第一章 概述

1.因特网概述

• 三网：
  电信网络：主要业务是电话，传真、电报服务
  有线电视网络：用户能够管控各种电视节目
  计算机网络(核心)：用户迅速传送数据文件，以及从网络上查找并获取各种有用资料，包括图像和视频文件
• 网络融合(三网融合)：
  指电信网、计算机网和有线电视网三大网络通过技术改造，能够提供包括语音、数据、图像等综合多媒体的通信业务。互联网是核心部分。
  现阶段它并不意味着三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合，其表现为技术上趋向一致，网络层上可以实现互联互通，形成无缝覆盖，业务层上相互渗透和交叉，应用层上趋向使用统一的IP协议。
• 计算机网络向用户提供最重要的功能：
  连通性：上午用户之间可以交换信息
  共享：指资源共享，可以是信息共享、软件共享或硬件共享

因特网

• 网络(network)：由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成。节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

• 互联网(internet;internetwork;internection network)：即网络的网络(network of network)，网络和网络通过路由器互连起来构成一个覆盖范围更大的网络。它是所有类型网络的母集。

• 因特网(Internet)：最大的互连网络。因特网概念从属于互联网概念。

• 计算机网络：指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来。
  包含有计算机的网络，以及用这样的网络加上许多路由器组成的互联网，称为计算机网络。因特网是一种计算机网络。

• 相互关系：
  网络把许多计算机连接在一起，而因特网则把许多网络连接在一起。

因特网发展三个阶段：

• 1.第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。
  阿帕网(APRA)是APRA信息处理处开发的世界上第一个计算机远距离封包交换网络，是现今互联网的前身。
  由于阿帕网无法做到与其他类计算机网络交流，瑟夫设计了新的计算机交流协议，即传送控制/互联网协议(TCP/IP).到1981年，阿帕网已有94个节点。1983年，TCP/IP开始成为通用协议[人们把1983年作为因特网的诞生时间]。当NSFNET成为互联网中枢后，阿帕网系统在1989年被关闭，1990年正式退役。
  阿帕网交给私人公司管理后更名为Internet
• 2.第二阶段：特点是建成了三级结构的因特网。
  从1985年起，美国国家科学基金会NSF开始建设国家科学基金网NSFNET。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)，成为了因特网的主要组成部分。
• 3.第三阶段：特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。
  因特网服务提供商ISP(Internet Service Provider)：是一个进行商业活动的公司，ISP常被译为因特网服务提供商。ISP拥有从因特网管理机构申请到的多个IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等联网设备，任何机构或个人只要向ISP缴纳规定费用就可得到所需IP地址。

下一代因特网计划(NGI)主要目标：
1.开发网络结构，比现有因特网速率高100倍。
2.使用更先进的网络服务技术和应用，如远程医疗、远程教学、环境监测和预报等
3.使用超高速全光网络，实现快速的交换和路由选择。
4.对整个因特网的管理和保证信息的可靠性及安全性方面进行改进。

因特网的标准化工作：
制定因特网的正式标准四个阶段：因特网草案、建议标准、草案标准、因特网标准。

2. 因特网的组成

因特网的拓扑结构从工作方式上划分为：

• 1.边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。(进行通信[传送数据、音频和视频)和资源共享)
  在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式划分为两大类：
  客户服务器方式(C/S方式)：客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程。
  对等方式(P2P方式)：指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方，只要两个主机都运行对等连接软件。

• 2.核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成(提供连通性和交换)
  路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，任务是转发收到的分组。

三种交换技术

• 电路交换：使用彼此连接起来的交换机来完成全网的交换任务，就构成了电信网。
  三个步骤:建立连接-通信-释放连接
  特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
  缺点：线路的传输效率很低

• 分组交换：分包，packet switching
  分组交换采用存储转发技术。
  报文(message)：要发送的整块数据
  发送报文前，现将较长的报文分成一个个较小的等长数据段
  在每个数据段前面，加上必要的控制信息组成的首部(header)，构成一个分组packet,又称为包
  由若干个节点交换机(node switch)与链路组成

