计算机网络技术基础

第1章 计算机网络概述,1.1 计算机网络产生与发展 1.2 计算机网络的功能 1.3 计算机网络的分类 1.4 计算机网络的组成 1.5 网络拓扑结构 1.6 网络通讯协议,1.1 网络的产生与发展,计算机计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物。计算机是20世纪中叶最伟大的发明，通信技术是一门古老的技术，在19世纪30年代就发明了电报，19世纪70年代发明了电话，但计算机技术和通信技术的真正结合却是最近几十年的事情。计算机网络在计算机应用和信息存储、处理、传输过程中起着非常重要的作用，“网络就是计算机”这一崭新的思想已经成为计算机领域的专家学者、制造厂商和广大用户的共识。随着社会的日益发展，计算机网络的新理论、新技术、新产品层出不穷，形成计算机产业的重要组成部分，计算机的应用已经进入网络应用发展的阶段网络产生。,1.1 计算机网络的产生 与发展,1.1.1 计算机网络的产生计算机网络，出现在20世纪60年代，它的历史虽然不长，但发展很快，整个过程经历了一个从简单到复杂、从小到大的演变过程。大致可以归纳为四个阶段：第一个阶段是面向终端的计算机网络；第二个阶段是计算机到计算机的简单网络；第三个阶段是开放式标准化的易于普及和应用的网络；第四个阶段是网络的高速化发展阶段。 第一代计算机网络起源于20世纪50年代中期，开始于美国半自动地面环境研究（Semi-Automatic Ground Environment, SAGE），该机构属防空系统，进行将计算机技术和通信技术相结合的实验，将多个地理位置上分散的终端计算机，连接到一台中心计算机上，由此出现第一代面向终端的计算机网络。,第二代计算机网络是多台具有自主处理能力的计算机通过通信线路连接起来而为用户提供服务的。典型代表是60年代后期美国国防部高级研究计划局的ARPA（Advanced Research Projects Agency）网，它是第一个以实现资源共享为目的的计算机网络。第三代计算机网络是开放式标准化的互联网络，它具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议，能方便地将计算机互联在一起。它起源于70年代后期，发展于80年代，成熟于90年代。典型的例子就是国际互联网Internet，将世界范围的计算机相互连接在一起，实现更广范围、更大规模的数据交换和信息共享。第四代计算机网络是高速化发展网络，随着美国信息化高速公路的提出与实施，Internet技术不断成熟，功能和应用不断拓展完善，网络应用在跨地域、宽领域方面的应用日益广泛。在信息化高度发展的今天，任何一台计算机都必须以某种形式连网，以实现共享信息或协同工作，否则就不能充分发挥计算机的性能。,1.1.2 计算机网络的发展 首先，计算机网络向高速化、宽带化方向发展，以太网（Ethernet）的传输速率从早期的10Mbit/s到100Mbit/s的普及，到现在的千兆(Gbit/s)，数据传输速率得到了极大的提高。其次，计算机网络向多媒体方向发展。随着网络应用的发展，计算机网络从早期的字符信息传输到现在的图形、图像、声音、和影像等多媒体信息的传输。多媒体的传输，不但要求网络具有较高的传输速率（高带宽），而且对延迟时间（实时性）、时间抖动（等时性）和服务质量等方面都提出了更高的要求。随着电子商务的出现，网络交易正在改变人们传统的生活模式，网上书店、网上购物、网络银行、网络大学、虚拟社区等新名词层出不穷，电子数据交换（EDI）、电子定单系统（EOS）、电子资金转移（EFT）、网络炒股等应用使计算机网络得到更加充分的发挥。目前，计算机网络正在向三网合一（电视网、电话网和计算机网络）方向发展，今后，只要一台多媒体个人计算机（MPC）就能实现录音机、可视电话机、图文传真机、立体声音响设备、电视机和录像机等设备的功能。,1.2 网络的功能,在计算机的发展过程中，人们对计算机网络提出了不同的定义，大体分为三类：广义的观点、资源共享的观点和用户透明的观点。1.2.1 计算机网络的定义1. 广义的观点 2. 资源共享的观点3. 用户透明的观点 综上所述，计算机网络是将地理位置不同并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来、以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式以及网络操作系统等）实现网络资源共享的系统。,1.2.2 计算机网络的功能 计算机网络的功能，主要表现在三个方面。 1. 硬件资源共享 可以对处理器资源、存储资源、输入/输出资源等设备的共享。如共享激光打印机、大型绘图仪、巨型计算机以及大容量的外部存储器等，从而使用户节省投资。 2. 软件资源共享 互联网上的用户可以远程访问各类大型数据库，可以通过网络下载某些软件到本地计算机上使用，可以在网络环境下，访问一些安装在服务器上的公用网络软件，可以通过网络，登录到远程计算机上使用该计算机上的软件。 3. 用户信息共享,计算机网络为分布在各地的用户提供了强有力的通信手段。用户可以通过计算机网络传送电子邮件、发布新闻消息和进行电子商务活动。,1. 3 计算机网络的分类,1. 按照地理覆盖范围分类 按照覆盖范围大小，可以划分为局域网、城域网、广域网三种。 （1）局域网（LAN）：局域网指位于相对有限区域内的一组计算机、打印机和其它设备连接起来的通信网络。物理连接的范围较小，一般为几米到几千米，常用于办公大楼或者邻近的建筑群之间，也可以小到一间办公室或者几间办公室，甚至一个家庭。 （2）城域网（MAN）：顾名思义就是一个城市或者地区的主干网络。