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三级教程 网络技术 主讲人 王世民 一 指定教材 三级教程 网络技术 刘瑞亭主编 高等教育出版社 2009版二 教材的特点本教材有以下几个特点 2 继承传统 努力创新 3 观点 资料新 4 例证充分恰当 5 注重实际应用 6 配套练习丰富 开篇语 三 考试题型I 选择题选择题 60分 共60小题 给出相关的网络的一句话 从四个选项中选择最佳的答案 主要考课文的基础知识部分网络协议的三要素是语法 语义与时序 语法是关于 A 用户数据与控制信息的结构和格式规定 B 需要发出何种控制信息以及完成的动作与作出的响应规定 C 事件实现顺序的详细说明 D 接口原语的规定 答案 A 开篇语 三 考试题型II 填空题填空题 共40分 20空 每空2分 在每个空里填上正确答案 例 MPEG压缩标准包括MPEG MPEG音频和MPEG系统三部分 答案 视频 开篇语结束 开篇语 本单元概览一 计算机概述 二 计算机硬件系统 三 计算机软件系统 四 多媒体技术基础 第一部分基本知识 1 计算机的特点高速自动进行信息处理的电子设备 它能按照人们预先编写的程序对输入的数据进行处理 存储 传送 从而输出有用的信息或知识 2 计算机的发展阶段计算机发展的5个阶段 1 大型主机阶段 主要电子管时代 2 小型计算机阶段 晶体管时代 3 微型计算机阶段 大规模集成电路时代 4 客户机 服务器阶段 网络阶段 5 Internet阶段 从APPANET开始到Internet阶段3 计算机应用领域 1 科学计算 2 事务处理 3 过程控制 4 辅助工程 5 人工智能 6 多媒体应用 一 计算机概述 二 计算机硬件系统 1 计算机硬件分类服务器 提供服务的计算机 处理器体系结构有三种 复杂指令集 CISC 精简指令集 RISC 超长指令字 VLIW 工作站 面向计算机辅助设计等应用领域的高性能计算机 台式机 微型计算机 或个人计算机 笔记本 便携机或移动PC机 手持设备 掌上电脑或亚笔记本 2 计算机配置不同的计算机基本上分为 处理器 双核处理器 服务器工作站可采用多个CPU 内存 1M 几十G硬盘 几十到几百G以上缓存 一级或二级缓存 容量1M左右光驱 CD ROMDVD等 具有不同倍速显卡 具有显示内存容量 支持颜色分辨率等网卡 以太网卡操作系统 windows unix linux等 二 计算机硬件系统 3 计算机技术指标字长 计算机的寄存器的字长 8 16 32 64等 1字节 8bit 1word 16bit 计算机只识别0和1 称为二进制 速度 每秒钟处理指令的数目 运算速度与施工频率有关 有时用主频衡量CPU的速度 容量 内存和外存之分 内存必需 单位有1K 1024 1M 1024K 1G 1024M数据传输率 单位bps 每秒钟传送的bit的位数 可靠性 无故障时间越长 修复故障的时间越短 可靠性越高 产品名称与版本 一般版本不能做技术指标 但因为计算机行业发展快 高版本一般性能优于低版本 二 计算机硬件系统 4 微处理器的技术特点 1 超标量技术通过内置多条流水线同时执行多个处理 其实质是以空间换时间 2 超流水线技术通过细化流水 提高主频 在一个周期内完成一个或多个操作 实质是以时间换空间 3 分支预测通过设置分支目标缓冲器 动态预测分支转移情况 使得流水线的吞吐率能保持较高水平 4 双高速缓存的哈佛结构 指令与数据分开 两个缓存 一个用于存指令 一个用于存数据 提高访问缓存的命中率 5 固化常用指令 常用指令用硬件实现 6 增强的64位数据总线 内部32位 但与存储器之间外部总线增为64位 二 计算机硬件系统 4 微处理器的技术特点 7 采用PCI标准的局部总线主要用于解决I O瓶颈问题 8 错误检测以及功能冗余检验技术内部错误检测采用偶检验 冗余判断系统是否出现异常 9 内置能源效率技术系统不工作时进入睡眠模式 在几个毫秒时间内可进入全速运行状态 10 支持多重处理多CPU 支持并行处理技术中最常用的体系结构 二 计算机硬件系统 5 主板与插卡 1 主板的组成 CPU 存储器 总线 插槽以及电源 2 主板的分类可按不同角度分类 如 CPU插座分类 Socket7 slot1主板等 按芯片集分类 TX主板 LX主板 BX主板等 3 网卡网卡是组网的关键部件也叫适配卡 功能 实现与主机总线的通信连接 解释并执行主机控制指令 实现链路层功能 形成帧 差错校验 发送接收等 实现物理层功能 传输驱动 信号侦听与接收等 二 计算机硬件系统 1 软件的基本概念软件是程序以及开发 使用和维护程序所需要的所有文档的总和 2 软件的分类按用途分类 系统软件和应用软件按授权分类 商业软件 共享软件 自由软件 3 软件开发生命周期分3段 计划阶段 开发阶段 运行阶段 每个阶段可分为若干子段 三 计算机软件系统 1 多媒体概念媒体是信息的载体 是信息传递与存储的基本手段和工具 分为传播信息的载体和存储信息的载体 多媒体技术 对文本 声音 图像等多媒体信息通过计算机进行数字化采集 处理 传输 存储 播放的一体化集成技术 2 多媒体的组成计算机至少应具有 CD ROM 语音模拟与数字转换 A D和D A 高清显示器 数据压缩和解压缩功能 四 多媒体系统 3 数据压缩与解压缩技术多媒体信息中有何多冗余数据 去掉冗余的数据即压缩 压缩方法的种类 