网络传输协议.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1,网络协议,2.2,网络体系结构,2.3,网络传输介质,2.4,网络拓扑结构,2.5,网络传输技术,2.6,多路复用技术,2.7,网络交换技术,第二章 计算机网络基础,网络协议三要素：,1,.,语法，规定通信双方“如何讲”，即对通信双方采用的数据格式、编码等进行定义；,2,.,语义，确定通信双方“讲什么”，即对发出的请求、执行的动作及对方的应答作出解释；,3.,时序，确定通信双方的“讲话次序”，即事件实现顺序的详细说明。,2.1,网络协议,国际电报电话咨询委员会,(,CCITT),国际标准化组织,(,ISO),美国国家标准协会,(,ANSI),电气和电子工程师协会,(,IEEE),国际标准化组织,在计算机网络实践中，“层次”这个概念是无处不在的。了解网络体系结构，尤其是,TCP/IP,协议，是网络工程师的一项基本功，这对于我们今后的网络方案设计，特别是异构网络组网工程，具有非常重要的指导意义。,2.2,网络体系结构,2.2.1,网络体系结构概念,网络体系结构描述了网络系统各个部分完成那些功能、各部分之间的关系以及它们是怎样连接在一起的。概括的讲，网络体系结构是指整个网络系统的逻辑结构和功能分配。,网络体系结构的基本原则是：把应用程序和网络通信管理程序分开，并按信息在网络中传输的过程把通信管理程序分为若干个模块，把专用的通信接口转变为通用的、标准的通信接口。网络体系结构将网络的功能模块化、接口标准化，这样就会使网络具有更大的灵活性，使网络系统的建设、扩展和改造工作大大简化，使网络系统的运行和维护成本降低，也会使网络系统的性能得到提高。,在层次化的网络体系结构中通信是分层进行的，互相通信的两个系统必须具有相同的层次结构，并且相应的层必须执行相同的通信协议。,2.2.2,分层的网络体系结构,第,N+1,层,第,N-1,层,实体,1,实体,n,第,N,层,第,N+1,层,第,N-1,层,实体,1,实体,n,第,N,层,对等实体,对等层,分层的网络体系结构,1,各层之间相对独立。,2,灵活性比较好。,3,结构独立，各层采用最合适的技术来实现。,4,易于实现和维护。,5,能促进标准化工作。,分层时应注意使每一层的功能非常明确。若层数太少，就会使每一层的协议太复杂，达不到简化系统的目的。但层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,采用分层的体系结构有明显的优点：,2.2.3,网络体系结构实例,1,ISO/OSI,开放式网络体系结构,ISO/OSI,开放式网络体系结构一般称为,ISO/OSI,参考模型，它是由国际标准化组织于,1977,年提出的，目的是为了使不同厂家生产的不同型号计算机能相互通信。,会话层,应用协议,(,APDU),传输层,网络层,数链层,物理层,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数链层,物理层,应用层,表示层,表示协议,(,PPDU),会话协议,(,SPDU),传输协议,(,TPDU),网络层,数链层,物理层,网络层,数链层,物理层,主机,A,主机,B,packet,packet,frame,frame,bits,bits,数据比特的发送和接收，数据传输率。,物理连接的建立、保持与释放。,定义媒体的机械、电气参数及规格。,1),物理层,(,physical layer),典型问题,基本功能,用多少伏特电压代表,“,1,”,和,“,0,”,一个比特持续多少微秒,传输是否在两个方向上进行,连接如何建立及如何终止,网络连接器有多少针,OSI,物理层,a),物理层的功能,在信道上传输原始位流，保证比特位的正确收发,。,b),物理层的特性,机械特性,:,电气特性,:,规程特性,:,传输媒体,:,成帧,差错控制,流量控制,确认帧和数据帧的线路竞争,共享媒体的访问控制,2),数据链路层,(,Data Link Layer),典型问题,建立、保持和释放数据链路,成帧和拆帧,(,同步链路,),差错控制,(,检错和纠错,),流量控制,(,停等，滑动窗口,),链路管理与媒体访问,(,固定，随机,),基本功能,OSI,数据链路层,a),数据链路层的功能,在物理连接基础上建立、维护和释放数据链路（逻辑通道），检测传输错误（校验和加确认机制），广播网络需控制对共享信道的访问，流控,b),数据链路协议数据单元,帧,发送方封装数据帧,定义和识别帧的边界,处理接收方回送的确认帧,确定分组如何从源端到达目的端,解决网络的拥塞,记帐,异种网络互联,3),网络层,(,Network Layer),典型问题,基本功能,数据交换,流控,拥塞控制,(,预分配,),差错控制及恢复,路由选择,(,自适应,/,非适应,),网络互联,(,源路由,/,透明,),OSI,网络层,a,）,网络层的功能,确定分组如何从源主机路由到目的主机，解决寻径问题。,路由层的关键是路由选择。,对广播通信信到来说，不需要路由层。对于通信子网来说，第三层网络层是它的最高层。