8第八章信息传输

第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 1 通信与网络技术的历史回顾2 数据通信的基本原理3 计算机网络4 Internet基础5 宽带骨干通信网络6 宽带接入网络技术 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 2 数据通信的基本原理1 信息的表现与传输形式2 通信系统模型3 数字通信系统中带宽的概念4 信道容量与香农定理5 基带传输与宽带传输6 多路复用技术 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 2 通信系统模型 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 3 数据通信系统中带宽的概念比特率 每单位时间传输的比特位 单位为比特每秒 bps 带宽 媒体能够传输的最高频率与最低频率的差值 也用于指媒体能够传输的比特数 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 4 信道容量与香农定理物理信道 是指用来传送信号或数据的物理通路 逻辑信道 逻辑信道在信号收 发点之间并不存在一条物理上的传输介质 而是在物理信道基础上 由节点内部的连接来实现 奈奎斯特定理 C 2Blog2N B 带宽 N 不同电压 香农定理 C Blog2 1 S N B 带宽 S 平均信号强度 N 平均噪声强度 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 5 基带传输与宽带传输基带传输 在通信电缆上原封不动地传输由计算机或终端产生的 0 1 数字脉冲信号 信号占整个信道 同一时间内能传送一种信号 宽带传输 在宽带传输系统中 传输介质的带宽 允许传输信息的频带宽度 较宽 系统设计时将此频带分割成几个子频带 即将一条宽带信道划分为多条基带信道 使用 多路复用技术 在一个信道中同时传播多种信息 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 6 多路复用技术 多路复用技术 是将多个信号通过调制技术调制到各自不同的正弦载波频率上 在各自的频段范围内进行传输 常用的多路复用技术有三种 频分多路复用 时分多路复用和波分多路复用 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 频分多路 波分多路与时分多路这三种复用技术的特点 频分多路复用和波分多路复用是在同一时刻存在并传送多路信号 每路信号的频带不同 时分多路复用是每一时间内只能有一路信号存在 多路信号分时的在信道内穿送 前两者按频率和波长分割 后者按时间分割 数据的传输方式和交换方式 传输方式 1 并行传送与串行方式 2 单工 半双工 全双工通信 交换方式 1 线路交换 2 存储交换 包括报文交换与报文分组交换 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 1 电路交换 由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路 由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成 因而有以下优缺点 优点 由于通信线路为通信双方用户专用 数据直达 所以传输数据的时延非常小 通信双方之间的物理通路一旦建立 双方可以随时通信 实时性强 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 双方通信时按发送顺序传送数据 不存在失序问题 电路交换既适用于传输模拟信号 也适用于传输数字信号 电路交换的交换的交换设备 交换机等 及控制均较简单 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 电路交换 缺点 电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长 电路交换连接建立后 物理通路被通信双方独占 即使通信线路空闲 也不能供其他用户使用 因而信道利用低 电路交换时 数据直达 不同类型 不同规格 不同速率的终端很难相互进行通信 也难以在通信过程中进行差错控制 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 报文交换 报文交换是以报文为数据交换的单位 报文携带有目标地址 源地址等信息 在交换结点采用存储转发的传输方式 因而有以下优缺点 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 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 由于采用存储转发的传输方式 使之具有下列优点 a 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 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 