第2章网络体系结构与通信基础ppt课件

1、第第2章网络体系构造与数据通讯根底知识章网络体系构造与数据通讯根底知识 本章内容 2.1 计算机网络体系构造 2.2 数据通讯根底知识 2.3 数据编码技术 2.4 过失控制技术 2.5 数据交换技术 2.6 多路复用技术2.1 计算机网络体系构造2.2.1 网络协议网络协议2.2.2 网络体系构造网络体系构造2.2.3 OSI参考模型参考模型2.2.1 网络协议网络协议网络中的各种设备存在很大差别。要把这些有差别的设备衔接在一个网络中，彼此要相互通讯，而且要求接纳方可以正确的了解发送方发送的信息的含义，因此就需求制定网络中各种计算机和通讯设备共同遵守的规那么或商定，这种规那么或商定就是网络协

2、议。网络协议作为一种规那么普通要商定三个方面的内容，我们称之为网络协议三要素，即语法、语义和时序。1语义。指在数据传输中参与哪些控制信息。2语法。指传输数据的格式3时序。指数据传输的次序或步骤2.2.2 网络体系构造1.分层网络通讯过程非常复杂，为了使复杂问题简单化，人们将网络完成的义务分解成一个个小的子义务，然后针对每个子义务分别制定相应的协议，在网络术语中将这样一种义务分解的方法叫分层。2.网络体系构造我们把网络的这种分层构造，以及各层协议的集合称之为网络体系构造。图2-2邮政系统的网络体系构造2.2.3 OSI参考模型参考模型背景：到了20世纪70年代，各大计算机公司都制定了本人的网络体

3、系构造，如：IBM的网络体系构造SNA，DEC公司的网络体系构造DNA等带来的问题：在一个网络中只能运用一个厂商的网络产品；运用不同的厂商的产品组建的网络不能相互连通；一旦用户购买了每个公司的网络产品组建网络，那么它以后只能依赖于这个公司，本身的利益无法得到保证。假设这样的局面不能得到改动，在这个世界上就会出现很多信息网络的孤岛，这既不符合全球用户的需求，也不利于网络技术本身的开展。1OSI参考模型在这种背景下，国际规范化组织ISO于1977年成立一个专门的机构SC16委员会，研讨如何将网络规范一致同来，使不同体系构造的计算机网络之间可以实现互联。这个委员会在现有网络体系构造的根底上，制定了开

4、放系统互联参考模型，简称OSI参考模型。这里的开放系统的含义是：假设他的的系统是符合OSI规范的，那么他的系统就是开放的，他的系统就可以与其他开放的系统实现互联。OSI只是一个概念性的框架，不是一个详细的规范，它只是描画了开放系统的层次构造，对各层功能做了准确的定义，但是它没有涉及各层协议实现的技术细节。OSI参考模型将网络分成七个层次，如图2-3所示。其中：低三层1-3层面向通讯子网，主要处理通讯问题，担任网络中的数据传输，与通讯设备有关。高三层5-7层面向资源子网，主要处理数据处置问题，担任使接纳方了解发送方发送数据的含义，与通讯设备无关。传输层第四层是通讯子网与资源子网的接口层，保证数据

5、正确送达。网络中的主机既要进展通讯处置又要进展数据处置，需求有七层构造对通讯网和通讯设备而言，由于他们的作用就是正确的传输信号，不需求对信号进展了解，所以，只需求有低三层1-3层构培育可以了。通讯子网运用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层运用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层主机主机路由器路由器传输介质传输介质传输介质OSI参考模型1第7层：运用层。经过用户运用程序接口为用户运用层序提供效力，运用户经过网络运用程序将对网络的恳求送到网络中来。2第6层：表示层。表示层为运用层提供效力，表示层保证一个系统运用层发出的信息能被另一个系统的运

6、用层读出。假设发送方和接纳方数据表示格式不一致，表示层将运用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进展转换。3第5层：会话层。会话层为表示层提供效力，在传输衔接的根底上详细实施通讯双方运用程序的会话，包括会话建立、会话管理和终止的机制。2各层的作用4第4层：传输层。传输层为会话层提供可靠数据传输效力。传输层对上层屏蔽数据传输的详细细节，为数据的传输提供可靠的效力。为了提供可靠的效力，传输层提供建立、维护端到端的传输衔接、端到端的传输过失校验和恢复以及信息流控制机制等机制。5第3层：网络层。网络层为传输层提供分组传输效力，保证报文分组可以从一个主机经过通讯子网送到达另一个主机上。网络层把传

