計算機三級考試網絡技術第二章節詳解

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　　第二章　網絡技術基礎

本單元概覽

一、計算機網絡的形成與發展。

二、計算機網絡的基本概念。

三、分組交換的基本概念。

四、網絡體系結構與網絡協議的基本概念。

五、互聯網應用的發展。

六、無線網絡的應用與研究。

　　一、計算機網絡的形成與發展

1.計算機網絡的發展階段

第一階段：獨立發展的計算機技術與通信技術結合。奠定了計算機網絡的理論基礎。

第二階段：ARPANET與分組交換技術的發展，奠定了互聯網的基礎。

第三階段：各種廣域網、局域網和公用分組交換網絡的發展，網絡體系結構與網絡協議的標準化。國際標準化組織(ISO)制定了開放系統參考模型(OSI)。

第四階段：Internet、高速通信網絡、無線網絡與網絡安全技術的應用。

2.計算機網絡的形成

(1)由一台中央主機通過通信線路連接大量的地理上分散的終端，構成面向終端的通信網絡，終端分時訪問中心計算機的資源，中心計算機將處理結果返回終端。

(2)20世紀60年代中期，出現了多台計算機通過通信系統互連的系統，開創了“計算機——計算機”通信時代，這樣分佈在不同地點且具有獨立功能的計算機就可以通過通信線路，彼此之間交換數據、傳遞信息。

(3)ARPANET的發展以及OSI的制定，使各種不同的網絡互聯、互相通信變為現實，實現了更大範圍內的計算機資源共享。

Internet是覆蓋全球的信息基礎設施之一，用户可以利用Internet實現全球範圍的信息傳輸、信息查詢、電子郵件、語音與圖像通信服務等功能。

3.網絡體系結構與協議標準化

在計算機網絡發展的第三階段，出現了很多不同的網絡，導致網絡之間的通信困難。迫切需要統一的網絡體系結構和統一的網絡協議。

ISO制定了OSI參考模型，作為國際認可的標準模型。

TCP/IP協議以及體系結構早於OSI參考模型，因此TCP/IP協議與體系結構也是業內公認的標準。

4.互聯網的應用與高速網絡技術的發展

(1)互聯網高速發展

互聯網不僅是一種資源共享、數據通信和信息查詢的手段，逐漸成為人們瞭解世界、討論問題、休閒、學術研究、商貿、教育甚至軍事活動等重要領域。

(2)信息高速公路

高速網絡技術主要體現在：異步傳輸模式(ATM)，寬帶綜合業務數字網(B-ISDN)，高速局域網，交換局域網，虛擬網絡與無線網絡。

(3)基於WEB技術的互聯應用的發展

Web技術的出現使網站的數量和網絡的通信量呈指數增長。

(4)基於P2P技術的應用技術發展

區別於客户機/服務器結構，對等(P2P)網絡淡化了服務提供者和服務使用者的界限，擴大了網絡資源的範圍和深度。

(5)網絡安全技術的發展

計算機網絡犯罪，使得網絡必須具備足夠的安全機制，防止信息被非法竊取、破壞與泄露。

5.寬帶城域網的發展

寬帶城域網與傳統的通信網絡在概念和技術上發生了很大的變化，主要體現在以下幾個方面：

傳統局域網、城域網與廣域網在技術上的界限模糊

傳統的電信傳輸技術與計算機網絡技術的界限越來越模糊

傳統的電信服務與互聯網應用的界限越來越模糊

電信傳輸網、計算機網絡與廣播電視網絡技術的界限越來越模糊

寬帶城域網的核心技術是：核心交換網和接入網。

　　二、計算機網絡的基本概念

1.計算機網絡的定義

所謂計算機網絡，就是把分佈在不同地理區域的計算機與專門的外部設備用通信線路互連成一個規模大、功能強的網絡系統,從而使眾多的計算機可以方便地互相傳遞信息，共享硬件、軟件、數據信息等資源。

計算機網絡是現代通信技術與計算機技術相結合的產物。

其基本特徵體現在三個方面：

(1)資源共享

(2)不同地理位置的“自治計算機”

(3)計算機之間必須遵守共同的網絡協議

2.計算機網絡的分類

計算機網絡分類的標準很多，如按拓撲結構、應用協議、傳輸介質、數據交換方式等等。如按網絡的覆蓋範圍分為局域網、廣域網、城域網;按拓撲結構分類有總線網、樹型網、星型網、環型網、網狀網;按傳播方式分為點對點傳輸和廣播式傳輸等。

