网络与通信技术_讲义

《网络与通信技术》讲义电自教研室华北电力大学2010-8-912第1节课第一章网络与通信概述知识点：1.通信网的类型2.通信网的组网结构3.网络体系结构4.OSI模型，TCP/IP5.现代网络发展趋势课堂内容：1.1通信网络的类型定义：通信网络是由一定数量的节点（包括终端节点和交换节点）和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按约定的信令或协议，完成任意用户间信息交换的通信体系。常用的按业务分类：电信网（话音业务）、计算机网络（数字业务）和广播电视网（广播和图像业务）。1.1.1电信网（TelecommunicationNetwork）（1）电信网分类（按ITU-T的标准）：业务网、传送网和支撑网。业务网（ServiceNetwork）：就是用户信息网，它是现代通信网的主体，是向用户提供的各种电信业务的网络。主要包括：公用电话交换网（PSTN）、公用分组交换数据网（PSPDN）、公用陆地移动通信网（PLMN）、窄带综合业务数字网（N-ISDN）、宽带综合业务数字网（B-ISDN）、智能网（IN）、多媒体通信网、计算机互联网（Intranet）和数字数据网（DDN）。传送网（TransportNetwork）：主要用来完成用户信号的传输功能，主要有接入网（AccessNetwork，AN）和同步数字系列传送网（SDH）。支撑网：是使业务网正常运行、增强网络功能、提供全网服务质量已满足用户要求的网络。在各个支撑网中传送相应的控制、监测信号。支撑网主要包括7号公共信道信令网、数字同步网、电信管理网。（2）业务网、传送网和支撑网之间的关系，如图1-1业务网传送网支撑网应用层图1-1业务网、传送网和支撑网之间的关系1.1.2计算机网络(1)家庭网（HomeNetwork）一个家庭内的网络。随着计算机、通信和电视网的融合，及多媒体技术的发展和现代智能建筑的推广，家庭中的计算机、通信设备、娱乐设备、家用电器、安全监控设备、水电气暖的仪表均组成网络，并接入3Internet。由主人进行随时、随地进行监视和控制。(2)局域网（LAN）定义：LAN是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。一般在方圆几公里以内，如在校园、办公楼、科研机关等，是由使用者自己建立并管理和使用的。LAN专用性非常强，具有比较稳定和规范的拓扑结构。如总线形、环形和星形，现在几乎全部是采用集线器（Hub）或用交换机连接的星形结构。尤其，以“以太网”应用最为广泛。(3)城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN）定义：MAN是一种界于局域网与广域网之间，覆盖一个城市的地理范围，用来将同一区域内的多个局域网互连起来的中等范围的计算机网。它通常覆盖几十公里的范围。MAN的特点：为该地域的用户提供高速数据服务，属于宽带网络。LAN通常是为了一个单位或系统服务的，而MAN则是为整个城市而不是为某个特定的部门服务的。建设WAN包括资源子网和通信子网两个方面，而MAN的建设主要集中在通信子网上，其中也包含两个方面：一是城市骨干网，它与全国的骨干网相连：二是城市接入网（AN），它把本地所有的联网用户与城市骨干网相连。主要应用：如高速上网，VOD视频点播（Web），网络电视，远程医疗，远程会议，远程教育，家庭证券交易系统。(4)广域网（WideAreaNetwork，WAN）定义：WAN是一种用来实现不同地区的LAN或MAN的互连，可提供不同地区、城市和国家之间的计算机通信的远程计算机网。通常，跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里。广域网在原理和网络结构上与局域网有很大不同。一个广域网（WAN）是由资源子网和通信子网组成，如图所示。路由器传输线路主机通信子网主机主机图1-2WAN通信子网由两部分组成：传输线路（即电缆、光纤、无线电波）和交换单元（即路由器）。通信子网的任务就是提供数据通信，在广域网中两台主机间的通信是采用点到点的传输方式，在这样广大的地理范围内不可能使得任两台主机之间有专用的通信链路。因此，许多通信链4路要共享同一物理线路，采用的办法（原理）就是“交换”。应用：固定电话网、移动电话网、卫星网及帧中继网、ATM网等均属于广域网。(5)互联网（internet）互联网由多个计算机网络相互连接而成，而不论采用何种协议与技术的网络。它是一个由各种不同类型和规模的、独立运行和管理的计算机网络组成的世界范围的全球计算机网络。组成互联网的计算机网络包括小规模的局域网（LAN）、城市规模的区域网（MAN）以及大规模的广域网（WAN）等等。如下图所示。路由器传输线路主机星型局域网总线局域网服务器广域网图互联网（internet）【互联网、因特网、万维网】三者的关系是：互联网（包含）因特网万维网。凡是能彼此通信的设备组成的网络就叫互联网。所以，即使仅有两台机器，不论用何种技术使其彼此通信，也叫互联网。国际标准的互联网写法是internet，字母i一定要小写！因特网（Internet）是互联网（internet）的一种。因特网可不是仅有两台机器组成的互联网，它是由上千万台设备组成的互联网。Internet使用TCP/IP协议让不同的设备可以彼此通信。但使用TCP/IP协议的网络并不一定是因特网。国际标准的因特网写法是Internet，字母I一定要大写！只要应用层使用的是HTTP（HypertextTransferProtocal）协议，就称为万维网（WorldWideWeb，）。HTTP协议能够提供一种发布和接收HTML（HypertextMake-upLanguage）页面的方法。1.1.3广播电视网广播电视网包括无线电视网、无线广播网和有线电视网（CATV）。1.2通信网的组网结构1.通信网的构成：终端设备（用户设备）、传输设备和交换设备2.通信网的拓扑结构及各自特点(1)星型结构星型网的辐射点就是转移交换的中心，其余节点之间相互通信都要经过转换交换中心的交换设备来完成，因而交换设备的交换能力和可靠性会影响到网内所有用户。