数据通信基本原理.ppt
2008-03,数据通信原理,Page 2,前言,本课程主要介绍了数据通信原理的基础知识。旨在帮助您了解数通原理知识。,Page 3,TCP/IP协议族(第二版)TCP IP协议详解(卷1),参考资料,Page 4,通过本课程学习,您可以:掌握TCP/IP协议栈结构掌握IP地址及子网划分原理掌握静态路由基本原理了解动态路由基本知识,学习目标,Page 5,第一章 TCP/IP协议基础第二章 路由基础,Page 6,第一章 TCP/IP协议基础,Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层,Page 7,Internet网络基础,什么是Internet?网络:网络是一组互相连接的通信设备.互联网(Internet):两个或更多的可以彼此通信的网络,使用TCP/IP协议互连.,TodaysInternet,1980sCSNETNSFNET,1970sInternet概念诞生,Internet 简史,1970sTCP/IP诞生,1990sANSNET,Page 8,Internet网络基础,Intranet,如今的Internet:ISP概念:Internet service provider Internet服务提供商.现在绝大多数的终端用户都是由ISP来提供Internet服务的.如:中国电信-国家ISP 广东电信-地区ISP如今的Internet组成:,Page 9,Internet网络基础,LAN和WAN数据通信网络按覆盖范围的大小可以分为局域网(LAN)和广域网(WAN).,LAN,WAN,LAN,LAN,LAN,Page 10,Internet网络基础,LANLAN定义:通常指几公里以内的,可以通过某种介质互联的计算机、打印机、modem或其他设备的集合.特点:距离短、延迟小、数据速率高、传输可靠.LAN的设计目标:运行在有限的地理区域;允许同时访问高带宽的介质;通过局部管理控制网络的私有权利;提供全时的局部服务;连接物理相邻的设备.LAN的常见设备:,HUB,交换机,路由器,ATM 交换机,Page 11,Internet网络基础,WANWAN定义:在大范围区域内提供数据通信服务,主要用于互连局域网.特点:覆盖范围广.WAN的设计目标:运行在广阔的地理区域;通过低速串行链路进行访问;提供全时的或部分时间的联接性;联接物理上分离的、遥远的、甚至全球的设备.WAN的常见设备:,Modem/CSU/DSU,路由器,广域网交换机,接入服务器,Page 12,Internet网络基础,常见网络拓扑结构:,LAN,WAN,总线型,星型,树型,环型,网型,Page 13,第一章 TCP/IP协议基础,Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层传输层网络层应用层,Page 14,Data link,Physical,TCP/IP协议和OSI参考模型,TCP/IP协议栈具有简单的分层设计，与OSI参考模型有清晰的对应关系。,OSI参考模型,TCP/IP,Application,Presentation,Session,Transport,Network,Data link,Physical,Application,Link,Internet,Transport,Page 15,TCP/IP协议基础,TCP/IP协议栈,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,为什么要分层?网络通信是一个复杂的系统,单一层面难以完成通信任务,因此引入了模块化和层次化的概念,也就形成了网络分层模型.分层的好处通信双方功能的对等实现功能模块化,清晰化利于各种网络技术的层叠利于异构网络的互通,Page 16,TCP/IP协议基础,TCP/IP协议栈,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,定义物理设备接口特性、传输介质类型、传输速率、传输模式等.物理层传输的是二进制数据(Bit).,提供对物理介质的访问,提供物理编址、流量控制、差错控制和接入控制.链路层传输的是帧(Frame).,负责将分组数据从源端交付到目的端.提供逻辑编址、路由选择.网络层传输的是报文(Packet).,负责将完整的报文从源端交付到目的端.提供端口编址、分段重组、连接控制、流量控制和差错控制.传输层传输的是段(Segment).,提供了对用户的接口,支持各种应用层协议.支持网络虚拟终端、文件传送、邮件服务等.应用层传输的是原始的数据(Data).,Page 17,TCP/IP协议基础,对等层通信,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,Bit,Frame,Packet,Segment,Data,对等层间使用相同的协议进行通信.