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  • 交换网络的分层架构
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    2021-10-10 00:20:18

    三层架构配置思路

    交换部分

    1. eht - trunk
    2. 创建VLAN
    3. 划入VLAN
    4. trunk干道
    5. STP
    • STP生成树配置时,将接入层的接口做沉默接口
    1. SVI
    • VRRP将在该SVI上做
    1. VRRP
    2. DHCP
    • 汇聚层设备做一样的池塘,配置相同

    大型三层架构

    网关可以配置在核心交换机、也可以配置在汇聚交换机(该交换机下还连接其他交换机)

    • 超大规模的网络网关尽量在汇聚交换机,避免普通PC影响核心交换机(核心交换机不会记录PC的MAC,接口down、up使得生成树震动影响整个网络)
    • 核心交换机做服务器的接入

    路由部分

    1. ip :正常情况直接将三层交换机的接口转为三层接口,直接写入ip
    2. 内部网络路由 :静态、动态
    3. 缺省
    4. 边界路由器 - NAT

    • 开启动态路由后,SVI会向所有该VLAN的二层接口发送hello包,并且与对端汇聚层的相同SVI建立邻居,宣告多少个建立多少邻居
    • 将向下的接口全部沉默
    • eht - trunk 留下,并留两个SVI进行邻居的建立

    汇聚网关

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        协议指的是双方都能理解的规则。类似玩游戏时候的游戏规则,只有大家都遵守游戏规则才能继续下去,同理有协议相同双方才能通讯。网络协议是在网络中的数据交换而建立的规则的集合称为网络协议。比如HTTP、DDS、FTP、DB、JMS 等等都属于网络协议。可以理解位足球、篮球、棒球都是球类游戏。
        网络协议有三部分组成,语法,语义,定时。
        语法:传输过程的结构和格式,类似于中文、英文,他们的结构不同,但是可以表示相同的意思。
        语义:数据内容的含义,就是指传输的具体内容。
        定时:规定何时通讯,是同步还是异步。类似我们是打电话还是发短信,一种消息的通知手段。
        为了实现不同层次的网络结构之间互联,国际标准化组织(ISO)在1984 颁布了网络7层协议。如图所示:分为,应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层,物理层。如图所示:

            物理层:主要处理与物理传输介质有关的机械、电气、功能特性和接口问题。物理层与传输媒体直接相连,因此也称为物理层接口,是计算机与网络连接的物理通道。其功能是控制计算机与传输媒体的连接,即可以建立、保持和断开这种连接,以保证比特流的透明传输。俗称网卡。 物理层传送的数据基本单位是比特(b),又称位。 传送数据所使用的物理媒体,如双绞线、同轴电缆、光缆等,不属于物理层。

            数据链路层:通讯机器双发的路径位置组成的节点连线称为数据链路。数据链路要完成以下几个功能。链路管理、帧同步、流量控制、差错控制、区分数据和控制信息、透明传输、寻址。理解为网卡驱动

    1. 链路管理:链路管理就是进行数据链路的建立、维持和拆除。在通讯的时候创建一条数据链路。
    2. 帧同步:在数据链路中传输是一帧为最小单位传输的,数据一帧一帧传输,在传输的过程中会发生帧的传输错时(后面数据跑到前面接收了),这时候不能所有接收到的数据给删除,帧同步是指在接收每一帧数据的时候都知道开始和结束地方。
    3. 流量控制:为防止双方速度不匹配或接收方没有足够的接收缓存而导致数据拥塞或溢出,数据链路层要能够调节数据的传输速率,即发送方发送数据的速率必须使接收方来得及接收。当接收方来不及接收时,就必须及时控制发送方发送数据的速率。
    4. 差错控制:数据链路层必须要配备一套检错和纠错的规程,以防止数据帧的错误、丢失与重复。检错重传,即接收方可以检测出收到的帧中有差错,但并不知道是哪几个比特错了,于是让发送方重复发送这一帧,直到收方正确收到这一帧为止。这种方法在计算机通信中是最常用的。
    5. 区分数据和控制信息:数据和控制信息处于同一帧中,因此一定要有相应的措施使接收方能够将它们区分开来。
    6. 透明传输:不管所传数据是什么样的比特组合,都应该能够在链路上传送。
    7. 寻址:寻找对方机器位置。必须保证每一个帧都能发送到正确的目的站。接收方也应知道发送方是哪个站。

