计算机网络技术基础

计算机网络技术基础 任课老师:田家华

第2章数据通信基础 • 本章要点 • 2.1 数据通信的基本概念 • 2.2 数据传输介质 • 2.3 数据交换技术 • 2.4 数据编码与调制 • 2.5 多路复用技术 • 2.6 数据通信方式 • 2.7 差错控制与校验

第2章数据通信基础 本章要点 • 数据通信的基本概念 • 数据传输介质 • 信息交换技术 • 数据编码与调制 • 多路复用技术 • 数据通信方式 • 差错控制与校验

2.1.1数据通信的基本概念 1.信息、数据和信号 • (1) 信息：不同领域对信息有着不同的定义。一般认为，信息是人对现实世界事物存在方式和运行状态的某种认识，是客观事物属性和相互联系特性的表现，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。

(2) 数据： • 把事物的某些属性规范化后的表现形式。它可以被识别，也可以被描述。狭义的“数据”通常指具有一定数据特征的信息，如统计数据、测量数据、气象数据及计算机中区别于程序的一些计算机数据等。但是在计算机网络中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码，即“信息的数字化形式”或“信息的二进制表示形式”。

(3) 信号： • 数据在传输过程中的电磁波表示形式，是数据的电子或电磁编码。数据以信号的形式在网络中传播。数据可以用数字信号和模拟信号两种方式来表示。 • ①模拟信号(analog signal)：变化值是连续的(如数学中的实数)。自然界中的物理量一般均为模拟信号。 • ②数字信号(digital signal)：变化值是离散的(如数字中的整数)。计算机内部传输和处理的均为数字信号(1和0)，数字信号具有对称的方波波形。

2.数据通信系统 • 通信的目的是传输信息。为了实现这一目的，通信必须具备3个必要条件：信源、媒体和信宿。信源、媒体和信宿也称为通信的三要素。信源是发出信息的信息源，信息源可以是人，也可以是机器。

2.1.2数据通信系统的分类 • 在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，传输数字信号的系统称为数字通信系统。

1.模拟通信系统 • 模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成。信源所产生的原始模拟信号一般要经过调制后再通过信道传输。到达信宿后，再通过解调器将信号解调出来。 • (1)传输的信号是连续的，叠加噪声干扰后不易消除，即抗干扰能力较差; • (2)不易保密通信; • (3)设备不易大规模集成; • (4)不适应飞速发展的计算机通信的要求。

2.数字通信系统 • 数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信源译码器、信道译码器、信宿、噪声源组成。在发送端还有时钟同步系统。

数字通信的主要优点: • （1）抗干扰能力强; • （2）差错可控; • （3）易加密; • （4）易于与现代技术相结合; 数字通信的缺点: • （1）频带利用率不高; • （2）系统设备比较复杂。

2.1.3数据通信系统的主要质量指标 • 1.数据传输速率 (1)数据传输速率 • 数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制位数的个数，单位为比特每秒，表示为b/s。 (2)信号传输速率 • 信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数，单位为baud(波特)

(3)比特率与波特率的关系 • 比特率与波特率都是衡量信息在传输线路上传输快慢的指标，但两者针对的对象有所不同，比特率针对的是二进制位数传输，波特率针对的是信号波形的传输 (4）带宽与数据传输速率 • 在现代网络技术中，人们总是以“带宽”来表示信道的数据传输速率。通信信道最大传输速率与信道带宽之间存在着密切的关系，所谓带宽指的是频带的宽度，用来描述传输信道的容量，所以人们可以用“带宽”去取代“速率”。

2.误码率和误比特率 • 误码率是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的比率，可用如下公式表示： • 误码率=传输出错的码元数/传输的总码元数 • 误比特率是指在传输过程中，传输出错的比特数占传输的总比特数的比率，可用如下公式表示： • 误比特率=传输出错的比特数/传输的总比特数

3.信道带宽和信道容量 • 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹(Hz)表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的，例如，电话线路的频率范围为300～3 400 Hz，则它的带宽范围也是300～3 400 Hz。

2.2数据传输介质 2.2.1传输介质基本概念 • 数据传输介质是指传送信息的载体，是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。因此，传输介质也称传输媒体、传输媒介或传输线路。

1.传输介质的分类 • 通信介质分为有线介质和无线介质两大类。网络中常用的有线介质是双绞线、同轴电缆和光纤；常用的无线介质是无线电波、微波和红外线等

2.传输介质的特性 • （1）物理特性：指传输介质的特征。 • （2）传输特性：传输信号调制技术、信道容量及传输的频带范围。 • （3）覆盖地理范围：指在不用中继设备情况下，无失真传输所能达到的最大距离。 • （4）抗干扰特性：指防止噪声对传输信息影响的能力。 • （5）价格：指线路安装、维护等费用总和。

