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1、第二章 网络通信基础2.1 网络拓扑结构2.2 数据通信基础2.3 OSI模型体系结构2.4 TCP/IP参考模型及协议族2.5 其他常用网络协议2.1 网络拓扑结构 1、什么是网络拓扑？所谓网络拓扑（Topology）是指网络单元的地理位置和互联的逻辑布局。具体讲就是网络上各站点相互连接的方式和形式。2、一般的网络拓扑结构：星型、总线型、树型、网状、蜂窝状、分布式等任意形状。3、基本的网络拓扑结构：总线型、星型和环型4、复合结构：树型、星环型和星线型2.2 数据通信基础信 源发 送传 输系 统接 受 器信 宿数据数据(DTE)(DTE)(通信子网）数据通信模型信道与信号信道：信号传输的通道，
2、包括通信设备和传输媒体。信道与信号（信道的分类）按传输媒体分：有线信道，无线信道按传输信号类型分：模拟信道，数字信道按使用权分：专用信道和公用信道信道容量与数据传输率信道容量：信道的最大数据传输率，即信道传输数据能力的极限。数据传输率：实际的数据传输速率。1、离散的信道容量奈奎斯特（Nyquist）在无噪声条件下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：B=2H(Baud)信道容量与数据传输率奈奎斯特公式即无噪声条件下的信道传输能力公式为：其中H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz；N为一个码元所取的离散值个数信道容量与数据传输率2、连续的信道容量想农公式即带噪声条件下信道容量计
3、算公式：其中S为信号功率，N为噪声功率，为信嘲比，通常把信噪比表示成 分贝(db)2.2.2 数据编码1、数字数据编码成数字信号1）NRZI编码2）Manchester编码3）差分Manchester编码数据编码（续）2、数字数据编码成模拟信号常用的技术有：调幅、调频、调相数据编码（续）3、模拟数据编码为数字信号1）脉码调制2）增量调制数据编码（续）4、模拟数据编码为模拟信号对于数字数据，当只有模拟传输可用时，需要将数字数据转换为模拟信号。信息源 调 制 器信道 解 调 器信宿噪声源模拟通信系统模型模拟通信系统模型信息源信源编码器信道编码器调制器信道解调器信道译码器信源解码器信宿噪声源数字通信
4、系统模型2.2.3数据传输方式 1.串行传输与并行传输 串行和并行的概念是指组成一个字符或码组的各码元是依顺序逐位传输还是并行地传输。串行传输：指数据流以串行方式在一条信道上传输。常见的方式：单工通信：在通信过程中，通信双方只有一方可以发送信息，另一方只能接收信息。半双工通信：双方都可以发送和接收数据，但在某一时刻只能由一方发送，另一方接收。全双工通信：双方可以同时发送和接收信息。其特点是：通信线路简单，传输距离较远；缺点是：传输速度慢，为解决收发双方的码组或字符同步问题，需要外加同步措施。单工、半双工与全双工发送设备接收设备数据流通信连接(a)单工方式发送设备接收设备数据流通信连接接收设备发
5、送设备(b)半双工方 式发送设备接收设备数据流通信连接接收设备发送设备(c)全双工方式串行传输与并行传输并行传输：指将数据以成组方式在两条以上的并行信道上同时传输。其特点是：不需要外加措施就可实现通信双方的码组或字符同步，传输速度快；缺点是：需要的传输信道多、设备复杂、成本高，所以仅适用于近距离的数据传输。异步传输与同步传输 同步：通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步,一方面码元之间要保持同步,另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步。实现字符或数据块之间在起止时间上同步的常用方法有异步传输和同步传输两种。同步传输与异步传输的引入是为了解决串行数据传输中通信双方的码组或
6、字符的同步问题。异步传输所谓“异步传输”：意指每次传输一个字符代码(58 b)。传输时，在一个字符的前后均加上一个特殊的标志(称为起始位和终止位)，以标记字符的开始和结束，另外还要附加一位奇偶校验位，以实施简单的差错控制。异步传输的基本特点是：在通信的数据流中，字符内部各位间是同步的，而字符间是异步的。同步传输同步传输：是以同步的时钟节拍来发送数据信号，在一个串行的数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的（即同步的）。同步传输的基本特点是：在通信的数据流中，字符或码组间以及位与位之间是同步的。显然，这种通信方式对同步的要求很严格。但由于不需要对每一个字符单独加起、止码元作为识别字符的标志，