            网络层:保证节点与节点之间的通讯和路由。传输层和数据链路层之间,它在数据链路层提供的两个相邻节点之间数据帧的传送功能上,解决整个网络的数据通信,将数据设法从源端点经过若干中间节点传送到目的端。

            传输层:有了前面三个层次,网络结构已经很完整,不懂网络的人无法使用上述层次协议。传输层主要提供可靠的数据交付和尽最大努力的数据交付,完成报文的传输分割和重组,报文的流量控制。并且屏蔽底层的复杂协议。此外传输层还具有复用功能,可以同时为一台计算机中的多个程序提供通信服务。传输层数据传送的基本单位是报文段。

            会话层:允许不同机器上的用户建立会话(Session)关系。把会话地址变换成它的传送地址,建立会话连接。

            表示层:表示层为应用层提供服务,解释交换数据的意义。对数据格式和编码的转换,以及数据结构的转换利用密码对正文进行加密、保密也是该层的任务。

            应用层:作为用户应用程序与网络间的接口,使用户的应用程序能够与网络进行交互式联系。也就是我们常说的电子邮件协议,文件传输协议,超文本传输协议、数据库协议,数据发布服务等等

            低3层协议一般由硬件完成,高层由软件完成。如网卡、集线器实现物理层功能;网桥(交换机)实现链路层功能;路由器实现网络层功能;而电子邮件软件则完成应用层的功能。

    下一个篇章 体系结构网络协议----(二)TCP/IP 体系结构(上)

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    参考书籍:《图解TCP/IP》、《计算机网络-谢希仁》

    1、计算机网络相关概念

    1、计算机网络:

    计算机网络是将分散在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统,利用通信设备通信线路相互连接起来,在网络协议和软件的支持下进行数据通信,实现信息传递和资源共享的计算机共享的集合。总之,计算机网络是互连的、自治【无主从关系】的计算机集合。

    2、计算机网络的组成

    从组成部分上看,一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成,缺一不可。

    1. 硬件:由若干结点和连接这些结点的链路组成;结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等
    2. 软件:通过网络交换信息
    3. 协议:通信协议-规则

    image.png

    而从其工作方式上看,计算机网络可以划分为以下两大块:

    • 边缘部分:由所有连接在互联网(计算机网络之间通过路由器连接,构成更大的网络,就是互连网,是网络的网络)上的主机host(端系统)组成。这部分是用户直接使用的,利用核心部分提供的服务进行通信和资源共享;
    • 核心部分:由大量网络和连接这些网路的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换),路由器是关键作用。

    image.png

    处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机,这些主机又称为端系统。 我们要首先明确下面的概念,我们说:“主机A和主机B进行通信”,实际上是指“主机A的某个进程和主机B的另一个进程进行通信",通常可以称为”计算机之间通信。在网络边缘的端系统之间的通信方式可以划分为以下两大类:客户-服务器方式(C/S方式)和对等方式(P2P方式)

    • 客户-服务器方式(C/S方式) :客户是服务请求方,服务器是服务提供方;
    • 对等连接方式(P2P方式) :两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方;

    3、计算机网络的功能

    • 数据通信

      它是计算机网络最基本和最重要的功能,用来实现联网计算机之间的各种信息的传输,并将分散在不同地理位置的计算机联系起来进行统一的调配、控制和管理。比如,文件传输、电子邮件等应用,离开了计算机网络将无法实现。

    • 资源共享

      资源共享可以使软件共享、数据共享,也可以是硬件共享。使计算机网络中的资源互通有无、分工协作,从而极大地提高硬件资源,软件资源和数据资源的利用率。

    • 分布式处理

      当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时,可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统,从而利用空闲计算机资源可以提高整个系统的利用率。

