计算机网络应用基础(第3版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：王建珍主编

出版社：高等教育出版分社

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计算机网络应用基础(第3版)试读：

第3版前言

1.调整了结构。为了突出知识的递进关系，使前后知识能够更好地衔接，将全书的内容重新进行了编排，分为

知识篇

2.增加了“物联网基础知识”一章。融入最新物联网相关概念、关键技术、应用实例，以便学生对物联网有个初步的认识，引导学生学习、探索物联网新技术的兴趣。

3.补充了“交流沟通”及“电子商务”两章。为了突出内容的新颖性和实用性，“交流沟通”一章全面讲述了当前人们广泛使用的 QQ、微信、博客、微博等通信形式，包括计算机版及手机版的应用。“电子商务”一章重点介绍了现在使用比较广泛的手机银行、网络银行、网购、团购及网络炒股等应用的相关知识及操作。

4.在知识篇中，与时俱进地优化了教学内容，突出基础理论知识的完整性、系统性。“局域网基础知识”一章增加了虚拟局域网的相关知识，“Internet 基础知识”一章，在对知识结构进行优化调整的同时，增加了CIDR（无类域间路由）的内容，补充了子网及子网划分的相关实例，这为教学提供了较好的案例，也有利于帮助学生更好地理解子网的相关知识及应用。

5.在技术篇中，围绕高校应用和创新能力培养的目标，融入核心能力培养的内容，突出在教学中应用能力的培养。在本篇的编写过程中，编者对内容进行了较大的调整和补充，使知识之间具有较为自然的递进衔接关系，更加有利于教学及学习的有序进行。“局域网的组建与实例”一章以实际生活中比较实用的宿舍网、办公网及家庭无线局域网为例，详细介绍了常见局域网的组建过程，同时补充了WWW、DNS、FTP等常见服务的搭架方法。“与Internet的连接”一章的内容重新进行了编排，介绍了接入网、骨干网及目前常见的入网技术（ISDN、DDN、xDSL、HFC、FTTx、无线接入、电力线接入及手机接入）及共享入网的方法。“网页设计与制作技术”一章中，更新网页及网站设计的制作工具为当前较为流行的Dreamweaver 8.0，并结合相关的操作实例，系统详细地介绍了使用该工具进行网页网站开发的技术和方法。“网络安全与技术”一章，结合技术的发展，更新了计算机病毒的相关知识，并对黑客入侵案例进行了分析，让学生对网络安全有一个更加深入全面的认识。

6.在应用篇中，突出了应用的先进性及实用性，介绍了当前较为流行的网络应用，并更新了所有相关的应用工具。

7.在本次修订中，去掉了不必要的重复，注意了前后呼应。还尽量使文字表述深入浅出、通俗易懂。

以下的几点建议供安排与组织教学时参考。

1.应该先开设“计算机基础”课程，再开设“计算机网络应用基础”课程。

2.建议“计算机网络应用基础”的教学时数为72学时，其中课堂教学为36学时，实验教学为36学时。

3.本课程的应用性、实用性很强，建议重视实验、实训教学。平时练习主要通过实验/实训方式完成，按实验报告采分，作为平时成绩，占总成绩的40%，期末考试成绩占60%。从而，在要求学生掌握基础理论知识的同时，突出学生实践应用能力的培养。

4.建议教学环境为与Internet连接的多媒体网络环境。本书提供有PPT格式的课件素材，供教师索取（E-mail：wangjz@sxu.edu.cn），或到人民邮电出版社教学服务与资源网（http：//www.ptpedu.com.cn）上下载。

本书由王建珍任主编，刘飞飞、蔺婧娜任副主编。第1章由李娟丽编写，第3章由王建珍编写，第4章与第7章由刘飞飞编写，第2章与第5章由苏晋荣编写，第6章由韩雅鸣编写，第8章由杨森编写，第9章由冯晓玲编写，第10章与第11章由蔺婧娜编写，第12章与第13章由刘潇潇编写。全书由王建珍统稿，相万让、张永奎主审。在本书的修订过程中，得到了徐仲安教授、杨继平教授、相万让教授、张永奎教授、石冰教授的支持与帮助，在这里一并表示感谢。编者2013年2月知识篇

第1章 网络基础知识

当今世界正经历着一场信息革命，信息已成为人类赖以生存的重要资源。信息的处理离不开计算机，信息的流通离不开通信，计算机网络正是计算机技术与通信技术密切结合的产物。信息的社会化、网络化和全球经济的一体化，无不受到计算机网络技术的巨大影响。网络使人类的工作方式、学习方式乃至思维方式发生了深刻的变革。本章介绍计算机网络的基础知识。1.1 计算机网络概述1.1.1 计算机网络的定义

计算机网络的发展速度非常快，它的术语和定义也在不断地演变。现在，大家比较一致地将计算机网络定义为：

计算机网络是将分散在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统，利用通信设备和线路相互连接起来，在网络协议和软件的支持下进行数据通信，实现资源共享的计算机系统的集合。

这个定义涉及以下几个方面的问题。（1）两台或两台以上的计算机相互连接起来才能构成网络。网络中的各计算机具有独立功能。（2）网络中的各计算机间进行相互通信，需要有一条通道以及必要的通信设备。通道指网络传输介质，它可以是有线的（如双绞线、同轴电缆等），也可以是无线的（如激光、微波等）。通信设备是在计算机与通信线路之间按照一定通信协议传输数据的设备。（3）计算机之间要通信，要交换信息，彼此就需要有某些约定和规则，这些约定和规则就是网络协议。网络协议是计算机网络工作的基础。（4）计算机网络的主要目的是实现计算机资源共享，使用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据资源。1.1.2 计算机网络的发展

