系统架构师之计算机网络Word格式.docx
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1.2.4广域网
广域网由通信子网和资源子网组成。
后者是有大量用户拥有的主机组成;
前者由传输线(铜线、光纤、无线电链路)和交换单元(连接了三条或更多跳传输线的计算机,即路由器)组成。
广域网的传输机理为存储-转发,传输方式为分组交换。
1.2.4无线网络
无线网络主要有系统互连、无线局域网和无线广域网。
系统互连是指通过短距离的无线电将一台计算机的各部件连接起来;
无线局域网是指通过计算机自带的无线调制解调器(无线网卡)和天线架构在IEEE802.11标准之上的LAN;
无线网络在WAN中的应用,有低带宽的蜂窝电话系统、高带宽广域无线网络(局部多点分发服务)
1.2.5家庭网络
1.2.5互联网
通过网关将一组网络相互连接起来就构成了一个互联网,网关的作用在于实现不相互兼容的不同网络软硬件层次上的转换。
互联网的一种共同阻止形式是通过一个WAN将多个LAN连接起来。
子网、网络和互联网的区别:
子网的概念通常在WAN的环境下才有意义,它由一组router和communicationcircuit组成。
当多个不同的网络相互连接起来的时候,就构成了一个互联网。
1.3网络软件
1.3.1协议层次
大多数网络软件都组织成一堆相互叠加的层(layer),每一层都建立在其下一层的基础之上,每一层的目的都是为其上一层提供特定的服务,并将服务的实现细节加以屏蔽。
协议(protocol)就是指每一层上的通信双方关于如何进行通信的一种约定。
协议层次中的几个概念:
对等体(peer):
不同机器上包含对应层的实体称为对等体,正是对等体在使用协议通信。
接口(interface):
每一对相邻层之间是接口,它定义了下一层向上一层提供哪些原语操作和服务。
网络体系结构(networkarchitecture):
层和协议的集合。
协议栈(protocolstack):
一个特定的系统所使用一组协议(每一层一个协议)。
注:
网络体系结构、协议栈、协议是计算机网络的主要内容。
1.3.2各层的设计问题
1、在每一层上,都需要有一种机制来标识出发送方和接收方,同时由于存在多个目标,因此需要一种编址机制(addressing)来指定一个特定的目标。
2、数据传输的规则和错误控制。
3、流量控制。
4、多路复用(multiplexing)和多路解复用(demultiplexing)。
5、路由选择。
1.3.3面向连接(connection-orientedservice)和无连接的服务(connectionlessservice)
下层可以向上层提供两种不同类型的服务:
面向连接的服务和无连接的服务。
面向连接的服务是基于电话系统模型的:
用户首先建立连接,然后使用连接,最后释放连接,且数据位都会按照发送的顺序到达。
无连接的服务是基于邮政系统模型的:
每一条报文都携带了完整的目标地址,因而可以被系统独立地路由,且报文不一定都会按照发送的顺序到达。
服务可以用服务质量(qualityofservice)来表征其特征
1.3.4服务原语
一个服务通常由一组原语(primitive)操作来描述,用户进程通过这些原语操作访问该服务。
1.3.5服务与协议的关系
服务是指某一层向上一层提供的一组原语操作,定义了该层打算代表其用户执行那些操作,但并不涉及如何实现这些操作。
协议是一组规则,用来规定同一层上的对等实体之间所交换的消息或分组的格式和含义,实体利用协议来实现他们的服务定义。
服务涉及到层之间的接口,协议涉及到不同机器上对等实体之间发送的分组。
1.4参考模型
1.4.1OSI参考模型
ISO(InternationalStandardsOrganization)/OSI(OpenSystemInterconnection)ReferenceModel主要涉及到如何将开放的系统连接起来。
OSI模型有七层(物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层),分层原则为:
当需要一个不同抽象体的时候,应该创建一层;
每一层执行一个明确的定义;
