【无标题】嵌入式-网络技术概述&数据通信基础

第一章 计算机网络技术概论

第一节 计算机网络的起源与发展

人类社会进入到20世纪中期后，以计算机、电子和通信为代表的信息技术逐渐成为推动社会发展进步的主导技术，围绕信息的收集、处理、传输和使用，产生了大量的新技术、新设备、新产业及新的生活方式。从世界上第一台电子计算机ENIAC的诞生到今天的互联网时代，信息技术及其产业在短短几十年的时间里获得了巨大的发展，与社会生产和人们生活的各个方面息息相关，密不可分。

计算机在诞生后，作为信息处理的核心器件，被广泛地应用在科学计算、工业控制、人工智能、数据管理和辅助设计等各个领域。随着计算机的普及，人们越来越不满足孤立的计算机所进行的信息处理，而是希望位于不同空间的计算机及其附属设备能够连通起来，从而实现信息的传输和共享。计算机网络便是在这样的背景下出现的。

那么到底什么是计算机网络呢?在计算机网络发展的不同阶段，受网络技术的发展水平及人们对网络认识程度的影响，对计算机网络的定义也不尽相同。其中，从资源共享角度定义能比较准确地反映当前计算机网络的基本特征，即:计算机网络是以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。

在20世纪中期，人们开始将计算机技术与通信技术相结合，形成了最初的计算机网络雏形-以单台计算机为中心的远程联机系统，其代表是美国IBM公司所开发设计的SA- BRE-1订票系统，该系统以一台计算机为中心，将分布在全美各地的2000多个终端通过公共电话线连接到这台中央计算机上，进行机票的预订。这里的终端还不是真正意义上的计算机，不能进行数据的处理，需要分时使用中央计算机的资源，而且每个终端还需要独占一条通信线路，效率低下，通信成本却很高。

真正意义上的计算机网络的出现是以美国ARPANET的建成为标志的。ARPANET是由美国国防部于20世纪60年代末开始筹划建设，其最初的目的是进行研究和实验。ARPA-NET 采用分组交换技术，可以连接不同型号的计算机设备，实现数据信号的传输。ARPA- NET 主要是在大学和科研机构之间建立网络，最初的ARPANET包含4个结点，分别位于加州大学洛杉矶分校、加州大学伯克利分校、斯坦福研究院和犹他大学。到了20世纪70年代，越来越多的大学和科研机构作为结点加人ARPANET，很快就扩展到整个美国，并且开始有其他国家的结点加入。同时，出现了越来越多的基于ARPANET 的网络应用，比如电子邮件(E-mail)、DNS、FTP和Telnet等，从应用的层面促进了ARPANET的研究和扩展。与此同时，各计算机厂商也纷纷发展自己的网络系统产品，各个企业及大学出现了各种不同类型的局域网、广域网和分组交换网。在ARPANET网络研究过程中，研究人员希望将不同类型的网络互联起来，使得位于不同网络的计算机之间可以通信。要实现这一目的，需要解决不同网络类型中的分组结构、通信机制及传输速率等不一致的问题，因此就出现了以解决不同网络互联为目的的TCP/IP模型。其中TCP(TransportControl Protocol)负责分布式进程通信功能，IP负责分组转发路由功能。TCP/IP逐渐得到了很多研究机构和企业的认可，主流的计算机硬件设备、操作系统和数据库软件等产品都支持TCP/IP，促进了TCP/IP的不断完善和发展。

到了1975年，ARPANET已经接入了100多个结点，结束了网络实验阶段，开始由美国国防部正式运行。进入20世纪80年代，TCP/IP完全覆盖了 ARPANET，成为网络互联的标准协议，互联网Intemet的基本框架开始形成。1983年，美国国防部将ARPANET分为两个独立网络，其中一部分仍然称为ARPANET，用于科学研究，向公众开放;另一部分用于军方通信，称为MILNET。整个20世纪80年代，ARPANET得到了飞速发展，大量的网络、主机和用户接人ARPANET，各种网络技术和应用不断创新，并且以ARPANET为主干，与分布在世界各地的网络连接在一起，逐渐形成了人们现在所使用的Internet。到了1990年，ARPANET被美国国家科学基金会(NSF)所创建的NSFNET网络所代替，完成了它的历史使命。

