數(shù)據(jù)基礎(上)-數(shù)據(jù)通信及TCP-IP基礎

寬帶數(shù)據(jù)通信基礎(上篇)

數(shù)據(jù)通信及TCP/IP2008-4-23維護中心陳昱提綱數(shù)據(jù)通信基礎OSI參考模型TCP/IP協(xié)議基礎數(shù)據(jù)通信基礎數(shù)據(jù)通信技術是計算機網(wǎng)絡的基礎，它將計算機技術與通信技術相結合，完成數(shù)據(jù)的編解碼、傳輸和處理。因此，研究計算機網(wǎng)絡，一定要了解數(shù)據(jù)通信。主要內容數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)轉換技術數(shù)據(jù)交換技術數(shù)據(jù)通信的基本概念1、信息和數(shù)據(jù)信息可以是語音、圖像、文字等多種形式，這里指的信息是人們要通過通信系統(tǒng)傳遞的內容；信息總是與一定的形式相聯(lián)系，這種形式實體就是數(shù)據(jù)?？梢哉f，數(shù)據(jù)是傳遞信息的實體，而信息是數(shù)據(jù)的內容或解釋。數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)兩類。模擬數(shù)據(jù)是指在某個區(qū)間連續(xù)變化的物理量，例如聲音的大小和溫度的變化等。數(shù)字數(shù)據(jù)是指離散的不連續(xù)的量，例如文本信息和整數(shù)。數(shù)據(jù)通信的基本概念2、信號信號是數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式，是數(shù)據(jù)的電氣或電磁形式的編碼。信號在通信系統(tǒng)中可分為模擬信號和數(shù)字信號。其中模擬信號是指一種連續(xù)變化的電信號，例如：電話線上傳送的按照話音強弱幅度連續(xù)變化的電波信號。數(shù)字信號是指一種離散變化的電信號，例如計算機產(chǎn)生的電信號就是“0”和“1”的電壓脈沖序列串。數(shù)據(jù)通信的基本概念3、信道信道是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。是傳輸信息的必經(jīng)之路。一般來說，一條通信線路至少包含兩條信道，一條用于發(fā)送的信道和一條用于接收的信道。和信號的分類相似，信道也可分為適合傳送模擬信號的模擬信道和適合傳送數(shù)字信號的數(shù)字信道兩大類。數(shù)據(jù)通信的基本概念4、帶寬帶寬是通信信道的寬度，是信道頻率上界與下界之間之差，是介質傳輸能力的度量，在傳統(tǒng)的通信工程中通常以赫茲（Hz）為單位計量。例如，人所能聽得的聲波范圍20Hz～20000Hz。在計算機網(wǎng)絡中，一般使用每秒位數(shù)(b/s或bps)比特率作為帶寬的計量單位。主要單位：Kb/s，Mb/s，Gb/s一個以太局域網(wǎng)理論上每秒可以傳輸1千萬比特，它的帶寬相應為10Mb/s。數(shù)據(jù)通信的基本概念5、時延信息從網(wǎng)絡的一端傳送到另一端所需的時間時延之和=處理時延+排隊時延+發(fā)送時延+傳播時延處理時延=分組首部和錯誤校驗等處理（微秒）排隊時延=數(shù)據(jù)在中間結點等待轉發(fā)的延遲時間發(fā)送時延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬傳播時延=d/s（毫秒）d:距離s:傳播速度≈光速數(shù)據(jù)通信方式1、并行與串行數(shù)據(jù)傳輸有并行和串行兩種方式。通常，并行通信用于距離較近的情況，而串行通信用于距離較遠的情況。在并行數(shù)據(jù)傳輸中，至少有8位數(shù)據(jù)同時從一個設備傳導另一個設備，而在串行數(shù)據(jù)傳輸中，每次串的數(shù)據(jù)只有1位，串行傳輸速度相對慢，但實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布哂薪?jīng)濟和實用性。串行通信可以利用電話通信、無線、微波和衛(wèi)星等現(xiàn)有通信網(wǎng)，而并行通信要用專門的并行電纜來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信方式異步傳輸與同步傳輸在數(shù)據(jù)的串行傳輸中，介質一次傳送1位數(shù)據(jù)。這時，發(fā)送器和接收器對這些數(shù)據(jù)必須有相同的時序安排(如信號速度、信號寬度等)，即接收方必須知道它所接受的每一位的開始時間和結束時間。用來控制時序的常用技術有異步傳輸和同步傳輸。數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信方式2、單工、半雙工、全雙工根據(jù)信號在通信線路上的傳輸方向，數(shù)據(jù)通信方式可分成如下三種：單工：數(shù)據(jù)單向傳輸（無線電廣播）半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同一時刻雙向傳輸（對講機）全雙工：數(shù)據(jù)可以雙向同時傳輸（電話）；或者具有兩條物理上獨立的傳輸線路；或者具有一條物理線路上的兩個信道，分別用于不同方向的信號傳輸數(shù)據(jù)通信方式3、基帶與頻帶傳輸基帶傳輸是指在信道上原封不動地傳輸由計算機或終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號。具有速率高和誤碼率低等優(yōu)點，在計算機網(wǎng)絡通信中被廣泛采用。頻帶傳輸是指將數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成模擬信號，借助于模擬信道進行傳輸?shù)姆绞?。頻帶傳輸解決了利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信息的問題。模擬信道主要指電話傳輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)轉換技術調制解調技術（解決數(shù)字數(shù)據(jù)在模擬信道上的傳輸

