1 / 79

第二章 计算机网络的层次化结构

第二章 计算机网络的层次化结构. 深入理解计算机网络的层次化结构的概念 理解和体会每一层的具体功能分工 掌握 TCP/IP 体系结构模型 了解 ISO/OSI 七层标准模型. 2-1 引 言. 凡是通过计算机网络可以相互访问的计算机系统就叫作 “ 开放式系统 ” 。开放式系统互连是一个很复杂的问题。 基于功能分层的网络体系结构，是一种 对复杂系统的分层化设计技术 。利用这种技术，可以将不易处理的复杂而庞大的设计问题转化成为一些较容易研究和处理的局部问题，即“单层”设计问题。 我们要掌握如下几个重要方面： 认识计算机间通信过程是分层的进行的；

makenna-goulding
Download Presentation

第二章 计算机网络的层次化结构

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 第二章 计算机网络的层次化结构 • 深入理解计算机网络的层次化结构的概念 • 理解和体会每一层的具体功能分工 • 掌握TCP/IP体系结构模型 • 了解ISO/OSI七层标准模型

  2. 2-1 引 言 凡是通过计算机网络可以相互访问的计算机系统就叫作“开放式系统”。开放式系统互连是一个很复杂的问题。 基于功能分层的网络体系结构，是一种对复杂系统的分层化设计技术。利用这种技术，可以将不易处理的复杂而庞大的设计问题转化成为一些较容易研究和处理的局部问题，即“单层”设计问题。 我们要掌握如下几个重要方面： • 认识计算机间通信过程是分层的进行的； • 了解如何构建一种分层的网络体系结构； • 了解分层的多和少对计算机网络的性能和实现有何影响？

  3. 2-1-1 计算机间的分层通信 • 计算机网络中，不管是用户间的应用操作还是网络系统本身的运作过程，最基本的活动是计算机之间的机间通信。 • 剖析计算机间通信的真实过程，是构建和理解网络体系结构的基础。 • 从简单的普通电话、电报通信到复杂的计算机通信，通信过程及其功能分布都剖析成为逻辑上分层地进行的综合过程。 请看下面的实例：

  4. 普通电报通信的分层处理过程 发报人 收报人 报文认知与理解规则 报文编码 报文的编码/译码规则 报文译码 电报局间通信规则 发报局 收报局 数据传输规则 电报通信网 收报机 发报机

  5. 计算机间通信的分层处理过程（以传送计算机文件为例）计算机间通信的分层处理过程（以传送计算机文件为例） 主机B 主机A 文件传输进程 文件接收进程 文件进程间通信协议 文件存储器 文件存储器 通信服务设施 主机-主机间通信协议 网络内部各种通信协议 网络接入协议 网络接入协议 数据通信网络

  6. 2-1-1 计算机间的分层通信（续） 几个基本概念： 一、比特率 数字通信的内容是以二进制数的形式发送的，每个二进制数占一个二进制位（比特），每秒传送的比特数就是信道传输的比特率。 二、协议 协议指的是两台通信设备之间管理数据交换的一整套规则。 简单的说即为共同遵守的规则

  7. 2-1-1 计算机间的分层通信（续） 三、同等层协议( Peer Protocol ) 层次化结构的网络中，每一层的功能都有明确的定义，计算机之间的通信是通过两个节点的同等层的协议实现的。 四、层间服务与接口 每一个上面功能层的工作都是依托它的下一层所提供的支撑来运行的，这个支撑就是“服务”。 每一层对上层提供透明的服务。 五、主/从的概念 主动发送通信请求 －－－主 被动聆听 －－－从 主/主的概念

  8. 2-1-1 计算机间的分层通信（续） 六、单工通信和双工通信的概念 单工通信 半双工通信 双工通信 结论： 任一对应用实体（每一层中活跃的元素，可以是进程或硬件）之间的通信，实际上是同时在不同层次上“对等实体”的各自协调工作(即分层通信过程)来配合完成的，是所有各功能层上通信过程的总效果。 基于系统分层功能的通信概念，即形成了网络系统的分层体系结构(Layered architecture)

  9. 2-1-2计算机网络的分层模型 最高层 最高层 虚线表示：虚拟通信 较低层 较低层 实线表示：物理通信 最低层 最低层 传 输 介 质

  10. 在现实的通信系统中，真实的数据传递关系必须是“物理通信”。在现实的通信系统中，真实的数据传递关系必须是“物理通信”。 （图中纵向的信息流是真实的信息传输途径 ） • 网络体系结构中的一对同层实体之间的通信过程，是同等层之间的“虚拟通信”（物理层除外）。 （图中横向的虚线信息流在同等层之间的流动只是一种“逻辑”上的概念）

