现代通信技术概论 教学ppt课件第四章数据通信技术.ppt

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1、现代通信技术概论,第 4 章,第 4章 数据通信技术,4.1 数据通信概述4.2 数据交换技术4.3 因特网 4.3.1 因特网基础 4.3.2 IP地址和域名 4.3.3 网络互联协议 4.3.4 传输层协议 4.3.5 应用层协议 4.3.6 Internet的应用 4.3.7 IPv6,第 4 章 数据通信技术（续）,4.4 网络互联设备4.5 局域网,4.1 数据通信概述,差错控制技术,奇偶校验 循环冗余校验,差错控制技术,在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Erro

2、r Rate)。误码率与信噪比有很大的关系。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。,循环冗余检验的原理,在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。,冗余码的计算,用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是

3、R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。,冗余码的计算举例,现在 k = 6, M = 101001。设 n = 3, 除数 P = 1101，被除数是 2nM = 101001000。 模 2 运算的结果是：商 Q = 110101， 余数 R = 001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。,110101 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100

4、1101 001 R (余数)，作为 FCS,循环冗余检验的原理说明,帧检验序列 FCS,在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。,4.2 数据交换技术,电路交换分组交换技术报文交换技术,1. 电路交换的主要特点,两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。,5 部电话机两两相连，需 10 对电线。N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/

5、2 对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。,更多的电话机互相连通,使用交换机,当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。,交换机,“交换”的含义,在这里，“交换”(switching)的含义就是转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。,电路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换的特点,电路交换必定是面向连接的

6、。 电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接,电路交换举例,C 和 D 通话只经过一个本地交换机通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换传送计算机数据效率低,计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。,报文,2. 分组交换的主要特点,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,数 据,数 据,数 据,添加首部构成分组,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,分组交换的传输单元,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到

7、接收端（假定接收端在左边）。,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。,收到分组后剥去首部,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,数 据,数 据,数 据,最后还原成原来的报文,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,分组交换的优点,高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。迅速

8、不必先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。,分组交换带来的问题,分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。,存储转发原理并非完全新的概念,在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,数据传送的特点,比特流直达终点

9、,报文,报文,报文,分组,分组,分组,存储转发,存储转发,存储转发,存储转发,4.3 因特网4.3.1 因特网基础,Internet雏形阶段TCP/IP网络 Internet的发展阶段 Internet的商业化阶段,4.3.2 IP地址和域名,MAC层的硬件地址IP地址子网的划分与子网掩码域名,1. MAC 层的硬件地址,在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,48 位的 MAC 地址,IEEE

10、 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。,2. IP 地址,我们把整个因特网看成为一个单一的、抽象的网络。IP 地址就是给每个连接在因特网上的主机（或路由器）分配一个在全世界范围是唯一的 32 位的标识符。IP 地址现在由因特网名字与号码指派公司ICANN (Internet Cor

11、poration for Assigned Names and Numbers)进行分配,IP地址的表示方法点分十进制记法,采用点分十进制记法则进一步提高可读性,128.11.3.31,128 11 3 31,将每 8 位的二进制数转换为十进制数,IP 地址的编址方法,分类的 IP 地址。这是最基本的编址方法，在 1981 年就通过了相应的标准协议。子网的划分。这是对最基本的编址方法的改进，其标准RFC 950在 1985 年通过。构成超网。这是比较新的无分类编址方法。1993 年提出后很快就得到推广应用。,IP 地址的分类,每一类地址都由两个固定长度的字段组成，其中一个字段是网络号 net-

12、id，它标志主机（或路由器）所连接到的网络，而另一个字段则是主机号 host-id，它标志该主机（或路由器）。两级的 IP 地址可以记为：IP 地址 := , (4-1),net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机

13、号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,A 类地址的网络号字段 net-id 为 1 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,B 类地址的网络号字段 net-id 为 2

14、字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,C 类地址的网络号字段 net-id 为 3 字节,net-id24 bit,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0

