数据通信基础与互联网络.ppt

数据通信技术与网络互联,2.1数据通信技术,2.1.1基本概念,1.总线的基本术语（1）总线与总线段：（2）总线主设备：BusMaster，命令者（3）总线从设备：BusSlaver，基本设备（4）控制信号：三种类型。控制连在总线上的设备；改变总线操作的方式；表明地址和数据的含义（5）总线协议,2、总线操作的基本内容（1）总线操作：命令者与响应者之间的“连接-数据传送-脱开”（2）总线传送：命令者与响应者之间的数据传递；“读”、“写”操作。（3）通信请求：某一设备向另一设备发出的请求信号。（4）寻址：物理寻址、逻辑寻址、广播寻址（5）总线仲裁：解决冲突，裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备（6）总线定时：总线操作用“定时”信号进行同步，用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的（7）出错检测（8）容错,2.2、系统网络,计算机网络在很多方面不同于通用的计算机网络。它是一个实时网络，即网络需要现场通讯实时性的要求，在确定的时限内完城信息的传送。这里所说的“确定”的时限是指，无论在何种情况下，信息传送都能在这个时限内完成，而这个时限则是根据被控制过程的实时性要求确定的（1）网络结构：可分为星形、总线形、环形三种,星形网络结构,总线形网络结构,环形网络结构,星型结构从传送实时性讲，星形网是最好的，因为这种结构无公用传输介质，但DCS不采用这种结构，由于其中心节点的存在使危险性集中，不符合DCS的设计原则。目前DCS应用最为广泛的网络结构是环形网和总线形网，因为在这两种结构中，各个节点是平等的，任意两个节点之间的通信可以直节通过网络进行，无需其它节点的介入。但存在共用传输介质的问题，这是影响网络传输实时性的关键。（2）传输介质共享的方式传输介质：细同轴电缆（细缆）、粗同轴电缆（粗缆）、光缆为解决传输介质共享，对于多个节点传送信息的请求必须采用分时方法，避免信息在网络上的碰撞，一种方式为TokenRing(对于环形），TokenPassing（对于总线性网），即令牌方式；另一种方式为载波侦听与碰撞技术，即CSMA/CD方式。,2.3通讯系统,一、数据通讯1、数据、信号与传送（1）模拟数据的模拟信号传送：声音在普通电话线中传送（2）模拟数据的数字信号传送：声音或图象通过脉冲编码器（PCM）调制在DCS中通过A/D转换，经网络传送数字信号。（3）数字信号的模拟信号传送：调制解调器（MODEM）。调幅、调频、调相。（4）数字数据的数字信号传送：以一定编码的形式（祯）经并行或串行总线传送或现场总线传送,2、数据通讯系统的构成,3、同步通信和异步通信（1）异步通信:每次传送一个字符（5-8比特），每个字符前面加1位起始位（“0”），后面加1位校验位和1-2位停止位（“1”），不传送字符时连续传送“1”。接受器根据“1”到“0”的跳变识别起始位，确定有新的字符发送时，启动定时器。（2）同步通信：同步通信是比异步通信更有效的通信方式，在字符之间不加起始位、校验位和停止位等，而成块（数据祯）的传送字符或比特流。,4、单工通信和双工通信（1）单工通信：数据只能沿单一方向进行发送或接收。为了保证数据正确接收提供是否重发的信息，还要有一个反向的应答信号。（2）双工通信半双工通信：数据可沿两个方向交替传送，但同一时刻只能沿一个方向传送，两个方向的应答信号使用同一信道，因此要有控制信号流向的设备。(RS485)全双工通信：在两个方向上的数据和应答信号均可同时传输，有四条独立的信道(RS422),B,A,B,A,B,A,数据,应答,应答,应答,数据,数据,（a）,（b）,（c）,二、数据传送中的差错控制,例如：发送端码元序列：C=01001101011接收端码元序列：R=01100110001错误码元序列：E=CR=00101011010（”1”表示错误，”0”表示正确）突发错误的特点：某一码元出错与其前后码元有相关性，往往使错误成串密集的产生。成串的突发错误中第一个错误位到最后一个错误位之间的长度（中间可以有不错的位）称为突发长度。采取屏蔽措施，选择合理的调制方法（如调相）提高信噪比等，可以大大降低但不能完全消除差错。目前一般通讯电路中，传输率为600-2400bps之间，误码率为10-4-10-6，高速传输的误码率为10-2-10-4，对DCS系统的传输，误码率要求低于10-9。数据通信中为实现无差错传送而使用的技术称为差错控制应用抗干扰码和纠错。