数据通信基本原理VIP

数据通信原理2008-03第1页，共55页。前言本课程主要介绍了数据通信原理的基础知识。旨在帮助您了解数通原理知识。Page2第2页，共55页。TCP/IP协议族(第二版)TCPIP协议详解(卷1)参考资料Page3第3页，共55页。通过本课程学习,您可以:掌握TCP/IP协议栈结构掌握IP地址及子网划分原理掌握静态路由基本原理了解动态路由基本知识学习目标Page4第4页，共55页。第一章TCP/IP协议基础第二章路由基础Page5第5页，共55页。第一章TCP/IP协议基础Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层Page6第6页，共55页。Internet网络基础什么是Internet?

网络:网络是一组互相连接的通信设备.互联网(Internet):两个或更多的可以彼此通信的网络,使用TCP/IP协议互连.Today’sInternet1980sCSNETNSFNET1970sInternet概念诞生1960sARPANETInternet简史1970sTCP/IP诞生1990sANSNETPage7第7页，共55页。Internet网络基础IntranetInternetSOHOIPHotel移动网络如今的Internet:ISP概念:InternetserviceproviderInternet服务提供商.现在绝大多数的终端用户都是由ISP来提供Internet服务的.

如:中国电信--国家ISP

广东电信--地区ISP如今的Internet组成:Page8第8页，共55页。Internet网络基础LAN和WAN数据通信网络按覆盖范围的大小可以分为局域网(LAN)和广域网(WAN).LANWANLANLANLANPage9第9页，共55页。Internet网络基础LANLAN定义:通常指几公里以内的,可以通过某种介质互联的计算机、打印机、modem或其他设备的集合.特点:距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠.LAN的设计目标:运行在有限的地理区域;允许同时访问高带宽的介质;通过局部管理控制网络的私有权利;提供全时的局部服务;连接物理相邻的设备.LAN的常见设备:HUB交换机路由器ATM交换机Page10第10页，共55页。Internet网络基础WANWAN定义:在大范围区域内提供数据通信服务,主要用于互连局域网.特点:覆盖范围广.WAN的设计目标:运行在广阔的地理区域;通过低速串行链路进行访问;提供全时的或部分时间的联接性;联接物理上分离的、遥远的、甚至全球的设备.WAN的常见设备:Modem/CSU/DSU路由器广域网交换机接入服务器Page11第11页，共55页。Internet网络基础常见网络拓扑结构:LANWAN总线型星型树型环型网型Page12第12页，共55页。第一章TCP/IP协议基础Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层传输层网络层应用层Page13第13页，共55页。DatalinkPhysicalTCP/IP协议和OSI参考模型TCP/IP协议栈具有简单的分层设计，与OSI参考模型有清晰的对应关系。OSI参考模型TCP/IPApplicationPresentationSessionTransportNetworkDatalinkPhysicalApplicationLinkInternetTransportPage14第14页，共55页。TCP/IP协议基础TCP/IP协议栈物理层网络层链路层传输层应用层为什么要分层?网络通信是一个复杂的系统,单一层面难以完成通信任务,因此引入了模块化和层次化的概念,也就形成了网络分层模型.分层的好处通信双方功能的对等实现功能模块化,清晰化利于各种网络技术的层叠利于异构网络的互通Page15第15页，共55页。TCP/IP协议基础TCP/IP协议栈物理层网络层链路层传输层应用层定义物理设备接口特性、传输介质类型、传输速率、传输模式等.物理层传输的是二进制数据(Bit).提供对物理介质的访问,提供物理编址、流量控制、差错控制和接入控制.链路层传输的是帧(Frame).负责将分组数据从源端交付到目的端.提供逻辑编址、路由选择.网络层传输的是报文(Packet).负责将完整的报文从源端交付到目的端.提供端口编址、分段重组、连接控制、流量控制和差错控制.传输层传输的是段(Segment).提供了对用户的接口,支持各种应用层协议.支持网络虚拟终端、文件传送、邮件服务等.应用层传输的是原始的数据(Data).Page16第16页，共55页。TCP/IP协议基础对等层通信物理层网络层链路层传输层应用层物理层网络层链路层传输层应用层主机A主机BBitFramePacketSegmentData对等层间使用相同的协议进行通信.物理层的通信是直接的,其他层通过其下层提供的服务与其对等层进行通信.Page17第17页，共55页。TCP/IP协议基础TCP/IP协议栈报文封装和解封装过程物理层网络层链路层传输层应用层物理层网络层链路层传输层应用层主机A主机BHello传输层头Hello网络层头传输层头Hello帧头网络层头传输层头Hello帧尾0010010111001IwanttosayhellotoB.帧头网络层头传输层头Hello帧尾网络层头传输层头Hello传输层头HelloHelloIreceiveit!Page18第18页，共55页。第一章TCP/IP协议基础Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层Page19第19页，共55页。物理层物理层规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性.主要定义电压,接口,线缆标准,传输距离,传输模式,传输速率等内容.常见的物理层接口:10M以太网接口