近20年来，计算机网络得到了迅猛的发展。从单台计算机与终端之间的远程通信，到今天世界上成千上万台计算机互连，计算机网络经历了以下几个阶段。

1.第一代计算机网络——面向终端的计算机网络

20世纪60年代初，为了实现资源共享和提高工作效率，出现了面向终端的联机系统，有人称它是第一代计算机网络。面向终端的联机系统以单台计算机为中心，其原理是将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，利用中心计算机进行信息处理，其余终端都不具备自主处理能力。第一代计算机网络的典型代表是美国飞机订票系统。它用一台中心计算机连接着2000多个遍布全美各地的终端，用户通过终端进行操作。这些应用系统的建立，构成了计算机网络的雏形。其缺点是：中心计算机负荷较重，通信线路利用率低，这种结构属集中控制方式，可靠性差。

2.第二代计算机网络——计算机—计算机网络

20世纪60年代后期，随着计算机技术和通信技术的进步，出现了将多台计算机通过通信线路连接起来为用户提供服务的网络，这就是计算机—计算机网络，即第二代计算机网络。它与以单台计算机为中心的联机系统的显著区别是：这里的多台计算机都具有自主处理能力，它们之间不存在主从关系。在这种系统中，终端和中心计算机之间的通信已发展到计算机与计算机之间的通信。第二代计算机网络的典型代表是美国国防部高级研究计划署开发的项目 ARPA 网（ARPAnet）。其缺点是：第二代计算机网络大都是由研究单位、大学和计算机公司各自研制的，没有统一的网络体系结构，不能适应信息社会日益发展的需要因而计算机网络必然要向更新的一代发展。若要实现更大范围的信息交换与共享，把不同的第二代计算机网络互连起来将十分困难。

3.第三代计算机网络——开放式标准化网络

第三代计算机网络是开放式标准化网络，它具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化协议，标准化使得不同的计算机网络能方便地互连在一起。

国际标准化组织（International Standards Qrganization，ISO）在1979正式颁布了一个称为开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM）的国际标准。该模型分为7个层次，有时也称为OSI七层模型。OSI参考模型目前已被国际社会普遍接受，并被公认为是计算机网络体系结构的基础。

第三代计算机网络的典型代表是Internet（因特网），它是在原ARPAnet的基础上经过改造而逐步发展起来的，它对任何计算机开放，只要遵循TCP/IP并申请到IP地址，就可以通过信道接入Internet。这里TCP和IP是Internet所采用的一套协议中最核心的两个，分别称为传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）和网际协议（Internet Protocol，IP）。它们虽然不是某个国际组织制定的标准，但由于被广泛采用，已成为事实上的国际标准。

4.第四代计算机网络——宽带化、综合化、数字化网络

进入20世纪90年代后，计算机网络开始向宽带化、综合化和数字化方向发展。这就是人们常说的新一代或称为第四代计算机网络。

新一代计算机网络在技术上最重要的特点是综合化、宽带化。综合化是指将多种业务、多种信息综合到一个网络中来传送。宽带化也称为网络高速化，就是指网络的数据传输速率可达几十到几百兆比特/秒（Mbit/s），甚至能达到几到几十吉比特/秒（Gbit/s）的量级。传统的电信网、广播电视网和互联网在网络资源、信息资源和接入技术方面虽各有特点与优势，但建设之初均是面向特定业务的，任何一方基于现有的技术都不能满足用户宽带接入、综合接入的需求，因此，三网合一将是现代通信和计算机网络发展的大趋势。

实现三网合一的关键是找到实现融合的最佳技术。以TCP/IP为基础的IP网在近几年内取得了迅猛的发展。1997年，Internet的IP流量首次超过了电信网的语音流量，而且IP流量还在直线上升。IP网络已经从过去单纯的数据载体，逐步发展成支持语音、数据、视频等多媒体信息的通信平台，因此IP技术被广泛接受为是实现三网合一的最佳技术。

5.下一代网络（NGN）

NGN是“下一代网络（Next Generation Network）”或“新一代网络（New Generation Network）”的缩写。NGN是以软交换为核心，能够提供语音、视频、数据等多媒体综合业务，采用开放、标准体系结构，能够提供丰富业务的下一代网络。

NGN的概念已经提出多年，业界存在诸多不同的解释。在2004年初的国际电联NGN会议上，经过激烈的辩论，NGN的定义终于有了定论：NGN是基于分组的网络，能够提供电信业务；利用多种宽带能力和 QoS保证的传送技术；其业务相关功能与其传送技术相独立。NGN 使用户可以自由接入到不同的业务提供商；NGN支持通用移动性。

NGN能够提供可靠的服务质量保证，支持语音、视频和数据多媒体业务承载能力，具有支持快速灵活的新业务生成能力，这些均无疑是电信产业发展关注的焦点。尽管对于下一代网络仍然争议颇多，但 NGN的研究步伐一直没有停滞，变革是一定的，但是如何演进和实施仍需深入研究和探讨。1.1.3 计算机网络的分类

计算机网络的种类很多，按照不同的分类标准，可得到不同类型的计算机网络。常见的分类有如下几种。

1.按地理覆盖范围分类

计算机网络按地理覆盖范围的大小，可划分为局域网、城域网、广域网和互联网 4 种，如图1-1所示。（1）局域网（Local Area Network，LAN）。局域网的地理覆盖范围通常在10～1000m，如一个房间、一座办公楼和一所学校范围内的网络就属于局域网。（2）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）。城域网的地理覆盖范围为几千米至几十千米，它基本上是一种大型的LAN，通常使用与LAN相似的技术，可以覆盖一组邻近的公司和一个城市，是介于广域网和局域网之间的网络系统。由于一个城市之内的信息交换数量较多、要求的交换速度较快，因此在当前的计算机网络发展过程中，城域网成为世界各国竞相建设的重点。（3）广域网（Wide Area Network，WAN）。广域网的地理覆盖范围为几百千米到 1000km，又称远程网，是一种跨越地域大的网络，通常可以遍布一个国家或一个洲。（4）互联网（Internet）。有许多网络常常使用不同的硬件和软件，实际工作中需要连接这些不同的，而且往往是不兼容的网络。这种互连的网络集合就称为互联网（Internet）。

