第一章数据通信基本原理

1、第章第章 数据通信基本原理数据通信基本原理网络分层和优点网络分层和优点层层 layer：描述了所有需求的有效的通讯过程，并把这些过程逻辑上描述了所有需求的有效的通讯过程，并把这些过程逻辑上的组叫做层的组叫做层分层的优点：分层的优点：各层间相互独立，把网络操作分成低复杂性单元各层间相互独立，把网络操作分成低复杂性单元灵活性好。某一层变化不会影响到别层，设计者可专心设计和开发模灵活性好。某一层变化不会影响到别层，设计者可专心设计和开发模块功能。块功能。促进标准化工作促进标准化工作定义了用于即插即用兼容性的标准接口，使网络易于维护和实现定义了用于即插即用兼容性的标准接口，使网络易于维护和实现OSI

2、模式模式 概述概述应用层应用层 (高高) 会话层会话层表示层表示层应用层应用层OSI 模式模式数据流层数据流层传输层传输层数据链路层数据链路层网络层网络层物理层物理层应用层应用层 (高高) 会话层会话层表示层表示层应用层应用层应用层作用应用层作用Telnet SMTPHTTP FTP用户接口用户接口例子例子应用层应用层Telnet SMTPHTTP FTP JPEG用户接口用户接口数据表示数据表示加密等特殊处理过程加密等特殊处理过程例子例子表示层表示层应用层应用层应用层作用应用层作用TelnetHTTPJPEG保证不同应用间的数据区保证不同应用间的数据区分分用户接口用户接口数据表示数据表示加密

3、等特殊处理过程加密等特殊处理过程Operating System/Application Access Scheduling例子例子会话层会话层表示层表示层应用层应用层应用层作用应用层作用保证不同应用间的数据区保证不同应用间的数据区分分用户接口用户接口数据表示数据表示加密等特殊处理过程加密等特殊处理过程TelnetHTTPJPEGOperating System/Application Access Scheduling传输层传输层数据链路层数据链路层网络层网络层物理层物理层例子例子会话层会话层表示层表示层应用层应用层应用层作用应用层作用数据流层的作用数据流层的作用EIA/TIA-232V.3

4、5例子例子物理层物理层 设备间接收或发送比特流设备间接收或发送比特流 说明电压、线速和线缆等说明电压、线速和线缆等802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35例子例子数据流层的作用数据流层的作用数据链路层数据链路层物理层物理层 将比特组合成字节进而组合成帧将比特组合成字节进而组合成帧 用用MAC地址访问介质地址访问介质 错误发现但不能纠正错误发现但不能纠正 设备间接收或发送比特流设备间接收或发送比特流 说明电压、线速和线缆等说明电压、线速和线缆等802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPX例子例子数据流层的作用数据流层的作用网络层网络层 数据链

5、路层数据链路层物理层物理层 将比特组合成字节进而组合成帧将比特组合成字节进而组合成帧 用用MAC地址访问介质地址访问介质 错误发现但不能纠正错误发现但不能纠正 设备间接收或发送比特流设备间接收或发送比特流 说明电压、线速和线缆等说明电压、线速和线缆等提供路由器用来决定路径的逻辑寻址提供路由器用来决定路径的逻辑寻址TCPUDPSPX802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPX例子例子数据流层的作用数据流层的作用传输层传输层 数据链路层数据链路层物理层物理层 可靠或不可靠的数据传输可靠或不可靠的数据传输 数据重传前的错误纠正数据重传前的错误纠正 将比特组合成字节进而组

6、合成帧将比特组合成字节进而组合成帧 用用MAC地址访问介质地址访问介质 错误发现但不能纠正错误发现但不能纠正 设备间接收或发送比特流设备间接收或发送比特流 说明电压、线速和线缆等说明电压、线速和线缆等网络层网络层提供路由器用来决定路径的逻辑寻址提供路由器用来决定路径的逻辑寻址TCPUDPSPX802.3 / 802.2HDLCEIA/TIA-232V.35IPIPX表示层表示层应用层应用层会话层会话层例子例子数据流层的作用数据流层的作用 可靠或不可靠的数据传输可靠或不可靠的数据传输 数据重传前的错误纠正数据重传前的错误纠正 将比特组合成字节进而组合成帧将比特组合成字节进而组合成帧 用用MAC地

