现场总线技术-第2讲-3 数据通信基础与网络互连

数据通信基础与网络互联,第二讲 数据通信基础与 网络互联,数据通信基础与网络互联,2.3 网络互联,2.3.1 计算机网络的发展2.3.2 网络体系结构与参考模型2.3.3 OSI参考模型2.3.4 TCP/IP参考模型2.3.5 网络互联设备,2.3.1 计算机网络的发展,数据通信基础与网络互联,第一阶段：数据通信技术的研究与应用为计算机网络的产生做好了技术准备；第二阶段：美国的ARPANET与分组交换技术开始；第三阶段：国际化组织ISO与TCP/IP协议的研究和发展；Internet的广泛应用与高速网络、接入网、网络安全技术的发展。,2.3.1 计算机网络的发展,数据通信基础与网络互联,具有通信功能的单机系统,具有通信功能的多机系统,计算机主机,终端,终端,终端,计算机主机,计算机主机,终端,终端,终端,终端,终端,终端,计算机-计算机网络,2.3.1 计算机网络的发展,数据通信基础与网络互联,2.3.1 计算机网络的发展,数据通信基础与网络互联,最早的分组交换网ARPANET,世界上第一个分组交换网由美国国防部高级研究计划局 DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)于1969年(冷战时期)建立，目的是建立一个用于军事的作战指挥网络系统。原理：分组交换； 构成：IMP(接口报文处理器)、HOST(主机)；目的：远程登录,2.3.1 计算机网络的发展,数据通信基础与网络互联,ARPANET是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，它对计算机网络技术发展的主要贡献表现在以下几个方面：完成了对计算机网络定义、分类的研究；提出了资源子网、通信子网的网络结构概念；研究了分组交换方法；采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系；,2.3.1 计算机网络的发展,数据通信基础与网络互联,通信子网,CCP,HOST,CCP,HOST,CCP,CCP,HOST,HOST,资源子网,CCP：通信控制处理机,2.3.1 计算机网络的发展,数据通信基础与网络互联,局域网,城域网,广域网,2.3.2 网络体系结构与参考模型,数据通信基础与网络互联,网络分层结构 原因：通信过程复杂 好处：各层之间相互独立, 相邻层间交互只通过接口，整个问题复杂度下降;结构上可分割开，各层都可以采用最合适的技术来实现;每一层功能简单, 易于实现和维护;某一层需改动时, 只要不改变接口服务关系, 其它层则不受影响;,2.3.2 网络体系结构与参考模型,数据通信基础与网络互联,协议：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。 接口：相邻两层之间的边界，在接口处规定了低层向上层提供的服务，以及服务所使用的形式规范语句(服务原语)。 服务：某一层提供的功能，并能通过接口提供给其相邻上层。 网络体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合，是对网络及其组成部分所应完成的功能的精确定义。 协议栈： 网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列。,基本概念,2.3.2 网络体系结构与参考模型,数据通信基础与网络互联,- 摘自计算机通信与网络徐州建筑职业技术学院,2.3.2 网络体系结构与参考模型,数据通信基础与网络互联,011101000011000010100101111010110,数据,报文报文分组帧比特电/光脉冲,封装 拆封,物理层,数据链路层,网络层,传输层,应用层,数据的传输,Open System Interconnection为异种计算机互联提供的一个共同基础和标准框架OSI参考模型提供了概念性和功能性结构，将开放系统的通信划分为7个层次，各层次的协议细节由各层次独立进行；分层原则为将相似的功能集中在同一层中，功能差别较大时分层处理，每层只对相邻的上下层定义接口。,2.3.3 OSI参考模型,数据通信基础与网络互联,2.3.3 OSI参考模型,数据通信基础与网络互联,PDU: Protocol Data Unit,2.3.3 OSI参考模型-物理层,数据通信基础与网络互联,物理层的位置与功能,功能：在物理媒体上传输原始的数据比特流内容：同具体的物理媒体有关，定义了设备间的物理接口及比特传输规则,2.3.3 OSI参考模型-物理层,数据通信基础与网络互联,物理接口 机械特性：如接插件规格 电气特性：如信号电平 传输规则 功能特性： 如引脚功能 规程特性： 如何通信具体表现 线路结构：点对点、多点 传输方式：单工、半双工、全双工 拓扑结构：网状、星型、树型、总线、环型 编码方式：单极、双极、双相等等 物理介质：电缆、光纤、无线介质,2.3.3 OSI参考模型-物理层,数据通信基础与网络互联,数据通信基础与网络互联,2.3.3 OSI参考模型-数据链路层,数据链路层的位置与功能,功能 在相邻节点间无差错地传输一帧数据内容寻址和封装加入头尾信息（如头部的源和目标的物理地址）同步通知接收者开始接收帧数据差错控制加入数据校验码流控制协调收、发双方数据传输速率，以免收方缓冲溢出,2.3.3 OSI参考模型 -数据链路层,数据通信基础与网络互联,2.3.3 OSI参考模型-网络层,数据通信基础与网络互联,网络层的位置与功能,目的数据链路层解决了相邻两直接连接节点之间的通信问题，不涉及数据经过通信子网中多个转接节点的通信问题。