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- 预柑 明
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1 通信网络基础 第一讲 通信网络概论 通信工程学院信息科学研究所 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 1
2 本讲提纲 课程信息 通信网络的构成 协议体系与分层 通信网络的基本问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 2
3 课程信息 教师 李建东教授 教育部第三届 青年教师奖 获得者 (2002 年 ) 我国首批 新世纪百千万人才工程 国家级人选 (2004 年 ) 国家杰出青年科学基金获得者 (2007 年 ) 长江学者特聘教授 (2009) 主要研究方向 : 无线 ad hoc 网络 宽带移动通信 认知无线电 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 3
4 课程信息 教师 王玺钧 , 西安电子科技大学, 通信工程学院 , 清华大学, 电子工程系 主要研究方向 : 认知无线电 拓扑控制 异构网络干扰管理 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 4
5 课程信息 教材 通信网络基础 李建东 盛敏 李红艳 参考书 Data Networks Dimitri Bertsekas (MIT,IEEE Fellow) Robert Gallager (MIT,IEEE Fellow) Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 5
6 课程信息 大家将学到的知识 网络体系 电路交换 分组交换 协议体系 协议 点到点 多址 端到端 算法 差错控制 路由 流控 性能分析 随机过程 排队论 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 6
7 课程计划 第一章通信网络概论 第二章端到端的传输协议 第三章网络的时延分析 随机过程 第四章多址技术 第五章路由算法 图论 第六章流量和拥塞控制 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 7
8 课程信息 考核方式 平时成绩 考试成绩 与其它课程的关系 信息论基础 信道编码理论 无线通信 交换原理与技术 计算机通信网 通信网络实验 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 8
9 网络无处不在 通信网络 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 9
10 Telephone Network Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 10
11 网络举例 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 11
12 网络无处不在 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 12
13 网络无处不在 交通网络 通信网络 交通工具 / 人 数据包 / 负载 门牌号 IP 地址 十字路口 路由器 交换机 街道 链路 交通灯 流量控制 交通堵塞 网络拥塞 交通事故 数据包碰撞 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 13
14 本课程讨论的主要问题 (1) 通信的资源 信息的发送, 信道的使用, 实质上都要占用某种物理资源, 如功率 带宽 有效性 通信的失真 由于噪声 干扰 衰落等因素的影响, 信息的信号载体在传输中可能会失真 变形, 从而导信号载体在传输中可能会失真 变形, 从而导致信息传递的错误 可靠性 如何减少信息传递所需要的资源? 如何利用给定资源尽可能多传递信息? 如何减少信息传递中的差错? Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 14
15 本课程讨论的主要问题 (2) Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 15
16 本课程讨论的主要问题 (3) 如果在任意两个用户之间都建立一条物理传输通道, 就可以解决我们之间相互通信问题 假定有 N 个用户数, 共需要 N (N-1) N 2 条物理传输通道 缺点 : 成本昂贵, 且极难扩展, 每条物理传输通道的利用率极低 通信网络的基本问题 : 如何以尽可能低的成本有效地解决处于任何地理位置的任意两个用户之间即时信息传递问题? Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 16
17 本课程讨论的主要问题 (4) 尽管通信网络在形式上千差万别, 但它们许多基本的原理都是相同的 本课程的主要目的就是要讨论这些网络的共性原理 ( 具体的网络形态将由专业课来介绍 ) 希望通过本课程的学习, 使大家能够理解现在的各种新型通信网络的设计原理和依据, 同时为大家设计和构思其他新型的通信网络打下理论基础 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 17
18 本讲提纲 课程信息 通信网络的构成 协议体系与分层 通信网络的基本问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 18
19 通信网络的构成 传输链路 ( 电话线 光纤 ) 用户终端 路由器 程控交换机 ( 电话机 传真机 计算机 ) Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 19
20 通信网络的构成 点和线的集合 节点 : PC server switch bridge router 传输媒介 : Optical fiber ~ ~ ~ ~ Coaxial ~ ~ ~ cable ~ ~ ~ ~ ~ ~ wireless 20 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 20
21 大型交换设备 (1) Lucent 5E-XC ZXJ10 局用数字程控交换机 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 21
22 The Cisco Series routers make up a portfolio of intelligent routing solutions that scale from 2.5 Gbps/slot to 40 Gbps/slot capacity, enabling carrier-class IP/MPLS core and edge networks. 路由器和交换机 (2) Cisco's premier intelligent multilayer modular switch, From 48 to /100/1000-Mbps to /100- Mbps Ethernet ports, hundreds of millions of packets per second (mpps) network cores supporting multiple ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ gigabit ~ ~ ~ and 10-Gbps ~ trunks Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 22
