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　　第二章　網絡技術基礎

　　本單元概覽

　　一、計算機網絡的形成與發(fā)展。

　　二、計算機網絡的基本概念。

　　三、分組交換的基本概念。

　　四、網絡體系結構與網絡協議的基本概念。

　　五、互聯網應用的發(fā)展。

　　六、無線網絡的應用與研究。

　　一、計算機網絡的形成與發(fā)展

　　1.計算機網絡的發(fā)展階段

　　第一階段：獨立發(fā)展的計算機技術與通信技術結合。奠定了計算機網絡的理論基礎。

　　第二階段：ARPANET與分組交換技術的發(fā)展，奠定了互聯網的基礎。

　　第三階段：各種廣域網、局域網和公用分組交換網絡的發(fā)展，網絡體系結構與網絡協議的標準化。國際標準化組織(ISO)制定了開放系統(tǒng)參考模型(OSI)。

　　第四階段：Internet、高速通信網絡、無線網絡與網絡安全技術的應用。

　　2.計算機網絡的形成

　　(1)由一臺中央主機通過通信線路連接大量的地理上分散的終端，構成面向終端的通信網絡，終端分時訪問中心計算機的資源，中心計算機將處理結果返回終端。

　　(2)20世紀60年代中期，出現了多臺計算機通過通信系統(tǒng)互連的系統(tǒng)，開創(chuàng)了“計算機——計算機”通信時代，這樣分布在不同地點且具有獨立功能的計算機就可以通過通信線路，彼此之間交換數據、傳遞信息。

　　(3)ARPANET的發(fā)展以及OSI的制定，使各種不同的網絡互聯、互相通信變?yōu)楝F實，實現了更大范圍內的計算機資源共享。

　　Internet是覆蓋全球的信息基礎設施之一，用戶可以利用Internet實現全球范圍的信息傳輸、信息查詢、電子郵件、語音與圖像通信服務等功能。

　　3.網絡體系結構與協議標準化

　　在計算機網絡發(fā)展的第三階段，出現了很多不同的網絡，導致網絡之間的通信困難。迫切需要統(tǒng)一的網絡體系結構和統(tǒng)一的網絡協議。

　　ISO制定了OSI參考模型，作為國際認可的標準模型。

　　TCP/IP協議以及體系結構早于OSI參考模型，因此TCP/IP協議與體系結構也是業(yè)內公認的標準。

　　4.互聯網的應用與高速網絡技術的發(fā)展

　　(1)互聯網高速發(fā)展

　　互聯網不僅是一種資源共享、數據通信和信息查詢的手段，逐漸成為人們了解世界、討論問題、休閑、學術研究、商貿、教育甚至軍事活動等重要領域。

　　(2)信息高速公路

　　高速網絡技術主要體現在：異步傳輸模式(ATM)，寬帶綜合業(yè)務數字網(B-ISDN)，高速局域網，交換局域網，虛擬網絡與無線網絡。

　　(3)基于WEB技術的互聯應用的發(fā)展

　　Web技術的出現使網站的數量和網絡的通信量呈指數增長。

　　(4)基于P2P技術的應用技術發(fā)展

　　區(qū)別于客戶機/服務器結構，對等(P2P)網絡淡化了服務提供者和服務使用者的界限，擴大了網絡資源的范圍和深度。

　　(5)網絡安全技術的發(fā)展

　　計算機網絡犯罪，使得網絡必須具備足夠的安全機制，防止信息被非法竊取、破壞與泄露。

　　5.寬帶城域網的發(fā)展

　　寬帶城域網與傳統(tǒng)的通信網絡在概念和技術上發(fā)生了很大的變化，主要體現在以下幾個方面：

　　傳統(tǒng)局域網、城域網與廣域網在技術上的界限模糊

　　傳統(tǒng)的電信傳輸技術與計算機網絡技術的界限越來越模糊

　　傳統(tǒng)的電信服務與互聯網應用的界限越來越模糊

　　電信傳輸網、計算機網絡與廣播電視網絡技術的界限越來越模糊

　　寬帶城域網的核心技術是：核心交換網和接入網。

　　二、計算機網絡的基本概念

　　1.計算機網絡的定義

　　所謂計算機網絡，就是把分布在不同地理區(qū)域的計算機與專門的外部設備用通信線路互連成一個規(guī)模大、功能強的網絡系統(tǒng),從而使眾多的計算機可以方便地互相傳遞信息，共享硬件、軟件、數據信息等資源。

　　計算機網絡是現代通信技術與計算機技術相結合的產物。

　　其基本特征體現在三個方面：

　　(1)資源共享

　　(2)不同地理位置的“自治計算機”

