computer network chap02.ppt

1、17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-1/61,CHAP02 数据通信的 基础知识,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-2/61,本章内容,数据通信的基本概念 数据通信的主要特性 数据传输介质 数据的转换 数据编码技术 多路复用技术 数据交换技术 差错控制技术,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-3/61,数据 对客观事实描述与记载的物理符号 描述物体的数字、字母或符号 模拟数据：在某个区间产生的连续的值 数字数据：在某个区间产生的离散的值

2、信息 有意义的数据，是数据的内容和解释 人脑对客观物质的反映 信号 数据在传输过程中的表示形式 数据的电磁或电子编码 模拟信号：用连续变化的电磁波来表示数据 数字信号：用电压脉冲来表示数据 信道 传送电信号的通道，一般表示向某个方向传送信息的媒体，是电路的逻辑部件,2.1 基本概念,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-4/61,信号发送 沿传输介质传播信号的动作 传输 传播和处理信号的数据通信 信源 在数据通信过程中产生和发送信息的数据终端设备 信宿 接收和处理信息的数据终端设备 信息在信源/信宿处以模拟/数字数据形式存在，而在信道中以模拟/

3、数字信号形式存在。 DTE：Data Terminal Equipment DCE：Data Communications Equipment 模拟通信系统 数字通信系统,2.1 基本概念（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-5/61,2.1 基本概念（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-6/61,数据通信系统 数据处理设备：计算机、终端 数据传输系统：通信信道、调制解调设备、多路复用设备、数据交换设备 数据通信过程： 建立通信线路 建立数据传输链路 传输数据 结束并确认 断开连

4、接 数据通信主要技术指标 传输速率、误码率、可靠性、适应性、可维护性、经济性、标准化程度、通信建立时间,2.1 基本概念（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-7/61,码元：一个数据脉冲称为一个码元 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时，一个单位脉冲就是一码元。 码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的，若一码元有00、01、10、11四个有效状态值，则一码元能携带4bit的信息。 传输速率：信号传输速率、数据传输速率 信号传输速率：单位时间内通过信道的码元个数，或单位时间内波形变换的次数，又叫码元速率、

5、调制速率、波特率 B=1/T 数据传输速率：单位时间内信道上传送的信息量R=Blog2N其中，N表示一个码元可以取的离散值,2.1 基本概念（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-8/61,误码率 错误率，在一次传输过程中，传错的码元数与总码元数之比 信号的频谱与带宽 信道的截止频率与带宽 信道的最大数据传输率 带宽：在线路上所能传输信号的频率范围（fh - fl），一般是指线路上所能传输的最大频率。单位Hz。 若信道带宽为W，则根据奈氏定理，其最大波特率B=2W,2.1 基本概念（续）,17-Sep-20,School of Manag

6、ement, HUST,Chap02-9/61,失真不严重,2.1 基本概念（续）,失真严重,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-10/61,数据传输方式 基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送（数字传输）。 频带传输：调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调。 宽带传输：将多路基带信号、音频信号、视频信号进行调制，其频谱分别转移到信道的不同频段进行传输（模拟传输）。 数据通信方式 单工通信：数据只沿一个方向传输 半双工通信：通信双方可以接收和发送信息，但在同一时刻，信息只能沿一个方向传输。 全双工通信：同时发送和接收信息 并行

7、传输：一次传送多个数据位的方式 串行传输：一次只传输一个数据位,2.2 数据通信的主要特性,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-11/61,2.2 数据通信的主要特性（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-12/61,异步传输与同步传输 数字数据通信（模拟信号或数字信号）的基本要求是，接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间 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 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

8、时间间隔再发送下一个字节 同步传输是按位同步的技术 外同步：发送数据前，先发送同步时钟脉冲 自同步：数据中包含时钟信号 异步传输 一次传输一个字符，每一个字符用一个起始码引导，用一个停止码结束。起始码的编码为0，停止码的编码为1，而且有一个决定于系统的一到二位时间的最小持续周期,2.2 数据通信的主要特性（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-13/61,介质特性 吞吐量和带宽 吞吐量是在一个特定的时间内介质能传输的数据量，Mbps 成本 安装成本 新的基础结构相对于复用已有的基础结构的成本 维护和支持成本 因传输低速率而影响生产效率所付

9、出的代价 更换旧介质的成本 尺寸和可扩展性 每段的最大节点数 最大段长度 最大网络长度 连接器 抗噪性,2.3 传输介质,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-14/61,同轴电缆 同轴电缆（Coaxial cable）是由一根空心的外圆柱导体及其所包围的单根内导线所组成，圆柱体与导线之间用绝缘物隔开。由4部分组成：内导体铜质芯线、绝缘层、网状外导体屏蔽层、保护塑料外层 对电缆进行测试的参数有：导体或屏蔽层的开路情况导体和屏蔽层的短路情况导体接地情况各屏蔽接头之间的短路情况。 同轴电缆的频率特性比双绞线好，能进行较高频率的传输，屏蔽性能好，抗干