    • 高可用

      计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机。

    • 负载均衡【比如Nginx】

      将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。

    其中最重要的两大功能就是数据通信和资源共享,根据这两个功能,我们可以将计算机网络分为通信子网(实现数据通信)和资源子网两部分,如下图

    image.png

    4、计算机网络的类别

    按照网络的作用范围分类:

    • 广域网(WAN):作用范围几十到几千公里,是互联网的核心部分,其任务是通过长距离运送主机所发送的数据,广域网各结点采用高速链路,有较大通信容量【交换技术】
    • 城域网(MAN):作用范围一个城市,用来将多个局域网进行互联,多采用以太网技术
    • 局域网(LAN):作用范围1km左右,一般用微机或工作站通过高速通信线路相连【广播技术】
    • 个人区域网(PAN):作用范围10m左右,把个人工作的地方属于个人的设备用无线技术相连,也叫无线个人区域网(WPAN)

    按照网络的使用者分类:

    • 公用网:电信公司出资建造的大型网络,任何人都可付费使用,也称公众网
    • 专用网:为满足特殊业务需要建立的网络,不向外人提供服务

    用来把用户进入到互联网的网络:

    • 接入网AN:又称本地接入网或居民接入网

    按交换技术分类:

    • 电路交换、报文交换、分组交换

    按拓补结构分类:

    • 总线型、星型、环型、网状型(常用于广域网)

    按传输技术分类:

    • 广播式网络:共享公共通信信道
    • 点对点网络:使用分组存储转发和路由选择机制

    5、计算机网络的性能指标

    1. 速率:指数据的传送速率,也称为数据率或比特率(比特:0/1),单位是bit/s(b/s或bps);【1Byte=8bit】

    2. 带宽:在计算机网络中,带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力,通常表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”;单位是“比特每秒”,也可以说是网络设备所支持的最高速度。

    3. 吞吐量:表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际的数据量;

    4. 时延:指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延;

    5. 时延带宽积:时延带宽积 = 传播时延 * 带宽;

    6. 往返时间RTT:互联网上的信息双向交互一次所需的时间;

    7. 利用率:利用率越高,时延越高。

    2、计算机网络体系结构

    2.1、计算机网络的标准化工作及相关组织

    因特网的标准都以RFC(Request For Comments)的形式在因特网上发布,但并非每个RFC都是因特网标准,RFC要上升为因特网的正式标准需要经过以下四个阶段。

    1. 因特网草案(Internet Draft)。这个阶段还不是正式RFC文档。
    2. 建议标准(Proposed Standard)。从这个阶段开始就成为RFC文档。
    3. 草案标准(Draft Standard)。
    4. 因特网标准(Internet Standard)。

    在国际上负责制定、实施相关网络标准的标准化组织,主要有如下几个:

    • 国际标准化组织(ISO):制定的只要网络标准或规范有OSI参考模型、HDLC等。
    • 国际电信联盟(ITU):其前身为国际电话电报咨询委员会(CCITT),其下属机构ITU-T制定了大量关于远程通信的标准。
    • 国际电气电子工程师协会(IEEE):世界上最大的专业技术团体,由计算机和工程学专业人士组成。IEEE在通信领域最著名的研究成果是802标准。

    为了使不同体系结构的计算机网络都能互联,国际标准化组织ISO提出了一个能使各种计算机在世界范围内互联成网的标准框架一开放 系统互连基本参考模型OSI.这样,只要遵循OSI标准,一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。1983年形成了所谓的OSI七层协议体系结构,但是由于各方原因未能成为一个全球标准,而TCP/IP常常被称为事实上的国际标准

    2.2、协议与层次划分

    1、什么是网络协议?

