没有幻灯片标题

Size: px

Start display at page:

Download "没有幻灯片标题"

庆搅田
7 years ago
Views:

1 第六章计算机网络基础与应用 1

2 本章内容第一节计算机网络的基本概念第二节局域网及组网第三节互联网技术及应用第四节网页制作 -- 注 :* 部分可根据讲课进度选讲

3 内容提要 : 第一节计算机网络的基本概念计算机网络的概念定义构成通信技术传输信道 / 数据传输方式和通信方式 / 数据同步方式基带传输和频带传输 / 多路复用技术协议的概念协议分层 / 网络体系结构 OSI 模型 /TCPIP 模型计算机网络的主要性能指标带宽 / 时延计算机网络的发展方向

4 网络的起源 * 金文大篆体繁体楷体网 : 原指用绳结成的捕鱼鳖鸟兽的工具, 可以扩展和延伸以覆盖更大的区域

5 网络的概念网络的含义很广泛, 通常指为达到一定目的把所有相关的东西连接起来如 : 城市网络交通网络人际网络有线电视网络等在计算机领域中, 网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起, 组成数据链路, 从而达到资源共享和通信的目的称为 : 计算机网络

6 计算机网络的定义计算机网络 : 具有独立功能的多个计算机系统通过通信线路互连在一起, 在网络软件管理下实现网络资源共享和相互通信的整个系统网络示意图计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物

7 网络构成 : 计算机网络, 简称网络, 由计算机通信线路网络软硬件构成

8 计算机网络的三个发展阶段计算机网络的发展经历了以下三个主要阶段 : 以单机为中心的通信系统一个主机拖多个终端, 终端需要使用主机的处理能力, 称为面向终端的计算机网络 ( 不符合计算机网络的定义 ) 使用专用网络协议的计算机网络多个主机互联, 主机之间无主从关系, 用户共享网络内的软硬件资源但使用企业专用的网络协议如 IBM 的 SNA 使用标准化协议的计算机网络具有统一的网络体系结构, 遵循国际标准化协议, 便于网络互联 TCP/IP 网络 -- 已成为事实上的工业标准 OSI 模型的网络 -- 国际标准, 但未能实现产业化

9 互联网 INTERNET 是目前最大的计算机网络

10 针对计算机网络的几个问题 : 为什么要组建网络? 组建网络需要什么? 硬件软件

11 为什么要组建网络? 目的 1: 信息传输人是社会性的群居生物, 信息的交流传播和共享具有相当重要的作用特别是进入信息社会后, 信息成为新的生产力网络的产生极大地促进了信息的流通

12 为什么要组建网络? 目的 2: 资源共享在早期, 组建网络主要就是为了共享昂贵的硬件资源网络能将分布在不同地理位置的计算资源包括 CPU 存储器数据库等整合起来为用户共享共享的信息还可包括资料文档多媒体音像等各类信息

13 组建网络需要什么? 硬件计算机导线网卡集线器交换机路由器调制解调器

14 组建网络需要的硬件例 : 调制解调器网卡交换机路由器

15 组建网络需要什么? 软件网络操作系统协议软件网络应用软件网络管理软件网络安全软件

16 组建网络还需考虑什么? 组建网络并不是一件容易的事, 有许多事情需要考虑如何采用合适的通信技术进行数据传输? 传输信道数据传输方式和通信方式数据同步方式基带传输和频带传输多路复用技术如何制定合适的通信规则保证通信的顺利进行? 网络协议及体系结构

17 传输信道计算机网络中, 信息需要通过传输信道进行传输信息的载体可以是数字文字语音图形和图像等无论信息的载体是哪种类型, 实际传输时最后总与一定形式的数据相联系数据分两种 : 模拟数据和数字数据前者取连续值, 后者取离散值信号是数据的电编码和电磁编码也分为模拟信号和数字信号两种模拟信号是连续变化的电信号数字信号则是一种离散信号计算机产生的是离散信号, 而传统的语音信号则为模拟信号

18 数据传输方式并行传输和串行传输并行传输一个数据代码常由若干位组成如果传输时数据的每一位各占一条信号线同时进行传输, 称并行传输特点 : 效率高, 传输时延小但 n 位数据需要 n 条信道, 所以只适合近距离传输串行传输串行传输是数据一位一位地在一条信道上传输特点 : 速度低, 但节省信道, 适合远程数据传输