设立网络层的目的是要使报文分组以最佳路径通过子网到达目的主机，网络用户不必关心网络拓扑结构及所使用的通信介质，通过网络层的控制作用，实现不同网络之间的数据交换。主要功能提供虚电路和数据报两种分组传输服务； 分组转发和路由更新；拥塞控制,2.3.3 OSI参考模型 -网络层,数据通信基础与网络互联,2.3.3 OSI参考模型 -网络层,数据通信基础与网络互联,- 摘自计算机通信与网络徐州建筑职业技术学院,面向连接的网络服务,2.3.3 OSI参考模型 -网络层,数据通信基础与网络互联,- 摘自计算机通信与网络徐州建筑职业技术学院,无连接的网络服务,2.3.3 OSI参考模型 -网络层,数据通信基础与网络互联,路由选择算法,算法应具有如下特点：正确、简单、适应通信与拓扑的变化、稳定、对用户是公平性、对某一性能指标（如链路长度、链路容量、传输速率、传输时延等）最佳。静态策略 固定路选算法 分散路选算法 扩散路选算法动态策略 孤立自适应路选算法 反向感知法 分布式路选法 集中式路选法,2.3.3 OSI参考模型-网络层,数据通信基础与网络互联,当注入通信子网中分组太多，受限于处理能力和缓冲能力中间节点来不及处理，而导致网络性能大幅度下降的现象称为拥塞。 可采用预先分配缓冲期资源、允许节点在必要时丢弃分组、限制进入通信子网的分组数等方法进行拥塞控制。,拥塞控制,2.3.3 OSI参考模型 -传输层,数据通信基础与网络互联,传输层在源节点和目的节点之间提供端到端的可靠地传输服务。端到端指的是源节点和目的节点的两个传输层实体之间，不涉及路由器等中间节点。 传输层具备功能：传输连接的建立和拆除、流量控制、拥塞控制、差错控制、网络服务质量的选择等。,会话层在传输层服务的基础上增加控制会话的机制，建立、组织和协调应用进程之间的交互过程；表示层定义用户或应用程序之间交换数据的格式，提供数据表示之间的转换服务，保证传输的信息到达目的端后意义不变；应用层直接面向用户应用，为用户提供对各种网络资源方便的访问服务。,2.3.3 OSI参考模型,数据通信基础与网络互联,2.3.4 TCP/IP参考模型-模型结构,数据通信基础与网络互联,主机至网络层互联网层主要功能是使主机可以把分组发往任何网络并使分组独立地传向目标传输层功能是使源端和目标端主机上的对等实体可以进行会话，包含TCP和UDP两个协议TCP：传输控制协议，面向连接的协议；UDP：用户数据报协议，是不可靠的，无连接协议。应用层,2.3.4 TCP/IP参考模型-协议与网络,数据通信基础与网络互联,数据通信基础与网络互联,2.3.4 TCP/IP参考模型-网络互联规范IEEE802标准,IEEE 802标准主要涉及物理层、数据链路层以及网络层的一部分,MAC（Media Access Control）:负责解决设备使用共享信道的问题。LLC（Logical Link Control）:负责完成通常意义下的数据链路层功能，如差错控制、流量控制等。,数据通信基础与网络互联,2.3.4 TCP/IP参考模型-网络互联规范IEEE802标准,局域网可采用多种传输介质与拓扑，相应地介质访问控制方法就有多种。将数据链路层分成两个子层，只要设计合理，使得MAC子层向上提供统一的服务接口，就能将底层的实现细节完全屏蔽掉。即：不同的物理网络，物理层与MAC子层不同， 而LLC子层相同，网络的上层协议可运行于任何一种IEEE 802标准的局域网上。 这种分层方法也使得IEEE 802标准具有良好的可扩充性，可以很方便地接纳新的介质与介质访问控制方法。,数据通信基础与网络互联,2.3.4 TCP/IP参考模型-网络互联规范IEEE802标准,IEEE 802标准主要涉及物理层、数据链路层以及网络层的一部分,数据通信基础与网络互联,2.3.4 TCP/IP参考模型-网络互联规范IEEE802标准,802.1： 体系结构和桥接802.2： 逻辑链路控制LLC802.3： CSMA/CD总线网的 MAC 和 PHY 规范802.4： 令牌总线网的 MAC 和 PHY 规范802.5： 令牌环网的 MAC 和 PHY 规范 802.6： 城域网 DQDB 的接入方法和物理层规范802.7： 宽带技术802.8： 光纤技术802.9： 综合话音数据局域网（Voice/Data Integration）802.10：可互操作的 LAN / MAN 安全802.11：无线局域网（WLAN）的 MAC 和 PHY 规范802.12：优先级高速局域网（100BaseVG AnyLan）802.14：电缆电视（Cable-TV）网上的数据传输802.15：无线个人网（WPAN / Bluetooth）802.16：宽带无线接入（BWA, i.e. WirelessMAN）802.17：弹性分组环（Resilient