第二讲_计算机网络基础知识

第2讲计算机网络基础知识 2 1数据通信基础2 2数据交换2 3计算机网络体系结构2 4传输媒介2 5网络互联设备 通信系统模型 信宿 1 传输信道 信息的传输路径 由传输介质组成 多路复用 多个信号设备共用一条物理信道交换模式 信息在节点与节点间的传送方式线路交换报文交换分组交换2 数据处理设备1 终端设备2 计算机系统 2 1数据通信基础 2 1 1数据通信的基本概念 信源 传输介质 信宿 数据通信是借助于电信号或光信号通过传输线路 在发送端和接收端之间进行数据信息的传递 通信系统的任务 2 1数据通信基础 通信系统的任务 数据 Data 传递 携带 信息的实体 载体 信号 Signal 数据是借助信号来传输的 信号是数据信息的载体 是通过电压 电流 电荷及电磁波等物理量在强度上的变化来携载各种形式的数据信息 如话音 文本 图像和视频 进行传输的 信息 信息是任何可由人或数字终端设备读懂的 有意义的消息 数据通信中信源产生的信息主要表现为数字化的文字 字符或代码 或语音 图像和视频等形式 2 1数据通信基础 通信系统中传输的信号有两类 2 1数据通信基础 模拟信号 使用可变电压以产生连续波 优点 连续 缺点 噪声等会严重地影响模拟信号 比数字信号更易于出错 因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择 2 1数据通信基础 数字信号 由脉冲值为1或0的精确电压组成 基带信号 在数字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位 一个位只能有两种可能值 1或0 连续8位组成1个字节 个字节携带一个信息片 数字信号传输数据时更可靠些 2 1数据通信基础 信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体 一般来说 一条通信线路至少包含两条信道 一条用于发送的信道和一条用于接收的信道 和信号的分类相似 信道也可分为适合传送模拟信号的模拟信道和适合传送数字信号的数字信道两大类 2 1数据通信基础 模拟数据在模拟信道的传输 早期的手机 大哥大 就是采用的模拟数据在模拟信道上进行传输的例子 数字数据在模拟信道上传输 早期利用调制解调器和电话线进行上网 模拟信号 数字信号 调制 解调 调制解调器 2 1 2数据数据与数字数据的传输形式 2 1数据通信基础 模拟信号在数据信道上进行传输 现在的电话系统 在发送端 先将模拟语音信将行采样离散化 PCM 然后在数字信道上进行传输 在接收端 再将数字信号解码为模拟语音信号 数字信号在数据信道上进行传输 现代的计算机网络系统 通信双方传输的都是数字信号 2 1数据通信基础 2 1 3数据传输中的检错与纠错纠错码发送端附加一些信息位 在接收端不仅可以发现传输错误 还能自动纠正错误 例如 海明纠错码检错码发送端附加一些信息位 在接收端可以发现传输错误 但不能自动纠正错误 例如 奇偶检验码 2 1数据通信基础 2 1 4多路复用多路复用是指为了提高信道的利用率 一条信道传输多路信号的技术频分多路复用频分多路复用是在一条传输线路上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输的技术 其工作原理是 把线路或空间的频带资源分成多个频段 带 将各个频段分别分配给多个用户 每个用户终端的数据通过分配给它的子通路 频段 传输 2 1数据通信基础 频分多路复用是最早使用的多路复用技术 它主要应用于模拟信道中 如无线电广播系统 电话系统和有线电视系统 CATV 时分多路复用时分多路复用的基本思想是将每个信号在时间上分时采样 使之互不重叠 其工作原理如下 将整个传输时间分为若干个时间片 每个时间片被一路信号占用 不同信号在不同时间内传送 时分多路复用是数字信道采用的多路复用技术 2 1数据通信基础 2 2数据交换 什么是交换 交换就是按某种方式动态地分配传输线路资源例如 电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续 用户挂机后则断开该线路 该线路又可分配给其它用户 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 电路交换 报文交换 分组交换 通信线路中的交换技术 B D C A E F 1 电路交换 线路 电路 交换 CircuitSwitching 方式 就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路 线路交换方式的通信包括三种状态 1 线路建立 在传输任何数据前 必须建立端到端的物理连接 