）

計算機和終端設備都是數(shù)字設備，它們只能接收和發(fā)送數(shù)字數(shù)據(jù)，而電話系統(tǒng)只能傳輸模擬信號，所以這個數(shù)字數(shù)據(jù)要進入到模擬信道以前要有一個變換器進行數(shù)字信號到模擬信號的轉換，以便它能在模擬信道上傳輸，這樣的一個變換過程叫調制（注意：這個調制過程并不改變數(shù)據(jù)的內容，僅是把數(shù)據(jù)的表示形式進行了改變）。這個變換器又叫做調制器。而當調制后的模擬信號傳到接收端以后，在接收端也有一個變換器再對這個信號進行反變換，即又把它變回數(shù)字信號，這樣的一個變換過程叫解調。這個變換器又叫解調器。由于計算機和終端設備之間的數(shù)據(jù)通信一般是雙向的，因此在數(shù)據(jù)通信的雙方既有用于發(fā)送信號的調制器又有用于接收信號的解調器，所以把這兩個設備合在一起形成我們通常所說的調制解調器。調制解調(modem)技術調制解調技術最基本的調制方法有以下幾種（在圖中給出了這幾種波形傳輸數(shù)據(jù)的波形的示意圖）：（1）調幅（AM）即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于無載波輸出，而1對應于有載波輸出。（2）調頻（FM）即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于頻率f1，而1對應于頻率f2。（3）調相（PM）即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0對應于相位0度，而1對應于180度。窄帶上網(wǎng)示意圖電話線16900、16901數(shù)字中繼數(shù)據(jù)轉換技術編碼解碼技術數(shù)據(jù)通信中使用最普遍的還是基帶傳輸方式?；鶐鬏敱仨殞?shù)字數(shù)據(jù)進行編碼再進行傳輸，到了接收段再進行解碼，還原為原來的數(shù)據(jù)。1、不歸零制編碼2、曼徹斯特編碼3、差分曼徹斯特編碼數(shù)據(jù)轉換技術1、不歸零制編碼對于數(shù)字數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸來說，最普遍而且最容易的辦法是用兩個不同的電壓電平來表示兩個二進制數(shù)字。例如，無電壓（也就是無電流）常用來表示0，而恒定的正電壓用來表示1。另外，使用負電壓（低）表示0，使用正電壓（高）表示1也是很普遍的。后一種技術稱為不歸零制NRZ（Non—ReturntoZero）使用這種不歸零制NRZ信號的最大問題就是難以確定一位的結束和另一位的開始，并且當出現(xiàn)一長串連續(xù)的1或連續(xù)的0時，在接收端無法從收到的比特流中提取位同步信號。數(shù)據(jù)轉換技術2、曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼則可解決這一問題。它的編碼方法是將每個碼元再分成兩個相等的間隔，碼元1是由高至低電平轉換，即其前半個碼元的電平為高電平，后半個碼元的電平為低電平。碼元0則正好相反，從低電平到高電平的變換，即其前半個碼元的電平為低電平，后半個碼元的電平為高電平。這種編碼的好處是可以保證在每一個碼元的正中間出現(xiàn)一次電平的轉換，即這個位中間跳變提供了時鐘定時，這對接收端提取同步信號是非常有利的。