第2章计算机网络与技术.ppt

1 2 1数据通信基础 通过计算机网络可以获取各种信息 这些信息在网络上的表现形式是数据 信息的获取 实质就是获取数据 也就是数据通信 它是计算机网络的基础 2 2 1 1数据表示和传输 1 信息 数据的具体内容和解释 对客观事物属性和特征的表征 2 数据 由数字 字符和符号等组成 是信息的载体 3 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 3 模拟 波动性 持续变化 反映事物的本质 在电信业已经被广泛使用超过100年 数字 离散性 跃变性 设备性能先进 模拟信号与数字信号的特点 4 数据通信系统的组成要素 信源 信息的发送源信宿 su 信息的接收源信道 用来传输信号的介质或通路 有线信道 无线信道数字信道 模拟信道变换器 将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号 典型的设备如调制解调器 5 2 1 2数据通信方式 数据通信 指信源和信宿之间传送数据的通信方式 根据信道中传输的信号的不同 可以分为 模拟通信和数字通信 6 1 模拟通信 模拟通信 在通信信道中传输模拟信号的通信方式 普通的电话 广播 电视等都属于模拟通信 7 信源 发出原始模拟信号 调制器 用发送的消息对载波的某个参数进行调制的设备 信道 用来传输信号的介质或通路 噪声源 在进行信号传输的时候 可能产生的各种干扰 如脉冲噪声和随机噪声 解调器 实现调制过程逆变换的设备 8 通信系统相关技术参数 信道带宽 信道所能传输的信号的最高频率与最低频率之差 信号带宽 信号所占据的频率范围 9 信道的最大传输速率 数据传输速率都有最大值 单位是bit s 即比特每秒 信道的吞吐量 把信道在单位时间内成功传输的信息量称为吞吐量 单位也是bit s 信道利用率 信道的吞吐量和最大数据传输速率之比 10 2 数字通信 数字通信 在通信信道中传送数字信号的通信方式 计算机通信 数字电话以及数字电视都属于数字通信 11 数字通信系统的主要特点 1 抗干扰能力强 2 可实现高质量的远距离通信 3 能适应各种通信业务 4 能实现高保密通信 5 通信设备的集成化和微型化 12 单工 半双工和全双工通信 根据数据传输方向和时间的不同关系 可将传输技术分成三种 1 单工通信在通信线路上 数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式称为单工通信 如广播 电视节目 13 2 半双工通信数据可以双向传输 但不能同时进行采用分时间段传输 在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息 这种通信方式称为半双工通信 如对讲机 14 3 全双工通信可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信 如电话系统 15 2 1 3多路复用技术 为了有效地利用通信线路 提高信道利用率 出现了多路复用技术 多路复用 在一条物理通信线路上建立多条逻辑通信信道 同时传输若干路信号的技术就叫做多路复用技术 重点掌握三种 频分多路复用 波分多路复用和时分多路复用 16 1 频分多路复用 将若干路信号搬移到频谱的不同位置 相邻两路频谱之间留有一定的频率间隔 每路信号占据其中一个频段 从而形成多个子信道 17 2 波分多路复用 用于光纤网络中 在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种就是波分多路复用 在一根光纤中传输多种不同波长的光信号 由于波长不同 所以各路光信号互不干扰 最后再用波长解复用器将各路波长分解出来 18 波分多路复用示意图 19 20 3 时分多路复用 不同的信号在不同的时间轮流使用物理信道 具体实现原理 通信时把通信时间划分成为若干个时间片 非常短的时间段 每个时间片占用信道的时间都很短 把时间片分配给各路信号 每一路信号使用一个时间片 在某个时间片内 该路信号占用信道的全部带宽 21 22 以电话系统为例说明时分多路复用的原理对于带宽为4kHz的电话信号 每秒采样8000次就可以完全不失真地恢复出话音信号 这种技术被称为脉冲编码调制 PCM技术 