第四章计算机网络技术

第四章计算机网络技术上海师大计算中心4.1数据通信技术概述•4.1.1引言•4.1.2数据通信的系统模型•4.1.3数据通信的基本概念•4.1.4数据通信的传输介质•4.1.5数据通信的接口和标准•4.1.6数据通信的主要技术指标•4.1.7数据传输类型•4.1.8关于调制解调器•4.1.9数据传输模式和差错校验•4.1.10数据多路复用技术和数据交换技术•4.1.11常用通信系统4.1.1引言•计算机网络能够连接世界，把地球变成一个小小的村落。计算机网络是计算机技术和数据通信技术相结合的产物。数据通信实现了计算机与终端、计算机与计算机之间的数据传输，这是计算机网络的最基本的功能。数据通信已经成为了计算机信息技术领域的一个重要方面4.1.2数据通信的系统模型•数据通信–通过计算机技术与通信技术的结合来实现信息的传输、交换、存储和处理•数据通信的模型–数据源、数据通信网、数据宿•现代数据通信系统–由数据传输系统和数据处理系统组成4.1.3数据通信的基本概念一、信息与数据(从数据通信角度来看)–信息：通信传输过程中数据所包含的内容–数据：信息的载体，一般用二进制代码表示二、信号与信道–信号：数据在传输过程中的表现形式•分为模拟信号和数字信号，一定的技术措施下可以相互转换–信道：数据信号通过通信线路来传输的通路，由传输介质及相应的附属设备组成三、信道的分类–信道可分为物理信道与逻辑信道–物理信道的类型又可以从不同的角度进行分类：•1．按传输信号的类型：模拟信道与数字信道•2．按传输介质：有线信道与无线信道•3．按使用权限：专用信道与公共交换信道4.1.4数据通信的传输介质一、有线信道–同轴电缆、双绞线、光纤等二、无线信道–常用的无线信道有微波、卫星、红外线和激光等4.1.5数据通信的接口和标准•接口：数据通信中通信设备之间的连接•为了使各种通信设备的连接具有通用性，接口的设计必须遵循一定的标准•常用的接口：–RS-232接口–USB接口–IEEE1394接口4.1.6数据通信的主要技术指标•传输速率–衡量系统传输能力的主要指标，比特率和波特率•差错率–衡量传输质量的主要指标，码元差错率和比特差错率•可靠性–可靠度指在全部工作时间内系统正常工作时间所占的百分比。•带宽–指波长、频率或能量带的范围，单位为赫兹(Hz)。–信号带宽和信道带宽。4.1.7数据传输类型•在数据通信系统中，数据可以通过数字信号方式和模拟信号方式进行传输–基带传输–频带传输。基带传输•在通信线路上直接传输二进制脉冲称为“数字信号基带传输”•基带传输一次仅能传输一个信号或一个信道•数字信号进行基带传输，必须先进行编码，即用不同电压极性或电平值代表数字信号的“0”和“1”。–非归零(NonReturntoZero)编码–曼彻斯特(Manchester)编码–差分曼彻斯特(DifferenceManchester)编码频带传输•调制和解调•频带传输是一种采用调制、解调技术的传输形式。在发送端，采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；在接收端，通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。–幅度调制–频率调制–相位调制4.1.8关于调制解调器•调制解调器：把调制和解调的功能集成到同一通信设备，•调制解调器分类–按连接方式•内置式调制解调器、外置式调制解调器、无线调制解调器–按功能分•：数据调制解调器、Fax/Modem、Fax/Voice/Modem–按使用的通信线路•一般调制解调器、CableModem、ADSLModem•调制解调器的技术标准4.1.9数据传输模式和差错校验一、数据传输模式•数据通信的传输模式定义了数据流(比特组合)从一个设备传到另一个设备的传输方式–串行传输与并行传输–异步传输与同步传输–单工、半双工与全双工通信4.1.9数据传输模式和差错校验二、差错校验与校正•使用各种差错校验方法来检测错误–常见的差错检测方法：•奇偶校验•方块校验•循环冗余校验•差错控制机制–自动反馈重发：•停止等待方式和连续工作方式•连续工作方式：拉回式方式与选择重发方式。