(1)按覆蓋範圍分類：

局域網：一般用微型計算機通過高速通信線路相連，數據傳輸速率較快，通常在10Mbit/s以上，誤碼率較低。但其覆蓋範圍有限，是一個小的地理區域(例如：辦公室、大樓和方圓幾公里遠的地域)內的專用網絡。局域網從介質訪問控制方法來看可分為共享式介質和交換式局域網。

城域網：介於局域網和廣域網之間的高速計算機網絡。滿足幾千米範圍內多個局域網互連需求

廣域網：是遠距離、大範圍的計算機網絡，覆蓋範圍一般是幾十公里～幾千公里的廣闊地理區域，其主要作用是實現遠距離計算機之間的數據傳輸和信息共享，並且通信線路大多租用公用通信網絡(如公用電話網PSTN)。廣域網從邏輯功能上分為資源子網(由主計算機系統、終端控制器、連網外設、各種軟件資源與信息資源)和通信子網(通信控制處理器、通信線路、其他通信設備)。其中通信子網主要採用分組交換技術。

(2)按拓撲結構分類

網絡拓撲結構：主要指通信子網的'拓撲構型。通過網中節點與通信線路之間的幾何關係表示網絡結構。

廣播式網絡是指一個公共信道被多個網絡結點共享，對應的網絡拓撲結構有樹型、環型、總線型、無線通信與衞星通信。

點對點線路是指每個物理線路鏈接兩個結點。對應的拓撲結構有樹型、環型、星型與網狀型。

3.計算機網絡數據傳輸速率與誤碼率

(1)數據傳輸速率

每秒鐘傳輸二進制的比特數。單位bit/s或bps。記作：s=1/T(bps)，T為傳送1bit所需要的時間。

單位變換如下：1Kbps=1000bps，1Mbps=1000Kbps，1Gbps=1000Mbps，1Tbps=1000Gbps

奈奎斯定理特給出沒有噪聲時帶寬B(B=f,單位Hz)與最大傳輸速率之間的關係：

Rmax=2*fRmax：最大數據傳輸速率。B通信信道帶寬(頻率)單位HZ。

香農定理給出了有隨機熱噪聲時帶寬與數據傳輸速率之間的關係：

Rmax=B*log2(1+S/N)S/N信噪比(信號與噪聲功率比)單位是分貝。

(2)誤碼率

二進制碼元在數據傳輸過程中被傳錯的概率，其近似值為：

Pe=Ne/N(N為傳輸二進制碼元的總數，Ne為被傳錯的碼元數。)

誤碼率應注意以下問題：

誤碼率是衡量數據傳輸系統正常工作狀態下傳輸可靠性的參數。

對於實際的傳輸系統，不能籠統地説誤碼率越低越好，要根據實際情況衡量。

實際的傳輸系統，如果不是傳輸二進制碼元，需要摺合成二進制碼元計算。

誤碼率具有隨機性，實際測量時只有測試的二進制碼元越大，才會接近真正的誤碼率。

　　三、分組交換技術的基本概念

1.電路交換的基本概念

通信子網的交換方式中分為兩類：電路交換和存儲轉發交換。其中存儲轉發交換分為報報文交換和報文分組交換。其中分組交換技術分為：數據報方式與虛電路方式

電路交換分為三個階段：

(1)線路建立：兩台主機要傳輸數據，首先通過子網建立兩台主機之間的線路連接。

(2)數據傳輸：線路連接後，可以實現實時、雙向的交換數據。

(3)線路釋放：數據傳輸結束後，原點想目的主機發送釋放請求，目的同意後逐步釋放連接。

線路交換的優點：實時性強，適應於交互式會話通信。

線路交換的缺點：對突發性通信不適應，系統效率低，不具備存儲數據能力，不具備差錯控制能力。

2.存儲轉發交換的特點

與線路交換的特點區別：

(1)發送的數據與目的地址、源地址、控制信息按照一定格式組成一個數據單元(報文或報文分組)進入通信子網。

(2)通信子網的結點是通信控制處理機，它負責完成數據單元的接受、差錯檢驗、存儲、路徑選擇和轉發功能。存儲轉發交換分為報文交換和報文分組交換。被傳送的數據單元分為兩種：報文和報文分組。