ARPANET 是计算机网络技术发展的一个里程碑，它对推动计算机网络理论和技术的发展有着重要作用。它的贡献主要体现在以下几个方面。

·完成了对计算机网络的定义和分类方法的研究。

·提出了资源子网和通信子网的结构概念。

●提出并实现了分组交换技术。

·采用了层次结构的网络体系结构和研究方法。

●促进了TCP/IP模型的研究和应用。

●为Internet的形成和发展奠定了基础。

从20世纪90年代开始，Internet开始成为计算机网络发展的主要形态。Internet是在 ARPANET 的基础上，将分布在世界各地的众多不同规模、不同类型的计算机网络连接起来而形成的大型互联网络，TCP/IP是其核心的框架协议。不同于ARPANET主要用于科研和学术用途，Internet在商业上体现出了巨大用途和价值，商业应用反过来又促进了Internet的用户不断增加，技术不断进步，应用不断扩展。它可以为人们提供海量的信息资源和服务，覆盖了商业、金融、教育、科研、文化、公共管理和新闻报道等人类生活的各个领域。对于每个一个用户来说，Internet是一个全球范围的信息资源网，接入Internet的主机既可以是信息服务的使用者，也可以是信息服务的提供者。这种开放式的信息资源共享模式使得Inter- net成为人类社会有史以来最庞大的知识宝库。Internet的发展速度之快是研究者所始料未及的，在1989年，接入Internet的主机数为8万台，到了1993年增长到120万台，到了1997年就已经达到了1600多万台，2001年又突破了1亿台……从1995年开始，Internet中的主机数每年都呈现指数级增长。

与用户数量一起飞速发展的还有基于Internet的各种应用。传统的Internet主要为用户提供电子邮件、远程登录、文件传输、新闻浏览和公共论坛等服务，进入21世纪之后，随着技术的不断进步和用户的不断增加，各种新的Internet应用被不断地开发出来，如电子银行、搜索引擎、视频点播、即时通信、电子商务和社交网站等，成为人们日常工作生活中必不可少的Internet应用。Internet的发展使得计算机网络逐渐和电信网络、广播电视网络融合在了一起，形成“三网合一”的覆盖各种数据业务的综合信息网络。特别是伴随着移动通信技术的发展，Internet已经不再拘泥于固定计算机之间通过有线链路相连，各种便携式的移动设备如智能手机、平板电脑和笔记本电脑等通过无线网络可以随时随地接入Internet, Internet的应用在时间域和空间域上都得到了巨大的拓展。近几年来，以物联网、云计算和大数据为代表的最新技术和应用已经成为互联网研究和产业发展的核心热点，互联网推动社会进步、改变人们生活的力量将变得越来越强大。

第二节 计算机网络的分类

计算机网络是涉及计算机和通信领域众多技术的复杂系统，因此有着多种不同的分类方式。

1. 按照网络覆盖范围划分

通信覆盖的范围直接影响所采用的技术和策略，根据网络的覆盖范围可以分为局域网、城域网、广域网和互联网。

(1)局域网

局域网(Local Area Network,LAN)是指范围在几百米到几千米内的办公楼群或校园内的计算机等数据终端设备相互连接所构成的网络。局域网被广泛应用于连接校园、工厂和机关的个人计算机或工作站，以及各种外围设备，以利于个人计算机或工作站之间资源共享(如打印机、服务器)和数据通信。局域网之所以区别于其他网络，主要体现在以下3个方面。

