《计算机网络原理与技术（第4版）》全套教学课件

《计算机网络原理与技术》第1章绪论

第1章绪论第2章物理层通信第3章数据链路控制第4章局域网第5章网络互连及其协议第6章路由技术第7章网络传输服务第8章网络应用及其协议第9章网络安全基础第10章新一代信息网络技术全套可编辑PPT课件计算机网络已成为迅速发展并在信息社会中得到广泛应用的一门综合性学科，所涉及的内容比较广泛。从某种意义上讲，计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家计算机科学和通信技术的水平，同时也是衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。本章在简单介绍计算机网络诞生及发展过程的基础上，阐释计算机网络的定义、功能、计算机网络系统的组成、计算机网络体系结构等基本概念，讨论计算机网络研究的理论问题，并给出全书的内容知识架构。引言了解计算机网络的发展简史；掌握计算机网络的基本概念；掌握计算机网络的组成、体系结构；了解计算机网络的基本理论问题。第1章绪论计算机网络的定义，计算机网络的组成；计算机网络的体系结构；研究计算机网络的基本理论问题及其解决方法。学习目标关键知识点1.1计算机网络的诞生与发展1.2计算机网络的基本概念1.3计算机网络的组成1.4计算机网络的体系结构1.5计算机网络的基本理论问题本章小结思考与练习第1章绪论计算机技术与通信技术（C&C）的紧密结合，形成了现代计算机网络技术。计算机网络的发展过程是计算机技术与通信技术的融合过程。20世纪60年代，计算机网络技术萌芽；20世纪70年代兴起，以试验网络为主，出现了计算机局域网；20世纪80年代，国际标准化组织（ISO）制定了计算机网络的开放型互联参考模型，学术网络得到了飞速发展；90年代以商业网络为主，Internet空前普及推广，Web技术在Internet/Intranet中得到广泛应用。随着物联网、新一代移动通信技术的诞生，计算机网络已发展成为信息社会的重要基础设施。1.1计算机网络的诞生与发展自从1946年冯·诺依曼发明第一台存储程序电子计算机以来，计算机技术的研究和应用取得了迅猛异常的发展，计算机的应用渗透到了各技术领域和社会的各个方面。早在1951年，美国麻省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计称为SAGE的半自动化地面防空系统，该系统于1963年建成，可以看作计算机技术与通信技术的首次结合。计算机通信技术应用于民用系统的最早范例，是由美国航空公司与IBM公司在20世纪50年代初期开始联合研制、60年代投入使用的联机飞机票预订系统SABRE-I。1.1.1计算机网络的诞生20世纪60年代初，世界正处于冷战时期，美国国防部高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectAgency，DARPA）组织研究了一种受到攻击仍能有效实施控制和指挥的计算机系统。20世纪70年代中期，随着计算机技术、通信技术的发展和应用领域的扩大，计算机网络技术一直在迅速发展。为了在更大范围内实现计算机资源的共享，人们将众多的局域网（LocalAreaNetwork，LAN）、广域网（WideAreaNetwork，WAN）互联起来，形成了规模更大的、开放的互联网络，即常说的Internet网络。1.1.1计算机网络的诞生1．面向终端的通信网络（第一代）面向终端分布的联机系统是计算机技术与通信技术结合的前驱，它由一台大型计算机和若干台远程终端设备通过通信线路连接起来，构成面向终端的通信网络，解决远程信息的收集、计算和处理。较为典型的是1963年美国空军建立的SAGE，其结构如图所示。1.1.2计算机网络的发展2．分组交换网络（第二代）1962年至1965年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）和英国国家物理实验室（NPL）对新型计算机通信网也进行了研究。1969年12月，美国的分组交换网络ARPANet投入正式运行，从此计算机网络的发展进入了一个新纪元。下图给出了ARPANet存储转发、分组交换计算机网络的示意图。1.1.2计算机网络的发展2．分组交换网络（第二代）ARPANET设计思想：ARPANET分为通信子网与资源子网。1.1.2计算机网络的发展3．体系结构标准化网络（第三代）20世纪70年代中期，由于微电子和微处理机技术的发展，以及在短距离局部地理范围内计算机间进行高速通信要求的增长，计算机局域网技术应运而生。这一阶段典型的标准化网络结构如图所示，其通信子网的交换设备主要是路由器和交换机。1.1.2计算机网络的发展4．高速互联网络（第四代）从ARPANET到Internet的发展过程。1.1.2计算机网络的发展4．高速互联网络（第四代）目前，全球以Internet为核心的高速互联网已经形成，并成为人类最重要的和最大的知识宝库。网络互联和高速计算机网络被称为第四代计算机网络。Internet的一般框架结构如图所示。1.1.2计算机网络的发展4．高速互联网络（第四代）Internet主干网基本结构示意图如图所示。1.1.2计算机网络的发展4．高速互联网络（第四代）随着Internet规模的扩大，网络与主机数量的增多，它所能提供的信息资源与服务更加丰富。基于Web的电子商务、电子政务、远程医疗、远程教育、基于对等结构的P2P网络应用，使Internet以超常规的速度发展。进入21世纪，人类社会进入万物互联的时代。物联网（

IoT）通过传感器、设备与互联网的连接，实现了设备间的自动化交互和信息共享，推动了智能家居、智能城市、智能制造等领域的发展，促进了工业自动化、健康监控、交通管理等行业的智能化。1.1.2计算机网络的发展5．下一代网络（NGN）从20世纪末开始，通信网络开始讨论下一代网络（NextGenerationNetwork，NGN）问题。ITU为适应电信技术发展的需要，在2002年ITU-TSG13年会上的相关文件中引入了NGN的概念。我国关于NGN的研究也走在了该领域的前头。2004年3月，我国的IPv6主干网CERNet2试验网开通。CERNet2不仅是我国下一代互联网示范工程CNGI（ChinaNextGenerationInternet）的核心网和全国性学术网，也是世界上规模最大的采用纯IPv6技术的下一代互联网的主干网。1.1.2计算机网络的发展6．影响计算机网络发展的主要因素影响计算机网络发展的因素有很多，但应用、技术、标准以及政府的作用是推进计算机网络快速发展的关键。用户的作用技术的作用政府的作用1.1.2计算机网络的发展通过计算机网络的发展史可知，早期制造的计算机，一台机器由一人使用，这种使用方式效率非常低，因此很快被“计算中心”模式取代。在计算中心模式下，一台计算机同时供许多用户使用，以共享计算机系统资源，这是计算机技术应用方式的一次飞跃。为解决计算中心把用户限制在一个地方和一台机器上的问题，诞生了计算机网络技术，它把许多计算机或计算中心连接起来，其中每一台计算机都可以通过网络为任何其他一台计算机上的用户提供服务。究竟什么是计算机网络呢？本节通过对计算机网络定义、功能、分类及其组成的讨论，以加深对其基本概念的理解。1.2计算机网络的基本概念什么是计算机网络？