计算机网络技术ppt课件 (7).ppt

1 第一节数据通信的基本概念 一 数据数据是传递信息的实体 通信的目的是交换数据 数据的表现形式可以是数字 文字 语音 图形或图像等 为了传送这些数据 首先要将字母 数字 语音 图形或图像用二进制代码的数据来表示 为了传输二进制代码的数据 必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母 数字 符号的二进制代码0 1比特序列的模拟或数字信号的过程 数据可分为 模拟数据 数字数据 模拟数据是在某个区间内连续的值 如 声音 视频是强度连续改变的波形 数字数据则是离散的值 如 整数 2 二 信号信号是数据的电磁或电子的编码 在通信中 数据变成可在传输介质上传送的信号来发送 它有两种形式 模拟信号和数字信号 模拟信号 连续变化的电磁波 用电信号模拟原有信息 数字信号 一系列的电脉冲 直接用两种电平表示二进制的1和0 3 二 模拟数据和数字数据通信 电话 模拟数据 声波 模拟信号 调制解调 数字数据 模拟信号 编码译码器 模拟数据 数字信号 编码 数字数据 数字信号 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示和传输 4 1 模拟数据的模拟信号表示一般情况下 模拟数据是时间的函数 并占有一定的频谱范围 这种数据可以直接用占有相同频谱范围的电磁波信号来表示 如 声音数据 频率在20 20KHz 声音信号的标准频率范围为300 3400Hz 在该范围内 可以十分清晰地传播声音 电话设备就是按照此标准运行的 5 2 数字数据的模拟信号表示数字数据也可以用模拟信号表示 要用调制解调器 MODEM 把二进制信号调制成音频信号 模拟信号 在音频范围内选某一频率的正弦信号 称为载波 将数字数据分别对载波的振幅 频率 相位进行控制 使数字数据 寄载 在载波上去 然后将携带数字数据的载波在信道上传送 到达接收端后 再将数字数据从已调波中取出 提供给接收设备 将数字寄载到载波上的过程为调制 从已调波中取出数字数据的过程为解调 实现这两个过程的设备称为调制解调器 6 根据载波Asin t 的三个特性 幅度 频率 相位 产生常用的三种调制技术 幅移键控法Amplitude shiftkeying ASK 频移键控法Frequency shiftkeying FSK 相移键控法Phase shiftkeying PSK 数字信号与模拟信号的转换 7 3 数字数据的数字信号表示数字数据也可以由数字信号来表示 即用二进制形式的数字脉冲信号来表示 为了改变其传播特性 这些脉冲可以有许多不同的编码格式 常见的编码格式有三种 不归零编码 NZR 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 局域网中常采用后两种编码方式 8 4 模拟数据的数字信号表示模拟数据也可以用数字信号来表示 可以通过一个编码译码器进行数字化转换 编码译码器将接收到的直接表示声音数据的模拟信号进行数字化转换 用二进制位流来近似表示该信号 而线路的另一端编码译码器再将二进制位流重新构造为模拟数据 将模拟数据编码为数字信号的最常见方法是脉冲编码调制 它以采样定理为基础 采样频率为有效信号最高频率的两倍 模拟信号数字化转换过程 取样 电平量化 编码 声音数据最大为 4000Hz 8000次的采样就能满足表示声音信号的频率 9 模拟传输是用模拟信号传输的 长距离传输接放大器 数字传输是用数字信号传输的 长距离传输使用中继器 中继器的引入不会产生累积误差 数字信号失真小 误码率低 保密性强 速率高的优点 数字传输是今后数据通信发展的方向 开放系统互连参考模型 OpenSystemInterconnection 简称OSI 数据终端设备 DTE 和数据通讯设备 DCE 高级数据链路控制规程HDLC 10 协议 控制报文的收发e g TCP IP HTTP FTP PPP因特网 万网之网 松散的层次结构公共的Internet 因特网 vs 专有的intranet 内联网 因特网标准RFC RequestforcommentsIETF InternetEngineeringTaskForce 因特网工程部 协议定义网络实体之间信息收发的格式和顺序 以及信息发送和接收后所需采取的动作 语法 语义 同步或规则 ISO提出的工厂自动化参考模型 公司层 工厂层 车间层 单元层 工作站层 设备层 国家信息基础设施 NationalInformationInfrastructure NII 公用计算机互联网ChinaNET中国教育科研网CERNET中国科学技术网CSTNet国家公用经济信息通信网络 金桥网 CHINAGBN 综合业务数据网ISDN 11 一 计算机网络的基本组成 