[计算机软件及应用]第2章 网络通信基础.ppt

第第2 2章章 网络通信基础网络通信基础 主编：袁宗福 机械工业出版社 *1第2章 网络通信基础 计算机网络 本章内容 2.1 数据通信的基本概念 2.2 信息编码技术 2.3 数据传输和通信方式 2.4 传输媒体 2.5 多路复用技术 2.6 数据交换技术 2.7 差错控制 Date2第2章 网络通信基础 计算机网络 2.1 数据通信的基本概念 n通信是把信息从一个地方传送到另一个地方 的过程，用来实现通信过程的系统被称为通 信系统。 Date3第2章 网络通信基础 计算机网络 2.1.1 数据通信系统 n凡是将计算机或终端与数据传输线路连接起来，达 到传输、收集、分配和处理数据目的的系统，称为 数据通信系统。 数据库 文件 AB DTEDTEDCEDCE 本地 连接 本地 连接 表示逻辑通信表示物理通信 APA1 APA2 APB1 APB2 数据库 通信信道 文件 图2-1 数据通信系统的一般结构 Date4第2章 网络通信基础 计算机网络 2.1.2 数据和信息 n数据 n数据被定义为有意义的实体，数据涉及到事 物的表示形式，是信息的裁体。数据有模拟 数据与数字数据之分。 n模拟数据是指在某个区间的连续值，其电平 随时间连续变化。 n数字数据在时间上是离散的，在幅值上是经 过量化的，即数字数据是指离散的值，它一 般是由0、1的二进制代码组成的数字序列， 如文本信息和整数。 Date5第2章 网络通信基础 计算机网络 n信息 n信息是对数据的解释，数据只有经过处理并 经过解释才有意义，才能成为信息。信息的 载体可以是数字、文字、语音、图形或图像 。计算机产生的信息一般是字母、数字、符 号的组合。 Date6第2章 网络通信基础 计算机网络 2.1.3 信号 n信号是数据在传输过程中的电信号的表示形 式，或称数据的电磁或电子编码。它分为模 拟信号和数字信号两种。 n模拟信号是在一定的数值范围内可以连续取 值的信号，是一种连续变化的电信号 ，这种 电信号可以按照不同频率在各种介质上传输 。 n数字信号是一种离散的脉冲序列，如数字仪 表的测量结果、数字计算机的输出，这种脉 冲序列可以按照不同的速率在介质上传输。 Date7第2章 网络通信基础 计算机网络 2.2 信息编码技术 n信息在网络中传递时，根据不同的信道可以采用模 拟信号传递信息，也可以采用数字信号来传递信息 。 n无论哪种信号，为了正确地传输数据，都要对原始 的数据进行编码后才能送到信道上传输。例如，将 数字信号经过调制变换为模拟信号，计算机中的二 进制数据经过调制可以提高信号的抗干扰能力并增 加定时功能， n在传输数字信号的信道中传输多媒体模拟信号时， 要将模拟信号编码为数字信号。 Date8第2章 网络通信基础 计算机网络 2.2.1 数字调制技术 n公共电话线一般为传输模拟信号而设计的， 为了利用现有的电话网进行数据传输，首先 需要将数字信号转换为模拟信号。 n方法是：用要传送的数字信号改变载波的幅 度（调幅载波）、频率（调频载波）或相位 （调相载波），然后使之在信道上传送，到 达接收点后再将数字信号从载波上取出。 Date9第2章 网络通信基础 计算机网络 n（1）调幅 按照数字信号的值改变载波的幅 度 。 n当载波存在（具有一定的幅度），表示数字 信号的“1”，而载波不存在（幅度为0），则 表示数字信号的“0”。 Date10第2章 网络通信基础 计算机网络 n（2）调频 按照数字信号的值去改变载波的 频率 。 n当载波频率为高频时，表示数字信号的“1”， 而载波频率为低频时，则表示数字信号的“0” 。 Date11第2章 网络通信基础 计算机网络 n（3）调相 按照数字信号的值去改变载波的 相位 。 n当载波信号和前面的信号同相（即不产生相 移）时，代表数字信号“0”，而载波信号和前 面的信号反相（有1800相移）时，则代表数 字信号“1”。 Date12第2章 网络通信基础 计算机网络 2.2.2 二进制数据编码技术 非归零编码 n非归零编码（NRZ）是一种最简单效率最高 的数字编码，如图2-3a所示。