比特信道带宽.ppt

第一章绪论,计算机网络、网络体系结构TCP/IP和OSI参考模型,一、计算机网络定义的基本内容资源共享观点的定义：以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享；互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”；联网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。,二、实际网络系统中常用的三种交换比较,ABCD,ABCD,ABCD,报文交换,线路交换(电路交换),分组交换,t,数据报是分组存储转发的一种形式；不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”，报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径，必须带有目的地址与源地址；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机，可能出现乱序、重复与丢失现象；,虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点;数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路;虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：建立连接、数据传输与释放连接阶段；报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象。,三、计算机网络的主要性能指标,“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。,时延(delay),数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：,总时延=发送时延+传播时延+处理时延,处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。,发送时延（传输时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。信道带宽数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。,三种时延所产生的地方,1011001,发送器,队列,结点B,结点A,数据,从结点A向结点B发送数据,链路,往返时延RTT(Round-TripTime)：表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。,时延带宽积,（传播）时延,链路,带宽,时延带宽积=传播时延带宽,链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。,时延带宽积,网络层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构体系结构是抽象的，而实现是指能够运行的一些硬件和软件。,网络协议的组成要素,语法数据与控制信息的结构或格式。语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步（时序）事件实现顺序的详细说明。,四、网络体系结构,OSI参考模型的结构,通信两端的对等层之间必须采用相同的协议，如传输层,TCP/IP参考模型与OSI参考模型的对应关系,OSI模型和TCP/IP协议族的层次结构和层次之间有着严格的单向依赖关系，上层依赖下层提供的服务来完成本层的工作并为自己的上层提供服务。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。,面向连接服务与无连接服务,从通信的角度看，计算机网络体系结构各层所提供的服务可分为两大类：面向连接服务(connection-oriented)面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。无连接服务(connectionless)两个实体之间的通信不需要先建立好连接。是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(besteffortdelivery)或“尽力而为”。,将TCP/IP和OSI的体系结构进行比较,讨论其异同点。,（1）OSI和TCP/IP的相同点是：都是基于独立的协议栈的概念；二者均采用层次结构，而且都是按功能分层，层功能大体相似。（2）OSI和TCP/IP的不同点：OSI分七层，自下而上分为物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层、表示层和会话层；而TCP/IP具体分五层：应用层、运输层、网络层、网络接口层和物理层。严格讲，TCP/IP网间网协议只包括下三层，应用程序不算TCP/IP的一部分OSI层次间存在严格的调用关系，两个（N）层实体的通信必须通过下一层（N-1）层实体，不能越级，而TCP/IP可以越过紧邻的下一层直接使用更低层次所提供的服务（这种层次关系常被称为“等级”关系），因而减少了一些不必要的开销，提高了协议的效率。OSI只考虑用一种标准的公用数据网。TCP/IP一开始就考虑到多种异构网的互连问题，并将网际协议IP作为TCP/IP的重要组成部分。TCP/IP一开始就对面向连接服务和无连接服务并重，而OSI在开始时只强调面向连接这一种服务。,计算机1向计算机2发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机1,AP2,AP1,计算机2,应用程序数据,10100110100101比特流110101110101,注意加入或剥去首部（尾部）的层次,应用程序数据,第二章物理层,数据是信息的载体；信号是数据的载体，是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（analogsignal）的信号电平是连续变化的；数字信号（digitalsignal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。,七、信号的概念,模拟的和数字的数据、信号,有关信道的几个基本概念,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。,奈氏(Nyquist)准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。,理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud,W是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W(Hz),码元与信息量,码元是承载信息的基本信号单位。比如用脉冲信号表示数据有效值状态，一个单位脉冲就是一码元。一码元能承载多少信息量是由脉冲信号所能表示的数据有效值状态个数决定的。一个单位脉冲信号，当表示二进制代码0和1两个状态有效值时，一码元能携带1bit信息，即一位。一个单位脉冲信号，当表示二进制代码00、01、10、11四个有效值时，一码元能携带2bit信息，即两位。一个单位脉冲信号，当表示二进制代码000、001、010、011、100、101、110、111八个有效值时，一码元能携带3bit信息，即三位。,波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。