计算机网络基础第2章--数据传输技术课件.ppt

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1、,张 基 温 编著,中国人民大学出版社,（第2版）,计算机网络基础,第2章 数据传输技术,2.1 数据信号及其传输2.2 信道特性与基本传输模式2.3 串行通信中的同步控制技术2.4 信道的多路复用技术2.5 多点共享信道的访问控制2.6 数据传输中的差错控制2.7 数据传输中的流量与拥塞控制,2.1 数据信号及其传输,2.1.1 数据信号的频率特性2.1.2 数字信号的模拟调制2.1.3 模拟信号的数字编码脉冲编码调制技术2.1.4 数字信号的数字编码,2.1.1 数据信号的频率特性,1.模拟信号与数字信号2.数据信号的傅立叶分析3.数字信号的数据传输率,1.模拟信号与数字信号,模拟信号特征

2、：波形是连续的、圆滑的、没有突跃的变化；幅值在某一范围内可以取任一值。,2.数据信号的傅立叶分析,一个信号的频率范围称为该信号的绝对带宽。现实中，许多信号具有无限带宽，即它的傅立叶分析结果呈无穷基数之和。不过，信号的大部分能量往往集中在某一段频带中。这个频带称为该信号的有效带宽，简称带宽。,1 g(t)=C+ansin(2nft)+bncos(2nft)2 n=1 n=1,几种典型信号的傅立叶分析,(a)时域表示(b)频谱表示,不同脉宽比的矩形信号频谱,3.数字信号的数据传输率,R=(1/T)log2 M,单位：bps(bit per second，比特/秒)或b/s，又称比特率,T：传输的数

3、字信号的脉冲(码元)宽度或周期，即一位数据码所占的时间宽度。显然，每位脉冲周期越长，数据传输率越低。,M：一个脉冲所表示的有效状态数(为2的整数值),2.1.2 数字信号的模拟调制,1.数字信号的模拟调制降低信号畸变程度的方法有两个：一是提高信道质量，二是想办法用带宽小的模拟信号携带带宽大的数字信号。后者就称为数字信号的模拟调制，或者称为数字信号的载波调制，即把数字信号加载与模拟信号之上。最典型的方法是用正弦波载波数字信号。2.基带传输与频带传输,1.数字信号的模拟调制,u(t)=umsin(t+0),2.基带传输与频带传输,基本频带信号（baseband signal）：未经调制数字信号称为

4、简称基带信号。基带（base band，基本频带）：一个信号所占有的频率范围。基带传输（baseband trasmission）：在某些局域网中，数字基带信号可以进行直接传输。,2.1.3 模拟信号的数字编码 脉冲编码调制技术,数字化的质量取决于下列技术参数：(1)采样频率按照奈奎斯特定理，为了用数字信号精确地表示一个模拟信号，对话音模拟信号的采样频率至少要达到8 000 Hz。用一个8位字符来代表每个取样，则话音信号数字化的结果便是一个8 0008（位）的数据流，数据传输速率为64kb/s。(2)测量精度,2.1.4 数字信号的数字编码,(f)差分曼彻斯特编码,2.2 信道特性与基本传输模

5、式,2.2.1 信道及其基本传输参数2.2.2 信道的交互方式2.2.3 并行传输信道与串行传输信道,2.2.1 信道及其基本传输参数,1.信道的通频带宽2.信道容量3.信道的误码率,1.信道的通频带宽,ADSL上的3个信息通道,2.信道容量,数据传输速率与谐波数之间的关系,Smax=2Wlog2 M(b/s),奈奎斯特准则有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率表达式：,香农（Shannon）准则有限带宽的随机（服从高斯分布的）噪声干扰信道 的极限数据传输速率：,M：信道上所传输信号的可取离散值的个数（即信号电平的级数）W：有限带宽无噪声信道的带宽2W：采样频率。,信道的极限数据传输率=Wlog