23 光网络设备 (3) The Cisco ONS Series is designed for carrying mission-critical storage and data applications over a highly available metro optical dense wavelength-division multiplexing (DWDM) network. Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 23
24 无线通信设备 (4) 中兴通讯的 WCDMA 室内型宏基站 中兴通讯的室外宏基站 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 24
25 固定 有线 通信网络举例 无线 移动 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 25
26 通信网络的构成 业务类型和服务器 同步业务 业务流的形式, 具有固定和有限的延时, 如语音 异步业务 一连串的消息, 具有突发性, 如文件传输 面向连接的业务 长期保持会话, 可及时有序的传输数据, 如 FTP 非面向连接的业务 如 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 26
27 固定 有线 通信网络举例 无线 移动 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 27
28 通信网络的构成 数据传输链路 在物理传输媒介上利用一定的传输标准形成的传输规定速率 ( 和格式 ) 的数据比特通道 接入链路 用户到网络节点 ( 路由器或交换机 ) 之间的链路 无线链路 以太网 网络链路 网络节点 ( 路由器或交换机 ) 到网络节点 ( 路由器或交换机 ) 之间的链路 同步数字系统 SDH 光波分复用 WDM Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 28
29 固定 有线 通信网络举例 无线 移动 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 29
30 通信网络的构成 网络互连 路由器的基本功能有两个 : 一是根据路由表, 将报文 (datagram) 发送到正确的目的地 ; 二是维持和更新决定报文传输路径的路由表 路由表中指明到达目的地应将报文送入与路由器相连的哪一个子网 输入端口 输入子网输出子网输出端口 1 子网 C 子网 A 2 2 子网 A 子网 B 3 3 子网 B 子网 C 1 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 30
31 通信网络的构成 网络互连 路由器工作方式是 : 从接收报文中提取目的地址, 并确定该地址中的网络号, 查找路由表以获得与该目标网络相匹配的表项 该表项包括报文应到达的下一网络及到达下一网络的必要信息 ( 如对应的路由器输出端口 ) 报文被封装在选定的输出端口的数据帧中 ( 采用输出子网的数据格式 ), 并由输出端口输出 输入端口 输入子网输出子网输出端口 1 子网 C 子网 A 2 2 子网 A 子网 B 3 3 子网 B 子网 C 1 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 31
32 固定 有线 通信网络举例 无线 移动 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 32
33 通信网络的构成 网络互连 为了实现全网互连需要两个基本条件 全网统一编址 编址解决如何区分网络中的节点 用户终端等 例如, 在 Internet 中是采用 IP 地址来区分路由器 服务器 用户计算机等 路由算法 路由算法解决从源到目的地之间应经过的子网 路由器 网络节点等 例如, 可以采用从源到目的地经过的路由器最少的原则来选择一条路由 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 33
34 通信网络的构成 交换机 在功能上等效为一个开关矩阵, 当某一输入电路要与某一输出电路相连时, 则将对应的开关闭合, 形成直接的通路 交换网络 控制系统 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 34
35 通信网络的构成 路由器与交换机 实现设备的互连 工作层次不同 (OSI) 交换机工作在第二层 ( 数据链路层 ) 路由器工作在第三层 ( 网络层 ) 数据转发所依据的对象不同 交换机是利用物理地址或者说 MAC 地址来确定转发数据的目的地址 路由器则是利用不同网络的 ID 号 ( 即 IP 地址 ) 来确定数据转发的地址 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 35
36 通信网络的构成 路由器与交换机 连接对象不同 交换机连接使用相同物理传输媒介 具有相同传输协议的数据链路 路由器可连接使用不同物理传输媒介 具有不同传输协议的数据链路 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 36
37 固定 有线 通信网络举例 无线 移动 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 37
38 思考题 1 我校的校园网 ( 互连网 ) 是如何组成的? 2 我国的长途电话网是如何构成? Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 38
39 校园网 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 39
40 长途电话网 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 40
41 通信网络的分类 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 41
42 电路交换网 ( 电话网 ) 建立过程 电路建立阶段 分配带宽 建立物理通路 数据传输阶段 独占物理通路 电路拆除阶段 释放物理通路 如果电路建立不成功? Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 42
43 电路交换网 时分复用 时分复用 (TDM) 时间分成帧, 帧分成时隙 每帧中不同的时隙对应不同会话 例如, 时隙 0 对应红色的会话 发端和收端需要同步 复用指能在同一传输媒质中同时传输多路信号的技术, 用以提高通信线路的利用率 没有使用的时隙被浪费为什么电话有月租费? Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 43