7、址访问介质地址访问介质 错误发现但不能纠正错误发现但不能纠正 设备间接收或发送比特流设备间接收或发送比特流 说明电压、线速和线缆等说明电压、线速和线缆等传输层传输层 数据链路层数据链路层物理层物理层网络层网络层提供路由器用来决定路径的逻辑寻址提供路由器用来决定路径的逻辑寻址PDUPDU（protocol data unit):每一层使用自己层的协议和别的系统的对每一层使用自己层的协议和别的系统的对应层相互通信，协议层的协议在对等层之间交换的信息叫协议数据单应层相互通信，协议层的协议在对等层之间交换的信息叫协议数据单元。元。上层上层 : messagetransport layer : segm

8、entNetwork layer: packetData-link layer: FramePhysical layer: bit应用层应用层表示层表示层会话层会话层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层OSI 模式模式PDU功能功能例子例子练习：练习：OSIOSI模式（书模式（书P23P23页书面实验页书面实验1.1/1.21.1/1.2）一般通信的过程一般通信的过程NameAddressNameAddressNameAddressNameAddress封装封装封装封装 （ encapsulate/encapsulation）：）：数据要通过网络数据要通过网络进行传输，要从

9、高层一层一层的向下传送，如果一个主机进行传输，要从高层一层一层的向下传送，如果一个主机要传送数据到别的主机，先把数据包装到一个特殊协议报要传送数据到别的主机，先把数据包装到一个特殊协议报头中，这个过程叫头中，这个过程叫 封装封装传输层传输层 数据链路层数据链路层物理层物理层 网络层网络层 上层数据上层数据上层数据上层数据TCP 头头数据数据IP 头头0101110101001000010数据数据Frame头头表示层表示层应用层应用层会话层会话层段段包包比特比特帧帧PDUFCS封装数据封装数据上层数据上层数据IP + TCP +上层数据上层数据Frame 头头TCP+上层数据上层数据IP 头头上

10、层数据上层数据TCP 头头0101110101001000010传输层传输层 数据链路层数据链路层物理层物理层 网络层网络层 表示层表示层应用层应用层会话层会话层解封装数据解封装数据中继器、集线器、桥、交换机中继器、集线器、桥、交换机中继器（中继器（Repeater）物理层设备，作用是放大数据信号，扩展通信距离。特点是简单，不能隔离广播。网桥（网桥（Bridge）数据链路层设备作用是将多个网段/子网互连构成新的局域网。特点是可将网络中的业务分段处理，但不可隔离广播。如可将插有两块网卡的计算机作为网桥。集线器（集线器（HUBHUB）纯粹物理层的设备、网络上的所有节点争用总线收发数据，集线器即为总

11、线的变型。在以太网中，集线器又称多口中继器。设备标志设备标志交换机（交换机（Switch）多端口网桥的作用，单与网桥不同，交换机使用硬件处理数据帧，具有较高的智能性。直通式（cut throuth）、存贮转发式（store-and-forward）、自由分段式。减小和避免局域网中的冲突。交换机完成两个基本任务：1、快速交换数据；2、建立交换表检测环路。定义定义 介质类型介质类型 连接器类型连接器类型 信号类型信号类型Ethernet802.3V.35物理层物理层EIA/TIA-232物理层功能物理层功能物理层设备物理层设备集线器集线器 中继器中继器 编码编码解码器解码器 传输介质连接器传输介质

12、连接器物理层物理层: Ethernet/802.3集线器集线器多个主机多个主机主机主机10Base2细缆以太网细缆以太网10Base5粗缆以太网粗缆以太网10BaseT双绞线双绞线ABCD物理层物理层 所有设备在同一冲突域所有设备在同一冲突域 所有设备在同一广播域所有设备在同一广播域 所有设备共享相同的带宽所有设备共享相同的带宽集线器运行在物理层集线器运行在物理层冲突域冲突域 广播域广播域 冲突冲突 （collision）：）：在以太网中，当两个节点同时传输数在以太网中，当两个节点同时传输数据时，从两个设备发出的帧将会碰撞，在物理介质上相遇据时，从两个设备发出的帧将会碰撞，在物理介质上相遇，彼

