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1、计算机网络基础,讲解人: 元 晨Tel:010-62102288Fax:010-62101230手机：13801211345,主要内容,计算机网络发展概况通信网络的基本概念计算机网络功能、组成、分类与结构计算机网络的作用及局域网基础局域网技术与常用局域网广域网技术智能小区的局域网,一.计算机网络发展概况,60年代，出现了以批处理为运行特征的主机和远程终端之间的通信70年代，出现了分时操作系统，主机和主机之间，主机和远程终端之间通过前置机通信。专用网络体系开始出现，如IBM的SNA，DEC的DNA等，同时，美国国防高级计划研究局开发的ARPA网投入使用,80年代，针对各大公司发展的网络自成体系各
2、自为战的情况，ISO提出了OSI参考模型，以IEEE802.3和IEEE802.5 局域网为代表的网络体系逐渐成熟90年代，局域网继续发展，成为计算机网络的基本单元，互联网（Internet）日益火爆，将网络带入一个全新的世界二十一世纪，将是一个信息的社会，ATM、快速以太网技术将是主流，Internet/Intranet技术将有更好的发展,二、通信网络的基本概念,通信网络的基本概念通信(Communication)是人类社会传递信息、交流思想、传播知识、促进科技发展和人类文明的一种非常有效的手段，是人类自产生以来不可缺少的交流方式，在信息社会中通信起着举足轻重的作用。,2.1.1 通信系统的
3、组成与数据编码 在计算机系统中，经常提到数据及信息的概念。 所谓数据(Data)，是指用来表示客观事物的文字、数字和符号，能被人类识别和处理，它可以存在于计算机中、人脑中或其他存放介质中。,所谓信息（Information），是反映客观事物的存在形式和运动状态的数据，是经过数据处理得到的数据。,1 通信系统组成通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它用于将信息从一方传递给另一方，一般由信息源（又称信源）、发送设备、传输介质、接收设备和信息接受者（又称信宿）组成。,（1） 发送设备 发送设备的基本功能是将信息源和传输介质匹配起来，即将信息源产生的消息经过编码，并变换成易传输的形式，送往传输
4、介质。,对于数字通信来说，发送设备的编码常分为信源编码和信道编码两部分。信源编码是把连续信息（消息）变换成数字信号；而信道编码则是使数字信号与传输介质相匹配，提高传输的可靠性和有效性。信号变换方式的种类很多，调制是最常见的变换方式之一。,发送设备为实现某些特殊要求还需要进行包括多路复用、保密处理、纠错编码等处理。,（2）传输介质传输介质是指发送设备与接收设备之间信号传递所经过的媒介。它包括两大类，即无线介质和有线介质。电磁波、红外线、微波、激光等为无线传输介质；同轴电缆、双绞线和光纤等为有线传输介质。,信号在介质中传输时，必然会引起某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。介质的固有特性和干扰特性
5、直接关系到变换方式的选取。,（3）接收设备接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等处理。它的任务是从带有噪声的信号中正确分离出原信号，实现原始信息的恢复。,2.数据编码（1） 码元在计算机内部，信息均是以离散的二进制0、1序列方式表示。码元是所传输数据的基本单位，在计算机网络中多为二元码，每一位就是一个码元。,（2） 数据编码数据编码是指通信系统中以某种物理信号形式来表达数据存在的形式。数据编码一般分为数字数据编码和模拟数据编码。,用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据0、1状态的编码，称为数字数据编码。例如，单极性码、双极性码、归零码、非归零码、差分码等都是基本的数字数