它用负电平代 表“0”，正电平代表“1”，这种方案称为双极性 非归零编码。若用0电平代表“0”，正电平代 表“1”则称为单极性非归零编码。 nNRZ编码的缺点是发送和接收方不能保持同 步。 Date13第2章 网络通信基础 计算机网络 曼彻斯特编码 n曼彻斯特编码（Manchester Encoding）， 也叫做相位编码（PE），常用于局域网传输 。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳 变，位中间的跳变既作时钟信号起到发送 和接收方保持同步的时钟信号。 ，又作数据 信号。 Date14第2章 网络通信基础 计算机网络 差分曼彻斯特编码 n它的特点是每一位二进制信号的中间的跳变 仅作为时钟，而不代表二进制数据的取值， 二进制数据的取值是由每一位开始的边界处 是否有跳变来决定。一位数字信号的起始位 置存在跳变代表“0”，而无跳变则代表“1”。 n优点是带有同步时钟和良好的抗噪声特性， 因而在局域网中被广泛使用。 Date15第2章 网络通信基础 计算机网络 2.2.3 模拟信号的数字编码技术 n将模拟数据编码成数字信号的最常见的例子 是脉冲代码调制PCM 。 n采样 n每隔固定的时间间隔，采集模拟数据的瞬时 值作为样本 。 n量化 n量化是决定样本属于哪个量级，并将其幅值 按量化级取整。量化之前要规定将信号分为 若干个量化级 。 Date16第2章 网络通信基础 计算机网络 编码 n编码是用相应位数的二进制码表示已经量化 的采样样本的级别 。经过编码后，每个样本 就由相应的编码脉冲表示，亦即将相应于样 本的编码脉冲发送到信道上。 Date17第2章 网络通信基础 计算机网络 2.3 数据传输和通信方式 n四种数据传输形式 : n 模拟信号传输模拟数据 n模拟信号传输数字数据 n数字信号传输模拟数据 n数字信号传输数字数据。 Date18第2章 网络通信基础 计算机网络 基带传输 n使用数字信号传输数据时，终端设备把数字 信号转换成脉冲电信号时，这个原始的电信 号所固有的频带，称为基本频带，简称基带 。在信道中直接传送基带信号时，称为基带 传输。 n基带传输时，媒体的整个带宽被基带信号占 用，可以双向地传输信息。 n基带传输系统的优点安装简单、成本低，但 传输距离较短。在传输数字信号时要对信号 进行编码。 Date19第2章 网络通信基础 计算机网络 频带传输 n采用模拟信号传输数据时，往往只占有有限 的频谱，对应基带传输将其称为频带传输。 n频带传输也称宽带传输，并且只能单方向的 传输信息。宽带传输常采用同轴电缆或光纤 作为传输媒体，可使用频分复用调制技术同 时发送多种模拟信号。 n频带传输的优点是传输距离远，可达几十千 米，并且可同时提供多个信道。 Date20第2章 网络通信基础 计算机网络 线路通信方式 n线路通信方式有三种基本的形式： n单工通信 n半双工通信 n全双工通信 Date21第2章 网络通信基础 计算机网络 单工通信 n这种通信方式的数据信息只能按照一个固定 的方向传送，即决定了通信双方的一端是发 送端，而另一端只能是接受端。 n例如，显示终端只能接受计算机发送来的数 据，而不能向计算机发送数据。 n为了保证电信号的正确传送，需要一对线路 ，其中一条线路作为反向的应答和控制的监 控信道 Date22第2章 网络通信基础 计算机网络 半双工通信 n半双工通信方式是指可以交替改变方向的数 据传送，但在某一时刻，只允许一个方向的 数据流动。通信的双方都有发送和接收装置 ，但它们不能同时进行发送和接收 。 n半双工通信也采用一个信道（2线） 。 Date23第2章 网络通信基础 计算机网络 全双工通信 n这是一种在任意时刻都可进行双向传送的通 信方式，相当于将两个方向的单工通信组合 起来，要求收发装置都具有独立的收发能力 。为此它需要两个信道予以支持，即使用四 线连接 。 Date24第2章 网络通信基础 计算机网络 n计算机网络通信中的两种通信方式： n并行通信：用于计算机内部各部件之间或近 距离设备的传输数据 。 