计算机网络技术(王协瑞版)全套ppt课件

计算机网络技术 2018 01 计算机网络概述 ChapterOne 计算机网络的认知与应用体验 网络与网络应用无处不在 以至于我们已经将其视为我们社会生活的一个不可缺少的部分 问题 什么是计算机网络 计算机网络的定义 计算机网络是指将地理位置不同且功能相对独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起 由专门的网络操作系统进行管理 以实现资源共享的系统 计算机网络中的计算机通常都处于不同的地理位置 相互连接的计算机之间不存在互为依赖的关系 通信线路包括通信媒体 通信设备关系 网络操作系统 单机OS功能 网络通信协议 网络资源管理 网络服务 网络的根本目的是为了实现资源共享 资源包括硬件与软件 如程序 数据库 存储设备 打印机等 计算机网络也可以简单地定义为 一个互连的 自主的计算机集合 所谓互连是指相互连接在一起 所谓自主是指网络中的每台计算机都是相对独立的 可以独立工作 2 由定义可知 1 计算机网络是 通信技术 与 计算机技术 的结合产物 2 数据交换是基础 资源共享为目的 所谓的网络资源包括硬件资源 如大容量磁盘 打印机等 软件资源 如工具软件 应用软件等 和数据资源 如数据库文件和数据库等 3 网络资源 计算机网络的形成与发展 计算机网络问世至今已经有半个世纪的时间 其间经历了四个发展阶段 初级阶段计算机网络阶段标准或开放的计算机网络信息高速公路时代 初级阶段 远程联机系统 60年代初期到60年代中期 20CEN 50 60年代 终端 通信线路 计算机 的模式严格意义上讲 不属于计算机网络范畴 远程联机系统的发展 60年代中期到70年代中期 典型案例 美国半自动地面防空系统SAGE Computer T T T PSTN 计算机网络阶段 多计算机互连 20世纪60年代 以ARPAnet为典型 以实现 资源共享 为目的多计算机互连形态 重要贡献 将应用与通信功能从逻辑上分离 应产生了通信子网与资源子网的概念 第三阶段 现代计算机网络互连阶段 特征是网络体系结构的形成和网络协议的标准化 在计算机通信系统的基础之上 重视网络体系结构和协议标准化的研究 建立全网统一的通信规则 用通信协议软件来实现网络内部及网络与网络之间的通信 通过网络操作系统 对网络资源进行管理 极大的简化了用户的使用 使计算机网络对用户提供透明服务 标准 开放的计算机网络 70年代中期 80年代末期 标准 开放的计算机网络 1 局域网技术出现突破性进展 该阶段始于70年代末 这是按照ISO提出的OSI参考模型为指导性标准构建的计算机网络 第三代计算机网络是计算机网络的 成熟 阶段 2 第三代计算机网络的特点 网络体系结构的形成和网络协议的标准化建立全网统一的通信规则使计算机网络对用户提供透明服务 标准 开放的计算机网络 呼唤网络体系结构的标准化与兼容性 ISO的OSIRM 开放系统互连参考模型 1977 1983TCP IP协议的推广推动了计算机网络的高速发展 以太网 ETHERNET 与因特网 Internet 高速智能的第四代计算机网络始于80年代末 高速 主干带宽的增加达到10Gbps或更高 接入带宽可以高达1000Mbps 互连 Intranet Extranet InternetInternet 智能 服务质量 QoS 网络管理 计算机网络的发展分为4个阶段 分析40多年来计算机网络的发展过程和过程中所表现出的特点 可以把计算机网络的发展分为4个阶段 第一代 面向终端的计算机网络第二代 计算机通信网络第三代 计算机互联网络第四代 宽带综合业务数字网 信息高速公路 计算机网络的功能 一 实现计算机系统的资源共享计算机网络的最基本功能之一 用户一旦接入网络就可以使用网络中的其他资源来处理自己提交的大型复杂问题 硬件资源 网络打印机 云盘 软件资源 工具软件 应用软件 数据资源 数据文件 数据资源 计算机网络的功能 二 实现数据信息的快速传递分布在不同地域的计算机系统可以及时 快速地传递各种信息 如 股票交易 电子邮件 网上购物等 计算机网络的功能 三 提高可靠性在一个系统内计算机出现暂时失效是可能的 因此只能通过改换资源的办法实现维持系统继续运行 建立网络后 可以实现在多个地点互做备份 多点备份 四 提供负载均衡与分布式处理能力大型ICP 网络内容提供商 在全世界多个地方放置了内容相同的WWW服务器 通过一定的技术使不同地域的用户看到放置在离他最近的服务器上的相同页面 分布式处理是把任务分散到网络中不同的计算机上并行处理 计算机网络的功能 计算机网络的功能 五 集中管理对地理位置上分散的组织可通过计算机网络来实现集中管理 例如 飞机 火车订票系统 银行业务 军事指挥决策系统等 计算机网络的功能 六 综合信息服务网络的一大发展趋势是多维化 即在一套系统上提供集成的信息服务 包括来自政治 经济 生活等各方面的资源 同时提供多媒体信息 例如图像 语音 动画等 作业 1 网络资源包括 和 2 什么是计算机网络 2008高考题 3 计算机网络的发展分为哪四个阶段 计算机网络的主要功能是什么 计算机网络的应用 办公自动化 同一单位的微机 数字复印机 数字打印机等连成网络 管理信息系统 企业内的计划统计 劳动人事 生产管理 财务管理等 计算机网络的应用 过程控制 工厂各生产车间的生产过程和自动化控制Internet应用电子邮件 信息发布 电子商务 远程音频视频应用 计算机网络的特点 可靠性 某子系统出现故障时 可由网内其他子系统代为处理 独立性 网络系统中各相连的计算机系统各自既相互联系又相互独立 