第3章计算机网络的通信子网

《计算机网络》教案朱志文1第3章计算机网络的通信子网•本章介绍计算机网络组成结构中的通信子网部分，涉及物理网络、通信技术、网络互连技术和端对端通信等。通过本章的学习要了解不同计算机网络的特点、各种局域网技术，掌握计算机网络的连接设备，了解网络连接的IP地址、可靠性等概念，掌握数字通信的基础知识。《计算机网络》教案朱志文23.1通信子网概述1、位置通信子网路由器主机B资源子网R1R2R3R4R5R6主机A《计算机网络》教案朱志文3计算机网络=通信子网+资源子网负责纯粹通信部分传输线交换单元各种网络资源（主机、打印机、软件等）《计算机网络》教案朱志文4子网（Subnet）——路由器和通信线路的集合互联网——（纯粹通信部分，局域网没有）主机（host）——应用部分由各种网络连接而成2、作用：子网的功能：把信息从一台主机传到另一台主机。任务：承担全网的数据传输、转接、加工和交换等通信处理工作。《计算机网络》教案朱志文53、因特网体系结构的核心——TCP/IP协议四层结构：通信子网层、网络层、运输层和应用层。（见P61图3-1）协议中，网络层的IP协议负责给各种不同的通信子网层或局域网提供一个统一的互连平台。TCP协议负责位应用程序提供端对端的通信和控制功能。《计算机网络》教案朱志文6一、带宽与容量信道——通信中传递信息的通道。包括发送设备、接收设备和连接的传输介质。有信息使用信道的情况分：共相信道和独占信道。信道带宽——信道两端的发送和接收设备能够改变比特信号的最大速率。也就是信道可以传输的信息频率的范围。（单位：Hz）（教材P29曾经讲过）3.2数据通信基本知识《计算机网络》教案朱志文7信道容量——是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数。（称为比特率，单位：bps）注意区别：波特率（band）——是指传输数据的信号的波长每秒钟改变的次数。在模拟信号的传输中，比特率≠波特率；在数字信号的传输中，比特率＝波特率。《计算机网络》教案朱志文8信道带宽与信道容量的关系：香农定理：S/NWC1log2（bps）最大数据传输容量信道带宽信号功率噪声功率信噪比S/N《计算机网络》教案朱志文9例如：一条带宽3000Hz，信噪比为30dB（分贝）的信道。（这是模拟电话系统的典型参数）这条信道的最大传输容量为：NSWC/1log2301log30002522log3000bps15000W=3000Hz，S/N=30dB，利用香农定理得：《计算机网络》教案朱志文10说明：1、提高信噪比可增加容量，远距离传输，必须提高信噪比。2、N→0时，C→∞，即无干扰信道，容量为∞，有带宽（有限）决定。有限带宽无噪音信道的最大传输速率为：奈奎斯特定理：（bps）k——传输系统中所用的逻辑值数。kWD2log2《计算机网络》教案朱志文11例如：一个传输二进制信号的无噪声信道带宽为3kHz，其最大传输速率是多少？kWD2log2因为：传输二进制信号时k=2，W=3000Hz所以：W230002bps6000《计算机网络》教案朱志文123、容量一定时，W与S/N可互换。若信号频率过低，会造成信道浪费，应使用信道复用技术。《计算机网络》教案朱志文13二、信道复用两类：频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM）频分多路复用大多针对模拟信号的通信信道。计算机网络多使用时分多路复用技术。还有的将波分多路复用（WDM）从频分多路复用中分出来，应用于光纤信道上。在无线移动通信中，由一种码分多路复用技术（CDMA）。《计算机网络》教案朱志文14它们的特点：FDM：以频率的不同来区分地址，每个信号占据一个频段，独占频道，共享时间。如电视信号分不同的频道，同时传播。TDM：以时隙（在周期内划分的一个很小的时间段，用于分开不同的信号）的不同来区分地址，每个信号独占时隙，共享频率。如同一频率的电台在不同的时间段播放不同的节目，中间用以小段广告时间间隔（时隙）。