,差错噪声,白噪声：分子热运动引起，随机错误,冲击噪声：电磁干扰引起，突发错误,1、抗干扰编码的基本思想,人们交谈时，有时并没有听懂对方讲话的每个字、每个名，但是却能够懂得对方讲话的含义，因为语言中的字与字、名与名之间存在着相关性和规律性。抗干扰编码就是基于这种思想，使原来不带规律性或规律性不强的信息序列I，变换为带上规律性或使其规律性加强的序列C。接收端在接收时，可利用这种规律性进行检验（解码），从而发现错误，告诉发送端重发，或自行纠正错误。在具体编码时，就是在原始序列I的后面，以一定的规则加入一些冗余码元。加入的冗余码元称监督码元或校验码元。因此，用抗干扰编码的方法提高数据传输系统的可靠性是以牺牲有效性作代价的。检错码：指能检查出差错的码。纠错码：不仅能发现差错而且能自动纠正差错的码。,2、差错控制的基本方式,（1）自动纠错：方式：发送端发送能够纠错的码，接收端收到这些码后，通过纠错码译码器不仅能自动的发现错误，而且能自动的纠正传输中的错误，然后再把已纠正的数据（或信息）送给接收端，称为前向纠错，简称FEC。优点：不需贮存和反馈信道，能用于单向通信，适合不延迟实时通信系统。缺点：编码必须与信道的噪声干扰情况紧密对应，要求附加的监督码元多，传输效率低，解码设备复杂。（2）检错重发：方式：发送端发送能检测差错的码，接收端检验传输中有无差错产生，并把检验结果经反馈信道送回到发送端，发送端根据反馈信息把接收端认为有错信息再次发送，直到接收端判定无错为止。称为反馈重发纠错，简称ARQ。优点：比自动纠错能力强，编码与信道的噪声干扰情况无关，要求附加的监督码元少，传输效率低，解码设备简单。缺点：需贮存器和反馈信道，只能用于双向通信，有时需要多次重发，实时性不强，而且不论错误多少，一有错就要反馈重发，效率低。（3）自动纠错与检错重发结合的混合纠错方式,3、检错码（纠错码）,（1）奇偶校验码：按一个字符或几个字符构成一组，在每个信息码组后面加一位校验位（或监督位），检验位码元的取值时要使新的码组中“1”（“0”）的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。可分为垂直奇偶校验（VRC），水平奇偶校验（LRC），水平垂直奇偶校验（TRC）。垂直奇偶校验：以字符（8bit)为单位，前七位为信息元码（C7C6C5C4C3C2C1），最后一位为校验位（C0），若满足：C7C6C5C4C3C2C1C0=0，偶校验C7C6C5C4C3C2C1C0=1，奇校验（2）循环冗余码：计算机网络和DCS中主要应用的抗干扰码。A：线性码：编码长度n=K位信息码+r位校验码，表示为（n，K），例如（7，3），三个信息码元C6C5C4，四个校验码元C3C2C1C0，可按以下线性关系求得C3=C6C4C2=C6C5C4C1=C6C5一致检验方程组C0=C5C4,B：循环码：CRC校验码的基本思想是利用线性编码理论，在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的监督码（既CRC码）r位，并附在信息后边，构成一个新的二进制码序列数共(k+r)位，最后发送出去。在接收端，则根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。在数据存储和数据通讯领域，CRC无处不在:著名的通讯协议X.25的FCS(帧检错序列)采用的是CRC.CCITT，ARJ、LHA等压缩工具软件采用的是CRC32，磁盘驱动器的读写采用了CRC16，通用的图像存储格式GIF、TIFF等也都用CRC作为检错手段。CRC的本质是模-2除法的余数，采用的除数不同，CRC的类型也就不一样。通常，CRC的除数用生成多项式来表示。最常用的CRC码的生成多项式有CRC16,CRC32.以CRC16为例,16位的CRC码产生的规则是先将要发送的二进制序列数左移16位（既乘以216）后，再除以一个多项式，最后所得到的余数既是CRC码，如下式所示，其中K(X)表示n位的二进制序列数，G(X)为多项式，Q(X)为整数，R(X)是余数（既CRC码）。K(X)16=G(x)Q(x)+R(x),求CRC码所采用模2加减运算法则，既是不带进位和借位的按位加减，这种加减运算实际上就是逻辑上的异或运算，加法和减法等价，乘法和除法运算与普通代数式的乘除法运算是一样，符合同样的规律。生成CRC码的多项式如下，其中CRC-16和CRC-CCITT产生16位的CRC码，而CRC-32则产生的是32位的CRC码接收方将接收到的二进制序列数（包括信息码和CRC码）除以多项式，如果余数为0，则说明传输中无错误发生，否则说明传输有误，关于其原理这里不再多述。