網(wǎng)絡基礎及應用一

第一講問題什么叫計算機網(wǎng)絡？數(shù)據(jù)通信的關鍵技術有哪些？網(wǎng)絡互連設備有哪些？（一）課程總體介紹一、課程簡介專業(yè)選修課高等學校計算機基礎教育三個層次——技術基礎（網(wǎng)絡技術基礎知識和基本應用技能的培養(yǎng)）課程的基本要求二、課程內容理論部分緒論因特網(wǎng)概述因特網(wǎng)接入因特網(wǎng)典型應用因特網(wǎng)其他應用網(wǎng)頁開放軟件頁面編碼與站點發(fā)布局域網(wǎng)廣域網(wǎng)與城域網(wǎng)企業(yè)內部網(wǎng)實驗部分接入因特網(wǎng)萬維網(wǎng)與搜索引擎電子郵件電子商務網(wǎng)頁開放軟件的使用頁面編碼站點的發(fā)布ASP動態(tài)網(wǎng)頁綜合網(wǎng)頁設計三、學時分配總學時32（理論學時22；上機學時10）四、參考書網(wǎng)絡技術基礎與應用胡華等浙江大學出版社現(xiàn)代通信網(wǎng)絡沈慶國等人民郵電出版社因特網(wǎng)應用技能培訓教程殷婭玲等海洋出版社網(wǎng)絡企業(yè)管理盧向南等高等教育出版社（二）本節(jié)主要內容1.1計算機網(wǎng)絡1.1.1計算機網(wǎng)絡的發(fā)展計算機網(wǎng)絡的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段：面向終端的計算機網(wǎng)絡計算機-計算機網(wǎng)絡開放式標準化網(wǎng)絡互聯(lián)網(wǎng)時代1.第一代計算機網(wǎng)絡特征：本質是一個以單個計算機為中心的遠程聯(lián)機系統(tǒng)，系統(tǒng)除了一臺中心計算機外，其余終端都不具備自主處理功能，主要完成終端與計算機中心間的數(shù)據(jù)通信面向終端的計算機網(wǎng)絡－以單個計算機為中心的遠程聯(lián)機系統(tǒng)，構成面向終端的計算機網(wǎng)絡。2.第二代計算機網(wǎng)絡特征：多臺計算機通過通信線路互聯(lián)，為用戶提供服務，每個主計算機都具有自主處理能力，兼容性差60年代中期，出現(xiàn)了多臺計算機互連的系統(tǒng)，開創(chuàng)了“計算機－計算機”通信時代，并存多處理中心，實現(xiàn)資源共享。美國的ARPA網(wǎng)，IBM的SNA網(wǎng)，DEC的DNA網(wǎng)都是成功的典例。這個時期的網(wǎng)絡產品是相對獨立的，未有統(tǒng)一標準。最大的缺陷為兼容性。3.第三代計算機網(wǎng)絡特征：具有統(tǒng)一的網(wǎng)絡體系結構、遵循國際標準化協(xié)議開放式標準化網(wǎng)絡由于相對獨立的網(wǎng)絡產品難以實現(xiàn)互連，國際標準化組織ISO(InternationStandardsOrganization)于1984年頒布了一個稱為“開放系統(tǒng)互連基本參考模型”的國際標準ISO7498，簡稱OSI/RM。即著名的OSI七層模型。從此，網(wǎng)絡產品有了統(tǒng)一標準，促進了企業(yè)的競爭，大大加速了計算機網(wǎng)絡的發(fā)展。OSI的目標過于理想，而且沒有考慮商業(yè)盈利的要求；體系過于龐大和復雜，很難保證運作的效率，所以直到20世紀90年代仍然幾乎沒有任何廠家生產出符合OSI的商用級別的產品。TCP/IP從設計上考慮了多種不同結構的網(wǎng)絡相互連接的問題，并將網(wǎng)絡協(xié)議作為一個重要的組成部分。這一點上OSI考慮的過于簡單，它試圖采用一種標準的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)將各種不同的網(wǎng)絡連接起來，實際上這種看似簡單的方式意味著對第二代網(wǎng)絡的全面否定，同時也意味著廣大廠商如果采用OSI模型就可能要淘汰已經(jīng)花費數(shù)百萬甚至上千萬美元建立起來的計算機網(wǎng)絡，這對于以盈利為目標的商業(yè)機構來說是不可接受的。這也許就是OSI失敗的重要原因。4.互聯(lián)網(wǎng)時代特征：世界上規(guī)模最大和增長速率最快的計算機網(wǎng)絡1969年--ARPANET，ARM模型，早于OSI模型，低三層接近OSI，采用TCP/IP協(xié)議。1988年--NSFNET，OSI模型，采用標準的TCP/IP協(xié)議，成為Internet的主干網(wǎng)。計算機網(wǎng)絡的定義三類定義1.計算機技術與通信技術相結合，實現(xiàn)遠程信息處理或進一步達到資源共享的系統(tǒng)2.以能夠相互共享資源的方式連接起來，并且具有獨立功能的計算機系統(tǒng)的集合3.存在一個能為用戶自動管理資源的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，負責調用完成用戶任務所需要的資源，而整個網(wǎng)訂單管理軟件、酒店管理軟件等。3.從邏輯功能上劃分資源子網(wǎng)－主機Host＋終端Ｔerminal組成：計算機系統(tǒng)、終端、終端控制器、聯(lián)網(wǎng)外設、各種軟件資源和數(shù)據(jù)資源功能：全網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理業(yè)務，向網(wǎng)絡用戶提供各種網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡服務通信子網(wǎng)－通信鏈路組成組成：網(wǎng)絡通信控制處理機、通信線路和其他通信設備功能：全網(wǎng)的傳輸、交換及通信控制等通信處理工作1.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)1.2.1數(shù)據(jù)通信的特點(1)抗干擾能力強、無噪聲積累(2)便于加密處理(3)便于存儲、處理和交換(4)設備便于集成化、微型化(5)便于構成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(6)占用信道頻帶較寬1.2.2信息編碼及調制數(shù)據(jù)——有意義的實體模擬數(shù)據(jù)－在某個區(qū)間內產生的連續(xù)值數(shù)字數(shù)據(jù)－由模擬數(shù)據(jù)進行抽樣取整后產生的離散值信號——數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式/電子編碼模擬信號－在一定的數(shù)值范圍內可以連續(xù)取值的信號數(shù)字信號－一種離散的脈沖序列模擬信號