13、此数据都会被破坏，彼此数据都会被破坏冲突域（冲突域（collision domain）一个支持共享介质的网段一个支持共享介质的网段广播域广播域 (broadcast domain)：广播帧传输的网络范围，广播帧传输的网络范围，一般是路由器来设定边界（因为一般是路由器来设定边界（因为router不转发广播）。不转发广播）。集线器：同一个冲突域集线器：同一个冲突域 接入设备越多冲突机率越大接入设备越多冲突机率越大 用用CSMA/CD技术技术CDMA/CD技术技术载波侦听多路访问载波侦听多路访问/冲突检测冲突检测 CDMA/CD（carrier sense multiple access/colli

14、sion detect)： 工作原理：工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。闲，从而提高效率。CSMA/CD：监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，监听到信道空闲就立即发送数据，并继续监听；若监听到冲突，则立即放弃发送则立即放弃发送 冲突检测方法：冲突检测方法： 比较接收到的信号电压的大小比较接收到的信号电压的大小 检测曼彻斯特编码的过零点检测曼彻斯特编码的过零点站点检测到冲突后，往往发送人为干扰信号，强化冲突，以通知其他站点站点检测到冲突后，往往发送人为干扰

15、信号，强化冲突，以通知其他站点定义定义 源和目标的物理地址源和目标的物理地址 与帧关联的高层协议与帧关联的高层协议 (Service Access Point) 网络拓扑网络拓扑 帧顺序帧顺序 数据流控制数据流控制 有向或无向连接有向或无向连接数据链路层数据链路层物理层物理层EIA/TIA-232v.35EthernetFrame RelayHDLC802.2802.3数据链路层功能数据链路层功能MAC子层子层MAC子层（子层（media access control):负责负责MAC寻址和定义介质访问控寻址和定义介质访问控制方法；制方法；MAC子层一般的访问控制方式：子层一般的访问控制方式：

16、1。争用式：冲突不可避免；。争用式：冲突不可避免； CSMA/CD ；FCFS（first come first service)2。轮流式：访问时间可预见，不发生冲突；但是要有。轮流式：访问时间可预见，不发生冲突；但是要有Token 令牌令牌MAC子层协议有：子层协议有：802.3 802.5 FDDI（fiber distributed data interface)这三个这三个LAN技术的不同在于帧结构和访问机制的不同技术的不同在于帧结构和访问机制的不同LLC子层子层LLC子层（子层（logical link control):为上层协议提供为上层协议提供SAP 服服务访问点，并为数据加

17、上控制信息务访问点，并为数据加上控制信息LLC子层协议：子层协议：802.2 802.2协议只在协议只在LLC子层，为以太网和令牌环网提供了通子层，为以太网和令牌环网提供了通用功能用功能SAP服务访问点服务访问点SAP（ Service Access Point服务访问点服务访问点）：）：LLC子层为了网子层为了网络层的各种协议提供服务，而上层可能运行不同协议，为络层的各种协议提供服务，而上层可能运行不同协议，为区分不同上层协议的数据，要采用服务访问点区分不同上层协议的数据，要采用服务访问点数据数据源地址源地址FCS长度长度目标地址目标地址可变长可变长26640000.0C xx.xxxx厂商

18、自己分配厂商自己分配IEEE 分配分配MAC子层子层- 802.3前导符前导符Ethernet II 在这在这里用里用 “Type”指指明上层协议，所明上层协议，所以不用以不用 802.2.MAC 地址地址8# 字节字节数据链路层功能数据链路层功能( (续续) )数据数据目标目标 SAP源源 SAP数据数据源地址源地址FCS长度长度目标地址目标地址可变长可变长11802.2 (SAP)MAC子层子层 - 802.3Ctrl1 or 232前导符前导符数据数据目标目标 SAPAA源源 SAPAA可变长可变长11802.2 (SNAP)Ctrl031 or 2OROUI ID类型类型数据链路层功能