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 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 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 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 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 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 3 分组交换 分组交换仍采用存储转发传输方式 但将一个长报文先分割为若干个较短的分组 然后把这些分组 携带源 目的地址和编号信息 逐个地发送出去 因此分组交换除了具有报文的优点外 与报文交换相比有以下优缺点 优点 加速了数据在网络中的传输 因为分组是逐个传输 可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行 这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间 此外 传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多 这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 简化了存储管理 因为分组的长度固定 相应的缓冲区的大小也固定 在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理 相对比较容易 减少了出错机率和重发数据量 因为分组较短 其出错机率必然减少 每次重发的数据量也就大大减少 这样不仅提高了可靠性 也减少了传输时延 由于分组短小 更适用于采用优先级策略 便于及时传送一些紧急数据 因此对于计算机之间的突发式的数据通信 分组交换显然更为合适些 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 缺点 尽管分组交换比报文交换的传输时延少 但仍存在存储转发时延 而且其结点交换机必须具有更强的处理能力 分组交换与报文交换一样 每个分组都要加上源 目的地址和分组编号等信息 使传送的信息量大约增大5 10 一定程度上降低了通信效率 增加了处理的时间 使控制复杂 时延增加 当分组交换采用数据报服务时 可能出现失序 丢失或重复分组 分组到达目的结点时 要对分组按编号进行排序等工作 增加了麻烦 若采用虚电路服务 虽无失序问题 但有呼叫建立 数据传输和虚电路释放三个过程 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 小结 若要传送的数据量很大 且其传送时间远大于呼叫时间 则采用电路交换较为合适 当端到端的通路有很多段的链路组成时 采用分组交换传送数据较为合适 从提高整个网络的信道利用率上看 报文交换和分组交换优于电路交换 其中分组交换比报文交换的时延小 尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 3 计算机网络1 网络的形成与发展2 网络的功能3 计算机网络的组成4 计算机网络的类型5 计算机网络的拓扑结构6 计算机网络通信协议7 开放系统互联参考模型8 TCP IP协议9 网络互联及其设备 计算机网络 将地理位置不同的具有独立功能的多个计算机 系统 或由计算机控制的外部设备 通过通信设备和传输介质连接起来 在网络操作系统的控制下 按照约定的通信协议进行信息交换 实现资源共享的系统 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 1 网络的形成与发展 A 远程终端联机阶段B 计算机网络阶段C 计算机网络互联阶段D 信息高速公路阶段 2 网络的功能 1 数据通信2 资源共享3 提高计算机的可靠性和可用性4 易于进行分布式处理5 综合信息服务功能 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 3 计算机网络的组成 A 资源子网 负责信息处理 B 通信子网 负责全网中的信息传递 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 局域网的基本组成 局域网一般由服务器 用户工作站 网卡 网络传输设备 传输介质等五大部分组成 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 服务器运行网络操作系统 NOS 提供硬盘 文件数据及打印机共享等服务功能 是网络控制的核心 从应用来说较高配置的的兼容机都可以用于文件服务器 但从提高网络的整体性能 尤其是从网络的系统稳定性来说 还是选用专用服务器为宜 服务器分为文件服务器 打印服务器 数据库服务器等 在Internet网上 还有Web FTP E mail等服务器 