《计算机网络技术与应用》.ppt

计算机网络技术与应用 第1章 计算机网络技术与应用 本课程知识结构 第2章 第3章 第5章 第6章 第7章 第9章 第4章 第8章 第1章计算机网络概述 1 1计算机网络的定义与组成 1 1 1计算机网络的定义 将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的多台计算机 终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来 由网络操作系统管理 能相互通信和资源共享的系统 第1章计算机网络概述 1 1 2计算机网络的组成 1 计算机网络的逻辑功能 计算机网络具有网络通信和资源共享两种功能 从而可将计算机网络看成一个两级网络 即内层的通信子网和外层的资源子网 如图所示 第1章计算机网络概述 1 1 2计算机网络的组成 1 资源子网 资源子网主要由联网的主机 终端 外部设备 网络协议及网络软件等组成 主要任务是为用户提供网络访问和资源共享等服务 2 通信子网 通信子网主要由通信线路 即传输介质 网络连接设备 如分组交换设备PSE 分组装配 拆卸设备PAD 网络协议和通信软件等组成 主要的任务是连接网络中的各个计算机和外部设备 实现网络通信功能 包括数据的加工 变换 传输和交换等通信处理工作 即将一台主机的信息传送给另一台主机 第1章计算机网络概述 1 1 2计算机网络的组成 2 计算机网络的资源结构组成 计算机网络系统是由通信子网和资源子网组成的 而网络硬件系统和网络软件系统是网络系统赖以存在的基础 网络类型对网络硬件的选择起决定性作用 而网络软件则是挖掘网络潜力的工具 1 网络硬件 网络硬件是计算机网络系统的物质基础 要构成一个计算机网络系统 首先要将计算机及其外部设备与网络中的其他计算机连接起来 2 网络软件 由于网络中的每个用户都可以共享系统中的各种资源 所以网络需要对用户进行控制 否则会造成系统混乱 信息破坏或丢失 为了协调网络资源 系统需要对网络资源进行统一的管理 调度和分配 并采取一系列的安全保密措施 防止用户非法访问 以防数据和信息的破坏或丢失 第1章计算机网络概述 1 2计算机网络的功能和应用 1 2 1计算机网络的功能 1 资源共享2 数据传输3 集中管理4 分布处理5 负载平衡6 提高安全与可靠性 第1章计算机网络概述 1 2 2计算机网络的应用 1 网络在科研和教育中的应用2 网络在企事业单位中的应用3 网络在商业领域的应用4 网络在家庭生活中的应用 第1章计算机网络概述 1 3 1按网络的工作方式分类 1 3计算机网络的分类 1 集中式网络 集中式网络的处理控制功能高度集中在一个或少数几个结点上 所有的信息流都必须经过这些结点 这种网络常用在小型局域网或内部专用网 如Novell网络 2 分布式网络 分布式网络中的任一结点都至少和另外两个结点相连接 信息从一个结点到达另一结点可能有多条路径 如Internet就是全球最大的分布式计算机网络 第1章计算机网络概述 1 3 2按网络的覆盖范围分类 1 广域网 广域网 wideareanetwork WAN 也称远程网 它所覆盖的地理范围从几十千米到几千千米 可以跨越辽阔的地理区域进行长距离的信息传输 所覆盖的地理范围可以是一个城市 一个国家 甚至是全球 2 城域网 城域网 metropolitanareanetwork MAN 的覆盖范围介于广域网和局域网之间 是一个城市或地区组建的网络 作用范围一般为几十千米 3 局域网 局域网 localareanetwork LAN 是由单位或部门组建的小型网络 一般局限在一座建筑物或一片园区内 其覆盖范围通常为几十米至几千米 第1章计算机网络概述 1 3 3按网络的传输技术分类 1 广播式网络 所谓广播式网络 broadcastnetwork 是指网络中的所有计算机共享一条通信信道 广播式网络在通信时具备两个特点 一是任何一台计算机发出的消息都能够被其他连接到这条总线上的计算机收到 二是任何时间内只允许一个结点使用信道 2 点到点网络 点到点网络 point to pointnetwork 是由一对对计算机之间的多条连接所构成的 为了能使信息从源地到达目的地 这种网络上的分组可能通过一台或多台中间设备 通常是多条路径 并且可能长度不一样 简单地说 点对点网络就是通过中间设备将信息直接发送到需要接收的计算机 其他计算机却收不到这个消息 第1章计算机网络概述 1 3 4按网络的拓扑结构分类 1 总线型拓扑结构 总线型拓扑结构是将网络中的所有设备都通过一根公共总线连接 通信时信息沿总线进行广播式传送 如图所示 第1章计算机网络概述 1 3 4按网络的拓扑结构分类 2 环型拓扑结构 在环型拓扑结构中 所有设备连接成环 信息是沿着环采用广播方式传送的 如图所示 在环型拓扑结构中每一台设备只能和相邻结点直接通信 与其他结点通信时 信息必须依次经过两者间的每一个结点 第1章计算机网络概述 1 3 4按网络的拓扑结构分类 3 星型拓扑结构 星型拓扑结构是由一个中央结点和若干从结点组成 如图所示 中央结点可以与从结点直接通信 而从结点之间的通信必须经过中央结点转发 第1章计算机网络概述 1 3 4按网络的拓扑结构分类 4 网状拓扑结构 网状拓扑结构分为一般网状拓扑结构 如下左图所示 和全连接网状拓扑结构 如下右图所示 两种 一般网状拓扑结构中每个结点至少与其他两个结点直接相连 全连接网状拓扑结构中的每个结点都与其他所有结点由通信线路连接 第2章数据通信基础 2 1 1数据通信基本概念 2 1数据通信基础知识 1 数据通信中的常用专业术语 1 信息 information 信息是对客观事物的属性和相互联系特性的表现 它反映了客观事物的存在形式或运动状态 