因特网（Internet）是全球最大的互联网，它将分布在世界各地的局域网、城域网和广域网连接起来，组成目前全球最大的计算机网络，实现全球资源共享。图1-1 按地理覆盖范围划分网络

2.按传输介质分类

传输介质是指数据传输系统中发送者和接收者之间的物理路径。数据传输的特性和质量取决于传输介质的性质。在计算机网络中使用的传输介质可分为有线和无线两类，有线传输介质又分为电信号传输介质和光信号传输介质两类，其中双绞线、同轴电缆是传输电信号的有线传输介质，光纤是传输光信号的有线传输介质。根据网络传输介质的不同，网络可划分为有线网和无线网两种。（1）有线网：采用同轴电缆、双绞线、光纤等物理介质来传输数据的网络。（2）无线网：采用卫星、微波、无线电、激光等以无线形式传输数据的网络。

3.按网络的拓扑结构分类

拓扑（Topology）是从图论演变而来的，是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的方法。在计算机网络中抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”，这样计算机网络的结构就抽象为点和线组成的几何图形，人们称之为网络的拓扑结构。网络拓扑结构对整个网络的设计，网络的功能、可靠性和费用等方面有着重要的影响。常用的网络拓扑结构有总线型结构、星型结构、树型结构、环型结构、网状型结构和混合型结构。按网络拓扑结构分类，计算机网络可划分为总线型网、星型网、环型网、树型网、混合网等。

4.按网络的传输技术分类

根据网络的传输技术，可将网络划分为广播式网络和点到点网络。广播式网络仅有一条通信信道，网络上的所有节点共享这条通信信道。点到点网络由网络中一对对节点之间的多条连接构成，具有多条路径。

5.按网络中使用的操作系统分类

按网络中使用的操作系统进行划分，可将网络分为Novell Netware网、Windows NT网、UNIX网、Linux网等。

6.按网络的传输速度分类

按网络的传输速度进行划分，可将网络分为10Mbit/s、100Mbit/s和1000Mbit/s网。1.1.4 计算机网络的功能与应用

1.网络的功能

计算机网络可提供各种信息和服务，具体来说主要有以下几方面的功能。（1）数据通信。

数据通信是计算机网络的最基本功能。数据通信功能为网络中各计算机之间的数据传输提供了强有力的支持。（2）资源共享。

计算机网络的主要目的是资源共享。计算机网络中的资源有数据资源、软件资源和硬件资源3 类。网络中的用户可以在许可的权限内使用其中的资源，如使用大型数据库信息，下载使用各种网络软件，共享网络服务器中的海量存储器等。资源共享可以最大程度地利用网络中的各种资源。（3）分布与协同处理。

对于复杂的大型问题可采用合适的算法，将任务分散到网络中不同的计算机上进行分布式处理。这样，可以用几台普通的计算机联成高性能的分布式计算机系统。分布式处理还可以利用网络中暂时空闲的计算机，避免网络中出现忙闲不均的现象。（4）提高系统的可靠性和可用性。

计算机网络一般都属于分布式控制方式，相同的资源可分布在不同地方的计算机上，网络可通过不同的路径来访问这些资源。当网络中的某一台计算机发生故障时，可由其他路径传送信息或选择其他系统代为处理，以保证用户的正常操作，不会因局部故障而导致系统瘫痪。例如，某台计算机发生故障而使其数据库中的数据遭到破坏时，可以从另一台计算机的备份数据库恢复遭到破坏的数据，从而提高系统的可靠性和可用性。

2.网络的应用

正因为计算机网络有如此多的功能，使得它在工业、农业、交通、运输、邮电通信、文化教育、商业、国防及科学研究等领域获得越来越广泛的应用。工厂企业可用网络来实现生产的监测、过程控制、管理和辅助决策，实现企业信息化。铁路部门可用网络来实现报表收集、运行管理和行车调度。邮电部门可利用网络来提供世界范围内快速而廉价的电子邮件、传真和IP电话服务。教育科研部门可利用网络的通信和资源共享进行情报资料的检索、计算机辅助教育（CAI）和计算机辅助设计（CAD）、科技协作、虚拟会议以及远程教育。计划部门可利用网络实现普查、统计、综合平衡和预测等工作。国防工程可利用网络来进行信息的快速收集、跟踪、控制与指挥。商业服务系统可利用网络实现制造企业、商店、银行和顾客间的自动电子销售转账服务或广泛定义下的电子商务。生活中可利用网络进行视频点播，依个人爱好选择影视数据库中的节目。计算机网络的应用范围是如此广泛，以至于深刻地改变了我们的工作方式、学习方式和生活方式。1.2 计算机网络的组成与结构1.2.1 计算机网络的基本组成

各种计算机网络在网络规模、网络结构、通信协议和通信系统、计算机硬件及软件配置等方面存在很大差异。但不论是简单的网络还是复杂的网络，根据网络的定义，一个典型的计算机网络主要是由计算机系统、数据通信系统、网络软件及协议3大部分组成。计算机系统是网络的基本模块，为网络内的其他计算机提供共享资源；数据通信系统是连接网络基本模块的桥梁，它提供各种连接技术和信息交换技术；网络软件是网络的组织者和管理者，在网络协议的支持下，为网络用户提供各种服务。

1.计算机系统

计算机系统主要完成数据信息的收集、存储、处理和输出任务，并提供各种网络资源。计算机系统根据在网络中的用途可分为服务器（Server）和工作站（Workstation）两种。（1）服务器负责数据处理和网络控制，并构成网络的主要资源。（2）工作站又称“客户机”，是连接到服务器的计算机，相当于网络上的一个普通用户，它可以使用网络上的共享资源。

2.数据通信系统

数据通信系统主要由网络适配器、传输介质、网络互连设备等组成。（1）网络适配器（又称网卡）主要负责主机与网络的信息传输控制，是一个可插入微型计算机扩展槽中的网络接口板。（2）传输介质是传输数据信号的物理通道，负责将网络中的多种设备连接起来。常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤、微波、卫星等。（3）网络互连设备是用来实现网络中各计算机之间的连接、网与网之间的互连及路径的选择。常用的网络互连设备有中继器（Repeater）、集线器（Hub）、网桥（Bridge）、路由器（Router）、交换机（Switch）等。

