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计算机网络的基础知识

计算机网络的基础知识. 第一章 : 导论 第二章 : 传输介质和物理层接口 第三章 : 数据通讯技术 第四章 : 局域网拓扑结构 第五章 : 介质访问控制 第六章：硬件编址与帧类型. 第一章 导论. 第一章 导论 1.1 计算机网络的发展 * ) 19 世纪 40 年代 ---20 世纪 30 年底 , 电磁技术广泛用于通讯 . *) 20 世纪 30 年代 --60 年代 , 电子技术广泛用于通讯 . 如 : 微波 ; 电子多路通讯 ; 大西洋电缆及卫星通讯 .

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计算机网络的基础知识

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  1. 计算机网络的基础知识 第一章: 导论 第二章: 传输介质和物理层接口 第三章: 数据通讯技术 第四章: 局域网拓扑结构 第五章: 介质访问控制 第六章：硬件编址与帧类型

  2. 第一章 导论 第一章 导论 1.1 计算机网络的发展 *) 19世纪40年代---20世纪30年底,电磁技术广泛用于通讯. *) 20世纪30年代--60年代,电子技术广泛用于通讯.如:微波;电子多路通讯;大西洋电缆及卫星通讯. *) 20世纪60年代--现在,计算机技术和通讯技术的结合,形成现代的计算机网络.

  3. 第一章 导论 70年代出现了局域网,80年代得到了飞速的发展,国际标准化组织(ISO）制定了计算机网络的开放型互联模式OSI.现在,计算机网络已发展成为社会重要的信息基础设施. 1.2 计算机网络发展的动力 *) 使用远程资源. *) 共享程序,数据,和信息资源. *) 网络用户的通讯和合作.

  4. 第一章 导论 *) 微电子技术,计算机技术,通讯技术的迅猛发展,使计算机网络飞速发展成为现实. 1.3 90年代的网络 在以下方面将有较大发展: *) 数字技术的发展,一些传统的模拟传输发展为数字传输.数据,声音,图象,文字同时传送的综合业务数字网(ISDN)将大大发展.

  5. 第一章 导论 *) 高速局域网有较大发展. *) 网络的标准化工作进一步完善. *) 网络的访问,服务,管理,安全和保密进一步改善. *) 网络能支持大量的智能工作站,并且在多窗口,多网络服务的模式下工作.

  6. 第一章 导论 1.4 网络的 分类 根据不同的的网络技术,可分成以下四类: *) 局域网. 在比较小的地理范围内将各种通讯设备互联在一起的通讯网络. 属性:(1) 从协议层次的观点看,它包含着低三层的功能.将连接到局部网络数据通讯设备加上高层协议和网络软件,才能组成计算机网络 (2) 数据通讯设备主要指计算机,终

  7. 第一章 导论 端,各种外围设备及网络设备. (3) 小区域可以是一个建筑物,一个校园,或者大到几十公里直径的一个区域. (4) 高数据传输速率(0.1~1Gbps), 低误码率(10-8 ~ 10-11), 短距离(0.1~25KM). 1.5 网络的体系结构与协议 (1) 为什么需要协议? 共享计算机网络资源,在网络中交换信息,需要实现不同系统中的实体的通讯. 两个实体要想成功的通讯,它们必须具有相同的语言.必须遵从有关

  8. 第一章 导论 实体间种互相都能接受的一些规则.这些规则的集合称为协议. 网络协议有很多,如: TCP , IPX, X.25等. (2) 开放系统互联OSI模型 国际标准化组织ISO于1977年成立了一个组织来专门研究这样一种网络体系结构.提出了开放系统互联OSI(Open System Interconnection)模型, 定义了连接异种计算机标准的体系结构.OSI为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础.

  9. 第一章 导论 应用层 应用层 表示层 表示层 系统1 系统2 会话层 会话层 传输层 传输层 网络层 网络层 链路层 链路层 物理层 物理层

  10. 第一章 导论 说明: (1) 此模型是异构系统互联的分层结构,提供了控制互联系统交互规则的标准骨架. (2) 只定义了抽象结构,并非具体实现的描述. (3) 不同系统上的相同层的实体称为同等层实体,其之间通讯由该层的协议管理. (4) 直接的数据传送仅在最低层实现. (5) 相邻层间的接口定义了原语操作和低层向上层提供的服务. (6) 修改本层功能不影响其他层.

