第8章　信息的传输

第8章信息传输：计算机通信和网络技术，8.1缩短世界距离-通信和网络技术历史回顾8.2数据通信基本原理8.3计算机网络8.4互联网基础8.5宽带骨干通信网络8.6宽带接入网络技术，8.1缩短世界距离通信和网络技术历史回顾。图8-1莫尔斯电报和最早的贝尔电话，8.2数据通信的基本原理，8.2.1信息的表示和传输形式，8-2信息的表示和传输形式，8.2.2通信系统模型信息的传输都是通过载体的运动来实现的。载体必须能够代表信息，在空间传递，并从一点移动到另一点。通信系统最简单的概念模型如图8-3所示：图8-3通信系统模型，8.2.3与数据通信和术语相关的基本概念1。信号延迟介质往返远延迟时间的传播延迟Tp不仅是传输延迟Tx(以链路速率传输一帧所需的时间)的函数，也是链路传播延迟Tp的函数。以上两个延迟时间对于不同类型的通信链路具有不同的重要性。通常，这种音乐的时间用比率表示，即，2。受损信号的幅度在传播过程中逐渐减小，这称为衰减。信号的衰减和放大(增益)以分贝为单位。如果P1和P2分别用来表示发射信号的功率和接收信号的功率，那么，8.2.4数字通信系统中的带宽概念是介质可以发射的信号的最高频率和最低频率之间的差。不同的数字服务提供或需要不同的带宽。图8-4示出了传输介质(当然涉及各种服务)和相应传输速率之间的近似对应关系。图8-4不同传输介质的带宽容量比较，8.2.5信道容量和ShannonTheroy奈奎斯特定理：对于使用两种电压(高电位或低电位)编码数据的传输方案，奈奎斯特定理指出，在具有B带宽的传输系统上可达到的最大数据传输速率可以达到每秒2B位数。更一般地说，如果传输系统使用两个不同的电压而不是两个，奈奎斯特定理指出以比特每秒表示的最大数据传输速率C是：香农理论：香农推广了奈奎斯特的结果并指出传输系统在噪声影响下可以达到的最大数据传输速率。香农的结果，香农理论，可以描述为：C=Blog2(1 S/N)，其中C是以比特每秒表示的线路容量的实际限制，B是硬件带宽，S是平均信号强度，N是平均噪声强度。在计算时，信噪比通常不直接给出，一般用数值10log10S/N表示，单位为分贝，缩写为分贝。8.2.6基带传输和宽带传输基带描述了一种通信系统，在该系统中，信息可以以数字形式在单个信道中传输(图8-5)。所谓宽带是指某一传输介质的宽带特性及其同时传输多种信号和服务的能力。图8-5基带传输模式将占用信道的所有带宽。8.2.7多路复用):在数据通信系统或计算机网络系统中，传输介质的带宽或容量通常超过传输单个信号的要求。为了有效利用通信线路，希望在一个信道上同时传输多个信号。频分复用(FDM)，一种用于模拟信号的技术。图8-6频分复用、时分复用(TDM)技术示意图：不同的信号在不同的时间轮流使用这个物理信道。波分复用(WDM)技术：主要应用于光纤通道。WDM在本质上也是一种频分复用技术。计算机网络的形成和发展经历了一个从简单到复杂、从低级到高级的发展过程，大致可以分为以下四个阶段：1。远程终端连接阶段2。计算机网络第三阶段。计算机网络互连阶段4。信息高速公路阶段。8.3.2网络功能计算机网络主要有以下四种功能：1 .数据通信2。资源共享3。提高计算机的可靠性和可用性。分布式处理，8.3.3计算机网络是网络节点和物理通道的集合，通常由两部分组成：资源子网和通信子网。图8-7计算机网络由通信子网和资源子网组成。1.资源子网资源子网由主机、终端、输入输出设备、各种软件资源和数据库等组成。资源子网负责整个网络的数据处理服务，为网络用户提供各种网络资源和网络服务。通信子网(1)通信子网包含传输介质和通信设备。它负责整个网络的数据传输、传输、处理和通信转换的处理工作。传输介质可以是专用双绞线、同轴电缆和光纤，或者可以是公共通信线路，例如电话线、微波等。通信设备是指通信处理器、交换机、路由器和调制解调器设备，以及地面站、微波站、集中器等。用于卫星通信。(2)网络用户通过终端接入网络有两种类型：本地接入和远程接入。