数据通信基本原理.ppt

2008 03 数据通信原理 Page2 前言 本课程主要介绍了数据通信原理的基础知识 旨在帮助您了解数通原理知识 Page3 TCP IP协议族 第二版 TCPIP协议详解 卷1 参考资料 Page4 通过本课程学习 您可以 掌握TCP IP协议栈结构掌握IP地址及子网划分原理掌握静态路由基本原理了解动态路由基本知识 学习目标 Page5 第一章TCP IP协议基础第二章路由基础 Page6 第一章TCP IP协议基础 Internet网络基础TCP IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层 Page7 Internet网络基础 什么是Internet 网络 网络是一组互相连接的通信设备 互联网 Internet 两个或更多的可以彼此通信的网络 使用TCP IP协议互连 Today sInternet 1980sCSNETNSFNET 1970sInternet概念诞生 Internet简史 1970sTCP IP诞生 1990sANSNET Page8 Internet网络基础 Intranet 如今的Internet ISP概念 InternetserviceproviderInternet服务提供商 现在绝大多数的终端用户都是由ISP来提供Internet服务的 如 中国电信 国家ISP广东电信 地区ISP如今的Internet组成 Page9 Internet网络基础 LAN和WAN数据通信网络按覆盖范围的大小可以分为局域网 LAN 和广域网 WAN LAN WAN LAN LAN LAN Page10 Internet网络基础 LANLAN定义 通常指几公里以内的 可以通过某种介质互联的计算机 打印机 modem或其他设备的集合 特点 距离短 延迟小 数据速率高 传输可靠 LAN的设计目标 运行在有限的地理区域 允许同时访问高带宽的介质 通过局部管理控制网络的私有权利 提供全时的局部服务 连接物理相邻的设备 LAN的常见设备 HUB 交换机 路由器 ATM交换机 Page11 Internet网络基础 WANWAN定义 在大范围区域内提供数据通信服务 主要用于互连局域网 特点 覆盖范围广 WAN的设计目标 运行在广阔的地理区域 通过低速串行链路进行访问 提供全时的或部分时间的联接性 联接物理上分离的 遥远的 甚至全球的设备 WAN的常见设备 Modem CSU DSU 路由器 广域网交换机 接入服务器 Page12 Internet网络基础 常见网络拓扑结构 LAN WAN 总线型 星型 树型 环型 网型 Page13 第一章TCP IP协议基础 Internet网络基础TCP IP协议基础物理层链路层传输层网络层应用层 Page14 Datalink Physical TCP IP协议和OSI参考模型 TCP IP协议栈具有简单的分层设计 与OSI参考模型有清晰的对应关系 OSI参考模型 TCP IP Application Presentation Session Transport Network Datalink Physical Application Link Internet Transport Page15 TCP IP协议基础 TCP IP协议栈 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 为什么要分层 网络通信是一个复杂的系统 单一层面难以完成通信任务 因此引入了模块化和层次化的概念 也就形成了网络分层模型 分层的好处通信双方功能的对等实现功能模块化 清晰化利于各种网络技术的层叠利于异构网络的互通 Page16 TCP IP协议基础 TCP IP协议栈 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 定义物理设备接口特性 传输介质类型 传输速率 传输模式等 物理层传输的是二进制数据 Bit 提供对物理介质的访问 提供物理编址 流量控制 差错控制和接入控制 链路层传输的是帧 Frame 负责将分组数据从源端交付到目的端 提供逻辑编址 路由选择 网络层传输的是报文 Packet 负责将完整的报文从源端交付到目的端 提供端口编址 分段重组 连接控制 流量控制和差错控制 传输层传输的是段 Segment 提供了对用户的接口 支持各种应用层协议 支持网络虚拟终端 文件传送 邮件服务等 应用层传输的是原始的数据 Data Page17 TCP IP协议基础 对等层通信 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 