44 电路交换网 优势 Guaranteed bandwidth (Quality of Service) Predictable bitrate and delay Good for delay-sensitive applications Reliable communication Rare packet loss Packets are delivered in order Simple data routing Forwarding based on time slot or frequency (multiplexing) No need to inspect a packet header for address Low per-packet overhead Forwarding based on time slot or frequency No IP (and TCP/UDP) header on each packet Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 44
45 电路交换网 劣势 Wasted bandwidth Bursty traffic leads to idle connection during silent period Blocked connections Connection refused when resources are not sufficient Unable to offer okay service to everybody Connection set-up delay No communication until the connection is set up Unable to avoid extra latency for small data transfers Network state Network nodes must store per-connection information Unable to avoid per-connection storage and state Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 45
46 分组交换网 在数据传输网络中, 要传送的基本内容称为消息 (Message) 根据不同的应用场合, 消息可有不同的含义 比如, 消息可以是一份电子邮件 ( ), 一份文件, 一幅图像, A 会话过程 (Session): B 在要进行交互操作的场合, 如 :A 可以发一个消息给 B,B 可以发一个应答给 A, 双方需要交互多次才可完成信息交换的过程, 或者说, 双方需要按一定的顺序交换大量的消息 我们称这样一个消息的序列为一个会话过程 (Session) Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 46
47 在分组交换网中, 将消息分成许多比较短的 格式化的数据块称为分组 (Packet) 进行传输和交换 分组交换网 分组 ( 分组是由若干数据比特组成的可进行独立传输的数据块, 其长度为几十个字节到几千个字节 ) 每一个分组通常包括一个附加的分组头和 / 或尾 分组头指明该分组的目的节点及其他网络控制信息 在每一个网络节点中采用存储转发的工作方式来将输入的分组送到选定的输出链路上 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 47
48 分组交换网 统计复用 复用需要队列 路由器需要存储设备 排队引入抖动 解复用需要分组头 本质上也是时分复用 Division of the communication medium into a number of channels of variable bandwidth Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 48
49 分组交换网 数据报方式 每一个分组独立地选择路由, 一个消息中的分组可以沿不通的路径传输 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 49
50 分组交换网 优势 No wasted bandwidth Links are not reserved during idle period Multiplexing statistical multiplexing Service More connections of lesser quality No blocking of users Adaptation Can adapt to network congestion and failures Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 50
51 分组交换网 劣势 No guaranteed bandwidth Harder to build applications requiring QoS Per packet overhead Need a header with source/dest. address, etc. Complex end-to-end control Packets can be lost, corrupted or delivered out-of-order Delay and Congestion No congestion control, can lead to arbitrary delays and packet drops Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 51
52 电路交换 VS 数据报方式 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 52
53 分组交换网 虚电路方式 虚电路是电路交换和数据报方式的结合 数据以分组的方式传输 一个消息中的所有分组沿着一条预先建立的逻辑通道传输 实际分组传输时才占用物理链路, 无分组传输时不占用物理链路 此时物理链路可用于其他用户分组的传输 可以消除乱序, 但无法保证带宽 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 53
54 分组交换网 虚电路方式 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 54
55 分组交换网 虚电路方式 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 55
56 分组交换网 虚电路方式 ATM(Asynchronous Transfer Mode) 是在传统电话网使用的电路交换以及分组交换网基础上发展起来的一种交换技术, 可以较好地支持不同速率 不同种类的宽带信息交换 它采用面向连接 ( 即虚电路 ) 方式, 以提高信息传送的实时性 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 56
57 分组交换网 虚电路方式 它与分组交换的差别是采用一个全网统一的固定长度的分组 ( 称之为信元 ) 进行传输和交换 ATM 网络中, 信元的长度为 53 个字节, 其中 5 个字节为信元头,48 个字节用来运载信息 好处 : 由于信元长度和格式固定, 可用硬件电路对信元进行处理, 因而缩短了每一个信元的处理时间 ATM 设计是以光纤传输为基础, 因此在传输链路上采用了非常简单的差错控制和流量控制等措施, 提高了信元在网络中的传输速率 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 57
