数据通信基本原理.ppt

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1、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

2、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.,Todays Internet,1980s CSNET NSFNET,1970s Internet概念 诞生,Internet 简史,1970s TCP/IP诞生,1990s ANSNET,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

3、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,LAN LAN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. L

4、AN的常见设备:,HUB,交换机,路由器,ATM 交换机,Page 11,Internet网络基础,WAN WAN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,Interne

5、t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

6、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 (

7、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,TC

8、P/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,0010010111001,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

9、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

10、=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 Rel

11、ay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:

12、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

13、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

14、. 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

15、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

16、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,10.0.0.0 10.255.255.255 172.16.0.0 172.31.255.255 192.168.0.0 192.168.255.255,Page 32,网络层,IP地址分类:,128.0.0.0 191.255.255.255,B 类 地 址,1

17、,Network 14bit,Host 16bit,240.0.0.0 255.255.255.255,E 类 地 址,1,保留,1.0.0.0 126.255.255.255,A 类 地 址,0,Network 7bit,Host 24bit,192.0.0.0 223.255.255.255,C 类 地 址,1,Network 21bit,Host 24bit,224.0.0.0 239.255.255.255,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

18、 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 1111

19、1111 11111111 00000000 点分十进制 255.255.255.0 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 192.168.1.17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,192.168.1.0/28,255 . 255 . 255 . 240,11111111 111

20、11111 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: 192.168.1.100/28 /28=255.255.255.240 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

21、 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 10.160.2.0/24的网段, 我们需要至少7个子网, 每个子网中的

22、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 10.160.2.0/27 10.160.2.32 10.160.2.63 子网地址为 10.160.2.32/27 10.160.2.64 10.160.2.95 子网地址为 10.160.2.64/27 10.160.2.96 1

23、0.160.2.127 子网地址为 10.160.2.96/27 10.160.2.128 10.160.2.159 子网地址为 10.160.2.128/27 10.160.2.160 10.160.2.191 子网地址为 10.160.2.160/27 10.160.2.192 10.160.2.223 子网地址为 10.160.2.192/27 10.160.2.224 10.160.2.255 子网地址为 10.160.2.224/27,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

24、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.,IP:10.0.0.1/24 MAC:00-E0-FC-00-00-11,IP:10.0.0.2/24 MAC:00-E0-FC-00-00-12,ARP Request,谁知道10.0.0.2的MAC地址？,10.0.0.2 对应的MAC为00-E0-FC-00-00-12,A,B,00E0FC0000

25、12,00E0FC000011,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10.0.0.1,Page 42,网络层,ICMP (Internet Control Message Pr

26、otocol)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,IP:10.0.0.1/24,IP:10.0.0.2/24,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,

27、 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

28、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

29、/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: 0.0.0.0 0.0.0.0 10.0.10.1 主机路由: 10.0.20.8 255.255.255.255 10.0.10.1 子网路由: 10.0.20.0 255.255.255.0 10.0.10.1,Page 52,静态路由配置,Router A,Net 1 10.0

30、.10.0/24,Router B,Net 2 10.0.20.0/24,Host 2 : 10.0.20.8,192.168.1.3,192.168.1.4,Host 1: 10.0.10.8,10.0.10.1,10.0.20.1,Host 1: Route add 10.0.20.0 255.255.255.0 10.0.10.1,Host 2: Route add 10.0.10.0 255.255.255.0 10.0.20.1,Page 53,路由转发过程,MAC,Router A,Net 1 10.0.10.0/24,Router B,Net 2 10.0.20.0/24,Host 2 : 10.0.20.8 MAC 2,192.168.1.3 MAC A2,192.168.1.4 MAC B1,10.0.10.1 MAC A1,10.0.20.1 Mac B2,IP,TCP UDP,Data,Host 1 : 10.0.10.8 MAC 1,MAC,IP,TCP UDP,Data,MAC,IP,TCP UDP,Data,