第一章 计算机网络体系结构.docx
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第一章 计算机网络体系结构.docx
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第一章计算机网络体系结构
计算机网络体系结构及网络中的信息载体、通信线路和连接设备
教学目标:
(1)了解计算机网络体系结构。
(2)理解网络协议的基本概念,能描述开放系统参考模型(OSI)的基本思想。
(3)了解计算机网络通信中信息的载体、通信线路和连接设备。
(4)能列举并解释网络通信中常用的信息交换技术及其用途。
教学重点:
(1)列举计算机网络中常见的通信线路和连接设备。
(2)列举并解释网络通信中常用的复用和交换技术及它们的用途。
(3)了解开放互联参考模型(OSI/RM)的基本结构。
教学难点:
开放系统参考模型(OSI)的基本思想。
教学课时:
2课时
教学过程:
一、复习旧知识导入新知识
二、讲解新知识
(一)、计算机网络体系结构
计算机网络体系结构是一种关于计算机网络基础架构的描述和规定,包括硬件、功能层、接口、协议,用于建立通信,并确保信息的可靠传输。
1、计算机网络通信协议的定义:
计算机网络通信协议是用来定义并实现网络通信的一组规则和参数。
简言之,协议就是通信双方必须遵守的一组约定;协议也是一套规则,用来规定有关功能部件在通信过程中的操作。
2、开放系统互连参考模型(OSI)
OSI是当今网络互联共同遵守的标准。
采用分层方式来解决互不兼容的网络之间的通信问题。
(1)采用分层的原因:
网络通信涉及因素多而复杂,包括:
通信线路、传输技术、计算机硬件、软件、应用业务、安全等。
(2)分层的优点:
将复杂的网络通信问题分解为多个可在不同层次上处理的部分;提供了模块化的设计,对部分分层的修改、增加不影响其他层。
(3)OSI模型的两个基本概念:
两个系统同层间的约定称为协议(protocol);上下相临层之间的约定称为接口(interface)
(4)、OSI模型分层及各层主要功能(自下而上分为7层)
层
名称
主要功能
7
应用层
上层
提供各种应用:
文件传输(FTP)、电子邮件(E-mail)、万维网(WWW)
6
表示层
数据转换、压缩与解压缩、加密与解密。
5
会话层
建立传输规则、传输约定。
4
传输层
下层
分组、流量控制、差错与错误处理。
3
网络层
确定传送地址、选择传输路径。
2
数据链路层
信号同步、差错校验(CRC)、流向控制。
1
物理层
传输信息的介质、将数据以实体呈现并传输的规格、接插件的规格
(5)、OSI模型数据传送及接收过程:
(课件上体现图)
数据由发送端(通常指应用程序)产生,由上层往下层传送。
每经过一层,都会在该层增加一些该层专用的信息(网络术语成作封装),这些信息称为报头,在有些层除了添加报头外,还会在数据尾部加上一些信息,称作报尾然后再传送给下一层,我们可以把“加上报头”想象为“套上一层信封”,数据传送到物理层时已经套上了七层信封。
然后通过网络线缆、电话线、光缆等传送到接收端。
接收端收到数据后,会从最底层向上传送,每经过一层就拆掉一层信封,直到最上层,数据被恢复成发送端最初始时的原貌。
3、计算机网络通信协议的几个概念:
(1)计算机网络通信协议的组成
①语法:
确定协议元素(数据与控制信息)的结构和格式。
即规定通信中各方应“如何讲”。
②语义:
确定协议元素(数据与控制信息)的类型和内容。
即“讲什么”应遵循的一些规定。
③交换规则:
规定通信双方彼此间的应答关系,即对事件实现顺序的详细说明。
也就是“讲的次序”的约定。
(2)报文及其分类
报文:
每个协议将所要传输的信息称作报文。
在网络层大多数称作分组,在物理层和数据链路层则称作帧。
①数据报文:
在上一层协议交付要传输的信息上添加报头(和报尾)构成数据报文。
②控制报文:
是不含用户数据,为了保证通信能够正常进行而发送的报文。
(3)协议连接方式分类:
①面向连接的协议:
类似于电话的使用,要和某个人通话,先拿起电话,拨号码,通话,然后挂断。
面向连接的协议使用时,用户首先要建立连接,使用连接,然后释放连接。
连接本质上像个管道,连接建立后,发送方在管道的一端放入物体,接收方在另一端按找同样的次序取出物体。
②无连接协议:
类似于邮政系统邮件的传递,每个报文(信件)带有完整的目标地址,并且每个报文都是相互独立的,经由系统选定的线路传递。
在正常情况下先发送的报文先收到,但也有可能先发的由于途中的延迟而后收到,面向连接的协议是不可能发生先发后收的。
(4)分组(packet)
在网络通信中,每一层都要对上一层传来的数据报文进行处理,由于硬件、操作系统、协议规定、国际标准等原因规定了本层能处理的数据报文的最大长度限制,必然要对上层传来的大的数据报文进行拆分,封装成的新数据报文发送给下一层,拆分得到的数据报文在物理层与数据链路层称作帧,在网络层和运输层称作分组(包)。
(5)校验码
校验码是将整个报文的信息按照某种算法进行计算而产生的,对报文是否正确传输起核对作用的一组代码。
常用的有校验和、循环冗余校验码(CRC)等。
①奇偶校验(paritycheck):
奇校验:
所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中,“1”的个数为奇数,如:
传送的数位
备注
校验位
数位
1
0110,0101
数位中有偶数个“1”,校验位设置为“1”
0
0110,0001
数位中有奇数个“1”,校验位设置为“0”
偶校验:
所有传送的数位(含字符的各数位和校验位)中,“1”的个数为偶数,如:
传送的数位
备注
校验位
数位
1
0100,0101
数位中有奇数个“1”,校验位设置为“1”
0
0100,0001
数位中有偶数个“1”,校验位设置为“0”
②校验和(checksum):
一个用来验证数据传送时不出错的值。
发送方利用叠加数据的二进制计算校验和,并随该数据的包一起发送,接收方计算接收到的数据的校验和并与包内的校验和作比较。
③循环冗余校验(cyclicredundancycheck,简记为CRC,):
用来检验数据在传送过程中没有遭破坏的一个值。
发送方计算机发送一个带有CRC值的数据包,接收方计算机接收到数据后计算它们的CRC值,再与包中的CRC值比较。
计算CRC值比计算校验和更复杂,但能检验出更多的传输差错。
CRC的计算虽然比较复杂,但只要在硬件上使用移位寄存器和XOR门电路来计算CRC代码还是比较容易实现的。
(二)网络中的信息载体、通信线路与连接设备
1、计算机网络中信息传输的载体:
电磁波,频率从低到高,依次是电力波、声波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、伽马射线等。
数字信号在传输过程中是以电磁波形式传输的,在信息发送端把数字信息转换为电磁波的过程称为调制(编码),在接收端把电磁波转换为数字信息的过程称为解调(解码)。
调制解调器(MODEM)是一种兼具调制和解调功能的设备。
常见的有用于普通电话线的普通调制解调器、用于有线电视网的电缆调制解调器(又名线缆调制解调器,英文名称CableModem)和用于宽带上网的xDSL调制解调器等。
2、计算机网络的传输介质:
依靠线缆传输的称为有线通信,依靠大气和太空传输的称为无线通信。
①无线传输介质:
无线电波、微波、红外线。
②有线传输介质:
同轴电缆、双绞线和光导纤维。
有线传输介质
注意:
双绞线的接线标准,常用的标准有两个:
T568A和T568B,标准568A:
绿白—1,绿—2,橙白—3,蓝—4,蓝白—5,橙—6,棕白—7,棕—8。
标准568B:
橙白—1,橙—2,绿白—3,蓝—4,蓝白—5,绿—6,棕白—7,棕—8。
国内布线通常用568B的标准。
一个布线系统中除了跳线以外只能用一个接线标准,不能混用。
也不能把4对线按次序卡入水晶头。
3、复用和交换
复用和交换是为了提高通信线路带宽的利用率、提高通信线路的总体使用效率采用的一种技术,多路复用包括频分复用、时分复用、波分复用等。
(1)多路复用技术的基本原理:
各路信号在进入同一个有线的或无线的传输媒质之前,先采用调制技术把它们调制为互相不会混淆的信号,然后进入传输媒质传送到对方,对方再用解调(反调制)技术对这些信号加以区分,并使它们恢复成原来的信号,从而达到多路复用的目的。
采用多路复用的主要目的是为了降低建设通信线路的费用,提高传输信道的利用率。
不采用多路复用如图:
采用多路复用如图:
(2)交换可分为电路交换(专线电话)、分组交换(IP电话)、报文交换(电报)等。
①电路交换在通信时,一方发起呼叫,独占一条物理线路。
当交换机完成接续,对方收到发起端的信号,双方即可进行通信。
