南京大学计算机网络3

OpenSystemInterconnectionReferenceModel 分层的特点 分工合作 责任明确对等交谈 相对独立逐层处理 层层负责 网络的OSI模型概述 5 G J 7 D H 3 A L 1 B M 4 E N 2 C I 6 F K OSI模型的数据传输 信息的传递通过七层协议 发送进程 接收进程 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 AH 数据 PH SH TH NH DH 数据 数据 数据 数据 数据 DT bits 应用协议 表示协议 会话协议 实际数据传输路径 封装 解封装 SDU PDU 网络分层模型 邮件的封装 信 信封 邮政信袋 邮政车厢 数据链路层封装 网络层封装 传输层封装 应用层封装 物理层传输 PDU 网络分层模型 计算机网络的体系结构 常见的网络层次模型ISO的OSI模型DoD的TCP IP模型LAN RM DoD模型 建立在既成事实上的标准 TCP IP模型 描述Internet结构体系的方法互联的协议 Interface 完整的协议 互联的协议 网络分层模型 应用层applicationlayer TCP IP模型的应用层包括所有的高层协议提供常用 标准 协议 FTP FileTransferProtocol SMTP SimpleMailTransferProtocol TELNET标准终端仿真协议DNS DomainNameService 传输层Transportlayer 位于互联网层的上层 与OSI中的传输层相对应其功能是使源端与目的端主机的对等实体进行对话定义了两个端到端的协议 传输控制协议TCP tansmissioncontrolprotocol 用户数据报协议UDP userdatagramprotocol 互联网层 internetlayer 此处的互联网是指基于无连接的分组交换网络定义了正式的分组格式和协议 IP internetprotocol 解决每个IP包 一个报文的各个不同的分组 的路由问题与OSI的网络层相对应一个报文的各个不同的分组 IP包 可以通过不同的路径到达目的地 其到达的顺序与发送的顺序可能不一致 主机至网络 接口 层 在互联网层以下 TCP IP参考模型没有定义 认为互联网是网络的互联 不认为是一个协议层TCP IP模型面向的是网络 而不是主机 TCP IP协议簇 TCP IP协议是一组协议的总称 包括 IP层 即互联网层 IP ICMP ARP RARP OSPF 等等TCP层 即传输层 TCP UDP应用层 FTP SMTP SNMP TELNET HTTP DNS 等等 LAN模型 LAN RM IEEE制定的标准1 逻辑链路控制层LLC LogicalLinkControl 管理链路上设备间的通信 向高层提供统一的链路访问形式 建立 释放逻辑连接 差错控制 帧序号处理 无连接链路服务面向连接链路服务2 介质访问控制层MAC MediaAccessControl 唯一地标识设备 寻址 位差错检测 组帧 拆帧 实现 维护MAC协议 CSMA CD 令牌总线 令牌环 时间片分割环3 物理层发送接收 分配 调制 本课程的网络模型 OSI层次结构本课层次结构 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 物理层 应用层 传输层 网络层 数据链路层 Chap2数据通信基础 1 通信系统基本组成及概念 2 信道和信道参数 3 计算机数据传输与控制方式 4 数据编码技术 5 多路复用技术 6 检错纠错技术 7 数据交换技术 1 通信系统基本组成及概念 在Internet中 任何两台计算机之间的数据交换都是借助于通信的手段来实现的本质上是一个数据通信问题在计算机网络中通信的目的是为了交换信息数据通信 依照一定的协议 利用数据传输技术在两个功能单元 终端 之间传递数据信息的一种通信方式和通信业务数据通信系统 通过数据电路将分布的远程终端设备连接起来 实现数据传输 交换 存储和处理的系统 由计算机 远程终端和数据电路以及有关通信设备组成 数据通信系统的组成 调制解调器 PC机 公用电话网 调制解调器 数字比特流 数字比特流 模拟信号 模拟信号 正文 正文 PC机 数据通信系统的组成 DTE DataTerminalEquipment 是数据终端设备 是具有一定的数据处理能力和发送 接收数据能力的设备 DCE DataCircuit terminatingEquipment 是数据电路端接设备 它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能 并且负责建立 保持和释放数据链路的连接 基本概念 计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母 