数据通信与网络cha课件

数据通信与网络数据通信和网络是现代信息社会中至关重要的基础设施。它们支撑着各种信息服务和应用,连接着世界各地的人们和设备。本课程将深入探讨数据通信的原理与技术,以及网络体系结构、协议和应用。课程简介课程目标让学生全面掌握数据通信和计算机网络的基本原理和技术,培养学生的实践应用能力。课程内容从通信基础、网络体系结构、技术标准等方面系统地介绍数据通信和网络知识。教学方式通过理论授课、实验实践、案例分析等多种形式,实现知识与技能的有效结合。通信系统的基本概念通信系统构成通信系统由源信息设备、传输设备和目标信息设备三部分组成,通过物理信道实现信息的传递。信号传输过程信息源产生的信号通过编码、调制等处理后在信道传输,目标设备通过解调、解码等还原为原始信息。系统性能指标信号噪声比传输速率传输时延可靠性通信系统的基本组成信源信源是能产生信号的设备,如话筒、键盘、传感器等。信道信道是传输信号的媒体,如有线电缆、无线电磁波、光纤等。信宿信宿是接收信号的设备,如扬声器、显示器、打印机等。信道编码信道编码是对信号进行加工处理,以提高抗噪能力和传输效率。信号、数据和编码信号信号是用于传输信息的物理量,可以是电流、电压或电磁波等。它们可以是模拟信号或数字信号。数据数据是以可理解的形式表示的信息。它可以是文本、图像、视频或音频等各种类型。编码编码是将信号或数据转换成计算机可识别的格式,如二进制编码、ASCII编码等。编码可确保数据在传输过程中保持完整性。数据传输1模拟传输利用连续信号传输数据2数字传输利用离散信号传输数据3同步传输数据和时钟同步传输4异步传输数据和时钟独立传输数据传输是通信系统的核心功能。它可以采用模拟或数字方式,同步或异步方式,通过各种物理介质完成数据的高效而可靠传输。数据传输是实现各种通信应用的基础,是网络通信的基石。信道类型与特性信道类型信道可分为有线信道和无线信道两大类。有线信道包括双绞线、同轴电缆、光纤等,无线信道包括无线电波、红外线、激光等。每种信道都有不同的传输特性和使用场景。频带特性信道的频带决定了其能够传输的数据速率和频率范围。更宽的频带可以支持更高的带宽和传输速度。合理利用频带资源是通信系统设计的关键。噪声特性信道会受到各种噪声的干扰,如热噪声、电磁干扰、信号衰减等。这些噪声会影响信号的传输质量,需要采取相应的技术来抑制噪声。传播特性不同信道有不同的传播特性,如无线电波可以穿透障碍物,光纤可以远距离无衰减传输。合理选择信道类型是提高通信性能的关键。传输介质传输介质是信息或数据在通信过程中传播的载体。主要包括有线介质和无线介质两大类。有线介质如铜线、光纤等;无线介质包括空气、真空等。每种介质都有自己的特性,选择适当的传输介质对通信系统的性能和成本都有重要影响。通信设备路由器路由器是一种网络设备,负责在不同网络之间转发数据,确保数据能够顺利地在网络中传输。交换机交换机是用于连接多个网络设备的核心设备,能够实现数据的高效转发。调制解调器调制解调器用于将数字信号转换为可在电话线、有线电视电缆或无线信道上传输的模拟信号。集线器集线器是一种较为简单的网络设备,负责将多个网络节点连接到同一个信号总线上。通信协议定义与作用通信协议是规范计算机或网络设备之间数据交换的标准和规则。它确保各设备之间能够互相理解并完成有效传输。分类与应用常见协议包括TCP/IP、蓝牙、Wi-Fi等,应用于不同网络环境如局域网、广域网和移动通信。协议层次协议栈由多个层次构成,如物理层、数据链路层、网络层等,层次分明各司其职。