6、2(1+S/N)(b/s),W：有限带宽无噪声信道的通频带宽S：信道上数据信号的平均功率N：信道内部的噪声功率S/N：信噪比。,3.信道的误码率,P=NE/N,N：传输的总位数NE：传错的位数。,2.2.2 信道的交互方式,（c）全双工方式,2.2.3 并行传输信道与串行传输信道,（a）并行传输（b）串行传输,2.3 串行通信中的同步控制技术,2.3.1 问题的提出,2.3.2 异步传输方式2.3.3 同步传输方式,2.3.2 异步传输方式,异步传输方式按照字符为单位发送数据，即每个帧都比较短，由如下4部分组成：1个起始位：低电平数字“0”状态；5位或7位数据；1位校验位，用做奇偶校验；长度为

7、1.5位（5位数据）或2位（7位数据）的停止位：高电平不通信状态。,2.3.3 同步传输方式,同步传输方式从帧和位两个方面实现同步控制1.帧同步的实现2.位同步,1.帧同步的实现,帧的同步的方法是在数据块的两端加上前文（preamble）和后文（postamble），表示帧的起始和结束。,（a）面向字符的同步帧格式,（b）面向位的同步帧格式,2.位同步的实现,外同步法在发送方和接收方之间提供单独的时钟线路，发送方在每个比特周期都向接收方发送一个同步脉冲。自同步法利用特殊编码（如曼彻斯特编码或微分曼彻斯特编码）让数据信号携带时钟同步信号，不断校正接收端的定时机构。,2.4 信道的多路复用技术,2

8、.4.1 频分多路复用技术2.4.2 时分多路复用技术2.4.3 光波分多路复用技术2.4.4 码分多路复用技术,2.4.1 频分多路复用技术,频分多路复用（frequency division multiplexing，FDM)是模拟传输中常用的一种多路复用技术。它把一个物理信道划分为多个逻辑信道，各个逻辑信道占用互不重叠的频带，相邻信道之间用“警戒频带”隔离，以便将不同路的信号调制（滤波）分别限制在不同的频带内，在接收端再用滤波器将它们分离，,2.4.2 时分多路复用技术,（a）按位扫描的TDM,（b）按字符扫描的TDM,对4路PCM30/32基群信号按位复接和按字复接,(a)同步时分多路

9、复用（b）异步时分多路复用,瞬时数码率差异造成的重叠和错位,5.PDH在PDH系统中，数字通信网的每个结点上都分别设置高精度的时钟，这些时钟的信号都具有统一的标准速率。这种系列对传统的点到点通信有较好的适应性。但是，它也有许多致命的缺点：（1）它对时钟的精度要求很高，即使是这样，总还有一些微小的差别。因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步，只能叫做“准同步”。（2）随着数字通信的迅速发展，点到点的直接传输越来越少，而大部分数字传输都要经过转接，使PDH系列越来越不适应。（3）PDH只有地区性的电接口规范，不存在世界性标准。现有的PDH数字信号序列,6.SDH（1）SDH不仅适用于光纤，也适用

10、于微波和卫星传输的技术体制，并使其网络管理功能大大增强。（2）统一的比特率，统一的接口标准。基本的信号传输结构等级是155Mb/s，称为同步传输模块STM-1。在此基础上，按照4的倍数可以复接成高等级的数字信号系列：STM-44STM-1=622Mb/s，STM-164STM-4=2.5Gb/s，STM-644STM-16=42.5=10Gb/s，STM-128=24STM-16=20Gb/s，STM-256=44STM-16=40 Gb/s，STM-512=84STM-16=80 Gb/s。（3）采用了字节间插复用方式，使网络中上下支路信号变得十分简单。（4）采用同步复用方式和灵活的映射结构