58 实际应用 The Internet is a datagram But part of the Internet use circuit-switching (Phone links) or virtual circuit (ATM) The Internet works by abstracting an ATM region or a circuit-switched region as a single Link Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 58
59 思考 电路交换网是否可以支持数据业务? 分组交换网是否可以支持面向连接的业务 ( 语音业务 )? Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 59
60 习题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 60
61 本讲提纲 课程信息 通信网络的构成 协议体系与分层 通信网络的基本问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 61
62 通信协议 (1) 给定传输链路, 可否进行有效的通信? 通信协议 步骤一 : 线路要接通 ( 拨号 专线 / 热线 ) 步骤二 : 双方有交换信息的设备, 并且愿意通信步骤三 : 互相要确认对方的身份步骤四 : 双方要有互懂的语言步骤五 : 双方要有交流的规则步骤六 : 双方要有合适的结束通信的方式 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 62
63 通信协议 (2) 红军 1 队 通信协议的重要性 : 蓝军 信使 红军 2 队 如果两个红军部队同时攻击蓝军, 则红军胜 ; 否则蓝军胜 两个红军之间通信的惟一手段就是信使 ( 通信员 ), 但信使必须要通过蓝军阵地 任一信使都有可能被蓝军抓获, 导致信息丢失, 这相当于通信链路不可靠 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 63
64 通信协议 (3) 红军 1 队 蓝军 我们同意 如果你们收到此信息, 请回复 红军 2 队 红军为了取胜, 他们想要两个部队同时进攻 但每一部队必须得到对方也想进攻的确认后, 才会进行, 否则任一方都不愿意进攻 让我们在星期六晚上 8: 00 同时进攻, 如果同意, 请回复 信使 下面我们来看能否设计一种协议确保双方同时进入进攻状态? Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 64
65 通信协议 (4) 不难看出, 如此往复下去将引起无穷多次信息的交换, 也不可能使双方同时进入进攻的状态 这个问题出现的关键是 : 每一方很难相信自己是正确的, 它要求双方的信息都必须严格正确 如果我们把前面严格确认的条件放松, 即要求同时进攻的概率很高, 这样上面的问题就可以解决 解决的方法是 : 如果红军一方要在某个时间发起进攻, 它就同时派出多个信使, 并确信对方会以很大的概率获得该信息, 而对方确信请求进攻方会发起进攻 这样双方取胜的可能性很大 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 65
66 通信协议 (5) 上述例子说明了通信协议 ( 规则 ) 的重要性, 完善的通信协议应当保证通信的终端能高效地向用户提供所需的服务 不同的通信功能需要不同的通信协议, 如 IEEE 802.3, IP,TCP, HTTP, 一个完整的通信 ( 信息 ) 系统需要一组通信协议 通信协议通常可通过完善的协议体系来描述 为了描述协议体系, 这里首先给出分层的概念 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 66
67 1.2.1 分层的概念 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 67
68 为什么分层 You want to have the physical layer as separate as possible from the layer of the kinds of protocols you use to get data across the links of the networks. You want that to be as separate as possible from the protocols you use to do routing, congestion control, and those things. You want that to be very separate from the things that go on in the computers that use the network for ultimate error recovery and things like that. Also you want to design the network in such a way that all of those things are done separately and don't have to change when one finds a better way of doing something in one of these other layers. Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 68
69 1.2.1 分层的概念 (1) 通信网络的协议可按照分层的概念来设计 分层概念的基础是 模块 的概念 例如 : 在计算机系统中, 一个模块就是一个过程或一台设备, 它完成一个给定的功能 ; 若干个模块组成一个完整的系统功能 模块提供的功能通常称之为 服务 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 69
70 1.2.1 分层的概念 (2) 采用模块概念的好处是 : 设计简单 可懂性好 标准化 互换性好, 有大量现存的模块可以利用 对于模块设计人员, 要关心该模块内部的细节和模块的操作 而对于模块使用人员, 把模块当作一个黑盒子, 只关心该模块的输入 输出以及输入输出的功能关系, 而不关心模块内部的工作细节 模块可以嵌套组成更大的模块 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 70
71 1.2.1 分层的概念 (3) 例如 : 一个高层的模块由低层模块加上一些简单模块组成 低层黑盒子 简单模块 黑盒子 黑盒子 低层黑盒子 高层模块 简单模块 黑盒子 黑盒子 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 71
72 1.2.1 分层的概念 (3) 例如 : 一个高层的模块由低层模块加上一些简单模块组成 低层黑盒子 简单模块 黑盒子 低层黑盒子 高层模块 简单模块 黑盒子 黑盒子 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 72
73 1.2.1 分层的概念 (4) 模块 H 高层模块对等过程 模块 H 低层黑盒子通信系统 模块 L 模块 L 低层黑盒子通信系统低层对等过程 通信网络的分层可以看成由一套模块组成的体系结构, 除了最低层由物理通信链路组成以外, 每一个高层模块是由低层黑盒子通信系统加一组简单的模块组成 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 73