2.2.2有线介质 • 双绞线 • 同轴电缆 • 光纤

2.2.3无线传输介质 • 无线电短波通信 • 蜂窝无线通信 • 地面微波接力通信 • 卫星通信 • VSAT卫星通信 • 红外线和激光

2.3数据交换技术 • 数据在通信线路上传输的最简单的形式是：在两个用某种类型的传输介质直接连接的设备之间进行通信。但是直接连接两个设备常常是不现实的，一般通过有中间节点的网络把数据从源地发送到目的地，以实现通信。这些中间节点并不关心数据内容，目的是提供一个交换设备。用这个交换设备把数据从一个节点传到另一个节点，直至到达目的地。 • 通常使用的数据交换技术有三种：线路交换、报文交换、分组交换。

2.3.1线路交换 • 线路交换(Circuit Switching)是通过网络节点在两个站之间建立一条专用的通信通道。线路一旦接通，相连接的两个站便可以直接通信，交换装置对通信双方的通信内容不进行任何干预。电话系统就是最普通的线路交换的例子。

1.线路交换原理 • 线路交换方式与电话交换方式的工作过程很类似。在线路交换中，两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接 • （1）线路建立阶段 • （2）数据传输阶段 • （3）线路释放阶段

2.线路交换方式的特点 • 通信通道利用率很低，连接期间该通道完全被用于整个连接过程，即使没有数据传送，别人也无法使用。 • 实时性好，连接期间无延迟，一旦线路建立，网络对于用户实际上是透明的。 • 交换设备简单(纯硬件)，收发速度快。 • 线路交换方式适用于远程成批处理和发送大量数据的场合。

2.3.2报文交换 • 通道可复用，线路效率较高，多个报文可分时共享一条通道。 • 能够建立报文的优先权。 • 可实现一对多通信，而这在线路交换中是办不到的。 • 实时性差，延迟时间较长，不适用于声音和图像之类实时或交互性要求较高的通信需求。

2.3.3分组交换 1.分组交换原理 • 分组交换（Packet Switching）也称包交换，它是将用户发送的一个报文，分割成若干规定长度的信息组，即分组信息，接着将这些分组信息逐一在网络上通过多个地点(分组交换)发送出去，当这些分组信息到达终点后，再将它们重新装配成完整的报文。在主机中产生的信息是以报文形式出现的，送到主机去的信息也是报文形式，也就是说主机与主机间是以报文形式通信的，报文是面向用户的，根据用户需要而定，格式与长度都是与用户使用要求紧密相连的。

分组交换的优点 • (1)能适应从很低到很高范围内的不同速率的交换，以满足不同用户的需求。 • (2)有尽量快的接续速度。 • (3)要适应用户实时通信的要求，网络延时要小。 • (4)有高的传输准确性。 • (5)适应多样化数据业务。

2.分组交换管理方法 (1)数据报(datagram) • ①源主机HA将报文M分成多个分组P1、P2依次发送到与其直接连接的通信控制处理机A(节点A)。 • ②节点A每接收一个分组都要进行差错检测，以保证HA与节点A数据传输的正确性；节点A接收分组P1、P2后，要为每一个分组进入通信子网的下一个节点启动路由选择算法。由于网络的通信状态是不断变化的，分组P1的下一个节点可能选择C，而分组P2的下一个节点可能选择D，因此同一报文的不同分组通过子网的路径可能是不相同的。

③节点A向节点C发送分组P1时，节点C要对P1传输的准确性进行检测。如果传输正确，节点C向节点A发送正确传输的确认信息ACK；节点A收到节点C的ACK信息后，确认P1已正确传输，则废弃P1的副本。其他节点间的传输与交换过程与此类似。这样，报文分组P1通过通信子网中的多个节点存储——转发，最终到达目的节点B。P2及其他分组传输情况也类似。③节点A向节点C发送分组P1时，节点C要对P1传输的准确性进行检测。如果传输正确，节点C向节点A发送正确传输的确认信息ACK；节点A收到节点C的ACK信息后，确认P1已正确传输，则废弃P1的副本。其他节点间的传输与交换过程与此类似。这样，报文分组P1通过通信子网中的多个节点存储——转发，最终到达目的节点B。P2及其他分组传输情况也类似。 • ④目的主机收到全部报文分组，按照报文分组号进行重新排列和组装，还原成原来的报文。

