計算機網絡技術基礎第3版配套課件計算機網絡技術基礎（第3版）1第一章計算機網絡基礎知識2第二章數據通信技術3第三章局域網4第四章廣域網目錄5第五章網絡互聯技術與IP7第七章Internet基礎知識6第六章傳輸層協議8第八章Internet接入技術9第九章網絡操作系統10第十章網絡安全11第十一章網絡管理12第十二章云計算與物聯網目錄第一章計算機網絡基礎知識計算機網絡技術基礎（第3版）1.1計算機網絡的產生和發展1.2計算機網絡概述1.3計算機網絡的功能1.4計算機網絡的分類和拓撲結構學習要點1.5計算機網絡的應用1.7標準化組織1.6三大網絡介紹1.8網絡體系結構與協議概述1.9網絡參考模型1.1計算機網絡的產生與發展計算機網絡經歷了從簡單到復雜、從低級到高級、從單機到多機的過程。計算機技術和通信技術緊密結合，相互促進，共同發展，最終產生了計算機網絡。計算機網絡的發展大體上可以分為4個階段：面向終端的通信網絡階段、計算機互聯階段、網絡互聯（Internetworking）階段、Internet與高速網絡階段。1.1計算機網絡的產生與發展面向終端的通信網絡階段01OPTION20世紀60年代初期，出現了多重線路控制器（MultipleLineController），其可以和多個遠程終端相連接，這樣就構成了面向終端的第一代計算機網絡。但這種網絡系統存在兩個缺點：系統響應時間過長；通信線路的利用率較低。后來又出現了多機連機系統。這種系統的主要特點是在主機和調制解調器之間設置了前端處理機（FrontEndProcessor，FEP），如圖1-1所示。另外，該系統在遠程終端較密集處增加了一個集中器（Concentrator）。如圖1-2所示，提高了通信線路的利用率。圖1-2引入集中器的圖1-2引入集中器的多機連機系統1.1計算機網絡的產生與發展計算機互聯階段02OPTION隨著計算機應用的發展、計算機的普及和價格的降低，出現了多臺計算機互聯的需求，如圖1-3所示。這樣分布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。這一階段的典型代表是美國國防部高級研究計劃署（AdvancedResearchProjectsAgency，ARPA）的ARPANet（通常稱為ARPA網）。ARPANet是世界上第一個實現了以資源共享為目的的計算機網絡。在這一階段，公用數據網（PublicDataNetwork，PDN）與局部網絡（LocalNetwork，LN）技術也得到了迅速的發展。圖1-3計算機互聯示意圖1.1計算機網絡的產生與發展網絡互聯階段03OPTION計算機網絡發展的第3個階段——網絡互聯階段是加速體系結構與協議國際標準化的研究與應用的時期。經過多年卓有成效的工作，1984年國際標準化組織（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）正式制定和頒布了“開放系統互聯參考模型”（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI/RM）。ISO/OSIRM已被國際社會認可，成為研究和制定新一代計算機網絡標準的基礎。OSI標準使各種不同的網絡互聯、互通變為現實，實現了更大范圍的計算機資源共享。我國也于1989年在《國家經濟信息系統設計與應用標準化規范》中明確規定選定OSI標準作為我國網絡建設的標準。1.1計算機網絡的產生與發展Internet與高速網絡階段04OPTION目前，計算機網絡的發展正處于第4個階段。其特點：是互聯、高速、智能與更為廣泛的應用。對用戶來說，Internet是一個龐大的遠程計算機網絡，用戶可以利用Internet實現全球范圍的信息傳輸、信息查詢、電子郵件（E-mail）服務、語音與圖像通信服務（CommunicationService）等功能。高速網絡技術的發展表現在寬帶綜合業務數字網（BroadbandIntegratedServiceDigitalNetwork，BISDN）、幀中繼（FrameRelay，FR）、異步傳輸模式（AsynchronousTransferMode，ATM）、高速局域網、交換式局域網與虛擬網絡上。所謂計算機網絡，就是把分布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聯成一個規模大、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、軟件和數據信息等資源。計算機網絡主要包含連接對象、連接介質、連接的控制機制和連接的方式4個方面。1.2.1計算機網絡的基本概念對象指各種類型的計算機或其他數據終端設備介質連接方式指通信線路和通信設備指網絡協議和各種網絡軟件指網絡所采用的拓撲結構控制機制1.2.2 通信子網和資源子網從功能上分，計算機網絡系統可以分為通信子網和資源子網兩大部分，計算機網絡的結構如圖1-4所示。圖1-3計算機互聯示意圖通信子網01OPTION1.2.2 通信子網和資源子網通信子網由通信控制處理機（CommunicationControlProcessor，CCP）、通信線路和其他網絡通信設備組成，主要承擔全網的數據傳輸、轉發、加工、轉換等通信處理工作。資源子網02OPTION資源子網主要負責全網的數據處理業務，向全網用戶提供所需的網絡資源和網絡服務。資源子網主要由主機（Host）、終端（Terminal）、終端控制器、聯網外部設備，以及軟件資源和信息資源等組成。主機是資源子網的重要組成單元，既可以是大型機、中型機、小型機，也可以是局域網中的微型計算機。1.3 計算機網絡的功能計算機網絡的主要功能歸納起來有以下幾點。040103數據通信提高計算機系統的可靠性02均衡負荷與分布式處理資源共享數據通信是計算機網絡最基本的功能，為網絡用戶提供了強有力的通信手段。如發送電子郵件、遠程登錄（Telnet）、聯機會議和萬維網（WorldWideWeb，WWW）等。（1）硬件和軟件共享：硬件設備，如打印機、光驅、磁盤和圖形設備等。軟件共享通如數據庫管理系統。（2）信息共享：如各類電子出版物、網上新聞、網上圖書館和網上超市等）。當網絡中某臺計算機的任務負荷太重時，可將任務分散到網絡中的各臺計算機上進行，或讓網絡中比較空閑的計算機分擔負荷。在計算機網絡中，每一臺計算機都可以通過網絡為另一臺計算機備份以提高計算機系統的可靠性。這樣，一旦網絡中的某臺計算機發生了故障，另一臺計算機可代替其完成所承擔的任務，整個網絡可以照常運轉。1.4.1計算機網絡分類網絡種類覆蓋范圍分布距離局域網房間10