数字或控制符号ASCII美国信息交换标准码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange 已为ISO和CCITT所采纳 成为国际通用的信息交换标准代码 使用7位二进制数来表示一个英文字母 数字 标点或控制符号图形 音频与视频数据则可分别采用多种编码格式 数据与信息 被传输的二进制代码称为数据 是传输信息的载体信息 数据的集合 概括 含义与抽象数据 data 与信息 information 的关系数据是运送信息的有意义的实体信息是数据的内容和解释 数据分类 数据分为模拟数据和数字数据两大类模拟数据 AnalogData 连续数据 是指随时间连续变化的信号 其状态是连续变化和不可数的 由传感器采集得到的连续变化的值 例如温度 压力 以及目前在电话 无线电和电视广播中的声音和图像 数字数据 DigitalData 离散数据 指其值用离散状态表示的信号 其状态是离散的和可数的 是模拟数据经量化后得到的离散的值 例如在计算机中用二进制代码表示的字符 图形 音频与视频数据 介质上传输什么 数据转换成传输介质上所承载的信号进行传递 数据与信号 不同的数据须转换为相应的信号才能进行传输信号 Signal 利用电子能量进行通信的方法信号是数据的电气或电磁形式的编码 是数据的具体物理表现 能使数据以适当的形式在介质上传输 具有特定的物理描述 电压 磁场强度等分为两类形式光或电压脉冲状态的变化波形的连续变动状态 数据与信号 发送端接收端 将数据转换成信号 将信号还原成数据 铜质缆线承载电信号 光纤缆线承载光信号 无线接入传播电磁波信号 将信号送入传输介质 从传输介质读入信号 信号的两个基本形式 数字信号由可数的信息元素所组成有一个最小的分阶单位元素之间不存在任何中间状态不连续性分布模拟信号由不可数的信息元素所组成不分阶元素之间可以存在无限多种中间状态连续性分布 模拟传输和数字传输 模拟传输 是指模拟数据的传输 不关心传输信号的内容 而只关心减少信号的衰减和噪声 长距离传输时采用信号放大器数字传输 是指数字数据的传输 关心信号的内容 长距离传输时采用转发器 还原 再生 可消除噪声的积累不论是模拟传输还是数字传输都需要一条传输通道 Chap2数据通信基础 1 通信系统基本组成及概念 2 信道和信道参数 3 计算机数据传输与控制方式 4 数据编码技术 5 多路复用技术 6 检错纠错技术 7 数据交换技术 2 信道和信道参数 信道传输信息的必需的通路通信信道 CommunicationChannel 是数据传输的通路 在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信道物理信道指用于传输数据信号的物理通路 它由传输介质与有关通信设备组成 信道分类 物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道 也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道模拟信道 传输的是模拟信号数字信道 直接传输二进制数字脉冲信号逻辑信道指在物理信道的基础上 发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻辑 联系 由此为传输数据信号形成的逻辑通路逻辑信道可以是有连接的 也可以是无连接的 信道 一般意义上的信道是一个逻辑上的概念一条物理链路可以包含若干条信道信道是通过对传输媒介所拥有的电磁频带进行划分而得到的实质上是指定的一段频带 允许信号通过 同时又给信号以限制和损害一个信道就是传输媒介整个带宽的一部分 电信领域使用的电磁波的频谱 信号的Fourier分析 傅立叶级数 任何正常周期为T的函数g t 都可由 无限个 正弦和余弦函数合成 其中 f 1 T是基频 an和bn称为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅 任何信号的传输都可理解为以Fourier级数的形式传递 若每个傅立叶级数的信号分量被等量衰减 则合成后的振幅有所衰减 基本形状不变对任何已知的g t 可求得 例 字母b的ASCII码01100010 可求得 信道允许通过的谐波数越高传输质量越好 信道的主要技术指标 信道容量 ChannelCapacity 指信道传输信息的最大能力对于数字信道一般用单位时间可以传输的最大二进制位 比特bit 数来表示对于模拟信道则由信道的带宽表示计算信道容量的2个著名定理 理想低通特性无噪声信道 Nyquist定理高斯随机噪声干扰的信道 Shannon定理 主要技术指标 尼奎斯特定理 H Nyquist1924 信道容量 最大码元速率 是其带宽的两倍C 2WBaud 2WlbNbpsN为给定时刻数字信号可能取的电平状态个数注意 