3.网络软件

网络软件是实现网络功能所不可缺少的软环境。网络软件一方面接受用户对网络资源的访问，帮助用户方便、安全地使用网络；另一方面管理和调度网络资源，提供网络通信和用户所需的各种网络服务。通常网络软件包括：（1）网络协议和协议软件；（2）网络通信软件；（3）网络操作系统；（4）网络管理及网络应用软件。1.2.2 资源子网和通信子网

为了简化计算机网络的分析与设计，有利于网络的硬件和软件配置，按照计算机网络的系统功能，计算机网络可划分为资源子网和通信子网两大部分，如图1-2所示。图1-2 计算机网络的资源子网和通信子网

资源子网主要负责全网的信息处理，为网络用户提供网络服务和资源共享功能。它主要包括网络中的主计算机、终端、I/O设备、各种软件资源和数据库等。

通信子网主要负责全网的数据通信。为网络用户提供数据传输、转接、加工、变换等通信处理工作。它主要包括通信线路（即传输介质）、网络连接设备、网络通信协议、通信控制软件等。

将计算机网络分为资源子网和通信子网，符合网络体系结构的分层思想，便于对网络进行研究和设计。资源子网、通信子网可单独规划、管理，使整个网络的设计与运行简化。通信子网可以是专用的数据通信网，也可以是公用的数据通信网。

在局域网中，资源子网主要是由网络的服务器和工作站组成，通信子网主要是由传输介质、集线器、网卡等组成。一个典型的办公管理局域网如图1-3所示。图1-3 一个典型的办公管理局域网1.3 计算机网络的体系结构1.3.1 计算机网络协议

计算机网络是各类计算机系统通过通信设备、通信线路连接起来的一个复杂的系统，在这个系统中，由于计算机型号不一、设备类型各异，并且连接方式、同步方式、通信方式、线路类型等都有可能不一样，这就给网络通信带来了一定的困难。要做到各设备之间有条不紊地交换数据，所有设备必须遵守共同的规则，这些规则明确地规定了数据交换时的格式和时序。这些为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（Protocol）。网络协议由语法、语义和时序三大要素组成。

语法：通信数据和控制信息的结构与格式。

语义：对具体事件应发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。

时序：对事件实现顺序的详细说明。

网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分。实际上，只要我们想让连接在网络上的计算机进行任何操作，如浏览网页、发送邮件、下载文件等，我们都需要按照特定的协议，也就是通信规则才能完成。1.3.2 网络体系结构

一个完整的网络需要一系列网络协议构成一套完整的网络协议集，大多数网络在设计时，是将网络划分为若干个相互联系而又各自独立的层次，然后针对每个层次及每个层次间的关系制定相应的协议，这样可以减少协议设计的复杂性。像这样的计算机网络层次结构模型及各层协议的集合称为计算机网络体系结构（Network Architecture）。

层次结构中每一层都是建立在下一层的基础上，下一层为上一层提供服务，上一层在实现本层功能时会充分利用下一层提供的服务。但各层之间是相对独立的，高层无须知道低层是如何实现的，仅需知道低层通过层间接口所提供的服务即可。当任何一层因技术进步发生变化时，只要接口保持不变，其他各层都不会受到影响。当某层提供的服务不再需要时，甚至可以将这一层取消。

网络技术在发展过程中曾出现过多种网络体系结构，由于没有统一的网络体系结构标准，所以把不同体系结构的计算机网络互连起来将十分困难，限制了计算机网络向更大规模的发展。例如，把一台IBM公司生产的计算机接入该公司的SNA（System Network Architecture）网是可以的，但把一台HP公司生产的计算机接入SNA网就不是一件容易的事。若要实现更大范围的信息交换与资源共享，就必须实现网络体系结构的统一。计算机网络的发展在客观上提出了网络体系结构标准化的需求。

在此背景下，国际标准化组织（ISO）在1979正式颁布了开放系统互连参考模型 （OSI/RM）的国际网络体系结构标准，这是一个定义连接异构计算机网络的标准体系结构。“开放”一词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统具有互连的能力。1.3.3 OSI参考模型

OSI 参考模型是一个描述网络层次结构的模型，其标准保证了各类网络技术的兼容性和互操作性，描述了数据或信息在网络中的传输过程以及各层在网络中的功能和架构。OSI 参考模型将网络划分为7个层次，如图1-4所示。图1-4 开放系统互连（OSI）参考模型（1）物理层（Physical Layer）。物理层是 OSI 参考模型的最底层，主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供连接，以透明地传输比特流。（2）数据链路层（Data Link Layer）。数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接，传送以帧为单位的数据，并采用相应方法使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。（3）网络层（Network Layer）。网络层的功能是进行路由选择，阻塞控制与网络互连等。（4）传输层（Transport Layer）。传输层的功能是向用户提供可靠的端到端服务，透明地传送报文，是关键的一层。（5）会话层（Session Layer）。会话层的功能是组织两个会话进程间的通信，并管理数据的交换。（6）表示层（Presentation Layer）表示层主要用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式，它包括数据格式变换、数据加密、数据压缩与恢复等功能。（7）应用层（Application Layer）。应用层是OSI参考模型中的最高层，应用层确定进程之间通信的性质，以满足用户的需要。它在提供应用进程所需要的信息交换和远程操作的同时，还要作为应用进程的用户代理，来完成一些为进行信息交换所必需的功能。1.3.4 TCP/IP参考模型

OSI参考模型研究的初衷是希望为网络体系结构与协议的发展提供一个国际标准，但OSI参考模型迟迟没有成熟的网络产品，所以这一目标并没有达到。而Internet的飞速发展使Internet所遵循的TCP/IP参考模型得到了广泛的应用，成为事实上的网络体系结构标准。因此，提到网络体系结构，不能不提及TCP/IP参考模型。