2 数据 data 数据是一组有意义的实体 它是信息的载体 是信息的表现形式 3 信号 signal 信号是数据的物理量编码 通常为电磁编码 数据以电磁信号的形式在通信介质上传播 4 信源 informationsource 通信过程中产生和发送信息的设备 5 信宿 informationsink 通信过程中接收和处理信息的设备 6 信道 channel 信源和信宿之间的通信线路 7 码元 codecell 在数据通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字 这样的时间间隔内的信号称为二进制码元 而这个间隔被称为码元长度 第2章数据通信基础 2 1 1数据通信基本概念 2 信号的类型及表示方式 1 模拟信号和数字信号 按编码机制的不同 信号可以分为模拟信号和数字信号 1 模拟信号 analogsignal 模拟信号是连续变化的电磁波 其取值可以有无限多个 是某种物理量的测量结果 这种信号可以以不同频率在各种通信介质上传输 2 数字信号 digitalsignal 数字信号是一系列离散的电磁脉冲 可以使用恒定的正负电压值表示二进制数1和0 这种电磁脉冲可以按不同的数据传输速率 b s 在通信介质上传输 第2章数据通信基础 2 1 1数据通信基本概念 2 模拟信号和数字信号的表示 模拟信号和数字信号可通过参量 幅度 来表示 如图2所示 第2章数据通信基础 2 1 1数据通信基本概念 3 数据的类型及表示方式 数据可以分为模拟数据和数字数据两种 1 模拟数据和数字数据 1 模拟数据 指在某个区间内连续变化的数据 如声音 温度和压力都是模拟数据 2 数字数据 指离散的数据 它使用一系列符号表示信息 而每个符号只能取有限的特定值 如文本和整数 第2章数据通信基础 2 1 1数据通信基本概念 2 模拟数据和数字数据的表示 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示 因而无论信源产生的是模拟数据还是数字数据 在传输过程中都可以使用适合于其信道传输的某种信号形式进行传输 如图所示 第2章数据通信基础 2 1 2数据通信系统模型 数据通信系统是通过数据电路设备 DCE 将远端的数据终端设备 DTE 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 数据电路设备 计算机系统三部分组成 如图所示 第2章数据通信基础 2 1 2数据通信系统模型 一个理想的数据通信系统模型要具备三要素 即信源 信道和信宿 如下 a 图所示 而一个现实的通信系统通常由信源 信道 信宿以及噪声组成 如下 b 图所示 第2章数据通信基础 2 1 3数据通信系统的性能指标 1 传输速率 传输速率是指在单位时间内传输的信息量 传输速率分为两种 数据传输速率和码元传输速率 1 数据传输速率 数据传输速率 Rb 简称传输率 又称数据速率 比特率 它表示单位时间 每秒 内传输实际信息的比特数 单位为比特 秒 记为bit s b s bps 比特在信息理论中作为信息量的度量单位 一般在数据通信中 如果使用1和0的概率是相同的 则每个1和0就是一个比特的信息量 如果一个数据通信系统每秒传输9600bit 则它的传输率Rb 9600b s 2 码元传输速率 码元传输速率 RB 简称传码率 又称符号速率 码元速率 波特率 调制速率 它表示单位时间内 每秒 信道上实际传输码元的个数 单位是波特 Baud 常用符号B来表示 第2章数据通信基础 2 1 3数据通信系统的性能指标 3 码元传输速率与数据传输速率之间的关系 码元传输速率仅仅表示单位时间内传送的码元数目 码元传输速率没有限定这段时间内的码元应具有的信号状态数 而码元信号状态数决定了一个码元所携带的二进制数据量 如码元状态数为2 则它携带1位二进制数据 码元状态数为4 则它携带2位二进制数据 所以计算数据传输速率时 必须要考虑一个码元所携带的二进制信息量 第2章数据通信基础 2 1 3数据通信系统的性能指标 2 信道带宽 带宽 bandwidth 通常指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频带宽度 通常称为信道的通频带 对于模拟信号而言 带宽又称为频宽 带宽的单位是赫兹 Hz 信道带宽是由信道的物理特性所决定的 例如 电话线路的频率范围为300 3400Hz 则它的带宽为300 3400Hz 第2章数据通信基础 2 1 3数据通信系统的性能指标 3 信噪比 信号在传输过程中不可避免地要受到噪声的影响 信噪比是用来描述在此过程中信号受噪声影响程度的量 它是衡量传输系统性能的重要指标之一 信噪比通常是指某一点上的信号功率与噪声功率之比 可用下面的公式表示信噪比 第2章数据通信基础 2 1 3数据通信系统的性能指标 误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标 它定义为二进制数据传输时出错的概率 假设传输的二进制数据总数为N位 其中出错的位数为Ne 则误码率表示为 第2章数据通信基础 2 1 4数据传输方式 1 并行通信方式 并行通信传输中有多个数据位 同时在两个设备之间传输 发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备 还可附加一位数据校验位 接收设备可同时接收到这些数据 不需要做任何变换就可直接使用 并行通信方式的示意图如图所示 第2章数据通信基础 2 1 4数据传输方式 2 串行通信方式 采用串行通信方式传输数据时 数据是一位一位地在通信线路上传输的 先由具有几位总线的计算机内的发送设备 将几位并行数据经并 