2 数据传送 3 线路拆除 某个数据传送结束后 要结束连接 特点 建立连接的时间长 一旦建立连接就独占线路 线路利用率低 无纠错机制 建立连接后 传输延迟小 不适用于计算机通信 因为计算机数据具有突发性的特点 真正传输数据的时间不到10 2 报文交换 整个报文 Message 作为一个整体一起发送 在交换过程中 交换设备将接收到的报文先存储 待信道空闲时再转发出去 一级一级中转 直到目的地 这种数据传输技术称为存储 转发 传输之前不需要建立端到端的连接 仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接 称为 无连接的 缺点 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 出错后整个报文全部重发 3 分组交换 包交换 将报文划分为若干个大小相等的分组 Packet 进行存储转发 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 也是 无连接的 有强大的纠错机制 流量控制和路由选择功能 优点 对转发结点的存储要求较低 可以用内存来缓冲分组 速度快 转发延时小 适用于交互式通信 某个分组出错可以仅重发出错的分组 效率高 各分组可通过不同路径传输 容错性好 4 三种数据交换技术的比较 三种数据交换技术总结如下 1 线路交换 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 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 2 3计算机网络体系结构 在计算机网络系统中 为了保证通信双方能正确地进行数据通信 针对通信过程的各种情况 制定了一整套约定 网络系统的通信协议 通信协议是指通信双方必须遵循的有关通信规则约定的集合 协议实际上定义了通信双方 如何进行通信 的问题 相当于一种通信双方都能理解的语言 两台计算机之间要进行通信 中间可能要通过许多通信设备 整个过程可能是相当复杂的 所以要设计一个单一的通信协议实现通信功能会非常的复杂 为了降低协议设计的复杂性 通常采用层次结构的方法 即将整个通信功能划分成若干层 每一层都都解决一个小的单一的问题 可完成一定的功能 每一层都有每一层的通信协议 这就构成了网络层次体系结构 我们把计算机网络的层次划分及各层协议的集合称为计算机网络体系结构 简称网络体系结构 常见的网络体系结构 OSI参考模型 复杂的标准 未实现TCP IP参考模型 Internet事实上的标准 图2 4OSI参考模型示意图 OSI参考模型 1 物理层 物理层 PhysicalLayer 是整个OSI参考模型的最低层 它的主要功能是提供网络的物理连接 利用物理传输媒体完成相邻节点之间原始比特流的传输 物理层的设计主要涉及物理层接口的机械 电气 功能和规程特性 传送信息的基本单位 比特 也称为位 2 数据链路层 数据链路层 DataLinkLayer 是OSI参考模型的第2层 它的主要功能是实现无差错的传输服务 包括建立 维持和拆除数据链路 将信息按一定格式组装成帧 差错控制功能和简单的流量控制功能 传送信息的基本单位 帧 流量控制 发送端的数据发送速度大于接受端的数据接收速度时 就需要放慢发送端的发送速度 数据链路层的物理地址 网卡地址 寻址 节点1的物理地址为A 若节点1要给节点4发送数据 那么在数据帧的头部要包含节点1和节点4的物理地址 在帧的尾部还有差错控制信息 DT 3 网络层 网络层 NetworkLayer 是OSI参考模型的第3层 它解决的是网络与网络之间 即网际的通信问题 网络层的主要功能是提供路由选择 及地址转换 流量控制和拥塞控制等功能 传送信息的基本单位 分组 或称为包 网络层主要协议 IP协议 拥塞控制 分组所经过的路径出现了拥塞 导致数据包丢失 如何解决 链路层的任务 两节点间可靠的数据传输 Ethernet X 25 ATM 4 传输层 传输层 TransportLayer 是OSI参考模型的第4层 它的主要功能是完成网络中不同主机上的用户进程之间可靠的数据传输 传输层连接是真正端到端的 此外 传输层还要提供差错处理 流量控制 多路复用 分流等功能 传送信息的基本单位 报文 典型协议 TCP协议 UDP协议 传输层的任务 传输层与网络层的关系 网络层则提供网络中主机间的 逻辑通信 而传输层提供主机中的进程间的 逻辑通信 二者之间的差别 微妙而又重要类比主机 单位的传达室进程 单位中的职工应用层报文 信件网络层协议 邮局的投递服务 只负责递送到传达室传输层协议 传达室的收发服务 负责递送到每个职工 5 会话层 会话层 SessionLayer 