计算机网络的产生:(功能)
资源共享、提供高可靠性服务、分布式处理、项目合作、数据通信
从体系结构来观察,计算机网络的发展可分为三个阶段(三代网络):
两层网络:
由CCP组成的传输网络——通信子网,提供信息传输服务
建立在通信子网基础上的主机集合——资源子网,提供计算资源。
因特网的前身——ARPANET
国际标准(ISO OSI/RM)Open System Interconnection/Recommended Model(开放系统互联参考模型,简称OSI参考模型),OSI参考模型是一种概念上的网络模型,规定了网络体系结构的框架。(7层)
事实上的标准:TCP/IP(因特网的骨干协议),从体系结构上看,它是OSI参考模型的简化。(4层)
计算机网络能做什么(功能)
数据通信(Communication Medium):文件传输、IP电话、email、视频会议、信息发布、交互式娱乐、音乐
资源共享(Resource Sharing):软件、硬件、数据(数据库)
提供高可靠性服务(High Reliability):利用可替代的资源,提供连续的高可靠服务
节省投资(Saving Money):替代昂贵的大中型机系统
分布式处理(Distributed Processing)
按地域范围分类
局域网(LAN)(Local Area Network ,LAN):
范围:小,<20KM
传输技术:基带,10-1000Mbps,延迟低,出错率低(10-11)
拓扑结构:总线,环
城域网(MAN)(Metropolitan Area Network ,MAN)
范围:中等,<100KM
传输技术:宽带/基带
拓扑结构:总线
广域网(WAN)(Wide Area Network , WAN)
范围:大,>100KM
传输技术:宽带,延迟大,出错率高
拓扑结构:不规则,点到点
因特网的拓扑结构
点:端接系统(PC、服务器、PDA等)、交换/节点设备(路由器、集中器、交换机等)
边:通信链路(光纤、线缆、无线链路等)
因特网服务提供商(ISP)提供网络接入
局域网络通常使用广播方式,
广域网络通常使用点对点方式。
带宽:带宽是通信信道的宽度,是信道频率上界与下界之间之差,是介质传输能力的度量,在传统的通信工程中通常以赫兹(Hz)为单位计量。在计算机网络中,一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位:kb/s,Mb/s,Gb/s
例如:传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特,它的带宽相应为10Mb/s。
数据及计算机通信术语
数据(Data):传递(携带)信息的实体。
信息(Information):是数据的内容或解释。
信号(Signal):数据的物理量编码(通常为电编码),数据以信号的形式在介质中传播。
1. 模拟信号、数字信号
2. 基带(Base band)、宽带(Broad band)
信道(Channel):传送信息的线路(或通路)。
比特(bit):即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数(即数据传送速率)。
码元(Code cell):时间轴上的一个信号编码单元。
波特(Baud):码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。
误码率:信道传输可靠性指标,是一个概率值。
信息编码:将信息用二进制数表示的方法。例如:ASCII编码、BCD编码等
数据编码:将数据用物理量表示的方法。
带宽(Band width,BW)信道传输能力的度量。单位b/s ,kb/s,Mb/s,Gb/。(BW ≈ fmax- fmin ) 单位:赫兹(Hz)
时延(Delay):信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。
比特率、波特率和信号编码级数的关系:R bit = R baud×log2M;上式中: M是信号的编码级数,R bit是比特率,R baud是波特率
通信的三个要素:信源、信宿和信道
数据通信基本过程5个阶段,包含两项内容:数据传输和通信控制
建立物理连接—————— 拨号,拨通对方
建立逻辑连接—————— 互相确认身份
数据传输———————— 互相通话
断开逻辑连接—————— 互相确认要结束通话
断开物理连接—————— 双方挂断
数字通信的优点
信道的最大数据传输率
单/双工通信——单/双向传输
单工:数据单向传输(例:无线电广播)