多年来对这个问题的定义并没有一个完全统一的描述，所定义的内容随着计算机网络的发展阶段和观点不同而有所不同。随着计算机网络的不断深入研究，按照计算机网络所具有的特性，人们普遍公认的定义：计算机网络是利用通信设备和线路将分布在地理位置不同的、具有独立功能的多个计算机系统连接起来，在功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）的控制下，进行数据通信，实现资源共享、互操作和协同工作的系统。1.2.1计算机网络的定义对于计算机网络这样一个复杂的系统，可从以下几个层面进一步讨论，以加深理解。从构成要素看（硬件+软件+协议）。计算机网络是一个复杂的软硬件结合系统，包括硬件、软件及协议等要素。硬件要素：包括计算机、服务器、智能手机、路由器、交换机、集线器、网卡、通信线路（光纤、双绞线、无线电波）等所有物理设备与传输介质。软件要素：包括实现网络通信所必须的各种协议和算法。例如TCP/IP协议族、HTTP、DNS、路由算法、拥塞控制算法等。这是网络的灵魂。协议要素：协议是网络通信的规则。研究如何设计、实现、分析和优化通信规则，如TCP的可靠传输机制、IP的寻址和转发机制等。1.2.1计算机网络的定义（进一步讨论）从核心问题看（要解决的关键问题）。计算机网络需要解决将大量计算机互联时产生的一系列关键问题，包括连通性、可扩展性、资源共享、可靠传输、寻址与路由、拥塞控制、网络安全等。连通性：最基本的问题是连通性。如何用硬件（如链路、路由器）将计算机连接起来？采用何种拓扑结构联网？可扩展性：网络规模从几个结点扩展到成千上万个结点时，如何保证网络仍能高效、稳定工作？例如，IPv4到IPv6过渡地址枯竭的扩展性问题。资源共享：如何让不同的用户和程序高效、公平、安全地共享网络的硬件资源（如打印机、存储器）和软件资源（如应用、数据）？1.2.1计算机网络的定义（进一步讨论）可靠传输：在物理线路可能出错、设备可能出故障的不完美环境中，如何保证数据能够准确、无误、不丢失、不重复地到达目的地？寻址与路由：如何为网络中的每个设备赋予一个唯一标识（地址）？如何为数据选择从源到目的地的最佳或可行路径？例如IP地址和BGP路由协议。拥塞控制：当网络中的数据流量过大超过其处理能力时，如何避免网络性能下降甚至崩溃？网络安全：如何保证通信的机密性（不被窃听）、完整性（不被篡改）、可用性（不被拒绝服务攻击）？如何实现身份认证和访问控制？1.2.1计算机网络的定义（进一步讨论）从层次结构看（核心方法论）。为降低复杂性，计算机网络采用分层的体系结构作为核心研究方法。一般将计算机网络体系结构抽象为如下五层，并称之为实用参考模型：物理层数据链路层网络层传输层应用层1.2.1计算机网络的定义（进一步讨论）从应用和服务看（最终目的）。研究计算机网络的最终目的是为了支撑上层丰富多样的应用和服务，主要包括:Web服务：万维网（WWW）及其背后的HTTP/HTTPS协议。文件传输：FTP、P2P等。电子邮件：SMTP、POP3、IMAP等。即时通信：各种社交软件、视频会议等。分布式计算与云计算：将海量计算和存储任务分布到网络中的大量计算机上完成。物联网（IoT)：将物理世界中的各种设备连接到互联网上进行数据采集和控制。1.2.1计算机网络的定义（进一步讨论）1．数据通信数据通信是计算机网络最基本的功能之一。它用来快速传输计算机与终端、计算机与计算机之间的各种数据信息，包括文本、图形、图像、音频、视频数据等。2．资源共享所谓“资源”是指构成系统的所有要素，包括硬件、软件和数据。“共享”指的就是网络中的用户都能够部分或全部地享受这些资源。3．分布式处理分布式处理是指，当某台计算机负担过重时，或该计算机正在处理某项工作时，网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成。1.2.2计算机网络的主要功能1．按地理覆盖范围分类按照计算机系统之间的互连距离和分布范围，可将计算机网络分成局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）和互联网。2．按传输介质分类按传输介质的不同，计算机网络可以划分为有线网、无线网。3．按数据传输交换方式分类根据数据在网络内的传输交换方式，计算机网络可分为电路交换网络和存储转发交换网络，其中后者又可分为报文交换和分组交换（数据报和虚电路）。1.2.3计算机网络的分类4．按网络组建属性分类根据计算机网络的组建、经营和管理方式，特别是数据传输和交换系统的拥有性，计算机网络可以分为公用计算机网络和专用计算机网络两类。5.互联网联网是一个全球范围内互联的计算机网络，通过标准协议（如TCP/IP）实现数据的传输和共享，使各类设备和用户能够进行信息交换、通信和服务访问。注意区分通信子网、计算机网络和互联网这三个概念。1.2.3计算机网络的分类与计算机系统一样，也可将计算机网络系统划分为硬件系统与软件系统两部分：网络硬件及其连接形式对网络的性能起着决定性作用，是网络运行的主体；网络软件则是支持网络运行、提高效益和开发网络资源的工具。1.3计算机网络的组成按照分组交换计算机网络所具有的数据通信和数据处理功能，可以将其划分为通信子网和资源子网两部分，其基本组成结构如图所示。1.3.1计算机网络的组成结构1．资源子网资源子网主要是对数据信息进行收集、加工和处理，面向用户提供入网途径、各种网络资源与网络服务。它包括访问网络和处理数据的硬软件设施，主要有主计算机系统（主机）、终端控制器和端系统、计算机外设、有关软件与可共享数据（如公共数据库）等。从互联网的角度来看，资源子网属于互联网的边缘部分。主计算机系统。终端控制器和端系统。计算机外设。1.3.1计算机网络的组成结构2．通信子网通信子网主要负责计算机网络内部信息流的传输、交换和控制，以及信号的变换和通信中的相关处理，间接地服务于用户。它主要包括网络结点及连接这些结点的通信链路等软硬件设施。从互联网的角度来看，通信子网属于互联网的核心部分。网络结点。通信链路。信号变换设备。1.3.1计算机网络的组成结构拓扑学将实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体之间的结构关系。网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。计算机网络拓扑结构就是指计算机网络结点和通信链路所组成的几何形状。1.3.2计算机网络的拓扑结构计算机网络有多种拓扑结构，最常用的网络拓扑结构有星状、总线和环状，如图所示；此外，还有树状、网状及混合型结构等。1.3.2计算机网络的拓扑结构计算机网络拓扑结构有逻辑拓扑结构和物理拓扑结构两层含义，要特别注意它们之间概念的不同。逻辑拓扑结构指各组成部分的逻辑关系，即信息如何流动。物理拓扑结构指各组成部分的物理关系，即物理连接方式。实际上，考虑较多的是通信子网的拓扑结构问题。一般地讲，通信子网可以设计成点对点通信（Point-to-Point）和广播通信（Broadcast）两种通信（信道）类型。点对点通信的特点是一条线路连接一对结点。广播信道的特点是只有一条供诸结点共享的通信信道。任一结点所发出的信息报文可被所有其他结点接收，当然对信道需要有一定的访问控制机制。1.3.2计算机网络的拓扑结构1．计算机网络硬件系统的组成网络硬件系统是组成计算机网络系统的物质基础。