ch3-数据通信基础与计算机网络

1、变电站综合自动化原理变电站综合自动化原理第三章第三章 数据通信基础与计算机网络数据通信基础与计算机网络河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院2第三章第三章 数据通信基础与计算机网络数据通信基础与计算机网络3.1 3.1 数据通信基础数据通信基础3.2 3.2 数据交换技术数据交换技术3.3 3.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识3.4 3.4 网络体系结构及网络体系结构及OSIOSI基本参考模型基本参考模型3.5 3.5 计算机局域网络计算机局域网络3.6 3.6 现场总线技术现场总线技术河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院31、信息：、信息：用于描述客观世界的事实、概念和指令，有

2、多种存在形式，如用于描述客观世界的事实、概念和指令，有多种存在形式，如文字、声音、图像等。文字、声音、图像等。2、信道：、信道：传输信息的通道，分为传输信息的通道，分为物理信道物理信道和和逻辑信道逻辑信道。3.1 数据通信基础数据通信基础 物理信道是指用来传送信号或数据的物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路物理通路，由传输介质及相关控制设备，由传输介质及相关控制设备组成，组成，真实存在真实存在。网络中两个节点之间的物理通路称为。网络中两个节点之间的物理通路称为通信链路通信链路。 逻辑信道是在物理信道的基础上逻辑信道是在物理信道的基础上想象想象出来的一种通路，实质上是将物理信道出来的一种通路

3、，实质上是将物理信道传输的信息人为的分类。传输的信息人为的分类。 一条物理信道可对应一条物理信道可对应多个多个逻辑信道逻辑信道3、数据：、数据：是是信息信息的表现形式，分为模拟数据与数字数据两种。的表现形式，分为模拟数据与数字数据两种。4、信号：、信号：数据数据的电磁形式，对应有模拟信号和数字信号。的电磁形式，对应有模拟信号和数字信号。一、数据通信的基本概念：一、数据通信的基本概念：河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院45、码元：、码元：指承载信息量的基本信号单位。如果一个码元携带二进制信息的指承载信息量的基本信号单位。如果一个码元携带二进制信息的位数为位数为M，则它可以表示，则它可以表示

4、N=2M个有效离散值（二进制数）个有效离散值（二进制数）。6、带宽：、带宽：指信道能传送信号的指信道能传送信号的频率宽带频率宽带，即可传送信号的最高频率与最低，即可传送信号的最高频率与最低频率之差；由传输介质、接口部件、传输协议以及传输信息的特征等多频率之差；由传输介质、接口部件、传输协议以及传输信息的特征等多种因素决定，是衡量传输系统的一个重要性能指标。种因素决定，是衡量传输系统的一个重要性能指标。7、数据传输速率：、数据传输速率：指通信线上传输信息的速度，有指通信线上传输信息的速度，有数据速率数据速率S和和调制速率调制速率B两种表示方法。两种表示方法。3.1 数据通信基础数据通信基础8、信

5、道容量：、信道容量：表示一个信道的表示一个信道的最大最大数据传输速率，数据传输速率，bps。S单位时间内所传送的单位时间内所传送的二进制位二进制位的有效位数，的有效位数，bps；B单位时间内所传送单位时间内所传送码元码元个数，个数，Baud。SBlog2NN 一个码元所能表示的有效离散值的个数一个码元所能表示的有效离散值的个数河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院59、调制解调器（、调制解调器（Modem）：）：3.1 数据通信基础数据通信基础 计算机利用模拟电话线路进行数字通讯：计算机利用模拟电话线路进行数字通讯：计算机内的信息是计算机内的信息是数字信号数字信号，而在电话线上传递的却只能是

6、，而在电话线上传递的却只能是模拟电信号模拟电信号。当当两台计算机两台计算机要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责要通过电话线进行数据传输时，就需要一个设备负责数模的转换数模的转换。计算机在发送数据时，需要把数字信号转换为相应的模拟信号，这个过程称为计算机在发送数据时，需要把数字信号转换为相应的模拟信号，这个过程称为“调制调制（Modulation）”，也称，也称D/A转换。转换。经过调制的信号通过经过调制的信号通过电话载波电话载波传送到另一计算机之前，还要把模拟信号还原为计传送到另一计算机之前，还要把模拟信号还原为计算机能识别的数字信号，这个过程为算机能识别的数字信号，这个过程为“解调

7、解调（Demodulation）”，也称，也称A/D转换。转换。正是通过这样一个正是通过这样一个“调制调制”与与“解调解调”的数模转换过程，从而实现了两台计算机的数模转换过程，从而实现了两台计算机之间的远程通讯。之间的远程通讯。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院69、调制解调器（、调制解调器（Modem）：）：3.1 数据通信基础数据通信基础载波通信载波通信（有线、无线）（有线、无线）：语音信号频率在语音信号频率在1007500Hz的范围内，要用的范围内，要用无线电波无线电波把话音信号直接传播出去，把话音信号直接传播出去，需要需要功率很大功率很大的发射机，而且还必须要用的发射机，而且还必

