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计算机原理与实践
第一部分 网络基础
第一章 计算机网络概论
1.1 计算机网络的演变和发展历史
1.1.1计算机网络的起源和形成
1主机-终端的通信网络
1）终端 : 终端实际上相当于计算机的外围设备,它包括显示器、键盘和简单的通信接口，但不具备处理器和存储能力因此不是一台独立的计算机。
2）通信控制处理机（Communication Control Proccessor, CCP-）,又称为前置机。
2主机-主机的通信网络
1） 接口报文处理机（Interface Message Processor,IMP）
2） IMP和通信线路构成通信子网，负责数据通信的任务；互联的主机组成资源子网，承担程序执行，提供计算和存储资源共享。这个时期形成了为当前大多数人认为的计算机网络的基本概念——“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有独立功能的计算机之集合体”。
1.1.2开放的网络体系发展
1.1.3因特网时代
1因特网发展里程碑
2因特网在中国的发展
第一阶段:远程接入电子邮件服务
第二阶段：正式发如因特网
第三阶段：国内互联网建设兴起
1995年到1996年，国内相继兴起互联网络的主干建设，主要有中科院的科学技术网CST-NET、重活科研教育网CERNET、电信行业的CHINANET和电子行业的金桥网CHINAGBN
第四阶段：因特网蓬勃发展阶段
1.2计算机网络的定义与组成
1.2.1计算机网络的定义
目前不便认为的有关计算机网络的定义是:计算机网络是利用通信信道所回想联系的一组独立自治的计算机和设备的集合,目的是为了在用户之间提供信息交换和资源共享功能.
1.2.2计算机网络的组成

1从功能的角度划分
1） 通信子网
2） 资源子网
2从网络运营和规划的角度划分
1） 网络边缘
2） 网络核心
3从一般网络用户的角度划分
1） 网络硬件
2） 网络软件
1.2.3因特网的结构
1)因特网是一个特定的计算机网络,是计算机网络的一个实例费
1.3计算机网络的分类
1按照网络的规模分类
3） 个人区域网(Personal Area Network,PAN)
4） 局域网（Local Area Network,LAN）
5） 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）
6） 广域网（Wide Area Network，WAN）
2按照网络所提供服务的用户类型分类
1） 公用网
2） 专用网
1.4计算机网络的拓扑结构
1总线型
2环型
3星型
4树型
5网状
1.5计算机网络的主要性能参数
1.5.1带宽和传输速率
1)从严格意义上来说,物理信道的带宽与它所能够传输信息的最高速率之间从在一定的数学关系,两者并不能完全相等.
1.5.2时延、往返时延和实验变化
1时延
1）时延是指数据从网络一段传到另一端所需的时间
(发送时延
(1)传播时延
(2)排队时延
(3)处理时延
2往返时延
1）往返时延也是一个重要的性能指标，它表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时延
3时延变化/时延抖动
1）时延抖动 指不同分组穿越网络的延迟的变化。当传输多媒体信息是，如音视频应用，更需要关心试验段的变化。因为应用层信息的解码和无失真展示要求数据的时延变化在某个范围内，这是会引入时延抖动参数来描述网络性能
1.5.3吞吐量、丢包率
1）网络吞吐量简称为吞吐量，是指任意给定时刻通过一个网络（或者某个信道、某个结点）所成功传输的数据量
2）丢包是指分组穿越网络过程中被网络结点丢弃而没有达到目的的结点，丢包率指所丢失数据包数量占所发送数据报的比率
1.6计算机网络的标准化工作和先关技术组织
1.6.1因特网的标准组织
1）因特网工程任务组（Internet Engeering Task Force,IETF）是因特网领域最有影响的技术研究组织.和传统的标准组织不同,IETF是一个国际化的民间技术机构,由互联网技术领域的专家自发参与和管理,它汇集了与因特网体系演化和网络稳定运行等技术相关的网络研究人员、开发者和运营者，并向所有对其有兴趣的人士开放。1989年，因特网体系委员会IAB(Internet Architecture Board)重组时，IETF和IRTF一起成为IAB附属机构。IRTF的任务是专注于理论方面的前瞻的性研究IETF负责中、短期的工程问题研究，主要涉及协议的开发和标准化。
2）因特网标准以RFC(Request For Comments,请求评论)编号的形式发表。形成一个因特网标准要经历四个阶段：
（1）英特网草案（Internet Draft）:供讨论，有效期仅六个月
（2）建议标准（Proposed Standard）：被接受为RFC文档
（3）草案标准（Draft Standard）：被审查和考虑中
（4）因特网标准（Internet Standard）：称为因特网标准协议
1.6.2国际电信联盟
1）国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）是电信界最有影响的国际标准化组织.
