第三章计算机网络技术基础.docx

第三章计算机网络技术基础一、教学目标：I.掌握几种常见网络拓扑结构的原理及其特点2.掌握ISO/OSI网络参考模型及各层的主要功能3.掌握共享介质方式的CSMA/CD和令牌传递两种数据传输控制方式的基本原理4.了解几种常见的网络类型5.掌握TCP/IP协议的层次结构及各层上协议的基本功能6.了解几种典型的广域网技术二、教学重点、难点网络拓扑结构、OSl七层模型、TCP/IP协议模型三、技能培训重点、难点练习计算机网络的配置协议四、教学方法教师讲解、演示，学生认真学习并思考、记忆；教师讲授与学生理解协调并重的教学法五、教具使用计算机一台、多媒体幻灯片演示六、教学内容与过程导入：提问学生对OSl的七层模型和TCP/IP四层模型的理解。引导学生总结重要原理并认真加以研究。教师总结归纳本章重要原理的应用，进入教学课题。讲授新课：（多媒体幻灯片演示或板书）第三章计算机网络技术基础3.1计算机网络的拓扑结构3.1.1什么是计算机网络的拓扑结构网络拓扑是指网络连接的形状，或者是网络在物理上的连通性。网络拓扑结构能修反映各类结构的基本特征，即不考虑网络节点的具体组成，也不管它们之间通信线路的具体类型，把网络节点画作"点"，把它们之间的通信线路画作"线"，这样画出的图形就是网络的拓扑结构图，不同的拓扑结构其信道访问技术、网络性能、设备开销等各不相同，分别适应于不同场合。它影响着整个网络的设计、功能"可靠性和通信费用等方面，是研究计算机网络的主要环节之一。计算机网络的拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构，常见的一般分为以下几种：1总线型2,星型3.环型4.树型5.网状型3.1.2总线型拓扑结构总线结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接.总线型结构简单、扩展容易。网络中任何节点的故障都不会造成全网的故障，可靠性较高。总线型结构是从多机系统的总线互联结构演变而来的，又可分为单总线结构和多总线结构，常用CSMAZCD和令牌总线访问控制方式。总线型结构的缺点：(1)故障诊断困难(2)故障隔离困难(3)中维器等配置(4)实时性不强3.1.3星型拓扑结构星型的中心节点是主节点，它接收各分散节点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。星型网的结构简单，建网容易，但可靠性差，中心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。星型拓扑结构的访问采用集中式控制策略，采用星型拓扑的交换方式有电路交换和报文交换。星型拓扑结构的优点：(1)方便服务(2)每个连接只接一个设备(3)集中控制和便于故障诊断(4)简单的访问协议星型拓扑结构的缺点：(1)电缆长度和安装(2)扩展困难(3)依赖于中央节点3.1.4环型拓扑结构网络中节点计算机连成环型就成为环型网络。环路上，信息单向从一个节点传送到另一个节点，传送路径固定，没有路径选择问题。环型网络实现简单，适应传输信息量不大的场合。任何节点的故障均导致环路不能正常工作，可靠性较差。环型网络常使用令牌环来决定哪个节点可以访问通信系统。环型拓扑结构的优点：(1)电缆长度短(2)适用于光纤<3)网络的实时性好环型拓扑结构的缺点：(1)网络扩展配置困难(2)节点故障引起全网故障<3)故障诊断困难(4)拓扑结构影响访问协议3.1.5其他类型拓扑结构1.树型拓扑结构树型网络是分层结构，适用于分级管理和控制系统。网络中，除叶节点及其联机外，任一节点或联机的故障均只影响其所在支路网络的正常工作。2.星型环型拓扑结构3.1.6拓扑结构的选择原则拓扑结构的选择往往和传输介质的选择和介质访问控制方法的确定紧密相关。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以卜几点：（1）服务可靠性（2）网络可扩充性（3）组网费用高低（或性能价格比）.3.2ISO/OSI网络参考模型建立分层结构的原因和意义：建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共享，而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。