吴静-第二章数据通信基础知识(完).ppt

第二章数据通信基础知识 本章内容 2 1数据通信系统2 2数据通信方式2 3数据传输技术2 4数据交换技术2 5流量控制2 6差错检测编码2 7传输介质2 8物理层接口及标准2 9宽带接入技术 2 1数据通信系统 2 1 1数据通信系统模型2 1 2数据通信的基本概念2 1 3数据通信的主要技术指标 2 1 1数据通信系统模型 数据通信系统定义 指以计算机为中心 用通信线路连接分布在各地的而执行数据传输功能的系统基本作用 在两个实体之间交换数据基本组成三要素 信源 信道 信宿 计算机或终端 数据终端设备 信源 信息发送端信宿 信息接收端信道 传输信息的通道有线信道 无线信道数字信道 模拟信道变换器作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号 变换器一般有编码器或调制器反变换器作用是将接收到的信号恢复成发送端原来的信号 是变换器的反向功能 反变换器一般有译码器或解调器噪声源 模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号 编码 把数据变换为数字信号的过程译码 把数字信号变换为数据的过程调制 把数据变换为模拟信号的过程解调 把模拟信号变换为数据的过程 2 1 2数据通信的基本概念 数据 由数字 字符和符号等组成 是信息的载体数据没有实际含义信息 按一定要求以一定格式组织起来的 具有一定意义的数据信息有具体含义信号 信号是数据的具体物理表示 具有确定的物理描述 如电压 磁场强度等 电磁信号一般有模拟信号和数字信号两种形式 数字信号 随时间离散变化的信号 如脉冲信号等 模拟信号 随时间连续变化的信号 如正弦波信号等 1 0 1 1 1 0 0 码元 代表不同离散数值 状态 的基本波形码元代表的离散数值可以是多进制的 也可以是二进制的如 当使用二进制编码时 只有两种不同的码元 分别代表0状态和1状态 码元代表的离散数值是多进制的情况如 传送 101011000110111010 方法一 直接传送每个码元携带1bit码元代表的离散值是二进制的 两种码元方法二 分组 101 011 000 110 111 010 每个码元携带3bit码元代表离散值是0 7 八进制 八种码元可用8种不同的振幅 频率 相位进行调制 数据通信 定义 指信源和信宿之间传送数据信号的通信方式 狭义 指数字信号广义 包括数字信号和模拟信号数字通信 在通信信道中传送数字信号的通信方式模拟通信 在通信信道中传输模拟信号的通信方式 数据通信与数字通信的区别 信源 编码器 信宿 译码器 信源 编码器 信宿 译码器 信源 调制器 信宿 解调器 数字信道 数字信道 模拟信道 信源 调制器 信宿 解调器 模拟信道 2 1 3数据通信的主要技术指标 数据通信的主要技术指标 衡量数据传输的有效性和可靠性的参数衡量有效性的指标 信道带宽和信道容量传输速率 数据传输速率 码元速率 传输延迟衡量可靠性的指标 误码率 1 信道带宽和信道容量 信道带宽 信道具有的一定频率范围 频带宽度 按信道频率范围不同 可分为三类 窄带信道 带宽为0 300Hz音频信道 带宽为300 3400Hz宽带信道 带宽为3400Hz以上 带宽分配 无线电 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线 双绞线 同轴电缆 卫星 地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电 光纤 电视 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 波段 1041051061071081091010101110121013101410151016 10010210410610810101012101410161018102010221024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱 信道容量定义 指单位时间内信道所能传输的最大信息量 它表征信道的传输能力 表示方式 a 以码元速率表示 指信道在单位时间内可传输的最大码元数 单位 波特 b 以数据传输速率表示 指单位时间内最多可传输的二进制数的位数 单位 bit s 信道容量和信道带宽的关系一般情况下 信道带宽越宽 一定时间内信道上传输的信息量就越多 则信道容量就越大 传输效率就越高 香农定理 在带宽受限 有高斯白噪声干扰的条件下 C 信道容量 bit sW 信道带宽 HzN 噪声功率S 信号功率S N 信噪比 一般用分贝 dB 作为度量单位 C Wlog2 1 S N 信噪比 dB 10log10 S N dB 奈奎斯特准则 在带宽受限 无噪声干扰的条件下 C 信道容量 bit sW 信道带宽 HzN 