n串行通信 ：用于计算机之间的通信，须考虑 通信的方向以及通信过程中的同步。 Date25第2章 网络通信基础 计算机网络 n计算机和外部设备之间的并行通信一般通过 计算机的并行端口（LPT），串行通信通过 串行端口（COM）。普通微机支持4个以上 的COM端口和3个以上的LPT端口，但一般 只有2个COM端口和1个LPT端口有效。 Date26第2章 网络通信基础 计算机网络 n在并行通信中，一般有8个数据位同时在两台 设备之间传输，发送端和接收端有8条数据线 相连，发送端同时发送8个数据位，接收端同 时接收8个数据位 。 n在串行通信中，收发端一次只能发送或接收1 个数据位，数据位依次串行地通过通信线路 。 Date27第2章 网络通信基础 计算机网络 n由于在计算机内部总线上传输的是并行数据 ，要和外部设备进行串行通信，在发送端需 要将并行数据转换成串行数据，在接收端则 将串行数据转换成并行数据。 n在计算机内的串行通信适配器负责进行串行 数据和并行数据之间的转换。 n在计算机局域网中，计算机之间也进行串行 通信，网卡负责进行串行数据和并行数据的 转换。 Date28第2章 网络通信基础 计算机网络 数据传输方式 n要做到通信双方的步调一致，必须解决数据 传输过程中的同步问题。常见的数据传输方 式有异步传输和同步传输。 Date29第2章 网络通信基础 计算机网络 同步传输 n同步传输方式的信息格式是在一组字符或一个二进 制位组成的数据块的前后加上同步字符 。通信双方 事先应约定同步字符的代码及同步字符的个数，在 接收方一旦接收到同步字符，就开始接收数据 。 n同步方式下，发送方除了发送数据，使用同步字符 开始接收数据外，还要传输同步时钟信号，信息传 输的双方用同一个时钟信号 确定传输过程中每1位 的位置。 n同步通信方式效率高，速度快，但如果数据中有一 位错，就必须重新传输整块数据，且控制比较复杂 。 Date30第2章 网络通信基础 计算机网络 异步通信 n在发送的每一个字符代码的前面加一位为“0”的 起始位，表示字符代码的开始，后面加停止位 “1”，以示该字符代码的结束。 n接收方根据“1”到“0”的跳变来判断一个新字符的 开始，从而起到通信线路两端的同步作用。为了 能检测字符传输的正确性，可在字符代码后加一 位奇偶校验位。 n异步传输方式时如果出错，只需重发一个字符， 故控制简单。但由于起始位和校验位占了一定的 开销，所以效率低 Date31第2章 网络通信基础 计算机网络 数据通信的主要技术指标 n数据速率：指每秒钟传送的信息量，单位为bit/s， 记为bps n信道带宽：指信道中传输的信号在不失真的情况下 所占据的频率范围，通常也被称为信道的频带。 n信道容量：表征一个信道传输数字信号的能力，用 信道中可以传输的最大数据率作为指标。当传输的 信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失 真。常用信道带宽来表示信道容量。 n出错率：衡量数据通信系统或信道传输可靠性的一 个指标。有误码率、误bit率、误字符率、误组率等 。 Date32第2章 网络通信基础 计算机网络 数据通信的主要技术指标 n延迟：对信道而言，延迟用来表示网络中相 距最远的两个站之间的传播时间；对于网络 上的某一站点来讲，延迟表示从接收信息到 将该信息再转发出去的时延。 n吞吐量：在数值上表示网络或交换设备在单 位时间内成功传输或交换的总信息量，单位 为bps。 Date33第2章 网络通信基础 计算机网络 2.4 传输媒体 n1. 双绞线Twisted Pair n在局域网中一般也采用双绞线电缆作为传输 媒体 。 n双绞线电缆则由一对或多对双绞线组成，当 前网络中使用的是4对的双绞线。双绞线电缆 是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体 ， 1类线和2类线主要是为话音和低速传输，3 类以上双绞线可以在网络中使用。当前主要 使用5类和6类双绞线。 Date34第2章 网络通信基础 计算机网络 n2. 