《网络技术及应用》PPT课件.ppt

数据 Data 是对客观事实进行描述和记载的物理符号 是传递 携带 信息的载体 信息 Information 是数据的含义或解释 信号 Signal 数据的物理量编码 通常为电磁编码 数据以信号的形式在介质中传播 3 1数据通信的基本概念 3 1 1数据与信号 模拟信号模拟信号是指时间连续 幅值可连续取值的信号 如 语音信号 温度 压力传感器的输出信号 数字信号 t 模拟信号与数字信号可相互转化 数字信号指幅度的取值被限制在有限个离散数值之内的信号 二进制码就是一种数字信号 计算机数据 数字电话和数字电视等都是数字信号 计算机产生的数字信号 频谱范围从0赫起可高到数兆赫 这个频带叫基本频带 简称基带 baseband 3 1 2并 串行通信 并行通信定义数据中多个数据位 以成组方式在两条以上的并行信道上同时传输 数据通信方式 发送端10011101 接收端10011101 并行通信信道 发送端10011101 接收端10011101 适用情况通信距离较近的情况优点字符同步 速度快缺点需要传输信道多 设备复杂 成本高 距离近时 如几十米范围内且要求快速传输 一般采用并行通信 并行通信指发送端同时传输多位 如32位或64位二进制信号 数据到接收端 并行通信传输数据速率高 但要求在两台相互通信的计算机之间安装一根至少含有或干数据芯线的电缆 对于长距离的数据传输 并行电缆的价值就非常昂贵 2 串行通信定义数据流以串行方式在一条信道上传输 适用情况通信距离较远的情况优点该方法实现简单 采用较多缺点为解决收 发方码组或字符同步 需要外加同步措施 速度慢 根据数据信息在传输线上的传送方向 串行通信又分为单工通信 半双工通信和全双工通信三种 单工通信是指 两个设备之间只能传输数据 信号流始终沿一个方向流动 半双工通信是指 数据可以双向传送 但同一时刻只允许一个方向传送 该方式要求通信两端都有发送装置和接受装置 数据传输方向可以在通信前或通信过程中切换 半双工通信也需要两条传输线 一条传输数据代码 一条传输控制信号 该方式适用用于终端之间的会话式通信 全双工通信是指 数据可以双向传送 而且可以同时传送 即能同时双向进行通信 全双工通信需要四条传输线 特别适用于计算机之间通信 因此计算机网络中目前基本上都是采用全双工通信方式 单 双工通信 1 单工通信定义数据单向传输适用无线电广播 有线电广播 电视 2 半双工通信定义信息流可以在两个方向上传输 但同一时刻只限于在一个方向传输 适用对讲机优点节省传输线路缺点效率低 信息 传输信道 发送设备 接收设备 接收设备 发送设备 3 全双工通信定义数据能同时沿信道的两个方向传输 即通信的一方在发送信息的同时也能接收信息 其收 发信道分开设置 适用计算机网络中数据通信特点效率高但结构复杂 成本高 信息 传输信道 发送设备 A 接收设备 A 接收设备 B 发送设备 B 传输信道 3 1 2数据通信系统基本结构 噪声任何信道都不完美 对传输的信号产生干扰 信源产生和发送信息的设备 发送器根据传输介质特性 进行信号变换 接收器接受信号 还原成合适的信号 信宿接受和处理信息的设备 信道信源和信宿间的通信线路 DCE DataCommunicationsEquipment 数据通信设备 它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能 并负责建立 保持和释放链路的连接 如Modem DCE设备通常是与DTE对接 2 信号传输率与数据传输速率 信号传输率 波特率 B单位时间内传送的波形数 单位为波特 Baud 又称波形速率 线路上每秒钟传送的波形个数 或称码元速率 数据传输率 比特率 S单位时间内所传送的二进制信息的位数 单位为位 秒 记作bps或b s 3 带宽物理信道频带宽度 即信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差 单位 Hz 在计算机网络中 带宽可以理解为数据传输率 单位bps 同轴电缆 粗 细 金属导体 光纤 无线 无线电 微波 红外线 3 4传输介质 双绞线 3 4 1双绞线 TwistPair TP 螺旋绞合的双导线 每根4对 典型连接距离100m LAN RJ45插座 插头 优缺点 成本低安装容易 综合布线系统 抗干扰性一般 内导体芯线 绝缘 内屏蔽 外屏蔽 外套 非屏蔽双绞线 UTP 以铜网或铝箔屏蔽以减少干扰和串音 应用较少 无任何屏蔽层 应用广泛 2 4传输介质 双绞线的分类 屏蔽双绞线 STP 4类双绞线最高传输速率为16Mb s 可用于语音传输和数据传输 双绞线分类 3类双绞线最高传输速率为10Mb s 用于语音和数据传输 5类双绞线最高传输速率达到100Mb s 超5类双绞线最高传输速率达到1000Mb