11、，有很强的兼容性。（5）丰富的用于运行维护（OAM）功能，使网络的监控功能大大加强。（6）提出了自愈网的新概念。,段开销（section over head，SOH）区，主要用于网络的运行、管理、维护及指配,以保证信息能够正常灵活地传送。STMN净负荷区，存放真正用于信息业务的比特和少量的用于通道维护管理的通道开销字节。管理单元指针（AU PTR）区，用来指示净负荷区内的信息首字节在STMN帧内的准确位置以便接收时能正确分离净负荷。,2.4.3 光波分多路复用技术,2.4.4 码分多路复用技术,2.5 多点共享信道的访问控制,多点共享则是多个结点使用同一条信道时的控制策略。目前多点访问技术有两

12、种控制方式：竞争方式：各结点以竞争方式来取得介质的使用权。受控（授权）方式：各个结点必须在某一控制原则下通过授权接入，形成一种无冲突的访问控制方法。在受控多点访问技术中，多点线路既可以采用分散式控制，也可以采用集中式控制。,2.5.1 令牌访问技术,PPP：3位优先比特，将优先级分为8级。RRR：预约比特，可以预约下次发送权。T：1位令牌状态比特 T=0为令牌帧（无数据），T=1为非令牌帧（数据帧）。M：1位令牌监督比特，防止处于“忙”状态的令牌陷于无限循环状态：数据帧第1次通过，置M=1；第2次通过，确定其为不能送达，被置为令牌帧（T=0）。令牌网开始工作时，令牌状态被置“闲”(T=1)。当

13、一个结点有数据要发送时，必须等空闲令牌到来；检测到空闲令牌到来，便将之截获，置令牌的状态为“忙”(T=0)，并把要传送的数据以及有关说明和控制字段插入进去。,典型的空令牌帧结构,(1)帧状态字段FS(最后一个字节)A：地址识别指示比特。加载有数据的帧开始按照原来的方向往前传送。每到一个站点，所到站的转发器便将帧内的目的地与本站的地址进行比较，如果两地址复合，则置A=1；否则置A=0。C：帧已复制指示比特。若A=1，接着复制该帧，并置C=1，表明“已收到”，然后让帧继续传送。当传回到发源站点时，若没有检查到“已收到”标志则继续发送当前帧，若检查到“已收到”标志就停止传送，撤消所发送的数据帧并立即

14、生成一个新的令牌发送到环上(这时还有数据就继续发送，否则生成空闲令牌)。r：未做规定。,（2）优先级（3）起始字段和结束字段(各占1个字节)（4）帧控制字段(占1个字节)。前2位FF表示帧的类型：FF=00，为MAC控制帧，无数据字段；FF=01，为一般信息帧，只发送数据给地址字段指定的目的站；FF=11或FF=10未定义。后6位ZZZZZZ为控制帧的种类。(5)数据字段(最小长度为0，最大长度受令牌轮转一周的最大时间限制)(6)帧校验字段FCS占4个字节，用于检查接收到帧中有无错误。,2.5.2 CSMA/CD技术,讲前先听，忙则等待，无声则讲，边讲边听，冲突即停，后退重传。MA（multi

15、ple access，多路访问）。相当于多人讨论。CS（carrier sense，载波侦听）：每个站点在发送数据前，检测信道上有没有脉冲信号，即有没有别的站点在发送数据；没有检测到脉冲信号再发送，否则避让一段时间再继续监听。相当于“讲前先听，忙则等待，无声则讲，边讲边听”。CD（collision detection，冲突检测）：在发送数据的过程中，还要继续监听，目的是发现冲突。一旦发现冲突，立即停止发送，并发出一串阻塞信号，使其他站点也立即停止发送，以便尽快恢复信道，然后避让一段时间再开始监听信道。相当于“冲突即停，后退重传”。如果CS和CD过程进行了多次，都没有发送成功，就需要暂时放弃发