74 1.2.1 分层的概念 (4) 模块 H 高层黑盒子通信系统对等过程 模块 H 低层黑盒子通信系统 模块 L 低层对等过程 模块 L 通信网络的分层可以看成由一套模块组成的体系结构, 除了最低层由物理通信链路组成以外, 每一个高层模块是由低层黑盒子通信系统加一组简单的模块组成 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 74
75 1.2.1 分层的概念 (5) 高层 ( 第 n 层 ) 黑盒子通信系统 模块 H 对等过程 模块 H API API 低层 ( 第 n-1 层 ) 黑盒子通信系统 模块 L 对等过程 模块 L 对等模块 : 由于信息的交换必须在双方进行, 通信的双方必须有相同 ( 或相应 ) 的功能块才能完成给定的功能, 因此在每一层双方两个功能相对应的模块就称为对等 (peer) 模块或对等过程 如图 1-8 中的模块 H 和 H, 模块 L 和 L 都是对等模块 在该图中, 低层模块 ( 通信系统黑盒子 ) 本身由更低层的对等模块和更低层的通信系统黑盒子组成 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 75
76 划分层次的概念举例 主机 1 向主机 2 通过网络发送文件 可以将要做的工作进行如下的划分 第一类工作与传送文件直接有关 确信对方已做好接收和存储文件的准备 双方协调好一致的文件格式 两个主机将文件传送模块作为最高的一层 剩下的工作由下面的模块负责 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 76
77 两个主机交换文件 只看这两个文件传送模块 主机 1 好像文件及文件传送命令 主机 2 文件传送模块 是按照水平方向的虚线传送的 文件传送模块 把文件交给下层模块进行发送 把收到的文件交给上层模块 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 77
78 再设计一个通信服务模块 主机 1 主机 2 文件传送模块 通信服务模块 只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方 文件传送模块 通信服务模块 把文件交给下层模块进行发送 把收到的文件交给上层模块 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 78
79 再设计一个网络接入模块 主机 1 主机 2 文件传送模块 文件传送模块 通信服务模块 网络接入模块 网络接口 通信网络 网络接口 通信服务模块 网络接入模块 网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如, 规定传输的帧格式, 帧的最大长度等 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 79
80 1.2.1 分层的概念 (5) n n-1 n 假设我们讨论的是第 n 层, 那么一个节点中第 n 层对等模块与对方节点中第 n 层对等模块通过第 n-1 层进行通信时, 有两个非常重要的方面 第一方面是 : 需要有一个分布式算法 ( 或称为协议 ) 来供两个对等层相互交换消息, 以便为高层提供所需的功能和业务 第二方面是第 n 层和第 n-1 层之间的接口 (API), 该接口对于实际系统的设计和标准化非常重要 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 80
81 1.2.2 OSI 协议的体系结构 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 81
82 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (1) 国际标准化组织 (ISO) 将协议体系结构模型分为七个层次 : 应用层 表示层 会话层 运输层 网络层 数据链路层和物理层, 并将它作为开发协议标准的框架 该模型被称为开放系统互连 (OSI) 参考模型, 如图 1-9 所示 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 82
83 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (2) 应用层为用户提供接入 OSI 的环境, 还提供分布式信息服务 表示层定义信息的表示方法, 向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务 从而使应用程序与数据表示的差异性无关 会话层负责控制应用程序间的通信, 为协同工作的应用程序之间建立 管理和终止连接 ( 会话 ) 运输层在两个端点之间提供可靠透明的数据传输, 提供端到端的差错恢复和流量控制 网络层使高层的功能独立于用来连接网路节点的传输和交换技术 ; 负责建立 维护和终止连接 数据链路层为信息跨越物理链路提供可靠的传输, 发送带有必要的同步 差错控制和流量控制信息的数据块 ( 帧 ) 物理层关注在物理媒介上 ( 非结构化 ) 比特流的传输, 处理接入物理媒介的机械 电气 功能和过程特性 第一层 : 物理层 (physical layer) 在由物理通信信道连接的任一对节点之间, 提供一个传送比特流 ( 比特序列 ) 的虚拟比特管道 在发端它将从高层接收的比特流变成适合于物理信道传输的信号, 在收端再将该信号恢复成所传输的比特流 物理信道包括 : 双绞线 同轴电缆 光缆 无线电信道等 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 83
84 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (3) 应用层为用户提供接入 OSI 的环境, 还提供分布式信息服务 表示层定义信息的表示方法, 向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务 从而使应用程序与数据表示的差异性无关 会话层负责控制应用程序间的通信, 为协同工作的应用程序之间建立 管理和终止连接 ( 会话 ) 运输层在两个端点之间提供可靠透明的数据传输, 提供端到端的差错恢复和流量控制 网络层使高层的功能独立于用来连接网路节点的传输和交换技术 ; 负责建立 维护和终止连接 数据链路层为信息跨越物理链路提供可靠的传输, 发送带有必要的同步 差错控制和流量控制信息的数据块 ( 帧 ) 物理层关注在物理媒介上 ( 非结构化 ) 比特流的传输, 处理接入物理媒介的机械 电气 功能和过程特性 第二层 : 数据链路层 (data link layer) 物理层提供的仅仅是原始的数字比特流传送服务, 它并不进行差错保护 而数据链路层负责数据块 ( 帧 ) 的传送, 并进行必要的同步控制 差错控制和流量控制 由于有了第二层的服务, 它的上层可以认为链路上的传输是无差错的 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 84