按图像是否有差别分 无损压缩和有损压缩 按压缩原理分类 熵编码 无损压缩 源编码 有损压缩 和混合编码 编码方法 a 信息熵编码 只压缩冗余而不损害信息熵 典型的方法有哈夫曼编码 游程编码 算术编码等 b 预测编码法 去除相邻像素之间的相关性和冗余性 只对新的信息进行编码 典型方法有 微分脉码调制 DPCM 等c 变换编码法 将给定的图像信号进行某种函数变换 如傅立叶变换 离散余弦变换等d 矢量量化编码法 对数据分组 每组构成一个矢量 以矢量为单位进行量化 预测编码 变换编码 矢量编码都是有损编码即属于源编码 四 多媒体系统 4 国际压缩标准 a JPEG 静止图像压缩的国际标准 适合于连续色调 多级灰度 单色或彩色静止图像的数字压缩编码 b MPEG 运动图像压缩的国际标准 通常包括三部分MPEG视频 MPEG音频 MPEG系统 需要考虑音频视频同步 c 国际电信联盟ITU T关于视频编码的H 26x系列建议 包括H 261 H 264 H 261的目标是在ISDN上开展电视电话会议 四 多媒体系统 5 超媒体与流媒体超文本 非线性组织 每个文本一个结点 通过链接相关内容和其它结点实现浏览离散信息 超媒体 当信息不限于文本形式时 称为超媒体 组成有两部分 结点和链接 结点 表达信息的基本单位 链接 建立结点之间的信息联系指针 流媒体 流式媒体 对多媒体文件边下载 边播放的传输技术称为流媒体技术 流媒体特点 连续性 实时性 时序性 流媒体的服务模式 C S模式和P2P模式 四 多媒体系统 6 多媒体应用软件分类 多媒体播放软件和多媒体制作软件 播放软件 Windowsmediaplay realplay等 制作软件 文字编辑软件 如word图像处理软件 photoshop coreldraw等动画制作软件 cool3D 3DStudioMAX等音频处理软件 realjukebox等视频处理软件 moviemaker等多媒体创作软件 authorware等 四 多媒体系统 第一部分基本知识结束 第二部分网络技术基础 本单元概览一 计算机网络的形成与发展 二 计算机网络的基本概念 三 分组交换的基本概念 四 网络体系结构与网络协议的基本概念 五 互联网应用的发展 六 无线网络的应用与研究 1 计算机网络的发展阶段 1 独立发展的计算机技术与通信技术结合 奠定了计算机网络的理论基础 2 ARPANET与分组交换技术的发展 奠定了互联网的基础 3 各种广域网 局域网和公用分组交换网络的发展 网络体系结构与网络协议的标准化 国际标准化组织 ISO 制定了开放系统参考模型 OSI 4 Internet 高速通信网络 无线网络与网络安全技术的应用 一 计算机网络的形成与发展 2 计算机网络的形成 1 由一台中央主机通过通信线路连接大量的地理上分散的终端 构成面向终端的通信网络 终端分时访问中心计算机的资源 中心计算机将处理结果返回终端 2 20世纪60年代中期 出现了多台计算机通过通信系统互连的系统 开创了 计算机 计算机 通信时代 这样分布在不同地点且具有独立功能的计算机就可以通过通信线路 彼此之间交换数据 传递信息 3 ARPANET的发展以及OSI的制定 使各种不同的网络互联 互相通信变为现实 实现了更大范围内的计算机资源共享 Internet是覆盖全球的信息基础设施之一 用户可以利用Internet实现全球范围的信息传输 信息查询 电子邮件 语音与图像通信服务等功能 广域网分为资源子网和通信子网 一 计算机网络的形成与发展 3 网络体系结构与协议标准化在计算机网络发展的第三阶段 出现了很多不同的网络 导致网络之间的通信困难 迫切需要统一的网络体系结构和统一的网络协议 ISO制定了OSI参考模型 作为国际认可的标准模型 TCP IP协议以及体系结构早于OSI参考模型 因此TCP IP协议与体系结构也是业内公认的标准 一 计算机网络的形成与发展 4 互联网的应用与高速网络技术的发展 1 互联网高速发展互联网不仅是一种资源共享 数据通信和信息查询的手段 逐渐成为人们了解世界 讨论问题 休闲 学术研究 商贸 教育甚至军事活动等重要领域 2 信息高速公路高速网络技术主要体现在 异步传输模式 ATM 宽带综合业务数字网 B ISDN 高速局域网 交换局域网 虚拟网络与无线网络 3 基于WEB技术的互联应用的发展Web技术的出现使网站的数量和网络的通信量呈指数增长 4 基于P2P技术的应用技术发展区别于C S结构 对等 P2P 网络淡化了服务提供者和服务使用者的界限 扩大了网络资源的范围和深度 5 网络安全技术的发展计算机网络犯罪 使得网络必须具备足够的安全机制 防止信息被非法窃取 破坏与泄露 一 计算机网络的形成与发展 5 宽带城域网的发展宽带城域网与传统的通信网络在概念和技术上发生了很大的变化 主要体现在以下几个方面 传统局域网 城域网与广域网在技术上的界限模糊传统的电信传输技术与计算机网络技术的界限越来越模糊传统的电信服务与互联网应用的界限越来越模糊电信传输网 计算机网络与广播电视网络技术的界限越来越模糊宽带城域网的核心技术是 核心交换网和接入网 一 计算机网络的形成与发展 二 计算机网络的基本概念 1 计算机网络的定义所谓计算机网络 就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连成一个规模大 功能强的网络系统 从而使众多的计算机可以方便地互相传递信息 