计算机通信网概述

计算机网络概述1

作者：段景山

杨宁

毛玉明

主要内容

■第一章概述

■第二章物理层]

■第三章数据链路层

■第四章介质访问子层

■第五章网络层

■第六章传输层

第一章概述

■计算机网络概念

■计算机网络应用

■计算机网络分类

■协议体系结构

■参考模型

■网络实例与通信服务实例

1.1计算机网络概念

自主计算机的互联集合

■自主(Autonomous)

•非主从：控制与被控制

•对等的行为模式

■计算机(Computers)

•数字化：数据、信号

•计算能力

■互联/互连(Interconnected)通信

•物理：通信线路/网络

•逻辑：交换信息

4

约定术语::J

■主机（Host）

•网络上实现网络应用功能的计算机系统，是同络

上通信M源和目的

■节点（Node）

•实现通信功能的计算机（网络设备），为网络上

主机间的通信实现寻路、数据转发等功能

■信道/链路（Channel/Link）

•数据传输经过的通信线路

■站点（Station）

•网络上的主机和节点的统称

5

计算机系统

■多用户联机系统

•单台计算机（主机）为

多个用户（终端）同时

提供服务

•通信线路：RS232

■远程联机系统

•计算机系统通过调制解

调器连接远程终端

•通信：PSTN+Modem

■特点：主从通信

•以主机为核心

终端

•以终端为输入输出设备

6

■计算机直接参与通信

•主机：事务处理工作、通信工作

主机

7

互联网创始人绘制的草

■UCLA

•加州大学洛杉矶

分校

■SLI

•斯坦福研究所

■UCSB

•加州大学圣巴巴

拉分校

■UTAH

•犹他大学THCARPANE3R人

DCC

4H

■分割计算机的工作••••

•IMP(InterfaceMessageProcessor)：通信

•主机（Host）:数据处理（称呼沿用至今）

I通信节点

■(Node)

主机

(Host)

—信道/链路

资源子网(Channel/Link)

通信子网：通信功能资源子网：应用功能

9

草

中

图

清

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和

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IN©X

特别提醒（作业）

■计算机网络与计算机系统的区别

■计算机网络与分布式系统的区别

1.2计算机网络应用

■企业网络

•资源共享：文件、数据、打印

•高可靠性

•通信手段

•办公自动化、信息管理与发布、业务流程系统

■公众网络

•信息访问：WWW

•个人间通信：E-mail

•交互式娱乐：VOD

12

■通信■应用技术

•线路、速率、体制•多媒体、实时、交友式

■结构■网络安全

•拓扑结构、互联方式、•数据加密

组网技术•身份认证

■协议技术•入侵检测、防火墙

•通信协议、应用协议■网络管理

■路由技术•配置、性能、故障、计

•获得、选择、更新帐、安全

13

“起飞之前的准备工作”

■回顾“通信原理”等基础课程的知识要点

•数据通信基本概念

|•频带和基带传输技术

•复用技术

•介质

Ie差错检测和差错控制

|•媒体访问控制——局域网技术

•交换技术

14

起飞之前::::

■1数据通信基本概念

•数据和信号

■♦数据是信息在计算机内的表示

♦信号是数据的电子或电子编码

•例：

♦准时上班--信息

♦0:迟到，1:准时；01--数据

♦电平0伏表示数据0,电平5伏表示数据1;0v5v--信号

15

数据通信基本概念

■数字数据与模拟数据

•模拟数据：连续变化的数据

♦声音

•数字数据：非连续变化的数据--二进制比特流

0110100101001011101

16

数据通信基本概念

■数字信号与模拟信号

•模拟信号：连续变化的电信号

•数字信号：非连续变化的电信号，脉冲式信号

17

•••

••••

••••

模拟信号传输模拟装据

模拟数据-------模拟信号模拟信号传输数字数据

数字信号传输模拟数据

数字数据^——数字信号

数字信号传输数字数据

■数字数据的特点

■集成、压缩、加密

■数字信号的特点

I•可再生、抗干扰、高数据传输速率

数字信号的缺点是：传输衰减大，传输距离短

但使用光信号传输和光纤介质，传输距离可达几公里，几十公里

带宽可达几个Gbps

18

数字传输

■模拟信号传输数字数据--频带传输

•应用环境

♦电信号、较长距离、介质质量不好--ADSL

♦与原有模拟传输系统兼容—CableModem

♦无线通信

•关键参数和技术

♦调制与解调

I■在频率较高的信号上调制传输速率较低的数据

.■尽量在有限带宽的信号里调制上（承载）更多的数据

■幅移键控、频移键控、相移键控...