·网络所覆盖的物理范围。

·网络所使用的传输技术。

●网络的拓扑结构。

局域网中最常使用的是共享信道，即所有的设备都连接在同一条传输线路上。传统局域网具有高数据传输率(10Mbit/s或100Mbit/s)、低延迟和低误码率的特点。新型局域网的数据传输率可达到10Gbit/s甚至100Gbit/s。传统的局域网主要有总线结构和环形结构两种拓扑结构，新型的局域网普遍采用的是星形拓扑。目前市场上最常见的局域网产品是遵循 IEEE 802.3协议标准的以太网(Ethernet)，而无线局域网(WLAN)正在逐步取代有线局域网，满足人们对移动、布局变动和自组网络的需求。

(2)城域网

城域网(MetropolitanArea Network,MAN)所采用的技术基本上与局域网相类似，只是在规模上要大一些。城域网既可以覆盖相距不远的几栋办公楼，也可以覆盖一个城市;既可以是私人网，也可以是公用网。城域网既可以支持数据和话音传输，也可以与有线电视相连。城域网一般只包含一到两根电缆，以总线形式存在，没有交换设备，因而其设计就比较简单，其标准已由IEEE802.6协议所规定，工作范围一般是几十千米。目前很多城域网也采用以太网技术，因此和局域网的区别已经不是很明显了。

(3)广域网

广域网(Wide Area Network,WAN)通常跨接很大的物理范围，如一个或几个国家。与局域网的共享方式不同，广域网采用交换技术，通过若干相互连接的交换结点(称之为通信子网)，将分布在各地的主机或局域网连接起来。数据的交换是广域网最为关心的向题，主要的交换技术有早期的X.25，目前正在使用的帧中继和ATM等。而担任交换结点的设备通常是路由器或交换机。在这些结点上，能够根据不同的协议要求实现数据的交换、路由、流量控制和拥塞控制等各种管理功能。连接广域网中各结点交换机的链路都是高速链路，目前基本上都是采用光纤作为传输介质，具有较高的通信速率。

(4)互联网

将世界各地的局域网和广域网通过一定的方式连接起来，使得海量的信息能在更广阔的范围内传播，就构成了互联网(InterNetworking)。最常见的形式是多个局域网通过广域网连接起来，而不同厂家生产的网络产品，由于物理结构、协议和标准都各不相同，所以必须将这些不兼容的网络通过被称为网关(Gateway)的网络设备连接起来，并由网关完成相应的转换功能。人们目前广泛使用的因特网(Internet)就是最常用的互联网形式。

2.按传输介质分类

计算机网络按照传输介质的类型可以分为有线网络和无线网络两种。有线网络的传输介质主要采用金属或玻璃材质的导线进行电信号或光信号的传输，主要包括双绞线、同轴电缆和光纤等。有线网络的优点在于信号导向性强，带宽通常比较宽，受外界干扰小，不易被监听和截获等;缺点在于布线成本高，通信受线路布局制约，不灵活方便，传统的局域网、城域网、广域网采用的都是有线网络方式。无线网络利用无线电磁波进行数据传输，不受地点限制，可以随时随地进行通信;缺点在于信号导向性差，在无线信道中容易受到干扰和衰落，传输带宽比较小等。目前常见的无线网有无线局域网(WLAN)、移动通信网和物联网等。

3.按照网络的所有权划分

计算机网络按照其所有权性质的不同，可以分为公用网和专用网。公用网是由电信部门(国有或私有)建设的，能供任何个人和单位使用的网络，用户需要缴纳一定的费用，从而获取相关的数据通信服务。专用网是由某个部门为本单位的特殊用途而建设的，通常不向本单位以外的用户提供服务，比如军队、电力和铁路等系统都有自己的专用网。