可扩充性 可以很灵活地在网络中接入新的计算机系统 计算机网络的特点 高效性 网络信息传递迅速 系统实时性强 采用分布式操作 廉价性 避免系统中的重复建设和重复投资 达到节省投资和降低成本 计算机网络的特点 透明性 如何利用网络高效而可靠地完成自己的任务 透明 一次在计算机网络领域领域通常是指存在但不干预即 计算机中存在的 但对于某些人员而言又不需要了解的东西 这就是计算机所指的透明性 简单的说就是 计算机中存在 但你不需要了解的 易操作性 大多数用户感到使用方便 操作简单 计算机网络的系统组成 计算机网络是由网络硬件系统和网络软件系统构成的 从拓扑结构上看 由网络节点和通信链路构成从逻辑功能上看 由通信子网和资源子网构成 网络节点 访问节点端节点 主要起信源和信宿的作用 如用户主机和终端等 信源 信息的来源 信宿 是相对信源而言 通信过程中接收和处理信息的设备或计算机 转接节点中间节点 数据交换和转接 具有通信功能 如 集线器 交换机 路由器 混合节点全功能节点 通信链路 指两个网络节点之间传输信息和数据的线路 链路可用各种传输介质实现 如双绞线 同轴电缆 光缆 卫星 微波等 通信链路用于传输信息的物理信道以及为达到有效 可靠的传输质量所必需的信道设备的总称 物理链路 点到点的物理线路 没有任何交换节点 逻辑链路 在逻辑上起作用的物理链路 具有传输控制能力 在物理链路上加上用于数据传输控制的硬件和软件 就构成了逻辑链路 计算机网络的组成 为了有利于计算机网络的设计与实现 我们更多的是从功能角度去看待计算机网络的组成 并从功能上将计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网 网络逻辑划分 资源子网与通信子网 资源子网负责全网的数据处理业务 并向网络用户提供各种网络资源和网络服务 主要由主机 终端以及相应的I O设备 各种软件资源和数据资源构成 通信子网为资源子网提供传输 交换数据信息的能力 主要由通信控制处理机 通信链路及其他设备如调制解调器等组成 资源子网与通信子网结构 CCP 通信控制处理机 资源子网 通信子网 CCP 主机 主机 主机 主机 CCP CCP CCP CCP CCP 通信子网有两种类型 公用型一般是国家的邮电部门建造的网络 公用 的意思就是从所有愿意按邮电部门规定交纳费用的人都可以使用 因此 公用网也可以称为公众网 专用型是某个部门为本单位的特殊工作的需要而建立的网络这种网络不向本单位以外的人提供服务 例如 军队 铁路 电力等系统均有本系统的专用网 计算机网络的组成 计算机网络系统是由计算机网络硬件系统和网络软件系统组成 网络硬件系统是指构成计算机网络的硬设备 包括各种计算机系统 终端及通信设备 常见的网络硬件有 主机系统 服务器和工作站 计算机网络的组成 服务器 局域网中 一种运行管理软件以控制对网络或网络资源 磁盘驱动器 打印机等 进行访问的计算机 并能够为在网络上的计算机提供资源使其犹如工作站那样地进行操作 服务器服务器是网络环境中的高性能计算机 它侦听网络上的其他计算机 客户机 提交的服务请求 并提供相应的服务 相对于普通PC来说 服务器在稳定性 安全性 性能等方面都要求更高 因此CPU 芯片组 内存 磁盘系统 网络等硬件和普通PC有所不同 计算机网络的组成 工作站 是一种高档的微型计算机 通常配有高分辨率的大屏幕显示器及容量很大的内存储器和外部存储器 并且具有较强的信息处理功能和高性能的图形 图像处理功能以及联网功能 终端 用户进行网络操作 实现人机对话的工具传输介质 传输数据信号的物理通道 将网络中各种备连接起来 常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类 网卡 网络适配器 是计算机和传输介质之间的物理接口 计算机网络的组成 集线器 HUB 接收信号再生并传输 还可为网络布线和集中管理带来方便交换机 Switch 分为第二层交换机和第三层交换机 二层交换机同时具有集线器和网桥的功能 路由器 router 具有格式转换功能 可以连接不通类型的网络 路由器能够识别数据的目的地址所在网络 计算机网络的组成 网络软件系统 主要包括通信协议 网络操作系统和各类网络应用系统 服务器操作系统网络操作系统的功能 处理器管理 文件管理 存储器管理 设备管理 进程管理 网络用户管理 网络资源管理 网络运行状况统计 网络安全性的建立 网络通信等常见的有 Novell公司的NetWare 微软公司的WindowsNTServer及Unix系列 工作站操作系统多为一般的操作系统 但具有更强的网络功能 如支持网络协议等winxpwin7win10工作站通信协议网络通信协议 实现网络数据交换规则和功能的软件 在通信时 双方必须遵守相同的通信协议才能实现 网络协议的三要素 语法 语义 交换规则 同步 定时 网间包交换协议 IPX 传输控制协议 网际协议 TCP IP 以太网协议 设备驱动程序操作系统与外部设备的接口 网络管理软件对网络管理软件进行信息统计 报告 警告 监控的软件系统 网络安全软件保密性 完整性 可用性 抵御威胁与攻击网络应用软件Internet QQ 计算机网络的分类 计算机网络有多种分类标准 如按传输技术 通信介质 数据交换方式 通信速率 使用对象和地理范围等 按通信所使用的介质 分为有线网络和无线网络 按使用网络的对象 分为公众网络和专用网络 按网络传输技术 分为广播式网络和点到点式网络 按照网络传输速度的高低 分为低速网络和高速网络 按地理覆盖范围 最为典型与常用的划分方式 分为广域网 城域网和局域网 局域网 