    在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据,就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。这里所说的同步不是狭义的(即同频或同频同相)而是广义的,即在一定的条件下应当发生什么事件(例如,应当发送一个应答信息),因而同步含有时序的意思。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议(networkprotocol)。 网络协议也可简称为协议。

    网络协议的组成要素

    • 语法,即数据与控制信息的结构或格式;
    • 语义,即需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应;
    • 同步,即事件实现顺序的详细说明

    2、网络协议层次划分

    为什么要分层?

    我们可以举一个简单的例子来说明划分层次的概念。现在假定我们在主机1和主机2之间通过一个通信网络传送文件。这是一项比较复杂的工作,因为需要做不少的工作。我们可以将要做的工作划分为三类。第一类工作与传送文件直接有关。例如,发送端的文件传送应用程序应当确信接收端的文件管理程序已做好接收和存储文件的准备。若两台主机所用的文件格式不一样,则至少其中的一台主机应完成文件格式的转换。这两项工作可用一个文件传送模块来完成。这样,两台主机可将文件传送模块作为最高的一层(图1-17)。在这两个模块之间的虚线表示两台主机系统交换文件和一些有关文件交换的命令。

    image.png

    但是,我们并不想让文件传送模块完成全部工作的细节,这样会使文件传送模块过于复杂。可以再设立一个通信服务模块,用来保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换。也就是说,让位于上面的文件传送模块利用下面的通信服务模块所提供的务。我们还可以看出,如果将位于上面的文件传送模块换成电子邮件模块,那么电子邮件模块同样可以利用在它下面的通信服务模块所提供的可靠通信的服务。

    同样道理,我们再构造一个网络接入模块,让这个模块负责做与网络接口细节有关的工作,并向上层提供服务,使上面的通信服务模块能够完成可靠通信的任务。

    分层的基本原则

    • 各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的,而仅仅需要知道该层通过层间的接口(即界面)所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能,因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。这样整个问题的复杂程度就下降了。

    • 灵活性好。当任何一层发生变化时(例如由于技术的变化),只要层间接口关系保持不变,则在这层以上或以下各层均不受影响。此外,对某一层提供的服务还可进行修改。当某层提供的服务不再需要时,甚至可以将这层取消。

    • 结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。

    • 易于实现和维护。这种结构使得实现和调试-一个庞大而又复杂的系统变得易于处理,因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。

    • 能促进标准化工作。因为每-层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。

    • 每层遵循某些个网络协议以完成本层功能

    计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构(architecture)。换种说法,计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义[GREE82]

    2.3、计算机网络分层结构模型

    OSI的七层协议体系结构的概念清楚,理论也比较完整,但它既复杂又不实用。

    TCP/IP体系结构则不同,它现在已经得到了非常广泛的应用,TCP/IP是一个四层的体系结构,它包含应用层、运输层、网际层和网络接口层(用网际层这个名字是强调这一层是为了解决不同网络的互连问题)。

    不过从实质来讲,TCP/IP只有最上面的三层,因为最下面的网络接口层基本上和一般的通信链路的功能上没有多大差别,对于计算机网络来说,这一层并没有什么特别新的具体的内容,因此在学习计算机网络原理是往往采用折中的办法,即综合OSI和TCP/IP的优点,采用一种只有五层协议的体系结构,这样既简洁又能将概念阐述清楚。

    image.png

    1、7层OSI参考模型

    OSI七层模型有7层,自上而下为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。低三层统称为通信子网,它是为了联网而附加的通信设备,完成数据的传输功能;高三层统称为资源子网,它相当于计算机系统,完成数据的处理等功能。传输层承上启下。

    OSI的层次结构如下图所示:

    image.png

    现在用一个例子来阐述一下七层模型中应用进程的数据在各层之间的通信过程,假设两台主机通过一个中间系统路由器连接起来:【这里的应用层表示的是会话层、表示层、应用层高三层,5层模型】

    image.png

    中间系统只有低三层,因此整个通信中高三层可以看做是端到端的通信,而低三层可以看做是点到点的通信,整个过程可以理解为装箱和拆箱操作

    虽然应用进程数据要经过上图所示的复杂过程才能送到对方的应用进程,但这些复杂过程对用户来说,却都被屏蔽掉了,以致应用进程烀AP1觉得好像是直接把数据交给了应用进程AP2。同理,任何两个同样的层次(例如在两个系统的第4层)之间,也好像如同图中的水平虚线所示的那样,可将数据(即数据单元SDU加上控制信息PCI)直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”之间的通信。我们以前经常提到的各层协议,实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