串转换设备转换成串行方式 再逐位经传输线路到达接收站的设备中 并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式 以供接收方使用 串行通信方式的示意图如图所示 第2章数据通信基础 2 1 4数据传输方式 3 串行通信的方向性结构串行数据通信的方向性结构有3种 即单工 simplexmode 半双工 half duplexmode 和全双工 full duplexmode 如图所示 第2章数据通信基础 2 2 1电路交换 2 2数据交换技术 1 电路交换的3个过程 第2章数据通信基础 2 2 1电路交换 2 电路交换技术的优缺点 1 优点 电路交换技术的优点是 数据传输可靠 迅速 数据不会丢失且保持原来的序列 2 缺点 电路交换技术的缺点是 在数据传送之前必须先建立一条专用通道 在通道拆除之前 一直由一对用户完全占用 对于猝发式的通信 交换效率不高 因此 该技术适用于系统间要求高质量传输大量数据的情况 第2章数据通信基础 2 2 2报文交换 每个结点在收到整个报文并检查无误后 就暂存该报文 然后利用路由信息找出下一个结点的地址 再把整个报文传送给下一个结点 因此 端与端之间无须预先通过呼叫建立连接 一个报文在每个结点的延迟时间等于接收报文所需的时间与向下一个结点转发所需的排队延迟时间之和 报文交换时序图如图所示 第2章数据通信基础 2 2 2报文交换 2 报文交换的优点 1 报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路 不存在连接建立延时 用户可随时发送报文 2 由于报文交换技术采用 存储 转发 的传输方式 在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施 加之交换结点还具有路径选择功能 就可以做到某条传输路径发生故障时 重新选择另一条路径传输数据 提高了传输的可靠性 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配 甚至收发双方可以不同时处于可用状态 这样就便于类型 规格和速度不同的计算机之间进行通信 提供多目标服务 即一个报文可以同时发送到多个目的地址 这在电路交换中是很难实现的 允许建立数据传输的优先级 使优先级高的报文优先交换 3 通信双方不是固定占有一条通信线路 而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路 因而大大提高了通信线路的利用率 第2章数据通信基础 2 2 2报文交换 3 报文交换的缺点 1 数据进入交换结点后要经历 存储 转发 这一过程 从而引起转发延时 包括接收报文 检验正确性 排队 发送时间等 而且网络的通信量越大 造成的延时就越大 因此 报文交换的实时性差 不适合传送实时或交互式业务的数据 2 报文交换只适用于数字信号 3 由于报文长度没有限制 而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文 当输出线路不空闲时 还可能要存储几个完整报文等待转发 要求网络中每个结点有较大的缓冲区 第2章数据通信基础 2 2 3分组交换 第2章数据通信基础 2 2 3分组交换 1 虚电路分组交换 在虚电路分组交换 virtualcircuitpacketswitching 中 为了进行数据传输 网络的源结点和目的结点之间要先建一条逻辑通路 每个分组除了包含数据外 还包含一个虚电路标识符 用于标识这个虚电路 在虚电路分组交换方式中 数据传输过程与电路交换方式类似 也是分成3个阶段 建立连接 数据传输和拆除连接 第2章数据通信基础 2 2 3分组交换 2 数据报分组交换 数据报分组交换与报文交换类似 只不过是把报文分成若干组 分组的长度由网络决定 在数据报分组交换中 每个分组的传送是单独进行处理的 每个分组称为一个数据报 每个数据报自身携带足够的地址信息 一个结点收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和结点所储存的路由信息 找出一个合适的路由 把数据报直接发送到下一结点 第2章数据通信基础 2 2 4三种交换技术的比较 不同的交换技术应用于不同的场合 总结如下 1 数据报分组交换适用于短报文交换 虚电路分组交换适用于长报文交换 2 两结点间的负载较重且持续时间较长时 租用线路 采取线路交换的方式是很合算的 3 在交互性要求较高的场合下 报文交换是不合适的 4 分组交换技术在局域网和公用数据网中都有很多应用 第2章数据通信基础 2 2 4三种交换技术的比较 三种数据交换技术总结如下 1 电路交换 在数据传送之前需建立一条物理通路 在线路被释放之前 该通路将一直被一对用户完全占有 2 报文交换 报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式 在传送报文时 只占用一段通路 在交换结点中需要缓冲存储 报文需要排队 因此 这种方式不满足实时通信的要求 3 分组交换 此方式与报文交换类似 但报文被分成组传送 并规定了分组的最大长度 到达目的地后需重新将分组组装成报文 第2章数据通信基础 2 2 4三种交换技术的比较 三种交换方式的比较如图所示 第2章数据通信基础 2 3 1数字数据的模拟信号编码 2 3数据编码与同步 为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信 必须将发送端的数字信号转换成能够在公共电话网上传输的音频信号 经传输后再在接收端将音频信号逆转换成对应的数字信号 实现数字信号与模拟信号相互转换的设备称做调制解调器 