共享硬件 软件 数据信息等资源 计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物 其基本特征体现在三个方面 1 资源共享 2 不同地理位置的 自治计算机 3 计算机之间必须遵守共同的网络协议 2 计算机网络的分类计算机网络分类的标准很多 如按拓扑结构 应用协议 传输介质 数据交换方式等等 如按网络的覆盖范围可以将网络分为局域网 广域网 城域网 按拓扑结构分类有总线网 树型网 星型网 环型网 网状网 按传播方式分为点对点传输和广播式传输等 1 按覆盖范围分类 局域网 一般用微型计算机通过高速通信线路相连 数据传输速率较快 通常在10Mbit s以上 误码率较低 但其覆盖范围有限 是一个小的地理区域 例如 办公室 大楼和方圆几公里远的地域 内的专用网络 局域网从介质访问控制方法来看可分为共享式介质和交换式局域网 城域网 介于局域网和广域网之间的高速计算机网络 广域网 是远距离 大范围的计算机网络 覆盖范围一般是几十公里 几千公里的广阔地理区域 其主要作用是实现远距离计算机之间的数据传输和信息共享 并且通信线路大多租用公用通信网络 如公用电话网PSTN 广域网从逻辑功能上分为通信子网和资源子网 二 计算机网络的基本概念 2 按拓扑结构分类网络拓扑结构 计算机网络的几何图形表示 广播式网络是指一个公共信道被多个网络结点共享 对应的网络拓扑结构有总线 树型 环型 无线通信与卫星通信 点对点线路是指每个物理线路链接两个结点 对应的拓扑结构有星型 环型 树型与网状 二 计算机网络的基本概念 3 计算机网络传输特性的参数 1 数据数据传输速率每秒钟传输二进制的比特数 单位bir s或bps 记作 s 1 T bps T为传送1bit所需要的时间 单位变换时一般省略24进行统计 如下 1Kbps 1000bps 1Mbps 1000Kbps 1Gbps 1000Mbps 1Tbps 1000Gbps带宽与速率的关系 奈奎斯特给出没有噪声时带宽与最大传输速率之间的关系 Rmax 2 BRmax 最大数据传输速率 B通信信道带宽 频率 单位HZ 香农给出了有随机热噪声时带宽与数据传输速率之间的关系 Rmax B LOG2 1 S N S N信噪比 信号与噪声功率比 单位是分贝 二 计算机网络的基本概念 2 误码率二进制码元在数据传输过程中被传错的概率 其近似值为 Pe Ne NN为传输二进制码元的总数 Ne为被传错的码元数 误码率应注意以下问题 误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数 对于实际的传输系统 不能笼统地说误码率越低越好 要根据实际情况衡量 实际的传输系统 如果不是传输二进制码元 需要折合成二进制码元计算 误码率具有随机性 实际测量时只有测试的二进制码元越大 才会接近真正的误码率 二 计算机网络的基本概念 三 分组交换技术的基本概念 1 电路交换的基本概念通信子网的交换方式中分为两类 电路交换和存储转发交换 存储转发交换分为保温存储转发交换 报文交换 和报文分组存储转发交换 分组交换 电路交换分为三个阶段 1 线路建立 两台主机要传输数据 首先通过子网建立两台主机之间的线路连接 2 数据传输 线路连接后 可以实现实时 双向的交换数据 3 线路释放 数据传输结束后 原点想目的主机发送释放请求 目的同意后逐步释放连接 线路交换的优点 实时性强 适应于交互式会话通信 线路交换的缺点 对突发性通信不适应 系统效率低 不具备存储数据能力 不具备差错控制能力 2 存储转发交换的特点与线路交换的特点区别 1 发送的数据与目的地址 源地址 控制信息按照一定格式组成一个数据单元 报文或报文分组 进入通信子网 2 通信子网的结点是通信控制处理机 它负责完成数据单元的接受 差错检验 存储 路径选择和转发功能 转发数据的单位分为两种 报文和分组 报文 数据长度不限 增加目的地址 源地址与控制信息组成一个逻辑单元 分组 限制报文长度 源结点需要将报文分成多个分组 发送结束后 由目的结点按顺序重新组织成报文 存储转发优点 共享信道 线路利用率高 路由选择功能 提高系统效率 每个路由可进行差错检查和纠错处理 提高系统可靠性 路由器实现不同通信速率的转换 也可对不同数据代码格式进行转换 三 分组交换技术的基本概念 3 数据报方式与虚电路方式 1 数据报方式分组传输前不需要预先在源与目的之间建立连接 源主机发送的每一个分组都可以独立选择一条传输路径 每个分组可以在通信子网中通过不同的路径传输到达目的地 具体步骤 源主机将报文分成若干个分组 发送给直接相连的处理机 收到的处理机存储分组 每个收到分组的处理机都进行差错检验 然后收到分组的处理机向发送处理机返还确认信息 如果分组发送正确 源处理机丢弃副本然后进行路径选择发送给下一个处理机 如果分组发送错误 则要求重发 直到到达目的地 数据报的特点 各分组可按不同路径发送 到达目的地的分组可能有乱序 丢失等现象 每个分组要包含目的和源地址 传输延迟较大 三 分组交换技术的基本概念 2 虚电路方式分组发送前 在发送方和接收方建立逻辑连接 所以虚电路的工作过程分为3个阶段 虚电路建立 数据传输 虚电路拆除 虚电路的特点 每次分组传输前 需要在源和目的之间建立逻辑连接 所有分组按统一建立的虚电路传输 不会出现乱序和丢失现象 分组通过的每一个结点时 结点只要差错检查 