85 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (4) 应用层为用户提供接入 OSI 的环境, 还提供分布式信息服务 表示层定义信息的表示方法, 向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务 从而使应用程序与数据表示的差异性无关 会话层负责控制应用程序间的通信, 为协同工作的应用程序之间建立 管理和终止连接 ( 会话 ) 运输层在两个端点之间提供可靠透明的数据传输, 提供端到端的差错恢复和流量控制 网络层使高层的功能独立于用来连接网路节点的传输和交换技术 ; 负责建立 维护和终止连接 数据链路层为信息跨越物理链路提供可靠的传输, 发送带有必要的同步 差错控制和流量控制信息的数据块 ( 帧 ) 物理层关注在物理媒介上 ( 非结构化 ) 比特流的传输, 处理接入物理媒介的机械 电气 功能和过程特性 第三层 : 网络层 (network layer) 网络层的基本功能是把网络中的节点和数据链路有效地组织起来, 为终端系统提供透明的传输通路 ( 路径 ) 网络层通常分为两个子层 : 网内子层和网际子层 网内子层解决子网内分组的路由 寻址和传输问题 ; 网际子层解决分组跨越不同子网的路由选择 寻址和传输问题 它还包括不同子网之间速率匹配 流量控制 不同长度分组的适配 连接的建立 保持和终止等问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 85
86 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (5) 应用层为用户提供接入 OSI 的环境, 还提供分布式信息服务 表示层定义信息的表示方法, 向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务 从而使应用程序与数据表示的差异性无关 会话层负责控制应用程序间的通信, 为协同工作的应用程序之间建立 管理和终止连接 ( 会话 ) 运输层在两个端点之间提供可靠透明的数据传输, 提供端到端的差错恢复和流量控制 网络层使高层的功能独立于用来连接网路节点的传输和交换技术 ; 负责建立 维护和终止连接 数据链路层为信息跨越物理链路提供可靠的传输, 发送带有必要的同步 差错控制和流量控制信息的数据块 ( 帧 ) 物理层关注在物理媒介上 ( 非结构化 ) 比特流的传输, 处理接入物理媒介的机械 电气 功能和过程特性 第四层 : 运输层 (transport layer) 运输层可以看成是用户和网络之间的 联络员 它利用低三层所提供的网络服务向高层提供可靠的端到端的透明数据传送 它根据发端和终端的地址定义一个跨过多个网络的逻辑连接 ( 而不是第三层所处理的物理连接 ), 并完成端到端 ( 而不是第二层所处理的一段数据链路 ) 的差错纠正和流量控制功能 它使得两个终端系统之间传送的数据单元无差错, 无丢失或重复, 无次序颠倒 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 86
87 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (6) 应用层为用户提供接入 OSI 的环境, 还提供分布式信息服务 表示层定义信息的表示方法, 向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务 从而使应用程序与数据表示的差异性无关 会话层负责控制应用程序间的通信, 为协同工作的应用程序之间建立 管理和终止连接 ( 会话 ) 运输层在两个端点之间提供可靠透明的数据传输, 提供端到端的差错恢复和流量控制 网络层使高层的功能独立于用来连接网路节点的传输和交换技术 ; 负责建立 维护和终止连接 数据链路层为信息跨越物理链路提供可靠的传输, 发送带有必要的同步 差错控制和流量控制信息的数据块 ( 帧 ) 物理层关注在物理媒介上 ( 非结构化 ) 比特流的传输, 处理接入物理媒介的机械 电气 功能和过程特性 第五层 : 会话层 (session layer) 会话层负责控制两个系统的表示层 ( 第六层 ) 实体之间的对话 它的基本功能是向两个表示层实体提供建立和使用连接的方法, 而这种表示层之间的连接就叫做 会话 (session) Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 87
88 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (7) 应用层为用户提供接入 OSI 的环境, 还提供分布式信息服务 表示层定义信息的表示方法, 向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务 从而使应用程序与数据表示的差异性无关 会话层负责控制应用程序间的通信, 为协同工作的应用程序之间建立 管理和终止连接 ( 会话 ) 运输层在两个端点之间提供可靠透明的数据传输, 提供端到端的差错恢复和流量控制 网络层使高层的功能独立于用来连接网路节点的传输和交换技术 ; 负责建立 维护和终止连接 数据链路层为信息跨越物理链路提供可靠的传输, 发送带有必要的同步 差错控制和流量控制信息的数据块 ( 帧 ) 物理层关注在物理媒介上 ( 非结构化 ) 比特流的传输, 处理接入物理媒介的机械 电气 功能和过程特性 第六层 : 表示层 (presentation layer) 表示层负责定义信息的表示方法, 并向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务, 以使两个系统用共同的语言来进行通信 表示层的典型服务有 : 数据翻译 ( 信息编码 加密和字符集的翻译 ), 格式化 ( 数据格式的修改及文本压缩 ) 和语法选择 ( 语法的定义及不同语言之间的翻译 ) 等 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 88
89 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (8) 应用层为用户提供接入 OSI 的环境, 还提供分布式信息服务 表示层定义信息的表示方法, 向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务 从而使应用程序与数据表示的差异性无关 会话层负责控制应用程序间的通信, 为协同工作的应用程序之间建立 管理和终止连接 ( 会话 ) 运输层在两个端点之间提供可靠透明的数据传输, 提供端到端的差错恢复和流量控制 网络层使高层的功能独立于用来连接网路节点的传输和交换技术 ; 负责建立 维护和终止连接 数据链路层为信息跨越物理链路提供可靠的传输, 发送带有必要的同步 差错控制和流量控制信息的数据块 ( 帧 ) 物理层关注在物理媒介上 ( 非结构化 ) 比特流的传输, 处理接入物理媒介的机械 电气 功能和过程特性 第七层 : 应用层 (application layer) 应用层是最高的一层, 直接向用户 ( 即应用进程 AP) 提供服务, 它为用户进入 OSI 环境提供了一个窗口 应用层包含了管理功能, 同时也提供一些公共的应用程序, 如文件传送, 作业传送和控制, 事务处理, 网络管理等等 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 89
90 1.2.2 OSI 协议的体系结构 (9) 高层功能 低层功能 2.24 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 90
91 1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 91
