计算机网络的层次化结构.ppt
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1、计算机网络的层次化计算机网络的层次化结构结构2-1 引引 言言 凡是通过计算机网络可以相互访问的计算机系统就叫作凡是通过计算机网络可以相互访问的计算机系统就叫作“开放式系统开放式系统”。开放式系统互连是一个很复杂的问题。开放式系统互连是一个很复杂的问题。基于功能分层的网络体系结构,是一种基于功能分层的网络体系结构,是一种对复杂系统对复杂系统的分层化设计技术的分层化设计技术。利用这种技术,可以将不易处。利用这种技术,可以将不易处理的复杂而庞大的设计问题转化成为一些较容易研理的复杂而庞大的设计问题转化成为一些较容易研究和处理的局部问题,即究和处理的局部问题,即“单层单层”设计问题。设计问题。我们要
2、掌握如下几个重要方面:我们要掌握如下几个重要方面:认识计算机间通信过程是分层的进行的;认识计算机间通信过程是分层的进行的;了解如何构建一种分层的网络体系结构;了解如何构建一种分层的网络体系结构;了解分层的多和少对计算机网络的性能和实现有何影响了解分层的多和少对计算机网络的性能和实现有何影响?2-1-1 计算机间的分层通信计算机间的分层通信计算机网络中,不管是用户间的应用操作还是网络计算机网络中,不管是用户间的应用操作还是网络系统本身的运作过程,最基本的活动是计算机之间系统本身的运作过程,最基本的活动是计算机之间的机间通信。的机间通信。剖析计算机间通信的真实过程,是构建和理解网络剖析计算机间通信
3、的真实过程,是构建和理解网络体系结构的基础。体系结构的基础。从简单的普通电话、电报通信到复杂的计算机通信,从简单的普通电话、电报通信到复杂的计算机通信,通信过程及其功能分布都剖析成为逻辑上分层地进通信过程及其功能分布都剖析成为逻辑上分层地进行的综合过程。行的综合过程。请看下面的实例:请看下面的实例:普通电报通信的分层处理过程普通电报通信的分层处理过程发报人收报人报文认知与理解规则报文编码报文译码报文的编码/译码规则发报局收报局电报局间通信规则电报通信网发报机收报机数据传输规则计算机间通信的分层处理过程计算机间通信的分层处理过程计算机间通信的分层处理过程计算机间通信的分层处理过程(以传送计算机文
4、件为例)以传送计算机文件为例)以传送计算机文件为例)以传送计算机文件为例)主机A文件存储器主机B文件存储器文件传输进程文件接收进程文件进程间通信协议通信服务设施主机-主机间通信协议数据通信网络网络接入协议网络内部各种通信协议网络接入协议2-1-1 计算机间的分层通信(续)计算机间的分层通信(续)几个基本概念:一、比特率 数字通信的内容是以二进制数的形式发送的,每个二进制数占一个二进制位(比特),每秒传送的比特数就是信道传输的比特率。二、协议 协议指的是两台通信设备之间管理数据交换的一整套规则。简单的说即为共同遵守的规则2-1-1 计算机间的分层通信(续)计算机间的分层通信(续)三、同等层协议(
5、Peer Protocol)层次化结构的网络中,每一层的功能都有明确的定义,计算机之间的通信是通过两个节点的同等层的协议实现的。四、层间服务与接口 每一个上面功能层的工作都是依托它的下一层所提供的支撑来运行的,这个支撑就是“服务服务”。每一层对上层提供透明的服务。每一层对上层提供透明的服务。五、主/从的概念主动发送通信请求主被动聆听从主/主的概念2-1-1 计算机间的分层通信(续)计算机间的分层通信(续)结论:结论:任一对应用实体(每一层中活跃的元素,可任一对应用实体(每一层中活跃的元素,可以是进程或硬件)之间的通信,实际上是同时在以是进程或硬件)之间的通信,实际上是同时在不同层次上不同层次上
