计算机网络第3章.ppt

1、第三章 网络接口层,曹佳 ,网络接口层,物理层 数据链路层 对于这一层，TCP/IP参考模型没有进行详细的描述，只定义了接口,本章内容,基本概念 传输介质 编码解码和调制解调 传输技术 差错控制 多路复用技术 实例：网卡的工作原理,计算机：数据,为了把数据存储在计算机上，需要编码 编码：把信息表示成计算机可以存储/识别的形式 例如 单字节：ASCII 双字节：Unicode, ANSI,ASCII码,American Standard Code for Information Interchange 7位二进制 -7bit 字符 5 的 ASCII码 011 0101 可以表示的字符数目 27

2、=128 扩展 ASCII 8bit 可以表示的字符数目 28=256,Unicode,16bit (2个字节B , 1B=8bit)表示一个字符 实现了使用单个字符集代表世界上几乎所有书面语言 可以表示的字符数目 216=65,536,线路：信号,传输过程中数据的物理量编码 模拟信号(analog signals) 数字信号(digital signals),数据传输,数据以信号的方式在线路上传输 计算机只能识别数字信号。所以如果传输线路只支持模拟信号，那么需要调制解调器(modem) 发送：数字信号模拟信号 接收：模拟信号数字信号,传输速度,比特率 (单位bps) 表示数据的传送速率(带宽

3、),数据通信方式,串行和并行 单工、半双工和全双工,串行和并行,单工、半双工和全双工,同步技术,通信双方在时间基准上保持一致 发送方和接收方的速度匹配同步频率 接收方知道什么时候发送开始，什么时候结束 外同步（提前打节拍）,本章内容,基本概念 传输介质 有线、无线 数据编码解码和调制解调 传输技术 差错控制 多路复用技术 实例：网卡的工作原理,2.1 有线,双绞线 同轴电缆 光纤,双绞线,2根、4根、8根 对旋目的:使得各线对之间的电磁干扰最小 RJ45插头(水晶头),直连网线 交叉网线 1-3 2-6,设备连接方式(参考手册),同轴电缆 Coaxial Cable,流行于2 0世纪8 0年代

4、，后来双绞线电缆逐渐取代了同轴电缆 应用：总线局域网,光纤,依靠光波承载数据 纤芯材料：塑料, 二氧化硅(高纯玻璃),多模光纤(MMF),优点 传输带宽高:仅受光电转换器件的限制(100Gbps) 传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰性能极好、误码率低 保密性好 轻便 缺点 价格较高 需要光电转换,无线电,基站与终端之间通信采用无线链路 应用领域: 移动通信、无线局域网WLAN,基站覆盖的无线电区域,基站,用户计算机和终端,蜂窝无线通信,GSM 全球移动通讯系统 (只能打电话) GPRS 通用分组无线服务 (移动数据业务) 56Kbps115Kbps EDGE (GPRS的增强版) 473Kbp

5、s 3G宽带数据业务2Mbps,卫星通讯,卫星通讯的特点,传输距离长 传输延迟为540ms (up and down) 应用场景 不适合实时性要求很高的应用,低轨道卫星,微软与麦考通信公司 Teledesic 支持电话视频会议、交互式多媒体通信与实时双向等宽带业务 Motorola 铱星计划,77颗(后来减为66颗),本章内容,基本概念 传输介质 有线、无线 数据编码解码和调制解调 数据编码解码 数据调制解调 传输技术 差错控制 多路复用技术 实例：网卡的工作原理,编码与解码,编码：把数据转换成数字信号 解码：把数字信号转换成数据,编码,解码,x(t),数字信道,调制与解调,调制：把数据转换成

6、模拟信号 解调：把模拟信号转换成数据,调制,解调,s(t),载波,模拟信道,3.1 编码,把数据转换成数字信号 用于计算机和普通的计算机网络之间 数字数据的编码,（1）数字数据的编码,使数字数据能在数字信道上传输 主要的方法： 不归零码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码,不归零码,NRZ，Non-Return to Zero 二进制数字0、1分别用两种电平来表示 常用5V表示1，5V表示0； 缺点 存在直流分量,传输中不能有变压器或电容 不具备自同步机制,传输时必须使用外同步,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,曼彻斯特编码Manchester Coding,用电压的变化表

7、示0和1。 高低的跳变代表0，低高的跳变代表1 规定在每个码元的中间发生跳变 每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同步信号 属于自同步码 缺点 需要双倍的传输带宽,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,Manchester,差分曼彻斯特编码,Differential Manchester Coding 每个码元的中间仍要发生跳变，所以也是自同步编码 用码元开始处有无跳变来表示0和1,有跳变代表0,无跳变代表1,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,Manchester,差分 Manchester,3.2 调制,把数据转换成模拟信号 计算

8、机电话线上网,数字数据的调制,使数字数据能在模拟信道上传输 0101模拟信号 基本方法：载波 线路本身传输一个固定形式的信号，发送方把待发信号与这个固定信号进行“叠加”；接收方接收混合信号，从中分离出相关的信号 低频的信息信号叠加到高频载波上,采用载波的原因,发射天线的长度至少是被发送信号波长的1/4 v=f 人的话音信号频率:1007500赫。如果用无线电波把5000赫的声波直接传播出去，就需要 数公里 的天线。 如果用导线来传送低频信号，由于衰减太大，同样难以实现,调制原理,用数字信号对载波的不同参量进行调制 载波信号 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括: 幅度A、频率 、

