【教学课件】第2章网络通信基础.ppt

1,计算机网络基础与应用技术,张蒲生 编著,2,第2章 网络通信基础,2.1 计算机网络的两层结构 2.1.1 资源子网和通信子网 2.1.2 资源子网 2.1.3 通信子网2.2 数据通信基础 2.2.1 数据通信的基本概念 2.2.2 数据传输方式 2.2.3 数据编码技术和时钟同步 2.2.4 数据交换技术 2.2.5 多路复用技术 2.2.6 差错控制方法,3,2.1.1 资源子网和通信子网,计算机网络要完成数据处理与数据通信两大主要任务，因此，它在结构上必然可以分成两个部分：一部分是负责处理数据的主机与终端；另一部分是负责处理数据通信的通信控制处理机与通信线路。按照计算机网络的逻辑功能可将网络分为资源子网和通信子网两部分，称为二级子网结构，如图所示。,4,2.1.2 资源子网,资源子网由主计算机系统、终端、终端控制器、联网外设、各种软件资源与信息资源组成。资源子网负责处理全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。1.主机系统主计算机系统简称主机(Host)，它可以是大型机、中型机、小型机、工作站或微机。2.终端终端是用户访问网络的界面。终端可以是简单的输入、输出终端，也可以是带有微处理的智能终端。智能终端除具有输入、输出信息的功能外，本身还具有存储与处理信息的能力。,5,2.1.3 通信子网,通信子网由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成，完成网络数据传输、转发等通信处理任务。1.通信控制处理机通信控制处理机在网络拓扑结构中被称为网络节点。它一方面作为与资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方面它又作为通信子网中的分组存储转发节点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能，实现将原主机报文准确发送到目的主机的作用。2.通信线路通信线路为通信控制处理机与通信控制处理机、通信控制处理机与主机之间提供通信信道。计算机网络采用多种通信线路，例如，电话线、双绞线、同轴电缆、光缆、光纤、无线通信信道、微波与卫星通信信道等。,6,2.1.3 通信子网,3现代网络结构的特点,7,2.2 数据通信基础,2.2.1 数据通信的基本概念2.2.2 数据传输方式2.2.3 数据编码技术和时钟同步2.2.4 数据交换技术2.2.5 多路复用技术2.2.6 差错控制方法,8,2.2.1 数据通信的基本概念,1.信号、数据与信息数据是对某一客观现象的物理度量。信号是与实际对应的、以电磁形式表示的连续或者离散数据。信息应当是从一批数据中分析、统计得出的有用数据。,9,2.模拟数据通信和数字数据通信与连续数据对应变化的信号称为模拟信号，如温度、压力、语音数据转换为信号后都是典型的模拟信号。与离散数据对应变化的信号称为数字信号，如对语音声压的一系列瞬间测量值、量化编码后的信号，计算机中传输处理的二进制信号等。模拟信号可以用模拟线路直接传输，用放大器弥补传输一定距离后造成的信号衰减。模拟信号也可以先调制转换成数字信号、用数字线路传输，到达目的地后解调还原成原来的模拟信号；在数字传输线路中，用中继器对传输一定距离造成的信号衰减和波形畸变进行整形、放大-即信号的再生。,2.2.1 数据通信的基本概念,10,3.数据通信中的主要技术指标数字通信中，传送数据的最小单位是一个二进制“位”-比特(bit)。实际字符信息则由多个比特组成，如ASCII码中字符“A”，则由“1000001”7个比特组成，数字“1”则由“0110001”组成等，实际信道上传输的就是这样一连串的比特，简称比特流。数据传输率单位时间传送的比特数(bps)，用于描述数字信道的传输能力，即发送、接收双方及中间交换的处理能力。误码率Pb传输时出错比特数与总传送比特数之比。,2.2.1 数据通信的基本概念,11,3.数据通信中的主要技术指标 信道容量物理信道的最大传输率还与线路所受电磁干扰强弱有关，实际信道数据传输率的上限值、即信道容量的香农(Shannon)公式为：C=Blog2(1+S/N)式中：C-信道容量，即信道最大传输率 bps。B-信道频带 Hz。S-信道中信号功率。N-信道中电磁噪声功率。一般，信道中信噪比用分贝dB数表示，由分贝定义式dB=10log10S/N可知，当信噪比为30分贝时，S/N=1030/10。