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计算机网络

2025-09-11 10:48:06   0  举报

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AI智能生成

大学计算机网络，期末复习必备，包过

计算机网络

期末考试

作者其他创作

大纲/内容

概述

1.1 计算机网络的定义及其特点

1.1.1 计算机网络的定义

较好的定义： 计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

计算机网络=硬件系统+软件系统

硬件系统 计算机、智能手机，智能传感器等； 网络设备: 如路由器，交换机，集线器等； 传输介质: 如双绞线、光纤、电磁波（无线）等。

软件系统  ◆协议软件，如TCP/IP协议。◆ 网络操作系统。如UNIX。 ◆……

计算机网络=通信子网+资源子网

通信子网完成信息分组的传递工作，每个通信节点具有存储转发功能。     资源子网包含所有由通信子网连接的主机，向网络提供各种类型的资源。

三大类网络：电信网络，有线电视网络，计算机网络

1.1.2 计算机网络的特点

连通性 (Connectivity)

使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频），好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

注意，互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁，也无法知道对方的位置。

共享性 (Sharing)

指资源共享。

资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用。

1.2 互联网概述

1.2.1 互联网概念

互联网是目前技术最为成功、应用最为广泛的计算机网络

互联网定义

互联网，特指 Internet，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的一个互连网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。

internet 和 Internet 的区别

以小写字母 “i” 开始的 internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。

以大写字母 “I” 开始的的 Internet（互联网或因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。

         互联网（Internet）                            互连网（internet）

任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网 (internet)，而不是互联网 (Internet)。

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。

1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。

人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。

第二阶段：建成了三级结构的互联网。

它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

第三阶段：逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。

出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。

任何机构和个人只要向某个 ISP 交纳规定的费用，就可从该 ISP 获取所需 IP 地址的使用权，并可通过该 ISP 接入到互联网。

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP 也分成为不同层次的 ISP：主干 ISP、地区 ISP和本地 ISP。

1.7.2 协议与划分层次

网络协议 (network protocol)，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。

网络协议的三个组成要素：                                                                                                                                              语法：数据与控制信息的结构或格式。             语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。   同步：事件实现顺序的详细说明。

协议栈：某一系统内的各层协议集。 实体：任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。                                                                                                对等实体：位于不同系统内同一层次的两个实体。 接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。 服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。 服务提供者和服务用户：N层向N+1层提供服务，N层实体称为服务提供者；N+1层实体为服务用户。 服务访问点（SAP)：接口上相邻两层实体交换信息之处。                                                                    协议作用在对等实体之间

说明： (1) 服务表示层与层间的关系，协议则代表两台机器对等实体间的关系。 (2) 对于第N层协议来说，它有如下特性： * 不知道上、下层的内部结构； * 独立完成某种功能； * 为上层提供服务； * 使用下层提供的服务。                                                                                                                                                     (3) 多层通信的实质：  * 对等层实体之间虚拟通信  * 下层向上层提供服务 * 实际通信在最底层完成

服务分类 分为：面向连接的服务和无连接服务

面向连接的服务：当使用服务传送数据时，首先建立连接，然后使用该连接传送数据。使用完后，关闭连接。                                                                                                                                                                           特点：顺序性好。

无连接服务：直接使用服务传送数据，每个包独立进行路由选择。 特点：顺序性差。

注意：连接并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。

分层的好处与缺点                                                                                                                                                            好处：                                                                                                                            各层之间是独立的。 灵活性好。 结构上可分割开。 易于实现和维护。 能促进标准化工作。                                                                                                                    缺点：                                                                                                                          降低效率。 有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销。

总结： 计算机网络从抽象的角度考虑，具有纵向分层体系结构。 体系结构定义功能（做什么），协议描述如何实现功能（怎么做），软件和硬件则具体实现某种功能。 协议是水平的，服务是纵向的。

计算机网络的体系结构 (architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合。 

1.2.3 互联网的标准化工作

1.3 互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块： 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。 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。这些主机又称为端系统 (end system)。

电脑，智能手机，大型计算机，网络摄像头。。。

端系统之间通信的含义

即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。简称为“计算机之间通信”。

端系统之间的两种通信方式

客户-服务器方式（C/S方式）

对等方式（P2P方式） 即 Peer-to-Peer 方式，简称为 P2P 方式。

1.3.2 互联网的核心部分

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。

分组转发是网络核心部分最重要的功能。

互联网的核心部分采用了分组交换技术。

典型交换技术包括： 电路交换 分组交换 报文交换等。

交换：在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路的过程，称为“交换”。

1 电路交换

计算机终端之间进行通信时，一方发起呼叫，独占一条物理线路。当交换机完成接续，对方收到发起端的信号，双方即可进行通信。在整个通信过程中双方一直占用该电路。

使用交换机：每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。 所采用的交换方式就是电路交换 (circuit switching)。

电路交换特点

电路交换必定是面向连接的。

计算机数据具有突发性。

电路交换分为三个阶段： （1）建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用； （2）通信：主叫和被叫双方就能互相通电话； （3）释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。

优点

实时性强，时延小（建立连接后） 交换设备成本较低

缺点

线路利用率低（独占物理线路） 传输效率低（计算机数据往往是突发式地传输（传输数据的时间 10％，甚至1％） 电路接续时间长

适用于信息量大、长报文，经常使用的固定用户之间的通信。

2 报文交换

原理：信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发

核心：存储转发

特点： (1) 线路利用率高； (2) 要求中间结点（网络通信设备）缓冲大； (3) 延迟时间长。

3. 分组交换

原理：信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。无连接方式。核心：存储转发

分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。 

分组交换的主要特点

分组交换则采用存储转发技术。

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。

每一个数据段前面添加上首部构成分组 (packet)。

分组交换网以“分组”作为数据传输单元。

依次把各分组发送到接收端，接收端收到分组后剥去首部还原成报文。最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