对于网络的广泛实施，国际标准化组织ISo（InternationalStandardOrganization），经过多年研究,在1983年提出了开放系统互联参考模型OSI/RM（ReferenceModelofOpenSystemInterconnection）,这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构，给网络设计者提供了一个参考规范。OSl参考模型的层次OSl参考模型共有七层，由低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表不层和应用层。1.OSl参考模型的特性（1）是一种将异构系统互联的分层结构；（2）提供了控制互联系统交互规则的标准骨架；（3）定义了一种抽象结构，而并非具体实现的描述；（4）不同系统上的相同层的实体称为同等层实体；（5）同等层实体之间的通信由该层的协议管理；（6）相邻层间的接口定义了原语操作和低层向上层提供的服务；（7）所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务；（8）直接的数据传送仅在最低层实现；（9）每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其它层。2.有关OSl参考模型的技术术语在OSl参考模型中，每一层的真正功能是为其上一层提供服务。在对这些功能或服务过程以及协议的描述中，经常使用如卜一些技术术语：（1）数据单元服务数据单元SDU（ServiceDataUnit）协议数据单元PDU（ProtocolDataUnit）接口数据单元IDU（InterfaceDataUnit）服务访问点SAP（ServiceAccessPoint）服务原语（Primitive）（2）面向连接和无连接的服务卜层能够向上层提供的服务有两种基本形式：面向连接和无连接的服务。面向连接的服务是在数据传输之前先建立连接，主要过程是:建立连接、进行数据传送，拆除链路。面向连接的服务，又称为虚电路服务。无连接服务没有建立和拆除链路的过程，一般也不采用可靠方式传送。不可靠（无确认）的无连接服务又称为数据报服务。3.2.1物理层物理层是OSl模型的最低层，其任务是实现物理上互连系统间的信息传输。1.物理层必须具备以下功能（1）物理连接的建立、维持与释放（2）物理层服务数据单元传输（3）物理层管理.2.媒体和互联设备物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等；通信用的互联设备如各种插头、插座等；局域网中的各种粗、细同轴电缆，T型接/插头，接收器，发送器，中继器等都属物理层的媒体和连接器。3.2.2数据链路层数据链路可以粗略地理解为数据信道。数据链路层的任务是以物理层为基础，为网络层提供透明的、正确的和有效的传输线路，通过数据链路协议，实施对二进制数据正确、可靠的传输。数据链路的建立、拆除、对数据的检错、纠错是数据徒路层的基本任务。1.链路层的主要功能（1）链路管理（2）帧的装配与分解（3）帧的同步（4）流量控制与顺序控制（5）差错控制（6）使接收端能区分数据和控制信息（7）透明传输（8）寻址2.数据链路层的主要协议（1）IS01745-1975（2）ISO3309-1984（3）ISO77763.链路层产品独立的链路产品中最常见的是网卡，网桥也是链路产品。数据链路层将本质上不可靠的传输媒介变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE802.3情况下，数据链路层分成两个子层：一个是逻辑链路控制，另一个是媒体访问控制。3.2.3网络层网络层是通信子网与资源子网之间的接口，也是高、低层协议之间的接口层。网络层的主要功能是路由选择、流量控制、传输确认、中断、差错及故障的恢复等。当本地端与目的端不处于同一网络中，网络层将处理这些差异.1.网络层的主要功能（1）建立和拆除网络连接（2）分段和组块（3）有序传输和流量控制（4）网络连接多路复用（5）路由选择和中维（6）差错的检测和恢复（7）服务选择2.网络层提供的服务OSI/RM中规定，网络层中提供无连接和面向连接两种类型的服务，也称为数据报服务和虚电路服务。3.路由选择3.2.4传输层传输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁。传输层下面三层（属于通信子网）面向数据通信，上面三层（属于资源子网）面向数据处理.因此，传输层位于高层和低层中间，起承上启下的作用。它屏蔽了通信子网中的细节，实现通信子网中端到端的透明传输，完成资源子网中两节点间的逻辑通信。它是负责数据传输的最高一层，也是整个七层协议中最重要和最复杂的一层。1.传输层的特性（1）连接与传输（2）传输层服务2.