數(shù)據(jù)轉換技術3、差分曼徹斯特編碼這種差分曼徹斯特編碼與上面講的曼徹斯特編碼有著共同的特點，即在每一個碼元的正中間有一次電平的變換，這種編碼在表示碼元1時，其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平一樣（見圖中的實心箭頭）；但若碼元為0，則其前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反（見圖）中的空心箭頭），即用每位開始時有無電平的跳變來表示0（1）的編碼。不論碼元是1或0，在每個碼元的正中間的時刻，一定要有一次電平的轉換。差分曼徹斯特編碼需要較復雜的技術，但可以獲得較好的抗干擾性能。數(shù)據(jù)轉換技術數(shù)據(jù)交換技術在多結點通信網(wǎng)絡中，為有效利用通信設備和線路，一般希望動態(tài)地設定通信雙方間的線路。動態(tài)地接通或斷開通信線路，稱為“交換”例如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續(xù)。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。為什么要采用交換技術？節(jié)省線路投資，提高線路利用率交換方式分類：電路交換報文交換 分組交換數(shù)據(jù)交換技術電路交換（circuitswitching）原理直接利用可切換的物理通信線路，連接通信雙方。三個階段建立電路傳輸數(shù)據(jù)拆除電路特點在發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須建立起點到點的物理通路；建立物理通路時間較長，數(shù)據(jù)傳送延遲較短。例TelephonenetworksISDN(IntegratedServicesDigitalNetworks)數(shù)據(jù)交換技術報文交換（messageswitching）原理信息以報文（邏輯上完整的信息段）為單位進行存儲轉發(fā)。特點線路利用率高；要求中間結點（網(wǎng)絡通信設備）緩沖大；延遲時間長。數(shù)據(jù)交換技術分組交換（packetswitching）原理信息以分組為單位進行存儲轉發(fā)。源結點把報文分為分組，在中間結點存儲轉發(fā)，目的結點把分組合成報文。分組：比報文還小的信息段，可定長，也可變長。特點對轉發(fā)結點的存儲要求較低，可以用內存來緩沖分組——速度快；轉發(fā)延時小——適用于交互式通信；某個分組出錯可以僅重發(fā)出錯的分組——效率高；各分組可通過不同路徑傳輸，容錯性好。數(shù)據(jù)交換技術分組交換分為數(shù)據(jù)報（datagram）和虛電路（virtualcircuit）數(shù)據(jù)報每個分組均帶有全稱網(wǎng)絡地址（源、目的），可走不同的路徑。例:IPnetworks虛電路電路交換和分組交換的結合分三個階段建立：發(fā)帶有全稱網(wǎng)絡地址的呼叫分組，建立虛電路傳輸：沿建立好的虛電路傳輸數(shù)據(jù)；拆除：拆除虛電路。數(shù)據(jù)交換技術結論：電路交換適用于實時信息和模擬信號傳送，在線路帶寬比較低的情況下使用比較經(jīng)濟；報文交換適用于線路帶寬比較高的情況，可靠靈活，但延遲大；（基本已經(jīng)趨于淘汰）分組交換縮短了延遲，也能滿足一般的實時信息傳送。在高帶寬的通信中更為經(jīng)濟、合理、可靠。是目前公認較（最）好的一種交換技術。計算機網(wǎng)絡的分類LAN

