计算机网络CH2网络通信基础

计算机网络,第2章网络通信基础,1,第2章网络通信基础,2.1网络通信模型2.2传输介质2.2.1有线介质2.2.2无线介质2.3网络拓扑结构2.4多路复用2.4.1频分复用2.4.2时分复用2.4.3波分复用2.4.4码分复用,2,第2章物理层（续）,2.5数据交换2.5.1电路交换2.5.2报文交换2.5.3分组交换,3,2.1数据通信的基础知识2.1.1网络通信系统的模型,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,输入汉字,显示汉字,PC机,4,几个术语,数据(data)运送消息的实体。信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。,5,数据的传输方式,单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。,6,并行传输与串行传输,并行传输数据的每一位各占一条信号线，所有的位并行传输。串行传输数据信号的若干位按位顺序串行排列成数据流，在一条信道上传输。,7,2.1.2数据编码,数字数据编码为数字信号数字数据编码为模拟信号模拟数据编码为模拟信号模拟数据编码为数字信号,8,1)数字数据编码为数字信号,1不归零NRZ2归零RZ3不归零反相编码NRZI4曼彻斯特5差分曼彻斯特,9,不归零编码(Non-ReturntoZero,NRZ),将数值1映射为高信号，数值0映射为低信号。优点实现起来简单而且费用低。缺点1)连续“0”和连续“1”问题2)发送方和接收方的时钟不能精确同步,10,不归零反相编码(Non-ReturntoZeroinverted，NRZI),信号电平的一次反转代表比特1，没有电平变化的信号代表比特0。NRZI优于NRZ编码:由于每次遇到比特1都发生电平跳变,这能提供一种同步机制。数据流中的1都使接收方能根据信号的实际到达来对本身时钟进行再同步。一连串0仍会造成麻烦，但由于连续0出现不频繁，问题就小了许多。,11,归零（ReturntoZero，RZ）,二进制“0”用低电平代表二进制“1”电平由高变低优缺点和NRZI基本相同,12,曼彻斯特编码（Manchestercoding）,曼彻斯特编码在每个比特间隔的中间引入跳变同时用于同步和比特表示。一个由低电平到高电平的跳变代表比特0，而高电平到低电平的跳变代表比特1，反之亦可。通过这种跳变的双重作用，达到了同步的效果。,13,差分曼彻斯特编码,根据比特间隔的开始位置是否有跳变来表示不同的比特。开始位置有跳变代表“0”，无跳变代表“1”，反之亦可。,14,NZR,NZRI,Manchester,15,NRZ、RZ、曼彻斯特、差分曼彻斯特,16,曼彻斯特编码的效率,Manchester编码可以保证在每个比特的正中间出现一个跳变，这对接收端提取比特同步信号是非常有利的但从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，这就是它所占的带宽比原始的基带信号增加了一倍，需要更高频的电路设备，实际上是通过传输每位数中间的跳边方向来表示传输数据的值即它使链路上的信号跳变频率加倍，在相同条件下，NRZ和NRZI传输的比特是曼彻斯特编码的2倍，曼彻斯特编码的编码效率仅为50%。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特将数据和时钟都包含在编码中，所以二者都称为自同步编码。,17,MB/NB4B/5B编码,每4比特数据采用5比特的编码传给接收方。5比特代码是由以下方式选定的:每个代码不会多于1个的前导0并且末端也不会多于两个0。得到的5比特代码使用NRZI编码传输，4B/5B编码的效率为80%,18,4B/5B编码,4比特数据5比特编码000011110000101001001010100001110101010001010010101011011001110011101111100010010100110011101010110101110111110011010110111011111011100111111101,19,20,2）数字数据编码为模拟信号(最基本的调制方法),基带信号包含有低频成分，甚至直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。最基本的二元制调制方法有以下几种：振幅键控：载波的振幅随基带数字信号而变化。移频键控：载波的频率随基带数字信号而变化。移相键控：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,21,基带数字信号的三种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,振幅键控,移频键控,移相键控,3)模拟数据编码为数字信号,脉冲编码法采样量化编码增量调制,22,4)模拟数据编码为模拟信号,调幅调频调相,23,基带(baseband)和带通(bandpass)信号,基带信号（即基本频带信号）信源信号。像计算机输出的各种文字或图像文件的数据信号都是基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。带通信号把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。,24,25,信道的极限容量,实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。,25,26,数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别失真大，无法识别,实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,发送信号波形,接收信号波形,26,27,信道能够通过的频率范围,1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。,27,28,信噪比,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。,28,29,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,29,30,请注意,对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率吗？这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。,异步、同步传输,异步传输以字符为单位进行传输，每个字符前加起始位，字符后加结束位。同步传输帧同步帧起始同步字符和帧终止字符。位同步,31,2.2物理层下面的传输介质,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,32,2.2.1有线介质,双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光纤网络需要解决的最基本问题连通,33,连通什么？,网络基本需求：解决直连网络结点间的通信网络由两类硬件构件：结点和链路结点：台式机、服务器、工作站、路由器、交换机。,34,35,UTPcable(photo),36,屏蔽双绞线,37,38,Cablespecifications,10BASE-T10BASE510BASE2,39,10BASE-T，10BASE-5，10BASE-2，以太网的技术标准，10Base-2、10Base-5、10Base-T都是以太网的技术标准，传输速率为10Mbps，其中10Base-2技术以细同轴电缆为传输介质，10Base-5技术以粗同轴电缆为传输介质，10Base-T技术以非屏蔽双绞线为传输介质。100Base-TX快速以太网标准支持平行/交叉线自动识别功能。,40,RJ-45有8根针，双绞线有8根线，实际通信中用到了1，2，3，6这四根线,41,双绞线的连接方法,双绞线的连接方法有两种：Straight-through，直通线：水晶头的两头按照相同的线序连接。Crossover交叉线：1和3，2和6线序调换。Rollover：一头是1到8，另外是8到1，正好相反，用于pc到router的Console端口网络设备（交换机，hub、路由器）有的接口有X标记，有的没有X标记，如果连接线两端都有X标记或者都没有X标记，我们称之为相同性质的端口，如果一头有X标记，另一头没有X标记，称为不同性质的端口，不同性质的端口之间用直通线，相同性质的端口之间用交叉线。相同性质的端口：Hub-Hub，Hub-Switch，Switch-Switch，Router-Router，Router-PC，PC-PC不同性质的端口：PC-Hub，PC-Switch，Router-Hub，Router-Switch,42,43,直通线,44,交叉线,45,交叉线,46,路由器的console口,47,配置端口连接方式Console端口的连接方式当使用计算机配置路由器时，必须使用翻转线将路由器的Console口与计算机的串口/并口连接在一起，这种连接线一般来说需要特制。