15、,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,A 类地址的主机号字段 host-id 为 3 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,B 类地址的主机号字段 host-id 为 2 字节,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 位,net-id8 位,IP 地址中

16、的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,C 类地址的主机号字段 host-id 为 1 字节,C 类地址,D 类地址,E 类地址,C 类地址,D 类地址,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 bit,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今

17、 后 使 用,1 1 1 1,0,1,D 类地址是多播地址,net-id24 位,host-id24 位,net-id16 bit,net-id8 位,IP 地址中的网络号字段和主机号字段,0,A 类地址,host-id16 位,B 类地址,C 类地址,0,1,1,D 类地址,1 1 1 0,多 播 地 址,E 类地址,保 留 为 今 后 使 用,1 1 1 1,0,1,E 类地址保留为今后使用,常用的三种类别的 IP 地址,IP 地址的使用范围,网络 最大 第一个 最后一个 每个网络类别 网络数 可用的 可用的 中最大的 网络号 网络号 主机数 A 126 (27 2) 1 126 16,7

18、77,214 B 16,383(214 1) 128.1 191.255 65,534 C 2,097,151 (221 1) 192.0.1 223.255.255 254,IP 地址的一些重要特点,(1) IP 地址是一种分等级的地址结构。分两个等级的好处是：第一，IP 地址管理机构在分配 IP 地址时只分配网络号，而剩下的主机号则由得到该网络号的单位自行分配。这样就方便了 IP 地址的管理。第二，路由器仅根据目的主机所连接的网络号来转发分组（而不考虑目的主机号），这样就可以使路由表中的项目数大幅度减少，从而减小了路由表所占的存储空间。,IP 地址的一些重要特点,(2) 实际上 IP 地址

19、是标志一个主机（或路由器）和一条链路的接口。 当一个主机同时连接到两个网络上时，该主机就必须同时具有两个相应的 IP 地址，其网络号 net-id 必须是不同的。这种主机称为多归属主机(multihomed host)。由于一个路由器至少应当连接到两个网络（这样它才能将 IP 数据报从一个网络转发到另一个网络），因此一个路由器至少应当有两个不同的 IP 地址。,IP 地址的一些重要特点,(3) 用转发器或网桥连接起来的若干个局域网仍为一个网络，因此这些局域网都具有同样的网络号 net-id。(4) 所有分配到网络号 net-id 的网络，范围很小的局域网，还是可能覆盖很大地理范围的广域网，都是

20、平等的。,划分子网纯属一个单位内部的事情。单位对外仍然表现为没有划分子网的网络。从主机号借用若干个位作为子网号 subnet-id，而主机号 host-id 也就相应减少了若干个位。IP地址 := , , (4-2),3.子网的划分与子网掩码,凡是从其他网络发送给本单位某个主机的 IP 数据报，仍然是根据 IP 数据报的目的网络号 net-id，先找到连接在本单位网络上的路由器。然后此路由器在收到 IP 数据报后，再按目的网络号 net-id 和子网号 subnet-id 找到目的子网。最后就将 IP 数据报直接交付目的主机。,划分子网的基本思路（续）,145.13.3.10,145.13.3

21、.11,145.13.3.101,145.13.7.34,145.13.7.35,145.13.7.56,145.13.21.23,145.13.21.9,145.13.21.8,所有到网络 145.13.0.0的分组均到达此路由器,我的网络地址是 145.13.0.0,R1,R3,R2,一个未划分子网的 B 类网络145.13.0.0,划分为三个子网后对外仍是一个网络,145.13.3.10,145.13.3.11,145.13.3.101,145.13.7.34,145.13.7.35,145.13.7.56,145.13.21.23,145.13.21.9,145.13.21.8,子网