,信道的极限信息传输速率,香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽W（以Hz为单位），信噪比S/N的关系为Rmax=Wlog2（1+S/N）S/N为信噪比；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。S/N(dB)=10lg(S/N)例如当S/N=10时，信噪比为10dB；而当S/N=1000时，信噪比为30dB.,调制解调器,数据经过模拟传输系统后会出现差错。,调制解调器的作用,调制解调器(modem)包括：调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在3003400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1kHz的标准话路带宽）上的调制解调器。,调制解调器的作用（续）,调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。若识别不正确，则产生误码。在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。,几种最基本的调制方法,调制就是进行波形变换（频谱变换）。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,一种正交调制QAM,QAM(QuadratureAmplitudeModulation),r,(r,),可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。,由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,数据编码,数字数据与数字信号不归零码NRZ（不归零电平NRZ-L、不归零1制NRZI）曼彻斯特码差分曼彻斯特码数字数据与模拟信号调制编码（ASK、FSK、PSK）模拟数据与数字信号脉冲代码调制PCM模拟数据与模拟信号调制（调幅AM、调频FM、调相PM）,数字数据的数字信号编码,1）不归零码（NRZ：Non-ReturntoZero）原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，高电平表示“0”，低电平表示“1”。缺点：a难以分辨一位的结束和另一位的开始；b发送方和接收方必须有时钟同步；c若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。优点：容易实现。,数字数据的数字信号编码,2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“1”，从高跳到低表示“0”。优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。,数字数据的数字信号编码,3）差分曼彻斯特码（DifferentialManchester）原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。优点：时钟、数据分离，便于提取。,2.4.3数字传输系统,现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM(PulseCodeModulation)体制。,时分复用,为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM信号用时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。中国采用欧洲体制，以E1为一次群。美国和日本等国采用北美体制，以T1为一次群。T1一次群的数据率为1.544Mb/s.,E1的时分复用帧,2.048Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,时分复用帧,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8bit,t,时分复用帧,时分复用帧,T=125ms,15个话路,15个话路,信道复用技术,多路复用器的主要功能是结合来自两条或多条线路的传输,波分复用,频分复用,复用技术,时分复用,码分复用,频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。波分复用就是光的频分复用,码分复用,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)。,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。,码片序列(chipsequence),每个站被指派一个惟一的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),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：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(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。,(2-4),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,2-17.共有4个站进行码分多址CDMA通信，4个站的码片序列为：A:(-1-1-1+1+1-1+1+1)B:(-1-1+1-1+1+1+1-1)C:(-1+1-1+1+1+1-1-1)D:(-1+1-1-1-1-1+1-1)现收到这样的码片序列:(-1+1-3+1-1-3+1+1)。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是1还是0?答：接收到的码片序列M=-1+1-3+1-1-3+1+1,根据如下公式，分别计算各站码片序列与接收码片序列的规格化内积，结果为表明没有数据发送；结果为表明发送的是；结果为表明发送的是。A*M=1/8(1-1+3+1-1+3+1+1)=1,所以,A发送了1,同理,B*M=1/8(1-1-3-1-1-3+1-1)=-1,C*M=1/8(1+1+3+1-1-3-1-1)=0,D*M=1/8(1+1+3-1+1+3+1-1)=1,所以B、D发送了0、1，C未发送数据。,第三章数据链路层,数据链路层的主要功能,链路管理帧定界功能流量控制差错控制帧的透明传输寻址数据链路层协议为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。,三个基本问题,(1)帧定界(2)透明传输(3)差错检测,3.2.1帧定界,帧定界就是确定帧的界限。,面向字符型BSC协议的数据报文格式：,SOH,3.2.2透明传输,字节插入：为了解决透明传输，每当在数据中出现字符“SOH”和“EOT”时，就将其转换为另一个字符，而这个字符不会被错误解释为控制字符的。,3.2.3差错检测,误码率BER:在一定时间内，传输错误的比特占所传输的比特总数的比率。纠错码：每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码:分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能发现出错，但不能确定哪一比特是错的，并且自己不能纠正传输差错。,常用的检错码,奇偶校验码垂直奇（偶）校验水平奇（偶）校验水平垂直奇（偶）校验（方阵码）循环冗余编码CRC目前应用最广的检错码编码方法之一,CRC冗余码的计算,假设待传送的数据M=1010001101（共k=10bit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的nbit冗余码一起发送。