构成一个计算机网络系统，首先要将计算机及其附属硬件设备与网络中的其他计算机系统连接起来，实现物理连接。网络硬件系统由计算机系统设备与通信系统设备组成，不同的计算机网络系统在硬件及其连接方面是有差别的。随着计算机技术和网络技术的发展，网络硬件日趋多样化，且功能更强，结构更复杂。常见的网络硬件有：计算机（分为服务器和工作站两类）、网络接口卡、传输介质、通信设备以及各种网络互连设备等。1.3.3计算机网络系统的组成1．计算机网络硬件系统的组成计算机网络的常见组成形式：局域网的基本组成：局域网硬件的基本组成包括服务器（Server）、客户机（Clients）又称工作站以及网络设备和传输介质等。一个典型的局域网组成如图所示。1.3.3计算机网络系统的组成1．计算机网络硬件系统的组成计算机网络的常见组成形式广域网的基本构成：广域网的地理覆盖范围较大，主要由通信子网和资源子网两部分组成。一个典型的广域网组成如图所示。1.3.3计算机网络系统的组成1．计算机网络硬件系统的组成计算机网络的常见组成形式Internet的基本构成：Internet是一个世界范围的广域计算机网络，也就是说，它是一个互连了遍及全世界数以百万计的计算机系统的网络。一个典型的Internet的基本硬软件构成如图所示。1.3.3计算机网络系统的组成2．计算机网络软件系统的组成利用计算机网络进行通信时，需要控制信息传送的协议以及其他相应的网络软件。计算机网络软件是实现计算机网络功能所不可缺少的软环境。计算机网络软件通常由网络操作系统和网络协议通信软件等组成。网络操作系统。目前，有三大主流的计算机网络操作系统，即UNIX、Linux和Windows。网络协议通信软件。凡是连入计算机网络的服务器和主机都必须运行相应的网络协议通信软件。1.3.3计算机网络系统的组成3．互联网数据通信过程1.3.3计算机网络系统的组成3．互联网数据通信过程（续）运行在主机A上的客户机进行一个系统调用，从客户机的虚拟地址空间复制数据到内核缓冲区。主机A上的客户机端协议软件通过在数据前附加互连网络报头PH和LANl帧头FH1，创建一个LANl帧。互连网络报头PH寻址到互连网络主机B。LAN1帧头首先寻址到路由器，然后它传送此帧到LAN1适配器。注意，LAN1帧的有效载荷是一个互连网络报文，该报文的有效载荷是实际的用户数据，并称之为封装(Encapsulation)。LANl适配器复制该帧到网络上。当此帧到达路由器时，路由器的LAN1适配器从电缆上读取它，并把它传送到路由协议软件。1.3.3计算机网络系统的组成3．互联网数据通信过程（续）路由器从互连网络报头PH中提取出目的IP地址，并用它作为路由表的索引，确定向哪里转发这个报文，在本图中是LAN2。路由器剥去LAN1的帧头，加上寻址到主机B的LAN2帧头FH2，并把得到的帧传送到LAN2适配器。路由器的LAN2适配器复制该帧到网络上。当此帧到达主机B时，它的适配器从电缆上读到此帧，并将它传送到服务器端协议软件。最后，主机B上的协议软件剥落报文头PH和帧头FH2。当服务器进行一个读取这些数据的系统调用时，服务器端协议软件最终将得到的数据复制到服务器的虚拟地址空间。1.3.3计算机网络系统的组成一个计算机网络必须为连入的所有计算机提供通用、高效、公平和坚固的连通性。但似乎这还不够，因为网络不是一成不变的，必须适应技术和应用需求的不断变化。设计一个满足这些需求的网络并非易事。为此，网络设计者制定了层次型的网络体系结构（Architecture），用以指导计算机网络的设计与实现。1.4计算机网络的体系结构1．网络协议什么是协议?1.4.1网络体系结构的分层人际交往的协议计算机网络协议Q:

其它人际交往的协议?1．网络协议协议就是一组控制数据通信的规则。网络协议是由标准化组织和相关厂商参与制定的，计算机执行的协议则是用某种程序设计语言编写的程序代码。概括地说，网络协议是实现某种功能的算法或程序，具体包括如下3个要素：语法：语法用于规定网络中所传输的数据和控制信息的结构组成或格式，如数据报文的格式。语义：语义是指对构成协议的协议元素含义的解释。时序：时序是对事件执行顺序的详细说明。1.4.1网络体系结构的分层2．网络体系结构的分层模型为了减少计算机网络设计的复杂性，往往按功能将计算机网络划分为多个不同的功能层。如图所示，就是将计算机网络抽象为五层结构的一种模型，它清楚地描述了应用进程之间如何进行通信的情况。1.4.1网络体系结构的分层3．网络体系结构网络的体系结构是指计算机网络各层的功能、协议和接口的集合。上层是下层的用户，下层是上层的服务提供者。计算机网络的体系结构就是计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义，是建立和使用通信硬件和软件的一套规则和规范。网络体系结构本身是抽象的，而它的实现则是具体的，是在遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。国际标准化组织（ISO）在1977年推出了著名的开放系统互连参考模型（ISO/OSI-RM）。1.4.1网络体系结构的分层1．ISO/OSI的7层参考模型ISO/OSI-RM是一个开放体系结构，它规定将计算机网络分为7层，如图所示。1.4.2ISO/OSI参考模型2．ISO/OSI-RM各层的主要功能物理层物理层是ISO/OSI-RM的最低层或第一层，该层在由物理通信信道连接的任一对结点之间提供一个传送比特流（比特序列）的虚拟比特管道。物理信道包括双绞线、同轴电缆、光纤、无线电信道等。物理层与传输介质和数据链路层之间的关系如图所示。1.4.2ISO/OSI参考模型2．ISO/OSI-RM各层的主要功能数据链路层数据链路层是ISO/OSI-RM的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。数据链路层与网络层和物理层的之间的关系如图所示。1.4.2ISO/OSI参考模型2．ISO/OSI-RM各层的主要功能网络层网络层的主要功能是在开放系统之间的网络环境中提供网络对等层对等实体建立、维持、终止网络连接的手段，并在网络连接上交换网络层协议数据单元（分组）。网络层与数据链路层、传输层之间的关系如图所示。1.4.2ISO/OSI参考模型2．ISO/OSI-RM各层的主要功能传输层传输层提供类似于数据链路层所提供的服务，确保数据在端到端之间可靠、顺序、无差错地传输。传输层与网络层和会话层之间的关系如图所示。1.4.2ISO/OSI参考模型2．ISO/OSI-RM各层的主要功能会话层会话层负责会话的控制和同步。会话层与传输层和表示层之间的关系如图所示。1.4.2ISO/OSI参考模型2．ISO/OSI-RM各层的主要功能表示层表示层主要解决两个系统所交换信息的语法和语义问题，负责转换、压缩和加密。表示层与会话层和应用层之间的关系如图所示。1.4.2ISO/OSI参考模型2．ISO/OSI-RM各层的主要功能应用层应用层直接向用户（即应用进程）提供服务，负责用户信息的语义表示，并提供网络与应用软件（程序）之间的接口服务。应用层是用户使用OSI环境的唯一窗口。应用层与表示层和用户之间的关系如图所示。1.4.2ISO/OSI参考模型1．TCP/IP模型结构TCP/IP模型归纳成一个相对独立的四层模型，如图所示。由该图可以看出TCP/IP的模型结构及其与ISO/OSI-RM的对应关系，以及TCP/IP模型对应的物理网络和协议。