不需要路径选择 通信子网中的每一个结点可以与任何结点建立多条虚电路 虚电路与线路交换的区别 虚电路在传输分组时建立虚连接 这种电路不是专用的 而电路交换的连接是物理连接 是独占的 三 分组交换技术的基本概念 四 网络体系结构与网络协议的基本概念 1 网络体系结构的基本概念网络协议 为网络数据交换而制定的规则 约定与标准 主要有三要素 语法 规定用户数据与控制信息的结构和格式 语义 规定需要发出何种控制信息以及完成的动作与作出的响应 时序 对事件实现顺序的详细说明 网络体系系结构 对计算机网络应完成的功能的精确定义 体系结构是抽象的 而实现是具体的 是能够运行的一些硬件和软件 体系结构采用层次结构 层次结构的好处 各层之间相互独立 灵活性好 各层都可以采用最合适的技术实现 各层实现技术部影响其它层 易于实现和维护 有利于促进标准化 2 ISO OSI参考模型 1 OSI参考模型的概念OSI中采用三级抽象 体系结构 服务定义和协议规格说明 体系结构 定义了层次结构 层次之间的相互关系以及各层所包括的可能的服务 是对网络内部结构最精炼的概括与描述 服务定义 详细说明了各层所提供的服务 通过接口提供给更高一层 同时还定义了层与层之间接口和各层所使用的原语 但不涉及接口的实现 协议规格说明 精确定义了应当发送什么控制信息 以及应当用什么样的过程解释这个控制信息 协议的规程说明具有最严格的约束 OSI参考模型仅仅是抽象描述 或者说是一个制定标准时所使用的框架 四 网络体系结构与网络协议的基本概念 2 OSI参考模型的结构以及各层的主要功能OSI分7层 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 物理层 利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接 以便透明传输比特流 数据链路层 在物理提供比特流传输服务的基础上 在通信的实体之间建立数据链路连接 传送以帧为单位的数据 并具有差错控制和流量控制功能 网络层 通过路由选择算法 为分组的通过选择最适当路径 需要实现路径选择 拥塞控制与网络互联功能 传输层 向用户提供可靠的端到端服务 透明传输报文 它向高层屏蔽了下层功能 是体系结构中最关键的一层 会话层 组织两个会话进程之间的通信 并管理数据交换 表示层 处理两个通信系统中交换信息的表示方式 包括格式转换 数据加密解密 数据压缩与数据恢复等功能 应用层 确定进程之间通信的性质 以满足用户的需要 四 网络体系结构与网络协议的基本概念 3 TCP IP参考模型与协议TCP IP的协议特点 开放的协议标准 独立于特定的计算机硬件和操作系统独立于特定的网络硬件 可以在局域网 广域网和互联网中统一的地址分配方案 使得每台网络中计算机具有唯一的地址标准化的高层协议 可提供多种可靠的用户服务 TCP IP参考模型与层次主机 网络层 互联层 传输层和应用层 与OSI模型对应 主机 网络层物理层和数据链路层互联层网络层传输层传输层应用层会话层表示层应用层 四 网络体系结构与网络协议的基本概念 TCP IP的主机 网络层实现了OSI模型中物理和链路层的功能 TCP IP的互联层功能主要体现在3个方面 处理来自传输层的分组发送请求处理接收的数据报处理互联的路径 流控与拥塞问题传输层实现应用进程间的端到端通信 具有两个协议 TCP和UDP协议 TCP 是一种可靠面向连接的协议 允许将一台主机的字节流无差错地传送到目的主机 UDP 不可靠的无连接协议 不要求分组顺序到达目的地 应用层的主要协议有 远程登录协议 Telnet 文件传输协议 FTP 简单邮件传输协议 SMTP 域名服务 DNS 路由信息协议 RIP 网络文件协议 NFS 超文本传输协议 HTTP 等 四 网络体系结构与网络协议的基本概念 五 互联网应用的发展 1 基于WEB应用的发展WEB技术的出现使互联网从最初的主要由计算机专家和大学生使用 变为一种被广泛使用的信息交流工具 同时使得网站的数量和网路的通信量呈指数增长 已经广泛应用于电子政务 电子商务 远程教育与信息服务等领域 并有继续扩大的趋势 2 搜索引擎技术的发展搜索引擎是运行在WEB上的应用系统软件 是对网络上大量资源建立索引并提供检索服务的应用软件 3 博客技术的应用博客 blog 指以文章的形式在互联网上实现信息共享 是基于互联网的数字广播技术之一 五 互联网应用的发展 4 网络电视的应用网络电视 IPTV 通过宽带IP网络传输 可以实现与用户的互动点播 同时能够方便地将传统电视与WWW E MAIL等互联网结合起来 5 P2P技术的应用P2P网络中的每一台计算机既可以作为网络服务的使用者 又可以作为网络服务的提供者 六 无线网络的研究与应用 1 宽带无线接入技术与IEEE802 16标准IEEE802 16无线城域网标准 可提供2 155Mbps的带宽 宽带无线接入分为移动接入和固定接入 2 无线局域网与IEEE802 11标准IEEE802 11标准以微波 激光与红外线等作为传输介质 实现移动计算机网络中的移动结点的物理层与数据链路层的功能 3 蓝牙技术与IEEE802 15标准蓝牙技术是无线自组网的应用 IEEE802 15是以蓝牙规范为基础 制定的短距离 低功耗的无线通信标准 第二部分网络技术基础结束 第三部分局域网基础 本单元概览一 局域网与城域网的基本概念二 以太网三 