传输层的主要功能3.传输层协议3.2.5会话层会话层、表示层和应用层一起构成OSI/RM的高层，会话层位于OSl模型面向信息处理的高三层中的最下层，它利用传输层提供的端到端数据传输服务，具体实施服务请求者与服务提供者之间的通信，属于进程间通信的范畴。会话层还对会话活动提供组织和同步所必须的手段，对数据传输提供控制和管理。1会话层的主要功能（1）提供远程会话地址（2）会话建立后的管理（3）提供把报文分组重新组成报文的功能2.会话层提供的服务（1）会话连接的建立和拆除（2）与会话管理有关的服务（3）隔离（4）出错和恢复控制3.2.6表示层表示层为应用层服务，该服务层处理的是通信双方之间的数据表示问题。为使通信的双方能互相理解所传送信息的含义，表示层就需要把发送方具有的内部格式编码为适于传输的比特流，接收方再将其译码为所需要的表示形式。数据传送包括语义和语法两个方面的问题。C）Sl模型中，有关语义的处理由应用层负责，表示层仅完成语法的处理。1.表ZK层的主要功能（1）语法转换（2）传送语法的选择（3）常规功能2.表示层提供的服务（1）数据转换和格式转换(2)语法选择(3)数据加密与解密(4)文本压缩3.2.7应用层OSI的7层协议从功能划分来看，下面6层主要解决支持网络服务功能所需要的通信和表示问题，应用层则提供完成特定网络功能服务所需要的各种应用协议。应用层是OSl的最高层，直接面向用户，是计算机网络与最终用户的接口。负责两个应用进程(应用程序或操作员)之间的通信，为网络用户之间的通信提供专用程序。3.3TCP/IP网络协议网络协议是指为网络数据交换而制定的规则、约定与标准的集合，一个协议主要是由语法、语义与时序组成。其中：语法规定了用户数据与控制信息的结构与格式；语义则规定了用户控制信息的意义，以及完成控制的动作与回应；时序是对事件实现顺序的详细说明。网络协议很多，但目前广泛使用的通信协议是TCP/IP协议，尤其是作为Internet使用的协议，得到广泛的应用和推广.3.3.1什么是TCP/IP协议TCP/IP协议(TransmissionControlProtocoIZInternetProtocol)即传输控制协议/网际协议，源于美国国防部高级研究计划局的ARPANET网，其目的在于能够让各种各样的计算机都可以在一个共同的网络环境中运行，现己成为Internet网的通信协议。目前TCP/IP协议泛指以TCP/IP为基础的一个协议集。3.3.2TCP/IP协议的作用网络互联要解决的是异构网络系统的通信问题，目的是向高层隐藏底层物理网络技术的细节，为用户提供统一的通信服务。TCP/IP就是这一技术的体现，它是一个协议系列，目前己包含了100多个协议，用来将各种计算机和数据通信设备组成实际的计算机网络。TCP和IP是其中的两个协议，也是最基本、最重要的两个协议，是广为人知的，因此，通常用TCP/IP来代表整个Intemet协议系列。3.3.3TCP/IP协议的分层模式TCP/IP协议也采用分层体系结构，对应开放系统互连OSl模型的层次结构，可分为四层：网络接口层、网际层(IP层)、传输层和应用层。3.4局域网所谓网络标准，是为了规定网络的通信标准、访问控制方式、传输媒介等技术而制订的规则。局域网标准主要是由IEEE制定的IEEE802系列标准。IEEE(InstituteforElectricalandElectronicEngineers)即电气电子工程师协会，该协会于1980年2月成立了LAN标准化委员会，专门从事局域网的协议制定，并形成了一系列标准，称为IEEE802标准。它得到国际标准化组织ISO的支持并采纳作为ISo的局域网标准，称为IS08802标准。IEEE802标准主要包括有：IEEE802.1局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联IEEE802.2逻辑链路控制LLCIEEE802.3CSMA/CD访问方法和物理层规范IEEE802.4TokenPassingBUS（令牌总线）IEEE802.5TokenRing（令牌环）访问方法和物理层规范IEEE802.6城域网访问方法和物理层规范IEEE802.7宽带技术咨询和物理层课题与建议实施IEEE802.8光纤技术咨询和物理层课题IEEE802.9综合声音/数据服务的访问方法和物理层规范IEEE802.10安全与加密访问方法和物理层规范IEEE802.11无线局域网访问方法和物理层规范，包括：IEEE802.Ila,IEEE802.llb>IEEE802.Ilcg和IEEE802.Ilqn标准。