用软件计算CRC码时，接收方可以将接收到的信息码求CRC码，比较结果和接收到的CRC码是否相同。CCITT推荐的高级数据链路控制规程HDLC的帧校验序列FCS中，使用CCITT-16即CRC16,其生成多项式为G(x)=x16+x12+x5+1,CRC-32的生成多项式为G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x11+x10+x16+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,三、多路复用技术,方法：利用一个物理信道同时传输多个信号，提高信道利用率。分类：1、频分多路复用（FDM），使用几种不同的载波频率调制多个信号形成每条信道上占有一定带宽且互不重叠、有一定频段间隔的多条信道。电话线通信和宽带网常用。2、时分多路复用（TDM），将传输线的使用时间划分为若干周期，每一周期再划分为与信道数n相对应的n个时间片，每一时间片中传输对应序号的信号。,四、信息交换技术,1、电路交换（CircuitSwitching)以电路联接为目的的交换方式是电路交换方式。电话网中就是采用电路交换方式。打电话时，首先是摘下话机拨号。拨号完毕，交换机就知道了要和谁通话，并为双方建立连接，等一方挂机后，交换机就把双方的线路断开，为双方各自开始一次新的通话做好准备。电路交换的动作，就是在通信时建立(即联接)电路，通信完毕时拆除(即断开)电路。至于在通信过程中双方传送信息的内容，与交换系统无关。电路交换技术很少用于数据业务网络，主要是因为其资源利用效率和可靠性低。,2、报文交换（MessageSwitching)报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式，因而有以下优缺点：优点：报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信；c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。,缺点：由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。报文交换只适用于数字信号。由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。,3、分组交换（PacketSwitching)分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。从交换技术的发展历史看，数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交换和综合业务数字交换的发展过程。分组交换实质上是在“存储转发”基础上发展起来的。它兼有电路交换和报文交换的优点。分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。,五、网络访问的存取控制技术,1、轮询（Poll)适用于集中控制的网络（星形网、树形网、总线网），在DCS中称为1对N的控制方式，它是由主站向其他站逐个查询，根据查询到站的应答信息，确定该站是否要发信，并确定是否让其发信。2、令牌传送（TokenPassing）令牌环网是IBM公司于70年代发展的，现在这种网络比较少见。在老式的令牌环网中，数据传输速度为4Mbps或16Mbps，新型的快速令牌环网速度可达100Mbps。令牌环网的传输方法在物理上采用了星形拓扑结构，但逻辑上仍是环形拓扑结构。其通信传输介质可以是无屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等。结点间采用多站访问部件（MultistationAccessUnit，MAU）连接在一起。MAU是一种专业化集线器，它是用来围绕工作站计算机的环路进行传输。由于数据包看起来像在环中传输，所以在工作站和MAU中没有终结器。,在这种网络中，有一种专门的帧称为“令牌”，在环路上持续地传输来确定一个结点何时可以发送包。令牌为24位长，有3个8位的域，分别是首定界符（StartDelimiter，SD）、访问控制（AccessControl，AC）和终定界符（EndDelimiter，ED）。首定界符是一种与众不同的信号模式，作为一种非数据信号表现出来，用途是防止它被解释成其它东西。这种独特的8位组合只能被识别为帧首标识符（SOF）。令牌环网的媒体接入控制机制采用的是分布式控制模式的循环方法。