网络应用技术.ppt

2020 3 15 1 计算机网络应用技术 第一章计算机网络基础1 1计算机网络的发展1 2计算机网络的定义 功能及分类1 3计算机网络的组成和拓扑结构1 4数据通信基础1 5计算机网络体系结构1 6计算机网络的传输介质1 7计算机网络传输设备 2020 3 15 2 第二章局域网2 1局域网概述2 2局域网的体系结构2 3Ethernet2 4非主流局域网2 5网络操作系统第三章广域网与Internet3 1广域网的基本概念3 2Internet的基本概念3 3TCP IP协议 2020 3 15 3 第四章综合布线系统4 1布线系统设计4 2结构化布线安装与测试第五章应用实例参考书 计算机网络实用技术 王洪 贾卓生等编著 人民邮电出版社 25 局域网与广域网的设计与实现 机械工业出版社 32 数据通讯与网络 机械工业出版社 48 计算机网络 第三版 清华大学出版社 2020 3 15 4 个人介绍 王占杰大连理工大学信息学院计算机系网络与控制研究室E mail wangzhj 电话 4706002或4706003转8211研究方向 计算机网络 实时 分布式系统 计算机控制与数据处理 数字化企业等 2020 3 15 5 第一章计算机网络基础 1 1计算机网络的发展1 1 1计算机网络的发展历史计算机网络的发展过程是计算机与通信 C C ComputerandCommunication 的融合过程 60年代 面向终端分布的计算机系统计算机 终端系统是计算机与通信结合的前驱 把多台远程终端设备通过公用电话网连接到一台中央计算机构成所谓面向终端分布的计算机系统 解决远程信息收集 计算和处理 根据信息处理方式的不同 它们还可分为实时处理连机系统 成批处理连机系统和分时处理连机系统 计算机 终端系统虽还称不上是计算机网络 但它提供了计算机通信的许多基本技术 而这种系统本身也成为以后发展起来的计算机网络的组成部分 因此 这种终端连机系统也称为面向终端分布的计算机通信网 2020 3 15 6 计算机网络的发展历史 70年代 分组交换数据网 PSDN 出现以美国国防部高级研究计划局DARPA DefenseAdvancedResearchProjectAgency 的ARPANET为代表 采用崭新的 存贮转发 分组交换 原理 它标志着计算机网络的兴起 ARPANET所采用的一系列技术 为计算机网络的发展奠定了基础 ARPANET中提出的一些概念和术语至今仍被引用 因此 它有分组交换网之父的殊誉 而分组交换网的出现则被公认为现代电信时代的开始 此后 许多大学 研究中心 各企业集团 各主要工业国家纷纷研制和建立专用的计算机网和公用交换数据网 ARPANET是由一种通信子网 CommunicationSubnet 和资源子网 ResourceSubnet 组成的两级结构的计算机网络 2020 3 15 7 计算机网络的发展历史 图给出了这种计算机网络的示意图 由接口报文处理机IMP Inter faceMessageProcessor 和通信线路一起负责主机Host之间的通信任务 构成了通信子网 实现信息传输与交换 由通信子网互连的主机组成资源子网 它负责信息处理 向网络用户提供可共享的软硬件资源 当主机 H1 要与远地另一主机 H2 通信 H1首先将信息送至本地相连的IMP暂存 通过通信线路沿着适当的路径 按一定原则静态或动态的选择的 转发至下一IMP暂存 依次经过中间的IMP中转 最终传输至远地的目的IMP 并送入与之直接相连的目的主机 如此 由IMP组成的通信子网 完成各IMP之间的存贮 转发 Storeandforward 任务 2020 3 15 8 计算机网络的发展历史 70年代 采用这种方式 使通信线路不为某对通信双方所独占 大大提高昂贵的通信线路的利用效率 ARPANET中存贮 转发的信息基本单元是分组 Packet 它是将整个要交换的信息报文 Message 分成若干信息分组 对每个分组按存贮 转发的方式在通信子网上传输 因此把这种以存贮 转发方式传输分组的通信子网又称为分组交换数据网 PSDN 目前世界上运行的中低速远程通信网大都采用分组交换网 与此相应的公众交换电话网被称为公用数据网PDN PublicDataNetwork 或公用交换数据网PSDN ARPANET中的IMP 在PSDN中也被称为分组交换节点 PacketSwitchNode 70年代到80年代中 广域网WAN WideAreaNetwork 得到迅速发展 它们也被称为第二代计算机网络 2020 3 15 9 计算机网络的发展历史 80年代 80年代 LAN 互连网 综合业务数字网ISDN和智能网IN70年代中期由于微电子和微处理机技术的发展及在短距离局部地理范围内计算机间进行高速通信要求的增长 计算机局域网LAN LocalAreanetwork 因运而生 进入80年代 LAN获得蓬勃发展 国际标准化组织ISO InternationalStandardsOrganiztion 于84年正式颁布了一个称为 开放系统互连基本参考模型 OSI OpenSystemInterconnectionBasicReferenceModel 的国际标准ISO OSI7498 计算机网络开始走向国际标准化网络的时代 它支持各厂商生产的计算机系统可互连 随着计算机技术 通信技术的发展和应用领域的扩大 