Localareanetworks LANs 覆盖范围一般在几公里以内 如一幢大楼内或一个校园内组网方便 灵活 传输速率高 广域网 Wideareanetworks WANs 覆盖范围一般是几十公里到几千公里以上 覆盖一个国家或地区 甚至可以横跨几个洲 形成国际性的远程网络 城域网 Metropolitanareanetworks MANs 覆盖范围大约是几公里到几十公里 它主要是满足城市 郊区的联网需求 如连接温州大学各大校区的温州大学校园网 连接温州各中小学的温州教育城域网等 城域网技术与局域网技术 城域网技术与广域网技术之间的边界正在日益模糊 拓朴结构 拓朴 的概念来自离散数学中的图论 拓扑学方法 把实体抽象成与其大小 形状无关的 点 而把连接实体的线路抽象成 线 进而以图的形式来表示这些点与线之间关系的方法 其目的在于研究这些点 线之间的相连关系 拓扑结构与几何结构属于两不同的数学概念 在几何结构中 我们要考察的是点 线之间的位置关系 或者说几何结构强调的是点与线所构成的形状及大小 拓扑学关注的是点与线之间的关系 不同的几何结构可以具有相同的拓扑结构 计算机网络拓朴结构 将通信子网中的通信处理机 计算机等设备抽象成点 把连接这些设备的通信线路抽象成线 并将由这些点和线所构成的拓扑称为网络拓扑结构 为什么研究网络的拓扑结构而不是几何结构 网络拓朴结构反映出网络的结构关系 对于网络的性能 可靠性以及建设管理成本等都有着重要的影响 在整个网络设计中占有十分重要的地位 是网络构建时首先要考虑的因素之一 常见的网络拓朴结构 总线型 星型 树型 环型 网状型 线性总线 Ethernet 所有节点直接连到一条物理链路上 除此之外节点间不存在任何其他连接 每一个节点可以收到来自其他任何节点所发送的信息优点 简单 易于实现缺点 可靠性和灵活性差 传输延时不确定 环型结构 Token Ring 节点与链路构成了一个闭合环 每个节点只与相邻的两个节点相连 每个节点必须将信息转发给下一个相邻的节点 优点 简单 易于实现 传输延时确定 缺点 维护与管理复杂 双环 FDDI 两个非相连的独立同心环主环 备用环 同一时刻只有一个环在使用 优点 在单环之上增加了高度的可靠性 缺点 维护与管理复杂 投资大 星型 Ethernet 网络由各节点以中央节点为中心相连接 各节点与中央节点以点对点方式连接 节点之间的数据通信要通过中央节点优点 结构简单 管理方便 可扩充性强 组网容易 缺点 中心节点成为全网可靠性的关键 扩展星型 campus based 星型结构的重复 中央星型拓朴上的节点是另一个星型拓朴的中心节点 减少了链路与设备的投资优点 在星型的优点之外 更富于层次 从而可隔离某些网络流量 层次结构 LAN WAN 又称树型结构数据流具有明显的层次性 网状结构 广域网 又称无规则型 结点间的连接是任意的 不存在规律 数据的传输有赖于所采用的网络设备优点 多条链路提供了冗余连接缺点 结构复杂 完全网状结构 每一个节点均与其他每一个节点直接相连 数据的传输有赖于所采用的网络设备优点 多条链路提供了冗余连接缺点 链路随着节点数目的增加呈指数增长 计算机网络的分类 三 按网络的所有权划分1 公用网由电信部门组建 由政府和电信部门管理和控制的网络 2 专用网也称私用网 一般为某一单位或某一系统组建 该网一般不允许系统外的用户使用 计算机网络的分类 四 按照网络中计算机所处的地位划分 1 对等局域网 2 基于服务器的网络 也称为客户机 服务器网络 主要技术术语 计算机网络局域网 城域网 广域网通信子网与资源子网资源共享网络拓朴结构总线型环型星型树型网状型 第二章数据通信 基础 2 1数据通信的基本概念 1 信息信息泛指那些通过各种方式传播的 可被感受的声音 文字 图像 符号等所表征的某一特定事物的消息 情报或知识 2 数据数据是对客观事物的符号表示 在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称 数据分为模拟数据和数字数据两种 模拟数据 在时间和幅值取值上都是连续变化的 例如声音 语音 视频和动画片等 模拟数据通常用传感器收集 数字数据 在时间上是离散的 在幅值上是经过量话的 它一般是由0 1构成的二进制代码组成的数字序列 2 1 1信息 数据与信号 3 信号信号是数据的具体物理表现形式 它具有确定的物理描述 如电信号 光信号或磁场强度等 信号分为数字信号和模拟信号两种 图2 2模拟信号与数字信号波形 模拟信号 是一种连续变化的电脉冲序列 例如电话语音信号 电视信号等 它是随时间变化的函数曲线 如图2 2 a 所示 2 1 1信息 数据与信号 数字信号 是离散的不连续的电信号 通常用 高 和 低 电平脉冲序列组成的编码来表示数据 如图2 2 b 所示 信道 信道是传送信号的通道 可以分为物理信道和逻辑信道 物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路 由传输介质及其附属设备组成 逻辑信道也是指传输信息的一条通路 但在信号的收发节点之间不一定存在与之对应的物理传输介质 而是在物理信道基础上 由节点设备内部的连接来实现 举例 物理信道 高速公路逻辑信道 各种运输车队 可以按时分在高速公路上跑 就是A车队跑一趟 然后换B车队跑一趟 也可以按频分跑 就是高速公路有4车道 那就可以跑4个车队 物理信道是真实存在的 传送实际信息的 不管上层跑什么车队 逻辑信道是人为定义的 但最终都要在物理信道上传送 使用权限 专业信道和共用信道传输介质 有线信道和无线信道传输信号种类 模拟信道和数字信道 信道容量 