高速局域网的工作原理四 交换式局域网与虚拟局域网五 无线局域网六 局域网互联与网桥的工作原理 一 局域网与城域网的基本概念 1 决定局域网与城域网的三要素局域网的发展设分迅速 将一个城市范围内的大量局域网互联起来又推动了城域网的发展 决定局域网与城域网特点的三要数是 网络拓扑结构传输介质介质访问控制方法 一 局域网与城域网的基本概念 2 局域网拓扑结构的类型与特点局域网与广域网的重要区别是覆盖的地理范围不同 因此其基本通信机制与广域网完全不同 局域网采用共享介质与交换方式 广域网采用存储转发 局域网在传输介质 介质访问控制方法上形成了自己的特点 其主要的网络拓扑结构分为 总线型 环型与星型 网络介质主要采用双绞线 同轴电缆与光纤等 一 局域网与城域网的基本概念 总线拓扑 介质访问控制方法 共享介质方式 优点 结构简单 容易实现 易于扩展 可靠性好 特点 所有结点都通过网卡连接到公共传输介质总线上总线通常采用双绞线或同轴电缆所有结点通过总线发送或接收数据由于多个结点共享介质 因此会有冲突出现 导致传输失败必须解决介质访问控制问题共享介质解决的3个问题 哪个结点发送数据 发送时是否有冲突 有冲突如何处理 一 局域网与城域网的基本概念 环型网络拓扑结构环型网络拓扑是结点间通过网卡利用点到点线路连接形成闭合的环型 环中的数据沿着同一个方向逐站传输 环型结构中 多个站点共享一条环通路 为了确定哪个结点可以发送数据 同样需要进行介质访问控制 环型结构通常采用分布式控制方法 环中每个结点都要执行发送和接收的控制逻辑 一 局域网与城域网的基本概念 3 传输介质类型和介质访问控制方法 局域网介质类型 同轴电缆 双绞线 光纤和无线通道 局域网介质访问控制方法 IEEE802 2标准定义了共享介质局域网有以下3类 带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 总线网令牌总线 tokenbus 总线网令牌环 tokenring 环型网 一 局域网与城域网的基本概念 4 IEEE802参考模型IEEE802 局域网标准委员会 专门从事局域网标准化工作 重点是解决局部范围内的计算机组网问题 研究者只需要面对OSI模型中数据链路层和物理层 网络层及以上高层不属于局域网协议的研究范围 局域网领域中有典型的三种技术 以太网 令牌总线和令牌环 数据链路层的功能复杂 设计者将链路层分为两部分 LLC 逻辑链路控制子层 和MAC 介质访问控制子层 解决方案 不同的局域网在LLC中必须使用相同的协议 LLC子层与传输介质和介质访问控制方法无关 在MAC子层和物理层中不同局域网可以采用不同协议 一 局域网与城域网的基本概念 5 IEEE802标准IEEE802标准规定了局域网中不同层次 数据链路层和物理层 中的标准 可简单分为3类 定义局域网的体系结构 网络互连 网络管理与性能测试的IEEE802 1定义逻辑链路控制 LLC 的功能与服务的IEEE802 2标准 定义不同介质访问控制技术的相关标准 如下图 二 以太网 1 以太网的发展1976年7月 Bob在ALOHA网络的基础上 提出总线型局域网的设计思想 并提出冲突检测 载波侦听与随机后退延迟算法 将这种局域网命名为以太网 Ethernet 以太网的核心技术是 介质访问控制方法CDMA CD 这种方法解决了多结点共享公用总线的问题 早期以太网的传输介质是同轴电缆 后用双绞线 再后用光纤 二 以太网 2 以太网的帧结构与工作流程 1 以太网数据发送流程冲突 多个站点同时利用总线发送数据 导致数据接收不正确 总线网没有控制中心 如果一个站点发送数据帧 以广播方式通过总线发送 每一个站点都能收到数据帧 其它站点也可以同时发送 因此冲突不可避免 实现公共传输介质的控制策略 需要解决的问题是 载波侦听 冲突检测 冲突后的处理方法 CSMA CD发送流程可简单概括为 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发 如下图 二 以太网 CSMA CD工作过程示意图 二 以太网 a 载波侦听结点利用总线发送数据时 首先侦听总线是否空闲 以太网规定发送数据采用曼彻斯特编码 判断总线是否空闲可以判断总线上是否有电平跳变 不发生跳变总线空闲 此时如果有结点已准备好发送数据 可以启动发送 b 冲突检测方法载波侦听不能完全消除冲突 原因是数字信号是以一定的速率传输的 例如 结点A发送数据帧时 离他1000m距离的结点在一定的时间延迟后才能收到数据帧 此时间段内如果B也发送数据 造成冲突 从物理层上看 冲突时多个信号叠加 导致波形不同于任何结点的波形信号 解决方案 结点A发送数据前 先发送侦听信号 如果侦听信号在最大距离传输时间2倍时 没有冲突信号出现 结点A肯定取得总线的访问权 冲突信号的延迟时间 2 D V其中 D是结点到最远结点的距离 V表示信号传输速度 信号往返的时间为延迟时间 进行冲突检测的方法有两种 比较法和编码违例法 比较法 将发送信号波形与从总线上接收的信号比较 如果不同说明有冲突 违例编码法 检查总线上的波形是否符合曼彻斯特编码规则 不符合说明有冲突 二 以太网 c 冲突解决方案发现冲突 停止发送如果发送数据的过程中检测出冲突 为解决信道争用冲突 发送结点停止发送 随机延迟后重发的流程 随机延迟后重发的第一步 发送冲突加强信号 目的是延续冲突的持续时间 使得网络中的所有结点都能检测出冲突的存在 