计算机网络技术基础

第一章计算机网络基础知识

计算机网络的分类

（1）局域网：局域网的地理分布范围在几千米以内。因此局域网内的数据传输速率都比较高，一般在10 ～ 100Mbit/s，现在高速的局域网传播速率可达到1000Mbit/s。

（2）广域网：广域网也称为远程网，是远距离的、大范围的计算机网络。覆盖范围一般是几百千米到几千千米的广阔物理区域，但是广域网的数据传输速率比较低，一般在64kbit/s ～ 2Mbit/s。

（3）城域网：一般为几千米到几十千米，通常在一个城市内。

（4）国际互联网：Internet 并不是一种具体的网络技术，而是将同类和不同类的物理网络通过某种协议互连起来的一种高层技术。

计算机网络的拓扑结构

常见的计算机网络拓扑结构有星形、环形、总线形、树形和网状形。

（1）星形拓扑网络：在星形拓扑网络结构中，各节点通过点到点的链路与中央节点连接。

（2）环形拓扑网络：在环形拓扑网络中，节点通过点与点的通信线路连接成闭合环路，环中数据将沿一个方向逐站传输。

（3）总线形拓扑网络：在总线形拓扑网络中，所有节点共享一条数据通道，一个节点发出的信息可以被网络上的每个节点接收。

（4）树形拓扑网络：在树形拓扑网络结构中，网络中各节点形成了一个层次化的结构，树中的各个节点通常都为主机。

（5）网状形拓扑网络：在网状形拓扑网络中，节点之间的连接是任意的，没有规律，必须采用路由选择算法和流量控制算法(广域网基本都是采用网状形拓扑结构)。

第二章数据通信技术

几种通信方式

单工、半单工与全双工通信

（1）单工通信：通信双方只能由一方将数据传输给另一方，数据信号只能沿着一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接受方只能接收不能发送，任何时候都不能改变信号的传送方向。

（2）半双工通信：通信双方都可以发送和接受信息，但不能同时发送(当然也不能同时接收)，只能交替进行。

（3）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，一条用来接收信息，另一条用来发送信息其通信效率很高，但结构复杂、成本高。

串行通信和并行通信

（1）串行通信：在数据通信中，将待传送的每个字符的二进制代码按由低到高的顺序，依次发送，这种工作方式称为串行通信。

（2）并行通信：指数据以成组的方式在多个并行信道上同时传输，常用的方式是将构成1个字符代码的几位二进制比特分别通过几条并行的信道同时传输。

同步技术

（1）异步通信方式：在异步方式中，每传送1个字符都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验位后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始和结束，从而起到通信双方的同步作用。

（2）同步通信方式：在同步方式中，传输的信息格式是由一组字符或一个二进制位组成的数据块(帧)。对于这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN(以01101000表示)或一个同步字节(01111110)，用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。

几种传输介质

双绞线

概念：是由相互绝缘的两根铜线按一定扭矩相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根铜线加绝缘层并有颜色标记。成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。线的直径越大，传输距离越短，传输速率也就越高。

双绞线分为：屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)两类。两者的差异在于屏蔽双绞线在双绞线和外皮之间增加了一个铅箔绝缘层，目的是提高双绞线的抗干扰性能，但其价格是非屏蔽双绞线的两倍以上。

注意:

1.非屏蔽双绞线6类线增加了绝缘的十字骨架，电缆的直径更粗，将双绞线的4对线分别置于十字骨架的4个凹槽内，保持4对双绞线的相对位置从而提高了电缆的平衡特性和抗干扰性，而且传输衰减也更小。