m建筑物100

m校園1

km廣域網國家100

km以上城域網城市10

km以上國際互聯網洲或洲際1

000

km以上按網絡的覆蓋范圍可以將網絡分為局域網（LocalAreaNetwork，LAN）、廣域網（WideAreaNetwork，WAN）、城域網（MetropolitanAreaNetwork，MAN）和國際互聯網（Internet），如表1-1所示。表1-1不同類型網絡之間的比較1.4.1計算機網絡分類局域網局域網的地理分布范圍半徑為幾千米以內的區域，一般局域網建立在某個機構所屬的一個建筑群內或校園內部，甚至幾臺計算機也能構成局域網。其覆蓋范圍有限，數據的傳輸距離短，但局域網內的數據傳輸速率都比較高，一般在10Mbit/s～100Mbit/s，現在高速的局域網傳輸速率可達到1000Mbit/s。廣域網也稱為遠程網，是遠距離、大范圍的計算機網絡。可實現遠距離計算機之間的數據傳輸和信息共享，并且是跨地區、跨城市或跨國家的計算機網絡，覆蓋范圍半徑為幾百千米到幾千千米。由于廣域網覆蓋的范圍很大，聯網的計算機眾多，因此廣域網上的信息量非常大，共享的信息資源極為豐富。但是廣域網的數據傳輸速率比較低，一般在64kbit/s～2Mbit/s。城域網城域網的覆蓋范圍在局域網和廣域網之間，一般是半徑為幾千米到幾十千米區域，通常在一個城市內。國際互聯網Internet并不是一種具體的網絡技術，而是將同類和不同類的物理網絡（局域網、廣域網和城域網）通過某種協議互聯起來的一種高層技術。1.4.2計算機網絡的拓撲結構拓撲是從圖論演變而來的，是一種研究與大小、形狀無關的點、線、面特點的方法。網絡拓撲結構是指用傳輸介質互聯各種設備的物理布局，通俗地講就是這個網絡看起來是一種什么形式。將工作站（Workstation）、服務器等網絡單元抽象為“點”，網絡中的通信介質抽象為“線”。AB從拓撲學的觀點來看，計算機和網絡系統就形成了點和線組成的幾何圖形。從而抽象出網絡系統的具體結構。網絡拓撲結構并不涉及網絡中信號（Signal）的實際流動，而只反映介質的物理連接形態。1.4.2計算機網絡的拓撲結構在星形拓撲結構中，各節點通過點到點的鏈路與中央節點連接，如圖1-5所示。中央節點可以是轉接中心，起到連通的作用；也可以是一臺主機，具有數據處理和轉接的功能。優點：是可以很容易地在網絡中增加和移動節點，實現數據的安全性和優先級控制；缺點：是屬于集中控制，對中央節點的依賴性大，一旦中央節點有故障就會導致整個網絡的癱瘓。星形拓撲結構圖1-5星形拓撲結構1.4.2計算機網絡的拓撲結構在環形拓撲結構中，節點通過點到點的通信線路連接成閉合環路，如圖1-6所示。環中數據將沿一個方向逐個節點傳輸。環形拓撲結構簡單、傳輸時延確定，但是環中每個節點與連接節點之間的通信線路都會成為網絡可靠性的屏障，環中某一個節點出現故障就會造成網絡癱瘓。另外，對于環形網絡，網絡節點的增加和移動與環路的維護和管理都比較復雜環形拓撲結構圖1-6環形拓撲結構1.4.2計算機網絡的拓撲結構在總線型拓撲結構中，所有節點共享一條數據通道，如圖1-7所示。一個節點發出的信息可以被網絡上的每個節點接收。由于多個節點連接到了一條公用信道（InformationChannels）上，所以必須采取某種方法分配信道，以決定哪個節點可以優先發送數據。總線型網絡結構簡單，安裝方便，需要鋪設的線纜最短，成本低，并且某個節點自身的故障一般不會影響整個網絡，因此是普遍使用的網絡結構之一。其缺點是實時性較差，公用信道上的故障會導致全網癱瘓。總線型拓撲結構圖1-7總線型拓撲結構1.4.2計算機網絡的拓撲結構在樹形拓撲結構中，網絡的各節點形成了一個層次化的結構，如圖1-8所示。樹中的各個節點通常都為主機。樹中低層主機的功能與應用有關，一般都具有明確定義的功能，如數據采集、變換等；高層主機具備通用的功能，以便協調系統的工作，如數據處理、命令執行等。一般來說，樹形拓撲結構的層次數量不宜過多，以免轉接開銷過大，使高層節點的負荷過重。若樹形拓撲結構只有兩層，就變成了星形結構，因此可以將樹形拓撲結構視為星形拓撲結構的擴展結構。樹形拓撲結構圖1-8樹形拓撲結構1.4.2計算機網絡的拓撲結構在網狀拓撲網絡中，節點之間的連接是任意的，沒有規律，如圖1-9所示。其主要優點是可靠性高，但結構復雜，必須采用路由選擇算法和流量控制方法。廣域網基本上都是采用網狀拓撲結構。網狀拓撲結構圖1-9網狀拓撲結構1.5 計算機網絡的應用1．計算機網絡在企事業單位中的應用計算機網絡可以幫助企事業單位內部實現辦公自動化，做到各種軟、硬件資源共享。如果將內部網絡連入Internet，還可以實現異地辦公。2．計算機網絡在個人信息服務中的應用遠程信息的訪問。個人與個人之間的通信。家庭娛樂。3．計算機網絡在商業上的應用電子數據交換（ElectronicDataInterchange，EDI）已成為國際貿易往來的一個重要手段，它以一種共同認可的資料格式使分布在全球各地的貿易伙伴通過計算機傳輸各種貿易單據。電子單據代替了傳統的貿易單據，節省了大量的人力和物力，提高了效率。1.6 三大網絡介紹電信網絡01OPTION電信網絡是以電話系統為基礎逐步發展起來的。電話系統主要由以下3個部分組成。本地網絡：主要使用雙絞線進入家庭或業務部門，承載的是模擬信號。干線：通過光纖將交換局連接起來，承載的是數字信號。交換局：使電話呼叫從一條干線接入另一條干線。電信網絡除了有傳統的公用電話交換網（PublicSwitchedTelephoneNetwork，PSTN），還有數字數據網（DigitalDataNetwork，DDN）、幀中繼（FrameRelay，FR）網和異步傳輸模式（AsynchronousTransferMode，ATM）網等。1.6 三大網絡介紹廣播電視網絡02OPTION廣播電視網絡主要是指有線電視（CommunityAntennaTelevision，CATV）網，它目前還是靠同軸電纜向用戶傳送電視節目，處于模擬水平階段，但其網絡技術設備先進，主干網采用光纖，貫通各個城鎮。混合光纖同軸電纜（HybridFiber-Coaxial，HFC）入戶與電話接入方式相比，其優點是傳輸帶寬約為電話線的一萬倍，而且在有線電視的同一根同軸電纜上，用戶可以同時看電視、打電話、上網，互不干擾。目前，廣播電視網絡的信息源是以單向實時及一對多的方式連接到眾多用戶的，用戶只能被動地選擇是否接收（主要是語音和圖像）。利用混合光纖同軸電纜進行視頻點播（VideoOnDemand，VOD）及通過CATV網接入Internet進行視頻點播、通話等是CATV網今后的發展方向。它的主要業務除了廣播電視傳輸之外，還包括電視點播、遠程電視教育、遠程醫療、電視會議、電視電話和電視購物等。1.6 三大網絡介紹計算機網絡03OPTION早期的計算機網絡主要是局域網。在計算機網絡中，用戶之間的連接可以是一對一的，也可以是一對多的；相互間的通信既有實時的，也有非實時的，但在大多數情況下是非實時的，采用的是存儲轉發方式。通信方式可以是雙向交互的，也可以是單向的。計算機網絡主要提供的業務有文件共享、信息瀏覽、電子郵件、網絡電話、視頻點播、FTP文件下載和網上會議等。從以上3個網絡所能提供的業務來看，在未來的信息社會，需要將三網融合，即三網合一。所謂“三網合一”，就是把現有的傳統電信網絡、廣播電視網絡和計算機網絡互相融合，逐漸形成一個統一的網絡系統，由一個全數字化的網絡設施來支持包括數據、語音和圖像在內的所有業務的通信。1.7 標準化組織ISO01OPTION國際標準化組織是一個全球性的非政府組織，是國際標準化領域中一個十分重要的組織。ISO的任務是促進全球范圍內的標準化及其相關活動的開展，以利于國際產品和服務的交流，以及在知識、科學、技術和經濟活動中發展國際合作。ISO制定了網絡通信的標準，即開放系統互聯。ITU02OPTION國際電信聯盟（InternationalTelecommunicationsUnion，ITU）是世界各國政府的電信主管部門之間協調電信事務的一個國際組織。ITU的宗旨是維持和擴大國際合作，以改進和合理地使用電信資源，促進技術設施的發展及其有效的運用，以提高處理電信業務的效率，擴大技術設施的用途，并盡量使其在公眾中得到普遍利用，協調各國行動。在通信領域，著名的國際電信聯盟標準化部門（ITU-T）標準有V系列標準，如V.32、V.33和V.42標準。ITU-T的標準還包括電子郵件、目錄服務、ISDN、寬帶ISDN等方面的內容。1.7 標準化組織IEEE03OPTION電氣與電子工程師協會（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE）在1963年由美國電氣工程師學會（AmericanInstituteofElectricalEngineers，AIEE）和美國無線電工程師學會（InstituteofRadioEngineers，IRE）合并而成，是美國規模最大的專業學會。IEEE的最大成果是制定了局域網和城域網的標準，這個標準被稱為802項目或802系列標準。ANSI04OPTION國國家標準學會（AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI）是由制造商、用戶通信公司組成的非政府組織，是由美國指定的ISO投票成員。它致力于國際標準化事業和實現消費品方面的標準化。1.7 標準化組織EIA05OPTION美國電子工業協會（ElectronicIndustriesAlliance，EIA）創建于1924年，當時名為無線電制造商協會（RadioManufacturersAssociation，RMA），EIA廣泛代表了設計生產電子元件、部件、通信系統和設備的制造商，以及工業界、政府和用戶的利益，在提高美國制造商的競爭力方面起到了重要的作用。TIA06OPTION美國通信工業協會（TelecommunicationsIndustryAssociation，TIA）是一個全方位的服務性國家貿易組織。此外，TIA還有一個分支機構——多媒體通信協會（MultiMediaTelecommunicationsAssociation，MMTA）。TIA還與EIA有著廣泛而密切的聯系。1.8.1網絡體系結構的概念體系結構（Architecture）是研究系統各組成部分及其相互關系的技術科學。計算機網絡體系結構是指整個網絡系統的邏輯組成和功能分配，其定義和描述了一組用于計算機及其通信設施之間互聯的標準和規范的集合。研究計算機網絡體系結構的目的在于定義計算機網絡各個組成部分的功能，以便在統一的原則下對計算機網絡的設計、建造、使用和發展進行指導。1.8.2網絡協議的概念網絡協議就是為網絡中的數據通信而建立的規則、標準或約定。聯網的計算機與網絡設備之間要進行數據與控制信息（一種用于控制設備如何工作的數據）的成功傳遞，就必須共同遵守網絡協議。網絡協議主要由以下3個要素組成。12語法（Syntax）：規定了通信雙方“如何講”，即確定用戶數據與控制信息的結構與格式。語義（Semantics）：規定了通信的雙方準備“講什么”，即需要發出何種控制信息、完成何種動作和做出何種應答。3時序（Timing）：又可稱為同步，規定了雙方“何時進行通信”，即事件實現順序的詳細說明。1.8.3網絡協議的分層分層的好處01OPTION好處各層之間相互獨立。靈活性好，易于實現和維護。有利于促進標準化。1.8.3網絡協議的分層各層次間的關系02OPTION不同的網絡，其層次數、各層的名字、內容和功能都不盡相同。然而，在所有的網絡中，每一層的目的都是向上一層提供一定的服務，而上一層根本不需要知道下一層是如何實現服務的。每一對相鄰層次之間都有一個接口（Interface），接口定義了下層向上層提供的原語操作（即命令）和服務，相鄰層次都是通過接口來交換數據的。低層通過接口向高層提供服務，只要接口條件不變、低層功能不變，低層功能的具體實現方法與技術的變化就不會影響整個系統的工作。計算機網絡的層次模型如圖1-10所示。圖1-10計算機網絡的層次模型1.8.3網絡協議的分層每一層中的活動元素通常被稱為實體（Entity）。實體既可以是軟件實體（如一個進程），也可以是硬件實體（如智能輸入/輸出芯片）。不同通信節點上的同一層實體被稱為對等實體（PeerEntity）。圖1-11對等實體間通信過程1.8.3網絡協議的分層層間的關系舉例03OPTION假設有甲、乙兩個董事長（第3層中的對等實體）。董事長甲是中國人，在成都；董事長乙是法國人，在巴黎，他們要進行對話。兩個董事長的辦公室都有兩位工作人員：翻譯（第2層中的對等實體）和秘書（第1層中的對等實體）。兩個董事長的對話過程如圖1-12所示。……圖1-12甲、乙董事長的對話過程從上面這個例子可以看出：每層的實體所遵循的協議與其他層的實體所遵循的協議完全無關，在通信過程中，只要求該層的功能不變且該層與其他層的接口保持不變。低層的每一層都可能增加一些對等實體需要的信息，但這些信息一般不會被傳遞到對等實體之上的層。1.9.1