19

⑻

(b)

20

数字传输:•:•:•:（

■数字信号传输数字数据—基带传输••

[•应用环境I.

♦距离较短，介质质量较高--以太网

♦光纤

•关键参数和技术

I♦波特率：单位时间内信号的变化次数

♦编码与解码

■■信号的变化频率和数据的传输速率基本相当--基带

-尽量在有限的信号变化次数里编入（承载）更多的数

据

-二进制不归零码、曼彻斯特编码、4B/5B、

8B/6T・・・・・・

21

编码技术

22

关于速率:::

■数据传输速率和信号传播速率••

•电信号在固体介质中传播速率一般认为是固定的,

即2/3光速=2xKPm/s米每秒

■数据传输速率

•发送器每秒发送的数据位数

♦10Mbpsbitpersecond比特每秒

■类比

•声音在空气中的传播速度是340m/s

I•每个人说话有快慢，是指每秒钟吐字个数

•不能认为说得快，声音信号就传得快

23

关于速率

■“网络很慢”

•数据花了很长时间才传过来

♦中继系统处理数据花太多时间--延时过大

•单位时间内收到得数据很少

♦发得慢

♦中继系统转发数据时发得慢

♦收得慢

24

通信方式

■并行与串行

•串行：单条信道,逐位传输

■♦通信网络

•并行：多条信道,多位同时传输

♦计算机内部总线:PCI

通信方式

■单工

•只允许一个方向的传输

•传呼，传统有线电视

■半双工

•某时刻只允许一个方向的传输

•对讲机

■全双工

•任意时刻允许两个方向的传输

•电话、数据通信网

同步

■同步

•使接收方能够正确译码

■位同步

•使接收方能够知道每一位数据的起始和结束

•时钟

■群同步

•使接收方能够知道每一段数据的起始和结束

27

•时钟信号_

数据线

[♦外同步：发送方传送过来

时钟线

・额外的时钟线

♦自同步：接收方从数据信号里提取

J司

■群同步…

...oiooioiooioiiafiiiiibioioioiioioioooiooiooiooi()poio

010010010010010010100100101001001010100100100<11111)0

000000000000101000010011111000100100000000100010(K)100

0010001000000000...

•数据链路层的帧同步方法

♦面向字符

♦面向位

♦计数法

♦物理层违法编码法

♦帧头部校验和法

29

同步传输与异步传输

■异步传输

•不是不进行同步的传输

•一次只传输一个字符（8位），字符之间有不确定延时

•用于信道质量较差的环境

■同步传输

•一次传输一个数据块（连续的一串字符）

•用于信道质量好，高速数据传输

30

多路复用技术

■在干线上同时传输多路用户数据

■为什么要多路复用

•长途干线具有较高的数据传输能力

•用户数据传输速率相对较低

•降低通信网成本

多路复用技术

■多路复用

•频分多路（FDM）

•时分多路（TDM）

•波分多路（WDM）:光纤

•码分多址（CDMA）:无线

多路复用技术

频分复用（FDM）

•每路信号以不同的载波频率进行调制

•同时传输多路载波，互不干扰

•类似在干道上开辟多条车道

Channel1

Channel2

Channel2

Channel1Channel3

u

o

q

e

n

u

w

a

6r0y64n68r\72

Channel3Frequency(kHz)

30031006468

Frequency(Hz)Frequency(kHz)

33

(a)(b)

多路复用技术

■时分复用（TDM）

•干线按时间片轮转，依次传输多个用户的数必

多路复用技术

■码分多址(CDMA)

•不同的用户使用不同的码片

♦码片：一串0、1位组

•码片之间是正交的

•可以同时传输多个码片

•抗干扰性强

数据码片

01100110011

10011001100

35

交换技术

■为什么需要交换?

