计算机网络概述1.ppt

1,第一章 概述,1.1 计算机网络的发展历史 1.2 计算机网络及其应用 1.3 数据通信基础知识 1.4 计算机网络拓扑结构,2,本章要点,了解计算机网络发展的历史 了解常用计算机网络协议 理解数据通信基础知识 掌握计算机网络的拓扑结构,3,1.1 计算机网络的发展历史,第一代计算机网络-面向终端的计算机网络 第二代计算机网络-共享资源的计算机网络 第三代计算机网络-标准化的计算机网络 第四代计算机网络-国际化的计算机网络 下一代计算机网络,4,1.2 计算机网络及其应用,计算机系统 主计算机（Host） 终端（Terminal） 数据通信系统 通信控制处理机 传输介质 网络互连设备 网络软件和网络协议 网络操作系统（NOS） 网络协议,1.2.1 计算机网络的基本组成,5,几种常用网络协议：,OSI参考模型 ARPANET 的实践经验表明，对于非常复杂的计算机网络而言，其结构最好是采用层次型的。根据这一特点，国际标准化组织 ISO 推出了开放系统互连参考模型（ISOOSI RM，Open SystemInterconnect Reference Model）。该模型定义了不同计算机互连的标准，是设计和描述计算机网络爱信的基本框架。开放系统互边参考模型的系统结构就是层次式的，共分 7 层.在该模型中层与层之间进行对等通信，且这种通信只是逻辑上的，真正的通信都是在最底层物理层实现的，每一层要完成相应的功能，下一层为上一层提供服务，从而把复杂的通信过程分成了多个独立的、比较容易解决的子问题，如下图示：,6,7,TCP/IP 网络协议 协议是互相通信的计算机双方必须共同遵从的一组约定。TCP/IP（传输控制协议/网际协议）就是这样的约定，它规定了计算机之间互相通信的方法。TCP/IP是为了使接入因特网的异种网络、不同设备之间能够进行正常的数据通信，而预先制订的一簇大家共同遵守的格式和约定。该协议是美国国防部高级研究计划署为建立ARPANET开发的，在这个协议集中，两个最知名的协议就是传输控制协议（TCP，TransferControlProtocol）和网际协议（IP，InternetProtocol），故而整个协议集被称为TCP/IP。,8,局域网参考模型 20世纪80年代初期，美国电气和电子工程师学会IEEE802委员会结合局域网自身的特点，参考OSI/RM，提出了局域网的参考模型（LAN/RM），制定出局域网体系结构，IEEE802标准诞生于1980年2月，故称为802标准。,9,ATM网络协议 ATM协议即异步传输模式，ATM协议是以高速分组传送模式为主，综合电路传输模式优先的一种宽带传输模式。是B-ISDN的核心技术。ATM网有三大部分：公用ATM网，专用ATM网，ATM接入网。,10,1.2.2 计算机网络的应用,计算机网络在资源共享、数据传输、分布式处理、高可靠性、高性价比和易扩充性等方面所具有的特殊优势，使得它在工业、农业、交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等各个领域、各个行业获得了越来越广泛的应用。,11,1.3 数据通信基础知识,数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信。它传送数据的目的不仅是为了交换数据，更主要是为了利用计算机来处理数据。可以说它是将快速传输数据的通信技术和数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而给用户提供及时准确的数据。,12,1.3.1 数据通信系统组成,数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成，,13,数据通信系统组成如图所示,14,1.3.2 数据通信方式,单工数据传输 指的是两个数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。 半双工数据传输 是两个数据之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行 全双工数据传输 是在两个数据站之间，可以两个方向同时进行数据传输。,15,单工、半双工、全双工示意图,16,1.3.3 数据传输,1.数据信号 数据可分为模拟数据与数字数据两种。在通信系统中，表示模拟数据的信号称作模拟信号，表示数字数据的信号称作数字信号，二者是可以相互转化的。模拟信号在时间上和幅度取值上都是连续的，其电平随时间边境连续变化，例如，语音是典型的模拟信号，其他由模拟传感器接收的信号如温度、压力、流量等也是模拟信号。数字信号在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的，它一般是由二进制代码 0、1 组成的数字序列。计算机中传送的是典型的数字信号。,17,2.