8、须要用巨型发射天线巨型发射天线(发射天线的长度至少要有波发射天线的长度至少要有波长的四分之一长的四分之一)。若要传送频率为。若要传送频率为5000Hz的信息，要用长度为的信息，要用长度为15千米的天线。千米的天线。如果用如果用导线导线来传送低频信号，线路利用率太低，远距离传输成本太高。来传送低频信号，线路利用率太低，远距离传输成本太高。都需要利用都需要利用高频的载波高频的载波，即把，即把低频的有用信号低频的有用信号叠加到载波上，使载波的叠加到载波上，使载波的频率频率、幅度幅度或或相位相位发生相应的变化发生相应的变化( (“调制调制”) )；由于经调制后的信号中包含有原始信号的信息，；由于经调制

9、后的信号中包含有原始信号的信息，传输到对方后，经解调、滤波等一系列过程后，可使原信号得以恢复。传输到对方后，经解调、滤波等一系列过程后，可使原信号得以恢复。利用载波技术还可实现利用载波技术还可实现“频分复用频分复用”（FDM，Frequency Division Multiplexing）。即在同一条线路上，利用各种不同频率的高频载波来即在同一条线路上，利用各种不同频率的高频载波来“载送载送”多路信号多路信号，使它们在，使它们在同一条线路上同时传送而互不干扰，信号传到对方后再进行还原和各路分离。同一条线路上同时传送而互不干扰，信号传到对方后再进行还原和各路分离。传统的传统的载波电话载波电话通信

10、是把低频话音信号叠加到高频的载波上通信是把低频话音信号叠加到高频的载波上, ,使载波的使载波的幅度幅度随着话随着话音信号幅度的变化而变化。音信号幅度的变化而变化。FM频道频道广播属于广播属于调频广播调频广播，采用，采用频率调制频率调制的方式进行广播播出。它的特点是音质的方式进行广播播出。它的特点是音质清晰，可以双声道立体声传输，但传播距离比较短，在没有中继转播站的情况下，清晰，可以双声道立体声传输，但传播距离比较短，在没有中继转播站的情况下，其传输距离一般不超过其传输距离一般不超过100公里。一般公里。一般城市广播城市广播会选择调频频率播出。会选择调频频率播出。电力载波通信电力载波通信河南理工

11、大学电气学院河南理工大学电气学院73.1 数据通信基础数据通信基础11、频带传输：、频带传输：10、基带传输：、基带传输： 基带信号基带信号：信源发出的：信源发出的没有经过调制没有经过调制（频谱搬移和变换）的（频谱搬移和变换）的原始电信号原始电信号，其特，其特点是点是频率较低频率较低。 根据原始电信号的特征，可分为根据原始电信号的特征，可分为数字数字基带信号和基带信号和模拟模拟基带信号。基带信号。 通俗的说通俗的说,基带信号就是信源发出的基带信号就是信源发出的直接表达了要传输的有用信息直接表达了要传输的有用信息的信号的信号声波声波(模拟基带信号模拟基带信号)，计算机或终端产生的，计算机或终端产

12、生的0或或1数字脉冲信号数字脉冲信号(数字基带信号数字基带信号)基带传输基带传输：在信道中直接传送基带信号：在信道中直接传送基带信号应用：基带传输不需要调制解调器，设备花费小；由于在近距离范围内基带信号应用：基带传输不需要调制解调器，设备花费小；由于在近距离范围内基带信号衰减不大。适合衰减不大。适合100m以内的短距离数据传输。如从计算机到监视器、打印机等外以内的短距离数据传输。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如常见的设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如常见的10BaseT网络网络使用的就是基带信号（使用的就是基带信号（10M

13、bps）。）。在在远距离通信远距离通信时，时，先将基带信号先将基带信号调制调制成较高频率范围的成较高频率范围的频带信号频带信号，再将这，再将这种频带信号在信道中传输。种频带信号在信道中传输。载波传输载波传输能实现多路复用的目的能实现多路复用的目的河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院812、宽带传输：、宽带传输：3.1 数据通信基础数据通信基础使用使用宽频带宽频带进行传输的系统就称为宽带传输系统，本质上是进行传输的系统就称为宽带传输系统，本质上是频带传输技术。频带传输技术。一般进行一般进行子频带分割子频带分割，实现，实现“多路复用技术多路复用技术”。 将链路容量分解成两个或更多的信道（将链路

14、容量分解成两个或更多的信道（逻辑信道逻辑信道），每个信道可以携带不同的），每个信道可以携带不同的信号。这样就能把声音、图像和数据信息的传输综合在信号。这样就能把声音、图像和数据信息的传输综合在一个物理信道一个物理信道中进行，以中进行，以满足高速、大容量数据通信的需求。满足高速、大容量数据通信的需求。13、串行传输：、串行传输：指一位一位的传送数据，从发送端到接收端只要指一位一位的传送数据，从发送端到接收端只要一根传输线一根传输线即可。缺点是传输速度较慢。即可。缺点是传输速度较慢。14、并行传输：、并行传输：一次可传送一个字节（一次可传送一个字节（8位），发送端到接收端用位），发送端到接收端用多