•不可能在系统的任两个节点之

间建立专用信道

♦一个N节点的系统，如果两两相连,

有多少条链路？

用

•建设一个中继系统户

m

♦中继系统仅提供较少的中继资源，

所有用户共享这个资源

♦一个N节点的系统，同时通信的用

户数《N,中继系统资源的数量Y

«Nm»n中继线n

交换资源

36

交换技术一中继系统策略

■什么是交换

•具有多个输入和多个输出

•将数据输出到指定的线路上

37

已经解决的问题

■能够在一定的介质上，从A传输信号到B。

38

存在的问题:•:•:•（

■不够可靠•

•无论多么先进的通信技术，仍然免不了出错

I•计算机（数字数据）通信不能容忍错误■

I♦电话网中的数据出错由两端用户自行解决

■效率不高

•虽然信道带宽在增加，但计算机利用信道的能力

不高

♦猝发性

♦如果需要考虑接收方的处理能力，信道利用率更低

♦中继系统资源的分配策略不够高效

♦计算机多任务处理的特点为充分发挥--计算机只有一

个信息接口

39

1.3OSI协议参考模型

■1.3」分层的思想

•通信是一件复杂的工作，必须分工完成

♦资源子网/通信子网--关心信息/关心信息流向

•分工少模块化

♦分层结构是具有纵向关系的模块集合

模块化的分工思想结合通信的分工特点形成了分

层的体系结构

第

通信关系至少涉及两个对象n+l

♦弗层协刈

第层n

♦服务与被服务的分工合作n

第

物理传输乔质

1

垂直分层的思想

■经典的哲学家例

42

垂直分层的思想

■现实实例,、自

信息

■信件传递经若干层次——服务

■同层间需要约定规则——协议

43

1.3.2OSI参考模型

■IS07498标准

•垂直分层体系结构七层结构

端系统A中继系统端系统B

应用层协议

应用层［应用层

表示层表示层协议表示层

会晤层会晤层协议会晤层

传输层协议

传输层传输层

网络层网络层

中据链路层

45

OSI参考模型

■分层的原则

•每层有一个定义明确的功能

■♦层间功能相对独立，逻辑上比较完整

♦有助于标准的制定

I•各层间边界（接口）清晰■

♦工作以简洁、清楚的方式交接

♦应尽可能减少跨层通信量

•适当分层

♦太少：每层功能复杂

♦太多：结构复杂

OSI参考模型

•定义

♦层次框架

♦各层功能

♦层间的服务接口

•各层实现方式由另外的标准定义

♦各层的标准不止一个

-有更好的包容性，但也更复杂

■目标

•遵照参考模型实现的不同开放系统能互连通信

47

OSI参考模型各层功能

■以传输层为界

•下四层与通信紧密相关

♦物理层、数据链路层、网络层、传输层

•上三层与应用紧密相关

♦应用层、表示层、会话层

物理层

O

O

服务T

n

D

•提供无结构bit流传输物理层可能出O

I

现bit传输差错

功能zlt

o

•Bit的信号表示、同步、

收发、通信过程协调、SAP

物理介质驱动

信道编/解码

协议

介质驱动

•物理接口的

♦机械特性

♦电气特性介质接口

♦功能特性

♦规程特性传输介质

•RS232、10Base2、模拟信道

V.35、X.21等数字信道

49

实验一的介绍

50

数据链路层

■服务

•帧传输，使物理信道对网络层呈现为可靠的信道

■功能

•成帧：数据以块为单位

•帧差错检测实现线路

•帧差错处理（重传）两端的正

确通信

•流量控制：控制线路两端速率一致

■协议

•不同的信道、或不同的传输要求有不同的协议

•HDLC、PPP、802.3（以太网）等

51

数据链路层

■链路层等效为网络层的分组传输信道

传输层::J

■服务:r

•屏蔽具体网络细节和不同网络差异，为上层套供

与具体网络无关的通信服务。

■功能

•各种网络的适配，网络通信的分流和复用、多个

并发通信的管理、流量控制等。

■协议

•TCP

•UDP

•TP4

54

传输层

■分流与复用

传输层

网络层

分流：用多个网络通复用：多个传输层的通

信来实现一个传输层信复用到一个网

的通信，提高传输层络通信上，可降

的通信速度低费用O

■

■1

55

会话层::::

•••(

■会话：:.

•主机与主机之间的通信活动，一台主机上可以同时存在多

个活劫

■服务

•在传输层实现端到端通信的基础上，为上层提供增强的通

信功能

■功可匕—会话管理

•通话控制：决定何时、何人可以通话

♦多个会话的协调

♦会话的发起、暂停、恢复、结束管理

♦同时对话、轮流对话工作模式设定

♦会话的主动方、被动方设定、角色对换等

♦会话的同步、中断恢复

■相关协议

•NFS、SQL、RPC、XWindowSystem56

表示层•:::

■服务：:.