Packet Ring）802.18：无线电调整（Radio Regulatory）802.19：共存（Coexistence）802.20：移动宽带无线访问（MBWA ,i.e. Wireless Mobility）,2.3.4 TCP/IP参考模型-网络互联规范IEEE802标准,数据通信基础与网络互联,星型拓扑：交换机网络总线拓扑：广播式以太网环型拓扑：令牌环网，FDDI树型拓扑：层次级网络结构，比如主干网与子网之间网型拓扑：广域网，Internet骨干网,2.3.4 TCP/IP参考模型-网络互联规范IEEE802标准,数据通信基础与网络互联,IEEE 802.3 标准系列,2.3.4 TCP/IP参考模型- IEEE 802.3总线局域网网卡,数据通信基础与网络互联,数据通信基础与网络互联,功能网卡完成物理层和数据链路层的大部分功能，包括物理连接、介质访问控制（CSMA/CD）、数据帧的封装与解封、帧的发送与接收、错误校验、数据信号的编码与解码、数据的串、并行转换等功能。MAC地址每块网卡上都有一个全球唯一的 MAC 地址，存放在网卡的站地址寄存器（PROM）中。MAC 地址是一个 48 位地址，前 24位是IEEE统一分配的网卡制造厂家标识号，后 24 位是生产厂家分配的网卡序列号，如 00-0F-B0-37-A4-E5；工作过程当网卡收到一个目的地址为非本机的帧或有差错的帧时，它就丢弃该帧，并不通知它所在的计算机；当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给上一层。当计算机要发送高层交下来的数据时，就由协议栈向下交给网卡，组装成帧后，发送到局域网。,2.3.4 TCP/IP参考模型- IEEE 802.3总线局域网网卡,数据通信基础与网络互联,计算机和计算机,计算机和交换机,2.3.4 TCP/IP参考模型- IEEE 802.3总线局域网网卡,数据通信基础与网络互联,1、前导码：7个字节，每个字节均为10101010B2、SFD：帧起始定界符，1个字节，即10101011B3、DA：目的站的MAC地址4、SA：源站MAC地址5、长度/类型：2个字节，指明数据字段的长度6、数据字段：1-1500字节，因此以太网帧总长最大为1518B7、PAD：填充字段，保证数据字段最小长度为46B，从而MAC帧最小64B8、FCS：帧校验序列，4字节CRC校验，生成多项式为CRC-32,以太网帧格式,2.3.4 TCP/IP参考模型- IEEE 802.3帧格式,最小帧的目的：让每个节点都能尽快检测出冲突，以提高总线的利用率。,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,数据通信基础与网络互联,通过对介质访问的控制可以解决在同一时间上多个设备同时争用传输介质。在随机访问方式中常用的争用总线技术为CSMA/CD;在控制访问方式中常采用令牌总线、令牌环方式。,数据通信基础与网络互联,CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)需要发送数据时，首先需监听总线，以判断总线上是否存在其他站发送的信号。如果介质是空闲的，则可以发送；否则以某种算法等待一定时间间隔后重试。三种CSMA/CD坚持退避算法：不坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则等待一段随机时间再重复检测；1-坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则继续监听，直到介质空闲为止；p-坚持CSMA：若介质是空闲的，则发送；否则以概率p发送或以(1-p)概率延迟一段时间后重新检测,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,数据通信基础与网络互联,CSMA/CD: 1-坚持CSMA,- 摘自计算机通信与网络徐州建筑职业技术学院,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,数据通信基础与网络互联,CSMA/CD:不坚持CSMA,- 摘自计算机通信与网络徐州建筑职业技术学院,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,数据通信基础与网络互联,CSMA/CD: p-坚持CSMA,- 摘自计算机通信与网络徐州建筑职业技术学院,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,数据通信基础与网络互联,CSMA / CD,电信号在电缆中传播速度大约为1km/5us;10Mb/s网帧间隙9.6us; 一个站发送数据后，最多经过2T就可以检测出冲突(T:传输时延，采用比较法检测冲突)； 时槽(时隙)的大小以最大规模网络端到端的往返传播时延为基础，并考虑了冲突后阻塞信号的持续时间；以太网时槽定为512位时，要求以太网最小帧长度为64B，即512位。