信道上传输信号可取离散值的个数 状态数 log2N 信号所表示的二进制数据的位数数据传输速率R和码元速率B的关系最大码元速率Bmax C 2Wlog2N R Blog2N 因为Rmax C 所以Bmax 2W Rmax Bmaxlog2N 由题意知 10log10 S N 30可得出 S N 1000根据香农公式 最大数据传输率 3000log2 1 S N 30K bit s 例1 电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz 信噪比为30dB 则该系统的最大数据传输速率是多少 例2 对于某带宽为4000Hz的低通信道 采用16种不同的状态来表示数据 1 按照奈奎斯特定理 信道的最大码元速率是多少 最大传输速率是多少 2 如果信道的信噪比为30dB 按照香农定理 信道的最大传输速率是多少 1 最大码元速率Bmax 2 W 2 4000 8000 波特 最大传输速率 Bmaxlog2N 8000log216 32K bit s 2 由题知 10log10 S N 30可得出 S N 1000最大传输速率 Wlog2 1 S N 4000log2 1 1000 40K bit s 2 2数据通信方式 2 2 1并行通信与串行通信2 2 2单工通信 半双工通信和全双工通信2 2 3异步传输与同步传输 2 2 1并行通信与串行通信 并行通信定义 指利用多根传输线将多位数据同时进行传送 特点 线路多 成本高适用场合 距离短 数据量大串行通信定义 指利用一条传输线将数据一位一位地按顺序 由低位到高位 分时传输特点 线路少 成本低适用场合 距离远 距离近且速度不高 源 目的 01001100 并行数据 T 源 目的 串行数据 8T 01001100 2 2 2单工通信 半双工通信和全双工通信 全双工 站A 站B 站A 站B 站A 站B 半双工 单工 单向 分时 双向 同时 双向 2 2 3异步传输与同步传输 异步传输异步是指发送端和接收端不使用共同的时钟 也不在数据中传输同步信号发送端和接收端必须约定数据帧格式和比特率 起始位 1个 每个数据帧开始传送的标志 低电平 数据帧格式 数据位 5 8个 紧跟着起始位传送 低位前 高位后 表示一个字符 校验位 1个 用于校验是否传送正确 可选 停止位 1 5 2个 表示该数据帧传送结束 高电平 空闲位 传送数据帧之间的间隔 高电平 同步传输以一个数据帧为传输单位 每个数据帧附加起始和结束标志同步通信的数据传输效率和传输速率较高 但硬件电路比较复杂两种形式 面向字符的同步传输 面向比特的同步传输 起始标志 数据 数据 数据 结束标志 例 设数据帧为1个起始位 7个数据位 1个奇偶校验位和1个停止位 如果比特率为1200bps 用7位数据位代表一个字符 求每秒能传送的最多字符数是多少 不存在空闲位时 可传送的字符数最多1200 1 7 1 1 120个 2 3数据传输技术 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输2 3 2数据编码与调制技术2 3 3多路复用技术 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 1 基带传输基带信号 来自信源的电脉冲信号基带传输 在信道中直接传输基带信号的传输方式基带信号往往包含有较多的低频成分或直流成分 仅适合近距离传输 通常在进行远距离传输的模拟信道中 必须对基带信号进行调制 modulation 2 频带传输频带信号 将基带信号变换 调制 成便于在模拟信道中传输的 具有较高频率范围 300 3400Hz 的信号频带传输 将频带信号在信道中传输的方式 频带传输实际上就是模拟传输频带传输的基础是载波 频率恒定的模拟信号 3 宽带传输宽带 包括大部分电磁波频谱宽带传输 将宽带信号在信道中传输的方式 2 3 2数据编码与调制技术 编码与调制的原因 数据在传输中容易产生误码编码和调制技术可使系统具有纠错能力和抗干扰能力可极大地避免码流传送中误码的发生 编码与调制的任务 提高数据传输效率降低误码率 信号是数据的具体表现形式数据与信号之间的四种组合 数字数据 模拟信号数字数据 数字信号模拟数据 数字信号模拟数据 模拟信号 一 数字数据调制为模拟信号 数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示 要将基带信号 即数字数据 进行远程传输 必须先将其变换 调制 为频带信号 即模拟信号 才能在模拟信道上传输 上述变换就是将数字数据调制为模拟信号的过程 三种调制方法 1 幅度调制 AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 简称调幅2 频率调制 FM 载波的频率随基带数字信号而变化 简称调频3 相位调制 PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 简称调相 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号 调幅 调频 调相 对基带信号的三种调制波形 二 数字数据编码为数字信号 数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示 数字信号是离散的电压或电流的脉冲序列 由若干个码元组成表示数字数据的码元形式不同 则相应产生不同的编码方法 1 双极性码在一个码元时间间隔内 发正电流表示二进制的 1 发负电流表示 0 正向幅度与负向幅度相等有归零型和不归零型之分 2 曼彻斯特编码在每一个码元时间间隔内 当发 0 时 在间隔的中间时刻电平从低向高跃变当发 1 时 在间隔的中间时刻电平从高向低跃变 注意 也可采用相反的规定 曼彻斯特编码的波形图 t A 3 差分曼彻斯特编码 在每一个码元时间间隔内 无论发 0 或发 1 在间隔的中间都有电平的跃变 发 0 时 间隔开始时刻有跃变发 1 时 间隔开始时刻不跃变 差分曼彻斯特编码的波形图 t A 例1 画出比特流01101100的双极性不归零码波形图 曼彻斯特编码波形图 码元1是先高后低 差分曼彻斯特编码波形图 作业 如图是二进制序列的曼彻斯特编码 码元 是前低后高 试画出该二进制序列的差分曼彻斯特编码 曼彻斯特编码波形图 三 模拟数据编码为数字信号 常用方法 脉冲编码调制 PCM 增量调制 IM PCM过程的三个步骤 采样 量化 编码 不考 1 采样定义把时间上连续的模拟数据转换成时间上离散信息 即在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值 采样定理当采样频率f 2 模拟数据的频带宽度fmax时 离散信息可以无失真地代表被取样的模拟数据 2 量化定义把采样得到的不同离散幅值 按照一定的量化级转换为对应的数值并取整数 得到离散信号的具体数值 量化级量化级即把离散幅值分为均匀的等级量化级是2的整数次幂 如分为128级 256级等量化等级越高 表示离散信号的精度越高 3 编码定义将量化后的离散值转换为一定位数的二进制数值 量化级为N时 对应的二进制位数为log2N PCM编码过程 2 3 3多路复用技术 信道共享和多路复用技术产生原因多路复用 利用一条物理信道同时传输多路信息的过程 a 不使用复用技术 b 使用复用技术 1 频分多路复用 FDM FDM 就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道 每个子信道供一个用户使用 FDM的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 FDM子信道示意图 频率 时间 子信道D 子信道C 子信道B 子信道A 可用频段 2 时分多路复用 TDM 时分多路复用 将时间分成一个个等长的时分复用帧 TDM帧 每帧再分为若干时隙 轮换地为多个用户使用 每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙 这些时隙组成一个子信道TDM的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度 TDM子信道示意图 频率 时间 B C D B C D B C D B C D TDM帧 TDM帧 TDM帧 TDM帧 可用频段 组成子信道A的时隙 TDM分为两种 同步时分多路复用分配给每个用户的时隙固定 空闲时隙不能被其它用户占用异步时分多路复用 又称统计时分多路复用STDM 动态分配时隙 空闲时隙可以被其它用户占用 3 波分多路复用 WDM WDM相当于光的频分复用WDM指在一根光纤上能同时传送多个波长 频率 不同的光载波的复用技术 不考 4 码分多路复用 CDM CDM是基于码型分割信道的共享信道方法常用名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 每个用户在同样的时间使用同样的频带通信各用户使用不同码型 彼此不会造成干扰每个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 码片序列 chipsequence 每个站被指派一个唯一的mbit码片序列 如发送比特1 则发送自己的mbit码片序列如发送比特0 则发送该码片序列的二进制反码例如 S站的8bit码片序列是00011011发送比特1时 就发送序列00011011发送比特0时 就发送序列11100100将码片中的0写为 1 1写为 1 上述S站的码片序列可写为 1 1 1 1 1 1 1 1 CDMA的重要特点 每个站分配的码片序列特点必须各不相同必须互相正交 码片序列的正交关系 