15、根线多根线。传输速度快，传输距离短。计算机传输速度快，传输距离短。计算机内部总线内部总线多为并行传输。多为并行传输。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院9二、传输介质二、传输介质常用的网络传输媒介可分为两类：一类是常用的网络传输媒介可分为两类：一类是有线有线的，主要有同轴电缆、的，主要有同轴电缆、双绞线及光缆；另一类是双绞线及光缆；另一类是无线无线的，主要有微波、无线电和红外线等。的，主要有微波、无线电和红外线等。 1、同轴电缆及相关设备、同轴电缆及相关设备3.1 数据通信基础数据通信基础u圆筒式的圆筒式的外导体外导体(屏蔽层屏蔽层，接地，接地)套在套在内导体内导体（一根细芯）外面（一根细

16、芯）外面u两个导体间用绝缘材料互相隔离两个导体间用绝缘材料互相隔离u屏蔽层防止外部电磁波干扰异常信号的传递（屏蔽层防止外部电磁波干扰异常信号的传递（静电屏蔽原理静电屏蔽原理）河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院10三、传输介质三、传输介质u 分类：粗缆、细缆分类：粗缆、细缆u用途：有线电视网用途：有线电视网(RG-59) 局域网局域网(RG-8粗缆粗缆10BASE-5、RG-58细缆细缆10BASE-2)u细缆细缆连接设备：电缆、连接设备：电缆、BNC头、头、T型头及终端匹配设备等。型头及终端匹配设备等。3.1 数据通信基础数据通信基础1、同轴电缆及相关设备：、同轴电缆及相关设备： 最大的

17、干线段长度：最大的干线段长度：184m； 最大网络干线电缆长度：最大网络干线电缆长度：925m； 每条干线段支持的最大结点数：每条干线段支持的最大结点数：30；u细缆组网的技术参数：细缆组网的技术参数：河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院11u 粗缆粗缆连接设备：包括转换器、连接设备：包括转换器、DIX连接器及电缆、连接器及电缆、N系列插头、系列插头、N系列系列匹配器等。匹配器等。u 粗缆组网的技术参数有：粗缆组网的技术参数有：3.1 数据通信基础数据通信基础 最大的干线段长度：最大的干线段长度：500m； 最大网络干线电缆长度：最大网络干线电缆长度：2500m；河南理工大学电气学院河南理

18、工大学电气学院122、双绞线、双绞线(Twisted-pair)：u由由两根导线两根导线按一定按一定扭距扭距相互绞合在一起的传输介质，每根线加绝缘层并有相互绞合在一起的传输介质，每根线加绝缘层并有颜色标记。成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。颜色标记。成对线的扭绞旨在使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。u一般由两根一般由两根22-26号绝缘铜导线相互缠绕而成号绝缘铜导线相互缠绕而成u实际使用时，双绞线是由实际使用时，双绞线是由多对双绞线多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的，典一起包在一个绝缘电缆套管里的，典型的双绞线有型的双绞线有四对四对的。的。3.1 数据通信基础数据通信基础河

19、南理工大学电气学院河南理工大学电气学院132、双绞线、双绞线：双绞线按其双绞线按其电气特性分级电气特性分级或分类。或分类。pEIA/TIA第一、二类双绞线第一、二类双绞线在在LAN中很少使用中很少使用pEIA/TIA第三类双绞线第三类双绞线符合符合EIA/TIA568标准中确定的标准中确定的100水平布线电水平布线电缆的要求，可用来进行缆的要求，可用来进行10Mbps和和IEEE802.3 10Base-T的语音和数据传输；的语音和数据传输；pEIA/TIA第四类双绞线第四类双绞线适用于包括适用于包括16Mbps令牌环局域网在内的数据传输令牌环局域网在内的数据传输速率；可以是速率；可以是UTP

20、，也可以是，也可以是STP。3.1 数据通信基础数据通信基础河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院142、双绞线、双绞线：双绞线按其双绞线按其电气特性分级电气特性分级或分类。或分类。pEIA/TIA第五类双绞线第五类双绞线适用于适用于16Mbps以上的速率，最高可达以上的速率，最高可达100Mbps。3.1 数据通信基础数据通信基础使用双绞线组网，网卡必须带有使用双绞线组网，网卡必须带有RJ45接口，还需要集线器接口，还需要集线器HUB，总共需要总共需要4根导线通信，两根用于发送数据，两根用于接收数据。根导线通信，两根用于发送数据，两根用于接收数据。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院1

21、5双绞线（双绞线（10BASET）以太网技术规范为：）以太网技术规范为：利用双绞线组网，具有造价低、速率高、稳定性好等优点。利用双绞线组网，具有造价低、速率高、稳定性好等优点。在实际应用中，双绞线已成为最主流的末端传输介质。在实际应用中，双绞线已成为最主流的末端传输介质。3.1 数据通信基础数据通信基础允许允许5个网段，个网段，每网段最大长度每网段最大长度100m；在同一信道上允许连接在同一信道上允许连接4个中继器或集线器个中继器或集线器(Hub)；在其中的三个网段上可以增加节点；在其中的三个网段上可以增加节点；在另外两个网段上，除做中继器链路外，不能接任何节点；在另外两个网段上，除做中继器链