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 目前常见的NOS主要有WindowsNT 2000系列 Linux Unix Netware四种 WindowsNT 2000 2003 2008Server 一种面向分布式图形应用程序的完整平台系统 易于安装和管理 且集成了Internet网络管理工具和各种网络应用 是最常用的服务器 Netware 流行版本V3 12 V4 11 V5 0 对硬件要求低 应用环境与DOS相似 技术完善 可靠 支持多种工作站和协议 适于局域网操作系统 作为文件服务器 打印服务器性能好 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 目前常见的NOS主要有WindowsNT 2000系列 Linux Unix Netware四种 Unix 主要应用于小型机 大型机上和高端服务器上 一般由各大厂商自行提供 主要有SunSolaris IBMAIX HP UX SCOOpenview等版本 支持网络文件系统服务 提供数据库等应用 功能强大 不易掌握 命令复杂 一般需专门的网络管理人员管理 Linux Linux网络操作系统具有优越的性能 价格比 免费软件 其源代码公开 具有极强的二次开发能力 能确保企业在开发 各取所需 内核基于UNIX系统 所以这在一方面也给企业的管理 开发人员提出了较高的要求 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 工作站可以有自己的0S 独立工作 通过运行工作站网络软件 访问Server共享资源 目前常用的几乎都是基于windows的9X NT 2000 XP Vista Windows7等操作系统的工作站 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 网卡将工作站式服务器连到网络上 实现资源共享和相互通信 数据转换和电信号匹配 网卡 NTC 的分类 1 速率 10Mbps 100Mbps 1000Mbps 2 总线类型 ISA PCI 3 传输介质接口 FC 光纤 BNC 细缆 或RJ一45 双绞线 现基本上都使用RJ 45接口 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 网络传输设备局域网中的传输链接设备主要由集线器 Hub 交换机 Switch 组成 它们的区别在于 从工作方式来看 集线器是一种广播模式 集线器的某个端口工作的时候其他所有端口都有名收听到信息 容易产生广播风暴 当网络较大的时候网络性能会受到很大的影响 交换机就能够起到这种作用 当交换相工作的时候只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口 能够隔离冲突域和有效地抑制广播风暴的产生 从带宽来看 集线器不管有多少个端口 所有端口都共享一条带宽 在同一时刻只能有两个端口传送数据 其他端口只能等待 而交换机每个端口都有一条独占的带宽 当两个端口工作时并不影响其他端口的工作 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 传输介质目前常用的传输介质有双绞线 同轴电缆 光纤等 同轴电缆 由一根空心的外圆柱导体和一根位于中心轴线的内导线组成 两导体间用绝缘材料隔开 按直径分为粗缆和细缆 粗缆 传输距离长 性能高但成本高 使用于大型局域网干线 连接时两端需终接器 目前基本不被使用 每段500米 100个用户 4个中继器可达2500米 收发器之间最小2 5米 收发器电缆最大50米 细缆 传输距离短 相对便宜 用T型头 与BNC网卡相连 两端安50欧终端电阻 每段185米 4个中继器 最大925米 每段30个用户 T型头之间最小0 5米 按传输频带分为基带和宽带传输 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 双绞线 TP 将一对以上的双绞线封装在一个绝缘外套中 为了降低干扰 每对相互扭绕而成 分为非屏蔽双绞线 UTP 和屏蔽双绞线 STP 局域网中UTP分为3类 4类 5类和超5类四种 现综合布线一般都使用5类以上双绞线 STP 内部与UTP相同 外包铝箔 Apple IBM公司网络产品要求使用STP双绞线 速率高 价格贵 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 光纤应用光学原理 由光发送机产生光束 将电信号变为光信号 再把光信号导入光纤 在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号 并把它变为电信号 经解码后再处理 分为单模光纤和多模光纤 绝缘保密性好 单模光纤 由激光作光源 仅有一条光通路 传输距离长 可达几十公里 多模光纤 由二极管发光 低速短距离 2公里以内 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 4 计算机网络的类型按距离划分 按网络的作用范围可将网络划分为 广域网WAN 广域网的范围一般为几十到几千公里局域网LAN 