通信网络和计算机网络技术一直在迅速发展 综合业务数字网ISDN正是这一发展的体现 2020 3 15 10 计算机网络的发展历史 90年代 90年代 现代网络技术 协同计算高速以太网 百兆 千兆 三层交换 ATM VLAN 光纤技术的发展解决了线路传输速度慢的问题 共享型的10M速度的网络需要向更高速的网络升级 因此出现了FDDI网络 快速以太网 高速以太网和交换式以太网 以及ATM网络 在IP协议方面出现了三层交换等许多网络新技术 我们把 计算机支持的协同工作 定义为 地域分散的一个群体借助计算机及其网络技术 共同协调与协作来完成一项任务 把支持协同工作的计算机软件称为群件 Groupware 计算机协同工作将计算机技术 网络通信技术 多媒体技术以及各种社会科学紧密地结合起来 向人们提供了一种全新的交流方式 2020 3 15 11 计算机网络基础 1 1 2计算机网络的前景90年代以后 以互联网为代表的计算机网络得到了飞速的发展 从最早的教育科学网络发展逐步发展为商业化的网络 并已成为仅次于全球电信网的世界第二大网络 互联网已经渗透到人类社会生活的方方面面 已经深刻地改变了人们的生活和工作方式 可以不夸张的说 互联网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革 面对飞速发展的计算机网络技术和互联网的巨大商机 各个国家纷纷制定了本国的网络发展计划和信息基础设施计划 这使得计算机网络的发展进入了一个崭新的历史阶段 已经成为当今世界最热门的学科之一 我国也先后实施了一系列网络工程 中国公用互联网 ChinaNet 金桥网 中国教育网 CerNet 中国科学院网 并称为中国 四大网络 2020 3 15 12 共享通信线路的单机系统 具有通信功能的单机系统 2020 3 15 13 2020 3 15 14 2020 3 15 15 1 2计算机网络的定义 功能及分类 1 2 1计算机网络的定义把分布在不同地点的多个计算机物理上互连 按照网络通信协议相互通信 以共享硬件 软件和数据资源为目标的系统 这是一个广义的定义 它具有这样的一些特征 1计算机网络是一互连的计算机系统的群体 这些计算机系统在地理上是分布的 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 即每台计算机是独立工作的 它们是在网络协议控制下协同工作的 3系统互连要通过通信设施 网 来实现 通信设施一般都有通信线路 相关的传输 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 2020 3 15 16 1 2 2计算机网络的功能 不同的计算机网络是为不同的目的需求而设计和组建的 它们所提供的服务和功能也有所不同 计算机网络所可能提供的功能如下 1数据通信 终端与计算机 计算机与计算机之间能够进行通信 互传数据 从而方便地进行信息收集 处理 交换 2资源共享 用户可以共享计算机网络范围内的系统硬件 软件 数据 信息等各种资源 3网络计算 提供分布处理和均衡计算机负荷的功能 降低软件设计复杂性 提高系统效率 4集中控制 通过计算机网络可对地理上分布的系统进行集中控制 对网络资源进行集中的分配和管理 5提高系统的可靠性 借助冗余和备份的手段提高系统可靠性 6网络新服务 开辟大量新的应用服务项目 2020 3 15 17 1 2 3计算机网络的分类 计算机网络可以从地域范围 拓扑结构 信息传输交换方式或协议 网络组建属性或用途等不同角度加以分类 按地域范围分类从计算机系统之间互连距离和网络分布地域范围角度来看 有局域网LAN 城域网MAN 广域网WAN等 按拓扑结构分类网络拓扑结构是从网络拓扑的观点来讨论和设计网络的特性 就是用所构成的网络几何构形 来体现网络各组成成分之间的结构关系 从而反映了整个网络的整体结构外貌 实际上 考虑更多的是通信子网的拓扑结构问题 通信子网可设计成两种通信 信道 类型 点对点通信 Point to Point 和广播通信 Broadcast 2020 3 15 18 计算机网络的分类 点对点信道 其特点是一条线路连接一对节点 两台主机常常经过几个节点相连接 信息的传输采用存贮转发方式 这种信道成的通信子网常见的拓扑结构有 星形 树形 回路形 相交回路形 全连接形 不规则形式分布式 2020 3 15 19 计算机网络的分类 广播信道 其特点是只有一条供诸结点共享的通信信道 任一结点所发出的信息报文可被所有其它结点接收 当然对信道需要有一定的访问控制机制 由这种信道构成的通信子网的拓扑结构可有三种形式 总线性 环形 卫星或无线广播通信方式 2020 3 15 20 计算机网络的分类 按信息传输交换方式分类根据信息在网内传输交换方式 可分为 电路交换 存贮 转发交换 报文交换 分组交换 数据报 虚电路 按网络组建属性分类一个计算机网络 根据其组建 经营和用户 特别是它的数据传输和交换系统的拥有性 可以分为公用网和专用网两类 公用网是由国家电信部门组建 经营管理 提供公众服务 专用网往往是由一个政府部门或一个公司等组建经营 未经许可 其他部门和单位不得使用 2020 3 15 21 1 3计算机网络的组成和拓扑结构 1 3 1计算机网络的组成计算机网络主要由宿主计算机 HOST 终端 Terminal 通信处理机和通信设备等网络单元经通信线路连接组成 该网络分为两层 