7、只是在一串字符的前后加上标志序列，因此传输效率高，适合较高速率的数据通信系统。同步传输和异步传输的数据格式同步传输和异步传输的数据格式起始位数据(一个字符)奇偶校验位停止位起始位数据(一个字符)奇偶校验位停止位(a)同步传输SYNSYN一个或多个控制字符数据字符控制字符(b)异步传输异步传输和同步传输的区别 1 异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特 的传输。2 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。3 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的 机会，而同步传输则是从数据中抽取同步信息。4 异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定 的时钟线路协调时序。5 异步传输相对于
8、同步传输效率较低。差错控制1）奇偶校验 基本思想为：发送方在发送数据时，首先统计数据中1的个数，确定是单数还是双数（对于奇校验，当1的个数为偶数时，校验位为1，当1的个数为奇数时校验位为0。偶校验反之），并将统计结果发送到接收方，接收方根据校验位的值和所接收到的数据中1的个数判断接收数据是否正确。2）海明码 海明码是一种线性分组码，是指将信息序列划分为长度为k的段，在每一段后面附加r位的监督码，且监督码和信息码之间构成线性关系，即它们之间可由线性方程组来关联，这样构成的抗干扰码称为线性分组码。3）循环冗余校验（CRC）循环冗余校验码是一类重要的线性分组码。其基本过程为：在发送端根据要传送的k位
9、二进制码，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码（CRC），附在原始信息后边，构成一个新的二进制码，共kr位，然后发送出去。这个规则在差错控制理论中称为“生成多项式”。生成多项式的几种方法1）、代数学的一般性算法 设编码的原始信息多项式为P(x),P(x)的最高幂次加1等于k；生成多项式为G(x),G(x)的最高幂次等于r；CRC多项式为R(x)，编码后的、带CRC的信息多项式为T(x)。发送方编码方法，将P(x)乘以 （即对应的二进制码左移r位），再除以G(x)，所得余式即为R(x)。用公式表示为：接收方解码方法：将T(x)除以G(x)，如果余数为0，则说明传输中无错误发生，否则说明传输有误
10、。n例例、如如 下下 图图 对对 应应 于于 信信 息息 位位 为为 1010001，G（x）=x4+x2+x+1(对对应应的的代代码码为为10111)的的CRC冗冗余余位计算。位计算。帧：帧：1010001 除数：除数：10111附加附加4个零后形成的串个零后形成的串n很很显显然然，T（x）能能被被G（x）除除尽尽（模模2），在在任任何何除除法法中中，如如果果从从被被除除数数中中减减去去余余数数，则则剩剩下下的的部部分分能能够够被被除除数数除除尽尽。例例如如，210278除除以以10941，余余数数为为2399；如如果果从从210278减减去去2399，剩剩下下的的207879就就能能被被1
11、0941除尽。除尽。CRC硬件电路的实现方法多项式除法可用除法电路来实现，而除法电路的主体由一组移位寄存器和模2加法器组成。图2-6 CRC硬件电路的实现示意图比特型算法 将除法电路用软件来模拟。定义一个寄存器组，初始化为“1”，依照电路图，每输入一个信息位，相当于一个时钟脉冲到来，从高到低依次移位。移位前信息位与第0位相加产生临时位，其中第15位移入临时位，第10位、第3位还要加上临时位。当全部信息位输入完成后，从寄存器组取出它们的值，这就是CRC码。多路复用技术多路复用器：将来自多个输入线的多路数据组合调制成一路复用数据，并将此数据信号送到高容量的数据链路。多路分配器：接收复用的数据流依照
12、信道分离还原为多路数据，并将它们输出到适当的线路上。频分多路复用用途：主要用于模拟信道的复用。原理：对整个物理信道的可用带宽进行分割，并利用载波调制技术，实现原始信号的频谱迁移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内，实现频谱上的不重叠，从而共用一个信道。工作过程：先对多路信号的频谱范围进行限制，然后通过变频处理，将多路信号分配到不同得频段。正交频分复用实现方法：将数据调制到大量的载波上，各载波之间在频率上非常相近。时域信号的形式为矩形（没有过滤），以传统的正弦频谱形式存在。关键是载波在频率空间是正交的，相互之间没有干扰，如图2-8所示。图2-8 正交频率间隔的载波时分多路复用用途：主要用
