Internet 应用基础

第一章 计算机网络基础数据通信基础

内容提要1.6.1 数据和信号1.6.2 数据通信的概念1.6.3 传输介质1.6.4 数据通信系统的主要指标1.6.5 数据传输1.6.6 数据交换1.7 网络互联

1.6.1 数据和信号三个概念 信息：信息是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某

种认识。表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像和动画等 。

数据：数据是把事物的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。例如十进制数、二进制数、字符、图像等。

信号：信号是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述。例如电压、磁场强度等。

模拟和数字 数据和信号可以是模拟的也可以是数字的。 模拟信号是在一定的数值范围内可以连续取值的信号，是一

种连续变化的电信号，如声音信号 。 数字信号是一种离散的脉冲序列，它取几个不连续的物理状

态来代表数字，最简单的离散数字是二进制数字 0 和 1 。 利用数字信号传输的数据，在受到一定限度内的干扰后是可

以恢复的。

1.6.2 数据通信的概念数据通信的三要素信源：信息产生和出现的发源地，既可以是

人，也可以是计算机等设备通信信道：信息传输过程中承载信息的传输

媒体信宿：接收信息的目的地。在数据通信中，计算机（或终端）设备起着

信源和信宿的作用，通信线路和必要的通信转接设备构成了通信信道。

数据通信系统的组成通信系统是实现通信过程的系统。其基本组成包括信源、信宿、变换器和反变换器、信道以及噪声源。 信源：信息的发出者，即通信过程

中产生和发送信息的设备或计算机，它把各种可能的信息（如语言、文字、图形和图像等）转换成原始电信号 。

信宿：信号的接收者，即通信过程中接收和处理信息的设备或计算机，它将接收到的信号转换成信息。

信道：信道是信息传输的通道，即信源和信宿之间的通信线路。

噪声：信号在传输过程中受到的干扰。噪声过大将影响被传送信号的真实性或正确性。

信源

信道

变换器

反变换器

信宿

干扰源

信息

信息

数据通信的基本过程数据从发送端出发到数据被接收端接收的整个过程称为数据通信过程。每次通信又包含两个子过程：数据传输和通信控制。 数据通信基本过程一般被分为五个阶段，每个阶段包括一组功能操作。 第一阶段：建立通信线路，用户将要通信的对方地址告诉通信

控制处理机，这相当于用户拿起电话进行拨号； 第二阶段：若对方同意通信，建立数据传输链路，通信双方建

立同步联系，是双方设备处于正确的收发状态。这相当于对方电话铃响，并拿起电话；

第三阶段：传输数据以及必要的通信控制信号。这类似于通话双方进行对话；

第四阶段：数据传输结束，通信双方通过控制信息确认此次通信结束。这类似于对话双方说再见；

第五阶段：通知通信控制处理机，通信结束并切断数据连接的物理通道。这相当于对话双方挂起电话。

1.6.3 传输介质任何信息传输和共享都需要有传输介质，它是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线两大类。在有线传输介质中，又因传输的信号不同分为双绞线、同轴电缆和光纤。卫星、无线电波、微波、红外通信及激光传输的信息载体都属于无线传输媒体。传输介质的特性对网络的数据通信质量有很大的影响，这些特性是： 物理特性：说明传输媒体的特征。 传输特性：使用模拟信号发送还是数字信号发送以及传输的速度、频率范围。

地理范围：网络上各节点的最大距离。 抗干扰性：防止噪声、电磁干扰对数据传输影响的能力。

1.6.3.1 双绞线

3 类线， 5 类线，超 5 类线

屏蔽、非屏蔽非屏蔽双绞线 UTP （ Unshielded Twisted Pai

r ）

屏蔽双绞线 STP

双绞线布线标准

双绞线布线标准

1.6.3.2 同轴电缆粗缆：用于传送基带数字信号 .细缆：也用于传送基带数字信号。最大传输距离不及粗缆，但因比粗缆便宜而被广泛使用。TV电缆：用于模拟传输系统，是 CATV中的标准传输电缆。其采用的是频分复用的宽带信号。

收发器

同轴电缆

收发器电缆 计算机

网络接口板或网卡

收发器电缆

收发器

分接头

同轴电缆

工作站2工作站1 工作站3

细缆

                                                                