modem 调制解调器在远程通信系统中的应用如图所示 第2章数据通信基础 2 3 1数字数据的模拟信号编码 1 数字调制的基本形式 数字调制的3种基本形式为移幅键控法 ASK 移频键控法 FSK 移相键控法 PSK 采用这3种方法对二进制数串10110010调制的波形时序图如图所示 第2章数据通信基础 2 3 1数字数据的模拟信号编码 2 公共电话交换网中使用调制解调器的必要性 公共电话交换网是一种频带模拟信道 音频信号频带为300 3400Hz 而数字信号带宽为零至几千兆赫兹 若不加任何措施 利用模拟信道来传输数字信号 必定出现极大的失真和差错 所以要想在公共电话网上传输数字数据 必须将数字信号频带变换成电话网所允许的音频频带范围300 3400Hz 第2章数据通信基础 2 3 2数字数据的数字信号编码 1 不归零码 不归零 non returntozero NRZ 码的特点是在一个码元周期内电平保持不变 电脉冲之间无间隔 不归零码可分为单极性不归零码和双极性不归零码两种 第2章数据通信基础 2 3 2数字数据的数字信号编码 2 归零码 归零 returntozero RZ 码的特点是只在码元周期内持续一段时间的高低电平 其余时间则为零电平 相邻脉冲之间必定留有零电平的间隔 归零码可分为单极性归零码和双极性归零码两种 第2章数据通信基础 2 3 2数字数据的数字信号编码 3 曼彻斯特编码 曼彻斯特 manchester 编码是一种自同步编码方法 自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法 曼彻斯特编码常用于以太网 Ethernet 传输 另外还有差分曼彻斯特 differentialmanchester 编码 常用在FDDI中 1 曼彻斯特编码 每一位的中间都有一次跳变 该跳变既作为时钟信号 又作为数据信号 从高到低跳变表示1 从低到高跳变表示0 2 差分曼彻斯特编码 每一位中间的跳变仅提供时钟定时 而用每位开始时 有跳变为0 无跳变为1 第2章数据通信基础 2 3 2数字数据的数字信号编码 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的时序图如图所示 第2章数据通信基础 2 3 3模拟数据的数字信号编码 1 脉码调制 脉码调制是以采样定理为基础 对连续变化的模拟信号进行周期性采样 利用大于等于有效信号最高频率或其带宽两倍的采样频率 通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号 采样定理的公式为 第2章数据通信基础 2 3 3模拟数据的数字信号编码 2 模拟信号数字化的步骤 PCM对模拟信号的数字化分为3个步骤 如图所示 1 采样 以采样频率Fs把模拟信号的值采出 把模拟信号变换成时间上离散的抽样信号 即用一系列在时间上等间隔出现的脉冲调幅信号来代替原来的模拟信号 2 量化 使连续模拟信号变为时间轴上的离散值 量化就是将采样点处测得的信号幅值分级取整的过程 3 编码 将量化后的整数值用二进制数表示 第2章数据通信基础 2 3 4多路复用技术 1 频分多路复用 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下 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 frequencydivisionmultiplexing FDM 第2章数据通信基础 2 3 4多路复用技术 2 时分多路复用 时分多路复用不仅仅能传输数字信号 还可以同时交叉传输模拟信号 时分多路复用的原理如图所示 第2章数据通信基础 2 3 4多路复用技术 3 波分多路复用 波分多路复用 wavelengthdivisionmultiplexing WDM 实际上是频分多路复用的一个变种 它除了复用和解复用以及采用光纤作为传输介质以外 在概念上与频分多路复用相同 但它比频分多路复用更有效 在波分多路复用中 两根光纤连接到一个棱柱或光栅上 每根光纤的能量处于不同的波段 两束光信号通过棱柱或光栅 合成到一根共享光纤上 传送到远方的目的地 然后再将它们分解开来 波分多路复用的原理如图所示 第2章数据通信基础 2 3 5同步和异步通信 1 异步传输 异步传输的工作原理是 每传送1个字符 7位或8位 都要在这个字符码前加1位起始位 0 以表示字符代码的开始 在字符代码和校验码后面加1位 1 5位或2位停止位 1 表示字符结束 接收方根据1至0的跳变来判断一个新字符的开始 从而起到通信双方同步的作用 第2章数据通信基础 2 3 5同步和异步通信 异步方式的实现比较容易 但每传输一个字符都需要多使用2 3位冗余位 所以适合于低速通信 下图是采用异步传输方式发送数据00110110的示意图 第2章数据通信基础 2 3 5同步和异步通信 2 同步传输 同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块 帧 对于这些数据 不需要附加起始位和停止位 而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN 以00010110表示 或一个同步字节 以01111110表示 用于接收方进行同步检测 从而使收发双方进入同步状态 在同步字符或字节之后 可以连续发送任意多个字符或数据块 发送数据完毕后 再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束 第2章数据通信基础 2 3 5同步和异步通信 在同步传输时 由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送 