第2章__数据通信基础(3).ppt

2 7通信方式 2 7 1并行通信和串行通信在计算机内部个部件之间 计算机与外部设备之间 计算机与计算机 或终端 之间都是以通信方式传递信息的 这种通信方式有两种 并行通信和串行通信 这是计算机网络通信中两种基本的通信方式 通常并行通信用于计算机内部个部件之间或近距离的数据传输 而串行通信常用于计算机与计算机或计算机与终端之间远距离的数据传输 数据的并行传输 并行通信数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输 并行通信的优点是速度快 但发端与收端之间有若干条线路 导致费用高 仅适合于近距离和高速率的通信 数据的串行传输 串行通信数据流以串行方式在一条信道上传输 由于计算机内部都采用并行通信 因此 数据在发送之前 要将计算机中的字符进行并 串变换 在接收端再通过串 并变换 还原成计算机的字符结构 才能实现串行通信 数据的串行传输 串行通信串行通信的优点是收 发双方只需要一条传输信道 易于实现 成本低 但速度比较低 通信线路的连接方式 点对点 点对点的连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接 使用的线路可以是专用线路 租用线路或交换线路 使用租用或交换线路的连接方式 适合于在地理上比较分散的站点之间传输数据 比如通过公用电话交换网 实现点 点的连接 通信线路的连接方式 多点线路 分支式通信分支式通信是一台主计算机和多台终端通过一条公共通信线路连接构成 主计算机为控制站 也叫主站 主站负责对各从站进行发送控制和接受信息 主站对从站的控制采用轮询 选择技术 通信线路的连接方式 多点线路 当主站要接受信息时 采用轮询技术 即主站做好接受准备后依次询问个从站是否要发送信息 若是 从站发送信息 主站接受信息 一个从站发完信息后 主站再询问下一个从站 若不发送 主站继续询问下一个从站是否发送信息 通信线路的连接方式 多点线路 当主站要向一个或多个从站发送信息时 采用选择技术 即主站选择询问需接受信息的从站是否做好接受准备 当接受到从站已准备好的回答信息时即可发送信息 通信线路的连接方式 多点线路 2 集线式通信集线式通信是在终端较集中的地方 使用集线器先将这些终端集中后 再通过高速线路与主计算机相连通而构成的通信的方式 终端向主计算机发送信息时 先将这些信息在集线器进行存储和相应的处理后 再发给主计算机 主计算机向终端发送信息时 也要在集线器进行存储和处理 再发给终端 主机 集线器 信道的通信方式 单工通信 单工方式指通信信道是单向信道 数据信号仅沿一个方向传输 发送方只能发送不能接收 接收方只能接收而不能发送 任何时候都不能改变信号传送方向 无线电广播和电视都属于单工通信 信道的通信方式 半双工通信 半双工通信是指信号可以沿两个方向传送 但同一时刻一个信道只允许单方向传送 即两个方向的传输只能交替进行 而不能同时进行 当改变传输方向时 要通过开关装置进行切换 半双工信道适合于会话式通信 比如公安系统使用的 对讲机 和军队使用的 步话机 信道的通信方式 半双工通信 半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信 信道的通信方式 全双工通信 全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输 通信的一方在发送信息的同时也能接受信息 比如 电话通话 数据交换技术 电路交换 电路交换 CircuitSwitching 也称为线路交换 是一种直接的交换方式 为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道 即提供一条专用的传输通道 既可以是物理通道又可以是逻辑通道 使用时分或频分复用技术 这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择 连接而完成的 是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路 2 8交换方式 电路交换的特点 需要现建立连接 然后才能进行通信 建立连接 拆除连接时间长 有效通信效率低 通信线路利用率低 一旦电路建立后 数据以固定的速率传输 除传输链路的延时外 不再存在其他延时 适用于实时大批量数据的传输 电路交换的特点 适用于实时大批量连续的数据传输 不同类型 不同规格 不同速率的终端很难相互进行通信 不够灵活 通信过程中一旦出现故障需要新建立连接 回顾一下电路交换的特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来 更多的电话机互相连通 5部电话机两两相连 需10对电线 N部电话机两两相连 需N N 1 2对电线 当电话机的数量很大时 这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比 使用交换机 当电话机的数量增多时 就要使用交换机来完成全网的交换任务 交换机 交换 的含义 在这里 交换 switching 的含义是 转接 把一条电话线转接到另一条电话线 使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的 电路交换的三个阶段 建立连接通信释放连接 电路交换举例 A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电路交换举例 C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电路交换的分析 电路交换必定是面向连接的 在通话的全部时间内 两个用户始终占用端到端的固定传输带宽 数据是绑定一起发出 电话交换对于计算机是否适合 计算机数据具有突发性 导致通信线路的利用率很低 