19 数据的通信方式按传输的方向性, 数据传输可分为以下三种基本工作方式 : 单工通信两个通信终端间只能由一方将数据传输给另一方半双工通信两个通信终端都可以发送或接收数据, 但同一时间只能一方发送, 另一方接收 ( 即不能同一时间即发送又接收 ) 全双工通信两个通信终端可以同时进行数据的收发传输

20 数据同步方式数据在信道上传输, 为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误地接收, 收发端的动作必须严格地采取同时进行的措施这种统一收发动作的措施称同步技术常用的同步方式有异步传输方式和同步传输方式两种

21 异步传输方式在异步传输中, 信息以字符为单位进行传输异步方式规定, 对单个字符的传输, 除传输字符本身的数据位外, 首末位置需分别设置 1 位起始位 1.5 位或 2 位的停止位, 分别表示字符的开始和结束另外传输的数据中通常还包含 1 位校验位所谓异步是指字符与字符之间的异步, 字符与字符间传输间隔是任意的

22 异步传输方式 ( 例 ) 假设要传输字符 A, 用 ASCII 码传输 ( 二进制 ), 带一位起始位, 二位停止位, 一位偶校验注 : 设传输时按低位到高位的顺序传输

23 同步传输方式同步传输方式中, 信息是以数据块而非字符的方式传输的一个数据块往往包含有许多连续的字符一般在传输一组字符之前加入 1 个或 2 个同步字符 SYN 同步字符表示字符传送的开始, 接收端可通过同步字符来确定字符的边界同步传输可用于快速和较大规模的数据传输

24 数据传输类型数据在传输过程中可以用数字信号和模拟信号两种方式表示, 即数字传输和模拟传输数字传输对应基带传输, 模拟传输对应频带传输

25 基带传输计算机产生的信号是一连串的脉冲信号, 这种数字信号称基带信号利用基带信号直接传输的方式称为基带传输基带传输多用在距离比较短的数据传输中基带传输中需对数字信号进行编码, 即用不同电压极性或电平值代表数字信号的 0 和 1 有些用负电压代表 0, 正电压代表 1 ( 非归零编码 ); 而有的则用电平的跳变, 如高电压到低电压的跳变代表 1, 低电压到高电压的跳变代表 0 ( 曼彻斯特编码 )

26 频带传输利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为频带传输现有的远距离传输的通信线路以普通电话线为主传统的电话信道只适合传输语音, 不适合直接传输计算机的数字基带信号 ( 因为带宽太窄, 直接传输数字基带信号衰减会很大 ) 要使用电话线远距离传输数字信号, 必须先将数字信号转换为模拟信号后才能在电话线上传输, 在接收端再将模拟信号还原为原来的数字信号这个过程需用到调制解调器设备

27 调制解调器 (Modem) 的作用调制解调器 (Modem) 的作用是实现数据信号和模拟信号的转换调制解调器具有调制和解调两个功能调制 : 将数字信号转换为模拟信号解调 : 模拟信号还原为数字信号

28 两台计算机通过 Modem 和电话线互连

29 多路复用技术在数据传输时, 为了高效合理地利用资源, 通常采用多路复用技术, 使多路数据信号共同使用一条线路进行传输常用的多路复用技术包括 : 频分复用技术 (FDM) 同步时分复用技术 (STDM) 异步时分复用技术 (ATDM)

30 频分复用技术 (FDM) 把线路或空间的通频带资源分成多个频段 ( 带 ), 将其分配给多个用户, 每个用户使用一个频段在频分复用技术中, 各个频段 ( 带 ) 都有一定的带宽, 称之为信道

31 同步时分复用技术 (STDM) 同步时分复用技术采用固定时隙分配方式, 即将传输时间按特定长度连续地划分成特定时间段 ( 称为帧 ), 再将每一帧划分成固定长度的多个时隙 ( 时间片 ) 各时隙以固定的方式分配给各路数字信号, 即将这些时隙分配给固定的用户终端, 并且周期性地重复分配每一帧所有终端在每一帧都顺序分配到一个时隙, 即每帧中都有特定用户的时隙片

32 异步时分复用技术 (ATDM) 异步时分复用技术 (ATDM) 又称统计时分复用或智能时分复用技术, 它能动态地按需分配时隙, 避免每帧中出现空闲时隙 ATDM 只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它, 当用户暂停发送数据时就不分配线路资源 ( 时隙 ), 线路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输由于 ATDM 的时隙分配不固定, 为了在接收端准确区分传来的数据归谁所有, 应在所传输的数据中加入用户识别标记

