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计算机网络复习课

计算机网络复习课. 龙银香. 课程主要内容. 网络的基本概念 网络通信的基本原理、思想 网络体系结构 局域网技术 网络的应用. 网络的基本概念. 计算机网络发展经历了四个阶段： 初级阶段：主机－终端阶段 计算机网络阶段 ：主机－主机互连阶段 标准或开放的计算机网络 高速、互连、智能化的计算机网络. 网络的基本概念. 计算机网络的定义 将地理上位置不同且功能独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。. 网络的基本概念. 计算机网络的分类

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计算机网络复习课

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  1. 计算机网络复习课 龙银香

  2. 课程主要内容 • 网络的基本概念 • 网络通信的基本原理、思想 • 网络体系结构 • 局域网技术 • 网络的应用

  3. 网络的基本概念 • 计算机网络发展经历了四个阶段： • 初级阶段：主机－终端阶段 • 计算机网络阶段 ：主机－主机互连阶段 • 标准或开放的计算机网络 • 高速、互连、智能化的计算机网络

  4. 网络的基本概念 • 计算机网络的定义 将地理上位置不同且功能独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起、由专门的网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。

  5. 网络的基本概念 • 计算机网络的分类 计算机网络有多种分类标准，如按传输技术、通信介质、按数据交换方式、通信速率和使用范围等。

  6. 网络的基本概念 • 计算机网络的功能 • 资源共享：最主要的功能。 • 通信：E-MAIL，QQ，IP电话等。 • 分布计算与存储： • 提高资源的可用性与可靠性：平衡负载、后备等。

  7. 网络的基本概念 • 计算机网络的拓朴结构： 将网络中的具体设备视为点、将传输线路视为线，采用拓朴学的方法抽象出的关于节点与链路的几何构型。 常见的拓扑结构有： •总线型•星型•树型•环型•网状型

  8. 网络的基本概念 • 网络的规模 • 局域网(LAN):以太网、ATM、FDDI • 城域网(MAN)：DQDB • 广域网(WAN)：ISDN、帧中继、X.25等。

  9. 网络的基本概念 • 计算机网络的组成 • 通信子网： • 提供网络的通信功能（数据的传输与转发） • 包括通信处理机通信设备与通信线路 • 资源子网： • 提供用户访问网络和处理数据的能力。 • 包括加入网络的所有的计算机、终端外设及各种软件和数据资源

  10. 网络通信的基本原理和思想 • 数据、信号与信息 • 数据：如二进制数据“01011011B”，可以是文本、数字、声音、图像等。 • 信号：数据传输的物理形式。如电信号、光信号。分为模拟信号和数字信号。 • 信息：数据中所包含的有意义的成分。

  11. 计算机 通信信道 计算机 发送信号 信道带宽 接收信号 网络通信的基本原理和思想 • 数据通信系统 三要素：信源、信道、信宿。 信源 信宿

  12. 网络通信的基本原理和思想 • 通信信道： 传送信号的一条通道，其建立在传输介质之上，但包括了传输介质和通信设备。同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过。 信道可分为模拟信道和数字信道。

  13. 网络通信的基本原理和思想 • 传输介质：泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，特指用来连接各个通信处理设备的物理介质。包括无线与有线两大类。如微波、卫星、红外、双绞线、铜缆、光纤。

  14. 网络通信的基本原理和思想 • 信号的传输 • 基带传输：在信道上直接传输数字信号。适合于局域网 • 宽带（频带）传输：数字信号在传输之前进行调制，接受方必须进行相应的解调制。适合于城域网和广域网。

  15. 网络通信的基本原理和思想 • 基带传输与编码 • 基带传输的特点： • 抗噪声能力强，成本低，传输速率高 • 信号衰减严重，只能利用有线介质近距离传输 • 基带信号频带宽，传输时要占用整个传输介质的带宽 编码:将二进制比特转换成适合在数字信道上传送的数字信号。常用的编码方法有：不归零编码（NRZ）、 Manchester 编码和差分Manchester 编码