计算机网络主要由主机系统 终端系统 通信控制处理机和通信设备经通信线路连接组成 1 主机 HOST 主机是计算机网络中承担数据处理的计算机系统 可以是微型机 小型机 中型机或大型机系统 也可以是多机系统 是计算机网络的重要资源 2 终端终端是用户进行网络操作时使用的设备 是计算机网络面向用户的窗口 终端的种类很多 常用的有交互式终端 批处理终端 智能终端以及虚拟终端等 12 3 通信控制处理机 CCP 通信控制处理机也称结点计算机 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 如线路传输控制 差错控制 代码转换 报文的分组与重装 路径选择和流量控制等 4 通信设备是数据传输设备 包括集中器 信号变换器 多路复用器等 5 通信线路通信线路用来连接上述组成部分 通信线路可采用双绞线 同轴电缆和光纤等有线通信线路 也可采用微波 通行卫星等无线通信线路 13 二 网络的拓扑结构 计算机网络的拓扑结构 是指网络中的通信线路和结点间的几何排序 并以表示网络的整体结构外貌 同时也反映了各个模块之间的结构关系 计算机网络的拓扑结构按通信系统的传输方式可分成两大类 点对点传输结构 广播传输结构 一 点对点传输结构就是存储转发传输 它以点到点的连接方式 把各个模块的通信控制处理机连接起来 形成特定的信息传输网 网络的拓扑结构有星型 环型 树型和网状型 见下图 14 一 点对点传输结构 就是存储转发传输 它以点到点的连接方式 把各个模块的通信控制处理机连接起来 形成特定的信息传输网 网络的拓扑结构有星型总线型环型树型评价标准1 可靠性 2 费用 3 灵活性 4 响应时间和吞吐量 15 二 广播式传输结构是用一个共同的传输介质 把各个结点连接起来 这样任何一个结点向网络系统发送信息时 网络中的所有结点均可以接收到 广播式传输结构主要有 1 总线型结构就是将各个结点设备用一根公共总线连接起来 其中任一结点的信息都可以沿着总线传输 它的传输方向是从发送点向两端扩散 可以被总线上的任一结点所接收 缺点 总线负载能力有限 连接的结点数有限 信息容易发生冲突和碰撞 实时性较差 优点 结构简单 扩展方便 可靠性高 16 2 卫星或地面无线网络卫星和微波通信是采用无线电波传输的 因此就无所谓网络的构形 也可以看作是一种任意形或无约束的网状结构 一般用于组成广域网和全球网 17 四 多路复用 DivisionMultiplexing 技术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 可以大大节省电缆的安装和维护费用 最常用的多路复用技术是 频分多路复用FDM 波分多路复用WDM 时分多路复用TDM 1 频分多路复用FDMFrequencyDivisionMultiplexing在物理信道的带宽超过单个传输信号的带宽时 将物理信道的总带宽划分成若干条占有一定带宽的子信道 每个子信道传输一路信号 这就是频分多路复用 字信道的带宽可以不同 用于传输数据 语音 图象等数据 18 2 时分多路复用TDMTimeDivisionMultiplexing将一个物理信道按时间分成若干时间片轮换地给多个信号使用 专用于某个信号源的时间片序列称为该信道的逻辑信道 一个时间片周期 每个信号源一个 称为一帧 在其占有的时间片内 用户使用通信信道的全部带宽 3 波分多路复用WDMWaveDivisionMultiplexing光纤通道 fiberopticchannel 技术采用复用器 合波器 和分用器 分波器 改变光的波长来实现分隔多路复用方法 简称为波分复用WDM 19 2 串行传送与并行传送并行传送 一次同时传送一个字节 也就是将一个字节所包含的几个比特位同时在线路上进行传送 速率高 需要几条传输线 费用高 用于近距离传输 如 计算机的并行打印口 串行传送 一位一位地传送 到达对方后 再有接收装置将串行比特流还原成字符 虽然速度低 但接收和发送端之间只需要一根传输线 造价低 计算机网络中普遍采用这种传输方式 20 1 异步传输 字符同步 又称起止式同步 在这种方式中 每次传送一个字符 都在每个字符码前加一个起始位 逻辑0表示 以表示该字符代码的开始 在字符代码和校验码后面加一个停止位 以逻辑1表示 以表示该字符代码结束 在这种方式中 每个字符的传输需要 1个起始位 5 8个数据位 1 1 5或2个停止位异步通信的优缺点 频率的漂移不会积累 每个字符开始时都会重新获得同步 每两个字符之间的间隔时间不固定 增加了辅助位 所以传输效率低 21 2 同步传输是一种更有效的通信方式 在这种方式中 字符或位串的传输无需附加起始位和停止位 事先能够知道每一位的发送和到达时间 位同步 目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步 