100M以太网接口

1000M以太网接口常见物理层设备:集线器HUB(转发器)10Base-T

使用双绞线作为物理传输介质.10Base5

使用粗同轴电缆作为物理传输介质.10Base2使用细同轴电缆作为物理传输介质.10M以太网接口标准100Base-TX

使用5类以上双绞线作为物理传输介质.网段最长100m.100BaseFX

物理介质采用单模光纤或多模光纤.单模网段最长10km.多模网段最长2000m.快速以太网

由IEEE802.3u定义.100M以太网接口标准1000Base-T

使用5类以上双绞线作为物理传输介质.网段最长100m.1000Base-F

物理介质采用多模光纤.网段最长500m.1000Base-SX物理介质采用多模光纤.网段最长2km.1000Base-LX物理介质为单模光纤.1000Base-ZX

物理介质为单模光纤,超长距1000M以太网接口标准Page20第20页，共55页。物理层关于双绞线双绞线的分类:3类双绞线

4类双绞线

5类双绞线超5类双绞线

6类双绞线5类双绞线的线序:双绞线有屏蔽与非屏蔽之分均为8芯电缆双绞线的类型由单位长度内的绞环数确定直连网线(StraightThroughCable)交叉网线(CrossOverCable)Side1Side1Side212345678123456781=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕Side21=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕Side1Side212345678Side1Side2123456781=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕1=白/绿2=绿3=白/橙4=蓝5=白/蓝6=橙7=白/棕8=棕Page21第21页，共55页。第一章TCP/IP协议基础Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层Page22第22页，共55页。链路层链路层数据链路层是TCP/IP协议栈的第二层，在物理层基础上向网络层提供服务.数据链路层为物理链路提供可靠的数据传输.局域网的数据链路层协议有以太网、令牌环网等.广域网数据链路层协议有PPP、HDLC、FrameRelay等.常见数据链路层设备–交换机LANSwitch:Page23第23页，共55页。链路层LAN数据链路层标准IEEE802制定了系列局域网标准:IEEE802.3:以太网IEEE802.4:令牌总线IEEE802.5:令牌环IEEE802.11:无线局域网IEEE802标准涵盖了物理层和数据链路层.WAN数据链路层标准

HDLC高级数据链路控制PPP点对点协议X.25X.25协议FrameRelay帧中继Page24第24页，共55页。SFDDASALength/Type链路层以太网链路层以太网中的数据链路层标准遵循IEEE802.3协议.协议中定义:使用MAC(MediumAccessControl)地址在链路层唯一标识一个物理设备.以太网帧结构:DataCRCMAC帧头MAC帧尾数据部分SFD:StartFrameDenotation.帧首定界符.在MAC帧中固定为10101011.用于接收同步.1Byte.DA:DestinationAddress目的MAC地址.标识接收此帧的物理设备.6Bytes.SA:SourceAddress源MAC地址.标识发送此帧的物理设备.6Bytes.Length/Type:当此值小于1518时,此字段用于标识后面的Data部分的长度;当此值大于1518时,此字段用于定义其上层的协议.2Bytes.Data:是此帧携带的来自上层的数据.最小长度为46Bytes,最大长度为1500Bytes.CRC:此字段用于差错检测.4Bytes.Page25第25页，共55页。链路层MAC地址以太网中的每一个终端或路由设备,如PC机、路由器等,都有自己的网络接口卡(NIC也就是网卡).每个NIC都有自己的MAC地址,用于在网络中唯一标识一个物理设备.MAC地址有48位,但它通常被表示为12位的点分十六进制数.MAC地址全球唯一,由IEEE对这些地址进行管理和分配.每个地址由两部分组成,分别是供应商代码和序列号.其中前24位二进制代表该供应商代码.剩下的24位由厂商自己分配.华为产品前24位为:0x00E0FC.如果48位全是1,则表明该地址是广播地址.FFFFFFFFFFFF.如果第8位是1,则表示该地址是组播地址.00000000111000001111110011001100001111110101001100E0.