传输信道 要进行数据终端设备之间的通信当然要有传输电磁波信号的电路，这里所说的电路既包括有线电路，也包括无线电路。信息传输的必经之路称为“信道”。信道有物理信道和逻辑信道之分。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中有两个结点之间的物理通路称为通信链路，物理信道由传输介质及有关设备组成。逻辑信道也是一种通路，但在信号收、发点之间并不存在一条物理上的传输介质，而是在物理信道基础上，由结点内部或结点之间建立的连接来实现的。通常把逻辑信道称为“连接”。信道和电路不同，信道一般都是用来表示向某个方向传送数据的媒体，一个信道可以看成是电路的逻辑部件，而一条电路至少包含一条发送信道或一条接收信道。 传输信道是通信系统必不可少的组成部分，目前数据通信中所使用的多为有线信道，主要有：直接利用传输媒体的实线信道（如局域网中）；经调制解调器的频分信道（如部分地区用户线路中）；时分信道。由于光纤通信技术的发展，现在绝大部分的数据传输在时分信道上，以同步数字体系SDH方式传输。,18,3.数据传输介质,双绞线 双绞线分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两类，可以用于传输模拟或数字信号，常用点到点连接，也可用于多点连接。在三种有线传输介质中，双绞线的地理范围最小、抗干扰性最低，但价格最便宜，是当前使用最普遍的传输介质。,19,同轴电缆 同轴电缆有基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种基本类型。其中，基带同轴电缆用来传输数字信号，宽带同轴电缆可以传输模拟或数字信号。同轴电缆可用于点到点连接或多点连接。在三种有线传输介质中，同轴电缆的地理范围中等、抗干扰性中等，价格也中等。,20,光纤 光纤分单模光纤和多模光纤两种，只能单向传输数字信号，用于点到点连接。在三种有线传输介质中，光纤性能最好、传输距离长、不受电磁干扰或噪声影响、体积小、重量轻，但价格也是最高的。,21,无线介质 常用的无线介质是无线电波和微波等。无线传输不需铺设网络传输线，而且网络终端移动方便。其中，微波通信常用的有地面微波通信和卫星通信两种。,22,4.数据传输的方式,并行传输与串行传输 并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。常用的就是将构成一个字符代码的几位二进制码，分别在几个并行信道上进行传输。例如，采用8单位代码的字符，可以用8个信道并行传输，一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符的同步问题，不需要另加“起”、“止”信号或其他同步信号来实现收、发双方的字符同步，这是并行传输的主要优点。但是，并行传输必须有并行信道，这往往带来的设备上或实施条件上的限制，因此，实际应用受限。 串行传输指的是数据流以串行方式，在一条信道上传输。一个字符的8个二进制代码，由高位到低位顺序排列，再接下一个字符的8位二进制码，这样串接起来形成串行数据流传输。串行传输只需要一条传输信道，易于实现，是目前采用的一种主要传输方式。但是串行传输存在一个收、发双方如何保持码组或字符同步的问题，这个问题不解决，接收方就不能从接收到的数据流中正确地区分出一个个字符来，因而传输将失去意义。如何解决码组或字符的同步问题，目前有两种不同的解决办法，即异步传输方式和同步传输方式,23,异步传输与同步传输 异步传输一般以字符为单位，不论所采用的字符代码长度为多少位，在发送每一字符代码时，前面均加上一个“起”信号，其长度规定为1个码元，极性为“0”，即空号的极性；字符代码后面均加上一个“止”信号，其长度为 1 或 2 个码元，极性皆为“1”，即与信号极性相同，加上起、止信号的作用就是为了能区分串行传输的“字符”，也就是实现了串行传输收、发双方码组或字符的同步。这种传输方式的优点是同步实现简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步，缺点是对每一字符都需加入“起、止”码元，使传输效率降低，故适用于1200bps 以下的低速数据传输。同步传输是以同步的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行的数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的（即同步的）。接收端为了从收到的数据流中正确地区分出一个人信号码元，首先必须建立准确的时钟信号。数据原发送一般以组（帧）为单位，一组灵敏据包含水量多个字符收发之间的码组或帧同步，是通过传输特定的传输控制字符或同步序列来完成的，传输效率较高。,24,5.