信號波形模擬著信息的變化而變化，其特點是幅度連續(xù)(連續(xù)的含義是在某一取值范圍內可以取無限多個數(shù)值)。圖(a)所示的信號是模擬信號，其信號波形在時間上也是連續(xù)的，因此它又是連續(xù)信號。圖(b)所示的信號是對圖(a)所示的模擬信號按一定的時間間隔T抽樣后的抽樣信號，由于其波形在時間上是離散的，它又叫離散信號。但此信號的幅度仍然是連續(xù)的，所以仍然是模擬信號。電話、傳真、電視信號都是模擬信號。數(shù)字信號其特點是幅值被限制在有限個數(shù)值之內，它不是連續(xù)的而是離散的。圖(a)是二進碼，每一個碼元只取兩個幅值(0，A)：圖(b)是四進碼，每個碼元取四(3、1、－1、－3)中的一個。這種幅度是離散的信號稱數(shù)字信號。當模擬信號采用連續(xù)變化的電磁波來表示時候，電磁波本身既是信號載體，同時也作為傳輸介質；而當采用連續(xù)變化的信號電壓來表示時，它一般通過傳統(tǒng)的模擬信號傳輸線路來傳輸；當數(shù)字信號采用離散的電脈沖或光脈沖來表示時，則一般需要用雙絞線，電纜或光纖介質傳輸；1.數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼（振幅/頻率/相位）振幅——振動物體離開平衡位置的最大距離叫振動的振幅。在數(shù)值上等于最大位移的大小。頻率——一秒鐘內振動質點完成的全振動的次數(shù)叫振動的頻率，其單位為赫(HZ)