  11. 第一章 导论 1.5.1 物理层 *) 提供为建立和拆除物理链路所需要的机械的电气的功能的和规程的特性. *) 位流的故障检测. 1.5.2 链路层 *) 提供传送数据的功能和过程. *) 提供数据链路的流控. *) 检测和校正物理链路产生的错误 1.5.3 网络层

  12. 第一章 导论 *) 控制分组传送操作,路由选择,拥挤控制等. *) 根据传送层的要求来选择服务质量. *) 向传送层报告未恢复的差错. 1.5.4 传送层 *) 建立,维护和拆除传送连接的功能. *) 选择网络层提供的最合适的服务. *) 提供端对端的错误恢复和流控制. 1.5.5 会话层 *) 提供两个进程之间建立,维护和结束会话连

  13. 第一章 导论 接的功能. *) 提供交互会话的管理功能. 1.5.6 表示层 *) 完成数据换转,格式化和文本压缩. *) 代表应用进程协商数据表示. 1.5.7 应用层 *) 提供用户服务,如事物处理,文件传送等.

  14. 第二章传输介质和物理层接口 传输介质的特性对网络数据通讯质量有很大影响.目前常用的介质有以下几种: 2.1 双绞线 2.1.1 物理描述 按螺旋结构排列的两根绝缘导线组成.线的直径一般在0.038~0.142cm. 2.1.2 传输特性 可传输模拟信号和数字信号. 对于模拟信号,大约5~6公里就需要一个放大器.对于数字信号,根据传输速率,大约0.1~3公里使用一台中

  15. 第二章传输介质和物理层接口 继器. 对于音频信号,标准带宽300~4KHZ,可有24条音频信道的容量.使用调制解调器,目前已达到56K的传输速率. 对于数字通讯,按双绞线的种类和距离的不同,传输速率有很大差别,从1.544M~1G. 2.1.3 抗干扰性 低频时,其抗干扰性优于同轴电缆,超过10~100K时,同轴电缆比双绞线好. 2.1.4 价格

  16. 第二章传输介质和物理层接口 外绝缘层 屏蔽层 价格便宜 2.2 同轴电缆 2.2.1 50欧同轴电缆 只用于传送数字信号,分为 粗缆和细缆,传输速率为10M, 粗缆传输距离一般在几公里,细缆一般不超过1公里.其中间还要加中继器. 50欧同轴电缆一般用于总线型局域网,可用于点到点和多点结构,每段可带几百台设备. 2.2.2 75欧同轴电缆 绝缘层 导线

  17. 第二章传输介质和物理层接口 75欧同轴电缆也称为宽带电缆.主要用于公用有线电视.对于模拟信号发送,频率在300~400MHZ.电视每个频道为6M.因此,通常使用频分多路复用技术支持大量的通道.这些通道也可以传送数字信号.在目前技术下,75欧同轴电缆大约有20M的数据传输速率. 其价格在双绞线和光纤之间. 2.3 光导纤维电缆 光纤在传输介质领域内,发展最快.其具有以下四大优点:

  18. 第二章传输介质和物理层接口 *) 不引起电磁干扰和不会被电磁干扰. *) 光纤传送信号的距离比导线所能传送的距离远的多. *) 较之电信号比,光纤可在单位时间内传送更多的信息. *) 电流需要两根导线形成回路,而光纤只需要一根光纤即可. 缺点: 安装要有专门工具以确保光纤端面平整.维修困难.

  19. 第二章传输介质和物理层接口 外壳 芯子 光纤使用两种光源,即 发光二极管(LED)和注入 型激光二极管(ILD). LED价格较低,工作温度范围较大. ILD效率较高,可以保持很高的数据传输率. 光纤的数据传输率可达到几千Mbps.目前普遍使用的是点到点的链路. 6~8公里的距离内不使用中继器. 目前使用的光纤主要有两种规格:单模和多模光

  20. 第二章传输介质和物理层接口 纤. 单模光纤传输距离远,而多模光纤传输距离较近,一般小于2公里. 2.4 无线介质 无线技术指通过大气传输电磁波,它需要发送方和接受方有一条视线(Line-of-sight)通路. 有三种方式: 微波: 工作在1G~10GHZ,目前数据传输速率已达到2M. 距离可达到几公里. 但具有较强的方向性. 易受干扰.安全性也较差.