且附加位又非常少 数据传输的效率得到提高 所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中 如计算机之间的数据通信 同步传输方式的原理如图所示 第2章数据通信基础 2 3 5同步和异步通信 1 同步传输中的位同步 同步传输方式要求收发双方之间的时钟严格同步 而使用同步字符或同步字节 只能同步接收数据帧 只有保证接收端接收的每一比特都与发送端发送的每一比特保持一致 接收方才能正确接收数据 这就要使用位同步的方法 2 同步通信的特点 由于每次只传输一个数据帧 用于同步的通信开销小 所以传输效率高 由于既要保证收发双方之间的时钟同步 又要保证数据的正确传输 所以同步通信对传输设备的要求高 第3章计算机网络体系结构 3 1 1网络体系结构的概念 3 1网络体系结构概述 计算机网络体系结构采用分层模型的优点如下 1 高层不需要知道低层是如何实现的 只需要知道低层所提供的服务 以及本层向上层提供的服务 各层独立性强 2 当任何一层发生变化时 只要层间接口不发生变化 那么这种变化就不会影响到其他层 适应性强 3 整个系统已被分解为若干易于处理的部分 这种结构使得一个庞大而又复杂的系统实现和维护起来更容易 4 每层的功能与所提供的服务都有精确的定义和说明 有利于促进标准化 第3章计算机网络体系结构 3 1 1网络体系结构的概念 网络体系结构的定义如下 网络体系结构 分层 协议 接口 网络体系结构说明了计算机网络层次结构应如何设置 以及应该如何对各层的功能进行精确的定义 它是抽象的 而不是具体的 其目的是在统一的原则下设计 建造和发展计算机网络 网络体系结构仅给出一般性指导标准和概念性框架 至于用何种硬件和软件来实现定义的功能 则不属于网络体系结构的范畴 第3章计算机网络体系结构 3 1 2网络协议与分层体系结构 1 网络协议 在计算机网络中 为了使网络设备之间能成功地发送和接收信息 必须制定相互能接受并遵守的语言和规则 这些规则的集合就称为网络通信协议 protocol 如TCP IP SPX IPX NetBEUI协议 网络通信协议通常包括所传输数据的格式 差错控制方式以及在计时与时序上的有关约定 网络协议主要由以下3个要素组成 1 语法 syntax 定义数据与控制信息的结构或格式 即做什么 Whattodo 2 语义 semantics 定义需要发出何种控制信息 完成何种协议以及作出何种应答 即怎么做 Howtodo 3 同步 timing 规定事件实现顺序的详细说明 确定通信状态的变化和过程 如通信双方的应答关系 即何时做 Whentodo 第3章计算机网络体系结构 3 1 2网络协议与分层体系结构 2 分层网络体系结构 计算机网络是一个十分复杂的系统 将其分解为若干个容易处理的层次 layer 然后 分而治之 这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段 分层次是人们对复杂问题处理的基本方法 将总体要实现的很多功能分配在不同的层次中 每个层次要完成的服务及服务实现的过程都有明确规定 不同的系统具有相同的层次 不同系统的同等层具有相同的功能 高层使用低层提供的服务时 并不需要知道低层服务的具体实现方法 第3章计算机网络体系结构 3 1 3层次结构的要点与划分原则 1 层次结构的要点 计算机网络都采用层次化的体系结构 由于计算机网络涉及多个实体间的通信 其层次结构一般以如图所示的垂直分层模型来表示 1 除了在物理介质上进行的是实通信外 其余各对等实体间进行的都是虚通信 2 对等层的虚通信必须遵循该层的协议 3 N层和N 1层的虚通信是由N 1层提供的服务来实现的 第3章计算机网络体系结构 3 1 3层次结构的要点与划分原则 2 层次结构的划分原则 层次结构的划分 一般要遵循以下原则 1 每层的功能应是明确的 并且是相互独立的 当某一层的具体实现方法改变时 只要保持上下层的接口不变 便不会对相邻层产生影响 2 层间接口必须清晰 接口包含的信息量应尽可能少 以利于标准化 3 层的数量应适中 若层次太少 则多种功能混杂在一层中 造成每一层的协议太复杂 若层次太多 则体系结构过于复杂 使描述和实现各层功能变得困难 第3章计算机网络体系结构 3 2 1OSI参考模型概述 3 2OSI参考模型 OSI参考模型共有7层 从下到上依次为物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 如图所示 第3章计算机网络体系结构 3 2 1OSI参考模型概述 1 协议和服务的区别和相互关系 在OSI参考模型中 协议 protocol 和服务 service 是两个非常重要的概念 控制两个N层对等实体进行通信的规则的集合称为N协议 两个N层实体间的通信在N协议的控制下 能够使N层向上一层提供服务 这种服务就称为N服务 接受N服务的用户是N 1层实体 第3章计算机网络体系结构 3 2 1OSI参考模型概述 2 服务访问点 服务访问点 serviceaccesspoint SAP 是指同一系统中相邻两层实体之间进行交换信息之处 即N层实体和N 1层实体之间的逻辑接口 也称为端口 一个N层服务是由一个N层实体作用在一个N层SAP上完成的 虽然两层之间可以允许有多个SAP 但一个N层SAP只能被一个N层实体所使用 并且也只能为一个N 1层实体所使用 而一个N层实体却可以向多个N层SAP提供服务 这称为连接复用 一个N 1层实体也可以使用多个N层SAP 这称为连接分裂 第3章计算机网络体系结构 3 2 1OSI参考模型概述 3 数据单元 在OSI参考模型中 数据单元是数据传送的单位 可分为3种 服务数据单元 