由香农公式计算得出的信道容量是信道传输速率的理论上限值，信道的实际数据速率小于信道容量。,2.2.1 数据通信的基本概念,12,4.通信方式 并行通信并行通信是指同时有多条数据通道，可同时传送多个比特。如图所示。,2.2.1 数据通信的基本概念,13,4.通信方式 串行通信串行通信是指用一条数据线传送比特流，一次只传送一个比特，发送方计算机内的并行数据经并-串转换后组成按序传送的数据流，接收方计算机再进行串-并转换还原成并行数据进行处理。如图所示。,2.2.1 数据通信的基本概念,14,4.通信方式 单工、半双工及全双工通信在串行通信中，按数据传输方向又分为单工通信、半双工通信、全双工通信。单工通信只支持数据在一个方向上传送，通信的一方只有发送设备，另一方只有接收设备。半双工通信支持数据轮流在两个方向上传输，通信双方均具有发送设备和接收设备，但只能轮流工作而不能同时发、收。全双工通信可同时收、发数据，通信双方各有发送设备和接收设备并可同时工作，全双工通信一般采用四线制，一对线用于发送数据，另一对线用于接收数据。,2.2.1 数据通信的基本概念,15,2.2.2 数据传输方式,数据传输时，对线路频带资源的使用方式有两种：基带传输与宽带传输。所谓基带传输，就是数字信号直接传输，使用数字信号的原始频带，不用调制解调转换，这是一种比较简单的传输方法，信道资源利用率比较低，一条线路只能传送一路信号。所谓宽带传输，即是前面所述的数字信号模拟传输方法，对多路信号采用不同的载波频率进行调制，每一路信号占用一定宽度的频带资源，在同一条通信线路上可同时传送多路信号，这样在远距离通信时有利于节约线路资源。基带传输时如何保持收发双方同步，是一个基本问题，为此要了解基带信号传输时的编码方式。,16,1.不归零NRZ(None-return to zero)编码不归零码亦称全宽码，即在数字信号“0”或“1”持续期间，信号电平一直不变，与代码宽度相同。如图所示。,2.2.2 数据传输方式,17,2.归零RZ(Return to zero)编码归零码亦称窄脉冲，数字信号脉冲宽度小于“0”、“1”信号持续时间，即小于代码宽度，每一窄脉冲在数字代码未变之前就已归零。如图所示。上图(c)为数字信号取样脉冲，数字信道上传输的就是代表“0”、“1”的脉冲；在实际信道上，为了减少数字信号的直流分量累积，采用的是交替双极性脉冲，使正、负脉冲个数在总体上大致相同，直流分量趋于零。,2.2.2 数据传输方式,18,2.2.2 数据传输方式,19,3.曼彻斯特编码时钟信号频率为数字信号频率的二倍，使数字信号每一位的中间有一个跳变，数字“1”变换成为“10”，数字“0”变换成为“01”，传输时，就不会有连续3个或以上的“1”或“0”出现，这样可保证精确同步；接收方再将“10”还原成“1”，将“01”还原成“0”即可。4.差分曼彻斯特编码每一位数字信号中间的跳变仅供接收方提取时钟信号，根据数字信号的前沿有无跳变决定数字比特值为“1”或“0”，其前沿跳变规律是：“0”跳“1”不跳；接收方根据相邻比特有无变化可知原信号数据值，有变化为“0”，无变化为“1”，后面跟一个时钟脉冲。,2.2.2 数据传输方式,20,2.2.3 数据编码技术和时钟同步,1.数字信号模拟传输由于高频信号抗干扰能力强，易于远距离、高效率传输，因此在信号传输时，常将低频信号搭载在高频信号上传输，到达目的地后再将原始信号从高频信号上取出来；起搭载作用的高频信号称为载波。在接收端将原始信号从高频信号上取出来的过程称为解调制。,21,将数字信号搭载在高频载波信号上而形成调制波的设备称为调制器，从调制波上分离出原始信号的设备称为解调器，调制器、解调器实现的是一对相反的变换，实用中，将调制器与解调器合成一体，称为调制解调器(Modem)，既能实现把数字信号调制为高频模拟信号，又能实现从高频模拟信号中分离出原始数字信号。网络通信中，用调制解调器、模拟通信网络(电话网)进行远程通信的例子如图所示。,2.2.3 数据编码技术和时钟同步,22,2.模拟信号数字传输模拟信号直接用模拟信道传输、处理的主要缺点是：效率低、通信质量差。因此现代通信中，采用通信质量高、处理效率高、保密性好的数字通信网络。模拟通信网络在许多场合已被淘汰。在实际中，大多数数据都是连续的模拟数据，对应的是模拟信号，因此首先要转换成为数字信号才能在数字通信网中传输处理。,2.2.3 数据编码技术和时钟同步,23,将模拟信号转换成数字信号要经过采样、量化，编码三个步骤。采样每隔一定时间间隔取一个测量值。量化将采样最大值分为N个等级，所有采样值按这N个等级量化处理，一般N取2的指数，2、4、8、16、，PCM系统中，N=256。