    OSI参考模型各层详述:

    参考链接:blog.csdn.net/cl19950327/…

    (1)物理层(Physical Layer)

    物理层考虑的是怎样才能在各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体,物理层的任务是尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异,使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异,使其只需考虑本层的协议和服务,而不必考虑具体的传输媒体和通信手段。物理层所传输的数据单位是比特,发送方发送1或0,接收方也接收1或0,物理层需要考虑用多大的电压代表1或0。物理层使用的中间设备是转发器。

    (2)数据链路层(Data Link Layer)

    数据链路层的任务是将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧,在两个相邻结点之间的链路上传输帧,每一帧包括数据和必要的控制信息(同步信息、地址信息、差错控制等)。数据链路层的协议有 PPP、CSMA/CD 等。数据链路层使用的中间设备是网桥或桥接器。

    (3)网络层(Network Layer)

    网络层的任务是负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务,在发送数据时网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。网络层的另一个任务是选择合适的路由,使源主机运输层传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。网络层的协议有 IP、ARP、ICMP、IGMP 等。网络层使用的中间设备是路由器。

    (4)传输层(Transport Layer)

    运输层的任务是负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务。运输层的协议主要有

    • 传输控制协议 TCP,它提供面向连接的、可靠的数据传输服务,数据传输单位是报文段(segment);
    • 用户数据报协议 UDP,它提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务,数据传输单位是用户数据报。

    (5)会话层(Session Layer)

    会话层允许不同主机上的各个进程之间进行会话。会话层利用传输层提供的端到端的服务,向表示层提供它的增值服务,这种服务主要为表示层实体或用进程户建立连接并在连接上有序地传输数据,这就是会话,也称建立同步(SYN)。

    会话层负责管理主机间的会话进程,包括建立、管理及终止进程间的会话。会话层可以使用校验点使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信,实现数据同步。

    (6)表示层(Presentation Layer)

    表示层主要处理在两个通信系统中交换信息的表现方式。 不同机器采用的编码和表示方法不同,使用的数据结构也不同为了使不同表示方法的数据和信息之间能互相交换,表示层采用抽象的标准方法定义数据结构,并采用标准的编码形式。数据压缩、加密和解密也是表示层可提供的数据表示变化功能。

    (7)应用层(Application Layer)

    应用层是OSI模型的最高层,应用层的任务是通过应用进程之间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。这里的进程是指主机中正在运行的程序。对于不同的网络应用需要有不同的应用层协议。在互联网中的应用层协议有很多,如域名系统DNS,支持万维网应用的HTTP协议,支持电子邮件的SMTP协议,等等。应用层交互的数据单元是报文 (message)。

    5层模型传输的数据的类型

    OSI参考模型各层次的传输单元【PDU类型】
    应用层报文
    传输层报文段
    网络层IP数据报,分组(如果IP数据报太大就切割成分组)
    数据链路层
    物理层比特流

    2、4层TCP/IP模型

    摘自:https://blog.csdn.net/qq_42240729/article/details/109379816

    ARPR在研究ARPAnet时提出TCP/IP模型,模型从低到高依次为网络接口层(对应OSI参考模型中的物理层和数据链路层)、网际层、传输层和应用层(对应OSI参考模型中的会话层、表示层和应用层)。

    TCP/IP的层次结构及各层的主要协议如下图:

    image.png

    • 网络层的接口的功能类似于OSI的物理层和数据链路层。
      它表示与物理网络的接口,但实际上TCP/IP本身并未真正描述这一部分,只是指出主机必须使用某种协议与网络连接,一遍在其上传递IP分组。具体的物理网络既可以是各种类型的局域网,如令牌环网、令牌总线网等,也可以是诸如电话网、SDH、X.25、帧中继和ATM等公共数据网络。网络接口层的作用是从主机或结点接收IP分组,并把他们发送到指定的物理网络上。