22、路外，不能接任何节点；最大站点数最大站点数1024，网络直径不超过，网络直径不超过2500m。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院163、光纤（、光纤（Fibre）：）：由许多细如发丝的玻璃纤维外加绝缘护套组成。光束由许多细如发丝的玻璃纤维外加绝缘护套组成。光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，适用于高速网络和骨干网，在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，适用于高速网络和骨干网，是组成快速网络的最好选择。是组成快速网络的最好选择。三、传输介质三、传输介质3.1 数据通信基础数据通信基础河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院173、光纤：、光纤：3.1 数据通信基础数据通信基础河南理工

23、大学电气学院河南理工大学电气学院183、光纤：、光纤：3.1 数据通信基础数据通信基础 利用光缆连接的网络，每一段必须连接利用光缆连接的网络，每一段必须连接光电转换器光电转换器（光纤收发器、光猫光纤收发器、光猫） 光端机光端机河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院193、光纤：、光纤：3.1 数据通信基础数据通信基础河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院20n基于光缆的网络有基于光缆的网络有10BASE-FL、 10BASE-FB、 10BASE-FP等等n10BASE-FL光纤网络的组网规则为：光纤网络的组网规则为：三、传输介质三、传输介质3.1 数据通信基础数据通信基础最大段长：最大段

24、长：2000m；每段最大节点（每段最大节点（NODE）数）数2；每网络最大节点（每网络最大节点（NODE）数）数1024；每链的最大每链的最大HUB数数4。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院21三、传输介质三、传输介质3.1 数据通信基础数据通信基础河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院224、无线媒体：、无线媒体：不使用电子或光学导体，通常大气便是数据的物理通路；不使用电子或光学导体，通常大气便是数据的物理通路；无线媒体有：无线媒体有：无线电无线电、微波及红外线等三种主要类型。、微波及红外线等三种主要类型。 3.1 数据通信基础数据通信基础三、传输介质三、传输介质l 902925MH

25、zl 2.4GHz（各国共同各国共同的的ISM频段频段：WiFi，Bluetooth，ZigBee）l 5.725.85GHz 需要考虑的重要问题是：电磁波频率的范围（频谱）是相当有限的。需要考虑的重要问题是：电磁波频率的范围（频谱）是相当有限的。未受管制的频率：未受管制的频率： ISM(Industrial Scientific Medical) 频段频段，无需授权，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率许可，只需要遵守一定的发射功率(一般低于一般低于1W)，并且不要对其它频段，并且不要对其它频段造成干扰即可造成干扰即可 。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院23绝大多数情况下，绝大多数

26、情况下，不可能不可能在任何两个节点都存在一个在任何两个节点都存在一个专用的通路。专用的通路。如何在两个如何在两个没有直接连接没有直接连接的节点之间的节点之间传送数据传送数据呢？呢？ 数据交换数据交换按数据传送的实现手段分，交换可分为：按数据传送的实现手段分，交换可分为：电路交换电路交换、报文交换报文交换和和分分组交换组交换三种基本技术。三种基本技术。一、电路交换的工作原理一、电路交换的工作原理 电路交换是指在传送数据时，先在网络中建立一个从源节点到目电路交换是指在传送数据时，先在网络中建立一个从源节点到目标节点的标节点的专用电路专用电路。 1、电路交换的三个过程、电路交换的三个过程 （1）电路

27、的）电路的建立建立在传输任何数据之前，要先经过在传输任何数据之前，要先经过呼叫呼叫过程建过程建立一条端到端的电路。立一条端到端的电路。 （2）数据传输数据传输：在数据传输过程中，所建立的电路必须时刻保：在数据传输过程中，所建立的电路必须时刻保持连接状态。持连接状态。 （3）电路的）电路的拆除拆除：数据传输结束后，由某一方发出拆除请求，：数据传输结束后，由某一方发出拆除请求，逐个节点拆除连接到对方的通路。逐个节点拆除连接到对方的通路。3.2 数据交换技术数据交换技术 ( Data Switching )河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院24一、电路交换的工作原理一、电路交换的工作原理 2、

28、电路交换技术的特点：、电路交换技术的特点：3.2 数据交换技术数据交换技术主要缺点：主要缺点：（1）电路接续时间长：网络比较繁忙时，可能无法接续，即）电路接续时间长：网络比较繁忙时，可能无法接续，即“呼叫阻塞呼叫阻塞”现象。现象。（2）线路利用率低：即使通信双方之间暂时不传送数据时，其占用的电）线路利用率低：即使通信双方之间暂时不传送数据时，其占用的电路也路也不能为其它通信所用不能为其它通信所用。电路交换在整个通信过程中通信双方一直独占该电路，因此其实时性强，电路交换在整个通信过程中通信双方一直独占该电路，因此其实时性强，数据传输时延小。数据传输时延小。电路交换比较适用于一次传送的信息量大和通

