数据与计算机通信讲义
第一次课 网络概论
自我介绍
主要承担网络方向课程教学：计算机网络、网络程序设计等
负责课程设计、工程实训等实践教学组织：程序设计基础实训、OS课设、程序设计综合实训
课程安排
课程性质 理论课46学时，限选、考试、3.5学分。 周三56节、周五34节（9.5~11.30）
实践环节 学院统一安排
课程要求 考勤：10%，实验和大作业：10~30%，考试：60~80%
教材和参考书
William Stallings《Data &Computer Communication》(8th Edition)，北京：电子工业出版社
William Stallings著，王海译《数据与计算机通信》(第八版)中文版，北京：电子工业出版社
Andrew s.Tanenbaum《计算机网络》清华大学出版社
谢希仁《计算机网络》(第5版)，北京：电子工业出版社
电子资源
教材内容
教材内容浏览、教学大纲
网络基本概念
从浏览西电主页www.xidian.edu.cn入手，引入网络通信需要解决的主要问题和网络的体系结构。
通过与学生的交互了解学生对网络相关概念的知晓程度，并引导学生把相关概念对应到网络体系结构的相关层次。
课件导读
网络现状、通信模型、通信的任务、数据通信模型、传输媒体、网络、广域网、局域网、Internet、Internet实例
第二次课 协议体系结构
论题的引入： 理解网络需要从两个方面入手，一方面是网络的构成元素及相关技术，另一方面是协议体系结构。
重要概念
以第一次课中访问西电主页的例子引入通信的各个对等实体以及他们之间的层次关系，从而引入协议和协议栈的概念（进入PPT ）
TCP/IP协议栈
历史和现状：1974出现、事实标准
五个层次和相应的功能
TCP/IP通信示例
通信框图
数据包的封装层次和解包顺序
TCP/UDP/IP头
TCP/IP协议族和相关应用
OSI RM
七层模型的功能界定
与TCP/IP的层次对应关系
一些术语
其他的话题
其他的协议栈
多媒体对协议栈的挑战
第三次课 数据传输
复习&引言
回顾教材的五部分内容的组成：内容简介（通信主题）、链路上的数据传输、广域网技术、局域网技术、TCP/IP协议、Inetnet应用，结合下图（PPT01-19）说明
第二部分 数据通信
主题：链路上的数据传输，即如何在两个直接相连的设备之间传送数据。
内容：传输媒体、传输信号、数据编码、传输的可靠性和效率（链路控制、检错和纠错、复用） CH3~CH9
第三章 数据传输
基本传输术语
导向媒体和非导向媒体
直连链路、点对点链路、多点链路
单工、双工
Frequency（频率） Spectrum（频谱） & Bandwidth（带宽）
时域观点：
模拟&数字信号、周期&非周期信号 (图例)
基本周期信号：正弦波
频域观点：
基本结论：任意信号可以用不同的正弦波构造，傅里叶变换
频率&频谱&带宽的概念
频谱和数据率的关系？
数据、信号、模拟、数字
PPT1-6
数字信号的优势
传输损伤
主要的传输损伤：衰减、衰减失真、时延失真和噪声
信道容量
关于信道容量的两个定理：Nyquist,Shannon
第四次课 传输媒体
本次课介绍各种传输媒体的物理性质、应用场合以及传输特性。
导向媒体
TP&UTP
Coaxial Cable
Optical Fiber
非导向媒体
- 2GHz to 40GHz
l microwave
l highly directional
l point to point
l satellite
- 30MHz to 1GHz
l omnidirectional(全向的）
l broadcast radio
- 3 x 1011 to 2 x 1014
l infrared
l local
非导向传输
天波
地波
视距
第五次课 信号编码技术
复习&引言
回顾PPT1-6总结前两次课的内容：
数据以电磁信号的形式在（直连）链路上传播