LocalAreaNetwork

局域網(wǎng)，例如辦公以太網(wǎng)、網(wǎng)吧內網(wǎng)等

WAN

WildAreaNetwork

廣域網(wǎng)，例如InternetMAN

MetropolitanAreaNetwork

城域網(wǎng)，例如杭州網(wǎng)通寬帶城域網(wǎng)提綱數(shù)據(jù)通信基礎OSI參考模型TCP/IP協(xié)議基礎OSI參考模型應用層：與用戶最接近的一層表示層：通用的數(shù)據(jù)格式，語法會話層：控制會話傳輸層：流控、保證可靠性網(wǎng)絡層：路徑選擇、路由及邏輯選路數(shù)據(jù)鏈路層：幀、介質訪問控制物理層：規(guī)定信號和介質OSI參考模型分層模型的目的和優(yōu)點：1、化解復雜性2、標準化接口3、模塊化，易于工程4、確保技術的通用5、加速發(fā)展6、簡化教學和學習OSI參考模型物理層物理層規(guī)定了激活、維持、關閉通信端點之間的機械特性、電氣特性、功能特性以及過程特性。該層為上層協(xié)議提供了一個傳輸數(shù)據(jù)的物理媒體。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為比特（bit）。屬于物理層定義的典型規(guī)范代表包括：EIA/TIARS-232、EIA/TIARS-449、V.35、RJ-45等。OSI參考模型物理層的設備中繼器集線器RepeatersandHubsRepeaterTransmitsdatatoallconnectedcomputersHubTransmitsdatatoallconnectedcomputersinastartopologyRepeaterHubOSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層在不可靠的物理介質上提供可靠的傳輸。該層的作用包括：物理地址尋址、數(shù)據(jù)的成幀、流量控制、數(shù)據(jù)的檢錯、重發(fā)等。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為幀（frame）。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、幀中繼等。OSI參考模型數(shù)據(jù)鏈路層的設備以太網(wǎng)以太網(wǎng)橋以太網(wǎng)交換機TokenRingEthernetCharacteristicsDescriptionAccessMethodCSMA/CDTransferSpeedStandardEthernet–10MbpsFastEthernet–100MbpsGigabitEthernet–1Gbps(1000Mbps)CollisionDetectionCarrierSenseMultipleAccessDetectssignalTransmitssignalCollisiondetectedTokenRingCharacteristicsDescriptionAccessMethodToken

passingTransferSpeed4to16MbpsforallcabletypesPhysical

RingLogical

RingMSAUBridgesBridgeSwitchesSwitchACBD1432端口號MAC地址1MACA2MACB3MACC4MACDOSI參考模型網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層負責對子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進行路由選擇。網(wǎng)絡層還可以實現(xiàn)擁塞控制、網(wǎng)際互連等功能。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)包（packet）。網(wǎng)絡層協(xié)議的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等。OSI參考模型網(wǎng)絡層的設備路由器RoutersRouterRouterRouterRouterOSI參考模型傳輸層傳輸層是第一個端到端，即主機到主機的層次。傳輸層負責將上層數(shù)據(jù)分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的傳輸。此外，傳輸層還要處理端到端的差錯控制和流量控制問題。在這一層，數(shù)據(jù)的單位稱為數(shù)據(jù)段（segment）。傳輸層協(xié)議的代表包括：TCP、UDP、SPX等。OSI參考模型會話層管理主機之間的會話進程，即負責建立、管理、終止進程之間的會話。會話層還利用在數(shù)據(jù)中插入校驗點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。表示層對上層數(shù)據(jù)或信息進行變換以保證一個主機應用層信息可以被另一個主機的應用程序理解。表示層的數(shù)據(jù)轉換包括數(shù)據(jù)的加密、壓縮、格式轉換等。表示層協(xié)議：ASN.1（抽象語法標記）等應用層為操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡應用程序提供訪問網(wǎng)絡服務的接口。應用層協(xié)議的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。對等層通信封裝與接封裝源的某一層進行的工作在目的地的對應層上作相反的工作。我們稱源的工作叫做封裝，目的地所作的工作叫做解封裝層層封裝OSI參考模型v.s.ATMATM物理層ATM層AAL層OSI參考模型v.s.七號信令OSI參考模型v.s.以太網(wǎng)物理層(網(wǎng)絡介質)介質訪問控制(MAC)層鏈路訪問控制(LAC)層OSI參考模型v.s.TCP/IP提綱數(shù)據(jù)通信基礎OSI參考模型TCP/IP協(xié)議基礎TCP/IP協(xié)議層次ApplicationLayerTransportLayerInternetLayerNetworkInterfaceLayerInternetLayerIPICMPIGMPARPNetwork

