系统分析员考试复习笔记-4：第四章数据通讯与计算机网络

本文主要是介绍系统分析员考试复习笔记-4：第四章数据通讯与计算机网络，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1. 第四章数据通讯与计算机网络（P143）

计算机网络源于计算机技术与数据通讯技术的结合，它通过网络链路将分布在各个地理位置的多台独立的计算机相互连接起来，从而形成一种网络，并在网络操作系统、网络管理软件和网络通讯协议的管理和协调下，实现资源（硬件、软件和数据）共享。

1.1. 数据通讯基础知识

1.1.1. 信道特性

各种数据终端设备交换数据，必然要传输数据（模拟信号或者数字信号），数据传输的路径称为信道。信道可以分为物理信道和逻辑信道。物理信道由传输介质和设备组成，是用于传输信号的物理通路，网络中两个节点间的物理通路称为通讯链路。根据传输介质不同，分为有线信道和无线信道；传输数据不同，分为数字信道和模拟信道。逻辑信道指在数据发送端和接收端之间不存在的一条物理上的链路。

信道的传输方式

按照数据传输的方向和时间的不同，可以分为单工（单向通讯，例如广播）、半双工（可以交互，但不同同时发送和接收，如对讲机）和全双工（同时双向传输，如：电话、以太网等）。
信道传输速率

模拟信道，频率范围；信道宽度=最高频率-最低频率。

数字信道，在一定时间内传输的比特数。通常用码元传输速率和数据传输速率来表示。
时延

指数据从信道的一端发送到另一端所需要的时间。可以分为：发送时延、传播时延和处理时延。
传输质量

指数字通讯系统的可靠性，通常用误码率来表示。

数据传输技术

包括：并行传输、串行传输、同步传输和异步传输等。

并行传输和串行传输

并行传输，一次使用n（n>1）条线路同时传输n个比特。

串行传输，bit是逐个依次发送的。问题，需要解决收、发双方如何保持码组或者字符同步的问题。同步和异步传输方式解决该问题。
异步传输和同步传输

异步传输，在每次发送的字符，添加起止位。

同步传输，利用时钟同步发送和接收装置之间的定时不发生误差。
数据传输的形式

根据传输技术的不同，数据传输形式，可以分为基带传输、频带传输和宽带传输。

基带传输，模拟信号经过信源编码得到的信号为数字基带信号，该信号经过码型变化，不调制，直接发送到信道传输，称为信号的基带传输。

频带传输，将基带信号变换为便于在模拟信道中传输的频带信号。

宽带传输，将信道分为多个子信道，分别传输音频、视频和数字信号能够。

数据编码与调制

数据传输是实现数据通讯的基础，无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都要转换成适合于信道传输的某种信号形式。模拟数据和数字数据，都可以用模拟信号或者数字信号来表示，从而产生了数据调制和编码技术。【注：数据？信号？】

模拟信道传输模拟数据。

模拟数据在模拟信道上直接传送。使用调制技术的原因两个：有效传输需要较高的频率；通过调制做到信道复用。

调制方式包括：调幅（载波的幅度随模拟数据变化，频度不变）、调频（载波的频度随模拟数据变化，幅度不变）、调相（载波的相位随模拟数据的变化而变化，幅度不变）等。
数字信道传送模拟数据

模拟信号数字化，才能在数字信道传输。脉冲调制是常用数字化方法，包括：取样、量化、编码三个步骤。
模拟信道传输数字数据

调制技术包括：幅移键控（载波振幅值表示1，无载波表示0）、频移键控（两种不同的频率表示0和1）和相移键控（载波的相位偏移表示0和1）。
数字信道传输数字数据

利用特定的电平信号表示二进制的0和1。常见的编码方法：归零性编码、双向码、极性编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。

归零编码：指编码信号量是否回归到0电平。

极性编码：使用电极表示0和1。极性编码：正极0，负极1。

双向码：通过不同的方向的电平反转（低到高0，高到底1）。

曼彻斯特编码：将一个码元时间一分为二。其中低电平到高电平变化表示0，高电平到低电平变化表示1；

差分曼彻斯特编码：遇0反转，遇1不变。

网络体系结构与协议

计算机网络采用分层设计方法，按照信息的传输过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同机器上相同功能层采用相同的协议，同一机器的相邻功能层之间通过接口进行信息传递。