  21. 第二章传输介质和物理层接口 其他两种是远红外线和激光,因对环境干扰特别敏感,目前很少使用. 2.5 传输介质的选择 传输介质的选择是设计一个局部网络的重要部分.是由许多因素决定的.如: *) 环境范围. *) 容量.要支持网络通讯量. *) 可靠性. 满足可用的要求. *) 支持的数据类型,根据应用而定.

  22. 第二章传输介质和物理层接口 双绞线是众所周知的价格很便宜的介质.其传输速率已达到100M.高于同轴电缆.一座办公楼里布线,双绞线的性能价格比是很好的. 对于建筑物之间的布线,小于100M的可以考虑使用双绞线.目前光纤的价格已下降了很多,安全性,可靠性都很好.使用光纤是首选. 2.6 物理层接口 开放系统互连OSI的七层参考模型中,对物理层是这样定义的: “物理层为启动,维护和释放数据链路实体之间二进制位传输而进行的物理连接提供机械的,电

  23. 第二章传输介质和物理层接口 气的,功能的和规程的特性.这种物理连接可以通过中间系统,每次都在物理层内进行中继的二进制位传输. 这种物理连接允许进行全双工或半双工的二进制位流传输. 物理服务数据单元(即二进制位)的传输可以通过同步方式或异步方式进行.” 2.6.1 物理层接口的种类: 1) 双绞线连接器 RJ45 主要用于连接10/100M双绞线.内含4对8芯.

  24. 第二章传输介质和物理层接口 对于10/100M的双绞线,只使用2对. 2) 粗缆连接器AUI 9针T型插座,和粗缆连接时需要收 发器. 3) 细缆连接器BNC 类似示波器的探头连接器.和细缆 连接时需要T型接头. 4) 光纤连接器ST , SC等 光连接器的种类较多,目前网络常用

  25. 第二章传输介质和物理层接口 常用有ST,SC. SC是一根光纤一个头,而ST是两根光纤用一个头. 5) 串行接口 (DB9/DB25).如 RS232,RS422 串行接口有两种类型: 9针和25针两种.是计算机的基本配置. 串行接口常用于异步或同步传输数据. RS232 非平衡, CCITT V-28 (p50) RS422 平衡性, CCITT V-10/X.26 RS423 新的非平衡型, CCITT V-11/X-27

  26. 第三章 数据通讯技术 3.1 多路复用技术.(MULTIPLEXING) 当通讯介质的传送速率大大高于所需要的速率时,为了提高传送效率,提出了多路复用技术. 有两种技术: 频分多路复用FDM和时分多路复用TDM. FDM 将介质的带宽分成若干个频道,每个信号以不同的载波频率进行调制,载波不互相重叠.因此,在一个介质的带宽中就可以同时传送多路信号. TDM 利用每个信号在时间上的交叉,将介质传

  27. 第三章 数据通讯技术 输数据时,按输入信号的情况分成若干时间片,每个时间片传输一个信号.这就是时分多路复用技术. 3.2 异步传输和同步传输. 3.2.1 异步传输 每次传送一个字节(5~8个二进制位), 为了使对方知道传输开始与结束,需要在传送的字节的开始增加起始位,结束加停止位. STOP”1” START”0” START”0”

  28. 第三章 数据通讯技术 几点说明: *) 要求发送方和接受方的速率必须相同. *) 每传送一个字节的数据,总有2~3位的额外开销,数据传输效率有所降低. *) 数据接受方一般靠时钟选中来接受信号,为传输可靠,数据传输率一般较低.目前也已达到56K BPS. *) 有两种控制发送的方法: 硬件握手 软件(XON/XOFF)

  29. 第三章 数据通讯技术 *) 简单并且便宜. *) 典型使用是RS232接口,接调制解调器经电话线入网. 3.2.2 同步传输. 为了解决发送方和接受方的时钟漂移,提高传输率,在发送方和接受方之间提供一条时钟线,或者信号和时钟同时发送,这种方式称为同步传送. 同步字符 结束控制字符 数 据 SYNC

  30. 第三章 数据通讯技术 有两个同步协议HDLC,SDLC. 均使用01111110模式作为同步字符和结束控制字符.当数据中出现这个模式时,就在第5个1后面插入一个0.接受时将此0删除.叫位插入法. 说明: *) 一般说,同步比异步传输传输效率高. *) 同步传输允许用户传输二进制数. *) 具有纠错功能.(CRC 循环冗余校验) *) 硬件,软件费用较高.