信道的传输能力是有限制的 某个信道传输数据的速率有一个上限 信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的 可通过奈奎斯特定理和香农定理进行分析 信道容量用来表征一个信道传输数字信号的能力 它以数据传输速率作为指标 即信道所能支持的最大数据传输速率 香农公式 带噪信道容量公式 C B log2 1 S N bps B为信道带宽 Hz S为信号功率N为噪声功率 S N为信噪比 通常把信噪比表示成 10lg S N 单位分贝 dB 例题 已知信噪比为30dB 带宽为3kHz 求信道的最大数据传输速率 10lg S N 30 S N 1030 10 1000 C 3klog2 1 1000 30kbps 信源 信息的发送方信宿 信息的接受方 发送设备 将信源和信道相匹配 即将信源产生的信号变换为便于传送的信号形式 送往信道 接收设备 发送设备的反变换 进行解调 译码 解密等 从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息 噪声 干扰信道的无用信号 1 数据通信系统的基本结构任何一个通信系统都可以看作是由发送设备 传输信道和接收设备三大部分组成 我们把产生和发送信息的一端称为信源 把接收信息的一端称为信宿 把信源传送到信宿的通信线路称为信道 在实际通信系统中 难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响 因此 数据通信系统的基本结构如图2 3所示 码元码字 所谓 码元 或称为 码位 是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位的通称 是构成信息编码的最小单位 而由若干个码元序列表示的数据单元代码通常称为 码字 例如 二进制数字1000001是由7个码元组成的序列 可以视为一个码字 在7位ASCII码中 这个码字表示字母A 数据通信系统主要技术指标 比特率是一种数字信号的传输速率 是指每秒传送的二进制代码的有效位数 比特数 bit 单位为bps BitPerSecond 比特率越高 传送数据速度越快 波特率是一种调制速率 也称波形速率 在数据传输过程中 线路上每秒载波调制状态改变的次数就是波特率 其单位是波特 Baud 比特率是测量每秒可传输数据比特位 0和1 数量的单位 例如 每秒2 400位的比特率是指每一秒钟传输了2 400个1和0 波特率表示每秒钟一个信号 从0变为1或从1变为0 或符号 连接的电压 频率或相位 在信道中改变状态或发生变化的次数 例如 2 400波特率是指该通道每秒钟最多改变状态2 400次 在这个例子中 波特率和比特率是相同的数值 2 400bps 1比特率等于1波特率 误码率指信息传输的错误率 也称错误率 是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标 误码率 传输中的误码 所传输的总码数 100 Pe Ne N 吞吐量单位时间内整个网络能够处理的信息总量 单位是字节 秒或位 秒 在单信道总线型网络中 吞吐量 信道容量 传输效率 数据通信系统主要技术指标 信道的传播延迟信号在信道中传播 从信源端到达信宿端需要一定的时间 这个时间称为传播延迟 或时延 这个时间与信源端和信宿端的距离有关 也与具体信道中的信号传播速度有关 数据通信系统主要技术指标 信道带宽 是指信道所能传送的信号频率宽度 它的值为信道上可传送信号的最高频率与最低频率之差 带宽越大 所能达到的传输速率就越大 数据传输率 是指单位时间内信道内传输的信息量 其定义是 通信线路 或系统 单位时间 每秒 内传输的字符个数 或者单位时间 每秒 内传输的码组 字块 数或比特数 其单位是字符 秒 或者码组 秒 比特 秒 可见 当数据传输率用 bit s 作单位时 即等于比特率 一般来说 数据传输率的高低由传输每1位数据所占时间决定 传输每1位数据所占的时间越小 则速率越高 数据传输方式 一 数据通信系统模型1 数据通信系统的一般结构模型 它是由数据终端设备 DTE 数据线路端接设备 DCE 和通信线路等组成 2 通信系统模型通信系统组成三要素 信源 信宿和信道 数据线路的通信方式 根据数据信息在传输线上的传送方向 数据通信方式有 单工通信 半双工通信 双工通信 发送端 接收端 发送端 接收端 一 单工 在通信线路上 数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式 称为单工通信 数据信道 发送端 发送端 接收端 接收端 信道 半双工通信方式 数据可以双向传输 但不能同时进行 采用分时间段传输 在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息 这种通信方式称为半双工通信 数据 发送端接收端 发送端接收端 发送端 接收端 接收端 发送端 发送端 发送端 全双工通信方式 可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信 数据 接收端 接收端 数据 理解数据传输方式 数据传输方式 传输的信号 数据的编码常见的信号形式有模拟信号和数字信号 如图所示 其中 模拟信号 AnalogSignal 的电平是连续变化的 数字信号 DigitalSignal 是用两种不同电平表示0 1比特序列的电压脉冲信号 本任务将学习基带传输 频带传输和宽带传输 信源编码技术和多路复用技术等 数据传输方式 数据传输方式依其数据在传输线原样不变地传输还是调制变样后再传输 