计算机网络技术.ppt

1、第一节 数据通信的基本概念,一、数据 数据是传递信息的实体，通信的目的是交换数据，数据的表现形式可以是数字、文字、语音、图形或图像等。为了传送这些数据，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、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。 数据可分为：模拟数据、数字数据。 模拟数据是在某个区间内连续的值。如：声音、视频是强度连续改变的波形。 数字数据则是离散的值。如：整数。,二、信号 信号是数据的电磁或电子的编码。在通信中，数据变成可在传输介质上传送

2、的信号来发送。它有两种形式：模拟信号和数字信号。 模拟信号：连续变化的电磁波，用电信号模拟原有信息。 数字信号：一系列的电脉冲，直接用两种电平表示二进制的1和0。,二、模拟数据和数字数据通信,电话,模拟数据 （声波）,模拟信号,调制解调,数字数据,模拟信号,编码译码器,模拟数据,数字信号,编码,数字数据,数字信号,模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示和传输。,1模拟数据的模拟信号表示 一般情况下，模拟数据是时间的函数，并占有一定的频谱范围。这种数据可以直接用占有相同频谱范围的电磁波信号来表示。 如：声音数据，频率在2020KHz。 声音信号的标准频率范围为3003400Hz。在该

3、范围内，可以十分清晰地传播声音。电话设备就是按照此标准运行的。,2数字数据的模拟信号表示 数字数据也可以用模拟信号表示。要用调制解调器（MODEM）把二进制信号调制成音频信号（模拟信号）。 在音频范围内选某一频率的正弦信号（称为载波），将数字数据分别对载波的振幅、频率、相位进行控制，使数字数据“寄载”在载波上去，然后将携带数字数据的载波在信道上传送，到达接收端后，再将数字数据从已调波中取出，提供给接收设备。 将数字寄载到载波上的过程为调制。 从已调波中取出数字数据的过程为解调。 实现这两个过程的设备称为调制解调器。,根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、 频率、相位，产生常用的三种调

4、制技术： 幅移键控法 Amplitude-shift keying (ASK) 频移键控法 Frequency-shift keying (FSK) 相移键控法 Phase-shift keying (PSK),数字信号与模拟信号的转换,3数字数据的数字信号表示 数字数据也可以由数字信号来表示，即用二进制形式的数字脉冲信号来表示。 为了改变其传播特性，这些脉冲可以有许多不同的编码格式。常见的编码格式有三种：不归零编码(NZR)、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。 局域网中常采用后两种编码方式。,4模拟数据的数字信号表示 模拟数据也可以用数字信号来表示。可以通过一个编码译码器进行数字化转换，编码译

5、码器将接收到的直接表示声音数据的模拟信号进行数字化转换，用二进制位流来近似表示该信号，而线路的另一端编码译码器再将二进制位流重新构造为模拟数据。 将模拟数据编码为数字信号的最常见方法是脉冲编码调制。它以采样定理为基础。采样频率为有效信号最高频率的两倍。 模拟信号数字化转换过程：取样、电平量化、编码。 声音数据最大为：4000Hz，8000次的采样就能满足表示声音信号的频率。,模拟传输是用模拟信号传输的。长距离传输接放大器。 数字传输是用数字信号传输的。长距离传输使用中继器。 中继器的引入不会产生累积误差，数字信号失真小、误码率低、保密性强、速率高的优点。 数字传输是今后数据通信发展的方向。,开

6、放系统互连参考模型（Open System Interconnection， 简称OSI）数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE） 高级数据链路控制规程HDLC,协议: 控制报文的收发 e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP 因特网: “万网之网” 松散的层次结构 公共的Internet（因特网） vs. 专有的 intranet（内联网） 因特网标准 RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force（因特网工程部）,协议定义网络实体之间信息收发的格式和顺序, 以及信息发送和接收后所需采取的

7、动作 （语法、语义、同步或规则）,ISO提出的工厂自动化参考模型：公司层、工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层。,国家信息基础设施（National Information Infrastructure，NII),公用计算机互联网ChinaNET 中国教育科研网CERNET 中国科学技术网CSTNet 国家公用经济信息通信网络（金桥网）(CHINAGBN),综合业务数据网ISDN,一、计算机网络的基本组成,计算机网络主要由主机系统、终端系统、通信控制处理机和通信设备经通信线路连接组成。 1主机（HOST） 主机是计算机网络中承担数据处理的计算机系统，可以是微型机、小型机、中型机或大型机系统