22、145.13.21.0,子网 145.13.3.0,子网 145.13.7.0,所有到达网络 145.13.0.0的分组均到达此路由器,网络145.13.0.0,R1,R3,R2,当没有划分子网时，IP 地址是两级结构。划分子网后 IP 地址就变成了三级结构。划分子网只是把 IP 地址的主机号 host-id 这部分进行再划分，而不改变 IP 地址原来的网络号 net-id。,划分子网后变成了三级结构,从一个 IP 数据报的首部并无法判断源主机或目的主机所连接的网络是否进行了子网划分。使用子网掩码(subnet mask)可以找出 IP 地址中的子网部分。,子网掩码,IP 地址的各字段和子网掩

23、码,145 . 13 .,3 . 10,两级 IP 地址,子网号为 3 的网络的网络号,三级 IP 地址,主机号,子网掩码,net-id,host-id,子网的网络地址,0,net-id,subnet-id,host-id,145 . 13 .,145 . 13 . 3,3 . 10,(IP 地址) AND (子网掩码) =网络地址,网络号 net-id,主机号 host-id,两级 IP 地址,网络号,三级 IP 地址,主机号,子网号,子网掩码,子网的网络地址,net-id,subnet-id,0,逐位进行 AND 运算,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

24、 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,1 1 1 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,net-id,net-id,host-id 为全 0,net-id,网络地址,A类地址,默认子网掩码255.0.0.0,网络地址,B类地址,默认子网掩码255.255.0.0,网络地址,C类地址,默认子网掩码255.255.255.0,host-id 为全 0,host-id 为全 0

25、,默认子网掩码,子网掩码是一个重要属性,子网掩码是一个网络或一个子网的重要属性。路由器在和相邻路由器交换路由信息时，必须把自己所在网络（或子网）的子网掩码告诉相邻路由器。路由器的路由表中的每一个项目，除了要给出目的网络地址外，还必须同时给出该网络的子网掩码。若一个路由器连接在两个子网上就拥有两个网络地址和两个子网掩码。,141 . 14 . 0 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0,【例】已知 IP 地址是 141.14.72.24，子网掩码是 255.255.192.0。试求网络地址。,(a) 点分十进制表

26、示的 IP 地址,(c) 子网掩码是 255.255.192.0,0 0 0 0 0 0 0 0,141 . 14 .,72 . 24,141 . 14 .,64 . 0,. 0,0 1 0 0 1 0 0 0,141 . 14 .,. 24,(b) IP 地址的第 3 字节是二进制,(d) IP 地址与子网掩码逐位相与,(e) 网络地址（点分十进制表示）,141 . 14 . 0 1 0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0,【例】在上例中，若子网掩码改为255.255.224.0。试求网络地址，讨论所得结果。,(

27、a) 点分十进制表示的 IP 地址,(c) 子网掩码是 255.255.224.0,0 0 0 0 0 0 0 0,141 . 14 .,72 . 24,141 . 14 .,64 . 0,. 0,0 1 0 0 1 0 0 0,141 . 14 .,. 24,(b) IP 地址的第 3 字节是二进制,(d) IP 地址与子网掩码逐位相与,(e) 网络地址（点分十进制表示）,不同的子网掩码得出相同的网络地址。但不同的掩码的效果是不同的。,4. 域名,域名只是个逻辑概念，并不代表计算机所在的物理地点。变长的域名和使用有助记忆的字符串，是为了便于人来使用。而 IP 地址是定长的 32 位二进制数字

28、则非常便于机器进行处理。域名中的“点”和点分十进制 IP 地址中的“点”并无一一对应的关系。点分十进制 IP 地址中一定是包含三个“点”，但每一个域名中“点”的数目则不一定正好是三个。,顶级域名 TLD (Top Level Domain),(1) 国家顶级域名 nTLD：如: .cn 表示中国，.us 表示美国，.uk 表示英国，等等。(2) 通用顶级域名 gTLD：最早的顶级域名是： .com （公司和企业） .net （网络服务机构） .org （非赢利性组织） .edu （美国专用的教育机构（） .gov （美国专用的政府部门） .mil （美国专用的军事部门） .int （国际组织）