頻率也是表示質點振動快慢的物理量。相位——某瞬間信號大小變化的方向。這種編碼方式是將數(shù)字數(shù)據(jù)調制成模擬信號進行傳輸。通常采用三種模擬信號的載波特性(振幅、頻率和相位)之一來表示被調制的數(shù)字數(shù)據(jù)，并由此產生三種基本調制方式。(1)幅移鍵控(ASK)法ASK(AmplitudeShiftKeying)是使用載波頻率的兩個不同振幅來表示兩個二進制值，在一般情況下，用振幅恒定載波的存在與否來表示兩個二進制值。ASK方式的編碼效率較低，容易受增益變化的影響，抗干擾性較差，在音頻電話線路上一般只能達到1200b/s的傳輸速率。(2)頻移鍵控(FSK)法FSK(FrequencyShiftKeying)是使用載波頻率附近的兩個不同頻率來表示兩個二進制值，F(xiàn)SK比ASK的編碼效率高，不易受干擾的影響，抗干擾性較強，在音頻電話線路上的傳輸速率可以大于1200b/s。(3)相移鍵控(PSK)法PSK(PhaseShiftKeying)是使用載波信號的相位變化來表示二進制數(shù)據(jù)，在PSK方式中，信號相位與前面信號序列同相位的信號表示0，信號相位與前面信號序列反相位的信號表示1。PSK方式也可以用于多相的調制，例如在四相調制中可把每個信號序列編碼為兩位。PSK方式具有很強的抗干擾能力，其編碼效率比FSK還要高。在音頻線路上，傳輸速率可達9600b/s。這些信號調制技術主要用于調制解調器(Modem)中。在實際的Modem中，一般將這些基本的調制技術組合起來使用，以增強抗干擾能力和編碼效率。常見的組合是PSK和FSK方式的組合或者PSK和ASK方式的組合。ASK－幅移鍵控法FSK－頻移鍵控法PSK－相移鍵控法PSK>FSK>ASK三種基本調制方式2.數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼最常用－用不同的電壓電平來表示兩個二進制數(shù)字，即數(shù)字信號由矩形脈沖組成。常用的數(shù)字信號編碼不歸零（NRZ）碼－負電壓表示“0”，正電壓表示“1”，無需歸零。差分不歸零（DNRZ）碼－通過信號相位的變化來表示二進制數(shù)據(jù)，起始處有跳變表示“1”，起始處無跳變表示“0”。主流的信號編碼技術曼徹斯特（Manchester）碼－每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號；從高到低跳變表示"1"，從低到高跳變表示"0"。差分曼徹斯特（DM）碼－每位中間的跳變僅提供時鐘定時，而用每位開始時有無跳變表示“0”或“1”，有跳變?yōu)椤?”，無跳變?yōu)椤?”。自同步法－能從數(shù)據(jù)信號波形中提取同步信號的方法。共同缺點：信號速率為數(shù)據(jù)速率的兩倍，主要用于中速網(wǎng)絡3.模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼脈沖編碼調制（PCM），它常用于對聲音信號進行編碼。采樣定理－若對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，只要采樣頻率大于等于有效信號最高頻率或其帶寬的兩倍，則采樣值便可包含原始信號的全部信息，利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構造出原始信號。模擬信號數(shù)字化的三步驟

1)采樣，以采樣頻率把模擬信號的值采出；

2)量化，使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值；

3)編碼，將離散值變成一定位數(shù)的二進制數(shù)碼。在接收端，先進行譯碼，將二進制數(shù)碼轉換成代表原來模擬信號的幅度不等的量化脈沖，然后再經(jīng)過濾波(如低通濾波器)，就可使幅度不同的量化脈沖還原成原來的模擬信號。1.2.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構成傳輸信道有線線路－由同軸電纜、光纖、雙絞線等構成無線線路－由衛(wèi)星和地面微波站等構成模擬傳輸系統(tǒng)信號以連續(xù)變化的電磁波在媒體中傳輸。傳輸?shù)拿襟w可以是雙絞線電纜、同軸電纜、光纜、空氣、水或太空。使用調制技術將輸入信號(數(shù)據(jù))組合到載波信號上。載波信號是某種特定頻率。在收音機上調臺時，選擇特定載波頻率可以調諧到該電臺。主要的調制技術有兩種：改變載波信號振幅(高度)的調幅和調制載波頻率的調頻。使用放大器來增加信號的能量數(shù)字傳輸系統(tǒng)信號以不連續(xù)的電壓脈沖傳輸常使用中繼器來克服衰減和畸變每個端點必須通過編碼解碼器實現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼傳輸速率傳輸速率—每秒中所能傳輸?shù)奈粩?shù)調制速率－數(shù)據(jù)經(jīng)過調制后的傳播速率在二元制調制方式中，二者可以通用1.2.4數(shù)據(jù)交換技術數(shù)據(jù)交換功能－中心節(jié)點提供交換設備，把數(shù)據(jù)從一個節(jié)點轉發(fā)到另一個節(jié)點，直至到達目的端的功能1.電路交換電路建立：要先經(jīng)過呼叫過程建立一條端到端的電路。數(shù)據(jù)傳輸：傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態(tài)。電路拆除：由某一方發(fā)出拆除請求，然后逐節(jié)拆除到對方節(jié)點。優(yōu)點：數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，數(shù)據(jù)不會丟失且保持原來的序列。缺點：在某些情況下，電路空閑時的信道容易被浪費：在短時間數(shù)據(jù)傳輸時電路建立和拆除所用的時間得不償失。因此，它適用于系統(tǒng)間要求高質量的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。特點：在數(shù)據(jù)傳送開始之前必須先設置一條專用的通路。在線路釋放之前，該通路由一對用戶完全占用。對于猝發(fā)式的通信，電路交換效率不高。2.報文交換報文－站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。當一個站要發(fā)送報文時，它將一個目的地址附加到報文上，網(wǎng)絡節(jié)點根據(jù)報文上的目的地址信息，把報文發(fā)送到下一個節(jié)點，一直逐個節(jié)點地轉送到目的節(jié)點。端與端之間無需先通過呼叫建立連接。特點