通信子网和资源子网 通信子网由结点计算机和高速通信线路组成独立的 承担全网的数据传输 交换 加工等通信处理工作 资源子网包括宿主计算机 终端 通信子网接口设备和软件等 它负责全网的数据处理和为网络用户提供网络资源和网络服务 2020 3 15 22 1 3 2计算机网络的拓扑结构 网络拓朴结构是计算机网络结点和通信链路所组成的几何形状 通常有总线结构 星形 树形 环形 全部互联和不规则形 总线型结构 总线型结构采用一条单根的通信线路 总线 作为公共的传输通道 所有的结点都通过相应的接口直接连接到总线上 并通过总线进行数据传输 总线型网络使用广播式传输技术 总线上的所有结点都可以发送数据到总线上 数据沿总线传播 但是 由于所有结点共享同一条公共通道 所以在任何时候只允许一个站点发送数据 当一个结点发送数据 并在总线上传播时 数据可以被总线上的其他所有结点接收 各站点在接收数据后 分析目的物理地址再决定是否接收该数据 粗 细同轴电缆以太网就是这种结构的典型代表 2020 3 15 23 总线型拓扑结构有如下一些特点 1 结构简单灵活 易于扩展 2 共享能力强 便于广播式传输 3 网络响应速度快 但负荷重时则性能迅速下降 4 局部站点故障不影响整体 可靠性较高 但是 总线出现故障 则影响整个网络 5 易于安装 费用低 6 网络效率和带宽利用率低 7 采用分布控制方式 各结点通过总线直接通信 8 各工作站点平等 都有权争用总线 不受某站点仲裁 网络拓扑结构 总线型 2020 3 15 24 网络拓扑结构 环型 环型结构 环型结构是各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路中 环型结构有两种类型 即单环结构和双环结构 令牌环 TokenRing 是单环结构的典型代表 光纤分布式数据接口 FDDI 是双环结构的典型代表 环型拓扑结构的特点如下 1 在环型网络中 各工作站间无主从关系 结构简单 2 信息流在网络中沿环单向传递 延迟固定 实时性较好 3 两个结点之间仅有唯一的路径 简化了路经选择 4 可靠性差 任何线路或结点的故障 都有可能引起全网故障 且故障检测困难 5 可扩充性差 2020 3 15 25 网络拓扑结构 星型 星型结构 星型结构的每个结点都由一条点到点链路与中心结点 公用中心交换设备 如 交换机 HUB等 相连 信息的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的 并且只能通过中心站点与其它站点通信 星型结构的主要特点是 1 星型拓扑结构简单 便于管理和维护 2 易实现结构化布线 3 星型结构易扩充 易升级 4 通信线路专用 电缆成本高 5 星型结构的网络由中心结点控制与管理 中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性 6 中心结点负担重 易成为信息传输的瓶颈 且一旦故障 全网瘫痪 2020 3 15 26 网络拓扑结构 树型 树型结构 树型结构是从总线型和星型结构演变来的 它有两种类型 一种是由总线型拓扑结构派生出来的 它由多条总线连接而成 另一种是星型结构的变种 各结点按一定的层次连接起来 形状像一棵倒置的树 故得名树型结构 在树型结构的顶端有一个根结点 它带有分支 每个分支还可以再带子分支 树型结构的主要特点是 1 这种结构是天然的分级结构 2 易于扩展 3 易故障隔离 可靠性高 4 电缆成本高 5 根结点的依赖性大 一旦根结点出现故障 将导致全网不能工作 2020 3 15 27 网络拓扑结构 网状结构 网状结构 网状结构是指将各网络结点与通信线路互连成不规则的形状 每个结点至少与其它两个结点相连 或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连 大型互联网一般都采用这种结构 如 我国的教育科研示范网CERNET 国际互联网Internet的主干网都采用网状结构 网状结构的主要特点是 1 每个结点都有冗余链路 可靠性高 2 因为有多条路径 所以可以选择最佳路径 减少时延 改善流量分配 提高网络性能 但路经选择比较复杂 3 结构复杂 不易管理和维护 4 适用于大型广域网 5 线路成本高 2020 3 15 28 网络拓扑结构 混合型 混合型结构 混合型拓扑结构是由以上几种拓扑结构混合而成的 如 环星型结构 它是令牌环网和FDDI网常用的结构 再如 总线型和星型的混合结构等 网络拓扑结构总结如下 2020 3 15 29 1 4数据通信基础 1 4 1数据通信系统数据通信系统的模型如下图所示 其中 源 产生要发送的数据的设备 发送器 对信号进行转换或编码以产生能在传输系统中传输的电磁信号 传输系统 连接源和目的地的传输线或复杂的网络 接受器 从传输系统接受信号并转换成目的站设备能处理的信号 目的站 从接受器接受数据的设备 2020 3 15 30 数据通信系统 数据通信系统的作用和功能 数据通信系统的基本作用是在两个实体之间交换数据 数据通信系统要完成如下关键任务 传输系统利用率 要有效的利用由很多通信设备共享的传输设施 需要采用多路复用技术 拥塞控制技术等 接口 为了通信 设备必须和传输系统接口 使产生的信号特性 如信号形式和信号强度 能适应传输系统传输 以及在接受端等对数据解释 同步 传输系统和接受设备之间 发送器和接受器之间都需要同步 