选择层功能的时候,应该考虑到定义国际标准化的协议;
选择层边界的时候,应使“跨接口所需要的信息流”尽可能最小;
层数的选择要合适。
1、物理层(physicallayer)
物理层实现原始数据位在通信信道上的传输。
设计问题主要涉及机械、电子和定时接口(timinginterface,)以及位于物理层之下的物理传输介质等。
2、数据链路层(datelinklayer)
主要任务是将一个原始的传输设施转变成一条逻辑传输线路。
设计问题主要涉及到分装和顺序地传送数据帧(dateframe);
流量调节和错误处理;
有时还需考虑可靠地服务。
3、网络层(networklayer)
网络层控制子网的运行过程。
设计的关键问题是确定如何将数据分组从源端路由到目标端,如何实现不同网络(编址方案不同、协议不同)之间的连接;
此外还包括路由算法的设计、拥塞控制和服务质量(延迟、传输时间、抖动等等)。
4、传输层(transportlayer)
基本功能是接受上一层的数据,必要时分割成数据单元,然后传递给网络层,并且确保数据单元能够正确地到达另一端。
传输层还决定了将向会话层提供完全无错的传输服务还是其他类型的传输服务。
传输服务是一个真正端到端的层,所有的处理都是按照从源端到目标端来进行的,即源机器利用报头文与控制信息与目标机器对话。
5、会话层(sessionlayer)
会话层实现不同机器上的用户之间建立会话。
会话通常指对话控制、令牌管理和同步功能等各种服务。
6、表示层(presentationlayer)
表示层主要关注所传递信息的语法和语义。
7、应用层(applicationlayer)
应用层包含了各种各样直接针对用户需要的应用协议,如HTTP(HyperTextTransferprotocol)、Talent、FTP等。
1.4.2TCP/IP参考模型
1、互联网层(internetlayer)
网络传输的可靠性需求最终导致了分组交换网络的产生,它以一个无连接的互连网络层为基础,这一层称为互联网层,其主要任务是允许主机将分组发送到任何网络上,并且让这些分组独立地到达目标端,是将整个网络体系结构贯穿在一起的关键层。
该层定义了正式的分组格式和协议,即IP(Internetprotocol)协议。
分组路由和避免拥塞是该层关注的主要问题。
2、传输层(transportlayer)
其设计目标是实现源和目标主机上的对等体之间的对话,在其上定义了两个端到端的传输协议,即TCP和UDP。
TCP是一个可靠地、面向连接的协议,实现字节流准确无误的传输,同时还负责处理流控制。
UDP是一个不可靠的、无连接的协议,主要用于“不想要TCP的序列化或者流控制功能,而希望自己提供这些功能”的应用程序。
3、应用层
包含了所有的高层协议。
如:
TELENT、FTP、SMTP、DNS、NNTP等。
4、主机至网络层。
1.4.3 OSI参考模型和TCP/IP参考模型的比较
共同点:
两者都以协议栈为基础,并且协议栈中的协议彼此独立,而且两个模型中的各个层的功能大体相似。
不同点:
1、OSI模型的核心是服务、接口和协议。
服务指明了该层要实现的功能;
接口确定了上一层的进程访问下一层的方法;
每一层上用到的对等协议是本层自己内部的事情,用以实现该层承诺的服务。
而在TCP/IP模型中,协议先出现,只是对已有协议进行了描述而已。
2、层数不同。
3、无连接和面向连接的通信范围不同。
OSI模型的网络层同时支持无连接和面向连接的通信,在传输层上只支持面向连接的通信;
TCP/IP模型的网络层只支持无连接通信,但在传输层上同时支持两种通信模式。
1.4.4OSI模型和协议的缺点
1.4.5TCP/IP模型的缺点
1、没有清楚地区分服务、接口和协议的概念;
2、适用的范围较窄;
3、没有区分物理层和数据链路层。
物理层必须要考虑铜线、光纤和无线通信的传输特征;
数据链路层则需确定帧的起点和终点的位置,同时按照期望的可靠性将数据帧从源端发送到目标端。
1.5网络实例
1.5.1Internet
Internet是使用一组公共协议、提供一组公共服务的大量不同网络的集合。
Internet的前身:
ARPA(AdvancedResearchProjectsAgency)NET;
