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计算机网络技术教程 制作人 巢湖职业技术学院计算机系盛凯 计算机是20世纪人类最伟大的发明之一 计算机网络为提高信息社会的生产力提供了一种全社会的 经济的 快速的存取信息的手段 计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物 它涉及通信与计算机两个领域 由计算机构成的通信网络 已成为各个国家经济竞争的战略武器 我国也把建设国家信息基础设施做为基本国策 积极发展和建设国家经济信息网络 计算机网络将成为人们日常生活中必不可少的工具 计算机网络概述 1 1计算机网络的发展和应用 1 1 1计算机网络的发展一般来讲 计算机网络的发展可分为4各阶段第一阶段 计算机技术与通信技术相结合 形成计算机网络的雏形 第二阶段 在计算机通信网络的基础上 完成网络体系结构与协议的研究 形成计算机网络 第三阶段 在解决计算机联网与网络互联标准化问题的背景下 提出开放系统互联参考模型与协议 促进了符合国际标准的计算机网络技术的发展 第四阶段 计算机网络向互联 高速 智能化方向发展 并获得广泛的应用 第一代计算机网络20世纪50年代中后期地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上以传输信息为目的而连接起来 使计算机系统实现远程信息处理或进一步达到资源共享 通信线路 终端 主机 通信装置 通信装置 第二代计算机网络20世纪60年代后期实现远程资源共享以通信子网为中心分组交换网络分层的网络协议1969年出现的ARPAnet是第一个现代意义上的计算机网络以能够相互共享资源为目的 互连起来具有独立功能的计算机的集合体 互联设备 工作站 NOS服务器 打印机 传输介质 第三代计算机网络网络应用越来越广泛 网络规模越来越大 通信更加复杂各大计算机公司纷纷制定了自己的网络技术标准1977年 ISO开始制定开放系统互联参考模型具有统一网络体系结构 并遵循国际标准的开放式和标准化的网络 第四代计算机网络20世纪80年代末到现在以互联网为代表以太网的高速发展下一代计算机网络多种业务的融合统一协议 统一网络平台 统一管理 计算机网络发展阶段 第一阶段为面向终端的计算机网络 特点是由单个具有自主处理功能的计算机和多个没有自主处理功能的终端组成网络 第二阶段为计算机 计算机网络 特点是由具有自主处理功能的多个计算机组成独立的网络系统 第三阶段为开放式标准化网络 特点是由多个计算机组成容易实现网络之间互相连接的开放式网络系统 1 1 2计算机网络的应用 1 办公自动化2 电子数据交换3 电子教育4 电子银行5 证券及期货交易系统6 信息检索7 IP电话8 娱乐和在线游戏 1 2计算机网络的功能和分类 1 2 1计算机网络的定义利用通信设备和线路将地理位置不同的 功能独立的多个计算机系统互联起来 以功能完善的网络软件 即网络通信协议和网络操作系统等 实现网络资源共享和信息传递的系统称为计算机网络 一个计算机网络是由资源子网和通信子网构成的 资源子网负责信息处理 通信子网负责全网中的信息传递 计算机网络主要由计算机系统 包括计算机和终端 网络节点 通信处理机 和通信链路 通信线路和网络设备 等网络单元组成 从功能上可以将计算机网络分为资源子网和通信子网 1 通信子网不同类型的网络 其通信子网的物理组成各不相同 局域网最简单 它的通信子网由物理传媒介质和主机网络接板 网卡 组成 而广域网 除物理传媒介质和主机网络接板 网卡 外 必须靠通信子网的转接节点传递信息 2 资源子网资源子网一般由主机系统 终端 相关的外部设备和各种软硬件资源 数据资源组成 介绍常用的几个网络单元及其在网络中的作用 1 主计算机主计算机是在计算机网络中承担数据处理的计算机系统 可以是单机系统 也可以是多机系统 2 通信处理机通信处理机也称节点计算机或前端处理机 它是主计算机与通信线路之间设置的计算机 负责通信控制和通信处理工作 3 集中器集中器设置在终端较集中的地方 它把若干终端用低 速线路先集中起来再与高速线路连接 以提高通信效率 降低通信费用 4 调制解调器调制解调器提供计算机等数字信号与话音频带线路等模拟信号之间的转换 5 通信线路通信线路主要用来连接网络各节点 计算机网络具有如下主要特征 1 计算机网络是个互联的计算机系统的群体 这些计算机系统在物理上是分布的 可能在一个房间内 在一个单位里的楼群里 一个或几个城市里 甚至在全国乃至全球范围 2 这些计算机系统是自治的 即每台计算机是可以独立工作的 它们是在网络协议控制下协同工作的 网络协议是指为进行网络数据交换而建立的规则 约定或标准 3 系统互联要通过通信设施 网 来实现 通信设施一般都由通信线路 传输 交换设备等组成 4 系统通过通信设施执行信息交换 资源共享 互操作和协作处理 实现各种应用要求 1 2 2计算机网络的功能 1 数据交换和通信计算机网络中的计算机之间或计算机与终端之间 可以快速可靠地相互传递数据 程序或文件 例如 电子邮件 文件传输服务 FTP 2 资源共享充分利用计算机网络中提供的资源 包括硬件 软件和数据 是计算机网络组成的主要目标之一 资源共享即可以使用户减少投资 又可以提高这些计算机资源的利用率 3 提高系统的可靠性在一些用于计算机实时控制和要求高可靠性的场合 