在令牌环网中有一个令牌(Token)沿着环形总线在入网节点计算机间依次传递，令牌实际上是一个特殊格式的帧，本身并不包含信息，仅控制信道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道。当环上节点都空闲时，令牌绕环行进。节点计算机只有取得令牌后才能发送数据帧，因此不会发生碰撞。由于令牌在网环上是按顺序依次传递的，因此对所有入网计算机而言，访问权是公平的。,令牌在工作中有“闲”和“忙”两种状态。“闲”表示令牌没有被占用，即网中没有计算机在传送信息；“忙”表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。希望传送数据的计算机必须首先检测到“闲”令牌，将它置为“忙”的状态，然后在该令牌后面传送数据。当所传数据被目的节点计算机接收后，数据被从网中除去，令牌被重新置为“闲”。令牌环网的缺点是需要维护令牌，一旦失去令牌就无法工作，需要选择专门的节点监视和管理令牌。由于目前以太网技术发展迅速，令牌网存在固有缺点，令牌在整个计算机局域网已不多见，原来提供令牌网设备的厂商多数也退出了市场，所以在目前局域网市场中令牌网可以说是“明日黄花”了。,在总线和环形拓扑中，网络上的设备必须共享传输线路，为解决同一时间几个设备同时争用传输介质，需要有某种访问控制方式，以便协调各设备访问介质的顺序，在设备之间交换数据。在总线系统中，每个站都能独立地决定帧的发送，若两个或多个站同时发送，就产生冲突，同时发送的所有帧都会出错。因此一个用户发送信息成功与否在很大程度上取决于总线是否空闲的算法以及两个不同节点同时发送的分组发生冲突时所使用和中断传输的方法，总线争用技术分为载波监听多路访问(CSMA)和具有冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD)这两大类。载波监听多路访问(CSMA)的技术，也叫做先听后说(LBT)，希望传输的站首先对信道进行监听以确定是否有别的站在传输。如果信道空闲，该站可以传输，否则，该站将避让一段时间后再尝试。需要有一种退避算法来决定退让时间。常用的有三种算法。1、非坚持CSMA；2、1-坚持CSMA；3、P-坚持CSMA。,3、碰撞检测的载波侦听多重访问（CSMA/CD）,通信中对介质的访问可以是随机的，即各工作站可以在任何时刻、任意地访问介质;也可以是受控的，即各工作站可以用一定的算法调整各站访问介质的顺序和时间。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD.这种控制方式对任何工作站都没有预约发送时间，工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上互相混淆而遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竟争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。,CSMA是从一种叫ALOHA的控制协议演变而来的，之所以要采用这种控制协议，是因为当许多用户共享一个容量为Cb/s的信道时，如果两个或更多的用户同时都在共享信道上发送信息，这样就会产生冲突。习惯上把这种冲突叫做碰撞。碰撞的产生会导致冲突的用户发送都告失败。如图所示:由图可知，一个帧若要发送成功，必须在发送时刻之前和之后各有一段时间T0内没有其他帧的发送，否则就必然产生冲突而导致失败。这样，一个帧发送成功的条件就是该帧与该帧前后的两个帧到达的时间间隔大于T0.,基本定义或原理：载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)：在CSMA中，由于通道的传播延迟，当两个站点监听到总线上没有存在信号而发送帧时，仍会发生冲突。由于CSMA算法没有冲突检测功能，即使冲突己发生，仍然要将已破坏的帧发送完，使总线的利用率降低。一种CSMA的改进方案是使站点在传输时间继续监听媒体，一旦检测到冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串短的阻塞报文(Jam),通知总线上各站冲突己发生，这样通道容量不致因白白传送己受损的帧而浪费，可以提高总线的利用率，这就称作载波监听多路访问/冲突检测协议，简写为CSMA/CD,这种协议己广泛应用于以太网和IEEE802.3标准中。此时，浪费掉的带宽就减少为用检测冲突所花费的时间。那么，怎么来估算所需的冲突检测时间呢?对于基带总线而言，此时用于检测一个冲突的时间等于任意两个站之间最大的传播延迟的两倍，所以对于基带CSMA/CD，要求分组长度应该至少两倍于传播延迟，否则在检测出冲突之前传输已经完成，但实际上分组被冲突所破坏。