第二章-计算机网络基础要点.ppt

1,计算机网络基础大连理工大学出版社,2,第2章数据通信基础,本章要点数据通信的基本概念数据编码技术数据传输类型数据通信的同步技术数据交换技术差错控制编码,3,2.1基本概念,数据通信是指建立在特定通信协议的基础上，利用各种数据传输技术，以实现在长距离的通信终端（计算机计算机、计算机数据终端、数据终端数据终端）之间传递数据信息。,第2章数据通信基础,4,2.1.1数据通信的定义和特点1数据通信的常用术语数据:有意义的实体,信息是指数据的内容和解释.数据通常分为模拟数据和数字数据两种形式。模拟数据模拟数据的值是连续的，它是时间的连续函数，并且占有有限的频谱如音频或视频数据数字数据值是不连续的、离散的，能用两个不同电压的二进制数字表示如一段文本、一串正整数等,第2章数据通信基础,5,信号:是数据电气或电磁波表示形式,它使数据能以适当的形式在介质上传输。信号有模拟信号和数字信号两种基本形式。模拟信号是指在一定数值范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电流、电压或电磁波。数字信号是一种离散的脉冲序列，它用恒定的正电压和负电压来表示二进制的1和0值。,2.1.1数据通信的定义和特点,6,通信信道：指信号沿发送器到接收器的通路。数据传输：指信号把数据从发送端传送到接收端的过程。会使信号畸变和带来噪声和干扰，其结果是使数据在传输后造成差错。,2.1.1数据通信的定义和特点,7,2数据通信：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。特点：数据通信实现的是机与机或人与机之间的通信数据传输的准确性和可靠性要求高传输速率高，要求连续和传输响应时间快通信持续时间差异较大,2.1.1数据通信的定义和特点,8,3数据通信的主要技术指标1）传输速率码元：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一位二进制数字。这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。数字信号中每一位的通称。通常又称为位或Bit。即可以用二进制表示，也可以用其它进制的数表示。码元速率（RB）：又称信号速率（波特率），它表示每秒所传送的码元数，单位为“波特”（Baud）。数据速率（Rb）：又称比特率，是指每秒传送的信息量，单位为bits，记为bps（bitpersecond）。二进制信号每个码元含1个bit信息，故码元速率和数据速率在数值上是相等的。但对于M进制信号，数据速率大于码元速率，两者的数学关系式是：Rb=MRB。,2.1.1数据通信的定义和特点,9,报文速率（RM）报文速率是指单位时间内所传送报文（Message）的数量。在传输计算机数据时，其单位可以是“字符秒”。,比特率和波特率的区别,2.1.1数据通信的定义和特点,10,2）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，它是由信道的物理特性所决定的。3）信道容量表示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。信道容量受带宽的制约，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。通常信道容量和信道带宽具有正比的关系，带宽越大，容量越大。,2.1.1数据通信的定义和特点,11,4）出错率衡量数据通信系统或信道传输可靠性的一个指标。它一般指传输中出现错误码元（或bit）的个数占传输总码元（或bit）数的比例，即误码率。误码率（Pe）Pe=接收中错误的码元数传输的总码元数误bit率（Pb）Pb=接收中错误的bit数传输的总bit数误字符率（PW）PW=接收中错误的字符数传输的总字符数误组率（PB）PB=接收中错误的组数传输的总组数,2.1.1数据通信的定义和特点,12,5）数据延迟表示网络中相距最远的两个站点之间的传播时间。6）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，吞吐量的单位为bps。,2.1.1数据通信的定义和特点,13,2.1.2数据通信系统的模型数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在异地的数据终端设备而完成数据通信的系统，主要完成数据的传输、收集和分配的功能。组成：数据终端设备（DTE：DataTerminalEquipment）数据电路终端设备（DCE：DataCircuitTerminalEquipment）传输信道,第2章数据通信基础,14,DTE是对信息进行收集和处理的设备，通常指信源或信宿。