又称为会晤层 是OSI参考模型的第5层 其功能是提供一种有效的方法 以组织并协商不同计算机上的两个应用程序之间的会话 并管理它们之间的数据交换 用户或进程间的一次连接称为一次会话 传送信息的基本单位 报文 但与传输层的报文有本质的区别 6 表示层 表示层 PresentationLayer 是OSI参考模型的第6层 它主要解决用户信息的语法表示问题 包括数据的编码和解码 加密和解密 压缩和恢复以及协议转换等 传送信息的基本单位 也是报文 7 应用层 应用层 ApplicationLayer 是OSI参考模型的最高层 它是直接面向用户以满足用户不同需求的 是利用网络资源 惟一向应用程序直接提供服务的层 传送信息的基本单位 用户数据报文 典型协议 FTP HTTP TCP IP参考模型 TCP IP分为四个层次 分别是网络接口层 网络互联层 传输层和应用层 TCP IP的层次结构与OSI层次结构的对照关系如下图所示 图2 6TCP IP模型与OSI参考模型对照图 TCP IP协议集 图2 7TCP IP模型中的协议与网络 IP协议 IP协议协议的任务是对数据包进行相应的寻址和路由 并从一个网络转发到另一个网络 IP协议在每个发送的数据包前加入一个控制信息 其中包含了源主机的IP地址 目的主机的IP地址和其他一些信息 IP协议的另一项工作是分割和重编在传输层被分割的数据包 由于数据包要从一个网络到另一个网络 当两个网络所支持传输的数据包的大小不相同时 IP协议就要在发送端将数据包分割 然后在分割的每一段前再加入控制信息进行传输 当接收端接收到数据包后 IP协议将所有的片段重新组合形成原始的数据 IP是一个无连接的协议 无连接是指主机之间不建立用于可靠通信的端到端的连接 源主机只是简单地将IP数据包发送出去 而数据包可能会丢失 重复 延迟时间大或者IP包的次序会混乱 因此 要实现数据包的可靠传输 就必须依靠高层的协议或应用程序 如传输层的TCP协议 传输层协议 TCP 传输控制协议TCP TransmissionControlProtocol TCP协议是传输层一种面向连接的通信协议 提供可靠的数据传送 对于大量数据的传输 通常都要求有可靠的传送 TCP协议将源主机应用层的数据分成多个分段 然后将每个分段传送到网际层 网际层将数据封装为IP数据包 并发送到目的主机 目的主机的网际层将IP数据包中的分段传送给传输层 再由传输层对这些分段进行重组 还原成原始数据 传送给应用层 TCP协议还要完成流量控制和差错检验的任务 以保证可靠的数据传输 传输层协议 UDP 用户数据报协议UDP UserDatagramProtocol UDP协议是一种面向无连接的协议 因此 它不能提供可靠的数据传输 而且UDP不进行差错检验 必须由应用层的应用程序实现可靠性机制和差错控制 以保证端到端数据传输的正确性 虽然UDP与TCP相比 显得非常不可靠 但在一些特定的环境下还是非常有优势的 例如 要发送的信息较短 不值得在主机之间建立一次连接 另外 面向连接的通信通常只能在两个主机之间进行 若要实现多个主机之间的一对多或多对多的数据传输 即广播或多播 就需要使用UDP协议 应用层协议 一 远程终端协议TELNET本地主机作为仿真终端 登录到远程主机上运行应用程序 文件传输协议FTP实现主机之间的文件传送 简单邮件传输协议SMTP实现主机之间电子邮件的传送 域名服务DNS用于实现主机名与IP地址之间的映射 动态主机配置协议DHCP实现对主机IP地址的分配和配置工作 应用层协议 二 超文本传输协议HTTP用于Internet中的客户机与WWW服务器之间的数据传输 网络文件系统NFS实现主机之间的文件系统的共享 引导协议BOOTP用于无盘主机或工作站的启动简单网络管理协议SNMP实现网络的管理 2 4传输媒介 传输媒介也称为传输介质 它负责将计算机网络中的多种设备连接起来 提供数据传输的物理通路 传输媒介可分为两大类 导向传输媒介和非导向传输媒介 导向传输媒介包括双绞线 同轴电缆和光缆等 而非导向传输媒介包括无线电 微波和卫星通信等 不同的传输媒介具有不同的传输速率和传输距离 可以支持不同类型的网络 双绞线 双绞线也称为双扭线 是一种最古老也最常用的传输媒体 把4对相互绝缘的铜线并排放在一起 用规则的方法两两绞合在一起就构成了双绞线 双绞线价格便宜 安装容易 使用方便 因此使用十分广泛 双绞线 UTP 不带屏蔽层STP 带屏蔽层双绞的作用 增加导线的抗干扰性能双绞线分类 5种 其中 3类线 支持10Mbps以太网5类线 超5类 6类线 支持100Mbps快速以太网 1000Mbps千兆以太网 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 