19、数据链路层功能( (续续) ) 每段有自己的冲突域每段有自己的冲突域 所有的段都在同一广播域所有的段都在同一广播域数据链路层数据链路层或或123124交换机和桥运行在链路层交换机和桥运行在链路层 每段有自己的冲突域每段有自己的冲突域 所有的段都在同一广播域所有的段都在同一广播域数据链路层数据链路层或或123124交换机和桥运行在链路层交换机和桥运行在链路层交换机交换机 每段有自己的冲突域每段有自己的冲突域 广播信息向所有段转发广播信息向所有段转发缓冲区缓冲区交换交换以太网上面的技术以太网上面的技术自动协商：自动协商：设备两端通过自动协商将两端的速率和工作设备两端通过自动协商将两端的速率和工作模

20、式协商到最高公共水平。（模式协商到最高公共水平。（AutoNegotiation)速率协商：速率协商：10M/100M双工协商：全双工方式、半双工方式双工协商：全双工方式、半双工方式工作速率，以工作速率，以10M以太网为例以太网为例半双工：半双工：10M；全双工：；全双工：20M全双工方式：设备两端可以同时接受和发送数据全双工方式：设备两端可以同时接受和发送数据 半双工方式：设备两端在同一时刻只能接受或发送数据半双工方式：设备两端在同一时刻只能接受或发送数据以太网相关标准以太网相关标准IEEE 802.3 以太网标准以太网标准IEEE 802.3u 快速以太网标准（快速以太网标准（Fast E

21、thernet)IEEE 802.3x 全双工全双工/流量控制（流量控制（Full duplex/flow control）IEEE 802.3x 全双工全双工/流量控制（流量控制（Full duplex/flow control）IEEE 802.1Q VLAN标准标准IEEE 802.1D 网桥及生成树协议（网桥及生成树协议（Bridges & Spanning Tree Protocol）IEEE 802.3z 千兆（千兆（Gigabit)以太网标准以太网标准IEEE 802.3ad 千兆以太网双绞线标准千兆以太网双绞线标准IEEE 802.3ab 链路汇聚协议（链路汇聚协议（L

22、ink Aggregation)10BASE-T 10：10M带宽、带宽、BASE：基带信号（数字信号）、：基带信号（数字信号）、T：双绞线（：双绞线（Twisted Pair)2对对3/4/5类非屏蔽双绞线或类非屏蔽双绞线或5类屏蔽双绞线，目前使用最多。类屏蔽双绞线，目前使用最多。IEEE802.3i10/100BASE-TX IEEE802.3u 10M、100M自适应电口自适应电口 支持自动协商支持自动协商100BASE-FX IEEE802.3u 100M以太网光口，支持单模以太网光口，支持单模/多模光纤多模光纤1000BASE-LX IEEE802.3z 千兆以太网光口，长波光纤，仅

23、支持单模千兆以太网光口，长波光纤，仅支持单模1000BASE-SX IEEE802.3z 千兆以太网光口，短波光纤，既支持单模也支持多模千兆以太网光口，短波光纤，既支持单模也支持多模IEEE 802.1x 扩展访问协议（扩展访问协议（Extensible Access Protocol）以太网类型以太网类型传统以太网传统以太网10BASE5, 10BASE2, 和和 10BASE-T Ethernet 一般被认为是传统以太网，带宽一般被认为是传统以太网，带宽为为10Mbps.signal quality error (SQE) 被传统以太网使用。传统以太网有相似的帧格式。被传统以太网使用。传统

24、以太网有相似的帧格式。传统以太网的编码系统为传统以太网的编码系统为 “Manchester”编码；网络介质为同轴电缆和编码；网络介质为同轴电缆和双绞线。双绞线。注：传统的注：传统的345规则规则10BASE5、10BASE2、 10BASE-T 介绍介绍l l 10BASE510BASE5网卡通过网卡通过DB-15DB-15型连接器与收发器电缆（又称型连接器与收发器电缆（又称AUIAUI电缆）相连，然后再连接到收电缆）相连，然后再连接到收发器上，收发器再和粗缆连接。这里发器上，收发器再和粗缆连接。这里“1010”表示信号在电缆上的传输速率为表示信号在电缆上的传输速率为1010Mb/sMb/s，