  11. 2-1-3 网络模型 报文 应用层 应用层 报文（段） 运输层 运输层 数据包（报文分组） 网络层 网络层 数据帧 链路层 链路层 原始的比特流 物理层 物理层 传输介质

  12. 2-1-4ISO/OSI 七层标准模型 应用层协议 表示层协议 会话层协议 运输层协议 网络层协议 网络层协议 通信子网 链路层协议 链路层协议 物理层协议 物理层协议

  13. 2-1-5 TCP/IP体系模型 OSI 体系模型 应用层 运输层协议TCP 网络层协议IP 通信子网层 电话网 局域网 无线网 X.25网

  14. 2-2 物理层 物理层是层次化模型中最低的一个功能层，它是开放系统互连通信的物理基础，因为该层在以物理媒体为基础的数据线路上，完成数据码位(比特)的真实传输过程，故谓之“物理层”。 物理层的任务： 将信息用适合传输媒体的“物理”特性的方式传送到媒体上去进行传输。 该层主要完成三个方面的功能： 1、物理连接的建立与拆除； 2、物理服务数据单元传输； 3、物理层管理。

  15. 2-2-1 物理传输媒体 传输媒体又称为通信介质或媒体，它的特性直接影响通信的质量指标，如：信道容量、数据传输速率、误码率、及线路费用等。 可以从两大方面来了解传输介质的特性： • 物理特性——物理结构、形态尺寸、覆盖范围、价格，以及连通性与使用方便性等； • 传输特性——可用的信号带宽、原始误码率、传输损耗，以及抗干扰能力等。 网络中的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线与卫星通信信道。

  16. 一、 光纤用光传输数据 • 光纤通过传递光脉冲来进行数字通信，有光脉冲相当于传输“1”，而没有光脉冲相当于传输“0”。 • 一根光纤中每秒传递几百个“太”位（1012）的信息速率，所以它是目前最理想的宽带传输介质。 光纤作为传输介质，它具有许多优点，例如： • 传输频带非常宽，因而通信容量大； • 误码率极低，传输损耗小，无中继传输距离长； • 不受雷电和电磁干扰，本身也无相互串扰和辐射，所以安全性和保密性好；体积小，重量轻。

  17. 各种类型的光缆 光纤跳线 ST-ST 各种光缆 光纤跳线 ST-SC 光纤跳线 SC-SC 各种光缆内部结构

  18. 二、双绞线 • 双绞线有屏蔽型双绞线STP和无屏蔽型双绞线UTP两类，一般泛指无屏蔽型双绞线，常用的有UTP-3，UTP-5等，采用RJ-45头（8芯）。 • 用于局域网中数据信号传输，与集线器的距离最大为100米，可用速率为10Mb/s至100Mb/s。 • 特点： 布线容易、接口便宜，属于 性能适中的经济实用型介质。

  19. 1 2 3 4 5 6 7 8 TIA/EIA 568A或TIA/EIA 568B 568A 568B 1 白绿 白橙 2 绿 橙 3 白橙 白绿 4 蓝 蓝 5 白蓝 白蓝 6 橙 绿 7 白棕 白棕 8 棕 棕

  20. 三、 同轴电缆：电缆的两个末端一定需要1个终结器。 ①50欧姆同轴电缆：又称基带同轴电缆，广泛用于局域网中传输基带数字信号。可用距离在1公里以内，数据信号传输速率上限可达50Mb/s。 ②75欧姆同轴电缆： 又称宽带同轴电缆，就是公用天线电视系统CATV中的标准传输电缆，一般用于模拟传输系统，适于用在城域网中。在作数字传输应用时，必须将其数字信号转换成模拟信号在缆线上多路复用传输。 特点：由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较高的抗干扰能力，比较宽的可用频带；无中继传输距离比双绞线略长，但是价格比双绞线贵，且步线、连接、接口不方便，现应用已不是很多。

  21. 四、 无线通信 主要有： 微波通信、 红外通信、 激光通信、 卫星通信。

  22. 2-2-2 传输中基本概念与技术 • 数据传输速率 :数字通信的内容是以二进制的方式发送的，每位二进制所含的信息量是1比特，每秒可以传输的比特数就是信道传输的比特率。 • 带宽：带宽是指在一个物理信道内可以传输信号频率的范围。电话线的信号传输频率范围从 300 Hz 到4000 Hz，带宽为3700Hz。带宽越宽，媒体的数据传输容量就越大。 带宽不等同于数据传输速率，后者单位是比特每秒（bps） • 时延：信号不论是在何种媒体中传输，总要经过一定时间，这就是“时延”。一种媒体内，传输信号的时延值在信道长度固定了以后是不可变的，不可能通过减低时延来增加容量。 带宽和时延是反映网络通信信道的两个主要参数。