用二进制的模2运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。得到的(k+n)bit的数除以事先选定好的长度为(n+1)bit的数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P至少要少1个比特。,CRC校验示例,传送序列T(x)=1101,0110,1111,10,待校验数据：1101,0110,11G(x)=x4+x+1,即10011,反馈重发机制ARQ的分类,停止等待方式(停止等待协议)是最简单但也是最基本的数据链路层协议,停止等待协议中数据帧和确认帧的发送时间关系,A,B,DATA,DATA,ACK,传播时延tp,处理时间tpr,确认帧发送时间ta,传播时延tp,处理时间tpr,时间,两个成功发送的数据帧之间的最小时间间隔,数据帧的发送时间,tf,设置的重传时间,tout,重传时间,重传时间的作用是：数据帧发送完毕后若经过了这样长的时间还没有收到确认帧，就重传这个数据帧。为方便起见，我们设重传时间为tout=tp+tpr+ta+tp+tpr(3-2)设上式右端的处理时间tpr和确认帧的发送时间ta都远小于传播时延tp，因此可将重传时间取为两倍的传播时延，即tout=2tp(3-3),简单的数学分析,两个发送成功的数据帧之间的最小时间间隔是tT=tf+tout=tf+2tp(3-4)设数据帧出现差错(包括帧丢失)的概率为p，但假设确认帧不会出现差错。设正确传送一个数据帧所需的平均时间tavtav=tT(1+一个帧的平均重传次数),连续工作方式,拉回方式(Go-back-N连续ARQ协议)重传出错帧以后所有已传的帧选择重发方式(选择重传ARQ协议)只重传出错帧,滑动窗口方式中，确认采用的是捎带确认，如ACK5意味着期待接收5号帧，4号帧及以前各帧已正确接收,3.4.3连续ARQ协议的信道利用率,由于每个数据帧都必须包括一定的控制信息(如帧的序号、地址、同步信息以及其他的一些控制信息)，所以即使连续不停地发送数据帧，信道利用率(即扣除全部的控制信息后的数据率与信道容量之比)也不可能达到100%。当出现差错时(这是不可避免的)，数据帧的不断重传将进一步使信道利用率降低。,3.4.2滑动窗口的概念,在连续ARQ协议中，应将已发送出去但未被确认的数据帧的数据进行限制。发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口。发送窗口用来对发送端进行流量控制。发送窗口的大小WT代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。,0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,发送窗口,WT,不允许发送这些帧,允许发送5个帧,(a),接收端设置接收窗口,在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。若接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。在连续ARQ协议中，接收窗口的大小WR=1。只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置。同时发送对该帧的确认。,发送窗口的最大值,当用n个比特进行编号时，若接收窗口的大小为1，则只有在发送窗口的大小WT2n1时，连续ARQ协议才能正确运行。例如，当采用3bit编码时，发送窗口的最大值是7而不是8。,3.4.4选择重传ARQ协议,可加大接收窗口，先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧。等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。选择重传ARQ协议可避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧。但我们付出的代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间。对于选择重传ARQ协议，若用n比特进行编号，则接收窗口的最大值受下式的约束WR2n/2(3-18),3.5因特网的点对点协议PPP,现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。,透明传输问题,当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC的做法一样）。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。,十一、典型数据链路层面向比特型协议HDLC,HDLC的帧结构,F（flag）：固定格式01111110作用帧同步传输数据的透明性（0比特插入与删除）,3.5.2HDLC的帧结构,标志字段F(Flag)为6个连续1加上两边各一个0共8bit。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。,比特,8,8,8,可变,16,8,信息Info,标志F,标志F,地址A,控制C,帧检验序列FCS,透明传输区间,FCS检验区间,零比特填充法,HDLC采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。在发送端，当一串比特流数据中有5个连续1时，就立即填入一个0。在接收帧时，先找到F字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就将其后的一个0删除，以还原成原来的比特流。,零比特的填充与删除,数据中某一段比特组合恰好出现和F字段一样的情况,01001111110001010,会被误认为是F字段,第四章局域网,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,CSMA/CD协议,B向D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有D接受B发送的数据,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A,C和E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,介质访问控制方法:在共享介质的情况下需要带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD非确定性随机访问控制方法它的基本工作流程是：先听后发，边发边听，冲突停止，随机重发。,载波监听：“发送前先监听”，每个站点在发送数据之前先要检测总线是否空闲，如果总线忙就不发送数据，如果总线空闲就发送数据；碰撞检测：“边发送边监听”，站点一边发送数据一边监听总线的电压变化，若站点检测到总线的信号电压变化幅度超过了门限值，则认为总线上至少有两个站点同时在发送数据，即发生了碰撞，此时站点会立即停止发送；冲突停止（强化碰撞）：当站点发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送一个人为干扰信号，让所有用户都知道现在已经发生了碰撞；延迟重发：发生碰撞的站点在停止发送数据后，运行截断二进制指数退避算法，推迟一个随机的时间，再重新发送数据。,4.2.3以太网的信道利用率,我们假定：总线上共有N个站，每个站发送帧的概率都是p。争用期长度为2，即端到端传