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　　第二章　网络技术基础

　　本单元概览

　　一、计算机网络的形成与发展。

　　二、计算机网络的基本概念。

　　三、分组交换的基本概念。

　　四、网络体系结构与网络协议的基本概念。

　　五、互联网应用的发展。

　　六、无线网络的应用与研究。

　　一、计算机网络的形成与发展

　　1.计算机网络的发展阶段

　　第一阶段：独立发展的计算机技术与通信技术结合。奠定了计算机网络的理论基础。

　　第二阶段：ARPANET与分组交换技术的发展，奠定了互联网的基础。

　　第三阶段：各种广域网、局域网和公用分组交换网络的发展，网络体系结构与网络协议的标准化。国际标准化组织(ISO)制定了开放系统参考模型(OSI)。

　　第四阶段：Internet、高速通信网络、无线网络与网络安全技术的应用。

　　2.计算机网络的形成

　　(1)由一台中央主机通过通信线路连接大量的地理上分散的终端，构成面向终端的通信网络，终端分时访问中心计算机的资源，中心计算机将处理结果返回终端。

　　(2)20世纪60年代中期，出现了多台计算机通过通信系统互连的系统，开创了“计算机——计算机”通信时代，这样分布在不同地点且具有独立功能的计算机就可以通过通信线路，彼此之间交换数据、传递信息。

　　(3)ARPANET的发展以及OSI的制定，使各种不同的网络互联、互相通信变为现实，实现了更大范围内的计算机资源共享。

　　Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，用户可以利用Internet实现全球范围的信息传输、信息查询、电子邮件、语音与图像通信服务等功能。

　　3.网络体系结构与协议标准化

　　在计算机网络发展的第三阶段，出现了很多不同的网络，导致网络之间的通信困难。迫切需要统一的网络体系结构和统一的网络协议。

　　ISO制定了OSI参考模型，作为国际认可的标准模型。

　　TCP/IP协议以及体系结构早于OSI参考模型，因此TCP/IP协议与体系结构也是业内公认的标准。

　　4.互联网的应用与高速网络技术的发展

　　(1)互联网高速发展

　　互联网不仅是一种资源共享、数据通信和信息查询的手段，逐渐成为人们了解世界、讨论问题、休闲、学术研究、商贸、教育甚至军事活动等重要领域。

　　(2)信息高速公路

　　高速网络技术主要体现在：异步传输模式(ATM)，宽带综合业务数字网(B-ISDN)，高速局域网，交换局域网，虚拟网络与无线网络。

　　(3)基于WEB技术的互联应用的发展

　　Web技术的出现使网站的数量和网络的通信量呈指数增长。

　　(4)基于P2P技术的应用技术发展

　　区别于客户机/服务器结构，对等(P2P)网络淡化了服务提供者和服务使用者的界限，扩大了网络资源的范围和深度。

　　(5)网络安全技术的发展

　　计算机网络犯罪，使得网络必须具备足够的安全机制，防止信息被非法窃取、破坏与泄露。

　　5.宽带城域网的发展

　　宽带城域网与传统的通信网络在概念和技术上发生了很大的变化，主要体现在以下几个方面：

　　传统局域网、城域网与广域网在技术上的界限模糊

　　传统的电信传输技术与计算机网络技术的界限越来越模糊

　　传统的电信服务与互联网应用的界限越来越模糊

　　电信传输网、计算机网络与广播电视网络技术的界限越来越模糊

　　宽带城域网的核心技术是：核心交换网和接入网。

　　二、计算机网络的基本概念

　　1.计算机网络的定义

　　所谓计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大、功能强的网络系统,从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息，共享硬件、软件、数据信息等资源。

　　计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。

　　其基本特征体现在三个方面：

　　(1)资源共享

　　(2)不同地理位置的“自治计算机”

　　(3)计算机之间必须遵守共同的网络协议

　　2.计算机网络的分类

　　计算机网络分类的标准很多，如按拓扑结构、应用协议、传输介质、数据交换方式等等。如按网络的覆盖范围分为局域网、广域网、城域网;按拓扑结构分类有总线网、树型网、星型网、环型网、网状网;按传播方式分为点对点传输和广播式传输等。