同轴电缆Coaxial Cable n常用同轴电缆有：粗缆、细缆、CATV同轴 电缆等。 n同轴电缆由内导体（单芯铜导线）和外导体 （编织网状导体）。外导体的作用是屏蔽电 磁干扰和辐射，两导体之间用绝缘材料隔离 ，这种结构使同轴电缆具有高带宽和较好的 抗干扰特性。 Date35第2章 网络通信基础 计算机网络 n3. 光导纤维电缆Fiber Optics n光纤可分为多模光纤和单模光纤两种。 n光导纤维电缆（简称光缆）由一束光导纤维组成， 它的外面包一层折射率较低的材料，当光束进入芯 线后，在芯线边缘产生全反射，使光束曲折前进。 n模光纤采用发光二极管产生荧光作为光源，定向性 较差。单模光纤采用注入式激光二极管作为光源， 激光的定向性强。 n光缆的优点是信号的损耗小、频带宽、传输率高， 并且不受外界电磁干扰；保密性能好 。 n光缆主要用于长距离的数据传输和网络的主干线。 Date36第2章 网络通信基础 计算机网络 n4. 无线电传输媒体 n主要有：微波通信、激光通信、红外线通信 。 n微波通信广泛应用于电报、电话和电视的传 播 。微波是沿直线传输 。 n激光通信的优点是带宽更高、方向性好、不 受气候和环境的影响、保密性能好。激光通 信多使用于短距离的传输。 n红外线通信技术多用于遥控装置的通信。 Date37第2章 网络通信基础 计算机网络 2.5 多路复用技术 n利用传输线路，采用各种技术在一条物理信 道上同时传输多路信号的技术称为多路复用 技术。 n多路复用技术有：频分多路复用技术、时分 多路复用技术、码分多路复用、波分多路复 用技术等。 Date38第2章 网络通信基础 计算机网络 频分多路复用 n一般传输媒体的可用带宽超过了信号所需要 的带宽。频分多路复用（FDM）利用了传输 媒体的这种特性，将传输媒体的带宽划分为 若干条占有较小带宽的子信道，对要传输的 每一路信号以不同的载波频率进行调制，使 各个载波的频率完全独立，即各路信号的带 宽互不重叠。再将经过调制的各路信号送到 相应的子信道上，从而使得在一条通信线路 上传输多路信号。 Date39第2章 网络通信基础 计算机网络 时分多路复用 n时分多路复用（TDM）是把时间化分成若干个时间 片（时隙），每个用户轮流分得一时间片，在其占 用的时间片内，该用户可使用信道的全部带宽。各 子通道被每个用户轮流占用，在接收端的复用器可 根据子通道序号判断是哪一路信号，再送到相应的 目的地。 n n对于传输媒体的信道容量超过传输数字信号所需的 数据传输率时，使用TDM技术既可以满足用户的传 输要求又可以实现多路复用。 n同步时分多路复用是指划分给用户的时间片是预先 分配好固定不变的，统计时分多路复用（也称为异 步TDM）允许动态地分配时间片。 Date40第2章 网络通信基础 计算机网络 码分多路复用 n是一种共享信道的方法，每个用户可在同一 时间使用同样的频带进行通信，但使用的是 基于码型的分割信道的方法，即每个用户分 配一个地址码，各个码型互不重叠，通信各 方之间不会相互干扰，且抗干扰能力强。 n主要用于无线通信系统，特别是移动通信系 统。它不仅可以提高通信的话音质量和数据 传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响， 而且增加了通信系统的容量。 Date41第2章 网络通信基础 计算机网络 波分多路复用 n波分多路复用利用了光具有不同的波长的特征。 n波分多路复用技术将一系列载有信息、但波长不同 的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端 再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开。这 种技术可以同时在一根光纤上传输多路信号，每一 路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是一个 波长信道。 n原理：利用波分复用设备将不同信道的信号调制成 不同波长的光，并复用到光纤信道上。