16、送。相当于“多次无效，放弃发送”。,CSMA/CD发送处理,CSMA/CD的关键技术,（1）帧间隙以太网进行帧传送时，为确保前后两个帧互不重叠干扰，要求帧间必须保留有12个字节（96位）的帧间隙（interframe gap）。这个帧间隙，对10M以太网来说为是9.6s的时间间隔，对100M以太网来说是0.96s的时间间隔。（2）避让策略对于CSMA来说，避让算法非常重要。设计避让算法的关键是减少碰撞。CSMA可以考虑3种避让策略。非坚持CSMA（nonpersistent CSMA）；1-坚持CSMA；P-坚持CSMA。,（a）非坚持CSMA算法规则：当一个站点要发送数据时，首先要侦听信道。

17、如果信道空闲，即将数据送出；若信道在使用中，就不再继续侦听，等待一个随机长时间，再试。（b）1-坚持CSMA算法规则：当一个站点要发送数据时，首先要侦听信道，看是否有其他站点在发送数据。如果信道忙，就继续监听，等待信道空闲，将数据尽快送出。若发生冲突，就等待一个随机长时间，再试。（c）p-坚持CSMA 当一个站点要发送数据时，首先要侦听信道，看是否有其他站点正在发送数据。如果信道空闲，即将数据以p概率传送，并以1-p概率把该次发送推迟到下一时隙；若下一时隙信道仍空闲，便再以p概率传送，并再以1-p概率把该次发送推迟到下下时隙；如此重复，直到发送成功或另一站开始发送。若信道忙，就继续侦听，到下一

18、时隙重新开始上述过程。假如介质忙时有N个站点等待数据发送，等到介质空闲时，只有pN个站点企图发送。与1-坚持型CSMA相比，冲突减少。冲突的多少取决于p的选择。如果p选得较大，冲突发生的几率就大；而p选得太小，则信道的利用率就会降低。,（3）后退算法一旦检测出冲突，应立即停止发送，同时发出一个干扰信号（jamming signal），清除（丢弃）已发出的帧，并通知所有站点“冲突已经发生”，请所有站点都暂停发送，以免冲突持续造成网络瘫痪。这个等待停滞称为退让（back off），其中发出的干扰信号是一串3248位的“1”。退让时间（backoff time）的选择要兼顾使各站点尽快将帧发出和能够

19、实现网络的拥塞控制。显然,大家都采用一个固定的退让时间是不行的，那样会一而再、再而三地发生冲突。因此各站点采用随机退让时间，以便有效地减少冲突的连续发生。最常用的后退算法是截断二进制后退算法，它用下面的公式计算退让时间：t=R2，R的取值范围为0,2N-1 2：时间片（IEEE 802.3中为512位时）；N：重发次数；R为随机数,CSMA/CD接收处理,接收处理主要有两项工作：接收校验和本地处理。接收校验包括碎片校验、目的地址校验和完整性校验：碎片校验 长度小于512位的帧是冲突碎片。目的地址校验 用于判断是否是本地地址。完整性校验 包括校验是否是畸形帧（长度1 518字节）、CRC校验和定

20、界符（长度必须是8位的整数倍）。,IEEE 802.3帧结构,（1）PA（前同步码）（2）SFD（帧起始界符）（3）DA（目的地址）和SA（源地址）（4）LLC-PDU（LLC协议数据单元）（5）Length（长度指示）和PAD（填充）（6）FCS（帧校验序列）,2.5.3 CSMA/CA技术,任何一个站点在发送数据之前，要先监听载波，确认信道空闲时，发送探询帧，仅当信道空闲一个IFS（帧间隙）的时间后仍然空闲，才发送数据。如果介质忙（包括侦听中发现忙、在IFS时间内发现忙），站点要推迟一个随机时间后重新尝试。一旦当前的数据传送完毕，站点要再延迟一个IFS时间；如果在这段时间内介质仍然忙，站点