  23. 编码和解码（Coding and Decoding） 将计算机内部的二进制的TTL电平脉冲转变成合适物理媒体内传送的一种能量形式的代码，以便减少传输过程中的能量损失，降低误码率，这就是“编码”。将这个能量形式的信息转换回原来的数字信号，这就是“解码”。 计算机网络中常用的有三种：RS-232C异步串行ASCII码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。 • 调制与解调（Modulation and Demodulation） 对数字数据的模拟信号编码（更通常地称为“调制”）。调制就是利用一个固定频率的正弦波作载波，以要传送的数字脉冲信号为控制信号，让载波的某个物理特性（如振幅、频率、相位等）按照该控制信号发生相应的变化；从调制后的载波信号中还原出数字信号的过程就是“解调制”。

  24. 常用的调制方式有： 1、幅度调制（调幅AM） 2、频率调制（调频FM） 3、相位调制（调相PM） 在数据通信系统中大多以载波调幅传输为主。

  25. SDH技术（同步数据传输系统） SDH技术它是一种可以方便的提供时分复用的基础网络通信技术，利用SDH的复用设备，可以将光纤的带宽按照需要的传输速率来分割，每一条分割出的信道都可以用来作为单独的通信电路通到用户的计算机上去。在SDH系统上分割出的专线业务称为DDN (Digital Date Network)。 • ATM技术（异步传输模式） 它比SDH在分配光纤的带宽方面具有更大的灵活性。而且它同时支持DDN专线业务和电信部门的传统的业务。 • 直接在光纤上传IP的技术

  26. 用户的网络接入技术 1、综合业务数字网（ISDN） 2、高速数字接入设备（ADSL，xDSL）。ADSL（非对称数字用户线环路）是一种非对称的DSL技术，所谓非对称是指用户线的上行速率与下行速率不同，上行速率低，下行速率高，特别适合传输多媒体信息业务，如视频点播、多媒体信息检索和其他交互式业务。ADSL能够提供下行8Mbps/上行1Mbps的最高独占带宽,现有的ADSL Modem是10M以太网连接方式， ADSL是点到点连接,保密性好, 3、同轴电缆宽带调制解调器（Cable Modem）Cable Modem能够提供下行36Mbps/上行10Mbps的最高共享带宽。实际情况是为了对付线路的问题 (噪声/损耗/干扰...)也有都采用QPSK调制，使得上下行都是10Mbps的理论速度。（共享带宽） 4、局域网（LAN） 5、无线接入（Wireless） WIFI与WPA

  27. 2-2-3 物理接口标准和信道复用技术 • 本地异步通信接口RS-232C • RS232-C被用于计算机与Modem、键盘或终端之类的设备之间传输字符。RS-232C协议是以字节为单位的信息的传送协议。 它允许发送者在任何时刻发送一个字符，而且在发送一个字符后进入任意等待状态。由于采用异步方式，发送方与接收方不需要就发送和接收信息进行交互与合作。 • RS232-C规定了详细的机械特性、电气特性和功能特性。 接口线的信号电平规定-5～-15伏代表逻辑“1”和“断开”，+5～+15伏代表逻辑“0”和“接通”。标准还规定用7个比特表示一个字符 等。

  28. +15V 15V 1 1 0 0 1 0 0 接口标准RS-232C（续） 起始比特 终止比特 RS-232C 传输一个字符时的波形

  29. 数据 数据 TRGC TRGC 接口标准RS-232C（续） • RS-232采用符合ISO 2110标准的25芯连接器。标准还规定连接器的阳面(带插针的一头)安装在DTE一侧，阴面(带针孔的一头) 安装在DCE一侧。标准还规定最大连接距离不超过15米。 • RS-232定义了21根接口线的功能，每根线具有一个功能。

  30. 几种常用传输介质的通信接口标准 • 机械特性标准：规定了数据终端设备（DTE）和数据终接设备（DCE）之间的连接器形式，包括连接器规格指标、交换信号的插针排列、接插栓锁措施和安全措施等。具体有：ISO 2110 、ISO 2593 、ISO 4902、ISO 4903 等。 • 电气特性标准：规定了DTE和DCE之间的接口电路上信号发生器与接收器的电器特性。 • 功能特性标准：规定了DTE和DCE之间包括数据传送、控制、定时和接地等几类引线上的功能。 • 规程特性标准：规定了DTE和DCE之间接口电路所使用的规程，即信号时序的应答关系和操作过程的规程。 具体内容见教材 P78 - P79。