FCCC.3F53厂商代码各厂商自己分配Page26第26页，共55页。链路层以太网MAC层交换原理在同一个网络中,设备之间的寻址采用MAC地址寻址.BPORT1PORT2交换机AIwanttosayHellotoBDA:MAC-BSA:MAC-AHello帧尾Ireceiveit.AndHiA!DA:MAC-ASA:MAC-BHi帧尾Page27第27页，共55页。第一章TCP/IP协议基础Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层Page28第28页，共55页。网络层网络层网络层是TCP/IP协议栈的第三层,提供源端到目的端的通信.网络层的主要设备:路由器,三层交换机等.物理层网络层链路层传输层应用层IPICMPARP/RARPPage29第29页，共55页。网络层IP(InternetProtocol)IP协议是网络层的主要协议,是一种不可靠的无连接的数据报文协议-尽最大努力交付(Besteffort).IP协议提供了一种全球统一的报文格式,屏蔽了链路层差异,使网络互联成为可能.IP报文结构:版本首部长度服务类型总

长

度

标

识

标志

片

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移

寿

命

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议

首

部

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目的IP地址

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比特0481619243120个字节固定长度长度可变

Page30第30页，共55页。网络层IP协议中定义了IP地址,此地址用于在Internet上唯一标识一台主机或路由器的一个接口.在Internet中,每一台主机或路由器的一个网口的IP地址都是唯一的.IPV4中,IP地址定义:使用32bit数在网络中唯一标识一台主机.通常使用点分十进制的方式表示:11000000101010000000101000000001IP地址二进制表示:IP地址点分十进制表示:IPV4中的私有IP地址:私有地址~55~55~55Page31第31页，共55页。网络层IP地址分类:~55B类地址1Network14bitHost16bit~55E类地址1保留~55A类地址0Network7bitHost24bit~55C类地址1Network21bitHost24bit~55D类地址1组播地址0101101110子网掩码的出现使这种分类的概念弱化Page32第32页，共55页。网络层特殊的IP地址:网络部分主机部分地址类型用途Any全“0”网络地址代表一个网段Any全“1”广播地址特定网络内的所有节点是特定网络的广播地址127any环回地址本机内部环回测试全“0”所有网络用于指定默认路由的目的地址全“1”广播地址本网段内的所有节点是本网段的广播地址Page33第33页，共55页。网络层子网掩码什么是子网掩码?网络设备使用子网掩码(subnetmasking)决定IP地址中哪部分为网络部分,哪部分为主机部分.子网掩码使用与IP地址一样的格式.子网掩码的网络部分和子网部分全都是1,主机部分全都是0.缺省状态下,如果没有进行子网划分,A类网络的子网掩码为,B类网络的子网掩码为,C类网络子网掩码为.利用子网掩码,网络地址的使用会更有效.对外仍为一个网络,对内部而言,则分为不同的子网.子网掩码的组成:子网掩码由一串连续的1和一串连续的0组成.

例:二进制表示11111111111111111111111100000000

点分十进制子网掩码的长度:掩码中1的个数.上面的例子中,掩码长度为24.Page34第34页，共55页。网络层子网地址什么是子网地址?子网地址用于标识一个子网.在同一个子网中,所有的主机拥有相同长度的子网掩码和相同的子网地址.子网地址的计算:例:IP地址为7的主机,其掩码为40,其所在子网的子网地址计算如下:IP地址子网掩码网络地址(二进制)网络地址/28

4011111111111111111111111111110000

1100000010101000000000010000011111000000101010000000000100000000(与运算)Page35第35页，共55页。网络层子网内主机数量的计算

例子:IP地址为:00/28/28=40该子网掩码二进制表示为：11111111.11111111.11111111.11110000则此网络中:主机总数为:24

可用主机数为:24-2主机数为:2n可用主机数为:2n-2子网掩码:网络位主机位11111111111111110000000000000000nPage36第36页，共55页。网络层子网划分为何要进行子网划分MAN和WAN不可能采用广播技术,必须进行合理的路由;MAC地址的无规律性、固化性,难以进行广域路由;逻辑地址(IP)具有灵活性、可规划性;子网划分可收敛地址数量,减轻路由压力.子网划分的办法IP地址的结构化分层方案将IP地址分为子网地址和主机地址,区分子网地址和主机地址需要掩码(Mask)来实现.基于以上方法,可以将全球网络划分为有规律的、可灵活调整的子网,并在此基础上进行合理路由.同时,更小范围的子网划分也有利于网络管理.Page37第37页，共55页。网络层如何进行子网划分例:局方提供了一个/24的网段,我们需要至少7个子网,每个子网中的主机数量至少为25个.如何进行子网划分?