编码将量化后的每一个采样值，编写成为M位二进制比特，M=log2N。这样，每一采样值的M位比特构成一个进制数据流，运用数字网络传输处理。,2.2.3 数据编码技术和时钟同步,24,如图所示，采样频率为10、量化等级为8，得到30比特编码。,2.2.3 数据编码技术和时钟同步,25,3.数字信号同步方式 同步传输通信期间，双方一直保持有相同的时钟，发送方发出多少比特，接收方根据每比特的周期可知接收了多少比特，这样保证比特数目不会出现差错。使通信双方时钟同步的方法有：用专门的时钟通信线路使双方时钟校准，或先发一串同步比特校准时钟后再发数据，或将同步信号叠加在所传输的数据信号中、接收方从接收数据中提取时钟信号等多种方法实现。同步通信效率高，质量高，但实现技术复杂、成本也高。,2.2.3 数据编码技术和时钟同步,26,异步传输同步传输虽然质量、效率均高，但代价也大，在不发送数据期间还要保持同步也是一种资源上的浪费，如按一次一个字符(58比特)地发送数据，每一字符比特流的首尾附加起始位“0”、停止位“1”，在传送字符数据期间要求同步，不传送字符时则一直发送停止位“1”，此时不要求双方同步，当有一个起始位比特“0”出现时，表明一个字符的传输开始了。这样在传送字符期间同步、不传送字符时可以不同步的传输方式称为异步通信。异步通信亦称“群同步”或“起止式通信”。异步通信方式速率低，对高速通信不适用；但由于实现容易、成本低，在低速通信场合还有一定的应用。,2.2.3 数据编码技术和时钟同步,27,2.2.4 数据交换技术,将数据编码后在通信线路上进行传输的最简单形式，是在两个互连设备之间直接进行数据通信。但是，网络中所有设备都直接两两相连是不现实的，即使能实现，也不必要。通常要经过中间节点将数据从信源逐步传送到信宿，从而实现两个互连设备之间的通信。这些中间节点并不关心所传数据的内容，而只是提供一种交换功能，使数据从一个节点传到另一个节点，直至达到目的地为止。通常把作为信源或信宿的一批设备称为网络站。而将提供中间通信的设备称为节点。这些节点以某种方式用传输链路相互连接起来，每个站都连接到一个节点上，这些节点的集合便称为通信网络。如果所连接的设备是计算机和终端的话，那么节点集合加上一些站就构成计算机网络。,28,如图所示是一个交换网络的结构。按所用的数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网，报文交换网和分组交换网。,2.2.4 数据交换技术,29,1.电路交换普遍使用的电话交换网络是使用电话交换技术的典型例子。电路建立如同打电话一样，先要通过拨号在通话双方间建立起一条通路，在传输数据之前，也要经过呼叫过程建立一条端到端的电路。数据传输当电路ABC建立起来以后，数据就可以从A发送到B，再由B交换到C；C也可以经B向A发送数据。这种数据传输有最短的传播延迟，并且没有阻塞问题，除非有意外的线路或节点故障而使电路中断。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。,2.2.4 数据交换技术,30,电路拆除在数据传输结束后，由某一方A或C发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。被拆除的信道空闲后，就可被其他通信使用。电路交换方式的优点是数据传输可靠、迅速及时，数据不会丢失，且保持原来的序列。缺点是信道长时间被占用，即使信道空闲时，他人也不能使用，造成信道利用率低；此外，在数据传输所花时间不太长的情况下，建立和拆除所用时间得不偿失。因此，电路交换适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。,2.2.4 数据交换技术,31,2.报文交换 报文交换的工作过程报文交换方式的数据传输单位是报文，所谓报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。报文交换不需要在两个站点之间建立专用通路，传送方式采用“存储-转发”方式。当一个站点要发送报文时，它先将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的的节点。每个节点在收下整个报文并检测无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。,2.2.4 数据交换技术,32,报文交换与电路交换的比较与电路交换比较，报文交换的主要优点有：电路利用率高。