  16. 网络通信的基本原理和思想 • Manchester编码规则： 将每比特周期T分为前T/2和后T/2；前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码。 • 差分Manchester编码规则: 对Manchester编码的改进,保留每比特中间的跳变作同步之用；每比特的值则根据其开始处是否出现电平的跳变来决定，有跳变者为“0”，无跳变者为二进制“1”。 在基带传输中，无信号传输时，线路电平是低电平。

  17. 网络通信的基本原理和思想 • 频带传输与调制解调 • 调制：由于基带传输的近距离限制，在远距离传输中通常采用模拟信道。利用模拟信道，传输二进制数据时，必须先将数据寄存到载波信号上，即利用数据改变载波信号的某个参数，然后传输调制后的已调信号。这个过程称为调制。 • 解调：与调制相反的过程称为解调。 • 调制的方法：调幅、调频、调相。 • 调制解调器：集成了调制和解调功能线路的设备。

  18. 网络通信的基本原理和思想 • 通信的方式 • 按照一次传输字符的一个比特还是全部比特：串行通信和并行通信 • 按照同步的要求分为：同步通信（块同步）与异步通信（字符同步） • 按照通信过程中双方是否能同时进行数据的发送分为：单工、双工和半双工通信。

  19. 网络通信的基本原理和思想 • 信道的参数： • 带宽：信道中能传输信号的频谱范围 。信道的带宽与信道的传输速率成正比关系。 • 传输速率：bps。 • 信噪比：SNR，反映信道的质量。 • 误码率：信道中错误比特所占的百分比。误码率的大小与干扰源噪声的大小有关。

  20. 网络通信的基本原理和思想 • Nyquist 定理给出了有限带宽的无噪声信道的最大数据传输速率： 最大数据传输速率=2Hlog2V(b/s) 其中，H为信道带宽，V表示被传信号的电平级数。 • Shannon 定理给出了有限带宽的噪声信道的最大数据传输速率： 最大数据传输速率=Hlog2(1+S/N) 其中，H为信道带宽，S/N为信道的信噪比。

  21. 网络通信的基本原理和思想 • 多路复用： 在一条物理线路上建立多条逻辑通信信道，以充分利用信道资源，达到多个用户共享信道的技术。 • 常用多路复用技术： • 频分多路复用（ FDM ）：模拟通信 • 时分多路复用（TDM）：数字通信 • 波分多路复用（WDM）：光纤上的FDM • 码分多路复用（CDM）：移动通信

  22. 网络通信的基本原理和思想 • 交换方式： • 电路交换：建立电路、传输数据、释放电路三个步骤。延时小、线路带宽利用率低。 • 报文交换：存储转发报文。延时大、延时抖动大、线路带宽利用率高、出错需重传整个报文。 • 分组交换：存储转发大小确定的分组。相比报文交换具有出错只需重传分组、服务质量更好的优点。

  23. 网络体系结构－有关概念 • 分层结构： 分层的目的是为了降低复杂性，提高灵活性----“分而治之，各个击破” • 分层体系结构中的有关术语：实体和对等实体、协议、服务与接口、

  24. 网络体系结构－有关概念 • Entity(实体） 每一层上的活动元素，包括实现该层功能的所有硬件与软件 • Peer-peer entity (对等实体) 相互通信的两个不同机器上的同一层次

  25. 网络体系结构－有关概念 • Service(服务） 每一层为上一层所提供的功能称为服务。N层使用N-1层所提供的服务，向N+1层提供更高的服务。 • Interface (接口) 定义下层向其相邻的上层提供的服务及原语操作，但服务的实现细节对上层是透明的（不可见的）。

  26. 网络体系结构－有关概念 • 协议数据单元： • 简称为PDU。是指每层协议所采用的数据格式。网络中所传送的数据的逻辑组成单元。 • 从高层到下层，存在数据的封装过程 • 从下层到高层，存在数据的拆封过程

  27. 网络体系结构－有关概念 • 协议: 为网络通信所制定的一组规则、约定和标准。 • N层协议： 网络通信是一种层到层的对等通信，第N层上的通信规则或约定称为N层协议

