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/IP 2008-4-23 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

2、体，而信息是数据 的内容或解释。 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

3、媒体。 是传输信息的必经之路。一般来说，一条通信 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

4、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

5、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 SYN SYN B A X SYN 同 步 字 符 （ 一 个 或 多 个 ） 同

6、步 位 模 式 （ 一 个 或 多 个 ） 可 变 长 度 的 位 数 据 块 可 变 长 度 的 字 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

7、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 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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、 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

13、 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

14、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

15、 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 LAN Local Area Network 局域网，例如办公以太网、网吧内网等 WAN Wi

16、ld Area Network 广域网，例如Internet MAN Metropolitan 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

17、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，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 Hubs Repeater Transmits da

18、ta to all connected computers Hub Transmits data to all connected computers in a star topology Repeater Hub OSI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 Ring Ethernet Acc

19、ess MethodCSMA/CD Transfer Speed Standard Ethernet 10 Mbps Fast Ethernet 100 Mbps Gigabit Ethernet 1 Gbps (1000 Mbps) Collision DetectionCarrier Sense Multiple Access Detects signalTransmits signalCollision detected Token Ring Access MethodToken passing Transfer Speed4 to 16 Mbps for all cable types

20、 Physical Ring Logical Ring MSAU Bridges Bridge Switches Switch A C B D 1 4 3 2 端口号MAC地址 1MAC A 2MAC B 3MAC C 4MAC D OSI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）。 网络层协议的代表包括：IP、IPX、RIP、 OSPF等。 OSI参考模型 网络层的设备 路由器 Routers RouterRouter RouterRouter OSI参考模型 传输层 传输层是第一个端

21、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

22、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. ATM ATM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

23、议层次 Application Layer Internet LayerIPICMPIGMPARP Network Interface Layer EthernetATM Transport LayerUDPTCP Application Layer FTPHTTP TCP/IP 协议集 Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP) Internet Protocol (IP) Internet Control Message Protocol (ICMP) Internet Group Management

24、Protocol (IGMP) Address Resolution Protocol (ARP） Transmission Control Protocol (TCP) IPICMPIGMPARP UDPTCP SYN ACK SYN ACK User Datagram Protocol (UDP) UDPTCP IPICMPIGMPARP Internet Control Message Protocol (ICMP) UDPTCP IPICMPIGMPARP Internet Group Management Protocol (IGMP) UDPTCP IPICMPIGMPARP Ad

25、dress Resolution Protocol (ARP) UDPTCP IPICMPIGMPARP B C A ARP Cache 1 4 6 5 1. ARP cache is checked 2. ARP request is sent 3. ARP entry is added 4. ARP reply is sent 5. ARP entry is added 6. IP packet is sent ARP Cache 2 3 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到到B AB DNS RouterRouter

26、SMTP Internet 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SMTPAAA。 最

27、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） Name Address Name Address IP 地址 0001 0000 IP 地址地址 Host ID Network ID IP 地址 IPv4 地址位长32bit xxx.xxx.xxx.xxx 共有232个地址 IPv6 地址位长128bit xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.

28、xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.x xx 共有2128个地址 IP 地址分类 A 类类 主机主机 ID B 类类 主机主机 ID C 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 E 55 A B C D 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

29、地址 11111111 11111111 11110000 00000000 00001010 11011001 01111011 00000111 8 + 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 IP Address Host IDNetwork ID 2.200 Subnet Mask 0.0 192.168. IP Address 50.100.200 Subnet Mask 0.0.0 Net

30、work ID 0.0.0 IP 地址地址 100.200 子网子网 掩码掩码 0.0 网络网络 ID 0.0 IP 地址地址 200 子网子网 掩码掩码 0 网络网络 ID 0 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 ID 11111111111111111111111100000000 10 . 217 . 123 . 7 255 . 255 . 255 . 0 11111111 11111110 11111100 11111000 11110000 11100000 11000000 10000000

31、 00000000 子网掩码比特 Host ID 11111111111111111111111100000000 10 . 217 . 123 . 7 255 . 255 . 255 . 0 11111111 255 11111110 254 11111100 252 11111000 248 11110000 240 11100000 224 11000000 192 10000000 128 00000000 0 计算机网络 ID IP 地址地址 子网掩码子网掩码 网络网络 ID CIDR表示的表示的 网络网络 ID 11111111 11111111 11110000 00000000 00001010 11011001 01111011 00