半双工:数据可以双向交替传输,但不能在同一时刻双向传输(例:对讲机)
全双工:数据可以双向同时传输(例:电话)需要具有两条物理上独立的传输线路;或者需要具有一条物理线路上的两个信道,分别用于不同方向的信号传输。
数据同步方式:
位——位同步
字符——字符同步
帧(Frame)——帧同步
地球同步卫星
与地面站相对固定位置(35,784公里)
使用3颗卫星即可覆盖全球
传输延迟时间长(≈270ms)
广播式传输
应用领域:电视传输,长途电话,专用网络,广域网
编码与调制:编码
编码:
1. 把数字数据编码成数字信号的过程
2. 把模拟数据编码成数字信号的过程
把数字数据编码成数字信号的过程(基带传输,区分0和1)
把数字数据调制成模拟信号的过程(调制解调器)
三种常用的调制技术:
幅移键控——ASK (Amplitude Shift Keying)
频移键控——FSK (Frequency Shift Keying)
相移键控——PSK (Phase Shift Keying)
正交振幅调制QAM:R=Blog2(m*n)b/s
把模拟数据编码成数字信号的过程(对音频信号编码)
采样定理:如果模拟信号的最高频率为F,若以≥2F的采样频率对其采样,则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。
模拟数据要在数字线路上传输,必须将其转换成数字信号
PCM脉码调制(脉码调制, Pulse Coded Modulation)的三个步骤:
1. 采样:按一定间隔对语音信号进行采样
2. 量化:把每个样本舍入到最接近的量化级别上
3. 编码:对每个舍入后的样本进行编码
编码后的信号称为PCM信号。
多路复用:多个信息源共享一个公共信道——(名词解释)
为何要复用?——提高线路利用率
适用场合:当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时
类比:公共运输系统(铁路、海运、航空)
复用方法:
数据交换技术(名词解释)
实现交换的方法主要有:电路交换、报文交换和分组交换。
电路交换:
在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。
可以是真正的物理线路,也可以是一个复用信道。
特点:数据传输前需要建立一条端到端的通路。——称为“面向连接的”(典型例子:电话)
过程:建立连接→通信→释放连接
优缺点:
报文交换:
以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。在交换过程中,交换设备将接收到的报文先存储,待信道空闲时再转发出去,一级一级中转,直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。
传输之前不需要建立端到端的连接,仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。——称为“无连接的”(典型例子:电报)
整个报文(Message)作为一个整体一起发送。
优缺点:
分组交换:(包交换)
将报文分割成若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。
数据传输前不需要建立一条端到端的通路——也是“无连接的”。
有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。
优缺点:
差错控制技术
自动请求重传(ARQ Automatic Repeat Request )
检错码主要有两种编码方法:
网络体系结构=分层+协议+接口与服务
计算机网络中也采用了分层方法。——把复杂的问题划分为若干个较小的、单一的局部问题,在不同层上予以解决。
层次结构方法的优点:独立性强、适应性强、易于实现和维护
基本概念:(填空题)
对等层通信的实质:对等层实体之间实现的是虚拟的逻辑通信;下层向上层提供服务;上层依赖下层提供的服务来与其它主机上的对等层通信;实际通信在最底层完成。
协议:定义网络实体间发送和接收报文的格式、顺序以及当传送和接收消息时应采取的行动。
协议三要素:(填空)
语义:对协议中各协议元素的含义的解释
语法:协议元素与数据的组合格式,即报文格式。
时序:通信过程中,通信双方操作的执行顺序和规则。
协议数据单元(PDU Protocol Data Unit)
传输层————段(Segment)
网络层————分组/包(Packet)
数据链路层——帧(Frame)
物理层————比特(Bit)