协议数据单元和接口数据单元 1 服务数据单元 servicedataunit SDU 是N层实体为完成用户请求的N服务向接口提供的用户数据 2 协议数据单元 protocoldataunit PDU 是由上层的服务数据单元SDU或其分段和协议控制信息 protocolcontrolinformation PCI 组成的提交给对等实体的数据 3 接口数据单元 interfacedataunit IDU 是由上层的服务数据单元SDU和接口控制信息 interfacecontrolinformation ICI 组成的 它通过SAP进行层间信息传送 第3章计算机网络体系结构 3 2 1OSI参考模型概述 4 OSI参考模型中的数据流动过程 在OSI参考模型中 当一台主机需要传送用户的数据时 数据首先通过应用层的接口进入应用层 在应用层 用户的数据被加上应用层的报头 applicationheader AH 形成应用层协议数据单元 然后被递交到下一层 表示层 表示层并不 关心 上层 应用层 的数据格式 而是把整个应用层递交的数据包看成是一个整体进行 封装 即加上表示层的报头 presentationheader PH 然后递交到下层 会话层 同样 会话层 传输层 网络层 数据链路层也都要分别给上层递交下来的数据加上自己的报头 分别是会话层报头 sessionheader SH 传输层报头 transportheader TH 网络层报头 network header NH 和数据链路层报头 datalinkheader DH 其中 数据链路层还要给网络层递交的数据加上数据链路层报尾 datalinktermination DT 形成最终的一帧数据 第3章计算机网络体系结构 3 2 1OSI参考模型概述 同样 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层也要做类似的工作 最终 原始数据被递交到目标主机的具体应用程序中 OSI参考模型中的数据流动过程如图所示 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 1 物理层接口与协议 1 机械特性 机械特性有时也称物理特性 它规定了数据终端设备DTE dataterminalequipment 和DCE数据电路终端设备 datacircuit terminatingequipment 之间连接器的几何参数 包括形状 几何尺寸 引线数目和排列方式等 下图是DB 9接口的机械特性 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 2 电气特性 DTE与DCE接口的各根导线 也称电路 的电气连接方式有单端驱动单端接收 单端驱动差分接收和双端驱动差分接收3种方式 可分别称为非平衡型 半平衡型和平衡型连接 如图所示 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 3 功能特性 功能特性对接口各信号线的含义 功能及各信号之间的对应关系给出了确切的定义 说明了某些连线上出现的某一电平的电压所表示的意义 按功能区分 接口信号线有地线 数据线 控制线和定时线4种类型 有时还有备用信号线 次信道或辅信道线 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 4 规程特性 规程特性规定了DTE和DCE之间各接口信号线实现数据传输时的控制过程 即在物理连接的建立 维持和拆除时 各信号线的动作规则和步骤等 物理层协议的主要任务是实现DTE与DCE之间数据比特的透明传输 物理层协议很多 也比较成熟 如ISO ITU T EIA等机构制定的协议 ITU T制定的DTE与DCE之间的物理层接口标准 协议 有V系列 X系列和I系列等建议 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 2 物理层协议举例1 RS 232C机械特性 RS 232C机械特性采用ISO2110标准的25针连接器 并对该连接器的尺寸及针脚排列位置等都做了确切的规定 在DTE一侧采用孔式结构插头 在DCE一侧采用针式结构插座 2 RS 232C电气特性 RS 232C电气特性使用非平衡型电路 其逻辑1电平为 15 5V 逻辑0电平为 5 15V 5 5V为过渡区 规定数据传输速率最高为19 2kb s 两连接器间最长连线为15m 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 3 RS 232C功能特性若一台DTE设备和一台DCE设备互联 如计算机和modem 使用RS 232C接口的连接方式如图所示 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 若两台DTE设备直接互联 如两台计算机在近距离直接连接 则可采用如图所示的零调制解调连接方式 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 4 RS 232C规程特性 RS 232C规程特性定义了DTE和DCE通过RS 232C接口连接时 各信号线在建立 维持和拆除物理连接及传输比特信号时的控制时序 RS 232C的工作过程是在各条控制信号线有序的ON和OFF状态的配合下进行的 现以发送数据为例 说明RS 232C接口的工作过程 1 建立阶段 2 数据传输阶段 3 拆除阶段 第3章计算机网络体系结构 3 2 2物理层 5 DB 25接口与DB 9接口 在实际使用中 由于并非要用到RS 232C标准的全集 即所有信号线的功能 所以也可采用引脚较少的标准连接器 