計算機網絡講義2

1、計算機網絡講義計算機網絡講義管理科學與工程系 馬維忠 計算機網絡講義2數據傳輸數據傳輸遠程通信遠程通信l前面描述了如何通過導線將每一位數據編前面描述了如何通過導線將每一位數據編碼為正的或負的電壓以便在短距離內傳輸碼為正的或負的電壓以便在短距離內傳輸字符。字符。l同一方案在長距離情形下不能正常工作同一方案在長距離情形下不能正常工作l需要其他的硬件需要其他的硬件計算機網絡講義3遠程發(fā)送信號遠程發(fā)送信號l電流并不能沿導線傳輸任意長的距離電流并不能沿導線傳輸任意長的距離l因為電流在經過一段距離后會逐漸減弱因為電流在經過一段距離后會逐漸減弱l這種問題稱為信號損耗（這種問題稱為信號損耗（signal lo

2、ss ）計算機網絡講義4l 一個連續(xù)振蕩信號能比其他信號傳播到更遠的地一個連續(xù)振蕩信號能比其他信號傳播到更遠的地方方l 長距離通信發(fā)送連續(xù)的振蕩信號，通常為正弦波，長距離通信發(fā)送連續(xù)的振蕩信號，通常為正弦波，稱為載波（稱為載波（Carrier）計算機網絡講義5l為發(fā)送數據，發(fā)送器略微修改其載波，這為發(fā)送數據，發(fā)送器略微修改其載波，這種修改稱為調制（種修改稱為調制（modulation）。）。l調制最初用于電話、無線電和電視。調制最初用于電話、無線電和電視。計算機網絡講義6l例如一個無線電臺使用一個以某一給定的例如一個無線電臺使用一個以某一給定的頻率振蕩的連續(xù)載波。頻率振蕩的連續(xù)載波。l在傳輸信

3、號前，無線電臺使用聲音信號調在傳輸信號前，無線電臺使用聲音信號調制載波，當發(fā)射機復蓋范圍內的收音機調制載波，當發(fā)射機復蓋范圍內的收音機調諧至載波頻率時，收音機的電子線路檢測諧至載波頻率時，收音機的電子線路檢測到載波及其調制并根據其調制重建原來的到載波及其調制并根據其調制重建原來的聲音信號。收音機被設計成僅抽取并播放聲音信號。收音機被設計成僅抽取并播放調制部分，在調制被抽取后載波就被丟棄調制部分，在調制被抽取后載波就被丟棄了。了。計算機網絡講義7l不管信號沿導線、光纖、微波或射頻傳播，不管信號沿導線、光纖、微波或射頻傳播，絕大多數的長距離計算機網絡都使用和無絕大多數的長距離計算機網絡都使用和無線

4、電臺相同的工作原理。線電臺相同的工作原理。l發(fā)送器產生一個連續(xù)振蕩的載波信號，該發(fā)送器產生一個連續(xù)振蕩的載波信號，該信號根據待發(fā)送的數據加以調制后，和無信號根據待發(fā)送的數據加以調制后，和無線電收音機類似的遠程通信的接收器必須線電收音機類似的遠程通信的接收器必須被配置成能夠識別發(fā)送方所用的載波。被配置成能夠識別發(fā)送方所用的載波。l該接收器檢測抵達的載波，檢測調制，重該接收器檢測抵達的載波，檢測調制，重建原始數據并丟棄載波。建原始數據并丟棄載波。計算機網絡講義8l網絡技術使用多種調制技術網絡技術使用多種調制技術計算機網絡講義9l 調幅（調幅（amplitude modulation ）計算機網絡講

5、義10l 調頻（調頻（frequency modulation）計算機網絡講義11l雖然調頻與調幅技術對聲音傳輸可以工作雖然調頻與調幅技術對聲音傳輸可以工作得很好，但兩種技術每傳送一個信號位都得很好，但兩種技術每傳送一個信號位都需要至少一個載波周期。需要至少一個載波周期。l如果編碼方式允許在單個載波周期內編碼如果編碼方式允許在單個載波周期內編碼多位數據，則單位時間內允許發(fā)送的數據多位數據，則單位時間內允許發(fā)送的數據位將增加。位將增加。計算機網絡講義12l調相調相 phase shift 計算機網絡講義計算機網絡講義14用于調制和解調的調制解調器硬件用于調制和解調的調制解調器硬件l接收一串數據位