1.6.3国际标准化组织
1)国际标准化组织(International Organization For Standardization,ISO)是国际标准领域最有影响力的组织。
1.6.4电气和电子工程师协会
1）电气和电子工程师协会（Institute of Electronical and Electronic Engineering，IEEE）是由美国电气工程师协会（AIEE）和无线电工程师协会（IRE）合并而来的
第二章 计算机网络体系的结构
1)计算机网络的体系结构是网络层次模型和隔层协议的集合,它反映了整个计算机网络系统的逻辑结构和功能划分,包含了硬件和软件向组织与设计时所必须遵守的规定
2.1 基本概念
2.1.1分层的体系结构
1) SNA
2)DNA
3)DCA
4)IPX/SPX
5)AppleTalk
6)网络采取分层结构具有如下一些特点:
(1)独立性强
(2)灵活性搞
(3)易于实现和维护
(4)有利于表转化
7)通常各层所要完成的功能主要有以下一些:
l 寻址:定位网络中的结点
l 差错控制:提高相应层次上网路对等端之间通信的可靠性
l 流量控制:根据接收端的接收能力调控发送端的发送速率
l 分片和重组：根据网络传输的限制和需要，将要发送的数据块划分为更小的单位，在接受端再将其组装起来
l 连接管理：为数据交换建立逻辑连接，并对连接的状态进行管理，数据传送结束后释放链接
l 回话管理：建立、管理和终止应用程序之间的回话
l 数据的表示及编码
2.1.2有关术语及概念
1网络协议
1）一个协议就是一组控制数据通信的规则。这些规则明确的规定了所交换数据的格式和时序。这种为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准和约定称为网络协议。网咯协议通常具有层次性、可靠性和有效性
2）网络协议主要由语义、语法和时序三个要素组成
l 语义 协议的语义是指针对构成协议的协议元素的含义的解释也就是“讲什么”
l 语法 语法是指规定将若干个协议元素和数据组合在一起表达一个更完整的内容时所要遵循的格式，即对所表达内容的数据结构形式的一种规定，也就是“怎么讲”
l 时序 时序是对通信双方交互时动作执行顺序的约定
3）通常需要把语义、语法和时序三个要素结合起来，才能达到预定的通信目标。因此，可以认为网络协议是实体间通信时所使用的一种语言。可以吧语义、语法和时序形象的描述为：语义——表示做什么，语法——表示怎么做，时序——表示什么时候做
2其他概念
1)层 由于计算机网络是一个复杂的系统,而”分而治之”是解决这些复杂问题的一种有效方法
2)实体 所谓实体,是指某一层中就有数据收发能力(可以接受参数并且返回结果)的活动单元.它可以是硬件,也可是软件进程.一般情况下,实体就是 一个特定的软件模块
3)服务 在计算机网络中,服务是一个纵向概念,是指弟N层的所有实体为第N+1层的所有实体提供的一组功能集合。一般将下层实体提供给上层实体调用形式参数并且返回结果的地方称作服务访问点。显然，层与层之间需要进行多次调用，也就是说层与层之间有很多服务访问点
4）服务原语 服务原语是一种原子动作，它即可由服务用户发出，也可由服务提供商发出。协议是“横向的”，服务是“纵向的”
5）数据单元
6）协议数据单元 通常将不同计算机系统的对等层实体之间所交换的数据单元的每一部分称为协议数据单元
7）协议控制信息 协议控制信息是指为了实现协议而在要传送数据的首部和尾部添加的控制信息；用户信息是指下层实体为上层实体传送的信息。一般要对协议数据单元的大小进行限制
8）计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构
2.2ISO/OSI参数模型
1）开放系统互连——标准化开放式计算机网络层析结构模型