信号可以分为模拟和数字信号(时间函数是否连续）
信号有一个重要属性：带宽（信号频谱的范围）
电磁信号可以通过多种不同的传输媒体（导向和非导向）传播
信道是指传输媒体+收发器组成的信号通道
不同信道能传播不同带宽的信号，简称为信道的带宽
信道容量是指信道能达到的最大数据传输速率（bps）
Nquist定理和Shannon定理给出了信道容量和信道带宽之间的关系
引言：信号编码技术研究的是从数据转变为信号的过程
数字与信号的组合（关注应用场合）
数字数据 -> 数字信号 ： 主机内部、主机与终端、局域网（短距离通信）
数字数据 -> 模拟信号 ： 调制解调器modeｍ、ADSL
模拟数据 -> 数字信号 ： T1/E1用户线
模拟数据 -> 模拟信号 ： AM、ＦＭ ｒａｄｉｏ
数字数据 -> 数字信号
编码机制的评估标准：信号带宽、时钟同步、差错检测、抗扰性能、费用和复杂度
常用的编码方案：ＮＲＺ－Ｌ、ＮＲＺＩ、ＢＡＭＩ、Pseudoternary、Ｍａｎ、Ｄ－Ｍａｎ
编码方案的要素：
码型
根据评估标准总结相应的优缺点
实际应用场合
数字数据 -> 模拟信号
调制技术： ASK、FSK、PSK
调制机制，优缺点、应用场合
模拟数据 -> 数字信号
调制机制：PCM、DM
结论
模拟数据 -> 模拟信号
调频、调幅、调相
第六次课 数字数据通信
复习&引言
信号编码技术回顾（PPT01-19）在信道上的每一段链路上都有编解码（调制解调）过程，一个比特从A到B信号经过多次的变化过程。
前面讨论的是信号传输问题，今天讨论通信问题：时钟同步、错误检测和纠正、拓扑结构和物理接口。
同步传输和异步传输
以发送者和接收者时钟有1%误差为例考查连续比特流接收出错的时机（NRZ-L）引入异步传输解决方案
从异步传输的低效率引入同步传输方案
错误检测
思考题：采用什么方法可以使得接收方发现传输错误
Parity：原理、应用
CRC：原理、应用、例子
不是百分百可以检错，取决于FCS（frame check sequence）
错误纠正
思考题：为什么要纠错？采用什么方法可以使得接收方纠正传输错误？
块码原理、海明距离
物理接口
PPT02-24（物理层的概念）
RS-232-C（物理层接口的实例）
第七次课 数据链路控制
复习&引言
（PPT6-21）物理层协议规定了机械、电气、功能、过程特性，保证通信双方可以实现比特的发送和接收，不关心：比特的含义、流量控制、差错控制、共享链路的寻址、链路的管理（PPT2）
flow control
概念：
确保发送实体发送数据不会超出接收实体接收数据的能力。
提示另一个概念：拥塞控制（传输层）
停止等待流量控制
图示流控过程（PPT4并另外画图）、通过分析该方案的缺陷（PPT8）和可改进之处引入滑动窗口流控的概念
滑动窗口流量控制
解释滑动窗口流控的含义（PPT11），实现细节（PPT10）
PPT9
error control
ARQ机制：差错控制技术的总称
介绍三种ARQ机制标准：停等ARQ、返回N ARQ、选择拒绝ARQ
原理、优缺点和应用场合
HDLC（High Data Link Control Protocol）
语法：帧格式;
语义：各个字段的取值和相应的含义
时序：不同应用场合所规定的帧序列
第八次课 复用
基本概念
复习数据链路层的功能，理解数据链路层的关键在与理解frame。
复用：共享链路的一种方式，用于远距离或高速数据链路。
复用的原理、分类和相关应用
FDM（WDM）
原理图、语音频分复用例子、模拟载波系统
WDM（DWDM）
应用场合
Synchronous TDM（STM）
原理图（时隙、TDM帧的概念）
Synchronous的含义、复用的层次（对每一个信道来说复用是透明的）
链路层功能：组帧（TDM帧）、脉冲填充（pulse stuffing）
STDM示例