城域网的地理覆盖范围为几千米至几十千米，是介于广域网和局域网之间的网络系统。（3）广域网（WAN）：广域网是一种可跨越国家及地区的遍布全球的计算机网络。网络距离可以达到上万千米，网络可以跨越国界、洲界、甚至全球。如Internet网。,2. 按传输介质分类 ( (1) 有线网 采用同轴电缆、双绞线等物理介质来传输数据的网络。 同轴电缆网比较经济，安装较为便利，传输率和抗干扰能力一般，传输距离较短。双绞线网是目前最常见的连网方式，它价格便宜，安装方便，但易受干扰，传输率较低，传输距离比同轴电缆要短。(2) 光纤网 光纤网也是有线网的一种。光纤传输距离长，传输率高，可达数千兆bps，抗干扰性强，不会受到电子监听设备的监听，是高安全性网络的理想选择。 (3) 无线网采用空气作传输介质，用电磁波作为载体来传输数据，目前无线网联网费用较高，还不太普及，但由于联网方式灵活方便，是一种很有前途的连网方式。,3. 按网络的拓扑结构来分 网络的拓扑结构是指一个网络的通信链路和结点的几何排列或物理布局图形分支，它是从图论演变过来的。在网络中常用的拓扑结构有：星型拓扑、环型拓扑、总线型拓扑。网状拓扑、树型拓扑等都是以上述三类拓扑结构的扩展。详细内容见1.5节。 4. 按通信方式来分 按照网络的通信方式，计算机网络分为以下两类。 （1）点对点传输：数据以点对点的方式，在计算机或通信设备中传输，即将它们都直接相连在一起。（2）广播式传输：数据在共享式介质中传输。5. 按服务方式来分 （1）客户机/服务器网络服务器是指专门提供服务的高性能计算机或专用设备，客户机是用户计算机。这是客户机向服务器发出请求并获得服务的一种网络,形式，多台客户机可以共享服务器提供的各种资源，这是最常用、最重要的一种网络类型。不仅适合于同类计算机联网，也适合于不同类型的计算机联网，如PC机、Mac机的混合联网。（2）对等网对等网不要求文件服务器，每台客户机都可以与其他客户机对话，共享彼此的信息资源和硬件资源，组网的计算机一般类型相同，这种网络方式灵活方便，但是较难实现集中管理与监控，安全性也低，适合于部门内部协同工作的小型网络。 另外还有一些非正规的分类方法：如企业网、校园网，根据名称便可理解。算机网络就解决了这一问题。,1.4 计算机网络的组成,计算机网络通俗地讲就是由多台计算机（或其它计算机网络设备）通过传输介质和软件，物理（或逻辑）连接在一起组成的整体。计算机网络的组成按照逻辑组成和物理组成分别进行介绍。1.4.1 网络的逻辑组成 计算机网络按逻辑功能可分为资源子网和通信子网两部分。 1通信子网 通信子网负担着全网的数据传输、转接、加工和变换等通信处理工作，它主要包括通信线路、网络连接设备、网络通信协议、通信控制软件等。2资源子网资源子网提供访问的能力，主要负责全网的数据处理和向网络用户提供网络资源、网络服务等。,1.4.2 网络系统的组成 计算机网络系统是通信子网和资源子网组成的。而网络软件系统和网络硬件系统是网络系统赖以存在的基础,在网络系统中，硬件对网络的选择起着决定性作用，而网络软件则是挖掘网络潜力的工具计算机网络由网络硬件系统和网络软件系统组成。 1. 硬件系统局域网的硬件系统是指构成局域网的所有物理设备总和。主要包括计算机设备和通信传输设备，这些设备按照功能和在网络中的作用可以分为服务器、客户机、网络适配器（网卡）、通信设备、连接设备和传输介质等 。 2. 软件系统 计算机网络的软件系统包括网络通信协议、网络操作系统和网络应用软件。,(1) 网络通信协议通信协议实际上是一组规定和约定的准则。两台计算机在通信时必须约定好本次通信做什么，因此通信双方要遵从相互可以接受的协议才能进行通信。目前因特网上使用的TCP/IP协议等，任何计算机连入网络后只要运行TCP/IP协议，就可访问因特网。局域网中常用的通信协议有NetBEUI、IPX/SPX及其兼容协议和TCP/IP三类。 (2) 网络操作系统 网络操作系统（Network Operation System ，NOS）是指能使网络上多台计算机方便而有效的共享网络资源，为用户提供所需各种服务的操作系统软件。网络操作系统除了具备单机操作系统所需的功能外，还应提供高效可靠的网络通讯能力和提供多项网络服务功能，如远程管理、文件传输、电子邮件、远程打印等。 目前最为流行的网络操作系统为Windows NT/2000、Unix、Linux等。,(3) 网络应用软件网络应用软件是构建在网络操作系统上的应用程序，不同的应用软件，可以满足网络用户不同的需求，例如网络数据库软件，网络通讯软件等 。 1.5 网络拓扑结构 网络拓扑是网络中各种设备之间的连接形式，计算机网络可以分为：星型结构、总线型结构、环型结构、树型结构和网状结构，随着无线网络的应用，又多了一种蜂窝型结构。1星型结构星型结构是以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的网络。如图1.2所示，在星型结构中，中央结点对各外围结点间的通信和信息交换进行集中控制和管理。,1.5网络拓扑结构,图1.2 星型结构,2总线型结构总线型结构由一条总线连接若干个结点所形成的网络。如图1.3所示。总线型网络采用广播通信方式，即由一个结点发出的信息可被网络上的多个结点所接收。作为总线的通信线路可以是同轴电缆，也可以是光缆等。,图1.3 总线型结构,3树型结构连网的各计算机按树型结构组成，树的每个结点都是计算机，如图1.4所示。在树型结构的网络中有多个中心结点，形成一种分级管理的集中式网络，适用于各种管理部门需要进行分级数据传送的场合。其优点是连接容易，管理简单，维护方便。缺点是共享能力差，可靠性低。,图1.4 树型结构,4环型网络它由通信线路与各结点连接成一个闭合的环，如图1.5所示。