25、“BASEBASE”表示电缆上的信号是基带信号，表示电缆上的信号是基带信号，“5 5”表示每一段电缆的最大表示每一段电缆的最大长度为长度为500500m m。由于采用的传输媒体是特性阻抗为由于采用的传输媒体是特性阻抗为5050、直径为直径为10mm的同轴电的同轴电缆，所以这种以太网通常称为粗缆以太网。缆，所以这种以太网通常称为粗缆以太网。l l 10BASE210BASE2用用BNC TBNC T型连接器（它有三个头，外观像型连接器（它有三个头，外观像“T T”，简称简称T T型头），其两个反向头连型头），其两个反向头连接两段电缆，中间的一个头连接到网卡外露的接两段电缆，中间的一个头连接到网卡

26、外露的BNCBNC插座上。它采用插座上。它采用5050、直径为直径为5mm的细同轴电缆，通常称为细缆以太网。的细同轴电缆，通常称为细缆以太网。“2 2”表示每个网段长度约为表示每个网段长度约为200200m m，准确的为准确的为185185m m。l l 10BASE-T10BASE-T“T T”表示双绞线星型网，使用表示双绞线星型网，使用RJ-45RJ-45连接器连接。连接器连接。1010BASE-TBASE-T的出现是局域网发展的出现是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了基础史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了基础。采用。采

27、用3、4、5类线传输。类线传输。快速以太网快速以太网l l 100BASE-TX100BASE-TX100BASE-T100BASE-T是在双绞线上传送是在双绞线上传送100100Mb/sMb/s基带信号的星型快速以太网。用户基带信号的星型快速以太网。用户只要更换一张只要更换一张100100Mb/sMb/s的网卡，配上的网卡，配上100100Mb/sMb/s的集线器，就可方便地由的集线器，就可方便地由1010BASE-TBASE-T升级到升级到100100Mb/sMb/s，所有在所有在1010BASE-TBASE-T上的应用软件和网络软件都可上的应用软件和网络软件都可以保持不变。以保持不变。1

28、00100BASE-TXBASE-TX大多使用大多使用2 2对对5 5类非屏蔽双绞线（类非屏蔽双绞线（UTP 5UTP 5），），一对一对用于发，一对用于收。用于发，一对用于收。l l 100BASE-FX100BASE-FX100BASE-F100BASE-F采用光纤作为传输媒体，其中采用光纤作为传输媒体，其中100100BASE-FXBASE-FX使用使用2 2对光纤，一对对光纤，一对发，一对收。发，一对收。100100BASE-TXBASE-TX和和100100BASE-FXBASE-FX合在一起称为合在一起称为100100BASE-XBASE-X。快速以太网有别于以太网的两个重要方面是

29、：快速以太网有别于以太网的两个重要方面是：1、编码、编码 采用采用4B/5B编码编码2、针对铜缆和光纤两种介质的编码、针对铜缆和光纤两种介质的编码1000M以太网综述以太网综述千兆以太网的标准化包括编码千兆以太网的标准化包括编码/译码、收发器和网络介质三个主译码、收发器和网络介质三个主要模块要模块。（1 1）10001000Base-SXBase-SX；只支持多模光纤，只支持多模光纤， 8 8B/10BB/10B编码解码，可以采用直径为编码解码，可以采用直径为 62.562.5umum或或5050umum的多模光纤，工作波长为的多模光纤，工作波长为770-860770-860nmnm，传输距离

30、为传输距离为220-550220-550m m。 （2 2）1000Base-LX1000Base-LX多模光纤；可以采用直径为多模光纤；可以采用直径为62.562.5umum或或5050umum的多模光纤，的多模光纤， 8 8B/10BB/10B编码解码，工作波长范围为编码解码，工作波长范围为1270-13551270-1355nmnm，传输距离为传输距离为550550m m。 10001000Base-LXBase-LX可以支持直径为可以支持直径为9 9umum或或1010umum的单模光纤，的单模光纤， 8 8B/10BB/10B编码解码，工作编码解码，工作波长范围为波长范围为1270-