  主机：为用户进行信息处理，并且可以和其他主机通过网络交换信息
  路由器：用来转发分组的。路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和维持在路由器中的转发表使其及时更新。
  这里的存储是暂存在路由器的存储器(内存)中而不是磁盘，这就保证了较高的交换速率。
  优点：
  高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
  灵活：为每一个分组独立地选择转发路由
  迅速：以分组为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组 可靠：网络中某些结点或链路突然出故障时，在各路由器中运行的路由选择协议能够自动找到其他路径转发分组。
  缺点：
  时延：分组在各路由器存储转发时需要排队
  开销(overhead)：各分组必须携带控制信息

• 报文交换(message switching)：
  特点：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
  分组交换也采用存储转发原理，但分组长度不大，转发速度快。
  例如：ARPANET建网初期，横跨东西美国时延小于0.1

3.计算机在我国的发展

铁道部最早在1980年开始计算机联网实验。1989年第一个分组交换网CNPAC建成运行。
1994年4.20我国用64kb/s专线正式接入因特网，被正式承认为接入互联网的国家。
2004年，我国的第一个下一代互联网CNGI的主干网CERNET2试验网正式开通并提供服务。
几种不同类别的网络
按区域分：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN
按使用者分：公用网(电信公司出资建造的大型网络)、专用网(某部门为本单位的特殊业务的需要而建造的网络)

4.计算机网络的性能

(1)速率b/s(比特每秒)
(2)带宽
(3)吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量
(4)时延
发送时延=数据帧长度/新到贷款(b/s)
传播时延=信道长度(m)/电磁波速率(m/s)
处理时延：主机、路由器分析首部、提取数据、差错检验等。
往返时间RTT

4.计算机网络体系结构

5.OSI参考模型

OSI后来的许多标准都是ISO与原来的国际电报电话咨询委员会CCITT联合制定的。CCITT从通信的角度考虑制定标准，而ISO关心信息的处理。
网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。

• 物理层:传输比特控制、物理媒介
• 数据链路层DH
  帧：数据帧、确认帧(ACK frame)
• 网络层NH
  路由
  分组，包，数据报
• 传输层TH(TCP/UDP)
  流量控制
  报文(Message)
• 会话层SH
• 表示层PH
• 应用层AH

为了方便讲解将OSI和TCP/IP协议合并为五层协议

• 应用层：万维网的HTTP协议、电子邮件的SMTP协议、文件传送的FTP协议
• 运输层：TCP或UDP
• 网络层(IP层)：(1)负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。分组称为IP数据报(2)选择合适的路由
• 数据链路层：两个相邻结点之间传送数据是直接传送的，需要专门的链路层的协议。它将网络层交下来的IP数据报组装成帧，每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息，地址信息，差错控制等)。典型的帧长是几百字节到一千多字节。
• 物理层：传输单位是比特。任务是透明地传送比特流。

TCP/IP参考模型

TCP/IP协议族框图

第二章 物理层

1.基本概念

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。
作用：尽可能屏蔽掉各种硬件设施和传输媒体之间的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到差异。
主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性
1.机械特性：接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列等。
2.电气特性：在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3.功能特性：某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
4.过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
还要完成传输方式的转换(串行与并行转换)

2.数据通信基础知识

数据通信系统三部分：源系统(发送端)、传输系统、目的系统(接收端)
源系统：包含源点(source)和发送器

• 源点(或信源)：源点设备产生要传输的数据.例如键盘输入汉字等
• 发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中传输。典型的发送器就是调制器。
  目的系统：包含接收器和终点
• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器是解调器。
• 终点：从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出(例如屏幕显示)

信道

表示向某一个方向传送信息的媒体。
按照通信双方信息交互的方式分为：单工通信、半双工通信、全双工通信。
基带信号：来自信源的信号.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。包含有较多低频成分，需要进行调制。
调制分为：

• 基带调制：对基带信号波形进行变换，仍然是基带信号
• 带通调制：经过载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号。基本的带通调制方法有：
  • 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
  • 正交振幅调制QAM：多元制的振幅相位混合调制方法，信息传输速率更高。