可分为基带传输 频带传输和宽带传输等方式 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 1 基带传输基带 Baseband 是指调制前原始电信号占用的频带 是原始电信号固有的基本频带 基带信号是未经载波调制的信号 由 0 和 1 组成的数字信号又称为 数字基带信号 基带传输在信道中直接传输基带信号时 称为基带传输 基带传输的信号既可以是模拟信号 也可以是数字信号 具体类型由信源决定 1 基带传输基带传输是一种最基本的数据传输方式 一般用在较近距离的数据通信中 在计算机局域网中 主要就是采用这种传输方式 例如计算机网络中的信号就是基带传输的 基带传输 频带传输和宽带传输 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 2 频带传输利用模拟信道实现数字信号传输的方法 称为 频带传输 将数字信号调制成模拟信号后在发送和传输 到达接收端时 再把模拟信号解调为原来的数字信号 调制解调器 调制解调器是一种计算机硬件 它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号 而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收 并译成计算机可懂的语言 这一简单过程完成了两台计算机间的通信 我们现有的电话 模拟电视信号等 都是属于频带传输 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 3 频带传输与基带传输不同 基带传输中 基带信号占有信道的全部带宽 频带传输中 模拟信号通常由某个频率或某几个频率组成 占用一个固有频带 高频 即整个频道的一部分 采用多路复用技术 提高了信道利用率 频带传输的波形比较单一 因为在频带传输中只需要用不同幅度或不同频率表示0 1两个电平 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 4 宽带传输宽带是指带宽比声频更宽的频带 利用宽带进行的传输称为宽带传输 宽带传输可以在传输介质上使用频分多路复用技术 由于数字信号的频带很宽 不便于在宽带网中直接传输 通常将其转化成模拟信号后再在宽带网中传输 宽带传输信道容量大 传输距离远 基带传输速率快 距离近 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 4 宽带传输计算机局域网中采用的数据传输系统有基带传输和宽带传输两种方式 它们的主要区别在于传输速率不同 一个宽带信道能被划分为许多个逻辑信道 从而可以将各种声音 图像和数据信息传输综合在同一个物理信道上进行 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 4 宽带传输 一般说 宽带传输与基带传输相比有以下优点 能在一个信道中传输声音 图像和数据信息 使系统具有多种用途 一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道 实现多路复用 因此信道的容量大大增加 宽带传输的距离比基带远 因为基带传输直接传送数字信号 传输的速率越高 能够传输的距离越短 复习 1 数据线路的通信方式有 2 数据传输方式可分为 等 2 3理解数据交换技术 Question 为什么要采用数据交换技术一个拥有众多用户的通信网不可能采用两两之间连接的全互联方式 必须采用交换设备为降低通信线路造价 大型网络主要采用部分连接的拓扑结构 两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接 中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续 交换网络有多条信道供多个终端共用 网络的交换设备能够按照终端的需要分配信道并将它们连接起来 本任务主要学习电路交换 存储转发交换和高速交换技术 2 4 1电路交换 电路交换一般定义 交换机负责在两个通信站点之间建立一条物理的固定传输通路 直到通信完毕后再拆除 通信的三个阶段 建立连接 通信 释放连接特点 数据传输前需要先建立一条临时的端到端的通道 通信双方在通信过程中自始自终占用该条链路 应用 服务质量要求较高 电话网 实时数据 音频 视频 1 电路交换把 建立连接 通信 释放连接 三个步骤的连网方式称为面向连接的 电路交换必定是面向连接的 例 两部电话机通信只需要用一对电线就能够互相连接起来 2 4 1电路交换 1 电路交换通信三个阶段 电路建立阶段数据传输阶段电路释放阶段 2 4 1电路交换 1 电路交换 2 4 1电路交换 2 4 3数据交换技术 1 电路交换的优点 信息传输时延短信息传输效率高对用户提供 透明 传输通路适合传输信息量大 通信对象比较确定的用户 2 4 1电路交换 2 电路交换的缺点 当传输短信息时 链路建立和释放时间造成通信效率低 一旦链路建立 在连接时间内是专用的 电路资源的利用率较低 电路交换机不具备编码变换 速率调制的功能 不同类型的终端不能互相通信 当出现对方用户终端忙或交换网负载过重时可能产生呼叫不通的情况 2 4 1电路交换 2 存储转发交换在交换过程中 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 过程 信息从数据源到目的地一般要经过多级转发 中间经过的每个交换机 路由器 都有一个缓冲区 在交换机进行转发时 