正版新书]计算机网络基础(高等院校信息技术应用型)刘建友、李

第1章 计算机网络概述
1.1 计算机网络的形成与发展
1.1.1 计算机网络的形成与发展历程
1.1.2 计算机网络的定义
1.1.3 计算机网络的组成
1.2 计算机网络拓扑结构和分类
1.2.1 计算机网络拓扑结构
1.2.2 计算机网络的分类
1.3 因特网
1.3.1 因特网简介
1.3.2 中国互联网的发展
1.4 协议和标准
1.4.1 协议
1.4.2 标准
1.5 计算机网络体系结构
1.5.1 OSI参考模型
1.5.2 TCP/IP参考模型
1.5.3 寻址
习题
第2章 物理层
2.1 数据通信
2.1.1 基本概念
2.1.2 数据通信系统
2.1.3 数据传输
2.1.4 模拟信号
2.1.5 数字信号
2.1.6 传输减损
2.1.7 数据速率的限制
2.1.8 网络性能指标
2.2 数字传输技术
2.2.1 数字数据与数字信号的转换
2.2.2 模拟信号与数字信号的转换
2.3 模拟传输技术
2.3.1 数字数据与模拟信号的转换
2.3.2 模拟信号的调制
2.4 带宽利用
2.4.1 多路复用技术
2.4.2 扩频技术
2.5 数据交换方式
2.5.1 电路交换
2.5.2 报文交换
2.5.3 分组交换
2.6 传输介质
2.6.1 有线传输介质
2.6.2 无线传输
习题
第3章 数据链路层
3.1 差错控制
3.1.1 差错的产生原因及类型
3.1.2 检错与纠错

第1章计算机网络概述21世纪是一个以计算机网络为核心的信息时代，其主要特征就是网络化、数字化和信息化。随着计算机网络技术的发展，其应用范围越来越广泛。仅仅几十年时间，它已对人类的经济、政治和文化生活产生了极其重大的影响，也为社会的进步和发展做出了难以替代的贡献。
计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。计算机技术的发展推动了商业、工业、农业、科学与教育业的变革；数据通信技术的进步使得通信链路能够承载更快、更多的信号。因此，计算机网络服务也在向前发展，扩展功能越来越多，应用领域越来越广。
本章主要讨论下面6个问题：计算机网络的形成与发展数据通信计算机网络拓扑结构与分类因特网(Internet)协议和标准计算机网络体系结构1．1计算机网络的形成与发展1．1．1计算机网络的形成与发展历程计算机网络从无到有，服务功能从简单到多元化，应用领域从单一到各个领域广泛应用，加快了信息技术革命，使人类快速进入信息时代，为社会进步做出了巨大贡献。计算机网络从20世纪60年代形成并发展至今，其几十年的发展历程大致分为以下5个阶段。
1.第1阶段：计算机网络发展初期阶段计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。1837年，莫尔斯发明了电报；1876年，贝尔发明了电话，1895年，马可尼发明了无线电通信。这些技术的出现为计算机网络发展奠定了通信基础。1946年，世界上第一台电子计算机问世，但在此后的一段时间内，由于价格昂贵以及技术保密等原因，计算机数量极少，所以在20世纪50年代，通信技术和计算机技术之间没有结合，处于独立发展的状态。
1951年，美国麻省理工学院林肯实验室为美国空军设计半自动地面防空系统(SAGE)。该系统应美国军方要求，将远程雷达信号、机场与防空部队的信息，通过通信线路传到美国本土的一台IBM计算机进行处理。此项研究开启了计算机技术和通信技术相结合的尝试。该系统于1963年完成，被公认为计算机网络的雏形。
在计算机通信网络发展初期阶段，其形式是将一台计算机经过通信线路与若干台终端直接连接，用户通过本地终端使用远程主机。在这一阶段，开始使用多点通信线路、终端集中器以及前端处理机等现代通信技术，对后来的计算机网络发展具有重大影响。
2.第2阶段：计算机网络形成阶段20世纪60年代初，古巴核导弹危机爆发，美国和苏联之间的冷战随之加剧，核毁灭的威胁成为人们日常生活的话题。在美国对古巴封锁的同时，越南战争爆发，许多第三世界国家发生政治危机。由于美国联邦经费的刺激和公众恐惧心理的影响，“实验室冷战”也开始了。
1960年以前，美国军方的通信主要依靠电话交换网。美国国防部认为，如果仅有一个集中的军事指挥中心，万一这个中心被苏联的核武器摧毁，全国的军事指挥将处于瘫痪状态，其后果不堪设想，因此有必要设计一个分散的指挥系统——它由一个个分散的指挥点组成，当部分指挥点被摧毁后，其他点仍能正常工作；这些分散的点又能通过某种形式的通信网取得联系。1967年，在美国计算机学会(ACM)的会议上，美国国防部高级研究计划管理局(ARPA)提出了ARPANET的概念，即一个由互相连接的计算机组成的网络。它的主要思想是每台主机应该连接到一台名为接口报文处理器(IMP)的专用计算机上，IMP相互连接，各个IMP不仅能够与各自所连的主机通信，也能够与其他IMP通信。