接受器必须确定信号何时开始 何时结束 以及每个信号的间距 交换管理 在两个实体进行通信期间各种协调管理 差错检测和校正 对通信中的差错检测并纠错 并需要流控 寻址和路由 决定信号到达的目的地路径选择过程 恢复 当因某种原因系统被中断 需要对系统恢复 报文格式 两个对话实体进行协商使报文格式一致 安全 保证正确地 完整地 不被泄露地将数据从源发到目的 网络管理 对复杂的通信系统进行配置 监控 故障管理等管理 2020 3 15 31 数据通信系统 模拟数据传输和数字数据传输 一 几个基本术语 数据 定义为有意义的实体 数据涉及到事物的形式 而信息涉及的是这些数据的内容 数据又分为模拟数据 连续 和数字数据 离散 信号和信号发送 信号是数据的电磁或电子编码 信号发送是指沿传输介质传输信号的动作 信号又分为 模拟信号 连续变化的电磁波 和数字信号 0 1电压脉冲 传输 指传播和处理信号的数据通信 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号表示和传播 而模拟信号和数字信号都可以在合适的传输介质上传输 通常 将传输过程中使用模拟信号的传输方式称为模拟数据传输 可能需要调制解调器 将传输过程中使用数字信号的传输方式称为数字数据传输 可能需要编解码 2020 3 15 32 数据通信系统 数据通信方式 数据通信方式是指数据在信道上传输所采取的方式 通常有如下三种分类方法 按数据代码传输的顺序分为 串行传输和并行传输 按数据传输的同步方式分为 同步传输和异步传输 按数据传输的流向和时间关系分为 单工 半双工和双工传输 串行通信 数据流以串行方式在一条信道上传输 该方法的优点是实现简单 采用较多 缺点是 为解决收 发方码组或字符同步 需要外加同步措施 并行通信 将数据以成组方式在两条以上的并行信道上同时传输 并行传输不需要另外的措施就可实现收发双方的字符同步 缺点是 需要传输信道多 设备复杂 成本高 故较少采用 2020 3 15 33 数据通信系统 串 并行传输 并行传输 parallel 与串行传输 serial 并行传输 局域网距离近 至少有8位数据同时传输 如图 a 计算机内部的数据多是并行传输 串行传输 距离较远的情况 每次由源到目的传输的数据只有一位 如图 b 成本因素 远距离通信一般采用串行传输技术 2020 3 15 34 数据通信系统 同步传输 同步传输 synchronous 方式不是对每个字符单独进行同步 而是对一组字符组成的数据块进行同步 同步的方法不是加一位停止位 而是在数据块前面加特殊模式的位组合 如01111110 或同步字符 SYN 并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆 2020 3 15 35 数据通信系统 异步传输 异步传输 asynchronous 的工作原理是 每个字节作为一个单元独立传输 字节之间的传输间隔任意 为了标志字节的开始和结尾 在每个字符的开始加一位起始位 结尾加1位 1 5位或2位停止位 构成一个个的 字符 这里的 字符 指异步传输的数据单元 不同于 字节 一般略大于一个字节 如下图所示 2020 3 15 36 特点 同步传输 以固定时钟节拍来发送数据信号 在一个数据流中 各信号码元之间的相对位置都是固定的 接受端要从收到的数据码流中正确区分发送的字符 必须建立同步的时钟 同步传输是以帧为单位发送数据 并有帧的起始和终止标志 与异步传输相比 同步传输在技术实现上复杂 但不需要对每一个字符单独加起 止码元作为识别字符的标志 只是在一串字符的前后加上标志序列 因此 传输效率高 适合较高速率的数据通信系统 2 4kb s以上 2020 3 15 37 数据通信系统 单工 双工 单工数据传输 两站之间只能沿指定方向传输数据 反向传联络信号半双工数据传输 两站之间可以沿两个方向传输数据 但两个方向不能同时传输双工数据传输 两站之间可以同时两个方向传输数据 2020 3 15 38 数据通信基础 二 数据通信1数据通信的结构它由宿主计算机 终端设备 通信设备和信号变换器组成 终端设备子系统 数据传输子系统 数据处理子系统 2020 3 15 39 数据通信基础 2数据通信的过程第一阶段 建立通信线路 用户通过 拨号 将要通信的对方的地址告诉交换机 交换机查询对方终端线路 若空闲 则由交换机建立通信双方的物理通道 第二阶段 建立数据传输链路 数据通信的双方建立同步联系 是通信双方处于正确的收发状态 通信双方验证对方地址 第三阶段 数据传输 通信双方传输数据和控制信号 第四阶段 数据传输结束 通信双方通过有关的通信控制信息确认本次通信即将结束 第五阶段 拆除链路 通信双方之一通知交换机 通信已结束 可以拆线 切断双方的逻辑链路 2020 3 15 40 数据通信基础 3数据通信系统的质量标准衡量一个数据通信系统的性能 主要考虑数据传输的数量和质量 传输速率 单位时间内传送的信息单元的数量 bit s baud s 二者不同 但可互换 出错率 误码率 接收出现差错的比特数 传输全部的比特数 可靠性 正常工作时间 总工作时间 100 或平均无故障时间 适应性 对外界环境变化的适应能力 可维护性 维护方便程度 标准化程度 衡量设计水准 共享 开放 经济性 性能价格比 通信建立时效 同步性能的指标 2020 3 15 41 数据通信基础 