先把信息存放到数据缓冲区 等到线路空闲时 将信息传输出去 特点 可靠性高 不需要一条专用的通路 提高了信道的利用率 方式 报文交换和分组交换 2 4 2存储转发交换 2 存储转发交换 1 报文交换以报文为单位发送信息 整个报文作为一个整体一起发送 报文就是计算机一次性要发送的数据块 其长度不限且可变 报文包括三部分内容 报头 报文正文和报尾 报头由源地址 目的地址及控制信息组成 报尾一般是校验信息 2 4 2存储转发交换 2 存储转发交换 1 报文交换报文交换的过程 发送端 接受端 2 4 2存储转发交换 1 报文交换A B C D表示交换设备 2 4 2存储转发交换 1 报文交换优点 线路利用率与电路交换相比较高缺点 1 报文大小不一 造成缓冲区管理复杂 2 大报文造成存储转发的延时过长 3 出错后整个报文全部重发 现在已经很少使用 更好的技术取代 2 4 2存储转发交换 2 分组交换过程a 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 每个部分称为一个分组 b 每个分组的前面加一个分组头 由交换机根据目的地址转发至目的地 这个过程称为分组交换 c 接收端收到所有分组后 还原得到报文分组交换也称为包交换进行分组交换的通信网络称为分组交换网 2 4 2存储转发交换 2 分组交换发送端 添加首部构成分组 首部 首部 首部 数据 数据 数据 2 4 2存储转发交换 数据 数据 数据 2 分组交换接收端 收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 2 4 2存储转发交换 2 分组交换特点 1 存储量要求较小 可以用内存来缓冲分组 速度快 2 转发延时小 适用于交互式通信 3 某个分组出错仅重发该分组 效率高 4 分组可通过数据报方式或虚电路方式交换 5 有强大的纠错机制 流量控制和路由选择功能 2 4 2存储转发交换 2 分组交换两种方式 数据报方式虚电路方式数据报方式 每个分组包含源地址和目的地址 各个分组根据目的地址独立到达目的地 同一个报文的不同分组可能沿着不同路径到达目的地 每个分组又称为数据报 数据报会出现乱序 丢失 重复问题 2 4 2存储转发交换 2 分组交换虚电路方式 虚电路就是通信双方在开始互相发送和接收数据之前 需要在网络上先建立一条逻辑链路 用户数据按照顺序沿逻辑链路到达目的地 过程 包括虚电路建立 数据传输和虚电路拆除三个阶段 报文分组不必带目的地址 源地址等辅助信息 只需携带虚电路标识号 同一条物理线路上可以建立多条虚电路 2 4 2存储转发交换 ABCD 报文交换 电路交换 虚电路 分组交换 2 4 2存储转发交换 目前 广域网大都采用分组交换方式 同时 提供数据报和虚电路两种服务由用户选择 并按交换的分组数收费 分组交换主要有以下特点 1 将需要传送的信息分成若干个分组 每个分组加上控制信息后分发出去 采用存储 转发方式 有差错控制措施 2 基于统计时分复用方式 可以不建立连接 也可建立连接 连接为逻辑连接 虚连接 3 共享信道 资源利用率高 4 有时延 实时性差 不能保证通信质量 5 一般用于数据交换 也可用于分组话音业务 6 当节点使用分组交换技术 可构成分组交换网 3 分组交换与报文交换的比较 1 分组交换比报文交换减少了时间延时 2 分组交换把数据的最大长度限制在较小的范围内 每个节点所需要的存储量减少 有利于提高节点存储资源的利用率 3 分组交换易于重新开始新的传输 可让紧急报文迅速发送出去 不会遭到传输优先级较低的报文的堵塞 信元交换技术 信元交换技术信元交换是一种高速分组交换方式 在信元交换中 信元为基本单位 信元是一种极短的固定长度的数据分组 每个信元长为53字节 分为信头和信息两部分 信头占5个字节 包括信元标识等信息 信息域占48个字节 承载用户的数据 信元交换的报文包括信令和一个或多个信元 信令是控制命令 用于建立和释放逻辑连接 信元的标识用来识别信息传输路径 由此可见 信元交换方式融合了电路交换和分组交换的特点 在信元交换过程中 各路的信元存储在缓冲区中 列队等候待发 待空信元到来时 则将信元插入到空信元中发送出去 信元交换技术 信元方式是将信息以信元为单位进行传送的一种技术 采用信元方式 网络不对信元中的用户数据 载体 进行检查 信元方式也是一种快速分组技术 它将话音 数据 图像等数字信息进行切割 封装成统一格式的信元在网中传递 并在接收端恢复成所需格式 通常 传递信元的网络称为信元中继网络 它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 信元交换技术 ATM 异步传输方式 是信元交换的实际应用标准 它是当前发展最快的网络技术 传输介质使用光缆或双绞线 其传输速率已达到155Mbps和622Mbps 并向2Gbps进军 ATM采用的是面向连接的高速交换和多路复用技术 能保证网络带宽不随用户数增加而下降 而且每个用户可享用专用带宽并可根据用户的需求变化来调节用户的带宽 ATM有3层结构 物理层 ATM层和ATM自适应层 信元交换技术 ATM的特点是支持复杂的多媒体应用 相对传统LAN拥有可靠的服务质量 良好的伸缩性 提高生产率 改进现有应用的性能 为用户网络提供带宽 保护用户投资 高频宽 低延时 节省费用 ATM是一种广域网主干线的较好选择 4种交换技术的比较 1 对于交互式通信来说 报文交换是不合适的 2 对于较轻的间歇式负载来说 电路交换是合适的 因为可以通过电话拨号线路来使用公用电话系统 3 对于两个站之间很重的和持续的负载来说 