6、，并根據這些位串調制載接收一串數據位，并根據這些位串調制載波的硬件線路稱為調制器（波的硬件線路稱為調制器（modulator）l而接收載波，并重建調制在載波上的數據而接收載波，并重建調制在載波上的數據的各二進制位的硬件線路稱為解調器的各二進制位的硬件線路稱為解調器（demodulator）。）。l長距離數據傳輸要求在線路的一端有一個長距離數據傳輸要求在線路的一端有一個調制器，另一端有一個解調器。調制器，另一端有一個解調器。計算機網絡講義計算機網絡講義計算機網絡講義17l網絡都是全雙工的，即允許數據的雙向流網絡都是全雙工的，即允許數據的雙向流動動l為支持這一全雙工通信，每一站點需要一為支持這一全

7、雙工通信，每一站點需要一個調制器用于發(fā)送數據和一個解調器用于個調制器用于發(fā)送數據和一個解調器用于接收數據接收數據l為降低成本以及使這對設備更易于安裝和為降低成本以及使這對設備更易于安裝和操作，制造商將兩個線路組合在單個設備操作，制造商將兩個線路組合在單個設備中，稱其為調制解調器中，稱其為調制解調器計算機網絡講義計算機網絡講義19租用模擬數據電路租用模擬數據電路l當通信線路用于連接同一地方的兩個站點當通信線路用于連接同一地方的兩個站點時，公司可自行安裝所需的線路。時，公司可自行安裝所需的線路。l遠程線路可以從電話公司獲得遠程線路可以從電話公司獲得l話公司租用了一條線路連接后，首先需要話公司租用了

8、一條線路連接后，首先需要在兩端分別安裝一個調制解調器。在兩端分別安裝一個調制解調器。計算機網絡講義20光學、無線和撥號調制解調器光學、無線和撥號調制解調器l除了專用線路，調制解調器也用于其他介除了專用線路，調制解調器也用于其他介質的通信質的通信RF (Radio Frequency ，射頻，射頻)傳輸，傳輸，光纖光纖常規(guī)電話線常規(guī)電話線計算機網絡講義計算機網絡講義22載波頻率和多路復用載波頻率和多路復用l兩個或多個使用不同載波頻率的信號可以兩個或多個使用不同載波頻率的信號可以在單一介質上同時傳輸而互不干擾在單一介質上同時傳輸而互不干擾l有線電視傳輸的例子有線電視傳輸的例子計算機網絡講義23l計

9、算機網絡應用分離頻道的原理以使多個計算機網絡應用分離頻道的原理以使多個通信共享單根物理連線通信共享單根物理連線l頻分多路復用（頻分多路復用（frequency division multiplexing ，F(xiàn) D M ）是用多個載波頻）是用多個載波頻率在一個介質中同時傳輸多個獨立信號的率在一個介質中同時傳輸多個獨立信號的計算機網絡術語計算機網絡術語計算機網絡講義計算機網絡講義25基帶和寬帶技術基帶和寬帶技術l利用頻分多路復用建立了許多網絡技術，利用頻分多路復用建立了許多網絡技術，它們允許在同一介質上同時進行相互獨立它們允許在同一介質上同時進行相互獨立的通信的通信l寬帶技術（寬帶技術（broad

10、band technology ） 使用介質的大部分電磁頻譜，多個信號使用介質的大部分電磁頻譜，多個信號l基帶技術（基帶技術（baseband technology ） 使用介質的很少部分電磁頻譜，單一信號使用介質的很少部分電磁頻譜，單一信號計算機網絡講義26波分多路復用波分多路復用l應用于光傳輸系統(tǒng)應用于光傳輸系統(tǒng)l波分多路復用波分多路復用(wave division multiplexing)計算機網絡講義27分布頻譜分布頻譜lF D M 的一個特別應用范例是用多個載波的一個特別應用范例是用多個載波以提高可靠性以提高可靠性l分布頻譜技術通過使發(fā)送器用一組獨立的分布頻譜技術通過使發(fā)送器用一組