13、于数字信道的复用。原理：当物理信道可支持的位传输速率超过单个原始信号要求的数据传输速率时，可以将该物理信道划分成若干个时间片，通过在时间上交叉发送每一路信号的部分来实现用一条线路传输多路信号，即将整个传输信号的时间分割位许多时间间隔，并将各时间片轮流地分配给多路信号，每个时间片被一路信号占用，使不同的信号在不同时间内传输，每一时刻线路上只有一路信号存在，使得它们在时间上不重叠。时分多路复用（续）n同步时分复用：采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定长度连续划分，每路信号都有一个相同大小的时间片，各路数字信号在每一时间段都按顺序分配到一个时间片。n其优点是：控制简单，较容易实现。n缺点是
14、：在各路信号传输请求不均衡的情况下，由于在同步时分复用方式中，时间片预先分配且固定不变，无论时间片拥有者是否传输数据都要占有一定的时间片，形成了时间片浪费，设备利用率较低。时分多路复用（续）n异步时分复用又称统计时分复用或智能时分复用：它能动态地根据用户对时间片的需要分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片，避免每个时间段中出现空闲时间片。同时，对每一个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于哪一个用户。n由于用户的数据并不按固定的时间间隔来发送，所以称为异步。这种模式常被用于高速远程通信过程中，如ATM。波分多路复用原理：利用波分复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光，并复用到光纤信道上
15、。码分多路复用原理：将需要传输的、具有一定信号带宽的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽得到扩展，经载波调制后再发送出去。优点：抗干扰性好、抗多径衰落、保密安全性高、同频率可在多个小区内重复使用、容量和质量之间可做权衡取舍等特点。CDMA码分多路访问CDMA的工作原理完全不同于传统的D-AMPS和GSM系统（后者同时使用了FDM和TDM，先将整个可用的频率范围分成几百条窄信道，再将信道分成时槽），CDMA允许每个站任何时候都可以在整个频段范围内发送信号，利用编码技术可以将多个并发传输的信号分离，并提取出所期望的信号，同时把其他信号当作噪声加以拒绝。CDMA
16、可以将多个信号进行线性叠加而不是将可能冲突的帧丢弃掉。数据交换技术1、电路交换它是一种直接的交换方式，为通信提供临时的专用通道，既可是物理通道又可是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。这条通道是由结点内部电路对结点间传输路径经过适当选择、连接而建立起来的，由多个结点和多条结点间的传输路径组成的链路。其特点：A）呼叫时间长且存在损失。B）信息编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不受限制，即可提供透明的通路。C）信息传输延迟小，就给定的接续路由来说，传输延迟是固定不变的。D）电路交换的主要缺点是电路接续时间长、线路（信道）利用率低。2、报文交换基本原理：用户之间进行数据传输时，主叫用户不需要先建
17、立呼叫，而先进入本地交换机存储器，等到连接该交换机的中继线空闲时，再根据确定的路由转发到目的交换机。其特点：A）源站和目标站在通信时不需要专用的通路，因此就不需要中间结点同时空闲。B）与电路交换相比，报文交换没有建立线路和拆除线路所需的等待和时延。C）线路利用率高，结点间可根据线路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据。D）要求结点具备足够的报文数据存放能力。E）数据传输的可靠性高，每个结点在存储转发中都进行差错控制，即检错、纠错缺点：由于采用了对完整报文的存储转发，结点存储转发的时延较大，不适于交互式通信，如电话通信。3、分组交换分组交换和报文交换都是采用存储转发交换方式，即首先把来自用户
18、的信息暂存于存储装置中，并划分为多个一定长度的分组，每个分组前边都加上固定格式的分组标题用于指明该分组的发方地址、收方地址及分组序号等。分组交换采用了较短的格式化信息单位报文分组作为存储转发的单位。分组交换的分类：1）虚电路方式其特点：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路；分组在每个结点上仍然需要缓冲，并在线路上排队等待输出。分组交换（续）2)数据报方式在数据报分组交换中，每个分组的传送是单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。传输媒体1、同轴电缆2、双绞线3、光纤2.3 OSI模型体系结构2.3.1 网络基础协议模型2.