使用租用的电路交换线是最合适的 4 当有一批中等数量数据必须交换到大量的数据设备时 宁可用分组交换方法 这种技术的线路利用率是最高的 4种交换技术的比较 5 数据报分组交换适用于短报文和具有灵活性的报文 6 虚电路分组交换适用于大批量数据交换和减轻各站的处理负担 7 信元交换适用于对带宽要求高和对服务质量要求高的应用 四种交换技术的优缺点 电路交换 优点 实时性好 通信效率高 缺点 线路利用率低 不能连接不同类型线路组成的链路 通信双方要同时工作 报文交换 优点 线路利用率高 双方无须同时工作 可同时向多个目的地发送同一报文 可在网络上实现报文差错控制和纠错处理 能进行速度和代码的转换 缺点 网络延时较长 不适宜实时通信和交互式场合 四种交换技术的优缺点 数据报 优点 对于短报文数据 通信传输率较高 对网络故障适应能力强缺点 传输延时较大 时延离散度大虚电路 优点 对于数据量较大的通信传输率高 分组传输延时短 且不易产生数据分组丢失 缺点 对网络的依赖性较大 练习题 一 选择题1 电子邮件采用的交换方式是 A 电路交换B 报文交换C 数据报D 虚电路2 报文交换不适合于 A 电子邮件B 间隙性负载C 交互式通信D 少量数据3 以下交换技术中 不属于存储交换技术的是 A 电路交换B 数据报C 虚电路D 报文交换4 下列交换方式中 的传输延时最小A 报文交换B 电路交换C 虚电路D 数据报交换二 填空题1 如果按照数据交换方式进行分类 电话系统的信息交换方式属于 2 一般来讲 存储转发方式包括报文交换和 3 在数据传输中 一般要建立连接的是 交换方式 B C A B 电路交换 分组交换 电路 2 4 3知识拓展 高速交换技术 2 异步传输模式ATM是一种比帧中继传输速率更高的快速分组交换方式 ATM的传输单位为信元 Cell 又称信元交换 信元是一种较短的数据分组 其长度固定为53个字节 采用时分多路复用技术 不必在数据链路层进行差错控制和流量控制 第十章差错控制 为什么要进行差错控制差错控制的基本方法差错控制编码的基本概念常用的简单编码常用的线性分组码 1 差错产生的原因 数据通信系统的基本任务是高效率而无差错地传送数据 数据信号在通信线路中传输时 难免受到来自信道内部和外部的干扰 从而引起信号的失真 导致数据传输错误 传输出错的原因 一是信道的加性噪声 二是由于传输总特性 包括收 发滤波器和信道的特性 不理想引起的码间串扰 噪声是影响数据传输质量的主要因素 根据产生的原因可以将噪声分为四类 热噪声 交调噪声 串音和脉冲噪声四类 2 噪声的类型 热噪声是由带电粒子在导电介质中的布朗运动引起的 它存在于任何工作在绝对零度以上的电路或系统中 热噪声属于高斯白噪声 其概率密度函数满足正态分布统计特性 同时它的功率谱密度函数是均匀分布的 常数 热噪声的特点是 时刻存在 不可排除 幅度较小 强度与频率无关 但频谱很宽 是一类随机的噪声 噪声的类型 交调噪声是一种附加的频率干扰 由于通信系统的非线性 将导致进入通信系统的不同频率的信号在系统的输出端产生这些频率之间的差频信号或倍频信号及其组合 这就是交调噪声 对于交调噪声可以通过适当的调制技术 人为地校正系统的非线性部分得到补偿 噪声的类型 串音是一个通路的信号在相邻的另一个通路引起的干扰现象 这是由于信号线路之间的电磁感应引起的有害耦合 为了消除线路之间的有害耦合 可以将每一对线拧成一定扭绞节距的线缆 噪声的类型 脉冲噪声是由于电火花或其他原因造成的突发振幅很大 持续时间比间隔时间短得多的离散脉冲耦合到信号通路中的干扰 脉冲噪声也称为冲击噪声 它将引起一连串的数据比特出错 它是数据传输差错的主要根源 脉冲噪声产生的干扰很难消除 只能采用差错控制的方法来实现可靠传输 3 差错的类型 随机差错指数据单元中的单比特差错 它通常由传输信道的热噪声引起 突发差错指数据单元中的两个或两个以上的比特发生成串密集性的差错 第一个错误比特到最后一个错误比特之间的位数称为突发长度 冲击噪声持续的时间通常大于数据传输中每比特的发送时间 因而会引起相邻的多个数据位出错 从而导致突发差错 有差错的信道类型 按照噪声或干扰的变化规律 可把信道分为三类 随机信道 恒参高斯白噪声信道是典型的随机信道 其中差错的出现是随机的 而且错误之间是统计独立的 突发信道 具有脉冲干扰的信道 是典型的突发信道 错误是成串成群出现的 即在短时间内出现大量错误 混合信道 短波信道和对流层散射信道是混合信道的典型例子 随机差错和成串的突发差错都占有相当比例 4 如何解决传输差错问题 提高物理信道的质量 尽量避免和减少差错 采用电缆屏蔽措施和适当的调制解调方法设置中继设备对信号进行整理再生和放大加大发射功率 降低接收设备本身的噪声 以提高信噪比提高数据的健壮性 有效地进行检错和纠错 采用信道编码技术 为数据信息增加冗余编码 形成抗干扰编码 使接收方能进行检错或纠错配合适当的差错控制方法进行检错或纠错 1 奇偶校验码 编码规则在发送的数据块后附加一位校验位 该位的取值由原数据块中 l 的个数之和决定 偶校验 把数据信息中的 1 的个数凑成偶数 奇校验 把数据信息中的 1 的个数凑成奇数 例如 传输的数据 1011000 偶校验时 校验位l 码字是 10110001 奇校验时 校验位0 变为 10110000 缺点 校验能力很低 它只能检出 l 有奇数个错误 不能确定是几个奇数错误 优点 其设备简单 容易实现 已知字符T的ASCII码值的十进制数表示为84 如果将最高为设置为奇数校验 则字符M的ASCII码值设置奇校验位 他的二进制表示为 A A11001101B10101100C10110011D10001101 