01
計算機網絡的定義
定義：能夠相互共享資源的方式互連起來的自治計算機系統的集合。
自治的計算機是指計算機之間沒有明顯的主從關係，一臺計算機不能強制地啟動、停止或者控制網絡中的其他計算機。
計算機網絡的基本特徵：資源共享。資源主要包括硬件、軟件和數據。
02
計算機網絡的分類
1. 網絡分類
（1）根據網絡所採用的傳輸技術分為：
- 廣播式網絡
- 點對點式網絡
廣播式網絡中，所有結點僅使用一條通信信道，該信道由網絡上的所有站點共享。同一時刻，只能有一臺計算機發送數據。
點對點式網絡中，每條物理線路連接一對計算機。採用分組存儲轉發與路由選擇是它與廣播式網絡的重要區別之一。同一時刻可以有多臺計算機並行發送數據。
（2）按覆蓋地理範圍和規模分為
- 局域網（LAN）
- 廣域網（WAN）
- 城域網（MAN）
（3）按照通信子網的交換方式分為：公用電路交換網、報文交換網、分組交換網、ATM交換網等。
2. 廣域網、局域網和城域網
（1）廣域網
廣域網也稱遠程網，覆蓋範圍從幾十千米到幾千千米。數據分組從源結點傳送到目的結點的過程需要進行路由選擇和分組轉發（因為採用的是點對點網絡）。
採用分組交換技術（如X.25，幀中繼、異步傳輸模式（ATM））。ARPANET是第一個分組交換網。
特點：
- 適應大容量與突發性通信的要求
- 適應綜合業務服務的要求
- 開放的設備接口與規範化的協議
- 完善的通信服務與網絡管理
（2）局域網
覆蓋範圍在幾公里之內，通常為一個單位所有。
主要技術：以太網、令牌總線、令牌環網。最後以太網佔據統治性地位。
（3）城域網
介於局域網和廣域網之間，主要是指一個地區內多個局域網的互聯。範圍在幾公里至幾十公里。
早期的城域網產品主要是光纖分佈式數據接口（FDDI）。傳輸介質以光纖為主。在體系結構上採用三層模式：
- 核心交換層
- 業務匯聚層
- 接入層
03
計算機網絡的拓撲結構
1. 計算機網絡拓撲的定義
計算機網絡拓撲是通過網中節點與通信線路之間的幾何關係表示網絡結構，反映出網絡中各實體之間的結構關係。
計算機網絡拓撲是指通信子網的拓撲構型。它對網絡性能、系統可靠性與通信費用都有重大影響。
2. 計算機網絡拓撲的分類
① 點對點通信子網的拓撲：星型，環型，樹型，網狀型。
② 廣播式通信子網的拓撲：總線型，樹型，環型，無線通信與衛星通信型。
（1）總線型
採用一條單根的通信線路（總線）作為公共的傳輸通道，所有的結點都通過相應的接口直接連接到總線上，並通過總線進行數據傳輸。同一時刻只能有一個結點發送數據。
特點：
- 簡單、靈活，便於廣播
- 負荷重時性能不好
- 易於安裝，費用低
- 實時性差
（2）環型結構 環型結構是各個網絡結點通過環接口連在一條首尾相接的閉合環型通信線路中。
環型結構有兩種類型：
- 單環結構：典型代表為令牌環
- 雙環結構：典型代表為光纖分佈式數據接口（FDDI）
特點：
- 傳輸延遲固定，實時性好，重負載下信道利用率較高
- 支持優先級服務
- 可擴充性差
- 可靠性差
（3）星型結構
星型結構的每個結點都由一條點到點鏈路與中心結點相連。信息的傳輸是通過中心結點的轉發實現的。
特點：
- 結構簡單，便於管理和維護，易擴充，易升級
- 中心結點的可靠性基本上決定了整個網絡的可靠性
- 中心結點負擔重，易成為信息傳輸的瓶頸。
（4）樹型結構
對根節點依賴性大。
（5）網狀結構
每個結點至少有兩條鏈路與其他結點相連。
特點：可靠性高、線路成本高、適用於大型廣域網。
04
數據傳輸率和誤碼率
描述數據通信的基本技術參數有兩個：數據傳輸速率與誤碼率
1．數據傳輸速率
在數值上等於每秒鐘傳輸的二進制比特數，單位為比特/秒（bit/second），記作bps或b/s。