報文：數據長度不限，增加目的地址、源地址與控制信息組成一個邏輯單元。

分組：限制報文長度，源結點需要將報文分成多個分組，發送結束後，由目的結點按順序重新組織成報文。

存儲轉發優點：共享信道，線路利用率高;路由選擇功能，提高系統效率;每個路由可進行差錯檢查和糾錯處理，提高系統可靠性;路由器實現不同通信速率的轉換，也可對不同數據代碼格式進行轉換。

3.實際應用中，分組交換技術分為：數據報方式與虛電路方式

(1)數據報方式

分組傳輸前不需要預先在源與目的之間建立連接，源主機發送的每一個分組都可以獨立選擇一條傳輸路徑，每個分組可以在通信子網中通過不同的路徑傳輸到達目的地。

具體步驟：

源主機將報文分成若干個分組，發送給直接相連的處理機，收到的處理機存儲分組;

每個收到分組的處理機都進行差錯檢驗，然後收到分組的處理機向發送處理機返還確認信息。

如果分組發送正確，源處理機丟棄副本然後進行路徑選擇發送給下一個處理機。

如果分組發送錯誤，則要求重發;

直到到達目的地。

數據報的特點：各分組可按不同路徑發送;到達目的地的分組可能有亂序、丟失等現象;每個分組要包含目的和源地址;傳輸延遲較大。

(2)虛電路方式

虛電路方式將數據報與電路交換結合起來，分組發送前需要在發送方和接收方建立邏輯連接。所以虛電路的工作過程分為三個階段：虛電路建立、數據傳輸、虛電路拆除。

虛電路的特點：

每次分組傳輸前，需要在源和目的之間建立邏輯連接;

所有分組按統一建立的虛電路傳輸，不會出現亂序和丟失現象;

分組通過的每一個結點時，結點只要差錯檢查，不需要路徑選擇;

通信子網中的每一個結點可以與任何結點建立多條虛電路。

虛電路與線路交換的區別：虛電路在傳輸分組時建立虛連接，這種電路不是專用的;而電路交換的連接是物理連接，是獨佔的。

　　四、網絡體系結構與網絡協議的基本概念

1.網絡體系結構的基本概念

網絡協議：為網絡數據交換而制定的規則，約定與標準。

主要有三要素：

語法：規定用户數據與控制信息的結構和格式;

語義：規定需要發出何種控制信息以及完成的動作與作出的響應;