•为应用层要传输的信息内容提供语法和语义表示

■功能

•表示、加密、压缩

•人名、日期、货币数量、图形数据、发票、表格、记录等

通用的表示。

•大家是否都同意采用一致的方法对数据进行编码

♦汉字：国标码，大五码

■协议

•HTML等

57

应用层

■各种使用网络通信的应用都属于应用层

■新的网络应用还在不断出现

公自动^^3上购年

VOD

58

OSI参考模型各层功能

■以一个电子邮件传送过程理解各层最主要的功能

界面

将信息以适当方式表示出来，形成数据

对通信对象进行管理，如对收信双方的协调

提供端到端的通信，将数据从一端传到另一端

如信箱

管理节点之间的选路过程，如邮局之间

的邮路

提供相邻节点之间可靠通信

将数据以电子信号方式发送出去

59

小结：模型分层原则

■根据不同的层次抽象分层——逻辑层次

•分层是人为定义的，不是通信系统的自然属性

•存在不同的分层方法I应用层I

■每层有一个定义明确的功能表示层I

■每层功能选择有助于标准的制定I会晤层I

■各层边界的选择应尽可能减少跨层通信量I传输层I

■层不能太少，以免每层功能复杂；也不能太网络层I

多，以免结构复杂

「攵据链路层I

I物理层I

60

1,4蚣议体系结构：那

1,4.1协议与分层体系::.

♦通信双方为交换信息共同遵守的规则集

•协议分层(Layer)

♦垂直分层、功能模块化

♦细化设计、相对独立、便于实现与更新

♦某一系统所使用的协议列表，每层一个协议——协议栈

(ProtocolStack)

•层次模型

♦不同网络，层的数量、名字、内容、功能不同

♦层和协议的集合----网络体系结构(Network

Architecture)

61

刀络层次结构模型

第n+1层।I第n+1层

n/n+1接口[|

第n层协议

第n层।

▲I

物理传输介质

■每一层为上层提供服务

■同层间遵守相同的规则

层次模型的基本要素

■功能（要做什么）

层内

提供的服务层内实现I•I

的功能•层次定义依据

■协议（有什么规则）

层间

第n层n•对等层之间

的协议

•对等层间的通信规则

■服务（为用户做什么）

■协议是实现功能、提供服•相邻层之间

I务的基础，是计算机网络I•下层为上层提供的功能

的灵魂■接口

•相邻层之间

■不同的网络：不同层次结

•相邻层间的通信操作

构与不同协议的组合

课堂活动

63

各层设计问题(自学)

■几乎在每一个层次都可能需要考虑的问题

•问题的解决方法可能因层次功能不同而有异

■寻址手段■

•识别通信目标

■数据传送II

•单工(simplex)半双工(half-duplex)全

双工(full-duplex)

■通信信道

•物理、逻辑

•差错控制、顺序、流控、信道复用

64

1.4.2协议体系中的术语

■1、协议（Protocol）

•对等实体共同遵守的一组规则集

课堂活动

♦要素：语法、语义、同步（时序）

■协议数据单元（PDU）--相关术语：封装与解封

•对等实体间交换

•头部（Header）+数据（Data）

♦头部：控制信息

■.需要传递的数据

■各层有专门的协议标准，每层可以同时存在多个协议

PDU

头部Hn数据D实体

nn

65

术语：封装和解封

■类比邮政系统

封解

装圭-

66

术语：封装和解封

Actualdatatransmissionpath67

术语：实体(Entity)

■2、实体(Entity)

•层中的活跃元素。执行协议、完成本层功能

•可以用硬件或软件实现

♦具有逻辑判断的硬件

•每层中可以同时存在多个实体

■对等实体(PeerEntity)

•不同系统同层存在通信关系的实体

IP实体和IPX实体不构成对等实体，因为它们之间不通信。68

术语：3、月艮务(Service)

■3、月艮务：：*

•某层对其上一层提供的一组通信相关的功能集合

■服务数据单元(SDU)

•相邻层间交换

•构成PDU的数据字段，最终传递给对等实体

■服务提供者(serviceprovider)和服务用户

(serviceuser)_

•本质：实体蓝刍亚)

n+1层

n层

69

实体、协议与服务

■实体使用下层的通信服务，完成本层功能,

并为上层提供增强的通信功能--服务

为上层提供的服务

70

服务与功能:::