8、，也可以是多机系统，是计算机网络的重要资源。 2终端 终端是用户进行网络操作时使用的设备，是计算机网络面向用户的窗口。终端的种类很多，常用的有交互式终端、批处理终端、智能终端以及虚拟终端等。,3通信控制处理机（CCP） 通信控制处理机也称结点计算机，是主计算机与通信线路之间设置的计算机，负责通信控制和通信处理工作，如线路传输控制、差错控制、代码转换、报文的分组与重装、路径选择和流量控制等。 4通信设备 是数据传输设备，包括集中器、信号变换器、多路复用器等。 5通信线路 通信线路用来连接上述组成部分。通信线路可采用双绞线、同轴电缆和光纤等有线通信线路，也可采用微波、通行卫星等无线通信线路。,二、

9、网络的拓扑结构,计算机网络的拓扑结构，是指网络中的通信线路和结点间的几何排序，并以表示网络的整体结构外貌，同时也反映了各个模块之间的结构关系。 计算机网络的拓扑结构按通信系统的传输方式可分成两大类： 点对点传输结构； 广播传输结构。,（一）点对点传输结构 就是存储转发传输。它以点到点的连接方式，把各个模块的通信控制处理机连接起来，形成特定的信息传输网。网络的拓扑结构有星型、环型、树型和网状型。见下图。,（一）点对点传输结构,就是存储转发传输。它以点到点的连接方式，把各个模块的通信控制处理机连接起来，形成特定的信息传输网。网络的拓扑结构有 星型 总线型 环型 树型 评价标准 1)可靠性。 2)费

10、用。 3)灵活性。 4)响应时间和吞吐量。,（二）广播式传输结构 是用一个共同的传输介质，把各个结点连接起来，这样任何一个结点向网络系统发送信息时，网络中的所有结点均可以接收到。广播式传输结构主要有： 1总线型结构 就是将各个结点设备用一根公共总线连接起来，其中任一结点的信息都可以沿着总线传输，它的传输方向是从发送点向两端扩散，可以被总线上的任一结点所接收。 缺点： 总线负载能力有限，连接的结点数有限；信息容易发生冲突和碰撞，实时性较差。 优点： 结构简单，扩展方便，可靠性高。,2、卫星或地面无线网络 卫星和微波通信是采用无线电波传输的，因此就无所谓网络的构形，也可以看作是一种任意形或无约束的

11、网状结构。一般用于组成广域网和全球网。,四、多路复用(Division Multiplexing)技术 为了有效地利用通信线路，希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用。可以大大节省电缆的安装和维护费用。最常用的多路复用技术是： 频分多路复用FDM 波分多路复用WDM 时分多路复用TDM,1频分多路复用FDM Frequency Division Multiplexing 在物理信道的带宽超过单个传输信号的带宽时，将物理信道的总带宽划分成若干条占有一定带宽的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。字信道的带宽可以不同，用于传输数据、语音、图象等数据。,2时分多路复用TDM

12、 Time Division Multiplexing 将一个物理信道按时间分成若干时间片轮换地给多个信号使用。 专用于某个信号源的时间片序列称为该信道的逻辑信道。 一个时间片周期（每个信号源一个）称为一帧。 在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。,3波分多路复用WDM Wave Division Multiplexing 光纤通道（fiber optic channel）技术采用复用器（合波器）和分用器（分波器）改变光的波长来实现分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM;,2串行传送与并行传送 并行传送：一次同时传送一个字节，也就是将一个字节所包含的几个比特位同时在线路上进行传送。速

13、率高，需要几条传输线，费用高，用于近距离传输。如：计算机的并行打印口。 串行传送：一位一位地传送，到达对方后，再有接收装置将串行比特流还原成字符，虽然速度低，但接收和发送端之间只需要一根传输线，造价低。计算机网络中普遍采用这种传输方式。,1异步传输（字符同步）， 又称起止式同步。在这种方式中，每次传送一个字符，都在每个字符码前加一个起始位（逻辑0表示），以表示该字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加一个停止位（以逻辑1表示），以表示该字符代码结束。,在这种方式中，每个字符的传输需要： 1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停止位 异步通信的优缺点： 频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会