2种同步方法 一种方式增加一条单独的时钟线 如非归零编码 另一种方式使用自同步编码 如曼彻斯特编码 帧同步 数据链路中的传输单位 包含数据和控制信息的数据块面向字符的 以同步字符 SYN 16H 来标识一个帧的开始 适用于数据为字符类型的帧 面向比特的 以特殊位序列 7EH 即01111110 来标识一个帧的开始 适用于任意数据类型的帧 22 差错控制的基本方法 接收方进行差错检测 并向发送方应答 告知是否正确接收 差错控制技术自动请求重传AutomaticRepeatRequest ARQ 停等ARQ每发送一帧就需要一个应答帧只重传刚才出错的帧选择重传ARQ每发送N帧需要一个应答帧只重传出错的帧 23 差错控制编码 检错码和纠错码纠错码在计算机通信中很少使用检错码主要有两种编码方法 奇偶校验 ParityChecking 可以在两个级别上实现 在原始数据字节的最高位 或最低位 增加一个奇偶校验位 使结果中1的个数为奇数 奇校验 或偶数 偶校验 例如 1100010增加偶校验位后为11100010若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确 就可以知道传输中发生了错误 在通信过程中实现 在发送时增加奇偶校验位 只能检测出奇数个位错 偶数个位错则不能检出 24 循环冗余校验 CRC CyclicRedundancyCheck 差错检测原理 收发双方约定一个生成多项式G x 发送方根据发送的数据和G x 计算出CRC校验和并把它加在数据的末尾 接收方则用G x 去除接收到的数据 若有余数 则传输有错 校验和是16位或32位的位串 CRC校验的关键是如何计算校验和 25 什么是交换 按某种方式动态地分配传输线路资源 为什么要采用交换技术 节省线路投资 提高线路利用率 实现交换的方法主要有 线路交换 报文交换和分组交换 一 线路交换在线路交换中 通过网络结点在工作站之间建立专用通信通道 即在两个工作站之间具有实际的物理连接 优点 通信实时性强 适用于交互式会话类通信 缺点 对突发性通信不适应 系统效率低 系统不具有存储数据的能力 26 二 报文交换报文交换又称报文转换 在这种工作方式中 两个工作站之间无须建立专用通道 用户把需要传输的数据分割成一定大小的报文 以报文为单位 信息的逻辑单位 在网络中传输 优缺点 没有建立和拆除连接所需的等待时间 线路利用率高 传输可靠性较高 报文大小不一 造成存储管理复杂 大报文造成存储转发的延时过长 且对存储容量要求较高 出错后整个报文全部重发 27 三 分组交换将报文分割成若干个大小相等的分组 Packet 进行存储转发 优缺点 由于分组长度较短 在传输出错时 仅重发出错的分组 检错容易并且重发花费的时间较少 效率高 限定分组最大数据长度 有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率 转发延时小 速度快 适用于交互式通信 各分组可通过不同路径传输 容错性好 需要分割报文和重组报文 增加了端站点的负担 分组交换技术在数据网络中得到了广泛应用 现有的公众数据网一般都采用分组交换技术 28 物理层接口及其协议 1 物理层的定义ISO OSI关于物理层的定义 物理层提供机械的 电气的 功能的和规程的特性 目的是启动 维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接 当然也包括对传输媒介的定义 2 物理层的功能在两个网络设备之间提供透明的比特流传输 3 物理层的四个重要特性机械特性 MechanicalCharacteristics 电气特性 ElectricalCharacteristics 功能特性 FunctionalCharacteristics 规程特性 ProceduralCharacteristics 29 数据链路层 功能 在数据链路上传输以帧为单位的数据单元 采用差错控制 流量控制方法 使有差错的物理线路变成一条无差错的数据链路 网络层 网络层的基本工作是接收来自源机的报文 把它转换成报文分组 包 而后送到指定目标机 报文分组在源机与目标机之间建立起的网络连接上传输 作用 在数据发送中实现路由选择 流量控制 阻塞控制和网际互连应用 表示 会话 传输 网络 链路 物理 30 网络设备在OSI体系中的位置 网络设备的功能层次 31 组成一个LAN的硬件包括以下几部分 网络服务器 网络工作站 网络接口卡 传输介质 网络连接设备及附属设备等 网络互连设备 1 中继器 Repeater 集线器 Hub 2 网桥 Bridge 3 路由器 Router 要连互联网必须提供下面的信息 1 IP地址2 子网掩3 网关IP ISDN