4.1.10数据多路复用技术和数据交换技术一、数据多路复用技术•在同一信道上同时传输多路不同信号而互不干扰，可提高通信线路的利用率•常用的复用技术–频分复用(FDMA)–时分复用(TDMA)–波分复用(DWDMA)–码分多址(CDMA)。4.1.10数据多路复用技术和数据交换技术二、数据交换技术•数据交换：在通信子网中节点间的数据传输过程•其对应的技术为数据交换技术–线路交换–报文交换–分组交换4.1.11常用通信系统•公用电话系统•移动电话系统•卫星通信系统•综合业务数字网络(ISDN)•ADSL与CableModem•计算机网络4.2计算机网络概述•4.2.1计算机网络的形成与发展•4.2.2计算机网络的定义、功能•4.2.3计算机网络的分类•4.2.4计算机网络的组成•4.2.5网络的体系结构•4.2.6局域网简介•4.2.7网络互连•4.2.8网络的安全性•4.2.9计算机网络的发展趋势4.2.1计算机网络的形成与发展•纵观计算机网络的发展历史可以发现，它和其他事物的发展一样，也经历了从简单到复杂、从低级到高级的过程。在这一过程中，计算机技术与通信技术紧密结合、相互促进、共同发展，最终产生了计算机网络–第一代面向终端的计算机网络–多个具有处理能力的计算机通过通信线路互连的第二代计算机网络–第三代开放式的标准化计算机网络•从20世纪90年代中期直至现在，这个阶段计算机网络向全面互连、高速和智能化发展，并将得到广泛地应用。形成了第四代综合性、智能化、宽带高速和安全的计算机网络。Internet是第三、第四代网络的杰出的代表4.2.2计算机网络的定义、功能•网络的定义–为了实现计算机之间的通信交往、资源共享和协同工作，采用通信手段，将地理位置分散的、各自具备自主功能的一组计算机有机地联系起来，并且由网络操作系统进行管理的计算机复合系统–随着网络的发展网络的定义也在发生着变化•计算机网络的功能–数据通信–资源共享–提高计算机的可靠性–分布式处理4.2.3计算机网络的分类•按照网络的使用范围：公用网和专用网•按网络的控制方式：–集中式网络、分散式网络、分布式网络•按照网络作用的地理范围的大小–局域网、城域网、广域网•按网络连接的通信线路(即传输介质)–双绞线、同轴电缆、光缆、微波、卫星、激光等•按通信的传播方式：广播式网络和点到点网络•按通信协议：TCP/IP协议网、X.25协议网等•……4.2.4计算机网络的组成•计算机网络的基本功能分为数据处理和数据通信两大部分–负责数据处理的计算机与终端设备–负责数据通信的通信控制处理机和通信线路•计算机网络按其逻辑功能–资源子网和通信子网•组成：–网络工作站–网络服务器–传输介质–连接设备–网络软件连接设备•网卡、中继器、网桥•集线器(HUB)和交换机(Switch)–集线器属于OSI的第一层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数据链路层设备(目前也有三层交换机)–集线器是一种广播模式，易产生广播风暴，而交换机能隔离冲突域和有效的抑制广播风暴的产生–集线器所有端口都是共享一条带宽，而交换机每个端口都有一条独占的带宽•路由器：可跨越不同物理类型网络,也可在逻辑上将整个互连网络分割成逻辑上独立的网络单位•网关：–协议网关–应用网关–安全网关•调制解调器：利用模拟线路来传输数字信号时进行“数/模”和“模/数”的转换4.2.5网络的体系结构一、协议和分层•网络协议：–在计算机网络中用于规定信息的格式以及如何发送和接收信息的一套规则–实体之间有关通信规则的约定的集合•协议三个要素：语义(讲什么)、语法(如何讲)、时序(应答关系)•协议分层–减少网络协议设计的复杂性–把通信问题分为几个小问题(称为层次)的方法4.2.5网络的体系结构二、网络体系结构•分层设计方法，就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