数据通信与网络技术6

第6章网络技术基础6.1网络概述6.2OSI参考模型6.3数据通信网6.4电话通信网6.5分组交换数据网及其路由选择6.6数字数据网（DDN）6.7TCP/IP协议概述6.8小结习题6.1网络概述6.1.1网络的产生与发展1.面向终端的计算机网络2.分组交换网3.形成计算机网络体系结构和网络协议的标准化4.网络互连与高速网络技术6.1.2网络的主要功能计算机网络由计算机系统、通信链路（指线路及其设备）和网络节点组成。具有下述主要功能：1.通信功能2.资源共享3.提高了系统的可靠性和可用性4.容易进行分布式综合处理6.1.3网络的分类按网络覆盖范围大小进行分类，通常分为局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）。1.局域网（LAN，LocalAreaNetwork）局域网指在有限地理区域内构成的覆盖面相对较小的计算机网络，传输距离长在数百米左右，覆盖范围不超过几十公里，传输距离短，传输延迟低，传输速率为10Mbit/s～1000Mbit/s。2.城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）城域网覆盖范围是一个城市，传输距离一般在10～150km之间，目前多采用光纤或微波作为传输介质，树形拓扑结构。传输速率一般在56kbit/s～45Mbit/s。3.广域网（WAN，WideAreaNetwork）是一种跨城市、跨国家的网络，其主要特点是进行远距离（几十到几千公里）通信。6.1.4计算机网络的构成l.资源子网资源子网由主机系统、终端、终端控制器、连网外设、各种软件资源与信息资源组成。负责全网的数据处理，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。其中主机是资源子网的主要组成单元，通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理机相连接。2.通信子网通信子网也称数据通信网，由通信控制处理机、通信线路与其它通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务；通信控制处理机在网络中被称为网络节点；通信线路为通信设备之间提供通信信道。6.1.5网络拓扑结构1.星形拓扑结构星形拓扑结构指所有节点通过传输介质与中心节点相连，全网由中心节点执行交换和控制功能，即任意节点间的通信都要经过中心节点进行转发，中心节点通常为集线器Hub。见图6-1。2.环形拓扑结构环形拓扑结构指将每个节点的转发器通过点到电信道连接成闭合环路，信息沿环形信道流动，通常是单向的。采用存储转发的形式将数据从一个节点传送到环上的下一个节点。环形拓扑见图6-2。3.总线拓扑结构总线拓扑结构是将若干个节点设备连接到一条共用总线上，共享一条传输介质。见图6-3。4.树型拓扑结构树型拓扑结构将节点按层次连接，是一种具有顶点的分层或分级结构。见图6-4。5.网状拓扑结构网状拓扑结构指任意两个节点间存在多条可能路径，以供选择路由，提高了可靠性，大多数分组交换网都采用这种结构，但它的投资大，而且网络协议在逻辑上相当复杂。网状拓扑见图6-5。6.2OSI参考模型6.2.1网络体系结构1.协议所谓协议，指通信双方共同遵守的规则的集合。协议的制定和实现采用层次结构，再综合成总的协议。如果是同等功能层次间双方必须遵守的规定，称为通信协议；如果是同计算机不同功能层间的通信规则，规定了两层之间的接口关系及利用下层的功能提供上层的服务。则称为接口或服务。协议的主要内容包括：（1）语法，说明数据格式、编码及信号电平等；（2）语义，用于协调和差错处理的控制信息；（3）定时，包括速度匹配和排序等。2.开放系统互连参考模型（OpenSystemInterconnectionReferenceModel）所谓“开放系统”是指一个系统与其他系统进行通信时能够遵循OSI标准的系统。开放系统互联网络模型的七层结构见图6-6。