DCE负责将准备传输的数据（即标准的二进制代码信号）转换为适合信道传输的信号，是DTE和通信信道的连接点。传输信道也叫传输媒介，它是两地间传输数据信号的通路。,2.1.2数据通信系统的模型,15,2.1.3数字信号与传输代码最简单的数字信号是二元码或称二进制码，这类电信号常用不同的电压或电流的脉冲来代表数字信号的“0”或者“1”。在数据通信系统中，所传输的信号是数字信号，当将其直接放在信道中传输时，该信号没有经过调制，则又称为基带信号。,2.1.3数字信号与传输代码,16,1、数字信号的码型信号传输中差错不可避免采用差错控制目的在于提高传输质量解决传输差错问题的方法：改善传输信道的电气特性采用数据编码和差错控制方式编码是基础，差错控制方式是途径,2.1.3数字信号与传输代码,17,单极性码和双极性码单极性码波形构成：正电位对应数字“1”零电位对应数字“0”双极性码波形构成：正电位对应数字“1负电位对应数字“-1”归零码和不归零码归零码：各个脉冲之间有间隔，它的脉冲宽度只有位宽度的一半，在位宽度的另一半时间内，每个脉冲都要回到零电位。不归零码：脉冲宽度与位宽度一致。,2.1.3数字信号与传输代码,18,单极不归零码（NRZ码）：用高电平代表符号“1”，用零电平代表符号“0”，电平在整个码元中保持不变单极归零码（RZ码）：与NRZ码的根本区别在于它有小于的占空比，即每个脉冲在码元周期内总要回归到零电平。双极性归零码：特点是“1”码发正的窄脉冲，“0”码发负的窄脉冲，采用归零形式，有利于保持收发双方的位同步。双极性不归零码：用高电平表示信息“1”，负电平表示信息“0”，电平在整个码元期间保持不变。,2.1.3数字信号与传输代码,19,曼彻斯特码每位的中间跳变跳变用作时钟和数据从低到高表示1（正跳为1）从高到低表示0（负跳为0）,2.1.3数字信号与传输代码,20,差分曼彻斯特码中间的跳变只用于时钟位开始时跳变表示0（有跳为0）位开始时无跳变表示1（无跳为1）,2.1.3数字信号与传输代码,21,2.1.4数据传输类型电信号在数据传输系统中传输，有两种基本的方式：模拟传输方式：用模拟信号传输的方法称为模拟传输，需要对模拟数据或数字数据进行调制和解调使之转换为连续的信号。数字传输方式：用数字信号传输的方法称为数字传输，需要对模拟数据或数字数据进行编码和译码使之转换为离散的信号。,第2章数据通信基础,22,调制解调器（MODEM）调制器：数字信号转换为模拟信号解调器：模拟信号转换为数字信号,2.1.4数据传输类型,根据被传输的数据信号的特点，数据传输可以分为四种方式：基带信号传输、频带信号传输、宽带传输和数字数据传输。1基带信号传输基带信号，是指由计算机（或终端）直接输出的二进制“1”或“0”的电压（或电流）信号。利用数据传输系统直接传输基带信号就称之为基带传输。,23,2频带传输方式由于基带信号含有直流和大量的低频成分，电话线上不能直接传送基带信号，因此要把数据信号调制到电话电路的频带范围内再进行传输。频带传输，是将代表数据的二进制“1”或“0”信号，通过调制解调器，变换成具有一定频带范围的模拟数据信号进行传输，传输到接收端后再将模拟的数据信号解调还原为数字信号。,2.1.4数据传输类型,24,3宽带传输方式宽带是指比一般音频带宽更宽的频带，使用宽带进行传输的系统，称为宽带传输系统。计算机局域网采用的数据传输系统有基带传输和宽带传输两种方式，基带传输和宽带传输的主要区别在于数据传输速率不同。基带数据的传输速率范围为010Mbp/s，而宽带数据的传输速率范围为0400Mbp/s。,2.1.4数据传输类型,25,4数字数据传输方式数字数据传输是指利用数字线路来传输数据信号的一种方式。数字线路比模拟线路效率要高，传输质量也较模拟线路好。如果要传输的数据信号速率不高，可加装一个数据时分复用器，将多路中、低速的数据信号经时分复用合成后，进入64kbs的数字话路传输，以提高线路的利用率。,2.1.4数据传输类型,26,2.1.5信息的传输方式1串行通信和并行通信,第2章数据通信基础,27,在实际采用串行传输时，发送端需要使用并/串转换装置，将计算机输出的并行数据位流变为串行数据位流，然后，送到信道上传输。在接收端，则需要通过串/并转换装置将串行数据位流还原成并行数据位流。串行数据通信有以下3种不同方式。,2.1.5信息的传输方式,28,2单工通信、半双工和全双工通信单工通信半双工通信全双工通信,2.1.5信息的传输方式,29,3同步技术所谓同步，就是要求收发信息的双方在时间基准上保持一致性。时序问题采样时钟不精确需要采取措施来同步发送器和接收器,2.1.5信息的传输方式,30,两种解决方案：异步通信和同步通信,2.1.5信息的传输方式,异步传输方式异步传输是指发送信息的一端可以在任何时刻向信道发送信息，而不管接收方是否准备好。各个位以串行方式发送，附有“起止位”作为识别符。字符之间通过“空号”来分割。,31,异步传输的应用特点优点：设备简单，技术容易，费用低。