同机器上的同等功能层之间采用相同的协议，同一机器上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递•计算机网络体系结构是网络中分层模型以及各层功能的精确定义，即层次结构和协议的集合•服务：网络中各层向其相邻上层提供的一组操作•接口：相邻两层之间的界面•原语：请求、指示、响应、确认4.2.5网络的体系结构三、OSI参考模型简介•国际标准化组织ISO提出的开放系统互连参考模型OSI/RM•分层：–物理层–数据链路层–网络层–传输层–会话层–表示层–应用层•OSI参考模型的数据传输原理4.2.6局域网简介•局域网是在一定地理区域内，可使多个相互独立的设备在一共享介质上以一定速率进行通信的通信系统•局域网特点•局域网的关键要素–拓扑结构–传输介质–布局设计–介质访问控制4.2.7网络互连•利用网络设备把不同的网络连接起来，让不同网络中的计算机能够互相通信•网络互连时会有下列情况发生：–LAN-LAN：两个局域网的用户相互通信–LAN-WAN：局域网用户与广域网中的用户通信–WAN-WAN：广域网之间直接交换信息–LAN-WAN-LAN：不同局域网之间的用户通过广域网通信•连接层次：–第1层：中继器，在两个网段间复制每个比特–第2层：网桥，在网络之间存储转发数据链路层的帧–第3层：路由器，在异型网络建转发分组–第4层：应用程序网关，允许第4层以上的网络互联4.2.8网络的安全性网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然的或者恶意的原因而遭到破坏、更改、泄露，系统能连续可靠正常地运行，网络服务不中断。其特征是针对网络本身可能存在的安全问题，实施网络安全方案，以保证计算机网络自身的安全性为目标–从本质上说就是网络信息的安全问题•防火墙•安全岛4.2.9计算机网络的发展趋势发展的基本方向是开放、集成、高速、移动、智能以及分布式多媒体应用•三网合一的趋势•下一代网络•蓝牙技术及其应用•网格•网络服务标准4.3Internet及其应用•4.3.1Internet的发展•4.3.2因特网的通信协议TCP/IP•4.3.3客户机/服务器与Internet•4.3.4Internet接入方式•4.3.5Internet提供的服务4.3.1Internet的发展一、全球Internet的发展–Internet的最早起源于美国国防部高级研究计划署联合计算机公司和大学共同研制而发展起来的ARPAnet，该网于1969年投入使用。由此，ARPAnet成为现代计算机网络诞生的标志。–TCP/IP协议簇的开发和利用–美国国家科学基金会ASF建立的NSFnet二、中国Internet的发展–第一阶段(1987~1993年)为研究试验阶段，以E-mail为主要应用–第二阶段(1994~1996年)为起步阶段，与国际互联网的全功能直接连接–第三阶段从1997年至今，中国Interent建设的全面铺开，进入快速增长阶段三、Internet发展面临的问题1．带宽的短缺2．IP地址资源的匮乏四、Internet的发展趋势–运营产业化，应用商业化，互联全球化，互联宽带化，多业务综合平台化、智能化4.3.2因特网的通信协议TCP/IPTCP/IP协议提供了一个开放的环境，它能够把各种计算机平台，包括大型机、小型机、工作站和微型计算机很好地连接在一起，从而达到了不同网络系统互连的目的•TCP/IP协议的层次结构和作用•Internet的地址•Internet的通信方式：分组交换技术TCP/IP协议的层次结构和作用OSI模型TCP/IP协议应用层表示层会话层应用层Telnet、FTP、HTTP、SMTP、TFTP、SNMP等传输层传输层TCP、UDP网络层互联网层IP、ICMP数据链路层网络接口层Ethernet、Token-Ring、PPP等物理层硬件HardwareInternet的地址1.IPv4地址–表示法：点分十进制•将32位地址按字节分为4段，每个字节用十进制数0~255表示，各字