网络互联模型

1977年国际化标准组织，制定了开发的互联网参考模型（Open System Interconnection/Reference Model OSI/RM），从而形成网络体系结构的国际标准。构造了从上到下的7层模型，分别是：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。

OSI/RM各层功能

物理层：透明的完成相邻节点之间的原始比特流的传输。透明指不关心bite的具体含义，考虑发送端如何发送，接收端如何接收。为数据链路层提供服务。

数据链路层：负责在两个相邻节点之间的线路上无差错的传送以帧为单位的数据，通过流量控制和差错控制，将原始不可靠的物理层链接，变成无差错的数据通道，并解决多用户竞争问题，使之对网络层呈现出一条可靠的链路。

网络层：通信子网的最高层，在数据链路层服务的基础上，实现整个通信子网内的链接，并通过网络链接交换网络服务单元。它主要解决了数据传输单元分组在通信子网中的路由选择、拥塞控制和多个网络互联的问题。

传输层：是负责数据通信的最高层，又是面向网络通讯的低三层和面向信息处理高三层之间的中间层，【注：bite通讯、帧通讯、数据分组、数据、信息处理-高三层】，是资源子网和通信子网之间的桥梁；主要任务是为两台计算机间提供可靠的端到端的数据传输服务。

会话层：利用传输层提供的端到端的数据传输服务，实施服务请求者和服务提供者之间的通信，组织和同步他们之间的会话活动。分为建立连接、数据传输和释放连接三个阶段。

表示层：处理的是用户信息的表示问题。端和端之间通信的数据包含语义和语法两个方面，语义是数据的内容和含含义，由应用层负责处理；语法是和数据表示形式有关的方面，数据的格式、编码和压缩等。

应用层：是直接面向用的一层，是计算机网络与最终用户之间的界面。
TCP/IP结构模型

不存在正式的模型，根据已开发的协议和通讯任务分为四层。分别是网络接口层、网络互联层、传输层和应用层。

网络接口层：对应OSI的物理层和数据链路层。

网络互联层：对应网络层。路由选择、拥塞控制和网络互联。

传输层：传输层。端到端的可靠传输。

应用层：会话层和表示层的部分功能。

常见的网络协议

应用层协议

文件传输协议（File TransportProtocol，FTP），是网络上两台计算机的传送文件协议。运行在TCP之上，模式包括二进制传输和文本传输。建立两条TCP连接，一条拥有传输控制，端口号21，一条用于传输内容，端口号20

简单文件传输协议（Trivial FileTransfer Protocol ,TFTP），客户机与服务器间的简单文件传输协议，运行UDP之上，提供不可靠的数据流传输，不提供存取授权和认证，采用超时重传保证数据的到达。

简单邮件传输协议（Simple MailTransfer Protocol,SMTP）,有效、可靠的电子邮件传输协议，建立在TCP之上。

动态主机配置协议（Dynamic HostConfiguration Protocal, DHCP），基于客户机/服务器模型设计，IP设定数据由DHCP服务器集中管理，建立在UDP之上。分配IP地址的方式包括：固定分配、动态分配和自动分配。

远程登录协议（Telnet），登录仿真程序，建立在TCP之上。

域名系统（Domain NameSystem，DNS），进行域名解析的服务器。

简单网络管理协议（SimpleNetwork Management Protocol,SNMP），是为了解决Internet上路由器管理而提出的。
传输层协议

TCP协议和UDP协议。

TCP：在IP协议的基础上，采用重发技术，为应用程序提供了可靠的、面向连接的、全双工的数据传输协议。一般用于传输量小，可靠性高的场合。

UDP：不可靠、无链接的协议。一般应用于传输数据量大、可靠性不高、要求速度快。
网络层层协议

IP、ICMP、IGMP、ARP，RARP等。

IP(Internet Protocol,IP)：提供端到端的分组分发功能，提供不可靠的、无连接服务。

ICMP：网际控制报文协议（InternetControl Message Protocol , ICMP），一种专门用于发送差错报文协议。

IGMP:网际组管理协议（InternetGroup Management Protocol , IGMP），允许Internet 中的计算机参加多播。

ARP：地址解析协议（Address Resolution Protocol , ARP），完成IP地址向物理地址的转换。物理地址是网卡的地址，MAC（媒体访问控制，Media Access Control）。