令向量S表示站S的码片向量令向量T表示其它任何站的码片向量两个不同站的码片序列正交 就是向量S和T的规格化内积都是0 例 令向量S为 1 1 1 1 1 1 1 1 向量T为 1 1 1 1 1 1 1 1 S与T是否正交 解 把向量S和T的各分量值代入上式就可看出这两个码片序列是正交的 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1 正交关系的另一个重要特性 m i m i i m i i i m S m S S m 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 S S m i m i m i 1 m Si2 m Si 反 Si m 1 1 1 1 1 1 S反 S 1 CDMA的工作原理 S站的码片序列S 1 1 0 t t t t t t m个码片 t S站发送的信号Sx T站发送的信号Tx 总的发送信号Sx Tx 规格化内积S Sx 规格化内积S Tx 数据码元比特 发送端 接收端 S Sx Tx S Sx S Tx S Sx 1S站发送位1 1S站发送位0 0S站没发送数据 例1 共有3个站进行CDMA通信 3个站的码片序列分别为 A 1 1 1 1 1 1 1 1 B 1 1 1 1 1 1 1 1 C 1 1 1 1 1 1 1 1 现收到这样的码片序列X 1 1 3 1 1 3 1 1 那么 A B C3个站分别发送了什么数据呢 所以 A站发送的是位1 8 i 1 Xi Ai 8 1 X A 1 X B 1 所以 B站发送的是位0 X C 0 所以 C站未发送数据 例2 在一个CDMA移动通信系统中 A B C站分配的码片序列分别为 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 和 1 1 1 1 1 1 1 1 某一时刻A发送数据位0 B发送数据1 C未发送 则接收C站信息的接收者收到的信号是什么 解 A要发送位0 则将其码片反码的序列发送出去 即发送 1 1 1 1 1 1 1 1 B要发送位1 则将其码片序列发送出去 即发送 1 1 1 1 1 1 1 1 C未发送数据收到的信号是双极性信号线性相加的结果 即 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 00 2 20 20 2 作业 共有4个站进行码分多址CDMA通信 4个站的码片序列为 A 1 1 1 1 1 1 1 1 B 1 1 1 1 1 1 1 1 C 1 1 1 1 1 1 1 1 D 1 1 1 1 1 1 1 1 现收到这样的码片序列 1 1 3 1 1 3 1 1 问哪个站发送数据了 发送数据的站发送的是1还是0 2 4数据交换技术 交换 的含义从字面上看 交换 就是转发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资源 常用的数据交换技术 电路交换 报文交换 分组交换 2 4 1 电路交换技术 电路交换的三个阶段 建立电路传输数据拆除电路 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 电路交换过程 电路交换的特点有电路的建立和拆除过程电路建立以后为专用线路实时性好出现的问题计算机数据具有突发性这导致专用线路的利用率很低 2 4 2报文交换技术 以报文为单位交换信息 报文交换特点无呼叫建立和专用线路 存储 转发式的发送技术 报文交换过程 发送报文 传输 暂存 转发 传输 暂存 转发 传输 接收报文 与电路交换比较 优点为不存在专用线路 线路利用率较高系统很容易把一个报文送到多个目的站点出现的问题报文传输延迟较长 特别是发生传输错误后 不能满足实时或交互式通信要求 2 4 3分组交换技术 基本思想数据分组路由选择存储转发分组交换特点无呼叫建立和专用通路存储 转发式的发送技术数据分成分组进行发送 报文 报文较长 不便于传输 1 数据分组 第一步 在发送端 先把较长的报文分成若干个较短的 长度固定的数据段 数据段1 数据段2 数据段3 报文 第二步 每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 第三步 以 分组 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 每个结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息 把分组转发到下一个结点交换机 用这样的存储转发方式 最后分组就能到达最终目的地 第四步 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据段1 首部 数据段2 首部 数据段3 首部 