如ISO4902规定的9针连接器 DB 9接口 DB 9接口引脚的排列顺序类似于DB 25接口 ISO2110 这两种接口的引脚也有一定的对应关系 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 1 数据链路层功能1 帧同步功能 帧是数据链路层传输的数据单位 每个帧包括帧头 帧尾 帧检验码和帧序号 帧头和帧尾用来表示帧的开始和结束 接收方要能够明确地从物理层收到的比特流中区分出帧头和帧尾 以便进行帧同步 实现帧同步的方法有字节计数法 字符填充法 比特填充法和违法编码法 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 2 差错控制功能 实用的差错控制方法 既要数据传送可靠性高 又要信道利用率高 为此可使发送方将要发送的数据帧附加一定的冗余检错码一并发送 接收方则根据检错码对数据帧进行差错检测 若发现错误 就返回请求重发的应答 发送方收到请求重发的应答后 便重新传送该数据帧 ARQ 自动请求重传 法仅需返回少量控制信息 便可有效地确认所发数据帧是否被正确接收 ARQ法有几种实现方案 其中 空闲重发请求 IdleRQ 和连续重发请求 continuousRQ 是最基本的两种方案 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 3 流量控制功能 流量控制是指采用一定措施使通信网络中部分或全部链路和结点上的信息流量不超过某一限制值 从而保证信息流动顺利通畅 数据链路层采用简单的流量控制方式 它控制的是相邻两结点间数据链路上的信息流量 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 4 链路管理功能 链路管理功能主要用于面向连接的服务 在链路两端的结点要进行通信前 必须先确认对方已处于就绪状态 并交换一些必要的信息以对帧序号初始化 然后才能建立连接 在传输过程中则要维持该连接 如果出现差错 则需要重新初始化 重新自动建立连接 传输完毕后则要释放连接 数据链路层连接的建立 维持和释放就称做链路管理 在多个站点共享同一物理信道的情况下 如在局域网中 如何在要求通信的站点间分配和管理信道也属于数据链路层链路管理的范畴 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 2 数据链路控制协议举例 1 HDLC协议中的站 HDLC协议涉及3种类型的站 即主站 从站和复合站 1 主站 primarystation 主要功能是发送命令 包括数据信息 帧 接收响应帧 并对整个链路的控制系统的启动 流程的控制 差错检测或恢复等负责 2 从站 secondarystation 主要功能是接收由主站发来的命令帧 向主站发送响应帧 并且配合主站参与差错恢复等链路控制 3 复合站 combinedstation 同时具有主 从站功能 既发送 接收命令和响应帧 也负责整个链路的控制 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 2 HDLC协议链路配置 在HDLC协议中 对主站 从站和复合站定义了两种类型的链路配置 非平衡配置和平衡配置 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 3 HDLC协议数据传输方式 根据通信双方的链路结构和传输响应类型 HDLC协议提供了3种数据传输方式 正常响应方式 异步响应方式和异步平衡方式 1 正常响应方式 NRM 适用于非平衡链路 即用于点对点和点对多点的链路中 特别是点对多点链路 在这种方式中 由主站控制整个链路的操作 负责控制链路的初始化 数据流和链路复位等 从站的功能很简单 它只有在收到主站的明确允许后 才能发出响应 2 异步响应方式 ARM 也适用于非平衡链路 它与NRM不同的是 从站不必得到主站的允许就可以开始数据传输 显然它的传输效率比NRM有所提高 3 异步平衡方式 ABM 适用于平衡链路 链路两端的复合站具有同等的能力 不管哪个复合站均可在任意时间发送命令帧 并且不需要收到对方复合站发出的命令帧就可以发送响应帧 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 4 HDLC帧结构 HDLC帧结构如图所示 它由6个字段组成 这6个字段可以分为5种类型 即标志字段 F 地址字段 A 控制字段 C 信息字段 I 和帧校验序列字段 FCS 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 5 HDLC帧类型 控制字段是HDLC的关键字段 许多重要的功能都靠它来实现 控制字段规定了帧的类型 即信息帧 I帧 监控帧 S帧 无编号帧 U帧 1 信息帧 信息帧用于传送有效信息或数据 通常简称I帧 I帧以控制字段第1位用0来标志 2 监控帧 监控帧用于差错控制和流量控制 通常简称S帧 S帧以控制字段第1位和第2位为1 0来标志 3 无编号帧 无编号帧因其控制字段中不包含编号N S 和N R 而得名 简称U帧 第3章计算机网络体系结构 3 2 3数据链路层 6 HDLC协议通信过程 HDLC协议中规定 两站间的通信过程分为链路建立 数据传输 链路释放3个阶段 这3个阶段分别使用不同的帧 下图是HDLC协议通信过程的例子 第3章计算机网络体系结构 3 2 4网络层 1 网络层控制方式和服务1 网络层控制方式 1 虚电路控制方式 为了进行数据传输 网络的源结点到目的结点之间要先建立一条逻辑通路 因为这条逻辑通路不是物理的 所以称为 虚电路 