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1、测控系统通信与网络,主讲：武汉大学电子信息学院 王泉德,第六章 计算机网络通信,一、绪论,计算机网络利用通信电缆将分散在各地的自治的计算机系统连接在一起，在通信协议的支持下，实现资源共享。,1、计算机网络的产生背景 是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物； 60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局提出要研制一种生存性很强的网络； 传统的电路交换的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断； 如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接，延时较长。,新型计算机网络的特点 网络用于计算机之间的数据传送； 网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单
2、一类型的计算机； 所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性； 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由； 网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。,2、计算机网络的发展 （1）电路交换：把一条信号线转接到另一条信号线，使它们连通起来，动态分配传输线路资源。,结点增多时,优点： 通信线路为通信双方专用，传输数据的时延小； 通信双方之间的物理通路建立后可以随时通信，实时性强； 双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题； 电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号； 电路交换的交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。,缺点： 电路交换的平均连接建立时间对计算机通
3、信来说嫌长； 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使线路空闲，也不能供其他用户使用，信道利用低； 电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。,（2）报文交换： 20 世纪 40 年代，电报通信采用了报文交换，以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在结点交换机采用存储转发的传输方式。 优点： 报文交换不需要预先建立专用通信线路，不存在连接建立时延； 由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：,便于设置代码检验和数据重发设施，交换结点还具有路径选择，某条传输线路故障时，可重新选择其它线路传输数据，提高
4、了传输的可靠性； 在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信； 提供多目标服务，一个报文可同时发送到多个目的地址； 允许建立数据传输的优先级，优先级高的报文优先转换。 通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间段、部分占有物理线路，提高了通信线路的利用率。,缺点： 数据进入交换结点后要经历存储、转发过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据； 报文交换只适用于数字信号； 报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收整个报文，
5、当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。,（3）分组交换： 分组交换也采用存储转发传输方式，但将报文先分割为若干个较短的分组，然后逐个发送分组（携带源、目的地址和编号信息）。 分组交换除了具有报文交换的优点外，还具有以下优点： 加速了数据在网络中的传输。分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，减少了报文的传输时间。此外，传输分组所需的缓冲区比报文小得多；,简化了存储管理。分组的长度固定，缓冲区的大小也固定，交换结点中存储
6、器的管理比较容易； 减少了出错机率和重发数据量。分组较短，出错机率减少，每次重发的数据量大大减少，提高了可靠性，减少了传输时延； 分组短小，更适用于采用优先级策略，及时传送一些紧急数据，对于计算机间的突发式数据通信，分组交换更合适,缺点： 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力； 分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加； 当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按
7、编号进行排序等工作,三种交换方式的比较,A B C D,A B C D,报文交换,分组交换,t,（4） 计算机网络的发展的三个阶段： 第一阶段： ARPA 研究多种网络互连的技术，产生第一个分组交换网 ARPANET； 1983 年 TCP/IP 协议成为标准协议； 19831984 年，形成了因特网 Internet。 第二阶段： 1986 年，NSF 建立了国家科学基金网 NSFNET，它是一个三级计算机网络：主干网、地区网、校园网 1991 年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。,1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速
8、率） 第三阶段： 从1993年开始，NSFNET逐渐被若干个商用的 ISP 网络所代替； 1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP分别由 4 个电信公司经营。 NAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP 中安装有性能很好的交换设施。 从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络,（5） 计算机网络的分类 1）按交换功能分类 2）按作用范围进行分类 电路交换 广域网 WAN (Wide Area Network) 报文交换 局域网 LAN (Local Area Network) 分组交换 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 混合交换 接
9、入网 AN (Access Network),城域网,城域网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,接入网,广域网,局域网,局域网,校园网,企业网,二、计算机网络的体系结构,相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的工作；,“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理；,为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议，包括如下要素： （1）语法：数据与控制信息的结构或格式 。 （2）语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 （3）同步：
10、事件实现顺序的详细说明。,划分层次的概念举例,计算机 1 向计算机 2 通过网络发送文件，可以将要做的工作进行如下的划分； 第一类工作与传送文件直接有关： 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 双方协调好一致的文件格式。 两个计算机将文件传送模块作为最高的一层 ，剩下的工作由下面的模块负责。,再设计一个通信服务模块,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,只看这两个通信服务模块 好像可直接把文件 可靠地传送到对方,把文件交给下层模块 进行发送,把收到的文件交给 上层模块,通信服务模块,通信服务模块,再设计一个网络接入模块,文件传送模块,计算机 1,计算机 2,文件传送模块,通信服务
11、模块,通信服务模块,网络接入模块,网络接入模块,通信网络,网络 接口,网络 接口,网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作 例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。,分层的优点： 各层之间独立； 灵活性好； 结构上可分割开； 易于实现和维护； 能促进标准化工作。 层数的选择： 层数太少，会使每一层的协议太复杂； 层数太多，在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,1、计算机网络的体系结构,计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合； 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义； 实现(implementation)是遵循这种体
12、系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题； 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。,（1）OSI七层参考模型,数据链路层,5 会话层,4 传输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,6 表示层,7 应用层,数据链路层,4 应用层,3 传输层,2 网络层,1 网络接口,（2）TCP/IP协议模型,数据链路层,5 应用层,4 传输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,计算机1向2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,
13、AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,应 用 程 序 数 据,应用层 PDU 再传送到传输层，加上传输层首部，成为传输层报文,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,应 用 程 序 数 据,传输层报文再传送到网络层，加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,应 用 程 序 数 据,IP 数据报再传送到数据链路层，加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,
14、计算机 2,应 用 程 序 数 据,应 用 程 序 数 据,数据链路层帧再传送到物理层，最下面的物理层把比特流传送到物理媒体,10100110100101 比 特 流 110101110101,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层,10100110100101 比 特 流 110101110101,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算
15、机 2,网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给传输层,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,传输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层,应 用 程 序 数 据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,AP2收到 AP1 发来的应用程序数据！,2、实体、协议、服务和服务访问点,实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程； 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合； 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务； 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务； 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议；