1.4.3TCP/IP模型2．TCP/IP模型各层功能简介网络接口层该层负责接收从IP层交来的IP数据报并将IP数据报通过低层物理网络发送出去，或者从低层物理网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。互联网络层负责在多个网络间通过网关/路由器传输信息。传输层在源结点和目的结点的两个进程实体之间提供可靠的端到端的数据传输。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户需要，直接为用户的应用进程提供服务1.4.3TCP/IP模型1．ISO/OSI-RM与TCP/IP模型的异同在ISO/OSI-RM中有3个基本概念：服务、接口和协议。每一层都为其上层提供服务，服务的概念描述了该层所做的工作，但并不涉及服务的实现以及上层实体如何访问的问题。TCP/IP模型并不十分清晰地区分服务、接口和协议等概念。ISO/OSI-RM的网络层提供面向连接和无连接两种服务，而传输层只提供面向连接服务。TCP/IP模型在网络层只提供无连接服务，但在传输层却提供面向连接和无连接两种服务。1.4.4基于OSI的实用参考模型2．五层实用参考模型综合ISO/OSI-RM和TCP/IP的优点，采用一种实用的五层参考模型，如图所示；这是AndrewS.Tanenbaum最早建议的一种层次型参考模型。1.4.4基于OSI的实用参考模型2．五层实用参考模型五层实用参考模型各层功能及其研究的重点：物理层：研究如何在连接各种计算机的传输介质上传输比特流（0和1）。关注点是电气特性、接口标准、比特同步等。数据链路层：研究如何在相邻结点之间可靠传输“帧”。关注点是帧的封装、差错检测、介质访问控制等。1.4.4基于OSI的实用参考模型2．五层实用参考模型五层参考模型各层功能及其研究的重点（续）：网络层：研究如何为分组选择链路，实现从源到目的地逻辑通信。关注点是IP编址、路由选择、拥塞控制。传输层：研究如何为运行在不同主机上的应用进程提供端到端的逻辑通信。关注点是可靠传输（TCP）、不可靠传输（UDP）、流量控制。应用层：研究通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。关注点是应用协议的定义和实现，如HTTP、DNS、SMTP。1.4.4基于OSI的实用参考模型3．五层实用参考模型的数据传输过程如图所示描述了层次型五层结构模型中数据的实际传输过程。在图中，L5数据指第五层（应用层）的数据，L4数据指第四层（传输层）的数据，依此类推，并在此后相关章节内容中均表示该含义。发送进程送给接收进程的数据，实际上是经过发送端各层从上到下传递到传输介质的。1.4.4基于OSI的实用参考模型1．网络标准所谓标准是指一组规定的规则、条件或要求，如名词术语的定义、部件的分类，以及材料、性能或操作规范和规程的描述等。制订标准的重要组织：国际标准化组织（ISO）、国际电子技术委员会（IEC）国际电信联盟（ITU）、Internet工程特别任务组(IETF)电气电子工程师协会(IEEE)、美国国家标准协会(ANSI)电子工业协会(EIA)中国国家标准局1.4.5计算机网络标准及RFC文档2．RFC文档Internet标准是以称为请求评注（RFC）的文档形式发布的。RFCInternet草案可以在网址为的网站上在线获得。制订Internet正式标准需要经过以下四个阶段：Internet草案（InternetDraft）。此时还不是RFC文档。建议标准（ProposedStandard）。可供正式发布的正式RFC文档。草案标准（DraftStandard）。Internet标准（InternetStandard）。1.4.5计算机网络标准及RFC文档计算机网络是一个复杂的系统，涉及诸多理论问题，从不同的角度观察，会有不同的问题需要研究和解决。1．用户角度在一个由多种类型的计算机网络互联构成的互联网络中，对每个用户而言，所关心的问题主要是如何将消息快速而准确地传递到对方。2．网络设计角度网络拓扑结构和网络覆盖问题。服务时延问题；多址问题。路由问题；流量控制问题；网络安全问题；网络的管理问题。1.5计算机网络的基本理论问题综上所述，计算机网络是一个多层次、多要素的复杂系统，所要研究解决的关键问题可归纳如下：如何连（连通性与硬件）；如何通（协议与软件）；如何好（性能、可靠性、安全性）；如何用（应用与服务）。总而言之，计算机网络研究的最终目标是构建一个高效、可靠、安全、可扩展的全球性信息基础设施，以实现无处不在的资源共享及便捷通信。1.5计算机网络的基本理论问题3．本课程的主要内容什么是计算机网络？（第1章绪论）实现网络数据传输的通信系统是如何工作的？（第2章物理层通信）如何保证网络中结点之间数据传输的正确性、可靠性和有效性？（第3章数据链路控制）用户经常使用的局域网是如何工作的？如何构建一个局域网？（第4章局域网）支持互联网工作的核心技术是什么？如何为用户的消息或报文分组选择最佳的传输路径，包括支持结点的移动性?（第5章网络互连及其协议和第6章路由技术）1.5计算机网络的基本理论问题3．本课程的主要内容如何实现网络中计算机之间的分布式进程通信？（第7章网络传输服务）如何实现互联网的各种应用，并不断扩展网络的应用领域？（第8章网络应用及其协议）。何谓网络安全？密码学的核心目标是什么？如何保障网络安全，如何让网络安全运行、安全应用？（第9章网络安全基础）信息网络日异月新，新一代信息网络有哪些新形态，主要涵盖了哪几方面的技术？如何把握信息网络技术的发展趋势站在信息技术的前沿，应用发展互联网？（第10章新一代信息网络技术）1.5计算机网络的基本理论问题本章小结本章内容的覆盖面甚广!计算机网络知识涉及计算机网络的理论、技术与应用。学习时要知其然，更要知其所以然。所以需要了解计算机网络的发展历史，计算机网络发展过程中有哪些重要的里程碑事件。本章的重点是计算机网络的定义、功能、组成、体系结构；另一个重点是计算机网络的组成涉及哪些网络硬件、网络软件、网络协议，有哪些结构形式和描述方法，涉及哪些技术术语，这些术语又怎样理解；尤其是关于ISO/OSI-RM和TCP/IP的描述。本章小结本章的重要性在于：建立计算机网络协议栈的概念，对各层协议有一个大致的了解；比较重要的是协议、接口和服务的概念。TCP/IP为运行在不同机器上和交换信息的终端提供了通信服务。本章是一幅描绘计算机网络的全景视图，后继各章将对网络各层的问题和网络应用进一步进行详细的专题讨论。也就是说，此后各章将对这张全景视图进行具体诠释。本章的思维导图如下，可用于厘清知识点及其知识链，把握计算机网络原理与技术的知识体系。思维导图思考与练习1．计算机网络的发展经历了哪几个阶段？试举出几个比较典型的网络系统，说明每个阶段各有什么特点？2．简述计算机网络的定义。3．简述计算机网络的主要功能。请举例说明。4．计算机网络在逻辑上分为哪几个部分？它们各自是由哪些硬软件组成的？各有什么特点？5．计算机网络可以从哪些方面进行分类？LAN具有哪些主要特征？6．什么是计算机网络拓扑结构？局域网常采用哪几种拓扑结构？各有何特点？思考与练习7．简述计算机网络的组成。8．计算机网络体系结构为什么要采用分层结构？9．网络协议的三个要素是什么？各有什么含义？10．什么是ISO/OSI-RM？简述ISO/OSI-RM中每一层的主要功能。11．描述ISO/OSI-RM中的数据传输基本过程，并解释物理层、数据链路层、网络层和传输层的数据传送单元分别是什么？12．简述TCP/IP模型及各层的主要功能。13．简述五层实用参考模型的要点。强化实践，拓展认知Thankyou！