TCP/IP 是一个协议集，其中最重要的是 TCP 与IP，因此通常将这诸多协议统称为TCP/IP协议集，或者称为TCP/IP。TCP/IP参考模型也是一个开放模型，能很好地适应世界范围内数据通信的需要，它具有如下4个特点。（1）开放的协议标准，可以免费使用，并且独立于特定的计算机硬件与操作系统。（2）独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网中，更适用于网络互连。（3）统一的网络地址分配方案，使得网络中的每台主机的网中都具有唯一的地址。图1-5 OSI参考模型与TCP/IP参考模型（4）标准化的高层协议，可以提供多种可靠的用户服务。

TCP/IP 参考模型有4个层次。其中应用层与 OSI 参考模型中的应用层对应，传输层与 OSI参考模型中的传输层对应，网络层与OSI参考模型中的网络层对应，网络接口层与OSI参考模型中的物理层和数据链路层对应。TCP/IP参考模型中没有OSI参考模型中的表示层和会话层，如图1-5所示。1.3.5 OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

OSI参考模型与TCP/IP参考模型都采用了层次结构思想，其设计目标都是使网络协议与网络体系结构标准化，但二者在层次划分及协议使用上有很大区别。

OSI 参考模型的会话层在大多数应用中很少被用到，而表示层几乎是全空的。在数据链路层与网络层之间有很多的子层插入，每个子层都有不同的功能。OSI参考模型把“服务”与“协议”的定义结合起来，使参考模型变得格外复杂，实现起来很困难。同时，寻址、流控与差错控制在每一层里都重复出现，降低了整个系统的效率。关于数据安全性、加密与网络管理等方面的问题也在设计初期被忽略了。OSI 参考模型由于要照顾各方面的因素，使它变得大而全，所以效率很低，但它的很多研究成果、方法以及提出的概念对网络发展有很高的指导意义，是计算机网络体系结构的理论基础。

TCP/IP参考模型在Internet中经受了几十年的风风雨雨，得到了IBM、Microsoft、Novell和Oracle等大型公司的支持。TCP/IP参考模型应用广泛，支持大多数网络产品，在计算机网络体系结构中占有重要地位，是事实上的工业标准。但TCP/IP参考模型并不完美，也有自身的缺陷，它没有将功能与实现方法区别开，在服务、接口和协议的区别上不清楚。1.3.6 五层体系结构

OSI的七层体系结构的概念清楚，理论也较为完整，但是它既复杂又不实用。TCP/IP体系结构则不同，它是一个四层的体系结构，在现在却得到了广泛的应用。不过从实质上讲，TCP/IP只有应用层、运输层和网络层三层，最下面的网络接口层并没有具体的内容。因此，在学习计算机网络原理时，往往采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层的体系结构，如图1-6所示。图1-6 五层协议的体系结构

五层协议体系结构各层的功能如下。

应用层，确定进程之间通信的性质以满足用户的需要；

运输层，负责主机中两个进程之间的通信；

网络层，负责为分组交换网上的不同主机提供通信；

数据链路层，提供无差错帧传送；

物理层，透明的经实际电路传送比特流。习题

1.简述计算机网络的的定义、分类和主要功能。

2.计算机网络发展分为几个阶段？每个阶段各有何特点？

3.计算机网络由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

4.谈谈你对资源共享的理解。

5.常用的网络拓扑结构有哪几种？各有什么特点？

6.举例说明计算机网络的主要应用范围。

7.简述资源子网和通信子网的组成及主要特点。

8.网络协议的3个基本要素是什么？

9.常用的传输介质有哪几种？各有什么特点？

10.计算机网络采用层次结构有什么好处？

11.OSI参考模型由哪几层构成？它们各有什么主要功能？

12.请描述在OSI参考模型中数据传输的基本过程。

13.TCP/IP参考模型由哪几层构成？它们各有什么主要功能？

14.请比较OSI参考模型与TCP/IP参考模型的异同点。

15.五层体系结构由哪些层构成？它们各有什么功能？

第2章 现代通信技术概述

通信是人类传递信息、交流文化的一种重要手段。随着社会的不断进步和科学技术的发展，通信方式也不断变化，从远古时代的击鼓、烽火台到电报、电话、网络，从有线通信到无线通信，通信内容也从以话音为主发展为以数据为主，通信在我们的生产和生活当中发挥着越来越重要的作用。

现代通信技术以移动通信、光纤通信、微波通信、卫星通信为主，本章将介绍以上几种通信技术的基本概念、原理和应用，并对现代通信新技术进行简要介绍。2.1 现代通信基本概念2.1.1 通信系统的组成与分类

通信是指信息的传递与交换，现代通信是利用电信号、光信号、电磁波等对文字、图形、图像、声音及其他数据等信息进行有效传递或交换。

通信技术的发展大致分为3个阶段：以 1838年莫尔斯发明电报为标志的初级通信阶段，以1949年香农提出信息论开始的近代通信阶段，以光纤通信和综合业务数字网为标志的现代通信阶段。

1.通信系统的组成

通信的基本形式是在信源与信宿之间建立一个传输或转移信息的通道。建立该通道，实现信息传递所需的一切技术设备和传输介质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成如图2-1所示。图2-1 通信系统的组成

信源是指信息的发出者，可以是人或机器。例如，在电话通信中，主叫方或被叫方均可以是信源。

发送设备的基本功能是将信源产生的信息变换为适合在信道上传输的信号，如电话通信系统中电话机的送话器，即话筒部分就是一种发送设备。它将语声变换为电信号，并进行相应的处理（如幅度调制等），以便使电信号在电话线路上远距离传输。

信道是信号传输媒介的总称。信道可以是有线介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等，也可以是无线介质，如传输电磁信号的自由空间。信道还可以包含某些通信设备，如网络通信中的网卡等。

接收设备的功能与发送设备相反，它将信道上接收的信号转变为接收者可以接收的信息。例如，在电话通信中，电话机的受话器，即听筒部分，将电信号转变为语声以便主叫方或被叫方听懂信息内容。