Internet的使用:
电子邮件(E-mail)、新闻组(news)、远程登录、文件传输。
Internet的技术:
分组交换、高度分布式和高容错能力。
1.5.2面向连接的网络:
X.25、帧中继和ATM
1、X.25(20世纪70年代):
第一个公共的数据网络。
2、帧中继(framerelay、20世纪80年代):
是一个无错误控制、无流量控制、面向连接的网络。
分组按照发送的顺序递交。
3、ATM(AsynchronousTransferModel、20世纪90年代),即异步传输模式。
ATM已经在电话系统中被广泛使用了,通常用于传输IP分组。
ATM虚电路
ATM模式在传输数据之前通过发送一个初始分组建立连接,初始分组在子网中建立虚电路用以传输数据。
ATM的基本思想是,所有的信息都放在固定长度的信元(cell)中进行传输。
ATM参考模型
ATM参考模型包括三层:
物理层、ATM层和ATM适配层。
物理层处理的是物理介质问题,即电压、位时序和各种各样的其他问题;
ATM层处理信元和信元传输,它定义了信元的结构,并指出了头部各个域的含义,同时也处理虚电路的建立和释放,此外,拥塞控制也在这里解决。
ATM适配层实现大于一个信元的分组的传输:
ATM接口将这些分组分成信元,然后独立地传输这些信元,再在目标端将他们重新组装起来。
1.5.3以太网
1.5.4无线局域网:
802.11
802.11中介绍了两种工作模式:
有基站的模式和无基站的模式。
在第一种模式中,所有的通信都通过基站,即访问点(accesspoint);
在第二种模式中,计算机相互之间直接发送数据。
在物理层和数据链路层,无线LAN与以太网有一些本质的区别:
首先,在以太网上的计算机在传输数据之前总是监听着以太的状况,而无线LAN却无法做到这一点;
其次,电磁波具有反射现象,从而会产生“多径衰减(multipathfading)”现象;
三是大量的软件不知道移动性。
1.6网络标准化
标准有事实标准和法定标准之分,前者是指那些已经发生了的,但是并没有任何正式计划的标准;
后者是指由某个权威机构的标准化组织采纳的、正式的、合法的标准。
1.6.1电信领域中最有影响的组织
国际电信联盟ITU(InternationalTelecommunicationUnion),它的任务是对国际电信进行标准化。
ITU有三个主要部门:
无线通信部门(ITU-R)、电信标准化部门(ITU-T)和开发部门(ITU-D)。
1.6.2国际标准领域中最有影响的组织
国际标准化组织:
ISO,它为大量的学科制定标准。
电气和电子工程师协会:
IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers),它是世界上最大的专业组织。
1.6.3Internet标准领域中最有影响的组织
体系结构委员会:
IAB(InternetArchitectureBoard)。
1.7度量单位
在本书中,使用符号KB、MB和GB分别代表
、
和
字节;
符号kbps、Mbps和Gbps分别代表
bit/sec。
第二章物理层
物理层为网络定义了机械的、电气的和时序的接口,其目的是将原始的位流从一台机器传输到另一台机器上。
2.1数据通信的理论基础
1、数字信号的傅里叶分析
(1)带宽(bandwidth):
传输过程中振幅不会明显衰减的一段频率范围。
实践中,通常是指从0到半功率点所对应的频率。
对指定的最高频率,传输带宽是有限的,因此会带来传输信号的失真。
(2)波特率和比特率:
前者是指信号变化次数(信号到达的速率);
后者指数据传输速率(bps)。
若信号分为V级,则
比特率=
2、数字通信的基本概念
数据传输以信号为载体。
模拟传输不关心数据传输的内容,只关心尽量减少信号的衰减和噪声,长距离传输时,采用信号放大器放大被衰减的信号,但同时也放大了噪声;
数字是指数字数据的传输,传输关心信号的内容,长距离传输时,采用转发器,消除噪声的累积。
长距离传输时,通常采用数字传输。
(1)数字数据在模拟信道上的传输:
调幅ASK、调频FSK、调相PSK。
目前最广泛运用的调制技术是正交调相QPSK。