1 4 2数据传输原理在数据通信系统中 数据传输时需要解决以下几个问题 信息的表示法 即信息编码问题 如何保证正确无误地传送信息 即接收和发送的同步问题 如何高效地利用通信线路传送信息 即多路复用问题 1信息交换代码数据通信中传送的信息称为报文 既可以是数据信息 也可以是监控信息 报文是由一定意义的字符组成 字符又是由一定位数的二进制代码按一定规则编制而成 这些代码在数据传输中称为信息交换代码 在众多信息交换代码中 如ASCII码 2020 3 15 42 数据通信基础 数据传输原理 2数据传输方式数据的传输方式有两种 以数字信号方式传输 或经调制变换后以模拟信号方式传输 数字信号以原来的二进制数 0 1 原封不变地在信道内传输叫基带传输 数字信号经调制以后 转换为模拟信号在信道内传输叫频带传输 计算机网络技术中把数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输 基带传输中二进制数据信号的方法主要有以下三种 1 非归零编码 NRZ 非归零编码是用低电平表示逻辑 0 用高电平表示逻辑 1 的编码方式 非归零编码的缺点是 为了保持收发双方的时钟同步 需要额外传输同步时钟信号 2020 3 15 43 数据通信基础 数据传输原理 2 曼彻斯特编码 Manchester 每比特的中间有一次跳变 它有两个作用 一是作为位同步方式的内带时钟 二是用于表示二进制数据信号 可把 0 定义为由高电平到低电平的跳变 1 定义为由低电平到高电平的跳变 该编码的优点 一是 自带时钟信号 不必另发同步时钟信号 二是不含直流分量 3 差分曼彻斯特编码 DifferenceManchester 每比特的中间有一次跳变 它只有一个作用 即作为位同步方式的内带时钟 不论由高电平到低电平的跳变 还是由低电平到高电平的跳变都与数据信号无关 0 和 1 是根据两比特之间有没有跳变来区分的 如果下一个数据是 0 则在两比特中间有一次电平跳变 如果下一个数据是 1 则在两比特中间没有电平跳变 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的缺点都是效率较低 在每个比特中间都有一次跳变 所以时钟频率是信号速率的2倍 如为了达到10Mbps的数据传输速率 要求时钟频率至少为20MHz 2020 3 15 44 数据通信基础 数据传输原理 数字数据到数字信号的编码方法 a 不归零编码 b 曼彻斯特编码 c 差分曼彻斯特编码 2020 3 15 45 数据通信基础 数据传输原理 频带传输 在远距离传输中 经常采用电话线作为传输链路 由于电话线传输声音的频率范围 300 3400Hz 不适合于直接传输数字信号 需先将数字信号转换为模拟信号 到达目的地之后 再将其还原为数字信号 将数字信号变换为模拟信号的过程为调制 将模拟信号还原为数字的过程为解调 有三种基本调制方式 幅度调制 频率调制和相位调制 幅度调制 频率和相位不变 不同的振幅代表不同的数字 二进制 频率调制 振幅和相位不变 不同的频率代表不同的数字 二进制 相位调制 振幅和频率不变 不同的相位代表不同的数字 二进制 2020 3 15 46 数据通信基础 数据传输原理 3多路复用技术多路复用是在单一的通信线路 同时传输多个不同来源的信息 提高线路的利用率 降低成本 这就是所谓的多路复用 Multiplexing 多路复用分为两大类 频分多路复用 FDM 和时分多路复用 TDM A 频分多路复用 FDM 在介质上同时传输多路信号 每路信号以不同的载波频率进行调制 而且各个载波频率完全独立 即载波形成的信号不互相重叠 则各路信号可以成功地在介质上传输 a 原始信道 b 频率提升 c 多路复用后的信道 2020 3 15 47 数据通信基础 数据传输原理 B 时分多路复用 TDM 时分多路复用 TimeDivisionMultiplexing 是把时间分为若干个时间槽 Slot 每个用户分得一个时间槽 在其占用的时间槽内 该用户可以独享信道的全部带宽 时间槽的划分有交替性和周期性 交替性是指不会有连续的时间槽被单个用户连续占用 而是大家轮流占用各个时间槽 周期性是指时间槽的分配要有一定周期性地重复出现 我们来看一下作为PCM传输标准之一的T1信道是如何复用多路话音信号的 T1是在北美和日本广泛使用的标准 T1载波有24个信道组成 如图 每帧数据有193个比特 传输一帧数据的时间位传输125微秒 每帧的第一个比特是帧开始位 用于帧同步目的 另外有24个8比特的信道 每个信道有7位数据位和一位校验位 2020 3 15 48 数据通信基础 时分多路复用 2020 3 15 49 1 4 2差错控制技术 人们总是希望数据在通信线路中正确无误地传输 但是 信道内外的干扰与噪声又是不可避免的 传输出错 外来干扰 随机错 信号前后无关 突发错 出错位相关 纠正方法 电器性能 差错控制 差错控制 检测 纠正 处理 控制方法 时间冗余 设备冗余 数据冗余 差错控制技术 奇偶校验 海明校验 循环码冗余校验等 奇偶校验 垂直冗余校验VRC 奇偶校验以字符为单位校验 一个字符由8位组成 低7位为信息字符的ASCII代码 最高位为 奇偶校验位 B7B6B5B4B3B2B1B0原理 接收端 发送端 字符 中 1 的个数 奇 或 偶 2020 3 15 50 方块校验 水平垂直冗余校验LRC 