七层OSI/RM的体系结构分为7层各功能
7 应用层Application—————为网络应用提供服务
6 表示层Presentation————数据表示
5 会话层Session——————在用户间建立会话关系
4 传输层Transport—————不同主机进程间的通信
3 网络层Network——————在主机间传输分组
2 数据链路层Data Link———在节点间可靠地传输帧
1 物理层Physical——————位流(比特流)的透明传输
TCP/IP体系结构分为4层:
应用层 ————application =(OSI中的应用层+表示层+会话层)
传输层 ————transport
网际层 ————internet
网络接口层 ——network interface =(OSI中的数据链路层+物理层)
如下图所示:
数据链路层(data link layer)
任务:将网络层传下来的IP数据报组装成帧,在两个相邻节点间可靠地传输数据,使之对网络层呈现为一条无错的链路。
协议:SDLC、HDLC、PPP、STP
*功能:成帧、差错控制、流量控制、传输管理
1. 建立与拆除数据链路连接
2. 组帧:帧封装,按顺序传送,处理返回的确认帧;
3. 定界与同步:产生/识别帧边界;
4. 差错检测/恢复:可靠的传输,CRC,ARQ;
5. 流量控制:抑止发送方的传输速率,使接收方来得及接收。
网络层(network layer,internet layer)也叫网际层或IP层
任务:选择合适的路由,把分组从源端传送到目的端。
协议:IP、ARP、RARP、IPX、ICMP、IGMP、OSPF
*功能:路由选择、差错控制、流量控制、拥塞控制、网际互联
1. 在源端与目的端之间建立、维护、终止网络的连接
2. 路由选择和分组中转
3. 流量控制和拥塞控制
4. 多路复用:为多个传输层实体提供网络连接服务
5. 分段与组合:大数据块分段,小数据块组合
6. 差错检测与恢复
7. 流量统计和记账
传输层(transport layer)也叫运输层
任务:负责主机中两个进程之间的通信,在源端与目的端之间提供可靠的透明数据传输,使上层服务用户不必关系通信子网的实现细节。
协议:TCP、UDP
功能:差错控制、流量控制、服务质量、数据传输管理
应用层(application layer)
任务:为用户的应用进程提供网络通信服务。
协议:HTTP、SMTP、DNS、FTP、RTP、Telnet
功能:运用各种协议解决问题
1. 提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求;
2. 识别并证实目的通信方的可用性;
3. 使协同工作的应用进程之间进行同步;
4. 为通信过程申请资源。
路由选择
传输层两种服务的比较
TCP/IP协议栈
应用层 ———————————————— Message(报文)
HTTP、SMTP、DNS、FTP、Telnet 、RTP
传输层 ———————————————— Segment(段)
TCP, UDP
网络层 ———————————————— Packet(分组)
IP, ICMP, ARP, RARP
网络接口 ——————————————— Frame(帧)/Bit(比特)
(数据链路层+物理层)
PPP、Ethernet、 ATM 、DFFI、802.3(CSMA/CD)、802.5(令牌环网Token ring)
TCP/IP的应用层
应用层协议为文件传输、电子邮件、远程登录、网络管理、Web浏览等应用提供了支持。
协议:
TCP/IP的传输层
传输层的主要功能:提供进程间可靠的传输服务
协议:
TCP/IP的网际层
主要功能是把数据报通过最佳路径送到目的端。
协议:
局域网三要素:拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式
局域网包含了两个层次:数据链路层(的MAC子层)和物理层(PHY)
各协议
802.2 —— 逻辑链路控制LLC
802.3 —— CSMA/CD(以太网)
802.4 —— Token Bus (令牌总线)
802.5 —— Token Ring(令牌环)
802.6 —— 分布队列双总线DQDB – MAN标准
802.8 —— FDDI(光纤分布数据接口)
802.11 —— WLAN(无线局域网)
随机介质访问控制协议(争用型协议)
载波监听(CS发送前和发送时都检测)多路访问(MA利用总线型网络结构)带冲突检测(CD半双工通信网络)(CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access With Collision Detect )