10、扰能力强，多用于基带传输，作总线使用。,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-15/61,粗缆 Thicknet (10Base5) RG-8或RG-11，外表为黄色，10M基带传输，段长度为500米 吞吐量：10Mbps，可以用于100M网络的主干，但其传输速率按标准为10M 成本：比光缆低，高于细缆和双绞线 连接器：Tap 抗噪性：较高 尺寸和扩展性：段长度为500m，最长为1500m，网络设备之间最短为2.5m，每段内最多包含100个设备。 细缆 Thinnet (10Base2) RG-58，外表为黑色，10M基

11、带传输，段长度为185米 吞吐量：10Mbps 成本：比光缆和粗缆低，高于双绞线 连接器：BNC 抗噪性：低 尺寸和扩展性：段长度为185m，最长为550m，网络设备之间最短为0.5m，每段内最多设备数为30。,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-16/61,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-17/61,双绞线 双绞线（TP: Twisted Pair wire）由两根具有绝缘保护的铜导线组成，把两根绝缘的铜导线按一定密度相互绞在一起，可降低

12、信号干扰的影响程度，每一根导线在传输数据过程中辐射出来的电波会被另一根导线上发出的电波抵消，双绞线一般由两根22号26号绝缘铜导线相互缠绕而成，把一对或多对双绞线放在一条导管中，便成了双绞线电缆。 双绞线分为屏蔽双绞线(STP: Shielded TP)和非屏蔽双绞线(UTP: Unshielded TP) 。 适用于短距离传输，适用于点与点之间的设备连接，不适用于广播方式传输。,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-18/61,2.3 传输介质（续）,屏蔽双绞线STP,非屏蔽双绞线UTP,17-Sep-20,Schoo

13、l of Management, HUST,Chap02-19/61,TIA（电信工业协会）和EIA（电子工业协会）于1991年制定了双绞线的相关标准，TIA/EIA 568A(B)，并不断进行修改，划分如下： 1类线CAT1：包括两个线对的UTP，20kbps，只用于语音传输 2类线CAT2：包括四个线对的UTP，4Mbps 3类线CAT3：包括四个线对的UTP，10Mbps的以太网或4Mbps的Token Ring，通过跳线和设备配备，可达到100Mbps 4类线CAT4：包括四个线对的UTP，20Mbps，用于16M Token Ring。 5类线CAT5：四个线对的UTP，100Mbp

14、s 增强5类线SCAT5：四个线对的UTP，200Mbps 6类线CAT6：四个线对的UTP，600Mbps 增强6类线SCAT6： 7类线CAT7：,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-20/61,介质特性 吞吐量：一般使用CAT3、CAT5、CAT6，10Mbps，100Mbps，其中SCAT5和CAT6可达到1Gbps。 成本：STP比UTP高，根据类别的不同，类别越高成本越高 连接器：使用RJ45模板和RJ45接口（水晶头） 抗噪性：STP高于UTP 尺寸和可扩展性：段长度100m，段类1024个设备。,2.3

15、 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-21/61,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-22/61,光导纤维 光导纤维是一种传输光束的细而柔韧的媒质，一般由一捆纤维组成，称为光缆，分单模与多模 介质特性： 吞吐量：10Gbps。 成本：高。 连接器：SMA 抗噪性：高 尺寸和可扩展性：段长度2000m和3000m。,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-23/61,2.3 传输介质

16、（续）,射频传输,卫星与微波通信,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-24/61,2.3 传输介质（续）,无线传输 无线电波 射频传输 微波传输 Spread Spectrum 红外线 直接红外传输 间接红外传输 激光 卫星通信 802.11a 5GHz 54M 802.11b 2.4G 11M 802.11g 2.4G 54M 802.11n 600M,电磁波频谱图 1K-10K 语音 1M-10M 短波 10M-100M 特高频 100M-1G 超高频 1G-100G 微波 100G-100T 红外线 100T-1015 可见光 1015

17、-1016 紫外线 1016 - X射线和Gamma射线 应用 手机: 824-849, 869-894M 无绳电话: 902-928 对讲机: 931-932 2.4G-2.5G, 5.8-5.9G,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-25/61,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-26/61,传输介质的选择 环境（电磁和射频干扰） 距离 安全性 建筑结构 既存体系结构 发展,2.3 传输介质（续）,17-Sep-20,School of Management, H