缺点：开销大，浪费了传输时间。异步传输的应用场合异步传输适用于低速（如10-1500字符/每秒）的通信场合。,2.1.5信息的传输方式,32,同步传输方式同步传输是指接收端和发送端的步调必须保持一致。在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块的方式传输。在位流中采用同步字符来保证定时。用于同步传输的成帧信息（同步信号）的位数较异步方式少，因此同步传输的效率比异步传输高。另外，这些成帧信息还用来区分和隔离连续传输的数据块。,2.1.5信息的传输方式,33,同步传输的应用特点由于同步传输需要较高的时钟装置和高的传输速率，因此，同步装置比异步装置要贵。同步传输的应用场合同步传输方式，通常主要用在计算机与计算机之间的通信，智能终端与主机之间的通信，以及网络通信等高速数据通信的场合。数据连续发送，没有起始位和停止位（同步通信与异步通信的主要区别）位同步（比特流级别）时钟专线数据信号编码帧同步（数据块级别）面向字符的数据链路控制规程面向比特的数据链路控制规程,2.1.5信息的传输方式,34,2.1.6数据电路数据电路是指在线路或信道上加接上信号变换设备（调制解调器或数字接口适配器）之后形成的二进制比特流通路，它由传输信道加数据电路终端设备组成。,第2章数据通信基础,35,1、数据电路的连接方式主要有下列五种：点到点专线连接；点至多点专线连接；点至多点集中连接；多点至多点复用连接；通过交换网连接。,2.1.6数据电路,36,2通信媒体（传输介质）传输介质是用于网络中各节点之间进行连接的物理通路或信道，它是信息传递的载体。计算机网络中所采用的传输介质有多种，主要有同轴电缆、双绞线和光缆等。,2.1.6数据电路,37,同轴电缆,粗同轴电缆（粗缆）：RG-11，阻抗为50欧，直径为10mm，传输距离可达500m，使用AUI接口。细同轴电缆（细缆）：RG-58，阻抗为50欧，直径为5mm，传输距离可达185m，使用BNC接口。有线电视电缆：RG-59，阻抗为75欧。,1）同轴电缆,2.1.6数据电路,38,2）双绞线,2.1.6数据电路,39,双绞线,非屏蔽双绞线(UTP)使用RJ-45接口,屏蔽双绞线(STP),1类（CAT1）用于电话通信。不适合传输数据。2类（CAT2）用于传输数据，最大速度为4Mbit/s。3类（CAT3）用于10M以太网，传输数据的最大速度为10Mbit/s。4类（CAT4）用于令牌环网络，传输数据的最大速度为16Mbit/s。5类（CAT5）用于快速以太网，传输数据的最大速度为100Mbit/s。超5类（CAT5e）用于最大传输速度为1000Mbit/s（1Gbit/s）的网络，用于吉比特以太网（GigE）。6类（CAT6）CAT6的规范是2003年2月3日新提出的，现已安装和使用，用于吉比特以太网。,2.1.6数据电路,40,目前，在局域网中，大多数使用的是UTP。EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序568A与568B：EIA/TIA568A标准：白绿，绿，白橙，蓝，白蓝，橙，白棕，棕EIA/TIA568B标准：白橙，橙，白绿，蓝，白蓝，绿，白棕，棕白橙是指浅橙色，或者白线上有橙色的色点或色条的线缆，白绿、白棕、白蓝亦同。双绞线的顺序与RJ-45头的引脚序号要一一对应。,2.1.6数据电路,41,为了保持最佳的兼容性，普遍采用EIA/TIA568B标准来制作网线。注意：在整个网络布线中应该只采用一种网线标准。如果标准不统一，几个人共同工作时准会乱套；更严重的是施工过程中一旦出现线缆差错，在成捆的线缆中是很难查找和剔除的。一般统一采用568B标准。事实上10M以太网的网线只使用1、2、3、6编号的芯线传递数据，即1、2用于发送，3、6用于接收，按颜色来说：白橙、橙两条用于发送；白绿、绿两条用于接收；4、5、7、8是双向线。100M和1000网卡需要使用四对线，即8根芯线全部用于传递数据。由于10M网卡能够使用按100M方式制作的网线；而且双绞线又提供有四对线，所以日常生活中不再区分，10网卡一般也按100方式制作网线。,2.1.6数据电路,42,根据双绞线两端连接网络设备的不同，又分为直通线（平行线）和交叉线两种。直通线（平行线）就是双绞线两端均为568A标准或568B标准制作的网线；而交叉线是双绞线一端为568A，另一端为568B标准制作的网线，即交叉线的一端保持原样（直通线序）不变，在另一端把1和3对调，2和6对调。,2.1.6数据电路,43,直通线(Straight-through)，用于连接:主机和Switch/hubRouter和Switch/Hub交叉线(Cross-over)用于连接:Switch和Switch主机和主机Hub和HubHub和Switch主机和Router直连,2.1.6数据电路,44,在实践中，一般可以这么理解：同种类型设备之间使用交叉线连接，不同类型设备之间使用直通线连接；路由器和PC属于DTE类型设备，交换机和HUB属于DCE类型设备。