第2章-有线网络通信基础

1、第二章 有线网络通信的基础 概述 n2.1 网络通信的几个基本概念 n2.2 数据的编码 n2.3 传输信道 n2.4 数据通信方式 n2.5 传输媒体 n2.6 介质的分配 n2.7 数据交换技术 n2.8 差错控制 2.1 网络通信的几个基本概念 （一） n数据(data)运送信息的实体。 n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)连续变化的。 n“数字的”(digital)取值是离散数值。 n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。 n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。 2.1 网络通信的几个基本概念 （二） 模拟数据模拟信号 放大器 调制器 模拟

2、数据数字信号 PCM 编码器 数字数据模拟信号调制器 数字数据数字信号 数字 发送器 2.1 网络通信的几个基本概念 （三） n同步： n所谓同步，就是要求通信的收发双方在时间 基准上保持一致。 n目的：使收发双方正确的接收位(bit)和字符。 n同步是网络最基本的要求。 2.2 数据的编码（一） n网络中基本的数据编码方法： n数据 信号 2.2 数据的编码（二） n最基本的模拟数据编码 n调幅(AM)：载波的振幅随信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随信号而变化。 n调相(PM) ：载波的初始相位随信号而变化 （比如当表示数字1时，取0=0；表示数字 0时，取0= ） 01001110

3、0 调幅 调频 调相 2.2 数据的编码（三） n数字数据编码： n非归零码（NRZ）：规定用低电平表示逻辑 0，高电平表示逻辑1。 n优点：是一种全宽码，有利于提高接收方的信噪 比； n缺点：难以分辨一位的结束和另一位的开始；为 保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时， 用另一个信道同时传送同步信号。 2.2 数据的编码（四） n数字数据编码： n曼彻斯特编码： n 规则：每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分； 通过前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特 的原码。 n优点：无需另外发送同步信号。 2.2 数据的编码（五） n数字数据编码： n差分曼彻斯特编码： n曼彻斯特编

4、码的改进； n每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。 一个比特开始处出现电平跳变表示传输码元“0”； 不发生跳变表示传输“1”。若连续两位均为1， 则前一位中点必须要有跳变（以易于提取时钟) n比曼彻斯特编码变化少，编码效率更高 几种数据编码形式： 2.3 传输信道 n2.3.1 模拟通信信道 n数据编码问题； n数据传输方式； n2.3.2 数字信道 n传输代码； n数据传输； 2.3.1模拟通信信道（一） n数据传输方式： 数据传输方式 并行传输 串行传输 同步传输 异步传输 2.3.1模拟通信信道（二） n并行传输：将表示一个字符的8位二进制代 码通过8条并行的通信信道同时发送出去

5、， 每次发送一个字符代码。 n缺点：收发双方必须建立并行的多条通信信道。 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 发送方接收方 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 并 行 通 信 信 道 2.3.1模拟通信信道（三） n串行传输： n传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的 顺序，依次发送。 n同步传输：同步通信要求接收端时钟频率和发送 端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。 发送端接收端 b7b6b5b4b3b2b1b0 串行通信信道 SYN STX 同 步 字 符 帧内数据 SYN 同 步 字 符 帧 起 始 字 符 帧 结 束 字 符 2.3.1模拟通信信道（四）

6、 n异步传输：异步通信时不要求接收端时钟和发送 端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过 任意长的时间间隔再发送下一个字节。 n异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具 有一般精度的时钟来进行数据通信。有一般精度的时钟来进行数据通信。 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 字节3 终止位 逻辑“0” 起始位 逻辑“1” 2.3.2 数字信道（一） n传输代码 nASCII码 n扩充的二、十进制交换码 n博多码 nCCITT的国际5单位字符编码 2.3.2 数字信道（二） n模拟信号的数字化通常采用脉码调制 PCM (Pulse Co

7、de Modulation)体制。 n采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效 信号F(t)最高频率的两倍或两倍以上的速率对 该信号进行采样的话，则这些采样值中就包含 了无混叠而又便于分离的全部原始信号信息。 n如话音数据的最高频率为3400Hz，可以以 8000Hz的采样频率对其采样。 采样周期 T t 信号 t 采样 10010011 1100 0010 t 编码 t 解码 t 还原 2.4 数据通信方式 n 数据通信按照信号传送方向与时间的不 同，可以分为三种： n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。 n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

8、能双方同时发送 (当然也就不能同时接收)。 n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。 发送单向信道接收 (单工通信) 发送 接收 接收 发送 双向信道 (半双工通信) 发送 接收 双向信道 接收 发送 (双工通信) 2.5 有线传输媒体 n同轴电缆 n粗缆（传输距离500m） n细缆（传输距离186m） n双绞线 n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n光纤 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

9、套层 内导体 无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP 同轴电缆 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 2.6 介质的分配 n介质的静态分配 n频分复用（FDM） n时分复用（TDM） n统计时分复用（ STDM ） n波分复用（WDM ） n介质的动态分配 nCDMA/CD（有冲突检测的载波侦听多路访 问协议） 频分复用 频率 时间 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5 时分复用 频率 时间 B C DB C DB C DB C DAAAA 在 TDM 帧中的位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 时分

