计算机网络通信1

1本课程的主要内容1.数据通信基本知识。2.网络的原理和体系结构，包括OSI七层协议体系结构和TCP/IP体系结构。3.计算机网络各层协议的功能4.各种不同网络特点及其应用5.通信与网络方面的硬件知识，及现场总线技术应用。2从硬件角度研究网络通信通信需要通过电或光信号的传输，如何从信号波形中分析得到数据？以串行通信为例,分析步骤：1.确定表示0、1的状态2.确定字节组成形式3.确定帧格式4.确定帧的含义3某系统串行通信波形局部放大4从串行通信到网络通信串行通信可以认为是一种简单的通讯网络。串行通信通常采用主从通信的方法，为什么采用主从通信？能否不用主从通信方式？5控制方式：(１)采用主从巡检方式，监控主机作为通讯的主机，其余作为从机。每次通讯必须是主机先发送查询命令，从机响应命令。（２）主机检测每个电源模块的状态，如发现其中一个模块故障，立即告警并启动备份模块。串行通信实例：电源模块1电源模块2电源模块3电源模块4后备电源模块监控主机电源输出通讯总线6存在问题：响应时间慢，特别在从模块多时特别突出。风险集中到监控主机。当任一从模块发生故障时，系统仍可部分正常工作。通信协议不兼容。不同厂家的电源模块和监控单元不能一起工作。解决方法：解决（１）（２）：取消主模块，所有模块之间直接通讯。解决（３）定义一个标准协议。7网络的发展和历史计算机网络是通信技术、计算机技术和微电子技术发展的结果1.计算机的广泛应用，迫切需要计算机之间的资源共享，以及相互之间的通信和合作。2.微电子技术的发展，硬件设备性能价格的大大提高，促进计算机和通信设备的广泛应用。3.通信技术的发展，促进了网络技术的进一步发展。8通信技术发展的标志性事件1.1844年Morse发明电报，首次实现了二进制数字通信2.1876年Bell发明电话，首次实现了模拟信号的通信。标志近代电信事业的开始3.从20世纪30年代到60年代，电子技术广泛用于通信网络。4.1969年第一个远程分组交换网ARPANET问世，标志着现代的计算机网络的出现5.70年代中出现了局部网络，80年代得到了飞速的发展6.从80年代末开始，因特网得到飞速发展9现有的网络“三网”电信网络计算机网络有线电视网络10数据交换技术交换技术是采用交换机或结点机等交换系统，通过路由选择技术在欲进行通信的双方之间建立物理的逻辑的连接，形成一条通信电路，实现通信双方的信息传输和交换的一种技术。交换技术主要包括线路交换和分组交换。11电路交换的特点两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。12更多的电话机互相连通5部电话机两两相连，需10对电线。N部电话机两两相连，需N(N–1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。13使用交换机当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。交换机14“交换”的含义在这里，“交换”(switching)的含义是：转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。15电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接16电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA17电路交换举例C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA18电路交换传送计算机数据效率低计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。19线路交换技术分类空分交换方式时分交换方式20空分交换每个通信设备之间的路径以空间来划分，每个连接都需要通过开关建立一条物理路径，这条路径只能专门用来传送该对通信设备间的信号。开关的基本部分是电子纵横式开关，由控制单元控制其断开或闭合。21时分交换基于时分复用技术(TDM)时分交换是把低速数据流划分成块，与其他信息块一起，共享一个高速数据流。各个数据块由控制逻辑操作，使数据从输入通向输出。22线路交换的缺点在典型的用户／主机数据连接状态，大部分时间内线路是空闲的,因而用线路交换方法实现数据连接造成效率低下。在线路交换网络中，为连接提供的数据速率是固定的，因而连接起来的两个设备必须用相同的数据率发送和接收数据，这就限制了网络上各种主机以及终端的互连通信。23分组交换原理数据以分组形式传送，在每个分组中，包含有部分用户数据及一些控制信息。控制信息至少应包含有把此报文经过网络传送到它的目的地所需的那些信息。在通过的每个结点，报文被接收，存储后再发送至下一个结点。用户数据分组头分组头分组头控制信息分组1分组2分组324分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组H2向H6发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机25注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组结点交换机主机在结点交换机A暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机C暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机E暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机H526注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路结点交换机1234123412341234123427结点交换机在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。结点交换机处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。28主机和结点交换机的作用不同主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。29分组交换的优点高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。30分组交换带来的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。31存储转发原理并非完全新的概念在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。32三种交换的比较报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文连接释放33分组交换分类数据报每个分组的传输路径被独立地处理虚电路在发送任何分组之前，需要建立一条逻辑连接343536交换技术特性比较线路交换数据报分组交换虚电路分组交换专用传输通路非专用通路非专用通路连续传送数据传送分组传送分组不存储报文传递前存储分组传递前存储分组为整个对话建立通路为每个分组建立路径为整个对话建立通路呼叫建立延迟无呼叫呼叫建立延迟传输延迟可忽略传输有延迟传输有延迟37快速分组交换正在接收一个帧时就转发此帧，统称快速分组交换，包括：帧中继（FRAMERELAY)：帧长度可变信元中继(CELLRELAY）：帧长度固定38计算机网络的体系结构相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。39关于开放系统互连参考模型OSI/RM只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面OSI却失败了。OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。40两种国际标准法律上的(dejure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的(defacto)国际标准。41划分层次的必要性计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(networkprotocol)，简称为协议。42网络协议的组成要素语法数据与控制信息的结构或格式。语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步事件实现顺序的详细说明。43划分层次的概念举例计算机1向计算机2通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个计算机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。44两个计算机交换文件文件传送模块计算机1计算机2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块45再设计一个通信服务模块文件传送模块计算机1计算机2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块46再设计一个网络接入模块文件传送模块计算机1计算机2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。47分层的好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。48层数多少要适当若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。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。49计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。50两种体系结构1.开放系统互连OSI(OpenSystemInterconnection)参考模型2.TCP/IP体系结构51开放系统互连OSI模型国际标准化组织ISO在1977年建立了一个分委员会来专门研究这样一种体系结构。提出了开放系统互连OSI(OpenSystemInterconnection)模型，这是一个定义连接异种计算机标准的主体结构。“开放”这一个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行连接。OSI采用分层的结构化技术。开放系统互连OSI参考模型共有七层：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。52各层的功能1．物理层(1)提供为建立维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性。(2)有关在物理链路上传输非结构的位流以及故障检测指示。2.数据链路层(1)在网络层实体间提供传送数据的功能和过程。(2)提供数据链路的流控。(3)检测和校正物理链路产生的差错。53各层的功能3．网络层(1)控制分组传送系统的操作，即路由选择、拥挤控制、网络互连等功能，它的特性对高层是透明的。(2)根据传送层的要求来选择服务质量。(3)向传送层报告未恢复的差错。4.传送层(1)提供建立、维护和拆除传送连接的功能。(2)选择网络层提供的最合适的服务。(3)在系统之间提供可靠的透明的数据传送，提供端到端的错误恢复和流量控制。545.会话层(1)提供两个进程之间建立、维护和结束会话连接的功能。(2)提供交互会话的管理功能，有三种数据流方向的控制模式，即一路交互、两路交替和两路同时会话模式。6．表示层(1)代表应用进程协商数据表示。(2)完成数