29、信过程中实时性要求高的业务电路交换比较适用于一次传送的信息量大和通信过程中实时性要求高的业务河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院25二、报文交换的工作原理二、报文交换的工作原理 当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法会造成信当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法会造成信道容量和有效时间的浪费。道容量和有效时间的浪费。3.2 数据交换技术数据交换技术1、报文交换原理：、报文交换原理：报文交换时端与端之间报文交换时端与端之间无需先通过呼叫建立连接无需先通过呼叫建立连接 某一站点需要发送报文时，首先将一个某一站点需要发送报文时，首先将一个目的地址目的地址附加到

30、报文上。附加到报文上。每个节点在接收到报文并检查无误后，就每个节点在接收到报文并检查无误后，就暂存暂存这个报文；然后根据目标地这个报文；然后根据目标地址的址的路由信息路由信息找出下一个节点的地址找出下一个节点的地址，并并根据网络中的交通情况在适当的根据网络中的交通情况在适当的时候时候转发转发到下一个到下一个节节点。点。可见，可见，报文在网络中报文在网络中一站一站地一站一站地向前传送。向前传送。 报文报文经过多次的经过多次的存储存储-转发转发，最后到达目标，最后到达目标节点。节点。报文交换的本质就是报文交换的本质就是存储转发存储转发报文交换的数据传输单位是报文，报文交换的数据传输单位是报文，报文

31、报文(Message)(Message)就是站点一次性要发送的就是站点一次性要发送的数据块，其数据块，其长度不限且可变长度不限且可变。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院26二、报文交换的工作原理二、报文交换的工作原理3.2 数据交换技术数据交换技术延延时时河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院27二、报文交换的工作原理二、报文交换的工作原理 2、报文交换的特点：、报文交换的特点： （1）报文从源点传送到目的地采用）报文从源点传送到目的地采用“存储转发存储转发”方式，在传送报文时，方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道一个时刻仅占用一段通道；（2）在交换节点中需要）在交换节点中需要缓

32、冲存储缓冲存储，报文需要，报文需要排队排队，故报文交换不能满足，故报文交换不能满足实实时通信时通信的要求。的要求。3.2 数据交换技术数据交换技术（1）电路利用效率高：多个报文可以）电路利用效率高：多个报文可以分时共享分时共享两个节点之间的通道，所以两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量，对电路的传输能力要求较低。对于同样的通信量，对电路的传输能力要求较低。（2）在）在报文交换报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟延迟会会增加；增加；电路交换电路交换网络上则网络上则不能接受新的呼叫（呼叫阻塞）不能接受新的呼叫（呼叫阻塞）。（3）报

33、文交换系统可以把一个报文发送到）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地多个目的地，而电路交换网络很，而电路交换网络很难做到这一点；难做到这一点；3、报文交换的优点：、报文交换的优点： 河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院28二、报文交换的工作原理二、报文交换的工作原理 4、报文交换的缺点：、报文交换的缺点：（1）不能满足）不能满足实时实时或或交互式交互式的通信要求，报文经过网络的的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且延迟时间长且不不定定；（2）有时节点收到）有时节点收到过多的数据而无存储空间过多的数据而无存储空间或或不能及时转发不能及时转发时，就不得不时，就不得不丢弃报文。丢弃报文。（

34、3）报文交换对）报文交换对网络要求太高网络要求太高。由于对报文的长度没有限制（长报文），。由于对报文的长度没有限制（长报文），中间节点的存储容量就必须无限大。因此实际网络不采用报文交换方中间节点的存储容量就必须无限大。因此实际网络不采用报文交换方式。式。 3.2 数据交换技术数据交换技术河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院29三、分组交换的工作原理三、分组交换的工作原理3.2 数据交换技术数据交换技术p 分组交换时是报文交换的一种分组交换时是报文交换的一种改进改进p 它将报文分成它将报文分成若干分组若干分组，每个分组的，每个分组的长度有一个上限长度有一个上限，有限长度的分组，有限长度的分组

35、使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高交换使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高交换速度速度p计算机网络中使用计算机网络中使用最为广泛最为广泛的一种交换技术。的一种交换技术。分组交换有分组交换有虚电路交换虚电路交换和和数据报分组交换数据报分组交换两种。两种。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院30三、分组交换的工作原理三、分组交换的工作原理 1、虚电路分组交换原理和特点：、虚电路分组交换原理和特点：3.2 数据交换技术数据交换技术 在虚电路交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要在虚电路交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节

36、点之间要先建一条先建一条逻辑通路逻辑通路（规划但未占用）（规划但未占用）。每个分组除了包含。每个分组除了包含数据数据之外还包含之外还包含一个一个虚电路标识符虚电路标识符。 在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再不再需要路由选择需要路由选择来判定。来判定。每个分组数据通过同一条通路传输。每个分组数据通过同一条通路传输。 之所以称为之所以称为“虚电路虚电路”，是因为该电路，是因为该电路非专用非专用的，的，仍然需要缓冲和排队仍然需要缓冲和排队。主要特点：主要特点：在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。在数据传送之