OSI參考模型OSI參考模型的概念1984年，ISO發布了著名的ISO/IEC7498標準。它定義了網絡互聯的7層框架，這就是著名的開放系統互聯參考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel，OSI/RM）。OSI/RM參考模型的結構如圖1-13所示。圖1-13OSI/RM參考模型的結構01OPTION1.9.1

OSI參考模型OSI參考模型各層的功能02OPTION物理層（PhysicalLayer）是OSI參考模型的最低層。物理層的主要任務就是透明地傳輸二進制比特流，即經過實際電路傳輸后的比特流沒有發生變化。但是物理層并不關心比特流的實際意義和結構，只負責接收和傳輸比特流。作為發送方，物理層通過傳輸介質發送數據；作為接收方，物理層通過傳輸介質接收數據。物理層定義的典型規范代表有EIA/TIARS-232、EIA/TIARS-449、V.35和RJ-45等。值得注意的是，傳輸信息所利用的物理傳輸介質，如雙絞線、同軸電纜、光纖等，并不在物理層之內，而是在物理層之下。（1）物理層1.9.1

OSI參考模型數據鏈路層的主要任務是在兩個相鄰節點間的線路上無差錯地傳輸以幀（Frame）為單位的數據，使數據鏈路層對網絡層顯現為一條無差錯線路。數據鏈路層的代表協議有同步數據鏈接控制（SynchronousDataLinkControl，SDLC）、高級數據鏈路控制（High-levelDataLinkControl，HDLC）、點對點協議（Point-to-PointProtocol，PPP）、生成樹協議（SpanningTreeProtocol，STP）和幀中繼等。（2）數據鏈路層（DataLinkLayer）數據的單位為數據分組（Packet）。網絡層的關鍵問題是如何進行路由選擇，以確定數據分組（數據包）如何從發送端到達接收端。如果子網中同時出現的數據分組太多，它們將會互相阻塞，影響數據的正常傳輸。因此，擁塞控制也是網絡層的功能之一。網絡層協議的代表有網際協議（InternetProtocol，IP）、互聯網分組交換協議（InternetworkPacketExchangeProtocol，IPX）、路由信息協議（RoutingInformationProtocol，RIP）、開放式最短路徑優先協議（OpenShortestPathFirst，OSPF）等。（3）網絡層（NetworkLayer）1.9.1

