数据基础(上)——数据通信及TCP-IP基础

1、宽带数据通信基础(上篇)数据通信及TCP/IP2008-4-23 维护中心 陈昱提 纲 数据通信基础数据通信基础 OSI参考模型 TCP/IP协议基础数据通信基础 数据通信技术是计算机网络的基础，它将计算机技术与通信技术相结合，完成数据的编解码、传输和处理。因此，研究计算机网络，一定要了解数据通信。主要内容 数据通信的基本概念 数据通信方式 数据转换技术 数据交换技术数据通信的基本概念 1、信息和数据、信息和数据 信息可以是语音、图像、文字等多种形式，这里指的信息是人们要通过通信系统传递的内容； 信息总是与一定的形式相联系，这种形式实体就是数据。可以说，数据是传递信息的实体，而信息是数据的内容

2、或解释。 数据可分为模拟数据和数字数据两类。模拟数据是指在某个区间连续变化的物理量，例如声音的大小和温度的变化等。数字数据是指离散的不连续的量，例如文本信息和整数。数据通信的基本概念 2、信号、信号 信号是数据的表现形式，是数据的电气或电磁形式的编码。 信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。其中模拟信号是指一种连续变化的电信号，例如：电话线上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波信号。数字信号是指一种离散变化的电信号，例如计算机产生的电信号就是“0”和“1”的电压脉冲序列串。数据通信的基本概念 3、信道、信道 信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。是传输信息的必经之路。一般来说，一条通信

3、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。数据通信的基本概念 4、带宽、带宽 带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。例如，人所能听得的声波范围20Hz20000Hz。 在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 比特率作为带宽的计量单位。主要单位：Kb/s，Mb/s，Gb/s 一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。数据通信的基本概念 5、时延、时延 信息从网

4、络的一端传送到另一端所需的时间 时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延 处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒） 排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间 发送时延=数据位数/信道带宽 传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度光速数据通信方式1、并行与串行、并行与串行 数据传输有并行和串行两种方式。通常，并行通信用于距离较近的情况，而串行通信用于距离较远的情况。在并行数据传输中，至少有8位数据同时从一个设备传导另一个设备，而在串行数据传输中，每次串的数据只有1位，串行传输速度相对慢，但实现串行数据传输的硬件具有经济和实用性。串行通信可以利用电话通信、无线、微波和卫星等现有

5、通信网，而并行通信要用专门的并行电缆来实现。数据通信方式数据通信方式 异步传输与同步传输异步传输与同步传输 在数据的串行传输中，介质一次传送1位数据。这时，发送器和接收器对这些数据必须有相同的时序安排(如信号速度、信号宽度等)，即接收方必须知道它所接受的每一位的开始时间和结束时间。用来控制时序的常用技术有异步传输和同步传输。数据通信方式 01111110 01111110 B A X 01111110 SY N SY N B A X SY N 同 步 字 符 （ 一 个 或 多 个 ） 同 步 位 模 式 （ 一 个 或 多 个 ） 可 变 长 度 的 位 数 据 块 可 变 长 度 的 字

6、符 数 据 块 数据通信方式 2、单工、半双工、全双工、单工、半双工、全双工 根据信号在通信线路上的传输方向，数据通信方式可分成如下三种： 单工单工：数据单向传输（无线电广播） 半双工半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机） 全双工全双工：数据可以双向同时传输（电话）；或者具有两条物理上独立的传输线路；或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输数据通信方式 3、基带与频带传输、基带与频带传输 基带传输基带传输 是指在信道上原封不动地传输由计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号。具有速率高和误码率低等优点，在计算机网络通信中被广泛采用。 频带传输频带传输