,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,延迟随机时间：二进制指数后退延迟，t=2pow(k)xRxa,数据通信基础与网络互联,令牌访问控制方式按一定顺序在各站点之间传递令牌，谁得到令牌谁有权发送数据。令牌环方式,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,数据通信基础与网络互联,A,T = 0,T,A,T = 0,T,A,T = 1,T,Data,C,T,Data,C,Data,（2）,（4）,帧循环一圈后A将数据帧回收并放出空令牌,A有数据要发送给C，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,T,Data,C,T,Data,C,C,C 检查目的地址是自己，将数据帧拷贝到缓冲区，并将数据幀发回环中,C,（3）,令牌环,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,数据通信基础与网络互联,令牌总线方式,特点：物理上是总线网，逻辑上是令牌网 应用：工厂自动化和过程控制 (适合总线状的装配线，并具有可预测的时延，能满足实时处理要求),2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,- 摘自计算机通信与网络徐州建筑职业技术学院,数据通信基础与网络互联,令牌总线,蓝色帧为令牌帧，绿色帧为数据帧。令牌帧按站点序号由高到低依次轮询,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法,数据通信基础与网络互联,CSMA/CD优点：协议简单、安装容易、总线可靠性高，在局域网中获得了广泛应用。该协议给用户提供均等的访问权，在轻负载情况下，CSMA/CD有良好的延迟特性和吞吐能力。缺点：必须进行冲突检测，而且对最小帧长度有一定限制，因而对短报文存在带宽浪费现象。CSMA/CD随负载的增加，冲突增加，性能迅速下降。由于随机竞争发送和延迟等待，无法预知数据传输的最大延迟，又没有优先级，因此不适用于实时系统。令牌环优点：可使用多种传输介质，可采用全数字技术，支持优先级，支持短帧；将令牌环网做成星形环可自动检测和隔离电缆故障；在高负载下可以获得很高的传输效率。缺点：在低负载下时延较大；由于采用集中式控制，对监控站的可靠性要求较高。,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法比较,数据通信基础与网络互联,令牌总线优点：具有极好的吞吐能力，而且其吞吐量随数据传输速率增加而增加，并随介质饱和而稳定下降。它不需冲突检测，可以调节对介质的访问权，既可以公平地访问，又可以提供优先级，而且可以预知数据在网中的最大延迟，适用于实时系统。缺点：要进行逻辑环的维护，而且物理层规范复杂，在轻负载情况下可能要等待许多无用的令牌帧传递，从而减少了对信道的利用率。结论在很重的负载下IEEE 802.3局域网彻底不能用，而基于令牌的局域网则可达到接近于100的效率。若负载范围是从轻到中等，则三种局域网都能胜任。从市场情况看，以太网拥有最大的市场，而令牌总线网则很少使用。,2.3.4 TCP/IP参考模型 -介质访问方法比较,数据通信基础与网络互联,2.3.4 TCP/IP参考模型-IPv4地址,IP地址分为A、B、C、D、E五类，用户使用A、B、C三类：,A类,B类,C类,网络号,主机号,IP地址范围：,数据通信基础与网络互联,2.3.4 TCP/IP参考模型-IPv4地址,子网掩码：32位，对应主机的位为0，其余为1，划分子网相当于使用了三级地址。若不进行子网划分，则A、B、C类地址分别对应255.0.0.0、255.255.0.0和255.255.255.0,A类,B类,C类,网络号,主机号,私有IP地址：IP地址分为公有地址和私有地址，公有地址是在Internet上使用的全球唯一的IP地址；私有地址是Internet保留的一部分供大家私用的IP地址。,2.3.4 TCP/IP参考模型-面向连接协议TCP,面向连接的客户-服务器模型时序图,数据通信基础与网络互联,数据通信基础与网络互联,复制位信号延长网段长度,局域网间存储转发数据帧,存储转发分组信号,协议转换,2.3.5 网络互联设备,数据通信基础与网络互联,2.3.5 网络互联设备,数据通信基础与网络互联,网络分类,中继器repeater对信号进行整形放大、重新复制，并将新生成的信号转发至下一网段或其他介质段。中继器使得网络可以跨越一个较大的距离，中继器两端的数据速率、协议(数据链路层)和地址空间相同。,2.3.5 网络互联设备-中继器,数据通信基础与网络互联,2.3.5 网络互联设备-中继器,数据通信基础与网络互联,数据通信基础与网络互联,2.3.5 网络互联设备-中继器,HUB(集线器)：多端口的中继器，无转发功能,- 摘自计算机通信与网络徐州建筑职业技术学院,是一种存储转发设备，用来连接同一类型的局域网；网桥将数据帧送到数据链路层进行差错校验，再送到物理层，通过物理传输介质送到另一个子网或网段；它具有寻址与路径选择的功能，在接收到帧之后，要决定正确的路径将帧送到相应的目的站点；