通过计算机网络实现的备份技术可以提高计算机系统的可靠性 当某一台计算机出现故障时 可以立即由计算机网络中的另一台计算机来代替其完成所承担的任务 4 分布式网络处理和负载均衡对于大型的任务或当网络中某台计算机的任务负荷太重时 可将任务分散到网络中的其他计算机上进行 这样即可以处理大型的任务 使得一台计算机不会负担过重 又提高了计算机的可用性 起到了分布式处理和均衡负荷的作用 1 2 3计算机网络的分类 1 按网络的覆盖范围分类 1 局域网 LAN 2 城域网 MAN 3 广域网 WAN 2 按网络的传输技术分类 1 广播式网络特点是仅有一条通信信息 网络上的所有计算机都共享这个通信信息 当一台计算机在信道上发送分组或数据时 分组和数据包实质上就是一种短的信息 按照特定的数据结构组织而成 网络中的每台计算机都会接收到这个分组 并且将自己的地址与分组中的目的地址进行比较 如果相同 则处理该分组 否则将它丢弃 在广播网络中 若某个分组是发送给网络中的某些计算机 则被称为多点播送或组播 若分组只发送给网络中的某一台计算机 则称为单播 2 点到点网络点到点网络的特点是 两台计算机之间通过一条物理线路连接 若两台计算机之间没有直接连接的线路 分组可能要通过一个或多个中间结点的接收 存储 转发 才能将分组从信源发送到目的地 由于连接多台计算机之间的线路结构可能非常复杂 存在着多条路由 因此 在点到点的网络中如何选择最佳路径显得特别重要 3 按网络的使用范围分类 1 公用网公用网由电信部门组建 一般由政府电信部门管理和控制 网络内的传输和交换装置可提供给任何部门和单位使用 公用网分为公共电话交换网 PSTN 数字数据网 DDN 综合业务数字网 ISDN 等 2 专用网专用网事由某个单位或部门组建的 不允许其他部门或单位使用 如 金融 军队 铁路等行业都有自己的专用网 4 按传输介质分类 1 有线网有线网是指采用双绞线 同轴电缆以及光纤作为传输介质的计算机网络 2 无线网无线网是指使用电磁波作为传输介质的计算机网络 它可以传送无线电波和卫星信号 无线网包括如下几种 无线电话网 通过手机上网已成为新的热点 目前这种联网方式费用较高 速率不高 但联网方式灵活方便 语音广播网 价格低廉 使用方便 但保密性和安全性差 无线电视网 普及率高 但无法再一个频道上和用户进行实时交互 微波通信网 通信保密性和安全性较好 卫星通信网 能进行远距离通信 但价格昂贵 5 按网络作用范围分类 1 内联网 2 外联网 3 Internet6 按网络的交换功能分类 1 电路交换 在数据传输期间 源 发送点 与目的 接收点 之间构成一条实际连接的专用物理线路 2 报文交换 不需要建立一条专用物理线路 信息分成报文一站一站地从源地址送到目的地址 即存储 转发方式 报文长度不固定 有点像寄出一封信传送方式一样 3 分组交换 同样不需要建立一条专用物理线路 不过信息传送的单位不是报文 而是分组 特征是其最大长度比报文短很多 基本原理与报文交换相同 1 3计算机网络的拓扑和体系结构 1 3 1计算机网络的拓扑计算机网络拓扑反应了网络中各实体间的结构关系 拓扑设计是构建计算机网络的第一步 也是实现各种网络协议的基础 它对网络的性能 系统可靠性 通信费用等都有重大影响 1 总线型拓扑结构2 星型拓扑结构3 环型拓扑结构4 混合型拓扑结构5 树形拓扑结构6 网型拓扑结构 1 总线型拓扑结构 优点 1 总线结构需要的电缆数量少 费用低 2 总线结构简单 又是无源工作 有较高的可靠性 3 易于扩充 数据端用户入网灵活 缺点 1 总线的传输距离有限 通信范围受限制 2 当接口发生故障时 将影响全网 且诊断和隔离较困难 3 一次仅能由一个端用户发送数据 其他端用户必须等待 直到获得发送权 因此媒体访问的控制机制复杂 2 星型拓扑结构 目前使用最普遍的以太网星型结构 其交换方式为报文交换 处于中心位置的网络设备称为集线器 Hub 目前集线器逐渐被以太网交换机代替 优点 1 控制简单 2 故障诊断和隔离容易 3 方便服务 缺点 1 电缆长度和安装工作量大 2 中央结点的负荷较重 形成信息传输速率的瓶颈 3 对中央结点的可靠性和冗余度要求较高 中央结点一旦发生故障 将使全网瘫痪 3 环型拓扑结构 环型网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中 环路上任何结点均可以请求发送信息 请求一旦批准 便可以向环路发送信息 环路网中的数据可以是单向也可以是双向传输 由于环路公用 一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口 信息流中的目的地址与环上某结点地址相符时 信息被该结点环路接口所接收 而后信息急需流向下一环路接口 一直流回到发送该信息的环路接口结点为止 优点 1 电缆长度短 2 增减工作站时只需简单的连接操作 3 可使用光纤 缺点 1 结点故障会引起全网故障 2 故障检测困难 3 环路拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式 在负载较轻时 信道利用率相对来说就比较低 4 树型拓扑结构 树型结构式总线型结构的扩展 它是在总线网上加上分支形成的 其传输介质可有多条分支 但不形成闭合回路 树型网是一种分层网 其结构可以对称 联系固定 具有一定容错能力 一般一个分支和结点的故障不影响另一个分支结点的工作 任何一个结点送出的信息都可以传遍整个传输介质 