以箔屏蔽以减少干扰和串音 3类 10Mbps 4类 20Mbps 5类 100Mbps RJ 45网络端口线缆配置 第2对 第1对 第4对 Pairno 第3对 线缆排列 T568A标准 a RJ 45直通连接 b RJ 45交叉连接 RJ 45插头和插座的结构 网卡与双绞线的连接 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 以屏蔽提高其抗电磁干扰能力 3类 4类 5类 超5类 同轴电缆 同轴电缆由内导体 单根铜质芯线 和外导体 园柱形金属网导体 组成 内导体和外导体之间由绝缘材料隔开 外导体外部是一层绝缘保护套 同轴电缆具有质量稳定 寿命长 通信容量大 传输距离长 抗干扰能力强 可靠性高和维护方便等特点 在有线传输中使用十分广泛 同轴电缆按其阻抗特性可分为两类 50 同轴电缆和75 同轴电缆 50 同轴电缆也称为基带同轴电缆 适合于在数据通信中传输基带数字信号 计算机局域网中广泛使用50 同轴电缆作为物理传输媒介 75 同轴电缆也称为宽带同轴电缆 主要用于模拟传输系统 它是有线电视系统 CATV CableTelevision 中的标准传输电缆 光缆 光纤即光导纤维 采用非常细 透明度较高 可弯曲的石英玻璃纤维作为纤芯 外涂一层低折射率的包层和保护外壳 光缆由一组光纤外加包带层和外护套组成 它具有通信容量大 传输损耗小 中继距离长 抗雷电和电磁干扰性能好 无串音干扰 保密性好 体积小 重量轻等优点 光纤分为多模光纤和单模光纤两类 多模光纤中存在着许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输 它只适合于近距离传输 单模光纤指光纤的直径小到只有一个光的波长 光波以直线方式传输 单模光纤制造起来成本较高 但它的衰耗较小 适合于远距离传输 无线传输媒体 无线传输媒体利用无线电波在自由空间的传播来实现信息的传输 常用于有线铺设不便的特殊地理环境 或者作为地面通信系统的备份和补充 另外利用无线传输媒体进行信息的传输 也是实现在运动中通信的唯一手段 无线传输所使用的频段很广 人们目前已经利用了好几个波段进行通信 在数据通信中使用最多的是无线电微波通信 微波通信有地面微波接力通信和卫星通信两种主要方式 地面微波接力通信 地面微波接力通信在一个无线传输信道的两个终端之间设立若干个中继站 其功能是把前一站送来的信号经过放大后发送到下一站 两个地面站之间传送距离 50 100km 地球 地面站之间的直视线路 微波传送塔 卫星通信 卫星通信可以看成是一种特殊的微波接力通信 使用地球同步卫星作为中继站来转发微波信号 其特点是容量大 传输距离远 可靠性高 使用微波使用转发器接收和转发 地球 地面站 地面站 C波段4 6GHz上行5 925 6 425GHz下行3 7 4 2GHzKU波段12 14GHz上行14 14 5GHz下行11 7 12 2GHz 红外线 用于短距离通信 如电视 录象机等的遥控也可用于无线LAN缺点 不能穿透固体 激光应用 在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN缺点 不能穿透雨和浓雾 易受天气影响 网络互联设备是计算机网络的重要组成部分 它们用于将主机连成网络 也用于将不同的网络互联起来 中继器 网桥 路由器和网关是四种最基本的网络互联设备 在实际组网中 还用到集线器 无线接入点 AP AccessPoint 和交换机等组网设备 它们属于某种基本网络互联设备的变形 2 5网络互联设备 中继器 中继器 Repeater 是局域网环境下用来延长网络距离的最简单 最廉价的互联设备 工作在OSI模型的物理层 其作用是接收传输媒体上传输的信号 对其进行放大和整形后再发送到传输媒体上 集线器 集线器 Hub 也称为多端口中继器 是一种特殊的中继器 它与中继器的区别在于集线器能够提供多端口服务 每个端口连接一条传输媒体 集线器将多个结点汇接到一起 起到中枢或多路交汇点的作用 是为优化网络布线结构 简化网络管理为目标而设计的 简单的集线器相当于多口的中继器 把进入的信号放大后 转送到多个端口输出集线器中的通路允许多个设备共享 每个设备到集线器的长度为100米 共享集线器 Hub 无线AP AccessPoint 无线AP是无线局域网中接入点设备 它的作用类似于有线网络中的集线器 目前市场上的无线AP除了具备基本的无线接入功能外 一般还具有交换 路由或代理服务器等附加功能 网桥 网桥 Bridge 也称为桥接器 是一种连接两个局域网的存储 转发设备 工作在OSI模型的数据链路层 它能将一个较大的局域网分割为多个子网 或将两个以上的局域网互连为一个逻辑局域网