数据传输的形式,基带传输 在信道上直接传输基带信号，称为基带传输，它是指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或终端产生的 0 或 1 数字脉冲信号。这样一个信号的基本频带可以从直流成分到数兆赫兹，频带越宽，传输线路的电容电感等对传输出信号波形衰减的影响越大，传输距离一般不超过2km，超过时则需加中继器加大信号，以便延长传输距离。基带信号绝大部分是数字信号，计算机网络内往往采用基带传输。,25,频带传输 将基带信号转换为频率表示的模拟信号来传输，称为频带传输。便如，使用电话线进行远距离数据通信，需要将数字信号调制成音频信号再发送和传输，接收端再将音频信号解调成数字信号。由此可见，采用频带传输时，要求在发送和接收端安装调制解调器，这不仅解决了数字信号可用电话线路传输，而且可以实现多路复用，从而提高了信道利用率。,26,宽带传输 将信道分成多个字信道，分别传送间频、视频和数字信号，称为宽带传输。它是一种传输介质的频带宽度较宽的信息传输，通常在 300400MHz 左右。系统设计时将此频带分割成几个子频带，采用“多路复用”技术。一般来说，宽带传输与基带传输相比有以下优点：能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途；一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加；宽带传输的距离比基带远，因为基带传输直接传送数字信号，传输的速率愈高，能够传输的距离愈短。,27,6.数据传输速率,比特率 比特率指单位时间内所传送的二进制码元的有效位数，以每秒多少比特数计，即 bps。例如一个数字通信系统，它每秒传输 800 个二进制码元，它的比特率是 800 比特/秒（bps）。码元是对于网络中传送的二进制数字中每一位的通称，也常称作“位”或 bit。例如1010101，共有 7 位或 7bit。,28,波特率 波特率是脉冲信号经过调制后的传输速率，它是指单位时间（秒）内传输的码元数目，以波特（Baud）为单位，通常用于表示调制器之间传输信号的速率。这里的码元可以是二进制的，也可以是多进制的。波特率N和比特率R的关系为R=Nlog2M，当码元为二进制时，M为2；码元为四进制时，M为 4，依此类推。如果波特率为 600Baud，在二进制时，比特率为 600bps，在八时制时为 1800bps。 误码率 误码率指信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的指标。它以接收信息中错误比特数占总传输比特数的比例来度量，通常应低于 10 -6。,29,1.3.4 数字数据编码,在计算机中数据以离散的二进制比特流方式表示的，称其为数字数据。计算机数据在网络中传输，通信信道无外乎两种类型，模拟信道和数字信道。计算机数据在不同的信道中传输要采用不同的编码方式，也就是说，在模拟信道中传输时，要把计算机中的数字信号，转换成模拟信道能够识别的模拟信号；在数字信道中传输时，要把计算机的数字信号，转换成网络媒体能够识别的，利于网络传输的数字信号。,30,1.数字数据的模拟信号编码,数字调制的基本形式 数字调制的三种基本形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。 如图所示,31,在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。 在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。 在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用。 由PSK和ASK结合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。,32,2.数字数据的数字信号编码,数字数据的数字信号表示 对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成 a)单极性不归零码，无电压表示“0”，恒定正电压表示“1”，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。 b)双极性不归零码，“1”码和“0”码都有电流，“1”为正电流，“0”为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。 c)单极性归零码，当发“1”码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发“0”码时，仍然不发送电流。 d)双极性归零码，其中“1”码发正的窄脉冲，“0”码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。