在垂直冗余校验VRC的基础上 在一批字符传输之后 另加一个称为 方块校验字符 的校验位字符 奇偶校验位 VRC 字符110011000字符210000101字符310100100字符410010001字符510100001字符610000011方块校验字符 LRC 11110101上例是奇校验 采用这种方法 若二进制传输错 不仅从横行中VRC反映出来 也可以从纵行中 LRC 得到反映 有较强的校错能力 不仅能发现一位 二位或三位错 且可以自动纠正 使误码率降低2 4个数量级 2020 3 15 51 1 5计算机网络体系结构 1 5 1网络体系结构及计算机网络协议计算机网络体系结构 计算机网络的层次 网络拓扑结构 各层次的功能划分以及每层协议与接口的总称 网络协议 为完全不同的系统提供共同的用于通信的环境 LAN协议使得网络通信电缆上传递的简单的电子信号变得有意义 没有协议 网络通信是不可能存在的 为了让两个工作站能够充分地进行通信 他们必须使用相同的协议 就像两个人如果使用相同的语言 才能够更好地进行交流 2020 3 15 52 计算机网络体系结构是指网络的基本设计思想及方案 各个组成部分的功能定义 而层次结构是描述体系的基本方法 其特点是每一层多建立在前一层基础上 低层为高层提供服务 层次结构的优点 1 抽象化 每一个层次的内部结构对上下层均是不可见的 2 便于系统化和标准化 3 层次接口清晰 减少层次间传递的信息量 便于层次模块的划分和开发 4 与实现无关 允许用等效的功能模块灵活地替代某层模块而不影响相邻层次的模块 2020 3 15 53 计算机网络体系结构与协议 计算机网络也是由硬件和软件组成的硬件 传输介质 计算机或网络设备 以及介质和计算机之间相连的接口等 软件 控制信息传送的协议以及其他相应的网络软件 现在网络软件是高度结构化的 网络软件的构造技术是问题的关键 它包括了网络体系结构以及各个相关的协议 若干重要概念1 协议 实现计算机网络资源共享 信息交换 各实体之间经常要进行各种通信和对话 把国际互连网络叫做信息高速公路 要想在上面实现共享资源 交换信息 必须遵循一些事先制定好的规则标准 这就是协议 否则为所欲为 各行其是 其结果肯定是乱作一团 协议就是计算机网络中实体之间有关通信规则约定的集合 2020 3 15 54 计算机网络体系结构与协议 协议有三个要素 即 语义 Semantics 讲什么 控制信息的内容 需要做出的动作及响应 语法 Syntax 怎么讲 数据与控制信息的格式 数据编码等 时序 Timing 序速控 事件先后顺序和速度匹配 以两个人打电话为例来说明协议的概念 甲要打电话给乙 首先甲拨通乙的电话号码 对方电话振铃 乙拿起电话 然后甲乙开始通话 通话完毕后 双方挂断电话 在这个过程中 甲乙双方都遵守了打电话的协议 其中 电话号码就是 语法 的一个例子 一般电话号码由五到八位阿拉伯数字组成 如果是长途要加拨区号 国际长途还有国家代码等等 甲拨通乙的电话后 乙的电话振铃 振铃是一个信号 表示有电话打进 乙选择接电话 讲话 这一系列的动作包括了控制信号 响应动作 讲话内容等等 就是 语义 的例子 2020 3 15 55 计算机网络体系结构与协议 时序 的概念更好理解 因为甲拨了电话 乙的电话才会响 乙听到铃声后才会考虑要不要接 这一系列事件的因果关系十分明确 不可能没有人拨乙的电话而乙的电话会响 也不可能在电话铃没响的情况下 乙拿起电话却从话筒里传出甲的声音 2 分层计算机网络是一个非常复杂的系统 计算机 通信 材料 家电 应用不同 实现互连 互操作 开放性 互连 不同计算机之间 通过通信子网连接起来 进行数据通信 互操作 不同计算机用户 能通过通信子网上计算机 使用相同的命令 计算机网络体系结构 就是为不同计算机之间的互连 互操作提供相应的规范和标准的 为了降低设计复杂性 便于维护 提高运行效率 网络设计一般都采用层次结构 2020 3 15 56 层次结构的通信原理 用此图的例子来说明层次结构的通信原理 这两位经理都比较官僚 总之他们之间不能直接通话 他们每个人都有一位高级助理 负责起草公函 与贸易伙伴沟通的事务性工作 由于公司较大 业务繁忙 高级助理又有一些秘书负责打字 传真 接听电话等一般性工作 这样 公司就形成了三个层次的机构 甲方经理对乙方的供货不满意 希望对乙方经理表达退货的意思 于是他让自己的高级助理起草一份文件 发送出去 这位助理先生领会了经理的意思后 按照业界的惯例写了一份正式公函 并加上了一些冠冕堂皇的理由 然后把它交给秘书发送出去 秘书拿到公函 按照公司通信录查到乙公司的传真号码 整理好后发给了乙公司 乙公司的秘书接到传真后将有用的公函部分呈交给高级助理 而高级助理经过分析后 将关键内容汇报给了经理 乙公司经理对公文格式 表面理由都不感兴趣 当然他更不会关心最初收到的信息是传真 电子邮件还是邮寄信函 他所关心的只是甲公司经理的意见 2020 3 15 57 层次结构的通信原理 这里 甲乙公司都可以看作是网络结点 而经理 助手和秘书是一个个的通信实体 处于不同结点的相同层次的实体叫做对等实体 而协议实际上是对等实体之间的通信规则的约定 比如两个公司的秘书之间就有收发传真 和普通信函的协议 高级助理之间都遵照标准公函的协议 经理之间当然也有协议 不过那就是商人们的事情了 通信系统采用了层次化的结构 有许多优点 各层之间相互独立 高层不必关心低层的实现细节 