s 6类双绞线用于千兆以太网 双绞线的连接标准 ANSI EIA TIA568 商业大楼电信布线标准 规定了两种双绞线的线序 EIA 568A绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕 EIA 568B橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕 应用 交叉线 同种接口交换机 交换机 PC PC HUB HUB 标准端口 直连线 异种接口PC 路由器 交换机 HUB HUB HUB 级连端口 交叉线和直连线 交叉线 直连线 3 4 2同轴电缆 组成 分类 细缆 粗缆 3 4 3光纤 传输原理 光的全反射 光从折射率高的介质 纤芯 射到折射率低的介质 玻璃包层 时会产生折射 当入射角 临界值时产生全反射 不泄漏 光从折射率高的介质 纤芯 射到折射率低的介质 玻璃包层 时 当入射角 临界值时产生全反射 不泄漏 折射角 入射角 包层 低折射率的媒体 纤芯 高折射率的媒体 包层 纤芯 有光脉冲 1 无光脉冲 0 3 4 3光纤 传输原理 光的全反射 光纤的分类 多模光纤 单模光纤 可以让多条光波以不同的入射角 但必须大于临界值 进入同一条纤芯进行传输 将这类光纤称为多模光纤 当光纤的直径减小到只允许一个波长的光波传输时 这时的光纤就如同一根波导体 没有反射 而是沿直线传输 这种光纤称为单模光纤 多模光纤与单模光纤 多模光纤 由光发送机产生光束 将表示数字代码的电信号转变成光信号 在光纤中传播 接受端由光接收机接收光纤上传来的光信号 并将其还原成为电信号 光纤收发器集成了光发送机和光接收机的功能 既负责光的发送也负责光的接收 光传输系统 光纤的优缺点 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需要光电转换 3 4 4无线传输介质 主要类型 应用领域 无线电微波红外线 适用于长距离或不便布线的场合 缺点 易受干扰 为障碍物所阻隔 地面微波通过地面站之间接力传送接力站之间距离 50 100km速率 每信道45Mb s 地球同步卫星与地面站相对固定位置用3颗卫星可覆盖全球传输延迟时间长 270ms 广播式传输 数据交换在通信子网中 站点间的数据传输过程称为数据交换 分类 电路交换 存储转发交换 报文交换 分组交换 数据 通信 交换技术 结点和站点 结点 用于数据交换的中间设备 站点 发送和接收数据的终端设备 通过网络中的结点在两个站点之间建立专用的通信线路进行数据传输的交换方式 是指按照需求建立连接并允许专用这些连接直至它们被释放这样一个过程 电路交换网络包含一条物理路径 并支持网络连接过程中两个终点间的单连接方式 电路交换 Circuitswitching 过程 建立线路占用线路进行数据传输释放线路 电路交换举例电话公司在用户呼叫期间为用户呼叫号码设定一条特定的物理路径 该路径专用于两终点双方间的连接 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电路交换的特点 独占性实时性好线路交换设备简单用户数据透明传输 要求收发双方自动进行速率匹配 不具备差错控制能力 数据传输可靠 迅速 数据不会丢失 且保持原来的序列 线路利用率低 电路交换的应用场合 持续通话和实时性要求强的场合 当传输实时数据时 诸如音频和视频 或当服务质量 QOS 要求较高时 通常使用电路交换网络 原理 数据与目的地址 源地址 控制信息按照一定格式组成一数据单元 报文或报文分组 进入通信子网 通信子网的中间结点 通信控制处理机 负责接收数据单元 暂存 差错校验 根据地址确定输出端口和线路 排队等待线路 转发给下一结点 直至终点 数据交换前 先通过缓冲存储器进行缓存 然后按队列进行处理 3 6 2存储转发交换 存储转发方式的优点 结点可以存储报文 或分组 因此多个报文 或分组 可以共享通信信道 线路利用率高 报文 或分组 在通过各结点时 要进行差错检查与纠错处理 可减少传输错误 提高线路传输可靠性 结点具有路由功能 可动态选择报文 或分组 传输的最佳路径 可平滑通信量 提高系统效率 结点可对不同通信速率的线路进行速率转换 也可对不同的数据代码格式进行变换 1 报文交换 原理 在要发送的数据上加上目的地址 源地址 控制信息等组成报文 以报文为单位进行 存储 转发 交换 交换过程中 交换设备将收到的报文先存储在交换机的存储器中 待信道空闲时再转发到接收交换机或用户终端 一级级中转 直到目的地 2 存储转发的分类 报文交换 分组交换 分类 特点 相邻结点仅在传输报文时建立结点间的连接 整个报文 Message 作为一个整体一起发送 没有建立和拆除连接所需的等待时间 线路利用率高 