6、“对等实体对等实体”的各自协调工作的各自协调工作(即分层通即分层通信过程信过程)来配合完成的,是所有各功能层上通信过来配合完成的,是所有各功能层上通信过程的总效果。程的总效果。基于系统分层功能的通信概念,即形成了网基于系统分层功能的通信概念,即形成了网络系统的分层体系结构络系统的分层体系结构(Layered architecture)六、单工通信和双工通信的概念单工通信单工通信半双工通信半双工通信双工通信双工通信2-1-2 计算机网络的分层模型计算机网络的分层模型最高层最高层较低层较低层最低层最低层传 输 介 质实线表示:物理通信虚线表示:虚拟通信u在现实的通信系统中,真实的数据传递关系必须在
7、现实的通信系统中,真实的数据传递关系必须是是“物理通信物理通信”。(图中纵向的信息流是真实的信息传输途径(图中纵向的信息流是真实的信息传输途径)u网络体系结构中的一对同层实体之间的通信过程,网络体系结构中的一对同层实体之间的通信过程,是同等层之间的是同等层之间的“虚拟通信虚拟通信”(物理层除外)。(物理层除外)。(图中横向的虚线信息流在同等层之间的流动只是(图中横向的虚线信息流在同等层之间的流动只是一种一种“逻辑逻辑”上的概念)上的概念)2-1-3 网络模型网络模型应用层运输层网络层链路层物理层应用层运输层网络层链路层物理层传输介质原始的比特流数据帧数据包(报文分组)报文(段)报文2-1-4I
8、SO/OSI 七层标准模型七层标准模型应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层应用层协议应用层协议表示层协议表示层协议会话层协议会话层协议运输层协议运输层协议物理层协议物理层协议物理层协议物理层协议网络层协议网络层协议链路层协议链路层协议网络层协议网络层协议链路层协议链路层协议通信通信子网子网应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层2-1-5 TCP/IP体系模型体系模型7应用层应用层6表示层表示层5会话层会话层4运输层运输层3网络层网络层2链路层链路层1物理层物理层通信子网层通信子网层电话网电话网X.25网网局域网局域网无线网无线网运输层协议运输层协议TCP应用层应用层网络层协议
9、网络层协议IP OSI 体系模型体系模型2-2 物理层物理层 物理层是层次化模型中最低的一个功能层,它是开放物理层是层次化模型中最低的一个功能层,它是开放系统互连通信的物理基础,因为该层在以物理媒体为基础系统互连通信的物理基础,因为该层在以物理媒体为基础的数据线路上,完成数据码位的数据线路上,完成数据码位(比特比特)的真实传输过程,故的真实传输过程,故谓之谓之“物理层物理层”。物理层的任务:物理层的任务:将信息用适合传输媒体的将信息用适合传输媒体的“物理物理”特性的特性的方式传送到媒体上去进行传输。方式传送到媒体上去进行传输。该层主要完成三个方面的功能:该层主要完成三个方面的功能:1 1、物理
10、连接物理连接的建立与拆除;的建立与拆除;2 2、物理服务、物理服务数据单元传输数据单元传输;3 3、物理层管理。、物理层管理。2-2-1 物理传输媒体物理传输媒体 传输媒体又称为通信介质或媒体,它的特性直接影响传输媒体又称为通信介质或媒体,它的特性直接影响通信的质量指标,如:通信的质量指标,如:信道容量信道容量、数据传输速率数据传输速率、误码误码率率、及、及线路费用线路费用等。等。可以从两大方面来了解传输介质的特性:可以从两大方面来了解传输介质的特性:l 物物理理特特性性物物理理结结构构、形形态态尺尺寸寸、覆覆盖盖范范围围、价价格格,以及连通性与使用方便性等;以及连通性与使用方便性等;l 传传