在接收方， 采用波分设备分离不同波长的光。 Date42第2章 网络通信基础 计算机网络 2.6 数据交换技术 n通过中间结点转发信息的技术。 n通常有三种交换方式：线路交换、报文交换 和报文分组交换。 Date43第2章 网络通信基础 计算机网络 线路交换 n在信息交换时，通信双方之间由一系列线路组成一 条专用的物理链路。 n特点：在传输数据时通信双方之间有一个实际的物 理连接，这种连接是由若干个结点间的一系列线路 来实现的；在建立连接时需要一定的时间，而一旦 建立连接后，传输数据不再有传输延迟。 n线路交换方式适合于传输实时和大量的数据。 n线路交换方式的通信过程包括三个基本步骤，即建 立线路、传输数据和拆除线路。 Date44第2章 网络通信基础 计算机网络 报文交换 n报文（Message）交换是与线路交换完全不同的一 种数据交换方式，它不要求在通信双方之间建立专 用线路，而是将等待发送的信息组织成一个个带有 地址和一些控制信息的数据包报文，将这些报文 送到网络上，通过中间结点（也称交换结点）的传 递，直至到达目的地。 n报文交换采用存储转发原理进行数据的交换。 n优点：通信时不需要建立专用的线路，另外报文在 传输时可分时共享一条结点到结点的链路，从而提 高了线路的利用率。 n缺点：不能进行实时和交互式的通信，报文体积不 能确定。 Date45第2章 网络通信基础 计算机网络 报文分组交换 n报文分组交换方式是将大的报文分成较小的数据单位 ，作为独立的存储转发的数据单位，称其为报文分组 （Packet，简称分组）。 n在传输信息之前，发送端将传输的报文分解为若干个 报文分组，加上分组编号、地址和控制信息，然后将 这些分组送到网络上传输到目的地，在接收端再将接 收到的分组按照原来的顺序进行排序，重新组装成原 来完整的报文。 n优点：在交换结点无需大的存储器；当一个分组在传 递过程中出错时，只重发此分组； n缺点：打包以及在目的结点重新组装报文所用的时间 会增加传输延迟；编号、地址等控制信息增加了传输 的开销。 Date46第2章 网络通信基础 计算机网络 2.7 差错控制 n信息由于传输媒体内部电子热运动产生的热噪声而 引起随机性的错误；外界电磁干扰也会引起突发性 的错误。 n为了改善通信线路的传输质量，提高抗干扰能力， 降低误码率， 采取措施： n 1）在建网时应尽量选择性能好的传输设备和媒 体。 n 2）采取有效地措施来发现和纠正错误。 n差错控制采用的方法：奇偶校验、循环冗余码校验 Date47第2章 网络通信基础 计算机网络 奇偶校验 n此方法是在数据块末尾加一位奇偶校验位（ 冗余位），使该数据块连同冗余位中“1”的个 数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。在 接收端收到带有冗余位的数据块后，检查“1” 的个数若符合奇校验或偶校验的规律，则认 为传输正确。 （垂直奇偶校验） Date48第2章 网络通信基础 计算机网络 n水平奇偶校验：将若干字符组成一个信息块 ，对这个信息块中所有字符对应的位（即水 平方向对应的位）进行奇偶校验。这种校验 方案可以查出长度小于字符宽度的突发性错 误位数。 n n水平垂直奇偶校验 ：将水平校验和垂直校验 结合起来，形成行为n位，列为k个字符的矩 阵 。 Date49第2章 网络通信基础 计算机网络 循环冗余码（CRC）校验 n基本思想：把要发送的有效数据（信息bit流 ）在发送时按照所使用的某种差错校验规则 加上冗余码元序列。 n当信息到达接收端后，再按照所使用的差错 校验规则来检验收到的信息和发送前是否完 全相同，若相同则说明传输无误，否则，将 按照所制定的策略（如重发信息等）来纠正 传输中产生的错误。 Date50第2章 网络通信基础 计算机网络 nCRC的检错原理：把要传送的数据位串看成 是一多项式M(x)的系数，并在发送之前被一 个预先选取的生成多项式G(x)去除，求得一 余数多项式CRC冗余码，从多项式中减 去（异或运算）此余数，得到能被G(x)除尽 的编码信息多项式T(x)。