也是广播式网络 一般树型网上的链路相对具有一定的专用性 无须对原网做任何改动就可以扩充工作站 优点 1 容易扩展 2 故障隔离较容易 缺点 1 各个结点对根的依赖性太大 如果根发生故障 则全网不能正常工作 5 网型拓扑结构 优点 不受瓶颈问题和失效问题的影响 可靠性高 缺点 结构和协议复杂 成本也比较高 网络拓扑结构是网络的基本要素 处于基础的地位 选择合适的网络拓扑结构很重要 确定拓扑结构 要考虑联网的计算机数量 地理覆盖范围 网络结点变动的情况 以及今后的升级或扩展因素 以上几种拓扑结构各有千秋 目前符合广播式布线系统的星型网络拓扑结构及其双绞线传输介质将会成为21世纪局域网最流行的趋势 在实际组建网络时 其拓扑结构不一定是单一的 通常是这些拓扑结构的综合 拓扑结构的选择 1 3 2计算机网络的体系结构 1 体系结构中的主要概念计算机网络的体系结构是从功能的角度描述计算机网络的结构 计算机网络的体系结构 为了完成计算机间的通信合作 把每个计算机互联的功能划分成有明确定义的层次 规定了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口及服务 将这些同层进程通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构 1 分层 为了理解分层的含义 设甲乙两个外交人员准备讨论有关外交或其他问题 甲在中国 乙在英国 怎么进行讨论呢 首先 讨论要能进行下去 甲乙双方需要有共同感兴趣的话题和相关知识 这样 双方才能听懂对方所谈的内容是什么 这实际上就是把双方的这种认识作为一层认识层 设为第三层 来处理 然后 甲方讲汉语 乙方讲英语 双方语言不通仍不能直接通话 因此 双方都要借助于翻译 翻译成了双方都懂的第三国语言 如英语 这是认识层下面的一层 称为语言层 设为第二层 显然这个第二层是向第三层提供语言翻译服务的 至此 甲乙双方还是不能直接通话 因此甲乙双方在两个国家 相距甚远 无法面对面交谈 因此 还需要下面一层称为传送层 设为第一层 来解决 在这一层 双方可以按事先约定的方式如电话 电报或其他形式 将谈论的内容转化成电 或者光 信号 通过物理媒体传播给对方 完成双方讨论这一任务 上面的例子就说明了如何通过分层将复杂的问题分解成较简单的问题 这样的分层做法 使每一层实现一种相对独立的功能 使问题简易 在网络分层结构中 第N层是第N 1层的用户 同时是第N 1层的服务提供者 分层结构的好处 独立性强功能简单适应性强易于实现和维护大多数的计算机网络都采用层次式结构 即将一个计算机网络分为若干层次 处在高层次的系统仅是利用较低层次的系统提供的接口和功能 不需了解低层实现该功能所采用的算法和协议 较低层次也仅是使用从高层系统传送来的参数 这就是层次间的无关性 层次间的每个模块可以用一种新的模块取代 只要新的模块与旧的模块具有相同的功能和接口 而它们使用的算法和协议可以不一样 2 实体 计算机网络中不同系统的两实体间只有在通信的基础上 才有可能相互交换信息 共享网络资源 一般来说 实体是能发送和接收信息的任何东西 可以指用户应用程序 文件传送包 数据库管理系统 电子邮件设备和终端等 系统可包含一个或多个实体 如主机和终端等 3 服务 在服务网络协议的层次结构中 层与层之间具有服务与被服务的单向依赖关系 下层向上层提供服务 而上层则调用下层服务 因此 我们可称任意相邻两层的下层为服务提供者 上层为服务调用者 下层为上层提供的服务可分为两类 它们是面向连接的服务和无连接的服务 面向连接的服务类似电话系统的服务模式 每一次完整的数据传输都必须经过建立连接 使用连接和拆除连接三个过程 类似于使用电话时的拨号 通话 挂断 连接本质上像一根管道 发送者在管道的一端发送数据 接受者在另一端取出数据 其特点是收发的数据不仅顺序一致 而且内容相同 无连接的服务类似邮政系统的服务模式 传输数据的每个分组都携带完整的目标地址 各分组在系统中独立传送 由于它们可能经过了不同的路径 所以无法保证先发送的分组一定先到达 相邻层之间通过一组服务原语建立相互作用 完成服务与被服务的过程 服务原语可划分为四类 分别是请求 指示 响应和确认 由不同层发出的每条原语完成各自确定的功能 四类服务原语 4 协议 网络中的计算机与终端间要想正确地传送信息和数据 必须在数据传输的顺序 数据的格式及内容等方面有一个约定或规则 这种约定或规则称作协议 网络协议主要有3个组成部分 语义 是对协议元素的含义进行解释 不同类型的协议元素所规定的语义是不同的 语法 将若干个协议元素和数据组合在一起用来表达一个完整的内容所应遵循的格式 也就是对信息的数据结构作一种规定 时序 对事件实现顺序的详细说明 例如在双方经行通信时 发送点发出一个数据报文 如果目标点正确收到 则回答源点接收正确 若接收到错误的信息 则要求源点重发一次 协议实质上市网络通信时所使用的一种语言 5 常用的网络体系结构 目前使用得最多的是OSI参考模型 TCP IP参考模型和ATM参考模型 网络分层模型 解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题将服务 接口和协议这三个概念区分开来使网络的不同功能模块分担起不同的职责减轻问题的复杂程度在各层分别定义标准接口 各层相对独立能有效刺激网络技术革新便于研究和教学 2 ISO OSI参考模型 