InterfaceLayerEthernetATMTransportLayerUDPTCPApplicationLayerFTPHTTPTCP/IP協(xié)議集TransmissionControlProtocol(TCP)UserDatagramProtocol(UDP)InternetProtocol(IP)InternetControlMessageProtocol(ICMP)InternetGroupManagementProtocol(IGMP)AddressResolutionProtocol(ARP）TransmissionControlProtocol(TCP)IPICMPIGMPARPUDPTCPSYNACKSYNACKUserDatagramProtocol(UDP)

UDPTCPIPICMPIGMPARPInternetControlMessageProtocol(ICMP)UDPTCPIPICMPIGMPARPRouterInternetGroupManagementProtocol(IGMP)UDPTCPIPICMPIGMPARPAddressResolutionProtocol(ARP)UDPTCPIPICMPIGMPARP

BCAARPCache14651.ARPcacheischecked2.ARPrequestissent3.ARPentryisadded4.ARPreplyissent5.ARPentryisadded6.IPpacketissentARPCache23數(shù)據(jù)的傳輸過程我們來看看實際例子:通過ftp協(xié)議從A發(fā)送數(shù)據(jù)aaa到B

ABDNSRouterRouterSMTPInternet數(shù)據(jù)先會被加上SMTP的頭，成為[SMTP]AAA。往下發(fā)送到TCP層，成為[TCP][SMTP]AAA。再往下送到internet層[IP][TCP][SMTP]AAA。然后成為[MAC][IP][TCP][SMTP]AAA。這樣通過ethernet或者FastEnternet發(fā)送到路由器，路由器得到后替換自己的MAC地址上去，傳到下一級的路由器。這樣經(jīng)過長途跋涉，最終這個數(shù)據(jù)流到達目標機。目標機先從下面一層開始，去掉MAC，成為[IP][TCP][SMTP]AAA往上到IP層。比對后是發(fā)送給我這個IP的，去掉IP，成為[TCP][SMTP]AAA。TCP接到了查看校驗和，沒錯，往上[SMTP]AAA。最后SMTP協(xié)議去解釋，得到了AAA。IP地址休息片刻下面你將領略到TCP/IP協(xié)議的精華所在！通信過程（這可是真的“信”哦）NameAddressPostOfficePostOfficeNameAddressIP地址0001000000IP地址HostIDNetworkIDIP地址IPv4地址位長32bit

xxx.xxx.xxx.xxx共有232個地址IPv6地址位長128bit

xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx.xxx

共有2128個地址IP地址分類wxyzA類網(wǎng)絡ID主機IDB類網(wǎng)絡ID主機IDC類網(wǎng)絡ID主機ID點分十進制表示法IP地址分類分類示意圖E55ABCD將網(wǎng)絡分成子網(wǎng)子網(wǎng)子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)掩碼的分配規(guī)律CIDR標記法本地IP和遠程IP無類別域間路由技術CIDR標記法IP地址子網(wǎng)掩碼子網(wǎng)掩碼1的數(shù)量

CIDR表示的IP地址

11111111111111111111000000000000000010101101100101111011000001118+8+4+0=20/20無類別域間路由技術CIDR標記法也稱網(wǎng)絡前綴標記法。IP：/20表示：其子網(wǎng)掩碼有20個連續(xù)的1，用來確定網(wǎng)絡ID；余下的必須是0，用來確定主機ID。子網(wǎng)

HubHub子網(wǎng)掩碼IPAddressHostIDNetworkID00SubnetMask192.168.IPAddress00SubnetMaskNetworkIDIP地址00子網(wǎng)掩碼網(wǎng)絡IDIP地址00子網(wǎng)掩碼網(wǎng)絡ID子網(wǎng)掩碼的分配規(guī)律：1，最大值1跟最小值0。2，連續(xù)的1確定網(wǎng)絡ID。3，連續(xù)的0確定主機ID。子網(wǎng)掩碼比特NetworkIDHostID11111111111111111111111100000000wxyz二進制表示十進制表示111111111111111011111100111110001111000011100000110000001000000000000000子網(wǎng)掩碼比特NetworkIDHostID11111111111111111111111100000000wxyz二進制表示十進制表示111111112551111111025411111100252111110002481111000024011100000224110000001921000000012800000000