分组交换的传输单元

每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。

分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。

每个分组在互联网中独立地选择传输路径。

用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

路由器

路由器处理分组的过程是： 1.把收到的分组先放入缓存（暂时存储）； 2.查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发； 3.把分组送到适当的端口转发出去。

主机和路由器的作用不同

主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

分组交换的优点

缺点问题

分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。

分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。 

三种方式的传送数据比较

三种交换的比较

若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。

报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。

由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

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

较好的定义： 计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

根据这个定义： 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等。 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）。

上述的“可编程的硬件”表明这种硬件一定包含有中央处理机 (CPU)。

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

广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。 局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。 个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。

若中央处理机之间的距离非常近（如仅 1 米的数量级甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络。

2. 按照网络的使用者进行分类

公用网 (public network) 按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。 专用网 (private network) 为特殊业务工作的需要而建造的网络。 如军队、金融系统、铁路系统的内部网络

3.  用来把用户接入到互联网的网络

接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。 接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。 从覆盖的范围看，很多接入网还是属于局域网。 从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用。

4. 其它

按拓扑结构划分

网络的拓扑结构是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构。

按传输技术划分

◆广播式网络：总线型网、环形网等。 适用场合：小的、地理上处于本地的网络多采用广 播方式。 ◆点到点网络

按传输速率划分

◆低速网络传输速率为几十至10K bps ◆中速网络传输速率为几万至几十M bps ◆高速网络传输速率为100M至几个G bps

按传输媒体划分

◆ 有线计算机网 传输介质可以是双绞线、同轴电缆和光纤等。 ◆ 无线计算机网 传输介质有：无线电波、微波、红外线、激光等。

按交换方式划分

◆电路交换 如电话系统 ◆报文交换 如电报 ◆报文分组交换 如因特网、ATM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

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。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 ×1010 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。

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 bit/s，即 “比特每秒”。

在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

吞吐率

吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

时延

时延 (delay 或 latency) 是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延

网络中的时延由以下几个不同的部分组成：1.发送时延2.传播时延3.处理时延4.排队时延

1.发送时延

也称为传输时延。 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

2.传播时延

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

发送时延与传播时延有本质上的不同。

信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

电磁波的传播速度 自由空间中：3.0×105 km/s 铜线电缆中：2.3×105 km/s 光纤中：2.0×105 km/s

3.处理时延

主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。

4.排队时延

分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

数据在网络中经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。

链路的带宽只影响发送时延，而不影响传播时延。提高信道带宽仅能减小发送时延。 传播时延与线路长度有关，而与信道带宽无关。

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。 提高链路带宽减小了数据的发送时延。

判断： “在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”. 以上说法是错误的。

单位换算：1MB=220 B=220×8bit    1Mbps=1×106bps

例题：

时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

定义：时延带宽积＝传播时延×带宽

物理意义：在传播时延这个时间段中，链路中可容纳的比特数。

例：某段链路传播时延20ms，带宽10Mbps，则： 时延带宽积＝20×10s×10×10bit/s＝2×10bit 意味着：发送端连续发送数据，第一比特即将到达终点时，发 送端已发送了20万个比特，即有20万个比特正在链路上传输。

往返时间 RTT

往返时间 RTT (round-trip time) 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。

利用率

分为信道利用率和网络利用率。

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。 完全空闲的信道的利用率是零。

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。 信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

时延与网络利用率的关系

根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0 之间的关系：（其中：U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。）

1.6.2 计算机网络的非性能特征

主要包括：费用，质量，标准化，可靠性，可扩展性和可升级性，易于管理和维护

1.7 计算机网络的体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

“分层”可将庞大而复杂的问题，转化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。

开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。

非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的国际标准。

1.7.3 具有五层协议的体系结构

往往采取折中的办法，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。 

OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。

各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。                                           服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。

1.7.5 TCP/IP 的体系结构

物理层

2.1 物理层的基本概念和标准

传输媒体并不是物理层。 传输媒体在物理层的下面。

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。

用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。

机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

思考：传输媒体和物理层的主要区别是什么？ 传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。 但物理层由于规定了电器特性，因此能够识别所传送的比特流。

2.2 ★ 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

数据通信方式

1 按连接方式划分

(1) 点—点连接方式

 (2) 多点连接方式

 (3) 环形连接方式

2 按信息传送方向划分

(1) 单向通信（单工通信）                                                                   

只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。                                                                      例：无线电广播、有限电广播、电视广播。

(2) 双向交替通信（半双工通信）

信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。

(3) 双向同时通信（又称为全双工通信）

通信的双方可以同时发送和接收信息。 需要两条信道。

3 按交换方式划分

主要的交换方式分为： 电路交换 报文交换                   存储转发方式 分组交换（包交换）存储转发方式

常用术语

数据—— 运送消息的实体。 信号—— 数据的电气的或电磁的表现。 模拟信号—— 代表消息的参数的取值是连续的。 数字信号—— 代表消息的参数的取值是离散的。 码元—— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带传输和频带传输