　　(1)按覆盖范围分类：

　　局域网：一般用微型计算机通过高速通信线路相连，数据传输速率较快，通常在10Mbit/s以上，误码率较低。但其覆盖范围有限，是一个小的地理区域(例如：办公室、大楼和方圆几公里远的地域)内的专用网络。局域网从介质访问控制方法来看可分为共享式介质和交换式局域网。

　　城域网：介于局域网和广域网之间的高速计算机网络。满足几千米范围内多个局域网互连需求

　　广域网：是远距离、大范围的计算机网络，覆盖范围一般是几十公里～几千公里的广阔地理区域，其主要作用是实现远距离计算机之间的数据传输和信息共享，并且通信线路大多租用公用通信网络(如公用电话网PSTN)。广域网从逻辑功能上分为资源子网(由主计算机系统、终端控制器、连网外设、各种软件资源与信息资源)和通信子网(通信控制处理器、通信线路、其他通信设备)。其中通信子网主要采用分组交换技术。

　　(2)按拓扑结构分类

　　网络拓扑结构：主要指通信子网的拓扑构型。通过网中节点与通信线路之间的几何关系表示网络结构。

　　广播式网络是指一个公共信道被多个网络结点共享，对应的网络拓扑结构有树型、环型、总线型、无线通信与卫星通信。

　　点对点线路是指每个物理线路链接两个结点。对应的拓扑结构有树型、环型、星型与网状型。

　　3.计算机网络数据传输速率与误码率

　　(1)数据传输速率

　　每秒钟传输二进制的比特数。单位bit/s或bps。记作：s=1/T(bps)，T为传送1bit所需要的时间。

　　单位变换如下：1Kbps=1000bps，1Mbps=1000Kbps，1Gbps=1000Mbps，1Tbps=1000Gbps

　　奈奎斯定理特给出没有噪声时带宽B(B=f,单位Hz)与最大传输速率之间的关系：

　　Rmax=2*fRmax：最大数据传输速率。B通信信道带宽(频率)单位HZ。

　　香农定理给出了有随机热噪声时带宽与数据传输速率之间的关系：

　　Rmax=B*log2(1+S/N)S/N信噪比(信号与噪声功率比)单位是分贝。

　　(2)误码率

　　二进制码元在数据传输过程中被传错的概率，其近似值为：

　　Pe=Ne/N(N为传输二进制码元的总数，Ne为被传错的码元数。)

　　误码率应注意以下问题：

　　误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数。

　　对于实际的传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际情况衡量。

　　实际的传输系统，如果不是传输二进制码元，需要折合成二进制码元计算。

　　误码率具有随机性，实际测量时只有测试的二进制码元越大，才会接近真正的误码率。

　　三、分组交换技术的基本概念

　　1.电路交换的基本概念

　　通信子网的交换方式中分为两类：电路交换和存储转发交换。其中存储转发交换分为报报文交换和报文分组交换。其中分组交换技术分为：数据报方式与虚电路方式

　　电路交换分为三个阶段：

　　(1)线路建立：两台主机要传输数据，首先通过子网建立两台主机之间的线路连接。

　　(2)数据传输：线路连接后，可以实现实时、双向的交换数据。

　　(3)线路释放：数据传输结束后，原点想目的主机发送释放请求，目的同意后逐步释放连接。

　　线路交换的优点：实时性强，适应于交互式会话通信。

　　线路交换的缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，不具备存储数据能力，不具备差错控制能力。

　　2.存储转发交换的特点

　　与线路交换的特点区别： 来源：www.exam8.com

　　(1)发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元(报文或报文分组)进入通信子网。

　　(2)通信子网的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接受、差错检验、存储、路径选择和转发功能。存储转发交换分为报文交换和报文分组交换。被传送的数据单元分为两种：报文和报文分组。