7、输层送来的数据流分割成一个个的分组，根据分组要送达的目的主机地址，经过路由选择算法为每个分组选择一个最正确途径，使分组可以沿着这条途径经过通讯子网到达接纳端的主机，并处置网络中能够出现的拥塞由于通讯量大而引起的网络拥堵、死锁等问题。6第2层：数据链路层。数据链路层在物理层衔接的根底上，为网络层提供通讯子网中两个相邻的通讯节点间的可靠的帧传输效力。数据链路层要对传输的比特以帧为单位检查错误，假设出现错误，要求发送端重发。另外数据链路层还要处置相邻节点间流量控制问题。7第1层：物理层。物理层为数据链路层提供比特传输效力，确保比特在通讯子网中从一个节点传输到另一个节点上，物理层协议主要定义传输介质接

8、口的电气的、机械的、过程的和功能的特性，包括接口的外形、传输信号电压的高低、数据传输速率、最大传输间隔、引脚的功能、动作的次序等等。传输介质传输介质传输介质通讯子网运用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层链路层网络层物理层网络层运用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层主机主机路由器路由器链路层物理层链路层物理层链路层物理层3数据在OSI参考模型中的流动过程2.2 数据通讯根底知识数据通讯根底知识2.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号2.2.2 数据通讯系统数据通讯系统2.2.3 数据通讯方式数据通讯方式2.2.4 数据通讯目的数据通讯目的2.2.1 信息、数据与信号信息、数据

9、与信号1信息、数据、信号及其关系信息是信息论中的一个术语，经常把音讯中有意义的内容称为信息。数据是指可以输入到计算机中并能为计算机所处置的数字、文字、字符、声音、图片、图像等数据与信息关系亲密，数据是信息的载体，信息要靠数据来承载；孤立的数据没有意义，而一组有相互关系的数据可以表达特定的信息。例如，39表示数据的物理量叫信号，只需把数据表示成信号，才可以对数据或信息进展处置和传输。2模拟信号与数字信号模拟信号是随时间延续变化的，用随时间延续变化的物理量表示实践的数据数字信号是随时间离散的、跳变的，用脉冲信号的组合表示实践数据图2-5 模拟信号与数字信号a模拟信号b模拟信号2.2.2 数据通讯系

10、统数据通讯系统数据通讯是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。通讯系统分为模拟通讯系统与数字通讯系统两种。用模拟信号传输数据，这样的通讯系统叫模拟通讯系统用数字信号传输数据，这样的通讯系统叫数字通讯系统图2-6 模拟通讯系统与数字通讯系统a模拟通讯系统调制解调器调制解调器模拟通讯网b数字通讯系统编码/解码器编码/解码器数字通讯网2.2.3 数据通讯方式1串行通讯与并行通讯10110010接纳端发送端b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0发送端接纳端b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b010110010a 串行通

11、讯b并行通讯2数据通讯的交互方式发送接纳单向通道a单工通讯方式发送接纳单向通道b半双工通讯方式接纳发送c全双工通讯方式发送接纳单向通道接纳发送单向通道1单工通讯：一端为发送方，只能发送数据，另一端为接纳方，只能接纳数据2半双工通讯：允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时辰，只允许数据在一个方向上传输，3全双工数据通讯：全双工数据通讯允许数据同时在两个方向上传输3同步问题1同步概念同步：就要求通讯双方的设备在时间基准上坚持一致通俗的说，所谓同步就是让接纳方知道发送方发送的数据从什么时辰开场到什么时辰终了的技术。2在数据传输过程中需求处理两个层次上的同步问题一个是如何让接纳方识别出一个比特的开场