Bit Frame Packet Segment Data 对等层间使用相同的协议进行通信 物理层的通信是直接的 其他层通过其下层提供的服务与其对等层进行通信 Page18 TCP IP协议基础 TCP IP协议栈报文封装和解封装过程 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 Hello 0010010111001 IwanttosayhellotoB Hello Ireceiveit Page19 第一章TCP IP协议基础 Internet网络基础TCP IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层 Page20 物理层 物理层规定了与建立 维持及断开物理信道所需的机械的 电气的 功能性的和规程性的特性 主要定义电压 接口 线缆标准 传输距离 传输模式 传输速率等内容 常见的物理层接口 10M以太网接口100M以太网接口1000M以太网接口常见物理层设备 集线器HUB 转发器 Page21 物理层 关于双绞线双绞线的分类 3类双绞线4类双绞线5类双绞线超5类双绞线6类双绞线5类双绞线的线序 双绞线有屏蔽与非屏蔽之分均为8芯电缆双绞线的类型由单位长度内的绞环数确定 直连网线 StraightThroughCable 交叉网线 CrossOverCable Side1 1 白 橙2 橙3 白 绿4 蓝5 白 蓝6 绿7 白 棕8 棕 Side2 1 白 橙2 橙3 白 绿4 蓝5 白 蓝6 绿7 白 棕8 棕 Side1 Side2 1 白 橙2 橙3 白 绿4 蓝5 白 蓝6 绿7 白 棕8 棕 1 白 绿2 绿3 白 橙4 蓝5 白 蓝6 橙7 白 棕8 棕 Page22 第一章TCP IP协议基础 Internet网络基础TCP IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层 Page23 链路层 链路层数据链路层是TCP IP协议栈的第二层 在物理层基础上向网络层提供服务 数据链路层为物理链路提供可靠的数据传输 局域网的数据链路层协议有以太网 令牌环网等 广域网数据链路层协议有PPP HDLC FrameRelay等 常见数据链路层设备 交换机LANSwitch Page24 链路层 LAN数据链路层标准IEEE802制定了系列局域网标准 IEEE802 3 以太网IEEE802 4 令牌总线IEEE802 5 令牌环IEEE802 11 无线局域网IEEE802标准涵盖了物理层和数据链路层 WAN数据链路层标准HDLC高级数据链路控制PPP点对点协议X 25X 25协议FrameRelay帧中继 Page25 SFD DA SA Length Type 链路层 以太网链路层以太网中的数据链路层标准遵循IEEE802 3协议 协议中定义 使用MAC MediumAccessControl 地址在链路层唯一标识一个物理设备 以太网帧结构 Data CRC MAC帧头 MAC帧尾 数据部分 SFD StartFrameDenotation 帧首定界符 在MAC帧中固定为10101011 用于接收同步 1Byte DA DestinationAddress目的MAC地址 标识接收此帧的物理设备 6Bytes SA SourceAddress源MAC地址 标识发送此帧的物理设备 6Bytes Length Type 当此值小于1518时 此字段用于标识后面的Data部分的长度 当此值大于1518时 此字段用于定义其上层的协议 2Bytes Data 是此帧携带的来自上层的数据 最小长度为46Bytes 最大长度为1500Bytes CRC 此字段用于差错检测 4Bytes Page26 链路层 MAC地址以太网中的每一个终端或路由设备 如PC机 路由器等 都有自己的网络接口卡 NIC也就是网卡 每个NIC都有自己的MAC地址 用于在网络中唯一标识一个物理设备 MAC地址有48位 但它通常被表示为12位的点分十六进制数 MAC地址全球唯一 由IEEE对这些地址进行管理和分配 每个地址由两部分组成 分别是供应商代码和序列号 其中前24位二进制代表该供应商代码 剩下的24位由厂商自己分配 华为产品前24位为 0 x00E0FC 如果48位全是1 则表明该地址是广播地址 FFFFFFFFFFFF 如果第8位是1 则表示该地址是组播地址 Page27 链路层 以太网MAC层交换原理在同一个网络中 设备之间的寻址采用MAC地址寻址 B PORT1 PORT2 交换机 A IwanttosayHellotoB Ireceiveit