　　报文：数据长度不限，增加目的地址、源地址与控制信息组成一个逻辑单元。

　　分组：限制报文长度，源结点需要将报文分成多个分组，发送结束后，由目的结点按顺序重新组织成报文。

　　存储转发优点：共享信道，线路利用率高;路由选择功能，提高系统效率;每个路由可进行差错检查和纠错处理，提高系统可靠性;路由器实现不同通信速率的转换，也可对不同数据代码格式进行转换。

　　3.实际应用中，分组交换技术分为：数据报方式与虚电路方式

　　(1)数据报方式

　　分组传输前不需要预先在源与目的之间建立连接，源主机发送的每一个分组都可以独立选择一条传输路径，每个分组可以在通信子网中通过不同的路径传输到达目的地。

　　具体步骤：

　　源主机将报文分成若干个分组，发送给直接相连的处理机，收到的处理机存储分组;

　　每个收到分组的处理机都进行差错检验，然后收到分组的处理机向发送处理机返还确认信息。

　　如果分组发送正确，源处理机丢弃副本然后进行路径选择发送给下一个处理机。

　　如果分组发送错误，则要求重发;

　　直到到达目的地。

　　数据报的特点：各分组可按不同路径发送;到达目的地的分组可能有乱序、丢失等现象;每个分组要包含目的和源地址;传输延迟较大。

　　(2)虚电路方式

　　虚电路方式将数据报与电路交换结合起来，分组发送前需要在发送方和接收方建立逻辑连接。所以虚电路的工作过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路拆除。

　　虚电路的特点：

　　每次分组传输前，需要在源和目的之间建立逻辑连接;

　　所有分组按统一建立的虚电路传输，不会出现乱序和丢失现象;

　　分组通过的每一个结点时，结点只要差错检查，不需要路径选择;

　　通信子网中的每一个结点可以与任何结点建立多条虚电路。

　　虚电路与线路交换的区别：虚电路在传输分组时建立虚连接，这种电路不是专用的;而电路交换的连接是物理连接，是独占的。

　　四、网络体系结构与网络协议的基本概念

　　1.网络体系结构的基本概念

　　网络协议：为网络数据交换而制定的规则，约定与标准。

　　主要有三要素：

　　语法：规定用户数据与控制信息的结构和格式;

　　语义：规定需要发出何种控制信息以及完成的动作与作出的响应;

　　时序：对事件实现顺序的详细说明。

　　计算机网络体系结构：计算机网络层次结构模型和各层协议的集合。

　　体系结构是抽象的，而实现是具体的，是能够运行的一些硬件和软件。体系结构采用层次结构。

　　采用层次结构的好处：

　　a)各层之间相互独立

　　b)灵活性好

　　c)各层都可以采用最合适的技术实现，各层实现技术部影响其它层

　　d)易于实现和维护

　　e)有利于促进标准化

　　2.ISO/OSI参考模型

　　(1)OSI参考模型的概念

　　OSI中采用三级抽象：体系结构、服务定义和协议规格说明。

　　体系结构：定义了层次结构、层次之间的相互关系以及各层所包括的可能的服务，是对网络内部结构最精炼的概括与描述。

　　服务定义：详细说明了各层所提供的服务。通过接口提供给更高一层。同时还定义了层与层之间接口和各层所使用的原语，但不涉及接口的实现。

　　协议规格说明：精确定义了应当发送什么控制信息，以及应当用什么样的过程解释这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。

　　OSI参考模型仅仅是抽象描述，或者说是一个制定标准时所使用的框架。

　　(2)OSI参考模型的结构以及各层的主要功能

　　OSI分7层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

　　物理层：利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以便透明传输比特流。

　　数据链路层：在物理提供比特流传输服务的基础上，在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，并具有差错控制和流量控制功能。