报文大小不一 造成存储管理复杂 且对存储容量要求较高 大报文造成存储转发的延时过长 出错后整个报文全部重发 通过接收 必要时存储并继续传送消息来对其进行路由选择的一种交换方式 电子邮件系统 E mail 适合采用报文交换方式优点 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 不存在连接建立时延 用户可随时发送报文 由于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 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b 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 c 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 d 允许建立数据传输的优先级 使优先级高的报文优先转换 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 缺点 由于数据进入交换结点后要经历存储 转发这一过程 从而引起转发时延 包括接收报文 检验正确性 排队 发送时间等 而且网络的通信量愈大 造成的时延就愈大 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 报文交换只适用于数字信号 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 为了降低成本 减少结点的缓冲存储器的容量 有时要把等待转发的报文存在磁盘上 进一步增加了传送时延 2 分组交换 原理 分组交换是以分组为单位进行传输和交换的 它是一种存储 转发交换方式 即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理 等到相应的输出电路有空闲时再送出按交换设备所能处理和传输的数据长度 将长报文分成若干个分组进行传输 分组交换的基本原理是采用 存储 转发 技术 从源站发送报文时 将报文划分成有固定格式的分组 Packet 每一组报文加上交换时所需的目的地址 控制 首部 和差错校验信息 按规定的格式构成一个数据单位 通常被称为报文分组或包 然后网络中的交换机将源站的分组接收后暂时存储在存储器中 再根据提供的目的地址 不断通过网络中的其它交换机选择空闲的路径转发 最后送到目的地址 这样就解决了不同类型用户之间的通信 并且不需要像电路交换那样在传输过程中长时间建立一条物理通路 而可以在同一条线路上以分组为单位进行多路复用 所以大大提高了线路的利用率 首部 首部 首部 发送 发送 接收端 数据 首部 数据 首部 数据 首部 11010011101 00101001110 首部 2 分组交换 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块每个块增加带有控制信息的首部构成分组 包 依次把各分组发送到接收端接收端剥去首部 抽出数据部分 还原成报文 因特网的分组交换 TCP TCP IP网络 当部分结点或链路被摧毁时分组交换仍可保持网络畅通 路由器 提高线路利用率 各分组可通过不同路径传输 容错性好 对转发结点的存储要求较低 可用内存来缓冲分组 速度快 转发延时小 适于交互式通信 有强大的纠错机制 流量控制 拥塞控制和路由选择功能某个分组出错可以仅重发出错的分组 效率高 缺点需要分割报文和重组报文 增加了端站点的负担 分组交换的优点 分组交换的分类 交换方式 数据报方式 datagram DG 虚电路方式 virtualcircuit VC 3 6 3数据报方式 面向无连接数据传输 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 无连接的 数据报的前部有地址信息和序号 结点须具有存储各分组 独立地确定路由的功能 不能保证分组按序到达 目的站点需要按分组编号重新排序和组装 3 6 4虚电路方式 提供 面向连接 的服务 通信前预先建立一条逻辑连接 虚电路 目的结点向源结点发送呼叫接收分组 将沿途所经过的节点序列定义为一个虚电路号 传送到原结点 数据传输时 分组上需指定虚电路号 分组号 检验等信息 通过 数字管道 传到目的地 分组按序到达 异步传输模式 AsynchronousTransferMode 是一种快速分组交换技术 信息以固定长度的信元为单位进行传送 每个信元由5个字节的首部和48字节的用户数据组成 信元首部包含着传输信息所必需的地址和控制信息 采用信元交换技术 网络不对用户数据进行检查 信元交换方式适用于各种类型信息的传输 是提供综合业务的网络技术基础 3 