,应用：CSMA/CD是用争用的方法来决定对介质的访问权。而这种争用协议一般用于总线网。载波监听多路访问(CSMA)发展情况及存在问题：CSMA/CD总线网络中的一个关键技术问题是冲突控制或冲突分解问题，即由于发送冲突而遭碰撞的报文要经过一段随机延时后重发，典型的冲突控制算法，亦即后退算法有以下五种:二进制指数后退算法BEB、多项式后退算法PB、线性增值后退算法LIB、固定平均后退算法FMB、顺序后退算法OB.,2.3网络通信协议一、DCS网络的标准体系结构,二、通信网络协议,1、协议组成句法：即数据和控制信息的结构语法：即一组要发送的控制信息，要执行的动作，或要返回的响应；时标：即时间执行次序的规约2、分层协议的优点简化协议软件的描述、发展和调试过程；允许对某一层进行修改，但不影响其他各层；使协议管理简化，并可逐步扩展；3、通信网络协议的发展ISO：开放系统互连参考模型OSI，70年代；IEC：PROWAY协议，75年，相当于OSI下面两层IEEE：局部网络标准协议，81年，相当于OSI下面两层通用汽车：MAP（ManufacturingAutomationProtocol）协议80年代,三、开放系统互连参考模型OSI,S2,S1,1、物理层（PhysicalLayer),它是通信网上各设备之间的物理接口，直接把数据位信息从一台设备传送到另一台设备。目前常用串行通信接口有RS-232C、RS-422A，RS-485。机械特性：连接器的规格及其安装电气特性：传输线上数字信号的电压高低、传输距离和速率功能特性：连接器各插脚的功能过程特性：规定信号之间的时序关系，正确发送或接收数据,物理层协议,TXD,RXD,RTS,CTS,GND,2、数据链路层（DataLinkLayer),数据链路层负责将传送的数据按帧结构格式化，组织成帧，实现差错控制和介质访问控制，实现对物理层的管理。（1）面向字符的协议典型为IBM推出的BISYNC（BinarySynchronousCommunication),其组成帧的最小单位为字符。其控制字符如下：SOH(StartofHeader)报头开始；STX(StartofText)文本开始；ETX(EndofText)文本结束；ITB(IntermediateTextBlock)中间文本块；ETB(EndofTransmissionofBlocks)-块传输结束；EOT(EndofTransmission)-传输结束；NAK(NotAcknowledge)-无应答；ENQ(EnquirytoSolicitResponsefromReceivingStation)向接收站询问响应ACKE应答偶数个块的报文；ACKO-应答奇数个块的报文；SYN同步字符BISYNC协议帧格式如下：BCC（BlockCharacterCheck)为错误校验信息，可选用垂直/水平奇偶校验和16位CRC校验或12位CRC校验。,多节点二进制同步操作顺序,STX。内容。ETB。BCC,（2）面向位的协议,代表性：ISO提出的高级数据链路控制协议HDLC（High-levelDataLinkControl)HDLC支持同步通信方式，可采用半双工或全双工方式，具有循环冗余检验（CRC），适用于点对点、多点式（广播式）和环形网。HDLC以帧作为基本信息传送单位，每帧6个字段，含义如下：标志F：指明一个帧的开始或结束，也兼作同步字符，是一个8位序列01111110，在整个帧中具有唯一性。站地址A：指明接收本帧信息的目的站地址。控制段C：指明帧的类型、序列号、命令、响应类别等控制信息。信息段I：传送用户的数据信息，其长度是可变的。CRC校验段：它是站地址段、控制段、信息段数字的函数，采用16位CRC校验。,HDLC帧结构,HDLC帧类型,1）信息帧：用来传送数据，其信息段可以任意长。控制段中N（s）表示发送站所发出帧序列编号（位2为低位），N（r）表示发送站所下次所希望接收的帧序列编号（位6为低位）。这些编号支持了数位流控制，即发送端一旦发送了七个帧后，若没有确认回答，那么发送站就不再发送帧。P/F位只在一系列帧的最后一个帧上置1，表示传送完毕。2）监视帧：用于对信息传送帧的确认和响应，该帧无信息段，用两位监视位SS表示四种命令：接收准备好（RR）：通知对方站，按N（r）帧序列编号发送。接收未准备好（RNR）：通知对方站不要发送。拒绝（REJ）：指明N（r）帧有错，同时要求重发该帧和以后所有帧。选择拒绝（SREJ）：要求重发N（r）帧。3）无编号帧：该帧无帧编号，用来传送命令和响应，具有特