数据报方式的特点是： • ①同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网。 • ②同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复和丢失现象。 • ③每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址。 • ④报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。

(2)虚电路(virtual circuit) • ①在数据传送以前建立站与站之间的一条逻辑连接，但并不像线路交换那样占用一条专用线路。 • ②由于所有报文都从一条逻辑连接的虚电路上通过，因此报文分组不必带有目的地址、源地址等信息。 • ③报文分组经过节点时不需要做路径选择。 • ④通信子网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。

2.3.4三种交换技术的比较 • (1) 数据报分组交换适用于短报文交换，虚电路分组交换适用于长报文交换。 • (2) 两节点间的负载较重且持续时间较长时，租用线路，采取线路交换的方式是很合算的。 • (3) 在交互性要求较高的场合下，报文交换是不合适的。 • (4) 分组交换技术在局域网和公用数据网中都有很多应用。

三种数据交换技术总结如下： • (1)线路交换：在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有。 • (2)报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。在传送报文时，只占用一段通路：在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，这种方式不满足实时通信的要求。 • (3)分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文。这是网络中采用最广泛的一种交换技术。

2.4数据编码与调制 • 2.4.1数字数据的数字信号编码 • 不归零码 • 自同步码 • 归零码

2.4.2数字数据的模拟信号编码 • 移幅键控(ASK) • 移频键控(FSK) • 移相键控(PSK)

2.4.3模拟数据的数字编码 • 采样 • 量化 • 编码

2.4.4模拟数据的模拟信号调制 • 在电话机和本地局交换机之间所传输的信号就是采用这种编码方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。 • 无线语音广播是模拟信号传输数据的另一个例子。有效的传输需要比较高的频率。对于无线传播，传送基带信号几乎是不可能的，因为那将需要直径为几公里长的天线。另外，调制有助于频分复用。

2.5多路复用技术 • 频分多路复用 • 时分多路复用 • 波分多路复用 • 码分多路复用

2.6数据通信方式 • 并行通信与串行通信 • 单工通信与双工通信 • 基带传输、宽带传输与频带传输 • 异步传输与同步传输

2.7差错控制与校验 (1)差错产生的原因 • 在数据通信中，在物理信道上线路本身的电气特性随机引起信号幅度、频率、相位的畸形的衰减。 • 电气信号在线路上产生反射噪声的回波效应。 • 相邻线路之间的串线干扰。 • 大气中的闪电、电源开关的跳火、自然界磁场的变化，以及电源的波动等外界因素的干扰。

2)差错类型 通信信道的噪声分为热噪声和冲击噪声两种。由这两种噪声分别产生两种类型的差错，随机差错和突发差错。

2)差错类型 • (a)热噪声是由传输介质导体的电子热运动产生的，它的特点是：时刻存在，幅度较小且强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机噪声。由热噪声引起的差错称随机差错。此类差错的特点是：差错是孤立的，在计算机网络应用中是极个别的。

2)差错类型 • b)与热噪声相比，冲击噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。冲击噪声的持续时间要比数据传输中的每比特发送时间要长，因而冲击噪声会引起相邻多个数据位出错。冲击噪声引起的传输差错称为突发差错。常见的突发差错是由冲击噪声(如电源开关的跳火、外界强电磁场的变换等)引起，它的特点是：差错呈突发状，影响一批连续的bit(突发长度)。计算机网络中的差错主要是突发差错。

3)差错控制编码 常用的差错检测和校错方法有两种： • 检错码 • 纠错码

4)利用差错控制编码来进行差错控制的方法 • 反馈重发纠错 • 自动请求重发 • 前向纠错

2.7.2奇偶校验码 • 垂直奇偶校验 • 水平奇偶校验 • 水平垂直奇偶校验

2.7.3循环冗余码 发送端的编码步骤 • 将要发送的二进制数据(k位比特序列)，对应一个(k-1)阶多项式f(x)；再选取一个收发双方预先约定的r阶生成码多项式G(x)。 • 在原数据尾添加r个0，即xrf(x)。 • 进行xrf(x)／G(x)，求得余数R(x)。R(x)即为校验序列。 • 用R(x)替代xrf(x)最后的r个0，得到待传送的CRC码多项式(数据位加校验位)T(x)，即T(x)=xrf(x)+R(x)。

接收端的检验步骤 • 接收端收到CRC码多项式T′(x)。 • 校验：进行T′(x)／G(x)，求得余数。 • 若余数为0，即T′(x)／G(x)=f(x)，则表示传输正确；若余数不为0，则说明传输出错。

计算机网络技术基础

计算机网络技术基础

Presentation Transcript