                                                                        

1.6.3.3 1.6.3.3 光纤光纤传输频带宽，通信容量大 ;损耗低，中继距离长 ;抗干扰能力强 ;保密性好 ;

重量轻、体积小 ;节省有色金属，抗腐蚀能力强 ;

特性单模光纤和多模光纤波长850nm ：衰减（ attenuation) 大，传输速率

和距离受限制，但价格便宜；1310nm ：衰减小，无色散（ dispersion ）补偿、功率放大情况下，最大传 40km（最坏情况）；

1550nm ：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传 80km （最坏情况）

Caption: Optical fiber and connectors; the small black covers protect the end of the connector when the connector is not in use.

1.6.3.4无界介质无线电微波红外线光波

微波

频率为 0.3-300 GHz 的电磁波

长途、大容量通信的无线传输手段

微波通信的特点

微波频段：分米波、厘米波和毫米波

多路复用

接力：因微波频段的电磁波在视距范围内是沿直

线传播的，通信距离一般为 40-50km

终端站中继站 中继站

终端站

微波中继系统

复用

设备

调制

器

发射

机

发射

机┊

复用

设备

调制

器

发射

机

发射

机┊

自市

内通

信线

路至市

内通

信线

路

双工

器

双工

器

接收

机发射

机

接收

机发射

机

双工

器

中频

中频

发射设备

接收设备

天线

(a）终端站 (b）中继站

微波通信系统的构成

卫星通信覆盖面积很大，可以进行多址通信通信频带较宽、传输容量较大信道特性稳定电路使用费用与通信距离无关地球站需要有大功率发射机、低噪声接收机和高增益天线信号传输的时间延迟较大

卫星通信系统卫星通信系统 卫星通信系统卫星通信系统卫星

41756km

35860 km地球

N

赤道

赤道

12752km速率 11070km/h

CERNET Satellite Network

Satellite networkSino-sat 22 earth stations

几种传输介质的比较 下表列出了计算机通信中几种传输介质的比较。 我

们在选择通信介质的时候，一定要从性能、价格和使用场合等各个角度综合考虑，一般来说，影响传输介质选择的因素包括：

• 拓扑结构： (如星形结构不适合选用同轴电缆，可选择双绞线方等方式 ) • 容量：介质提供的传输速率应能够满足要求

• 可靠性 (差错率 )：在可能的情况下，尽量选择可靠性高的介质• 应用环境：包括传输距离、环境恶劣程度、信号强度等等

常用传输介质比较

非屏蔽双绞线 基带同轴电缆 光纤 卫星

分类 3 类 5 类 粗缆 细缆 单模 多模 同步 低轨

传输速率 3 类 UTP 最大 16Mbps 因种类、距离不同， 几千 Mbps 根据租用费用变化较大 5 类 UTP 最大 155Mbps 变化较大 ( 但总要 高于 UTP)

地理范围 100 米左右 细缆小于 800 米 几公里到几十公里 很大 粗缆小于 2500 米

差错率 一般 (10~10) 中等 (10~10) 最低 (10) 高

成本 低 中 较高 高

－５

－６

－７

－９

－１０

1.6.4 数据通信系统的主要指标传输速率 单位时间内传送的信息单元的数量。信号速率 bit/s ，调制速率 baud/

s 。二者不同，但可互换。出错率 误码率 = 接收出现差错的比特数 / 传输全部的比特数

可靠性 （正常工作时间 /总工作时间） *100% ，或平均无故障时间

适应性 对外界环境变化的适应能力

可维护性 维护方便程度

标准化程度 衡量设计水准，共享，开放

经济性 性能价格比

通信建立时效 同步性能的指标

1.6.5 数据传输数据通信系统的基本任务就是完成数据的传输。 在计算机内部各部件之间、计算机与各种外部设备之间及计算机与计算机之间都是以通信的方式传递交换数据信息的，并在双方间实现同步。 通信有两种基本方式，即串行传输方式和并行传输方式。通常情况下，并行方式用于近距离通信，串行方式用于距离较远的通信。在计算机网络中，串行通信方式更具有普遍意义。