并立即丢弃冲突帧 提高信道利用率 随机延迟重发以太网协议规定每帧的最大重发次数不得超过16次 若超过则认为线路故障 为公平解决信道争用问题 需要确定后退延迟算法 典型的CSMA CD采用二进制指数退避算法 退避延迟时间计算为 t 2k R a其中 a是冲突窗口大小 R是随机数 k为冲突次数 定义k的最大值 一旦k是最大值时是最后一次发送 每次的延迟时间都会根据公式求出 以太网中任何结点都需要通过CSMA CD方法争取总线使用权 从准备发送到成功发送时间不确定 因此又称为随机争用介质访问控制方法 简单易实现 二 以太网 2 以太网帧结构 PA 前同步码 10101010序列 用于使接收方与发送方同步SFD 帧首定界 10101011DA 目的MAC地址 SA 源MAC地址LEN 数据长度 数据部分的字节数 0 1500B Type 类型 高层协议标识LLCPDU pad 最少46字节 最多1500字节Pad 填充字段 保证帧长不少于64字节 若Data域 46字节 则无Pad FCS 帧校验序列 CRC 32 712 62 6246 15004字节 二 以太网 3 以太网接收流程如果一个结点利用总线成功发送数据 其它结点都应该处于接收状态 所有结点只要不发送数据 就应该处于接收状态 一个结点接收帧 首先判断帧的长度 规定了最小长度 若小与最小长度 冲突 丢弃该帧 结点重新进入接收状态 如果没有冲突 结点接收帧后首先检查帧的目的地址 目的地址单一地址或组地址或广播地址 属于自己则保留 否则丢弃 地址匹配后确认是自己应该接收的帧 进一步进行CRC校验 如果校验正确 则进一步检测LLC数据长度是否正确 出错则报告 帧长度错 否则报告 成功接收 进入结束状态 如果检验出错 首先判断该帧是否是8为的整数倍 是 表示没有丢失位 则记录 帧检验错 否则报告 帧位错 进入结束状态 以太网协议将接收出错分为3类 帧检验错 帧长度错与帧位错 二 以太网 3 以太网的实现方法 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据为决定那个站点接收 需要寻址机制来标识目的站点目的站点将该帧复制 其他站点则丢弃该帧 二 以太网 4 以网的物理地址 IEEE802标准为每个DTE规定了一个48位的全局地址 它是站点的全球唯一的标识符 与其物理位置无关 MAC地址 物理地址 MAC地址为6字节 48位 MAC地址的前3个字节 高24位 由IEEE统一分配给厂商 低24位由厂商分配给每一块网卡 网卡的MAC地址可以认为就是该网卡所在站点的MAC地址 三 高速局域网工作原理 1 高速局域网的研究方法传统局域网技术建立在 共享介质 的基础上 网中所有结点共享一条公共传输介质 典型的控制方法有 CSMA CD 令牌环和令牌总线 介质访问控制方法使得每个节点都能够 公平 使用公共传输介质 如果网络中结点数目增多 每个结点分配的带宽将越来越少 冲突和重发现象将大量增加 网络效率急剧下降 数据传输的延迟增长 网络服务质量下降 解决方案 1 增加公共线路的带宽 优点 仍然是局域网保护用户已有的投资 2 将大型局域网划分成若干个用网桥或路由连接的子网 优点 每个子网作为小型局域网 隔离子网间的通信量 提高网络的安全性 3 将共享介质改为交换介质优点 交换式局域网的设备是交换机 可以在多个端口之间建立多个并发连接 交换方式出现后 局域网分为 共享式和交换式局域网 三 高速局域网工作原理 2 快速以太网以太网采用相同的帧格式 同样的介质访问控制与组网方法 将速率从10Mbps提高10倍到100Mbps 解决方法只要在MAC子层使用CSMA CD 在物理层进行必要调整 定义新的物理层标准 形成快速以太网标准IEEE802 3u 100base T标准定义了介质独立接口 它将MAC子层与物理层隔开 传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层 100BASE T的有关传输介质标准主要有3种 1 100base TX 支持2对5类非屏蔽双绞线或2对1类屏蔽双绞线 其中1对用来发送 1对用来接收 是全双工系统 每个结点可同时以100Mbps发送和接收数据 2 100base T4 支持4对3类非屏蔽双绞线 其中3对用于数据传输 1对用于冲突检测 3 100base FX 支持2芯的单模或多模光纤 主要用于高速主干网 从结点到集线器的距离可达2km 是全双工系统 三 高速局域网工作原理 2 快速以太网以太网采用相同的帧格式 同样的介质访问控制与组网方法 将速率从10Mbps提高10倍到100Mbps 解决方法只要在MAC子层使用CSMA CD 在物理层进行必要调整 定义新的物理层标准 形成快速以太网标准IEEE802 3u 100base T标准定义了介质独立接口 它将MAC子层与物理层隔开 传输介质和信号编码方式的变化不会影响MAC子层 100BASE T的有关传输介质标准主要有3种 1 100base TX 支持2对5类非屏蔽双绞线或2对1类屏蔽双绞线 其中1对用来发送 1对用来接收 是全双工系统 每个结点可同时以100Mbps发送和接收数据 2 100base T4 支持4对3类非屏蔽双绞线 其中3对用于数据传输 1对用于冲突检测 3 100base FX 支持2芯的单模或多模光纤 主要用于高速主干网 从结点到集线器的距离可达2km 