    • 网际层(主机-主机)是TCP/IP体系结构的关键部分。它和OSI网络层在功能上非常相似。网际层将分组发往任何网络,并为之独立地选择合适的路由,但它不保证各个分组有序的到达,各个分组的有序交付由高层负责。网际层定义了标准的分组格式和协议,即IP。当前采用的IP是第四版,即IPv4,下一版本是IPv6。

    • 传输层(应用-应用或进程-进程)的功能同样和OSI中的传输层类似,即使得发送端和目的端主机上的对等实体进行会话。传输层主要使用以下两种协议:(1)传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)。它是面向连接的,数据传输的单位是报文段,能够提供可靠的交付。(2)用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)。它是无连接的,数据传输的单位是用户数据报,不保证提供可靠的交付,只能提供“尽最大努力交付”。

    • 应用层(用户-用户)包含所有的高层协议,如虚拟终端协议(Telnet)、文件传输协议(FTP)、域名解析服务(DNS)、电子邮件协议(SMTP)和超文本传输协议(HTTP)。

    3、分层结构总结

    image.png

    4、5层参考模型

    image.png

    2.4、TCP/IP模型与OSI参考模型的比较

    相似之处:

    • 二者都采取分层的体系结构,将庞大而复杂的问题划分为若干较容易处理的、范围较小的问题,而且分层的功能也大体相似。
    • 二者都是基于独立的协议栈的概念。
    • 二者都可以解决异构网络的互联,实现世界上不同厂家生产计算机之间的通信。

    差别之处:

    • OSI参考模型最大的贡献就是精确地定义了三个主要概念:服务、协议和接口,这与现代的面向对象程序设计思想非常吻合。而TCP/IP模型在这三个概念上没有明确区分,不符合软件工程的思想。

    • OSI参考模型产生在协议发明之前,没有偏向于任何特定的协议,通用性良好。但设计者在协议方面没有太多经验,不知道把哪些功能放到哪一层比较好。TCP/IP模型正好相反,首先出现的是协议,模型实际上是对已有模型的描述,因此不会出现协议不能匹配模型的情况,但该模型不适合于其他非TCP/IP的协议栈。

    • TCP/IP模型在设计之初九考虑到了多种异构网络的互联问题,并将网络协议(IP)作为一个单独的重要层次。

    • OSI参考模型在网络层支持无线连接和面向连接的通信,但在传输层仅有面向连接的通信。而TCP/IP模型认为可靠性是端到端的问题,因此它在网际层仅有一种无连接的通信模式,但传输层支持无连接和面向连接两种模式。

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  • 分层架构与数据通信基础

    千次阅读 多人点赞 2021-07-27 21:30:05
    一、分层架构相关概念 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。 每层遵循某个网络协议以完成本层功能。 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的...

    目录

    一、分层架构相关概念

    二、认识分层结构

    1、实体

    2、协议

    3、接口

    4、服务

    三、OSI参考模型

    1、应用层

    2、表示层

    3、会话层

    4、传输层

    5、网络层

    6、数据链路层

    7、物理层

    四、OSI参考模型和TCP/IP参考模型

    五、五层参考模型

    六、物理层基本概念

    1、机械特性

    2、电气特性

    3、功能特性

    4、规格特性

    七、数据通信基础知识

    1、典型的数据通信模型

    2、数据通信的相关术语

    3、三种通信方式

    4、两种数据传输方式

    5、码元

    6、速率、波特

    7、带宽

    八、失真

    1、影响失真程度的因素

    2、失真的一种现象 -> 码间串扰

    九、奈氏准则

    十、香农定理


    一、分层架构相关概念

    网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。

    计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。

    每层遵循某个网络协议以完成本层功能。

    计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。

    第n层在向第n+1层提供服务时,此服务不仅包含第n层本身的功能,还包含由下层服务提供的功能。

    仅仅在相邻层间有接口,且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。

    体系结构是抽象的,而实现是指能运行的一些软件和硬件。

    二、认识分层结构

    1、实体

    第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。

    2、协议

    为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。

    语法:规定传输数据的格式;