20世纪80年代早期 ISO即开始致力于制定一套普遍适用的规范集合 以使得全球范围的计算机平台可进行开放通信 ISO创建了一个有助于开发和理解计算机的通信模型 即开放系统互联 OSI 模型 OSI模型将网络结构划分为七层 即物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层和应用层 每一层均有自己的一套功能集 并与紧邻的上层和下层交互作用 在顶端和底端之间的每一层均能确保数据以一种可读 无错 排序正确的格式被发送 OSI七层参考模型 开放系统互连参考模型 4 传输层 2 数据链路层 3 网络层 1 物理层 5 会话层 6 表示层 面向用户应用 面向数据传输 7 应用层 1 物理层 物理层上的协议也称为接口 它定义了为建立 维护和拆除物理链路所需要机械的 电气的 功能和规程的特性 确保物理层能在相邻物理设备之间正确地收 发比特流信息 但对数据不做差错控制 两个相邻并彼此通信的设备按ISO得术语分别称为数据终端设备 DTE 和数据电路终端设备 DCE DTE 是指用户端任何产生传输用数据的设备 通常是指一台计算机或终端 DCE 是指在数据传输的源端和目的地端使通信得以实现的设备 它负责建立 维护并取消物理连接 并在传输介质和DTE间进行信号转换和编码 也称数据通信设备 如调制解调器等 物理层完成的主要功能 1 二进制在线路上的表示和传输二进制 位 信号 2 指定传输方式的要求 3 当建立 维护和其他设备的物理连接时 提供需要的机械 电气 功能特性和规程特性 在物理层中 数据传输的单位为比特 bit 物理层 为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备包括激活物理连接 传送数据 终止物理连接这3个步骤为数据传输提供可靠的环境正确地传输比特流常见协议EIA TIA232 RS 232 C 典型设备中继器 连接两个 或多个 网段 对信号起中继放大作用 以此来延长网络的长度集线器 可以将多台设备以星形的拓扑结构连接起来 组成共享型的网络 2 数据链路层 数据链路层是控制网络层与物理层之间的通信 它的主要功能是将从网络层接收到得数据封装成特定的可被物理层传输的帧 Frame 物理层的传输以比特位单位 而数据链路层则以帧为单位 帧是用来移动数据的结构包 它不仅包括原始 未加工 数据 还包括发送方和接收方的网络地址以及纠错和控制信息 其中的地址确定了帧将发送到何处 而纠错和控制信息则确保帧无差错到达 常见的数据链路层协议包括有 高级数据链路控制 HDLC 同步数据连接控制 SDLC 局域网协议 如以太网 令牌环和光纤分布数据接口 FDDI 广域网协议 如帧中继和ISDN 数据链路层完成的主要功能有 1 数据链路的建立 维护与释放的管理工作 2 将传输数据增加的同步信息 校验信息及地址信息封装成数据帧 3 数据帧传输顺序的控制 4 差错控制 5 数据流量控制 数据链路层 数据链路的建立 拆除对数据进行检错 纠错将数据分成帧 以数据帧为单位进行传输典型设备网桥 连接两个局域网 在各种传输介质中转发数据信号 扩展网络的距离 有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信交换机 按每一个包中的MAC地址相对简单地决策信息转发 转发延迟小 将网络分成小的冲突网域 为每个工作站提供更高的带宽 3 网络层 网络层其主要功能是将网络地址翻译成对应的物理地址 并决定如何将数据从发送方路由到接收方 网络层在发送数据时通过综合考虑发送优先权 网络拥堵程度 服务质量以及可选路由的花费来决定从一个网络中结点A到另一个网络中结点B的最佳路径 由于网络层处理路由 而路由器因为既连接网络各段 又智能指导数据传送 所以属于网络层 网络层协议还能补偿数据发送 传输以及接收的设备能力的不平衡性 为完成这一任务 网络层对数据包进行分段和重组 分段既是指当数据从一个能处理较大数据单元的网络段传送到仅能处理较小数据单元的网络段时 网络层减少数据单元的大小的过程 重组过程既是重构被分段的数据单元 网络层使用的通用协议包括有 1 X 25 这是一种面向连接的分组包交换协议 2 IP 网间互联协议 这是互联网上主要使用的协议 3 IPX 网间包交换协议 这是NovellNetWare的网络层协议 网络层数据传输单位是分组或包 网络层完成的主要功能如下 1 通过路径选择将信息从最合适的路径由发送端传送到接收端 2 防止通信子网信息流量过大造成网络阻塞 3 网络连接的建立和管理 典型设备路由器 决定最优路由和转发数据包 4 传输层 物理层 数据链路层及网络层属于通信子网的范畴 会话层 表示层及应用层则属于资源子网的范畴 传输层是资源子网与通信子网的界面与桥梁 是整个网络体系结构中关键部分 它利用通信子网提供的服务 完成资源子网中两个结点间 比如结点A与结点B 可能属于不同的网段上 的直接逻辑通信 实现通信子网端对端通信的透明性 无论通信子网提供的服务有什么特点 面向连接的或无连接的 可靠性如何 经传输层处理后 都应表现为可靠地 顺序提交的服务 常用的传输层协议有 1 TCP IP协议集中的传输控制协议 TCP 和用户数据报协议 UDP 2 SPX 有序包交换协议 3 国际标准X 224 ISO8073 传输层信息的传送单位是报文 传输层主要完成的功能有 1 分割和重组报文 2 提供可靠地端到端的服务 3 