37、前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。并非电路交换那样的专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并并非电路交换那样的专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出在线路上进行排队等待输出河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院31三、分组交换的工作原理三、分组交换的工作原理 2、数据报分组交换原理与特点：、数据报分组交换原理与特点：3.2 数据交换技术数据交换技术 每个分组的传送是被每个分组的传送是被单独处理单独处理的。每个分组称为一个的。每个分组称为一个数据报数据报，每个数，每个数据报自身携带足够的地址信息。据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地

38、址信息和节点所存储一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的的路由信息路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样的发送到下一节点。，找出一个合适的出路，把数据报原样的发送到下一节点。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院32一、计算机网络的定义：一、计算机网络的定义：3.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识利用利用通信设备和线路通信设备和线路，将地理位置不同的、功能独立的多个，将地理位置不同的、功能独立的多个计算机计算机系统互连起来，以功能完善的系统互连起来，以功能完善的网络软件网络软件（即网络通信协议、信息交（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现换方式

39、、网络操作系统等）实现资源共享和信息交换资源共享和信息交换的系统。的系统。网络的主要网络的主要作用作用是资源共享和信息交换。是资源共享和信息交换。计算机网络由以下三个部分组成：计算机网络由以下三个部分组成： （1）具有独立功能的多台计算机；）具有独立功能的多台计算机； （2）通信设备与线路；）通信设备与线路； （3）功能完善的网络软件。）功能完善的网络软件。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院333.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院34二、网络拓扑结构：二、网络拓扑结构：3.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识网络拓扑结构指网络中节点在网

40、络拓扑结构指网络中节点在物理上的连接形式物理上的连接形式。星形结构、总线结构、环形结构、树形结构、混合结构及网形结构。星形结构、总线结构、环形结构、树形结构、混合结构及网形结构。在实际应用中，主要是将星型结构、总线型结构和环型结构在实际应用中，主要是将星型结构、总线型结构和环型结构综合综合应用。应用。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院35二、网络拓扑结构：二、网络拓扑结构：3.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识1 1、星形结构：、星形结构：以以中央节点中央节点为中心，节点间的数据传输必须通过中央节点，任意两个节点为中心，节点间的数据传输必须通过中央节点，任意两个节点间的通信间的通信

41、最多只需两步最多只需两步中心节点通常由中心节点通常由集线器集线器(Hub)或或交换机交换机充当，是目前局域网最常见的方式。充当，是目前局域网最常见的方式。 要求中央节点的可靠性很高。要求中央节点的可靠性很高。优点：结构简单、网络控制容易、便于扩充；优点：结构简单、网络控制容易、便于扩充；缺点：对中央节点依赖性较高缺点：对中央节点依赖性较高河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院36二、网络拓扑结构：二、网络拓扑结构：3.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识2 2、总线结构：、总线结构：采用一条称为公共总线的传输介质，将各计算机直接与总线连接。采用一条称为公共总线的传输介质，将各计算机直接与

42、总线连接。主机对从设备的控制是利用主机对从设备的控制是利用广播方式广播方式发送下去的，从设备只对含有自己地发送下去的，从设备只对含有自己地址码的指令做出回应；在从设备做回应的情况下，其他从设备和主机保持沉址码的指令做出回应；在从设备做回应的情况下，其他从设备和主机保持沉默。默。总线结构会出现多个设备同时发起通信，总线结构会出现多个设备同时发起通信，竞争总线竞争总线的现象。要通过的现象。要通过主机主机进进行相应的行相应的调度调度来协调各个设备访问传输介质的顺序（仲裁机制）。主机对整来协调各个设备访问传输介质的顺序（仲裁机制）。主机对整个总线必须具有绝对的个总线必须具有绝对的控制权控制权。河南理工

43、大学电气学院河南理工大学电气学院37二、网络拓扑结构：二、网络拓扑结构：3.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识2 2、总线结构：、总线结构：优点：安装简单、易于扩充、可靠性高优点：安装简单、易于扩充、可靠性高缺点：由于共用一条总线，对实时性要求较高的场合不太适用；传输距离缺点：由于共用一条总线，对实时性要求较高的场合不太适用；传输距离有限，故障诊断和隔离也比较困难。有限，故障诊断和隔离也比较困难。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院38二、网络拓扑结构：二、网络拓扑结构：3.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识3 3、环形结构：、环形结构：各节点通过各节点通过接口接口连接在一条连

44、接在一条闭合的环形闭合的环形通信线路中通信线路中环形结构的特点是：每个端用户都与相临的两个端用户相连，因而存在环形结构的特点是：每个端用户都与相临的两个端用户相连，因而存在着点到点链路，但总是以着点到点链路，但总是以单向方式操作单向方式操作，即每台计算机按位置不同有一个，即每台计算机按位置不同有一个顺序编号，信号按计算机编号顺序以顺序编号，信号按计算机编号顺序以“接力接力”方式传输。方式传输。例如：若计算机例如：若计算机A欲将数据传输给计算机欲将数据传输给计算机D时，必须先传送给时，必须先传送给B，B收到收到信号后发现不是给自己的，于是再传给信号后发现不是给自己的，于是再传给C ，直到传送到计

