计算机科学概论（微课版）· 第5章 数据传输 · 教学课件

高等学校计算机专业核心课程精品系列教材计算机科学概论（微课版）第5章数据传输传输介质·传输方式·网络协议·传输层·网络层·数据链路层传输速率最快的介质，竟然是一辆装满硬盘的卡车？本章沿“介质”与“方式”两条线索回顾通信技术的发展，再自顶向下拆解互联网五层协议栈，看清数据如何到达目的地。AmazonSnowmobile：装载数千块硬盘的数据迁移卡车教材图5-1，见教材第68页LEARNINGGOALS学习目标与知识导图第5章知识结构导图（教材章首）本章学习目标❶了解传输介质的发展和代表性技术，包括导向型和非导向型传输介质；❷了解数据传输方式的发展和代表性技术，学习数据通信最重要的技术之一——互联网，以及其体系结构和网络协议栈；❸理解协议的概念并了解TCP/IP协议模型；❹自顶向下掌握TCP/IP协议模型各层的主要功能及代表技术：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。能力落点：横向看介质与传输方式的百年演进，纵向看五层协议栈的分工协作——从两个维度对数据传输技术形成完整认识。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输02CONTENTS本章目录5.1传输介质的发展导向型：双绞线/同轴电缆/光纤｜非导向型：陆地无线/卫星5.2传输方式的发展电报·电话·广播电视｜互联网｜移动互联网与量子通信5.3网络协议复杂系统的协议分层｜五层互联网协议栈5.4传输层TCP：连接管理·可靠传输·报文段｜UDP：无连接传输5.5网络层IP寻址与CIDR｜路由控制与分片｜路由器5.6数据链路层MAC地址与ARP｜交换机的转发、过滤与自学习章末5.7本章小结｜5.8拓展知识：5G移动通信｜5.9课后习题计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输035.1.1导向型传输介质从单线铁丝到双绞线①单线铁丝：电脉冲的起点1753年《苏格兰人》杂志刊登署名“C.M”的信件，提出利用电流通信的设想；1837年莫尔斯发明电报机（点、横线、空白组合=摩斯电码）；1876年贝尔申请电脉冲式电话机专利——最初的电报机和电话机都通过单线铁丝传输电脉冲信号。②双绞线：相互缠绕，抵消干扰两条绝缘电缆互相缠绕成螺旋状，两根线产生的波相互抵消，抗电磁干扰。铁导线电阻率高（比铜高近6倍）、衰减大，20世纪80年代出现双绞铜线；从CAT1到CAT7，速率从10Mbit/s提升至10Gbit/s。网线类型传输频率最大速率距离五类线CAT51~100MHz100Mbit/s100m超五类CAT5e1~100MHz1000Mbit/s100m六类线CAT61~250MHz1000M/10Gbit/s37~55m超六类CAT6A1~500MHz10Gbit/s100m七类线CAT71~600MHz10Gbit/s100m表5-1市面上常见网线的基本参数（教材第70页）：千兆家庭网至少选超五类图5-2电脉冲式电话机示意（教材第69页）图5-3有4对双绞线的超五类线CAT5e（教材第69页）计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输045.1传输介质·导引型同轴电缆与光纤同轴电缆·结构：两个同心铜导体，双向传输；·带宽可达6GHz，抗干扰优于双绞线；·广泛用于有线电视、城域网与家庭接入；·长途干线曾用它，如今基本被光纤取代。图5-4同轴电缆结构（教材第70页）光缆（光纤）·光脉冲即比特：有光=1，无光=0；·速率可达数十至数百Gbit/s；·低衰减：可约100公里不用中继器；·不受电磁干扰、难以窃听；2005年起我国宽带"光进铜退"（FTTH）。图5-5光纤构造（教材第71页）计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输055.1传输介质·非导引型陆地无线电信道1867麦克斯韦提出电磁波理论，预言无线电波的存在1894—95马可尼研制出第一台实用的无线电收发机，实现无线电通信（1909年获诺贝尔物理学奖）20世纪长途干线以微波接力为主；1955年起应用对流层散射通信（100~500公里）按距离划分，今天的无线链路主要分三类·1~2米：蓝牙，连接耳机、键鼠等外设；·数十~几百米：无线局域网（WiFi）；·数万米：蜂窝移动通信网、广播电视网。图5-6马可尼与第一台无线电收发机（教材第71页）无线电信道工作在电磁频谱上，无需铺设线缆、支持移动，但易受干扰、反射与遮挡影响。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输065.1传输介质·非导引型卫星无线电信道1945克拉克发表《地外中继》，预言可用卫星实现全球通信1960Echo1无源气球卫星（直径30米、镀PET膜）反射信号成功工作原理：地面站+转发器地面站以一个频率发送，卫星转发器接收后以另一个频率放大转发回地面，两点间经卫星"弯管"互连。