环型网络的结构简单，环中各结点地位相等，建网容易，能实现数据传送的适时控制，但网络的可靠性差。,图1.5 环型网络,5网状结构这种结构的各结点通过传输线路相互连接起来，并且任何一个结点都至少与其它两个结点相连，所以网状结构的网络具有较高的可靠性，但其实现起来费用高、结构复杂、不容易管理和维护，如图1.6所示。,图1.6 网状结构,1.6 网络通讯协议,计算机网络又由通信子网和资源子网来构成，在通信子网中最常用、最重要的协议主要有TCP/IP协议、IPX/SPX及其兼容协议、NETBEUI协议，其中TCP/IP协议是当前不同网络互连应用最为广泛的网络协议 。1TCP/IP协议 TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即传输控制协议/ Internet协议，是实现Internet连接的基本技术元素，是目前最完整、最被普遍接受的通信协议标准。 2IPX/SPX协议 IPX/SPX（网间数据包传送/顺序数据包交换）协议，是Novell公司开发的通信协议集，是Novell NetWare网络使用的一种传输协议，使用该协议可以与NetWare服务器连接。,3NetBEUI协议这是Microsoft网络的本地网络协议，它通常用于由200台计算机组成的局域网。NetBEUI协议占用内存小，效率高，速度快，但是此协议是专门为几台到百余台计算机所组成的单网段部门级小型局域网而设计的，因此不具有跨段工作的功能，即没有路由功能。,第2章 数据通信技术,2.1 数据通信基础 2.2 差错控制技术 2.3 数据通信系统组成 2.4 数据通信方式与技术指标 2.5 网络传输介质 2.6 数据交换技术,2.1 数据通信基础,数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信。它传送数据的目的不仅是为了交换数据，更主要是为了利用计算机来处理数据。可以说它是将快速传输数据的通信技术和数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而给用户提供及时准确的数据。本章我们主要讲述数据通信的基本概念和基本技术。,2.1.1 数据通信基本概念1. 信息信息是传送的内容，信息的载体是数字、文字、语言、图形和图像等。计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制码元编码表示的字母、数字或控制符号的组合。为了传送信息，必须将信息中所包含的每一个字符进行编码。因此，用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是编码，目前最常用的二进制编码标准为美国标准信息交换码ASCII码(American Standard Code for Information Interchange)。,2. 数据和信号数据是定义为有意义的实体，是表征事物的形式，例如文字、声音和图像等。数据可分为模拟数据和数字数据两类。模拟数据是指在某个区间连续变化的物理量，例如声音的大小和温度的变化等。数字数据是指离散的不连续的量，例如文本信息和整数。信号是数据的电磁或电子编码。信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号，其中模拟信号是指一种连续变化的电信号，例如：电话线上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波信号。数字信号是指一种离散变化的电信号，例如计算机产生的电信号就是“0”和“1”的电压脉冲序列串。网络中传输的二进制代码为数据，网络是传递信息的载体。数据与信息的区别在于，数据仅涉及事物的表示形式，而信息则涉及到这些数据的内容和解释。,3. 信道信道是信号传输的通道，包括通信设备和传输媒体。这些媒体可以是有形媒体(如电缆、光纤)或无形媒体(如传输电磁波的空间)。信道可以按不同的方法分类。信道按传输媒体可以分为有线信道和无线信道；按传输信号类型可以分为模拟信道和数字信道；按使用权可以分为专用信道和公用信道等。一般来说，一条通信线路至少包含两条信道，一条用于发送的信道和一条用于接收的信道。和信号的分类相似，信道也可分为适合传送模拟信号的模拟信道和适合传送数字信号的数字信道两大类。数字信号在经过了数/模转换（D/A转换）后可在模拟信道上传输；模拟信号在经过了模/数转换（A/D转换）后也可在数字信道上传输。在各种通信网发展的初期，所采用的数据通信通道都是模拟信道，随着数字技术的发展，以及数字信道突出的优点，过去的模拟信道逐渐被数字信道取代，典型的代表是固定电话网络和移动通信网络。,4. 码元和码字计算机网络传送的每一位二进制数字称为“码元”或“码位”。例如二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”。在7位ASCII码的数据通信中，这个码字就代表ASCII码“A”。 5. 基带信号与载波信号未经调制的电脉冲信号呈现方波形式，所占据的频带通常从直流和低频开始，因而称为基带信号。 6. 宽带信号与宽带传输如果在信道上不能直接传输数字信号，这时就要利用调制和解调技术，即利用基带信号对载波信号的某些参数进行调控，从而得到易于在通道上传输的被调制波形，在通道中传输的被调制后的数字信号，被称为宽带信号，该种传输方式称为宽带传输。 7. 基带传输与载波传输数字信号以原来的0和1的形式直接在通道中传输，就被称为“基带传输”。,数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。我们把这种传输称为数字信号的调制传输（或载波传输）。