RARP：反向地址解析协议（Reverse Address Resolution Protocol），实现物理地址向IP地址的转换。

网络地址与分配

在Internet上，每个节点依靠唯一的IP地址进行区分和相互联系。

IP地址的表示方法

32位的二进制数逻辑地址，称为IPv4。

IP地址由两部分组成，分别称为网络号和主机号。网络号用于标识一个网络，主机号确定网络上的一台主机。根据网络号和主机号的不同划分，可以分为五类。

A类地址：第一位0，高8位表示网络号，其后24位表示主机号。

B类地址：高两位为10，高16位表示网络号，其后16位表示主机号。

C类地址：最高位110，高24位为网络号，其后8为为主机号。

D类地址：组播地址。

E类地址：保留未使用。

保留地址表：
子网的划分

将IP地址划分为三个部分，网络号，子网号和主机号，即：利用IP中主机号部分，继续划分子网。

子网用子网掩码进行标识。32位二进制数。网络部分和子网部分标识全部为1，主机标识全为0。判断两台主机是否在一个子网内，将主机IP和子网掩码进行与运算，结果相等，则属于同一个子网。
构造超网

子网导致路由表项目数急剧增长，采用无分类编码技术，来缩减路由表的容量。不在区分子网和主机。采用网络前缀的方式128.24.35.7/20，标识网络前缀20位，主机12位。
IPv6

ip地址为128位（）。

局域网和广域网

局域网基础知识

构成局域网的拓扑结构包括：星型结构、总线结构、环形结构和网状结构。

星型结构

中间位枢纽（网络交换设备），所有设备接到这个枢纽上。
总线结构

由一条共享的通讯线路将所有节点连接在一起。传统的以太网属于总线型结构。
环形结构

与总线结构类似，由一条共享通信线路将所有节点连在一起，不同的是共享线路是闭合的。
网状结构

任何节点都会由一根物理线路相连。实际应用很少。

以太网技术

以太网技术基础

以太网采取的存方法是，带冲突检测的载波监听多路访问（Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection , CSMA/CD）。基本原理是：每个节点都是共享网络传输通道，每个节点发送数据之前，都会检测信道是否空闲，如果空闲则发送，否则等待；在发送消息后，对冲突进行检测，发现冲突，取消发送。

载波监听算法：
帧结构

美国电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers , IEEE）802.3 MAC帧格式包括：前导码、帧起始界定符、目的地址、源地址、长度、帧头、发送的数据和帧校验序列等；除地址字段和数据字段外，都是固定长度的。如下：

以太网的帧结构和802.3的帧结构不同，如下：
以太网物理层规范

比较常见的传输介质包括：同轴电缆、光纤和双绞线，以10Base-T的形式来命名，如下图：

无线局域网

无线局网（Wireless Local Area Networks，WLAN），主要运用射频技术（RadioFraquency，RF）取代局域网系统中，必不可少的传输介质。

拓扑结构

分为两类：有接入点（基础设施网络）和无接入点式（Ad hoc网络）。

基础设施网络，整个网络都是用无线通信方式，但系统中存在接入点（Access Point），通过接入点将一组节点逻辑的联系在一起，形成一个局域网。

Ad hoc网络，整个网络都是用无线通信方式，直接通过无线网卡实现点对点互连。
IEEE 802.11 标准

定义了媒体访问控制（MAC层）和物理层。如下：
无线技术与3G通信

多址技术可以分为频分多址（Frequency Division Multiple Access ,FDMA）、时分多址（TimeDivision Multiple Access , TDMA）和码分多址（Code Division Multiple Access , CDMA ）。