7、是指将数字数据转换成模拟信号，借助于模拟信道进行传输的方式。频带传输解决了利用模拟信道传输数据信息的问题。模拟信道主要指电话传输系统。数据转换技术 调制解调技术调制解调技术（解决数字数据在模拟信道上的传输 ） 计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数字数据，而电话系统只能传输模拟信号，所以这个数字数据要进入到模拟信道以前要有一个变换器进行数字信号到模拟信号的转换，以便它能在模拟信道上传输，这样的一个变换过程叫调制（注意：这个调制过程并不改变数据的内容，仅是把数据的表示形式进行了改变）。这个变换器又叫做调制器。而当调制后的模拟信号传到接收端以后，在接收端也有一个变换器再对这个信号进行反

8、变换，即又把它变回数字信号，这样的一个变换过程叫解调。这个变换器又叫解调器。由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，因此在数据通信的双方既有用于发送信号的调制器又有用于接收信号的解调器，所以把这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器。调制解调(modem)技术调制解调技术最基本的调制方法有以下几种（在图中给出了这几种波形传输数据的波形的示意图）：（1）调幅调幅（AM） 即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。（2）调频调频（FM） 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。（3）调相调相（PM） 即载波

9、的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于180度。窄带上网示意图电话线 16900、16901数字中继数据转换技术 编码解码技术编码解码技术 数据通信中使用最普遍的还是基带传输方式。基带传输必须将数字数据进行编码再进行传输，到了接收段再进行解码，还原为原来的数据。 1、不归零制编码 2、曼彻斯特编码 3、差分曼彻斯特编码数据转换技术 1、不归零制编码、不归零制编码 对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。另外，使用负电压（低）表示0，使用正电

10、压（高）表示1也是很普遍的。后一种技术称为不归零制NRZ（NonReturn to Zero）使用这种不归零制NRZ信号的最大问题就是难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。 数据转换技术 2、曼彻斯特编码、曼彻斯特编码 曼彻斯特编码则可解决这一问题。它的编码方法是将每个码元再分成两个相等的间隔，码元1是由高至低电平转换，即其前半个码元的电平为高电平，后半个码元的电平为低电平。码元0则正好相反，从低电平到高电平的变换，即其前半个码元的电平为低电平，后半个码元的电平为高电平。这种编码的好处是可以保证在每一个码元的正中间出

11、现一次电平的转换，即这个位中间跳变提供了时钟定时，这对接收端提取同步信号是非常有利的。数据转换技术 3、差分曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码 这种差分曼彻斯特编码与上面讲的曼彻斯特编码有着共同的特点，即在每一个码元的正中间有一次电平的变换，这种编码在表示码元1时，其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样（见图中的实心箭头）；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反（见图）中的空心箭头），即用每位开始时有无电平的跳变来表示0（1）的编码。不论码元是1或0，在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干

12、扰性能。数据转换技术数据交换技术 在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接通或断开通信线路，称为“交换交换” 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 交换方式分类： 电路交换 报文交换 分组交换数据交换技术电路交换电路交换（circuit switching）原理 直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方。三个阶段 建立电路 传输数据 拆除电路特点 在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路； 建立物理通路时间较长，数

13、据传送延迟较短。例 Telephone networks ISDN (Integrated Services Digital Networks)数据交换技术报文交换报文交换（message switching） 原理 信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发。 特点 线路利用率高； 要求中间结点（网络通信设备）缓冲大； 延迟时间长。数据交换技术分组交换分组交换（packet switching） 原理 信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。 分组：比报文还小的信息段，可定长，也可变长。 特点 对转发结点的存储要求较低，可以用内

14、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。数据交换技术分组交换分为分组交换分为 数据报（datagram）和虚电路（virtual circuit）数据报数据报 每个分组均带有全称网络地址（源、目的），可走不同的路径。 例: IP networks虚电路虚电路 电路交换和分组交换的结合 分三个阶段 建立：发带有全称网络地址的呼叫分组，建立虚电路 传输：沿建立好的虚电路传输数据； 拆除：拆除虚电路。数据交换技术 结论结论： 电路交换适用于实时信息和模拟信号传送，在线路带宽比较低的情况下使用比较经济； 报文交换