,2.1.2 模拟数据与数字数据的传输形式由于数据信号包括模拟数据信号和数字数据信号，而信道又包括模拟信道和数字信道，这样就构成了四种数据的传输形式：模拟数据在模拟信道上传输；模拟数据在数字信道上传输；数字数据在模拟信道上传输；数字数据在数字信道上传输。 1. 模拟数据在模拟信道上传输典型的例子是话音信号在普通的电话系统中传输。一般人的语音频率范围是3003400Hz，为了进行传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4kHz为一个标准话路所占用的频带宽度。在这个传输过程中：语音信号以3003400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。,2. 模拟数据在数字信道上传输用数字信道传输模拟数据时，需要对模拟数据进行脉冲编码调制（PCM）。PCM最初并不是为传送计算机数据所设计的，它的目的是为了能使电话局之间的一条中继线不只传送一路电话而是可以同时传送几十路电话所设计的。PCM是将模拟电话信号转变为数字信号，所以首先要对电话信号进行取样。根据取样定理，只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从取样的脉冲信号中无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4KHz，为方便起见，取最高频率为4KHz，那么取样频率就是8KHz，相当于取样周期为125s，即每秒钟采样8000次。下一步是进行编码。在我国使用的PCM体制中，电话信号是采用8bit编码，也就是说，将取样后的模拟电话信号量化为256个不同等级中的一个。 模拟信号转换为数字信号后就可以进行传输了，为了提高传输质量，还可以再进行一些编码。在接收端进行解码的过程与发送端编码的过程相反。只要数字信号在传输过程中不发生差错，解码后就可以得到发送端所发送出的数据。,3. 数字数据在模拟信道上传输计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数字数据，而电话系统只能传输模拟信号，所以这个数字数据要进入到模拟信道以前要有一个转换器进行数字信号到模拟信号的转换，以便它能在模拟信道上传输，这个变换过程叫调制（Modulation）（注意：这个调制过程并不改变数据的内容，仅是把数据的表示形式进行了改变）。转换设备叫做调制器（Modulator）。而当调制后的模拟信号传到接收端以后，在接收端也有一个转换器再对这个信号进行反变换，即又把它变回数字信号，这样的一个变换过程叫解调（Demodulation）。转换设备叫解调器（Demodulator）。由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，因此在数据通信的双方既有用于发送信号的调制器又有用于接收信号的解调器，所以把这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器（Modem），调制解调器就是使用一条标准话路提供全双工的数字信道。,调制解调器最基本的调制方法有以下几种，图2.1中给出了这几种波形传输数据的波形示意图。 （1）调幅（AM）也叫幅移键控， 即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。 （2）调频（FM） 也叫频移键控，即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。（3）调相（PM） 也叫相移键控，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于相位180度。,4. 数字数据在数字信道上传输数字数据在数字信道上传输，最典型的例子是在两个装有Windows 98操作系统的计算机上，利用Windows 98中自带的“直接电缆连接”功能把两个计算机通过串行口或并行口直接相连。对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。另外，使用负电压（低）表示0，使用正电压（高）表示1也是很普遍的。后一种技术称为不归零制NRZ（NonReturn to Zero）。使用这种不归零制NRZ信号的最大问题就是难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。曼彻斯特编码则可解决这一问题。它的编码方法是将每个码元再分成两个相等的间隔，码元1是由高至低电平转换，即其前半个码元的电平为高电平，后半个码元的电平为低电平。码元0则正好相反，从低电平到高电平的变换，即其前半个码元的电平为低电平，后半个码元的电平为高电平。,这种编码的好处是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，即这个位中间跳变提供了时钟定时，这对接收端提取同步信号是非常有利的。曼彻斯特编码的波形图，如图2.2所示。从图中可以看出其缺点，就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。,图2.2 数字信号编码图,曼彻斯特编码还有一个变种叫做差分曼彻斯特编码，这种差分曼彻斯特编码与上面讲的曼彻斯特编码有着共同的特点，即在每一个码元的正中间有一次电平的变换，这种编码在表示码元1时，其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样（见图中的实心箭头）；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反（见图中的空心箭头），即用每位开始时有无电平的跳变来表示0（1）的编码。