92 1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构 (1) TCP/IP ( Transmission Control Protocol/Internet Protocol ) 协议族是美国国防远景研究规划局 ( DARPA ) 所资助的实验性分组交换网络 ARPARNET 上研究开发成功的 TCP/IP 协议族的通信任务组织成五个相对独立的层次 : 应用层 运输层 互连网层 网络接入层 物理层 ( 它没有 OSI 七层模型中的表示层和会话层 ) TCP/IP 协议族重点强调应用层 运输层和互连网层, 而对网络接入层只要求能够使用某种协议来传送互连网层的分组 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 92
93 1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构 (2) FTP,SMTP,TELNET,HTTP, 网络接入层的主要功能是解决与硬件相关的功能, 向互连网层提供标准接口 从网络的角度来讲, 它是解决在一个网络中两个端系统之间传送数据的问题, 以及一个端系统 ( 计算机 ) 和它连接的网络之间的数据交换 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 93
94 1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构 (3) FTP,SMTP,TELNET,HTTP, 如果两台设备连在两个不同的网络上, 要使数据穿过多个互连的网络正确地传输, 这是互连网层 ( 网际层 ) 要完成的功能 该层采用的协议称为互连网协议 (IP), 它提供跨越多个网络的选路功能和中继功能 IP 解决了网络互连问题, 但它是一个不可靠的传输协议 在传输过程中可能会出现 IP 报文的错误 丢失和乱序等问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 94
95 1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构 (4) FTP,SMTP,TELNET,HTTP, TCP 为应用程序之间的数据传输提供可靠连接, 它是面向连接的传输控制协议 UDP(User Datagram Protocol) 为应用层提供无连接的尽力 (Best effort) 服务, 它并不保证一定传到, 也不保证按顺序传输以及不重复传送 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 95
96 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 注意观察加入或剥去首部 ( 尾部 ) 的层次 应用层首部 运输层首部 网络层首部链路层首部 H 3 H 4 H 5 H 5 应用程序数据 应用程序数据 应用程序数据 H 4 H 5 应用程序数据 链路层尾部 主机 2 AP H 2 H 3 H 4 H 5 应用程序数据 T 比特流 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 96
97 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层 H 2 H 3 H 4 H 5 应用程序数据 T 比特流 主机 2 AP Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 97
98 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层 H 3 H 4 H 5 应用程序数据 H 2 H 3 H 4 H 5 应用程序数据 T 2 主机 2 AP Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 98
99 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层 H 4 H 5 应用程序数据 H 3 H 4 H 5 应用程序数据 主机 2 AP Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 99
100 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层 H 5 应用程序数据 H 4 H 5 应用程序数据 主机 2 AP Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 100
101 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 1 应用程序数据 主机 2 AP 2 5 H 5 应用程序数据 应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 101
102 主机 1 向主机 2 发送数据 主机 1 AP 我收到了 AP 1 发来的应用程序数据! 主机 2 AP Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 102
103 1.2.4 混合的分层协议体系 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 103
104 1.2.4 混合的分层协议体系 由于现代通信网络的低层基本都是参照 OSI 的模型设计的, 而 TCP/IP 协议随着 Internet 的飞速发展而被广泛采用, 因而通常采用混合的分层协议体系来描述一个信息网络, 如图 1-11 所示 它包括应用层 运输层 网络层 数据链路层和物理层 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 104
105 习题和实验 实验 : 试给出利用 PC 机上网使用的协议名称 版本号 主要的功能和有关的地址编号 端口号 给出实验的方法和工具 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 105
106 本讲提纲 课程信息 通信网络的构成 协议体系与分层 通信网络的基本问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 106
107 1.3 通信网络的基本理论问题 (1) 在一个由多种类型的物理网络构成的通信网络中, 对每个用户而言, 所关心的问题主要是如何将其消息快速而准确地传到对方 用户的信息通常要跨越多个网络, 例如, 图 1-2 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 107
108 通信网络举例 例如, 图 1-2 中用户 D 到用户 G 之间要跨越移动通信链路 SDH 链路 WDM 链路 ATM 链路 以太网等 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 108
109 通信网络举例 J I K GB N D C H 我们不仅要关心两个相邻节点之间链路的传输可靠性和有效性, 而且还要关心同一种物理媒介网络中任意两个节点之间的链路的传输可靠性和有效性 此外, 还要关心穿越不同物理媒介网络的任意两个节点之间的传输可靠性和有效性 E F Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 109 Y