IEEE802.12IOoVG-AnyLAN快速局域网访问方法和物理层规范3.4.1以太网以太网可谓到目前为止最老也最成功的局域网标准，是目前世界上使用最为普遍的网络。以太网广泛应用于局域网，甚至己成为局域网的代名词.以太网包括传统以太网（IOMbPs）、快速以太网（IooMbPS）、千兆以太网（IOooMbps）和万兆以太网（IOGMbps）,它们都符合IEEE802.3系列标准规范.从它的应用领域来看，以太网不仅是局域网的主流技术，而且采用以太网技术组建城域网也逐渐成为一种主流的网络技术3.4.2千兆以太网千兆以太网是近几年推出的IoOOMbPS高速以太网，以适应日益增多的用户业务对带宽的需求。千兆以太网是对IOMbPS和100MbP$以太网非常成功的扩展，与现有以太网完全兼容，现有网络应用均能在千兆以太网上运行，可以为现有的以100MbPS为基础的网络提供平滑的过渡。特别是100OBaSe-T,能够在五类线上传送的千兆以太网，以一种简单而廉价的方式提升网络性能，实现将现有的快速以太网络向高速网络移植。千兆以太网目前是局域网技术的主流,多用于主干网络.匹EE802.3工作组于1998年6月完成了IEEE802.3z标准。802.3z千兆以太网标准定义了IOooBaSe-SX、IooOBaSe-LX和IooOBaSe-CX三种标准，分别使用三种介质系统，其中两种是光纤介质标准；另一种是铜线介质标准。1999年6月IEEE802.3委员会正式公布了第二个铜线标准IEEE802.3ab。3.4.3万兆以太网万兆以太网和以往的显著区别一是只支持全双工模式,不再支持单工模式;二是不使用CSMA/CD协议。万兆以太网技术提供更加丰富的带宽和处理能力，能够有效地节约用户在链路上的投资，并保持以太网一贯的兼容性、简单易用和升级容易的特点。由于万兆以太网尚处于发展初期，还存在着一些问题和不足。可以预见的是，随着宽带业务的广泛开展，万兆以太网技术将会得到广泛应用并成为主流的组网技术.3.4.4ATM（异步传输模式）异步传输模式ATM（AsynchronousTransferMode）是一种新型的网络交换技术，适合于传送宽带综合业务数字（B-ISDN）和可变速率的传输业务。异步传输模式是一种利用固定数据报的大小以提高传输效率的传输方法，这种固定的数据报又叫信元或报文。ATM信元结构由53字节组成，53字节被分成5字节的头部和被称为载荷的48字节信息部分.数据可以是实时视频、高质量的语音、图像等。ATM局域网就是以ATM为基本结构的局域网，它以ATM交换机作为网络交换节点，并通过各种ATM接入设备将各种用户业务接入到ATM网络。3.4.5FDDI（光纤分布式数据接口）光纤分布数据接口FDDl（FiberDistributedDataInterface）是一种在实际中应用较多的高速环形网络，传输速率为100Mbits,是计算机网络技术向高速发展阶段的第一项高速网络技术，符合的标准是ANSlX3T9.5.FDDl使用光纤作为传输介质，信号单向传递，具有长距离、大范围、高速、低损耗、高抗干扰性能等优点。FDDl网络的主耍缺点首先是价格问题，FDDl的组网成本比快速以太网高许多，并且因为它只支持光缆和5类电缆，所以使用环境受到限制，对传统的以太网兼容性较差，从以太网升级会面临大量的移植问题。随着快速以太网和千兆以太网技术的发展，FDDl的应用己日趋式微.3.5数据传输控制方式数据和信息在网络中是通过信道进行传输的，由于各计算机共享网络公共信道，因此如何进行信道分配，避免或解决通道争用就成为重要的问题，就要求网络必须具备网络的访问控制功能。介质访问控制（MAC）方法是在局域网中对数据传输介质进行访问管理的方法。3.5.1具有冲突检测的载波侦听多路访问冲突检测/载波侦听（CSMA/CD法）CSMA心D是基于IEEE802.3标准的以太网中采用的MAC方法，也称为"先听后发、边发边听:它的工作方式是要传输数据的节点先对通道进行侦听，以确定通道中是否有别的站在传输数据，若信道空闲，该节点就可以占用通道进行传输，反之，该节点将按一定算法等待一段时间后再试，并且在发送过程中进行冲突检测，旦有冲突立即停止发送。通常采用的算法有三种：非坚持CSMA、I-坚持CSMA、P-坚持CSMA.目前，常见的局域网，一般都是采用CSMAZCD访问控制方法的逻辑总线型网络。用户只要使用Ethernet网卡，就具备此种功能。3.5.2令牌传递控制法令牌传递控制法（TokenPaSSing）是基于IEEE802.5标准的环形局域网以及基于IEEE802.4标准的令牌总线网中采用的MAC方法，又称为许可证法。