在电路交换网路上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫，而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。报文交换网络可以进行速度和代码的转换。,2.2.4 数据交换技术,33,报文交换的主要缺点是：它不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长，而且不固定。因此，这种方式不能用于语音连接，也不适合交互式终端到计算机的连接。有时节点收到过多的报文而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。,2.2.4 数据交换技术,34,3.分组交换在实际应用中，为了使信道容量利用得更好，并降低节点中数据量的突发性，可以将报文交换改进为分组交换，将一个报文分成若干个分组，每个分组规定一个上限，典型的最大长度是数千位。虚电路分组交换在虚电路VC(Virtual Circuit)中，为进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间先要建立一条逻辑通路。无论何时，一个站都能和任何站建立多个虚电路。这种传输数据的逻辑通路就是虚电路，它之所以是“虚”的，是因这条电路不是专用的。每条虚电路支持特定的两个端点之间的数据传输；每个端点之间也可有多条虚电路为不同的进程服务，这些虚电路的实际路由可能相同，也可能不同。,2.2.4 数据交换技术,35,数据报方式分组交换在数据报方式中，每个分组的传送是单独处理的，就像报文交换中的报文一样。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一个节点。因此，当某一站点要发送一个报文时，先把报文拆成若干个带有序号和地址信息的数据报，依次发送到网络节点。此后，各数据报所走的路径就可能不再相同，因为各个节点随时根据网络流量、故障等情况选择路由，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会在途中丢失。整个过程中，设有虚电路建立，但要为每个数据报进行路由选择。,2.2.4 数据交换技术,36,虚电路和数据报操作方式的比较：虚电路分组交换适用于两端之间的长时间数据交换，尤其是在交互式会话中每次传送的数据很短的情况下，可免去每个分组要有地址信息的额外开销。它提供了更可靠的通信功能，保证每个分组正确到达，且保持原来顺序。还可对两个数据端点的流量进行控制，接收方在来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送分组。数据报分组交换省去了呼叫建立阶段，它传输少量分组时比虚电路方式简便灵活。在数据报方式中，分组可以绕开故障区而到达目的地，因此，故障的影响面要比虚电路方式小得多，但数据报不保证分组的按顺序到达，数据的丢失也不会立即被发现。,2.2.4 数据交换技术,37,4.交换技术的比较不同的交换技术适用于不同的场合：对于较轻和间歇式负载来说，报文交换是最合适的，可以通过拨号线路来实行通信；对于较重和持续的负载来说，使用租用的线路以电路交换方式进行通信是合适的；对于必须交换中等到大量数据的情况，可用分组交换方法。,2.2.4 数据交换技术,38,电路交换。在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占有。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。报文交换。报文从源点传送到目的地采用“存储-转发”方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。分组交换。交换方式和报文交换方式相类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中，目的地需要重新组装报文；在虚电路分组交换中，数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。,2.2.4 数据交换技术,39,现有的公用数据网都采用分组交换技术，例如，我国的CNPAC，美国的TELENET，以及很多国家建立的公用数据网都属于这一类型。目前广泛采用的X.25协议就是由CCITT制定的分组交换协议。计算机网络也都采用分组交换技术。