19、3.2 网络协议概述2.3.3 OSI参考模型2.3.4 OSI协议标准利弊分析2.3.1 网络基础协议模型n什么是网络协议？为了使两个结点之间能进行对话，必须在他们之间建立通信工具，即接口，接口使结点彼此之间能进行信息交换。接口包括两部分：一是硬件装置，实现结点之间的信息传送；二是软件装置，规定双方进行通信的约定协议。软件装置也被称为网络协议（Network Protocol）。2.3.2 网络协议概述网络协议的三个要素：语法部分 即用户数据与控制信息的结构和格式，用于决定双方对话的格式；语义部分 即需要发出何种控制信息，以及完成的动作与作出的响应，用于决定双方对话的类型；时序部分 即对时间
20、实现顺序的详细说明，用于决定通信双方的应答关系。2.3.3 OSI参考模型OSI功能分层的原则有以下五点：1、根据功能的需要分层。2、各层功能明确，相互独立。3、层间接口清晰明了，尽量减少接口交互的信息量。4、层数选择适中。5、各层功能的选择应有助于国际标准的规定。图2-16 OSI参考模型OSI参考模型分层及各层作用1、物理层：实现两实体间的物理连接，将数据信息以位串形式从一实体经物理信道传送到另一 实体，向数据链路层提供透明的比特流传输服务。特点：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性2、数据链路层：利用物理层提供的比特序列的传输功能，实现在相邻节点间的透明、可靠的数据传输，功能：帧同步、
21、差错控制、流量控制和链路管理。3、网络层：在利用数据链路层提供的两个相邻节点间数据帧传输的基础上，确保将源端发出的报文送到目的端节点上。功能：寻址、路由选择、拥塞控制、网际互联OSI分层及各层作用 4.传输层：利用网络层提供的端到端传输的功能实现两个端节点间传送实体（进程）间的可靠的数据传输，从而完善了网络层的传输功能，给上层提供了一种透明的数据传输。所提供的服务有：服务类型、服务等级、数据传输、连接管理、访问接口。5.会话层：提供一个面向用户的连接服务以及会话管理、同步、活动管理等功能，对数据传输提供控制和管理。功能：数据交换、会话管理、同步机制、活动管理、异常报告。6.表示层：用于处理所有
22、与数据表示及传输有关的问题，包括数据转换、加密和压缩等。7.应用层：涉及人们普遍需要广泛应用的协议。包括文件传输、电子邮件、虚拟终端、目录服务、远程作业录入和信息服务等。2.3.4 OSI协议标准利弊分析 OSI七层模型是一个较为完善的网络体系结构。然而在网络的发展中，OSI协议标准并没有像人们所预料那样完全取代其它协议标准。原因如下：1.标准制定的时间太晚2.实现复杂、效率较低3.面向通信而不是计算机通信2.4 TCP/IP参考模型及协议族2.4.1 TCP/IP的起源和发展2.4.2 TCP/IP的网络体系结构2.4.3 TCP/IP的功能描述2.4.4 TCP/IP利弊分析2.4.1 T
23、CP/IP的起源和发展 TCP/IP协议是为美国ARPA网设计的，目的是使不同厂家生产的计算机能在共同网络环境下运行。后来发展成为美国国防部高级研究计划署（DARPA）网际标准，之后TCP/IP为ARPANET采用，逐渐发展为现在的因特网，要求Internet 上的计算机均采用TCP/IP协议。2.4.2 TCP/IP的网络体系结构 TCP/IP模型划分为四个层次：网络接口层、网络层、传输层和应用层。1.TCP/IP将与物理网络相关的部分统称为网络接口层，它相当于OSI中的物理层和数据链路层。2.TCP/IP中的网络层与OSI中的网络层相对应。它的主要功能是实现网络中两台计算机间的通信。3.T