45、算机，直到传送到计算机D 。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院393.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识3 3、环形结构：、环形结构：p 环形网络的一个例子是环形网络的一个例子是令牌环网令牌环网(Token ring network ) 。老式的令牌环网。老式的令牌环网中，数据传输速度可达中，数据传输速度可达16Mbps；新型的快速令牌环网速度可达；新型的快速令牌环网速度可达100Mbps。p如果多个计算机节点要同时往外发送数据包，就会形成冲突。如果多个计算机节点要同时往外发送数据包，就会形成冲突。在令牌环网中有在令牌环网中有一个一个令牌令牌(Token)，沿着环形总线在入网节点计

46、算机间依，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，本身并不包含信息并不包含信息，仅控制信，仅控制信道的使用，确保在道的使用，确保在同一时刻只有一个节点能够独占信道同一时刻只有一个节点能够独占信道。令牌有令牌有“闲闲”和和“忙忙”两种状态。两种状态。“闲闲”表示令牌没有被占用，即网中没表示令牌没有被占用，即网中没有计算机在传送信息；有计算机在传送信息；“忙忙”表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。表示令牌已被占用，即网中有信息正在传送。所有的站点都可以俘获令牌。所有的站点都可以俘获令牌。希望传送数据的希望传送数据的节点计算

47、机只有取得节点计算机只有取得“闲闲”令牌后才能发送数据帧，并在发送之前将其置为令牌后才能发送数据帧，并在发送之前将其置为“忙忙”状态。状态。当所传数据被目的节点接收后，令牌被重新置为当所传数据被目的节点接收后，令牌被重新置为“闲闲”。令牌环网需要维护令牌，一旦失去令牌就无法工作，所以需要选择专门的令牌环网需要维护令牌，一旦失去令牌就无法工作，所以需要选择专门的节点监视和管理令牌节点监视和管理令牌。解决方法：解决方法：优点：实时性好，优点：实时性好，信息吞吐量大，网的周长可达信息吞吐量大，网的周长可达200km，节点可达几百，节点可达几百个；网络个；网络实现简单实现简单，组成这个只需节点计算机、

48、网络传输介质，以及连接，组成这个只需节点计算机、网络传输介质，以及连接器，没有价格昂贵的节点集中设备，如集线器和交换机。器，没有价格昂贵的节点集中设备，如集线器和交换机。缺点：由于环路是封闭的，所以扩充不便。如果要新添加或移动节点，缺点：由于环路是封闭的，所以扩充不便。如果要新添加或移动节点，就必须就必须中断整个网络中断整个网络，在环的两端作好连接器才能连接。，在环的两端作好连接器才能连接。环上传输的任何信息都必须穿过所有环上传输的任何信息都必须穿过所有端点，因此，如果环的端点，因此，如果环的某一点断开某一点断开，环上所有端间的通信便会终止。环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的

49、脆弱，采用为克服这种网络拓扑结构的脆弱，采用双环双环或多环结构：每个端点除与或多环结构：每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环上，当主环故障时，自动转到备用环上。一个环相连外，还连接到备用环上，当主环故障时，自动转到备用环上。 河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院40二、网络拓扑结构：二、网络拓扑结构：3.3 计算机网络基础知识计算机网络基础知识3 3、环形结构：、环形结构：基于光纤双环网的变电站监控系统基于光纤双环网的变电站监控系统河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院413.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型1、层次结构、层次结构n 网络的基本功能：为地理位置不

50、同的计算机用户之间网络的基本功能：为地理位置不同的计算机用户之间提供访问通路。提供访问通路。n 下述功能是必须提供的：下述功能是必须提供的： 1. 连接源结点和目的节点的连接源结点和目的节点的物理传输线路物理传输线路（可经过中间结点）（可经过中间结点） 2. 每条线路两端的节点进行二进制通信每条线路两端的节点进行二进制通信 3. 无差错的信息传送无差错的信息传送 4. 多个用户共享一条物理线路多个用户共享一条物理线路 5. 按照地址信息，进行路由选择按照地址信息，进行路由选择 6. 信息缓冲和流量控制信息缓冲和流量控制 7. 满足各种用户的访问要求满足各种用户的访问要求一、协议及体系结构一、协

51、议及体系结构3.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型n 可见，计算机网络系统是一个十分复杂的系统，将一个复杂系统可见，计算机网络系统是一个十分复杂的系统，将一个复杂系统分解为若干个功能相对简单的子系统，分解为若干个功能相对简单的子系统，“分而治之分而治之”，是对该复，是对该复杂问题处理的最好方法。杂问题处理的最好方法。n 计算机网络一般按照计算机网络一般按照功能功能进行分层。进行分层。 功能分层功能分层河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院43二、二、OSI基本参考模型基本参考模型 3.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型p开放系统互连开放系统互连OSI（

52、Open System Interconnection）基本参考模型是由国）基本参考模型是由国际标准化组织际标准化组织ISO制定的标准化开放式制定的标准化开放式计算机网络层次结构模型计算机网络层次结构模型。“开放开放”的含义是能使任何两个遵循该参考模型及其相关标准的系统实现互连。的含义是能使任何两个遵循该参考模型及其相关标准的系统实现互连。p OSI七层模型七层模型从下到上从下到上分别为：分别为：物理层物理层(Physical Layer, PH)、数据链路层数据链路层(Data Link Layer, DL)、网络层网络层(Network Layer, N)、传输层传输层(Transport