IntegratedServicesDigitalNetwork 综合业务数字网 AsymmetricDigitalSubscriberLoop 不对称数字用户服务线 通信控制处理机 CCP 32 双绞线优缺点 成本低组装密度高 节省空间安装容易 综合布线系统 平衡传输抗干扰性一般连接距离短 100m 白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕 光纤 OpticalFiber 依靠光波承载数据 光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点 传输带宽高 仅受光电转换器件的限制 100Gb s 传输损耗小 适合长距离传输抗干扰性能极好 误码率低 保密性好轻便价格较高同轴电缆需要光电转换 无线介质 信号在大气或外层空间自由传播 使用电磁波或光波携带信息优缺点 无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射 为障碍物所阻隔主要类型 无线电 地面微波通信卫星红外线 网络协议Protocol 为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定的集合 协议的关键成分为 1 语法 包括数据格式 编码 信号电平等 2 语义 包括用于协调和差错处理的控制信息 3 定时 包括速度匹配和排序 33 二 局域网络的访问控制方式 1 冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD CSMA CD是用争用的方法来决定对媒体的访问权 而这种争用协议一般用于总线网 它的工作原理是 当某一结点要发送信息时 首先要侦听网络中有无其它结点正发送信息 若没有则立即发送 否则该结点等待一段时间 再侦听 直到信道空闲 开始发送 需要有一种退避算法来决定退让时间 常用的有三种算法 1 非坚持CSMA 2 坚持CSMA 3 坚持协议 34 2 令牌环 TokenRing 它仅用于环形网结构 网中只设一张令牌 令牌是控制标志 只有获得令牌的结点才能发送信息 发送完后 令牌又传给相邻的另一个结点 令牌环的主要优点优点是能提供可调整的访问控制方式 能提供优先权服务 有较强的实时性 调节的方法可以是通过允许各站在其收到令牌时传输不同量的数据 或者是通过设定优先权 使具有较高优先权的站优先得到令牌的权利 令牌环的主要缺点是需要令牌操作 控制电路比较复杂 35 3 令牌总线 TokenBus 它主要用于总线形和树形网络结构中 它把总线或树形传输介质上的各个结点形成一个逻辑环 即人为地给各结点规定一个顺序 逻辑环中的控制方式类同于令牌环 它的优点是 l吞吐能力大 吞吐量随数据传输速率的提高而增加 l控制功能不随电缆线长度的增加而减弱 l具有一定的实时性 36 类别网络号 占位数主机号 占位数A1 126 80 2550 2551 254 24B128 1910 255 160 2551 254 16C192 2230 2550 255 241 254 8 A 大型网B 地区网中心中国教育网 华东网管中心C 地区网南航 37 第二节局域网络技术 一 局域网络的拓扑结构 1 总线形结构用一条称为公共总线的中央主电缆 将各结点经过通信线路连接起来的布局方式称为总线形拓扑 总线形结构网络的特点是 结构简单灵活 非常便于扩充 可靠性高 网络响应速度快 设备少 价格低 安装使用方便 共享资源能力强 便于广播式工作 如微机局域网 2 环形结构环形网中各结点通过环接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线中 它的特点是 信息在环网中沿固定方向流动 简化了路径选择 当某个结点故障时 可采用旁路的方法 提高可靠性 如FDDI 38 3 星形结构是以中央结点为中心与各结点连接组成的 各结点与中心结点通过点到点的方式连接 星形结构网络的特点是 网络结构简单 便于管理 控制简单 建网容易 网络延迟时间短 传输误码率低 但网络中央结点负荷重 工作复杂 网络可靠性低 一旦中央结点故障 全网瘫痪 网络共享能力差 通信线路都是专用线路 利用率不高 如CBX 4 树形结构树形结构是总线形结构的扩展 它是在总线形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 它是一种分层结构 适用于分级管理和控制系统 其主要特点是 线路长度较短 连网成本低 易于维护和扩展 结构复杂 一个分支故障 不影响另一个分支 也属于广播式网络 在实际建网时 其拓扑结构不一定是单一的 通常是这四种拓扑结构的综合利用 39 四 网络互连设备网络互连设备主要是指那些具有协议转换和地址映射功能的设备 常