其基本原理是：一个独特的被称为令牌的标志信息沿着环形网络依次向每个节点传递，只有获得令牌的节点才有权利发送信息，而没有获得令牌的节点则处于等待状态。每个站随时检测经过本站的信息，当查到信息帧中指定的目的地址与本站地址相同时，则一面拷贝全部有关信息，一面继续转发该信息帧，环上的信息帧绕环一周后回到原发送站点予以回收。这种方式传输信息时，发送权一直在源站点的控制之卜，只有发送信息帧的源站点放弃发送权，并把令牌置“空"后，其它站点才有机会得到令牌，发送自己的信息.。3.5.3网络交换技术交换又称转换，是在多节点网络中实现数据传输的一种有效手段。通常将数据在通信子网中节点间的数据传输过程统称为数据交换，其对应的技术为数据交换技术。在传统的广域交换网络的通信子网中，使用的数据交换技术可分为：电路交换技术和存储转发交换技术。存储转发交换技术又可分为:报文交换和分组交换。3.6广域网广域网(WAN,WideAreaNetwork)是在一个广泛范围内建立的计算机网络，在地理上可以跨越很大的距离，实现局域网资源共享与广域网共享的结合。形成地域广大的远程处理和局域网处理相结合的国际网系统。3.6.1.广域网的结构与种类1.广域网的结构广域网分为通信子网与资源子网两部分，主要是由一些广域网结点设备和连接这些设备的链路组成结点设备执行将分组存储转发的功能。广域网的链路一般分为传输主干和末端用户线路，根据末端用户线路和广域网类型的不同，有多种接入广域网的技术，并提供各种接口标准。广域网结点设备主要有路由器、调制解调器、通信服务器等2.广域网的种类广域网可以分为公共传输网络、专用传输网络和无线传输网络。3.6.2广域网标准ISO/OSI开放系统互连参考模型7层协议同样适用于广域网，但广域网只涉及低三层：物理层、数据徒路层和网络层，它将地理上相隔很远的局域网互连起来。广域网能提供路由器、交换机以及它们所支持的局域网之间的数据分组/帧交换。1.物理层协议广域网的物理层协议描述了如何提供电气、机械、操作和功能的连接到通信服务提供商所提供的服务。广域网物理层描述了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(TCE)之间的接口。2.数据链路层协议在每个广域网连接上，数据在通过广域网链路前都被封装到帧中。为了确保验证协议被使用，必须配置恰当的第二层封装帧的类型。协议的选择主要取决于广域网的拓扑和通信设备。广域网数据链路层协议定义了传输到远程站点的数据帧的封装形式，并描述了在单一数据路径上各系统间的帧传送方式。数据链路层协议主要有点对点协议(PPP)、高层数据链路控制(HDLC)、帧中维、综合业务数字网(ISDN)等。3.网络层协议常用的广域网网络层协议，有CCnT的X.25协议和TCP/IP协议中的IP协议等，3.6.3典型广域网技术简介1.ISDN综合数字业务服务ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork)是一种支持语音、图像和数据传输一体化的网络结构。它使用电话载波线路进行拨号连接，因此ISDN标准接口一般是在电话线安装适当的数字开关。2.DDN数字数据网DDN(DigitalDataNetwork)是一种利用数字信道提供数据通信的传输网，这主要提供点对点及点到多点的数字专线与专网。DDN的传输介质主要有光纤、数字微波、卫星信道等.3.帧中继帧中继FR(FrameRelay)技术是由X.25分组交换技术演变而来的，是在OSl第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术。我们可以把帧中继看作一条虚拟专线.用户可以在两节点之间租用一条永久虚电路并通过该虚电路发送数据帧，其长度可达1600字节。用户也可以在多个节点之间通过租用多条永久虚电路进行通信。4.X.25X.25遵循的是国际电报电话咨询委员会CCnT制定的"在公用数据网上以组方式工作的数据终端设备DTE和数据电路设备DCE之间的接口"。从ISOQSI体系结构观点看，X.25对应于OSl参考模型底下三层，分别为物理层、数据链路层和网络层。X.25网络是一种中速数据网络，提供的数据传输率一般为64Kbps“小结：1.计算机网络拓扑结构的基本知识2.计算机网络的体系结构3.传统局域网采用的共享介质方式的CSMAQD、令牌传递控制等方法4.一些典型的广域网技术作业：1.课后选择题2.简述TCP/IP的体系结构，并简要说明各层的功能。3.TCP/IP协议有哪些特点？4.简述TCP/IP模型与OSl模型的区别与联系。5.什么是广域网？广域网和局域网技术相比有什么不同？6.复习本章并预习下一章