,b,）,网络协议数据单元,分组或包,创建网络连接,决定提供的服务,真正端端层,区别报文属于哪条连接,流控机制,4),传输层,(,Transport Layer),典型问题,基本功能,顺序性,/,组装,传输连接的建立和释放,差错控制,提供可靠透明的数据传输,QOS,：,吞吐量、延迟、机密,OSI,传输层,传输层的功能,隔离上三层和下三层，屏蔽连网细节，提供端到端的无错信道。解决多路复用与多路合用问题以及流控问题,传输协议数据单元,片,(,Segment),为有序地、方便地进行信息交换，提供有效的控制和管理机制。,5),会话层,(,Session Layer),典型问题,提供类似传输层的普通数据传送,管理对话,令牌管理,(,Token management),同步,(,synchronization),基本功能,:,服务请求,服务响应,主机,A,主机,B,OSI,会话层,会话层的功能,管理对话控制，提供往数据流中插入检查点功能,数据表示,(,ASCII,，,EBCDC),数据压缩,数据库的不同库结构或字段间映象或变换,数据加密,(,私用,/,公共密钥系统,),6),表示层,(,Presentation Layer),典型问题,定义和管理抽象数据结构,管理这些抽象数据结构,把计内的表示法转换为网络的表示法,基本功能,表示层的功能,关心所传输信息的语法和语义，屏蔽不同体系结构计算机在数据表示上的差异,OSI,表示层,网络虚终端,文件传输,电子邮件,远程作业录入,目录查找等,7),应用层,(,Application Layer),网络的完整透明性,操作用户源的物理配置,应用管理,系统管理,分布式信息服务,典型问题,基本功能,OSI,应用层,电脑应用,字符处理,绘图,制表,数据库操作,程序设计,项目规划,.,单机企业内部全球,EDI,WWW,Email,转发,BBS,Chat,会议系统,.,互连网应用,电子邮件,文件传输,远程访问,C/S,过程,信息存取,网络管理,.,网络应用,2,TCP/IP,的体系结构,TCP/IP,起始于,20,世纪,70,年代中期，为了实现异种网之间的互连和互通，美国国防部高级研究计划署,ARPA,资助网络互连技术的研究开发，于,1977,年到,1979,年推出了,TCP/IP,体系结构和协议规范，并从,1980,年开始将,ARPANET,上的计算机转换为,TCP/IP,协议，并以它为主干建立了,Internet,。,所以,TCP/IP,是,Internet,的核心协议。经过,20,年的发展，,TCP/IP,已经成为一种可靠的实现多厂商计算机互连的协议。,TCP/IP,协议体系,应用层,传输层,网络层,网络接口层,主机,A,应用层,传输层,网络层,网络接口层,主机,B,应用协议,(,APDU),传输协议,(,TPDU),网络层,接口层,网络层,接口层,packet,packet,frame,frame,TCP/IP,与,ISO/OSI,的模型对比,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,网络接口层,互联网层,传输层,应用层,TCP/IP,模型的重要分界线,硬件,网络接口层,IP,层,传输层,应用层,软件分界线,地址分界线,应用软件,系统软件,（操作系统内部）,使用,IP,地址,使用,物理,地址,该层着重于数据交换,该层使用的特定软件取决于网络类型,1),网络接口层,物理层,该层着重于规范传输媒体的特性,涵盖数据传输设备与传输媒体的物理接口,网络访问层,处理来自传输层的报文发送请求,处理入境数据报,处理,ICMP,报文,2,）,互联网层,(,Internet Layer),基本任务,互联网层协议,IP,ICMP,ARP,RARP,提供端端的数据传送服务,为应用层隐藏底层网络的细节,3),传输层,主要功能,TCP,UDP,传输层协议,4),应用层,(,Application Layer),IP,TCP,BGP,FTP,HTTP,SMTP,TELNET,SNMP,UDP,ICMP,OSPF,5),简单操作过程,应用字节流,网络级包,用户数据,TCP头,IP头,网络头,TCP段,IP,数据报,3,IEEE 802,参考模型,在,20,世纪,80,年代初期，,IEEE 802,委员会首先制定出局域网的体系结构，这就是著名的,IEEE 802,参考模型。由于局域网只是一个计算机通信网，而且局域网不存在路由选择问题，因此它不需要网络层，只有最底的两个层次。然而局域网的种类繁多，为了使局域网的数据链路层不至于过于复杂，提出将局域网的数据链路层划分为两个子层：介质访问控制（,MAC,）,子层和逻辑链路控制（,LLC,）,子层，而网络的服务访问点,SAP,则在,LLC,层与高层的交界面上。,3.IEEE 802,参考模型,逻辑链路控制子层,LLC,介质访问控制子层,MAC,物 理 层,服务访问点,SAP,2.3.1,基本概念,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是网络通信中传送信息的实际载体。,网络中常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤以及无限通信。