11、獨立的載波頻率同時發(fā)送同一信號的技術解決干載波頻率同時發(fā)送同一信號的技術解決干擾問題。擾問題。計算機網絡講義28時分多路復用時分多路復用l時分多路復用（時分多路復用（Time Division Multiplexing ，T D M ）l各個發(fā)送源輪流使用共享的通信介質各個發(fā)送源輪流使用共享的通信介質計算機網絡講義29包傳輸包傳輸包、幀與差錯檢測包、幀與差錯檢測 l第一部分描述了硬件的底層怎樣通過銅纜第一部分描述了硬件的底層怎樣通過銅纜或光纖介質來傳輸位串或光纖介質來傳輸位串l計算機網絡提供一種較方計算機網絡提供一種較方l便的接口，該接口允許計算機通過網絡以便的接口，該接口允許計算機通過網絡以

12、字節(jié)來發(fā)送數據，而不必處理位串，也不字節(jié)來發(fā)送數據，而不必處理位串，也不必知道基礎硬件是怎樣將位編碼成信號的必知道基礎硬件是怎樣將位編碼成信號的計算機網絡講義30包的概念包的概念l大多數計算機網絡都不能連續(xù)傳輸任意數大多數計算機網絡都不能連續(xù)傳輸任意數量的數據量的數據l首先，發(fā)送方與接收方需要協(xié)調傳輸首先，發(fā)送方與接收方需要協(xié)調傳輸l把數據分成小塊就能幫助發(fā)送方與接收方把數據分成小塊就能幫助發(fā)送方與接收方確定哪塊數據完整到達，哪塊數據沒有到確定哪塊數據完整到達，哪塊數據沒有到達達計算機網絡講義31l其次，因為通信線路與相關的調制解調硬其次，因為通信線路與相關的調制解調硬件比較昂貴，所以多臺計算

13、機通常要共享件比較昂貴，所以多臺計算機通常要共享底層的連接與硬件。底層的連接與硬件。l為了確保所有的計算機能公平、迅速地得為了確保所有的計算機能公平、迅速地得到共享通信設備的服務，網絡系統(tǒng)不能只到共享通信設備的服務，網絡系統(tǒng)不能只允許一臺計算機使用而拒絕其他計算機允許一臺計算機使用而拒絕其他計算機計算機網絡講義32l網絡系統(tǒng)把數據分成小塊單獨發(fā)送，這種網絡系統(tǒng)把數據分成小塊單獨發(fā)送，這種小塊稱作包小塊稱作包 packetl計算機網絡通常又稱作包網絡（計算機網絡通常又稱作包網絡（packet network ）或包交換網絡（）或包交換網絡（packet switching 計算機網絡講義計算機網

14、絡講義34包和時分多路復用包和時分多路復用l允許多個源機按次序使用共享通信資源的允許多個源機按次序使用共享通信資源的網絡實際上是提供了一種時分多路復用的網絡實際上是提供了一種時分多路復用的形式形式計算機網絡講義計算機網絡講義36l把數據分成包保證了所有源機能得到迅速、把數據分成包保證了所有源機能得到迅速、即時的服務，即時的服務，l因為它禁止一臺源機任意長時間獨占網絡。因為它禁止一臺源機任意長時間獨占網絡。l特別是，如果一臺源機有少量包要發(fā)送，特別是，如果一臺源機有少量包要發(fā)送，另一臺也有許多包要發(fā)送，那么，讓兩臺另一臺也有許多包要發(fā)送，那么，讓兩臺源機按次序發(fā)送包的方法將確保傳輸數據源機按次序