    语义:规定所要完成的功能;

    同步:规定各种操作的顺序;

    3、接口

    访问服务点SAP,上层使用下层服务的入口

    4、服务

    下层为相邻上层提供的功能调用。

    SDU服务数据单元:为完成用户所要求的功能而应传送的数据;

    PCI协议控制信息:控制协议等操作的信息;

    PDU协议数据单元:对等层次之间传送的数据单元;

    三、OSI参考模型

    1、应用层

    所有能和用户交互产生网络流量的程序,比如QQ、微信。

    典型应用层服务:

    1. 文件传送FTP
    2. 电子邮件SMTP
    3. 万维网HTTP

    2、表示层

    用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式(语法和语义)

    功能一:数据格式变换

    ...0111011000...

    翻译为:

    功能二:数据加密解密

    功能三:数据压缩和恢复

    3、会话层

    向表示层提供建立连接并在连接上有序地传输数据。

    这是会话,建立同步SYN。

    功能:

    1. 建立、管理、终止会话
    2. 使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信,实现数据同步。
    3. 适用于传输大文件。

    4、传输层

    5、网络层

    主要任务是把分组从源端传到目的端,为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

    网络层传输单位是数据报。

    功能:

    1. 路由选择,最佳路径
    2. 流量控制
    3. 差错控制
    4. 拥塞控制

    6、数据链路层

    主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。

    数据链路层的传输单位是帧。

    功能:

    1. 成帧(定义帧的开始和结束)
    2. 差错控制 帧错+位错
    3. 流量控制
    4. 访问控制 (控制对信道的访问)

    7、物理层

    主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。

    物理层传输单位是比特。

    透明传输:指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送。

    功能:

    1. 定义接口特性
    2. 定义传输模式(单工、半双工、双工)
    3. 定义传输速率
    4. 比特同步
    5. 比特编码

    四、OSI参考模型和TCP/IP参考模型

    OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点

    1、OSI定义三点:服务、协议、接口

    2、OSI先出现,参考模型先于协议发明,不偏向特定协议

    3、TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题,将IP作为重要层次

    4、网络层和传输层的不同之处

    ISO/OSI参考模型TCP/IP模型
    网络层无连接 + 面向连接无连接
    传输层面向连接无连接 + 面向连接

    面向连接分为三个阶段:

    1. 建立连接,在此阶段,发出一个建立连接的请求,只有在连接成功建立之后,才能开始数据传输。
    2. 当数据传输完毕,必须释放连接。
    3. 面向无连接没有这么多阶段,它直接进行数据传输。

    五、五层参考模型

    五层参考模型的数据封装与解封装

    六、物理层基本概念

    物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体。

    物理层主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性,即定义标准。

    1、机械特性

    定义物理连接的特性,规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。

    2、电气特性

    规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。

    某网络在物理层规定,信号的电平用+10V~+15V表示二进制0,用-10V~-15V表示二进制1,电线长度限于15m以内。

    3、功能特性

    指明某条线上出现的某一电平表示何种意义,接口部件的信号线的用途。

    描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义。

    4、规格特性

    定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

    七、数据通信基础知识

    1、典型的数据通信模型

    2、数据通信的相关术语

    • 数据:传送信息的实体,通常是有意义的符号序列。
    • 信号:数据的电气/电磁的表现,是数据在传输过程中的存在形式。(数字信号:代表消息的参数取值是离散的。模拟信号:代表消息的参数取值是连续的。)
    • 信源:产生和发送数据的源头。
    • 信宿:接收数据的终点。
    • 信道:信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质,因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

    信道:

    传输信号: 模拟信道(传送模拟信号)数字信道(传送数字信号)