不同的传输介质对网络通信质量的影响不同，主要体现在：物理特性、传输特性、连通性、抗干扰性以及传输距离。,2.3,网络传输介质,2.3.2,传输介质简介,1,同轴电缆,同轴电缆视网络中应用十分广泛的传输介质之一。它由内导体、外屏蔽层、绝缘层以及外部保护层组成。根据同轴电缆的带宽不同，可以将其分为两类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。,2,双绞线,双绞线由按规则螺旋结构排列的两根、四根或八根绝缘导线组成，一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小，通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上硬的护套。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力，可以在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层，这就成了屏蔽双绞线。,3,光纤,光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯用来传导光波，其传输原理是这样的：光源发射出经过编码的光信号，光线进入光纤芯，只有以一定角度范围进入的光线才能被全反射，而其它的光线全被吸收。,4,无线传输介质,无线传输介质不使用电或光的导体传输信号，而是利用大气的电磁波传输信号。信号的发送和接收是通过天线完成的，发送时天线将电磁波能量发射到介质中；接收时天线从周围介质中收集电磁波。无线通信一般有两类天线：定向天线和全向天线。,2.4.1,基本概念,网络拓扑结构是指网络中各个站点之间的连接方式。物理拓扑结构描述了网络硬件的实际布局，逻辑拓扑结构描述了网络中各个节点间的信息流动方式。需要注意的是，网络拓扑结构是决定网络工作环境和条件的主要因素。,2.4,网络拓扑结构,2.4.2,网络拓扑结构及应用,总线型 环型 树型,网状型 星型 混合型,1,总线型,总线型拓扑结构的特点是：结构简单灵活，便于扩充，设备量少，价格低，安装使用方便。随着以太网的普及，总线型拓扑结构曾经是,20,世纪,70,年后期到,90,年代中期风靡一时的网络拓扑结构，是早期以太网的代表作。其缺点是：“一条直线走到黑”，使得网络规模、距离、网络布线施工大受限制。,2,环状拓扑,环形网的特点是：信息在网络沿固定方向流动，两个节点间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制；当某个节点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高；由于信息是串行穿过多个节点环路接口，当节点过多时，影响传输效率，使网络响应时间变长，但当网络确定时，其延时固定，实时性强；由于环路封闭，扩充不方便。,3,星型拓扑,星型拓扑结构的特点是：高度集中控制易于网络管理、网络的通信量、报告错误信息、监测和诊断网络故障；容易扩展。但这种拓扑结构费用比较高，；中央节点成为全网的关键设备，如果中央节点发生故障，整个网络就不能工作，因此要求中央节点具有较高的可靠性和冗余度以及较高的数据处理能力，这无形中又增加了费用。,4,树型拓扑,树型拓扑结构的特点是：易于扩展，当需要加入一个新的节点时，只需在最底层的节点上再加入一个分支；故障隔离容易，当一个分支节点发生故障时，整个树型网络分成了两个独立的树型网络，这是很容易将故障节点与整个网络分开。,5,网状拓扑结构,网状拓扑结构的特点是：具有很高的可靠性，因为任何两个节点之间都有多条路由。当两个节点之间的直接路由出现故障时，这两个节点仍可通过第三个节点迂回路由进行通信。迂回路由的另一个作用是可以分担网络流量，当两个节点之间通信量过大时，可以分担一部分通信量到迂回路由上。但这种网状结构安装费用高，不易维护和管理。对于一般企业应用来说，没有必要花费过多的财力和人力来获得如此高的可靠性，所以网状拓扑大多应用在公用电信网络中，特别是主干网中。,6,混合型结构,混合型拓扑结构是由上面的几种拓扑结构混合而成的。因为任何一种拓扑结构都各有优缺点，在实际应用时可根据需要有意识地发挥某一种拓扑结构的优点。混合型拓扑结构中目前应用最多的是星型和环型结构混合成的星型环结构。,2.5.1,基本概念,1.,信号源的数据类型,信号源发出的数据可以是模拟的也可以是数字的。模拟信号具有连续的电平值，在时间上也是连续的，如我们熟悉的电话语音信号。数字数据具有离散的电平值，在时间上也使离散的，如计算机处理的比特流等。,2.5,网络传输技术,2.,传输损伤,信号在通信系统中进行传输时，或多或少的都会受到一些损伤。对模拟信号表现为信号质量下降，对数字信号表现为传输的误码。传输损伤最主要的因素是传输过程中有损耗和噪声。损耗的影响表现为随着传输距离的增加信号点平变低。另外，在传输过程中一些不需要的信号还会叠加到传输的信号中，这些干扰信号统称为噪声。,2.5.2,数据编码技术,1,数据编码类型,在计算机中数据是以离散的二进制,0,、,1,比特序列表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型，主要取决于它采用的通信信道所支持的数据类型。