  28. 网络体系结构－有关概念 • 网络体系结构：网络功能分层结构与各层协议的集合。 网络体系结构的例子： • IBM的SNA（系统网络结构）-1974 • DEC的DNA（分布型网络的数字网络体系）-1975 • ISO/OSI RM • TCP/IP

  29. 网络体系结构－有关概念 OSI的七层模型： • Layer 7: 应用层 • Layer 6: 表示层 • Layer 5: 会话层 • Layer 4: 传输层 • Layer 3: 网络层 • Layer 2: 数据链路层 • Layer 1: 物理层

  30. FTP telnet HTTP SMTP SNMP DNS 其 他 TCP UDP IP ARP/RARP ICMP Ethernet TokenRing FDDI ATM 其他 网络体系结构－有关概念 • TCP/IP的主要协议

  31. 网络体系结构－有关概念 • TCP/IP的体系结构 • Layer 4:应用层 • Layer 3：传输层 • Layer 2：网际层 • Layer 1：网络接口层

  32. 网络体系结构——物理层 • 物理层的功能：负责实际或原始的数据“位（BIT）” 传送，通过传输介质将比特流由一个节点传向另一个节点。具体的讲该层的功能包括信号的发送和接受、数据的编码和解码、调制和解调、物理接口的规定等

  33. 网络体系结构——物理层 • 物理层的设备与组件 • 被动(不需要外电源) • 线缆 • 连接头 • 连接座 • 接线面板 • 转换器 • 主动 (需要电源) • -调制解调器 • -中继器 • - 集线器

  34. 网络体系结构——物理层 • 传输介质： 泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，主要指用来连接各个通信处理设备的物理介质。 • 类型： 有线介质和无线介质。最主要的有无屏蔽双绞线(UTP)、同轴电缆（分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆）和光纤（分为单模光纤和多模光纤） • 性能指标： 物理特性、传输特性、地理范围、抗干扰性、价格（包括安装与维护费用）

  35. 网络体系结构——物理层 • 接口标准 • TIA/EIA-568-A /B是关于水平布线的标准。UTP的接口标准是RJ45。 • RS232C：串行接口标准。DB15接口。包括机械、电气、功能和归程特性。

  36. 网络体系结构——物理层 • 物理层的设备： • 中继器：物理信号的放大与再生。可延伸网络距离。 • 集线器：多端口中继器 ，又称为HUB 典型的端口数为 4, 8, 或 24

  37. 网络体系结构——物理层 • 关于物理层设备和组件的评论 • 只关注原始比特流的传送，即物理信号的传输。其不关心也不认识所传输信号所包含的信息。 • 物理层是网络的物理基础，也是网络故障的多发层，不可被低估或轻视。

  38. 网络体系结构——数据链路层 • 数据链路层的功能 • 实现两个相邻的机器间的无差错的传输。 • 利用物理层提供的原始比特流传输服务，向网络层提供可靠的数据传输服务。

  39. 帧的开始 地址 帧类型或长度 数据 帧校验 帧的结束 网络体系结构——数据链路层 • 成帧 • 帧：数据链路层规定最小的数据传送逻辑单位 • 帧的格式：

  40. 网络体系结构——数据链路层 • 帧的定界：定界就是标识帧的开始与结束。 • 常用的帧定界方法： • 带字符填充的首尾界符法：DLE STX/DLE ETX • 带位填充的首尾标志法:位模式“01111110”作为开始和结束标记。 • 字符计数法:在帧头中使用一个字段来标明帧内的字符数，通常该字段称为帧长字段。该方法通常与上述其他方法结合使用。 • 位填充:发送端在数据中若遇到5个连续的“1”时，则在其后自动插队入一个“0”。该技术简称“逢五1插0”；接收端则忽略5个连续的“1”后面的“0”，简称“逢五1删0” 。