♦••1

■服务是上层用户看的到的功能

■实体还会实现上层用户看不到的功能

•“对于浏览器这种应用，它接受用户输入的主页

域名，启动DNS过程将该域名转换为IP地址，接

着获取该地址网站上的主页，显示在浏览器窗口

内，，

•“IP协议根据高层用户的要求，将分组逐站转发

到目的地。转发时，在某些物理网络，如以太网,

可能需要实现IP地址到物理地址的映射，才能在

物理网上正确投递分组”

71

术语：4、接口(Interface)

■接口

•上下层实体之间边界--交流地点

•服务接入(访问)点+服务原语

■服务接入点(ServiceAccessPoint)

•n层SAP是n+1层可以访问n层服务的地方

72

实体与SAP

■关系

•每个SAP只由一个实体提供，可供上层多个实体使用

•每个实体可以使用下层的一个到多个SAP

•每个实体能为上层提供多个SAP

■实体——协议的执行体，SAP——协议提供的接口

■直接含义：

•每种协议应支持多种上层应用

IP

•每种协议应能适应多种下层类型

802.2

LLC

802.3

MAC

73

关于SAP的一个疑问

■SAP的存在形式究竟是什么？

•结合具体的层次寻找。

■SAP与地址的区别

•SAP是下层实体区分上层实体的“标识”

•地址是对等实体之间的区分标识一=

74

接口PDU与SDU

■一副简单的图

(N+1)PDU

N+1层

(N)PDU=(N)H+(N)SDU

N层

NT层

75

接口、PDU与SDU

一副简单的图

N层

NT层

76

接口、PDU与SDU

■一副似是而非的图

Header?PDU?

ServiceAccessPoint

InterfaceDataUnit

Layern+1ServiceDataUnit

ProtocolDataUnit

InterfaceControlInformation

Interface

Layern

Layernentities

------exchangen-PDUs

-------»intheirlayern

protocol

Header

77

服务接口模型自学：：•

接口数据单元（IDU）课堂活动

■真正模型相邻层间交换

接口控制信息（ICI）+SDU

SDUn+1SDUn+1

PDUPDU

SDUn

n层

-*虚拟通信实际通信

78

术语：5、服务原语

■原语(primitive)

•一种不可再分的操作

■服务原语

•定义上层实体与下层实体间的接口模型

•提供上层实体使用下层的通信服务

■实现数据的一次完整传输过程H

•上层请求下层传输数据

•数据到达时通知上层

•上层对数据的应答

•应答回到源端答复上层

种服务原语

■原语■注意-

•请求(Request)•Req不一定会引起下层传

•指示(Indication)输数据（如状态请求）

•响应(Response)•传输的内容不一定完全跟

•证实(Confirm)请求的内容一致

Req(

Ind()

Resp()

ConfQ

80

九种原语交互模型（自学）

■请求本地下层服务，无需证实

Req•如：设置下层参数、管理下层

■下层通知上层，无需响应

•如：通知通信状态的改变

Ind

◄----

■无证实通信，无需应答和证实

•如：无连接无证实通信

ReqI

----T、、Ind

81

IndInd■下层通知上层对等实体，需响应

—►

•如：通信中断的通知、事件报告

RespResp

下层通知上层对等实体，无需响应

IndInd•如：通信参数改变、事件报告

完整的一次有应答通信交互

Req•如：建立连接过程、通信过程

Conf

82

同时发生的请求，下层给出证实

Req7Req■I

•如：同时与对方建立或拆除通信连接

ConfConf

◄——►等，由下层根据情况给出证实

Req■本地请求和响应

►、

Conf、）•如：请求下层状态或参数

■本地或远端下层证实的通信

以IInd•如：发送端需证实、接收端无须应答

Conf;二「卜的通信

83

有证实服务和无证实服务

■有证实(Confirmed)服务：要求确认

•请求、指示、响应、证实

■无证实(Unconfirmed)月艮务：不确认

•请求、指示

■例：面向连接的通信(类比电话系统)

1、CONNECT.req

--------►__1)Connect2、CONNECT.ind区分：

------►

2)Accept____

4、CONNECT.conf4----------•原语操作

◄-------3、CONNECT.resp

1、DATA.req•协议操作

--------►_3)Data2、DATA.ind

------►

2、DATA.ind4)Data_◄-_--_--_-

◄-------------------工、DATA.req

1、DISCONNECT.req

--------►5)Disconnect2、DISCONNECT.ind

=二：►

3、DISCONNECT.conf------►

◄--------4一-

84

术语：6、服务方式

(1)面向连接的服务

■可靠■通信的步骤

•传输的报文不丢失、•建立连接-►传输f拆除

不重复、按顺序到达连接