OSI參考模型傳輸層從會話層接收數據，形成報文（Message），并且在必要時將其分成若干個分組，然后交給網絡層進行傳輸。主要功能是為上一層進行通信的兩個進程提供一個可靠的端到端服務，使傳輸層以上的各層看不見傳輸層以下的數據通信細節，傳輸層以上的各層不再關心信息傳輸的問題。端到端是指進行相互通信的兩個節點不是直接通過傳輸介質連接起來的，兩個節點之間有很多交換設備（如路由器），這樣的兩個節點之間的通信就稱為端到端通信。傳輸層協議的代表有傳輸控制協議（TransmissionControlProtocol，TCP）、用戶數據報協議（UserDatagramProtocol，UDP）、序列分組交換協議（SequencedPacketExchange，SPX）等。（4）傳輸層（TransportLayer）1.9.1

OSI參考模型表示層關心的是所傳輸信息的語法和語義。表示層的主要功能是處理在多個通信系統之間交換信息的表示方式，主要包括數據格式的轉換、數據加密與解密、數據壓縮與恢復等。表示層協議的代表有ASCII、ASN.1、JPEG和MPEG等。（6）表示層（PresentationLayer）應用層為網絡用戶或應用程序提供各種服務，如文件傳輸、電子郵件、網絡管理和遠程登錄等。應用層協議的代表有遠程登錄服務（Telnet）、FTP、超文本傳輸協議（HyperTextTransferProtocol，HTTP）、簡單網絡管理協議（SimpleNetworkManagementProtocol，SNMP）等。（7）應用層（ApplicationLayer）會話層允許不同機器上的用戶建立會話關系，主要是針對遠程訪問，主要任務包括會話管理、傳輸同步和數據交換管理等。會話層協議的代表有網上基本輸入/輸出系統（NetworkBasicInput/OutputSystem，NetBIOS）、ZIP（AppleTalk區域信息協議）等。（5）會話層（SessionLayer）1.9.1

OSI參考模型OSI參考模型中的數據傳輸過程03OPTION圖1-14所示為OSI參考模型中的數據傳輸過程。圖1-13OSI/RM參考模型的結構從圖1-14中可以看出，OSI參考模型中的數據傳輸過程包括以下幾步。（1）應用進程A將要發送的數據傳輸到應用層、表示層，直至物理層。（2）物理層通過連接該主機系統與通信控制處理機CCPA的傳輸介質將數據輸送到通信控制處理機CCPA。（3）通信控制處理機CCPA的物理層接收到主機A傳輸的數據后，通過數據鏈路層檢查是否存在傳輸錯誤，然后通過網絡層的路由選擇，確定下一個節點是通信控制處理機CCPB。（4）通信控制處理機CCPA將數據傳輸到通信控制處理機CCPB，CCPB采用相同的方法將數據傳輸到主機B。（5）主機B將接收到的數據從物理層向高層傳輸直至應用層。最后將數據傳輸給主機B的應用進程B。1.9.2

TCP/IP參考模型TCP/IP概述01OPTIONTCP/IP在1973年誕生，ARPANet的運行經驗表明，TCP/IP是一個非常可靠且實用的網絡協議。當現代Internet的雛形——美國國家科學基金會（NationalScienceFoundation，NSF）建立的NSFNet于20世紀80年代末出現時，就借鑒了ARPANet的TCP/IP技術。TCP/IP也因此成為Internet上廣泛使用的標準網絡通信協議。TCP/IP由一系列的文檔定義組成，這些文檔定義描述了Internet的內部實現機制，以及各種網絡服務或服務的定義。TCP/IP并不是由某個特定組織開發的，它實際上是由一些團體共同開發的，任何人都可以把自己的意見作為文檔發布，但只有被認可的文檔才能最終成為Internet標準。作為一套完整的網絡通信協議結構，TCP/IP實際上是一個協議簇。除了其核心協議——TCP和IP之外，TCP/IP協議簇還包括其他一系列協議，它們都包含在TCP/IP協議簇的4個層次中，形成了TCP/IP協議棧，如圖1-15所示。1.9.2

TCP/IP參考模型圖1-15TCP/IP協議棧1.9.2

TCP/IP參考模型OSI參考模型與TCP/IP參考模型的層次對應關系02OPTION與OSI參考模型不同的是，TCP/IP參考模型是在TCP與IP出現之后才被提出來的。它們兩者之間的層次對應關系如圖1-16所示。TCP/IP參考模型的主機—網絡層與OSI參考模型的數據鏈路層和物理層相對應；TCP/IP參考模型的互聯層與OSI參考模型的網絡層相對應；TCP/IP參考模型的傳輸層與OSI參考模型的傳輸層相對應；TCP/IP參考模型的應用層與OSI參考模型的應用層相對應。根據OSI模型的經驗，會話層和表示層對大多數應用程序沒有用處，所以TCP/IP參考模型把它們排除在外。圖1-16OSI參考模型與TCP/IP參考模型的層次對應關系1.9.2

TCP/IP參考模型TCP/IP參考模型各層次的功能03OPTION主機—網絡層中包含了多種網絡層協議，如以太網協議（Ethernet）、令牌環網協議（TokenRing）、分組交換網協議（X.25）等。主機—網絡層（HosttoNetworkLayer）是TCP/IP參考模型中的最低層。事實上，TCP/IP參考模型并沒有真正定義這一部分，只是指出在這一層上必須具有物理層和數據鏈路層的功能，以將從網絡層傳輸下來的數據發送到目的主機的網絡層。（1）主機—網絡層。1.9.2

TCP/IP參考模型互聯層提供的是無連接的服務，主要負責將源主機的數據分組發送到目的主機。互聯層上定義了正式的數據分組格式和協議，即網際協議（InternetProtocol，IP）。互聯層的主要功能包括以下幾點。（2）互聯層。12處理來自傳輸層的分組發送請求。處理接收到的數據報。3進行流量控制與擁塞控制。1.9.2

TCP/IP參考模型主要功能是使發送方主機和接收方主機上的對等實體可以進行會話。從這一點上看，TCP/IP參考模型的傳輸層和OSI參考模型的傳輸層的功能類似。傳輸層上定義了以下兩個端到端的協議。（3）傳輸層。①傳輸控制協議。②用戶數據報協議。傳輸控制協議是一個面向連接的協議，允許從源主機發出的字節流（ByteStream）無差錯地傳輸到網絡上的其他主機上。用戶數據報協議是一個不可靠的、無連接的協議。1.9.2