  41. 网络体系结构——数据链路层 • 差错控制 • 差错控制的核心是对传送的数据信息添加上与其满足一定关系的冗余比特。接受端可以据此发现数据在传输中有无出错。 • 纠错码不仅能发现传输中的错误，还能利用纠错码中的信息自动纠正错误。 • 检错码用来发现传输中的错误，但不能自动纠正所发现的错误。 • 常见的检错码有：奇偶校验码 、循环冗余校验码（CRC）

  42. 网络体系结构——数据链路层 • CRC的工作原理 • 将要发送的长度为n的二进制数序列看成是一个n－1阶多项式P(x) • 选定阶数为m的生成多项式G(x)。 • 将xmP(x) 作为被除式，G(x)作除式，进行多项式除法。除法采用“加法不进位，减法不借位”的规则，即模2除。设余数为R(x)。 • 将所得到的余式多项式R(x)重新转换为长度为m的二进制数，作为冗余码。 • 将冗余码加在原传送数据后面，构成发送序列。 • 接收方收到后，将接收序列用同样的生成多项式去除。若余式为零，则表示无差错；否则，说明传输过程中出现了错误。

  43. 网络体系结构——数据链路层 • 流量控制 • 流量控制的作用是使发送方的发送速率不要超过接收方所能接收的速率。 • 滑动窗口协议：在滑动窗口协议中，每一个要发送的帧都有包含一个序列号；任何时候发送方保持着一组序列号，对应于允许发送的帧，并且这些帧被认为在发送窗口内；任何时候接收方也保持着一组序列号，对应于允许接收的帧，并且这些帧被认为在接收窗口内。通过窗口的移动来实现接受方对发送方的流量控制。

  44. 网络体系结构——数据链路层 网桥（Bridges） • 数据链路层上的网络互连设备 • 用以连接两个不同的局域网网段 -----网络互连功能（物理上扩展） • 依据第二层地址进行网络流量过滤，忽略关于本地网络的所有流量，转发目标地址不在本地的数据流量。 • 通过维持一个关于网卡地址（MAC）的连接表来实现过滤功能

  45. 网络体系结构——数据链路层 交换机（Switch) • 与网桥类似，属于数据链路层上的网络互连设备。 基于第二层地址进行流量的过滤 • 多端口网桥： 可连接多个局域网段 • 将网桥的第二层过滤功能与集线器所具有的集中功能集成到了一起。

  46. 不同点 集线器为物理层设备，只关注原始比特流的传送，不具备流量过滤功能。 交换机为数据链路层设备，基于MAC地址在不同网段间进行流量过滤。 集线器提供共享带宽，交换机提供专用带宽 e.g. 24口/100M集线器，每个端口带宽100/24M 24口/100M交换机，每个端口带宽100M 交换机与集线器的比较 相同点： 均具有集中器功能 基于硬件地址实现 网络体系结构——数据链路层

  47. 网络体系结构——网络层 • 网络层的功能 • 路由和转发：从源端到目的端可能要经过许多的中间节点。 • 逻辑寻址：确定收发双方的网络地址。 • 拥塞控制

  48. 网络体系结构——网络层 网络层提供的服务： • 可靠的面向连接的服务：虚电路服务。 • 不可靠的面向无连接的服务：数据报服务

  49. 网络体系结构——网络层 • 路由算法： • 按路由算法能否自动适应网络状态（如通信流量、拓朴结构等）的变化分为： • 静态路由（非自适应算法） • 动态路由（自适应算法） • 按路由算法的作用范围分为： • 内部路由协议（RIP，OSPF） • 外部路由协议（BGP） • 动态路由算法又包括： • 距离矢量算法（RIP） • 链路状态算法（OSPF）

  50. 网络体系结构——网络层 • 拥塞 • 当通信子网中的某一部分有太多的数据分组时，会导致网络性能的下降。这种现象称为网络中的拥塞。拥塞会引起网络分组的丢失，在严重的情况下，会导致网络运行的瘫痪。 • 拥塞控制用于确保通信子网能运送所有待传送的数据，是一个全局性的问题。 --涉及所有主机、路由器

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