1. 数字数据的数字传输（基带传输）

 基带：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。

基带传输：在传输时直接使用基带信号基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。

限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以要求信道有较宽的带宽。

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。

2. 数字数据的模拟传输（频带传输）

频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。

调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。

解调（Demodulation）：调制的反变换。

调制分为两大类：

基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。

(1) 常用编码方式

常用的几种编码方式：（对码波形编码）

1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）

规则：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”。例如，低电平表示“0”，高电平表示“1”。

缺点： (1)难以分辨一位的结束和另一位的开始； (2)发送方和接收方必须有时钟同步； (3)若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。

结论：不适宜作为传输码形，适宜与系统内部。

2）曼彻斯特码，也称相位编码

规则：每一位中间都有一个跳变，从高跳到低表示“1”，从低跳到高表示“0”，也可反过来定义。

优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。

3）差分曼彻斯特编码

规则：若本码周期前半个码元电平与上一个码周期后半个码元电平一样,则表示“1”；若两者电平相反，则表示“0”。 或则：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。

特点：每个码周期的1/2处，有电平跳变。便于时钟提取， 抗干扰能力强。

常用编码方式: 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。                                                                                    结论：                                                                                                                        1.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。 2.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。

带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

(2) 基本的带通调制方法

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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制 (modulation)。

最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

带通信号：经过载波调制后的信号。

2.2.3 信道的极限容量

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。

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。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。

噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。

但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即：

例如，当S/N=10时，信噪比为10dB， 而当S/N=1000时，信噪比为 30dB。

1984年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。

香农公式表明                                                                                                                        1.信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。     2.只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。     3.若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。     4.实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

注意：

常用参数指标

1. 数据传输率

比特率：每秒钟传送的二进制位数。单位为比特/秒 记为：bit/s或bps

2. 误码率

二进制码元在传输系统中被传错的概率。

误码率是衡量系统可靠性的指标。

设：传输的二进制码元总数为N，传错的码元数为Ne， 则误码率为： Pe=Ne/N

3. 带宽（传统意义上的）

带宽：信道所能传输信号的频率范围。 带宽由传输介质的电气特性及信道上传输设备与电路的频率特性综合决定。

4. 信道容量

信道容量：信道所能达到的最大传输能力。 单位：bit/s。

通信码

数据传输系统中，将字符按一定的规则用二进制序列的代码表示。当这些代码用于交换信息时，称为信息交换码，或通信码。 通信码的种类有：BCD码、ASCII码、EBCDIC码、国际2号五单位电传码、ISO/R646七单位码等。

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

双绞线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成。 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。

分类：                                                                                                                         非屏蔽双绞线（UTP）：                                                                                                     外皮为塑料，不具有屏蔽能力。                                                                                 3类、5类、超5类双绞线外没有任何附加屏蔽  屏蔽双绞线：                                                                                                                    带金属屏蔽层，具有屏蔽能力。                                                                                金属屏蔽网以减少干扰和串音

LAN上常用UTP，分:3类、5类、超5类。 RJ45接口

双绞线的特点 ▪ 结构简单，容易安装，普通UTP较便宜 ▪ 有一定的传输速率 ▪ 具有较高的容性阻抗，信号衰减较大，传输距离有限（100m） ▪ 有辐射，容易被窃听

对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是5类线（Category 5 或 CAT5）。

常用的绞合线的类别、带宽和典型应用

同轴电缆

同轴电缆由同心的内导体、绝缘层、屏蔽层、保护外套组成。

分类： 粗缆（直径为1.47厘米）和细缆（直径为0.70厘米） 基带电缆（50Ω ）和宽带电缆（ 75Ω ）

特点： ▪ 频带较宽，传输率较高。 ▪ 损耗较低，传输距离较远(200m,500m)。 ▪ 辐射低，保密性好，抗干扰能力强。 ▪ 宽带电缆可实现多路复用传输

同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用 75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

光缆

光纤是光纤通信的传输媒体。                                                                                     光纤由能传导光波的石英玻璃，外加保护层构成。

由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

原理：基于光在具有不同折射率的两种介质交界 面上的全反射现象，将光线约束在光纤内， 并引导光沿着轴线向前传播。

多模光纤与单模光纤

光纤优点                                                                                                                    1.通信容量非常大。 2.传输损耗小，中继距离长。 3.抗雷电和电磁干扰性能好。 4.无串音干扰，保密性好。 5.体积小，重量轻。                                                                                                     但光纤断裂的检测和修复都很困难。

2.3.2 非导引型传输媒体

将自由空间称为“非导引型传输媒体”。

无线传输所使用的频段很广。

短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。 微波在空间主要是直线传播。

传统微波通信有两种方式： 1.地面微波接力通信                                                                                                                           可传输电话、电报、图像、数据等信息。微波设备信道容量多为960路、1200路、18           00路和2700路。我国多为960路。 2.卫星通信                                                                                                                                         特点:(1)通信距离远，且通信费用与通信距离无关。                  (2)频带很宽，通信容量很大，信号所受的干扰小，通信比较稳定。                  (3)具有较大的传播时延。不管两个地球站的距离是多少，从一个                    地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250-300ms之间，一                    般可取为270ms。

2.4 信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。 它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

多路复用技术 由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。

常用多路复用技术： 频分多路复用 FDM（Frequency Division Multiplexing） 时分多路复用 TDM（Time Division Multiplexing）                             主要用于数字传输                                                                                        统计时分复用 STDM (Statistic TDM) 波分多路复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 码分复用CDM (Code Division Multiplexing)

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用

将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

频分复用常用于载波电话系统、电视等。

时分复用

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。

TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

时分复用可能会造成线路资源的浪费：                                                                      使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用

STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

1.静态时分复用中，每个数据终端的信号与传输时隙分配关系固定，无数据传输时，对应时隙空闲，因此效率较低。 2.动态时分复用又称异步时分复用，或称统计时分复用（STDM），是按需分配媒体资源，提高了传输媒体的利用率。 3.动态时分复用中需要使用缓冲存储和流量控制技术来保证数据正确传送。

2.4.2 波分复用

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

波分复用技术可以进一步提高光纤的传输容量，满足通信需求量的迅速增长和多媒体通信。

2.4.3 码分复用

常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。                                    这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

2.5 数字传输系统

数据和信号                                                                                                                                  数据分为：模拟数据和数字数据     模拟数据：在一定的数据区间内可连续取值的数据，即连续变化的数据。     数字数据：只能取离散数值的数据。     信号分为：模拟信号和数字信号     信号发送方式：模拟信号发送（模拟信道）和数字信号发送（数字信道）

模拟传输

调制技术： 调制：利用调制信号对载波信号进行调制，使载波信号的某些量随调制信号的规律变化的过程。 例如：普通调幅波

数字传输

数字传输的特点： (1) 抗干扰能力强。 (2) 传输质量与通信线路长度无关。 (3) 安全性能好。 (4) 造价低，功耗低。 (5) 占用较宽的信道频带。

2.6 宽带接入技术

用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP。

平时所说的宽带，一般是指宽带互联网。

宽带互联网分为:宽带骨干网和接入网两部分。

宽带接入网提供通常说的“最后一公里”的连接，即用户和骨干网络之间的连接。                       目前国际上主流且比较成熟的接入网技术包括：        xDSL技术        光纤接入技术        Cable技术        LAN技术        无线宽带接入网技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类： 有线宽带接入 无线宽带接入

2.6.1 ADSL 技术

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

ADSL最大的好处是： 可以利用现有电话网中的用户线，不需要重新布线。 用户可以根据自己的情况使用不同速率的宽带接入（按宽度付费）。 这种接入的缺点是：                                                                                                      对用户线的质量有较高的要求。如果用户住宅距离电话交换局较远，或线路的噪声较大，那么宽带接入的速率就会适当地降低。

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

HFC (Hybrid Fiber Coax) 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。

HFC网的优点是：                                                                                             覆盖面很广，并且其带宽也很高，可以传送很高速率的数据。 缺点是： 必须对现有单向传输的有线电缆进行改造，变为双向通信的电缆。 用户家中需要增加一个机顶盒，用来观看电视和传送上行信号（在点播节目时使用）。 此外，为了解决信号传输时有衰减的问题，在有线电缆中每隔一定距离就要加入一个放大器。 大量放大器的接入将使整个网络的可靠性下降。

2.6.3 FTTx 技术

FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。

FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如： 1.光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。 2.光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。 3.光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

FTTx（光纤到……）是解决宽带接入最理想的方案，因为光纤可传送的数据率很高，且通信质量最好。但大量用户使用光纤接入还需要较多的资金。

三种接入技术都可以解决高速上网的问题，现新建的高层建筑或居民小区，目前采用光纤接入是实现高速宽带上网最合适的方法。

数据链路层

注意：不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议

数据链路层使用的信道                                                                                                            

3.1 使用点对点信道的数据链路层

3.1.1 数据链路和帧

链路 (link) 是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。     一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路 (data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。 1.现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。 2.一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。 物理链路就是上面所说的链路。 逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。

数据链路层传送的是帧

数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。甚至还可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对方。

3.1.2 三个基本问题

数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是： 1.封装成帧 2.透明传输 3.差错控制

1. 封装成帧

封装成帧 (framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。首部和尾部还包含控制信息；

帧长=数据长度＋首部和尾部长度；                                                            链路层协议要规定帧的数据部分的长度上限—最大传送单元MTU

用控制字符进行帧定界的方法举例：                                                               当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊     的帧定界符。    控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开       始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。

2.透明传输

如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。

解决透明传输问题：                                                                                           解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。        1.发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插           入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。       2.接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字               符。       3.如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个             转义字符 ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中             前面的一个。

透明：指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。                        “在数据链路层透明传送数据”表示无论发送什么样的比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。

用“字节填充”法解决透明传输的问题

其它帧同步方法：

（1）字节计数法(字符计数法) 原理：用一特殊的字符表示一帧的开始，用一个字段标明本帧 内字节数。                                                                                                                     缺点：计数字段一旦出错，将无法再同步 面向字节计数的同步规程使用此方法，典型代表是DEC公司的 数字数据通信报文DDCMP，其格式为：

（2）比特填充的首尾标记方法 原理：以特定的比特模式（01111110）定界一帧的开始和结束。为防止数据中出现同样的比特而发生误判，使用比特填充，即数据中出现连续5个或5个以上的“1”，则在第5个“1”的后面添加一个“0”。

3.差错控制

(1) 传输差错的特性

差错是由噪声引起的。噪声分热噪声和冲击噪声。   热噪声：是信道固有的持续存在的随机噪声。由此引起的差错称为随机错。   冲击噪声：由于外界特定的短暂原因引起。其幅度可以相当大，不可能靠提高信号幅度来避免其造成的差错。   ◆ 冲击噪声造成的传输差错是主要的。

（2）差错控制的方法

差错控制编码分为:检错码和纠错码   检错码: 能够自动发现错误的编码。   纠错码: 不仅能检测出差错而且能自动纠正错误的编码 进行差错控制的方式分为：   ① 自动请求重传（ARQ—Automatic Request for Repeat)   ② 前向纠错(FEC—Forward Error Correction)