信宿是信息传输的终点，即信息接收者，可以是人或机器。

图2-1中噪声源并不是通信系统中的某一设备，而是由通信系统中各个环节、各种设备产生的各种干扰和噪声，这些干扰和噪声无法彻底消除，因此将其在通信系统模型中集中表示。

2.通信系统的分类

按照不同的方式，通信系统可分成不同类别。（1）按传输媒介分类，通信可分为两类：有线通信、无线通信。所谓有线通信，是指传输介质为架空明线、电缆、光缆等形式的通信，其特点是介质能看得见、摸得着，如明线通信、电缆通信、光缆通信等。无线通信，是指传输消息的介质是看不见、摸不着（如电磁波）的一种通信形式。常见的无线通信形式有微波通信、移动通信、卫星通信、激光通信等。（2）按工作频段即通信设备的工作频率来分类，通信系统可分为长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。（3）按通信业务的不同分类，通信系统可分为话务通信和非话务通信。电话业务属于人与人之间的通信，在电信领域中一直占主导地位。近年来，非话务通信发展迅速，它主要包括数据传输、计算机通信、电子信箱、电报、传真、可视图文及会议电视、图像通信等。另外，从广义的角度来看，广播、电视、雷达、导航、遥控和遥测等也应列入通信的范畴，因为它们都符合通信的定义。（4）按通信者是否运动分类，通信分为移动通信和固定通信。移动通信是指通信双方至少有一方在运动中进行信息交换。固定通信是指在进行信息交换的过程中，通信双方均处于静止状态。（5）按调制方式可将通信系统分为基带传输和频带传输。基带传输是将未经调制的信号直接传送，如音频市内电话。频带传输是对各种信号调制后传输的总称。调制方式有很多种，不同的通信系统采用不同的调制方式，如表2-1所示。表2-1 常见调制方式及应用场合续表（6）按照通信系统中传输模拟信号还是数字信号可将其分为模拟通信系统和数字通信系统。与模拟通信相比，数字通信具有下列优点。

·抗干扰能力强，噪声不积累，如图2-2所示。图2-2 模拟通信系统与数字通信系统中的噪声积累示意图

·便于存储，便于加密处理。

·设备便于集成化、小型化。数字通信大部分采用数字逻辑电路，因此可以用大规模和超大规模集成电路来实现，从而使设备小型化、微型化。

·便于多路复用。数字信号是时间离散信号，可以在离散时间之间插入多路数字信号以实现多路复用。

·便于组成综合业务数字网（ISDN）。由于计算机技术、数字存储技术、数字交换技术、数字处理技术等现代技术飞速发展，许多设备、终端接口均是数字信号，因此容易与数字通信系统相连接。

相对于模拟通信来说，数字通信主要有以下两个缺点。

·占用频带宽。一路模拟电话信号只需4kHz带宽，而数字电话则需64kHz，但随着光纤通信技术、窄带调制技术和数字频带压缩技术的发展，数字通信占用带宽的问题会逐步缩小。

·系统设备比较复杂。数字通信中要准确地恢复信号，接收端需要严格的同步系统，以保持接收端和发送端严格的节拍一致、编码一致。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂。

通信系统还有其他分类方法，如按多址方式可分为频分多址通信、时分多址通信、码分多址通信、波分多址通信等；按用户类型分类，可分为公用通信和专用通信；按通信对象的位置分类，可分为地面通信、对空通信、深空通信、水下通信等。2.1.2 通信方式与传输技术

1.通信方式（1）按消息传送的方向与时间。

按消息传送的方向与时间可将通信方式分为单工通信、半双工通信及全双工通信3种。

单工通信是指消息无论何时只能单方向进行传输的一种方式。常见的单工通信方式有广播、遥控、无线寻呼等，这些系统中无论何时信号只能从广播发射台、遥控器和无线寻呼中心分别传到收音机、遥控对象和 BP 机上，而收音机、遥控对象和 BP 机无论何时都不能将信号发送给广播发射台、遥控器和无线寻呼中心。

半双工通信方式是指同一时刻通信双方只能有一方发送或接收信息，即双方不能同时发送或接收信息，某时刻一方发送信息则另一方只能接收信息。对讲机、收发报机等都是这种通信方式。

全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输消息的方式，即同一时刻通信双方发送消息的同时也可以接收消息。电话通信是最常见的全双工通信。（2）按数字信号排列顺序。

按照数字信号代码排列顺序不同，可将通信方式分为串行传输和并行传输，如图2-3所示。所谓串行传输是将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的方式。一般远距离数字通信方式大都采用串行传输，这种方式只需占用一条通路，缺点是传输时间相对较长。如果将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输，则称为并行传输方式。并行传输方式传输时间较短，但需要占用多条信道，设备复杂，成本高，一般用于计算机和其他高速数字系统，特别适用于设备之间的近距离通信。图2-3 串行通信与并行通信（3）按通信网络形式

通信的网络形式通常可分为3种：点到点直通方式、交换方式和分支方式。

点到点直通方式是指终端A与终端B之间的线路是专用的，它是通信网络中最为简单的一种形式，是网络通信的基础。

交换方式是终端之间通过交换设备灵活地进行线路交换的一种方式，即把要求通信的两终端之间的线路接通（自动接通），或者通过程序控制实现消息交换，即通过交换设备先把发送方来的消息存储起来，然后再转发至收方。这种消息转发可以是实时的，也可以是延时的。

分支方式的每一个终端（A、B、C、…、N）经过同一信道与转接站相互连接，此时，终端之间不能直通信息，必须经过转接站转接，此种方式只在数字通信中出现。分支方式及交换方式与点到点直通方式相比，有其特殊性。如要求通信网中有一套具体的线路交换与消息交换的规定和协议存在信息控制问题、网络同步问题等。