110 1.3 通信网络的基本理论问题 (2) A N AP AP 用户 Y 移动基站 Node 我们若从网络设计的观点来看待网络中的基本问题, 所碰到的第一个问题是如何设置网络的接入点和网络节点, 使得众多的用户能够方便地接入到网络之中, 经济地共享高速大容量的骨干链路和网络 这是网络拓扑设计和网络覆盖问题 ( 建立新网, 网络扩展 ) Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 110
111 1.3 通信网络的基本理论问题 (3) 交换网络 第二个基本问题是 : 采用什么样的传输和交换机制 基本传输的单元是分组 消息 信息流 ( 线路 ); 电路交换 分组交换 在第几层使用交换技术, 控制系统 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 111
112 1.3 通信网络的基本理论问题 (4) 第三个最基本的问题是众多的用户如何共享一个物理媒介, 即多址问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 112
113 1.3 通信网络的基本理论问题 (5) J H I K GB E N D F C 第四个问题是如何为用户的消息或分组选择最佳的传输路径, 从而使得用户的消息或分组在一个子网内或跨越多个网络时能快速 可靠地传送到对方 这是路由问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 113
114 1.3 通信网络的基本理论问题 (6) λ B (t) B E λ A (t) A λ D (t) D F λ C (t) C 第五个问题是如何保证网络稳定运行, 即如何避免网络中某条链路 某个子网或整个信息网络发生拥挤和阻塞, 它包括用户接入网络的业务流量和网络内部的流量管理和控制 这是流量控制问题 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 114
115 本书的主要内容安排如下 (1) 第 2 章 : 端到端的传输协议 主要讨论错误检测, 自动请求重传协议, 组帧的主要问题以及网络层和运输层的端到端的协议 第 3 章 : 网络的时延模型 主要介绍排队论的基本知识, 它是后面章节讨论的基础 第 4 章 : 多址协议 本章以共享传输媒介的网络 ( 如局域网和无线通信网 ) 为基础, 讨论随机多址的基本问题 冲突分解方法及其性能改进的方法 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 115
116 本书的主要内容安排如下 (2) 第 5 章 : 路由算法 主要讨论最短路由算法 路由信息的广播等 第 6 章 : 流量控制 主要讨论接入允许控制 窗口流量控制和闭环流量控制等 第 7 章 : 网络的拓扑设计 主要讨论根据用户的需求, 如何最优设置用户接入点和网络节点 还有网络管理 ( 安全 计费 配置 故障 性能等 ) 等 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 116
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第 1 章通信网络概论及数学基础 通信工程学院信息科学研究所 Broadband Wireless Communications Laboratory, Xidian University 1 内容 1.1 通信网络的基本构成 1.2 协议体系及分层的概念 1.3 通信网络中的数学基础 1.4 通信网络的基本理论问题 Broadband Wireless Communications Laboratory,
Chapter #
第三章 TCP/IP 协议栈 本章目标 通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型 掌握 IP 协议原理 理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍 主机 主机 Internet TCP/IP 早期的协议族 全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层 应用层 主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层
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主 要 内 容 与 基 本 要 求 主 要 内 容 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 计 算 机 网 络 的 发 展 过 程 分 类 以 及 主 要 性 能 指 标 ; 分 组 交 换 的 基 本 原 理 及 其 与 电 路 交 换 报 文 交 换 的 联 系 与 区 别 ; 计 算 机 网 络 的 协 议 与 体 系 结 构 第 1 章 概 述 基 本 要 求 掌 握 分 组 交 换 电 路
<4D F736F F F696E74202D20B5DA34BDB2A3BACEDECFDFCDA8D0C5D3EBCDF8C2E7B5DA34D5C22E BBCE6C8DDC4A3CABD5D>
协议和 TCP/IP 簇 Chapter 4 41 4.1 协议体系结构的必要性 41 4.1 协议体系结构的必要性 协议 (protocol) 是通信双方为了实现通信所进行的约定或所作的对话规则 网络协议的优劣直接影响网络的性能 网络协议的组成 : 语义 : 做什么 (what to do) 语法 : 怎么做 (how to do) 定时关系 : 何时做 (when to do) 41 4.1 协议体系结构的必要性
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计算机网络 (Computer Networks) 中国科学技术大学计算机学院 曾凡平 主讲教师简介 曾凡平, 计算机与科学技术学院 网络与系统安全实验室 实验室 : 西区图书馆 13 楼 C 区 电话 :63601657( 办公室 ) 资源 : http://staff.ustc.edu.cn/~billzeng/network/network.htm 电邮 :billzeng@ustc.edu.cn
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1. ( )284 97 97 23 60 140 53 8 284 90 16 165 2. 3 56 276 8 424 (1) (2) (3) (4) (5) 1 3. 276 23 8 60 22 140 51 53 19 81% 97 10 15 29.58( ) 30.06 21.57 64.33%( ) 4. 276 179 64.9 92 33.3% 13 4.7% 5. 6. 1.
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WAP WAP 8841641 8641641 8641648 PC PC 1997 (Nokia) (Ericsson) (Motorola) Phone.com (Wireless Application Protocol WAP) (Wireless Portal) WAP WAP ( 1 HTTP) (Wireless Markup Language WML) WAP WAP WML Nokia
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