收到的数据 数据 数据 数据 第五步 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里 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 H1 A 互联网 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 路由器 主机 2 路由选择 3 存储转发 H1 A 互联网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 路由器 主机 在路由器E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 在路由器C暂存查找转发表找到转发的端口 在路由器A暂存查找转发表找到转发的端口 分组交换优点 传输延迟小 提高了传输速率出错概率小 出错时重传分组比报文开销小降低对网络结点存储容量的要求分组在不同链路并发传送 提高了传输效率和线路利用率分组交换出现的问题 分组封装与重组会产生一定的开销 三种交换方式的数据传输过程 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 数据传送的特点 比特流直达终点 报文 报文 报文 分组 分组 分组 存储转发 存储转发 存储转发 存储转发 设共k段链路 每段链路传播时延为d秒 报文长度为l 每段链路发送速率为v 电路建立时间为s 结点处理和排队时延忽略不计 分组长度为p 分组首部为m 电路交换时延电路建立时间 发送报文时延 k段传播时延 s l v kd报文交换时延k个结点发送报文时延 k段传播时延 kl v kd分组交换时延设需划分n个分组 l p m 若能整除 则n l p m 否则n l p m 1 此时分组交换时延为 第1个分组的k段发送时延 第1个分组的k段传播时延 n 1个分组的1段发送时延 kp v kd n 1 p v 三种交换技术对比 电路交换存在呼叫建立 专用线路不传送数据时浪费资源 报文交换没有呼叫建立 只有发送数据时才占用线路 但传输延迟较长分组交换除了报文交换的特点外 还有传输延迟小的优点 例1 在图2 8所示的采用 存储 转发 方式分组的交换网络中 所有链路的数据传输速度为100Mbps 分组大小为1000B 其中分组头大小为20B 若主机H1向主机H2发送一个大小为980000B的文件 则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下 从H1发送到H2接收完为止 需要的时间至少是多少 2010年全国考研题 划分分组数为 980000 1000 20 1000对于每个分组发送时延 1000 8 100 106 0 08ms总的时间至少为 0 08 3 0 08 999 80 16ms 作业 要传送的报文共1024bit 从源站到目的站共经过3段链路 每段链路的传播时延为10ms 数据率为1Mbps 在电路交换时电路的建立时间为100ms 在分组交换时 分组长度为672bit 首部长度为160bit 且各结点的排队等待时间可忽略不计 1 计算在电路交换时的时延 2 计算在分组交换时的时延 2 5流量控制 流量控制 指控制发送方的发送能力不超过接收方的接收能力常见的流量控制协议包括 停止 等待协议连续ARQ协议选择重传ARQ协议 采用滑动窗口机制 2 5 1停止 等待协议 常称为自动重传请求ARQ AutomaticRepeatreQuest 协议描述 当发送方发送完一个数据帧后 便等待接收方发回的确认帧只有当确认帧到达后 才能发送下一个数据帧若计时器超时而仍未收到确认帧 则重传刚刚发送过的数据帧 超时重传M1 a 无差错情况 A 发送M1 确认M1 B 发送M2 发送M3 确认M2 确认M3 A 发送M1 B 发送M2 确认M1 丢弃有差错的数据帧 b 超时重传 t t t t A 发送M1 B 超时重传M1 发送M2 丢弃重复的M1重传确认M1 a 确认丢失 确认M1 A 发送M1 B 超时重传M1 发送M2 丢弃重复的M1重传确认M1 b 确认迟到 确认M1 收下迟到的确认 但什么也不做 t t t t 超时重传 发送方每发送一个数据帧 就对这个数据帧设置一次超时计时器 只要超时计时器设置的重传时间已到 但发送方还没有收到接收方的确认 就要向接收方重传这个数据帧 请注意 在发送完一个数据帧后 必须暂时保留已发送数据帧的副本 数据帧和确认帧都必须进行编号 并且序号循环使用 超时计时器的重传时间应当比数据帧的平均往返时延更长一些 ack2 ack1 ack0 发送方 接收方 0 1 1 2 时间 时间 0 E 1 2 超时重传 出错 2 5 2连续ARQ协议 协议提出原因改进停止 等待协议 提高信道利用率协议描述数据帧按序从发送方流向接收方发送方在发送完一个数据帧后 