29、,新增加了下列的通用顶级域名,.aero （航空运输企业）.biz （公司和企业）.cat （加泰隆人的语言和文化团体）.coop （合作团体）.info （各种情况）.jobs （人力资源管理者）.mobi （移动产品与服务的用户和提供者）.museum （博物馆）.name （个人）.pro （有证书的专业人员）.travel （旅游业）,因特网的域名空间,根,4.3.3 网络互联协议,所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。使用 IP 协议的虚拟互连

30、网络可简称为 IP 网。使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。,互连网络与虚拟互连网络,网络,网络,网络,网络,网络,(a) 互连网络,(b) 虚拟互连网络,路由器,虚拟互连网络（互联网）,54321,主机H1,主机 H2,R1,R4,R5,R2,R3,R1,R2,R3,H1,R5,H2,R4,间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,间接交付,直接交付,分组在互联网中的传送,从网络层看 IP 数据报的传送,如果我们只从网络层考虑问题，那么 IP 数据报就可以想象是在网络层中传送。,网络层,网络层,网络层,网络层,网

31、络层,网络层,网络层,IP 数据报,H1,R1,R2,R3,R4,R5,H2,4.3.4 传输层协议,从通信和信息处理的角度看，传输层向它上面的应用层提供通信服务，它属于面向通信部分的最高层，同时也是用户功能中的最低层。当网络的边缘部分中的两个主机使用网络的核心部分的功能进行端到端的通信时，只有位于网络边缘部分的主机的协议栈才有传输层，而网络核心部分中的路由器在转发分组时都只用到下三层的功能。,传输层为相互通信的应用进程提供了逻辑通信,54321,传输层提供应用进程间的逻辑通信,主机 A,主机 B,应用进程,应用进程,路由器 1,路由器 2,AP1,LAN2,WAN,AP2,AP3,AP4,I

32、P 层,LAN1,AP1,AP2,AP4,端口,端口,54321,IP 协议的作用范围,传输层协议 TCP 和 UDP 的作用范围,AP3,应用进程之间的通信,两个主机进行通信实际上就是两个主机中的应用进程互相通信。 应用进程之间的通信又称为端到端的通信。 传输层的一个很重要的功能就是复用和分用。应用层不同进程的报文通过不同的端口向下交到传输层，再往下就共用网络层提供的服务。“传输层提供应用进程间的逻辑通信”。“逻辑通信”的意思是：传输层之间的通信好像是沿水平方向传送数据。但事实上这两个传输层之间并没有一条水平方向的物理连接。,传输层协议和网络层协议的主要区别,应用进程,应用进程,IP 协议的

33、作用范围（提供主机之间的逻辑通信）,TCP 和 UDP 协议的作用范围（提供进程之间的逻辑通信）,因 特 网,传输层的主要功能,传输层为应用进程之间提供端到端的逻辑通信（但网络层是为主机之间提供逻辑通信）。传输层还要对收到的报文进行差错检测。传输层需要有两种不同的传输协议，即面向连接的 TCP 和无连接的 UDP。,两种不同的传输协议,传输层向高层用户屏蔽了下面网络核心的细节（如网络拓扑、所采用的路由选择协议等），它使应用进程看见的就是好像在两个传输层实体之间有一条端到端的逻辑通信信道。当传输层采用面向连接的 TCP 协议时，尽管下面的网络是不可靠的（只提供尽最大努力服务），但这种逻辑通信信道

34、就相当于一条全双工的可靠信道。当传输层采用无连接的 UDP 协议时，这种逻辑通信信道是一条不可靠信道。,4.3.5 应用层协议,每个应用层协议都是为了解决某一类应用问题，而问题的解决又往往是通过位于不同主机中的多个应用进程之间的通信和协同工作来完成的。应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议。应用层的许多协议都是基于客户服务器方式。客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。,4.3.5 应用层协议,FTPHTTPTelnetSMTP,FTPE-mailTel