（3）编码效率R

码字中信息位所占的比例称为编码效率。 设码字中信息位有 k 位,冗余位为 r 位, 则码字长为 n = k+r 位。编码效率 R 为:

显然，R越大，即编码效率越高，则信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。

循环冗余检验 CRC

在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0，而 0 也可能变成 1。

在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。 误码率与信噪比有很大的关系。 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC （ Cyclic Redundancy Check ）的检错技术。

CRC码是检错码，又称多项式码。因为二进制代码可以和 一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应关系。 例如：代码：1011011 → 多项式：X6+X4+X3+X+1

CRC码校验过程  发送端: ① 生成冗余位 xrK(x)/P(x) → 余式R(x) P(x)去除xrK(x)得到余式R(x)，对应的代码为冗余位 ② 装配成传送码字,并送入信道 ； 信息位 + 冗余位 = 传送码字，即 T(x)=xrK(x)+R(x)                                                                                             接收端: 用同一生成多项式P(x)去除接收到的码字多项式T (x)。 若余式不为零,则传输有错; 若余式为零,则可认为传送无差错。 注意：所有运算均是模2运算，实际为异或(⊕)运算。

冗余码的计算：

什么是模2运算或异或(⊕)运算呢？ 模2运算进行加法时不进位，减法和加法一样，按加法规则计算。 异或(⊕)运算：同为0，异为1。 例如：0⊕0=0，1⊕0=1，0⊕1=1，1⊕1=0 1111 + 1010 = 0101

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验  (1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。 (2) 若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

冗余码的计算举例

思路:

详解：

帧检验序列 FCS

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。 1.CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。 2.FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

注意：

3.2 ★△ 点对点协议 PPP

3.2.1 PPP 协议的特点

对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。

1. PPP 协议应满足的需求

简单 —— 这是首要的要求。 封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。 透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。 多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。 多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。 差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。 检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。 最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。 网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。 数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

2. PPP 协议不需要的功能

纠错 流量控制 序号 多点线路 半双工或单工链路

3. PPP 协议的组成

PPP 协议有三个组成部分： 1.一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。 2.链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 3.网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

3.2.2 PPP 协议的帧格式

●PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。 ●标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。 ●地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。 ●控制字段 C 通常置为 0x03。 ●PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

透明传输问题

当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

●将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E)。 ●若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5D)。 ●若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充。

●PPP 协议用在 SONET（同步光纤网）/SDH（同步数字系列）链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。 ●在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。 ●接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。

不提供使用序号和确认的可靠传输

PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑： 1.在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。 2.在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。 3.帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

3.2.3 PPP 协议的工作状态

PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

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

局域网的定义： IEEE局部网络委员会对局域网有如下定义： “局部地区网络在下列方面与其它类型的数据网络不同，其通信常被限制在中等规模的地理区域内，例如一座办公楼、一个仓库或一所学校，能够依靠具有中等到较高数据率的物理信道，并且这种信道具有始终一致的低误码率”

总线网以传统以太网最为著名。现在以太网几乎成为了局域网的同义词。

局域网传输媒体： 传输介质：光纤、双绞线、同轴电缆、红外线等

共享信道带来的问题

1. 以太网的两个标准

数据链路层的两个子层

一般不考虑 LLC 子层

2. 适配器的作用

网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。

适配器的重要功能： 1.进行串行/并行转换。 2.对数据进行缓存。 3.在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 4.实现以太网协议。

计算机通过适配器和局域网进行通信

3.3.2 CSMA/CD 协议

总线型：

总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这种就是广播通信。

为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。仅当数据帧中的目的地址与适配器的硬件地址一致时，才能接收这个数据帧

总线也有缺点。若多台计算机或多个站点同时发送时，会发送碰撞或冲突，导致发送失败。

为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施：

(1) 采用较为灵活的无连接的工作方式 ●不必先建立连接就可以直接发送数据。 ●对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 ●这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

●以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 ●当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 ●如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

(2) 以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码

采用 CSMA/CD（如何避免同时发送产生的碰撞？）

CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。

碰撞检测

检测到碰撞后

工作原理总结

① 站点检测线路。若空闲，则发送数据；若忙，则等待。 ② 在发送期间如果检测到冲突，立即终止发送，并发出一个瞬间干扰信号，强化冲突，使所有的站点都知道发生了冲突； ③ 在发出干扰信号后，等待一段随机时间，再重复上述过程。

冲突检测方法：

①比较接收到的信号电压的大小 ②检测曼彻斯特编码的过零点 ③比较接收到的信号与刚发出的信号

CSMA/CD 协议工作流程

争用期

发生冲突怎么办？（截断二进制指数类型退避算法）

●发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。 ●实际网络中，为保证系统的稳定性，采用截断二进制指数类型的退避算法来决定重传帧所需的时延。

10 Mbit/s 以太网争用期的长度

最短有效帧长

人为干扰信号

CSMA/CD 协议的重要特性

3.3.3 使用集线器的星形拓扑

采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。

传统以太网使用同轴电缆，采用总线形拓扑结构

使用集线器的双绞线以太网

星形以太网 10BASE-T

●使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑。 ●每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 ●双绞线的两端使用 RJ-45 插头。 ●集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性提高。 ●10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100m。

10BASE-T 以太网在局域网中的统治地位

集线器的一些特点

●使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 ●集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。

3.3.4 以太网的信道利用率

3.3.5 以太网的 MAC 层

1. MAC 层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 注意，如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”。

IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段可采用 6 字节 ( 48位) 或 2 字节 ( 16 位) 这两种中的一种。

地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。

生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM，因此，MAC 地址也叫做硬件地址 (hardware address) 或物理地址。

适配器检查 MAC 地址

2. MAC 帧的格式

常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准： 1.DIX Ethernet V2 标准 2.IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

以太网 V2 的 MAC 帧格式

有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。

3.4 扩展的以太网

3.4.1 在物理层扩展以太网

使用光纤扩展

1.主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。 2.很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。

使用集线器扩展

将多个以太网段连成更大的、多级星形结构的以太网。

优点 1.使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 2.扩大了以太网覆盖的地理范围。 缺点 1.碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 2.如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

碰撞域

碰撞域（collision domain）又称为冲突域，是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。 碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。

3.4.2 在数据链路层扩展以太网

扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。 早期使用网桥，现在使用以太网交换机。

网桥与以太网交换机

1. 以太网交换机的特点

以太网交换机的每个接口是一个碰撞域

以太网交换机优点

●从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。 ●以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。

以太网交换机的交换方式

2. 以太网交换机的自学习功能

以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。

例子：

交换机使用了生成树协议，从而消除了兜圈子现象（回路问题）。

3. 从总线以太网到星形以太网

局域网存在的问题

局域网存在的以下几个方面的问题： 1.扩展性 2.安全性 3.可管理性等

3.4.3 虚拟局域网VLAN

虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

虚拟局域网（VLAN）技术具有以下主要优点： 1.改善了性能 2.简化了管理 3.降低了成本 4.改善了安全性

交换机和Hub的区别

3.5 高速以太网

3.5.1 100BASE-T 以太网

100BASE-T 以太网的特点

3.5.2 吉比特以太网

3.5.3 10 吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

3.5.4 使用以太网进行宽带接入

PPPoE

网络层

4.1 网络层提供的两种服务

一种观点：让网络负责可靠交付

虚电路是逻辑连接:虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都沿着这条逻辑连接按照存储转发方式传送，而并不是真正建立了一条物理连接。

在虚电路中建立的这条路径并不是专用的。

另一种观点：网络提供数据报服务

网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报服务。

4.2 ★ 网际协议 IP

认识TCP/IP协议

TCP/IP称为传输控制协议/网际协议。 TCP/IP是一个协议族。

网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。 与 IP 协议配套使用的还有三个协议： 1.地址解析协议 ARP (Address Resolution Protocol) 2.网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol) 3.网际组管理协议 IGMP (Internet Group Management Protocol)

网际层的 IP 协议及配套协议

IP层（或网际层）的特点和地位

TCP/IP的可靠性思想

4.2.1 虚拟互连网络

使用一些中间设备进行互连

4.2.2 分类的 IP 地址

1. IP 地址及其表示方法

IP 地址就是给每个连接在互联网上的主机（或路由器）的每一个接口分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。

IP 地址的编址方法

分类 IP 地址

各类 IP 地址的网络号字段和主机号字段

IP地址的表示：点分十进制记法

2. 常用的三种类别的 IP 地址

IP 地址的指派范围

注：A类减2：除去全为0(00000000)和全为1(01111111=127)的；B类减1：因为网络地址128.0.0.0是不指派的，可指派的B类最小网络地址是128.1.0.0；C类减1：同理B

一般不使用的特殊的 IP 地址

IP协议规定：当任何程序用回送地址作为目的地址时，计算机上的协议软件不会把该数据报向网络上发送，而是把数据直接返回给本主机。 回送地址的用途：实现对本机网络协议的测试或实现本地进程间的通信。

多播地址又叫组播地址

组播地址解释

组播地址主要用于：电视会议、视频点播等应用。 实际上，一个组播IP地址唯一地标志一个逻辑组。每个要求参与组播接收的主机使用 IGMP 协议，主动登记到希望加入的组中去。

与广播地址相似之处是：都只能作为IP报文的目的地址，表示该报文的一组接收者，而不能把它分配给某台具体的主机。

组播地址和广播地址区别：广播地址是按主机的物理位置来划分各组的(属于同一个子网)，而组播地址指定一个逻辑组，参与该组的机器可能遍布整个Internet网。

路由器转发分组的步骤

先按所要找的 IP 地址中的网络号 net_id把目的网络找到。

当分组到达目的网络后，再利用主机号host-id 将数据报直接交付给目的主机。

IP 地址的一些重要特点

(1) IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：              第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。              第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。

(2) 实际上 IP 地址是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。       1.当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机 (multihomed host)。       2.由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。

(3) 用转发器或网桥（在链路层工作）连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。

(4) 所有分配到网络号 net-id 的网络，无论是范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是平等的。

互联网中的 IP 地址

两个路由器直接相连的接口处，可指明也可不指明IP地址。如指明IP地址，则这一段连线就构成了一种只包含一段线路的特殊“网络” 。现在常不指明IP地址。（如图N1,N2,N3网络）

4.2.3 IP 地址与硬件地址

IP 地址与硬件地址是不同的地址。

从层次的角度看， 1.硬件地址（或物理地址）是数据链路层和物理层使用的地址。 2.IP 地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址（称 IP 地址是逻辑地址是因为 IP 地址是用软件实现的）。

IP地址放在IP数据报的首部，而硬件地址则放在MAC帧的首部。在网络层及以上使用的是IP地址，而数据链路层及以下使用的是硬件地址。因而在数据链路层看不见数据报的IP地址。