不是停下来等待确认帧 而是可以连续再发送若干个数据帧出错帧处理方法 接收方等待发送方重发该帧 对其它发送方发来的帧均丢弃 发送方重发包括该帧在内的后面N帧附加说明连续ARQ协议又叫后退N帧ARQ协议 GoBackN GBN 接收方可以累计确认 ack6 2 0 1 3 4 2 3 4 0 1 E D D 2 3 4 5 6 5 6 发送方 接收方 重传2 4 ack0 ack1 ack2 ack3 ack4 出错 被丢弃的数据帧 超时间隔 ack5 2 5 3选择重传ARQ协议 选择重传 SelectiveRepeat 协议 SR 协议提出原因 改进连续ARQ协议 减少重传帧数 设法只重传出错的数据帧协议描述 出错帧的处理方法接收方发现某帧出错后 接收方对后面传来的帧不丢弃 而是把它们放在一个缓冲区中发送方只对出错帧进行重传接收方收到重传帧后 就将已收到的其余帧一起按正确的顺序递交网络层 且只对最高序号帧进行确认 2 0 1 3 4 2 5 6 0 1 E 3 4 2 5 6 7 8 7 8 发送端 接收端 重传 超时间隔 ack0 ack1 ack4 ack5 ack6 ack7 ack8 出错 被缓冲的数据帧 将2 4传给网络层 2 5 4滑动窗口机制 滑动窗口机制是从发送和接收两方面限制用户资源需求 并通过接收方来控制发送方的数量发送方在发送窗口尺寸允许下 一次可连续发送多个数据帧接收方在接收窗口尺寸允许下 可接收多个数据帧 并对多个数据帧一次进行确认 发送窗口和接收窗口发送窗口发送窗口是指发送方允许连续发送数据帧的序列表发送窗口的大小限制了发送方的已发送但未被确认的数据帧的数目 接收窗口接收窗口是指接收方允许接收数据帧的序列表凡是到达接收窗口内的数据帧才被接收 在窗口外的其它数据帧被丢弃 窗口滑动方法发送窗口滑动方法发送方收到确认ACKi i为接收方期望收到的序号 后 将发送窗口向前滑动到起始序号为i的位置 然后根据收到的接收窗口大小来设置发送窗口大小接收窗口滑动方法接收方对按序收到数据中的最高序号j j为接收方最后正确接收的序号 给出确认ACKj 1 然后将接收窗口向前滑动到起始序号为j 1的位置 窗口的滑动过程 前移 不允许发送 已发送并收到确认 A的发送窗口 20 允许发送的序号 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 B期望收到的序号31 前沿 后沿 前移 收缩 根据B给出的确认号31 接收窗口大小20A构造出自己的发送窗口 TCP标准强烈不赞成发送窗口前沿向后收缩 不允许发送 已发送并收到确认 A的发送窗口位置不变 允许发送但尚未发送 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 已发送但未收到确认 56 P1 P2 P3 不允许接收 已发送确认并交付主机 B的接收窗口 允许接收 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 未按序收到 可用窗口 A发送了11个数据帧 P3 P1 A的发送窗口 又称为通知窗口 P2 P1 已发送但尚未收到确认的数据帧P3 P2 允许发送但尚未发送的数据帧 又称可用窗口或有效窗口 注意 B只能对按序收到的数据的最高序号给出确认 确认号 允许发送但尚未发送 A的发送窗口向前滑动 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 已发送并收到确认 不允许发送 已发送但未收到确认 56 P1 P2 P3 允许接收 B的接收窗口向前滑动 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 已发送确认并交付主机 不允许接收 56 未按序收到 A收到新的确认号34 接收窗口大小20 发送窗口向前滑动 可用窗口增大 先存下 等待缺少的数据的到达 B收到31号帧 把31 33号帧交付给主机 接收窗口向前移动3个序号 并给A发确认 不允许发送 已发送并收到确认 A的发送窗口已满 可用窗口为零 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 已发送但未收到确认 56 P1 P2 P3 A的发送窗口内的序号都已用完 但还没有再收到确认 必须停止发送 ACK 1 ack 601 rwnd 0 ACK 1 ack 501 rwnd 100 ACK 1 ack 201 rwnd 300 seq 1 DATA seq 201 DATA seq 401 DATA seq 301 DATA seq 101 DATA seq 201 DATA seq 501 DATA A B 允许A发送序号201至500共300帧 A发送了序号101至200 还能发送200帧 