TCP/IP參考模型應用層負責向用戶提供一組常用的應用程序，如電子郵件、遠程登錄、文件傳輸等。應用層包含所有TCP/IP協議簇中的高層協議，如文件傳輸協議（FileTransferProtocol，FTP）、簡單郵件傳輸協議（SimpleMailTransferProtocol，SMTP）、超文本傳輸協議、簡單網絡管理協議和域名系統（DomainNameSystem，DNS）協議等。應用層協議一般可以分為3類：（4）應用層。一類是依賴于面向連接的TCP，如文件傳輸協議、簡單郵件傳輸協議等；一類是依賴于無連接的UDP，如簡單網絡管理協議；還有一類則既依賴于TCP又依賴于UDP，如域名系統協議。1.9.3 兩種參考模型的比較相同點兩者都是基于獨立的協議棧的概念。層的功能也大體相似。兩者都有互聯（網絡）層、傳輸層和應用層。1.9.3 兩種參考模型的比較不同點TCP/IPTCP/IP參考模型最初沒有明確區分服務、接口和協議。TCP/IP參考模型則恰好相反，它出現在協議之后。TCP/IP參考模型只有4層。TCP/IP參考模型在網絡層僅有無連接通信方式，而在傳輸層支持兩種方式。OSIOSI模型有3個主要概念：服務、接口和協議。OSI參考模型產生在協議發明之前。OSI模型有7層。OSI參考模型在網絡層支持無連接和面向連接的通信，而在傳輸層僅有面向連接的通信。1.9.4 網絡參考模型的建議從前面的分析來看，OSI的7層協議體系結構既復雜又不實用，但其概念清楚；TCP/IP的協議得到了全世界的承認，但是并沒有一個完整的體系結構。因此，在學習計算機網絡的體系結構時可以采用一種折中的辦法，即把OSI參考模型的會話層與表示層去掉，從而形成一種原理體系結構，只有5層，如圖1-17所示。圖1-17計算機網絡參考模型的一種建議計算機網絡是現代通信技術與計算機技術相結合的產物，網絡技術的進步正在對當今的信息產業和整個社會的發展產生重要的影響。計算機網絡的發展大體上可以分為4個階段：面向終端的通信網絡階段、計算機互聯階段、網絡互聯階段和Internet與高速網絡階段。計算機網絡是把分布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聯成一個規模大、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、軟件和數據信息等資源。從功能上說，計算機網絡系統可以分為通信子網和資源子網兩大部分。Internet的普及，標志著第4代計算機網絡的興起。Internet是覆蓋全球的信息基礎設施之一，是當今世界上最大的計算機網絡，同時也是一條貫穿全球的“信息高速公路主干道”。計算機網絡的主要功能有數據通信、資源共享、均衡負荷與分布式處理、提高計算機系統的可靠性。計算機網絡的分類標準有很多，如拓撲結構、應用協議、傳輸介質、數據交換方式等，但最能反映網絡技術本質的分類標準是網絡的覆蓋范圍。按網絡的覆蓋范圍可以將網絡分為局域網、廣域網、城域網和國際互聯網。總結網絡拓撲結構是指用傳輸介質互聯各種設備的物理布局，它并不涉及網絡中信號的實際流動，而只是關心介質的物理連接形態。網絡拓撲結構對整個網絡的設計、功能、可靠性和成本等方面具有重要的影響。常見的計算機網絡拓撲結構有星形、環形、總線型、樹形和網狀。當前，在我國的通信、計算機信息產業和廣播電視領域中，實際運行并具有影響力的有三大網絡：電信網絡、廣播電視網絡和計算機網絡。“三網合一”就是把現有的傳統電信網絡、廣播電視網絡和計算機網絡互相融合，并逐漸形成一個統一的網絡系統，由一個全數字化的網絡設施來支持包括數據、語音和圖像在內的所有業務的通信。從全球范圍來看，三網合一是現代通信和計算機網絡發展的大趨勢。目前，國際上負責制定計算機網絡標準的權威機構主要有ISO、ITU、IEEE、ANSI、EIA、TIA等。計算機網絡體系結構是指整個網絡系統的邏輯組成和功能分配，它定義和描述了一組用于計算機及其通信設施之間互聯的標準和規范。網絡協議是指為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。網絡中的計算機和網絡設備之間要進行數據通信就必須共同遵守網絡協議。總結網絡協議的三要素包括語法、語義和時序。語法，即數據與控制信息的結構或格式；語義，即需要發出何種控制信息、完成何種動作和做出何種應答；時序，即事件實現順序的詳細說明。網絡協議采用的是分層體系結構。實踐證明，這種結構化的分析手段是解決復雜網絡問題的有效方法。對網絡協議進行分層至少有以下好處：各層之間可相互獨立，靈活性好，易于實現和維護，有利于促進標準化。相鄰層次之間有一個接口，接口定義了下層向上層提供的命令和服務，相鄰兩個層次都是通過接口來交換數據的。層次與層次之間相互獨立，上一層不需要知道下一層是如何實現服務的，并且每一層的協議都與其他層的協議無關。1984年，國際標準化組織正式制定和頒布了“開放系統互聯參考模型”。“開放”的含義是只要遵循OSI標準，一個系統就可以與位于世界上任何地方且同樣遵循OSI標準的其他任何系統進行通信。OSI參考模型將整個網絡的功能劃分成7個層次，由下往上分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。其中，物理層與傳輸介質相連，實現了真正的數據通信；應用層面向用戶，提供各種網絡應用服務。總結TCP/IP是當今Internet上廣泛使用的標準網絡通信協議。TCP/IP是一組協議的代名詞，其核心協議是TCP和IP，除此之外還包括許多其他協議，它們共同組成了TCP/IP協議簇。TCP/IP參考模型是當今國際上公認的網絡標準，是對OSI參考模型的應用和發展。TCP/IP參考模型共分為4層，由下往上分別為主機—網絡層、互聯層、傳輸層和應用層。TCP/IP協議簇中的所有協議都包含在TCP/IP參考模型的4個層次中。其中，應用層包含了所有TCP/IP協議簇中的高層協議。這些協議又可分為3類：依賴于面向連接的TCP，如電子郵件協議；依賴于無連接的UDP，如簡單網絡管理協議；既依賴于TCP又依賴于UDP的協議，如域名系統協議。無論是OSI參考模型和協議，還是TCP/IP參考模型和協議，都不是十全十美的，都存在一定的缺陷。為了取長補短，在學習網絡體系結構的時候往往采取一種折中的方法，即去掉OSI參考模型中的會話層與表示層，保留物理層和數據鏈路層，從而形成一種5層網絡參考模型。總結第2章數據通信技術計算機網絡技術基礎（第3版）2.1數據通信的基本概念2.2傳輸介質的主要特性和應用2.3無線通信技術2.4數據交換技術學習要點2.5數據傳輸技術2.6數據編碼技術2.7差錯控制技術2.1.1信息、數據與信號（1）信息的概念通信的目的是交換信息。信息的載體可以是數值、文字、圖形、聲音、圖像和動畫等。（2）數據的概念WHOIS查詢指把事件的某些屬性規范化后的表現形式，其可以被識別，也可以被描述。。數據按其連續性可分為模擬數據與數字數據。模擬數據取連續值，數字數據取離散值。（3）信號的概念數據在被傳輸之前，要變成適合于傳輸的電磁信號——模擬信號或數字信號。模擬數據和數字數據都可用這兩種信號來表示。模擬信號是隨時間連續變化的信號，如圖2-1（a）所示，這種信號的某種參量，如振幅和頻率（Frequency），可以表示要傳輸的信息。數字信號是指離散的信號，如圖2-1（b）所示，如計算機通信所使用的二進制代碼0、1組成的信號。模擬信號與數字信號之間的區別：數字信號只包括“開”和“關”兩種離散的狀態；模擬信號則包括從“開”到“關”之間的所有狀態。模擬信號可以通過采樣、量化、編碼等步驟變成數字信號，而數字信號也可以通過解碼、平滑等步驟變為模擬信號。2.1.1信息、數據與信號圖2-1模擬信號和數字信號波形信號的第二種分類方法是將信號分為基帶信號（Baseband）和寬帶信號（Broadband）。基帶信號是指將計算機發送的數字信號0或1用兩種不同的電壓表示后直接發送到通信線路上進行傳輸的信號。寬帶信號是指基帶信號經過調制后形成的頻分復用模擬信號。2.1.2基帶信號與寬帶信號傳輸信息的必經之路稱為信道（InformationChannels），包括傳輸介質和通信設備。傳輸介質可以是有線傳輸介質，如電纜、光纖等，也可以是無線傳輸介質，如電磁波。2.1.3信道及信道的分類信道的概念01OPTION信道可以按不同的方法進行分類，常見的分類方法如下。2.1.3信道及信道的分類信道的分類02OPTION分類（1）有線信道和無線信道。（2）物理信道和邏輯信道。（3）數字信道和模擬信道。2.1.4數據通信的技術指標傳輸速率指信道上傳輸信息的速度，是描述數據傳輸系統的重要技術指標之一。傳輸速率一般有兩種表示方法，即信號速率和調制速率。信道帶寬信道帶寬和信道容量的關系指信道中傳輸的信號在不失真的情況下所占用的頻率范圍，單位為赫茲（Hz）。是衡量一個信道傳輸數字信號的重要參數。信道的傳輸能力是有一定限制的，某個信道傳輸數據的速率有一個上限，即單位時間內信道上所能傳輸的最大比特數，單位為比特/秒（bit/s），該上限被稱為信道容量。理論分析證明，信道的容量與信道帶寬成正比關系，即信道帶寬越寬，信道容量就越大，所以人們有時愿意將“帶寬”作為信道所能傳輸的“最高速率”的同義語，盡管這種叫法不太嚴謹。信道容量2.1.5通信方式單工、半雙工與全雙工通信01OPTION指通信雙方只能由一方將數據傳輸給另一方，數據信號只能沿一個方向傳輸，發送端只能發送不能接收，接收端只能接收而不能發送，任何時候都不能改變信號的傳輸方向，如圖2-2所示。例如，有線電視廣播就是一種單工通信方式，電視臺只能發送信息，用戶的電視機只能接收信息。（1）單工通信圖2-2單工通信2.1.5通信方式指通信的雙方都可以發送和接收信息，但不能同時發送（當然也不能同時接收），只能交替進行。這種通信方式是一方發送信息，另一方接收信息，一段時間后再反過來（通過開關裝置進行切換），如圖2-3所示。