15、發(fā)送包的方法將確保傳輸數據較少的源機能迅速完成。較少的源機能迅速完成。計算機網絡講義37包和物理幀包和物理幀l盡管術語包（盡管術語包（packet）指的是小數據塊的）指的是小數據塊的一般概念，但是在確切的包格式方面沒有一般概念，但是在確切的包格式方面沒有達到完全一致。達到完全一致。l每種硬件技術都定義了能在該硬件上傳輸每種硬件技術都定義了能在該硬件上傳輸的包的細節(jié)，并指明了包的位串是如何傳的包的細節(jié)，并指明了包的位串是如何傳輸的輸的l用術語幀（用術語幀（frame）來定義用在特定網絡類）來定義用在特定網絡類型中的包型中的包計算機網絡講義38l 一個簡單的例子一個簡單的例子l 發(fā)送方和接收方必須

16、在怎樣指明每一幀的開始與發(fā)送方和接收方必須在怎樣指明每一幀的開始與結束上保持一致結束上保持一致計算機網絡講義39l主要缺點是網絡開銷（無延遲）主要缺點是網絡開銷（無延遲）l長延遲和計算機崩潰的情況，在幀的開始長延遲和計算機崩潰的情況，在幀的開始和結束傳輸字符的主要優(yōu)點就顯得很明顯和結束傳輸字符的主要優(yōu)點就顯得很明顯了了計算機網絡講義40字節(jié)充填字節(jié)充填l大多數計算機網絡不能保留網絡使用的那大多數計算機網絡不能保留網絡使用的那些字符些字符l怎么傳遞含怎么傳遞含s o h 與與e o t 的信息？的信息？l為了區(qū)分傳輸的數據與控制信息為了區(qū)分傳輸的數據與控制信息l網絡系統(tǒng)會要求發(fā)送方在發(fā)送之前稍微

17、修網絡系統(tǒng)會要求發(fā)送方在發(fā)送之前稍微修改一下數據改一下數據l這種技術被稱為數據充填（這種技術被稱為數據充填（data stuffing）計算機網絡講義計算機網絡講義42傳輸差錯傳輸差錯l雷擊、電壓驟變以及其他電磁干擾都能在雷擊、電壓驟變以及其他電磁干擾都能在用于通信的電子部件或電纜上產生意外的用于通信的電子部件或電纜上產生意外的電流電流l電子信號的一個小小的變化能使接收計算電子信號的一個小小的變化能使接收計算機誤解一個或多個數據位機誤解一個或多個數據位l傳輸差錯（傳輸差錯（transmission error ），就是），就是丟失、改變或錯誤出現(xiàn)位串的問題丟失、改變或錯誤出現(xiàn)位串的問題計算機網

18、絡講義43奇偶位與奇偶校驗奇偶位與奇偶校驗lR S - 2 3 2 硬件用來檢測差錯的一種機制：硬件用來檢測差錯的一種機制：當一個字符開始到達時，接收計算機就啟當一個字符開始到達時，接收計算機就啟動一個計時器并用它來檢查收到字符的位動一個計時器并用它來檢查收到字符的位串。串。l如果信號的每一位不能使固定的電平保持如果信號的每一位不能使固定的電平保持一段時間或者如果停止位沒有在相應的時一段時間或者如果停止位沒有在相應的時間內出現(xiàn)，那么硬件就認為干擾引起了差間內出現(xiàn)，那么硬件就認為干擾引起了差錯。錯。計算機網絡講義44l奇偶校驗（奇偶校驗（parity check）機制要求發(fā)送計）機制要求發(fā)送計算

19、機在發(fā)送前對每一個字符都計算一個附算機在發(fā)送前對每一個字符都計算一個附加位，叫做奇偶位（加位，叫做奇偶位（parity bit ），并把它），并把它放在每一個字符后面放在每一個字符后面l在一個字符的所有位到達之后，接收計算在一個字符的所有位到達之后，接收計算機去掉奇偶位，進行與發(fā)送計算機同樣的機去掉奇偶位，進行與發(fā)送計算機同樣的計算，并證實結果與奇偶位一致計算，并證實結果與奇偶位一致計算機網絡講義45l有兩種奇偶校驗形式，偶（有兩種奇偶校驗形式，偶（even）校驗與）校驗與奇（奇（odd）校驗）校驗l兩者都要求發(fā)送與接收計算機使用一致的兩者都要求發(fā)送與接收計算機使用一致的形式形式計算機網絡講義