两类卫星轨道·同步卫星（GEO）：赤道上空35784km，三颗即可覆盖全球；端到端时延约280ms；·近地轨道（LEO）：低时延，但单颗覆盖小，需多星组网协同工作。图5-7通信卫星（教材第72页）卫星通信的典型应用·早期：洲际电话、山区海岛通信；·90年代：卫星宽带接入；·2010年起：民航客机空中WiFi。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输075.1传输介质·回扣导入再议"雪地车"：卡车也是传输介质图5-1AWS数据传输车（雪地车）（教材第68页）算一算雪地车的"带宽"·运载100PB（105TB）数据，北京→武汉约12小时：有效带宽约2.13Tbit/s；·若车程只需1小时：有效带宽高达约28Tbit/s。传输方式典型带宽说明雪地车（卡车运盘）2.13Tbit/s海量数据"一次性搬运"双绞线10Gbit/s百米以内的CAT6A/CAT7同轴电缆<10Gbit/s有线电视、家庭接入光纤39.8Gbit/s商用长距传输设备卫星≈100Mbit/s覆盖广但速率较低代价是"延迟"：卡车按小时计，不适合游戏、通话等实时应用；但做超大规模数据迁移（数据中心搬家），没有对手。启示：没有"最好的介质"，只有"最适合场景的介质"。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输085.2传输方式·从电报到电话电报与电话：用电"说话"1832希林制成指针式电报机原型，但未能商用1837莫尔斯电报机问世；1844年建成华盛顿—巴尔的摩64公里电报线，电报走向实用1860赖斯首次用电话线传送旋律，并把这种装置命名为"telephone"1876贝尔获得电话专利：用电流的强弱变化模拟声音，实现语音的实时双向传输从电报到电话的关键一跃电报传的是编码后的符号（通/断），电话传的是连续变化的模拟信号——传输对象从"文字"变成了"声音"。图5-8莫尔斯电报机（教材第73页）思考：电报和电话都是"点对点"通信。如果要把同一声音同时传给千家万户，该怎么办？→引出广播。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输095.2传输方式·广播与电视广播与电视：一点到多点无线电广播·弗莱明发明真空二极管、德福雷斯特发明真空三极管，为无线电广播奠定器件基础；·1906年费森登完成首次无线电广播实验；·1920年匹兹堡KDKA电台开播——世界首家商业广播电台，广播进入大众生活。电视·1925贝尔德实现机械扫描电视；·30年代末英美开播黑白电视，50年代初普及，60年代后期进入彩色时代。图5-9KDKA电台播音室（教材第74页）一种新的传输方式广播与电视采用"一点发送、多点接收"的单向模式：内容相同、同时送达，边际成本几乎为零。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输105.2传输方式·互联网互联网：从ARPANET到万维网1969ARPANET建成：UCLA、斯坦福研究院、加州大学圣巴巴拉分校、犹他大学四节点互联，速率仅50Kbit/s1972罗伯特·卡恩提出开放式网络框架，奠定TCP/IP协议基础——网络的网络由此可能80年代NSFNET主干网建成，科研院校广泛接入90年代万维网（WWW）诞生，互联网呈爆炸式增长，进入千家万户图5-10互联网体系结构（教材第75页）互联网的体系结构·用户经ISP接入（HFC/FTTH/企业专线）；·ISP之间转发数据包，构成骨干网；·IXP交换点实现网络互联；·内容提供商的数据中心直连骨干。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输115.2传输方式·互联网性能怎样衡量网络"快不快"带宽（bit/s）·单位时间能传多少比特，分上行/下行；·看480p视频约需1Mbit/s；·看1080p高清约需5Mbit/s。延迟（ms）·数据从发出到抵达的时间=发送时延+传播时延+处理时延；·FPS/MOBA类游戏要求延迟<35ms。丢包率·网络拥塞时路由器缓存溢出，数据包被丢弃；·丢包会引发重传，表现为卡顿、花屏。吞吐量·端到端实际获得的传输速率；·受链路中最慢一环制约，通常小于标称带宽。选套餐、测网速时，别只看"带宽"，延迟与丢包同样决定体验。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输125.2传输方式·移动互联网移动互联网与蜂窝网络2024年全球移动互联网用户已超过50亿。手机随时随地联网，靠的是"蜂窝移动通信"。代际峰值速率标志性应用1G2.4kbit/s模拟语音通话2G9.6~64kbit/s短信、WAP上网3G约3Mbit/s在线视频初体验4G100M~1Gbit/s移动互联网全应用5G20Gbit/s万物互联（2020商用）据表5-2精简：移动通信代际演进（教材第77页）频率重用：把服务区划成许多"蜂窝"小区，不相邻的小区可复用同一频率，容量大幅提升。图5-11蜂窝网络的频率重用（教材第78页）相同颜色的小区使用相同频率；小区越多、越小，同频复用越充分。