《计算机网络原理与技术》第2章物理层通信

计算机网络采用何种数据通信方式传输数据，以实现物理层通信呢？本章将针对计算机网络体系结构中物理层的功能特性，介绍常见的传输介质、物理层接口特性及标准；讨论二进制数据传输、交换和处理的理论、方法以及实现技术，数据传输质量参数（如信道极限容量等），并给出与数据传输相关的公式；简单介绍数据通信的基础理论，包括数据的调制编码技术、多路复用技术、数据传输与交换方式等。引言掌握物理层的功能特性、物理层接口标准；了解常用传输介质；掌握数据编码技术、传输方式；掌握多路复用技术、数据交换技术。第2章物理层通信物理层功能特性及接口标准；数据编码技术、传输方式；多路复用技术、数据交换技术。学习目标关键知识点2.1物理层的基本概念和协议标准2.2数据通信的理论基础2.3数据编码技术2.4数据传输方式2.5传输介质2.6多路复用技术2.7数据交换技术本章小结思考与练习第2章物理层通信物理层是OSI-RM或实用参考模型中的最低层，是开放系统互联的物理基础。它的上一层是数据链路层，向下直接与传输介质相连，涉及网络物理设备之间的接口。物理层的功能非常简单直接，但又至关重要：将数字比特流（0和1）从一个结点通过传输介质传输到另一个结点。物理层协议要解决的关键问题，是计算机等数据终端设备与通信线路上的通信设备之间的接口特性、信号表示、数据传输模式、比特同步、传输介质问题。2.1物理层的基本概念和协议标准物理层接口特性需定义连接器的形状、针脚的数量和功能、电压的大小等。1．数据通信的DTE/DCE模型大多数网络体系结构的物理层协议使用DTE/DCE模型。如图所示，DTE表示数据终端设备，即网络中的用户端设备，如主机、终端、各种I/O设备等。2.1.1物理层接口的四种特性2．DTE/DCE接口特性机械特性物理层接口的机械特性对连接器的几何参数，包括连接器的引脚数量、排列方式、几何尺寸等都做出了详细规定。电气特性指有关DTE和DCE接口之间多条信号线的电气连接、相关电路特性和电气参数的详细规定。功能特性指对连接器各芯线的含义、功能以及与各信号之间对应关系的规定。过程特性2.1.1物理层接口的四种特性1．CCITTX.21接口标准目前在广域网的网络连接中，常用到许多物理接口，如X.21、X.24、X.35、X.36和EIA-530等，其中又以X.21接口的应用最为广泛。机械特性：规定机械接口采用15引脚连接器，但实际上接口的信号线只用了8条。电气特性：X.21建议指定的数据速率有5种，即600bps、2400bps、4800bps、9600bps和48000bps。功能特性。过程特性。2.1.2物理层接口标准示例2．通用串行总线接口通用串行总线（USB）接口是指连接外部装置的一个外部总线标准，用于规范PC与外部设备的连接与通信。USB标准中将USB分为5个部分：控制器、控制器驱动程序、USB芯片驱动程序、USB设备以及针对不同USB设备的客户驱动程序。USB接口有5种类型。USB接口的机械特性和电气特性定义了由4根针脚组成的连接器，支持设备的即插即用和热插拔功能。USB接口的功能特性和过程特性规定，主机采用轮询方式与外围设备通信，操作过程由驱动软件实现。2.1.2物理层接口标准示例数据通信技术是发展网络技术的重要基础，它主要研究在不同的计算机系统之间传输表示字母、数字和符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。在早期的通信领域中主要采用的是模拟通信技术。随着计算机技术与数字设备的不断发展，数据通信技术在通信领域中发挥了越来越重要的作用。数据通信是指通过数据通信系统，将携带信息的数据以某种信号方式从信源（发送端）安全、可靠地传输到信宿（接收端）。数据通信包括数据传输和数据在传输前后的处理，涉及以下几个基本概念。2.2数据通信的理论基础数据通信系统是指以计算机系统为中心，用通信线路连接分布在不同地理位置的数据终端设备进行数据通信的系统。实际上数据通信系统的组成因用途不同而异，如图所示是一个基本的数据通信系统模型，说它是计算机网络也可以。信源和信宿信号变换器信道噪声源2.2.1数据通信系统1．信息从通信的角度考虑，可以认为信息是生物体或具有一定功能的机器通过感觉器官或相应设备同外界交换的内容的总称。2．数据数据（Data）是传递信息的实体，是任何描述物体、概念、形态的事实、数字、符号和字母。3．信号在传输过程中，数据的电编码、电磁编码或光编码的表现形式就是信号（Signal），它是传递数据的载体。4．码元、帧和分组2.2.2数据通信的常用术语1．数据传输速率与信号传输速率数据传输速率：数据传输速率简称数据率，是指数字信道传输数字信号的速率，即每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或bit/s。数据传输速率的计算公式为：

S=(1/T)*log2N(bps)信号传输速率：单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特。信号传输速率的计算公式为：

B=1/T(Baud)2.2.3数据通信网络的性能指标2．带宽带宽（Bandwidth），指网络路径的理论最大数据传输能力，是一个容量概念。原意是指某个信号具有的频带宽度。由于一个特定的信号往往由许多不同的频率成分组成，因此一个信号的带宽是指该信号的各种不同频率成分所占据的频率范围。带宽由用户的网络合同、网线类别、网络设备端口速度等物理和合同因素决定。例子：你办理了“1000兆宽带”，这里的1000兆（1000Mbps）指的就是带宽，是理论上可以达到的最高速度。2.2.3数据通信网络的性能指标3．吞吐量网络通信吞吐量指的是在单位时间内，通过网络连接或网络设备成功传输的有效数据量。简单来说，它就是“网络实际跑多快”的衡量标准。单位时间：通常以秒为单位。成功传输：只有被接收方正确确认的数据才被计算在内。丢失、损坏、重传的数据包不计入吞吐量。有效数据：通常指应用层的数据。例如，你下载一个文件，吞吐量衡量的是文件本身的数据量，不包括TCP/IP头部、以太网帧头等协议开销。利用如S，可以测试用户与服务器之间传输的数据，来估算用户的当前下行和上行吞吐量。2.2.3数据通信网络的性能指标4．时延网络通信时延，也称为延迟，是指一个数据包从发送端开始传输，到最终被接收端成功接收所经历的总时间。简单来说，它就是数据在网络上“跑一个来回”所需要的时间。时延是衡量网络响应速度的关键指标，直接影响操作的“即时感”。一次网络通信的总时延由发送时延（传输时延）、传播时延、处理时延和排队时延几个关键部分累加而成。总时延≈发送时延+传播时延+处理时延+排队时延其中，传播时延由物理距离决定，排队时延是网络拥塞的主要表现。2.2.3数据通信网络的性能指标5．时延带宽积时延带宽积是一个将网络“速度”（带宽）和“距离”（时延）关联起来的综合性指标。它告诉我们，一条网络链路不仅仅是一条“路”，更是一个有“容积”的“管道”。理解和计算时延带宽积，是设计和优化高速长距离网络通信的基础。时延带宽积描述的是：在发送方持续发送数据，而第一个比特尚未到达接收方之前，已经进入链路的比特总量。它衡量的是这条链路的“数据容量”。时延带宽积的计算公式：时延带宽积=传播时延×带宽2.2.3数据通信网络的性能指标6．往返时延往返时延是指从发送端开始发送一个数据包，到它收到来自接收端针对该数据包的确认信号所经历的总时间，常缩写为RTT（Round-TripTime）。RTT是网络响应速度的终极体现。ping命令的工作原理就是直接测量RTT。它发送一个ICMP回显请求包，并计算收到ICMP回显回复包的时间。RTT之所以至关重要，是因为它是TCP等核心网络协议运作的基石，直接决定了重传、流量控制和拥塞控制的行为。降低RTT是优化网络应用性能（尤其是Web和实时应用）的关键手段之一。2.2.3数据通信网络的性能指标1．信道容量信道容量是表征信道传输数字信号能力的指标。奈奎斯特定理表明：在信道具有理想低通矩形特性和无噪声情况下，有限带宽为B的信道，其最大数据传输速率为：