12、和终了，这叫位同步；另一层次是让接纳方识别出传输的数据块的开场和终了，这叫字符同步。实现位同步的方法有两种，外同步法和自带同步法1位同步外同步法是在发送正常的数据的同时，另发一路同步时钟信号，用同步时钟信号去调整校正接纳方的时间基准与时钟频率自带同步法是在发送数据的同时，经过编码技术让传输的数据中包含同步信息2字符同步实现字符同步的方法也有两种，异步传输和同步传输。异步传输是以字符为单位传输，一个字符通常包括4-8各比特，在传输字符的前面，参与起始位，在传输字符的的后面，参与终止位。同步传输是多个字符组成一个数据块一同传输，在数据块的开头和结尾分别加上用于同步控制的公用字符，如SYN或特定的比

13、特串如01111110。停顿位起始位5位数据位同步时钟0111111001111110数据SYN数据SYNa异步传输b同步传输图2-10字符同步传输字符 00100112.2.4 数据通讯目的数据通讯目的1数据传输速率R=1/T(bps)R为数据传输速率，T为脉冲宽度(一个bit的继续时间)。例如：在信道上发送一个比特的时间是0.104ms，那么传输速率为9600bps。常用的数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s。其中： 1Kb/s = 1103 b/s 1Mb/s = 1106 b/s 1Gb/s = 1109 b/s 1Tb/s = 11012 b/s2码元速率C又称

14、调制速率、信号传输速率、波特率、传码率等。是指调制或信号变换过程中，每秒波形转换次数或每秒传输波形信号的个数。它定义为： C=1/tbaudC：为码元速率，t为传输一个码元所需时间，单位为波特baud。3码元速率与数据传输速率的关系R= C*log2Mbps M：为一个码元所取的离散值的个数假设码元速率不变，当一个码元可取的离散值添加时，数据传输速率可以成倍的提高但是随着M值的提高，信道噪声也会添加，又会抑制传输速率的添加，所以M值要遭到限制。4信道的带宽带宽：信道允许传送的信号的最高频率与最低频率之差，单位为赫兹Hz，带宽用于衡量一个信道的数据传输才干。5信道的最大数据传输率信道容量信道容量

15、是理想情况下，即没有传输损耗，没有噪声干扰的情况下信道的最大数据传输速率。由奈奎斯特准那么给出。 C=2Bbaud B：为信道带宽，C为码元速率。假设换算成数据传输速率： Rmax=2Blog2M6非理想信道与香农Shannon公式思索噪声干扰的情况下数据传输速率的计算由香农公式给出。 R=Blog2(1+S/N)R：数据传输速率；B：信道带宽；S/N：信号功率与噪声功率之比，简称信噪比。在实践运用中，信噪比可以丈量，其单位为分贝dB，S/N与分贝的换算关系为： 1dB=10log10S/N所以在运用香农公式时，经常是根据测得的分贝数求出信噪比，再根据香农公式计算数据传输速率。7误码率误码率用

16、于衡量信道出错率，定义为： Pe=Ne/NPe：代表误码率；Ne ：代表传输过程中出现错误的比特数；N：代表传输总的比特数。2.3 数据编码技术2.3.1 数字数据模拟信号编码数字数据模拟信号编码2.3.2 数字数据数字信号编码数字数据数字信号编码2.3.3 模拟数据数字信号编码模拟数据数字信号编码2.3.1 数字数据模拟信号编码数字数据模拟信号编码调制与解调：数字数据在模拟信道上传输，就需求将原来用数字信号表示的数据，用模拟信号来加以表示。这项技术叫调制，在另端需求将模拟信号再转换成数字信号，这项技术叫解调，实现信号变换的设备叫调制解调器。输入/输出调制解调器图2-11 调制解调器简单原理输

17、出/输入有三种调制方式，即幅移键控、频移键控和相移键控1幅移键控ASK：用载波信号的不同幅度表示数据的0和12频移键控FSK：用载波信号的不同频率表示数据的0和13相移键控PSK：用载波信号的不同初始相位表示数据的0和12.3.2 数字数据数字信号编码数字数据数字信号编码在数字通讯系统中直接传输计算机中的数字信号会带来两个问题直流分量过大同步问题，1非归零码NRZ非归零码编码规那么：将计算机中传来的数据用一个正电压表示1或0，用0电压表示0或1。2曼彻斯特manchester编码曼彻斯特编码的规那么：表述1：每比特的周期T的中间产生跳变，这个跳变即起同步作用，同时，又用跳变方向代表数据0或1表