4.按照网络拓扑结构划分

点和性能，计算机网络的拓扑结构主要有以下几种基本形式。 拓扑结构是网络中各个结点之间相互连接的几何形式，直接影响到网络中数据传输的特

1) 总线型网络。总线结构是早期网络普遍采用的一种方式，所有接入网络的数据终端均连接到一条通信线路上，同一时刻只能有两个网络结点进行通信，总线结构的优点是节省 通信线路，结构简单，价格便宜;缺点是不能同时支持多个结点通信，而且一旦通信线路的一个地方出现故障，整个网络都不能正常运行。

2)环形网络。环形结构与总线型结构类似，只是将所有联网的数据终端连接到一个闭合的环形通信线路上，其优点是一次通信在网络中传输的最大延迟是固定的，控制机制比较简单;同样，一旦网络中一个地方出现故障，整个网络将不能通信。

3)星形网络。星形结构是以一台数据设备作为中心处理系统，其他的入网设备均与中心处理机通过通信线路相连，其他结点之间不能直接通信，必须通过中心处理机进行转发。其优点是结构简单，局部的故障不会影响全网通信;缺点是对中心处理机性能要求高，通信线路利用率低。

4)树形网络。树形结构是星形结构的一种特例，它将原来用单独线路直接相连的网络结点通过多级处理主机进行分层相连，每一层设置一个中心处理机，负责与它相连的入网设备的通信。树形结构相比星形结构能节省通信线路成本。

5)网状网络。网状结构是指网络中的数据终端可以与其他设备根据需要任意相连，两个网络结点之间可以直接通信，也可以通过其他结点进行转接。网状结构的优点是局部故障不会影响整个网络，可靠性强;缺点是网络结构复杂，不容易进行网络管理和控制。

在实际的互联网中，这几种基本网络拓扑结构常常根据网络的规模、性能要求等实际因素进行混合使用。

5.按照在计算机网络系统中的逻辑功能划分

从逻辑功能上，计算机网络可以分为两部分:通信子网和资源子网。通信子网负责完成网络数据的传输、发换和路由等通信任务，由通信控制处理机、通信线路和其他网络设备构成。资源子网负责网络的数据处理业务，向网络中的用户提供各种资源和服务，由主机、终端、联网的外部设备、各种软件和信息资源构成。

6.按照网络的传输技术划分

按照在网络中传输数据所采用的不同技术，计算机网络可以分为广播式网络和点对点式网络。广播式网络是指所有网络中的计算机共享一条公共的通信信道。任何一台计算机向网络中发出数据分组时，其他计算机都可以检测到这个分组。数据分组中携带有源地址和目的地址，检测到这个分组的计算机查看其目的地址是否与本地计算机地址相同，如果相同则接收这个分组，如果不相同就丢弃这个分组。传统的以太网就是典型的广播式计算机网络。点对点式网络是指网络中建立通信的两台计算机之间由一条物理信道相连接，数据分组由源点计算机直接或者经过转发到达目的计算机，网络中的其他计算机不需要对这个数据分组进行检测和判断。在大规模的计算机网络中，一般很少能够在两台计算机之间直接进行数据通信，都需要进行分组的存储转发和路由选择。基于TCP/IP的Internet属于点对点式网络。

第三节 计算机网络的硬件和软件设备

计算机网络要实现数据传输和资源共享，必须要有相应的设备来实现这些功能。计算机网络设备也有不同的分类方式。根据设备的物理性质，计算机网络设备可以分为硬件设备和软件设备。硬件设备主要包括计算机、服务器、交换机、路由器和通信介质等，软件设备主要包括各种网络协议、网络操作系统和应用程序等。

根据设备在计算机网络中逻辑位置的不同，计算机网络设备可以分为终端设备和网络中间设备。接入网络的台式机、服务器、笔记本、智能手机和打印机等属于终端设备，用于数据的输人输出和处理，是计算机网络中资源和服务的提供者。各种类型的交换机、路由器和通信线路等属于网络中间设备，用于计算机网络中数据的传输、交换、路由和控制等功能，保证网络通信的准确和高效。下面介绍几类基本的计算机网络设备。