2）各层的主要功能简述如下：
l 物理层 物理层最接近于物理传输介质，它的职责就是将信息放置到介质上
l 数据链路层 数据链路层在物理链路之上提供可靠数据传输.不停的数据链路层定义了不同的网络和协议特性,其中涉及物理地址、错误校验、数据帧序列、链路管理以及流量控制
l 网络层 网络层的主要用途是在网络中的源节点到目的结点之间传输数据报通过互联的网络来交换网络层的数据协议单元。网络层为高层协议提供两种类型的网络服务，即面向连接的虚电路服务和无连接的数据服务
l 传输层 传输层在网络层提供的服务基础上，实现向高层传输可靠地透明数据传输，使高层服务用户在相互通信时不必关心通信子网的实现细节
l 会话层 会话层利用传输层提供的可靠的端到端的通信服务，实施两个用户进程之间的回话
l 表示层 表示层提供多种应用层数据的编码和转化功能，以确保从一个系统的应用层发送的信息可以被另一个系统的应用层识别
l 应用层 应用层是最接近终端用户的OSI层，这就意味着OSI应用层与用户之间弟通过应用软件相互作用的
2.3TCP/IP体系结构
1)TXP/IP协议之所以发展迅速,是因为它适应了世界范围内对数据通信的要求具有很多利于自身发展的特点:开饭的协议标准可以免费使用,并且独立于特定的计算机硬件与操作系统;独立于特定的网络硬件,可以运行在局域网、广域网、更适用于互联网中；统一的网络地址分配方案，使得整个TCP/IP设备在网中都有唯一的地址；标砖化的高层协议可以提供多种可靠的用户服务
2）TCP/IP体系共有四个层次：应用层、传输层、网络互联层和网络接口层。
l 网络接口层 网络接口层主要负责将数据报发送到网络传输介质上以及从网络上接受TCP/IP数据报,相当于OSI参考模型中的物理层和数据链路层
l 网络互联层 网络互联层的主要功能是寻址和对数据报的封装以及重要的路由选择功能
l 传输层 传输层主要负责在应用进程之间的”端到端”通信,即从某个应用进程运输到另一个应用进程
l 应用层 应用层是TCP/IP的最高层,它包括了多种高层协议,并且总有新的协议加入
2.4五层协议的体系结构
1物理层
物理层是五层体系结构的最底层,它的任务是利用传输介质为通信的网络节点之间建立、管理和释放物理连接，透明的传输比特流。“透明的传输比特流”表示上层协议只看到“0”、“1”比特流，而不用关心物理信号的传输，因而也就看不见物理层是如何实现比特流的传输的。物理层利用的是一些物理媒体（如双绞线、同轴电缆、光缆等）并不在物理层协议之内而是在物理层协议的虾面。因此也有人把这些物理媒体认为是网络体系结构的弟0层
2数据链路层
数据链路层在五层体系结构中位于物理层和网络层之间，相当于高层，数据链路层所用的服务和协议都比较成熟。再发送数据时，数据链路层的任务是将在网络层叫下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点的链路上传送以帧为单位的数据。每一帧都是有数据和一些必要的控制信息，如同步信息、地址信息、差错控制以及流量控制信息等组成的
3网络层
网络层在五层体系结构中为与数据链路层和传输层之间，它的作用是为分组交换网上的不同主机提供通信。而传输层的作用是为运行在不同主机中的进程提供逻辑通信。注意他们之间的区别。在发送数据时，网络层会把传输层产生的报文段或用户数据报封装成分组进行传送。网络层还有一个任务就是路由的选择，使源主机传输层所传下来的分组能够交付到目标主机
4传输层
传输层是网络体系结构中位于网络层和应用层之间，其作用是为运行在的不同主机中的进程提供逻辑通信
5应用层
应用层是五层体系结构中的最高层。它可以根据用户所产生的服务请求确定进程之间通信的性质是否满足用户的需要，应用层直接为用户的应用进程提供服务
第二部分网络协议
第三章 物理层
3.1 物理层概念