18、述2：将每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分，前T/2用该比特的反码，后T/2用该比特的原码。3差分曼彻斯特difference manchester编码每比特的周期T的中间产生跳变，这个跳变仅起同步作用，每比特所代表的值根据其开场边境能否发生跳变来决议。当要传输的比特是1时，在该比特到来的瞬间，编码后的波形不产生跳变；当要传输的比特是0时，在该比特到来的瞬间，编码后的波形产生跳变。2.3.3 模拟数据数字信号编码模拟数据数字信号编码PCMpulse code Modulation)也称为脉冲编码调制，是一种把模拟信号转换为进制数字信号的过程采用PCM编码方案需求经过采样、量化、编码三个

19、过程采样：每隔一定的时间对延续模拟信号采样，延续模拟信号就成为离散的信号。根据采样定理，采样频率必需满足 ffmax量化：是一个分级过程，把采样所得到的脉冲信号根据幅度做N等分，然后让每一个采样值都近似等于一个标称值编码：用一组二进制数组合来表示采样序列量化后的量化幅度。假设有N个量化级，那么，就该当用(log2N)位二进制数来表示。2.4 过失控制技术过失控制技术2.4.1 过失控制概念2.4.2 常用检错编码方法2.4.3 反响重发方法2.4.1 过失控制概念过失控制概念1过失产生的缘由：热噪声和冲击噪声2过失控制方法：前向纠错和反响重发3检错方法：在发送端运用某种算法对传输的数据进展运算

20、得到冗余码然后将冗余码加在传输的数据的后面一同发送在接纳端用同样的算法对收到的数据部分进展一样的运算，也得到一个冗余码将两个冗余码进展比较，假设结果一样就没有错误，否那么，就断定出现了错误。1奇偶校验在原始数据字节的最高位或最低位添加一个附加位，使结果中1的个数为奇数奇校验或偶数偶校验。添加的位称为奇偶校验位。例如，原始数据= 1100010数据中有三个1假设采用偶校验，校验位1，添加校验位后的传输的数据为11100010数据中有四个1。假设接纳方收到的字节中1的个数不是偶数个，就以为传输中发生了错误。奇偶校验只能检测出奇数位错，对偶数位错那么无能为力2循环冗余校验循环冗余码计算和验证过程如下

21、：1将要发送的数据序列，当作一个多项式F(x)；2选择一个生成多项式G(x，设G(x中的最高幂次为k；3用xk 乘F(x)；4运用模二除法，用G(x去除F(x)*xk，得Px+Rx/Gx，余数多项式R(x)对应的二进制数位串即为所求的循环冗余码；5将冗余码加在F(x)的后面：F(x)*xk+R(x)，发送；6在接纳端收到F(x)；7接纳端用G(x去除F(x) ，得余数多项式R (x) ；8假设R(x)=0，那么无错。例如，要发送的数据为101，选择得生成多项式为g(x=X4+X3+X2+1，求CRC码解：1发送的数据为101；2G(x= X4+X3+X2+1 ， k=4，对应的二进制序列为11

22、101；3将101左移4位，得1010000；4做模二除法；5将左移四位的数据1010000与循环冗余码0011相加后得：1010011；即实践发送1010011。假设接纳端恰好收到的是1010011没有错误，用同样的多项式对收到的数据进展摸二除法运算：CRC检验码检查错误的才干很强，可以检查以下错误：1全部单个错；2全部离散的二位错；3全部奇数个错误；4全部长度小于或等于k位的突发性错误；5能以1-(1/2)k-1的概率检查出长度为(k+1)位的突发错；作为国际规范的G(x)是：CRC-12=X12+X11+X3+X2+X+1CRC-16= X16+X15+X2+1CRC-CCITT= X1

23、6+X12+X5+1CRC-32= X32+X26+X23+ X22+X16+X12+ X11+X10+X8+ X7+X5+X4+ X2+X+12.4.3 反响重发方法反响重发方法重发的方法有停顿等待法和延续发送的方法1停顿等待发送方在发送完一个数据帧后，将发送的数据帧保管在通讯安装的缓冲区中，然后停顿发送接纳端收到一个帧后，检查有没有错误，假设有错就丢弃，同时向发送端发送出错信息NAK，发送方收到NAK信息后，将发送缓冲区中的帧重发一遍；假设接纳正确就将该帧送主机，同时向发送端发送确认信息ACK，发送端收到ACK信息后，将缓冲区中的帧删除，然后发送下一帧。主机通讯安装缓冲区ACK？帧否，重发