　　(3)計算機之間必須遵守共同的網絡協議

　　2.計算機網絡的分類

　　計算機網絡分類的標準很多，如按拓撲結構、應用協議、傳輸介質、數據交換方式等等。如按網絡的覆蓋范圍分為局域網、廣域網、城域網;按拓撲結構分類有總線網、樹型網、星型網、環(huán)型網、網狀網;按傳播方式分為點對點傳輸和廣播式傳輸等。

　　(1)按覆蓋范圍分類：

　　局域網：一般用微型計算機通過高速通信線路相連，數據傳輸速率較快，通常在10Mbit/s以上，誤碼率較低。但其覆蓋范圍有限，是一個小的地理區(qū)域(例如：辦公室、大樓和方圓幾公里遠的地域)內的專用網絡。局域網從介質訪問控制方法來看可分為共享式介質和交換式局域網。

　　城域網：介于局域網和廣域網之間的高速計算機網絡。滿足幾千米范圍內多個局域網互連需求

　　廣域網：是遠距離、大范圍的計算機網絡，覆蓋范圍一般是幾十公里～幾千公里的廣闊地理區(qū)域，其主要作用是實現遠距離計算機之間的數據傳輸和信息共享，并且通信線路大多租用公用通信網絡(如公用電話網PSTN)。廣域網從邏輯功能上分為資源子網(由主計算機系統(tǒng)、終端控制器、連網外設、各種軟件資源與信息資源)和通信子網(通信控制處理器、通信線路、其他通信設備)。其中通信子網主要采用分組交換技術。

　　(2)按拓撲結構分類

　　網絡拓撲結構：主要指通信子網的拓撲構型。通過網中節(jié)點與通信線路之間的幾何關系表示網絡結構。

　　廣播式網絡是指一個公共信道被多個網絡結點共享，對應的網絡拓撲結構有樹型、環(huán)型、總線型、無線通信與衛(wèi)星通信。

　　點對點線路是指每個物理線路鏈接兩個結點。對應的拓撲結構有樹型、環(huán)型、星型與網狀型。

　　3.計算機網絡數據傳輸速率與誤碼率

　　(1)數據傳輸速率

　　每秒鐘傳輸二進制的比特數。單位bit/s或bps。記作：s=1/T(bps)，T為傳送1bit所需要的時間。

　　單位變換如下：1Kbps=1000bps，1Mbps=1000Kbps，1Gbps=1000Mbps，1Tbps=1000Gbps

　　奈奎斯定理特給出沒有噪聲時帶寬B(B=f,單位Hz)與最大傳輸速率之間的關系：

　　Rmax=2*fRmax：最大數據傳輸速率。B通信信道帶寬(頻率)單位HZ。

　　香農定理給出了有隨機熱噪聲時帶寬與數據傳輸速率之間的關系：

　　Rmax=B*log2(1+S/N)S/N信噪比(信號與噪聲功率比)單位是分貝。

　　(2)誤碼率

　　二進制碼元在數據傳輸過程中被傳錯的概率，其近似值為：

　　Pe=Ne/N(N為傳輸二進制碼元的總數，Ne為被傳錯的碼元數。)

　　誤碼率應注意以下問題：

　　誤碼率是衡量數據傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數。

　　對于實際的傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據實際情況衡量。

　　實際的傳輸系統(tǒng)，如果不是傳輸二進制碼元，需要折合成二進制碼元計算。

　　誤碼率具有隨機性，實際測量時只有測試的二進制碼元越大，才會接近真正的誤碼率。

　　三、分組交換技術的基本概念

　　1.電路交換的基本概念

　　通信子網的交換方式中分為兩類：電路交換和存儲轉發(fā)交換。其中存儲轉發(fā)交換分為報報文交換和報文分組交換。其中分組交換技術分為：數據報方式與虛電路方式

　　電路交換分為三個階段：

　　(1)線路建立：兩臺主機要傳輸數據，首先通過子網建立兩臺主機之間的線路連接。

　　(2)數據傳輸：線路連接后，可以實現實時、雙向的交換數據。

　　(3)線路釋放：數據傳輸結束后，原點想目的主機發(fā)送釋放請求，目的同意后逐步釋放連接。

　　線路交換的優(yōu)點：實時性強，適應于交互式會話通信。

　　線路交換的缺點：對突發(fā)性通信不適應，系統(tǒng)效率低，不具備存儲數據能力，不具備差錯控制能力。

　　2.存儲轉發(fā)交換的特點

　　與線路交換的特點區(qū)別： 來源：m.1glr.cn

　　(1)發(fā)送的數據與目的地址、源地址、控制信息按照一定格式組成一個數據單元(報文或報文分組)進入通信子網。

　　(2)通信子網的結點是通信控制處理機，它負責完成數據單元的接受、差錯檢驗、存儲、路徑選擇和轉發(fā)功能。存儲轉發(fā)交換分為報文交換和報文分組交換。被傳送的數據單元分為兩種：報文和報文分組。