11、输输特特性性可可用用的的信信号号带带宽宽、原原始始误误码码率率、传传输输损损耗,以及抗干扰能力等。耗,以及抗干扰能力等。网络中的传输介质有网络中的传输介质有电话线、同轴电缆、双绞线、光电话线、同轴电缆、双绞线、光导纤维电缆、无线与卫星通信信道。导纤维电缆、无线与卫星通信信道。一、光纤 用光传输数据用光传输数据 u 光纤通过传递光脉冲来进行数字通信,有光脉冲相当光纤通过传递光脉冲来进行数字通信,有光脉冲相当于传输于传输“1”1”,而没有光脉冲相当于传输,而没有光脉冲相当于传输“0”0”。u 一根光纤中每秒传递几百个一根光纤中每秒传递几百个“太太”位(位(10101212)的信息速)的信息速率,所
12、以它是目前最理想的宽带传输介质。率,所以它是目前最理想的宽带传输介质。光纤作为传输介质,它具有许多优点,例如:光纤作为传输介质,它具有许多优点,例如:l 传输频带非常宽,因而通信容量大;传输频带非常宽,因而通信容量大;l 误码率极低,传输损耗小,无中继传输距离长;误码率极低,传输损耗小,无中继传输距离长;l 不受雷电和电磁干扰,本身也无相互串扰和辐射,所以不受雷电和电磁干扰,本身也无相互串扰和辐射,所以安全性和保密性好;体积小,重量轻。安全性和保密性好;体积小,重量轻。各种类型的光缆各种光缆各种光缆各种光缆各种光缆各种光缆内部结构各种光缆内部结构各种光缆内部结构各种光缆内部结构光纤跳线光纤跳线
13、光纤跳线光纤跳线ST-STST-ST光纤跳线光纤跳线光纤跳线光纤跳线ST-SCST-SC光纤跳线光纤跳线光纤跳线光纤跳线SC-SCSC-SC 双绞线有屏蔽型双绞线双绞线有屏蔽型双绞线STP和无屏蔽型双绞线和无屏蔽型双绞线UTP两类,一般泛指两类,一般泛指无屏蔽型双绞线,常用的有无屏蔽型双绞线,常用的有UTP-3,UTP-5等,采用等,采用RJ-45头(头(8芯)芯)。用于局域网中数据信号传输,用于局域网中数据信号传输,与集线器的距离最大为与集线器的距离最大为100100米,米,可用可用速率为速率为10Mb/s至至100Mb/s。特点:特点:布线容易、接口便宜,布线容易、接口便宜,属于属于性能适
14、中的经济实用型介质。性能适中的经济实用型介质。二、双绞线TIA/EIA 568A或TIA/EIA 568B1 2 3 4 5 6 7 8 568A 568B1 白绿 白橙2 绿 橙3 白橙 白绿4 蓝 蓝5 白蓝 白蓝 6 橙 绿7 白棕 白棕8 棕 棕三、同轴电缆:电缆的两个末端一定需要电缆的两个末端一定需要1 1个终结器。个终结器。50505050欧姆同轴电缆:欧姆同轴电缆:欧姆同轴电缆:欧姆同轴电缆:又称又称基带同轴电缆基带同轴电缆,广泛用于局域,广泛用于局域网中传输基带数字信号。可用距离在网中传输基带数字信号。可用距离在1 1公里以内,数据信号公里以内,数据信号传输速率上限可达传输速率
15、上限可达50Mb/s 。75 75 75 75欧姆同轴电缆:欧姆同轴电缆:欧姆同轴电缆:欧姆同轴电缆:又称又称宽带同轴电缆宽带同轴电缆,就是公用天,就是公用天线电视系统线电视系统CATV中的标准传输电缆,一般用于模拟传输系中的标准传输电缆,一般用于模拟传输系统,适于用在城域网中。在作数字传输应用时,必须将其统,适于用在城域网中。在作数字传输应用时,必须将其数字信号转换成模拟信号在缆线上多路复用传输。数字信号转换成模拟信号在缆线上多路复用传输。特点:特点:由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆具有较高的由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆具有较高的抗干扰能力,比较宽的可用频带;抗干扰能力,比较宽的可用频带