例如，對講機和步話機的工作方式就是典型的半雙工通信。（2）半雙工通信圖2-3半雙工通信2.1.5通信方式指通信的雙方可以同時發送和接收信息。全雙工通信需要兩條信道，一條用來接收信息，另一條用來發送信息，其通信效率很高，但結構復雜、成本高，如圖2-4所示。例如，在電話系統中，用戶既可以打電話，又可以接電話。在正常的電話通信過程中，通話的一方在說話，另一方在聽電話，當然在不同的時刻，說話和聽電話的雙方是可以相互轉換的，這時的電話通信就屬于半雙工的通信方式。如果通話的雙方同時發表意見，這時采用的就是全雙工通信方式。目前大多數網絡中的通信都實現了全雙工通信。（3）全雙工通信圖2-4全雙工通信2.1.5通信方式串行通信和并行通信02OPTION串行通信。在數據通信中，可以采用圖2-5所示的方式，將待傳輸的每個字符的二進制代碼按由低到高的順序依次發送，這種工作方式稱為串行通信。并行通信。并行通信是指數據以成組的方式在多個并行信道上同時進行傳輸。常用的方式是將構成1個字符代碼的幾位二進制比特分別通過幾條并行的信道同時傳輸，例如，并行傳輸中一次傳輸8比特，如圖2-6所示。優點：速度快，但費用高，僅適合在近距離和高速數據通信的環境下使用。圖2-5串行通信圖2-6并行通信2.1.5通信方式同步技術03OPTION所謂同步，就是要求通信的收發雙方在時間基準上保持一致。在串行通信中，通信雙方交換數據，需要有高度的協同動作，彼此間傳輸數據的速率、每個比特持續的時間和間隔都必須相同。常用的同步技術有以下兩種。圖2-7異步通信在異步通信中，每傳輸1個字符都要在該字符碼前加1個起始位，以表示字符代碼的開始；在字符代碼和校驗位后面加1或2個停止位，表示字符結束。接收方根據起始位和停止位來判斷一個新字符的開始和結束，從而起到通信雙方的異步作用，如圖2-7所示。異步方式的實現比較簡單，但每傳輸一個字符都需要多使用2～3位，所以適合低速通信。（1）異步通信2.1.5通信方式在同步通信中，傳輸的信息的格式是一組字符或一個二進制位組成的數據塊（幀）。對這些數據，不需要附加起始位和停止位，而是在發送一組字符或數據塊之前先發送一個同步字符SYN（以01101000表示）或一個同步字節（01111110），用于接收方進行同步檢測，從而使收發雙方進入同步狀態。在同步字符或字節之后，可以連續發送任意多個字符或數據塊，發送數據完畢后，再使用同步字符或字節來標識整個發送過程的結束，如圖2-8所示。在同步傳輸時，由于發送方和接收方將整個字符組作為一個單位傳輸，且附加位又非常少，因此提高了數據傳輸的效率。另外，在同步通信中，收發雙方的時鐘要嚴格地同步。（2）同步通信圖2-8同步通信2.2.1傳輸介質的主要類型常用的網絡傳輸介質可分為兩類：一類是有線的，另一類是無線的。有線傳輸介質主要有雙絞線（TwistedPair，包括屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線）、同軸電纜（CoaxialCable）及光纖（FiberOptics），如圖2-9所示；無線傳輸介質有無線電波、紅外線（Infrared）等。圖2-9常用的有線傳輸介質（c）屏蔽雙絞線（d）光纖（a）同軸電纜（b）非屏蔽雙絞線2.2.2雙絞線雙絞線的物理特性01OPTION雙絞線是由相互絕緣的兩根銅線按一定扭矩相互絞合在一起的類似于電話線的傳輸介質，每根銅線有絕緣層并有顏色標記，如圖2-10所示。成對線的扭絞旨在將電磁輻射和外部電磁干擾減到最小。雙絞線的性能好、價格低，因此其是目前使用最廣泛的傳輸介質之一。圖2-10雙絞線結構示意2.2.2雙絞線雙絞線的物理特性01OPTION雙絞線可以用于傳輸模擬信號和數字信號，傳輸速率由線的粗細和長短決定。一般來講，線的直徑越大，傳輸距離就越短，傳輸速率也就越高。局域網中使用的雙絞線分為屏蔽雙絞線（ShieldedTwistedPair，STP）和非屏蔽雙絞線（UnshieldedTwistedPair，UTP）兩類。兩者的差異在于屏蔽雙絞線的雙絞線和外皮之間有一個外屏蔽層（鉛箔屏蔽層），如圖2-11（a）所示。非屏蔽雙絞線如圖2-11（b）所示。圖2-11STP與UTP結構示意圖2.2.2雙絞線非屏蔽雙絞線的類型02OPTION2類線：可用于電話傳輸和最高為4Mbit/s的數據傳輸，包括4對雙絞線。1類線：可用于電話傳輸，但不適合數據傳輸，這一級電纜沒有固定的性能要求。3類線：可用于最高為10Mbit/s的數據傳輸，包括4對雙絞線，常用于10Base-T以太網的語音和數據傳輸。4類線：可用于16Mbit/s的令牌環網和大型10Base-T以太網，包括4對雙絞線，其測試速率可達20Mbit/s。5類線：即支持100Mbit/s的快速以太網（FastEthernet）連接，又支持150Mbit/s的ATM數據傳輸。超5類線：比5類線具有更小的信號衰減、串擾和時延誤差，其主要用途是保證5類線更好地支持1000Base-T以太網。6類線：在外形上和結構上與5類和超5類雙絞線都有一定的差別，與5類和超5類線相比，它具有傳輸距離長、傳輸損耗小、耐磨、抗干擾能力強等特性，常用在吉比特位以太網和萬兆位以太網中。2.2.2雙絞線計算機網絡常用的是3類線（CAT3）、5類線（CAT5）、超5類線（CAT5e）和6類線（CAT6）。5類線和3類線最主要的區別：一方面，5類線大大增加了每單位長度的絞合次數；另一方面，5類線在線對間的絞合度和線對內兩根導線的絞合度都經過了精心的設計，并在生產中加以嚴格的控制，使干擾在一定程度上抵銷，從而提高了線路的傳輸質量。6類線增加了絕緣的十字骨架，電纜的直徑更大，將雙絞線的4對線分別置于十字骨架的4個凹槽內，保持4對雙絞線的相對位置不變，如圖2-12所示，從而提高了電纜的平衡特性和抗干擾性，而且傳輸的衰減也更小。使用雙絞線組網時必須要使用RJ-45水晶頭，如圖2-13所示。另外，還需要一個非常重要的設備——集線器（Hub），如圖2-14所示。圖2-126類UTP圖2-13RJ-45水晶頭圖2-14集線器2.2.3同軸電纜同軸電纜的物理特性01OPTION同軸電纜也是一種常用的傳輸介質。這種電纜在實際中的應用很廣泛，如有線電視網。組成同軸電纜的內外兩個導體是同軸的，如圖2-15所示，“同軸”之名正是由此而來。圖2-15同軸電纜結構示意同軸電纜又可分為兩類：細纜和粗纜。經常提到的10Base-2和10Base-5以太網就是分別使用細同軸電纜和粗同軸電纜來組網的。同軸電纜組網的其他連接設備隨細纜與粗纜的差別而不盡相同，即使名稱一樣，其規格、大小也是有差別的。2.2.3同軸電纜細纜連接設備及技術參數02OPTION采用細纜組網時，除了需要電纜外，還需要BNC頭、T型頭、帶BNC端口的以太網卡、終端匹配器等，如圖2-16所示。圖2-16細纜常用連接設備采用細纜組網的技術參數如下。最大的網段長度：185m。?網絡的最大長度：925m。?每個網段支持的最大節點數：30個。?BNC頭、T型頭之間的最小距離：0.5m。2.2.3同軸電纜粗纜連接設備及技術參數03OPTION粗纜連接設備包括轉換器（粗纜上的接線盒）、DIX接口及電纜、N系列插口等，如圖2-17所示。使用粗纜組網時，網卡必須有DIX接口（一般標有DIX字樣）。圖2-17粗纜連接設備采用粗纜組網的技術參數如下。最大的網段長度：500m。絡的最大長度：2500m。每個網段支持的最大節點數：100個。收發器之間的最小距離：2.5m。收發器電纜的最大長度：50m。2.2.4光纖光纖的物理特性01OPTION光纖由纖芯（玻璃纖維）、包層和保護層組成，如圖2-18所示。每根光纖只能單向傳輸信號，因此要實現雙向通信，光纜中至少應包括兩條獨立的導芯，一條用于發送信號，另一條用于接收信號。光纖兩端的端頭都是通過電燒烤或化學環氯工藝與光學接口連接在一起的。一根光纜可以包括兩根至數百根光纖，并用加強芯和填充物來提高其機械強度。圖2-18光纖的結構2.2.4光纖光纖傳輸系統中的光源可以是發光二極管（Light-EmittingDiode，LED），也可以是注入式激光二極管（InjectionLaserDiode，ILD）。在光纜的兩端都要有一個裝置來完成電/光信號和光/電信號的轉換，接收端將光信號轉換成電信號時，要使用光電二極管（PositiveIntrinsic-Negative，PIN）檢波器或雪崩光電二級管（AvalanchePhotodiode，APD）檢波器。一個典型的光纖傳輸系統的結構如圖2-19所示。圖2-19光纖傳輸系統結構2.2.4光纖根據使用的光源和傳輸模式的不同，光纖分為單模和多模兩種。如果光纖做得極細，纖芯的直徑細到只有光的一個波長（Wavelength），那么光纖就成了一種波導管，這種情況下光線不必經過多次反射式的傳播，而是一直向前傳播，如圖2-20所示，這種光纖稱為單模光纖。多模光纖的纖芯比單模光纖的粗，一旦光線到達光纖表面發生全反射后，光信號就由多條入射角度不同的光線同時在一條光纖中傳播，如圖2-21所示，這種光纖稱為多模光纖。單模光纖性能很好，傳輸速率較高，在幾十千米內能以幾吉比特每秒的速率傳輸數據，但其制作工藝比多模光纖難度更高，成本也較高；多模光纖成本較低，但性能比單模光纖差一些。圖2-20單模光纖傳播示意圖2-21多模光纖傳播示意2.2.4光纖光纖的特點02OPTION光纖與同軸電纜相比有如下特點。光纖有較大的帶寬，通信容量大。光纖的傳輸速率高，能超過吉比特位每秒。光纖的傳輸衰減小，連接的距離更遠。光纖不受外界電磁波的干擾，適宜在電氣干擾嚴重的環境中使用。光纖無串音干擾，不易被竊聽和截取數據，因而安全性、保密性好。目前，光纖通常用于高速的主干網絡，若要組建快速網絡，光纖則是最好的選擇。2.2.5雙絞線、同軸電纜與光纖的性能比較雙絞線、同軸電纜與光纖的性能比較如表2-1所示。傳輸介質價格電磁干擾頻帶寬度單段最大長度雙絞線UTP最便宜高低100