10、复用 频率 时间 C DC DC DAAAABBBB C D 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 时间 BDBDBDAAAA BCCCC D 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 时分复用 频率 时间 B CB CB CAAAA B CDDDD 在 TDM 帧中的 位置不变 TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 TDM 帧 时分复用 n时分复用的每个用户在其占有的时间片 内，用户使用通信信道的全部带宽； n时分复用可能会造成线路资源的浪费 。 统计时分复用 STDM 用户 A B

11、C D a b c d t t t t t 3 个 STDM 帧 #1 a c b ab bcacd #2#3 统计时分复用 统计时分复用 STDM n 把公共信道的时隙实行“按需分配按需分配”，即只对 那些需要传送信息或正在工作的终端才分配给 时隙，使所有时隙都能饱满地得到使用，可以 使服务的终端数大于时隙的个数，提高了信道 的利用率，起到真正“复用”的作用。 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。 共享光纤共享光纤 光栅光栅 功 率 波长 共享光纤 的波谱 功 率 波长 光纤1 的波谱 功 率 波长 光纤2 的波谱 光纤1 光纤2 光纤3 光纤4 功 率 波长 光纤3 的波谱 功

12、率 波长 光纤4 的波谱 CDMA/CD（有冲突检测的载 波监听多路访问协议） n作用：能够检测到网络中冲突和碰撞的 发生。 n什么是碰撞“冲突”：两个站发出的帧 在时间上重叠称为冲突。 n在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严 重的失真，无法从中恢复出有用的信息，两 站发出的信号均不能被接收方正确接收。 CDMA/CD（二） n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。 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 CDMA/CD

13、（三） n原理： n发送前监听信道，若忙则不发送； n若信道空闲则发送，且发送后还要监听信道 一段时间，以检测冲突。 n发送后还要监听是因为A 向 B 发出的信息，要经 过一定的时间后才能传送到 B。 n若检测到冲突则采用指数回退法进行处理如 下： 1 km AB t 碰撞 A 检测到发生碰撞 B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = 0 n当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值 将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超 过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数 据，表明产生了碰撞。 CDMA/CD（四） n第一次碰撞后，随机延迟0或1个时槽再试；

14、n第二次碰撞后，随机延迟0，1，2或3个时槽再 试； n第i次碰撞后，随机延迟0，1，2，或2j-1个时 槽再试。（i10,j=10) n第16次重试，仍碰撞，则宣告失败。 CDMA/CD（五） n思考：使用 CSMA/CD 协议的以太网能 进行全双工通信吗？ n发送后到底需要监听信道多久？ n2 =51.2us（争用期），表示网络最远两点 信号传送时间的2倍。 n经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才 能肯定这次发送不会发生碰撞。 n对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。 n以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发 生冲突，则后续的数据就不会发生冲

15、突。 n n如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字 节之内。 n由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已 经发送出去的数据一定小于 64 字节。 CSMA/CD 总结 n用在以太网和IEEE802.3协议中 n这种发送的不确定性使整个以太网的平 均通信量远小于以太网的最高数据率。 2.7 数据交换技术 n回顾一下电路交换的特点 n两部电话机只需要用一对电线就能够互相连 接起来。 n更多的电话机互相连通：5 部电话机两两相 连，需 10 对电线。 nN 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。 n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。 n使用交换机

16、：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 n在这里，“交换”(switching)的含义是： n转接把一条电话线转接到另一条电话线， 使它们连通起来。 n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。 n数据交换分类： n线路交换 n报文交换 n分组交换 线路交换举例 nA 和 B 通话经过四个交换机 n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 线路交换举例 nC 和 D 通话只经过一个本地交换机 n通话在 C 到 D 的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交

17、换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 线路交换特点： n连接建立期间占有的信道是专用的，即 使没有数据传送，别人也不能使用。 n计算机数据具有突发性。 n这导致通信线路的利用率很低。 报文交换： n不管发送数据的长度是多少，都把它当 作一个逻辑单元发送； n不需要预先在源主机与目的主机之间建 立“线路连接”； n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。 n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。 报文交换工作原理： n报文交换的时延较长，从几分钟到几小 时不等。现在报文交换已经很少有人使 用了。 结点A 结点F 结点C结点E 结点D 结点G

18、结点B p2p1 p1 p1 p1 p2 p2 p2 p1p2 ACK ACK ACK ACK ACK ACK 主机H主机H AB 分组交换的原理（一） n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。 报文 1101000110101010110101011100010011010010 假定这个报文较长 不便于传输 分组交换的原理（二） n每一个数据段前面添加上首部构成分组。 数 据数 据数 据 报文 首部 首部 首部 分组 1 分组 2 分组 3 分组交换的原理（三） n分组交换网以“分组”作为数据传输单 元。 n依次把各分组发送到接收端（假定接收 端在左边）。 数 据首部