1)報文從源點傳送到目的地采用"存儲--轉發(fā)"方式，在傳送報文時，一個時刻僅占用一段通道。

2)在交換節(jié)點中需要緩沖存儲，報文需要排隊，故報文交換不能滿足實時通信的要求。3.分組交換分組交換是報文交換的一種改進，它將報文分成若干個分組，每個分組的長度有一個上限，有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內存中，提高了交換速度。它是計算機網(wǎng)絡中使用最廣泛的一種交換技術。在數(shù)據(jù)報交換中，每個分組的傳送是被單獨處理的。每個分組稱為一個數(shù)據(jù)報，每個數(shù)據(jù)報自身攜帶足夠的地址信息。一個節(jié)點收到一個數(shù)據(jù)報后，根據(jù)數(shù)據(jù)報中的地址信息和節(jié)點所儲存的路由信息，找出一個合適的出路，把數(shù)據(jù)報原樣地發(fā)送到下一節(jié)點。由于各數(shù)據(jù)報所走的路徑不一定相同，因此不能保證各個數(shù)據(jù)報按順序到達目的地，有的數(shù)據(jù)報甚至會中途丟失。整個過程中，沒有虛電路建立，但要為每個數(shù)據(jù)報做路由選擇。虛電路交換的主要特點是：在數(shù)據(jù)傳送之前必須通過虛呼叫設置一條虛電路。但并不像電路交換那樣有一條專用通路，分組在每個節(jié)點上仍然需要緩沖，并在線路上進行排隊等待輸出。1.電路交換：在數(shù)據(jù)傳輸之前必須先設置一條完全的通路。在線路拆除(釋放)之前，該通路由一對用戶完全占用。電路交換效率不高，適合于較輕和間接式負載使用租用的線路進行通信。

2.報文交換：報文從源點傳送到目的地采用存儲轉發(fā)的方式，報文需要排隊。因此報文交換不適合于交互式通信，不能滿足實時通信的要求。

3.分組交換：分組交換方式和報文交換方式類似，但報文被分成分組傳送，并規(guī)定了最大長度。分組交換技術是在數(shù)據(jù)網(wǎng)中最廣泛使用的一種交換技術，適用于交換中等或大量數(shù)據(jù)的情況。1.2.5多路復用技術多路復用——為了提高信道利用率，使多個信號沿同一信道傳輸而互相不干擾。頻分多路復用FDM－在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同(或略寬)的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復用。時分多路復用TDM—若媒體能達到的位傳輸速率超過傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，則可將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。這樣，利用每個信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。1.FDMFDM的基本前提是：傳輸介質的可用帶寬要大于多路給定信號所需帶寬的總和。如果將這幾路信號中的每路信號以不同的載波頻率進行調制，則這些信號就可同時在單一介質上傳輸。為了保證各路信號帶寬不相互重疊，各路載波頻率之間應當留有一定的保護間隔，參見下圖。?FDM在圖中，6路信號源輸入到一個多路復用器中，這個多路復用器使用不同的頻率來調制每一路信號，每一路信號具有一定的帶寬，圖中的f1～f6分別對應于6路信號帶寬，形成6個信道。為了防止各個信道之間的重疊干擾，相鄰的信道之間要用保護帶隔離開。保護帶是信號帶寬中不用的部分。f1～f6以及各個保護帶寬之和要小于或等于傳輸介質的可用帶寬。例如，假設傳輸介質的可用帶寬為70MHz，每路信號帶寬為10MHz。如果采用FDM同時傳輸6路信號，則各路信號帶寬分配如下：f1=0～10MHz，f2=11～21MHz，f3=22～32MHz，f4=33～43MHz，f5=44～54MHz，f6=55～65MHz，其中各路信道之間的保護帶寬為1MHz。當攜帶多路信號的載波通過傳輸介質傳送到另一端的多路復用器后，再解調(還原)成各個單路信號，輸出到各自對應的輸出線上。2.TDMTDM的基本前提是：傳輸介質所能支持的位傳輸速率應大于多路數(shù)據(jù)傳輸所需的位傳輸速率的總和。如果每路信號按時間先后輪流交替地使用單一信道，那么在宏觀上多路數(shù)字信號便可以實現(xiàn)同時傳輸。各路信號可以位、字節(jié)、塊或幀等為單位交替地使用單一信道。在下圖中，多路復用器有6路信號輸入，設每路信號的傳輸速率為10Mb/s，傳輸介質的傳輸帶寬大于60Mb/s，使用TDM技術同時傳輸這6路信號。TDM具體的實現(xiàn)方法是：規(guī)定傳送一個數(shù)據(jù)單元所需要的時間為一個時間片，每個輸入端一次傳送一個數(shù)據(jù)單元，6個時間片便可將6個輸入端輪流輸入一次，這6個時間片便構成了一幀(Frame)。在一般情況下，幀長是固定的，即一個幀所擁有的時間片數(shù)等于信號輸入的個數(shù)。如果在某個時間片內對應的