CDMA：每个用户分配一个地址码（互不重复，如移动电话号码）。共享频率和时间。《计算机网络》教案朱志文15计算机网络中的三种信道连接方式：1、点到点连接——双方处于信道两端。2、共相信道——多台机器连于同一信道。3、信道复用——在同一共享信道上实现多个互相独立的点到点连接。《计算机网络》教案朱志文16三、异步通信与基带传输异步通信——发送方与接收方之间不需要严格定时限制的通信。（如C/S模式中客户机向服务器发出请求。）同步通信——要求发送方和接收方在时间上互相制约。（如C/S模式中服务器回应客户的请求，并发送数据。）计算机网络中的通信既有异步通信，也有同步通信。在信息传输时，信号必须经过编码之后才能进行传输。《计算机网络》教案朱志文17+15V-15V0计算机网络中常用的三种编码：1、RS-232异步串行ASCII码用0表示高电平，用1表示低电平。用起始比特和结束比特区分不同的信息。（如P71图3-7）例如：传输字符“1100100”信息。11终止比特起始比特00100《计算机网络》教案朱志文182、曼彻斯特编码将一个比特分成两段，前段高电平后段低电平的信号用1表示，前段低电平后段高电平的信号用0表示。（如P71图3-8）+15V-15V01110000《计算机网络》教案朱志文19上一个比特的后半个比特是低电平3、差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一个变种。比特信号为1时，前半个比特的电平与上一个比特信号的后半个比特的电平相同；比特信号为0时，前半个比特的电平与上一个比特信号的后半个比特的电平相反。（如P71图3-9）+15V-15V01110000上一个比特的后半个比特是低电平上一个比特的后半个比特是高电平上一个比特的后半个比特是高电平《计算机网络》教案朱志文20基带传输——是指一种未经调制的电脉冲信号（基带信号，频带从直流到低频信号）的传输。适用于距离较近的计算机网络（如不分局域网）。当信号要传输较远的地方时，就必须将经编码后的数字信号由高频载波调制后才进行传输，以减少衰减和干扰。《计算机网络》教案朱志文21四、载波传输与调制解调教材P29已经讲过，简单复习一下。调制的分类：调幅、调频和调相。调制解调工作原理：P71倒数第1段。了解电话拨号Modem。《计算机网络》教案朱志文22五、中继器（Repeater）与交换机（Switch）1、中继器是工作于物理层的连接设备。作用：扩展网络段；增加结点主机的数目，不受一条电缆段的限制；放大信号，并调整信号时间。一般在网络分段设计中，要使得一段中的主机结点尽可能少。《计算机网络》教案朱志文23例如：具有40台主机的网络，能创建成4个网段，每个网段有10个结点。就不应建2个网段（一段12个结点，一段28个结点）。这样可以减少受影响计算机的数目。缺点：它不能检测帧，放大信号有可能是不正确的信号，这样会使错误信号传到另一段。《计算机网络》教案朱志文242、交换机使用交换技术的原因：⑴由于机器的处理能力和存储能力增强，速度更快了，因此，要求通信的能力也要增强。⑵网络的增长，但是带宽不足，产生性能的下降，响应速度慢。需要选择以太网交换技术。《计算机网络》教案朱志文25使用交换技术后网络的改进：⑴以太网交换机能够把较大的、通信密集的网络分解为较小的、易于控制的子网，交换机利用其MAC（介质存取控制，MediaAccessControl）地址表，确定所传送的帧只能在源和目的的主机所在的两个分段上进行，而其他分段不传输，从而确保通信经过尽可能少的分段数，以减少从一个分段到另一个分段的不必要的网络信息流。⑵交换机对提高网络带宽有极大的帮助。《计算机网络》教案朱志文26例如：一个没有交换能力的集线器连接8个10Mbps的网段，由于集线器一次只能向一个网段重新传送数据，所以集线器的容量也就从不超过10Mbps。但若使用以太网交换机代替集线器，由于交换机可以几乎同时向每个网段重新传送数据，所以，网络的整个容量就会增加7倍，即80Mbps（8×10Mbps）。