53、 Layer, T)、会话层会话层(Session Layer, S)、表示层表示层(Presentation Layer, P)和和应用应用层层(Application Layer, A)。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院44二、二、OSI基本参考模型基本参考模型 3.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型上面上面4 4层为层为用户层用户层，属于，属于高层功能高层功能，主要完成，主要完成通信处理通信处理功能功能，通常需要由，通常需要由终终端计算机提供端计算机提供。下面下面3 3层是层是通信子网通信子网，属于，属于低层功能低层功能，主要完成，主要完成数据传送数据传送功能

54、，功能，是是网络与终网络与终端计算机均需具备端计算机均需具备的功能。的功能。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院451、OSI模型中的数据传输过程模型中的数据传输过程 3.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型发送进程发送进程送给送给接收进程接收进程的数据的数据，是经过是经过发送方各层发送方各层从上到下从上到下的传递到的传递到物理媒物理媒体体，通过物理媒体传输到，通过物理媒体传输到接收方接收方后，再经过后，再经过接收方各层接收方各层从下到上从下到上的传递，最后的传递，最后到达接收进程。（垂直方向）到达接收进程。（垂直方向）河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院463.4

55、网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型为了保证数据在网络为了保证数据在网络各节点之间各节点之间的准确传输，的准确传输，发送方发送方数据数据从上到下逐层传递从上到下逐层传递的过程中，每层都要对其的过程中，每层都要对其加上适当的加上适当的控制信息控制信息H7、H6、H1（报头报头，包含，包含数据长度、标识符（表征数据身份的数据长度、标识符（表征数据身份的ID信息）、源地址、目的地址等字段）信息）、源地址、目的地址等字段）到最底层数据成为由到最底层数据成为由“0”或或“1”组成组成的数据的数据比特流比特流，然后再转换成相应的电，然后再转换成相应的电平信号在物理媒体上传输至接收方。平信号在

56、物理媒体上传输至接收方。1、OSI模型中的数据传输过程模型中的数据传输过程 河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院473.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型接收方接收方在向上传递数据时，过程恰恰相反，要在向上传递数据时，过程恰恰相反，要逐层剥去逐层剥去发送方相应层加上发送方相应层加上的控制信息；的控制信息；1、OSI模型中的数据传输过程模型中的数据传输过程 河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院482、OSI基本参考模型各层功能基本参考模型各层功能 3.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型(1)、物理层、物理层( ( 传输数据单位传输数据单位比特比特）

57、建立在建立在通信介质通信介质基础上，是网络物理设备之间的接口。基础上，是网络物理设备之间的接口。主要功能是：产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号主要功能是：产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号p 主要设备主要设备 传输介质、传输介质、连接器连接器（RS-232C/422/485接口、接口、RJ45）和）和收发器收发器等。等。p 具体功能具体功能能在能在DTE（数据终端设备）（数据终端设备）/DCE（数据电路终端设备或数据通信设（数据电路终端设备或数据通信设备）之间传送原始的备）之间传送原始的二进制数据位二进制数据位（比特流比特流） 。 提供为在提供为在DTE、DCE之间建立、保持和

58、拆除物理链路所需的机械、之间建立、保持和拆除物理链路所需的机械、电气、功能和规程特性。电气、功能和规程特性。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院493.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型(2)、数据链路层、数据链路层( ( 传输数据单位传输数据单位帧帧）主要功能：在主要功能：在不可靠的物理线路上不可靠的物理线路上提供提供无差错的数据传输无差错的数据传输。为了实现这一功能，比特流为了实现这一功能，比特流被组织成包含被组织成包含地址、控制、数据及校验码等信地址、控制、数据及校验码等信息息的的数据帧数据帧，并以此为单位进行传输。其中：地址确定了帧将发送到何处，并以此为单位进行

59、传输。其中：地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。如果在传送数据时，接收点检测而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。如果在传送数据时，接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧。到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧。 p 主要设备主要设备 网卡网卡、网桥、总线控制器、网桥、总线控制器河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院503.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型(3)、网络层、网络层( 传输数据单位传输数据单位分组分组）主要功能：是将网络地址翻译成对应的主要功能：是将网络地址翻译成对应的物理地址物理地址，并决定如何将，并决定如何将

60、数据分组数据分组跨越通信子网跨越通信子网从发送方路由到接收方从发送方路由到接收方。网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由网络层通过综合考虑发送优先权、网络拥塞程度、服务质量以及可选路由的花费来决定从一个的花费来决定从一个网络中节点网络中节点A 到另一个网络中节点到另一个网络中节点B 的最佳的最佳路径。路径。p 主要设备主要设备 路由器路由器、网关网关、交换机、硬件防火墙等。、交换机、硬件防火墙等。河南理工大学电气学院河南理工大学电气学院513.4 网络体系结构及网络体系结构及OSI参考模型参考模型(4)、传输层、传输层( 传输数据单位传输数据单位报文报文)p 传输层与