2．误码率和误组率误码率。误码率P是指在某一段时间（ITU规定测试时间为15min）内，接收到出错的比特数e1与总的传输比特数e2之比：

P=(e1/e2)×100%2.2.4数据传输质量参数3．传输损耗指标在传输过程中，信道的传输损耗会引起信号质量的下降。影响传输损耗的主要参数：衰减时延失真噪声2.2.4数据传输质量参数通常，计算机网络中的模拟信道支持模拟信号的传输，数字信道支持数字信号的传输。为了实现模拟信号的数字传输和数字信号的模拟传输，必须研究数据在信号传输过程中如何进行编码（变换）的问题。本节主要讨论几种数据编码技术：模拟数据和数字数据的模拟编码技术；模拟数据和数字数据的数字编码技术。2.3数据编码技术模拟数据的模拟编码是将输入的模拟数据与频率为f的载波相结合，产生带宽中心在f处的信号S(t)的过程。具体方法是对信号的幅度、频率和相位三个基本特征分别进行调制，即幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。2.3.1模拟信号传输模拟数据将数字数据转换为模拟信号的调制方法有移幅键控法（ASK）和移频键控法（FSK）、移相键控法（PSK）三种基本形式，如图所示。2.3.2模拟信号传输数字数据1．非归零码非归零码是一种二进制编码方案，它用两种不同的电平分别代表二进制数字“0”和“1”。用低电平表示逻辑0，用高电平表示逻辑1，同步时钟的上升沿作为采样时刻，判决门限采用幅度电平的一半（0.5V）。当采样时刻的信号值在0.5～1.0V之间，就判定为1；若信号值在0～0.5V之间，就判定为0。非归零码是一种简单高效的编码方式，但其固有的“同步问题”限制了它在许多信道上的直接应用。理解NRZ的缺陷是理解后续各种复杂编码技术（如曼彻斯特、4B/5B、扰码等）为何被发明出来的关键。2.3.3数字信号传输数字数据2．曼彻斯特编码曼彻斯特编码是一种非常重要的数字信号编码技术，完美解决了非归零码（NRZ）的同步问题。曼彻斯特编码采用自同步方法，任一跳变既可以作为时钟信号，又可以作为数字信号。该编码的规则是：每一码元中间都有一个跳变，由高电平跳到低电平表示为1；由低电平跳到高电平表示为0。若出现连续的1或0码时，码元之间也存在跳变。曼彻斯特编码是一种以“牺牲带宽换取可靠同步”的经典方案。它在带宽资源不那么紧张的早期局域网中是一种非常优秀和可靠的选择，其设计思想对后来的通信技术产生了深远的影响。2.3.3数字信号传输数字数据3．差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特（DifferenceManchester）编码是对曼彻斯特编码的改进。4．mB/nB编码在mB/nB编码技术中，将m位数据进行编码，然后转换成所对应的n（n＞m）位编码比特，选择的编码比特可为定时恢复提供足够的脉冲，并且能限制相同电脉冲的数量。mB/nB编码技术的目的是使发送端与接收端的信号代码间保持同步，减少信息传输的丢失与差错。在光纤通信中使用5B/6B编码。2.3.3数字信号传输数字数据将模拟数据编码转换为数字信号最常采用的技术是脉冲编码调制（PCM）技术，简称脉码调制。脉码调制以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用大于或等于有效信号最高频率或其带宽２倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。模拟信号数字化的变化过程包括三个步骤：采样：采样是模拟信号数字化的第一步。采样的理论基础是采样定理。量化：量化是将采样样本幅度按量化级别决定取值的过程。经过量化后的样本幅度由原来的连续值转换为离散量。编码：编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量化级。2.3.4数字信号传输模拟数据数据传输方式指的是数据在通信信道中流动的方向和时间顺序。选择何种传输方式，取决于通信场景、效率要求和成本考量。传输方式不但定义了比特流从一个端点传输到另一个端点的方式，还定义了比特是同时在两个方向上传输还是轮流发送和接收。2.4数据传输方式1．串行通信与并行通信在数据通信中，若按照传输数据的时空顺序分类，数据通信的传输方式可以分为串行通信与并行通信两种。串行传输;数据的各个比特在一条信道上按顺序一位一位地传输。并行传输:数据的各个比特在多条并行的信道上同时传输。2.4.1数据通信方式2．单工、半双工与全双工通信按照数据信号在信道上的传输方向与时间的关系，数据通信方式可分为单工、半双工和全双工三种通信方式，如图所示。单工通信:数据只能在一个方向上传输，且方向是固定的。半双工通信:数据可以在两个方向上传输，但不能同时进行。在任一时刻，数据只能在一个方向上流动。全双工通信:数据可以在两个方向上同时传输。2.4.1数据通信方式1．异步式异步式把各个字符分开传输，并在字符之间插入同步信息。具体做法是，在要传输的字符前设置启动用的起始位，预告字符的信息代码即将开始传输，在信息代码和校验位（一般总共为8比特）结束以后，再设置1～2比特的终止位，表示该字符已结束。终止位也反映了平时不进行通信时的状态，即处于“传号”状态。字母“A”的代码（1000001）在异步式时的代码结构如图所示。2.4.2数据同步方式2．同步传输同步模式关注的是发送方和接收方如何保持步调一致，以确保数据被正确识别。同步传输是指以大的数据块（帧）为单位进行传输。在帧的开头和结尾有特定的同步字符或标志，整个帧内的比特流是连续的。其工作原理为：发送前，双方先通过同步字符建立时钟同步。然后连续发送一个完整的数据帧（可能包含数百上千字节）。接收方利用统一的时钟对连续的数据流进行采样，识别出帧的起始和结束。2.4.2数据同步方式传输介质是指在物理层提供数据传输的介质，也称为传输媒体或传输媒介，是指网络中连接收发两端的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。用于计算机连网的传输线路可以由用户自己铺设，也可以利用通信公司提供的公用通信网络。一般说来，单位建立局域网时通常是自己铺设通信线路，而远程的计算机联网则需要由通信公司提供专用传输介质。计算机网络中可以使用各种传输介质来组成物理信道。常用的传输介质可以分为导向传输介质和非导向传输介质两大类。