1.6.5.1 串行传输和并行传输并行传输方式是将组成字符的各个位（如

8位、 16位等）同时传输，每一个数位都有自己的数据传输线 。并行的数据传送线也叫总线，如并行传送 32为数据就叫 32位总线，并行传送 64位数据就叫 64位总线。并行传输速度高，一次可传输一个或几个字符，但通信成本较高，一般适用于计算机内部或计算机与外围设备间的短距离数据传输。

串行传输是将组成字符的各个位串行地发往通信线路。串行数据传输时，现有具有 8位总线的计算机内部的发送设备，将 8位并行数据经并——串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方式用。 与并行传输相比，串行传输的速度要慢得多，但是通信成本也较低，仅需要一个通信信道。串行传输适用于远距离通信，目前计算机网络中普遍采用串行传输方式。

串行通信的方向性结构

数据通信按信号在串行传输线路上的传输方向，可分为：单工通信半双工通信全双工通信。

数据通信模式 a ）单工 b)半双工 c)全双工

1.6.5.2 基带传输和频带传输数据按照在通信信道上是否经过了调制变形处理再进行传输，数据传输可分为基带传输和频带传输。基带传输：计算机和终端接收或发送的信号是数字信号，把这个数字信号直接在通信信道上传输就是基带传输。基带传输一般用于短距离的数据传输，如在局域网中用基带同轴电缆作传输介质的数据传输。频带传输：频带传输是指将数字信号变换成一定频率范围内的模拟信号，在某一频带内传送的方式。如采用“多路复用技术”可将多路信号通过调制技术调制到各自不同的载波频率上，在各自的频段范围内进行传输，从而实现在一个信道中同时传播声音、图像和数据多种信息，使系统具有多种用途。

1.6.5.3 同步传输和异步传输根据通信过程中收、发双方在时间上的同步方式，数据传输可分为同步传输和异步传输。通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步，一方面数据位之间要保持同步，另一方面由数据位组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步。

1 ）异步传输数据通信的基本要求是：接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间，满足这一要求的最早和最简单的方法就是采用异步传输。所谓异步传输，即指发送者和接收者之间不需要合作。也就是说，发送者可以在任何时候发送数据，只要被发送的数据已经是可以发送的状态的话。对于接收者来说，只要数据到达，就可以接受数据。用这种方法，一次传输一个字符（ 5-8位组成）的数据。每个字符用一个起始位和一个结束位来表示数据的开始和结束。起始位的编码为 0 ，结束位的值为 1 。如果没有发送的数据，那么发送方就发送连续的停止位。接收方根据 1 到 0 的跳变来识别一个新字符的开始。 异步传输比较适合于像键盘等那些并不是经常有大量数据传送的设备。

2 ）同步传输同步传输则要求发送和接收数据的双方进行合作，按照一定的速度向前推进。也就是说，发送者只有得到接收者送来的允许发送的同步信号之后才能发送数据，而接收者也必须收到发送者所指示的数据发送完毕、允许接受的信号之后才能接收。在同步传输情况下，数据是以数据块的形式传输的，为使接收方明确数据块的开始和结束，还必须在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和帧尾作为标识。

1.6.5.4 数据传输中的差错控制在数据通信中，利用抗干扰编码进行差错控制的方法有两种：一种是接收端发现错误后通过反馈信息要求发送端重发那一部分错误的信息，从而达到纠错的目的；另一种是接收端发现错误后能自动纠正错误。数据传输的差错控制能力主要依赖于编码的纠错能力。纠错码一般包括信息字段和校验纠错字段两部分。常用的纠错码有奇偶校验、海明校验、循环冗余校验码等。

1.6.6 数据交换通信网络的中间节点起着数据交换的功能，将数据从一个节点传到另一个节点，直至目的地。整个数据传输的过程称为数据交换过程。

设备 A 、 B 、 C 、 D 、 E 、 F 、 G 、 H 之间的数据交换均可通过交换网络实现

交换技术

在电话交换系统里有各种大小交换局，如北京有六个大的交换局，每个交换局又下属若干个小交换局或端局，中关村的 6255 局就是六大交换局之一，而北大的 6275 局是 6255 局的下属局，用户电话就是经过各个交换局到达目的地