2.传输技术

为提高通信系统的传输效率，使给定信道能尽量高速、可靠的传输多个信源信息，往往需要利用多种传输技术，其中主要包括调制解调技术、信道复用技术、同步技术、抗干扰技术等。（1）调制解调技术。

为了使信息能在给定传输媒介的频率范围内传输，需要将信源信号的频谱搬移到给定频率范围内，这可通过调制来实现。常用的调制方式有调幅、调频、调相等。调制技术是传输技术的核心问题之一。信道上的信号有基带（Baseband）信号和宽带（Broadband）信号之分。简而言之，基带信号就是将数字信号“1”或“0”直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号则是基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。计算机数据要经过模拟传输系统传输，必然会导致严重的信号失真，所以必须利用调制解调器（Modem）进行转换。Modem就是由调制器（Modular）和解调器（Demodulator）这两字的字头组合而成。它的主要作用就是进行D/A或A/D转换，即模拟信号与数字信号的转换。

调制器的主要作用就是将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。最基本的二元调制方法有以下几种。

调幅（AM）：载波的幅度随着调制信号的大小变化而变化的调制方式，如“0”对应于无载波输出，“1”对应于有载波输出。

调频（FM）：载波的瞬时频率随着调制信号的大小而变，而幅度保持不变的调制方式，如“0”对应于频率f，“1”对应于频率f。12

调相（PM）：载波的相位随原基带数字信号而变化，如0对应0°，1对应180°。

图2-4中对数字信号的调幅、调频和调相分别称为移幅键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、移频键控（Frequency Shift Keying，FSK）和移相键控（Phrase Shift Keying，PSK）。图2-4 数字调制的3种基本形式

在各种信息传输或处理系统中，发送端用所欲传送的消息对载波进行调制，产生携带这一消息的信号。接收端必须恢复所传送的消息才能加以利用，这就是解调。解调是调制的逆过程。不同的调制方式对应不同的解调方法。解调可分为正弦波解调和脉冲波解调。正弦波解调还可再分为幅度解调、频率解调和相位解调，此外还有一些变种如单边带信号解调、残留边带信号解调等。同样，脉冲波解调也可分为脉冲幅度解调、脉冲相位解调、脉冲宽度解调、脉冲编码解调等。对于多重调制需要配以多重解调。（2）复用技术

在通信系统中，为高效利用传输介质，提高信道的利用率和传输能力，通常采用信道复用技术。常见的信道复用技术有如下几种。

频分复用技术（FDM）：所有的用户在同样的时间占用不同的带宽资源，如图2-5所示。图2-5 频分复用

时分复用技术（TDM）：所有的用户在不同的时间占用同样的频带宽度，如图2-6所示。图2-6 时分复用

波分复用技术（WDM）：在一根光纤上使用不同的波长同时传送多路光波信号。WDM 用于光纤信道。

码分复用技术（CDM）：通过码型来区分用户，即每个信道作为编码信道实现位传输（特定脉冲序列），每个信道都有各自的代码，并可以在同一光纤上进行传输以及异步解除复用。每个用户可以在同样的时间占用同样的频带，由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户间不会造成干扰，如图2-7所示。图2-7 码分复用（3）同步技术。

在数字通信系统中，为实现正确通信，需要使收发双方时钟保持一致，但实际通信中收发双方往往相距很远，保持时钟一致较难，这时就需要同步技术。常用的同步技术可以分为异步通信和同步通信两种。

异步通信中收发双方的时钟是独立的，发送端可以在任意时刻开始发送字符，但必须在每一个字符加上起始位和停止位，以便使接收端能够正确地将字符接收下来。异步通信在悠闲信道中传输效率高，缺点是设备复杂，由于起始位和停止位的开销所占比例较大而使信道利用率较低，但随着光网络的发展，这已不是根本问题。

同步通信是使接收端与发送端的时钟严格保持一致，发送方先发送一个或两个特殊字符来表示数据传输的开始，该字符称为同步字符，当发送方和接收方达到同步后，就可以发送一大块数据，而不再需要每个字符都用起始位和停止位，这样可以明显地提高数据传输速率。（4）抗干扰技术。

实际通信系统中信号在传输时都不可避免的存在噪声、色散等干扰，它们影响信息传输的可靠性。信道编码和最佳接收是两种主要的解决传输可靠性的抗干扰技术。

数字信号在传输中由于各种原因往往会产生误码，从而使接收端产生图像跳跃、不连续、出现马赛克等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。信道编码的实质是通过增加信息冗余度，扩大信号空间，增大信号间距离，用不可靠信道实现可靠的传输。常用的信道编码有分组码、汉明码、卷积码等，移动通信中常用的交织和扩频技术也是提高信道抗干扰能力的编码方法。

通信系统接收端的性能对信号的正确接收也有很大影响，最佳接收的目标就是从噪声中最好地提取有用信号，降低接收码元的误码率。最佳接收一般是相对于某个最佳准则而言，数字通信中常用的最佳准则有：最佳输出信噪比准则，即匹配接收；最佳差错概率准则，即相关接收。带噪声的数字信号的接收，实质上是一个统计接收问题，其最直观和最合理的准则应该是“最小差错概率”，即在实际存在噪声和畸变情况下，期望错误接收的概率越小越好。通信系统中用最佳接收机来实现最佳接收，最佳接收机是通过分析发送码元的统计特性得出最佳判决公式来设计的。2.1.3 衡量数字通信的主要指标

通信过程中我们最关心的是信息传输的快慢和准确性，相应地，衡量数字通信系统性能的指标主要是有效性和可靠性。有效性主要包括信息传输速率、符号传输速率、信道容量和频带利用率。可靠性指标包括误码率和信号抖动。通信系统的有效性和可靠性是相互矛盾的，二者往往不能同时满足最高要求。要增加系统的有效性，就得降低可靠性，反之亦然。通常的情况是依据实际系统的要求采取相对统一的办法，即在满足一定可靠性指标下，尽量提高消息的传输速率，即有效性；或者，在保证一定有效性的条件下，尽可能提高系统的可靠性。