24、CP/IP中的传输层对应于OSI传输层，它实现端到端通信。主要包括TCP和UDP两个协议。4.TCP/IP的应用层对应OSI中的应用层，它包含了OSI会话层和表示层中的部分功能。即TCP/IP把OSI传输层以上统称为应用层。2.4.3 TCP/IP的功能描述n网络接口层可以是以太网、令牌环、甚至是ATM等，这里就不再讨论。n网络层协议 TCP/IP网络层协议由互联网协议（IP）、控制报文协议（ICMP）、地址解析协议（ARP）和反向地址解析协议（RARP）组成。nIP协议的功能 IP协议提供主机间数据报传输服务、寻址及路由等功能。数据报传输是一种无连接的传输方式，每个报文都必须带有源地址和目的
25、地址，中间节点对经过的每个数据报文进行路由转发功能，它是一种不可靠的数据传输服务方式。网络层协议（IP协议）IP数据报文由两部分构成：报文头和数据域。报文头由20字节的固定域和长度可变的可选项组成。报文头中的最主要字段如下所述：其他还包括版本号、报文头长度、服务类型、报文总长度、标识位、标志位、分段位移、生存时间、填充段、选项等。数据域中的数据可变长，但必须是8的整数倍字节长，且总长度不超过64k。1.源地址：占32位，用以指出源主机的互联网地址。2.目的地址：占32位，用以指出目的主机的互联网地址。3.协议类型：占8位，用以指出IP数据报文的类型4.头校验和：占16位，用以校验报文头。IP地
26、址nIP地址标识着网络中一个系统的位置。n每个IP地址都是由两部分组成：网络号和主机号。其中网络号标识一个物理的网络，同一个网络上所有主机需要同一个网络号，该号在互联网中是唯一的；而主机号确定网络中的一个工作端、服务器、路由器、其他TCP/IP主机。对于同一个网络号来说，主机号是唯一的，每个TCP/IP主机由一个逻辑IP地址确定。IP地址分类IP地址有五类：1.A类，最高位为0，紧跟的7位表示网络号，其余24位表示主机号，共允许126个网络。2.B类，高两位总被置为二进制的10，紧跟的14位表示网络号，允许有16384个网络。3.C类，高三位被置为二进制110，紧跟的21位表示网络号，允许有大
27、约200万个网络。4.D类，高四位总置为1110，余下的位用于表明客户机所属的组。D类地址为组播地址。5.E类，仅供实验的地址。IP 地址中的网络号字段和主机号字段net-id24 bithost-id24 bitnet-id16 bitnet-id8 bit0A 类地址host-id16 bitB 类地址C 类地址01 1host-id8 bitD 类地址 1 1 1 0多 播 地 址E 类地址保 留 为 今 后 使 用1 1 1 1 001如何划分子网 要创建子网，就需要从IP地址的主机部分中借出一定的位，并且保留它们用来定义子网地址。这意味着用于主机的位减少，所以子网越多，可用于定义主机
28、的位就越少。子网划分的好处n缩减网络流量n优化网络性能n简化管理n可以更为灵活地形成大覆盖范围的网络子网掩码n为了保证所配置的子网地址可以工作，在网络上每台计算机都必须知道自己主机地址中的哪一部分是被用来表示子网地址的。这可以通过在每台计算机上指定一个子网掩码来完成。子网掩码是一个32位的值，通过它，接收IP数据包的一方可以从IP地址的主机ID号中区分出子网ID号地址。子网掩码中全1的位置表示的是网络或子网的地址部分。n例如子网掩码255.255.0.0就表示前16位为网络号或子网号。C类地址的子网划分n二进制方法：192=11000000 这里1代表子网位，0代表每个子网中可用的主机位。子网