2．帶寬與數據傳輸率
“帶寬”有兩種含義：
- 信道具有的頻帶寬度，即可傳送的信號最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲（Hz）
- 信道所能傳送的“最高傳輸速率” ，單位是“比特每秒”，或 b/s (bps)
奈奎斯特准則和香農定理從定量的角度描述了帶寬與速率的關係。（1）奈奎斯特准則（針對的是無噪聲的理想信道）
Rmax=2*f (bps) （對於傳輸二進制信號）
Rmax：最高數據傳輸率（單位bps）
B：通信信道帶寬（單位Hz） 若傳輸的是：
- 四進制信號：Rmax=4*f (bps)
- 八進制信號：Rmax=6*f (bps)
- 十六進制信號：Rmax=8*f (bps)
（2）香農定理（針對實際信道）
Rmax=B×log2（1+S/N） (bps)
- B為信道帶寬（單位Hz）
- S為信號功率
- Ｎ為噪聲功率
- S/N稱為信噪比。
信噪比本來是沒有單位的，若信噪比給出的值帶有單位“分貝”，則與S/N的關係為：
多少分貝＝10log10(S/N)
3．誤碼率
誤碼率是二進制碼元在數據傳輸系統中被傳錯的概率，在數值上近似等於Pe=Ne/N（傳錯的碼元數除以傳輸的二進制碼元總數）
誤碼率應該是衡量數據傳輸系統正常工作狀態下傳輸可靠性的參數。
對於一個實際的數據傳輸系統，不能籠統地說誤碼率越低越好，要根據實際傳輸要求提出誤碼率要求。
對於實際數據傳輸系統,如果傳輸的不是二進制碼元，要摺合成二進制碼元來計算。
誤碼率具有隨機性。
05
網絡體系結構和網絡協議
1. 網絡體系結構的基本概念
（1）網絡協議（簡稱協議）
協議是為網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。由三個要素組成：
- 語法：即用戶數據與控制信息的結構和格式；
- 語義：即需要發出何種控制信息,以及完成的動作與做出的響應；
- 時序：即對事件實現順序的詳細說明。
（2）網絡體系結構
網絡的體系結構是指計算機網絡的分層、各層協議和各層接口之間的集合。
第一個網絡體系結構是IBM的系統網絡體系結構SNA。當前具有代表性的體系結構有兩個：
- OSI參考模型
- TCP/IP參考模型
（3）分層的好處
- 各層之間相互獨立。高層並不需要知道低層是如何實現的。
- 靈活性好；
- 各層都可以採用最合適的技術來實現，各層實現技術的改變不影響其他各層；
- 易於實現和維護；
- 有利於促進標準化。
2. 開放系統互連參考模型（OSI）
OSI（Open System Interconnect）開放系統互連參考模型是國際標準化組織（ISO）和國際電報電話諮詢委員會（CCITT）聯合制定的。
最大特點：開放性。“開放”是指：只要遵循OSI標準，一個系統就可以和位於世界上任何地方的也遵循同一標準的其他系統進行通信。
它從低到高分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。
- 物理層：傳輸比特流，規定網絡接口的規格和特性。
- 數據鏈路層：負責相鄰節點（即在同一網絡內部的節點）之間的無差錯的數據傳輸。傳輸的數據單位為“幀”。該層使用的地址為物理地址（又稱為MAC地址）
- 網絡層：負責在不同網絡中的主機與主機之間的通信。為此，網絡層要具備路由選擇（即尋找路徑，為網絡層最主要功能）、擁塞控制與網絡互連的功能。傳輸的數據單位為“分組”或“包”。該層使用的地址為IP地址。常見的網絡層協議有IP、ICMP、IGMP、OSPF、RIP、ARP。
- 傳輸層：是向用戶提供可靠的端到端（即進程到進程）服務。是網絡體系結構中最關鍵的一層。該層協議：TCP、UDP。 會話層：管理會話。