1969年11月，ARPANET最终实现，最初的网络由4个节点通过IMP连接而成。这4个节点分别位于加利福尼亚州大学洛杉矶分校(UCLA)、加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)、斯坦福研究所(SRI)和犹他州大学，由称为网络控制协议(NCP)的软件提供主机间通信。
ARPANET采用分布式网络结构和分组交换技术进行设计，构建分组交换网络。两年后，ARPANET建成15个节点，进入工作阶段。此后，ARPANET不断发展，到20世纪70年代后期，网络节点超过60个，主机超过100台，覆盖范围跨越美洲大陆，联通美国的许多大学和科研机构，并且通过卫星信号与夏威夷和欧洲地区的计算机网络相互联通。
在此阶段，许多发达国家也在发展自己的分组交换网络。例如，1973年的英国邮政局EPSS公用分组交换网络，1975年的法国信息与自动化研究所(IRIA)CYCLADES分布式数据处理网络，1976年的加拿大DATAPAC公用分组交换网，1976年的日本电报电话公司DDX3公用数据网，等等。
3.第3阶段：计算机网络标准化阶段经过前面两个阶段的发展，人们对计算机网络组网技术、方法和理论的研究逐渐成熟，各种网络技术迅速发展，各大计算机公司纷纷发展、制定、推出自己的网络技术标准。
1974年，“蓝色巨人”IBM推出了系统网络体系结构(systemnetworkarchitecture，SNA)，为用户提供互联互通的成套通信产品。1975年，DEC公司发布数字网络体系结构(digitalnetworkarchitecture，DNA)。
1976年，UNIVAC发布分布式通信体系结构(distributedcommunicationarchitecture，DCA)。
这些网络技术标准是相关公司的私有标准，并未开放，网络通信产品无法兼容，使得用户在投资时无所适从。为了使众多厂商之间公平竞争，解决异种网络互联时的兼容性问题，1977年，国际标准化组织(ISO)TC97信息处理技术委员会SC16分技术委员会开始着手制定国际标准——开放式系统互联参考模型OSI/RM。OSI规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议，遵从OSI模型的网络通信产品都可以相互兼容。
4.第4阶段:计算机网络互联阶段20世纪80年代，计算机网络不论是广域网，还是局域网，都得到了长足的发展，网络之间的连接越来越广泛。
1）广域网1985年，为了满足各大学及政府机构促进研究工作的迫切要求，美国国家科学基金会(NSF)以ARPANET为基础，开始组建NSFNET。NSF出资在美国建立了6个超级计算机中心，分别是位于新泽西州普林斯顿的冯·诺依曼国家超级计算机中心(JVNNSC)、位于加州大学的圣地亚哥超级计算机中心(SDSC)、位于伊利诺伊大学的美国国立超级计算应用中心(NCSA)、位于康奈尔大学的康奈尔国家超级计算机研究室(CNSF)、匹兹堡超级计算机中心(PBC)和美国国立大气研究中心(NCAR)的科学计算分部。最初，NSF主干采用56Kb/s线路，到1988年7月，它升级到1．5Mb/s线路。
1990年，NSFNET正式取代ARPANET，并且走出大学和科研机构,开始进入社会。网络服务受到越来越多的人欢迎和使用。
1991年，美国政府认定NSFNET已没有能力支撑迅速增长的通信量，NSF不再注入资金。此时，商人们在计算机网络中发现了巨大商机，社会资金迅速进入计算机网络领域，填补空白，该领域逐步进入腾飞阶段。
2）局域网20世纪80年代初期，该领域逐步出现了微型机，逐步进入千家万户，计算机不再是平常人难以企及的高科技，开始平民化。微型机更适合办公和家庭环境使用，很快就对社会各方面都产生了巨大的影响。1972年，Xerox公司发明了以太网。以太网与微机相结合，使得微机型局域网快速发展。以太网将单位内部的计算机和智能设备互联，提供了办公自动化环境和信息共享平台。
随着以太网的发展，1980年2月，美国电气和电子工程师协会(instituteofelectricalandelectronicsengineers,IEEE)成立了802委员会，着手制定局域网标准，随后推出了一系列标准。IEEE制定的局域网标准很快成为国际标准。局域网从起步就拥有了一个标准化、互相兼容的环境，为以后的高速发展打下了良好基础。