数字载波系统（DS-1对应于T1和E1），介绍T1容量1.544Mbps的计算方法
SONET/SDH，表8.4
Statistical TDM（A synchronous TDM）
同步TDM的缺点(PPT10-34)是固定分配时序，优点是处理简单
改为统计TDM后，时隙没有意义，改用地址
统计TDM的缺点
CableModem是使用统计TDM的一个实例
ADSL -- 复用（FDM）的实例
ADSL原理、xDSL技术（表8.8）
第九次课 扩频技术
信道复用技术引入CDM（CDMA）:FDM,STM,ATM，CDM基于扩频技术
基本概念
扩频技术原理、分类、优势和应用
案例：美女的扩频技术专利
Frequency Hopping Spread Spectrum（FHSS）
图解调频原理（PPT7）
总结FHSS的要点和优点
FHSS的收发端原理
FHSS两个示例引入Fast&Slow FHSS的概念
Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
数字数据、简化收发端、效果和FHSS一致
扩频码的概念
CDMA
用户码（地址码）的概念
利用地址码作为扩频码
收发端原理
复用的原理
思考：用户码的长度应该为多少？CDMA真的提高了信道带宽吗？
第十次课 电路&分组 交换
引言
第三部分 广域网技术
PPT01-19： 链路-> 网络 （不积跬步无以至千里 荀子《劝学》）
switching的原意、通信发展历史的角度理解广域网技术
通信网络
节点、端点或站点、通信网络
电路交换网络
电路交换的特征：专用链路、预分配的链路容量、建立链路-传输数据-拆除链路、站点间地址只在连接建立时需要
电路交换的实例（PSTN）
电路交换的类型（空分和时分交换），注意：时分采用同步时分复用
分组交换网络
电路交换用于数据交换的缺点：预分配的链路容量造成带宽的浪费；收发端点速率必须一致
分组交换的图示、优点
数据报（Datagram）和虚电路（Virtual Circuit ）的实现原理、优缺点
分组大小和传播时间的定性分析
电路交换和分组交换（数据报和虚电路）的比较 PPT&table10.1
【休息】 SSN7和网络层协议
X.25 & Frame Relay
【思考】分组层的功能：如何才能实现站点到站点之间的可靠通信
X.25的物理层（X.21）、数据链路层（LAPB）和分组层
补充分组层格式（包格式）（中科院研究生院信息工程学院计算机网络07-X.25公用数据网络.pdf P27）
X.25的应用场合和优缺点，在高可靠链路上的简化思路
Frame Relay的协议体系，注意用户平面只有两层
FR的应用场合和控制平面的配置方式PVC（永久虚电路）
FR的帧格式（补充 第5章 帧中继网.pdf P7&P17）
第十一、十二次课 ATM简介、交换网络中的路由
1.分组交换网络
2.路由和拥塞是网络层的核心内容
3.后面内容简要介绍IP网路由协议，需要自己另找资料学习
路由选择的分析和设计
需求分析：
功能、性能、其他
设计考虑的要素：
性能评估标准、判决时间和地点、是否需要网络信息资源及网络信息资源如何更新
路由选择的策略
固定式路由选择、洪泛、随机路由选择、自适应路由选择（分类）
ARPANET路由算法示例
时间、策略、算法、优缺点
第一代：周期性估算链路时延并与相邻结点交换信息并更新路由(举例 教材图12-5)
第二代：周期性测量链路时延并在有显著变化时采用洪泛法通知到所有结点，结点用Dijkstra算法计算最短路径
第三代：计算方法不变，更改链路代价计算函数，解决二代算法的问题
补充Internet路由协议：RIP、OSPF、BGP
最小代价路由算法
Dijkstra算法（举例说明）
Bellman-ford算法（举例说明）
第十三次课 数据网中的拥塞控制
拥塞的后果
拥塞产生的原因
理想的网络性能和拥塞造成的实际性能下降
拥塞控制方法
控制方法概述