不论码元是1或0，在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。,2.2差错控制技术,数据从发送端以某种特定的信号形式在信道上传输，当到达接收端后，接收端如何知道所接收的数据是正确的呢？数据在传输过程中由于收到各种各样的影响，例如：噪音脉冲、脉动噪音、衰减、延迟失真、电磁干扰、工业噪音等，因此必须保证接收端数据的正确无误。2.2.1 差错的产生与控制1. 差错产生原因 信号在物理信道中传输时，线路本身电器特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电器信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰以及各种外界因素（如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等）都会造成信号的失真。,在数据通信中，将会使接受端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致，从而造成由“0”变成“1”或由“1”变成“0”的差错。传输中的差错都是由噪声引起的。噪声有两大类，一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。热噪声引起的差错称为随机差错，所引起的某位码元的差错是孤立的，与前后码元没有关系，它导致的随机错通常较少。冲击噪声呈突发状，由其引起的差错称为突发错。冲击噪声幅度可能相当大，无法靠提高幅度来避免冲击噪声造成的差错，它是传输中产生差错的主要原因。冲击噪声虽然持续时间较短，但在一定的数据速率条件下，仍然会影响到一串码元,2. 差错的控制方法为了确保能够在接收端检验出数据传输过程中的差错，一种有效的方法是对传输的数据进行抗干扰编码（差错控制编码），即给被传送的数据码元按照一定的规则增加一些码元，这些码元称为冗余码，使冗余码元与被传送的信息码元之间建立一定的关系，这种关系就是抗干扰编码。信息发送时，冗余码与信息码一同发送，经信息传输后，接收端按预先确定的编码进行译码，检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生，因而发现错误并纠正错误。抗干扰编码分为两大类，一类是能发现错误的检错码，另一类是既能发现错误又能纠正错误的纠错码。差错控制方法分两类，一类是自动请求重发ARQ，另一类是前向纠错FEC。,在ARQ方式中，当接收端发现差错时，就设法通知发送端重发，直到收到正确的码字为止，ARQ方式只使用检错码。在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正，FEC方式必须使用纠错码。2.2.2 纠错码与检错码纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下，不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。如果采用这种编码，传输系统中不需反馈信道就可以实现一个对多个用户的通信，但译码器设备比较复杂，且所选用的纠错码与信道干扰情况有关。某些情况为了纠正差错，要求附加的冗余码较多，这将会降低传输的效率。现在比较常见的纠错编码有：海明纠错码、正反纠错码等。 检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确，如果存在错误，,它不能纠正错误而是通过反馈信道，传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。常用的纠错码有奇偶校验码、循环冗余码和海明码等。1. 奇偶校验码 奇偶校验为最简单的检错码。它是在一个二进制数据字上加上一位，以便检测差错。例如，在偶校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，使该字符中“1”的个数为偶数。在奇校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，使该字符中“1”的个数为奇数。接收端检测该校验位以确定是否有差错发生。奇偶校验并不是一种十分安全可靠的检错方法，如果有偶数个数据位在传输中同时出错，接收端无法检测出差错的数据，所以其检错概率为50%。对于低速传输来说，奇偶校验是一种令人满意的检错法。通常偶校验常用于异步传输或低速传输，而奇校验常用于同步传输。,2. 循环冗余码(CRC) 循环冗余码(CRC)又称为多项式码，是一种广泛用于计算机网络与通信中的检错码。循环冗余码在发送端和接收端校验时，都可以利用事先约定的生成多项式来得到。循环冗余校验码是基于将位串看成是系数为0或1的多项式，一个k位帧可以看成是从xk-1到x0的k次多项式的系数序列，这个多项式的阶数为k-1。高位（最左边）是xk-1项系数，下一位是xk-2的系数，以此类推。例如，110001有6位，表示成多项式是x5+x4+x0。它的6个多项式系数分别是1，1，0，0，0，和1。多项式的运算法则采用模2运算。按照运算法则，加法不进位，减法不借位。加法和减法两者都与异或运算相同。 3. 海明码 海明码是美国数学家，计算机学家Richard W.Hamming发明的，因在计数方法、自动编码系统、检测及纠正错码方面的贡献，在1968被授予计算机界的诺贝尔奖图灵奖,海明码是计算机信息传输中信息检错和纠错常采用的方法，其基本思想是在要发送的数据帧上附加足够的冗余信息，使接受方能够知道发送的信息是什么，正确就接受，错误则自动修正，保证信息传递无误，但是海明码纠错只能用于纠正单比特错（即一位错）。