物理层的通信是直接的,其他层通过其下层提供的服务与其对等层进行通信.,Page 18,TCP/IP协议基础,TCP/IP协议栈报文封装和解封装过程,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,Hello,I want to say hello to B.,Hello,I receive it!,Page 19,第一章 TCP/IP协议基础,Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层,Page 20,物理层,物理层规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性.主要定义电压,接口,线缆标准,传输距离,传输模式,传输速率等内容.常见的物理层接口:10M以太网接口 100M以太网接口 1000M以太网接口常见物理层设备:集线器HUB(转发器),Page 21,物理层,关于双绞线双绞线的分类:3类双绞线 4类双绞线 5类双绞线 超5类双绞线 6类双绞线5类双绞线的线序:,双绞线有屏蔽与非屏蔽之分均为8芯电缆双绞线的类型由单位长度内的绞环数确定,直连网线(Straight Through Cable),交叉网线(Cross Over Cable),Side 1,1=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕,Side 2,1=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕,Side 1,Side 2,1=白/橙2=橙3=白/绿4=蓝5=白/蓝6=绿7=白/棕8=棕,1=白/绿2=绿3=白/橙4=蓝5=白/蓝6=橙7=白/棕8=棕,Page 22,第一章 TCP/IP协议基础,Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层,Page 23,链路层,链路层数据链路层是TCP/IP协议栈的第二层，在物理层基础上向网络层提供服务.数据链路层为物理链路提供可靠的数据传输.局域网的数据链路层协议有以太网、令牌环网等.广域网数据链路层协议有PPP、HDLC、Frame Relay等.常见数据链路层设备 交换机 LAN Switch:,Page 24,链路层,LAN数据链路层标准 IEEE 802制定了系列局域网标准:IEEE802.3:以太网 IEEE802.4:令牌总线 IEEE802.5:令牌环 IEEE802.11:无线局域网 IEEE802标准涵盖了物理层和数据链路层.WAN数据链路层标准 HDLC 高级数据链路控制 PPP 点对点协议 X.25 X.25协议 Frame Relay 帧中继,Page 25,SFD,DA,SA,Length/Type,链路层,以太网链路层以太网中的数据链路层标准遵循IEEE802.3协议.协议中定义:使用MAC(Medium Access Control)地址在链路层唯一标识一个物理设备.以太网帧结构:,Data,CRC,MAC帧头,MAC帧尾,数据部分,SFD:Start Frame Denotation.帧首定界符.在MAC帧中固定为10101011.用于接收同步.1Byte.DA:Destination Address 目的MAC地址.标识接收此帧的物理设备.6Bytes.SA:Source Address 源MAC地址.标识发送此帧的物理设备.6Bytes.Length/Type:当此值小于1518时,此字段用于标识后面的Data部分的长度;当此值大于1518时,此字段用于定义其上层的协议.2Bytes.Data:是此帧携带的来自上层的数据.最小长度为46Bytes,最大长度为1500Bytes.CRC:此字段用于差错检测.4Bytes.,Page 26,链路层,MAC地址以太网中的每一个终端或路由设备,如PC机、路由器等,都有自己的网络接口卡(NIC 也就是网卡).每个NIC都有自己的MAC地址,用于在网络中唯一标识一个物理设备.MAC地址有48位,但它通常被表示为12位的点分十六进制数.MAC地址全球唯一,由 IEEE对这些地址进行管理和分配.每个地址由两部分组成,分别是供应商代码和序列号.其中前24位二进制代表该供应商代码.剩下的24位由厂商自己分配.华为产品前24位为:0 x00E0FC.如果48位全是1,则表明该地址是广播地址.FFFFFFFFFFFF.