　　网络层：通过路由选择算法，为分组的通过选择最适当路径。需要实现路径选择、拥塞控制与网络互联功能。

　　传输层：向用户提供可靠的端到端服务，透明传输报文，它向高层屏蔽了下层功能，是体系结构中最关键的一层。

　　会话层：组织两个会话进程之间的通信，并管理数据交换。

　　表示层：处理两个通信系统中交换信息的表示方式。包括格式转换、数据加密解密、数据压缩与数据恢复等功能。

　　应用层：确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。

　　3.TCP/IP参考模型与协议

　　TCP/IP的协议特点：

　　开放的协议标准，独立于特定的计算机硬件和操作系统

　　独立于特定的网络硬件，可以在局域网、广域网和互联网中

　　统一的地址分配方案，使得每台网络中计算机具有唯一的地址

　　标准化的高层协议，可提供多种可靠的用户服务。

　　TCP/IP参考模型与层次

　　主机-网络层、互联层(IP)、传输层(TCP/UDP)和应用层。

　　与OSI模型对应：

　　TCP/IP的主机-网络层实现了OSI模型中物理层和链路层的功能。

　　TCP/IP的互联层实现了OSI模型中网络层的功能。

　　TCP/IP的传输层实现了OSI模型中网传输层的功能。

　　TCP/IP的应用层实现了OSI模型中网应用层的功能。

　　TCP/IP的主机—网络层负责通过网络发送和接收IP数据报。

　　TCP/IP的互联层功能主要体现在3个方面：(1)处理来自传输层的分组发送请求(2)处理接收的数据报(3)处理互联的路径、流控与拥塞问题

　　TCP/IP的传输层实现应用进程间的端到端通信，具有两个协议：TCP和UDP协议。

　　TCP:是一种可靠面向连接的协议，允许将一台主机的字节流无差错地传送到目的主机。

　　UDP：不可靠的无连接协议。不要求分组顺序到达目的地。

　　TCP/IP的应用层的主要协议有：远程登录协议(Telnet)，文件传输协议(FTP)，简单邮件传输协议(SMTP),域名服务(DNS),路由信息协议(RIP)，网络文件协议(NFS),超文本传输协议(HTTP)等。

　　五、互联网应用的发展

　　1.基于WEB应用的发展

　　WEB技术的出现使互联网从最初的主要由计算机专家和大学生使用，变为一种被广泛使用的信息交流工具;同时使得网站的数量和网路的通信量呈指数增长，已经广泛应用于电子政务、电子商务、远程教育与信息服务等领域，并有继续扩大的趋势。

　　2.搜索引擎技术的发展

　　搜索引擎是运行在WEB上的应用系统软件，是对网络上大量资源建立索引并提供检索服务的应用软件。

　　3.播技术的应用

　　播客(Podcast)是基于互联网的数字广播技术之一。

　　根据节日类型的不同分为：传统节目的播客、专业播客提供商与个人播客。

　　4.博客技术的应用

　　博客(blog)指以文章的形式在互联网上实现信息共享。在技术上属于网络共享空间，在形式上属于个人互联网出版类的应用。

　　5.网络电视的应用

　　网络电视(IPTV)通过宽带IP网络传输，可以实现与用户的互动点播，同时能够方便地将传统电视与WWW、E-MAIL等互联网结合起来。

　　6.P2P技术的应用

　　P2P网络中的每一台计算机既可以作为网络服务的使用者，又可以作为网络服务的提供者。

　　六、无线网络的研究与应用

　　1.宽带无线接入技术与IEEE802.16标准

　　IEEE802.16无线城域网标准，可提供2～155Mbps的带宽，宽带无线接入分为移动接入和固定接入。

　　2.无线局域网与IEEE802.11标准

　　IEEE802.11标准以微波、激光与红外线等作为传输介质，实现移动计算机网络中的移动结点的物理层与数据链路层的功能。

　　3.蓝牙技术与IEEE802.15标准

　　蓝牙技术是无线自组网的应用，IEEE802.15是以蓝牙规范为基础，制定的短距离、低功耗的无线通信标准。

　　4、无线自组网，又称移动Adhoc网络，它是在分组无线网基础上发展的。

　　5、无线传感器网络，将Adhoc技术与传感器技术相结合。由部署在监测区内大量的微型传感器节点组成，通过无线通讯方式形成多跳的Adhoc网络，目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。传感器网络三要素为：传感器、感知对象、观察者。

　　6、无线网格网。推动其发展的直接动力是互联网接入的应用需求。如果将Adhoc技术作为WLAN与WiMAX等无线接入技术的补充，应用到互联网无线接入网中。

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