16、;无中继传输距离比双绞无中继传输距离比双绞线略长,线略长,但是价格比双绞线贵,且但是价格比双绞线贵,且步线、连接、接口不方步线、连接、接口不方便,现应用已不是很多。便,现应用已不是很多。四、无线通信 主要有:微波通信、微波通信、红外通信、红外通信、激光通信、激光通信、卫星通信。卫星通信。数据传输速率数据传输速率:数字通信的内容是以二进制的方数字通信的内容是以二进制的方式发送的,每位二进制所含的信息量是式发送的,每位二进制所含的信息量是1比特,每秒可以比特,每秒可以传输的比特数就是信道传输的比特率。传输的比特数就是信道传输的比特率。带宽:带宽:带宽是指在一个物理信道内可以传输信号频率的带宽是指在
17、一个物理信道内可以传输信号频率的范围。电话线的信号传输频率范围从范围。电话线的信号传输频率范围从 300 Hz 到到4000 Hz,带宽为,带宽为3700Hz。带宽越宽,媒体的数据传输容量就越大。带宽越宽,媒体的数据传输容量就越大。带宽不等同于数据传输速率,后者单位是比特每秒带宽不等同于数据传输速率,后者单位是比特每秒(bps)时延:时延:信号不论是在何种媒体中传输,总要经过一定信号不论是在何种媒体中传输,总要经过一定时间,这就是时间,这就是“时延时延”。一种媒体内,传输信号的时延值。一种媒体内,传输信号的时延值在信道长度固定了以后是不可变的,不可能通过减低时延在信道长度固定了以后是不可变的,
18、不可能通过减低时延来增加容量。来增加容量。带宽和时延是反映网络通信信道的两个主要参数带宽和时延是反映网络通信信道的两个主要参数。2-2-2 传输中基本概念与技术传输中基本概念与技术编码和解码(编码和解码(Coding and Decoding)将计算机内部的二进制的将计算机内部的二进制的TTL电平脉冲转变成合适物理电平脉冲转变成合适物理媒体内传送的一种能量形式的代码,以便减少传输过程中的媒体内传送的一种能量形式的代码,以便减少传输过程中的能量损失,降低误码率,这就是能量损失,降低误码率,这就是“编码编码”。将这个能量形式。将这个能量形式的信息转换回原来的数字信号,这就是的信息转换回原来的数字信
19、号,这就是“解码解码”。计算机网络中常用的有三种:计算机网络中常用的有三种:RS-232C异步串行异步串行ASCII码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。调制与解调(调制与解调(Modulation and Demodulation)对数字数据的模拟信号编码(更通常地称为对数字数据的模拟信号编码(更通常地称为“调制调制”)。)。调调制就是利用一个固定频率的正弦波作制就是利用一个固定频率的正弦波作载波载波,以要传送的数字,以要传送的数字脉冲信号为脉冲信号为控制信号控制信号,让载波的某个物理特性(如振幅、频,让载波的某个物理特性(如振幅、频率、相位等)按照该控制信号
20、发生相应的变化;从调制后的率、相位等)按照该控制信号发生相应的变化;从调制后的载波信号中还原出数字信号的过程就是载波信号中还原出数字信号的过程就是“解调制解调制”。常用的调制方式有:常用的调制方式有:1 1、幅度调制(调幅、幅度调制(调幅AM)2 2、频率调制(调频、频率调制(调频FM)3 3、相位调制(调相、相位调制(调相PM)在数据通信系统中大多以在数据通信系统中大多以载波调幅传输载波调幅传输为主。为主。SDH技术(技术(同步数据传输系统同步数据传输系统)SDH技术它是一种可以方便的提供时分复用的基础网技术它是一种可以方便的提供时分复用的基础网络通信技术,利用络通信技术,利用SDH的复用设