传输层的流量控制 4 提供面向连接的和无连接数据的传输服务 实现端到端的可靠传输进行流量控制 差错控制 虚电路管理在通信子网和高层之间起承上启下的作用 5 会话层 在会话层及以上的高层次中 数据传送的单位不再另外命名 统称为报文 会话层不参与具体的传输 是在不同计算机上的进程之间建立通信会话 功能包括建立 维护 同步 管理通信实体间的对话以及访问身份验证等 如服务器验证用户登录便是由会话层完成的 会话层主要功能有 1 允许用户在设备之间建立 维持和终止会话 2 管理会话 3 使用远程地址建立连接 6 表示层 表示层如同应用程序和网络之间的翻译官 在表示层 数据将按照网络能理解的方案经行格式化 这种格式化也因所使用网络的类型不同而不同 表示层管理数据的解密与加密 如系统口令的处理 此外表示层协议还对图片和文件格式信息进行解码和编码 表示层完成的主要功能有 1 对数据编码格式进行转换 2 数据压缩与恢复 3 建立数据交换格式 4 数据的安全与保密 5 其他的特殊服务 7 应用层 应用层负责对软件提供接口以使程序能使用网络服务 应用层提供的服务包括文件传输 文件管理以及电子邮电的信息处理 应用层完成的主要功能有 1 作为用户应用程序与网络间的接口 2 使用户的应用程序能够与网络进行交互式联系 OSI七层参考模型 允许接入网络资源 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 建立 管理和终止会话 将分组从源端传送到目的端 提供网络互联 在媒体上传输比特 提供机械的和电气的规约 对数据进行转换 加密和压缩 提供可靠的端到端的报文传输和差错控制 将分组数据封装成帧 提供节点到节点方式的传输 3 TCP IP的体系结构 1 TCP IP概述TCP IP是20世纪70年代中期 美国国防部为其ARPANET广域网开发的网络体系结构和协议标准 到80年代它被确定为因特网的通信协议 TCP IP是一组通信协议的代名词 是由一系列协议组成的协议簇 它本身指两个协议集 TCP为传输控制协议 IP为互联网络协议 TCP IP虽不是国际标准 但它是为全世界广大用户和厂商接受的网络互联的事实标准 是目前最流行的商业化的协议 并被公认为当前的工业标准或 事实上的标准 TCP IP协议特点 1 开放的协议标准 可以免费使用 2 独立于特定的网络硬件 可以运行在局域网 广域网 更适用于互联网中 3 统一的网络地址分配方案 使得整个TCP IP设备在网中都具有唯一的地址 4 标准化的高层协议 可以提供多种可靠的用户服务 2 TCP IP层次结构 1 网络接口层这是TCP IP模型的最底层 负责接收从IP层 网际层 交来的IP数据报 并将IP数据报通过低层物理网络发送出去 或者从底层物理网络上接收物理帧 抽取出IP数据报 交给IP层 TCP IP标准并没有定义具体的网络接口协议 而是旨在提供灵活性 以适应各种网络类型 这也说明了TCP IP协议可以运行在任何网络之上 2 网际层网际层是网络互联的基础 它的主要功能是负责相邻结点之间的数据传送 为要传输的数据信息分配地址 进行数据分组的打包 并选择合适的路径将其发送到目的站点 在网际层中 最常用的协议是网际协议IP 其他一些协议用来协助IP的操作 3 传输层传输层的作用是在源结点和目的结点的两个进程实体之间提供可靠的端到端的数据传输 为保证数据传输的可靠性 传输层协议规定接收端必须发回确认 并且假定分组丢失 必须重新发送 传输层还要解决不通应用程序的标识问题 因为在一般的通用计算机中 常常是多个应用程序同时访问互联网 为区别各个应用程序 传输层在每一个分组中增加识别信源和信宿应用程序的标记 另外 传输层的每一个分组均附带校验码 以便接收结点检查接收到的分组的正确性 4 应用层在TCP IP模型中 应用程序接口是最高层 它与OSI模型中的高3层的任务相同 都是用于提供网络服务 比如文件传输 远程登录 域名服务和简单网络管理等 3 TCP IP协议集 TCP IP协议时一个协议集 由多个子层协议分层组成 TCP IP的体系结构包括4层 但是实际上只有3个层次包含协议 最底层网络接口层不包含协议 1 网际层协议在TCP IP协议集中 工作在网际层的协议主要有网际协议 IP 网际控制报文协议 ICMP 网际主机组管理协议 IGMP 地址解析协议 ARP 逆向地址解析协议 RARP 1 网际协议网际协议 IP 的任务是对数据包进行相应的寻址和路由 并从一个网络转发到另一个网络 IP协议在每个发送的数据包前加入一个控制信息 其中包含了源主机的IP地址 IP地址相当于OSI模型中网络层的逻辑地址 目的主机的IP地址和其他一些信息 IP协议的另一项工作室分割和重编在传输层被分割的数据包 由于数据包要从一个网络转发到另一个网络 当两个网络所支持传输的数据包的大小不相同时 IP协 议就要在发送端讲数据包分割 然后再分割的每一段前加入控制信息进行传输 当接收到数据包后 IP协议将所以得片段重新组合形成原始的数据 IP是一个无连接的协议 无连接是指主机之间不建立用于可靠通信的端到端的连接 源主机只是简单地讲IP数据包发送出去 而IP数据包可能会丢失 重复 延迟时间大或者次序会混乱 因此 要实现数据包的可靠的传输 就必须依靠高层的协议或应用程序 如传输层的TCP协议 2 网际控制报文协议 ICMP 网际控制报文协议为IP协议提供差错报告 由于IP是无连接的 且不进行差错检测 