对于任何两个信息码，例如：10001001和10110001，通过对两个码的异或运算即可以知道有多少位不同（只需数运算后1的个数），上例中有三个位不同，两个码中不同位的个数，叫做海明距离d，具有d海明距离的码，则在信息传输中需要d个位差错才能将其中一个码转化为另一个码。一种编码的检错和纠错能力取决于它的海明距离，为检测d 比特错，需要使用距离为d+1的编码，因为这种编码，d个单比特错位决不可能将一个有效的码字改变成另一个有效的码字，而为了纠正d个比特错，必须用2d+1的编码，这是因为有效码字的距离远到即使发生d个变化，这个发生了变化的码字，仍然比其他码字都更接近原始编码，故而就能唯一地确定出原始错。,2.3 数据通信系统组成,数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成，如图2.3所示。,图2.3 数据通信系统组成,2.3.1数据终端设备 在数据通信系统中，用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备（简称DTE）。DTE可能是大、中、小型计算机或者PC机，也可能是一台只接收数据的打印机，其种类繁多，功能差别较大。从计算机和计算机通信系统的观点来看，终端是输入输出的工具；从数据通信网络的观点来看，计算机和终端都称为网络的数据终端设备，简称终端。由于数据通信是计算机与计算机或计算机与终端间的通信，为了有效而可靠地进行通信，通信双方必须按一定的规程进行，如收发双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维护和拆除及数据流量控制等，所以必须设置通信控制器来完成这些功能，对应于软件部分就是通信协议，这也是数据通信与传统电话通信的主要区别。 另外数据终端的类型有很多种，有简单终端和智能终端、同步终端和异步终端、本地终端和远程终端等，需要说明的是同步终端和异步终端。同步终端是以帧同步方式（如X.25、HDLC等）和字符同步方式(如BSC)工作的终端；异步终端是起止式终端，在每个字符,的首尾加“起”和“止”比特，以实现收发双方的同步，字符和字符之间的间隙时间可以任意长，因此称为异步。 2.3.2 数据电路终接设备 用来连接DTE与数据通信网络的设备称为数据电路终接设备（DCE），可见该设备为用户设备提供入网的连接点。DCE的功能就是完成数据信号的变换。因为传输信道可能是模拟的，也可能是数字的，DTE发出的数据信号不适合信道传输，所以要把数据信号变成适合信道传输的信号。利用模拟信道传输，要进行“数字模拟”变换，方法就是调制，而接收端要进行反变换，即“模拟数字”变换，这就是解调，实现调制与解调的设备称为调制解调器（MODEM）。因此调制解调器就是模拟信道的数据电路终接设备。利用数字信道传输信号时不需调制解调器，但DTE发出的数据信号也要经过某些变换才能有效而可靠地传输，对应的DCE即数据服务单元（DSU），其功能是码型和电平的变换，信道特性的均衡，同步时钟信号的形成，控制接续的建立、保持和拆断（指交换连接情况），维护测试等。,2.3.3 数据电路和数据链路 数据电路指的是在线路或信道上加信号变换设备之后形成的二进制比特流通路，它由传输信道及其两端的数据电路终接设备（DCE）组成。数据链路是在数据电路已建立的基础上，通过发送方和接收方之间交换“握手”信号，使双方确认后方可开始传输数据的两个或两个以上的终端装置与互连线路的组合体。所谓“握手”信号是指通信双方建立同步联系、使双方设备处于正确收发状态、通信双方相互核对地址等。如图2.3所示，加了通信控制器以后的数据电路称为数据链路。可见数据链路包括物理链路和实现链路协议的硬件和软件。只有建立了数据链路之后，双方DTE才可真正有效的进行数据传输。特别注意，在数据通信网中，它仅仅操作于相邻的两个节点之间，因此从一个DTE到另一个DTE之间的连接可以操作多段数据链路 。,2.4通信方式与技术指标,2.4.1数据通信方式数据通信有两种基本方式，即串行方式和并行方式。通常情况下，并行方式用于近距离通信，串行方式用于距离较远的通信。在计算机网络中，串行通信方式更具有普遍意义。1. 并行通信方式在并行数据传输中有多个数据位，例如8个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需做任何变换就可直接使用。在计算机内部的数据通信通常以并行方式进行，并行的数据传送线也叫总线，如并行传送8位数据就叫8位总线，并行传送16位数据就叫16位总线。,2. 串行通信方式并行传输时，需要一根至少有8条数据线(因一个字节是8位)的电缆，将两个通信设备连接起来。当进行近距离传输时，这种方法的优点是传输速度快，处理简单；但进行远距离数据传输时，这种方法的线路费用就难以容忍了。这种情况下，使用现成的电话线来进行数据传输就经济得多了。用电话线进行通信，就必须使用串行数据传输技术，串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，与同时可传输好几位数据的并行传输相比，串行数据传输的速度要比并行传输慢得多。但由于公用电话系统，已形成了一个覆盖面极其广阔的网络，所以，使用现成的电话网以串行传输方式通信，对于计算机网络来说具有更大的现实意义。串行数据传输时，先由具有8位总线的计算机内的发送设备，将8位并行数据，经并串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式。 根据数据在传输线上的传输方向，分单工、半双工和全双工三种。