- 表示層：負責數據格式轉換、壓縮等。
- 應用層：嚮應用程序提供服務。該層結構最複雜，協議最多。
OSI的特點：
- 網中各結點都有相同的層次
- 不同結點的同等層具有相同的功能
- 同一結點內相鄰層之間通過接口通信
- 每一層使用下層提供的服務，並向其上層提供服務
- 不同結點的同等層按照協議實現對等層之間的通信
3. TCP/IP參考模型
TCP/IP參考模型是目前Internet中的流行標準。該模型包含很多協議，其中最重要的兩個協議就是TCP和IP協議。
TCP/IP參考模型最早起源1969年美國國防部的ARPANET。該模型分為四層（從低到高）：
- 主機-網絡層：對應OSI的物理層和數據鏈路層
- 網絡互連層：對應於OSI的網絡層
- 傳輸層：對應於OSI的傳輸層
- 應用層：對應於OSI的應用層
- 在TCP/IP沒有OSI中的會話層和表示層。
4. OSI參考模型和TCP/IP參考模型的區別：
- OSI採用七層模型，TCP/IP是四層結構（實際上是三層結構）
- OSI的網絡層提供面向連接和無連接兩種服務，而TCP/IP的網絡互聯層只提供無連接服務。
- 注：面向連接指的是雙方通信之前先建立連接，然後發送數據，最後釋放連接，通常提供的是可靠的數據傳輸。而無連接指發送方直接向接收方發送數據，不建立連接，一般提供的是不可靠服務。
- OSI的傳輸層只提供面向連接服務，而TCP/IP的傳輸層提供面向連接和無連接兩種服務。
- OSI過於繁雜，實現起來很困難，效率低。被市場淘汰。
- 06分組交換技術
1. 電路交換
面向連接。需要建立一個實際的物理線路連接。
分為兩種方式：
- 時分交換
- 空分交換
通信過程：
- 電路建立
- 數據傳輸
- 電路拆除（電路釋放）
特點：
- 獨佔線路
- 實時性好
- 數據傳輸可靠、迅速、不丟失，且保持原來的序列
- 電路空閒時信道被浪費
2. 報文交換
報文：把用戶要發送的整個數據塊稱為一個報文。
報文交換的過程：先將用戶的報文存儲在中間交換節點的存儲器中，並進行差錯檢測（若錯誤，則丟棄）。當所需要的輸出線路空閒時，再將該報文發送給下一個節點。
需要給報文添加報文頭，包括目標地址和源地址等信息。
特點：
- 不獨佔線路
- 無線路建立的過程，提高了線路的利用率
- 支持多點傳輸（即可發往多個目的，相當於組播或者廣播）
- 增加了差錯檢測功能，避免出錯數據的無謂傳輸
- 中間節點需要具備很大的存儲空間
- 時延較大
3. 分組交換
也稱包交換。
分組交換的思想是從報文交換而來的，分組交換與報文交換的不同在於：分組交換將用戶要傳送的信息分割為若干個分組，每個分組中有一個首部，含有目的地址和源地址以及其他控制信息，然後將各個分組進行傳輸。
4. 數據報和虛電路
分組交換又分數據報和虛電路兩種。
虛電路是傳輸分組時建立邏輯連接，有虛電路建立、數據傳輸、虛電路拆除三個階段。數據報在傳輸之前不需要建立邏輯連接。
在Internet中，網絡層採用的是無連接的數據報服務。
07
無線網絡的研究和應用
1. 無線網絡的標準及結構
無線局域網採用的標準是IEEE802.11。
介質訪問控制方法是CSMA/CA。
無線局域網的結構：
- 網橋連接型
- 基站接入型
- HUB接入型
- 無中心結構
2. 主要的無線局域網
- 紅外線局域網
- 擴頻無線局域網：
兩種技術：①跳頻；②直接序列
窄帶微波無線局域網
3. 無線自組網（AD hoc網絡）
是一種自組織、對等式、多跳的無線移動網絡，是在分組無線網的基礎上發展起來，是由一組用戶組成、不需要基站的移動通信模式。
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