9、初相位 调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化,三种常用的调制技术,幅移键控ASK Amplitude Shift Keying 频移键控FSK Frequency Shift Keying 相移键控PSK Phase Shift Keying,幅移键控ASK、频移键控FSK、相移键控PSK,语音信号数字化,PCM Pulse Coded Modulation脉冲编码调制 采样 对连续模拟的信号定时进行采样，从而得到离散的信号 需要从离散信号恢复到原来的连续信号 那么采样的间隔时间是多少？即采样频率是多少,采样定理,一个连续变化的模拟信号，假设有最高频率Fmax，若采样频率为F能满足

10、F = 2Fmax 那么采样后的离散序列就能恢复出原始连续模拟信号。,PCM编码过程举例,PCM的三个基本过程,采样 根据采样定理，每隔一段时间对语音信号进行采样，产生离散的脉冲信号 量化 把每个脉冲信号按量级近似到最接近的量化级别上，把脉冲信号转化为数字信号 编码 用一定位数的二进制编码对这些数字信号进行编码 （数据）,对于PCM，如果要对频率为600Hz的某种语音信号进行采样，那么采样频率为多少？,本章内容,数据通信的基本概念 传输介质 数据编码解码和调制解调 传输技术 基带传输, 频带传输 差错控制 多路复用技术 实例：网卡的工作原理,定义,基带传输：在数字通信信道上，直接传送基带信号的

11、方法称为基带传输 频带传输：在模拟信道上的传输 网线；电话线 曼彻斯特、差分曼彻斯特；调制解调,调制解调器的作用是,信道传输速率,信道速率 vs. 带宽 如同：汽车的通过流量 vs 路宽 理论：最大数据传输速率与信道带宽的关系 Nyquist准则（理想信道，无干扰） Shanon定律（有干扰信道),信道速率(bps)vs.波特率(baud),波特率：信号每秒钟变化的次数 比特率：每秒传送的二进制位数 波特率与比特率的关系 每个信号值表示位，则比特率是波特率的倍 每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同,Nyquist准则,有限带宽，无噪音信道 一理想信道带宽为B (Hz) ，信道最大数据传输率

12、R(波特)为 R=2B,Shanon定律,有限带宽，有噪音信道 数据传输速率R(波特)与 信道带宽B(Hz)、信噪比S/N的关系为 R=B*log2(1+S/N) S/N: 一般信噪比的单位是分贝(dB)，本公式需要转换成普通的倍数关系： 分贝=10*lg (S/N) 30db=10*lg 1000,对于PCM，如果要对频率为600Hz的某种语音信号进行PCM编码，传送PCM信号的信道带宽为3Khz，那么采样频率应该为多少？,本章内容,基本概念 传输介质 数据编码解码和调制解调 传输技术 差错控制 多路复用技术 实例：网卡的工作原理,5.差错控制技术,在通信过程中，检测、纠正差错 计算机通信要

13、求极低的差错率 主要方法： 检错码：仅仅发现差错 纠错码：发现差错并且恢复数据,5.1 误码率,二进制数据在传输系统中被错传的概率 Pe=Ne / N Ne被错传的数据位数 N被传数据的总位数,关于误码率的几个说明,误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数； 对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求； 对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算； 差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。,5.2 检错码,仅仅让每个数据块携带足

14、以使接收端发现差错的冗余信息,此时接收方可能要求发送方重新传输这个数据块 奇偶校验码 循环冗余校验码（在一定程度上，也有纠错功能）,奇偶校验码,奇校验/偶校验 例: 1100010增加一个 偶校验位 后为11100010 偶数个1时，偶校验位为0 只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出,所以检错能力差,CRC码,了解 待发送的信息：110011 生成多项式11001 计算CRC,5.3 处理差错,发现错误之后，需要处理差错 通常采用反馈重发纠错实现机制,反馈重发机制的分类,停止等待方式 连续工作方式 拉回方式 选择重发方式,停止等待方式,连续工作方式:拉回方式,连续工作:选择重发方式,本章

15、内容,数据通信的基本概念 传输介质 数据编码解码和调制解调 差错控制 传输技术 多路复用技术 实例,6.多路复用的基本思想,把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据,复用方法,频分复用FDM 按频率划分不同的信道,如CATV系统 波分复用WDM 按波长划分不同的信道,用于光纤传输 时分复用TDM 按时间划分不同的信道,目前应用最广泛 码分复用CDM 按地址码划分不同的信道,非常有发展前途,频分复用FDM,波分复用,时分复用,本章内容,基本概念 传输介质 数据编码解码和调制解调 基带/频带传输 差错控制 多路复用技术 一个网络接口层的实例,工作流程,在网络接口层，学校计算

16、机如何把一个数据传送到线路上？,UDP头,应用层数据,应用层数据,UDP头,应用层数据,IP头,帧头,UDP头,应用层数据,IP头,帧尾,应用层,传输层,网络层,网络接口层,从接口接收网络层的数据 按一定的格式“封装”帧 同步信息字符同步 差错控制CRC 往基带线路上传送（数字信号） 编码解码曼彻斯特/差分曼彻斯特（位同步） 往频带线路上传送（模拟信号） 调制解调调幅，调频，调相位,另外一个关键问题,共享介质局域网 一种计算机的工作环境 如何共享该传输介质？ 会出现什么问题？,解决冲突的关键问题,该哪个结点发送数据？ 在发送时会不会出现冲突？ 出现冲突时怎么办？,CSMA/CD,带有冲突检测的载波侦听多路访问方法 以太网,CSMA/CD,发送方 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发 接收方 检测MAC地址,MAC地址,一个网卡拥有一个全球唯一的MAC地