开放标准多数协议遵循开放标准,确保不同厂商设备之间的互操作性和兼容性。OSI参考模型1应用层为最终用户提供服务2表示层定义数据表示格式3会话层建立、维护和同步通信4传输层定义数据传输模式5网络层定义逻辑寻址和路由OSI参考模型将网络通信划分为七个独立但相互关联的层次。这种分层设计使得不同层之间可以独立发展和改进,从而提高了网络通信的灵活性和可扩展性。每一层都有特定的功能和协议,共同构成了完整的网络通信体系。TCP/IP参考模型1网络层TCP/IP参考模型的网络层负责寻址和路由,确保数据包能够在复杂的网络环境中找到正确的目的地。IP协议就是在这一层实现。2传输层传输层负责端到端的数据传输,提供可靠的数据包传递。TCP和UDP就是在这一层实现。TCP提供可靠传输,UDP提供无连接传输。3应用层应用层定义了各种网络应用程序所需的协议,如HTTP、FTP、SMTP等。这一层为最终用户提供服务。物理层1信号传输物理层负责通过物理媒体进行原始位信号的传输和接收。2编码与调制物理层将上层数字数据转换为可在物理媒体上传输的模拟信号。3接口规范物理层定义了接口的物理特性和电气特性,以实现不同设备间的互连。4时钟同步物理层确保接收端与发送端之间的时间同步,以保证正确解码数据。数据链路层数据帧数据链路层将上层数据打包成数据帧,添加帧头和帧尾,以及差错检测等信息。流量控制通过回退N帧、停止等待等方式,确保发送和接收端速率匹配,避免拥塞。错误控制利用校验码、重传机制等方式,检测和纠正传输中产生的差错。介质访问控制协调多路终端共享有限的传输介质,如CSMA/CD、令牌环等算法。网络层功能概述网络层主要负责实现数据在不同网络间的路由和转发,确保数据能够正确地从源端传送到目的端。IP协议网络层的核心协议是IP协议,它提供无连接的数据报方式传输数据。IP协议负责数据包的逻辑寻址和路由选择。路由与转发路由器是网络层的核心设备,负责根据路由表进行数据包的转发。路由算法决定了数据包的最优传输路径。分片与重组网络层还负责对过大的数据包进行分片,以适应不同网络的MTU限制,并在目的端重组分片数据。传输层传输层协议传输层负责端到端的数据传输,主要包括TCP和UDP两种协议。TCP提供可靠的数据传输,而UDP则专注于高效的数据传输。数据报格式传输层数据报包含源端口号、目标端口号、长度、检验和等字段,用于实现可靠传输和流量控制。端口号端口号是传输层用来标识应用程序的数字,TCP和UDP都使用端口号来实现多路复用和多路分解。会话层会话建立会话层负责建立、维护和同步主机之间的会话对话。它确保数据通过多个数据包的传输过程保持完整性。会话管理会话层管理主机之间的通信会话状态,跟踪会话开始、中止以及恢复等操作。检查点与恢复会话层可以在长时间通信中设置检查点,以便在出现故障时恢复会话。表示层数据转换表示层负责数据的编码和格式转换,确保不同系统之间能够正确识别和解释数据。加密与压缩表示层还负责对数据进行加密和压缩,确保传输的安全性和效率。统一格式它确保了不同软硬件平台上的应用程序能够正确地交换和处理数据。多媒体处理表示层还负责处理多媒体数据,如图像、音频和视频等格式的转换。应用层1提供面向应用的服务应用层协议定义了各种应用程序之间的通信规则和数据格式,如HTTP、SMTP、FTP等。2实现多样化的网络应用从浏览网页、发送电子邮件到在线视频通话,应用层实现了丰富多彩的网络应用。3直接面向用户应用层最终将网络技术服务呈现给普通用户,提供他们日常使用的各类应用程序。