  31. 第三章 数据通讯技术 3.3 数据交换技术 前面讲的是点到点的传输技术,实际情况是复杂的,往往需要通过中心站点将源发送数据送到目的地. 将希望通讯的设备成为站. 如:A,B,C,D,E. 将提供通讯的设备成为 结点,如图中的G. 站均连接到结点上,这些结点的集合称为通讯网络. E D G A C B

  32. 第三章 数据通讯技术 3.3.1 线路交换(Circuit Switching) 两个站之间有一个实际的物理连接.而结点只是为站提供用于连接的服务. 线路交换包括三种状态: *) 线路建立. *) 传输数据. *) 线路拆除. 3.3.2 报文交换.(Message Switching) 源站点发送一个报文到目的站点, 不需建立

  33. 第三章 数据通讯技术 一条物理通路,而是在报文上加上目的地址.结点收到报文后, 按照报文上的地址将报文传送到下一个结点或目的站点. 几点说明: *) 报文交换是存储转发类型的交换方式,对结点要求有足够的存储空间. *) 报文可以发送到多个站点. *) 当目的站点忙时,结点照样可以接受报文. *) 报文交换可以进行速度和代码的转换 .

  34. 第三章 数据通讯技术 *) 不能满足实时或交互式的通讯要求.延迟时间较长.局域网中不常用. *) 报文的长度没有固定. 3.3.3 分组交换.(Packet Switching) 分组交换结合了线路交换和报文交换的优点,尽量克服他们的缺点. 分组交换将报文分成固定长度的单位,每次发送一个单位.我们将这些单位称为分组或包(packet). 分组交换有两种传送方式:

  35. 第三章 数据通讯技术 数据报方法: 基本上和报文交换差不多.由于分组的长度固定且较短,为结点合理的选择路径提供了方便,目的地接受到的数据报的次序有可能不同,但改善了网络的性能. 虚电路方法: 发送任何分组之前,要建立一条逻辑连接.当目的地准备好接受连接后,发送一个呼叫到发送站,这是发送站和目的站即可发送分组.虚电路建立后,不再需要路径选择. 3.4 三种交换技术的主要特点: 1) 线路交换. 数据传送前需要建立物理通路.

  36. 第三章 数据通讯技术 线路释放前,该通路由一对用户占有,对于猝发式的通讯,线路交换率不高.任何允许一个应用程序独占共享资源的网络,将有长时间的阻塞. 2) 报文交换: 报文从源站到目的地采用存储转发方式,报文传送时占用一段通道.但交换时需要缓冲存储,需要排队.不适合实时通讯. 3) 分组交换: 交换方式和报文交换方式类似,但规定了最大分组长度.是数据网络中最广泛使用的交换技术. 在物理层中,定义用于特定网络类型中的分组,称为帧.

  37. 第四章 局域网拓扑结构 允许多台计算机共享通讯介质的网络广泛用于局域网.点到点连接用于长距离网络和一些其他特殊情况. 4.1.1 星型拓扑. 由中央结点和通过点到点链路接到中央结点的各站点组成.如图所示. 优点: *) 方便服务.可方便提供服务 和网络重新配置.

  38. 第四章 局域网拓扑结构 *) 单个连接的故障不影响全网. *) 故障容易检测与排除. *) 使用简单的访问协议 . 缺点: *) 依赖于中心结点, 如果此结点出现故障,全网则瘫痪. *) 需要的电缆多,维护,安装量大. 4.1.2 总线拓扑结构.

  39. 第四章 局域网拓扑结构 总线拓扑结构采用单根传输线作为传输介质,各站点均通过硬件接口直接联到传输介质上.如图所示. 特点: 1) 任何一站发送信号, 其他站都能接收. 2) 一次只能由一个站点传输数据.需要访问控制策略. 3) 接收站收到信息后,根据帧中的地址,判断是否是发给本站的.如果是,接收数据并进行处理;否则抛掉. 1 2 3 n

  40. 第四章 局域网拓扑结构 优点: *) 电缆少,布线容易. *) 总线是无源元件,可靠性高. *) 易于扩充. *) 数据传输率高,大于10M.分组发送. 缺点: *) 故障诊断,隔离困难. *) 站点应是智能的,有介质访问控制功能. *) 超过一定的站点,需要加中继器.