1.终端计算机

终端计算机直接面向用户，是用户访问和使用计算机网络的界面。这里的计算机是广义的概念，既包括台式机、笔记本和服务器等传统计算机设备，也包括智能手机、平板电脑及各种带有微处理器的电子产品。终端计算机不仅负责计算机网络与用户间的信息交互，本身也具有信息的存储和处理功能，它既可以从计算机网络中获取信息和资源，也可以向其他用户提供信息和资源。通常将主要从网络中获取信息和服务的终端计算机称为客户机，将主要提供信息和资源服务的终端计算机称为服务器。各种终端计算机与计算机网络之间通过有线或者无线的传输介质相连，为了适应不同传输介质传输信息的需要，终端计算机与传输介质之间通常需要加入数据转换和控制设备，比如调制解调器、以太网网卡或无线局域网网卡等。

4.网络协议

计算机网络中要进行有序的数据通信，所有的通信参与者都必须遵守一些事先预定好的规则。这些规则规定了网络中所传输的数据分组的格式、传输的策略、交换和路由方法等问题。这些为进行网络中的数据通信而制定的规则、标准和约定称为网络协议(Network Proto- col)，简称协议。网络协议一般包括3个基本要素。

·语法:规定数据与控制信息的分组结构或格式。

●语义:规定进行通信需要发出的控制信息、完成的操作动作和响应。

●同步:网络事件实现顺序的详细说明。

网络协议有两种呈现方式。一种是便于人们阅读理解的文字描述，另一种是能让计算机理解并执行的程序代码。网络协议通常是由各种专家组织，如国际标准化组织ISO、美国电气工程师协会IEEE，以及计算机领域的大公司，如IBM和Cisco等来制定。常用的网络协议有TCP、IP、UDP和IEEE 802系列协议等。

5.网络操作系统

操作系统是计算机中若干程序模块的集合，用于统一管理和调度计算机软硬件资源，协调计算机各部件之间、用户与系统之间的关系，使用户能更加方便灵活地使用计算机，提高计算机系统的工作效率。计算机网络中的终端计算机要实现数据通信和资源共享，其操作系统除了具有文件管理、进程管理和输入/输出管理等操作系统的基本功能外，还应该具有管理网络通信和提供网络服务的功能。因此，网络操作系统是指区别于单机操作系统，能够在网络环境下为用户和网络资源提供接口，实现对网络资源管理和控制的程序集合。网络操作系统一般可以分为任务型和通用型两类。任务型网络操作系统是针对某一种特殊网络应用而专门设计的，如专门用于Cisco路由器的专用操作系统;通用型网络操作系统能够提供一般性的网络服务功能，支持用户更广泛的网络应用需求，如WindowsNT系列操作系统。典型的网络操作系统主要有早期的Novell公司的Netware操作系统，以及Microsoft公司的Win- dows NT、Windows Server系列等。随着计算机网络的发展和普及，几乎所有的操作系统都具备了网络管理和服务功能，单机操作系统和网络操作系统已经没有明显的界限，如Windows

7、Windows 8、UNIX和 Linux系列操作系统等，都是自带网络功能的操作系统，可以安装在网络中的各种计算机设备上。

6. 传输介质

传输介质是计算机网络中连接各个网络结点的物理线路，是数据传输的通道。传输介质总体上可以分为有线介质(或称引导型介质)和无线介质(或称非引导型介质)两大类。有线介质通常是由金属或者玻璃材料构成，常用的有线介质包括双绞线、同轴电缆和光纤等;无线介质就是人们所处的空间，包括大气、水下和外层空间等。不同类型的传输介质具有不同的物理特性，在为不同的网络环境选择传输介质时，人们往往将传输介质的物理特性与通信要求和价格因素综合起来考虑，从而确定最合适的网络传输介质。有关传输介质的具体介绍请参见本书第二章的内容。