本地访问是对本地主机资源的访问。它不通过通信子网，但只发生在资源子网内。远程访问是指网络用户通过通信子网访问远程主机。8.3.4计算机网络的类型1。根据网络的分布范围分类根据地理分布范围，计算机网络可分为广域网、局域网和城域网。广域网(WAN) :广域网是一个跨越大面积的网络。网络覆盖的地理区域可以是城市、地区、省、国家甚至世界。广域网的典型代表是互联网。图8-8 8-8互联网是世界上最大的广域网。局域网是一种在小范围内互连各种通信设备的网络。其分布范围仅限于办公室、大楼或校园，用于连接个人电脑、工作站和各种外围设备，实现资源共享和信息交换。它具有分布距离近、传输速度快(通常为100兆位/秒至1000兆位/秒)、连接成本低、数据传输可靠和误码率低等特点。城域网位于局域网和广域网之间。其目的是在一个大的地理区域内提供数据、语音和图像传输。根据网络：的交换模式，从通信资源分配的角度来看，交换是以某种方式动态分配传输线路(或信道)的资源。根据交换模式，计算机网络可分为电路交换网络、消息交换网络和分组交换网络。图8-9不同切换模式的数据传输模式。电路交换网络的电路交换方式是在用户开始通信之前申请建立从发送端到接收端的物理信道，并且在双方通信期间总是占用信道。(2)报文交换网络报文交换方式是将待发送的数据和目的地址包含在一个完整的报文中，报文的长度不受限制。(3)分组交换网络的分组交换方式是在通信之前，发送端首先将待发送的数据分成等长的单元(即分组)，这些分组由每个中间节点以存储转发的方式逐个发送，最终到达目的端。除上述分类方法外，还可以根据所使用的传输介质分为双绞线网络、同轴电缆网络、光纤网络、无线网络；根据网络传输技术，它可以分为广播网络和点对点网络。根据采用的拓扑结构，计算机网络分为星形网络、总线网络、环形网络、树形网络8.3.5、计算机网络拓扑网络拓扑是指除讨论网络系统的连接形式外的网络电缆的物理连接，是指网络电缆的几何形状，它可以在逻辑上显示网络服务器和工作站的网络配置以及彼此之间的连接。网络拓扑根据形状可分为星型、环状、总线型、树状、总线/星型和网状拓扑。星型拓扑：星型布局是通过将每个节点以中心节点为中心连接起来而形成的。每个节点通过点对点方式与中心节点连接，中心节点实施集中通信控制策略。图8-10星形拓扑图。2.环形拓扑：环形网络中的每个节点通过环形接口连接到端到端闭合环形通信线路，并且环形上的任何节点都可以请求发送信息。(图8-11)，3。总线拓扑：在总线结构中，所有在线微型计算机都通过相应的硬件接口直接连接到总线上，任何节点的信息都可以沿总线双向传输和扩散，并可以被总线上的任何节点接收。4.网状拓扑：在一个大的区域内，多个子网或多个局域网连接起来形成一个网状拓扑，这是一个在实际应用中使用的结构图(图8-13)。8.3.6计算机网络通信协议1。协议分层的概念，2。协议分层的重要性源于系统工程的分层原则。目标计算机上的N层软件必须准确接收发送计算机上的N层软件发送的数据。换句话说，在发送数据包(或帧)之前，协议进行的任何转换必须在接收时完全反向转换。如果报头被放置在发送计算机上特定层的帧中，则接收计算机上的相应层必须移除报头。如果一个层在发送帧之前被加密，接收计算机的相应层必须解密该帧。分层是一个非常有用的想法，因为它简化了协议的设计和测试。每一层都执行某些功能。层与层之间的通信称为虚拟通信。分层避免了引入一层协议软件时其他层可能看到的变化。因此，每一层的发送和接收软件可以独立于其他层来设计、实现和测试。8.3.7开放系统互连/参考模型(OSI/RM)OSI参考模型采用分层结构技术对功能进行逻辑划分，使整个结构更加灵活。图8-15OSI参考模型和协议。OSI参考模型各层的主要功能如下：1 .物理层：这一层标准化连接到物理介质的数据链路的电子和机械部件规格和功能控制。不管信息的格式和含义如何，物理层只负责接收和发送比特流。2.