的。数据传输系统正是这样一种组织结构，在数据传输系统里除了本地回路和干线之外，最重要的就是交换设备。 交换机是指通信网络的一些中间结点。通信的发起者到接收者之间很少是直接相连的，常常是通过若干个中间结点将数据一步一步地发送到目的站点。这些中间结点并不关心数据的内容，它们关心的是数据的组织形式和信息的处理方法。 通信系统中，交换机所采用的交换技术按照其交换形式可以分为以下四种：

线路交换 (Circuit Switching) 报文交换 (Message Switching) 数据包交换 (Packet Switching) 虚电路交换 (Virtual Circuit Switching)

下面一一介绍各种交换技术。

1 、线路交换

线路交换（ Circuit Exchanging ）方式与电话交换方式的工作过程很类似。在线路交换中，两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接，如图所示

线路交换方式中建立的物理连接

线路交换的工作原理

线路交换利用线路交换进行通信需以下三个阶段 1) 线路建立：在数据传送之前，必须先建立一条利用中间节点构成的端到端的专用物理连接线路。

2) 数据传输：两端点沿着已建立好的线路传输数据。 3) 线路拆除：数据传送结束后，应拆除该物理连接，以释放该连接所占用的专用资源。

线路交换的特点 1) 优点：线路建立后，所有数据直接传输。因此数据传输可靠、迅速、有序（按原来的次序）。

2) 缺点：线路接通后即为专用信道，因此线路利用率低。例如，线路空闲时，信道容量被浪费。线路建立时间较长，造成有效时间的浪费。例如，只有少量数据要传送时，也要花不少时间用于建立和拆除电路。

3) 结论：线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求较强的场合（如会话式通信），不适合突发性通信。

2 、报文交换报文交换的工作原理报文：站点一次性要发送的数据块，其长度不限且

可变。工作原理：“存储 - 转发”。发送端将一个目的地

址附加在报文上发送出去；每个中间节点先接收整个报文，检查无误后暂存这个报文（存储），然后根据报文的目的地址，选择一条合适的空闲输出线路将整个报文传送给下一节点（转发）；直至目的节点。

在报文交换方式中，当一个站点要发送数据给另一个站点时，不需要事先在两站之间建立专用通路。

报文交换的特点 1) 报文交换的优点 线路利用率高。由于两站点之间的线路不是专用线路，因此许多报

文可以分时共享这些线路。 可以进行速度和代码的转换。即，可以实现不同类型计算机间的通

信。 故障的影响小。如果两站点之间的某条线路发生故障，报文可以选择其它线路进行传送。

多目的报文。可以将一个报文发送到多个目的地。 不需要收、发两端同时处于激活状态

2) 报文交换的缺点 延迟时间长且不定 不适合于对实时性要求强的传输，例如：会话或

实时转播等。 报文长度不限 对中间节点的要求高，例如：存储能力或处理能力等。 通信不可靠、失序有时中间节点收到过多的数据而无空间存储或不

能及时转发时，就不得不丢弃报文；而且发出的报文不按顺序到达目的。

3 ）报文交换用于计算机网络的不足之处 延迟时间长 中间节点费用高

3 、分组交换分组交换是目前应用最广泛的数据交换技术。分组交换采用“存储——转发”和“分组——组装”的数据传输机制。当发送端有数据要发送时，它把数据分为并形成固定长度的分组，传输给交换设备；交换设备在接受到分组后，如果所需要的输出线路暂不空闲，则将数据分组存储起来，待输出线路空闲时，再将数据分组转发出去。分组交换适用于计算机网络，在实际应用中有两种类型：虚电路方式和数据报方式。

数据报方式数据报又称面向无连接的数据传输。在数据传输方式中，被传输的每个独立分组称为“数据报”。每个数据报都有完整的发送端地址和接收端地址。数据报的传输不需要链路的建立和释放，同一用户数据的各个分组在网络中可能会经过不同的路径，具有不同的时间延迟而到达最终节点。所以当所有分组到达接收端后，接收端必须采取措施将这些分组重新进行排序。