当网络发送错误时它不能检测错误 向发送IP数据包的主机汇报错误就是ICMP的责任 例如 如果某台设备部能讲一个IP数据包转发到另一个网络 它就向发送数据包的源主机发送一个信息 并通过ICMP解释这个错误 ICMP能够报告的一些普通错误类型有 目标无法到达 阻塞 请求和应答等 3 网际主机组管理协议 IGMP IP协议只是负责网络中点到点的数据包传输 而点到多点的数据包传输则要依靠网际主机组管理协议IGMP来完成 它负责报告主机组之间的关系 以便相关的设备 路由器 可支持多播发送 4 地址解析协议 ARP 地址解析协议 ARP 的作用是将IP地址映射到物理地址 由于ARP是由TCP IP控制的 所以应用程序不能与其直接进行通信 当应用程序希望与某台网络设备通信时 如果主机不知道对方的MAC地址 则不能完成数据帧的封装 所以 主机的TCP IP协议会发送ARP解析广播去寻找对应于目的IP地址的MAC地址 5 反向地址解析协议 RARP 反向地址解析协议 RARP 用于完成从物理地址向IP地址的转换 这个转换的过程的地址解析协议的逆过程 2 传输层协议TCP IP在传输层提供了两个主要的协议 传输控制协议 TCP 和用户数据协议 UDP 分别提供端到端可靠和不可靠的服务 1 传输控制协议 TCP TCP协议是一种可靠的 面向连接的 端到端的传输协议 它利用IP层提供的不可靠的数据报服务 在将数据从一端发送到另一端时 为应用层提供可靠的数据传输服务 对于大量数据的传输 通常都采用TCP传送 TCP协议还具有完成流量控制 协调收发双方的发送与接收速度等功能 以达到正确传输的目的 2 用户数据报协议 UDP UDP协议提供的是无连接 不可靠的数据报投递服务 在传输过程 UDP报文有可能会出现丢失 重复及乱序现象 并且UDP协议不进行差错检验 使用UDP协议的应用层的应用程序必须实现可靠性机制和差错控制 以保证端到端数据的正确性 由于不能提供可靠的数据传输 因此 UDP协议主要用于不要求分组顺到达的传输中 分组传输顺序检查与排序由应用层完成 UDP常用于数据量较少的数据传输 面向连接的通信只能在两个主机之间进行 若要实现多个主机之间的一对多或多对多的数据传输 即广播或多播 就需要使用UDP协议 3 应用层协议 1 远程登录协议 Telnet 本地主机作为仿真终端登录到远程主机上运行应用程序 2 文件传输协议 FTP 实现主机之间的文件传送 3 简单邮件传输协议 SMTP 实现主机之间电子邮件的传送 4 域名服务协议 DNS 提供域名到IP地址的转换 实现将网络设备的文字名字到IP地址的映射 允许对域名资源经行分散管理 5 动态主机配置协议 DHCP 是为大量客户机提供快速 方便 有效分配IP地址的方法 它从一个地址池中吧IP地址分配给请求主机 6 超文本传输协议 HTTP 用于WEB服务 为此建立客户机和服务器之间的同学 实现图文并茂的超文本的传输 OSI模型的缺陷 OSI模型并没有完全实现 这是因为 1 OSI模型协议制定的时机较晚 OSI协议出现时 TCP IP协议已大量应用在大学和科研机构 人们不会轻易改动协议 2 OSI模型设计亦有一定缺陷 首先会话层对大多数应用没有用 表示层几乎是空的 而数据链路层和网络层功能太多 随后又把它们分成了几个子层 每个子层都有不同的功能 3 OSI模型以及与其相关的服务定义和协议极其复杂 实现起来困难且操作效率不高 TCP IP协议栈 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 IP ICMP IGMP RARP ARP UDP TCP 各种应用程序层 SMTP FTP DNS SNMP NFS TFTP 由底层网络定义的协议 Ethernet Token Ring FDDI X 25 Wirless ATM 1 4小结 复习计算机网络概述基础 第二章数据通信基础 数据通信是计算机网络的理论基础 所谓数据通信 是指按照一定的通信协议 通过计算机技术与通信技术的结合来实现信息的传输 交换 存储和处理的技术 本章将介绍数据通信方面的基础知识 掌握这方面的知识将有助于加深对计算机网络工作原理的理解 为进一步学习计算机网络奠定基础 2 1数据通信的基础知识 2 1 1数据通信的基本概念1 信息信息是人们对现实世界事物的存在方式或运动状态的某种认识 在数据通信领域中 信息是数据的集合 含义与解释 信息的交换是通信的目的 信息的表现形式多种多样 可以是数值 文字 图形 声音 图像和动画等 2 数据数据是人们对客观事实进行描述与记载的物理符号 在数据通信领域中 数据是指能够被计算机处理的数字 字母和符号等具有一定意义的实体 数据可分为模拟数据和数字数据 连续变化的物理量是模拟数据 如声音的大小 光线的强弱等 离散不连续的量是数字数据 如电压的有无 闭合回路的开关等 3 信号信号是数据的具体物理表现 具有确定的物理描述 如电压 磁场强度等 与数据相似 信号也可以分为模拟与数字两种形式 模拟信号是在一定的数值范围内可以连续取值的信号 是一种连续变化的信号 传统的电话机输出的语音信号 电视摄像机产生的图像信号以及广播电视信号等都是模拟信号 数字信号是一种离散的脉冲序列 它取几个不连续的物理状态来代表数字 计算机通信使用的离散数字是二进制数字0和1 它们分别由信号的两个物理状态 如低电平和高电平 来表示 模拟信号与数字信号波形 2 1 2数据通信系统模型 