21、就使用二进制退避算法并继续监听介质，直到介质空闲。接收端在收到数据后，等信道空闲一个IFS时间后才发出回答帧ACK，否则推迟一个随机时间后重新尝试。,2.6 数据传输中的差错控制,2.6.1 数据传输差错及其基本对策2.6.2 数据传输中的差错检测方法2.6.3 自动反馈重发协议2.6.4 ICMP协议,2.6.1 数据传输差错及其基本对策,差错的基本应对策略,（1）提高信道质量使用高质量的信道使用中继器（2）提高数据信号的健壮性纠错码检错码（3）采用合适的差错控制协议,2.6.2 数据传输中的差错检测方法,1.奇偶校验方法2.校验和（checksum）3.循环冗余码校验（cyclic red

22、undancy check，CRC）,1.奇偶校验方法,最简单的奇偶校验是向数据添加一个奇偶校验位，使要传输的报文段中的1的个数保持为奇数个（奇校验）或偶数个（偶校验）,2.校验和（checksum）,生成IP数据报首部校验和,接收方对IP 数据报首部的校验方法,3.循环冗余码校验（cyclic redundancy check，CRC）,1 0 1 1 1 0 1 0,1 0 0 1,1 0 1 0 1,1 0 0 1,1 0 1,0 0 0,1 0 1 0,1 0 0 1,0 1 1 1,0 0 0 0,1 0 0 1,1 1 1 0,0 1 1 1,商,部分余数为：010,部分余数为：1

23、01,部分余数为：11,部分余数为：111,余数为：111,2.6.3 自动反馈重发协议,自动反馈重发协议(automatic request for repeat,ARQ)是数据链路层的一种传输控制协议。它有流量控制和差错控制等功能。它的差错控制原理是反馈重发，按具体的实现方法可以分为：停等ARQ和连续ARQ。,停等ARQ的工作原理,连续ARQ的工作原理,2.6.4 ICMP协议,ICMP提供如下服务：测试目的主机可到达性和状态，如接收设备接收IP分组时缓冲区是否够用；将不可到达的目的主机报告给源主机；进行IP分组流量控制；向路由器发送路由改变请求；检测循环（由此会引发“广播风暴”）或超长路

24、由；报告错误IP分组头；获取网络地址；获取子网掩码。,（a）ICMP分组的格式（b）ICMP分组的封装,主要ICMP分组,ping-t-a-n count-l length-f-i ttl-v tos-r count-s count-j computer-list|-k computer-list-w timeout destination-list,-t：一直Ping指定的计算机,直到从键盘按下Control-C中断。-a：将地址解析为计算机NetBios名。-n：发送count指定的ECHO数据包数。通过这个命令可以自己定义发送的个数，对衡量网络速度很有帮助。能够测试发送数据包的返回平均时

25、间，及时间的快慢程度。默认值为 4。-l：发送指定数据量的ECHO数据包。默认为 32 字节；最大值是65500字节。-f：在数据包中发送“不要分段”标志,数据包就不会被路由上的网关分段。通常你所发送的数据包都会通过路由分段再发送给对方，加上此参数以后路由就不会再分段处理。-i：将“生存时间”字段设置为TTL指定的值。指定TTL值在对方的系统里停留的时间。同时检查网络运转情况的。-v：tos 将“服务类型”字段设置为 tos 指定的值。-r：在“记录路由”字段中记录传出和返回数据包的路由。通常情况下，发送的数据包是通过一系列路由才到达目 标地址的，通过此参数可以设定，想探测经过路由的个数。限定

26、能跟踪到9个路由。-s：指定 count 指定的跃点数的时间戳。与参数-r差不多，但此参数不记录数据包返回所经过的路由，最多只记录4个。-j：利用 computer-list 指定的计算机列表路由数据包。连续计算机可以被中间网关分隔(路由稀疏源)IP 允许的 最大数量为 9。-k：computer-list 利用 computer-list 指定的计算机列表路由数据包。连续计算机不能被中间网关分隔(路由严格 源)IP 允许的最大数量为 9。-w：timeout 指定超时间隔，单位为毫秒。destination-list：指定要 ping 的远程计算机。,2.7 数据传输中的流量与拥塞控制,2.