  31. 采用多路复用器（MUX）将来自多个输入线路的数据组合调制成一路复用数据，并将此数据信号送上高容量的数据链路；接收端接收复用的数据流，依照信道分离还原为多路数据，并将它们送到适当的输出电路上。采用多路复用器（MUX）将来自多个输入线路的数据组合调制成一路复用数据，并将此数据信号送上高容量的数据链路；接收端接收复用的数据流，依照信道分离还原为多路数据，并将它们送到适当的输出电路上。 信道复用目的是为了提高对信道资源的利用率。 具体方式有： 频分复用FDM是把信道的总通频带在频率域上进行了固定的划分而形成若干子信道，各路信号分别占用各自的子信道，特点是独占频道而共享时间。广泛应用于模拟信号的传输。如下图所示： • 信道复用技术

  32. 时分复用TDM是把一个宽的信道分成许多小时间片，让每一个时间片分别传输一路信号；若干个小时间片组成一组，成为“帧”。这样按照时间先后顺序一帧一帧的传输。特点是独占时隙而共享频段。广泛用于包括计算机网络在内的数字通信系统。时分复用TDM是把一个宽的信道分成许多小时间片，让每一个时间片分别传输一路信号；若干个小时间片组成一组，成为“帧”。这样按照时间先后顺序一帧一帧的传输。特点是独占时隙而共享频段。广泛用于包括计算机网络在内的数字通信系统。 输入复合过程 输出分离过程

  33. 信道复用技术（续） 波分复用WDM，就是将光纤可工作的有效波长划分为多个波段（相当于频分复用中的频段），以不同的波长为载波来传递多路信号，类似频分复用，特点是独占频道而共享时间。主要用于全光纤网组成的通信系统。 码分复用CDM原理是基于码型的分割信道。每个用户分配一个地址码，各个码型互不重叠，特点是频率和时间资源都共享。主要用于移动通信系统、笔记本电脑等移动性计算机的连网通信。

  34. 2-3 链路层 数据链路是在一条数据线路基础上通过数据链路层协议建立起来的、具有它自己的数据传输格式(帧)和传输控制功能的节点-节点间“逻辑联结”。 设置链路层的用意是要在物理层的基础上采用“协议”控制的方式来提供信息传输的保障。 链路层的任务： 实现与“相邻节点”的无差错通信。 该层主要完成六个方面的功能： 1、数据链路管理； 2、装帧与帧同步；3、流量控制 4、差错控制； 5 、透明传输； 6、寻址 。

  35. 2-3-1 物理地址 • 物理地址是可以由接口硬件计算机辅助识别的地址。物理地址的具体细节依赖于不同的网络技术。 • 例如：802标准为局域网上的每个站规定了一种48位的“物理地址” —— 固化在网卡中的6个字节的MAC地址。厂家向IEEE购买由前3个字节构成的一个号（地址块或“厂家代码”），后3个字节由厂家自行分配。 • 大家所熟悉的IP地址只是一种逻辑地址，它由ARP协议将其翻译为物理地址。

  36. 2-3-2 面向连接与无连接 面向连接，是指通信双方在进行通信之前，要事先在双方之间建立起一个完整的可以彼此沟通的通道，这个通道就是“连接”。在整个通信过程中，连接的情况一直可以被实时的监控可管理。 例如， X.25协议是面向连接的，信息传输方式是“虚电路”；TCP协议也是面向连接的。 无连接的通信，就不需要预先建立起一个连接，需要通信的时候，发送节点就直接往“网络”上送信息，让信息自主的在网络上传输，一般在传输过程中不再加以监控。 例如，IP协议是无连接的，信息传输方式是“数据报”。

  37. 附：数据报方式分组交换技术 • 采用数据报传输方式时，每个分组称为“数据报”。它们进入交换网后各自寻找最佳的路径传输，不必建立端到端的固定数据通路。 • 特点：快速、灵活，但报文重装处理麻烦。

  38. 附：虚电路方式分组交换技术 • 采用虚拟电路传输方式时，必须预先通过虚呼叫建立一条虚线路（逻辑数据通路）。所有的报文分组都必须沿着这条虚线路传输。 • 特点：准确、可靠，但增加了建立线路的迟延，对网络故障较难适应。 通过虚呼叫建立虚拟线路。

  39. 2-3-2 成帧、纠错和流量控制 • 数据帧：在以TCP/IP技术为代表的计算机网络中，信息的表示形式是以“帧”的格式来表示的。 一个典型的帧由帧头、帧尾和正文三个部分组成。 soh 帧的正文 CRC eot 帧头：包括帧的起始标记、收发双方的物理地址、传送时需要的相应控制信息； 循环冗余校验码 帧结束标志