18、UST,Chap02-27/61,两种数据：模拟数据与数字数据 两种传输信号：模拟信号与数字信号 两种传输通道：模拟传输系统和数字传输系统,2.4 数据的转换,*模拟信号和数字信号在传输一定距离后都会衰减，为了实现远距离传输，模拟传输系统使用放大器，数字传输系统使用中继器。,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-28/61,数字数据模拟信号 模拟信号发送的基础是使用载波信号（连续的频率恒定的信号）；通过对载波信号的三种特性进行调制来对数据进行编码，即调幅、调频、调相，与之对应，调制的方法有三种： 幅移键控法ASK(Amplitude-shift

19、 Keying) 频移键控法FSK(Frequency-shift Keying) 相移键控法PSK(Phase-shift Keying) ASK用载波频率的两个不同振幅来表示两个二进制数字 FSK用载波频率附近的两个不同的频率来表示两个二进制数字 PSK利用载波信号的相位移动来表示数据,2.5 数据编码技术,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-29/61,2.5 数据编码技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-30/61,数字数据数字信号 对数字数据，一般用高电压来表示1，低电压

20、来表示0，编码方式有三种： 不归零制编码NRZ(Non-return to Zero)：高1低0 曼彻斯特编码：采用中间跳变来表示，从高位到低位表示0，从低位到高位表示1 差动曼彻斯特编码：采用中间跳变来表示，每位周期有变化表示1，没有变化表示0,2.5 数据编码技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-31/61,2.5 数据编码技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-32/61,模拟数据数字信号 使用脉冲代码调制PCM (Pulse Code Modulation)。PCM

21、是以采样定理为基础的。 采样定理：如果在规定的时间间隔内，以高于两倍有效信号频率的速率对信号f(t)进行采样的话，那么这些采样值就包含了原信号的全部信息。 PCM调制过程：采样、量化 采用非线性编码来改进PCM方案。,2.5 数据编码技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-33/61,2.5 数据编码技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-34/61,2.5 数据编码技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-35/61

22、,概念 为了有效地利用传输系统，在传输线路上通过同时携带多个信号来高效率地使用传输介质，叫多路复用(multiplexing)， 三种技术 频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing） 介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽，通过给每个信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即信号的带宽不互相重叠，可以同时携带许多信号 波分多路复用WDM（Wave-length Division Multiplexing） 在光纤线路上使用的频分多路复用系统的一个变种。 光纤的带宽可达到25000GHz，受到电/光和光/电转换速度的限制，目前可利用的带

23、宽一般为10GHz 时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）。 介质所能达到的位传输率超过传输数字数据所需要的数据传输率,2.6 多路复用技术,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-36/61,2.6 多路复用技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-37/61,2.6 多路复用技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-38/61,2.6 多路复用技术（续）,多路复用,17-Sep-20,Scho

24、ol of Management, HUST,Chap02-39/61,设备之间的数据通信最简单的形式是用传输介质直接连接两个设备进行通信，这种方式一般是不现实的。 网络通常是使用一些中间结点将数据从源地发往目的地，这些中间结点并不关心数据的内容，其目的是提供一个交换设备，用这个交换设备把数据从一个结点传输到另一个结点直到目的地。 对于这种情况，将希望通信的一批设备统称为站，而提供通信的一批设备称为结点。 数据通过中间结点进行通信的过程称为数据交换。 通常有三种数据交换技术：线路交换、报文交换和分组交换。,2.7 数据交换技术,17-Sep-20,School of Management, H

25、UST,Chap02-40/61,线路交换(circuit switching) 使用线路交换的方式，就是通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的通信线路，它是在两个站之间有一条实际的物理连接。 通信三种状态：线路建立、数据传送、线路拆除。 有数据从站1传输到站8，可选路有： 1258 1268 12368 1368 1468 1478 选择其一，如1368，独占所有结点（1，3，6，8）以及线路（13，36，68），开始发送数据，直到（1）所有数据都已到达站8而且（2）所有数据都确认为正确，拆除线路。,2.7 数据交换技术（续）,17-Sep-20,School of Management

26、, HUST,Chap02-41/61,2.7 数据交换技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-42/61,42,2.7 数据交换技术（续）,A 和 B 通话经过四个交换机 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,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-43/61,43,2.7 数据交换技术（续）,C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机

27、,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-44/61,报文交换(message switching )： 在报文交换过程中，不需要在两个站之间建立一条专用的通道，相反，如果一个站想要发送一个报文，它把一个目的地址附加在报文上，然后把报文从结点到结点地通过网络，在每一个结点中，接收整个报文暂存这个报文，然后发送到下一个结点。 有数据从站1传输到站8，可选路有： 12 13 14 选择其一，如12，将数据输送到站2，排队，重新选择路由向下传输，直到数据到达站8。,2.7 数据交换技术（续