,单工数据传输指的是两个数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。在图2.4 (a)中，数据由A站传到B站，而B站至A站只传送联络信号。前者称正向信道，后者称反向信道。一般正向信道传输速率较高，反向信道传输速率较低。此种方式适用于数据收集系统，如气象数据的收集、电话费的集中计算等。因为在这种数据收集系统中，大量数据只需要从一端到另一端，另外需要少量联络信号通过反向信道传输。半双工数据传输是两个数据之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行。该方式要求A站、B站两端都有发送装置和接收装置，如图2.4（b）所示。若想改变信息的传输方向，需要由开关Kl和K2进行切换。问讯、检索、科学计算等数据通信系统运用半双工数据传输。全双工数据传输是在两个数据站之间，可以两个方向同时进行数据传输。全双工通信效率高，但组成系统的造价高，适用于计算机之间高速数据通信系统。,2.4.2 异步传输与同步传输 1. 异步传输方式在被传送字符前后加上起止位，实现定时的传输方式被称为异步方式。它以字符为单位，并在每个字符代码前后附加起始和终止位。由于在异步传输中每一个字符都要加这些位，因此其传输速率低。例如，传输一个二进制字符(7 bit)，加上起止位、校验位各一位，则一共需10位，也就是传输的有效率为70%。,图2.5 异步传输方式,2. 同步传输方式 在同步传输过程中，大的数据块一起发送，在它的前后使用一些特殊字符进行标识，这些字符在发送端和接收端建立起一个同步的传输过程，如图2.6所示。,图2.6 同步传输方式,同步传输方式用在较高传输速率的场合，数据按同步信号定时的比特流发送。同步传输的特点是需要较高的时钟装置，但其传输效率高。 同步传输要求严格的时序与时钟，以保证连续的数据块能正确传输，为此要求传输的双方，使用同一个时钟信号进行发送与接收，其方法有两种： 采用单独的数据线传输时钟信号，适用于远距离高速传输。 采用信号编码的方法传输时钟信号，常用于基带局域网(如10BASE以太网)。2.4.3 多路复用 多路复用技术是指在同一传输介质上“同时”传送多路信号的技术。因此，多路复用技术也就是在一条物理线路上，建立多条通信信道的技术。在多路复用技术的各种方案中，被传送的各路信号分别是由不同的信号源产生，信号之间必须互不影响。由此可见，多路复用技术是一种提高通信介质利用率的方法。,多路复用技术的实质就是共用物理信道，有效利用通信线路。其工作原理，如图2.7所示。,图2.7 多路复用技术原理图,常用的多路复用技术有三种：频分多路复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)、时分多路复用(TDM，Time Division Multiplexing)和波分多路复用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)。其他常用的复用技术还有：空分多路复用(SDM，Space Division Multiplexing)以及动态时分多路复用等。,1. 频分多路复用FDM 在实际通信中，物理信道的“可用带宽”往往大于单个给定信号的带宽，FDM技术正是利用了这一特点：在采用频分多路复用技术时，将信道按频率划分为多个子信道，每个信道可以传送一路信号。如图2.8所示。,图2.8 频分多路复用,2. 时分多路复用TDM 时分多路复用是将一条物理信道按时间分成若干时间片（即时隙）轮流地分配给每个用户，每个时间片由复用的一个用户占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。如果信道允许的传输速率大大超过每路信号需要的传输速率，就可以采用时分多路复用技术。首先，把每路信号都调整到比需要的传输速率高的速率上，这样每路信号就可以按较高的速率进行传输。TDM可细分为同步时分多路复用(STDM)和异步时分多路复用(ATDM)两种形式。 (1) 同步时分多路复用(STDM)同步时分复用是指复用器将各路传输信号按时间进行分割，即将每个单位传输时间划分为许多长度相等的时间片(时隙)；其次，每个周期内各个通道都在固定的位置占有一个时隙。这样，就可以使多路输入信号在不同的时隙内轮流、交替地使用物理信道进行传输，如图2.9所示。,图2.9 时分多路复用,（2）异步时分多路复用在同步时分复用技术中，时隙预先分配且固定不变，无论时间片拥有者是否有信息传输都占有一定时隙，因此对某个子通道而言，当时隙到来时没有信息发送，这一部分带宽就浪费了，时隙的利用率很低。,3. 波分多路复用WDM对于使用光纤通道(Fiber Optic channel) 的网络来说，波分多路复用技术是其适用的多路复用技术。 波分多路复用技术工作原理，如图2.10所示。,图2.10 波分多路复用,2.4.4 数据通信的主要技术指标 数据通信的任务是传输数据信息，希望达到传输速度快、出错率低、信息量大、可靠性高，并且既经济又便于使用维护。这些要求可以用下列技术指标加以描述。在数据通信系统中，为了描述数据传输速率的大小和传输质量的好坏，需要用比特率和波特率等技术指标，它们都是通信技术中的重要指标。1. 比特率S比特率是一种数字信号的传输速率，它是指在有效带宽上，单位时间内所传输的二进制代码的有效位(bit)数，S用每秒比特数(b/s)、每秒千比特数(Kb/s)或每秒兆比特数(Mb/s)等单位来表示。 2. 波特率B波特率称为调制速率，也称波形速率、码元速率。它是指数字信号经过调制后的速率，即经调制后的模拟信号每秒变化的次数。