5.第5阶段：计算机网络高速发展阶段1992年，美国成立Internet学会，并对NSFNET进行剥离，将其中对外开放的部分划入Internet。该学会将Internet定义为“组织松散的、独立的国际合作互联网络，通过自主遵守计算机协议和过程支持主机对主机的通信”。
1993年，时任美国总统克林顿认为，21世纪必将是信息时代，美国必须站在信息时代的制高点。在这种情况下，克林顿宣布正式实施国家信息基础设施(nationalinformationinfrastructure,NII)计划，在世界范围内展开了信息化领导权和制高点的争夺。
20世纪90年代后期，Internet以惊人的速度高速发展，主机数量、上网人数、信息流量呈指数形式增长。互联网创造了一个带有巨大产值的新产业，连带创造了高薪的工作机会，带动了经济运转。
1．1．2计算机网络的定义在计算机网络发展的不同阶段，人们对其有不同的定义，精确的定义从未统一。下面的观点能够比较准确地描述现阶段计算机网络的基本特征。
所谓计算机网络，是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，利用通信链路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件以及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和数据通信功能的系统。
从以上定义可以看出，计算机网络涉及多方面问题，具体说明如下。
(1)至少有两台不同地理位置、相互独立的计算机互联。不同地理位置，是指可能在一个房间、一个小区域内，也有可能在一个城市或是全国，甚至是全球范围。
(2)利用通信链路相连。通信线路可以是有线的，也可以是无线的，由此反映出计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物。
(3)联网的计算机之间必须遵守共同的网络通信协议，才可以实现相互之间的通信。
(4)资源共享是计算机网络的核心目标之一。这里指的资源包括计算机硬件、软件与数据，所有联网的计算机都可通过网络共享这些资源。
(5)互联的计算机没有明确的主从关系。每台计算机既可以联网工作，也可以脱离网络独立工作；联网的计算机既可以为其他用户提供服务，也可以享受其他计算机提供的服务。
1．1．3计算机网络的组成计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，其核心功能是数据通信资源和共享。因此，它由两部分组成，一部分是负责数据处理的服务器与终端，另一部分是负责数据通信的通信控制处理机(communicationcontrolprocessor，CCP)与通信线路。所以，从逻辑功能的角度，把计算机网络划分为资源子网和通信子网，如图11所示。
图11计算机网络组成1.资源子网资源子网由主机、终端、终端控制器、联网外设、软件资源与信息资源组成。资源子网负责全网的数据处理业务，并向用户提供各种网络资源及网络服务，包括网络的数据处理资源和数据存储资源。
主计算机系统简称主机(Host)。它可以是大型机、中型机或者小型机，是资源的拥有者。主机是资源子网的主要组成单元，通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。主机为本地用户访问网络其他主机设备和资源提供服务，也为远程服务用户共享本地资源提供服务。
终端是用户访问网络的界面。终端可以是简单的输入、输出终端，也可以是微型计算机系统。终端可以通过主机连入计算机网络，也可以通过终端控制器或通信控制处理机连入计算机网络，是网络资源和网络服务的使用者。
2.通信子网通信子网由通信控制处理机(CCP)、其他通信设备和通信链路组成。通信子网主要为端节点提供数据传输、转发等通信处理任务。
通信控制处理机又称网络节点。一方面，它为资源子网中的主机、终端等设备提供连接，将其接入计算机网络；另一方面，它承担数据传输、转发等通信处理任务。
通信链路是为节点和节点之间、主机和节点之间提供通信的信道。通信链路多种多样，划分为有线和无线两种类别。
1．2计算机网络拓扑结构和分类计算机网络是利用通信链路将节点设备连接起来的计算机系统。节点可以是计算机，也可以是能够发送或接收数据的设备，甚至可以是一台打印机。大多数计算机网络采用分布式处理，也就是说，不是由一台大型计算机负责所有处理任务，而是将任务划分给多台独立的计算机进行处理。