,33,基带脉冲编码方案如下图所示,a)单极性脉冲,b)双极性脉冲,c)单极性归零脉冲,d)双极性归零脉冲,34,曼彻斯特编码,不归零码： 不归零码用低电平表示二进制 0，用高电平表示二进制 1，如图 （a）所示， 曼彻斯特编码： 在曼彻斯特编码中，每一位的中间均有一次跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；每位中间从高到低跳变时，表示码“1”，每位中间从低到高跳变时，表示码“0”。如图（b）所示。 差分曼彻斯特编码： 差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的变形，其特点是每一位的中间同样有一次跳变，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而数据信号的取值是根据每一位开始的边界是否存在跳变决定的，每位边界开始处存在跳变代表码“0“，每位边界开始处不存在跳变代表码“1“。如图（c）所示 。,35,数字信号的同步编码,36,1.3.5 多路复用技术,在数据通信系统或计算机网络系统中,传输媒体的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求,为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信号,这就是所谓的多路复用技术(MultiplexiI1g)。工作原理见下图,37,1.频分多路复用FDM,在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下,可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道,每个子信道传输一路信号,这就是频分多路复用。多路原始信号在频分复用前,先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上,也即使信号的带宽不相互重叠,这可以通过采用不同的载波频率进行调制来实现。频分多路复用FDM的一个示例见下图,其中8个信号源输入到一个多路复用器中,该多路复用器用不同的频率(f1f8)调制每一个信号,每个信号需要一个以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。为了防止相互干扰,使用保护带来隔离每一个通道,保护带是一些不使用的频谱区,38,频分多路复用,39,若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率,则可采用时分多路复用TDM技术,也即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用,而不像FDM那样,同一时间同时发送多路信号。这样,利用每个信号在时间上的交叉,就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。这种交叉可以是位一级的,也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。如下图中的多路复用器有8个输入,每个输入的数据速率假设为9.616ps,那么一条容量达76.8kbps的线路就可容纳8个信号源。该图描述的时分多路复用四M方案,也称同步(Synchronous)时分多路复用TDM,它的时间片是预先分配好的,而且是固定不变的,因此各种信号源的传输定时是同步的。与此相反,异步时分多路复用1DM允许动态地分配传输媒体的时间片。,2.时分多路复用TDM,40,时分多路复用,41,所谓波分复用就是在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号，以提高单根光纤的传输能力。因为目前光通信的光源在光通信的“窗口”上只占用了很窄的一部分，还有很大的范围没有利用。也可以这样认为；WDM 是 FDM 应用于光纤信道的一个变例。如果让不同波长的光信号在同一根光纤上传输而互不干扰，利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带的信息，就可以大大增加所传输的信息容量。由于是用不同的波长传送各自的信息，因此即使在同一根光纤上也不会相互干扰。在接收端转换成电信号时，可以独立地保持每一个不同波长的光源所传送的信息。这种方式就叫做“波分复用”。 其基本原理如下图 所示：要传输的光波的波长（频率）是不同的，它们通过合波器（通常是棱镜或光栅）后，就可使用一条共享的光纤传输，到达目的地结点后，再经过分波器（棱镜或光栅）分成多束光波。因此，波分多路复用并不是什么新的概念，只要每个信道由各自固有的频率范围而且信道间频率范围不相重叠，它们就能以多路复用的方式通过共享光纤进行远距离传输,3.波分多路复用WDM,42,波分多路复用工作原理,43,1.3.6 数据交换技术,1.