物联网技术-第4章物联网通信技术-4.1计算机网络

1.1计算机网络拓扑与组成

（1）全连通式网络

（2）星型网

（3）环形网

计算机网络定义： 将若干台具有独立功能的计算机系统，用某种或多种通信介质连接起来，通过完善的网络协议，在数据交换的基础上，实现网络资源共享的系统称为计算机网络。

一个网络中包含多个独立的计算机系统。 “ 独立 ”的含义是指每台计算机可运行各自独立的操作系统，各计算机系统之间的地位平等，无主从之分，任何一台计算机不能干预或强行控制其他计算机的正常运行。

 网络协议是组成计算机网络的基础，是关键技术。

 数据交换是网络的最基本功能，各种资源共享都是建立在数据交换的基础上的。

 资源共享是网络最终目的。

1.1计算机网络拓扑与组成

拓扑结构

（1）全连通式网络

5 个用户连接的情况 : n=5时，所用线路=4+3+2+1=10

n 个用户连接的情况 : 所用线路= n(n-1)/2

（2）星型网

传输介质从中央结点向外辐射连接其他节点。任何两个节点之间的信息交换必须经过中央节点转发。中央节点的可靠性十分重要，一旦中央节点发生故障，会引起整个网络瘫痪

（3）环形网

网络上所有的结点通过传输介质连接成一个闭环，任何两个结点的数据交换必须沿环进行一旦结点或链路发生故障，则环路断开，导致网络瘫痪。

（4）总线网

一条总线连接所有的结点，任何一个结点发送数据，其他节点都能收到。任何结点故障都不会影响整个网络正常运行。

（5）不规则型网

每个结点至少要和其他两个结点连接；可靠性好，任何一个结点或一条链路发生故障都不会影响网络的连通性；布线灵活，几乎不受任何拓扑结构的约束。

通信子网

由路由器和通线线路组成，完成网络通信任务。

通信线路提供数据传输的物理信道。

路由器是一种专用计算机，具有数据收发、路由选择、差错控制、流量控制等功能。

资源子网

由连接到通信子网的服务器和主机系统组成，为网络用户提供各种软硬件共享资源和数据处理能力。

硬件共享资源包括CPU、存储器、硬盘、磁带、打印机、绘图仪等。

软件共享资源包括操作系统、数据库系统、工具软件和应用程序等

计算机网络的组成

• 传输介质

• 有线、无线

• 互连设备

• 交换机、路由器、网桥、网关、中继器、HUB

• 网络适配器

• 工作站

• 服务器

1.2数据交换类型

按 数据交换 方式分类：

 电路交换网

 报文交换网

 分组交换网

（1）电路交换网

 在源节点与目的节点之间搭建一条实体电路（或信道），形成一个连接；

 在整个通信期间，这个连接独占这个信道，直到通信完成。

电路交换的优点：

 时延小、固定；

 对数据不进行存储、分析和处理，开销小效率高。透明传输。

 编码方式不受网络限制。

电路交换的缺点：

 接续时间长，网络利用率低；

 电路利用率低；

 通信要使用相同的协议、格式、同步方式等，限制不同终端的互联；

 有呼损

（2）报文交换网

信息在网络中一跳一跳地接力传输。节点接收并存储上一节点发来的数据，校验无误后转发给一节点。

源节点与目的节点之间没有固定的电路连接。

要发送的信息“打包”→交换机存储（有空闲线路时）→转发…… →目的终端

报文格式：报头（收、发端地址等）、正文、报尾。

报文交换的优点：

 可实现不同类型终端之间的交换；

 实现以报文为单位的多路复用，提高线路的利用率。

报文交换的缺点：

 时延大，不适应实时通信；

 报文长，出错概率高；

 要求交换机存储容量大，利用率不高。

（3）分组交换网

分组交换----存储--转发

将报文分组（Packet）----长度短、格式统一。

在电路有空闲时，以“分组”为单位传送。

虚电路（逻辑连接）----可传输，不独占。

数据包可根据分组头中的地址，独立选择通路。

基本思路：

网络中没有中心控制节点，联网计算机独立地完成数据接收、转发、接收的功能。

发送数据的主机预先将待发送的数据封装成多个短的、有固定格式的分组。

如果发送主机与接收主机之间没有直接连接的通信线路，那么分组就需要通过中间节点“收储转发”，这种中间转发节点就是目前广泛使用的路由器。