33 STDM/ATDM 的例子 *

34 数据传输质量 * 数据传输以信号传输为基础理想情况下, 接收信号的幅度和波形应与发送信号完全一样但实际信号在传输中会发生衰减变形, 使接收信号与发送信号不一致, 甚至接收端不能识别信号携带的信息数据传输质量的好坏除与发送和接收设备的性能有关外, 主要取决于所传输信号的质量和传输信道的性能

35 通信规则协议计算机实际上传输的都是由 0 和 1 组成的二进制串通信双方必须约定一些规则, 使得传输的信息能为通信双方所理解如 : 约定数据与控制信息的结构或格式通信的顺序和步骤需要发出何种控制信息, 完成何种动作以及做出何种应答这些通信规则的集合我们称为协议

36 协议的例子停等协议 * 停等协议是一个简单又常用的网络通信协议背景 : 计算机 A( 发送方 ) 向计算机 B( 接收方 ) 传输数据数据打包成帧的格式传输由于计算机 B 的存储空间或处理速度有限, 每次只能接收一个帧, 处理完了才可接收下一帧

37 停等协议 * 停等 (stop-and-wait) 协议协议规定发送方每发送一帧后就要停下来, 等待对方已正确接收的确认 (Ack) 帧返回后才能继续发送下一帧目的是控制发送节奏, 使发送方不至于发送太快而导致接收方来不及接收

38 停等协议的流程图 *

39 考虑非理想的状况 * 上述停等协议的流程只有在传输信道理想的情况下 ( 即数据传输不会出错 ) 才能正常工作但实际的传输信道可能会出差错可能造成的后果有 : 数据帧在传输过程中损坏数据帧在传输过程中丢失确认帧丢失

40 协议的补充 * 针对问题 1: 数据帧在传输过程中损坏解决方法 : 数据帧中增加校验位, 并使某一组数据项的和 ( 校验和 ) 为一特定值 ( 如全 1) 接收方在收到帧后检查其校验和, 如正确, 就认为帧没有损坏, 否则则认为帧已损坏

41 协议的补充 * 针对问题 2: 数据帧在传输过程中丢失解决方法 : 超时重传发送方发送的帧如果在传输过程中丢失, 接收方就不会发确认帧, 这会导致发送方无限期等待为避免这种情况, 增加了计时器, 如计时器超时还未收到确认帧, 则重发数据帧

42 协议的补充 * 针对问题 3: 确认帧丢失解决方法 : 为数据帧增加 1 位序列号 (0 或 1) 假设发送方发了一个数据帧并为接收方所收到, 但接收方发的确认帧丢失, 发送方超时后重传这时重传的帧到达接收方后, 接收方就无法判断这是一个新的帧还是重复帧, 所以要用一位序列号加以区别

43 补充后的停等协议流程图 * 发送方接受方 0 发送帧号 0 期待帧号计时器超时从主机取报文装配帧 (seq = 发送帧号 ) 发送, 并置计时器等待 Ack = 发送帧号 1 对不对发送帧号 1 发送帧号发送数据帧返回 Ack 帧等待校验和检查对收到帧的 Seq = 期待帧号数据帧到达对恢复报文送主机期待帧号 1 期待帧号确认帧号 Ack = Seq ( 返回 ) 不对不对

44 协议分层停等协议是最简单的网络协议一般网络协议都比较复杂, 为简化问题, 减少协议设计的复杂性, 通常将协议分层协议的每一层都建立在下层之上, 其目的是为上层提供一定的服务, 并对上层屏蔽服务实现的细节

45 说明协议分层的一个例子 * 问题 : 假设 2012 年诺贝尔文学奖得主莫言要与同期获得诺奖提名的日本作家村上春树讨论自己的作品红高粱, 需要怎样的沟通过程? 假设 : 莫言只懂中文, 不懂日语村上春树只懂日文, 不懂中文且双方一时找不到通晓两国文字的翻译, 只能找到英文翻译

46 说明协议分层的一个例子 * 步骤 : 1. 两人通过各自的英文翻译, 将本国语言翻译成英语后再进行沟通 2. 翻译之间通过互联网或电话进行沟通

47 说明协议分层的一个例子 *

48 说明协议分层的一个例子 * 说明 : 上述两个文学家的沟通过程可分为 3 个层次实际的数据流或信息流是通过实线箭头在各层间流动的下层的目的是为上层提供服务不同系统间的相同层必须遵守同一层的协议它们之间的通信除最底层外并未实际发生, 所以称为虚通信