14、重新获得同步； 每两个字符之间的间隔时间不固定； 增加了辅助位，所以传输效率低；,2同步传输 是一种更有效的通信方式，在这种方式中，字符或位串的传输无需附加起始位和停止位，事先能够知道每一位的发送和到达时间。 位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法： 一种方式增加一条单独的时钟线，如非归零编码。 另一种方式使用自同步编码，如曼彻斯特编码。 帧同步：数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块 面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧； 面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数

15、据类型的帧,差错控制的基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。 差错控制技术 自动请求重传Automatic Repeat Request （ARQ） 停等 ARQ 每发送一帧就需要一个应答帧 只重传刚才出错的帧 选择重传 ARQ 每发送N帧需要一个应答帧 只重传出错的帧,差错控制编码：检错码和纠错码 纠错码在计算机通信中很少使用 检错码主要有两种编码方法： 奇偶校验（Parity Checking） 可以在两个级别上实现： 在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。 例如：1100010增加偶校验位后为11

16、100010 若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。 在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。 只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。,循环冗余校验（CRC, Cyclic Redundancy Check） 差错检测原理： 收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方根据发送的数据和G(x)计算出CRC校验和并把它加在数据的末尾。接收方则用G(x)去除接收到的数据，若有余数，则传输有错。 校验和是16位或32位的位串。 CRC校验的关键是如何计算校验和。,什么是交换？ 按某种方式动态地分配传输线路资源。 为什么要采用交换技术？ 节省线路投资，提高线路利用率。

17、 实现交换的方法主要有：线路交换、报文交换和分组交换。,一、线路交换 在线路交换中，通过网络结点在工作站之间建立专用通信通道，即在两个工作站之间具有实际的物理连接。 优点：通信实时性强，适用于交互式会话类通信 。 缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，系统不 具有存储数据的能力。,二、报文交换 报文交换又称报文转换，在这种工作方式中，两个工作站之间无须建立专用通道，用户把需要传输的数据分割成一定大小的报文，以报文为单位（信息的逻辑单位）在网络中传输。 优缺点： 没有建立和拆除连接所需的等待时间； 线路利用率高； 传输可靠性较高； 报文大小不一，造成存储管理复杂； 大报文造成存储转发的延时过长，

18、且对存储容量要求较高； 出错后整个报文全部重发,三、分组交换 将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。 优缺点： 由于分组长度较短，在传输出错时，仅重发出错的分组，检错容易并且重发花费的时间较少，效率高； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率，转发延时小，速度快，适用于交互式通信； 各分组可通过不同路径传输，容错性好。 需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。 分组交换技术在数据网络中得到了广泛应用。现有的公众数据网一般都采用分组交换技术。,物理层接口及其协议,（1）物理层的定义 ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、

19、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护 和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。 当然也包括对传输媒介的定义。 （2）物理层的功能 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。 （3）物理层的四个重要特性 机械特性 (Mechanical Characteristics) 电气特性 (Electrical Characteristics) 功能特性 (Functional Characteristics) 规程特性 (Procedural Characteristics),数据链路层,功能：在数据链路上传输以帧为单位的数据单元，采用差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变成一条无差

20、错的数据链路。,网络层： 网络层的基本工作是接收来自源机的报文，把它转换成报文分组（包），而后送到指定目标机。报文分组在源机与目标机之间建立起的网络连接上传输。 作用： 在数据发送中实现路由选择、流量控制、阻塞控制和网际互连 应用-表示-会话-传输-网络-链路-物理,网络设备在OSI体系中的位置,网络设备的功能层次,组成一个LAN的硬件包括以下几部分： 网络服务器、网络工作站、网络接口卡、传输介质、 网络连接设备及附属设备等。,网络互连设备：1.中继器（Repeater）集线器（Hub） 2网桥（Bridge）3.路由器（Router）,要连互联网必须提供下面的信息： 1、IP地址 2、子网掩