是全双工系统 三 高速局域网工作原理 3 千兆以太网在电视会议 三维图形与高清晰图像应用中 需要使用更高带宽的局域网 设想方案 1 桌面10M 部门采用快速以太网100M 企业级采用1G的千兆以太网 2 将现有网络连入到ATM网上 异构网络连接 IEEE802 3z标准定义了千兆网标准 方法 在物理层做一些必要调整 定义了1000BASE T标准 支持多种传输介质 4种标准 1 1000base T 5类非屏蔽双绞线 距离100m 2 1000base CX 屏蔽双绞线 长可到25m 3 1000base LX 使用波长1300nm的单模光纤 长可3000m 4 1000base SX 波长850nm的多模光纤 长可300 550m 延伸到万兆以太网 使用光纤做传输介质 不存在争用问题 不再使用CSMA CD协议 四 交换式局域网与虚拟局域网 1 交换式局域网的基本结构 1 交换机的基本概念交换机可以有多个端口 每个端口可以连接一个结点 也可连接共享介质的集线器 HUB 实现多个端口的并发连接和多个节点的并发传输 交换机通常针对某种局域网设计 交换式局域网的核心设备是局域网交换机 2 交换机的特点低交换延迟支持不同传输速率和工作模式 交换机端口支持不同的传输速率 交换机可完成不同端口速率之间转换 支持虚拟局域网服务 交换式局域网是虚拟局域网的基础 四 交换式局域网与虚拟局域网 2 局域网交换机的工作原理交换机需要建立端口号 MAC地址映射表 某台计算机发送数据时 利用帧的目的地址 通过映射表找到对应端口号 将数据从一个端口送到另一个端口 关键问题 1 交换机如何知道哪个结点连接哪个端口 2 当结点从交换机的一个端口转移到另一个端口时 交换机如何来修改地址映射表 交换机通过 地址学习 方法获得 地址学习 是指通过读取帧的源地址并记录交换机的端口号 在得到端口号与MAC地址的对应关系后 交换机检查端口号 MAC地址映射表是否存在对应关系 如果存在就更新该表项纪录 如果没有就加入到地址映射表中 交换机加入或更新端口号 MAC地址映射表时 加入或更新的表项增加一个计时器 当计时器溢出前没有再次捕捉到该端口与MAC的对应关系 将该表项删除 通过删除过时的表项 交换机维持一个精确的端口号 MAC地址映射表 四 交换式局域网与虚拟局域网 交换机的帧转发方式以太网交换机的帧转发方式包含3类 直通交换方式交换机只要接收帧并检测目的地址 就立即将该帧转发出去 不用判断是否出错 帧出错检测由结点完成 优点 交换延迟短 缺点 缺乏检错 不支持不同速率端口之间的帧转发 存储转发交换方式交换机需要完整接收帧并进行差错检测 优点 具有差错检测能力 并支持不同速率端口间的帧转发 缺点 交换延迟将会延长 改进直通交换方式结合上述两种方式 接收到前64B后 判断帧头是否正确 正确转发 对短帧而言 交换延迟同直通交换延迟 对长帧而言 因为只对帧头 地址和控制字段 检测 交换延迟将会减少 四 交换式局域网与虚拟局域网 四 交换式局域网与虚拟局域网 2 组网方法 4种 利用交换机端口号定义虚拟局域网 逻辑上将交换机端口划分为不同的虚拟子网 当某一端口属于一个虚拟网时 就不能属于另外一个虚拟子网 缺点 当将结点从一个端口转移到另一个端口时 管理者需要重新配置虚拟网成员 用MAC地址定义虚拟网络 利用MAC地址定义虚拟局域网 因为MAC地址是与物理相关的地址 因此称为基于用户的虚拟网 缺点 所有用户初始时必须配置到至少一个虚拟网 初始配置人工完成 随后可自动跟踪用户 用网络层地址定义虚拟网络 利用IP地址定义虚拟网 优点 用户可按协议类型组成虚拟网 可随意移动不需要重新配置 缺点 性能比较差 原因是检查网络层地址比检查MAC地址更费时 基于IP广播组的虚拟网络 基于IP广播组动态建立虚拟网 广播包发送时 动态建立虚拟网 广播组中的所有成员属于一个虚拟网 它们只是特定时间内特定广播组成员 优点 可根据服务灵活建立 可跨越路由器与广域网 四 交换式局域网与虚拟局域网 4 虚拟局域网优点 1 方便网络用户管理 减少网络管理开销通过虚拟局域网的设置可以在调整用户涉及结点位置变化时 不需要重新布线 2 提供更好的安全性针对不同的用户可以设置不同的权限和要求 虚拟网是一种简单 经济和安全的方法 3 改善网络服务质量虚拟网可以隔离不同的用户组 将同类的用户控制在一个虚拟局域网中 减少广播风暴的危害 有利于改善网络服务质量 五 无线局域网 1 无线局域网的应用体现在4个方面 扩充传统局域网某些特殊环境局域网起不到作用 利用无线解决 建筑物之间的互联邻近的建筑物之间可采用点到点的无线链路 漫游访问移动设备与无线集线器之间实现漫游访问 特殊无线网络的结构无线自组网采用一种不需要基站的 对等结构 移动通信模式 网络中的所有用户都可能移动 每个系统都具备动态搜索 定位和恢复连接的能力 五 无线局域网 2 红外无线局域网按视距方式传播 发送点必须能直接看到接收点 中间没有阻挡 数据传输技术主要有三种 定向光束红外传输 全方位红外传输与漫反射红外传输 五 无线局域网 3 扩频无线局域网扩频通信是将数据基带信号频谱扩展几倍或几十倍 以牺牲通信宽度为代价达到提高无线通信系统的抗干扰性与安全性 扩频技术主要有2种 调频扩频通信特点 将利用的频带分为多个子频带 子频带称为信道 每个信道带宽相同 中心频率有伪随机数发生器的随机数确定 变化频率叫跳跃系列 