    传输介质: 无限信道 有线信道

    3、三种通信方式

    (1)单工信道

    只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道。

    (2)半双工通信

    通信的双方都可以发送或接收信息,但任何一方都不能同时发送和接收,需要两条信道。

    (3)全双工信道

    通信双方可以同时发送和接收信息,需要两条信道。

    4、两种数据传输方式

    (1)串行传输

    速度慢、费用低、适合远距离

    (2)并行传输。

    速度快、费用高、适合近距离

    常用语计算机内部的数据传输。

    5、码元

    码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲),代表不同离散数值的基本波形,是数字通信中数字信号的计量单位,这个时长内的信号称为K进制码元,而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2),此时码元也称为M进制码元。

    1码元可以携带多个比特的信息量。例如,在使用二进制编码时,只有两种不同的码元,一种代表0状态,另一种代表1状态。

    M进制码元:

    4进制码元  -> 码元的离散状态有4个 -> 4种高低不同的信号波形 00/01/10/11

    6、速率、波特

    速度也叫数据率,是指数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

    (1)码元传输速率

    别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等,它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也称为脉冲个数或信号变化的次数),单位是比特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以使多进制的,也可以是二进制的,但码元速率与进制数无关。

    简而言之,就是1S传输多少个码元。

    (2)信息比特速率

    别名信息速率、比特率等,表示单位时间内数字通信传输的二进制码元个数(即比特数),单位是比特/秒(b/s)。

    简而言之,就是1S传输多少个比特。

    关系:

    如果一个码元携带n比特的信息量,则m波特的码元传输速率所对应的信息传输速率为m * n bit/s。

    7、带宽

    表示单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”,常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

    练习题:

    某一数字通信系统传输的是四进制码元,4S传输了8000个码元,求系统的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?若另一个系统传输的是十六进制码元,6S传输了7200个码元,求它的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?并指出哪个系统传输速率快?

    答案:

    2000Baud、4000b/s、1200Baud、4800b/s;十六进制更快。

    系统传输的是比特流,通常比较的是信息传输速率,所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快,如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率。

    八、失真

    1、影响失真程度的因素

    1. 码元传输速率
    2. 信号传输距离
    3. 噪声干扰
    4. 传输媒体质量

    2、失真的一种现象 -> 码间串扰

    图中200HZ表示信号带宽。

    信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差。

    3300HZ - 300HZ = 3000HZ

    200HZ不能通过的原因:

    震动的频率太低了,在非常复杂的电话线上传播过程中都衰减没了。

    4000HZ不能通过的原因:

    震动的次数和频率太快了,导致接收端在接收的时候区分不出波形间的差异,此时就出现了码间串扰的现象。

    码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

    九、奈氏准则

    奈氏准则:在理想低通(无噪声,带宽受限)条件下,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2W Baud,W是信道带宽,单位是Hz。

    1、在任何信道中,码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰问题,使接收端对码元的完全正确识别称为不可能。

    2、信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多),就可以用更高的速率进行码元的有效传输。

    3、奈氏准则给出了码元传输速率的限制,但并没有对信息传输速率给出限制。

    4、由于码元的传输速率受奈氏准则的制约,所以要提高数据的传输速率,就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量,这就需要采用多元制的调制方法。

    练习题:

    在无噪声的情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是多少?

    信号有4 * 4 = 16种变化

    最大数据传输率 = 2 * 3k * 4 = 24kb/s

    十、香农定理

    噪声存在于所有电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生,它的瞬时值有时会很大,因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的,若信号较强,那么噪声影响相对较小。因此,信噪比就很重要。

    信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率,常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位,即:

    香农定理:

    在带宽受限且有噪声的信道中,为了不产生误差,信息的数据传输速率有上限值。

    1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。
    2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比,信息传输速率的上限就确定了。
    3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率,就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
    4. 香农定理得出的为极限信息传输速率,实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
    5. 从香农定理可以看出,若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能),那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

    练习题:

    电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz,信噪比为30dB,则该系统最大数据传输速率是多少?

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