27、7.1 流量与拥塞控制概述2.7.2 滑动窗口协议2.7.3 TCP的滑动窗口协议关键技术,2.7.1 流量与拥塞控制概述,从原理上说，拥塞和死锁是网上可用资源不能满足各用户资源需求造成的，即 用户资源需求可用资源,几种利用限制用户资源需求来控制流量的策略。(1)等待传输法(2)预约缓冲区法(3)数据单元丢弃法(4)许可证法,2.7.2 滑动窗口协议,发送器窗口的工作原理,（a）经校验向主机传送单元：0；已接收单元：1，2；还可以接收单元：3，4,（b）经校验向主机传送单元：1（窗口移动1格）；接收新单元：3；还可以接收单元：4，5,接收器窗口的工作原理,2.7.3 TCP的滑动窗口协议关键技

28、术,1.字节编号2数据重传3.TCP数据传输4接收端对发送的控制5.拥塞控制的慢开始与拥塞避免算法6.拥塞控制的快重传和快恢复,1.字节编号TCP协议是面向字节的，它将所要传送的报文看成字节流。为了便于对字节的确认，需要为每个字节一个编号（在数据链路层中是为帧进行编号）。另外，字节序号并不是从0或1开始的。初始的序号是通信开始时双方商定的。对传送数据编号的目的是为了便于进行确认。TCP接收方送向发送方的确认是接收到的最后一个序号+1期待接收的数据的编号，即前面的字节都已经正确收到。例如，接收端已经正确地接收到了201300号字节的数据，则发给对方的确认号为301。2数据重传TCP在发送一段报文

29、时，要同时在自己一侧存放该报文的一个副本。若收到确认，则删除该副本；若在超时之前没有收到确认，则重传该报文段。,3.TCP数据传输（1）确认和超时重传机制。（2）流量与拥塞控制。可变窗口窗口通告（window advertisement）。（3）校验和。,慢开始和拥塞避免算法是早期使用的决定拥塞窗口大小的两个算法。（1）慢开始算法：首先设置cwnd为1个MSS（Maximum Segment Size，最大报文段中的数据字节数），以后每收到其ACK后，将cwnd增加至多一个MSS值，再发送相应数量的报文段。这样，在不出现拥塞的情况下：第1次发送后，cwnd将增加为2个MSS，即一次具有2个MS

30、S的发送能力；第2次发送后，cwnd将增加为4个MSS，即一次具有4个MSS的发送能力；拥塞窗口按指数增长。（2）拥塞避免算法不是按照收到的ACK数量增加cwnd，而是按照时间，即每经过一个往返时延RTT，增加一个MSS大小，使cwnd成线性增长。,为了控制拥塞状况，要设置一个门限ssthesh（通常设置为65535字节，即16个报文段），形成如下拥塞控制算法：（1）比较cwnd与ssthesh：cwnd ssthesh，停止慢开始算法，改用拥塞避免算法；cwnd=ssthesh，可执行慢开始算法。也可执行拥塞避免算法。（2）将发送窗口设置为通告窗口与拥塞窗口中的小者。（3）网络出现拥塞（出现

31、某个报文段的超时），就将ssthesh的值设置为当前窗口（通告窗口与拥塞窗口中的小者）的一半（但不能小于2MSS），重新从开始执行慢开始算法。,快重传和快恢复结合起来，形成下面的算法：当发送端收到连续的，按照“乘法减小”的原则，重新设置慢开始门限ssthresh。设置拥塞窗口cwnd为ssthresh+nMSS。n（3）为收到的ACK的数量。因为收到的n个重复的ACK，是接收端对已经到达的3个报文的应答。这n 个报文段已经保存在接收端的缓存中。所以网络中不是堆积了报文，而是减少了报文。这比慢开始将拥塞窗口设置为1，要恢复得快。若发送窗口还允许发送报文段，就按拥塞避免算法继续发送报文段。若收到了确认新的报文段的ACK，就将cwnd缩小到ssthresh。,2.8 小结,