计算机网络的通信子网

WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.1第三章计算机网络的通信子网熟练掌握通信子网的组成掌握数据通信中的一些基本概念熟练掌握网络互连的基本技术和设备熟练掌握TCP/IP、IEEE802.3协议的主要内容了解新的网络技术与通信网络的发展方向WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.23-1通信子网概述通信子网（communicationsubnet），简称子网，是由用作信息交换的节点计算机和通信线路组成的独立的通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工和交换等通信处理工作。通信子网与高层及应用分离的原则：将网络的纯粹通信部分和应用部分分开，简化了网络设计。通信部分的内容对应OSI的下面3层，高层部分对应OSI的第4-6层，应用部分对应OSI的第7层，它们可以相互独立。IP协议为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协议用来为应用程序提供端到端的通信和控制功能。3-2数据通信基本知识•信道：是通信双方之间以传输介质为基础传递信号的通路，它由传输介质与相应的发送、接收信息的设备组成。•信道带宽：数字信道的带宽也可以理解为“信道两端的发送接收设备能够改变比特信号的最大速率”，用Hz（赫兹）表示。如某信道带宽为3000Hz，表示该信道最多可以以每秒3000次的速率发送信号。•信道容量：也称“信道的极限信息传输速率”，指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用bps（比特/秒）表示。•信道容量与信道带宽的关系：增加信道带宽虽然可以增加信道容量，但在某些情况下，带宽的无限增加并不可能使信道容量无限增大。香农公式指出了信道容量与信道带宽的关系：C=Wlog2(1+S/N)bps其中，C为信道容量，W为信道带宽，S为信号功率，N为噪声功率。当N0，信道容量C无穷大，有限带宽无噪声信道信道数据速率完全由带宽决定。3-2-1信道带宽与信道容量WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.4•数据速率与信道带宽的关系：奈奎斯特给出有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的表达式：D=2Wlog2K(bps)其中，D为信道最大数据传输速率，K为传输系统中所使用的逻辑值数。信道容量是该信道的最大传输能力，而数据速率则是对信道实际应用时的传输速度衡量。•波特率：又称“波形速率”，它是数据传输过程中在信道上每秒钟传送的离散信号事件（信号波形）个数，其单位是“波特”（Baud）。理想低通信道的最高波形传输速率=2W波特（W为带宽）•比特率：又称“信息速率”，它是数据传输系统每秒内所传送的信息量的多少，其单位是“比特/秒”（b/s）。信息速率直接与波形速率和一个波形所携带的信息量有关。比特率=波特率*log2K只有当每个信号事件仅代表一个2进位的情况下，波特率才相当于比特率；采用多进制调制体制时，比特率为波特率的倍数。WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.5•三种信道连接方式：点到点连接、共享信道、信道复用。•信道复用的目的：就是让不同的计算机接到相同的信道上，共享信道资源。•信道复用技术的基本原则：不同信息源产生的信息的速率之和应小于主信道容量。否则就不能实现无误传输。•信道复用技术：频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用。3-2-2信道复用WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.6•异步与同步通信异步通信是指发送方和接受方之间不需要严格的定时关系，适合于并不是经常有大量数据传送的设备。同步通信要求发送和接收数据的双方有严格的定时关系。它是一个发送者和接收者之间互相制约、互相通信的过程。•基带和宽带传输未经调制的电脉冲呈现方波形式，称为“基带信号”。传输距离较近时，一般采用基带传输方式；远程传输中，必须将它们经过高频调制后才能在信道中进行传输，称为数字基带信号的载波传输或宽带传输。•编码方式3-2-3异步通信和基带传输WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.7•一对Modem是远程通信所需的，每个Modem包含独立的线路发送和接收数字数据。发送数据时，Modem发出连续载波，并根据待发送数据的各位去调制载波；接收数据时，它检测到达的载波中的调制信息，并据此重建数据的各位。•4线MODEM：在两个线路专线环境下所使用的Modem被称为4线Modem。每个Modem的调制器连向另一个Modem的解调器，每一个连接需要两根导线。•2线MODEM：协调发送的Modem被称为2线Modem。为彼此协调，一对2线Modem在同一对线上收发。一个Modem发送数据后，再由另一个Modem发送。这种协调机制是自动完成的，对用户是透明的。3-2-4调制解调器WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.8•局域网就是一个通信系统，它在一定的地理区域内可使多个相互独立的设备在同一共享的介质上以一定的速率进行通信，以便共享资源和交换信息。这些设备包括网络设备、计算机、终端、外设、传感器、电话机等。•主要特点是：–覆盖10m-10Km的地理范围，地理范围和站点数目均有限。–所有的站点共享较高的总带宽，有较高的数据传输速率。–局域网具有较小的时延和较低的误码率。–各站点之间形成平等关系而不是主从关系。–能进行广播或多播(又称为组播)。•局域网技术的三要素拓扑结构、传输介质和介质访问控制技术。3-3局域网（LAN）技术3-3-1局域网的基本概念WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.9•局域网的基本拓扑结构星型、环型、总线型•局域网的共享信道允许多台计算机共享通信介质的网络被用于局域通信；点到点连接被用于长距离网络和一些特殊情况。•局域网访问的局部性–临时访问的局部性–物理访问的局部性•两种广播式的局域网–以太网IEEE802.3标准，速度为10Mb/s或100Mbps。