21、 3、网关IP,ISDN( Integrated Services Digital Network，综合业务数字网） （ Asymmetric Digital Subscriber Loop,不对称数字 用户服务线）通信控制处理机（CCP）,双绞线 优缺点： 成本低 组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输 抗干扰性一般 连接距离短（100m) 白橙-橙-白绿-蓝-白蓝-绿-白棕-棕,光纤（Optical Fiber） 依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播 优缺点： 传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（100Gb/s） 传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰性能极好、误码率低，

22、保密性好 轻便 价格较高 同轴电缆 需要光电转换,无线介质（信号在大气或外层空间自由传播） 使用电磁波或光波携带信息 优缺点： 无需物理连接 适用于长距离或不便布线的场合 易受干扰 反射，为障碍物所阻隔 主要类型： 无线电、地面微波 通信卫星 红外线,网络协议Protocol ：为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议的关键成分为： 1）语法：包括数据格式、编码、信号电平等。 2）语义：包括用于协调和差错处理的控制信息。 3）定时：包括速度匹配和排序。,二、局域网络的访问控制方式,1冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD） CSMACD是用争用的方法来决定对媒体的访

23、问权。而这种争用协议一般用于总线网。 它的工作原理是：当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正发送信息，若没有则立即发送；否则该结点等待一段时间，再侦听，直到信道空闲，开始发送。需要有一种退避算法来决定退让时间。常用的有三种算法。1、非坚持CSMA： 2、坚持CSMA ； 3、坚持协议,2令牌环（Token Ring） 它仅用于环形网结构。网中只设一张令牌，令牌是控制标志，只有获得令牌的结点才能发送信息，发送完后，令牌又传给相邻的另一个结点。 令牌环的主要优点优点是能提供可调整的访问控制方式，能提供优先权服务，有较强的实时性。 调节的方法可以是通过允许各站在其收到令牌时传输不同量

24、的数据，或者是通过设定优先权，使具有较高优先权的站优先得到令牌的权利。 令牌环的主要缺点是需要令牌操作，控制电路比较复杂。,3令牌总线（Token Bus） 它主要用于总线形和树形网络结构中。它把总线或树形传输介质上的各个结点形成一个逻辑环，即人为地给各结点规定一个顺序，逻辑环中的控制方式类同于令牌环。 它的优点是： l 吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加； l 控制功能不随电缆线长度的增加而减弱； l 具有一定的实时性。,类别 网络号 /占位数 主机号 /占位数 A 1126 / 8 0255 0255 1254 / 24 B 128191 0255 / 16 0255 1254

25、/ 16 C 192223 0255 0255 / 24 1254 / 8,A:大型网 B:地区网中心 中国教育网、华东网管中心 C:地区网 南航,第二节 局域网络技术,一、局域网络的拓扑结构,1总线形结构 用一条称为公共总线的中央主电缆，将各结点经过通信线路连接起来的布局方式称为总线形拓扑。总线形结构网络的特点是：结构简单灵活，非常便于扩充；可靠性高，网络响应速度快；设备少，价格低，安装使用方便；共享资源能力强，便于广播式工作。如微机局域网。 2环形结构 环形网中各结点通过环接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线中。它的特点是：信息在环网中沿固定方向流动，简化了路径选择；当某个结点故障时，可采

26、用旁路的方法，提高可靠性。如FDDI。,3星形结构 是以中央结点为中心与各结点连接组成的，各结点与中心结点通过点到点的方式连接。星形结构网络的特点是：网络结构简单，便于管理；控制简单，建网容易；网络延迟时间短，传输误码率低；但网络中央结点负荷重，工作复杂，网络可靠性低，一旦中央结点故障，全网瘫痪，网络共享能力差；通信线路都是专用线路，利用率不高。如CBX。 4树形结构 树形结构是总线形结构的扩展，它是在总线形网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路。它是一种分层结构，适用于分级管理和控制系统。其主要特点是：线路长度较短，连网成本低；易于维护和扩展；结构复杂；一个分支故障，不影响另一个分支；也属于广播式网络。 在实际建网时，其拓扑结构不一定是单一的，通常是这四种拓扑结构的