数据通信技术与网络协议标准作业指导书

数据通信技术与网络协议标准作业指导书TOC\o"1-2"\h\u8304第一章数据通信基础 216201.1数据通信概述 2177881.2数据通信模型 224124第二章传输介质与通信设备 3223392.1传输介质分类 342372.1.1导引型传输介质 3279072.1.2非导引型传输介质 477632.2通信设备功能 4223302.2.1传输设备 490102.2.2交换设备 49402.2.3终端设备 4234972.2.4网络管理设备 521189第三章物理层协议 5276593.1物理层概述 5289173.2物理层标准 519891第四章数据链路层协议 671554.1数据链路层概述 6202174.2数据链路层协议标准 6151124.2.1高级数据链路控制（HDLC）协议 631114.2.2点对点协议（PPP） 7109684.2.3以太网协议 7252954.2.4帧中继协议 7246374.2.5ATM协议 75033第五章网络层协议 7253935.1网络层概述 7123865.2网络层协议标准 827103第六章传输层协议 973986.1传输层概述 9238836.2传输层协议标准 926596第七章应用层协议 1072197.1应用层概述 1073337.1.1定义与作用 10138567.1.2应用层协议的分类 101097.2应用层协议标准 11265507.2.1HTTP（超文本传输协议） 11327627.2.2SMTP（简单邮件传输协议） 11109477.2.3FTP（文件传输协议） 11301717.2.4DNS（域名系统） 11326797.2.5SNMP（简单网络管理协议） 1230908第八章网络安全协议 127678.1网络安全概述 1263648.2网络安全协议标准 1214789第九章网络管理协议 13282189.1网络管理概述 1338999.2网络管理协议标准 149545第十章现代数据通信技术发展趋势 15700210.15G技术 152615410.2物联网技术 151577710.3边缘计算技术 15第一章数据通信基础1.1数据通信概述数据通信是现代信息社会的基础，它指的是在两点或多点之间，通过传输介质进行数据信息的交换与传递。数据通信技术涵盖了数据的采集、处理、传输、存储和显示等多个环节，是计算机网络、通信系统以及智能控制系统等领域不可或缺的技术支撑。数据通信的主要特点包括：（1）信息传输速度快：数据通信能够在短时间内完成大量信息的传递，提高了信息传输的效率。（2）传输距离远：数据通信可以跨越地域限制，实现远程信息交换。（3）传输可靠性高：数据通信技术在传输过程中，通过校验、编码等手段，保证了数据的安全性和可靠性。（4）传输方式多样：数据通信支持多种传输方式，如有线传输、无线传输、光纤传输等。1.2数据通信模型数据通信模型是对数据通信过程中各个组成部分及其相互关系的抽象描述。常见的数据通信模型包括以下几种：（1）OSI模型：OSI（OpenSystemsInterconnection）模型是一种七层体系结构，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。各层之间通过接口进行通信，每层完成特定的功能。（2）TCP/IP模型：TCP/IP模型是一种四层体系结构，包括网络接口层、网络层、传输层和应用层。TCP/IP模型是互联网的基础，广泛应用于各种网络通信。以下是数据通信模型的主要组成部分：（1）物理层：负责传输原始比特流，实现数据在物理介质上的传输。物理层的主要设备包括传输介质（如双绞线、光纤等）和通信设备（如交换机、路由器等）。（2）数据链路层：负责在相邻节点之间建立可靠的数据传输链路，实现数据帧的传输。数据链路层的主要设备包括网桥、交换机等。（3）网络层：负责数据在网络中的传输，实现不同网络之间的互连。网络层的主要设备包括路由器、三层交换机等。（4）传输层：负责提供端到端的通信服务，实现数据传输的可靠性。