第四节 计算机网络的性能指标

要研究和使用计算机网络，首先要有一套评价网络运行好坏的性能指标体系，其中既包括定量的性能指标，也包括非定量的性能指标。每一个指标能够描述计算机网络某一方面所表现出来的特性和效果。常用的性能指标主要包括以下几种。

1.定量的性能指标

(1)速率

速率描述的是计算机网络中数字信息传递的快慢情况。计算机网络中的速率可以分为发送速率和传输速率，两者所代表的含义不一样。发送速率是指在终端或者网络中间结点，计算机设备每秒向网络中发送多少比特数据，其反映的主要是网络设备的性能。由于计算机中存储和处理的都是二进制的数据，表示为若干个二进制数字1或者0，其单位为比特(bit),一个二进制1或者0称为1比特。因此在表示数据发送速率时，采用的是网络设备单位时间内发出的二进制比特数，其单位为比特每秒(bit/s)。当数据速率较高时，可以用kbit/s(千比特每秒，简写成k)、Mbit/s(兆比特每秒，简写成M)、Gbit/s(吉比特每秒，简写成 G)和 Tbit/s(太比特每秒，简写成T)来表示。例如，1000M以太网就是指发送速率为1000兆比特每秒的以太网。而传输速率是指数据信号在传输线路上每秒能传播多少千米，其单位为千米每秒，其反映的主要是信号及信道的性能。

(2)带宽

带宽是描述通信有效性的指标。带宽的概念在通信系统中有几种不同的意义。

对于模拟通信系统，带宽包括两个概念，即信道带宽和信号传输带宽。信道带宽是信道的固有特性，只与信道的介质有关系，从数值上等于信道中所能通过模拟信号的最高频率和最低频率之间的差值;而信号传输带宽是某种通信业务信号频率的最高分量和最低分量之间的差值，单位都是赫兹(Hz)。比如在传统的固定电话系统中，从话机终端到交换中心的双绞线，所能提供的通信带宽可以达到2MHz以上，而需要传送的语音通信信号所使用的是从300~3400Hz的频段，所以一路语音信号传输带宽约为3400Hz-300Hz=3100Hz，理论上一对双绞线上可以同时传输64路语音信号。对于某种信道带宽固定的模拟通信系统，信号传输带宽越小，信道中就能同时容纳越多的信号传输，因而通信的有效性也越好。

对于数字通信系统，特别是在计算机网络中，网络的带宽通常是用来表示通信线路所能传送数据的能力，即单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据量，单位为比特每秒(bit/s)。例如通常所说的“宽带网”就是指最高数据量更高的网络。

(3)端到端延迟

端到端延迟简称延迟，表示一个数据分组从网络中的一个端点到达另一个端点所花费的时间。端到端延迟是由多个不同的部分所构成，主要包括发送延迟(终端或者网络中间结点发送数据分组的时间)、传播延迟(承载数据的电磁波信号在信道中传播所消耗的时间)、处理延迟(终端或者网络中间结点分析、处理数据分组所消耗的时间)和排队延迟(数据分组在经过网络中的路由器时，排队等待转发所需要的时间)4个部分。端到端延迟直接反映了网络的性能，延迟越大，网络性能越差，反之则越好。在构成端到端延迟的4个部分中，传播延迟通常比较小，基本可以忽略不计;而发送延迟、处理延迟和排队延迟在网络处于不同状态时，在总延迟中所占的比重也不同。当网络情况良好时，处理延迟和排队延迟都比较小，总延迟的大小主要由发送延迟决定;当网络中发送拥塞时，网络情况变差，处理延迟和排队延迟会大大增加，这时就有可能在总延迟中占主导地位。

(4)吞吐量

吞吐量(Throughput)表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。吞吐量更多地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

2.非定量的性能指标

(1) QoS

QoS ( Quality of Service，服务质量)是指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提