局域网的范围通常为几米到几十公里城域网MAN 城域网的范围介于广域网和局域网之间 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 按通信介质划分 有线网 采用如同轴电缆 光纤等物理介质来传输数据的网络无线网 采用卫星 微波等无线形式来传输数据的网络 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 按通信传播方式划分 点对点传播方式网 是以点对点的连接方式 将各个计算机连接起来主要的拓扑结构有 星形 树形 环形 网形广播式传播方式网 广播式传播方式网是用一个共同的传输介质把各个计算机连接起来的 主要包括以同轴电缆连接起来的总线形网和以微波 卫星方式传播的广播形网 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 按通信速率划分 低速网 网上数据传输速率在300b s 1 4Mb s之间的系统中速网 网上数据传输速率在1 5Mb s 45Mb s之间的系统高速网 网上数据传输速率在50Mb s 1000Mb s之间的系统 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 按使用范围划分 公用网 又称为公众网 它是为全社会所有的人提供服务的网络专用网 为一个或几个部门所有 它只为拥有者提供服务 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 按网络控制方式分类 集中式计算机网络 这种网络处理的控制功能高度集中在一个或几个少数几个节点上 所有的信息流都必须经过这些节点之一 星型网络和树型网络都是典型的集中式网络 分布式计算机 这种网络中 不存在一个处理的控制中心 网络的任一节点都至少和另外两个节点相连接 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 按应用领域分类 政务网络企业网络校园网络 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 5 计算机网络的拓扑结构 什么叫 拓扑 结构 拓扑是英文 Topology 的中文称谓 是计算机科学家从图论演变出的描述网络的方法 它将网络中的具体设备抽象为 点 线 抽象的对计算机网络进行描述 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 拓扑结构的分类 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 7 开放系统互联参考模型计算机网络7层开放系统互联 opensystemsinterconnection OSI 标准 其核心内容包含高 中 低三大部分 高层是面向网络应用 低层是面向网络通信的各种功能划分 而中间层是起信息转换 信息交换 或转接 和传输路径选择等作用 即路由选择核心 为进行网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定称为网络协议 网络协议主要由下列三个要素组成 语法 语义和同步 指事件实现中顺序的详细说明 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 网络异质性问题的解决网络体系结构就是使这些用不同媒介连接起来的不同设备和网络系统在不同的应用环境下实现互操作性 并满足各种业务的需求的一种粘合剂 它营造了一种 生存空间 任何厂商的任何产品 以及任何技术只要遵守这个空间的行为规则 就能够在其中生存并发展 网络体系结构解决异质性问题采用的是分层方法 把复杂的网络互联问题划分为若干个较小的 单一的问题 在不同层上予以解决 就像编程时把问题分解为很多小的模块来解决一样 层次结构方法的优点把网络操作分成复杂性较低的单元 结构清晰 易于实现和维护定义并提供了具有兼容性的标准接口使设计人员能专心设计和开发所关心的功能模块独立性强 上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务 黑箱方法适应性强 只要服务和接口不变 层内实现方法可任意改变一个区域网络的变化不会影响另外一个区域的网络 因此每个区域的网络可单独升级或改造 网络体系结构的几个基本概念协议 为进行网络中的数据交换 通信 而建立的规则 标准或约定 语义 语法 规则 不同层具有各自不同的协议 实体 任何可以发送或接收信息的硬件 软件进程 对等层 两个不同系统的同名层次 对等实体 位于不同系统的同名层次中的两个实体 协议作用在对等实体之间 接口 相邻两层之间交互的界面 定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务 服务 某一层及其以下各层的一种能力 通过接口提供给其相邻上层 开放系统互联参考模型 OSI RM OSI参考模型将网络的不同功能划分为7层 对等通信的实质OSI参考模型禁止不同主机的对等层之间的直接通信 想一想 为什么 实际上 每一层必须依靠相邻层提供的服务来与另一台主机的对应层通信 上层使用下层提供的服务 