数据交换技术 报文交换 存储交换或存储转发 StoreandForward 对实时性要求不高的数据信息 中转结点可先把传输的信息存储起来并进行必要的处理 等待信道空闲时再把信息转发给下一个结点 下一个结点如果仍为中转结点 则仍存储信息 并继续往目标结点方向进发 这种在中转结点把待传输的信息存储起来 然后通过缓冲器向下一个结点转发的数据交换方式称为存储交换或存储转发 StoreandForward 数据交换技术 报文交换 报文交换报文交换是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 在交换结点采用存储转发的传输方式 一步一步将数据传输到目标计算机或终端 数据交换技术 报文交换 报文交换报文交换特点 报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路 不存在连接建立时延 用户可随时发送报文 由于采用存储转发的传输方式 通信双方不是固定占有一条通信线路 而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路 因而大大提高了通信线路的利用率 数据交换技术 报文交换 对于数字数据通信 广泛使用的是报文交换技术 在报文交换中 每一个报文由传输的数据和报头组成 报头中有源地址和目标地址 节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择 并且对收发的报文进行相应的处理 报文交换方式没有拨号呼叫 由报文的报头控制其到达目的地 1 报文交换的优点 1 可提高线路的利用率 不像电路交换网常有占用线路的问题 只要结点有空即可 2 通信时 双方不必都处于可用状态 3 可以把一个报文同时向多个目的地发送 4 当出现大量通信时 信息会被延时传送 而不会被拒绝传送 2 报文交换的缺点 1 传送数据时具有延时性 故此种方式不适合用于具有实时性及交谈的通信系统中 2 中间结点收到的数据过多而无法存储或不能及时转发时 会丢失报文 影响数据传送的正确性 分组交换技术也属于存储转发交换技术 它是把一个报文分成若干个较小的报文分组 每个分组的长度有一个上限 在发送方将报文分割成若干个分组后 每个分组都有一个编号 各个分组经网络结点存储转发到达目的结点后 目的结点再按分组编号重组报文 在分组交换网络中 已经定义了两种不同的方法来管理被传输的分组流 即两种分组交换服务 数据报和虚电路 数据交换技术 分组交换 1 数据报在数据报方式中 每个分组的传送是被单独处理的 就像报文交换中的报文一样 每个分组被称为一个数据报 每个数据报自身携带足够的地址信息 一个结点接收到一个数据报后 根据数据中的地址信息和结点所存储的路由信息 选择一个合适的路径 将数据报原样地发送到下一个结点 直到达目的地 如图2 26所示 因此 当某一个结点要发送一个报文时 先将报文拆分成若干个带有序号和地址信息的数据报 依次发送到网络结点上 此后 各数据报所走路径就可能不再相同 因为各个结点随时根据网络流量 故障等情况选择路由 所以不能保证各个数据报按顺序到达目的地 有的数据报甚至还会在途中丢失 到达目的结点后 再将各分组按分组序号进行重组 图2 26数据报交换数据报方式没有电路的呼叫建立过程 但要为每个数据报做路由选择 2 虚电路在虚电路方式中 要进行数据传输 在网络的源结点和目的结点之间先要建立一条逻辑通路 如图2 27所示 图2 27虚电路交换 2 虚电路假设A结点有一个或多个分组要发送到C结点去 那么它首先要发送一个呼叫请求分组到1结点 请求建立一条到C结点的连接 如此重复 经过1结点 4结点 5结点 6结点 6结点最终将呼叫请求分组传送到C结点 如果C结点允许接受这个连接 就发送一个呼叫接收分组沿原路线返回到A结点 这样一个从A结点到C结点的逻辑连接就建立好了 到此 A结点就可以在已建立好的逻辑连接上或者说在虚电路上交换数据了 2 虚电路每个分组除了包含数据之外还得包含一个虚电路标识符 在预先建立好的路径上的每个结点都知道把这些分组引导到哪里去 不再需要路由选择判定 于是来自A结点的每一个数据分组都通过结点1 4 5 6到达C结点 来自C节点的每一个数据分组也都通过6 5 4 1到达A结点 通信结束后 由任何一方发出断开连接的请求 由另一方响应后 清除此虚电路 虚电路技术和电路交换技术的不同之处在于 虚电路方式所建立的是逻辑通路 不是专用的 分组在每个结点上仍然需要缓冲 并在线路上进行排队等待输出 数据报和虚电路的差别如下 1 数据报的传递路径并非惟一 因此经过的各个结点都必须执行选择路径的操作 而虚电路就不同了 其事先建立好传送的路径 因此 各个结点不必都执行路径选择的操作 事实上 选择路径操作是很占时间的 因此 若是要传送大量数据时 常采用虚电路的方式 2 若就可靠性而言 则以数据报较佳 原因在于 假若网络上某个结点上突然出现故障 数据报由于其传送路径不是惟一的 因此 可以另外找路径来传送数据 但虚电路则因路径是固定的 所以可能较易受到影响而无法正常传送数据 3 虚电路适用于实时数据的传送 而数据报则不能 报文 计算机网络的自身发展 分组交换的产生 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 分组交换的原理 一 数据 数据 数据 分组交换的原理 二 每一个数据段前面添加上首部构成分组 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 分组交换的原理 三 分组交换网以 分组 也称包 作为数据传输单元依次把各分组发送到接收端 假定接收端在左边 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息 把分组转发到下一个结点交换机 每一个分组由于具有首部 所以各自可以独立地选择路由 用这样的存储转发方式 