35、netWWWUSENET,4.3.6 Internet的应用,4.3.7 IPv6,从计算机本身发展以及从因特网规模和网络传输速率来看，现在 IPv4 已很不适用。最主要的问题就是 32 位的 IP 地址不够用。要解决 IP 地址耗尽的问题的措施：采用无类别编址 CIDR，使 IP 地址的分配更加合理。采用网络地址转换 NAT 方法以节省全球 IP 地址。采用具有更大地址空间的新版本的 IP 协议 IPv6。,IPv6地址表示-冒号十六进制记法,每个 16 位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF零压缩(zero co

36、mpression)，即一连串连续的零可以为一对冒号所取代。 FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以写成：FF05:B3,IPv6 报文格式基本首部,更大的地址空间。IPv6 将地址从 IPv4 的 32 位 增大到了 128 位。 扩展的地址层次结构。 灵活的首部格式。 改进的选项。 允许协议继续扩充。 支持即插即用（即自动配置） 支持资源的预分配。,IPv6 数据报的首部,IPv6 将首部长度变为固定的 40 字节，称为基本首部(base header)。将不必要的功能取消了，首部的字段数减少到只有 8 个。取消了首部的检验和字段，加快了路由器处理数据报的速度。在基本首部的后面允许有

37、零个或多个扩展首部。所有的扩展首部和数据合起来叫做数据报的有效载荷(payload)或净负荷。,IPv6 数据报的一般形式,基本首部,扩展首部 1,扩展首部 N,数 据 部 分,选项,IPv6 数据报,有效载荷,中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。物理层中继系统：转发器(repeater)。数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。网络层中继系统：路由器(router)。,4.4 网络互连设备,当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。 互联网都是指用路由器进行互连的网络。由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的

38、文献将网络层使用的路由器称为网关。,网络互连使用路由器,4.5 局域网 4.5.1 局域网概述,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,树形网,环形网,按覆盖范围局域网分类,不同作用范围的网络广域网 WAN (Wide Area Network)局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network),按通信方式对局域网分类,广播式网络点对点网络,4.5.2 局域网组成两种通信方式,在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：客户服务器方式（C/S 方式） 即Client/Server方式 对等方

39、式（P2P 方式） 即 Peer-to-Peer方式,1. 客户服务器方式,客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。,运行客户程序,网络边缘,网络核心,运行服务器程序,A,B,客户,服务器,客户 A 向服务器 B 发出请求服务，而服务器 B 向客户 A 提供服务。,客户软件的特点,被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。,服务器软件的特点,一种专门用来提供某种服

40、务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。,2. 对等连接方式,对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。,对等连接方式的特点,对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。例

41、如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。,网络边缘,网络核心,运行P2P 程序,运行P2P 程序,D,C,E,F,运行P2P 程序,运行P2P 程序,4.5.3 以太网,DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 的 802.3 标准。DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,数据链路层的两个子层,为

42、了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,适配器的作用,网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 适配器的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动

43、程序。实现以太网协议。,计算机通过适配器和局域网进行通信,硬件地址,至局域网,适配器（网卡）,串行通信,CPU 和存储器,生成发送的数据处理收到的数据,把帧发送到局域网从局域网接收帧,计算机,IP 地址,并行通信,基于集线器的星形拓扑以太网,传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub),使用集线器的双绞线以太网,集线器,两对双绞线,站点,RJ-45 插头,星形网 10BASE-T,不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和

44、接收。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。,以太网在局域网中的统治地位,10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,以太网MAC 帧的格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：DIX Ethernet V2 标准IEEE 的 802.3 标准最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,以太网 MAC 帧,物理层,M

45、AC层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始定界符,7 字节,1 字节,8 字节,插入,IP层,目的地址,源地址,类型,数 据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,以太网的 MAC 帧格式,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,目的地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,源地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,类型字段 2 字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以

46、便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,数据字段 46 1500 字节,数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,FCS 字段 4 字节,当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。,当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。,MAC 帧,

47、物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。,为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节,帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。,无效的 MAC 帧,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当

48、初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,CSMA/CD 协议,B向 D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受B 发送的数据,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的

49、无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Dete

50、ction。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”