由于一个子网内的主机数量为2n-2个,此例中每个子网中的主机数要求至少为25个,故n≥5.

所以,每个子网的掩码长度最长应为32-5=27位,即24.

由于需要至少7个子网,故每个子网的掩码长度只能为27.

这些子网分别是:~1子网地址为/272~3子网地址为2/274~5子网地址为4/27

6~27子网地址为6/27

28~59子网地址为28/27

60~91子网地址为60/27

92~23子网地址为92/27

24~55子网地址为24/27Page38第38页，共55页。网络层练习题:

局方提供的网段为92/26,现需要至少6个网段,每个网段的主机数至少为5个.如何进行子网划分?Page39第39页，共55页。网络层ARP(AddressResolutionProtocol)协议ARP协议的作用:已知对方IP地址求对方MAC地址.用于同一子网内的寻址.广泛应用于局域网中.每一个物理设备中,都有一张ARP表,其中记录了IP地址和MAC地址的对应关系.IP:/24MAC:00-E0-FC-00-00-11IP:/24MAC:00-E0-FC-00-00-12ARPRequestARPReply谁知道的MAC地址？

对应的MAC为00-E0-FC-00-00-12A的ARP表?……B的ARP表?……AB00E0FC00001200E0FC000011Page40第40页，共55页。网络层RARP(ReverseAddressResolutionProtocol)协议RARP协议的作用:已知对端MAC地址求其IP地址.主要用于无盘工作站中.如果启用RARP协议,网络中必须有RARPServer提供服务.并不是所有设备都支持RARP协议.MAC:00-E0-FC-00-00-11MAC:00-E0-FC-00-00-12无盘工作站RARPServerRARPRequest?RARPReply我的IP地址是多少?你的IP地址是Page41第41页，共55页。网络层ICMP(InternetControlMessageProtocol)协议ICMP协议为网络提供差错报告机制和状态查询机制.PING程序使用的就是ICMP协议.ICMP的报文封装方式:MAC帧头IP报头ICMP报文MAC帧尾IP:/24IP:/24ABICMPEchoRequestICMPEchoReplyB是否可达?我在Page42第42页，共55页。第一章TCP/IP协议基础Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层Page43第43页，共55页。传输层传输层传输层是TCP/IP协议栈的第四层,提供进程到进程之间的通信并提供流量控制和差错控制机制.UDP(UserDataProtocol)是面向无连接的协议,提供高效不可靠传输.TCP(TransmissionControlProtocol)是面向连接的协议,提供可靠性传输,但由于在连接建立、拆除、保活过程中需要一些控制消息,故其传输效率不如UDP.物理层网络层链路层传输层应用层TCP/UDPPage44第44页，共55页。传输层传输层报文格式0816243116位源端口16位目的端口32位序列号32位确认号URGACKPSHRSTSYNFIN首部长度保留(6位)16位窗口大小16位TCP校验和16位紧急指针选项数据0816243116位源端口16位目的端口16位UDP校验和数据UDP报文格式TCP报文格式16位UDP长度Page45第45页，共55页。传输层传输层的端口号传输层协议用端口号来标识和区分各种上层应用程序.

端口号范围:0~65535.其中0~1023是公有端口(知名端口),1024~65535是私有端口.HTTPFTPTelnetSMTPDNSTFTPSNMPTCPUDPIP数据包8020/2123255369161Page46第46页，共55页。传输层进程间的通信:通过端口号来识别源端和目的端的相应进程.物理层网络层链路层传输层应用层物理层网络层链路层传输层应用层主机A主机BFTPClientFTPServer298721Page47第47页，共55页。第一章TCP/IP协议基础Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层Page48第48页，共55页。应用层应用层应用层主要提供与用户之间的各种接口程序.应用层的程序大多都是成对出现的,即客户端与服务器.常见的应用层程序:HTTP,FTP,TFTP,Telnet,DNS等如网页,游戏,邮箱等都属于应用层程序的应用.

Page49第49页，共55页。第一章TCP/IP协议基础第二章路由基础Page50第50页，共55页。路由基础定义:路由是指导IP报文转发的路径信息静态路由无开销,配置简单