6、据编码形式，其波形如图4-2所示。,分别用模拟信号的不同幅度、不同频率、不同相位来表达数据0、1状态的编码，称为模拟数据编码，即模拟数据编码采用模拟信号的幅度、频率和相位来表示数据的0、1状态。例如，幅度键控ASK（Amplitude-Shift keying）、频移键控FSK(Frequency-Shift Keying)和相移键控PSK(Phase-Shift Keying)，其波形如图4-3所示。,（3）曼彻斯特编码（Manchester Encoding）曼彻斯特编码是一种重要的常用基带信号编码。由于它包含时钟信息，因而可以使网络上的每一个系统保持同步。,该编码将时间划分为等间隔的小段
7、，每一小段代表一个比特。每一小段本身又分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。每个时间段的中间点总是发生一次信号电平变化，因此携带有信号传送的同步信息。曼彻斯特编码波形如图4-4所示。,212 信号传输方式信号传输方式主要有以下几种：,（1） 基带传输在基本不改变数据信号频率的情况下，采用数字数据编码直接传输数据信号的传输方式，称为基带传输。它不包含任何调制，是最基本的数据传输方式。,基带网的特点在于信号按位流形式传输，不需要调制解调器。传输距离一般不超过25Km。传输速率一般为1Mb/s10Mb/s，工作方式为单工或半双工方式。目前大部分局域
8、网和控制网都采用基带网传输方式。,（2） 载波传输载波传输采用数字信号对载波信号进行调制后传输。最基本的调制方式是幅度键控、频移键控和相移键控。,（3） 宽带网由于基带网不适用于诸如视频信号的传输要求，人们提出了宽带传输技术。宽带传输速率范围一般在0400Mb/s ，并且宽带网可以划分为多条基带网。,（4）异步传输模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)ATM 是一种新的传输与交换数字信息技术，是实现高速网的主要技术，它可以支持多媒体通信，按需分配频带，具有吞吐量大、速度快和时延低等特点，其传输速率一般为155 Mb/s2.4 Gb/s。,213 通信方式网络系统的通
9、信方式分以下三种：（1） 单工通信单工通信是指信息只能沿一个方向传输，不能实现反向传输，如图4-4（a）所示。,（2） 半双工通信简单地说，半双工通信是指信息在某一时刻只能沿一个方向传输，另一时刻可以沿反方向传输，如图4-5（b）所示。,（3） 全双工通信简单地说，全双工通信是指系统可以同时进行双向通信，如图4-5（c）所示。,4.1.4 介质访问控制方式在网络通信中，为解决在同一时间内几个设备同时争用传输介质问题，需要某种介质访问控制方式，协调各设备访问介质的顺序，实现设备之间的有效数据交换。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD；在控制访问方式中则常用令牌总线、令牌环（又称之
10、为标记总线、标记环）。,1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）在随机访问方式中，对任何工作站都没有预约发送时间，工作站的发送是随机的，它必须在网络上争用传输介质。,若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息则引起这些信息在传输线路上相互混淆而遭到破坏，称之为“冲突”。为避免因争用总线引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，称之为“载波监听”。,载波监听CSMA的控制方案是先听再讲，即在发送之前，先要监听总线状态，判断传输线上是否有其他站的信号在发送。若总线空闲，则可以发送数据；否则，等待一定间隔后重新监听。监听总线状态后，可以采用以下种CSMA坚持退避算法
11、；,（1）不坚持CSMA。如果介质空闲，则发送数据；否则等待一段随机时间，重复第一步。,（2）1-坚持CSMA。如果介质空闲，则发送数据；否则继续监听，直到介质空闲，立即发送。如果冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。,（3）P-坚持CSMA。如果介质空闲，则以P的概率发送数据，或以1-P的概率延迟一个单位时间后重复处理。该时间单位等于最大的传输延迟。如果介质仍忙，继续监听直到介质空闲，重复第一步。,由于传输介质上不可避免的传输延迟，有可能多个站同时监听到介质空闲，并同时开始发送，从而导致冲突。故每个工作站发送信息后，还需要继续监听线路，判断是否还有其他站正在与本站同时向传输线上发送信息，