23 采样 在每隔固定长度的时间点上抽取模拟信号的瞬时值 采样定理 在进行模拟 数字信号的转换过程中 当采样频率大于信号中最高频率的2倍时 采样之后的数字信号可以完整地保留原始信号中的信息 24 2 1 4数据交换技术 常见的数据交换技术有三种 电路交换报文交换分组交换 25 1 电路交换 有时也称线路交换 利用电路交换技术进行通信一般包括三个阶段 类似于打电话的过程 建立电路传输数据拆除电路 26 电路交换过程 A B C D 发送呼叫信号 传输 发送呼叫信号 传输 发送呼叫信号 传输 发送回应信号 27 交换技术 电路交换特点 1 有物理连接的建立过程2 通话建立以后源与目的间有一条专用的通路存在3 实时性好 适用于实时性要求较高的数据传输 28 电路交换的优缺点 优点 传输延迟小 主要的延迟来自于物理信号在信道中的传播时间 一旦线路建立 便不会发生冲突 缺点 有时用于建立物理线路连接所需的时间比较长 一旦信道被占用 就不能被其它用户所使用 29 2 报文交换技术 以报文为单位交换信息 类似于邮局的信件投递过程 30 报文交换不事先建立物理电路 当发送方有数据要发送时 把要发送的数据当做一个整体交给中间交换设备 中间交换设备先将报文存储起来 然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备 如此循环 直至将数据发送到目的节点 31 报文交换过程 发送报文 传输 等待 发送 传输 等待 发送 传输 32 电报系统使用的是报文交换技术 在报文交换中 一般不限制报文的大小 一般要求各个中间节点必须使用磁盘等外设来缓存较大的数据块 33 2 6交换技术 报文交换特点 1 没有呼叫建立的过程 不存在专用通路 2 属于存储 转发式的交换技术的类型 34 报文交换技术的优点 多个报文可以分时共享节点间的同一条通道 线路利用率较高 35 缺点 报文传输延迟较长不能满足实时或交互式通信要求 不能用于声音连接 不适于远程终端与计算机之间的交互通信 36 3 分组交换技术 把报文分成若干个分组 Packet 包 以分组为单位进行暂存 处理和转发 分组携带地址信息选择路线 与报文交换的区别 规定了分组的长度 37 分组交换技术 38 分组交换是报文交换技术的改进 39 2 6交换技术 分组交换特点 同样没有连接建立的过程和专用通路的存在也属于存储 转发式的交换技术的一种 40 优点 传输延迟小 提高了传输速率小的分组还可减少重新传输出错分组的开销 41 分组交换比报文交换的优越性 在具有多个分组的报文中 中间交换机在接收第二个分组之前 就可以转发已经接收到的第一个分组 即各个分组可以同时在各个结点对之间传送 这样减少了传输延迟 提高了网络的吞吐量 42 分组交换和电路交换的对比 43 2 2物理层 物理层的主要功能 1 为物理上相互关联的通信双方提供物理连接 物理信道 2 在数据通道上实现按位传输数据 44 物理层的两类常用设备 数据终端设备DTE是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备 是计算机网络中的数据源和信源 通常是一台计算机 也可以是输入 输出设备 根据设备的不同功能 可分成DTE和DCE两类 45 数据电路端接设备DCE介于DTE与传输介质之间的设备 用于将DTE发出的数字信号变为适合在传输介质上传输的信号形式 并且负责建立 保持和释放数据链路的连接 46 物理层接口特性 物理层接口协议实际上是DTE和DCE或其他通信设备之间的一组约定 主要解决网络节点与物理信道如何连接的问题 协议包括了4个方面 47 1 机械特性 规定了DTE和DCE之间的连接器形式 包括连接器的形状 几何尺寸 引线数目和排列方式等 2 电气特性 规定了DTE与DCE之间多条信号线的连接方式 发送器和接收器的电气参数 包括信号源的输出阻抗 负载的输人阻抗 信号的电压范围 传输速率 平衡特性和距离的限制等 48 3 功能特性 对接口各信号线的功能给出了确切的定义 说明某些连线上出现的某一电平的电压所表示的意义 4 规程特性 规定了DTE和DCE双方在各电路上的动作顺序以及维护测试操作等 49 物理层介质 物理层介质包括架空明线 平衡电缆 光纤 无线信道等 在计算机网络中应用的物理电缆主要有同轴电缆 