最后分组就能到达最终目的地 分组交换的原理 四 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 数据 数据 数据 分组交换的原理 五 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错 在转发时也没有被丢弃 分组交换网的示意图 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 结点交换机 主机 注意分组的存储转发过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 结点交换机 主机 在结点交换机A暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机C暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 注意结点交换机有多个端口 A B C D E H1 H5 H2 H4 H3 H6 高速链路 结点交换机 1234 1234 1234 1234 1234 结点交换机 在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线 结点交换机处理分组的过程是 把收到的分组先放入缓存 暂时存储 查找转发表 找出到某个目的地址应从哪个端口转发 把分组送到适当的端口转发出去 主机和结点交换机的作用不同 主机是为用户进行信息处理的 并向网络发送分组 从网络接收分组 结点交换机对分组进行存储转发 最后把分组交付给目的主机 分组交换的优点 高效动态分配传输带宽 对通信链路是逐段占用 灵活以分组为传送单位和查找路由 迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组 充分使用链路的带宽 可靠完善的网络协议 自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性 现在网络常采用网络拓扑结构 通信子网 使得当发生网络拥塞或结点失效引起的通信中断 来提高可靠性另外分组交换可以采用面向连接 面向连接的网络不一定是电路交换的网络 分组交换带来的问题 分组在各结点存储转发时需要排队 这就会造成一定的时延 分组必须携带的首部 里面有必不可少的控制信息 也造成了一定的开销 数据分成若干个包 包可以各自路由 增加交换和数据路由的负担 三种交换的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 由于网络的应用越来越广泛 人们对通信线路带宽的需求越来越高 现有的交换技术 已经不能满足日益增长的网络应用的要求 如交互式的会话对实时性要求很高 延迟要很小 高清晰度电视图像及多媒体实时数据的传送都要求高速宽带的通信网 快速分组交换可理解为尽量简化协议 只具有核心的网络功能 以提供高速 高吞吐量 低时延服务的交换方式 数据交换技术 快速分组交换 1 帧中继帧中继 FrameRelay 是在参考模型的第二层 即数据链路层上传输和交换数据的一种简化的方式 称为帧中继交换方式 特点是简化了X 25中纠错和流量控制的处理过程 将网内的处理移到网外端系统中来实现 从而简化了结点的处理过程 缩短了时间 有效的利用了高速数据传输信道 帧中继交换是一种快速分组技术 它采用动态分配传输带宽和可变长度帧的技术 它适用于处理突发性信息和可变长度帧的信息 优点是 高效性 经济性 可靠性 灵活性和长远性 是局域网的最佳选择 2 信元交换信元交换 CellModel 是一种快速分组交换技术 是将信息以信元为单位进行传送的一种技术 信元交换将信息通过适配层切割成固定长度的信元 信元由5个字节的首部和48字节的信元净负荷组成 信元首部包含着在信元中继网络中传输信息所必须的地址和控制信息 信元净负荷是用户数据 采用信元交换技术 网络不对信元的用户数据进行检查 但信元首部中的CRC位将指示信元地址信息的完整性 信元交换适合各种类型信息的传输 是提供综合业务的网络数据基础 3 光分组交换 ops 技术光通信技术成为21世纪初最具发展潜力的技术之一 光分组交换技术将作为一项重要的通信技术得到广泛应用 光分组交换的关键技术有光分组的产生 同步 缓存 再生 光分组头重写及分组之间光功率的均衡等 光分组交换网的实用化 取决于一些关键技术如光标记交换 微电机系统及光器件技术等的进步 光分组交换技术能极大地拓展现有的网络带宽 最大限度地提高线路利用率 随着光网络技术 系统技术 光器件技术的发展 光分组交换在不远的将来必将走向实用化 2 9差错控制 2 9 1差错的产生与控制在数据通信中 由于信号的衰减和外部电磁干扰 接收端的数据与发送端的数据不一致的现象称为传输差错 数据传输中的差错主要由热噪声引起的 热噪声有两大类 随机热噪声和冲击热噪声 2 9差错控制 2 9 1差错的产生与控制在通信系统的数据传输过程中 常采用差错控制技术来减少或避免由于热噪声的影响而产生的差错 判断数据经传输后是否有错的方法和手段称为差错检测 确保传输数据正确的方法和手段称为差错控制 2 9 2差错控制的方法1 反馈重发检测方法反馈重发检测方法又称自动请求重发 ARQ 方法 由发送端发出能够发现错误的编码 即检测码 接收端依据检测码的规则来判断编码中有无差错产生 并通过反馈信道把判断结果用规定的信号告知发送端 发送端根据反馈信息 把接收端认为有差错的数据再重新发送一次或多次 直到接收端正确接受为止 2 前向纠错方法向前纠错方法 FEC 是由发送端发出能纠错的编码 接收端收到这些编码后 通过纠错译码器不仅能自动地发现错误 而且能自动地纠正传输中的错误 然后把纠错后的数据送到接收端高层处理 常用的纠错吗有BCH码卷积码 3 混合纠错方法混合纠错方法就是反馈重发检错和向前纠错两种方法的结合 混合纠错