2.双绞线组网是必须使用RJ-45水晶头，另外还需要一个非常重要的设备——集线器(工作在物理层)。

同轴电缆

同轴电缆也是一种常用的传输介质。组成同轴电缆的内外两个导体是同轴的，是早期局域网中普遍采用的一种传输介质。

同轴电缆可以分为两类：细缆和粗缆。

利用同轴电缆组网时需要在两端连接50Ω的反射电阻，这就是通常所说的终端适配器。

细缆连接设备及技术参数

采用细轴电缆组网时，除了需要电缆还需要BNC头、T型头、带BNC端口的以太网卡、终端匹配器。

技术参数：

最大网段长度：185cm
网络的最大长度：925cm
每个网段支持的最大节点数：30
BNC、T型连接器之间的最小距离：0.5m。

粗缆连接设备及技术参数

粗缆连接设备包括转换器(粗缆上的接线盒)、DIX电缆、N系列插口等，使用粗缆组网时，网卡必须有DIX接口。

技术参数：

最大网段长度：500m
网络的最大长度：2500m
每个网段支持的最大节点数：100
收发器之间的最小距离：2.5m。
收发器电缆的最大长度：50m。

光纤

物理特性：由纤芯、包层和保护层组成。每根光纤只能单向传送信号，因此要实现双向通信，光缆中至少应包括两条独立的导芯，一条发送，另一条接收。一根光缆可以包含两根至数百根光纤，并用加强芯和填充物来提高机械强度。

在光缆的两端都要有一个装置来完成电/光信号和光/电信号的转换，接收端将光信号转换成电信号时，要使用光电二极管(PIN)检波器或APD检波器。

根据使用的光源和传输模式的不同，光纤分为单模光纤和多模光纤两种。单模光纤性能很好，传输速率较高，适合长距离传输，但其制作工艺比多模更难，成本更高；多模光纤成本较低，但性能比单模光纤差一些。

特点

有较大的带宽，通信容量大。
传输速率高，能超过吉比特每秒。
传输衰减小，连接的距离更远。
不受外界电磁波干扰，适宜在电气干扰严重的环境中使用。
无串音干扰，不易被窃听和截取数据，因而安全保密性好。

目前光缆通常用于高速的主干网络，若要组建快速网络，光纤则是更好的选择。

数据交换技术

电路交换

概念：电路交换方式于电话交换方式的工作过程很类似。两台PC在通过通信子网交换之前，首先要在通信子网中通过交换设备间的线路连接，建立一条实际的专用物理网络。

最重要的特点是在一对主机之间建立起一条专用的数据通路，通信过程包括线路建立、数据传输和线路释放3个过程。

存储转发

概念：指网络节点(交换设备)先将途径的数据按传输单元接收并存储下来，然后选择一条适当的链路转发出去。根据转发的数据单元的不同，存储转发又分为报文交换和分组交换。

报文交换:指网络的每个节点(交换设备)先将整个报文完整地接收并存储下来，然后选择合适的链路转发到下一个节点。每个节点都对报文进行存储转发，最终到达目的地(适合于非实时的通信业务)。

且由于报文交换是以整个报文作为存储转发单位的，因此，当报文传输出现错误需要重传时，必须重传整个报文。

分组交换：又称包交换，与报文交换的差别在于参与交换的数据单元长度不同。在分组交换中，交换的数据是大小相同的许多数据分组称为“包”来传输的。一个“包”的最大长度通常被限制在1000~2000bit，其中包含一些控制信息，例如目的地址。分组交换又根据网络中传输控制协议和传输路径的不同，分为数据报分组交换和虚电路分组交换两种方式。

数据报分组交换：每个报文分组又称为数据报，每个数据报在传输的过程中都要选择路径，各个数据报可以按照不同的路径到达目的地。在发送方，每个数据报的分组顺序与每个数据报到达目的地的顺序是不同的。在接收方，再按分组的顺序将这些数据报组合成一个完整的报文。

虚电路分组交换：试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，发挥两种方式的优点。其在发送分组之前，首先必须在发送方和接受方建立一条通路，这不是一条专用的物理线路，而是一条路径，其在经过每个节点时仍然需要存储，并且等待队列输出。整个通信过程分为3个阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路拆除。各个分组是按照发送方的分组顺序依次到达目的地的。