1 信源信源就是信息的发送端 是发出待传送信息的人或设备 常用的信源设备有电话机的话筒 摄像机 传真机 计算机等 它们把各种可能的信息装换成原始信号 2 信号变换器 信号反变换器为了使信号能适合在信道上传输 就要通过各种变换器将原始信号转换成需要的信号 例如 利用模拟传输系统传输数字数据就需要调制解调器 同样 在信号送达信宿之前 需要相应的信号反变换器对信号再次进行转换 以成为能被信宿识别的原始信号 3 信道信道是传送信号的路径 是连接发送设备和接收设备的线路 由传输介质及相应的附属设备组成 4 信宿信宿也就是信息的接收端 是接收传送信息的人或设备 2 数据通信过程在计算机网络中 通信系统是以计算机为中心 通过通信线路和分布远地的数据终端设备连接起来完成通信任务的 数据从信源发出 通过信道被信宿接收的整个过程称为通信过程 1 建立通信线路用户通过拨号将要通信的对方地址告诉交换机 交换机查询该地址终端 若同意通信 则由交换机建立通信双方的物理通道 2 建立数据传输链路接收端按发送端发送的同步信号来校对自己的时钟以便与发送端的发送取得一致 使双方设备处于正确收发状态 通信的双方核对地址 3 数据传输数据传输是数据通信的主要阶段 在建立数据传输链路后 通信双方传输单个或若干组数据 并传输通信控制信号来保证传输信息的正确性 4 传输数据结束通信双方通过有关的通信控制信号确认通信即将结束 5 断开通信线路由双方通知交换机 通信已结束 可以切断物理通道 2 1 3数据通信的主要数据指标 1 传输速率传输速率是指单位时间内传送的信息量 通常采用两种不同的单位来度量 比特率和波特率 1 比特率比特率又称信息传输速率 信息速率 它便是单位时间内所传输的二进制代码的位 bit 数 单位为bit s或bps 如果一个数据通信系统 每秒内传输9600位 则它的比特率为9600bps 2 波特率波特率又称码元传输速率 传码率 符号速率 调制速率 它表示单位时间内信道上实际传输码元的个数 单位为码元 秒 又称为波特 Baud 简记Bd 例如 某数据通信系统每秒传送9600个码元 则该系统的波特率为9600Bd 如果系统是二进制的 它的比特率是9600bps 2 误码率误码率又称差错率 它是指二进制码元被传输出错的概率 误码率 被传错的码元数 传输的二进制码元总数 在计算机网络中 误码率通常要求低于10 6 误码率越小 通信的可靠性越高 3 信道容量信道容量是指单位时间内信道传输信息的最大能力 通常传输速率表示 信道容量是数据传输速率的极限 实际应用中 信道容量应大于数据传输速率 以保证通信质量 减少误码率 4 信道延迟信道延迟是指信号在信道中从信源到达信宿所需要的时间 它与信道的长度及信号传播速度有关 电信号一般以接近光速的速度传播 但随介质的不同而略有差别 2 2数据编码技术 数字数据和模拟数据在通过某一介质进行传输时需要进行调制和编码 无论是模拟数据还是数字数据 都需要经过编码变换成适合在介质上传输的信号 接收端收到信号后还需要将其恢复成原来的模拟数据或数字数据 2 2 1数字数据的数字信号编码 2 2 2数字数据的模拟信号调制 2 3数据通信方式 在计算机内部各部件之间 计算机与各种外部设备之间 计算机与计算机之间 都是以通信的方式传递交换数据信息 本节将对通信方式进行介绍 2 3 1并行通信与串行通信并行传输优势在于速度 并行通信适用于近距离传输 串行通信比并行通信传输速度慢 但串行通信节省了大量通信设备和通信线路 其更适合远距离通信 其在计算机网络中普遍采用 2 3 2单工 半双工 全双工通信 按照数据在线路上的流向 串行数据通信可分为3种类型 单工通信 半双工通信和全双工通信 2 3 3异步传输与同步传输 2 3 1异步传输方式异步传输方式是指在被传送的字符前后加上起止为 实现定时的传输方式 因此又称为起止式同步 它以一个个的字符为单位进行数据传输 并在每个字符代码的前后分别附加上起始位和停止位 这些标记数据起止的位又叫做成帧信息 异步传输存在一个潜在的问题 即接收方步知道数据会在什么时候到达 在它检测到数据并做出响应之前 第一个比特已经过去了 因此 每次异步传输的信息都以一个起始位开头 它通知接收方数据已经达到了 这就给了接收方响应 接收和缓存数据比特的时间 在传输结束时 一个停止位表示该次传输信息的终止 例如在键盘上按数字1 按照8bit的扩展ASCII编码 将发送00110001 同时需要在8bit的前面加一个起始位 后面加一个停止位 异步传输的实现比较容易 由于每个信息都加上了 同步 信息 因此计时的漂移不会产生大的累积 但却产生了较多的开销 在上面的例 子 每8bit要多传送2bit 总的传输负载就增加25 因此异步传输常用于低速设备 这种传输方式的特点是同步实现简单 收发双方的时钟信号不需要严格同步 缺点是对每一个字符都需要加入起 止码元 使传输效率降低 2 3 2同步传输方式同步传输数据的发送一般以组 或称帧 为单位 一组数据包含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 同步传输的比特分组要大得多 它不是独立发送每个字符 每个字符都有自己的开始位和停止位 而是把它们组合起来一起发送 通常将这些组合称为数据帧 或简称为帧 数据帧的第一部分包含一组同步字符 它是一个独特的比特组合 类似于前面提到的起始位 用于通知接收方一个帧已经到达 