控制方法详述
通信量管理
公平性、服务质量（QoS）和预留（RSVP）
分组交换网拥塞控制方法
FR拥塞控制方法
ATM网拥塞控制方法
第十四次课 局域网概述
局域网应用背景
从大型机到局域网
从一般联网要求到高速后端服务器网络和SAN（存储域网络），即服务器集群和数据中心
从1Mbps到10Mbps到100Mbps到1Gbps，网络带宽不断增长
局域网规模增长从而划分为接入层、汇聚层和骨干层
局域网体系结构
拓扑结构、传输媒体
LAN协议体系（IEEE802 RM）
LLC子层和MAC子层
Bridge、Hub、2LayerSwitcher and 3LayerSwitcher & router
第十五次课 高速LAN
背景知识
标准化组织IEEE、802系列标准、局域网标准802.3
802.3
以太网的来历
以太网的核心：CSMA/CD
以太网帧格式和802.3帧格式
CSMA/CD
ALOHA、时隙ALOHA、CSMA、CSMA/CD
Ethernet、FastEthernet、GigabitEthernet、10Gethernet规约
802.5 & Fibre Channel
第十六次课 WLAN
以802.11为主线，重点介绍
802.11中的MAC层协议CSMA/CA
802.11系列的物理层、拓扑结构
第十七次课 InternetProtocol（网际互联）
复习一（关键概念）
通过思考题方式引导复习巩固前面4部分的知识点
1. 局域网（以太网）和分组交换网络是什么关系？
2. 以太网支持的上层协议有哪些？
3. 局域网、广域网、因特网是什么关系？
复习二（提纲挈领）
吴功宜编机械工业出版社网络教程--自顶向下分析和设计方法
复习三（协议的功能）
Q:局域网（以太网）和分组交换网络是什么关系？
交换式以太网是一种分组交换网络，以太网只定义了链路层和物理层，哪来的网络层功能？
A：协议的功能如书所列，具体实现时功能放在哪一层并不一定要以OSI/RM为标准。
协议功能列表
学过的PDU格式大回顾
第十八次课 InternetProtocol（续）
网际互联的需求
Q1： Internet是什么？
A1： Internet是网络的网络，实现的是网际互联的需求（PPT1-17）
Q2： 网际互联的需求主要有哪些？
A2： IP的设计（PPT18-4、5）
IP PDU
详细讲解各个字段的语义
利用wireshark抓包演示
IP地址
介绍IP地址分类和分类的理由
补充介绍利用分类IP地址寻路的过程（现场画拓扑图）
引入子网和子网掩码的概念
补充介绍利用IP地址和子网掩码寻址的过程（利用电脑演示）
举例：谢希仁第5版例4-4
介绍CIDR
第十九次课 InternetProtocol（续）
CIDR（Classless InterDomain Routing）
举例引入超网的概念
CIDR地址的两级结构（网络号+主机号）
CIDR的斜线表示方法
CIDR把子网和超网统一处理
ARP（Address Resolution Protocol）
从IP数据报的递交引入IP层到MAC层的映射问题
IP地址->MAC地址?
ARP的引入和基本工作过程
ICMP协议简介
ping程序和tracert
IPv6
Ipv6针对Ipv4的增强（地址、安全、QoS）
Ipv6基本首部与Ipv4的比较
Ipv6地址空间与地址的表示
第二十次课 InternetProtocol（续）
NAT、ICMP、IGMP、Qos
IPv6
路由协议RIP、OSPF、BGP
NAT 结构和原理
ICMP 协议功能、报文类型、报文格式、协议应用
IGMP Internet多播介绍，IGMP的功能
QoS RSVP、DiffServ与MPLS的基本概念
IPv6 报文格式和地址表示
路由协议RIP、OSPF、BGP
RIP和OSPF的不同点：交换的数据、对象和时机
BGP交换的信息：网络的可达性