分组交换的优缺点

缺点: 与报文交换相比，分组交换把整个要传输的数据分成了若干分组，而每一个分组又包含有大量的传输控制信息，因此分组交换的通信方式会明显降低数据通信的效率。
优点：1.通信线路是公用的，每个分组都不会占用太长的通信线路时间，有利于合理分配通信线路，兼顾网络上各个主机的通信要求。2.数据传输难免会出错，若某些分组出现传输错误，只需要重传该分组即可，而不需要重传整个数据，有利于迅速进行数据纠错。3.能够有效地改善报文传输时的延时现象，网络信道利用率较高。

多路复用技术

频分多路复用

以信号频带作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的频率范围的方法来实现多路复用，适合于模拟信号的传输

任何一个信号都只占据一个宽度有限的频率，而信道可以被利用的频率比一个信号的频率宽的多，频分多路复用恰恰就是采用了这个优点，利用频率分割的方式来实现多路复用。其每一路数字信号的频率分别被调制到不同的频带，但都在模拟线路的带宽范围内，并且相邻的信道间用“警戒频带”隔离，以防相互干扰。

时分多路复用

以信道传输的时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用，适合于数字信号的传输

将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户占用一个时间片，在其占有的时间片内，用户使用的通信信道的全部带宽来传输数据。

波分多路复用

以光的波长作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的波长范围的方法来实现多路复用，适合于光信号的传输

是频分多路复用的一个变种，两根光纤连到一个棱柱或衍射光栅，每根光纤里的光波处于不同的波段上，两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上，到达目的地后，再将两束光分解开来。只要每个信道有各自的频率范围并且互不重叠，信号就能以波分多路复用的方式通过共享光纤进行远距离传输。

波分多路复用与频分多路复用的区别在于：波分多路复用是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率的光波信号的分解和合成，并且光栅是无源的，因而可靠性高。

数字数据的模拟信号编码

(1) 振幅键控法：ASK方式就是通过改变载波的振幅V来表示数字“1”和“0”。

(2) 移频键控法：FSK方式就是通过改变载波的角频率w表示数字“1”和“0”。

(3) 移相键控法：PSK方式就是通过改变载波的相位ϕ表示数字“1”和“0”。

脉冲编码调制

1.采样：采样频率以采样定理奈奎斯特-香农采样定理(Nyquist-Shannon Sampling Theorem)为依据，即当以高过两倍有效信号频率对模拟信号进行采样时，所得到的采样值就包含了原始信号所有信息。

2.量化：将采样样本幅度按量化级决定取值的过程，量化后为离散值而不是连续值。

3.编码：是用相应位数的二进制码来表示已经量化的采样样本的级别(如量化级为64，则需要6为编码),编码后每个样本就由相应的编码脉冲表示。

差错的控制

什么是差错：我们通常将发送的数据与通过通信信道后接收到的数据不一致的现象称为传输差错，简称差错。

为什么会产生差错：传输中的差错都是由噪声引起的。噪声有两大类：一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特有的短暂原因造成的冲击噪声。

差错控制的方法:

奇偶校验：使整个编码1的个数成为奇数或偶数。如果使编码中1的个数称为奇数则称为奇校验；反之则为偶校验。只能用于通信要求较低的环境。
方块校验：在奇偶校验的方法基础上，再增加一位校验位，该校验字符的编码方法是使每一位纵向代码中1的个数也成为奇数(或偶数)。

循环冗余校验：(循环冗余码CRC)是局域网中检测检测差错最重要的方式。CRC的工作方法是在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按照发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，需重发。(要求会算)

第三章计算机网络体系结构与协议

网络协议的概念

语法：规定了通信双方“如何讲”，即确定用户数据与控制信息的结构与格式。
语义：规定了通信的双方准备“讲什么”，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。
时序：又可称为“同步”，规定了双方“何时进行通信”，即事件实现顺序的详细说明。