调制解调原因：
无线电通信系统：通过空间辐射方式传送信号。
电磁波理论可知：天线尺寸为被辐射信号波长的十分之一或更大些，信号才能有效的被辐射。
对于语音信号：天线尺寸需要在几十公里以上，因此需要调制(语音信号的频率范围为300~3400Hz)。
调制过程：将信号频谱搬移到任何所需的较高频率范围，这就容易以电磁波形式辐射出去。
如果不进行调制，而是把被传送的信号直接辐射出去，那么各电台所发出的信号频率就会相同，他们混在一起，收信者将无法选择所要接收的信号。
调制作用的实质：把各种信号的频谱搬移，使它们互不重叠地占据不同的频率范围，即信号分别托付于不同频率的载波上，接收机可以分离出所需要的频率的信号，不致相互干扰。（实现了多路复用）

限制码元在信道上的传输速率的因素有：
1.信道能够通过的频率范围
奈氏准则：在任何信道中，码元传输的速率是由上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决成为不可能。
2.信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比(S/N)单位dB
信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)
信道的极限信息传输速率C=Wlog2(1+S/N) (b/s)
可以看出：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

3.物理层下的传输媒体

分类：
导向传输媒体：固体媒体(铜线或光纤)。双绞线、同轴电缆、光纤
非导向传输媒体：指*空间

4.信道复用技术

频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
时分复用TDM：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
统计时分复用：
波分复用WDM：就是光的频分复用
码分复用CDM：每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。各用户使用不同码型，因此不会造成干扰。码分多址CDMA

脉码调制PCM*

模拟电话信号转变为数字信号的过程：
采用：电话信号的最高频率3.4kHz，采样为8kHz，即采样周期T=125us。连续的电话信号经采样后成为每秒8000个离散脉冲信号，其振幅对应于采样时刻电话信号的数值。经模数变换后，每个脉冲信号编码为8位二进制码元。可见一个标准话路的模拟电话信号转换出的PCM信号的速率是每秒8000个8位二进制码元，即64kb/s。
随着话音编码技术的发展，可以用更低的数据率(如32kb/s，16kb/s甚至8kb/s以下)来传送几乎同样质量的话音信号。
PCM信号用时分复用TDM的方法装成帧，即时分复用帧。E1的时分复用帧共划分为32相等的时隙，每个时隙传送8bit，因此整个32时隙共256bit。每秒8000个帧，因此PCM一次群E1的数据率是2.048Mb/s。其中2个时隙用于帧同步和传送信令，因此一个E1时分复用共有30个话路。

5.宽带接入技术

• xDSL技术：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。
  其中，0-4kHz低端频谱留给传统电话使用，高端频谱留给用户上网使用。几种类型:ADSL/HDSL/SDSL/VDSL

  • ADSL技术：非对称数字用户线。ADSL把上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP,下行指从ISP到用户。用户线两端是调制解调器(DMT).
    DMT调制技术采用频分复用。40kHz-1.1MHz的高端频谱划分许多子信道，25个用于上行，249个用于下行。每个信道占据4kHz带宽。ADSL不能保证固定的数据率。
  • 基于ADSL的接入网组成：
    数字用户线接入复用器DSLAM（包含许多ADSL调制解调器，记为ATU-C和ATU-R）
    用户线
    用户家的设施
    总结：ADSL是借助于在用户线两端安装ADSL调制解调器(即ATU-R和ATU-C)对数字信号进行调制，使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用户线上传输。

• 光纤同轴混合网(HFC网)
  HFC网是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带宽接入网。
  功能：传送CATV、电话业务、数据和其他宽带交互型业务。
  特点：
  (1)HFC网的主干线路采用光纤
  (2)HFC网采用结点体系结构：从头端到各个光纤结点用模拟光纤连接，构成星型网。
  (3)HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能
  (4)每个家庭要安装一个用户接口盒，其提供三种连接：使用同轴电缆连接到机顶盒再连接到用户的电视机；使用双绞线连接到用户的电话机；使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

• FTTx技术（光纤到…）
  光纤到户FTTH：即将光纤一直铺设到用户家庭。
  光纤到大楼FTTB：支持大中型企业、大公司高速率宽带业务需求，比FTTH经济。
  光纤到路边FTTC：比较流行。