49 协议分层 / 网络体系结构设计网络时, 常根据逻辑功能的需要来划分网络层次每一层应实现一个定义明确的功能集合相邻层之间必须有一个定义清晰的交互界面, 成为接口层和协议的集合被称为网络体系结构

50 网络体系结构模型著名的网络体系结构模型学院派 OSI 七层模型市场派 TCP/IP 参考模型为互联网所采用, 成为事实上的工业标准

51 OSI 七层模型 OSI 模型是国际标准化组织 ISO 于 1981 年颁布的开放系统互联参考模型 ( 简称为 OSI 模型 ) OSI 模型定义了异种互联网标准的框架结构该模型分为 7 层, 自低层至高层分别称为物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层和应用层

52 OSI 七层模型

53 TCP/IP 模型 TCP/IP 协议是目前使用最广泛的网络协议集由于该标准被互联网 Internet 所采用, 它已成为事实上的工业标准 TCP/IP 协议提供了一个开放的环境, 能将各种不同的计算机系统很好地连接在一起, 达到不同网络互连的目的 TCP/IP 协议也采用层次体系结构所涉及的层次包括网络接口层网际层 (IP 层 ) 传输层和应用层每层都实现特定的网络功能

54 TCP/IP 模型

55 OSI 模型与 TCP/IP 模型的对应

56 计算机网络的主要性能指标当计算机网络越来越深入人们的日常生活时, 网络的性能变得十分重要没有人愿意使用一个响应极为迟缓的网络如何衡量网络的性能? 计算机网络有两个最主要的性能指标 : 带宽时延

57 带宽带宽 (bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度, 单位是赫 ( 英文为 Hz), 更大的单位有千赫兆赫吉赫等计算机网络中带宽是数字信道所能传送的最高数据率的同义语, 单位是比特每秒, 或 b/s (bit/s)

58 常用的带宽单位其他常用的带宽单位有千比每秒, 即 kb/s(10 3 b/s) 兆比每秒, 即 Mb/s(10 6 b/s) 吉比每秒, 即 Gb/s(10 9 b/s) 太比每秒, 即 Tb/s(10 12 b/s) 请注意 : 这里的 b 是指 bit( 位 / 比特 ), 而不是 Byte( 字节 )

59 数字信号流随时间的变化在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄 1 s 带宽为 1 Mb/s 带宽为 4 Mb/s 每秒 10 6 个比特 0.25 s 每秒个比特时间时间

60 时延 1 (delay 或 latency) 发送时延 ( 传输时延 ): 发送数据时, 数据块从计算机进入到传输媒体所需要的时间信道带宽 : 数据在信道上的发送速率常称为数据在信道上的传输速率发送时延 = 数据块长度 ( 比特 ) 信道带宽 ( 比特 / 秒 )

61 时延 2 (delay 或 latency) 传播时延 : 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间传播时延 = 信道长度 ( 米 ) 信号在信道上的传播速率 ( 米 / 秒 ) 信号传输速率 ( 即发送速率 ) 和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念

62 一些介质的传播时延真空中的光速 : 3 * 10 5 km/s 铜缆中的电信号速度 : 2.3 * 10 5 km/s 光纤的传播速度 : 2 * 10 5 km/s 1000km 的光纤线路产生延迟 5ms

63 时延 3 (delay 或 latency) 处理时延 : 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量有时可用排队时延作为处理时延

64 总时延数据经历的总时延就是发送时延传播时延和处理时延之和 : 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延

65 三种时延所产生的地方 * 在队列中产生处理时延从结点 A 向结点 B 发送数据在发送器产生发送时延 ( 即传输时延 ) 在链路上产生传播时延数据队列结点 A 发送器链路结点 B

66 带宽与性能对于高速网络链路, 我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率提高链路带宽减小了数据的发送时延

67 计算机网络的发展方向随着网络技术的突飞猛进日新月异, 网络朝着高速化和高带宽的方向发展如快速分组交换技术业务综合化方向发展的三网合一技术全光网技术宽带接入的 xdsl 技术等近阶段网络的发展方向 : 三网合一 ( 计算机网电信网广电网合一 ) IPv6( 新一代 IP 协议 ) 网格计算 / 云计算

Chapter #

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