每个结点到其他任一结点之间可能有若干条虚电路支持特定的两个端系统之间的数据传输 两个端系统之间也可以有多条虚电路为不同的进程服务 这些虚电路的实际路径可能相同也可能不同 2 数据报控制方式 每个分组被称为一个数据报 若干数据报构成一次要传送的报文或数据块 每个数据报自身携带足够的信息 它的传送是被单独处理的 一个结点接收到一个数据报后 便根据数据报中的地址信息和结点所存储的路由信息 找出一个合适的路由 把数据报直接发送到下一个结点 第3章计算机网络体系结构 3 2 4网络层 2 网络层服务 1 虚电路服务 它是网络层向传输层提供的一种使所有分组按顺序到达目的端系统的可靠数据传送方式 进行数据交换的两个端系统之间存在一条为它们服务的虚电路 2 数据报服务 一般仅由数据报交换网来提供 端系统的网络层和网络结点的网络层之间 按照数据报控制方式交换数据 当端系统要发送数据时 网络层给该数据附加地址 序号等信息 然后作为数据报发送给网络结点 目的端系统收到的数据报可能不是按序到达的 也可能有数据报丢失 第3章计算机网络体系结构 3 2 4网络层 2 网络层路由选择 1 静态路由选择策略 静态路由选择策略是基于一定的网络性能要求 拓扑结构和信息分布情况 按固定规划设计好路由选择方案的算法 此算法一旦确定 可保持一段时间不变 不再对网络的流量和拓扑结构变化作出反应 故也叫非自适应路由算法 1 最短路由算法 这是一种简单且使用较多的算法 该算法在每个网络结点中都存储一张表 表中记录着对应的某个目的结点的下一结点和链路 2 扩散式算法 当某结点接到分组并要转发时 就将其多个拷贝转发到除该分组的来源链路外与该结点相连的其他所有链路上 3 基于流量的路由算法 该算法是既考虑拓扑结构又考虑网络负载的算法 第3章计算机网络体系结构 3 2 4网络层 2 动态路由选择策略 该类算法主要是根据网络状态 拓扑结构和流量等 的变化来决定各结点的路由选择 网络状态变化 算法也随之变化 以适应网络流量及各种参数的变化 因此 又叫自适应路由算法 1 孤立式路由算法 该算法主要依据结点本身当前的状态信息 而不考虑其他结点的情况而进行的选择 2 集中式路由算法 在网络中设定一个结点为路由控制中心 routingcontrol center RCC 各结点定期地将其有关状态信息报告给RCC RCC即可使用某种算法确定一条源端和目的端之间的最佳路径 并将信息告知各结点 3 分布式路由算法 这是一种各结点与相邻结点定期交换网络状态信息 并据此生成新路由表的算法 在该算法中 结点存放一张延时表和一张路由表 第3章计算机网络体系结构 3 2 4网络层 3 网络层拥塞控制 拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多 使得该部分网络来不及处理 以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象 严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿 即出现死锁现象 常用的拥塞控制方法有以下4种 1 滑动窗口法 2 预约缓冲区法 3 许可证法4 丢弃分组法 第3章计算机网络体系结构 3 2 5传输层 1 传输服务 传输层的服务包括的内容有服务类型 服务等级 数据传输 用户接口 连接管理 安全保密等 2 服务质量 服务质量 qualityofservice QoS 是指在传输两结点之间看到的某些传输连接的特征 是传输层性能的度量 反映了传输质量及服务的可用性 第3章计算机网络体系结构 3 2 5传输层 3 传输层协议等级 传输层的功能按级别划分 OSI参考模型定义了5种协议级别 即级别0 简单级 级别1 基本差错恢复级 级别2 多路复用级 级别3 差错恢复和多路复用级 和级别4 差错检测和恢复级 服务质量划分较高的网络 仅需要较低的协议级别 反之 服务质量划分较低的网络 则需要较高的协议级别 4 传输服务原语 服务在形式上是用一组原语 primitive 来描述的 原语被用来通知服务提供者采取某些行动 或报告同层某实体已经采取的行动 在OSI参考模型中 服务原语划分为请求 指示 响应和确认4种类型 第3章计算机网络体系结构 3 2 6网络高层的功能及协议 1 会话层1 实现会话连接到传输连接的映射 会话层的主要功能是提供建立连接并有序传输数据的一种方法 这种方法就叫做会话 会话可以使一个远程终端登录本地的计算机 进行文件传输或其他的应用 2 会话连接的释放 会话连接的释放不同于传输连接的释放 它采用有序释放方式 即使用完全的握手 包括请求 指示 响应和确认原语 只有双方同意 会话才终止 这种释放方式不会丢失数据 对于异常原因 会话层也可以不经协商立即释放 但这样可能会丢失数据 3 会话层管理 与其他各层一样 两个会话实体之间的交互活动都需要协调 管理和控制 会话服务的获得是执行会话层协议的结果 会话层协议支持并管理同等对接会话实体之间的数据交换 第3章计算机网络体系结构 3 2 6网络高层的功能及协议 4 会话服务 会话层可以向用户提供许多服务 为了使两个会话服务用户在会话建立阶段能协商所需的服务 该层将服务分成若干个功能单元 5 会话协议 OSI参考模型会话层的会话协议填补了传输层所提供的服务与会话用户所要求的服务之间的缝隙 会话协议提供了各种与数据交换管理和构造有关的服务 第3章计算机网络体系结构 3 2 6网络高层的功能及协议 2 表示层 表示层的主要功能如下 1 语法转换 将抽象语法转换成传输语法 并在对方实现相反的转换 涉及的内容有代码转换 字符转换 数据格式的修改 以及对数据结构操作的适应 数据压缩 加密等 2 语法协商 根据应用层的要求协商选用合适的传输语法并传送 3