数据报方式的数据交换过程

虚电路方式 虚电路又称为面向连接的数据传输。工作流程类似于电路交换。在发送分组之前，需要建立一条由发送端到接收端的逻辑连接，即为每个分组预先选定一条由发送端到接收端的传输路径。由于这条传输路径并不是一条物理存在的专用通路，因此称为虚电路。虚电路可以临时连接，称为虚呼叫，也可以是永久性的虚电路。采用虚电路进行数据传输时，一般包括三个过程：虚电路建立、数据传输和虚电路释放。由于分组是沿着同一传输路径到达接收端，所以分组到达的先后次序不会发生混乱。

虚电路交换方式

1.7 网络互联1.7.1 网络互联层次1.7.2 网络互联设备

1.7.1 网络互联层次网络互联的动力：更大范围的资源共享网络互联： HOST-LAN 、 LAN－ LAN/WAN

？

网络互联层次——物理层从 OSI/RM 层次观点考察网络互联 物理层：在电缆段之间复制比特信号（无地址）

网络层数据链路层物理层

传输层

表示层会话层

应用层

网络层数据链路层物理层

传输层

表示层会话层

应用层

物理层

中继器、集中器

网络互联层次——数据链路层 数据链路层：

在网段之间转发数据帧（根据物理地址）

网络层数据链路层物理层

传输层

表示层会话层

应用层

网络层数据链路层物理层

传输层

表示层会话层

应用层

物理层

网桥、交换机

数据链路层

网络互联层次——网络层 网络层：

在网络之间转发报文分组（根据逻辑地址）

网络层数据链路层物理层

传输层

表示层会话层

应用层

网络层数据链路层物理层

传输层

表示层会话层

应用层

物理层

路由器

数据链路层网络层

网络互联层次——更高层更高层：

连接不同体系结构的网络

网络层数据链路层

物理层

传输层

表示层会话层

应用层

网络层数据链路层物理层

传输层

表示层会话层

应用层

物理层

网 关

数据链路层网络层

1.7.2 网络设备层次 物理层设备

网卡 (NIC Card) ：安装在计算机主板上的电路板插板。网卡的作用是将计算机与通信设施连接起来，将计算机中的数字信号转换成通信线路上能够传送的电子信号或者电磁信号。

调制解调器 (Modem) ：是一种信号转换装置。完成数字信号和模拟信号之间的转换。

中继器 (Repeater) ：是一种比较简单的单向传送设备。它能够接收一条链路上的数据，并以同样的速度串形地将该数据传送到另一条链路上，而且，所有的链路都按一个方向传输数据。对弱信号进行放大或再生，以便延长传输距离。

集线器 (Hub) ：是局域网中的连接设备，具有多个端口，可连接多台计算机。在局域网中常常将分散的计算机连接起来，形成星型拓扑结构的局域网。

1.7.2 网络设备层次 数据链路层设备

网桥 (Bridge) ：是局域网中的连接设备。网桥将一个大的局域网分成不同的网段，以扩展网络距离，减轻网络负担。

第二层网络交换机 ( 主要用于接入层 )

网络层设备 多协议路由器 (Multiprotocol Router) ：异构网络中的连接设备，将多

个网络连接起来，形成一个更大的网络。其主要的功能是路由和转发分组。必要时，做网络层协议转换。

交换机 (Switch) ：有些交换机工作在数据链路层，例如帧中继交换机、ATM 交换机等， ( 有些交换机工作在网络层 ) ，为源和目的地址之间建立连接。交换机一般都工作在虚电路模式，在数据链路建立之后，直接将数据转发出去，不需要再进行路径选择，延迟小。（第三层交换机，即 IP 交换机）

更高层设备 网关：将两个使用不同协议的网络段连接在一起的设备。它的作用就

是对两个网络段中的使用不同传输协议的数据进行互相的翻译转换。目前主要有三种类型的网关：它们是协议网关、应用网关和安全网关。

1.8 本章小结本章主要对计算机网络的定义、分类、组成、基本概念以及数据通信技术和计算机网络的体系结构作一个初步的介绍。学习重点计算机网络的四个发展阶段计算机网络的定义、功能和分类计算机网络的拓扑结构OSI/RM与 TCP/IP 模型数据通信的概念及通信系统的组成常见的传输介质数据传输和交换的方式网络互联设备