它的特点是实时性强,时延小,交换设备成本较低,但物理线路利用率低。
例如:
电话网(PSTN)是典型的电路交换
②分组交换是一种通过存储转发的交换方式。
它是将需要传送的信息划分为一定长度的分组(包),以分组为单位进行存储转发的。
而每个分组信息都载有接收地址和发送地址的标识,在传送数据分组之前,首先建立虚电路,然后依序传送。
送出的信息经交换机的分组装拆功能构成分组,存储到分组交换机的存储器内,接着就可以和来自其他终端的分组一起,以动态复用的方式,通过高速传输线路进行传输,从而提高了传输线路利用率。
存储转发原理示意图
分组交换原理示意图:
分组交换的优点:
传输质量高、可靠性高、经济性能好、能与公用电话网、用户电报及低速数据网、其他专用网互连。
分组交换的缺点:
由于采用存储转发方式工作,所以每个分组的传送延迟可达几百毫秒,而且在传送分组时交换机要有一定的开销,故分组交换不适宜在实时性要求高、信息量大的场合使用;还由于技术比较复杂、网络管理功能强等原因,大型分组交换网的投资也比较大。
③报文交换
复用与交换分类及其用途
多路复用
1.频分复用(FDM)
多用于模拟通信(数字通信也在应用)。
典型应用:
有线电视
2.时分复用(TDM)
广泛应用于数字通信。
典型应用:
GSM移动通信系统、程控电话交换系统
3.波分复用(WDM)
是利用光域上的频分复用技术,实现在一根光纤上同时传输多路光信号的光通信技术。
光纤通信(最大容量10Tbps)
交换
1.电路交换
程控电话交换系统
2.分组交换
大型商场、超市信用卡消费
3.报文交换
电报系统
4、网络连接设备:
集线器、交换机、路由器、网关等。
(1)集线器的英文名称就是我们通常见到的“Hub”。
集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大,以扩大网络的传输距离,同时把所有节点集中在以它为节点的中心上。
在采用星形拓扑结构的网络中,用来连接多条通信线路并提供中央交换功能,无源集线器对传输信号不做任何处理,有源集线器则具有对信号进行监测和增强的功能。
集线器是中继器的一种,其区别仅在于集线器能够提供更多的端口服务,所以集线器又叫多口中继器。
集线器主要用来优化网络布线结构,以简化网络管理为目标而设计的。
集线器(Hub)是对网络进行集中管理的最小单元,像树的主干一样,它是各分枝的汇集点。
以集线器为节点中心的优点是:
当网络系统中某条线路或某节点出现故障时,不会影响网上其他节点的正常工作,这就是集线器刚推出时与传统的总线网络的最大的区别和优点,因为它提供了多通道通信,大大提高了网络通信速度。
集线器的主要不足体现在如下几个方面:
①用户带宽共享,带宽受限。
集线器的每个端口并没有独立的带宽,而是所有端口共享总的背板带宽,用户端口带宽较窄,且随着集线器所接用户的增多,用户的平均带宽不断减少,不能满足当今许多对网络带宽有严格要求的网络应用,如多媒体、流媒体应用等环境。
②广播方式,易造成网络风暴。
集线器是一个共享设备,它的主要功能只是一个信号放大和中转的设备,不具备自动寻址能力,即不具备交换作用,所有传到集线器的数据均被广播到与之相连的各个端口,容易形成网络风暴,造成网络堵塞。
③非全双工传输,网络通信效率低。
集线器的同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信,而不能像交换机那样进行双向双工传输,网络执行效率低,不能满足较大型网络通信需求。
正因如此,尽管集线器技术也在不断改进,但实质上就是加入了一些交换机技术,目前集线器与交换机的区别越来越模糊了。
随着交换机价格的不断下降,仅有的价格优势已不再明显,集线器的市场越来越小,处于淘汰的边缘。
(2)交换机
交换机的英文名称为“Switch”,它是集线器的升级换代产品,从外观上来看的话,它与集线器基本上没有多大区别,都是带有多个端口的长方形盒状体。
交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。
交换机的所有的端口都挂接在这条背部总线上。
控制电路收到数据包以后,处理端口会查找内存中的MAC地址(网卡的硬件地址)对照表以确定目的MAC的NIC(网卡)挂接在哪个端口上,通过内部交换矩阵直接将数据迅速包传送到目的节点,而不是所有节点,目的MAC若不存在才广播到所有的端口。