21、备,可以将光纤的带宽按照的复用设备,可以将光纤的带宽按照需要的传输速率来分割,每一条分割出的信道都可以用来作需要的传输速率来分割,每一条分割出的信道都可以用来作为单独的通信电路通到用户的计算机上去。在为单独的通信电路通到用户的计算机上去。在SDH系统系统上分上分割出的专线业务称为割出的专线业务称为DDN(Digital Date Network)。ATM技术(技术(异步传输模式异步传输模式)它比它比SDH在分配在分配光纤的带宽方面具有更大的灵活性。而且光纤的带宽方面具有更大的灵活性。而且它同时支持它同时支持DDN专线业务和电信部门的传统的业务。专线业务和电信部门的传统的业务。直接在光纤上传直接
22、在光纤上传IP的技术的技术用户的网络接入技术用户的网络接入技术 1、综合业务数字网(、综合业务数字网(ISDN)2、高速数字接入设备(、高速数字接入设备(ADSL,xDSL)。ADSL(非(非对称数字用户线环路)是一种非对称的对称数字用户线环路)是一种非对称的DSL技术,所谓非对称是指用技术,所谓非对称是指用户线的上行速率与下行速率不同,上行速率低,下行速率高,特别适户线的上行速率与下行速率不同,上行速率低,下行速率高,特别适合传输多媒体信息业务,如视频点播、多媒体信息检索和其他交互式合传输多媒体信息业务,如视频点播、多媒体信息检索和其他交互式业务。业务。ADSL能够提供下行能够提供下行8Mb
23、ps/上行上行1Mbps的最高独占带宽的最高独占带宽,现有的现有的ADSL Modem是是10M以太网连接方式,以太网连接方式,ADSL是点到点连接是点到点连接,保密性好保密性好,3、同轴电缆宽带调制解调器(、同轴电缆宽带调制解调器(Cable Modem)Cable Modem能够提供下行能够提供下行36Mbps/上行上行10Mbps的最高的最高共享带宽。实际情况是为了对付线路的问题共享带宽。实际情况是为了对付线路的问题(噪声噪声/损耗损耗/干扰干扰.)也有都也有都采用采用QPSK调制,使得上下行都是调制,使得上下行都是10Mbps的理论速度。(共享带宽)的理论速度。(共享带宽)4、局域网(
24、、局域网(LAN)5、无线接入(、无线接入(Wireless)WIFI与与WPA本地异步通信接口本地异步通信接口RS-232C RS232-C被用于计算机与被用于计算机与Modem、键盘或终端之类键盘或终端之类的设备之间传输字符。的设备之间传输字符。RS-232C协议是以字节为单位的信协议是以字节为单位的信息的传送协议。息的传送协议。它允许发送者在任何时刻发送一个字符,而且它允许发送者在任何时刻发送一个字符,而且在发送一个字符后进入任意等待状态。由于采用异步方式,发送在发送一个字符后进入任意等待状态。由于采用异步方式,发送方与接收方不需要就发送和接收信息进行交互与合作。方与接收方不需要就发送和
25、接收信息进行交互与合作。RS232-C规定了详细的机械特性、电气特性和功能特规定了详细的机械特性、电气特性和功能特性。性。接口线的信号电平规定接口线的信号电平规定-5-15伏代表逻辑伏代表逻辑“1”和和“断开断开”,+5+15伏代表逻辑伏代表逻辑“0”和和“接通接通”。标准还规定。标准还规定用用7个比特表示一个比特表示一个字符个字符 等。等。2-2-3 物理接口标准和信道复用技术物理接口标准和信道复用技术RS-232C传输一个字符时的波形传输一个字符时的波形 1 1 0 0 1 0 015V+15V起始比特起始比特终止比特终止比特接口标准接口标准RS-232C(续)(续)RS-232采用符合采
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