Serviceuser 下层向上层提供服务 Serviceprovider 以不同国籍的人进行信息交流为例 见下页图 对等通信示例 中德教师之间的对话 问题 中国教师与德国教师之间 翻译之间 他们是在直接通信吗 翻译 秘书各向谁提供什么样的服务 中德教师 翻译各使用谁提供的什么服务 P3 P2 P1 对等层通信的实质 对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务实际通信在最底层完成右图给出了对等层通信更一般的抽象 2 1 3 2 1 物理通信线路 3 N 1 N N 1 N 1 N N 1 Pn 1 Pn Pn 1 系统A 系统B 消息 数据封装一台计算机要发送数据到另一台计算机 数据首先必须打包 打包的过程成为封装 封装就是在数据前面加上特定的协议头部 发送邮件的例子 信装入写有源地址和目的地址的信封中发送 还要写明用航空或挂号 数据 数据 数据段数据包帧比特电脉冲 011101000011000010100101111010110 数据多层封装 OSI各层功能概述 第7层 应用层 Application 为用户的应用程序提供网络通信服务识别并证实目的通信方的可用性使协同工作的应用程序之间进行同步判断是否为通信过程申请了足够的资源应用层协议的例子 远程登录协议Telnet 文件传输协议FTP 超文本传输协议HTTP 域名服务DNS 简单邮件传输协议SMTP 邮局协议POP3等 第6层 表示层 Presentation 处理被传送数据的表示问题 即信息的语法和语义 如有必要 使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换 例如 在日期 货币 数值 特别是浮点数 等本地数据表示格式与标准数据表示格式之间进行转换 数据的加解密 压缩 解压缩等 本地表示1 本地表示2 公共表示 公共表示 表示层 传输层 第5层 会话层 Session 建立 管理和中止不同机器上的应用程序之间的会话 会话 完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换 同步 解决失败后从哪里重新开始 设置检查点 会话失败后 恢复到最后一个检查点处 而不用从头开始 例如 数据送到打印服务器上打印 接收的数据已被确认 但打印机出现故障 这时没必要再从头开始打印 只要在每页开始处设置检查点 打印出错时只需重传最后一个检查点以后的页面 第4层 传输层 Transport 为源端主机到目的端主机提供可靠的数据传输服务 屏蔽各类通信子网的差异 使上层不受通信子网技术变化的影响 进行数据分段并组装成报文流 提供 面向连接 虚电路 和 无连接 数据报 两种服务 传输差错校验与恢复 信息流控制 防止数据传输过载 数据报与虚电路的概念数据报 无连接的服务 虚电路 面向连接的服务数据报 每个分组作为一个独立的信息单位传送特征 不需要连接 也无需确认完整的网络地址 源和目的 信道利用率低不保证按序到达 每个分组均需进行路由选择虚电路 传输前先建立一条逻辑连接 传输结束后拆除特征 需要建立连接仅在建立连接时需要全网地址 传输时用虚电路号按序到达 仅在建立连接时需要路由选择两类虚电路 永久虚电路 租用后便永久建立 退租后拆除 交换虚电路 需要通信时建立 通信结束便拆除 传输层的特点传输层以上各层 面向应用 以下各层 面向传输 传输层位于资源子网和通信子网的交界处 起着承上启下的作用 与网络层的部分服务有重叠交叉 如何平衡取决于两者的功能划分 真正意义上的从源到目标实现 端到端 连接的层 1 3层 链接 中继 4 7层 端到端 第3层 网络层 Network 在源端与目的端之间建立 维护 终止网络的连接 功能和服务最佳路由选择和数据包中转流量控制和拥塞控制差错检测与恢复流量统计和记账 第2层 数据链路层 DataLink 在物理线路上提供可靠的数据传输 使之对网络层呈现为一条无错的线路 所关心的问题包括 物理地址 网络拓扑 组帧 把数据封装在帧中 按顺序传送 并处理返回的确认帧 定界与同步 产生 识别帧边界 差错恢复 采用重传 ARQ 的方法 流量控制 收发双方传输速率的匹配 第1层 物理层 Physical 实现在物理媒体上透明地传送原始比特流 定义了激活 维护和关闭终端用户之间机械的 电气的 过程的和功能的特性 数据终端设备DTE 数据通信设备DCEDTE 用于处理用户数据的设备 如计算机 路由器 DCE 用于把DTE发出的数字信号转换成适合于在传输介质上传输的形式 如MODEM 物理层的特性包括 机械特性 物理连接器的尺寸 形状 规格电气特性 信号电平 脉冲宽度 频率 数据传送速率 最大传送距离等功能特性 接口引脚的功能作用规程特性 信号时序 应答关系 操作过程 ISO OSI七层协议模型 功能 8 TCP IP模型 TCP IP起源于美国国防部高级研究规划署 DARPA 的一项研究计划 实现若干台主机的相互通信 现在TCP IP已成为Internet上通信的标准 TCP IP模型包括4个概念层次 应用层 application 传输层 transport 网际层 internet 网络接口 networkinterface 第八章信息的传输 计算机通信与网络技术 TCP