mSTP一般低中等100

m同軸電纜一般低高185

m/500

m光纖最高沒有極高幾十千米表2-1 雙絞線、同軸電纜與光纖的性能比較2.3.1電磁波1864年，英國物理學家麥克斯韋預言了電磁波的存在，并推導出電磁波的傳播速度等于光速，光波就是一種電磁波。這使人們對無線電波、光波、X射線（X-rays）、γ射線的內在聯系有了深刻的認識，并揭示了電磁波譜的秘密。描述電磁波的參數有3個：波長（Wavelength）、頻率（Frequency）和光速（SpeedofLight）。波長和頻率的關系為c=λ×f其中，c為光速，λ為波長，f為頻率。2.3.1電磁波電磁波的傳播有兩種方式：一種是在有限空間領域內傳播，即通過有線方式傳播，用前面所介紹的3種傳輸介質（雙絞線、同軸電纜和光纖）來傳輸電磁波的方式就屬于有線傳播方式；另一種是在無限空間中傳播，即通過無線方式傳播。圖2-22所示是電磁波的頻譜圖，從圖中的電磁波頻譜可以看到，按照頻率由低到高的順序排列，不同頻率的電磁波可以分為無線電（Radio）、紅外線（Infrared）、可見光（Visiblelight）、紫外線（Ultraviolet）、X射線（X-rays）和γ射線。人們現在已經利用了無線電、微波、紅外線和可見光這幾個波段進行通信。圖2-22電磁波頻譜與通信類型關系示意圖2.3.1電磁波ITU根據不同的頻率（或波長）將不同的波段進行了劃分和命名。例如，LF波長范圍為1km～10km（對應于30kHz～300kHz）。LF、MF和HF分別是低頻、中頻和高頻，更高的頻段中的VHF、UHF、SHF和EHF表示甚高頻、特高頻、超高頻和極高頻。無線電的頻率和帶寬的對應關系如表2-2所示。表2-2無線電的頻率和帶寬的對應關系頻帶劃分頻率范圍頻帶劃分頻率范圍低頻（LF）30kHz～300