根据数据通信信道的类型，数据编码方式分为两类：模拟数据编码和数字数据编码。,模拟数据编码,数字数据编码,振幅键控,ASK,移频键控,FSK,移相键控,PSK,非归零码,NRZ,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,数据编码方法,2,模拟数据编码方法,在调制过程中，首先要选择音频范围内的某一角频率,的正弦信号作为载波，该正弦信号可以写为：,u(t)=u,m,sin,(t+,0,),在载波,u(t),中，通过改变振幅,u,m,、,角频率,和相位,0,就可以实现模拟数据信号的编码。,振幅键控,：,简单易实现，但抗干扰能力较差。,移频键控,：,是目前常用的调制方法。,移相键控,：,抗干扰能力强，但实现较复杂,。,模拟数据信号的编码方式,3,数字数据编码方法,频带传输的优点是可以利用目前覆盖面最广、普遍应用的模拟语音通信信道。用于语音通信的电话交换网技术成熟，造价较低，但其缺点是数据传输速率与系统效率较低。基带传输在基本不改变数字数据信号频带的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率和系统效率，是目前迅速发展与广泛应用的数据通信方式。,a,.,非归零码,NRZ,NRZ,码规定用负电平表示逻辑“,0,”,，用正电平表示逻辑“,1,”,，也可以用负逻辑表示。,非归零码,NRZ,的缺点是它难以确定一位的结束和另一位的开始，需要有某种方法来使发送器和接收器进行定时或同步。另外，如果传输信号中的“,1,”,与“,0,”,的个数不相等时，就会存在直流分量，这在数据传输中是不希望出现的。解决这一缺点的方案是曼彻思特编码方法。,b.,曼彻斯特编码,曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。它的编码规则是：每比特周期,T,分为两部分，前半个周期传送该比特的反码，后半个周期传送该比特的原码。该编码的优点是利用每个比特中间的跳变可以产生收发双方的同步信号。因此，曼彻斯特编码信号又称作“自含时钟编码”信号，发送曼彻斯特编码信号时无需另发同步信号,。,c.,差分曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的该进，它与曼彻斯特编码的不同之处在于：每比特的中间跳变仅做同步之用；每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定，一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制“,0,”,，不发生跳变表示传输二进制“,1,”,。,0 1 0 0 1 0 1 1,数据,(,a)NRZ,同步时钟,(,b)Manchester,编码,(,c)Different,Manchester,编码,数字数据信号波形,4,脉冲编码调制方法,由于数字信号传输失真小、误码率低、数据传输率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字外，语音、图像信息的数字化已成为发展的必然趋势。脉冲编码调制（,PCM,）,是模拟数据数字化的主要方法。,PCM,技术的典型应用是语音数字化。语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输，但是在网络中将语音与计算机产生的数字、文字、图形与图像同时传输，就必须首先将语音信号数字化。,a,采样,模拟信号数字化的第一步就是采样。模拟信号是电平连续变化的信号，采样就是隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平值取出来作为样本，让其表示原信号。采样频率为：,f,2B,或,f,f,max,其中,B,为通信信道带宽，,f,max,为信道允许通过的信号最高频率。,b,量化,量化是将取样样本幅度按量化级决定取值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量级值，以不再是连续值。量化之前要规定将信号分为若干量化级，例如,8,级或,16,级，以及更多的量化级，这要根据精度要求决定。同时，要规定好每一级对应的幅度范围，然后将采样所得样本幅值与量化级幅值比较。例如，,1.28,取值为,1.3,；,1.52,取值为,1.5,。,c,编码,编码是用相应位数的二进制码表示量化后的采样样本的量级。如果有,K,个量化级，则二进制的位数就是,log,2,K,。,例如，如果量化级有,16,个，那么就需要,4,位编码。在目前常用的语音数字化系统中，多采用,128,个量级，需要,7,位编码。