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输135.2传输方式·前沿量子通信：原理级的安全什么是量子通信利用量子态承载信息。任何窃听行为都会不可避免地扰动量子态，从而被通信双方发现——安全性由物理原理保证，而非计算复杂度。量子密钥分发（QKD）·1984年本内特与布拉萨德提出首个QKD协议；·通信双方先协商出一次性密钥，再"一次一密"加密数据；·理论上是不可破译的通信方式。中国力量·世界首颗量子科学实验卫星"墨子号"；·"京沪干线"量子保密通信骨干网；·建成天地一体的广域量子通信基础设施。从电报、电话到互联网，再到量子通信——传输方式演进的背后，是人类对"更快、更远、更安全"的不懈追求。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输145.3网络协议·分层思想协议与分层：一个CEO的故事协议：通信双方对"如何交换信息"的事先约定——报文格式、含义与动作。高层：中国CEO小明与法国CEOTom洽谈合作——只关心"谈什么"。中层：双方翻译把内容译成共同语言英语——解决"怎么表达"。底层：保密部门负责加密与传递——解决"怎么送达"。分层的好处：每层各司其职、对上提供服务；某一层升级（翻译换人、改用快递），其他层不必改动。图5-12分层的协议（教材第79页）计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输155.3网络协议·TCP/IP模型五层协议栈：每层干什么图5-13五层协议栈（教材第80页）应用层——直接服务应用：HTTP、SMTP、DNS，以及QQ、微信；数据单位称报文。传输层——进程到进程的通信：TCP/UDP，可靠或尽力而为。网络层——主机到主机：IP协议负责选路与转发，数据单位称数据报。数据链路层——相邻节点之间：封装成帧，MAC寻址、差错检测。物理层——在介质上传输比特流：电压、光脉冲、电磁波。学习主线：自顶向下，先懂"用起来"，再逐层追问"怎么实现"。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输165.3网络协议·应用层实例访问的全过程图5-14浏览器与Web服务器的HTTP交互（教材第80页）①浏览器解析网址，经DNS查到百度服务器的IP地址；②与服务器建立TCP连接，发出HTTP请求报文（GET/页面）；③服务器返回HTTP响应报文，内嵌网页文档；④浏览器解析渲染页面，释放连接。HTTP是应用层协议的代表：它只规定"请求—响应"的报文格式，传输的可靠性交给下层的TCP。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输175.4传输层·TCP（一）连接的建立与释放TCP：面向连接的可靠字节流协议。通信前先在双方之间建立逻辑连接，全双工传输，结束后释放。三次握手（建立连接）①客户→服务器：SYN（我要连接）；②服务器→客户：SYN+ACK（同意，请确认）；③客户→服务器：ACK（确认，开始传数据）。四次挥手（释放连接）①主动方发FIN（我没有数据要发了）；②对方回ACK，继续发完剩余数据；③对方发FIN（我也发完了）；④主动方回ACK，等待2×MSL后关闭。图5-15TCP三次握手与四次挥手（教材第82页）计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输185.4传输层·TCP（二）可靠传输是怎样炼成的①检验和：检测报文段在传输中是否出错，出错即丢弃。②序列号：对字节流逐字节编号，接收方据此检测丢失、去除重复、按序重组。③累积确认（ACK）：收到"确认2001"意味着2001之前的字节全部正确收到（如图：1001~2000的ACK到达即确认前2000字节）。④重发控制：超时未收到确认就重传；超时时间≈往返时延RTT+安全余量，动态估计。⑤滑动窗口：不必"发一个等一个"，窗口内可连续发送，兼顾可靠与效率，并兼做流量控制。图5-16TCP的累积确认（教材第83页）计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输195.4传输层·TCP（三）TCP报文段：首部里的学问图5-17TCP报文段结构（教材第84页）源端口/目的端口（各16比特）：标识进程，实现多路复用与分解。序列号/确认号：可靠传输与累积确认的核心字段。首部长度（4比特）：指示首部结束、数据从何处开始。接收窗口（16比特）：告诉对方"我还能收多少"，实现流量控制。校验和：差错检测；选项：协商MSS等参数。标志位（6比特）：ACK、RST、SYN、FIN等，握手挥手全靠它们。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输205.4传输层·UDPUDP：快，但不保证送到UDP的特点·无连接：想发就发，无需握手；·不重发丢失的包、不纠正乱序；·无流量控制，想发多快发多快；·首部仅8字节，开销极小。什么时候用UDP·一次只交换少量数据：DNS、SNMP；·实时性优先：音视频通话、即时通信、网络游戏；·局域网广播、多播。图5-18UDP报文结构（教材第85页）回扣生活：为什么视频会卡？