20、46l為了得到偶校驗位，發(fā)送計算機把校驗位為了得到偶校驗位，發(fā)送計算機把校驗位置為置為0 或或1 ，使得，使得1 的總數（包括校驗位）的總數（包括校驗位）是偶數。是偶數。l0 1 0 0 1 0 1 的校驗位是的校驗位是1l0 1 0 11 0 1 的校驗位是的校驗位是0l為了得到奇校驗位，發(fā)送計算機選擇校驗為了得到奇校驗位，發(fā)送計算機選擇校驗位使得位使得1 的總數是奇數的總數是奇數計算機網絡講義47差錯檢測中的概率和算術差錯檢測中的概率和算術l奇偶校驗機制能很好地檢測一位差錯，但奇偶校驗機制能很好地檢測一位差錯，但它不能檢測所有可能的差錯它不能檢測所有可能的差錯l奇偶校驗不能檢測任何改變偶數

21、個位的傳奇偶校驗不能檢測任何改變偶數個位的傳輸差錯輸差錯l已經發(fā)明了幾種代替的機制已經發(fā)明了幾種代替的機制計算機網絡講義48l差異表現(xiàn)在三個方面：差異表現(xiàn)在三個方面：附加信息的大?。ㄋ鼪Q定了傳輸開銷），附加信息的大小（它決定了傳輸開銷），算法的計算復雜度（它決定了創(chuàng)建與證實算法的計算復雜度（它決定了創(chuàng)建與證實這些信息所需的計算開銷），這些信息所需的計算開銷），以及能檢測出的差錯位的個數（它決定某以及能檢測出的差錯位的個數（它決定某種方法檢測傳輸差錯的優(yōu)劣程度）種方法檢測傳輸差錯的優(yōu)劣程度）計算機網絡講義49校驗和檢測差錯校驗和檢測差錯l 許多計算機網絡系統(tǒng)隨同每個包一起發(fā)送一個校許多計算機網絡

22、系統(tǒng)隨同每個包一起發(fā)送一個校驗和（驗和（checksum）來幫助接收計算機檢測差錯）來幫助接收計算機檢測差錯l 為了計算校驗和，發(fā)送計算機把數據看成二進制為了計算校驗和，發(fā)送計算機把數據看成二進制整數序列并且計算它們的和整數序列并且計算它們的和計算機網絡講義50l校驗和方法既有優(yōu)點也有缺點。校驗和方法既有優(yōu)點也有缺點。l主要的優(yōu)點是計算的容易性與校驗和的大主要的優(yōu)點是計算的容易性與校驗和的大小小l校驗和的缺點是不能檢測所有常見錯誤校驗和的缺點是不能檢測所有常見錯誤計算機網絡講義計算機網絡講義52循環(huán)冗余校驗檢測差錯循環(huán)冗余校驗檢測差錯l循環(huán)冗余校驗（循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundan

23、cy Check ，C R C ）技術）技術l計算計算C R C 的硬件使用兩個簡單的部件：的硬件使用兩個簡單的部件：一個移位寄存器（一個移位寄存器（shift register ）與一個）與一個異或（異或（exclusive or 或或xor ）單元）單元計算機網絡講義計算機網絡講義計算機網絡講義55模塊聯(lián)接模塊聯(lián)接l 看一個看一個CRC生成的實例生成的實例計算機網絡講義56l在整個消息都被移入該設備后，移位寄存在整個消息都被移入該設備后，移位寄存器中包含消息的器中包含消息的1 6 位位C R C 。l接收方只需對所接收到的消息和接收方只需對所接收到的消息和C R C 一一起計算起計算C R C ，如果所有位都正確接收，如果所有位都正確接收，最后計算的結果應該為最后計算的