但它还同时能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致 收收发双方进入同步 帧的最后一部分是一个帧的结束标记 它与同步字符一样 它也是一个独特的比特串 类似于前面提到的停止位 用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了 同步传输通常要比异步传输速度快的多 接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作 一旦检测到帧同步字符 它就在接下来的数据到达时接收它们 另外同步传输的开销也比较少 例如 一个典型的帧可能有500B 即4000bit 的数据 其中可能只含100bit的开销 这时 增加的比特位使传输的比特总数增加2 5 这与异步传输中的25 的增加要小的多 随着数据帧中实际数据比特位的增加 开销比特所占的百分比将相应的减少 但是 数据比特位越长 缓存数据所需要的缓冲区也越来越大 这就限制了一个帧的大小 另外 帧越大 它占据传输媒体的连续时间也越长 在极端的情况下 这将导致其他用户等待时间较长 2 4数字信号的传输方式 2 4 1基带传输在数据通信中 表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带 简称为基带 矩形脉冲信号就叫做基带信号 在数字通信信道上 直接传送基带信号的方法称为基带传输 在发送端 基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号 例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号 在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号 基带传输是一种最基本的数据传输方式 2 5 1频带传输利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输 调制解调器 modem 是频带传输中最典型的通信设备 2 5多路复用技术 多路复用是指数据通信中信道的复用 即利用一个物理信道同时传输多个信号 以提高信道利用率 使一条线路能同时由多个用户使用而互不影响 多路复用主要有频分多路复用 FDM 和时分多路复用 TDM 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 f1 f8 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 2 时分多路复用TDM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 时分多路复用TDM不仅仅局限于传输数字信号 也可以同时交叉传输模拟信号 另外 对于模拟信号 有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用 一个传输系统 可以频分成许多条子通道 每条子通道再利用时分多路复用技术来细分 在宽带局域网络中可以使用这种混合技术 2 5数据交换技术 第一节数据交换概述第二节数据交换方式第三节帧中继第四节ATM技术 实现数据通信的交换网有两类 公用交换网和公用数据交换网 利用公用交换网进行数据交换在公用电话网上只要附加一些呼叫或应答装置 即可实现用户终端和计算中心设备的数据交换 通过公用电话网实现数据交换 第一节数据交换概述 实现数据通信的交换网有两类 公用交换网和公用数据交换网 利用公用数据交换网进行数据交换公用数据交换网要求本身可解决数据交换 在早期的广域网中 数据通过通信子网的交换方式分为两类 线 电 路交换方式 存储转发交换方式 第一节数据交换概述 第二节数据交换方式 一 线路交换方式 电路交换方式 与电话交换方式的工作过程很类似 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 然后再进行数据通信 在通信中自始至终使用该条链路进行信息传输 而不允许其它计算机和终端同时共享该条链路 第二节数据交换方式 一 线路交换方式 电路交换方式 线路交换方式的通信过程线路建立阶段 如果主机H1要向主机H2传输数据 首先要通过通信子网在主机H1与主机H2之间建立线路连接 主机H1首先向通信子网中节点A发送 呼叫请求包 其中含有需要建立线路连接的源主机地址与目的主机地址 节点A根据目的主机地址 根据路选算法 如选择下一个节点为B 则向节点B发送 呼叫请求包 其它节点动作基本类同 至此 从 主机H1 节点A 节点B 节点C 节点D 主机H2 的专用物理线路连接建立完成 第二节数据交换方式 一 线路交换方式 电路交换方式 线路交换方式的通信过程数据传输阶段 在主机H1与主机H2通过通信子网的物理线路连接建立以后 主机H1与主机H2就可以通过该连接实时 双向交换数据 线路释放阶段 在数据传输完成后 就要进入路线释放阶段 一般可以由主机H1向主机H2发出 释放请求包 主机H2同意结束传输并释放线路后 将向节点D发送 释放应答包 然后按照节点C 节点B 节点A 主机H1次序 依次将建立的物理连接释放 这时 此次通信结束 第二节数据交换方式 一 线路交换方式 电路交换方式 线路交换方式的特点通信子网中的节点是用电子或机电结合的交换设备来完成输入与输出线路的物理连接