  40. 纠错技术：在已经国际标准化的网络协议中，几乎都采用循环冗余校验码（简称CRC码）。当循环冗余码校验发现传输出错，就会要求发送端重发出错的帧。纠错技术：在已经国际标准化的网络协议中，几乎都采用循环冗余校验码（简称CRC码）。当循环冗余码校验发现传输出错，就会要求发送端重发出错的帧。 • 流量控制 ：就是计算机网络上对两台相互通信的计算机之间在传送着的“帧”的调度行为，是协调链路两端的发送和接收站之间的数据流量，以保证双方的数据吞吐量达到平衡的一种技术。“流控”的另一说法，叫“速度匹配”。 • 流控制协议 ：滑动窗口 为了提高信道的利用率，网络节点发送信息时每次发送一般都发送一批帧。网络技术中用“窗口大小”来指每批发送几个帧。下面的例子中，窗口大小为4。

  41. 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 窗口 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 已经确认的帧 未送出的帧 窗口 已经发出未得到确认的帧 窗口 随着一组组的帧被发送出去，“窗口”也向后移。

  42. 流控制协议 ： • 窗口协议工作时，为每一个留在窗口里的帧设置一个软时钟，该帧信息发出的同时将属于它的时钟倒计时，倒计时时间的长短应留有足够预余地，让信息帧传到对方而且应答返回。 • 因此，正常的应答信号应当在时钟计时范围内回到发送端，如果超出时间未有应答，则说明信息帧在发出的路上已经丢失，这时就应该再次启动重发功能。

  43. 2-3-3 链路层的通信协议 • 对等实体之间的通信必须遵循基于某种传输与控制的机制而建立的一套约定和规则——数据链路控制规程（或协议） • 两个最常用的标准实例： 1、ISO的HDLC（高级数据链路控制）规程 2、因特网的PPP（点对点）协议

  44. 因特网中的点对点链路配置（PPP的应用场合），请看下图——因特网中的点对点链路配置（PPP的应用场合），请看下图——

  45. 帧标志 （01111110） 帧的开始 协议段 （1或2字节） 标识DATA段的协议类 控制段（00000011） 表明只有一种 无编号帧 帧校验段（CRC校验码， 16或32比特），计算范 围除F以外的所有比特 C F A DATA FCS F P 数据段（正文数据）， 由上层递交来的服务 数据单元 帧标志（01111110） 表示一个帧的结束 地址段（11111111） 表明不存在寻址问题 PPP协议的帧格式

  46. PPP协议是一个协议族，它包含 • 链路控制协议LCP • IP控制协议IPCP • 口令授权协议PAP • 询问握手授权协议CHAP • PPP协议的优点 • 支持多种协议 • 错误检测 • 链路管理 • 可进行链路层授权 • IP地址协商 • PPP对物理层的要求 PPP唯一的要求是必须提供全双工电路，不论是专用的或交换式的，只要可以工作在异步或同步串行模式，而且对PPP的链路层帧透明即可。

  47. 2-4 网络层 网络层是通信子网范围内的最高层，这样就决定了该层的主要功能是面向通信子网的，它代表整个网络通信环境向端系统提供特定服务质量的网络服务，其中最核心的是网络连结服务。 网络层的任务： 保证在通信子网中端点到端点之间实现正确无误的信息传送 该层主要完成以下几个方面的功能： 1、路由选择； 2、流量控制与拥塞控制 ； 3、传输确认、中断及故障恢复； 4、网际互连

  48. 2-4-1 网络地址 • 因特网上的IP地址 因特网技术就是在所有现成的物理网络上加上统一的功能软件，以IP地址来确定在网际任何地方的通信双方计算机的虚拟网络的做法。IP（Internet Protocol）协议是网络层的主要协议。IP协议标准为因特网上每台主机都定义了一个32位二进制数作为该主机的IP协议地址，常简写为IP地址，它是每台主机唯一性的标识。 • 点分十进制表示法 将32位数中的每8位为一组，用十进制表示，利用点号分割各个部分 例如：IP地址为 01010010 10101010 10101010 11101010 记为 82.123.123.234。

  49. 0 7 8 15 16 23 24 31 A类 网络地址 主机地址 0 网络地址 B类 主机地址 1 0 网络地址 主机地址 C类 1 1 0 D类 组播地址 1 1 1 0 E类 保留 1 1 1 1 0 • IP地址的格式 网络标识部分 + 主机标识部分

More Related