带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)——用于IEEE802.3(以太网)
工作原理:
令牌传递(Token Passing)
传统以太网IEEE 802.3
MAC地址/物理地址
广域网包含物理层、数据链路层和网络层
广域网包含两种协议:
1. PPP协议:面向字节
2. HDLC协议:面向比特
广域网特点:
xDSL(数字用户线)
ADSL ——非对称数字用户线(我国使用最广泛)
为解决频带重叠带来的近端串扰问题,需使用回波抵消技术。但复杂性和价格的代价较大。
综合业务数字网(ISDN)
异步传输模式(ATM)
ATM是建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。
吸取了电路交换实时性好、分组交换灵活性强的优点;
基本思想是以小的定长分组来传输所有类型的信息;
目前最高速率为10Gb/s,即将达到40Gb/s;
具有优秀的QoS(服务质量)保证。
广域网、因特网和万维网
广域网是基于各种电信网络的计算机网络。
因特网和万维网是建立在广域网基础上的一种大规模的网络应用系统。
广域网为因特网提供了信息的物理传输手段,是因特网的基础。
因特网是建立在广域网基础上的一种以资源共享为目的的资源网络,是广域网上的一种应用。
万维网则是逻辑上的信息资源网络,是因特网上的一种应用。
硬件无关,多任务多用户,双机热备
网络操作系统的类型:集中式、客户/服务器(C/S)、对等式(Peer to Peer)
基本功能服务:
文件服务——把文件系统从单机扩展到网络;
打印服务——把本地打印扩展到网络打印;
目录服务——把网络资源以目录形式提供给用户;
通信服务——用户之间的消息传输;
安全管理——管理用户的权限和资源的访问权限。
系统容错技术
磁盘镜像(Disk Mirroring)
磁盘双工(Disk Duplex)
双机备份(Disk Duplex)
UNIX是一个多用户、多任务、分时操作系统。
工作组、域(Domain)、域树、域森林(5~8‘)
工作组(Work Group)的概念主要用于对等网
域是具有集中安全控制的用户组
域中可包含多个组织单元(OU)
域中可包含多个组织单元(OU)
多个域树可合并构成一个域森林(Domain Forest)
域、域树和域森林都可以共享同样的网络资源访问机制和活动目录的服务
IP 寻址:
IP 地址: 32-bit 用来定义主机,路由器的接口
接口: 连接主机,路由器之间的物理链路
路由器一般有多个接口
主机也可能有多个网络接口
IP 地址只和接口有关, 而与主机,路由器却没有太多关联
划分子网(Subnetting)
从IP地址的主机编号部分“借用”若干位作为子网编号,主机编号前几位相应缩短。
子网掩码(计算题)
子网掩码的作用
使网络内的计算机了解子网划分的结构
使边缘路由器了解子网划分的结构
子网掩码的格式
子网掩码也是32bit长的二进制数,由一串连续的1后跟一串连续的0组成;
前面的1与网络号和子网号对应,后面的0与主机号对应。如前面的例子:
子网结构为: 00001010 00000101 ss xxxxxx xxxxxxxx
子网掩码为: 11111111 11111111 11 xxxxxx xxxxxxxx
写成十进制数为: 255.255.192.0
不划分子网时,各类IP地址默认的子网掩码为:
A类:255.0.0.0
B类:255.255.0.0
C类:255.255.255.0
已知IP地址和子网掩码,如何计算子网地址?
用子网掩码和IP地址“相与”(AND操作),结果就是子网地址。
例如:IP地址10.5.100.1,子网掩码10.5.192.0。则可计算出10.5.100.1的子网地址为
推论:若两个IP地址具有完全相同的子网地址,则它们在同一子网中。
网际协议IP-Internet Protocol
ARP: 地址解析协议(Address Resolution Protocol)(填空题)
流程:
A 知道 B的 IP 地址, 需要了解B的物理地址
A 广播 ARP 查询帧, 包含了 B的 IP地址,所有 LAN 的主机都收到 ARP 查询
B接收到 ARP帧, 将其物理地址返回给A
A 对收到的IP/MAC地址对进行缓存直到信息过期 (超时)
*软状态: 除非定期刷新,否则超时信息将被删除
RARP协议:把MAC地址映射为IP地址。(填空题)
POP、SMTP