OSI参考模型各层的功能

物理层：透明地传送二进制比特流。作为发送方，物理层通过传输介质发送数据；作为接收方，物理层通过传输介质接收数据，还有定义网络硬件的特性。（但物理层利用的传输介质如双绞线、同轴电缆、光纤等并不在物理层内而在物理层之下）
数据链路层：在两个相邻节点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据，使数据链路层对网络层显现为一条无差错线路，提供了差错控制和流量控制的方法。（代表的协议有SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继）
网络层：解决如何进行路由选择，以确定数据分组(数据包)如何从发送端到达接收端，拥塞控制为网络层功能之一。（代表协议有IP、IPX、RIP、OSPF等）
传输层：又叫运输层从会话层接收数据，形成报文，并且在必要时将其分成若干个分组，然后交给网络层进行传输，功能是为上层提供可靠的端到端的服务。在运输层中，TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议)是两个最重要的协议。（代表协议有TCP、UDP、SPX等）
会话层：允许不同机器上的用户建立会话关系，主要是针对远程访问，主要任务包括会话管理、传输同步以及数据交换管理等，一般都是面向连接的。（代表协议有NetBIOS、ZIP(AppleTalk区域信息协议)等）
表示层：关心的是所传输的信息的语法和语义。主要功能为用于处理多个通信系统之间交换信息的表示方式，主要包括数据格式的转换、数据加密与解密、数据压缩与恢复等。（代表协议有ASCII、ASN.1、JPEG、MPEG等）
应用层：为网络用户或应用程序提供各种服务，如文件传输、电子邮件、网络管理和远程登录等。（代表协议有Telnet、FTP、HTTP、SNMP等）

TCP/IP参考模型

主机—网络层(网络接口层)：包含了以太网协议、令牌环网协议、分组交换协议等。
互连层：提供无连接的服务，将源主机的数据分组发送到目标主机。定义了网际协议(IP)正式的数据分组格式和协议，还有一些控制协议Internet控制报文协议(ICMP)、地址解析协议(ARP)、反向地址解析协议(RARP)等。其功能包括：处理来自传输层的分组发送请求、处理接收到的数据报和进行流量控制和拥塞控制。
传输层：主要功能使发送方主机和接收方主机的对等实体可以会话。定义了两个端到端的协议传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。
应用层：向用户提供一组常用的应用程序。包含了TCP/IP簇中所有高层协议，如文件传输协议(FTP)、电子邮件协议(SMTP)、超文本传输协议(HTTP)、简单网络管理协议(SNMP)和域名系统协议(DNS)等。
应用层协议可分为三类：面向连接的TCP，如文件传输协议、电子邮件协议等；依赖于无连接的UDP，如简单网络管理协议；即依赖于TCP，有依赖于UDP，如域名系统协议。

TCP/IP参考模型和OSI参考模型的对应关系

第四章局域网

局域网参考模型

数据链路层又分为逻辑链路控制(LLC)和介质访问控制(MAC)两个功能子层。

IEEE 802.3——CSMA/CD介质访问控制标准和物理层技术规范

CSMA/CD属于随机争用型介质访问控制方法，这种方法的特点可以简单地概括为4点：

先听后发
边听边发
冲突停止
随机延迟后重发

令牌环网的工作原理

令牌是一种特殊的MAC控制帧，通常是一个8位的包，其中有一位标志令牌的忙/闲状态。

1.首先空闲的令牌沿环流动，如果一个源节点要发送数据给目标节点会把该令牌截获并将数据帧附在令牌上。

2.随后携带数据帧的令牌会沿环流动每个节点都会校验数据帧，中间不是目标节点的节点接收到令牌后也没有对令牌进行改动的权限会将令牌传递给网络中的下一个节点。

3.当达到目标节点时，目标节点会辨认出此数据帧，接收，把数据拷贝至自己的缓冲区，并将一个收据信号附在令牌上，随后令牌继续环行。

4.当源节点接收到收据信号后，把数据从环上清除并解除令牌的忙状态，于是空闲令牌又重新发送到下一个节点，过程重新开始。

当一个空闲令牌丢失时，会产生一个新的空闲令牌补上。空闲令牌的丢失将降低环路的利用率，令牌重复也会破坏网络的正常运行，故必须选一个节点作为监控站。且当该监控站失效时，竞争协议将保证很快选出另外一个节点作为监控站。但其潜在的问题是任何一个节点连接出现问题都会使网络失效，因此可靠性差；另外，节点入环、退环都要暂停环网工作，灵活性差。