传输层的主要协议包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。（5）会话层：负责建立、维护和终止会话，实现数据传输的同步。（6）表示层：负责数据的表示和转换，实现数据在不同系统之间的兼容性。（7）应用层：负责提供网络应用程序的接口，实现特定应用功能。常见的应用层协议包括HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）等。通过对数据通信模型的了解，可以更好地理解数据通信过程及其各个组成部分的作用，为后续学习数据通信技术与网络协议打下基础。第二章传输介质与通信设备2.1传输介质分类传输介质是数据通信中连接通信设备、承载信息传输的物理通道。根据传输介质的物理特性和传输方式，可以将其分为以下几类：2.1.1导引型传输介质导引型传输介质是指能够引导电磁波沿特定路径传播的介质，主要包括以下几种：（1）双绞线：双绞线是由两根绝缘导线相互绞合而成，具有较好的抗干扰能力和较低的传输损耗。根据绞合方式和绝缘材料的不同，双绞线可分为无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。（2）同轴电缆：同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和护套组成，具有较好的传输功能和抗干扰能力。同轴电缆可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。（3）光纤：光纤是利用光波在光纤中传输信息的介质，具有极高的传输速率、长距离传输能力以及良好的抗干扰功能。2.1.2非导引型传输介质非导引型传输介质是指不能引导电磁波沿特定路径传播的介质，主要包括以下几种：（1）无线电波：无线电波是通过空气传播的电磁波，适用于短距离、高速率的通信。（2）微波：微波是一种高频电磁波，具有较远的传输距离和较高的传输速率。微波通信主要采用直线传播方式。（3）红外线：红外线是一种低频电磁波，适用于短距离通信，如遥控器、红外通信设备等。2.2通信设备功能通信设备是数据通信系统中完成信息传输、处理和交换的关键设备。以下是通信设备的主要功能：2.2.1传输设备传输设备主要包括调制解调器、复用器、中继器等，其主要功能如下：（1）调制解调器：将数字信号转换为模拟信号，或将模拟信号转换为数字信号，以适应不同传输介质的传输特性。（2）复用器：将多个信号合并为一个信号进行传输，以提高传输效率。（3）中继器：在长距离传输过程中，对信号进行放大、整形和再生，以保持信号质量。2.2.2交换设备交换设备主要包括电话交换机、数据交换机等，其主要功能如下：（1）电话交换机：实现电话用户之间的呼叫接通、断开等功能。（2）数据交换机：实现数据终端之间的连接、路由选择等功能。2.2.3终端设备终端设备主要包括计算机、打印机、显示器等，其主要功能如下：（1）计算机：处理和存储数据，实现数据通信功能。（2）打印机：将计算机处理的结果以纸质形式输出。（3）显示器：显示计算机处理的数据和图像信息。2.2.4网络管理设备网络管理设备主要包括网络管理系统、网络监控设备等，其主要功能如下：（1）网络管理系统：对网络设备进行配置、监控和管理，保证网络正常运行。（2）网络监控设备：实时监测网络状态，发觉并处理网络故障。第三章物理层协议3.1物理层概述物理层是OSI模型中的第一层，负责在通信过程中实现数据传输的物理连接。它主要涉及到通信设备之间的物理接口、传输介质以及传输信号等方面。物理层的目的是为数据链路层提供可靠、高效的数据传输基础。物理层的主要功能包括：（1）提供物理连接：物理层通过物理接口将数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）连接起来，形成数据传输的物理通路。（2）传输信号：物理层负责将数据链路层交付的比特流转换为适合在传输介质输的信号，并保证信号在传输过程中不受干扰。（3）信号再生与恢复：在长距离传输过程中，信号可能会衰减或失真，物理层需要通过信号再生与恢复技术来保证信号的完整性。