可以真正做到各司其职 利于实现和维护 某个层次实现细节的变化不会对其他层次产生影响 易于标准化 2020 3 15 58 计算机网络体系结构与协议 分层原则 2020 3 15 59 系统 子系统 N层与实体 系统 网络中有自治能力的计算机或交换设备 从拓扑学的角度 我们往往也把它叫做网络结点或简称结点 图中每一个垂直列表示一个开放系统 子系统 对每一个开放系统均可以有N个划分 每一划分称为一个子系统 显然 每一个子系统与其上 下子系统进行交互作用 它们是通过子系统间的边界进行的 N层 指N个划分中 除去顶层和底层的任一层 通常称N层 与N层相连的上 下层次称为 N 1 层 N 1 层 这种概念也适应于协议 服务 功能等 2020 3 15 60 计算机网络体系结构系统 子系统 N层与实体 对等层 在所有的开放系统中 位于同一水平 同层 上的子系统 构成了对等层 对等层中的实体间能够发送和接收信息 实体 开放系统中 能够发送和接收信息的软件 如进程 和硬件 如智能I O芯片 称为实体 每层由多个实体组成 实体是系统中的活动元素 一个子系统可以包含一个或多个实体 位于不同系统中的同一层次的实体叫做对等实体 2020 3 15 61 协议栈 ProtocolStack 协议是关于同一层次的对等实体之间的概念 而协议栈是指特定系统中所有层次的协议的列表 网络体系结构 NetworkArchitecture 网络体系结构 NetworkArchitecture 是指层次结构与协议的集合 前面 我们已经介绍了协议和层次的概念 网络体系结构就是把他们组织在一起的有机的整体 由于有了网络体系结构的规范 网络开发人员就可以根据协议设计每一层的软件程序或是硬件设备 需要指出的是网络体系结构并不包括实现细节和接口规范 这些都是各个计算机系统设计者需要解决的问题 2020 3 15 62 接口 服务 访问点 接口 相邻两层之间的边界 N层通过接口为 N 1 层提供服务 换句话说 上层通过接口使用低层提供的服务 调用 上层叫作服务的使用者 低层叫作服务的提供者 访问点 服务的使用者和提供者通过服务访问点直接联系 所谓服务访问点SAP ServiceAccessPoint 是指相邻两层实体之间通过接口调用服务或提供服务的联系点 服务 N实体向N 1实体提供的N层服务是由下述三部分组成 1 N实体自身提供的某些功能 2 由 N 1 层及其以下各层及本地系统环境提供的服务 3 与另一开放系统中的对等 N 实体的通信而提供的服务 服务是同一开放系统中相邻层之间的操作 协议是不同开放系统的对等实体间虚拟通信所必须遵守的规定 2020 3 15 63 服务原语 服务并不抽象 它由一系列的服务原语来描述 所谓原语 就是不可再细分的意思 在接口的服务访问点上 服务使用者看到的只是几个简单的原语 关于原语是如何实现的 完全是服务提供者自己层次内部的事情 在接口上完全不必考虑 常用原语有 请求 Request 表示某实体希望开始调用服务做事 指示 Indication 表示某实体被通知有事件发生 响应 Response 表示某实体对事件做出响应 确认 Confirm 表示对发回响应的确认 以打电话为例说明服务原语 甲和乙位于高层 是服务的使用者 电话机位于低层 是服务的提供者 为打电话的人提供上述四个服务原语 首先 甲在自己的电话机上拨乙的电话号码 发出 请求 乙的电话机响铃 指示 给乙有电话打进来 乙拿起电话 作为 响应 甲的电话由振铃音变为通话音 甲就收到了可以通话的 确认 2020 3 15 64 数据单元 在OSI RM中规定了下属数据单元 服务数据单元 SDU 相邻层实体间传送的数据单元 并将N 1层与N层传送信息的服务数据单元记为 N SDU 协议数据单元 PDU 对等实体之间传送的数据单元 并将N层的协议数据单元记为 N PDU N PDU由两部分组成 N用户数据单元 N UD和N协议控制信息 N PCI 如果某层协议控制单元只用于控制 则协议数据单元中的用户数据可省略 接口数据单元 IDU 相邻实体间通过层间服务访问点一次交互信息的数据单元 称为接口数据单元 并将之记为 N IDU N IDU由两部分组成 N与N 1层间的交互数据 称为接口数据 记为 N ID 另一部分是为了控制N与N 1层间的交互操作而附加的控制信息 记为 N ICI 2020 3 15 65 对等实体间的数据交换方式 面向连接的服务面向连接的服务就象打电话 有一个明显的拨通电话 讲话 再挂断电话的过程 面向连接服务的提供者也要作建立连接 维护连接和拆除连接的工作 这种服务的最大好处就是可靠性高 而且保证数据顺序传输 无连接的服务无连接的服务就像发电报 电报发出后你并不能马上确认对方已经收到 无连接的服务不需要维持连接的额外开销 但是可靠性较低 也不保证数据的传输顺序 2020 3 15 66 1 5 2国际标准化组织的OSI RM简介 由于计算机网络体系结构的实现方法不尽相同 为了把网络互连起来 达到信息相互交换 资源共享 分布应用的目的 国际标准化组织ISO InternationalStandandsOrganization 提出了开放系统互连参考模型OSI OpenSystemsInterconnection 后来便出现了ISO OSI参考模型 ISO OSI参考模型定义了网络通讯的七个功能层 