源地址和目的地址之间经过的路由器的 IP 地址并不出现在 IP 数据报的首部中。路由器只根据目的站的 IP 地址的网络号进行路由选择。

在通信过程中数据报的源地址IP和目的地址IP不会改变，但mac地址每经过不同的路由器则会改变一次，mac地址为当前所需经过的目的路由器的mac地址和本机的mac地址，看如下图：

主机 H1 与 H2 通信中使用的IP地址与硬件地址 HA

4.2.4 地址解析协议 ARP

通信时使用了两个地址： 1.IP 地址（网络层地址） 2.MAC 地址（数据链路层地址）

ARP 作用： 从网络层使用的 IP 地址，解析出在数据链路层使用的硬件地址。

地址解析协议 ARP 要点

不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。 

每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存 (ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。

ARP 高速缓存的作用

存放最近获得的 IP 地址到 MAC 地址的绑定，以减少 ARP 广播的数量。

为了减少网络上的通信量，主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。

当主机 B 收到 A 的 ARP 请求分组时，就将主机 A 的这一地址映射写入主机 B 自己的 ARP 高速缓存中。这对主机 B 以后向 A 发送数据报时就更方便了。

应当注意的问题

从 IP 地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。

只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地将该 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址。 

使用 ARP 的四种典型情况

在网络链路上传送的帧最终是按照硬件地址找到目的主机的。

4.2.5 IP 数据报的格式

IP协议的内容包括： 基本传输单元的格式，也就是IP报文的类型与定义 IP报文的地址以及分配方法 IP报文的路由转发 IP报文的分片与重组

IP数据报格式及解释

一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成。 首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。 在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

1. IP 数据报首部的固定部分中的各字段

2. IP 数据报首部的可变部分

IP数据报的封装、分片与重组

IP报文要交给数据链路层，封装成帧之后才能发送。实际的物理网络所支持的最大帧长各不相同。例如： 以太网帧数据：1500字节(最大传送单位MTU);光纤分布数据接口（FDDI）帧数据：4352字节

IP协议在发送IP报文时，一般选择一个合适的初始长度。 如果这个报文要经历的中间物理网络的MTU值比IP报文长度要小，则IP协议把这个报文的数据部分分割成若干个较小的数据片，组成较小的报文，然后放到物理帧中去发送。

每个小的报文称为一个分片。 分片的动作一般在路由器上进行。 如果路由器从某个网络接口收到了一个IP报文，要向另外一个网络转发，而该网络的MTU比IP报文长度要小，那么就要把该IP报文分成多个小IP分片后再分别发送。例如，下图所示。

例1：

例2： IP 数据报分片

重组：

重组(Reasembly)是分片的逆过程，把若干个IP分片重新组合后还原成原来的IP报文。 在目的端收到一个IP报文时，可以根据其片偏移和MF标志位来判断它是否是一个分片。 如果MF位是0，并且分片偏移为0，则表明这是一个完整的IP数据报。 否则，如果分片偏移不为0，或者MF标志位为1，则表明它是一个分片。这时目的地端需要实行分片重组。

IP协议根据IP报文头中的“标识”字段的值来确定哪些分片属于同一个原始报文，根据片偏移来确定分片在原始报文中的位置。 如果一个IP数据报的所有分片都正确地到达目的地，则把它重新组织成一个完整的报文后交给上层协议去处理。

4.2.6 IP 层转发分组的流程

查找路由表

特定主机路由

默认路由 

默认路由举例

必须强调指出

路由器分组转发算法

关于路由表

4.3 ★△ 划分子网和构造超网

4.3.1 划分子网

1. 从两级 IP 地址到三级 IP 地址 

三级 IP 地址

划分子网的基本思路

划分子网只是把 IP 地址的主机号 host-id 这部分进行再划分，而不改变 IP 地址原来的网络号 net-id。

转发分组的步骤

2. 子网掩码

从一个 IP 数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。 使用子网掩码 (subnet mask) 可以找出 IP 地址中的子网部分。

IP 地址的各字段和子网掩码

默认子网掩码

子网掩码是一个重要属性

子网划分方法

例子：

子网掩码及其表示

子网数和主机数的计算公式

RFC 950规定：不允许使用全“0”和全“1”的子网， 即子网号不能全“0”和全“1”。 同样，主机号也如此。

根据此规定，有： 1位子网掩码不允许（因对应位上只有0和1） B类15位子网掩码和C类7位子网掩码也是非法的（因只给主机留了1位）。

4.3.2 使用子网时分组的转发

但在划分子网的情况下，从 IP 地址却不能唯一地得出网络地址来，这是因为网络地址取决于那个网络所采用的子网掩码，但数据报的首部并没有提供子网掩码的信息。 因此分组转发的算法也必须做相应的改动。

在划分子网情况下路由器转发分组的算法

4.3.3 无分类编址 CIDR（构造超网）

1. 网络前缀

IP 编址问题的演进

1987 年，RFC 1009 就指明了在一个划分子网的网络中可同时使用几个不同的子网掩码。。 使用变长子网掩码 VLSM (Variable Length Subnet Mask)可进一步提高 IP 地址资源的利用率。 在 VLSM 的基础上又进一步研究出无分类编址方法，它的正式名字是无分类域间路由选择 CIDR (Classless Inter-Domain Routing)。

变长子网掩码( VLSM )：是指对同一个主网络在不同的位置使用不同长度的子网掩码。 采用VLSM可以允许对同一主网络使用不同的子网掩码，或者说VLSM可以改变同一主网络的子网掩码长度。