31、13551270-1355nmnm，传输距离为传输距离为5 5kmkm左右。左右。 （3 3）10001000Base-CXBase-CX采用采用150150欧屏蔽双绞线（欧屏蔽双绞线（STPSTP），），传输距离为传输距离为2525m m。 （4 4） 1000 1000BASE-T BASE-T ，Copper PHYCopper PHY编码解码编码解码 ，100100米米10001000BASEBASET T在传输中使用了全部在传输中使用了全部4 4对双绞线并工作在全双工模式下。这种设计对双绞线并工作在全双工模式下。这种设计采用采用 PAM-5 (5PAM-5 (5级脉冲放大调制级脉冲放

32、大调制) ) 编码在每个线对上传输编码在每个线对上传输 250 250MbpsMbps。10-Gigabit Ethernet802.3ae万兆以太网技术标准的体系结构万兆以太网技术标准的体系结构 物理层物理层 在物理层，802.3ae大体分为两种类型，一种为与传统以太网连接速率为10Gbps的“LAN PHY”，另一种为连接SDH/SONET速率为9.58464Gbps的“WAN PHY”。每种PHY分别可使用10GBase-S（850nm短波）、10GBase-L（1310nm长波）、10GBase-E（1550nm长波）三种规格，最大传输距离分别为300m、10km、40km，其中LAN

33、 PHY还包括一种可以使用DWDM波分复用技术的“10GBASE-LX4”规格。WAN PHY与SONET OC-192帧结构的融合，可与OC-192电路、SONET/SDH设备一起运行，保护传统基础投资，使运营商能够在不同地区通过城域网提供端到端以太网。 10-Gigabit Ethernet（续）续）传输介质传输介质 802.3ae目前支持9um单模、50um多模和62.5um多模三种光纤，而对电接口的支持规范10GBASE-CX4目前正在讨论之中，尚未形成标准。 数据链路层数据链路层 802.3ae继承了802.3以太网的帧格式和最大/最小帧长度，支持多层星型连接、点到点连接及其组合，充

34、分兼容已有应用，不影响上层应用，进而降低了升级风险。 与传统的以太网不同，802.3ae仅仅支持全双工方式，而不支持单工和半双工方式，不采用CSMA/CD机制；802.3ae不支持自协商，可简化故障定位，并提供广域网物理层接口。以太网布线以太网布线直通电缆：主机到交换机或集线器；路由器到交换机或集线器直通电缆：主机到交换机或集线器；路由器到交换机或集线器 1 1 2 2 3 3 6 6交叉电缆：主机到主机；交换机到交换机；路由器到路由器；路由器到主机交叉电缆：主机到主机；交换机到交换机；路由器到路由器；路由器到主机 1 1 2 2 3 3 6 6 568B线序：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕

35、白、棕线序：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕 568A线序：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕线序：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕 注：注：10M/100M电口只使用电口只使用1、2、3、6的的4根线缆，根线缆，1000M电口电口8根线缆全部使用根线缆全部使用反转电缆：不用于以太网；用于主机的反转电缆：不用于以太网；用于主机的EIA-TIA-232接口连接到路由器的串行（接口连接到路由器的串行（COM）端口）端口 一端一端1-8导线，分别对应另一端导线，分别对应另一端8-1导线导线 定义与指定协议相关联定义与指定协议相关联的源和目标逻辑地址的源和目标逻辑地址 定义通过网络的路径定义通过网络的路径 多链路连接多链路连接网络层网络层IP, IPX数据链路层数据链路层物理层物理层EIA/TIA-232v.35Ethernet帧中继帧中继HDLC802.2802.3网络层功能网络层功能数据数据源地址源地址目标地址目标地址IP头头主机号主机号网络号网络号 逻辑地址逻辑地址网络层端接设备的数据包网络层端接设备的数据包网络层功能网络层功能( (续续) )路由表路由表目标网络目标网络 端口端口距离距