時序：對事件實現順序的詳細説明。

計算機網絡體系結構：計算機網絡層次結構模型和各層協議的集合。

體系結構是抽象的，而實現是具體的，是能夠運行的一些硬件和軟件。體系結構採用層次結構。

採用層次結構的好處：

a)各層之間相互獨立

b)靈活性好

c)各層都可以採用最合適的技術實現，各層實現技術部影響其它層

d)易於實現和維護

e)有利於促進標準化

參考模型

(1)OSI參考模型的概念

OSI中採用三級抽象：體系結構、服務定義和協議規格説明。

體系結構：定義了層次結構、層次之間的相互關係以及各層所包括的可能的服務，是對網絡內部結構最精煉的概括與描述。

服務定義：詳細説明了各層所提供的服務。通過接口提供給更高一層。同時還定義了層與層之間接口和各層所使用的原語，但不涉及接口的實現。

協議規格説明：精確定義了應當發送什麼控制信息，以及應當用什麼樣的過程解釋這個控制信息。協議的規程説明具有最嚴格的約束。

OSI參考模型僅僅是抽象描述，或者説是一個制定標準時所使用的框架。

(2)OSI參考模型的結構以及各層的主要功能

OSI分7層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。

物理層：利用物理傳輸介質為數據鏈路層提供物理連接，以便透明傳輸比特流。

數據鏈路層：在物理提供比特流傳輸服務的基礎上，在通信的實體之間建立數據鏈路連接，傳送以幀為單位的數據，並具有差錯控制和流量控制功能。

網絡層：通過路由選擇算法，為分組的通過選擇最適當路徑。需要實現路徑選擇、擁塞控制與網絡互聯功能。

傳輸層：向用户提供可靠的端到端服務，透明傳輸報文，它向高層屏蔽了下層功能，是體系結構中最關鍵的一層。

會話層：組織兩個會話進程之間的通信，並管理數據交換。

表示層：處理兩個通信系統中交換信息的表示方式。包括格式轉換、數據加密解密、數據壓縮與數據恢復等功能。

應用層：確定進程之間通信的性質，以滿足用户的需要。

參考模型與協議

TCP/IP的協議特點：

開放的協議標準，獨立於特定的計算機硬件和操作系統

獨立於特定的網絡硬件，可以在局域網、廣域網和互聯網中

統一的地址分配方案，使得每台網絡中計算機具有唯一的地址

標準化的高層協議，可提供多種可靠的用户服務。

TCP/IP參考模型與層次

主機-網絡層、互聯層(IP)、傳輸層(TCP/UDP)和應用層。

與OSI模型對應：

TCP/IP的主機-網絡層實現了OSI模型中物理層和鏈路層的功能。

TCP/IP的互聯層實現了OSI模型中網絡層的功能。

TCP/IP的傳輸層實現了OSI模型中網傳輸層的功能。

TCP/IP的應用層實現了OSI模型中網應用層的功能。

TCP/IP的主機—網絡層負責通過網絡發送和接收IP數據報。

TCP/IP的互聯層功能主要體現在3個方面：(1)處理來自傳輸層的分組發送請求(2)處理接收的數據報(3)處理互聯的路徑、流控與擁塞問題

TCP/IP的傳輸層實現應用進程間的端到端通信，具有兩個協議：TCP和UDP協議。

TCP:是一種可靠面向連接的協議，允許將一台主機的字節流無差錯地傳送到目的主機。

UDP：不可靠的無連接協議。不要求分組順序到達目的地。

TCP/IP的應用層的主要協議有：遠程登錄協議(Telnet)，文件傳輸協議(FTP)，簡單郵件傳輸協議(SMTP),域名服務(DNS),路由信息協議(RIP)，網絡文件協議(NFS),超文本傳輸協議(HTTP)等。

　　五、互聯網應用的發展

1.基於WEB應用的發展

WEB技術的出現使互聯網從最初的主要由計算機專家和大學生使用，變為一種被廣泛使用的信息交流工具;同時使得網站的數量和網路的通信量呈指數增長，已經廣泛應用於電子政務、電子商務、遠程教育與信息服務等領域，並有繼續擴大的趨勢。

2.搜索引擎技術的發展

搜索引擎是運行在WEB上的應用系統軟件，是對網絡上大量資源建立索引並提供檢索服務的應用軟件。

3.播技術的應用

播客(Podcast)是基於互聯網的數字廣播技術之一。

根據節日類型的不同分為：傳統節目的播客、專業播客提供商與個人播客。

4.博客技術的應用

博客(blog)指以文章的形式在互聯網上實現信息共享。在技術上屬於網絡共享空間，在形式上屬於個人互聯網出版類的應用。

5.網絡電視的應用

網絡電視(IPTV)通過寬帶IP網絡傳輸，可以實現與用户的互動點播，同時能夠方便地將傳統電視與WWW、E-MAIL等互聯網結合起來。

6.P2P技術的應用

P2P網絡中的每一台計算機既可以作為網絡服務的使用者，又可以作為網絡服務的提供者。

　　六、無線網絡的研究與應用

1.寬帶無線接入技術與IEEE802.16標準

IEEE802.16無線城域網標準，可提供2～155Mbps的帶寬，寬帶無線接入分為移動接入和固定接入。

2.無線局域網與IEEE802.11標準

IEEE802.11標準以微波、激光與紅外線等作為傳輸介質，實現移動計算機網絡中的移動結點的物理層與數據鏈路層的功能。

3.藍牙技術與IEEE802.15標準

藍牙技術是無線自組網的應用，IEEE802.15是以藍牙規範為基礎，制定的短距離、低功耗的無線通信標準。

4、無線自組網，又稱移動Adhoc網絡，它是在分組無線網基礎上發展的。

5、無線傳感器網絡，將Adhoc技術與傳感器技術相結合。由部署在監測區內大量的微型傳感器節點組成，通過無線通訊方式形成多跳的Adhoc網絡，目的是協作的感知、採集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息併發送給觀察者。傳感器網絡三要素為：傳感器、感知對象、觀察者。

6、無線網格網。推動其發展的直接動力是互聯網接入的應用需求。如果將Adhoc技術作為WLAN與WiMAX等無線接入技術的補充，應用到互聯網無線接入網中。