A发送了序号301至400 还能再发送100帧新数据 A发送了序号1至100 还能发送300帧 A发送了序号401至500 不能再发送新数据了 A超时重传旧的数据 但不能发送新的数据 允许A发送序号501至600共100帧 A发送了序号501至600 不能再发送了 不允许A再发送 到序号600为止的数据都收到了 丢失 利用滑动窗口进行流量控制举例 A向B发送数据 在连接建立时 B告诉A 我的接收窗口rwnd 400 数据帧 流量控制各协议的窗口大小 最大窗口尺寸问题讨论 设帧序号位数为Q 发送窗口大小为WT 接收窗口大小为WR 为了能区分出新帧和重传帧 需满足如下条件 停止 等待协议Q 1 则WT和WR只能为1 满足WT WR 2Q连续ARQ协议WR只能为1 由WT WR 2Q可知 WT 2Q 1选择重传ARQ协议 WT WR 2Q WT WR 2Q WT WR 不考虑拥塞控制 WT WR 2Q 1 考虑拥塞控制 请自行讨论 帧序号位数为3 发送窗口WT和接收窗口WR的大小都为7 则会出现如下情况 数据帧正确接收 确认帧丢失 012345重叠帧 信道利用率问题讨论 设发送一个数据帧时延TD 往返时延RTT 发送一个确认帧时延TA 常忽略不计 信道利用率为U停止 等待协议连续ARQ协议和选择重传ARQ协议设发送窗口大小为P 并且满足PTD TD RTT TA U TD TD RTT TA U PTD TD RTT TA U TD TD RTT 不计TA U PTD TD RTT 不计TA 不考 例1 若采用后退N帧ARQ协议进行流量控制 帧编号字段为7位 则发送窗口的最大尺寸为 A 7B 8C 127D 128例2 数据链路层采用GoBackn方式进行流量控制 发送方已经发送了编号为0 6的帧 当计时器超时时 1号帧的确认还没有返回 则发送方需要重发的帧数是 A 1B 2C 5D 6例3 在选择重传协议 SR 中 当帧的序号字段为3比特 为保证新滑动的窗口与旧的窗口不产生帧编号的重叠 则发送窗口的最大尺寸是 A 2B 4C 6D 8例4 数据链路层采用选择重传协议 SR 传输数据 发送方已发送了0 3号数据帧 现0 2号帧依次超时 则此时需要重传的帧数是 A 1B 2C 3D 4 C D B B 例5 在数据传输速率为100Kbps的卫星信道上发送长度为1Kb的帧 单程传播时延为0 27s 假设确认总是由数据帧捎带 帧头很短 帧序号的长度为3bit 对于下列三种协议 可以取得的最大信道利用率是多少 1 停止 等待协议 2 连续ARQ协议 3 选择重传ARQ协议 解 三种协议的发送周期相同 均为1 100 0 27 1 100 0 27 0 56s 1 发送一个数据帧的时间为1 100 0 01s故U1 0 01 0 56 1 8 2 发送窗口最大值为23 1 7故U2 0 01 7 0 56 12 5 3 发送窗口最大值为23 1 4故U3 0 01 4 0 56 7 1 不考 作业 1 数据链路层采用了后退N帧 GBN 协议 发送方已经发送了编号为0 7的帧 当计时器超时时 若发送方只收到0 2 3号帧的确认 则发送方需要重发的帧数是 A 2B 3C 4D 52 P512 6 不考 2 6差错检测编码 基本思想发送端通过对信息序列进行某种变换 使原来彼此独立的 没有相关性的信息码产生某种相关性接收端据此来检查和纠正传输信息序列中的差错 常用的差错检测编码奇偶校验码校验和循环冗余校验码 2 6 1奇偶校验码 奇偶校验码是一种最简单的检错码只能对付少量的随机性错误奇偶校验定义 在原数据位后附加一个检验位 冗余位 使得在附加后的整个数据码中的 1 的个数成为奇数或偶数 分别称为奇校验或偶校验 奇偶校验过程发送端先将要传送的数据分组 一个字符 异步时 或若干个字符 同步时 然后在每一组后增加校验位 异步时 或校验字符 同步时 接收端按同样规律进行检验 如发现不符 则有错 否则认为传输正确 不考 奇偶校验分为三类水平奇偶校验垂直奇偶校验水平垂直奇偶校验水平奇偶校验主要用于异步传输信息字段 以字符为单位检验对象 一个字符检验字段 一个二进制位 称为水平校验位 传送顺序 水平校验位附加在字符之后传输 垂直奇偶校验主要用于同步传输信息字段 一组 由多个字符构成 为单位校验对象 对组中每个字符的相同位 构成一列 进行奇偶校验检验字段 校验位形成的校验字符 若干位垂直校验位 传送顺序 检验字符附加在信息分组之后传输水平垂直奇偶校验把水平和垂直两个方向的奇偶校验结合起来 水平垂直偶校验码表 检测能力水平或垂直奇偶校验只能检测出奇数个错误 而不能检测出偶数个位错水平垂直校验能检测出大多数偶数个位错 2 6 2校验和 能检测突发性的位串出错网络层协议IP 运输层协议TCP UDP等都采用互联网校验和来对报头进行差错检测 不考 互联网校验和计算方法发送方 1 把报头中的校验和字段置为0 2 将报头视为二进制16位整数流 