,48,49,各种电缆,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,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,无屏蔽双绞线UTP,屏蔽双绞线STP,同轴电缆,50,光线在光纤中的折射,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,51,光纤的工作原理,高折射率(纤芯),低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,52,多模光纤与单模光纤,多模光纤,53,2.2.2无线介质,无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信,54,地面微波,55,卫星通信,56,2.3网络拓扑结构,总线型环型星型混合型树型（星型级联，星型变体）星环型（星型+环型）网状,57,基本要求：各种拓扑结构的定义优点缺点,58,总线型,59,环型,60,星型,61,共享信道,2.4多路复用技术2.4.1频分复用,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a)不使用复用技术,(b)使用复用技术,62,2.4.1频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing),用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,63,2.4.2时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing),时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,64,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A在TDM帧中的位置不变,65,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B在TDM帧中的位置不变,66,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,C在TDM帧中的位置不变,67,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D在TDM帧中的位置不变,68,时分复用可能会造成线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,69,统计时分复用STDM(StatisticTDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3个STDM帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,70,1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7,01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm,2.4.3波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing),波分复用就是光的频分复用。,82.5Gb/s1310nm,20Gb/s,复用器,分用器,EDFA,120km,光调制器,光解调器,71,2.4.4码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing),常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。,72,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。S站的码片序列：(111+1+11+1+1),73,CDMA的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。,74,码片序列的正交关系,令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。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(innerproduct)都是0：,(2-3),75,码片序列的正交关系举例,令向量S为(111+1+11+1+1)，向量T为(11+11+1+1+11)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。,76,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,77,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SSx,规格化内积STx,数据码元比特,发送端,接收端,78,码分多址访问（CDMA）,实例:ABCA：01011100A：-1+1-1+1+1+1-1-1例1：-1S1=-1-1+1-1+1+1+1-1B：01000010B：-1+1-1-1-1-1+1-1例2：10-S2=000+2+2+2-20C：00101110C：-1-1+1-1+1+1+1-1例3：-10S3=0+2-20-2-200三站的码片序列双极型时隙序列三个实例Si为发送站的时隙序列之和,对于实例1：C站发送1，时隙序列为：-1-1+1-1+1+1+1-1叠加复合信号为：-1-1+1-1+1+1+1-1C站码片序列为：-1-1+1-1+1+1+1-1S1与C站的对应内积为：（+1+1+1+1+1+1+1+1）/8=1即例1中C站发送的是1,79,码分多址访问（CDMA）,对于实例2：A站发送1，时隙序列为：-1+1-1+1+1+1-1-1B站发送0，时隙序列为：+1-1+1+1+1+1-1+1叠加复合信号为：000+2+2+2-20C站码片序列为：-1-1+1-1+1+1+1-1S2与C站的对应内积为：（000-2+2+2-20）/8=0即例2中C站保持沉默对于实例3：B站发送1，时隙序列为：-1+1-1-1-1-1+1-1C站发送0，时隙序列为：+1+1-1+1-1-1-1+1叠加复合信号为：0+2-20-2-200C站码片序列为：-1-1+1-1+1+1-1+1S3与C站的对应内积为：（0-2-20-2-200）/8=-1即例3中C站发送的是0,80,码分多址访问（CDMA）,CDMA的工作原理：各个站点相互通讯时，每个站做三个动作：（1）发送自己的码片（2）发送自己码片的反码（3）不发送。发送站的码片序列都是同步的，接收站事先知道其他站点的码片序列，当收到码片时，与其他站点的码片进行内积运算，如果结果是“1”，说明码片对应的站点发送了“”，如果结果为“”，说明码片对应的站点发送了“”，如果结果是“”，说明站点没有发送。,81,2.5数据交换,电路交换报文交换分组交换,82,1.电路交换的主要特点,两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。,83,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(N1)/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。,84,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,85,“交换”的含义,在这里，“交换”(switching)的含义就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。,86,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,87,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,88,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,89,电路交换传送计算机数据效率低,计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。,90,报文,2.分组交换的主要特点,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。,91,数据,数据,数据,添加首部构成分组,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”,92,分组交换的传输单元,分组交换网以“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）。,93,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。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。,94,收到分组后剥去首部,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,95,数据,数据,数据,最后还原成原来的报文,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。,96,因特网的核心部分,因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核