（4）误码检测与纠正：物理层通过校验码等手段对传输过程中产生的误码进行检测与纠正，以保证数据传输的可靠性。3.2物理层标准物理层标准是为了保证不同厂商、不同设备之间的互联互通而制定的一系列规范。以下是一些常见的物理层标准：（1）RS232：RS232是由电子工业协会（EIA）制定的一种串行通信接口标准，用于数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的连接。它规定了信号的电气特性和物理接口，适用于异步和同步通信。（2）V.35：V.35是国际电信联盟（ITU）制定的一种串行通信接口标准，用于数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的连接。它支持较高的传输速率，适用于长距离通信。（3）以太网：以太网是一种广泛应用的局域网（LAN）技术，其物理层标准包括10BaseT、100BaseTX、1000BaseT等。这些标准规定了数据传输速率、传输介质和物理接口等方面的规范。（4）光纤通信：光纤通信是一种利用光纤作为传输介质的通信技术。其物理层标准包括100BaseFX、1000BaseSX、1000BaseLX等。这些标准规定了光纤的类型、传输距离、传输速率等参数。（5）USB：USB（通用串行总线）是一种广泛应用于计算机和外部设备之间的接口标准。USB物理层标准规定了信号的电气特性和物理接口，支持高速数据传输。第四章数据链路层协议4.1数据链路层概述数据链路层是OSI模型中的第二层，位于物理层和网络层之间，负责在相邻节点之间提供可靠的数据传输。其主要功能包括数据帧的封装与解封、帧同步、流量控制、差错控制以及数据帧的透明传输等。数据链路层将比特流划分为数据帧，并保证数据帧在传输过程中的正确性。它通过以下两个子层实现上述功能：（1）介质访问控制（MAC）子层：负责数据帧在物理媒体上的传输，包括帧的发送与接收、帧的同步以及帧的差错控制等。（2）逻辑链路控制（LLC）子层：负责在数据链路层提供面向连接和无连接的服务，实现数据帧的顺序传输、流量控制和差错控制等功能。4.2数据链路层协议标准数据链路层协议标准主要包括以下几种：4.2.1高级数据链路控制（HDLC）协议HDLC协议是一种面向比特的链路控制协议，用于在数据链路层实现可靠的数据传输。它支持半双工、全双工和双向交替传输方式，并具有以下特点：（1）具有帧格式，包括帧头、帧尾、信息字段、帧校验序列等部分。（2）采用滑动窗口机制实现流量控制。（3）支持多种传输模式，如正常响应模式、异步响应模式和异步平衡模式等。4.2.2点对点协议（PPP）PPP协议是一种广泛应用的点对点链路控制协议，用于在两个网络实体之间建立直接连接。其主要特点如下：（1）采用帧格式，包括帧头、帧尾、信息字段和帧校验序列等部分。（2）支持IP地址分配和动态路由。（3）具有链路质量监控和错误检测功能。4.2.3以太网协议以太网协议是一种广泛应用的局域网数据链路层协议，采用CSMA/CD（载波侦听多址访问/碰撞检测）技术实现数据帧的传输。其主要特点如下：（1）采用帧格式，包括帧头、帧尾、目的MAC地址、源MAC地址、类型字段和信息字段等部分。（2）支持多种传输速率，如10Mbps、100Mbps、1000Mbps等。（3）具有自动协商功能，可自动选择最佳传输速率和传输模式。4.2.4帧中继协议帧中继协议是一种用于高速数据传输的数据链路层协议，具有以下特点：（1）采用帧格式，包括帧头、帧尾、信息字段和帧校验序列等部分。（2）采用虚电路技术实现数据传输，具有较低的传输时延。（3）支持多种传输速率，如56kbps、64kbps、128kbps等。4.2.5ATM协议ATM（异步传输模式）协议是一种用于宽带综合业务数字网（BISDN）的数据链路层协议，具有以下特点：（1）采用信元格式，包括信元头、信元尾和信息字段等部分。（2）支持多种传输速率，如155Mbps、622Mbps等。（3）具有灵活的流量控制机制，可满足不同业务需求。