–令牌环网IEEE802.5标准，速度为4Mbps或16Mbps。WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.10OSI7应用层6表示层5会话层4运输层3网络层2数据链路层1物理层局域网逻辑链路控制子层（LLC）媒体访问控制子层（MAC）物理层3-3-2局域网的参考模型WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.11IEEE802标准之间的关系802.1LAN体系结构、网络互连网络互连802.2逻辑链路控制子层规范LLCLLC802.3CSMA/CD介质访问802.4Token-Bus介质访问802.5Token-Ring介质访问802.6MAN介质访问MAC介质访问802.3物理802.4物理802.5物理802.6物理物理所有的高层协议要和局域网的MAC层交换信息，必须通过IEEE802.2规定的LLC层进行链接。WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.123-3-3总线网络实例-以太网•以太网是应用最广泛的一类局域网，属于基带总线局域网。以无源电缆作为总线来传送数据帧，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太网（Ethernet）来命名，IEEE控制以太网标准（802.3）。•数据传送方式：发送的计算机传送调制过的载波，载波信号从发送计算机向共享电缆的两端传播。在帧的传送过程中发送计算机独占使用整个电缆，其他计算机必须等待。BACD共享总线10Mb/s•以太网硬件运行在10Mbps带宽上，快速以太网的新版本运行在100Mbps带宽上。WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.13•载波侦听多路访问（CSMA）检测载波叫做载波侦听，用信号的存在性来确定何时传输的想法叫做载波侦听多路访问.•载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）以太网的核心技术是采用CSMA/CD通信控制机制。–计算机在传输数据帧以前要等待以太网空闲。–如果两台计算机同时检测到线路空闲，冲突就会发生。–计算机采用二进制指数退避算法来选择哪台计算机进行传输，即每次冲突后的随机延迟的范围加倍。–指数退避保证了在几次冲突后电缆的竞争将会降低，这样以太网能在冲突后迅速恢复。收发器粗缆收发器电缆插入式分接头主机箱网卡AUI接口连接器细缆主机箱主机箱集线器双绞线(a)10BASE~5(b)10BASE~2(c)10BASE~T网卡BNC接口网卡RJ45接口WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.153-3-4环型网络实例–IBM令牌环•数据传送方式：令牌环运行在共享介质上。当一台计算机需要发送数据之前必须等待许可。一旦它得到许可，发送计算机完全控制令牌环。当发送计算机传输帧时，比特流从发送计算机向下一个计算机传送，再向下一台传送，直至比特流完全在整个环上发送并传回发送计算机。其中，目的站点转发比特流的同时复制一个副本。•介质访问控制技术：令牌环硬件在所有计算机中协调来保证许可按顺序传送给每一个计算机，其中使用一种“令牌”的特殊的报文。在任何时刻，环上只有一个令牌。为了发送数据，计算机必须等待令牌到来，然后传输一帧，再向下一台计算机传输令牌。当没有计算机要发送数据时，令牌以高速在环上循环。•TokenRing代表IBM的这种技术，IBM的令牌环运行速度为16Mbps。令牌环采用IEEE802.5标准。WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.163-3-5环型网络实例–FDDI光纤分布式数据接口FDDI是一个使用光纤作为传输媒体的令牌环形网。数据速率为100Mb/s。FDDI利用多模光纤进行传输，由两个光纤链路环构成双环结构，并具有断环重构能力。（内层环除了故障外不用）正常情况站点出故障MAC实体逻辑连接WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.183-3-6虚拟局域网VLAN虚拟局域网是利用交换技术实现的一种局域网。Switch技术工作在第2层，交换速率快，价格低。交换设备包括：以太网交换机、ATM交换机、宽带路由器等。虚拟LAN为解决网络风暴的问题而产生。通过软件将网络站点划分为多个逻辑组。网络包的广播只局限在同一的逻辑组中。它为系统用户的移动、修改、增加等操作提供了极大的方便，减少了网络维护的难度和费用。虚拟LAN可跨越不同物理网段和网络类型，如Ethernet,Token-Ring、100base-T及FDDI等。虚拟局域网的分类：基于端口的VLAN、基于MAC地址的VLAN、基于第三层的VLAN、基于策略的VLAN。IEEE802.1Q是IEEE802委员会制定的VLAN标准。WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.19HUBHUB虚拟工作组1虚拟工作组2交换机WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.20•当网络因经常堵塞而影响速度，但又拿不出大量资金从物理性能上增加带宽时的解决方案就是：采用以太网交换。•以太网交换机可以把较大的通信密集的网络分解为较小的、易于控制的子网。交换机使单个设备或设备群“拥有”其固有的、直接连接至高速交换机的专用的10/100Mbps分段，然后再实现分段间通信。–交换机减少从一个分段到另一个分段的不必要的网络信息流，或在跨分段通信时交换机使帧只经过含源主机和目标主机的分段。–交换机限制数据流于局部分段，只在帧的目标主机位于其它分段时才进行跨段传输，从而使连接设备确保额外的网络访问机会。即此时交换机检查目的地址，将所需帧仅发往目的分段，而使所有其它连至交换机的分段与此此广播无关，并且能实现局部分段通信。交换机不是成为多个分段的被动连接，交换机的工作可以确保网络通信经过尽可能少的分段数。•交换机与同类网络设备相区别的三个重要因素：1、速度更快；2、电子逻辑更智能；3、端口数更多3-3-7交换机WritenbyYangyuemei,HZRTVU,China.21•静态交换与动态交换动态交换中维护了一张将各个端点与它们连接的专用端口的表，并能进行更新，以保持交换机有关节点/端