不同的传输介质具有不同的传输特性，而传输介质的特性将影响数据的传输质量。2.5传输介质1．双绞线双绞线一般由2根、4根或8根22～26号绝缘铜导线相互缠绕而成，如图所示。线对在每厘米长度上相互缠绕的次数决定了其抗干扰的能力和通信质量。线对的扭合程度越高，抗干扰能力越强。2.5.1导向传输介质1．双绞线局域网中所使用的双绞线分为非屏蔽双绞线（UTP）与屏蔽双绞线（STP）两类。非屏蔽双绞线就是普通的电话线，由外部保护层与多对双绞线组成。非屏蔽双绞线分为第3类、第4类、第5类和增强型5类、6类等形式，通常简称为3类线、5类线等。屏蔽双绞线。屏蔽双绞线（STP）由外部保护层、屏蔽层和多对双绞线组成，外层护套和导线束之间由铝箔包裹，受外界干扰较小，能有效地防止电磁干扰，传输数据可靠。2.5.1导向传输介质2．同轴电缆同轴电缆按同轴的形式构成线对，其特性参数由内导体、外屏蔽层及绝缘层的电参数与机械尺寸决定。按照同轴电缆的传输特性可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆。基带同轴电缆阻的抗为50

，仅用于数字信号的传输，通常数据传输速率为10Mbps。宽带同轴电缆。宽带同轴电缆的阻抗为75

，常用的CATV有线电视电缆就是宽带同轴电缆，宽带同轴电缆可使用的频带高达500MHz。2.5.1导向传输介质3．光纤光纤是光导纤维的简称，由多种玻璃或塑料外加保护层构成。为了提高机械强度，必须将光纤做成很结实的光缆。光缆的结构是在折射率较高的单根光纤外面，用折射率较低的包层包裹起来，形成一条光纤信道。一根光纤只能单向传送信号，如果要进行双向通信，光缆中至少要有两根独立的芯线，分别用于发送和接收。光缆的结构如图所示。2.5.1导向传输介质3．光纤光纤工作常用的3个频段的中心波长分别为850nm、1300nm和1550nm，所有3个频段的带宽都在25000～30000GHz之间，因此光纤的通信容量很大。根据传输类型，光纤分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤（SMF）是指光纤中的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光线传输。多模光纤（MMF）是指光纤中的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。光纤类型由所采用的材料及纤芯尺寸决定。单模光纤的纤芯很细，传输速率较高，单模光纤的性能优于多模光纤。2.5.1导向传输介质非导向传输介质是指利用自由空间作为传播电磁波的通路，亦称无线传输1．无线电波传输无线电波的发送和接收通过天线进行。无线电波的传输属于全方向传播，其特性与频率关系很大，在高频段可用于短波通信。2．微波传输地面微波通信系统卫星通信系统3．红外线和激光传输4．移动通信系统2.5.2非导向传输介质多路复用技术是指在数据传输系统中，允许两个或两个以上的数据源共享一个公共传输介质，把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输。多路复用技术的实现方法，包括信号的复合、传输和分离三个方面。信道多路复用的原理框图如图所示。2.6多路复用技术频分多路复用（FDM）的基本工作原理如图所示。基于频带传输的方式就是将通信系统信道的带宽划分为多个子信道，每个子信道为一个频段，并将这些频段分配给不同的用户使用，这些频道之间互不交叠。2.6.1频分多路复用时分多路复用（TDM）是指将信道中用于传输的时间划分为若干时隙，每个用户分得一个时隙；在其占有的时隙内，用户轮流使用通信信道的全部带宽，其工作原理如图所示。2.6.2时分多路复用通常把波长分隔多路复用的方法简称为波分复用（WDM），是一种光信号的频分多路复用技术。波分复用主要用于全光纤组成的计算机网络。波分多路复用的工作原理如图所示。2.6.3波分多路复用数据交换技术是指在任意拓扑结构的数据通信网络中，通过网络结点的某种转换方式实现任意两点或多个系统之间连接的技术。目前常用的数据交换技术有电路交换和存储转发交换两大类。存储转发交换又可分为报文交换方式和分组交换方式。由于不同的业务对传输速率、误码率、时延等传输特性的要求各不相同，因此必须采用不同的交换技术以保证获得所需要的传输特性。2.7数据交换技术电路交换技术是传统电话网所采取的一种交换技术，属于直接交换。典型的电路交换方式的工作原理如图所示。电路交换过程包括线路建立、数据传输和线路释放三个阶段。2.7.1电路交换存储转发交换是一种数据交换方法。在这种方式下，交换设备（如交换机、路由器）必须先完整地接收整个数据帧/分组，并将其存储在内部缓冲区中，然后才会进行后续的处理和转发决策。按照信息结构的不同，存储转发交换技术可以分为报文交换与报文分组交换。报文与报文分组的通用信息格式的区别如图所示。2.7.2存储转发交换存储转发交换是一种以“牺牲少量延迟换取极高数据传输可靠性”的交换方式。它是构建现代高质量、可管理网络的基础，因其出色的错误过滤和能力，已成为当前网络设备事实上的标准，应用场景包括：现代以太网交换机：绝大多数现代交换机都默认采用存储转发技术。因为其高可靠性的优势远大于延迟增加的劣势，而现代硬件处理速度极快，已大大削弱了延迟的影响。路由器：所有路由器都使用存储转发方式，因为它们需要将整个数据包上升到网络层，检查IP头部，并查询路由表。需要QoS和ACL的网络：在这些场景中，必须检查整个帧/包的内容，因此存储转发是唯一选择。2.7.2存储转发交换1．光交换技术简介所谓光交换是指能有选择地将光纤、集成光路（IOC）或其他光波导中的信号从一个回路或通路转换到另一个回路或通路的交换方式。光交换技术是指用光纤来进行网络数据、信号传输的网络交换传输技术。光电路交换光分组交换2.7.3光交换2．组成光交换系统的核心器件数据传输和交换目前正由电光网络向全光网络发展。全光网络以光纤为传输介质，采用光波分复用（WDM）技术提高了网络的传输容量。WDM技术的进步主要依赖光器件的进步。组成光交换系统的核心器件主要有：光开关器件光缓存器件光逻辑器件波长变换器及光调制器等2.7.3光交换本章小结本章首先介绍了物理层的概念、各种传输介质的特性以及常用的物理层接口标准。数据可以在导向传输介质上传输，如光纤；或在非导向传输介质上传输，如某些类型的无线链路。由于传输介质和传输设备的种类繁多，因此物理层接口的标准也非常多。然后，介绍了数据通信中有关信息、数据和信号的概念，通信系统模型以及通信系统的性能指标。本章介绍得较多的是通信领域的内容，重点是识记一些基本概念：曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码；奈奎斯特定理和香农定理的相关计算；带宽、时延、往返时延（RTT）和时延带宽积的概念及其物理意义；波特率与数据传输速率之间的区别；电路交换、报文交换与分组交换的运行机制及相互之间的比较；数据报与虚电路的运行机制及相互之间的比较；不同传输介质中的数据传输速率。思维导图思考与练习1．物理层主要实现哪些功能？2．物理层接口特性有哪些？试分别给予描述。3．光纤传输有哪些优点？单模光纤与多模光纤的主要区别是什么？为什么多模光纤允许的传输距离较短？4．误码率、误组率的定义是什么？为何要测试这两项参数？5．简述带宽、时延、往返时延（RTT）和时延带宽积的物理意义。6．如何理解信息、数据和信号这几个概念的含义以及它们之间的关系？请举例说明。7．什么是数据通信？试说明数据通信系统的基本构成。思考与练习8．多路复用技术主要有哪几种类型？它们各有什么特点？9．信道带宽与信道容量的区别是什么？增加信道带宽是否一定能增加信道容量？10．简述电路交换、报文交换和分组交换的运行机制，并比较它们各自的优缺点。11．简述无线电的频率划分，并简要说明各个波段无线电的应用范围。12．若某信道带宽为6MHz，假定不考虑热噪声并使用4电平的数字信号，那么每秒能发送的比特数是多少?13．设信道带宽为3kHz，信噪比为20dB，若传送二进制信号，则可达到的最大数据速率是多少？。Thankyou！