第五章网络层协议5.1网络层概述网络层是计算机网络体系结构中的一个重要层次，主要负责数据包从源主机到目的主机的传输。网络层的主要功能包括路由选择、数据包转发、拥塞控制等。网络层通过将数据链路层提供的帧转换为网络层的数据包，实现了不同网络之间的通信。网络层主要涉及以下几个关键概念：（1）网络地址：网络层使用网络地址（如IP地址）对网络中的设备进行标识，以便实现数据包的正确传输。（2）路由选择：路由选择是指在网络层中，根据一定的算法选择一条从源主机到目的主机的最佳路径。路由选择算法包括静态路由、动态路由等。（3）转发：转发是指在网络层中，根据路由选择算法确定的数据包传输路径，将数据包从源主机传输到目的主机。（4）拥塞控制：网络层通过拥塞控制算法，实现对网络拥塞的检测和预防，以避免数据包丢失和网络功能下降。5.2网络层协议标准网络层协议标准主要包括以下几种：（1）IP协议（InternetProtocol）：IP协议是网络层最核心的协议，负责将数据包从源主机传输到目的主机。IP协议包括IPv4和IPv6两个版本，其中IPv4是目前应用最广泛的版本。（2）ICMP协议（InternetControlMessageProtocol）：ICMP协议用于在网络中传输控制消息，如路由器通告、错误报告等。ICMP协议与IP协议紧密相关，共同构成网络层的功能。（3）IGMP协议（InternetGroupManagementProtocol）：IGMP协议用于实现组播路由，使得多个主机可以同时接收来自同一源主机的数据包。（4）ARP协议（AddressResolutionProtocol）：ARP协议用于将网络层的IP地址解析为数据链路层的MAC地址，以便在局域网内实现数据包的传输。（5）RARP协议（ReverseAddressResolutionProtocol）：RARP协议用于将数据链路层的MAC地址解析为网络层的IP地址。（6）RSVP协议（ResourceReservationProtocol）：RSVP协议用于在网络上预留资源，以保证实时业务（如语音、视频）的传输质量。（7）OSPF协议（OpenShortestPathFirst）：OSPF协议是一种内部网关协议，用于在自治系统内部实现路由选择。（8）BGP协议（BorderGatewayProtocol）：BGP协议是一种外部网关协议，用于实现不同自治系统之间的路由选择。（9）MPLS协议（MultiprotocolLabelSwitching）：MPLS协议是一种基于标签交换的技术，用于提高网络功能和简化路由选择过程。第六章传输层协议6.1传输层概述传输层是计算机网络体系结构中的关键层次之一，其主要功能是在网络层提供的服务基础上，实现端到端的数据传输。传输层保证数据从源节点正确无误地传输到目的节点，为上层应用层提供可靠、高效的数据传输服务。传输层具有以下特点：（1）面向连接：传输层在数据传输前需要建立连接，连接建立后才能进行数据传输。（2）端口：传输层使用端口号区分不同的应用进程，实现端到端的通信。（3）可靠传输：传输层通过差错控制、流量控制等机制，保证数据的正确性和可靠性。（4）复用与解复用：传输层实现不同应用进程的数据复用，将多个应用进程的数据合并到一条链路进行传输，同时在接收端进行解复用，将数据分配给相应的应用进程。6.2传输层协议标准传输层协议标准主要包括以下几种：（1）传输控制协议（TCP）TCP（TransmissionControlProtocol）是一种面向连接的、可靠的传输层协议。它通过三次握手建立连接，通过四次挥手释放连接。TCP提供可靠的数据传输，通过序列号、确认应答、重传机制等保证数据的正确性和可靠性。TCP还支持流量控制、拥塞控制等功能，以适应网络环境的变化。（2）用户数据报协议（UDP）UDP（UserDatagramProtocol）是一种无连接的、不可靠的传输层协议。它将数据封装为数据报，直接发送给接收方，无需建立连接。UDP的特点是传输速度快，但可靠性较低。适用于对实时性要求较高的应用场景，如语音、视频等。（3）虚拟路由冗余协议（VRRP）VRRP（VirtualRouterRedundancyProtocol）是一种用于提高网络可靠性的传输层协议。