AndHiA Page28 第一章TCP IP协议基础 Internet网络基础TCP IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层 Page29 网络层 网络层网络层是TCP IP协议栈的第三层 提供源端到目的端的通信 网络层的主要设备 路由器 三层交换机等 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 IP ICMP ARP RARP Page30 网络层 IP InternetProtocol IP协议是网络层的主要协议 是一种不可靠的无连接的数据报文协议 尽最大努力交付 Besteffort IP协议提供了一种全球统一的报文格式 屏蔽了链路层差异 使网络互联成为可能 IP报文结构 Page31 网络层 IP协议中定义了IP地址 此地址用于在Internet上唯一标识一台主机或路由器的一个接口 在Internet中 每一台主机或路由器的一个网口的IP地址都是唯一的 IPV4中 IP地址定义 使用32bit数在网络中唯一标识一台主机 通常使用点分十进制的方式表示 IP地址二进制表示 IP地址点分十进制表示 IPV4中的私有IP地址 192 168 10 1 私有地址 10 0 0 0 10 255 255 255172 16 0 0 172 31 255 255192 168 0 0 192 168 255 255 Page32 网络层 IP地址分类 128 0 0 0 191 255 255 255 B类地址 1 Network14bit Host16bit 240 0 0 0 255 255 255 255 E类地址 1 保留 1 0 0 0 126 255 255 255 A类地址 0 Network7bit Host24bit 192 0 0 0 223 255 255 255 C类地址 1 Network21bit Host24bit 224 0 0 0 239 255 255 255 D类地址 1 组播地址 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 子网掩码的出现使这种分类的概念弱化 Page33 网络层 特殊的IP地址 Page34 网络层 子网掩码什么是子网掩码 网络设备使用子网掩码 subnetmasking 决定IP地址中哪部分为网络部分 哪部分为主机部分 子网掩码使用与IP地址一样的格式 子网掩码的网络部分和子网部分全都是1 主机部分全都是0 缺省状态下 如果没有进行子网划分 A类网络的子网掩码为255 0 0 0 B类网络的子网掩码为255 255 0 0 C类网络子网掩码为255 255 255 0 利用子网掩码 网络地址的使用会更有效 对外仍为一个网络 对内部而言 则分为不同的子网 子网掩码的组成 子网掩码由一串连续的1和一串连续的0组成 例 二进制表示11111111111111111111111100000000点分十进制255 255 255 0子网掩码的长度 掩码中1的个数 上面的例子中 掩码长度为24 Page35 网络层 子网地址什么是子网地址 子网地址用于标识一个子网 在同一个子网中 所有的主机拥有相同长度的子网掩码和相同的子网地址 子网地址的计算 例 IP地址为192 168 1 17的主机 其掩码为255 255 255 240 其所在子网的子网地址计算如下 IP地址 子网掩码 网络地址 二进制 网络地址 192 168 1 0 28 255 255 255 240 11111111111111111111111111110000 192 168 1 7 11000000101010000000000100000111 11000000101010000000000100000000 与运算 Page36 网络层 子网内主机数量的计算 例子 IP地址为 192 168 1 100 28 28 255 255 255 240该子网掩码二进制表示为 11111111 11111111 11111111 11110000则此网络中 主机总数为 24可用主机数为 24 2 Page37 网络层 子网划分为何要进行子网划分MAN和WAN不可能采用广播技术 必须进行合理的路由 MAC地址的无规律性 固化性 难以进行广域路由 逻辑地址 IP 具有灵活性 可规划性 子网划分可收敛地址数量 减轻路由压力 子网划分的办法IP地址的结构化分层方案将IP地址分为子网地址和主机地址 区分子网地址和主机地址需要掩码 Mask 来实现 基于以上方法 可以将全球网络划分为有规律的 可灵活调整的子网 并在此基础上进行合理路由 