应用层A表示层P会话层S传输层T网络层N数据链路层DL物理层PH（1）物理层物理层的功能是提供DTE之间、DTE与DCE之间的机械连接设备插头、插座的尺寸和端头数及排列等，负责在计算机之间传递数据位，为在物理介质上传输的位流建立规则，定义电缆连接方式，在电缆上发送数据时的传输技术等。物理层在网络上实现设备之间连接的物理接口，通过4个方面来定义特性：①机械特性。规定网络物理连接时所使用的可接插连接器的形状和尺寸，引脚的数量、功能、规格等；②电气特性。规定在物理连接上传输二进制比特流时，线路上信号电平的高低、阻抗及阻抗匹配、传输速率与传输距离；③功能特性。规定物理接口上各条信号线的功能分配，如数据线、控制线、定时线和地线。④规程特性。规定信号线进行二进制比特流传输的操作过程。（2）数据链路层数据链路层是OSI的第二层，它的主要功能是保证上层数据帧在信道上无差错地传输；实现链路管理（即建立连接、维持连接及通信后的释放连接）；链路层为了保证通信双方有效、可靠、正确地工作，把比特流划分成帧，并规定识别帧的开始与结束标志，便于检测传输差错及增加传输控制功能；提供数据的流量控制；由通信实体中实现链路层协议的硬件、软件，调制解调器或其他的数据电路终接设备、数据传输电路与设备等构成。数据链路层为网络层提供服务，主要是面向连接的服务和无连接服务两大类。（3）网络层网络层是OSI的第三层，主要支持网络连接的实现，为传输层提供整个网络内端到端的数据传输的通路，完成网络的寻址；从传输层来的报文在此转换为分组进行传送，然后在收信节点再装配成报文转给传输层，并保证分组按正确顺序传递；提供路径选择与中继；对通信子网的流量进行控制，防止因通信量过大造成通信子网的性能下降，甚至造成网络拥塞。网络层为传输层提供服务，主要是面向连接的服务和无连接服务两大类。（4）传输层传输层建立在网络层之上，为从源端机到目的机提供可靠的数据传输。传输层向高层用户屏蔽了通信子网的细节，实现传输层地址到网络层地址的映射；完成端到端可靠的透明传输和流量控制；采取不同的方法，降低通信费用，提高传送报文的能力。（5）会话层会话层负责组织通信进程之间的对话，协调它们之间的数据流。是用户（应用进程）进网的接口。主要功能是，在建立会话时，核实对方身份是否有权参加会话；确定何方支付通信费用；在两个通信的应用进程之间建立、组织和协调交互，提供会话活动管理和会话同步管理等功能。（6）表示层表示层主要解决两个通信系统中交换信息的表示方法差异问题。表示层管理所用的字符集与数据码，数据在屏幕上的显示或打印方式，颜色的使用，所用的格式等。表示层的主要功能是完成信息格式的转换，对有剩余的字符流进行压缩与恢复，数据的加密与解密等，使信息的表示方法有差异的设备间可以相互通信，提高通信效能。（7）应用层应用层是第7层，也是7层协议的最高层，是用户和网络的界面。在应用层用户可以通过应用程序访问网络服务，为应用进程访问网络环境提供接口或工具，并提供它直接可用的全部OSI服务。6.2.2OSI参考模型中的几个基本概念1.对等层通信协议和层间服务协议定义了对等层之间的通信规则和过程，表现了对等实体间交换帧、分组和报文的格式及意义的一组规则，所谓对等实体指相同层次内相互交互的实体；服务定义了相邻的上、下层之间接口的方法，体现了下层为上层提供服务的原则。2.服务原语在OSI模型中，当同一开放系统的（N＋l）实体向（N）实体请求服务时，服务用户和服务提供者之间进行交互的信息称为服务原语。服务原语指出需要本地实体或远程的对等实体所完成的工作。OSI规定了4种服务原语类型。①Request请求，表示一个实体请求得到某种服务；②Indication指示，把某一事件的信息通知某一实体；③Response响应，一个实体相应某一事件；④Confirm确认，确认一个实体的服务请求。一个完整的服务原语由原语名称、原语类型和原语参数3部分组成。原语名称和原语类型之间用圆点或空格隔开，原语参数用括号与前面两部分隔开，可以用中文来表示。例如，一个网络连接请求的原语是：N－CONNECT.Request(主叫地址，被叫地址，确认，加速数据，QOS，用户数据）3.