1．2．1计算机网络拓扑结构“拓扑”一词来源于几何学。计算机网络的拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法，把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是计算机网络的拓扑结构。计算机网络的拓扑结构反映出网络中各实体的结构关系，因此确定网络拓扑结构是建设计算机网络的第一步，是实现各种网络协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。
需要指出的是，网络拓扑结构与几何中拓扑的概念是不同的。在计算机网络拓扑结构中，人们只关心点与点是否连接，至于点的位置、线的形状，是不关心的。
常见的网络拓扑结构有以下几种。
1.总线型结构总线型结构是一种基于多点连接的拓扑结构，它将网络中的所有设备通过相应的硬件接口直接连接到共同的传输介质上。总线拓扑结构使用一条所有PC都可访问的公共通道，每台PC只要连一条线缆即可。在总线结构中，所有网上微机都通过相应的硬件接口直接连在总线上，任何一个节点的信息都可以沿着总线向两个方向传输、扩散，并且能被总线中的任何一个节点接收。由于其信息向四周传播，类似于广播电台，故总线型网络也称为广播式网络。总线有一定的负载能力，因此总线长度有一定限制，一条总线也只能连接一定数量的节点。总线型拓扑结构如图12所示。
图12总线型拓扑结构在总线两端连接的器件称为端结器(末端阻抗匹配器或终止器)，主要与总线进行阻抗匹配，最大限度地吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线而产生不必要的干扰。
总线型拓扑结构的优点如下。
(1)结构简单、灵活，易于安装。
(2)电缆铺设路径高效，所需电缆少。
(3)设备量少，无源工作，组网成本低。
总线型拓扑结构的缺点如下。
(1)所有的节点共享总线，故障诊断和隔离困难。
(2)总线设计、安装后，新设备扩充困难。
(3)所有的数据都需经过总线传送，总线成为整个网络的瓶颈。
(4)总线自身的故障将导致网络系统崩溃。
(5)分接头产生的信号反射会造成通信质量下降，必须限制连接到给定电缆的设备数目和距离。
总线型拓扑结构是早期局域网所用结构的一种，适用于计算机数目相对较少的局域网络。通常这种局域网的传输速率为10Mb/s，网络连接选用同轴电缆。以太网(ethernet)最初采用这种结构，现在的计算机网络基本不使用该网络结构。
2.星型结构星型拓扑结构是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构。各节点与中央节点通过点对点方式连接，中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，负担也重。中心节点可以是服务器，也可以是连接设备。常见的中心节点为集线器或交换机。
星型拓扑结构的网络属于集中控制型，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将数据发送到中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需满足链路的简单通信要求。星型拓扑结构如图13所示。
图13星型拓扑结构星型拓扑结构适用于局域网。近年来连接的局域网大都采用这种连接方式。它以双绞线或同轴电缆作为连接线路，放置一台中心计算机，每个臂的端点放置一台PC，所有的数据包及报文通过中心计算机通信。除了中心机外，每台PC仅有一条连接。星型结构需要大量电缆，在网络布线中较为常见。
星型拓扑结构的优点如下。
(1)结构简单，易于安装，设备扩展容易。
(2)集中控制，控制简单。任何一个站点只和中央节点相连接，因而介质访问控制方法简单，访问协议也十分简单，易于网络监控和管理。
(3)故障诊断和隔离容易。中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一台设备，不会影响全网。
星型拓扑结构的缺点如下。
(1)需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量骤增。
(2)中央节点负担重，形成“瓶颈”，一旦发生故障，全网受影响。
(3)各站点的分布处理能力较低。
(4)网络共享能力较差，通信线路利用率不高。
总的来说，星型拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易，是目前局域网普遍采用的一种拓扑结构。采用这种结构的局域网一般使用双绞线或光纤作为传输介质，符合综合布线标准，能够满足多种宽带需求。
由多个层次的星型结构连接，就组成了树型拓扑结构，其网络节点呈树状排列，整体看来就像一棵倒长的树，因而得名。一般来说，越靠近树的中心节点，对节点设备的要求越高。