如果长度不足 则补若干个0凑足16位整数倍 3 对报头内的每个16位二进制数进行反码求和 4 所有16位全部加完后 将求和结果取反填入校验和字段中 并将数据与校验和一起发送出去接收方 1 收到数据后 同样对报头中的每个16位二进制数进行反码求和 2 如果计算的结果为全1 则传输正确 否则 出错 反码求和的运算规则从低位到高位逐列进行计算若有进位 加到左一列高位若最高位相加后产生进位 则得到的结果要加1 发送方 接收方 16位 字1 16位 字2 16位 字n 报头 数据报 16位 字1 16位 字2 16位 字n 数据部分 CRC码由要传送的k位信息码后附加r位校验序列码 冗余码 构成CRC码采用多项式编码方法被处理的数据可看作是一个n阶的二进制多项式 如一个8位二进制数10110101可表示为 1x7 0 x6 1x5 1x4 0 x3 1x2 0 x 1 2 6 3循环冗余校验码 CRC码 第一步 求r位校验序列码设k位信息码多项式为M x 发送方和接收方约定的r阶生成多项式为G x 在信息码末尾添加r个0 则其对应的多项式变为m x xrM x 用模2除法进行m x G x 运算 获得商Q x 和余数R x 则m x G x Q x R x 这里 R x 对应数据为r位校验序列码 循环冗余校验方法 第二步 求CRC码令T x m x R x T x 对应数据为CRC码发送CRC码第三步 检验设接收端收到的数据多项式为T x 将T x 除以G x 若余数为0则传输数据正确 否则错误 M x pk 1xk 1 pk 2xk 2 p0 x0 pk 1pk 2 p0 m x xrM x G x yrxr yr 1xr 1 y0 x0 商Q x qk 1xk 1 q0 x0 余数R x lr 1xr 1 l0 x0 yryr 1 y0 m x G x 商qk 1 q0 余数lr 1 l0 pk r 1 pr0 0 yryr 1 y0 T x m x R x pk r 1xk r 1 prxr lr 1xr 1 l0 x0 pk r 1 prlr 1 l0 pk r 1 pr0 0 lr 1 l0 模2运算法则模2加法 相当于异或运算0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0模2减法 按照模2加法规则运算0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0模2除法 部分余数首位为1 则商为1 否则商为0 例 信息序列为1100 生成多项式为g x x3 x 1 求CRC码的检验序列码 并验证收到CRC码1101010的正确性 解 M x x3 x21100G x x3 x 11011m x xrM x x3 x3 x2 x6 x51100000m x G x R x x1100000 1011的余数为010r位检验序列码为010T x m x R x x6 x5 x1100000 010 1100010则对应CRC码为1100010验证 T x G x 1101010 1011余数11 不正确 101 111 1100000 1011 1 1011 0 1 1011 0 1 1011 001 0 0 1100000 1011结果 商为1110 余数为010 取r 3位 1若信息码字为11100011 生成多项式G x x5 x4 x 1 则计算出的CRC检验码为 A 01101B 11010C 001101D 00110102信息位串为1010001 若G x x4 x2 x 1 求CRC码 3采用生成多项式x6 x4 x 1发送的报文到达接收方为101011000110 所接收的报文是否正确 试说明理由 作业 2 7传输介质 2 7 1有线传输介质2 7 2无线传输介质 2 7 1有线传输介质 1 双绞线双绞线 两根绝缘铜导线拧成有规则的螺旋形导线通常一对线作为一条通信线路若干对双绞线构成一根电缆 导体 绝缘体 一对绞线 双绞线 填充物 外壳 铜线 铜线 聚氯乙烯套层 聚氯乙烯套层 屏蔽层 绝缘层 绝缘层 非屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 双绞线分类 屏蔽双绞线STP ShieldedTwisted Pair 非屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwisted Pair 常用双绞线的分类 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 同轴电缆 2 同轴电缆50 同轴电缆 基带同轴电缆75 同轴电缆 宽带同轴电缆 3 光纤 折射角 入射角 包层 低折射率的媒体 包层 低折射率的媒体 纤芯 高折射率的媒体 包层 纤芯 光线在光纤中的折射 高折