服务访问点在同一系统中相邻层次间实体交换信息的接口称为服务访问点SAP（ServiceAccessPoint)，它是相邻两层实体的逻辑接口。4.面向连接和无连接服务面向连接的服务指在数据交换之前必须先呼叫建立连接，保留下层的有关资源，并在通话过程中维持这个连接，保证正常通信，数据交换结束后，应终止这个连接，释放所保留的资源。所以又称为虚电路服务。无连接服务指两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，因此，其下层的有关资源不需要事先预订保留，这些资源是在数据传输时动态地进行分配的。无连接服务具体实现就是数据报服务，6.3数据通信网用于计算机之间进行通信的网络称为数据通信网，即计算机网络中的通信子网。6.3.1数据通信网的基本构成1.数据通信网的基本构成数据通信网通常由硬件和软件两大部分组成。硬件设备可以保证网络能正确合理的连接，包括数据传输设备、数据交换设备和线路，如各种用户终端、交换中心、集中器、连接器及传输线路等。软件部分是支持这些硬件的信令和网络协议等。它能实现终端与主机（计算机）、主机与主机间的数据通信与交换。在网络中完成数据传输、交换功能的点称为节点。2.网络必须具备的功能（1）为通信双方提供信息交换通路；（2）为不同的终端用户提供协议转换；（3）进行寻址与路由选择。在传输的数据帧中除了被传输的信息外，还有源地址和目的地址，使之具备寻址能力，同时通过路由选择来寻找一条最佳通路，使数据能够正确到达目的地；（4）进行差错控制。由数据链路层提供误码检测或纠错；（5）保证终端用户和传输网络之间的信息速率匹配。通常采用为输入信息提供缓冲，使之排队等待；为输出信息提供缓冲，使之能经传输链路输出。6.3.2通信网络拓扑结构及分类1.通信网络拓扑结构的设计设计通信网络的拓扑结构时，主要应该考虑：（1）为发送方和接收方之间的信息流选择一条低价路由，即选择中间节点最少的路由；（2）为终端用户提供最短的响应时间和最大的业务通过量，减小通信的两个终端之间的收发延迟时间；（3）具有良好的差错控制和恢复丢失信息的能力，不论路由如何变更，保证信息流能准确到达目的地。比较常见的数据通信网络的拓扑结构主要有：树型拓扑、星型拓扑、总线拓扑、环形拓扑、网型拓扑、蜂窝结构拓扑（应用在移动通信网络）图6-8。2.数据通信网的分类根据网络结构及所采用的数据传输技术，数据通信网可分为交换通信网和广播通信网两大类。见图6-9。数据通信网交换通信网广播通信网电路交换网存储-转发交换网空分交换时分交换报文交换分组交换（1）交换网在交换网中，数据从信源出发经过一系列中间节点传送到信宿，不共享一条传输线路的两节点间不能直接进行通信，只能经过中间节点间的交换传送数据。①电路交换网。电路交换又分空分交换和时分交换。空分交换是指按空间划分的交换，一般是对模拟信号进行交换；时分交换采用时分多路复用技术。②存储-转发交换网。这类交换方式是将要传送的信息存入交换设备的缓冲区中，等到相应输出电路空闲时，将信息输出去。存储一转发交换按交换信息单位的不同又可分为报文交换和分组交换等。报文交换比较简单，只要求单向连接，其基本原理是存储一转发。分组交换指由信源发出的报文在第1个节点自动划分为一定长度的用户数据段，在数据段传输时附加一些必要的操作信息，合成为一个分组，每个分组加上分组头，这些分组可选择不同的途径，到达最终节点。由最终节点将分组重新按次序装配成原来的报文，并传送给接收者。在分组交换中对网络内部分组流的传输处理经常采用数据报和虚电路的方式。数据报方式把每一个信息分组都看作是一个独立的包，沿不同的路径通过网络送往目的节点，虚电路方式是为用户提供一条虚拟的电路，是一种逻辑上的连接，实际电路是若干条不同链路的组合，分组按发送时的顺序依次在网络中传输，目的节点收到的分组顺序与发送方发送的顺序是一样的。（2）广播网在广播通信网中，所有节点共享同一传输介质，网中任何一个节点发出的信号，可以被网中所有其他节点接收，而不需中间节点进行交换。6.3.3通信网络体系结构1.基本概念通信网络体系结构就是用分层的方法来表