12、一旦发现，便终止当前发送，此过程称之为“冲突检测”。,载波监听多路访问/冲突检测协议（CSMA/CD）已经广泛应用于局域网中，每个站点在发送帧期间，同时有检测冲突的能力。一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，通知总线上各站冲突已发生，避免线路堵塞和无效传输。,对于基带总线而言，所需的冲突检测时间等于任意两个站点之间最大传输延迟的两倍。对于宽带总线而言，所需的冲突检测时间等于任意两个站点之间最大传输延迟的四倍。,由于可能有严重的冲突发生，系统延迟时间不确定，因此，实时系统的应用受到了很大限制。,2令 牌访问控制方式在控制访问方式中，由于信息发送受到控制，从而解决了总线冲突问题
13、。令牌方式是一种按一定顺序在各站点间传递令牌(Token)来控制信息发报权的方法，谁得到令牌，谁才有发报权。令牌访问原理可以用于环型网络，构成令牌环网；也可以用于总线网，构成令牌总线网络。,（1） 令牌环(Token-Ring)方式令牌环是环型结构局域网采用的一种访问控制方式。在环型结构网络上，令牌在网络环路上不断传送，某一瞬间只允许一个获得令牌的站点有权发送报文，其他站点仅允许接收报文。该站点发送完毕后，立即将令牌交给下一个站点，如果该站点没有报文要发送，便将令牌传给下一个站点。因此，表示发送权的令牌在环型网上不断循环。,由于环型网上每一个站点都可以获得令牌，并且同一时间只能有一个站点获得令
14、牌，因此可以保证不会发生访问冲突。令牌环网示意图如图4-6所示。,当某一站点要发送数据时，它将目的地址和要发送的数据组成帧，一旦它得到令牌，就从出口发送此帧。下一站点接收此帧后查看帧的目的地址是否与本地址一致，若不一致，则将原帧转发给下一站点；若一致，则根据校验和进行查错，如传输的帧正确无误，收下该帧数据，并修改帧的状态位，表示该帧已正确接收。同时将修改后的帧重新发送到下一站点。当原站点从返回帧的状态中得知发送帧被正确接收后，便从环上取消该帧，再将令牌交给下一站点，完成一次站间通信。,令牌环方式对轻、重负载不敏感，且能估算出传输的延迟时间，比较适合于实时系统使用。但单环路可靠性差，因此，多采用
15、双环结构，例如FDDI网等。,（2） 令牌传递总线(Token Passing Bus)方式令牌传递总线方式物理上采用总线拓扑结构，但网上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环，即逻辑上采用环型拓扑结构。每个工作站在环上均有一个特定的逻辑位置，末站的下一站为首站，各站的物理位置与逻辑位置无关。,令牌传递总线方式具有类似令牌环帧的、被称为令牌的控制帧，通过控制帧调整访问的权力。收到令牌的站点在一段规定时间内被授予对介质的控制权，因而该站可以发送一帧或多帧信息。当该站点传输已经完成或时间已到时，它就将令牌传递到逻辑环的下一工作站。,在传递令牌帧时，从逻辑上看，令牌是按地址的递减顺序传送给下一个站点。从物
16、理上看，带有目的地址的令牌帧广播到总线上所有的站点，当目的站识别出符合它的地址时，即把该标志接收。,当各站都没有帧发送时，令牌的形式为011111111，称空标记。当一个站要发送帧时，需等到空标记通过，然后改变为忙标记，即01111110。紧跟着忙标记，该站将数据帧发送到环上。由于标记是忙状态，其他站不能发送帧，必须等待空标记，因此不会产生冲突。,需要注意的是，令牌传递总线必须具有以下功能：（1） 具有初始化的功能。即在网络启动时，确定一个顺序访问的次序；或当网络中的令牌丢失或产生多个标记时，必须具有故障恢复功能，重新初始化网络。,（2） 令牌传递算法。即按逻辑地址的递减次序，完成令牌的传递。,（3） 站插入算法。即提供增加新站功能，可以采用带有响应窗口的争用处理算法。,（4） 退出环路。一个工作站需能将自身从环路中退出，并将其先行站和后续站连接起来。,