15、适用于线路带宽比较高的情况，可靠灵活，但延迟大；（基本已经趋于淘汰） 分组交换缩短了延迟，也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。是目前公认较（最）好的一种交换技术。计算机网络的分类 LANLocal Area Network局域网，例如办公以太网、网吧内网等 WANWild Area Network广域网，例如Internet MANMetropolitan Area Network 城域网，例如杭州网通宽带城域网提 纲 数据通信基础 OSI参考模型参考模型 TCP/IP协议基础OSI参考模型 应用层：与用户最接近的一层应用层：与用户最接近的一层 表示层：通用的数据

16、格式，语法表示层：通用的数据格式，语法 会话层：控制会话会话层：控制会话 传输层：流控、保证可靠性传输层：流控、保证可靠性 网络层：路径选择、路由及逻辑选路网络层：路径选择、路由及逻辑选路 数据链路层：帧、介质访问控制数据链路层：帧、介质访问控制 物理层：规定信号和介质物理层：规定信号和介质OSI参考模型 分层模型的目的和优点： 1、化解复杂性 2、标准化接口 3、模块化，易于工程 4、确保技术的通用 5、加速发展 6、简化教学和学习OSI参考模型 物理层 物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。 在这一层

17、，数据的单位称为比特（bit）。 属于物理层定义的典型规范代表包括：EIA/TIA RS-232、EIA/TIA RS-449、V.35、RJ-45等。 OSI参考模型 物理层的设备 中继器 集线器Repeaters and HubsRepeaterTransmits data to all connected computersHubTransmits data to all connected computers in a star topologyRepeaterHubOSI参考模型 数据链路层 数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量

18、控制、数据的检错、重发等。 在这一层，数据的单位称为帧（frame）。 数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。 OSI参考模型 数据链路层的设备 以太网 以太网桥 以太网交换机 Token RingEthernetAccess MethodCSMA/CDTransfer SpeedStandard Ethernet 10 MbpsFast Ethernet 100 MbpsGigabit Ethernet 1 Gbps (1000 Mbps)Collision DetectionCarrier Sense Multiple AccessDetects sign

19、alTransmits signalCollision detectedToken RingAccess MethodToken passingTransfer Speed4 to 16 Mbps for all cable typesPhysical RingLogical RingMSAUBridgesBridgeSwitchesSwitchACBD1432端口号MAC地址1MAC A2MAC B3MAC C4MAC DOSI参考模型 网络层 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。 在这一层，数据的单位称为数据包（packet）。 网络层协议的代

20、表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等。 OSI参考模型 网络层的设备 路由器RoutersRouterRouterRouterRouterOSI参考模型 传输层 传输层是第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。 在这一层，数据的单位称为数据段（segment）。 传输层协议的代表包括：TCP、UDP、SPX等。 OSI参考模型 会话层会话层 管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。 表示层表示层 对上层数据或信息进

21、行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。 表示层协议：ASN.1（抽象语法标记）等 应用层应用层 为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。 应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。 对等层通信封装与接封装 源的某一层进行的工作在目的地的对应层上作相反的工作。我们称源的工作叫做封装，目的地所作的工作叫做解封装层层封装OSI参考模型 v.s. ATMATM物理层ATM层AAL层OSI参考模型 v.s. 七号信令OSI参考模型 v.s. 以太网物理层(网络介质)介质访问控制(MAC)层链路访问控

22、制(LAC)层OSI参考模型 v.s. TCP/IP提 纲 数据通信基础 OSI参考模型 TCP/IP协议基础协议基础TCP/IP 协议层次Application LayerInternet LayerIPICMPIGMPARPNetwork Interface LayerEthernetATMTransport LayerUDPTCPApplication LayerFTPHTTP TCP/IP 协议集 Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP) Internet Protocol (IP) Interne