4不同特性的应用协议根据不同应用的需求,应用层协议在功能、性能和安全性等方面存在差异。局域网物理范围局域网通常建立在一个相对较小的地理范围内,如办公室、校园或家庭。传输速率局域网的数据传输速率一般较快,可达到Gbps级别。安全性局域网可以更好地控制和保护网络内的数据传输和访问。成本低廉局域网的网络设备和维护成本通常较低,适合小型组织使用。广域网广域覆盖广域网(WAN)可以跨越大范围地理区域,连接不同的地点,实现全球范围内的信息共享和资源访问。高速传输广域网利用高速骨干网络,可以实现海量数据的快速高效传输,满足人们对实时信息传输的需求。集中管理广域网通常由专业网络运营商统一管理,可以提供更加优质可靠的网络服务。经济高效相比于同样范围内的局域网,广域网的投资和运营成本更加合理,能为用户带来更多经济效益。互联网1互联网的发展历程互联网起源于20世纪60年代的美国国防部研究项目,经过不断发展已成为全球最大的开放式互联网络。2互联网的作用与影响互联网的广泛应用极大地促进了全球信息共享和跨地域交流,在社会、经济、文化等各领域产生深远影响。3互联网的基础架构互联网由各种网络设备、通信协议以及域名系统等基础设施组成,构成了庞大的"网络之网"。4互联网的发展趋势移动互联网、物联网、云计算等新技术正在推动互联网向更加智能化、泛在化的方向发展。IP地址与子网划分IP地址是互联网上每个设备的唯一标识符。通过合理的子网划分,可以提高网络利用率和管理效率。子网划分的关键是根据网络规模和需求,合理分配网络地址空间。域名系统解析域名域名系统将易记的网页地址转换为计算机可识别的IP地址,使用户更方便地访问网站。层级结构域名系统采用层级结构设计,包括根域名服务器、顶级域名服务器和本地域名服务器。动态更新域名系统可以动态更新,以反映网站地址的变化,方便用户访问。安全性域名系统使用DNS安全扩展协议提高安全性,防止域名劫持和其他攻击。网络安全网络威胁网络空间存在各种黑客攻击、病毒传播、隐私泄露等严重威胁,需要采取有效的网络防御措施。防火墙保护部署防火墙是最基本的网络安全防护措施,能够阻挡外部非法访问和内部信息泄露。加密技术利用加密技术对网络数据进行保护,可以有效防止敏感信息被窃取或篡改。网络攻击黑客攻击黑客利用网络漏洞和程序bug进行非法入侵,窃取数据、篡改系统或破坏网络设备。这种攻击可能导致信息泄露、系统瘫痪和经济损失。病毒与蠕虫恶意软件如病毒和蠕虫可自动复制和传播,引起系统中毒、数据损坏或资源耗尽。它们可通过互联网、电子邮件等传播途径感染计算机。拒绝服务攻击攻击者利用大量请求瘫痪网站或系统,使其无法正常工作。这种攻击会导致服务中断,严重影响正常业务运行。社会工程学攻击利用心理手段欺骗用户泄露机密信息或进行非法操作,如冒充管理员、诈骗等,危害用户隐私和财产安全。网络防护措施物理防护通过监控和限制物理访问来保护网络设备,防止非法闯入和破坏。访问控制通过用户身份认证和权限管理,确保只有经授权的用户可以访问网络资源。加密防护使用加密技术来保护数据在网络中的传输和存储,防止被窃取或篡改。软件防护部署防病毒、防火墙等软件来检测和阻挡来自网络的恶意攻击。网络应用实例各种网络应用场景网络应用广泛应用于各行各业,如电子商务、在线教育、远程医疗、远程办公、视频会议、社交媒体等,使人们的生活、工作和学习更加便捷高效。未来发展趋势卫星通信卫星通信将在将来扮演更重要的角色,连接地球上偏远地区和海洋区域。5G技术5G网络的高带宽、低延迟和大连接数将大大提高通信效率和用户体验。物联网连接各种设备的物联网将成为未来通信网络的重要组成