循环冗余检查 循环冗余检查 CRC 是一种数据传输检错功能 对数据进行多项式计算 并将得到的结果附在帧的后面 接收设备也执行类似的算法 以保证数据传输的正确性和完整性 第三章计算机网络技术基础 计算机网络的分类 计算机网络的拓扑结构 是指计算机网络的硬件系统的连接形式 即网络的硬件布局 通信线路和节点间的几何图形 通常用不同的拓扑来描述对物理设备进行布线的不同方案 它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小 在拓扑学里 重要的拓扑性质包括连通性与紧致性 第三章计算机网络技术基础 第三章计算机网络技术基础 总线型 总线型拓扑结构采用单根数据传输线作为通信介质 所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到一根中央主电缆 大多是同轴电缆 以基带信号形式串行传送 上 任何一个节点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散 并且能够被总线任何一个节点所接受 其传输方式类似于广播电台 因而总线网络也称为广播式网络 结构简单 便于扩充 双向传输 可靠性较差 终接器 终接器 1 总线结构所需的电缆数量少 易于维护和布线 2 总线结构简单 是无源工作 有较高可靠性 3 易于扩充 增加或减少用户比较方便 4 费用开支少 便于广播式工作 总线型拓扑结构的优点 1 总线的传输距离有限 通信范围受到限制 2 故障诊断和隔离较困难 3 实时性不强 总线型拓扑结构的缺点 第三章计算机网络技术基础 计算机网络的分类 星型拓扑结构 是以中央节点 集线器或者交换机 为中心与各节点连接组成的 各节点与中央节点通过点到点的方式连接 主要采用电路交换和报文交换 尤其是电路交换 结构简单 建网容易 便于控制和管理 中心节点负担较重 通常采用集线器和交换机 传输介质一般采用Ethernet双绞线 星型拓扑结构的优点 1 结构简单 连接方便 管理和维护都相对容易 而且扩展性强 2 网络延迟时间较小 传输误差低 3 在同一网段内支持多种传输介质 除非中心结点故障 否则网络不会轻易瘫痪 因此 星型网络拓扑结构是目前应用最广泛的一种局域网拓扑结构 4 故障诊断和隔离容易 星型拓扑结构的缺点 1 安装和维护的费用较高 2 共享资源的能力较差 3 通信线路利用率不高 4 对中心结点要求相当高 一旦中心结点出现故障 则整个网络将瘫痪 第三章计算机网络技术基础 环型拓扑结构网络 是由一些中继器和连接到中继器的点到点链路组成的一个闭合环 在环型网中 所有的通信共享一条物理通道 即连接网络中所有节点的点到点链路 首尾相连的闭合环形 节点不宜过多 不利于扩充 第三章计算机网络技术基础 环形拓扑的优点 1 电缆长度短 环形拓扑网络所需的电缆长度和总线拓扑网络相似 但比星形拓扑网络要短得多 2 网络实时性好 3 可使用光纤 光纤的传输速率很高 十分适合于环形拓扑的单方向传 环形拓扑的缺点 1 节点的故障会引起全网故障 这是因为环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点 一旦环中某一节点发生故障就会引起全网的故障 2 故障检测困难 这与总线拓扑相似 因为不是集中控制 故障检测需在网上各个节点进行 因此就不很容易 3 环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式 在负载很轻时 信道利用率相对来说就比较低 第三章计算机网络技术基础 第三章计算机网络技术基础 网状拓扑结构中 由于节点之间有许多条路径相连 可以为数据流的传输选择最佳路由 从而避开有故障的部件或过忙的节点 但是 这种结构比较复杂 成本也比较高 提供上述功能的网络协议也较复杂 这种拓扑结构一般在可靠性要求高 不计较成本的场合下使用 例如 军用网 其故障排除比较复杂 不适宜常用布线方案 网状拓扑的优点 1 网络可靠性高 一般通信子网中任意两个节点交换机之间 存在着两条或两条以上的通信路径 这样 当一条路径发生故障时 还可以通过另一条路径把信息送至节点交换机 2 网络可组建成各种形状 采用多种通信信道 多种传输速率 3 网内节点共享资源容易 4 可改善线路的信息流量分配 5 可选择最佳路径 传输延迟小 网状拓扑的缺点 1 控制复杂 软件复杂 2 线路费用高 不易扩充 3 在以太网中 如果设置不当 会造成广播风暴 严重时可以使网络完全瘫痪 网状拓扑结构一般用于Internet骨干网上 使用路由算法来计算发送数据的最佳路径 第三章计算机网络技术基础 树型拓扑 一种类似于总线拓扑的局域网拓扑 在总线型网络上加分支形成的 每个分支还可以延伸出子分支 每个分支又可包含多个结点 它适用于分级管理和控制系统 第三章计算机网络技术基础 树型拓扑的优缺点与星型拓扑类似 若根节点出现故障 也会引起全网不能正常工作 树型拓扑优点 1 易于扩展 可以延伸出很多分支和子分支 因而容易在网络中加入新的分支或新的节点 2 易于隔离故障 如果某一线路或某一分支节点出现故障 它主要影响局部区域 因而能比较容易地将故障部位跟整个系统隔离开 第三章计算机网络技术基础 星状环状 星形环拓扑是将星形拓扑和环形拓扑混合起来的一种拓扑 试图取这两种拓扑的优点于一个系统中 克服了典型的星形和典型的环形两个拓扑的不足和缺陷 这种拓扑的配置是由一批接在环上的连接集中器 实际上是指安装在楼内各层的配线架 组成 从每个集中器按星形结构接至每个用户站上 星形环拓扑的优点是 故障诊断和隔离 易于扩展