双绞线和光纤 无线信道则主要是自由空间 50 2 3网络的传输介质 传输介质是网络数据流动的载体 是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路 传输介质大体可以分为有线传输介质和无线传输介质两大类 51 有线传输介质包含 双绞线 同轴电缆和光纤无线传输介质包含红外线 激光 微波和卫星通信等 52 有线传输介质1 双绞线由4对线 8芯制 按一定密度相互扭在一起形成 按照其外部包裹的是金属编织层还是塑橡外皮 可分为屏蔽双绞线电缆 STP 和非屏蔽双绞线电缆 UTP 53 每对线互绞的原理 如果外界电磁信号在两条导线上产生的干扰大小相等而相位相反 那么这个干扰信号就会相互抵消 54 在网络中使用的双绞线 需要在两端接插头或者插座 称为RJ 45接头 才能和别的设备连接 55 双绞线可以用来传输模拟信号和数字信号 铜线的直径和距离决定了它的带宽 在几km的范围内 传输速率可达几Mbps 网络中使用的双绞线根据其性能分成多个等级 现在常用的是5类非屏蔽双绞线 以前还有3类 4类等 以后会有6类 7类 或者更高 等级越高表示带宽也越大 56 网络设备中的插座 如网卡上的插座 需要定义出发送和接收引脚的排列 都由物理层标准定义 图中Tx 和Tx 是发送数据的一对引脚 Rx 和Rx 是一对接收引脚 网卡的T和集线器的R连接 网卡的R和集线器的T连接 收发需相互对应 57 双绞线的线序排列标准 1985年初 计算机工业协会提出对大楼布线系统标准化的倡仪 美国电子工业协会 EIA 和美国电信工业协会 TIA 开始标准化制定工作 1991年7月 EIA TIA568 商业大楼电信布线标准问世 568的布线标准中规定了两种双绞线的线序568A与568B 58 568A规定的线序标准 1 绿白 白色的外层上有些绿色 表示和绿色是一对线 2 绿色 3 橙白 白色的外层上有些橙色 表示和橙色是一对线 4 蓝色 5 蓝白 白色的外层上有些蓝色 表示和蓝色是一对线 6 橙色 7 棕白 白色的外层上有些棕色 表示和棕色是一对线 8 棕色 59 568B规定的线序标准 双绞线的制作一般常按照568B的标准进行线序排列 1 橙白2 橙3 绿白4 蓝5 蓝白6 绿7 棕白8 棕 60 双绞线中的正线与反线 正线 又称为直通线 两端线序一样 制作时都遵循568B的标准 普通计算机上网使用 用于计算机 交换机 计算机 集线器的连接 反线 又称为交叉线 一端按568A的标准 一端按568B的标准制作 一般用于相同设备之间的连接 如计算机 计算机 交换机 交换机之间的直连 61 2 同轴电缆 由两根同轴心 相互绝缘的圆柱形金属导体构成基本单元 同轴对 再由单个或多个同轴对组成的电缆 两个导体间用绝缘材料互相隔离 外层导体和中心轴芯线的圆心在同一个轴心上 所以叫做同轴电缆 62 内导体 外导体 63 同轴电缆分类 从用途上分可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆 即网络同轴电缆和视频同轴电缆 分别对应50 基带电缆和75 宽带电缆 基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆 基带电缆仅仅用于数字传输 数据传输率可达10Mbps 64 3 光纤 光导纤维 简称光纤 是光纤通信的传输媒体 光纤的传输原理是基于光的全反射原理 把信息从光纤的一端传送到另一端 从而达到了传导光波的目的 65 光纤由石英制成 跟玻璃成分一样 只是纯度极高 透明性极好 66 67 根据光纤传输数据模式的不同 分为多模光纤和单模光纤两种 多模光纤 光在光纤中有多条不同角度入射的光线在一条光纤中同时传播 这种光纤直径较粗 68 单模光纤 光在光纤中的传播没有反射 而沿直线传播 这种光纤的直径非常细 使光线沿直线向前传播 69 单模光纤和多模光纤的特性差别很大 在应用中多使用多模光纤 70 光纤传输系统主要由三部分组成 光源 又称光发送机 传输介质和检测器 又称光接收机 光纤通信系统的基本构成 71 光纤的特点 重量轻 频带宽 传输速率高 误码率低 不受电磁干扰 保密性好 传输损耗低 72 无线传输介质 直接通过电磁波来实现站点之间通信的传输介质 