线路交换 线路交换（Circuit Exchanging）方式与电话交换方式的工作过程很类似。在线路交换中，两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接，如图所示,44,2.报文交换 20 世纪 60 年代和 70 年代，为了获得较好的信道利用率，出现了存储-转发的想法，这种交换方式就是报文交换。目前这种技术仍普遍应用在某些领域（如电子信箱等）。在报文交换中，不需要在两个站这间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，即是站点一次性要发送的数据块，长度不限且可变。传送的方式采用存储-转发方式，即一个站想要发送一个报文，它把一个目的地址附加在报文上，网络结点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个结点，一直逐个结点地转送到目的结点。每个结点在收下整个报文之后，检查无错误后，暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个结点的地址，于把整个报文传送给下一个结点，因此，端与端之间无须先通过呼叫建立连接。它的基本原理是用户之间进行数据传输，主叫用户不需要先建立呼叫，而先进入本地交换机存储器，等到连接该交换机的中继线空闲时，再根据确定的路由转发到目的交换机。由于每份报文的头部都含有被寻址用户的完整地址，所以每条路由不是固定分配给某一个用户，而是由多个用户进行统计复用。 报文交换与邮信件的工作过程很类似，信（报文）邮出去时，写好目的地址，就交给邮局通信子网）了，至于信如何分发，走哪条路，信源结点都不管，完全交给邮局处理。,45,3.分组交换 分给交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。分组交换方式吸取了报文交换方式的优点，仍然采用“存储-转发”的方式，但不象报文交换方式那样以报文为交换单位，而是把报文“裁成”若干比较短的、规格化的“分组”或者称为包Packet，如下图所示。 分组交换通常有两种方式：数据包方式和虚电路方式。,46,1.3.7 差错控制技术,所谓差错，就是在通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象。 1.差错类型 通信信道的噪声分为热噪声和冲击噪声两种。由这两种噪声分别产生两种类型的差错，随机差错和突发差错。 2.误码率 数据传输过程中可用误码率Pe来衡量信道数据传输的质量，误码率是指二进制码元在数据传输系统中出现差错的概率，可用下式表达：,47,3.CRC循环校验 CRC 校验采用多项式编码方法。被处理的数据块可以看作是一个n 阶的二进制多项式，由 组成，如一个8 位二进制数10110101 可以表示为： 多项式乘除法运算过程与普通代数多项式的乘除法相同。多项式的加减法运算以2 为模，加减时不进，错位，和逻辑异或运算一致。,4.差错控制 差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，将差错限制在尽可能小的允许范围内。 差错检测是通过差错控制编码来实现的；而差错纠正是通过差错控制方法来实现的。,48,1.4 计算机网络拓扑结构,1.4.1 通信子网和资源子网 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等。它主要包括网络中所有的主机算计、I/O设备、终端，各种网络协议、网络软件和数据库等。 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、加工和变换等通信处理工作。,49,1.4.2 网络拓扑结构,网络拓扑是指网络中各个端点相互连接的方法和形式。网络拓扑结构反映了组网的一种几何形式。 网络拓扑可以根据通信子网的通信信道分为两类，广播通信信道子网的拓扑与点到点通信子网的拓扑。 广播信道的特点：一个公共的通信信道被多个网络结点共享.局域网一般是广播式网. 采用广播通信信道子网的基本拓扑结构主要有4种：总线型，树型，环型，无线通信与卫星通信型， 点-点线路的特点： 每条物理线路连接一对结点. 广域网一般是点对点式. 采用点到点的通信子网的基本拓扑结构主要有4种：星型，环型，树型与网状型拓扑。,50,1.总线型结构 总线型拓扑结构采用单根数据传输线作为通信介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到通信介质，而且能被所有其他的站点接受 总线型拓扑结构在局域网中得到广泛的应用，主要优点有： 布线容易、电缆用量小。 可靠性高。总线结构简单，从硬件观点来看，十分可靠。 易于扩充。 易于安装。总线型网络的安装比较简单，对技术要求不是很高。,51,总线型拓扑结构虽然有许