(2)数字数据在数字信道上的传输:
不归零编码NRZ、曼切斯特编码、差分曼切斯特编码。
(3)模拟数据在数字信道上的传输:
采样脉冲编码调制PCM技术。
3、信道参数和名称解释:
数据传输速率、带宽;
信号传播速率;
载波频率;
采样频率;
量化;
噪声、信噪比(S/N:
信道中传输的信号与产生的噪声的功率之比)。
(1)Nyquist定理:
理想的(无噪声)最大数据传输率
=2H
b/s,其中H为带宽,V为信号电平等级。
(2)香农定理:
在噪声信道中,最大数据传输率=H
(1+S/N)b/s。
信噪比(dB)=10
。
4、信道工作方式:
单工、半双工、全双工。
5、基带传输和宽带传输:
后者是指将基带信号进行调制后形成模拟信号,然后采用频分复用技术实现宽带传输。
6、异步通信与同步通信:
异步通信是指发送方和接受方的采样时钟不是一个,故名,是以字符为单位的数据传输。
必须指定波特率、奇偶校验、字符长度和停止位长度等参数。
同步通信是指发送方和接收方的采样时钟是一个,分为面向字符的同步通信和面向bit流的同步通信。
7、串行通信和并行通信:
前者数据按位为单位以时间为序,典型的串行接口是RS-232C;
后者数据按字符为单位以时间为序。
8、多路复用技术基本概念
同时携带多路信号来高效地使用传输介质,实现方式有频分多路复用FDM和时分多路复用TDM。
9、电路交换与存储转发
电路交换(电话):
数据传输前必须建立一条端到端的通路,称为连接。
特点是整个通道被独占,通信质量高,但是建立连接时间长、线路的利用率较低。
报文交换(电报):
无需建立连接,数据的传输是一站一站往下送,数据中必须包含目的地址,采用存储-转发机制。
特点是线路的利用率高,但延时可能较大,同时每个中间站点都必须有足够大的缓存。
分组交换:
与报文交换相似,最大不同在于定义了报文的最大长度,若超过最大长度,则进行分组,分成子报文,独立地进行发送。
特点是数据中包含目的地址、采用存储转发机制、线路利用率高、中间站点的缓存在内存中设置,访问速度快,但是延时可能较大、同时接受分组和发送分组的顺序可能不一致,需要充足。
2.2有导向的传输介质
除了上节所讨论的特性,每一种传输介质还具有其他的传输特性:
延迟、造价以及安装和维护的难易程度。
1、磁介质:
具有很宽的带宽和很低的造价,但存在令人无法忍受的延迟。
2、双绞线(twistedpair):
由两根相互绝缘的铜线以螺旋状的形式绞在一起构成。
特点:
既可传输模拟信号,也可传输数字信号;
具有足够的传输性能和较低的成本。
因此具有广泛的应用,最常见的应用时电话系统。
分类:
无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)中的3类(16MHz)、5类(100MHz)、6类(250MHz)和7类(600MHz)。
3、同轴电缆(coaxialcable):
以硬铜线为芯,外面包上一层绝缘材料,绝缘材料的外面包上一层密织的网状导体,导体外面是一层保护性的塑料外套。
特性:
很高的带宽(可达1GHz)、很好的抗噪特性、很好的屏蔽性和较远的传输距离。
50Ω和75Ω。
应用:
有线电视、城域网。
4、光缆:
从内到外依次是玻璃芯、玻璃封套(折射率低于玻璃芯)、塑料外套。
光缆传输系统由光源、传输介质和检测器组成。
光缆的分类:
多模光纤(50μm)、单模光纤(8-10μm)
带宽很高;
较低的衰减(无中继约50km);
不受电源震荡、电磁干扰以及电源故障的影响、可以防窃听;
抗腐蚀性强,可用于恶劣环境。
2.3无线传输
无线传输的出现基于这样的需求:
一是不受陆地上通信设施的限制,随时随地获得所需数据和信息;
二是地形等因素对通信的限制。
在开始讲述无线传输之前,有必要了解一些有关电磁波谱的知识。
因为当一个适当大小的天线连接到一块电路上的时候,电磁波就可以有效地发送出去,而在一定距离之外的接受者就可以收到电磁波。
所有的无线通信都是基于这样一个原理来实现的。
在波谱中,无线电波、微波、红外光和可见光都可以通过调节振幅、频率或者波的相位来传输信息。
极低频ELF(ExtremelyLowFrequency)3-30Hz