经过编码以后，每个样本都要用相应的编码脉冲表示,.,样本,量化级,二进制编码,编码信号,D0,1,0001,D1,4,0100,D2,7,0111,D3,13,1101,D4,15,1111,D5,13,1101,D6,6,0110,D7,3,0011,PCM,工作原理示意图,2.6.1,多路复用技术的概念,引起人们研究和应用多路复用技术的原因主要有两点：一是通信工程中用于通信线路架设的费用相当高，人们需要充分利用通信线路的容量；二是无论在广域网还是在局域网中，传输介质的传输容量往往都超过了单一信道传输的通信量。为了充分利用传输介质，人们研究与应用了在一条物理线路上建立多条通信信道的技术，这就是多路复用技术。,2.6,多路复用技术,多路复用原理示意图,多路复用器,多路复用器,高速链路,2.6.2,频分多路复用,FDM,事实上，通信线路的可用带宽超过了给定信号的带宽，频分多路复用正是采纳了这一优点。频分多路复用的基本原理是：如果每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即各个信道所占用的频带不相互重叠。相邻信道之间用“警戒频带”隔离，那么各个信道就能独立的传输一路信号。,频分复用示意图,2.6.3,波分多路复用,WDM,光纤通道技术采用了波长分割多路复用方法，简称为波分复用。实际上，波分复用也是频分多路复用的方法。两束不同频率的光波通过棱镜（或光栅）之后，使用了一条共享的光纤传输，它们到达目的节点后再经过棱镜（或光栅）重新分成两束光波。因此，波分多路复用并不是什么新的概念。,光栅,光纤,1,光纤,2,光纤,4,光纤,3,共享光纤,光栅,波长,功率,波分多路复用原理示意图,2.6.4,时分多路复用,时分多路复用,TDM,是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。目前广泛应用的时分多路复用的方法是贝尔系统的,T,1,载波。,信道,1,信道,2,信道,3,信道,24,193,比特帧,7,位数据位,帧开始位,校验位,时分多路复用原理示意图,在讨论了数据如何编码，如何在通信信道上传输等问题之后，接下来我们将要讨论数据如何通过通信子网，去实现资源子网中两台连网计算机之间的数据交换问题。在早期的广域网中，数据通过通信子网的基本交换方式分为：线路交换和存储转发交换两类。,2.7,网络交换技术,2.7.1,线路交换技术,线路交换方式与电话交换方式的工作过程类似，两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接。典型的线路交换过程分为三个阶段：,线路建立、数据传输、线路释放。,255,255,500,50,0,频分复用,频分复用,数字通信,模拟通信,模拟通信,数据交换技术一：线路交换,呼叫应答,释放应答,应 答,释放请求,报文分组,呼叫请求,线路建立,数据传输,线路释放,线路交换方式基本工作原理,2.7.2,存储转发交换方式,存储转发交换方式与电路交换方式的主要区别表现在以下两个方面：,发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定的格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；,通信中的节点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路由和转发功能。,正是由于存储转发交换方式由以上明显的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。由于分组的长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发需要的时间较少，这就有利于提高存储转发节点的存储空间利用率与传输效率，因此成为当今公用数据交换网中主要的交换技术。目前，美国的,TELENET,以及中国的,CHINAPAK,都采用分组交换技术，这一类通信子网通称为分组交换网。在实际应用中，分组交换技术由可分为以下两类：数据报方式和虚电路方式。,1,数据报方式,P,1,ACK,ACK,ACK,ACK,ACK,A,B,C,D,E,G,F,P,2,HA,HB,P,1,P,2,P,2,P,2,P,2,P1,P,1,P,1,1 2 3,到达,1 3 2,重排,1 2 3,D,D,C,C,B,B,E,E,A,A,分组,信源,信宿,信宿,数据交换技术二：分组交换,A,B,数据报方式工作原理示意图,P1,ACK,P2,2,虚电路方式,虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，发挥两种方法的优点，达到最佳的数据交换效果。虚电路方式的电路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：,a.,虚电路建立阶段,b.,数据传输阶段,c.,虚电路拆除阶段,A,B,虚电路方式工作原理示意图,呼叫应答,释放应答,释放请求,P1,呼叫请求,线路建立,数据传输,线路释放,ACK,P2,本章思考题,1.,如何理解网络体系结构？,2.,数据封装的目的是什么？,3.,下列哪种说法可以用来描述电路交换式网络？,A.,它是一种“需要时”激活的网络。,B.,它是一种在任何时间都处于激活状态的网络。,C.,它是一种拨号,-,备份技术。,D.,它不是在任何区域都可用的。,