FDMA:业务信道在不同的频度分配给不同的用户。

TDMA：业务信道在不同的时间，分配给不同的用户。

CDMA：采用扩频的码分多址技术，所有用户在同一时间、同一频段上，根据不同的业务编码获得业务信道。

国际电信联盟，在2000年5月确定了WCDMA、CDMA2000和TD-CDMA三大主流无线接口标准。

广域网技术

广域网技术包括：同步光纤网络、数字数据网、帧中继和异步传输技术。

同步光纤网络（Synchronous Optical Network , SONET）和同步数字层级（SynchronousDigital Hierarchy , SDH），是一组在光纤信道上同步数据传输的标准协议。为物理层技术，最高速率10Gbps

数字数据网（Digital Data Network ， DDN），是利用数字信道，提供半永久性连接电路。提供2M或者 N * 64kbps <=2M 的数字传输信道。

帧中继，是一种高性能的广域网技术，运行在物理层和数据链路层，它是一种数据包交换技术，是X.25网络的简化版。带宽，64Kbps – 2Mbps。

异步传输技术（Asynchronous Transfer Mode , ATM），是一种以信元为基础的分组交换和复用技术。典型速率150M

网络接入技术

目前接入Internet的主要方式包括：PSTN，ISDN，ADSL，FTTx + LAN和HFC接入5种。

PSTN：公用交换电话网络（PublicSwitching Telephone Network），指利用电话拨号接入网络。速率一般低于64kbps。

ISDN：综合业务数字网（IntegratedService Digital Network ），是在电话网络基础上构造的纯数字方式的综合数字业务网。基本速率2B+D信道（B信道带宽64kbps，D信道16kbps，或64kbps），最高提供30B+D信道

ADSL：非对称数字用户线路（AsymmetricalDigital Subscriber Loop）,服务端设备和用户端设备通过普通电话线连接，无需改造线路。特点，上行速率和下行速率不一致，下行大于上行。标准两个：G.DMT和G.Lite,G.DMT提供8M下行和1.5M上行；G.Lite 最大下行1.5M，上行：512Kbps。

FTTx + LAN接入：光纤加局域网的方式。

HFC接入：同轴+光纤接入，将光纤入小区，通过光电交换节点，利用有线电视的总线式同轴电缆连接到用户。

网络互连与常用设备

网络互连，是将两个以上具有独立自治能力、同构或者异构的计算机网络连接起来。网络互连包括：局域网和局域网的互连、局域网和广域网的互连、广域网和广域网的互连。

网络互连设备

需要中间设备实现；按照OSI/RM分层原则，中间设备实现网络之间的协议转换功能。包括中继器（实现物理层的协议转换，在电缆间转换二进制信号）、网桥（实现物理层和链路层的协议转换）、路由器（实现网络层及以下各层的协议转换）、网关（提供物理层、链路层、网络层和传输层的协议转换）和交换机。
交换技术

在计算机网络中，当用户较多而传输距离较远时，通常不采用固定连接的专用线路，而是采用交换技术，使通讯传输线路为各个用户共用，以提高传输设备的利用率，降低系统费用。

交换技术分为：电路交换（设置一条通路）、报文交换（从源点到目的点采用存储转发方式，在交换节点需要建缓冲存储，报文需要排队，报文交换不能满足实时通讯的需求）和分组交换（把报文分组传输，并规定最大分组长度）。
路由技术

路由器的主要功能是路由选择。

路由器的选择协议包括：内部网关协议（Interior Gateway Protocol, IGP），外部网关协议（ExteriorGateway Protocol，EGP）和核心网关协议（Gateway Gateway Protocol ,GGP）。

内部网关协议（IGP）：只在一个自治系统AS(AutonomousSystem , AS)内进行路由选择协议，包括：RIP（Routing Information Protocol ，路由协议信息），OSPF（OpenShortest Path First,开发式最短路径优先），IGRP（Interior Gateway Routing Protocol，内部网关路由协议），EIGRP（ EnhancedIGRP,增强型的IGRP）。AS只同构型网关连接的互连网络，通常由一个网络管理中心控制。

外部网关协议（EGP）：只两个AS之间的路由选择协议，最新的为边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP），主要功能是控制路由策略。