同时 更小范围的子网划分也有利于网络管理 Page38 网络层 如何进行子网划分例 局方提供了一个10 160 2 0 24的网段 我们需要至少7个子网 每个子网中的主机数量至少为25个 如何进行子网划分 由于一个子网内的主机数量为2n 2个 此例中每个子网中的主机数要求至少为25个 故n 5 所以 每个子网的掩码长度最长应为32 5 27位 即255 255 255 224 由于需要至少7个子网 故每个子网的掩码长度只能为27 这些子网分别是 10 160 2 0 10 160 2 31子网地址为10 160 2 0 2710 160 2 32 10 160 2 63子网地址为10 160 2 32 2710 160 2 64 10 160 2 95子网地址为10 160 2 64 2710 160 2 96 10 160 2 127子网地址为10 160 2 96 2710 160 2 128 10 160 2 159子网地址为10 160 2 128 2710 160 2 160 10 160 2 191子网地址为10 160 2 160 2710 160 2 192 10 160 2 223子网地址为10 160 2 192 2710 160 2 224 10 160 2 255子网地址为10 160 2 224 27 Page39 网络层 练习题 局方提供的网段为204 159 80 192 26 现需要至少6个网段 每个网段的主机数至少为5个 如何进行子网划分 Page40 网络层 ARP AddressResolutionProtocol 协议ARP协议的作用 已知对方IP地址求对方MAC地址 用于同一子网内的寻址 广泛应用于局域网中 每一个物理设备中 都有一张ARP表 其中记录了IP地址和MAC地址的对应关系 IP 10 0 0 1 24MAC 00 E0 FC 00 00 11 IP 10 0 0 2 24MAC 00 E0 FC 00 00 12 ARPRequest 谁知道10 0 0 2的MAC地址 10 0 0 2对应的MAC为00 E0 FC 00 00 12 A B 00E0FC000012 00E0FC000011 Page41 网络层 RARP ReverseAddressResolutionProtocol 协议RARP协议的作用 已知对端MAC地址求其IP地址 主要用于无盘工作站中 如果启用RARP协议 网络中必须有RARPServer提供服务 并不是所有设备都支持RARP协议 MAC 00 E0 FC 00 00 11 MAC 00 E0 FC 00 00 12 无盘工作站 RARPServer 我的IP地址是多少 你的IP地址是10 0 0 1 Page42 网络层 ICMP InternetControlMessageProtocol 协议ICMP协议为网络提供差错报告机制和状态查询机制 PING程序使用的就是ICMP协议 ICMP的报文封装方式 MAC帧头 IP报头 ICMP报文 MAC帧尾 IP 10 0 0 1 24 IP 10 0 0 2 24 A B B是否可达 我在 Page43 第一章TCP IP协议基础 Internet网络基础TCP IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层 Page44 传输层 传输层传输层是TCP IP协议栈的第四层 提供进程到进程之间的通信并提供流量控制和差错控制机制 UDP UserDataProtocol 是面向无连接的协议 提供高效不可靠传输 TCP TransmissionControlProtocol 是面向连接的协议 提供可靠性传输 但由于在连接建立 拆除 保活过程中需要一些控制消息 故其传输效率不如UDP 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 TCP UDP Page45 传输层 传输层报文格式 Page46 传输层 传输层的端口号传输层协议用端口号来标识和区分各种上层应用程序 端口号范围 0 65535 其中0 1023是公有端口 知名端口 1024 65535是私有端口 80 20 21 23 25 53 69 161 Page47 传输层 进程间的通信 通过端口号来识别源端和目的端的相应进程 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 物理层 网络层 链路层 传输层 应用层 FTPClient FTPServer 2987 21 Page48 第一章TCP IP协议基础 Internet网络基础TCP