超低频SLF(SuperLowFrequency)30-300Hz
特低频ULF(UltraLowFrequency)300-3000Hz
甚低频VLF(VeryLowFrequency)3-30KHz
低频LF(LowFrequency)30-300KHz
中频MF(MediumFrequency)300-3MHz
高频HF(HighFrequency)3-30MHz
甚高频VHF(VeryHighFrequency)30-300MHz
特高频UHF(UltraHighFrequency)300-3000MHz
超高频SHF(SuperHighFrequency)3-30GHz
极高频EHF(ExtremelyHighFrequency)30-300GHz
至高频THF(TremendouslyHighFrequency)300-3000GHz
2.3.1无线电传输
无线电波很容易产生,也可以传输很长的距离,并且易于穿透建筑物,因此在通信领域有着广泛应用。
同时,由于无线电波是全方向的,所以发射设备和接收设备不必在物理上严格对齐。
无线电波的特性与频率有关。
在低频部分,通过绕射,可以很好地穿透障碍物;
在高频部分,倾向于直线传播,会受到障碍物的阻挡。
同时,无线电波也会被雨水吸收,会受到发送机和其他电子设备的干扰。
2.3.2微波传输
微波几乎按直线传播,因此可以通过抛物线天线,将所有的能量集中于一小束发送出去,这样可以获得极高的信噪比,但是发射端和接收端的天线必须准确对齐。
微波并不能很好地穿透建筑物,同时由于大气折射,会产生多路衰减现象。
2.3.3红外线和毫米波
无导向的红外线和毫米波广泛用于短距离通信。
他们有方向性,由于不能通过固体物质,因此抗干扰性强,同时红外系统的防窃听安全性比无线系统好。
2.3.4光波传输
激光的光信号是单向的,因此接受端和发送端都需安装自己的激光发生器和光检测器。
激光通信具有很高的带宽,同时成本也很低。
但是激光不能穿透雨或者浓雾。
激光通信的优点:
微波频率大致在数GHz量级,而激光的频率大致在THz量级。
在理论上,激光通信可同时传送1000万路电视节目和100亿路电话。
激光不仅方向性特强,而且可采用不可见光,因而不易被敌方所截获,保密性能好。
由于激光束发散角小,方向性好,激光通信所需的发射天线和接收天线都可做的很小。
激光通信的弱点:
激光在传播过程中,受大气和气候的影响比较严重,云雾、雨雪、尘埃等会妨碍光波传播,这就严重地影响了通信距离。
激光束有极高的方向性,这给发射和接收点之间的瞄准带来不少困难。
2.4通信卫星
按照最简单的理解方式,我们可以把卫星想象成天空中一个大的微波中继器,它包含了几个异频发射应答器(transponder),每一个异频发射应答器都在监听频谱的某一部分,对接受到的信号进行放大,然后在另一个频率上将放大后的信号重新发射出去,避免与接受信号相互干扰。
卫星通信的特点:
(1)覆盖区域大,传输距离远。
同步卫星最大可视范围可达地球表面积的42.4%,同步轨道上有三颗等距卫星时可实现全球通信;
一个地面站发送到另一个地面站接收,约有1/4s传播延迟。
在差错控制和流量控制方面,也带来一系列问题。
(2)以广播方式进行工作,可以实现多向多地址的通信。
许多站点可以向卫星发送信息,同时从卫星上传送下来的信息也会被众多站点接收。
(3)采用的是微波频段,有很宽的频带可供使用,且通信容量大。
(4)卫星通信机动灵活,建立地球站不会受到地理条件的影响,即使在经济不发达的地区无须大额投资即可获得高质量的通信服务。
(5)通信信号主要是在自由空间中传输,不易受到噪声影响,而且转发次数少,通信质量好,可靠性高。
卫星通信不免也存在着一些缺点,如远距离信息传输导致的延时过大、发射功率要求高等。
2.4.1地球同步轨道(GEO)卫星
1、概述和工作频率
高度:
35800km
全球最多可部署:
180颗
争斗的焦点:
轨道槽、频率。
在Ku波段(下行:
11Ghz;
上行:
14Ghz;
带宽:
500Mhz),卫星的空间间隔可以近到1°
,但是在通过雨水时会产生极大的衰减。
2、VSA
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