核心网关协议（GGP）：Internet有个主干网，所有的AS都连接到主干网上，主干网的网关，称为核心网关，核心网关间交换协议为GGP协议。

从路由协议使用的算法，协议可以分为三类：距离向量协议，链路状态协议和平衡型协议。

距离向量协议，计算网络中所有链路的矢量和距离，并以此为依据确定最佳路径。这类协议会定期向相邻的路由器发送部分或全部路由表。

链路状态协议，使用为每个路由器创建的拓扑数据库来创建路由表，通过计算最短路径来形成路由表。这类会定期向相邻路由器发送网络链路状态信息。

平衡协议，结合距离向量协议和链路状态协议的优点。

网络工程

网络工程可以分为：网络规划、网络设计和网络实施三个阶段。

网络规划

包括需求分析，可行性分析和对现有网络的分析与描述。【注：规划的前提，是有需求，有了需求，才有可行性分析；在实际的情况中，需求是在可行性报告中的。可行性通过后，进入项目立项阶段。根据项目的大小，可以在需求阶段立咨询项目，设计阶段立典设项目，实现阶段立开发项目，实施阶段立实施推广项目。也就是说，可行性是一个阶段，决定了是否立项；项目实施是一个阶段；项目的总结，是否是一个独立的阶段呢？不是。项目的运行与为维护是另外一个阶段，直至项目的生命周期结束。】

网络需求分析

采用自顶向下的结构化分析方法。包括以下几个方面。

功能需求，希望完成什么功能。

通讯需求，用户需求的通讯类型、频度、时间和通讯量。

性能需求，带宽、吞吐量、负载、延迟、响应时间、利用率等。

可靠性需求，精确度、错误率、稳定性、无故障时间和数据备份等。

安全需求，可用性、完整性和保密性。

运行与维护需求。

管理需求。

【注：功能需求、性能需求、可靠性需求和安全需求是信息化系统的通用性需求；对于软件还有易用性需求】
可行性研究

通常通过技术可行性、经济可行性、法律可行性和用户使用可行性进行研究。
对现有网络的分析与描述

主要从网络负载、堵塞等方面进行分析，包括以下几个方面：

服务器的数量和位置。

客户机的数量与位置。

同时访问的数量，即峰值，网络负载的最大值。

每天的用户数。

每次使用时间。

每次数据传输的数据量。

网络拥堵的时间段。

采用的协议。

通讯模式。

网络设计

先确定设计目标和设计原则，然后设计逻辑结构，最后设计物理结构。【注：通用的设计方式；目标原则，需求，业务模型（即逻辑模型），实现模型-类结构、数据结构、流程图等（物理结构）】

网络设计的任务

确定网络总体目标和设计原则，进行网络总体设计和拓扑结构设计，确定网络选型和进行网络安全设计。

确定网络总体目标，采用哪些技术和标准，满足哪些应用，多大的网络，是否分期实施，实施成本和运行的成本等。

确定总体设计原则，对设计原则进行选择和权衡，确定在方案设计中的优先级。

通讯子网设计，包括拓扑结构和网络总体规划、分层的设计，以及远程接入访问的设计。拓扑结构和网络总体规划是整个网络设计的基础。

资源子网的设计，主要考虑服务器接入和子网连接的问题。

设备选型，包括网络设备和各个层次的交换机设备。

网络操作系统和服务器资源设备。

网络安全设计，包括木桶原则、整体性原则等，详见18章。
分层设计

网络设计中，主要采用分级、分层的设计模型。分层设计中，包括：核心层、汇聚层和接入层。

接入层：直接面向用户连接或访问网络的部分称为接入层，目的允许终端用户接入网络。位于接入层和核心层之间的为汇聚层。

汇聚层，接入层和核心层的分界面，完成网络访问策略控制、数据包处理、过滤、寻址，以及其他的数据处理任务。汇聚层的交互机连接接入层的交换机。

核心层，网络主干部分称为核心层。目的是通过高速转发通讯，提供优化、可靠的骨干传输结构。核心层的交换机连接汇聚层的交换机。

网络实施

设备的购买、安装、调试和系统切换工作。