即物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 并规定了每层的功能以及不同层的协调方法 2020 3 15 67 OSI参考模型示意图 2020 3 15 68 OSI RM简介 1 物理层 通过物理链路来传送比特信息 物理层协议的设计问题主要是建立 维护和释放物理链路所需的机械的 电气的 光学的 功能的和规程的特性 通常一个网络内可以有好几种不同的物理层类型 甚至一个节点也可能有多种不同的物理层类型 这是因为不同的技术要求各自的物理层 2 数据链路层 也称为链路层 通过物理链路来传输成块的信息 它主要负责处理的任务 数据出错校验 协调共享媒体的使用以及编址 当多个系统都可以访问时 如在某个LAN中 另外 不同的链路通常也由不同的数据链路层实现 而且 同一个节点可以支持几种不同的数据链路层协议 节点所连的每一类链路都有自己的协议 2020 3 15 69 OSI RM简介 数据链路层的主要功能是在物理层提供的比特服务基础上 在相邻结点之间提供简单的通信链路 传输以帧为单位的数据 同时它还负责数据链路的流量控制 差错控制 数据链路层将物理层提供的比特流组成帧 即将发送方若干比特的数据组成一组 加上 开始 结束 标志和检错代码等 形成有固定格式的数据帧 需要指出的是 数据帧仅仅对数据链路层的通信实体有意义 只有该层的实体才知道哪些是帧的控制信息 哪些是高层的有效数据 数据帧最终要通过物理层 再经过传输介质才能发送和接收 对物理层来说 它看到的只有 0 信号和 1 信号 而没有任何特殊的意义 流量控制也是数据链路层的重要功能 2020 3 15 70 3 网络层 使得网络中的任何一对系统间都可以相互通信 一个全互连的网络是指其中的每一个节点都和其他节点直接相连 但是这种拓扑结构不可能用于有很多节点的情况 比较典型的情况是 网络层必须找到一条通过一系列相连节点的路径 且路径上的每一个节点必须向适当的方向转发数据包 网络层处理的主要任务是 路由计算 数据包的分段和重组 当网络中的不同链路有不同的最大包大小限制时 和拥塞控制 4 运输层 在两个系统之间建立一条可靠的通信链路 它主要处理一些由网络层引起的错误 比如包丢失和重复包等错误 以及对包进行重新排序 分段和重装 这样可以避免网络层进行低效的分段和重装 另外 这也有助于运输层在网络发生拥塞时可以相应降低发送数据的速率 2020 3 15 71 5 会话层 ISO认为会话层对于因特网体系来说并没有太大作用 ISO会话层提供的服务超出了运输层提供的简单全双工可靠通信流 比如对话控制 实现系统间的特殊通信模式 和链接 捆绑一组数据包 使得它们要么都发送 要么都不发送 不管这一层是什么 它都跟下层的网络设备如网桥以及路由器等无关 6 表示层 这一层的设计目的是为了对数据的表示取得一致 这样人们就可以定义自己的数据结构 而不必担心比特 字节顺序或者浮点数该如何表示之类的问题了 7 应用层 为用户应用进程访问OSI提供接口 并负责信息的语义表示 这些应用包括文件传输 虚拟终端及Web浏览等 在一个节点上通常有多个应用程序同时运行 2020 3 15 72 1 5 3OSI参考模型中的数据传输 2020 3 15 73 OSI参考模型中的数据传输 上图所示的是OSI参考模型中数据的传输方式 所谓数据单元是指各层传输数据的最小单位 在上图中最左边一列交换数据单元名称 是指各个层次对等实体之间交换的数据单元的名称 PDU 协议数据单元 就是对等实体之间通过协议传送的数据 APDU 应用层的协议数据单元 PPDU 表示层的用户数据单元 直到网络层的协议数据单元 通常我们叫它数据分组或数据包 Packet 数据链路层是数据帧 Frame 物理层是比特 图中自上而下的实线表示的是数据的实际传送过程 2020 3 15 74 OSI参考模型中的数据传输 发送进程需要发送某些数据到达目标系统的接收进程 数据首先要经过本系统的应用层 应用层在用户数据前面加上自己的标识信息 H7 叫做头信息 H7加上用户数据一起传送到表示层 作为表示层的数据部分 表示层并不知道哪些是原始用户数据 那些是H7 而是把它们当作一个整体对待 同样 表示层也在数据部分前面加上自己的头信息H6 传送到会话层 并作为会话层的数据部分 这个过程一直进行到数据链路层 数据链路层除了增加头信息H2以外 还要增加一个尾T2 然后整个作为数据部分传送到物理层 物理层不再增加头 尾信息 而是直接将二进制数据通过物理介质发送到目的结点的物理层 目的结点的物理层收到该数据后 逐层上传到接收进程 其中数据链路层负责去掉H2和T2 网络层负责去掉H3 一直到应用层去掉H7 把最原始用户数据传递给了接收进程 2020 3 15 75 OSI参考模型中的数据传输 这个在发送结点自上而下逐层增加头 尾 信息 而在目的结点又自下而上逐层去掉头 尾 信息的过程叫做封装 encapsulation 封装是在网络中很常用的手段 协议数据单元主要用于描述同一层次中的对等实体之间的虚连接 如上图中的横向带箭头虚线所示 纵向传输的数据用接口数据单元 IDU 表示 接口数据单元指相邻层次之间通过接口传递的数据 它分为两部分 即接口控制信息和服务数据单元 其中接口控制信息只在接口局部有效 不会随数据一起传递下去 而服务数据单元 是真正提供服务的有效数据 它的内容基本上与协议数据单元一致 2020 3 15 76 1 5 3TCP IP协议简介 TCP