什么是ATM？

ATM是一种极具革命性的高速网络技术，这种技术提供了新颖的网络传输解决方案，并且是一种综合多项的服务的技术。

ATM网络与传统网络有什么区别？

ATM是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换技术，充分吸收了分组交换高效率和线路交换高速的优点，克服了分组交换和线路交换方式的局限性，成为了宽带业务数据网的传递方式。

ATM的工作原理

信元：

ATM把不同长度的信息分割成一个个长度固定的小的数据碎片—信元来加速传送，分割数据和传送数据的步骤都是靠硬件来完成的，非常快速。每个信元长53字节，其中5字节为信元头，其余48字节为用户数据信息部分。信元头字段包含信元的控制信息(如虚拟路径标识符、路由选择交换信息等)。

采用虚电路的方式来进行数据传递。当ATM网中的一个工作站(发送方主机)要传送数据到另一个工作站(接收方主机)时，发送方主机首先根据对网络带宽的需求，发送连接建立请求。ATM交换机接收到该请求后，根据当前网络状况选择从发送方主机到接收方主机的路径，并构造出相应的路由表。这样就在两个主机之间建立了虚拟连接，但这种连接只是一种逻辑连接，因为ATM网只需要为这条虚拟电路分配必要的网络带宽，而不需要建立真正的物理链路。仅当有足够的可用带宽时，ATM交换才允许连接。信元到达ATM交换机时，再根据信元头部分的虚拟路径标识符(VPI)从路由表中选择一个表项，该表项将决定应将该信元送到哪个输出端口。同时，新的VPI值可能放入该信元，然后信元传至下一交换机。

注意：在ATM中，用户可直接通过交换机按需建立虚电路。

第五章网络互联技术

各设备功能及在那一层

中继器：产生原因为数据信号在长距离传输过程中存在损耗，其常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作，其功能为复制、整形、放大信号以此来延长网络的长度。

中继器工作在在物理层

集线器(Hub)：一种特殊的中继器，是一种多端口中继器，用于连接双绞线介质或光纤介质以太网系统，是组成10Base-T、100Base-T或10Base-F、100Base-F以太网的核心设备。有有源Hub、无源Hub和智能Hub之分，无源Hub只能将多段传输媒体连在一起，而不对信号本身做任何处理，对每一段传输媒体，只允许扩展到最大有效距离的一半(通常为100m)。有源Hub跟无源Hub类似，多了信号放大、延伸网段的能力，起着中继器的作用。智能Hub除了有有源Hub的全部功能外，还将网络的很多功能集成到Hub中，如网络管理功能、网络路径选择功能等。

集线器工作在物理层

网桥：在数据链路层对数据帧进行存储转发，将两个以上独立物理网络连接在一起，构成一个单个的逻辑局域网络。连接的局域网可以基于同一个标准，也可以基于不同类型的标准。

功能：当网桥收到一个数据帧后，首先先将其传送到数据链路层进行分析和差错校验，根据该数据帧的MAC地址段来决定是删除这个帧还是转发这个帧。若发送方和接收方处于同一个物理网络(网桥的同一侧)，网桥则将该数据帧删除，不进行转发。如果发送方和接收方处于不同的物理网络，网桥则选择路径，通过物理层传输机制和指定的路径将该帧转发到目的局域网。在转发数据帧之前，网桥对帧的格式和内容不做或只做少量的修改。

主要特点

可实现不同结构、不同类型局域网络的互连，并在不同的局域网之间提供转换功能；而中继器只能实现同类局域网的互连。
不受定时特性的限制，可互连范围较大的网络；而中继器受MAC定时特性的限制，一般只能连接5个网段的以太网，并且不能超过一定距离。
通过对网桥的分设置，可以起到隔离错误信息的作用，保证网络的安全；而中继器只能作为数字信号的整形放大器，并不具备检错、纠错的功能。
利用网桥可增加网上工作站的数目，因为网桥只占一个工作站地址，却可以将另一个网络上的许多工作站连接在一起；用中继器互连的以太网，随着用户数的增加，总线冲突增大，网络性能必然会大大降低

网桥的分类