由于在计算机网络中，从源节点到目的节点之间只有一条单一的通路，因此，不需要像公用数据网中那样的路由选择和交换功能。计算机网络中也广泛采用电路交换技术，计算机控制的电话交换机CBX就是用电路交换技术构成的计算机网络。由于报文交换技术不能满足实时通信要求，因此，在计算机网络中不采用报文交换技术。,2.2.4 数据交换技术,40,2.2.5 多路复用技术,1.频分多路复用将传输媒体(如铜导线、光纤、无线媒体等)的物理频带划分为许多子频带，每一个子频带中传输一路信号，在同一媒体上同时传送多路信号，这就是频分多路复用。如图所示。,41,2.同步时分多路复用时分多路复用就是将物理信道的传输时间分成许多固定大小的时间片，每一个时间片内传送一路信号。其工作过程犹如一个转换开关，使各路信号轮流接通、传输，这种微观上(微秒数量级)的轮流接通，在宏观上(秒数量级)看起来就象多路信号同时通信。为每一路信号分配固定时间片的方式称为同步时分多路复用。在宽带网络中，就是使用频分多路复用与时分多路复用的混合技术，先将物理信道频分复用成多个子信道，再用时分多路复用技术将每个子信道进一步复用为更多的时分子信道，从而极大地提高了物理线路的传输能力。,2.2.5 多路复用技术,42,3.异步时分多路复用技术同步多路时分复用技术有一个明显的不足，就是为每一路信号分配固定大小的时间片、而不管它是否需要传输信号及其需求量的大小，这样必然造成一定的资源浪费。异步时分复用技术则是按需分配时间片的方式，对不传输信号的子信道不分配时间片，对传输数据量小的子信道分配较少的时间片，而对传输数据量大的子信道分配较多的时间片。当某一时间内多个子信道中只有一个信道传输数据时，可获得物理信道的最大传输率。,2.2.5 多路复用技术,43,2.2.6 差错控制方法,1.奇偶校验码最简单、实用的差错校验编码方法就是奇偶校验码，其基本思想是：在K(一般K=7或8，下面为简单起见，一律按K=7叙述)比特数据后面附加R(R=1)位校验码，R位校验码由奇、偶校验的方法和K位数据的半加和(二进制不进位加法)决定。垂直奇偶校验：发送K=7位数据的同时，在加法器中求K位数据的和，7位数据发完后，一位校验码附加在K位数据之后一并发出，接收方将7+1位传输代码求和后，与最后一位校验码比较，相同则认为没有出错。,44,水平奇偶校验：发送K=7位数据时，发送缓冲区中保留发送副本，发送7组数据后，对7组数据的每一行求和得出一个水平奇偶校验码。接收方按相同方法求水平校验和，某一行校验正确则表明该行传输没有出错。无论是垂直、还是水平奇偶校验，校验码只有一位，“0”、“1”两种取值，如果一列(或一行)传输代码中有偶数位(2、4、或6)比特出错，该列代码求和仍与校验码相同，接收方视为传输正确，即奇偶校验码不能检出偶数位出错，只能检测出奇数位(1、3、5或7)出错，一般认为奇数位出错的概率与偶数位出错的概率相同，则奇偶校验码的漏检率高达50%。,2.2.6 差错控制方法,45,水平垂直奇偶校验单独使用垂直奇偶校验或水平奇偶校验，差错漏检率都是50%，水平校验还要复杂一些，并无实际意义。但将两种方法结合使用，则不但漏检率会大为下降，有时还可以确定出错比特的位置，从而纠正该错误。,2.2.6 差错控制方法,46,2.循环冗余校验码奇偶校验单独使用时不能检测出偶数位出错，结合使用时虽然漏检率极低，但应用于较长的数据帧-1000比特以上时，其漏检造成的差错不可忽略，何况检验方法复杂，对发送缓冲区需求较大，实际中并不常用；在一些要求不高，数据帧大小为十个比特左右时，一般用垂直奇偶校验方法既简便又能满足使用要求。对较长的数据帧则使用循环冗余CRC校验方法，附加位数不会太多，而且检错能力强，其数字逻辑电路也易于实现，是现代网络通信中进行数据帧校验的主要方法。,2.2.6 差错控制方法,47,3.差错控制方法接收方用校验码检测出错误后，如何纠正？有两种方式：自动重发请求收方收到错误的数据帧时，否定回答发送方，要求重发该帧数据，这即自动重发请求ARQ方式；发送方缓冲区中有已发送、但未确认的数据帧副本，接收方要求重发、或在指定时间内没有回答，表明该帧数据出错或丢失，则重发该数据帧，只有接收方对某帧数据确认正确接收时，发送方才从发送缓冲区中将该帧数据的副本撤消。,2.2.6 差错控制方法,48,前向纠错FEC方法的最大好处是不用重传出错的数据帧，而是利用校验码在检测出错误的同时还能确定出错比特的位置，将出错比特取反即可纠正传输错误的比特；这从原理上比ARQ方法要优越一些，不用应答发送方，由接收方自动纠正错误，但在实际中却无多大意义。,2.2.6 差错控制方法,