数据链路层：由物理层建立的链路在实体之间正确传输具有特定含义和结构的信息(帧格式)。3.网络层：网络层也称为通信子网络层。它的主要任务是如何通过各种通道将数据包从源端发送到目的端。必须解决路由、流量控制、网络管理和网络互连等问题。4.传输层：提供可靠的端到端(主机-主机)通信，屏蔽不同通信子网技术造成的差异，并为上层用户提供透明的传输服务。5.会话层：会话层用于建立、管理和终止两个应用系统之间的会话。会话层的协议主要规定了如何与远程系统建立通信会话(例如，如何登录远程主机)以及使用密码进行授权和其他安全细节。表示层：表示层不同于其他协议层。大多数其他协议层只关注于将数据从一个地方可靠地传输到另一个地方。表示层更注重传递信息的语义和语法。表示层协议主要规定如何在不同的计算机上表示数据和翻译表示方法。7.应用层：应用层包含许多广泛使用的协议，每个协议指定应用程序如何使用网络，并提供支持终端用户的各种应用程序的机制，如电子邮件、远程登录和文件传输服务。8.3.8TCP/IP协议遵循四层概念模型：应用层、传输层、网络层和网络接口层，如图8-16所示。图8-16现场总线模型和协议/协议模型的比较。1.网络接口层的作用是通过网络接收和传输数据，包括各种逻辑链路控制和媒体访问协议，如各种局域网协议和广域网协议。这一层协议没有明确定义，会因主机和网络而异。2.互联网层互联网层定义了数据包格式和协议，即IP协议，它是整个协议体系结构的关键部分。IP协议最重要的功能之一是它可以寻址，即建立一个全局寻址空间，它允许互联网中的每个网络或主机被唯一地识别。当前的IP协议称为IPv4协议。传输层的功能是提供计算机之间的通信会话。该层定义了两种端到端协议，即传输控制协议和用户数据报协议。传输协议的选择取决于数据传输模式。4.应用层包含许多高级协议，如文件传输协议(FTP)、电子邮件协议(SMTP)、将主机映射到网络地址的域名系统服务(DNS)以及访问网页时使用的HTTP协议。8.3.9网络互连和设备网络互连包括局域网和局域网互连、局域网和广域网互连、广域网和广域网互连，以及局域网、小型机和主机之间的互连。在网络互连中有两个问题需要解决：首先，网络之间必须至少有一条通信链路。第二，协议转换功能应该在保持原有网络结构和所提供服务的基础上提供。8.4互联网基础，8 . 4 . 1互联网发展，图8-20中国教育研究网主要节点及布局，8 . 4 . 2互联网IP地址及域名1。IP地址的网络号用于标识逻辑网络，主机号用于标识网络中的主机。统一网络中的所有主机使用相同的网络号，并且主机号是唯一的。图8-21 IP地址的组成、IP地址的分类IP地址的设计者将IP地址空间分为五个不同的地址类别，如图8-22所示，其中最常用的是A类、B类和C类：图8-22 IP地址的分类；和3。域名系统域名系统互联网的域名结构是由协议集的域名系统定义的。域名系统也与IP地址的结构相同，采用典型的分层结构(图8-23)。图8-23域名系统的层次结构。4.下一代互联网协议IPv6当今互联网上广泛使用的TCP/IP协议是IPv4，它的地址通常用4部分点的方法表示，即4位数字用点分隔。IPv4地址的长度是IPv4地址的4倍，表达的复杂度是IPv4地址的4倍。IPv6地址的基本表达式是x : x : x : x : x : x : x : x : x，其中x是4位十六进制整数(16位)。每个数字包含4个数字，每个整数包含4个数字，每个地址包含8个整数，总计128位(448=128)。互联网提供的信息服务。例如，在主机“上有一个叫大卫的用户，那么这个用户的电子邮件地址就是大卫用户名主机名，图8-24电子邮件服务，2。因特网上的文件传输使用文件传输协议。FTP服务使用典型的客户端/服务器工作模式。其工作过程如图8-25所示。图8-25文件传输服务，3。万维网万维网，图8-26WWW的工作原理，8.5宽带骨干通信网，8.5.1宽带骨干网的发展，8.5.2全光通信网及其技术，图8-27全光