信道容量表示信道的最大数据传输速率例 若一理想低通信道带宽为6kHz 并通过4个电平的数字信号 则在无噪声的情况下 信道容量为多少 描述的是有限带宽 无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系 主要技术指标 香农定理 ClaudeShannon1948 随机噪声干扰信道上传输数字信号 信道容量为 C Wlb 1 S N S N为信噪比 用分贝数 dB 即10lg S N 例 对于一个3 1kHz带宽的标准电话信道 如果信噪比为30dB 那么为了保证信号传输无差错 信息的传输速率一定不能超过多少 理解 信道容量不变 带宽和信噪比可以互换 信号被噪声淹没情况下 增加信号的带宽 仍能保持可靠通信 结论 信道带宽越宽 数据传输速率就越大 反之亦然信道容量一般用单位时间内最大可传送的比特数表示信道容量的大小还受信道质量 信号功率和干扰功率之比 和可使用时间的影响 当信道质量较差时 实际传输速率将降低 奈奎斯特定理和香农定理给出的是信道的最大数据传输速率的极限值 实际上真正达到十分困难 比特率与波特率 比特率bitrate是一种数字信号的传输速率 它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位数其单位为每秒比特数bit s bps 每秒千比特数 Kbps 或每秒兆比特数 Mbps 来表示 此处K和M分别为1000和1000000 而不是涉及计算机存储器容量时的1024和1048576 波特率baud是指数据信号对载波的调制速率 波形速率 是针对模拟信号传输过程中 用每秒钟载波调制状态改变的次数来表示 或每秒传送的波形个数 其单位为波特 Baud 比特率和波特率的关系 如果一个信号有n个不同的波形或电平 即有n个状态 则每个波形或电平需要用lbn个二进制位来表示S Blog2nn为脉冲信号所表示的有效状态数1个码元只携带1bit的信息量 则b s Bd Bitrate与baud的区别 数字信号模拟信号 模拟信道 Baud bps 带宽 指介质能传输的最高频率和最低频率之间的差值 单位为Hz kHz MHz或GHz电话信道的带宽 300 3400Hz用来表示在模拟信道中信道传输信息的能力带宽和数据传输速率都是用来度量网络传输能力的术语 从技术角度 属不同的概念 注意区别 3 计算机数据传输与控制方式 数据传输类型基带信号与基带传输频带信号和频带传输宽带信号和宽带传输并行和串行通信信道工作方式同步和异步控制数字和模拟传输 基带传输 基带信号与基带传输 由计算机或终端产生的数字信号 频谱都是从零开始的 这种未经调制的信号所占用的频率范围 直接用两种不同的电压来表示数字信号1和0 其对应矩形电脉冲信号的固有频率 叫基本频带这个频带从直流起可高到数百千赫 甚至若干兆赫 简称基带 baseband 这种相应的数字信号就称基带信号 BasebandSignal 在有线信道中 直接用电传打字机进行通信时传输的信号就是基带信号传送数据时 以原封不动的形式 把基带信号直接送入线路 称为基带传输 BasebandTransmission 一般用于传输距离较近的数字通信系统 如基带局域网系统 一般都采用基带同轴电缆作传输介质 又称为窄带传输 频带传输 频带传输 在计算机的远程通信中 是不能直接传输原始的电脉冲信号的 基带信号 需要利用频带传输 即用基带脉冲对载波波形的某些参量进行控制 使这些参量随基带脉冲变化 即调制经过调制的信号称为已调信号 已调信号通过线路传输到接收端 然后经过解调恢复为原始基带脉冲把数字信号调制后送到模拟信道上进行传输时的模拟信号 频带信号这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法 频带传输频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点 而且能实现多路复用的目的 从而提高了通信线路的利用率 宽带信号和宽带传输 宽带传输所谓宽带 就是指比音频 4KHZ 带宽还要宽的频带宽带信号用多组基带信号1和0分别调制不同频率的载波 并由这些分别占用不同频段的调制载波组成将物理链路的带宽划分为若干子频带 分别传输信息 使用这种宽频带进行传输的系统就称为宽带传输系统宽带传输是指在一根线路上多路复用多个独立信号的数据传输技术对于局域网而言 宽带这个术语专门用于使用传输模拟信号的同轴电缆宽带传输系统是模拟信号传输系统 它允许在同一信道上进行数字信息和模拟信息服务ADSL 4kHz分界 宽带信道 DiscreteMulti Tone HybridFiberCoax 基带和宽带 基带和宽带的区别基带 baseband 基带系统用传输媒介的整个容量作为一个信号信道宽带 broadband 