它通过将多个路由器虚拟为一个虚拟路由器，实现路由器之间的冗余。当主路由器发生故障时，备用路由器可以立即接管网络，保证网络的连续性和可靠性。（4）传输层安全性协议（TLS）TLS（TransportLayerSecurity）是一种用于保障传输层数据安全的协议。它基于公钥加密技术，为数据传输提供加密、完整性保护和认证功能。TLS广泛应用于Web浏览器与服务器之间的安全通信，如协议。（5）网络层安全性协议（IPSec）IPSec（InternetProtocolSecurity）是一种用于保障网络层数据安全的协议。它通过对IP数据包进行加密和认证，实现端到端的数据安全传输。IPSec广泛应用于虚拟专用网络（VPN）等领域。除此之外，还有其他一些传输层协议标准，如实时传输协议（RTP）、简单文件传输协议（SFTP）等，以满足不同应用场景的需求。传输层协议的选择应根据实际应用需求、网络环境和功能要求等因素综合考虑。第七章应用层协议7.1应用层概述7.1.1定义与作用应用层是计算机网络体系结构中的最高层，它直接为用户的应用程序提供服务。应用层协议负责处理应用程序的网络通信需求，使得不同计算机上的用户能够相互交流、共享资源和访问网络服务。应用层协议建立在传输层之上，为传输层提供数据传输和错误控制等功能。7.1.2应用层协议的分类根据应用需求，应用层协议可以分为以下几类：（1）文件传输协议：用于在网络中传输文件，如FTP（文件传输协议）、TFTP（简单文件传输协议）等。（2）邮件协议：用于发送和接收邮件，如SMTP（简单邮件传输协议）、POP3（邮局协议版本3）等。（3）网络管理协议：用于管理和监控网络设备，如SNMP（简单网络管理协议）、CMIP（通用管理信息协议）等。（4）电子商务协议：用于实现网络购物、在线支付等功能，如SET（安全电子交易）、SSL（安全套接层）等。（5）其他应用协议：如HTTP（超文本传输协议）、DNS（域名系统）、NFS（网络文件系统）等。7.2应用层协议标准7.2.1HTTP（超文本传输协议）HTTP是Web浏览器与服务器之间传输超文本数据的协议。它基于请求响应模式，采用无状态的连接，支持可扩展的数据类型。HTTP协议的主要标准有：（1）HTTP/1.1：规定了HTTP协议的基本框架，包括请求方法、响应状态码、消息格式等。（2）HTTP/2：在HTTP/1.1的基础上进行了优化，提高了传输效率，如头部压缩、多路复用等。7.2.2SMTP（简单邮件传输协议）SMTP是一种用于发送和接收邮件的协议。它基于TCP/IP协议，采用客户端服务器模式。SMTP协议的主要标准有：（1）SMTP：规定了邮件的传输过程，包括邮件的发送、接收和转发等。（2）MIME（多用途互联网邮件扩展）：用于扩展SMTP协议，支持传输多媒体邮件。7.2.3FTP（文件传输协议）FTP是一种用于在网络中传输文件的协议。它基于TCP/IP协议，采用客户端服务器模式。FTP协议的主要标准有：（1）FTP：规定了文件传输的基本过程，包括文件的、删除等。（2）TFTP（简单文件传输协议）：简化版的FTP，适用于小文件的传输。7.2.4DNS（域名系统）DNS是一种用于将域名转换为IP地址的协议。它采用分布式数据库，通过递归查询和迭代查询实现域名解析。DNS协议的主要标准有：（1）DNS：规定了域名解析的基本过程，包括域名查询、域名注册等。（2）DHCP（动态主机配置协议）：用于自动分配IP地址、子网掩码、网关等网络参数。7.2.5SNMP（简单网络管理协议）SNMP是一种用于网络管理的协议。它采用代理管理器模式，通过轮询和事件通知实现网络设备的管理。SNMP协议的主要标准有：（1）SNMPv1：规定了基本的管理信息和操作过程。（2）SNMPv2：在SNMPv1的基础上进行了扩展，增加了更多的操作和功能。（3）SNMPv3：增加了安全机制，提高了数据传输的安全性。第八章网络安全协议8.1网络安全概述信息技术的飞速发展，计算机网络已经成为现代社会信息交流的重要平台。