无线电数字微波通信系统在长途大容量的数据通信中占有及其重要的地位 微波是一种频率很高的电磁波 其频率范围为300MHz 300GHz 73 1 无线电短波传输无线电波很容易产生 也可以传输很长的距离 具有较强的穿透能力 所以无线电波被广泛应用于通信领域 在无线电传输中 短波通信应用最广 它的波长为10 100m 频率为3 30MHz 缺点 无法抵御窃听和各种有意的干扰 74 2 地面微波通信微波在空间主要是直线传播 一般50km左右 微波的频率范围为300MHz 300GHz 长途通信时必须建立多个中继站 中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站 75 地面微波通信优点 频带宽 信道容量大 初建费用低 建设速度快 应用范围广等 缺点 保密性能差 抗干扰性能差 两微波站天线间不能被建筑物遮挡 76 卫星通信 利用位于3万6千公里高空的人造地球同步卫星 一种特殊形式的微波接力通信 3 卫星通信 77 1 通信范围大 只要卫星发射的波束覆盖的范围均可进行通信 2 不易受陆地灾害影响 3 建设速度快 通信容量大 通信距离远 4 易于实现广播和多址通信 5 电路和话务量可灵活调整 且通信费用与通信距离无关 6 同一信道可用于不同方向和不同区域 卫星通信的优点 78 卫星通信的缺点 1 信号到达延迟较长 2 10GHz以上频带受天气的影响 3 天线受太阳噪声的影响 4 安全保密性较差 造价高 79 4 红外线与激光通信把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播 80 比微波通信具有更强的方向性 难以窃听 插入数据和进行干扰 红外传输对环境因素较为敏感 只能在室内和近距离使用 81 激光传输 大气激光通信系统主要由大气信道 光发送机 光接收机 光学天线 透镜或反射镜 电发送机 电接收机 终端设备 电源等组成 有的还备有遥控 遥测等辅助设备 激光的频率单一 能量高度集中 波束非常细密 波长在微波到红外之间 82 2 4物理层设备 包括两种 中继器集线器 83 2 4 1中继器 是连接网络线路的一种装置 用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作 有时也用于转换网络的传输介质类型 主要完成物理层的功能 负责在两个节点的物理层上按比特位传递信息 完成信号的复制 调整和放大功能 以此来延长网络的长度 84 85 86 中继器的5 4 3规则 指网络总长度不得超过5个区段 4台网络延长设备 且5个区段中只有3个区段可接网络设备 即 一个网段最多只能分5个子网段 使用4个中继器 最多只能有3个子网段连接PC 其他两个用来延长距离 不能连接计算机 87 中继器主要用于扩充LAN电缆段的距离限制 不具备检查错误和纠正错误的功能 错误的数据经中继器后仍被复制到另一电缆段 现在 已经很难见到中继器 已被集线器取代 88 2 4 2集线器 局域网中网络连线的中央连接点 是多端口的中继器 又称为Hub h b 可按比特位复制经由物理介质传输的信号 提供所有端口间的同步数据通信 89 集线器能够支持各种不同的传输介质和数据传输速率 一般以一个端口与主干网相连 并有多个端口连接一组工作站 90 集线器多用于星型结构的网络连接 充当中央节点 91 集线器的端口常见的是一般网线采用的RJ 45类型 双绞线的接口 还有光纤口或者同轴电缆接口 但这种接口 现在很少在集线器上出现 92 集线器工作原理 在集线器内部只有一条数据总线 数据的发送和接收共用这一条总线 当两台计算机同时发送数据时就会出现信号碰撞现象 集线器需要处理这种总线冲突 所有数据发送马上停止 重新进入总线的抢用过程 集线器采用广播方式发送数据 一个发送多个接收 93 集线器广播方式通信的不足 1 用户数据包向所有节点发送 数据网络上的所有主机都能收到 很可能带来数据通信的不安全因素 2 由于数据包都是向所有节点同时发送 加上总线带宽需要共享 降低了数据传输速率 3 集线器的同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信 半双工工作方式 不能满足大型网络通信的需求 94 集线器的分类 根据配置形式的不同 可分为三类 独立式 