如果第8位是1,则表示该地址是组播地址.,Page 27,链路层,以太网MAC层交换原理在同一个网络中,设备之间的寻址采用MAC地址寻址.,B,PORT1,PORT2,交换机,A,I want to say Hello to B,I receive it.And Hi A!,Page 28,第一章 TCP/IP协议基础,Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层,Page 29,网络层,网络层网络层是TCP/IP协议栈的第三层,提供源端到目的端的通信.网络层的主要设备:路由器,三层交换机等.,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,IP,ICMP,ARP/RARP,Page 30,网络层,IP(Internet Protocol)IP协议是网络层的主要协议,是一种不可靠的无连接的数据报文协议-尽最大努力交付(Best effort).IP协议提供了一种全球统一的报文格式,屏蔽了链路层差异,使网络互联成为可能.IP报文结构:,Page 31,网络层,IP协议中定义了IP地址,此地址用于在Internet上唯一标识一台主机或路由器的一个接口.在Internet中,每一台主机或路由器的一个网口的IP地址都是唯一的.IPV4中,IP地址定义:使用32bit数在网络中唯一标识一台主机.通常使用点分十进制的方式表示:,IP地址二进制表示:,IP地址点分十进制表示:IPV4中的私有IP地址:,192.168.10.1,私有地址,Page 32,网络层,IP地址分类:,B类地址,1,Network 14bit,Host 16bit,E类地址,1,保留,A类地址,0,Network 7bit,Host 24bit,C类地址,1,Network 21bit,Host 24bit,D类地址,1,组播地址,0,1,0,1,1,0,1,1,1,0,子网掩码的出现使这种分类的概念弱化,Page 33,网络层,特殊的IP地址:,Page 34,网络层,子网掩码什么是子网掩码?网络设备使用子网掩码(subnet masking)决定IP地址中哪部分为网络部分,哪部分为主机部分.子网掩码使用与IP地址一样的格式.子网掩码的网络部分和子网部分全都是1,主机部分全都是0.缺省状态下,如果没有进行子网划分,A类网络的子网掩码为255.0.0.0,B类网络的子网掩码为255.255.0.0,C类网络子网掩码为255.255.255.0.利用子网掩码,网络地址的使用会更有效.对外仍为一个网络,对内部而言,则分为不同的子网.子网掩码的组成:子网掩码由一串连续的1和一串连续的0组成.例:二进制表示 11111111 11111111 11111111 00000000 点分十进制 子网掩码的长度:掩码中1的个数.上面的例子中,掩码长度为24.,Page 35,网络层,子网地址什么是子网地址?子网地址用于标识一个子网.在同一个子网中,所有的主机拥有相同长度的子网掩码和相同的子网地址.子网地址的计算:例:IP地址为 的主机,其掩码为255.255.255.240,其所在子网的子网地址计算如下:,IP地址,子网掩码,网络地址(二进制),网络地址,255.255.255.240,11111111 11111111 11111111 11110000,192.168.1.7,11000000 10101000 00000001 00000111,11000000 10101000 00000001 00000000,(与运算),Page 36,网络层,子网内主机数量的计算,例子:IP地址为该子网掩码二进制表示为：11111111.11111111.11111111.11110000则此网络中:主机总数为:24 可用主机数为:24-2,Page 37,网络层,子网划分为何要进行子网划分 MAN和WAN不可能采用广播技术,必须进行合理的路由;MAC地址的无规律性、固化性,难以进行广域路由;逻辑地址(IP)具有灵活性、可规划性;子网划分可收敛地址数量,减轻路由压力.子网划分的办法 IP地址的结构化分层方案将IP地址分为子网地址和主机地址,区分子网地址和主机地址需要掩码(Mask)来实现.基于以上方法,可以将全球网络划分为有规律的、可灵活调整的子网,并在此基础上进行合理路由.同时,更小范围的子网划分也有利于网络管理.,Page 38,网络层,如何进行子网划分例:局方提供了一个 的网段,我们需要至少7个子网,每个子网中的主机数量至少为25个.如何进行子网划分?由于一个子网内的主机数量为 2n-2个,此例中每个子网中的主机数要求至少为25个,故n5.所以,每个子网的掩码长度最长应为 32-5=27位,即255.255.255.224.由于需要至少7个子网,故每个子网的掩码长度只能为27.