29、位不可以两个同时为1或同时为0，所以，这里只有两个合法的子网，它们是：01000000=64 10000000=128ICMP协议 引入ICMP协议的目的是使得主机或网关允许发送差错或控制报文给其它主机或网关。这样在IP数据报从一个网络传送到另一个网络直到目的主机的过程中，若任何一个网关或中间节点出现差错，则通过ICMP报文报告有关的错误信息，例如目的主机不可达、网络拥塞、循环路由、错误数据报头等。ICMP报文使用IP数据报封装。ARP协议 在将IP数据报发送给目的主机的时候，如果在IP子网中是点到点的网络则不需要任何工作就可将IP数据报发送给目的主机。如果是具有广播功能的网络，如以太网，那么
30、必须将IP数据报封装成特定的帧，并根据目的IP地址转换成目的主机的物理地址，才能将IP数据报正确地发送给目的主机。这就涉及IP地址到物理地址的转换，即ARP地址解析所需完成的工作。ARP的工作原理：当发送IP数据报时，先在本地映射表中查找目的IP地址对应的物理地址，若找不到，则发送一个ARP报文广播到每台主机。只有与目的IP地址相符合的主机才做出响应，将物理地址告诉请求者。RARP协议 RARP协议实现物理地址向IP地址的映射，这主要适用于存在无盘工作站的网络。无盘工作站事先并不知道自己的IP地址，它必须发送一个RARP包给RARP服务器询问自己的IP地址。传输层协议1、TCP协议由于IP协议
31、提供的是一种不可靠的面向数据报的传输方式，TCP在此基础上要实现面向虚电路的可靠的数据传输，需要增加以下的控制策略：A）差错控制：检测任何丢失、顺序错误或重复的信息，并进行传输确认。B）流量控制：保证快速的发送方不会阻塞低速的接收方。C）连接控制：提供端到端连接的建立、拆除、维护等功能，通过TCP连接管理原语及协议机制实现。D）对TCP的识别：应用进程必须通过套接字端口地址对TCP进行标识，高层协议的连接由端口地址加上IP地址来识别。套接字端口可以分为：公认端口 从0到1023，紧密绑定于一些服务；注册端口 从1024到49 151，它们松散地绑定于一些服务；动态和/或私有端口 从49 152
32、到65 535。E）全双工机制：通过滑动窗口协议实现。2、UDP协议应用层协议TCP/IP应用层服务有万维网、电子邮件、文件传输、虚拟终端和域名服务等。TCP/IP的常用网络测试命令测试的常用的命令有：ping 通过ping本机的IP地址来检查网卡。netstat 用于显示于IP、TCP、UDP和ICMP协议相关的统计数据，一般用于检验本机端口的网络连接情况。ipconfig 用于显示当前的TCP/IP配置的设置值。Arp 用于确定对应IP地址的网卡物理地址。Tracert 用Tracert检查到达目标IP地址的路径并记录结果nbtstat 用于释放和刷新NetBIOS名称。Net 用于检查计算机之间的NetBIOS连接。Nslookup 用于查询一台机器的IP地址和其对应的域名。2.4.4 TCP/IP利弊分析 TCP/IP协议从理论上说没有OSI模型清晰、完美，所以OSI参考模型常被人们用来分析不同网络协议族和网络模型；而TCP/IP由于其出现早并且以原码免费的形式发布，因此在实际中被广泛采用，目前世界上最大的网络Internet网络就是采用TCP/IP协议实现的。2.5 其他常用网络协议nNetBIOSnNetBEUInIPX/SPXnDLCnAppleTalk