CIDR 最主要的特点

无分类的两级编址

CIDR 地址块

路由聚合

CIDR 记法的其他形式

构成超网

CIDR 地址块划分举例

2. 最长前缀匹配

最长前缀匹配举例

3. 使用二叉线索查找路由表

为了进行更加有效的查找，通常是将无分类编址的路由表存放在一种层次的数据结构中，然后自上而下地按层次进行查找。这里最常用的就是二叉线索 (binary trie)。

4.4 网际控制报文协议 ICMP

为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)。 ICMP 是互联网的标准协议。 ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。 但 ICMP 不是高层协议（看起来好像是高层协议，因为 ICMP 报文是装在 IP 数据报中，作为其中的数据部分），而是 IP 层的协议。 ICMP 报文作为 IP 数据报的数据，加上数据报的首部，组成 IP 数据报发送出去。

ICMP 报文的格式 

4.4.1 ICMP 报文的种类

ICMP 差错报告报文共有 4 种

终点不可达 时间超过 参数问题 改变路由（重定向）(Redirect)

ICMP 询问报文有两种

几种常用的ICMP报文类型

4.4.2 ICMP 的应用举例

4.5 ★△ 互联网的路由选择协议

4.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念

2. 分层次的路由选择协议

自治系统 AS

互联网有两大类路由选择协议

4.5.2 内部网关协议 RIP

1. 工作原理

路由信息协议RIP

2. 距离向量算法

举例：

3. RIP2 协议的报文格式

RIP2 报文

4.5.3 内部网关协议 OSPF

开放最短路径优先 OSPF (Open Shortest Path First)是为克服 RIP 的缺点在 1989 年开发出来的。 OSPF 的原理很简单，但实现起来却较复杂。

1. OSPF 协议的基本特点

2. OSPF 的五种分组类型

RIP与OSPF比较

4.5.4 外部网关协议 BGP

边界网关协议 BGP 只能是力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由（不能兜圈子），而并非要寻找一条最佳路由。

4.5.5 路由器的构成

1. 路由器的结构

2. 交换结构

4.6 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT

4.6.1 虚拟专用网 VPN

虚拟专用网VPN (Virtual Private Network)。

4.6.2 网络地址转换 NAT

网络地址转换 NAT (Network Address Translation)

运输层

5.1 运输层协议概述

5.1.1 进程之间的通信

运输层的作用

运输层的作用是在源主机和目的主机之间提供端到端（进程-进程）的，性能可靠的数据传输。 从通信和信息处理的角度看，运输层向它上面的应用层提供通信服务。

5.1.2 运输层的两个主要协议

TCP/IP 的运输层有两个主要协议： 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol) 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol)

5.1.3 运输层的端口

5.2 ★ 用户数据报协议 UDP 

5.2.1 UDP 概述

5.2.2 UDP 的首部格式

5.3 传输控制协议 TCP 概述

5.3.1 TCP 最主要的特点

TCP 是面向连接的运输层协议，在无连接的、不可靠的 IP 网络服务基础之上提供可靠交付的服务。为此，在 IP 的数据报服务基础之上，增加了保证可靠性的一系列措施。

5.3.2 TCP 的连接

5.4 ★ 可靠传输的工作原理

5.4.1 停止等待协议

1. 无差错情况

2. 出现差错

3. 确认丢失和确认迟到

自动重传请求 ARQ (Automatic Repeat reQuest)

4. 信道利用率

停等协议的缺点：造成信道资源浪费(有效利用率低)

5.4.2 连续 ARQ 协议

5.5 ★ TCP 报文段的首部格式

5.6 ★ TCP 可靠传输的实现

5.6.1 以字节为单位的滑动窗口

5.6.2 超时重传时间的选择 

5.6.3 选择确认 SACK

5.7 △ TCP 的流量控制

5.7.1 利用滑动窗口实现流量控制

例如

5.7.2 TCP 的传输效率

5.8 △ TCP 的拥塞控制

5.8.1 拥塞控制的一般原理

5.8.2 TCP 的拥塞控制方法

慢开始和拥塞避免算法的实现举例

5.8.3 主动队列管理 AQM

5.9 TCP 的运输连接管理

5.9.1 TCP 的连接建立

5.9.2 TCP 的连接释放

应用层

6.1 ★ 域名系统 DNS

域名系统DNS(Domain Name System)是互联网使用的命名系统，用来把便于人们使用的机器名字转换为IP地址。 域名系统其实就是名字系统。

6.1.1 域名系统概述

6.1.2 互联网的域名结构

顶级域名 TLD (Top Level Domain)

新增加了下列的通用顶级域名

6.1.3 域名服务器

6.2 文件传送协议

6.2.1 FTP 概述

文件传送协议 FTP (File Transfer Protocol)

6.2.2 FTP 的基本工作原理

6.3 ★ 万维网 WWW

6.3.1 万维网概述

6.3.2 统一资源定位符 URL

6.3.3 超文本传送协议 HTTP

使用高速缓存可减少访问互联网服务器的时延

6.3.4 超文本标记语言 HTML

6.4 ★ 电子邮件

6.4.1 电子邮件概述

6.4.2 简单邮件传送协议 SMTP

6.4.3 电子邮件的信息格式

6.4.4 邮件读取协议 POP3 和 IMAP

6.4.5 基于万维网的电子邮件

6.4.6 通用互联网邮件扩充 MIME

6.5 动态主机配置协议 DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)

6.6 简单网络管理协议 SNMP(Simple Network Management Protocol)

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离散数学

to be

职业：本科

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