这些子网分别是:10.160.2.0 10.160.2.31 子网地址为 10.160.2.32 10.160.2.63 子网地址为 10.160.2.64 10.160.2.95 子网地址为 10.160.2.96 10.160.2.127 子网地址为 10.160.2.128 10.160.2.159 子网地址为 10.160.2.160 10.160.2.191 子网地址为 10.160.2.192 10.160.2.223 子网地址为 10.160.2.224 10.160.2.255 子网地址为,Page 39,网络层,练习题:局方提供的网段为 204.159.80.192/26,现需要至少6个网段,每个网段的主机数至少为5个.如何进行子网划分?,Page 40,网络层,ARP(Address Resolution Protocol)协议ARP协议的作用:已知对方IP地址求对方MAC地址.用于同一子网内的寻址.广泛应用于局域网中.每一个物理设备中,都有一张ARP表,其中记录了IP地址和MAC地址的对应关系.,MAC:00-E0-FC-00-00-11,MAC:00-E0-FC-00-00-12,ARP Request,谁知道的MAC地址？,10.0.0.2 对应的MAC为00-E0-FC-00-00-12,A,B,00E0FC000012,00E0FC000011,Page 41,网络层,RARP(Reverse Address Resolution Protocol)协议RARP协议的作用:已知对端MAC地址求其IP地址.主要用于无盘工作站中.如果启用RARP协议,网络中必须有RARP Server提供服务.并不是所有设备都支持RARP协议.,MAC:00-E0-FC-00-00-11,MAC:00-E0-FC-00-00-12,无盘工作站,RARP Server,我的IP地址是多少?,你的IP地址是,Page 42,网络层,ICMP(Internet Control Message Protocol)协议ICMP协议为网络提供差错报告机制和状态查询机制.PING程序使用的就是ICMP协议.ICMP的报文封装方式:,MAC帧头,IP报头,ICMP报文,MAC帧尾,A,B,B是否可达?,我在,Page 43,第一章 TCP/IP协议基础,Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层,Page 44,传输层,传输层传输层是TCP/IP协议栈的第四层,提供进程到进程之间的通信并提供流量控制和差错控制机制.UDP(User Data Protocol)是面向无连接的协议,提供高效不可靠传输.TCP(Transmission Control Protocol)是面向连接的协议,提供可靠性传输,但由于在连接建立、拆除、保活过程中需要一些控制消息,故其传输效率不如UDP.,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,TCP/UDP,Page 45,传输层,传输层报文格式,Page 46,传输层,传输层的端口号 传输层协议用端口号来标识和区分各种上层应用程序.端口号范围:0 65535.其中01023是公有端口(知名端口),102465535是私有端口.,80,20/21,23,25,53,69,161,Page 47,传输层,进程间的通信:通过端口号来识别源端和目的端的相应进程.,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,物理层,网络层,链路层,传输层,应用层,FTP Client,FTP Server,2987,21,Page 48,第一章 TCP/IP协议基础,Internet网络基础TCP/IP协议基础物理层链路层网络层传输层应用层,Page 49,应用层,应用层应用层主要提供与用户之间的各种接口程序.应用层的程序大多都是成对出现的,即客户端与服务器.常见的应用层程序:HTTP,FTP,TFTP,Telnet,DNS等 如网页,游戏,邮箱等都属于应用层程序的应用.,Page 50,第一章 TCP/IP协议基础第二章 路由基础,Page 51,路由基础,定义:路由是指导IP报文转发的路径信息静态路由 无开销,配置简单,需人工维护,适合简单拓朴结构的网络.动态路由 开销大,配置复杂,无需人工维护,适合复杂拓朴结构的网络.路由格式 路由格式:目的地址 子网掩码 下一跳 例:默认路由 主机路由:10.0.20.8 255.255.255.255 10.0.10.1 子网路由,Page 52,静态路由配置,Router A,Net 1,Router B,Net 2,Page 53,路由转发过程,MAC,Router A,Net 1,Router B,Net 2,MAC 2,MAC A2,MAC B1,MAC A1,Mac B2,IP,TCPUDP,Data,MAC 1,MAC,IP,TCPUDP,Data,MAC,IP,TCPUDP,Data,