23、t Control Message Protocol (ICMP) Internet Group Management Protocol (IGMP) Address Resolution Protocol (ARP）Transmission Control Protocol (TCP)IPICMPIGMPARPUDPTCPSYNACKSYN ACKUser Datagram Protocol (UDP) UDPTCPIPICMPIGMPARPInternet Control Message Protocol (ICMP)UDPTCPIPICMPIGMPARPInternet Group Ma

24、nagement Protocol (IGMP)UDPTCPIPICMPIGMPARPAddress Resolution Protocol (ARP)UDPTCPIPICMPIGMPARP BCAARPCache14651. ARP cache is checked2. ARP request is sent3. ARP entry is added4. ARP reply is sent5. ARP entry is added6. IP packet is sentARPCache23数据的传输过程我们来看看实际例子我们来看看实际例子:通过通过ftp协议从协议从A发送数据发送数据aaa到

25、到B ABDNSRouterRouterSMTPInternet数据先会被加上SMTP的头，成为SMTPAAA。往下发送到TCP层，成为TCPSMTPAAA。再往下送到internet层IPTCPSMTPAAA。然后成为MACIPTCPSMTPAAA。这样通过ethernet或者FastEnternet发送到路由器，路由器得到后替换自己的MAC地址上去，传到下一级的路由器。这样经过长途跋涉，最终这个数据流到达目标机。目标机先从下面一层开始，去掉MAC，成为IPTCPSMTPAAA往上到IP层。比对后是发送给我这个IP的，去掉IP，成为TCPSMTPAAA。TCP接到了查看校验和，没错，往上SM

26、TPAAA。最后SMTP协议去解释，得到了AAA。IP 地址休息片刻下面你将领略到TCP/IP协议的精华所在！通信过程（这可是真的“信”哦）NameAddressNameAddressIP 地址00010000IP地址地址Host IDNetwork IDIP 地址 IPv4地址位长32bitxxx.xxx.xxx.xxx 共有232个地址 IPv6地址位长128bitxxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.x

27、xx.xxx.xxx共有2128个地址IP 地址分类A 类类主机主机 IDB 类类主机主机 IDC 类类主机主机 ID点分十进制表示法IP 地址分类 分类示意图E55ABCD将网络分成子网 子网 子网掩码 子网掩码的分配规律 CIDR 标记法 本地IP和远程IP无类别域间路由技术 CIDR 标记法 IP地址地址子网掩码子网掩码子网掩码子网掩码1 1的数量的数量 CIDR表示的表示的IPIP地址地址 11111111 11111111 11110000 0000000000001010

28、 11011001 01111011 000001118 + 8 + 4 + 0 = 20无类别域间路由技术 CIDR 标记法 也称网络前缀标记法。 IP：/20 表示：其子网掩码有20个连续的1，用来确定网络ID；余下的必须是0，用来确定主机ID。子网 子网掩码IPAddressHost IDNetwork ID2.200SubnetMask0.0192.168.IPAddress50.100.200SubnetMask0.0.0NetworkID0.0.0IP地址地址100.200子网子网掩码掩码0.0网络网络ID0.0IP地址地址200子网子网掩码掩码0网络网络I

29、D0子网掩码的分配规律： 1，最大值1跟最小值0。 2，连续的1确定网络ID。 3，连续的0确定主机ID。子网掩码比特Host ID11111111111111111111111100000000 10 . 217 . 123 . 7 255 . 255 . 255 . 0111111111111111011111100111110001111000011100000110000001000000000000000子网掩码比特Host ID11111111111111111111111100000000 10 . 217 . 123 . 7 255 . 255 . 255 . 01111111125511111110254111111002521111100024811110000240111000002241100000019210000000128000000000计算机网络 ID IP地址地址子网掩码子网掩码 网络网络IDCIDR表示的表示的网络网络 ID11111111 11111111 11110000 0000000000001010 11011001 01111011 000001