但是伴网络的普及和广泛应用，网络安全问题日益凸显。网络安全是指保护网络系统免受未经授权的访问、篡改、破坏等威胁，保证网络数据的完整性、可用性和机密性。网络安全主要包括以下几个方面：（1）访问控制：限制对网络资源的访问，保证合法用户才能访问网络资源。（2）数据加密：对数据进行加密处理，防止数据在传输过程中被窃取或篡改。（3）安全认证：验证用户身份，保证用户在访问网络资源时具备合法权限。（4）安全审计：对网络行为进行监控和记录，便于发觉和追踪安全事件。（5）防火墙技术：通过设置防火墙策略，阻止非法访问和攻击。（6）入侵检测与防护：实时监测网络行为，发觉并阻止恶意攻击。8.2网络安全协议标准网络安全协议是保障网络安全的关键技术，以下介绍几种常见的网络安全协议标准：（1）SSL/TLS协议SSL（SecureSocketsLayer）和TLS（TransportLayerSecurity）协议是用于保障网络数据传输安全的加密协议。它们在传输层对数据进行加密，保证数据在传输过程中的安全性。SSL/TLS协议广泛应用于Web服务器和客户端之间的安全通信。（2）IPsec协议IPsec（InternetProtocolSecurity）是一种用于保障IP层安全的协议。它通过加密和认证IP数据包，实现端到端的安全传输。IPsec协议适用于各种网络环境，包括IPv4和IPv6。（3）SSH协议SSH（SecureShell）协议是一种用于保障远程登录安全的协议。它通过加密传输数据，有效防止数据在传输过程中被窃取或篡改。SSH协议广泛应用于远程登录、文件传输等场景。（4）PGP协议PGP（PrettyGoodPrivacy）是一种基于公钥加密的邮件加密协议。它通过加密邮件内容，保障邮件在传输过程中的安全性。PGP协议支持数字签名，保证邮件的完整性和真实性。（5）协议（HyperTextTransferProtocolSecure）是HTTP协议的安全版，它在HTTP协议的基础上加入了SSL/TLS加密。协议广泛应用于Web服务器和客户端之间的安全通信，保障用户数据在传输过程中的安全性。（6）WPA协议WPA（WiFiProtectedAccess）是一种用于保障无线网络安全的标准。它通过加密无线数据包，防止非法访问和攻击。WPA协议分为WPA和WPA2两种版本，分别适用于不同无线网络环境。（7）IKE协议IKE（InternetKeyExchange）是一种用于建立安全通信通道的密钥交换协议。它支持自动协商和加密密钥，实现端到端的安全传输。IKE协议通常与IPsec协议配合使用。第九章网络管理协议9.1网络管理概述网络管理是指对计算机网络进行监控、维护、优化和故障排除的一系列过程。网络规模的不断扩大和技术的不断进步，网络管理的重要性日益凸显。网络管理主要包括以下几个方面的内容：（1）配置管理：负责网络设备配置信息的收集、存储、修改和备份，保证网络设备配置的正确性和一致性。（2）功能管理：通过收集网络功能数据，分析网络运行状况，优化网络功能，提高网络资源利用率。（3）故障管理：负责检测、诊断和排除网络故障，保证网络稳定运行。（4）安全管理：保护网络资源免受非法访问和攻击，维护网络系统的安全。（5）计费管理：对网络资源的使用进行计费，合理分配网络资源。（6）服务管理：提供网络服务，满足用户需求。9.2网络管理协议标准网络管理协议是网络管理系统中各管理实体之间进行信息交互的规则。以下介绍几种常见的网络管理协议标准：（1）简单网络管理协议（SNMP）：SNMP是一种基于TCP/IP的网络管理协议，主要用于管理网络设备。它采用轮询和事件驱动相结合的方式，通过管理信息库（MIB）来描述网络设备的状态和功能信息。（2）常用管理信息协议（CMIP）：CMIP是一种面向对象的网络管理协议，适用于多种网络环境。它采用请求/响应的通信模式，通过管理对象（MO）来描述网络设备的状态和功能信息。（3）域名系统（DNS）：DNS是一种用于将域名和IP地址相互转换的网络服务协议。它通过分布式数据库实现域名与IP地址的映射，为用户提供方便的网络访问。（4）动态主机配置协议（DH