、全双工）

传输方式（串行传输 | 并行传输）

实现同步的传输/通信方式（同步传输 | 异步传输）

ADSL技术

非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。

其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道，因此上行信道宽低于下行信道

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