这种方式我们可以明显地看出一方面效率高,不会浪费网络资源,只是对目的地址发送数据,一般来说不易产生网络堵塞;另一个方面数据传输安全,因为它不是对所有节点都同时发送,发送数据时其它节点很难侦听到所发送的信息。
这也是交换机为什么会很快取代集线器的重要原因之一。
交换机的主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列以及流量控制。
目前一些高档交换机还具备了一些新的功能,如对VLAN(虚拟局域网)的支持、对链路汇聚的支持,甚至有的还具有路由和防火墙的功能。
(3)路由器
路由器(router)是在开放系统参考模型(OSI/RM)第三层—网络层上实现中继的一种网络互连设备(见图1-16)。
他根据网络分层的信息,采用某种路由算法,为在网络上传送的分组从若干条路由中选择1条到达目的地的通路。
路由器在网络层上使网络互连:
使用路由器可以实现具有相同或不同类型的网络的互连。
以前曾把完成这一功能的设备叫做网关。
现在把它称作路由器以强调它在OSI/RM第三层上的中继功能,而网关则用来特指那些在OSI/RM的高层(运输层和应用层)实现不同高层协议之间互相转换的设备。
路由器与集线器和交换机不同,不是应用于同一网段的设备,而是应用于不同网段或不同网络之间的设备,属网际设备。
路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径,并将该数据有效地传送到目的站点。
由此可见,选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的主要任务。
(4).路由器和交换机的区别
路由器是产生于交换机之后,就像交换机产生于集线器之后,所以路由器与交换机也有一定联系,并不是完全独立的两种设备。
路由器主要克服了交换机不能路由转发数据包的不足。
总的来说,路由器与交换机的主要区别体现在以下几个方面:
①工作层次不同
最初的交换机是工作在OSI/RM开放系统互连结构的数据链路层,也就是第二层,而路由器一开始就被设计成工作在OSI模型的网络层。
由于交换机工作在OSI的第二层(数据链路层),所以它的工作原理比较简单,而路由器工作在OSI的第三层(网络层),可以得到更多的协议信息,路由器可以做出更加智能的转发决策。
②数据转发所依据的对象不同
交换机是利用物理地址或者说MAC地址来确定转发数据的目的地址。
而路由器则是利用不同网络的ID号(即IP地址)来确定数据转发的地址。
IP地址是在软件中实现的,描述的是设备所在的网络,有时这些第三层的地址也称为协议地址或者网络地址。
MAC地址通常是硬件自带的,由网卡生产商来分配的,已经固化在网卡中,一般来说是不可更改的。
而IP地址则通常由网络管理员或系统自动分配。
③传统的交换机只能分割冲突域,不能分割广播域;而路由器可以分割广播域。
由交换机连接的网段仍属于同一个广播域,广播数据包会在交换机连接的所有网段上传播,在某些情况下会导致通信拥挤和安全漏洞。
连接到路由器上的网段会被分配成不同的广播域,广播数据不会穿过路由器。
虽然第三层以上交换机具有VLAN功能,也可以分割广播域,但是各子广播域之间是不能通信交流的,它们之间的交流仍然需要路由器。
④路由器提供了防火墙的服务,它仅仅转发特定地址的数据包,不传送不支持路由协议的数据包传送和未知目标网络数据包的传送,从而可以防止广播风暴。
四、总结本章内容:
以课本P15本章练习1-6练习为主总结本章知识点。
1、计算机网络有哪三个要素?
答:
计算机设备、通信线路、连接设备和网络通信协议。
2、计算机网络有哪些主要功能?
答:
资源共享、数据通信、分布式计算。
3、网络通信协议起什么作用?
答:
络通信协议的作用是用来定义并实现网络通信的一组规则和参数。
4、开放系统互连参考模型将计算机网络分为哪些层?
答:
开放系统互连参考模型将计算机网络分为7个功能层,自上而下以次是:
应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
5、常用的通信介质有哪些?
答:
有线通信常用的通信介质有同轴电缆、双绞线、光纤。
无线通信常用的通信介质有无线电波、微波和红外线等。
6、常用的网络连接设备有哪些?
答:
常用的网络连接设备有:
集线器、交换机、路由器和网关等。
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