计算机网络原理与技术第3章数据链路控制

数据链路访问和控制的许多概念都是计算机网络的重要内容。通过物理链路从一个结点到另一个结点有效地传输数据需要解决许多问题，例如为了可靠传输数据，数据链路层需要合适的错误控制机制。本章在引入数据链路层基本概念的基础上，侧重于常用的帧与帧同步技术、差错检测和纠错技术，重点讨论数据链路控制机制，包括滑动窗口协议、因特网中的点到点协议（PPP），以及数据链路协议实例。数据链路层协议是为收发对等实体间保持一致而制定的，目的是为了顺利地完成对网络层的服务。引言3.1数据链路层的基本概念3.2帧与帧同步技术3.3差错检测和纠错技术3.4数据链路控制机制3.5数据链路协议本章小结思考与练习第3章数据链路控制掌握帧与帧同步技术、差错检测和纠错技术。掌握数据链路控制机制。掌握数据链路协议。第3章数据链路控制数据链路层的功能，帧与帧同步技术、差错检测和纠错技术，数据链路控制机制。数据链路协议。学习目标关键知识点物理层为数据链路层提供了一组虚拟的比特管道，而且只关心如何把0和1变成光、电信号在物理介质上传输，不关心这些信号的含义和顺序。那么，在这样的比特管道上如何形成一条可靠的业务通道为上层提供可靠的服务呢？为了在DTE与网络之间或DTE与DTE之间有效、可靠地传输数据信息，必须在数据链路层对数据信息的传输进行控制。数据链路层是计算机网络OSI参考模型中的第二层，也是TCP/IP模型中介于网络层和物理层之间的一个层次。它的核心任务是在直接相连的节点（即同一局域网或网段内）之间，提供可靠、无差错的数据传输服务。3.1数据链路层的基本概念1．链路和数据链路所谓链路（Link）就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他交换结点。数据链路则是指从发送端经过通信线路到接收端之间的物理上的传输路径和逻辑上的传输信道的总称。两个端点设备之间可以有一条或多条数据链路。当需要在一条线路上传输数据时，不但必须有一条物理线路，还必须有一些必要的通信协议来控制数据的传输。只有把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，才能构成数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（网卡）来实现。3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能物理层的原始比特流传输存在不可靠问题，如差错、帧同步、流量控制等问题。数据链路层的主要作用是通过数据链路层协议在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。数据链路层提供了以下关键功能：帧控制，即封装成帧。将网络层传递下来的数据包（如IP数据报）加上一个“头”和一个“尾”，形成一个帧。帧是数据链路层数据传输的基本单位。帧头：通常包含目标MAC地址、源MAC地址和一些控制信息。帧尾：通常包含用于差错检验的序列（如CRC）。3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能透明传输：确保无论网络层传递下来的是什么数据（即使是看起来像帧开始或结束标志的特定比特组合），都能被正确地封装和传输，接收方也能正确识别。常用技术是“字节填充”或“比特填充”。差错控制：检测并可能纠正数据传输中产生的错误。流量控制：控制发送方的数据发送速率，使其不超过接收方的接收能力。数据链路管理：当多个设备共享同一个传输介质（如传统的同轴电缆以太网、无线Wi-Fi）时，需要一套规则来决定谁在什么时候可以发送数据。区分数据和控制信息。寻址。3.1.1数据链路层的功能数据链路层提供的基本服务是在两个用物理线路连接起来的设备之间，将源端网络层的数据传输到宿端的网络层。如图所示，在源端计算机（Sender）上有一实体称为进程，它将网络层的比特序列交给数据链路层；数据链路层又将它们传送到目的计算机（Receiver），交给那里的网络层。3.1.2数据链路层提供的服务1．面向连接确认服务面向连接确认服务存在3个阶段，即数据链路的建立阶段、传输阶段和释放阶段。第一阶段，从源到宿建立连接（占用资源）。第二阶段在连接上进行实际的帧传送，对每个被传输的帧进行编号，以确保帧传输的内容与传输顺序的正确性。每帧只接收一次，对每一帧都确认。第三阶段断开连接，释放占用的资源。2．无连接确认服务无连接确认服务与面向连接确认服务的不同之处在于，它不需要在帧传输之前建立数据链路，也不需要在帧传输结束后释放数据链路。3．无连接不确认服务3.1.2数据链路层提供的服务物理层通常仅负责比特的传输，并不对比特的含义和作用进行区分。在数据链路层，数据以帧为单位进行传输。当数据链路层将网络层的分组连续送到物理层进行传输时，有一个问题需要解决，即如何决定什么时刻是一帧的开始，什么时刻是一帧的结束，哪一段传输的是用于差错校验的比特。这些都是帧同步技术所要解决的问题。3.2帧与帧同步技术数据链路层采用帧作为数据传送逻辑单元，数据链路层协议的核心任务是根据所要实现的数据链路层功能来规定帧的格式。尽管不同的数据链路层协议给出的帧格式存在一定的差异，但它们的基本格式大同小异，如图所示。3.2.1帧的基本格式1．字节计数法字节计数法以一个特殊字符表示一帧的开始（如SOH控制字符），并用一个专门字段来标明一帧的字节数。接收端可以通过这些字符的识别从比特流中区分出帧的开始，并从专门字段中获知该帧中随后跟随的数据字节数，从而确定帧的终止位置。面向字节计数的同步规程的典型实例是DEC公司的数字数据通信报协议（DDCMP）。DDCMP采用的帧格式如图所示。3.2.2帧同步方法2．字符填充法字符填充法使用特定字符来界定一帧的起始与终止，在数据链路层中，如果传输无论什么样的字符组合的数据，都能够按照原样无差错地通过数据链路层，可以认为数据链路层对于这些数据是透明的，即透明传输技术。在面向字符的传输中，假设分组包含整数个字节（8位），典型的帧结构如图所示。3.2.2帧同步方法3．比特填充法比特填充法是数据链路层实现透明传输的一种关键技术。比特填充法采用统一的帧格式，以特定的位序列进行帧同步和定界。比特填充法的工作原理，是采用一组特定的比特组合标志一帧的起始与终止。发送端（填充规则）。最常见的规则（如HDLC协议所使用的）是：在帧的首尾加上帧定界标志，例如01111110。发送方在数据字段（包括地址、控制等信息）中，从头到尾扫描比特流。每当扫描到连续的5个“1”时，就自动插入一个“0”。继续扫描后续的比特。3.2.2帧同