3.环型结构环型拓扑结构是使用通信线路将各节点组成一个封闭的环，各节点直接连到环上，信息沿着环按一定方向从一个节点传送到另一个节点。环接口一般由发送器、接收器、控制器、线控制器和线接收器组成。在环型拓扑结构中，有一个控制发送数据权力的“令牌”，它在后边按一定的方向单向环绕传送，每经过一个节点都要被接收、判断一次。是发给该节点的，则接收；否则，将数据送回到环中继续往下传。环型拓扑结构如图14所示。
图14环型拓扑结构环型结构中的各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环型通信线路中，环路中各节点地位相同，环路上的任何节点均可请求发送信息。请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环型网中的数据按照设计，主要是单向，也可以双向传输(双向环)。由于环线公用，一个节点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流的目的地址与环上某节点地址相符时，信息被该节点的环路接口接收，并继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口为止。这种信息传输方式特别适合实时控制的局域网系统。在环型结构中，每台PC都与另两台PC相连，每台PC的接口适配器必须接收数据后再传往另一台。因为两台PC之间都有电缆，所以能获得好的性能。最著名的环型拓扑结构网络是令牌环网(tokenring)。
环型拓扑结构的优点如下。
(1)电缆长度短，只需要将各节点逐次相连。
(2)可使用光纤。光纤的传输速率很高，十分适用于环型拓扑。
(3)所有站点都能公平访问网络的其他部分，网络性能稳定。
(4)实时性高，传输延迟确定。
环型拓扑结构的缺点如下。
(1)因为数据传输需要通过环上的每一个节点，所以环网中的每个节点均成为网络可靠性瓶颈。某一个节点故障，会引起全网故障。
(2)故障检测困难。
(3)环型网络的实现和维护复杂。
(4)节点的加入和撤出过程复杂。
(5)介质访问控制协议采用令牌传递的方式，在负载很轻时，信道利用率相对较低。
环型拓扑结构适用于局域网，是早期局域网经常采用的拓扑结构之一。为了提高环型拓扑结构的可靠性，人们开发出其拓展形式——双环拓扑结构，即环型结构增加一个备用环。当主环发生故障时，备用环和主环组成一个新环，提高了网络可靠性，但由于其维护困难等各种缺点的存在，现在已很少使用。
4.网状结构在网状拓扑结构中，各节点通过传输线互联，并且每一个节点至少与其他两个节点相连。网状拓扑结构具有较高的可靠性，但结构复杂,实现起来费用较高,不易管理和维护。特别是对于完全网状结构，每个节点都要与n-1个节点相连，总共需要n×(n-1)/2条线路，线路成本高昂，所以现实中一般采用不完全网状结构，常用于广域网。网状拓扑结构如图15所示。
图15网状拓扑结构网状拓扑结构的优点如下。
(1)网络可靠性高。一般通信子网中的任意两个节点交换机之间存在两条或两条以上的通信路径，当一条路径发生故障时，可以通过另一条路径把信息送至节点交换机。
(2)网络可组建成各种形状，采用多种通信信道、多种传输速率。
(3)网内节点易于共享资源。
(4)可改善线路的信息流量分配。
(5)可选择最佳路径，传输延迟小。
网状拓扑结构的缺点如下。
(1)控制复杂，软件复杂。
(2)线路费用高，不易扩充。
网状拓扑结构一般用于Internet骨干网，使用路由算法来计算发送数据的最佳路径。
5.蜂窝结构蜂窝结构是无线局域网中常用的拓扑结构。它使用无线传输介质实现点到点和多点传输。蜂窝网络被广泛采用，源于一个数学结论，即以相同半径的圆形覆盖平面,当圆心处于正六边形网格的各正六边形中心，也就是当圆心处于正三角网格的格点时，所用圆的数量最少。这样形成的网络覆盖在一起，形状非常像蜂窝，因此称为蜂窝结构，如图16所示。
图16蜂窝拓扑结构蜂窝拓扑结构使用无线传输介质，无须架设物理连接线路，对于不适合布线的场合非常适用。其缺点是使用范围较小，安全性不高。
6．混合型拓扑结构网络还可以同时采用几种拓扑结构，充分利用不同网络拓扑结构的优点，取长补短，组成混合型拓扑结构，如图17所示。
图17混合型拓扑结构1．2．2计算机网络的分类计算机网络的分类方法有很多种，根据不同的指标，对计算机网络进行不同的分类。计算机网络常见分类方有以下6种。
1.根据网络的覆盖范围与规模分类根据网络的覆盖范围与规模，将计算机网络分为局域网(localareanetwork,LAN)、城域网(metropolitanareanetwork，MAN)和广域网(wideareanetwork，WAN)。