1.有效性指标

·信息传输速率

信息传输速率也称为传信率或比特率，是指单位时间内传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bit/s。计算公式为

S=1/T×logN　　　　（1）2

式中，T为一个数字脉冲信号的宽度（全宽码）或重复周期（归K零码），单位为s；N为一个码元所取的离散值个数。通常N=2，K为二进制信息的位数，K=logN。N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等2于码元脉冲的重复频率。

·符号传输速率

符号传输速率也称为传码率或码元传输速率，是指单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式为

B=1/T　　　　（2）

式中，T为信号码元的宽度，单位为s。信号传输速率也称码元速率、调制速率或波特率。由式（1）、式（2）得

S=B×logN或B=S/logN　　　（3）22

·信道容量

信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位是位/秒（bit/s）。信道容量与数据传输速率的区别是前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限；而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。

·信道频带利用率

信道频带利用率是指单位频带内的传输速率。衡量不同通信系统时，除比较其传输速率外，还应比较在这样的传输速率下使用的频带宽度。一般通信系统占用频带越宽，其信息传输速率应该越大。

2.可靠性指标

·误码率

误码率是信号在传输过程中出错的概率。同样的信道特性下误码率越低，系统可靠性越好。我们通常用 P表示误码率。P是二进制ee数据位传输时出错的概率，即发生差错的码元数在传输总码元数中所-占的比例。在计算机网络中，一般要求误码率低于 106，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。误码率公式为

P=N/N （4）ee

式中，N为其中出错的位数，N为传输的数据总数。e

·信号抖动

数字通信系统中信号抖动是指数字信号码元相对于标准位置的随机偏移，如图2-8所示。信号抖动一般由信道传输特性、噪声等引起。在多中继传输系统中，信号抖动也会产生累积。图2-8 信号抖动示意图2.2 移动通信2.2.1 移动通信概述

1.移动通信概念

移动通信是指通信双方有一方或两方处于运动中的通信，可以是移动体之间的通信，也可以是移动体和固定体之间的通信。移动通信几乎集中了有线和无线通信的最新技术成就，不仅可以传送话音信息，而且还能够传送数据信号和图像信号，使用户可随时随地、快速、可靠地进行多种信息交换。

2.移动通信的产生与发展

现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代，先后经历了5个发展阶段。

早期发展阶段（20世纪20～40年代）：这一时期主要是完成通信实验和电波传播试验工作，到40年代已经实现了小容量专用移动通信系统，其工作频率为30～40MHz，话音质量差，不能接入公众网。

第二阶段（20世纪40～60年代）：公用移动通信业务开始产生，这一阶段从专用移动网向公用移动网过渡，网的容量较小。例如，世界上第一个公用汽车电话网，当时使用3个频道，间隔为120kHz，通信方式为单工。

第三阶段（20世纪60～70年代）：即进入移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动接续。

第四阶段（20世纪70～80年代）：即移动通信蓬勃发展时期。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，我们称其为第一代蜂窝移动通信系统，即1G（the first generation）。该系统在世界各地迅速发展，用户要求迅猛增加，技术得到长足发展，这使得通信设备趋于小型化、微型化。

第五阶段（20世纪80年代至今）：即数字移动通信系统发展和成熟时期。在该阶段第二代数字蜂窝移动通信系统产生了，简称2G（the second generation）。数字无线传输的频谱利用率高，大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。

为克服2G因技术问题无法提供宽带业务的缺陷，国际电信联盟（ITU）在20世纪末提出第三代移动通信系统，简称3G（the third generation），也称为IMT-2000。其工作频段为2000MHz，最高传输速率可达2Mbit/s。

人们还没有完全了解3G时，4G已经在实验室悄然进行。4G与传统通信技术相比，最明显的优势在于通话质量和数据通信速度。其数据速率将从3G的2Mbit/s提高到100Mbit/s，移动速率从步行到车速甚至更快。4G对无线信道的频率使用率将大大提高，之前通信系统的兼容性问题也将在4G标准中得到解决。

随着移动通信应用范围的不断扩大，移动通信系统的类型也越来越多。按设备的使用环境来看，移动通信分类主要有陆地移动通信、海上移动通信和航空移动通信3种类型。此外还有地下隧道矿井、水下潜艇、太空航天等移动通信。

3.移动通信系统的组成

蜂窝移动通信系统由若干个六边形小区覆盖而成，呈蜂窝状，包括移动台（MS）、基站分系统（BSS）和移动业务交换中心（MSC），如图2-9所示。每个基站都有一个能够提供可靠服务的区域，即蜂窝小区。小区有超小区、宏小区、微小区等不同类型，不同的制式系统和不同的用户密度区应选择不同的小区。图2-9 移动通信系统组成

移动台是能够接入公用陆地移动网并得到通信服务的用户设备，包括移动终端（MS）和用户识别卡（SIM卡）。移动台有车载式、手提式、携带式等形式。

基站分系统包括一个基站控制器（BSC）和由其控制的若干个基站收发信系统（BTS），用来实现无线资源管理、固定网域移动用户之间的通信连接，完成系统信息和用户信息的传输。

移动业务交换中心是整个网络的核心，主要用来处理信息交换和信息处理以及系统集中控制管理，支持电信业务、承载业务和补充业务；支持位置登记、越区切换、自动漫游等其他网路功能。大容量移动通信系统由若干个基站构成移动网，交换中心也有多个。2.2.2 GSM数字蜂窝移动通信系统

1.GSM的特点

GSM（Global System for Mobile Communications）即全球移动通信系统，1991年开始投入使用，是世界上主要的蜂窝系统之一。它是根据欧洲标准而确定的频率范围在 900～1800MHz的数字移动电话系统，频率为1800MHz的系统也被美国采纳。到1997年底，GSM已经在100多个国家运营，成为欧洲和亚洲实际上的标准。GSM 系统是当前发展最成熟的一种数字移动通信系统，它是第二代蜂窝系统的标准，是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务做了规定的蜂窝系统。

GSM的特点主要表现在以下几方面。

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