5特点：N个节点的星形网需要（N-1）条传输线路，所用传输链路较少，线路利用率较高，所以当交换设备的费用低于相关传输链路的费用时，星形网的经济效益较好；缺点是一旦中心节点故障，就会造成全网瘫痪，故安全性较差。(2)网状结构其结构特点：如果网内由N个节点，全网就有N(N-1)/2条传输链路。显然，当节点数增加时，传输线路必将迅速增加。这样的网络结构冗余度较大，稳定性好，单行路利用率不高，经济性较差，适用于局间业务量较大或分局业务量较少的地区。(3)环型结构N个节点的环网需要N条传输链路。特点：结构简单，实现容易，由于可以采用自愈环对网络进行自动保护，所以稳定性比较高。但当节点较多时，转接延时难以控制，不便扩容。(4)树型结构树型网可以看成星型拓扑结构的扩展。应用：主要用于用户接入网或用户线路网中。(5)总线结构它属于共享传输介质型网络，网中所有的节点都连接在一个公共传输总线上，任何时候只允许一个用户占用总线发送或接收数据。特点：这种网络结构需要的传输链路少，增减节点比较方便，但稳定性较差，网络范围也受到限制。应用：主要用于计算机局域网、电信接入网等网络等。1.3网络模型1.3.1网络模型的基本思想计算机网络是一个非常复杂的系统，需要解决的问题很多并且性质各不相同。所以，在ARPANET设计时，就提出了“分层”的思想，即将庞大而复杂的问题分为若干较小的易于处理的局部问题。ARPANET（AdvancedResearchProjectAgent）是由美国DOE进行研究的网络通信项目，是Internet的始祖。1974年美国IBM公司按照“分层”的方法制定了系统网络体系结构SNA（SystemNetworkArchitecture）。现在SNA已成为世界上较广泛使用的一种网络体系结构。一开始，各个公司都有自己的网络体系结构，就使得各公司自己生产的各种设备容易互联成网，有助于该公司垄断自己的产品。但是，随着社会的发展，不同网络体系结构的用户迫切要求能互相交换信息。为了使不同体系结构的计算机网络都能互联，国际标准化组织ISO于1977年成立专门机构研究这个问题。1978年ISO提出了“异种机连网标准”的框架结构，这就是著名的开放系统互联参考模型OSI。开放系统是指利用一组协议使得任何两个不同的系统能独立于网络底层的结构而相互通信。在制定OSI模型时，专家们分析网络数据通信的最基本的要素，把相关的功能要素集中构成一个层（如与解决分组路由有关的措施放在网络层），把另外一些相关功能放在一起，构成另一层，这些层相互配合起来完成网络通信任务。因特网模型出现在OSI之前，所以它的模型不遵循OSI的结构，它是4层模型，如图1-5（a）所示。因为因特网强调的是网络互连，所以它的最底层叫主机一网络层，泛指主机必须用某个协议连接到网络上。它的第2层互联网层(internet)也称网际层，是因特网的核心功能层。图1-5（b）6所示是两个模型的对比。因特网模型中的主机一网络层相当于OSI的第1、2层，互联网层相当于OSI的网络层，应用层相当于OSI的第5、6、7层。主机-网络层互联网层传输层应用层主机-网络层互联网层传输层应用层物理层链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层链路层网络层传输层应用层（a）因特网模型（b）OSI模型与因特网模型的对比（c）5层模型图1-5网络模型OSI模型对各层的功能有严格的定义，模型的理论完整。可惜，至今没有一个实现的网络原型，也没有完整的协议栈。相反，因特网模型在现实的网络中得到了广泛应用，而且有一组完整的协议栈。但是OSI模型所包括的数据链路层和物理层是通信子网的基础，而因特网模型却没有对此说明，所以从学习和研究网络来说，使用5层的混合网络模型作为教学指导模型较为合适，即采用图1-5（c）所示的5层混合模型。1.3.2网络体系结构网络的体系结构（Architecture）就是计算机网络各层次及其协议的集合。层次结构一般以垂直分层模型来表示。其好处：在于使每一层实现一种相对独立的功能，有利于交流、理解和标准化。1．网络体系结构及其划分所遵循的原则(1)层次结构的要点：除了在物理媒体上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。对等层的虚通信必须遵循该层的协议。n层的虚通信是通过n-1层提供的服务以及n-1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。(2)层次结构划分的原则：每层的功能应是明确的，并且是相互独立的。当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上、下层的接口不变，便不会对邻居产生影响。层间接口必须清晰，跨越接口的信息量应尽可能少。层数应适中。若层数太少，则造成每一层的协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现各层功能变得困难。(3)网络体系结构的特点是：以功能作为划分层次的基础。第n层的实体在实现自身定义的功能时，只能使用第n-1层提供的服务。第n层在向第n+1层提供的服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。2．网络协议7在网络中把参与数据通信的设备称为实体（entity），任何两个实体间的数据通信必须要遵循一定的规则。协议就是为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。协议总是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间通信所制定的有关通信规则的集合。协议栈是一组协议的集合。网络协议的三个要素：1）语法（Syntax）。涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等，代表了被传输的数据结构和含义。【例如】一个IP包前面的20个字节一定是IP头，一个以太网帧必须有帧头和帧尾。2）语义（Semantics）。涉及用于协调与差错处理的控制信息，用于表示每一字段的含义及网络设备应该采取的动作。【例如】IP头中有一个32比特的源IP地址和一个32比特的目的IP地址，网络中的路由器就根据这个字段信息来路由IP包；在以太网的帧中有一个32比特的字段叫帧检