,或者说，在数据传输中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特(baud)。因为它是脉冲信号经过调制后的传输速率，所以若以T表示每个脉冲的时间，则调制速率可以表示为：,3. 带宽带宽是指信道的频带宽度，即信道允许的最高频率和最低频率之差，其单位为Hz。 4.信道容量 信道容量一般是指物理信道能够传输数据的最大能力。当某信道上传输的数据速率大于信道容量时，该信道就不能用来传输数据了。连续信道的信道容量可以根据香农（Shannon）定律计算。香农定律指出：在信号平均功率受限的噪声信道中，信道的信道容量为：,其中，S表示信道上所传信号的平均功率(单位：W)，N表示信道内部的噪声功率(单位：W)，S/N是平均信号噪声功率比，B(Hz)为信道带宽，C(bit/s)为信道容量。信道容量受到带宽和信噪比的制约。在同一带宽，信噪比越高，信道容量就越高。由于传输速率受到信道的限制，无论采取什么样的方法提高速率，都不能超越信道容量所规定的数据的极限。5. 误码率误码率是指二进制码元在数据正常传输中被传错的概率，也称为“出错率”，常用Pe表示。Pe的定义公式如下：,n为传输的二进制代码总数，ne 表示接收中传错的码元数。误码率Pe是数据通信系统在正常工作状态下传输的可靠性指标。在计算机网络通信系统中，对平均误码率的最低要求是低于106，即平均传送1M二进制位只能错一位，因此，在计算机网络中，必须采取差错控制技术才能满足计算机通信系统的可靠指标。 计算机网络中，一般要求误码率低于10-6，即平均每传输106位数据仅允许错一位。可若误码率达不到这个指标，可以通过差错控制方法进行检错和纠错。,2.5 网络传输介质,传输介质即传送信息的载体，也称为通信线路。数据通信中的传输介质包括有线传输介质和无线传输介质。有线传输介质常见的有双绞线、同轴电缆和光纤。无线传输媒体包括无线电波、微波、红外线和激光。 2.5.1 双绞线 1. 双绞线及RJ-45水晶头双绞线是局域网布线中最常用的一种传输介质，它是由许多对线组成的数据传输线。双绞线电缆中封装有一对或一对以上的双绞线，为了降低信号的干扰程度，每一对双绞线一般由两根绝缘铜导线相互缠绕而成，每根铜导线的绝缘层上分别涂有不同的颜色，以示区别。,双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair 简称STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair 简称UTP）两大类。STP的双绞线内有一层金属膜，在数据传输时减少电磁干扰，稳定性较高，但其价格较高，安装时要比UTP困难，必须使用特殊的连接器。而UTP内没有这层金属膜，所以它的稳定性较差，但是价格便宜，重量轻，易弯曲，易安装，组网灵活。所以，在无特殊要求的计算机网络布线中，常使用非屏蔽双绞线电缆。RJ-45水晶头由金属片和塑料构成，应特别注意其引脚序号。当金属片面对我们的时候，从左至右的引脚序号是18。2. 双绞线的线序EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序：T568A与T568B，如图2.12所示。 T568B：橙白1，橙2，绿白3，蓝4，蓝白5，绿6，棕白7，棕8； T568A：绿白1，绿2，橙白3，蓝4，蓝白5，橙6，棕白7，棕8。,图2.12 双绞线的线序,双绞线的顺序与RJ-45头的引脚序号一一对应。10 M以太网的网线使用1、2、3、6编号的芯线传递数据，100 M以太网的网线使用4、5、7、8编号的芯线传递数据。现在多采用4对(8芯线)双绞线主要是为适应更多的使用范围，在不变换基础设施的前提下，就可满足各式各样的用户设备的接线要求。,3. 双绞线的连接方式 （1）普通连接方式(直连方式) 当主机等网络设备连接到Hub时，所用的网线为直连线。此种连接方法要求双绞线两端的连线线序要一样。如果按照T568B标准制作，则网线两端线序应为： A端：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕； B端：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕。 （2）交叉连接方式(交叉方式)当进行两台主机的连接时，就需要使用交叉连接方法。由于主机均采用相同的通信标准进行信号的发送及接收，如果采用普通直连线的方式连接它们，则同色线路将完成相同的功能，比如A端使用它发送信号，B端也使用它发送信号，这将造成冲突。而通过交叉连接方式，可将A端的发送端与B端的接收端连接起来，将A端的接收端与B端的发送端连接起来，这样就可实现两端的交互信息传递。,因此，在实际应用中，如果按照T568B标准制作，则网线两端线序应为： A端：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕；(正线线序)B端：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕。(反线线序) 2.5.2 基带同轴电缆 同轴电缆（coaxial cable），又称RG58线缆，它以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。这层绝缘材料外用密织的网状屏蔽导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料，如图2.13所示。同轴电缆的网状屏蔽层可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号，它比双绞线有更高的传输速度和更长的使用距离。根