·微信发消息用TCP：宁可慢，不能错；·游戏、音视频用UDP：宁可丢帧，不能等——网络拥塞时就表现为卡顿、花屏。TCP求"可靠"，UDP求"实时"——没有优劣，只有适配。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输215.5网络层·IP地址IPv4地址与子网划分IPv4地址=32位二进制，写作点分十进制：=11000000·10101000·00000000·00000001地址分两部分：网络标识+主机标识，传统上按前缀分为五类。类别最高位网络号长度地址范围（网络部分）A0前8位~B10前16位~C110前24位~D1110—多播（组播）地址E1111—保留，未使用CIDR：更灵活的划分·记法a.b.c.d/x：前x位是网络前缀；·用子网掩码快速区分网络号与主机号；·摆脱A/B/C固定类别，按需分配，减少浪费。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输225.5网络层·路由与分片多跳路由与数据报分片路由控制：一站一站往前送·跨越多个网络时，数据经多台路由器多跳转发；·每台路由器依据路由控制表决定下一跳；·同一次通信的不同数据报可走不同路径。图5-19基于路由控制表的转发（教材第87页）分片：大块头过窄门·每条链路有最大传输单元MTU（以太网1500字节，某些广域网仅576）；·过大的数据报被分片：4000字节可分成3片；·仅在目的端系统重组，中途路由器不拼。图5-20数据报的分片（教材第88页）分片三要素：标识（同属哪个数据报）、标志（后面还有没有片，最后一片=0）、片偏移（本片在原数据中的位置）。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输235.5网络层·IP数据报IPv4数据报首部图5-21IPv4数据报格式（教材第88页）版本/首部长度：IPv4=4；首部以4字节为单位计长。服务类型/数据报长度：期望的服务质量；含首部总长度。标识/标志/片偏移：分片与重组三要素。TTL（生存时间）：每过一台路由器减1，减到0即丢弃——防止数据报在网络中兜圈子。上层协议：指明数据交给谁——6=TCP，17=UDP。首部校验和+源/目的IP地址：检错与端到端寻址。对照TCP报文段看：传输层管"进程到进程"，网络层管"主机到主机"。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输245.5网络层·路由器路由器：选路+转发路由选择（慢，全局）·把网络抽象为图G=(N,E)，找开销最小的路径；·集中式：每台路由器掌握全网拓扑，算最短路（链路状态LS算法）；·分散式：只与邻居交换信息、迭代收敛（距离向量DV算法）。转发（快，本地）数据报到达后，查转发表把它搬到正确输出端口——纳秒级、由硬件完成。图5-22网络的图抽象（教材第89页）图5-23路由器体系结构（教材第90页）结构：输入端口（物理层→链路层→查表）→交换结构→输出端口；路由选择处理器运行选路协议、维护路由表。回扣：家长改路由表/限DNS，游戏网站便"404"。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输255.6数据链路层·MAC与ARPMAC地址与ARP协议MAC地址：网卡的"身份证号"·48比特：前24位OUI由IEEE分配给厂商，后24位为扩展标识；·扁平结构，固化在网卡上，不随位置改变（IP则是分层的"通信地址"）。ARP：IP→MAC的翻译官·每台主机维护ARP表（表5-3），表项约20分钟过期；·查不到就发广播帧（目的FF-FF-FF-FF-FF-FF）全网询问；·目标主机用标准帧单播回应自己的MAC；·即插即用，表项自动建立，无需手工配置。图5-24同一局域网上的ARP（教材第91页）目的在子网之外怎么办？先用ARP解析网关路由器接口的MAC，把帧交给网关；出子网后的路，由路由器逐跳接力。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输265.6数据链路层·交换机交换机：会自学习的转发器链路层交换机对主机透明：主机不知道它的存在。它依据交换机表（MAC→接口）完成转发与过滤。情况一：查无此项表中没有目的MAC的记录→向除入接口外的所有接口广播该帧。情况二：同接口表项接口=帧的入接口→源与目的在同一网段，丢弃（过滤），无需转发。情况三：异接口表项接口≠入接口→把帧定向转发到表项指定接口。自学习：表是怎么建起来的·每收到一帧，记录"源MAC→入接口+到达时间"；·超过老化期（如60分钟）无新帧的表项自动删除；·因此交换机即插即用，且支持全双工。回扣导入案例微机教室的"黑柜子"就是交换机：教师机的锁屏命令经它定向转发到每台学生机。计算机科学概论（微课版）｜第5章数据传输27章末·本章小结第5章小结：数据传输❶传输介质——导引型（双绞线、同轴电缆、光纤）与非导引型（陆地无线电、卫星）各有适用场景；"雪地车"证明：评价介质要看带宽和时延。❷传输方式——电报、电话、广播电视到互联网；衡量网络看带宽、延迟、丢包率、吞