  41. 第四章 局域网拓扑结构 4.1.3 环形拓扑 由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成一个闭合环路.如图所示. 特点: 1) 只能在一个方向上 传输数据. 2) 多站点共享一个环,需要进行控制.如标记环(令牌). 3) 点到点,结点到结点的数据传送.

  42. 第四章 局域网拓扑结构 优点: *) 此结构简单,直观. *) 单方向传输,特别适合光纤.如FDDI 缺点: *) 任一结点故障,将引起全网瘫痪.故障诊断难. *) 扩充困难,需停掉全网. 以上三种拓扑结构,是局域网的基本结构.在此基础上,又扩充出以下两种结构:

  43. 第四章 局域网拓扑结构 4.1.4 树型结构 总线和星型结构的结合.如图所示: 是目前双绞线常用的结构. 优点: *) 易于扩展. *) 容易隔离故障. 缺点: *) 对根的依赖性大.

  44. 第四章 局域网拓扑结构 集中器 4.1.5 星型环拓扑 星型环拓扑是星型拓扑和 环型拓扑的结合.如图所示. 优点: *) 容易对故障进行诊断和隔离. *) 易于扩展. *) 安装电缆方便. 缺点: *) 需要智能集中器. *) 具有星型结构的电缆多,长的缺欠.

  45. 第四章 局域网拓扑结构 4.2 基带系统. 基带系统是总线型拓扑的主要应用.其典型应用是以太网(ETHERNET).采用无源介质作为总线传输信息.通常采用50欧同轴电缆.双向传输.总线的两端需要加终端器防止反射作用.如图所示. 总线的最大长度 是500米,通常称为一段. 每段可连接最多站点为100个.速率为10M.收发器电缆最长为50M. 以太网由5部分组成:收发器;收发器电缆; 收发器 收发器电缆

  46. 第四章 局域网拓扑结构 控制器;50欧同轴电缆;终端匹配器. 其体系结构如下: 网段可通过中继器,网桥扩展长度. 数据连路控制器 物理层通道 发送与接收 接口 数据封装 连路管理 编码与解码 网卡 收发器电缆 收发器

  47. 第五章 介质访问控制 5.1 局域网的重要性与访问的局部性. 计算机网络有以下特点: 1) 局域网是最流行的计算机网络,连接了比其他网络更多的计算机. 2) 计算机与附近的计算机通讯的可能性比远离的计算机通讯的可能性大. 3) 计算机很有可能与同一台计算机重复通讯. 基于以上特点,局域网在计算机网络中最为重要. 5.2 载波监听多路访问(CSMA).

  48. 第五章 介质访问控制 总线网络是多台计算机共享单一的传输介质,当一台计算机传送时,其他计算机必须等待.两个或多个计算机同时发送,即产生冲突,争用总线是突出的问题.为解决此问题,发布了CSMA协调方案. 5.2.1 CSMA控制方案: *) 一个站要发送数据,首先要监听总线,看是否有其他站发送数据. *) 如介质是空闲的,则可以发送数据. *) 如介质是忙的,则等待一定的间隔后重试. 5.2.2 坚持退避算法:

  49. 第五章 介质访问控制 1) 不坚持CSMA *) 假如介质空闲,则发送. *) 假如介质忙,等待一段随机时间,重复第一步. 2) 1--坚持CSMA *) 假如介质空闲,则发送 *) 假如介质忙,继续监听,直到空闲,立即发送. *) 假如冲突发生,等待一段随机时间,重复第一步. 3) P--坚持CSMA

  50. 第五章 介质访问控制 *) 假如介质空闲,则以P的概率发送,而以(1-P)的概率延迟一个时间单位.时间单位等于最大传输时间. *) 假如介质忙,继续监听,直到空闲,重复第一步. *) 假如发送被延迟一个时间单位,重复第一步. 一般情况NP<1. 5.3 载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD 采用CSMA算法,当两个站点监听总线上没有信号而发送信号时,仍会发生冲突.CSMA没有检测

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