宽带系统使用传输媒介的容量提供多重信道基带数据传输速率为0 10Mb s 更典型的是1Mb s 2 5Mb s 通常用于传输数字信息 宽带是传输模拟信号 数据传输速率范围为0 400Mb s 通常使用的传输速率是5Mb s 10Mb s宽带和频带区别宽带传输一定是采用频带传输技术的 但频带传输不一定就是宽带传输 并行传输和串行传输 数据传输方式根据一次传输数位的多少可将基带传输分为并行 Parallel 方式和串行 Serial 方式前者是通过一组传输线多位同时传输数字数据后者是通过一对传输线逐位传输数字代码通常 计算机内部以及计算机与并行打印机之间采用并行方式 而传输距离较远的数字通信系统多采用串行方式 并行传输方式 并行传输方式 并行传输 字符编码的各位 比特 同时传输特点 1 传输速度快 一位 比特 时间内可传输一个字符 2 通信成本高 每位传输要求一个单独的信道支持 因此如果一个字符包含8个二进制位 则并行传输要求8个独立的信道的支持 3 不支持长距离传输 由于信道之间的电容感应 远距离传输时 可靠性较低 串行传输方式 串行传输方式 串行传输 将组成字符的各位串行地发往线路特点 1 传输速度较低 一次一位 2 通信成本也较低 只需一个信道 3 支持长距离传输 目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输 数据传输方式 串并应用特点并行传输方式要求并行的各条线路同步 因此需要传输定时和控制信号 而并行的各路信号在经过转发与放大处理时 将引起不同的延迟与畸变 故较难实现并行同步 若采用更复杂的技术 设备与线路 其成本会显著上升 故在远距离数字通信中一般不使用并行方式 串行通信双方常以数据帧为单位传输信息 但由于串行方式只能逐位传输数据 因此 在发送方需要进行信号的并 串转换 而接收方则需要进行信号的串 并转换 信道工作方式 串行数据线的三种配置 单工通信 半双工 全双工通信单工 半双工和全双工方式根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式 单工 半双工与全双工 在计算机网络中主要采用双工方式 其中 局域网采用半双工方式 城域网和广域网采用全双工方式 信道工作方式 单工 Simplex 方式 通信双方设备中发送器与接收器分工明确 只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据 采用单工通信的典型发送设备如早期计算机的读卡器 典型的接收设备如打印机 信道工作方式 半双工 HalfDuplex 方式 通信双方设备既是发送器 也是接收器 两台设备可以相互传送数据 但某一时刻则只能向一个方向传送数据 例如 步话机是半双工设备 因为在一个时刻只能有一方说话 信道工作方式 全双工 FullDuplex 方式 通信双方设备既是发送器 也是接收器 两台设备可以同时在两个方向上传送数据 例如 电话是全双工设备 因为双方可同时说话 传输控制方式 为了进行通信 保证位同步 需要制定通信的传输规则 同步传输和异步传输通信传输规则数据的位是通过特定信号特性的状态变化而编码到模拟或数字信号上的 接收端通过对其特性的测量来对信号进行解释 接收端应知道所接收信息的起始时间和持续时间 同步 统一收端和发端动作的措施 同步技术 同步技术 在数字通信中 同步 Synchronous 是十分重要的 当发送器通过传输介质向接收器传输数据信息时 如每次发出一个字符 或一个数据帧 的数据信号 接收器必须识别出该字符 或该帧 数据信号的开始位和结束位 以便在适当的时刻正确地读取该字符 或该帧 数据信号的每一位信息 这就是接收器与发送器之间的基本同步问题 通信双方的收发数据序列必须在时间上一致 以使收方能准确地区分和接收发送放发来的数据 同步技术 当以数据帧传输数据信号时 为了保证传输信号的完整性和准确性 除了要求接收器应能识别每个字符 或数据帧 对应信号的起止 以保证在正确的时刻开始和结束读取信号 也即保持传输信号的完整性外 还要求使其时钟与发送器保持相同的频率 以保证单位时间读取的信号单元数相同 也即保证传输信号的准确性 同步技术 因此当以数据帧传输数据信号时 要求发送器应对所发送的信号采取以下两个措施 在每帧数据对应信号的前面和后面分别添加有别于数据信号的开始信号和停止信号 在每帧数据信号的前面添加时钟同步信号 以控制接收器的时钟同步 异步控制方式 异步asynchronous传输 异步传输又称起止式传输 其特点是以字符为单位进行数据传输 字符内部的每一位采用固定的时间模式 字符之间间隔任意 用独特的起始信号 或起始位 和终止信号 或结束位 来限定每个字符 传输效率较同步传输低 异步通信必须指定的四个参数 波特率 字符长度 奇偶校验 起止位长度 同步控制方式 同步传输 指发送方和接收方的采样时钟是同一个根据同步通信规程