《计算机网络》教案朱志文27交换机的分类：⑴从控制数据传送方面分：静态交换和动态交换。⑵从交换机端口连接工作站和分段的方式分：分段交换（每个端口处理整个分段）和端口交换（每个端口连接单个设备）。⑶从交换方式分：直接交换——交换机在接收完整一个分组前，若已读取到目的地址，则马上转发部分分组。从而提高传输速度。存储转发交换——交换机在接收了整个分组后，才将它转发出去。以此提高传输的可靠性。《计算机网络》教案朱志文28一、基本概念1、定义：局域网（LacalAreaNetwork），简称LAN。是一个在一定地理区域（同一建筑、同一园区）内，可使多个相互独立的设备在同一共享介质上以一定速率通信的通信系统。2、特点：（教材P79-80⒈～⒏）3.3局域网技术《计算机网络》教案朱志文293、拓扑结构：可分为六种：星型、环型、双环型、总线型、树型和网格型。但常用的是三种：星型、环型（如令牌环，IEEE802.5，4Mbps或16Mbps）和总线型（如以太网，IEEE802.3，速度为10Mbps或100Mbps，现已在发展1000Mbps）。《计算机网络》教案朱志文30总线型《计算机网络》教案朱志文31星型《计算机网络》教案朱志文32环型《计算机网络》教案朱志文33二、参考模型局域网的参考模型：IEEE802标准。该标准定义了三层体系结构，即物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。如P83图3-18，是局域网与OSI模型的比较。IEEE802又分为11个委员会（见P82-83和图3-19）《计算机网络》教案朱志文34三、局域网的特性1、信道的共享性每一个局域网包括一种共享介质（通常是电缆）。共享信道网络的优点：降低费用。为什么共享网络只被用于局域网通信？⑴共享网络需要通信协调网上的计算机，通信所需的时间由距离决定，距离越长，延迟越大，但共享网络不能延迟大。⑵由于共享介质需要花时间协调使用，留给数据传送的时间就少了，因此长距离传输的时间不足。⑶提供长距离高带宽的传输与同样带宽的短距离传输要更为昂贵。《计算机网络》教案朱志文352、访问的局部性这是局域网发展的主要原因之一。访问的局部性主要包括：⑴在时间上，临时访问的局部性——若一对计算机曾建立过一次通信，那么这对计算机有可能在不久会再通信。⑵在地理上，物理访问的局部性——某台计算机与近距离计算机通信的可能性比与远距离的计算机通信的可能性大。《计算机网络》教案朱志文36四、局域网实例㈠Ethernet——以太网Ethernet是一种使用广泛，应用总线拓扑的网络技术。多台计算机共享单一的传输电缆（以太）。一般使用粗缆（10Base5）的以太网限定长度上限为500m以内，并要求每一对连接之间相隔3m。一般以太网传输速度为10Mbps；快速以太网的传输速度为100Mbps；吉位（千兆）以太网的传输速度为1000Mbps（1Gbps）。以太网的标准是：IEEE802.3《计算机网络》教案朱志文37《计算机网络》教案朱志文38《计算机网络》教案朱志文39《计算机网络》教案朱志文40以太网共享电缆，因此，当一台计算机向另一台计算机发送帧（以太网帧的格式见教材P85图3-20（a））时，所有其它计算机必须等待。以太网控制数据传输的方法是：IEEE802.3的CSMA/CD协议。《计算机网络》教案朱志文41CSMA/CD协议（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect）（载波侦听多路访问/碰撞检测）。其工作过程如下：⑴发送站发送之前，首先侦听载波（载波检测，闲/忙）——“讲前先听”；⑵如果网络（总线）空闲，发送站开始发送它的帧；⑶如果网络（总线）被占用（忙），发送站则继续侦听载波并推迟发送直到网络空闲；——“只顾自己，冲突不可避免”《计算机网络》教案朱志文42⑷发送站在发送过程中侦听冲突（冲突检测，边发送边检测）——“边听边讲”；⑸如果检测无冲突，则该次发送帧成功。如果检测到冲突，说明发送失败（“一