　　報文：數據長度不限，增加目的地址、源地址與控制信息組成一個邏輯單元。

　　分組：限制報文長度，源結點需要將報文分成多個分組，發(fā)送結束后，由目的結點按順序重新組織成報文。

　　存儲轉發(fā)優(yōu)點：共享信道，線路利用率高;路由選擇功能，提高系統(tǒng)效率;每個路由可進行差錯檢查和糾錯處理，提高系統(tǒng)可靠性;路由器實現不同通信速率的轉換，也可對不同數據代碼格式進行轉換。

　　3.實際應用中，分組交換技術分為：數據報方式與虛電路方式

　　(1)數據報方式

　　分組傳輸前不需要預先在源與目的之間建立連接，源主機發(fā)送的每一個分組都可以獨立選擇一條傳輸路徑，每個分組可以在通信子網中通過不同的路徑傳輸到達目的地。

　　具體步驟：

　　源主機將報文分成若干個分組，發(fā)送給直接相連的處理機，收到的處理機存儲分組;

　　每個收到分組的處理機都進行差錯檢驗，然后收到分組的處理機向發(fā)送處理機返還確認信息。

　　如果分組發(fā)送正確，源處理機丟棄副本然后進行路徑選擇發(fā)送給下一個處理機。

　　如果分組發(fā)送錯誤，則要求重發(fā);

　　直到到達目的地。

　　數據報的特點：各分組可按不同路徑發(fā)送;到達目的地的分組可能有亂序、丟失等現象;每個分組要包含目的和源地址;傳輸延遲較大。

　　(2)虛電路方式

　　虛電路方式將數據報與電路交換結合起來，分組發(fā)送前需要在發(fā)送方和接收方建立邏輯連接。所以虛電路的工作過程分為三個階段：虛電路建立、數據傳輸、虛電路拆除。

　　虛電路的特點：

　　每次分組傳輸前，需要在源和目的之間建立邏輯連接;

　　所有分組按統(tǒng)一建立的虛電路傳輸，不會出現亂序和丟失現象;

　　分組通過的每一個結點時，結點只要差錯檢查，不需要路徑選擇;

　　通信子網中的每一個結點可以與任何結點建立多條虛電路。

　　虛電路與線路交換的區(qū)別：虛電路在傳輸分組時建立虛連接，這種電路不是專用的;而電路交換的連接是物理連接，是獨占的。

　　四、網絡體系結構與網絡協議的基本概念

　　1.網絡體系結構的基本概念

　　網絡協議：為網絡數據交換而制定的規(guī)則，約定與標準。

　　主要有三要素：

　　語法：規(guī)定用戶數據與控制信息的結構和格式;

　　語義：規(guī)定需要發(fā)出何種控制信息以及完成的動作與作出的響應;

　　時序：對事件實現順序的詳細說明。

　　計算機網絡體系結構：計算機網絡層次結構模型和各層協議的集合。

　　體系結構是抽象的，而實現是具體的，是能夠運行的一些硬件和軟件。體系結構采用層次結構。

　　采用層次結構的好處：

　　a)各層之間相互獨立

　　b)靈活性好

　　c)各層都可以采用最合適的技術實現，各層實現技術部影響其它層

　　d)易于實現和維護

　　e)有利于促進標準化

　　2.ISO/OSI參考模型

　　(1)OSI參考模型的概念

　　OSI中采用三級抽象：體系結構、服務定義和協議規(guī)格說明。

　　體系結構：定義了層次結構、層次之間的相互關系以及各層所包括的可能的服務，是對網絡內部結構最精煉的概括與描述。

　　服務定義：詳細說明了各層所提供的服務。通過接口提供給更高一層。同時還定義了層與層之間接口和各層所使用的原語，但不涉及接口的實現。

　　協議規(guī)格說明：精確定義了應當發(fā)送什么控制信息，以及應當用什么樣的過程解釋這個控制信息。協議的規(guī)程說明具有最嚴格的約束。

　　OSI參考模型僅僅是抽象描述，或者說是一個制定標準時所使用的框架。

　　(2)OSI參考模型的結構以及各層的主要功能

　　OSI分7層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。

　　物理層：利用物理傳輸介質為數據鏈路層提供物理連接，以便透明傳輸比特流。

　　數據鏈路層：在物理提供比特流傳輸服務的基礎上，在通信的實體之間建立數據鏈路連接，傳送以幀為單位的數據，并具有差錯控制和流量控制功能。

　　網絡層：通過路由選擇算法，為分組的通過選擇最適當路徑。需要實現路徑選擇、擁塞控制與網絡互聯功能。

　　傳輸層：向用戶提供可靠的端到端服務，透明傳輸報文，它向高層屏蔽了下層功能，是體系結構中最關鍵的一層。

　　會話層：組織兩個會話進程之間的通信，并管理數據交換。

　　表示層：處理兩個通信系統(tǒng)中交換信息的表示方式。包括格式轉換、數據加密解密、數據壓縮與數據恢復等功能。

　　應用層：確定進程之間通信的性質，以滿足用戶的需要。

　　3.TCP/IP參考模型與協議

　　TCP/IP的協議特點：

　　開放的協議標準，獨立于特定的計算機硬件和操作系統(tǒng)