kHz特高頻（USF）300MHz～3GHz中頻（MF）300

kHz～3

MHz超高頻（SHF）3GHz～30

GHz高頻（HF）3MHz～30

MHz極高頻（EHF）30

GHz～300

GHz甚高頻（VHF）30MHz～300

MHz--2.3.2無線通信概述無線通信是指信號通過空間傳輸，不被約束在一個物理導體內。無線通信實際上就是無線傳輸系統，主要包括微波通信、衛星通信和移動通信等。無線電被廣泛應用于通信的原因是傳播距離很遠，很容易穿過建筑物，而且無線電波是全方向傳播的，因此無線電波的發射和接收裝置不必要求相互精確對準。無線電波的傳播特性與頻率有關。中、低頻的無線電波（頻率在3MHz以下）沿著地球表面傳播，如圖2-23（a）所示。在這些波段上的無線電波很容易穿過一般建筑物。用中、低頻無線電波進行數據通信的主要問題是通信帶寬較低。高頻和甚高頻（頻率在3MHz～300MHz）無線電波將被地球表面吸收，且到達離地球表面大約100km～500km高度的帶電粒子層的無線電波將被反射回地球表面，如圖2-23（b）所示。可以利用無線電波的這種特性來進行數據通信。圖2-23無線電波傳播示意圖2.3.3微波通信微波通信是利用無線電波在對流層的視距范圍內進行信息傳輸的一種通信方式，使用的頻率范圍一般在2GHz～400GHz。微波通信的工作頻率很高，與通常的無線電波不一樣，微波只能沿直線傳播，所以微波的發射天線和接收天線必須精確對準。如果兩個微波塔相距太遠，一方面地球表面會阻擋信號，另一方面微波長距離傳輸會發生衰減，因此每隔一段距離就需要一個微波中繼站，如圖2-24所示。中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比。由于受地形和天線高度的限制，兩個中繼站之間的距離一般為30km～50km。對于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達到80km。圖2-23無線電波傳播示意圖2.3.3微波通信微波通信按所提供的傳輸信道可分為模擬和數字兩種類型，分別簡稱為“模擬微波”與“數字微波”。模擬微波通信主要采用頻分多路復用技術和頻移鍵控調制方式，其傳輸容量可達30～6000個電話信道。數字微波通信發展較晚，目前大多采用時分多路復用技術和相移鍵控調制方式。模擬微波傳輸數字信號時，其傳輸速率可達9600bit/s；數字微波其數據傳輸速率可達到64kbit/s。微波通信在傳輸質量上比較穩定，并且微波頻率很高，可以同時傳輸大量的信息。與同軸電纜相比，微波通信不需要鋪設電纜，所以其成本要低得多，在長途通信方面微波通信是一種十分重要的手段。微波通信的缺點是在雨雪天氣傳輸時會被吸收，從而造成損耗，而且微波的保密性也不如電纜和光纜好，對于保密性要求比較高的應用場合需要另外采取加密措施。2.3.4衛星通信常用的衛星通信方式是多個地面站之間利用36000km高空的同步地球衛星作為中繼器（Repeater）進行微波接力通信。通信衛星就是太空中無人值守的用于微波通信的中繼器。一個同步衛星的作用范圍可以覆蓋1/3以上的地球表面，只要在地球赤道上空的同步軌道上等距離地放置3顆相隔120°的衛星，就可以覆蓋地球上的全部通信區域，如圖2-25所示。由于衛星信道的頻帶寬，因此也可采用頻分多路復用技術分出若干子信道。有些用于地面站向衛星發送，稱為上行信道；有些用于衛星向地面轉發，稱為下行信道，如圖2-26所示。圖2-25衛星通信示意圖圖2-26上行信道和下行信道2.3.4衛星通信衛星通信的優點是通信容量很大，傳輸距離遠，信號所受的干擾也比較小，通信比較穩定；缺點是傳播延遲較長。由于各地面站的天線仰角并不相同，因此不管兩個地面站之間的地面距離是多少，從發送站發出的信號通過衛星轉發到接收站的傳播延遲都為270ms，這相對于地面電纜傳播延遲約6ms/km特別是相對于近距離的站點，來說，要相差幾個數量級。VSAT是指采用小口徑的衛星天線的地面接收系統，天線直徑一般不超過1m，因此價格便宜。在VSAT衛星通信網中，需要有一個比較大的中心站來管理整個衛星通信網。VSAT按其承擔的服務類型可以分為兩類：一類是以數據傳輸為主的小型數據地球站（PersonalEarthStation，PES），對于這些VSAT系統，所有小站間的數據通信都要經過中心站進行存儲轉發；另一類是以語音傳輸為主并且兼容數據傳輸的小型電話地球站（TelephoneEarthStation，TES），對于這些能夠進行電話通信的VSAT系統，小站之間的通信在呼叫建立階段要通過中心站，但在連接建立之后，兩個小站間的通信就可以直接通過衛星進行了。2.3.5移動通信移動通信系統的發展通常分為以下幾代。1G（TheFirstGeneration）1G系統又稱為高級移動電話系統（AdvancedMobilePhoneSystem，AMPS），自20世紀80年代起開始使用。該系統通話方式使用的是蜂窩電話標準，僅限語音的傳輸。2G（TheSecondGeneration）4G（TheForthGeneration）2G系統又稱為數字移動通信系統，將語音以數字化方式傳輸，除具有通話功能外，還引入了短信（ShortMessageService，SMS）功能。3G系統又稱為多媒體移動通信系統，它是一種將無線通信與互聯網多媒體通信相結合的新一代移動通信系統。4G系統是多功能集成的寬帶移動通信系統，主要目標是提高移動設備訪問互聯網的速度。3G（TheThirdGeneration）5G（TheFifthGeneration）。最新一代移動通信技術標準，也是繼4G之后的延伸，它具有更高的傳輸速率、更快的反應速度和更大的連接數量。2.4.1電路交換電路交換（CircuitSwitching）方式與電話交換方式的工作過程類似。兩臺計算機通過通信子網交換數據之前，首先要在通信子網中通過交換設備間的線路連接，建立一條實際的專用物理通路。電路交換方式最重要的特點是在一對主機之間建立起一條專用的數據通路。通信過程包括線路建立、數據傳輸和線路釋放3個過程，如圖2-27所示。由于通路建立時，線路是專用的，即使該線路空閑，其他用戶也不能使用，因此線路利用率不高。由于通信子網中的各個節點（交換設備）不能存儲數據，也不能改變數據內容，并且不具備差錯控制能力，因此整個系統不具備存儲數據的能力，無法發現與糾正傳輸過程中發生的數據差錯，系統效率較低。圖2-27電路交換通信過程2.4.2存儲轉發交換存儲轉發交換（Store-and-ForwardSwitching）是指網絡節點（交換設備）先將途經的數據按傳輸單元接收并存儲下來，然后選擇一條適當的鏈路轉發出去。根據轉發的數據單元的不同，存儲轉發交換又分為報文交換和分組交換。2.4.2存儲轉發交換報文交換01OPTION報文交換（MessageSwitching）是指網絡的每一個節點（交換設備）先將整個報文完整地接收并存儲下來，然后選擇合適的鏈路轉發到下一個節點。每個節點都對報文進行存儲和轉發，最終到達目的地，如圖2-28所示。在報文交換中，中間設備必須有足夠的內存，以便將接收到的整個報文完整地存儲下來，然后根據報文的首部控制信息，找出報文轉發的下一個交換節點。報文數據在交換網中完全是接力傳輸的。