19、分组 1 数 据首部 分组 2 数 据首部 分组 3 分组首部的重要性 n每一个分组的首部都含有地址等控制信 息。 n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。 n用这样的存储转发方式，最后分组就能 到达最终目的地。 分组交换的原理（四） n接收端收到分组后剥去首部还原成报文。 数 据首部 分组 1 数 据首部 分组 2 数 据首部 分组 3 分组交换的原理（五） n最后，在接收端把收到的数据恢复成为 原来的报文。 n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。 报文 110100011010101011010101110

20、0010011010010 分组交换网的示意图 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 向 H5 发送分组 H2 向 H6 发送分组 注意分组路径的变化！ 结点交换机 注意分组的存储转发过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1 向 H5 发送分组 结点交换机 在结点交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在结点交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在结点交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口 最后到达目的主机 H5 分组交换的优点 n迅速 不必先建立连接就能向其他主机 发送分组；充分使用链路的带宽。 n

21、高效 分组长度较短，在传输出错时， 检错容易并且重发花费的时间较少。 现有的公用数据网都采用分组交换技术。 分组交换带来的问题 n分组在各结点存储转发时需要排队，这 就会造成一定的时延。 n分组必须携带的首部（里面有必不可少 的控制信息）也造成了一定的开销。 三种交换的比较 P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 P3 P4 报 文 报 文 报 文 A B C D A B C DA B C D 报文交换电路交换分组交换 t 连接建立 数据传送 报文 P2 P1 连接释放 分组交换的分类 n数据报转发方式； n虚电路转发方式； n什么是数据报方式？ n每一个分组都带有完整的目的站地址，独

22、立 地进行路由选择，同一终端送出的不同分组 可以沿着不同的路径到达终点。在目的地， 根据分组的序号重新排列次序，组合成报文。 每一个单独处理的分组称为一个数据报。 n数据报方法的示意图：A有三个分组的报文 将送到C站，分组1、2通过节点1、2、3、6 传向C站；而分组3通过节点1、4、3、6传 向C站；节点6将它们重新按序排列组合起来， 再送至C站。 n每个数据报自身携带有足够的信息。整个分 组传送过程中，由每个交换节点为每个分组 查找路由表，单独作出路由选择，各分组不 能保证按顺序到达目的节点，有些还可能会 丢失。 n数据报是一种无连接服务，提供的服务是不 可靠的，它不能保证服务质量。实际上

23、“尽 最大努力交付”的服务就是没有质量保证的 服务。 n典型网络：Internet n虚电路转发方式： n两个用户终端设备在开始互相传输数据之前 必须通过网络建立一条逻辑上的连接（称为 虚电路。 n数据的通信需要经历虚电路建立、数据传送、 虚电路拆除三个阶段。 n和电路交换不同之处：经呼叫后在两个数据 站之间建立起来的是一条虚拟电路（逻辑信 道）。 n 由于对分组的统计时分复用，在一条实际 的链路上可以存在多条虚电路。 提供虚电路服务的特点 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 H1 要和 H5 通信 主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组，

24、要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意 通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。 虚电路 H1 向 H5 发送的 所有分组都沿此 虚电路传送。 n数据是怎么在虚电路上传输的？ n每个交换节点保留一张虚电路表，通过查找 虚电路表进行数据传递。 n当分组到达节点时，节点根据其携带的逻辑 信道号匹配虚电路表，以确定该分组应发出 的端口及其下一段信道上所占用的逻辑信道 号，再将该分组发往下一个节点。 交换机交换机1 交换机交换机2 交换机交换机3 交换机交换机4 交换机交换机1 交换机交换机2 交换机交换机3 交换机交换机4 n虚电路建立过程 交换机1为建立分组分配输入VCI为3，出口

25、选5 交换机2为建立分组分配输入VCI为5，出口选7 交换机4为建立分组分配输入VCI为7，出口选4 D分配输入VCI为4 H1 H5 H2 H4 H3 A C D B H6 E 分组交换网 在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在 两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。 所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照 先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。 到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致 n虚电路的应用： n用在 ATM, 帧中继, X.25 n没有用于今天的 Internet 数据报与虚电路的比较 虚电路虚电路 数据报数据报 是否需要建立连接 需要不需要 分组中的目的地址完

26、整地址 VC标识 路由器中的路由表 只需一个很简单 的路由表 要为每个虚电路 保存一个路由表 选路 每个分组独立选路， 路由可能不同 在VC建立时选路， 所有分组路由相同 几乎不受影响 所有经过该路由器 的VC都将终止 拥塞控制很难实现易于实现 路由器故障的影响 差错控制和流量控制由主机负责由子网负责 思路 可靠通信有网络保证可靠通信由主机保证 分组的顺序总是按顺序到达到达顺序不一定是发送顺序 思考： n为什么一个分组沿着路由在每条链路上 不能保持相同的VC号？ 2.8 差错控制 n数字信号通过实际的信道 ： n失真不严重 n失真严重 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输入信号波形输出信号波形 (失真不严重) 输入信号波形 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输出信号波形 (失真严重) 2.8 差错控制（二） n误码率： n误码率是指二进制码元在数据传输系统中被 传错的概率，它在数值上近似等于： Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数， Ne为被传错的码元数； n误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下 传输可靠性的参数之一； nCCITT规定测试时间为15min。 2.8 差错控制（二） n 人们在设计差错控制方法时