28、）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-45/61,2.7 数据交换技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-46/61,报文交换和线路交换的比较 报文交换的优点： 线路效率较高 不需要同时使用发送器和接收器来传输数据 通信量大时通信不会被终止 可以将一个报文送到多个目的地 能够建立报文的优先权 可以进行速度、代码的转换 发往不操作终端的报文可以被截获 报文交换的缺点： 不能满足实时或交互式的通信要求 线路交换的优点： 实时通信 线路交换的缺点 线路交换的可能效率很低。,2.7 数据交

29、换技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-47/61,分组交换(packet switching) 分组交换是结合报文交换和线路交换的优点，而使两者的缺点最少。 分组交换和报文交换相似，形式上的主要差别在于，在分组交换中，要限制所传输的数据单位的长度，分组交换系统中的数据单位通常称为分组(packet)。 分组交换有两种方法：数据报和虚电路 数据报方式是将每个分组独立处理，在传输过程中，各分组有可能不按发送顺序达到目的地，在达到目的地后，再重新将它们进行排列，在这种方法中，独立处理的每一个分组叫做“数据报”。 虚电路方式是在发送任何分

30、组前，需要建立一条逻辑连接，每个站都能和任何站建立多个虚电路，也能同许多站建立虚电路。,2.7 数据交换技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-48/61,2.7 数据交换技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-49/61,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,主机,17-Sep-20,School of Management, HUST,C

31、hap02-50/61,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,主机,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 H5,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-51/61,注意结点交换机有多个端口,A,B,C,D,E,H1,H5,H2,H4,H3,H6,高速链路,结点 交换机,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2 3 4,1 2

32、 3 4,1 2 3 4,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-52/61,影响交换技术性能的因素 站点的数目、结点的数目和排列、系统的总负载、两个站之间的典型的交换长度 三种交换技术的特点 线路交换：在数据传送之前必须先设置一条完全的通路；在线路释放之前，该通路将被一用户完全占有；对于猝发式的通信，线路交换效率不高； 报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，在传送报文时，同时只占用一段通道；在交换结点中需要缓冲存储，报文需要排队；报文交换不能满足实时通信的要求； 分组交换：交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了

33、最大的分组长度；在数据报分组交换中，目的地需要重新组装报文。 不同的交换技术适用于不同的场合： 对于交互式通信来说，报文交换是不合适的 对于较轻的或间歇式的负载来说，线路交换是最合算的 对于两个站之间很重的和持续的负载来说，租用的线路交换合算 当有一批必须交换中等数量数据到大量的数据设备时，使用分组交换最为合算 数据报分组交换适用于短报文和具有灵活性的报文 虚电路分组交换适用于长交换和减轻个站点的处理负担,2.7 数据交换技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-53/61,2.7 数据交换技术（续）,17-Sep-20,School

34、of Management, HUST,Chap02-54/61,基本概念 差错的产生 数据传输过程中位丢失 发出位置和接收位置不一样 原因：噪音 差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进行抗干扰编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可靠性； 其基本做法是在发送端被传输的信息码元序列中，以一定的编码规则附加一些校验码元，接收端利用该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错或纠正差错； 在差错控制码中，检错码是指能自动发现出现差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能够自动纠正差错的编码； 检错和纠错能力是用信息量的冗余和降低系统的效率为代价来换取的。,2.8 差错控制技术,17-Sep

35、-20,School of Management, HUST,Chap02-55/61,差错控制方式 检错重发ARQ 发送方将要发送的数据附加上一定的冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据进行差错检测，如发现差错，则接收方返回请求重发的信息，发送方在收到请求重发的信息后，重新传送数据；如没有发现差错，则发送下一个数据。 特点：使用检错码（常用的有奇偶校验码和CRC码等）、必须是双向信道、发送方需设置缓冲器。解码设备简单。,2.8 差错控制技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-56/61,前向纠错(FEC) 发送方将要发送的数据附加上一定的冗余纠错码一并发送，接收方则根据纠错码对数据进行差错检测，如发现差错，由接收方进行纠正。其发送端发送的是具有一定纠错能力的纠错码，接收端对接收码字中不超过纠错能力范围的差错自动进行纠正。特点：使用纠错码（纠错码编码效率低且设备复杂）、单向信道、发送方无需设置缓冲器。 接收端将收到的信息码原封不动地发回发送端，与发送端中的原发信息码相比较，如果有不一致，发送端重发。,2.8 差错控制技术（续）,17-Sep-20,School of Management, HUST,Chap02-57/61,混合纠错(HEC) HEC是检错重发与前向纠错方式的结合，其发送