6 5信元交换 ATM 三种交换的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 连接建立 数据传送 连接释放 交换机交换机 英文 Switch 意为 开关 是一种用于电信号转发的网络设备 它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路 最常见的交换机是以太网交换机 另还有电话语间交换机 光纤交换机 电话语音交换机 一 交换机的工作原理 1 交换机的每个端口内部都配有缓冲器 使交换机可以以存储 转发方式工作 交换机的内存中有一张地址表 地址转发表 反映了交换机的端口号和该端口号上所连接的主机网卡的MAC地址之间的对应关系 2 当连接在交换机上的某主机发送信息时 交换机会从缓冲器中读出源MAC地址 与端口号一起填入地址表中 当所有连接在交换机上的主机都发送过信息时 就会形成一张完整的地址映射表 交换机工作原理 3 交换机某端口接收到一个数据帧时 它从缓冲区中取出目的MAC地址 通过查找地址表获取目的主机所连接的端口号 转发机构通过背板将源端口和目的端口连通以实现数据转发 这种端口之间的连接右以根据需要同时建立多条 也就是说可以在多个端口之间建立多个并发连接 如表中有与这目的MAC地址对应的端口 把数据包直接复制到这端口上 4 如表中找不到相应的端口则把数据包广播到所有端口上 当目的机器对源机器回应时 交换机又可以查看一目的MAC地址与哪个端口对应 在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播 不断的循环这个过程 对于全网的MAC地址信息都可以学习到 交换机就是这样建立和维护它自己的地址表 交换机工作原理 A B C D 交换机工作原理 A B C D D 广播地址在数据链路层表示为FFFF FFFF FFFF该地址不会被交换机学习到目的地址为该地址的数据帧将被交换机扩散 0260 8c01 1111 0260 8c01 2222 0260 8c01 3333 0260 8c01 4444 E0 E1 E2 E3 D C A B E0 0260 8c01 1111 E2 0260 8c01 2222 E1 0260 8c01 3333 E3 0260 8c01 4444 MAC地址表 交换机工作原理 A B C D 二 交换机的帧转发方式1 直接交换方式交换机只要接收检测到目的地址 就立即将该帧转发出去 而不管这一帧是否出错 帧出错校验由节点机完成 优点是交换延迟时间短 速度快 缺点是缺乏差错检测功能 不支持不同输入 输出速率的端口之间的帧转发 2 存储 转发方式交换机首先完整地接收发送帧 然后交换机读取目的地址和源地址 并进行差错检测 如果帧正确 则根据帧的目的地址确定输出端口号 然后再转发出去 优点 过滤所有的错误 具有差错检测能力 并能支持不同输入 输出速率的端口之间的帧转发 缺点 交换延迟时间较长 低效率 帧越大 转发越慢 点对多点 3 改进的直接交换方式 无碎片转发 将以上两种结合 在接收到帧的64字节后 判断以太网的帧头是否正确 如果正确则转发出去 优点 具有交换延时短的优点 过滤大部分错误 缺点 只检测帧前64字节 只对帧头进行校验 而对数据部他无校验功能 交换机功能 I 交换i IP包的转发实现方式 1 传统软件实现 优点 成本低 适用于小型局域网 为接入层位置的交换机档次缺点 QoS一般 在汇聚层 核心层 大中型网络的接入层传统软件实现分配方式已经不能满足大容量数据流的吞吐需要 2 ASIC硬件转发引擎保证QoSii 帧 frame 交换 1 帧的交换基于MAC地址信息 如果知道目标地址 第二层交换机会将以太网帧转发到适当的接口 第二层交换的缺点 如果第二层交换机不知道将帧发送到何处 它会将该帧广播转发到所有端口 以了解正确的目标地址 此种情况类似于集线器的功能 对于规模较大的网络来说 这种广播转发操作会产生严重的问题 因为所有这些广播的处理会造成性能的大幅度降低 交换机利用这种技术来建立和维护一个跟踪帧目标地址的交换表 第二层交换的优点 由于第二层交换相对简单 网络管理员可以建立管理简便且能扩展到数百个节点的网络 而不会遇到太多的第二层广播问题 第二层交换机为网络提供了以下优点 高带宽 将专用带宽分配到每一个端口 为各个用户提供优异的性能 每一个交换机端口表示一个不同的网段 因此每个用户可以获得特定数量的带宽 每个专用网段还能与单项业务一起接收广播业务 VLAN 交换机能够将各个端口组合到逻辑工作组 虚拟局域网或VLAN 每个VLAN组在逻辑上与交换机的其它部分分离 可帮助将广播业务控制在特定的VLAN组 这提供了以下两个主要优点 网络设计人员可以利用VLAN来建造能避免特大广播域问题的大型