24、是，发下一帧通讯安装缓冲区正确？是，送主机主机否，丢弃NAK/ACK帧图2-16 停顿等待方式的任务原理2延续任务方式延续任务方式是指发送端不需求等待接纳端确实认信息就可以延续发送多个数据帧延续任务方式又分为两种类型：拉回方式选择重发1拉回方式发送方向接纳方延续发送数据帧，发送出去的数据帧在缓冲区中暂存;接纳方对收到的数据帧逐帧进展检验，假设一帧没有错误，就将其送主机，然后发送确认信息ACK，发送端收到确认信息后，在缓冲区中去除曾经正确发送的帧，腾出缓冲区，发送端主机可以继续发送后面的帧；假设接纳端检查某帧有错，就将该帧及其以后到达的帧丢弃，同时向发送端发出某帧错误信息NAK，发送端收到错误某

25、帧错误信息后，就从该帧开场连同该帧后面的帧都重发一遍。ACKNAK主机通讯安装ACK？否，重发3、4、5是，发下一帧通讯安装3号帧正确？是，送主机主机否，丢弃3、4、5图2-17 拉回方式的任务原理缓冲区23451 0缓冲区23451 02选择重发方式发送方向接纳方延续发送数据帧，发送出去的数据帧在缓冲区中暂存;假设接纳端检查某帧有错，就只将该帧丢弃，其后面的帧仍继续接纳到缓冲区中，同时向发送端发出某帧错误信息NAK发送端收到某帧错误信息后，仅将该编号帧重发一遍。否，丢弃3ACKNAK主机通讯安装ACK？否，重发3是，发下一帧通讯安装3号帧正确？是，送主机主机图2-18 选择重发方式的任务原理

26、缓冲区23451 0缓冲区23451 02.5 数据交换技术2.5.1 数据交换根本概念2.5.2 线路交换2.5.3 报文交换2.5.4 分组交换2.5.1 数据交换根本概念在远程同通讯中，数据要经过通讯子网中的多个节点一站一站的传输才干送到接纳端，我们把这种通讯方式称为交换数据交换有以下几种交换方式。2.5.2 线路交换线路交换 交换数据之前，通讯双方先建立物理衔接，然后在商定的信道上传输数据。 线路交换经过建立线路、传输数据和释放线路三个阶段。1线路独占，因此线路的利用率较低；2实时性好。传输数据过程中中间节点不对数据做任何处置，具有较好的实时性；3不能缓存数据，不能进展过失检验；4适宜

27、大量数据传输、交互式会话类的通讯。线路交换的特点2.5.3 报文交换1报文交换原理主机A将发送的数据和源地址、目的地址以及其他控制信息组装成报文，然后发送到通讯子网中的节点A。节点A完成以下任务：接纳报文并存储，对报文进展检错纠错，根据报文中的目的地址选择一条最正确途径假设所选途径空闲就将报文发送出去，假设所选途径忙就存储，2报文交换的特点主要有：1发送数据前不需求建立专线衔接；2不独占线路，多个用户的数据可以经过存储和排队共享一条线路，线路利用率高；3有过失检测功能，防止出错数据无谓传输；4有存储转发功能，可以对不同速率的线路进展转换；5不能支持实时通讯和交互式的通讯。2.5.4 分组交换所

28、谓分组交换是在报文交换的根底上，将报文分成更小的单位分组，然后以分组为单位进展传输.分组的益处：分组交换更利于检错纠错分组很小，对中间节点缓冲区要求也很低1分组交换的概念2数据报交换方式1不需求建立专线衔接，线路利用率高；2每个分组独立携带源地址和目的地址信息；3每个分组可以经过不同的途径经过通讯子网，到达的顺序能够不同于发送的顺序，能够出现分组丧失、反复景象；4数据延迟较大，适宜于突发性通讯，不适宜会话式的通讯；3虚电路交换方式1在传输数据之前需求建立一个逻辑衔接，这个衔接不独占；2数据分组不需求携带地址信息；3一切分组沿一条虚电路传输，不会出现乱序、反复、分组丧失等景象；4分组经过虚电路上的节点时，只做过失检验，不需求再选择途