价格低 具备集线器的基本功能 在小型局域网中使用 堆叠式 将多个独立HUB连接到一起当做一个独立式的HUB使用 其中一个HUB担当管理功能 模块式 带有机架和多个卡槽 每个卡槽中可安装一块卡 每块卡的功能相当于一个独立型的HUB 多块卡通过安装在机架上的通信底板进行互连并相互通信 95 集线器之间的连接 1 集线器的堆叠将多台集线器的堆叠端口使用电缆连接 以实现单台集线器端口数的扩充 这种方式只能用在有堆叠端口的集线器上 一个可堆叠集线器一般同时具有 UP 和 DOWN 堆叠端口 96 2 级联方式级联是另一种集线器端口扩展方式 这种方式通过集线器的普通或特定端口来进行连接 97 使用Uplink端口级联很多集线器有Uplink级联端口 左图所示 当使用集线器提供的的Uplink端口时 可利用线将该端口连接至其他集线器上除Uplink端口外的任意端口 右图所示 98 使用普通端口级联有些集线器使用一个普通端口兼作Uplink端口 并利用一个开关 MDI MDI X转换开关 在两种类型间进行切换 图2 29集线器的切换开关 99 集线器间除了可以使用级联端口连接 还可通过集线器的普通端口进行级联 但这时需采用交叉线类型的双绞线连接 前面所说一端568A 一端568B的线序制作的反线 图2 30集线器通过普通端口连接 100 2 5拨号上网技术 拨号上网的网络结构示意图 宽带上网 101 2 5 2物理层RS 232C协议 EIA 美国电子工业协会 颁布的一种串行物理接口规范 是DTE 终端设备 和DCE 端接设备 间的接口标准 102 RS232C的标准内容 1 机械特性 使用25根引脚的DB 25插头座 引脚上 下两排 分别有13根和12根引脚 当引脚指向人的方向时 从左到右编号分别为1 13和14 25 103 2 电气特性采用负逻辑 逻辑0相当于对信号地线有 5V 15V的电压 逻辑1相当于对信号地线有 5V 15V的电压 逻辑 0 相当于数据 0 或控制线的 接通 状态 逻辑 1 相当于数据 1 或控制线的 断开 状态 104 3 功能特性 规定了电路应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚信号线的作用 最常用的10根引脚信号线 其余的一些引脚可以空着不用 常见的为DB 9的9针插头和插座 105 25针串口定义 106 107 108 109 定义了DTE和DCE通过接口连接时 各信号线在建立 维持和拆除物理连接及传输比特信号时的时序要求 RS232C的工作过程是在各条控制信号线的有序的 on 逻辑 0 和 off 逻辑 1 状态的配合下进行的 4 规程特性 110 2 5 3调制解调器 一种信号转换装置俗称Modem 可将计算机中的数字信号 调制 成通信线路中的模拟信号 再将通信线路中传输的模拟信号 解调 回计算机中传输的数字信号 作用 将计算机与公用电话线相连 使得现有网络系统以外的计算机用户 能够通过拨号的方式利用公用电话网访问计算机网络系统 111 要将基带信号进行远程传输 必须先将其变换为模拟信号 才能在模拟信道上传输 这个变换就是数字数据的模拟信号编码 即调制 过程 112 设载波信号为正弦交流信号f t Asin t十 变化的参数可以是幅度 频率和相位 113 1 调幅 AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 2 调频 FM 载波的频率随基带数字信号而变化 3 调相 PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 三种调制方式 114 调制方式 115 调制解调器的分类 按通信设备对调制解调器进行分类 可将调制解调器分为拨号调制解调器和专线调制解调器 按数据传输方式进行分类 可将调制解调器分为同步调制解调器和异步调制解调器 116 按通信方式对调制解调器进行分类 可分为单工 半双工和全双工3种 按传输速率进行分类 可分为低速 中速和高速 117 2 6ADSL技术 中文名称 非对称数字用户线环路 是xDSL家族的一员 被欧美等发达国家誉为 现代信息高速公路上的快车 ADSL下行速率高 频带宽 性能 是一种快捷 高效的网络接入方式 118 xDSL技术 DSL Digit