全反（Rolled）线:不用于以太网的连接，主要用于主机的串口和路由器（或交换机）的console口连接的console线。做法就是一端的顺序是18，另一端则是81的顺序。,2.1.6数据电路,45,光纤是光导纤维的简称，是传送光信号的介质，它由纤芯、包层和外部一层的增强强度的保护层构成。纤芯是采用二氧化硅掺以锗、磷等材料制成，呈圆柱形。外面包层用纯二氧化硅制成，它将光信号折射到纤芯中。光纤分单模和多模两种，(“模”是指以一定角速度进入光纤的一束光)。单模光纤采用激光二极管LD作为光源，而多模光纤采用发光二极管LED为光源。多模光纤的芯线粗，传输速率低、距离短，整体的传输性能差，但成本低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中；单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大、传输距离长，但需激光源，成本较高，通常在建筑物之间或地域分散的环境中使用。单模光纤是当前计算机网络中研究和应用的重点。,3）光纤,2.1.6数据电路,46,光纤通常被扎成束，外面有外壳保护(称为光缆)。光纤只能作单向传输，如需双向通信，则应成对使用。光纤是目前计算机网络中最有发展前途的传输介质，它的传输速率可高达1000Mbps，误码率低，衰减小，传播延时很小，并有很强的抗干扰能力，适宜在电气干扰信号严重的环境中使用。,光缆,2.1.6数据电路,47,3电路类型1）二线与四线电路2）交换与专用电路,2.1.6数据电路,48,2.1.7资源分配与共享多节点间只有一条信道多节点间有多条信道广播信道的共享,第2章数据通信基础,49,2.2差错控制方法,2.2.1差错产生的原因及其特点传输信道外界干扰热噪声：传输电路中的电子热运动产生的由热噪声引起的差错是随机差错单比特错，只改变一个比特，不影响邻近的其它比特冲击噪声：外界干扰造成的。是网络数据传输中引起传输差错的主要原因，由冲击噪声所引起的传输差错是突发差错，连续发生的一串错误，差错之间有相关性。,第2章数据通信基础,50,2.2.2差错控制在承认通信信道传输过程中会出现差错的前提下，要有效检测出错误，并纠正错误，从而提高通信信道的通信质量。主要目的是减少通信信道的传输错误，目前还不可能做到检测和校正所有的错误。差错控制的具体方法时提出了两种策略：纠错：让每个传输的分组带上足够的冗余信息，以便在接收端能发现并自动纠正传输差错，即纠错码方案。检错：让分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，但不能确定哪一比特是错的，并且自己不能纠正传输差错，即检错码方案。,2.2差错控制方法,51,1反馈重发纠错方式它的工作原理是：发送端对发送序列进行差错编码校验，接收端根据校验序列的编码规则判断是否传错，并把判决的结果通过反馈信道传回给发送端。2前向纠错方式在前向纠错方式中，发送端对数据进行检错和纠错编码，接收端收到这些编码后，根据约定的规则进行译码。译码时不但可以发现错误，而且还能够自动地进行纠错。3混合纠错方式混合纠错方式是上述反馈重发纠错和前向纠错两种纠错方式的结合。在这种纠错方式中，发送端编码本身具有一定的纠错能力，接收端收到编码后进行检测。如果发现有错误但是没有超过纠错能力的，则自动进行纠错；如果超过纠错能力，则发出反馈信息，命令发送端重发。,2.2差错控制方法,52,2.2.3几种常用的校验码1.奇偶检验码2.方阵校验码3.循环冗余校验码,2.2差错控制方法,53,1.奇偶检验码在字符上附加奇偶检验位偶检验：整个字符中有偶数个1奇检验：整个字符中有奇数个1如果有偶数位出错，检测不到,2.2差错控制方法,54,2.方阵检验码垂直冗余校验VRC：就是字符奇偶校验；水平冗余校验LRC：就是对数据块中每个字符的对应位进行奇偶校验。,2.2差错控制方法,55,3.CRC循环冗余校验码对通信的可靠性检查就需要校验，校验是从数据本身进行检查，它依靠某种数学上约定的形式进行检查，校验的结果是可靠或不可靠，如果可靠就对数据进行处理，如果不可靠，就丢弃重发或者进行修复。CRC码是由两部分组成，前部分是信息码，就是需要校验的信息，后部分是校验码，如果CRC码共长n个bit，信息码长k个bit，就称为(n,k)码。,2.2差错控制方法,56,它的编码规则是：1、首先将原信息码(kbit)左移r位(k+r=n)2、运用一个生成多项式g(x)（也可看成二进制数）用模2除上面的式子，得到的余数就是校验码。,2.2差错控制方法,57,要说明的：模2除就是在除的过程中用模2加，模2加是异或运算，加法不考虑进位，公式是：0+0=1+1=0,1+0=0