每个路由器根据链路状态与分组的源地址、目的地址，通过路由选择算法为每个分组选择合适的传输路径。

目的主机接收到属于一个报文的所有分组之后，将分组中各个数据字段组合起来，还原成发送主机发送的报文。

分组交换的优点：

 不同数据终端之间灵活沟通；

 时延小，能满足数据交互业务要求；

 在一条物理线路上同时提供多条信息通路；

 网络费用低。

分组交换的缺点 :

 附加信息多 ;

 技术复杂。

1.3计算机网络的分类

按地理范围划分

局域网LAN (Local Area Network)

覆盖范围一般不超过数公里。通常安装在一幢大楼内，大学校园内或厂区内

城域网MAN (Metropolitan Area Network)

覆盖范围通常是一个大城市，大约数十公里到上百公里。

广域网WAN (Wide Area Network)

覆盖范围一般在数百公里以上

Internet就是目前最大的广域网

1.4网络体系结构和网络协议

（1）背景

为了减少网络设计的复杂性，便于网络互联和扩，展需要将整个网络功能划分为若干个层次，每个层次只完成某种特定功能，并由一个特定的协议来描述如何实现这个功能。

（2）网络体系结构

网络分层结构及其协议的集合称为网络体系结构

（3）什么是协议？

 通信双方事先规定好的通信规则叫做 “协议”

“协议”包括：语义、语法与时序

 语义：做什么？

 语法：怎么做？

 时序：按什么顺序去做？

（4）OSI参考模型

OSI参考模型----低层

物理层（PH） 完成原始数据位流在物理介质上传输，而不管位流的信息含义。

数据链路层（DL） 完成报文分组（数据帧）在相邻的结点间“透明”传输。“透明”的含义是：无差错、无丢失、无重复、无顺序错误。

网络层（N ） 完成报文分组在源 /目的结点之间传输。

传输层（T ） 完成报文段在源 /目的主机进程之间的透明传输。

OSI参考模型----高层

会话层（S ） 进行会话管理，包括通信方向控制（单工，半双工，全双工）谁是发送者？谁是接收者？谁付费？如何进行故障点恢复等。

表示层（P ） 数据格式转化、数据加密/解密、数据压缩/解压。

应用层（A ） 为用户提供各种网络服务，包括文件服务，电子邮件服务，数据库服务，WWW，DNS等。

注： 1- 4 层完成网络通信， 5-7 层完成数据处理。

（5）TCP/IP协议栈

TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）协议栈是一个分层的网络通信模型，它被广泛用于互联网通信中。这个模型分为四个主要层次，每一层都承担着特定的功能，相互协作以实现数据的有效传输。

应用层 (Application Layer):
这是最顶层，直接与用户的应用程序交互。它包括了如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、DNS（域名系统）等多种协议，负责处理高层的数据组织和展示。
传输层 (Transport Layer):
负责在应用程序之间提供端到端的通信服务。这一层有两个主要的协议：
- UDP (User Datagram Protocol): 提供了无连接、不可靠的数据传输服务，适用于对实时性要求较高但可以容忍一定丢包率的场景。
- TCP (Transmission Control Protocol): 提供了面向连接、可靠的数据传输服务，通过确认、重传机制确保数据的正确无误到达。
网络层 (Internet Layer):
负责在不同的网络间路由数据包。这一层的核心协议是IP（Internet Protocol），它定义了数据包如何在网络中寻址和转发，以及如何分割和重组较大的数据包。
链路层 (Link Layer) 或称作 网络接口层 (Network Interface Layer):
这是最底层，负责实际物理连接的建立、维护和拆除，以及在两个相邻网络实体间传输数据帧。这一层的具体实现依赖于物理媒介（如以太网、Wi-Fi等）和技术规范，常见的协议有以太网的IEEE 802.3标准、PPP（点对点协议）等。