　　獨立于特定的網絡硬件，可以在局域網、廣域網和互聯網中

　　統(tǒng)一的地址分配方案，使得每臺網絡中計算機具有唯一的地址

　　標準化的高層協議，可提供多種可靠的用戶服務。

　　TCP/IP參考模型與層次

　　主機-網絡層、互聯層(IP)、傳輸層(TCP/UDP)和應用層。

　　與OSI模型對應：

　　TCP/IP的主機-網絡層實現了OSI模型中物理層和鏈路層的功能。

　　TCP/IP的互聯層實現了OSI模型中網絡層的功能。

　　TCP/IP的傳輸層實現了OSI模型中網傳輸層的功能。

　　TCP/IP的應用層實現了OSI模型中網應用層的功能。

　　TCP/IP的主機—網絡層負責通過網絡發(fā)送和接收IP數據報。

　　TCP/IP的互聯層功能主要體現在3個方面：(1)處理來自傳輸層的分組發(fā)送請求(2)處理接收的數據報(3)處理互聯的路徑、流控與擁塞問題

　　TCP/IP的傳輸層實現應用進程間的端到端通信，具有兩個協議：TCP和UDP協議。

　　TCP:是一種可靠面向連接的協議，允許將一臺主機的字節(jié)流無差錯地傳送到目的主機。

　　UDP：不可靠的無連接協議。不要求分組順序到達目的地。

　　TCP/IP的應用層的主要協議有：遠程登錄協議(Telnet)，文件傳輸協議(FTP)，簡單郵件傳輸協議(SMTP),域名服務(DNS),路由信息協議(RIP)，網絡文件協議(NFS),超文本傳輸協議(HTTP)等。

　　五、互聯網應用的發(fā)展

　　1.基于WEB應用的發(fā)展

　　WEB技術的出現使互聯網從最初的主要由計算機專家和大學生使用，變?yōu)橐环N被廣泛使用的信息交流工具;同時使得網站的數量和網路的通信量呈指數增長，已經廣泛應用于電子政務、電子商務、遠程教育與信息服務等領域，并有繼續(xù)擴大的趨勢。

　　2.搜索引擎技術的發(fā)展

　　搜索引擎是運行在WEB上的應用系統(tǒng)軟件，是對網絡上大量資源建立索引并提供檢索服務的應用軟件。

　　3.播技術的應用

　　播客(Podcast)是基于互聯網的數字廣播技術之一。

　　根據節(jié)日類型的不同分為：傳統(tǒng)節(jié)目的播客、專業(yè)播客提供商與個人播客。

　　4.博客技術的應用

　　博客(blog)指以文章的形式在互聯網上實現信息共享。在技術上屬于網絡共享空間，在形式上屬于個人互聯網出版類的應用。

　　5.網絡電視的應用

　　網絡電視(IPTV)通過寬帶IP網絡傳輸，可以實現與用戶的互動點播，同時能夠方便地將傳統(tǒng)電視與WWW、E-MAIL等互聯網結合起來。

　　6.P2P技術的應用

　　P2P網絡中的每一臺計算機既可以作為網絡服務的使用者，又可以作為網絡服務的提供者。

　　六、無線網絡的研究與應用

　　1.寬帶無線接入技術與IEEE802.16標準

　　IEEE802.16無線城域網標準，可提供2～155Mbps的帶寬，寬帶無線接入分為移動接入和固定接入。

　　2.無線局域網與IEEE802.11標準

　　IEEE802.11標準以微波、激光與紅外線等作為傳輸介質，實現移動計算機網絡中的移動結點的物理層與數據鏈路層的功能。

　　3.藍牙技術與IEEE802.15標準

　　藍牙技術是無線自組網的應用，IEEE802.15是以藍牙規(guī)范為基礎，制定的短距離、低功耗的無線通信標準。

　　4、無線自組網，又稱移動Adhoc網絡，它是在分組無線網基礎上發(fā)展的。

　　5、無線傳感器網絡，將Adhoc技術與傳感器技術相結合。由部署在監(jiān)測區(qū)內大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通訊方式形成多跳的Adhoc網絡，目的是協作的感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息并發(fā)送給觀察者。傳感器網絡三要素為：傳感器、感知對象、觀察者。

　　6、無線網格網。推動其發(fā)展的直接動力是互聯網接入的應用需求。如果將Adhoc技術作為WLAN與WiMAX等無線接入技術的補充，應用到互聯網無線接入網中。

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