发送端和接收端采用相同的跳跃系列 直接序列扩频通信特点 将发送数据经过伪随机数发生器产生的伪随机码进行异或操作 再将异或操作的结果调制后发送所有接收结点使用相同频段发送端与接收端使用相同的伪随机码 五 无线局域网 4 无线局域网标准IEEE802 11标准规定物理层定义红外 跳频扩频与直接序列扩频的数据传输 MAC层的主要功能是对无线环境的访问控制 提供多个接入点的漫游支持 同时提供数据验证与保密服务 MAC层支持两种访问方式 无争用服务和争用服务 无争用服务 系统中存在中心控制结点 中心控制结点的具有点协调功能 争用服务 类似以太网的随机争用访问控制方式 称为分布协调功能 六 局域网互联与网桥的工作原理 1 网桥的工作原理当多个局域网互联时需要数据链路层的设备 网桥 作用是 数据接收 地址过滤与数据转发的作用 网桥的特点 互联两个采用不同链路层协议 传输介质与传输速率的网络接收 存储 地址过滤与转发的方式实现互联网络的通信需要在链路层以上采用相同协议分隔两个网络之间的广播通信 有利于改善网络的性能与安全性常见的情况下是网桥连接两个局域网 注意 网桥不更改接收帧的内容与格式 要求在MAC子层以上使用相同协议衡量网桥性能指标是每秒钟接收与转发的帧数网桥必须具有寻址能力和路由选择能力网桥连接的两个局域网的MAC子层和物理层的协议可不相同 六 局域网互联与网桥的工作原理 2 网桥的路由选择策略网桥通过路由表来实现不同网段之间的帧转发 网桥的中工作是构建和维护路由表 路由表是用于记录不同结点的物理地址与网桥转发端口的关系 按路由表建立方法分为两类 透明网桥与源路由网桥 透明网桥 透明网桥的路由表记录3个信息 站地址 端口与时间 路由表建立过程 网桥初始连入局域网时 路由表为空 当透明网桥收到一个帧时 它将记录源MAC地址 帧进入网桥的端口号和时间 然后将帧向所有其它端口转发 网桥在转发的过程中 逐渐建立路由表 源路由网桥 源路由网桥由发送帧的源结点负责路由选择 过程 为发现合适的路由 源结点以广播方式向目的结点发送一个用于探测的发现帧 发现帧在通过网桥连接的各个局域网中沿着所有可能的路由传送 传送过程中每个发现帧记录路由 到达目的地后 沿着各自的路由返回源结点 源结点从所有路由中选择一个最佳路由 六 局域网互联与网桥的工作原理 3 网桥与广播风暴广播风暴 当网桥的端口 结点地址表中没有结点地址信息时 网桥无法决定从哪个端口转发数据 简单方法是广播传输 但 盲目 广播使无用的通信量剧增 造成 广播风暴 网桥工作在链路层 网桥根据源地址与目的地址决定是否将接收和转发数据帧 网桥如果要转发必需存储一张端口 结点地址表 当结点在表中不存在时 容易形成广播风暴 六 局域网互联与网桥的工作原理 4 多端口网桥与第二层交换以太网交换机通过提供在多个端口之间的并发连接提高局域网性能 从工作角度看 以太网网桥与以太网交换机都工作在链路层 交换机可以看作是一个多端口的网桥 网桥一般采用接收 存储 地址过滤与帧转发交换机完成帧的转发交换机可以直接与计算机连接网桥不是直接连接计算机而是连接局域网由于交换机负责完成帧一级的交换 并工作在链路层 因此又被称为第二层交换机 目前很多交换机具有网桥和路由器的基本功能 第三部分局域网基础结束 第四部分服务器操作系统 本单元概览一 网络操作系统的特点 二 网络操作系统的类型与功能 三 windows网络操作系统 四 unix网络操作系统 五 linux网络操作系统 一 网络操作系统的特点 1 操作系统定义最靠近硬件的一层系统软件 是计算机与用户之间的接口 分为单机操作系统和网络操作系统 从两个方面说明操作系统 为应用程序提供运行环境 为用户提供简单方便的工作界面 管理计算机资源 使资源利用率更高 使上层的应用程序可以获得比硬件提供的功能更多的支持 操作系统的管理功能 进程管理 进程是指将执行的程序 内存管理文件管理设备I O 一 网络操作系统的特点 操作系统的组件 驱动程序 是最底层的 直接控制和监视各类硬件的部分内核 核心部分 负责提供基础性 结构性功能接口库 一系列特殊程序库 职责是将系统提供的服务包装成应用程序能够使用的应用编程接口 API 外围组件 以上3类外的其他部分 用于提供特定高级服务的组件 这些组件在操作系统中的不同布局形成了操作系统的几种结构 简单结构 如MS DOS内核结构 分为单内核 微内核 外核等 如 unix linux windows等为单内核 网络操作系统除具有单机操作系统功能 进程 文件 内存 I O设备 外 还具有网络通信 并提供网络服务功能的操作系统 二 网络操作系统的类型与功能 1 网络操作系统的分类专用的NOS 为某种特定网络应用要求而设计的通用NOS 提供基本的网络服务功能 满足用户各个领域的需要 通用性NOS分为 变形级系统 在单机OS基础上 通过增加网络功能构成的基础级系统 以硬件为基础的 根据网络服务的要求 专门设计的网络OS 二 网络操作系统的类型与功能 2 网络操作系统的功能文件服务 以集中方式管理共享文件打印服务 网络打印服务数据库服务 依照C S工作模式 通过客户端向数据库服务器发送查找请求通信服务 客户机与客户机之间的对等通信 客户机与服务器之间的通信服务信息服务 局域网可以通过存储转发或对等方式完成电子邮件服务分布式服务 将分布在不同地理位置的网络中的资源 组织在全局性的 可复制的分布数据库中网络管理服务 提供网络性能分析 网络状态监控 存储管