-計算機網(wǎng)絡技術與應用教程(第2版)-課件

第2章數(shù)據(jù)通信基礎2.1傳輸介質(zhì)幾種傳輸介質(zhì)的性能比較性能雙絞線同軸電纜（基帶）同軸電纜（寬帶）光纖地面微波衛(wèi)星最大傳輸距離（<0.3<2.5<10010040～50不受限制抗強電干擾性較差高高極高差差安裝難易程度易中中較難易易布局多樣性好較好較好中好好保密性一般好好極好差差經(jīng)濟性低較低較低較高中較高時延小小小小小大2.1.1有線傳輸介質(zhì)常用絞合線的帶寬和應用常用絞合線類別傳輸帶寬（100m時）應用說明3類(CategoryⅢ)16Mbit/s低速網(wǎng)絡與語音傳輸4類(CategoryⅣ)20Mbit/s短距離10BASE-T網(wǎng)絡與語音傳輸5類(CategoryⅤ)100Mbit/s加了繞線密度，用于語音傳輸和10BASE-T網(wǎng)絡，某些100BASE-TCAT5E100Mbit/s衰減小，串擾少，具有更高的衰減與串擾的比值（ACR）和信噪比（StructuralReturnLoss）、更小的時延誤差，用于100BASE-T，某些1000BASE-T6類(E類)(CategoryⅥ)250Mbit/s改善了串擾以及回波損耗性能，用于1000BASE-T。永久鏈路的長度不能超過90m，信道長度不能超過100m7類(F類)(CategoryⅦ)600Mbit/s只使用STP，可用于10Gbps以太網(wǎng)4.電力線路載波通信電力線載波（PowerLineCarrier–PLC）通信簡稱電力線通信，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和媒體信號的通信方式。（1）無需另布網(wǎng)線。（2）有插座的地方就能上網(wǎng)。（3）距離穩(wěn)定傳輸。（5）節(jié)能環(huán)保，無輻射。5.有線介質(zhì)連接器2.1.2無線傳輸介質(zhì)1.不可見光無線傳輸介質(zhì)1）短距離無線技術2）中長波無線電波3）微波（1）地面接力通信（2）衛(wèi)星通信2.可見光無線傳輸介質(zhì)可見光通信技術（visiblelightcommunication，VLC）是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號來攜帶數(shù)據(jù)進行傳輸。2.2信道與信號技術2.2.1信道的概念1.物理信道和邏輯信道2.有線信道和無線信道3.模擬信道和數(shù)字信道2.2.2數(shù)據(jù)信號及其調(diào)制/解調(diào)1．模擬信號與數(shù)字信號2.數(shù)字信號的模擬調(diào)制3．模擬信號的數(shù)字編碼—脈沖編碼調(diào)制技術4.調(diào)制解調(diào)器5.光端機目前的計算機系統(tǒng)都還是基于電信號工作的。光端機就是在一條光鏈路的兩端使用的設備，主要進行光-電型號的轉換。按照使用的位置，分為光發(fā)射機和光接收機：光發(fā)射機完成電/光轉換，并把光信號發(fā)射出去用于光纖傳輸；光接收機主要是把從光纖接收的光信號再還原為電信號，完成光/電轉換。2.2.3數(shù)字信號的數(shù)字編碼2.2.4串行通信與并行通信2.2.5單工、半雙工和全雙工通信1．單工通信單工通信是指在兩個通信結點間，數(shù)據(jù)的傳輸總是單向的，只能由一方將數(shù)據(jù)傳輸給另一方，如數(shù)字電視，其信號只能由電視臺到用戶終端（電視機）傳輸。2．半雙工通信半雙工通信是指數(shù)據(jù)可以在收、發(fā)雙方間相互傳遞，但任何一個時間點上只能是單向的，如對講機，聽的時候不能說，反之說的時候不能聽。3．全雙工通信全雙工通信是指數(shù)據(jù)可以在收、發(fā)雙方間同時相互傳遞，如手機、程控電話，聽的時候也能同時說，說的時候也能同時聽，邊說邊聽，毫無影響。2.2.6多路復用技術1.頻分多路復用技術頻分多路復用（frequencydivisionmultiplexing，F(xiàn)DM）是模擬傳輸中常用的一種多路復用技術。它把一個物理信道劃分為多個邏輯信道，各個邏輯信道占用互不重疊的頻帶，相鄰信道之間用“警戒頻帶”隔離，以便將不同路的信號調(diào)制（濾波）分別限制在不同的頻帶內(nèi)，在接收端再用濾波器將它們分離，就好像在大氣中傳播的無線電信號一樣，雖同時傳送多個頻率信號，但互不重疊，可以分辨。2.時分多路復用技術3.光波分多路復用技術4.碼分多路復用技術碼分多路復用（codedivisionmultiplexing，CDM）是與碼分多址（codedivisionmultipleaccess，CDMA）相聯(lián)系的一項技術。在CDMA傳輸時，要給每位用戶分配一個m（通常m取64或128）比特序列，稱為碼片序列（chipsequence）或碼片向量。不同的用戶的擁有不同的碼片序列，好像他們具有不同的地址。CDMA按照下面的規(guī)則進行用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送：● 發(fā)1，發(fā)送該站的碼片序列的原碼；● 發(fā)0，發(fā)送該站的碼片序列的反碼。

碼分多路復用技術2.3數(shù)據(jù)傳輸控制技術1．異步傳輸異步傳輸方式又稱為起止步傳輸方式，其特點是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字符為單位發(fā)送，且字符間的發(fā)送時間是異步的，故稱為異步傳輸。其幀結構由如下4部分組成：● 1個起始位：低電平——數(shù)字“0”狀態(tài)；● 5位或7位數(shù)據(jù)；● 1位校驗位，用作奇偶校驗；● 長度為1.5位或2位停止位：高電平——也是不通信狀態(tài)。2.3.1異步傳輸和同步傳輸2．同步傳輸同步傳輸方式從幀和位兩個方面實現(xiàn)同步控制。（1）幀同步及其實現(xiàn)（2）位同及其實現(xiàn)外同步法自同步法。2.3.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e檢測與控制1.差錯產(chǎn)生的原因與基本對策在數(shù)據(jù)通信中，差錯的基本應對策略有3個。1）提高信道質(zhì)量● 使用高質(zhì)量的信道：即使用具有熱噪聲小、信號屏蔽能力強等優(yōu)點的信道?！?使用中繼器：中繼器的作用是每經(jīng)過一定的傳輸距離將數(shù)據(jù)信號重新復制一次。2）提高數(shù)據(jù)信號的健壯性● 糾錯碼：為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號增加冗余碼，以便能自動糾正傳輸差錯?！?檢錯碼：為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號增加冗余碼，以便查出哪一位出錯。3）采用合適的差錯控制協(xié)議與檢錯碼相比，糾錯碼具有自動糾錯功能，但實現(xiàn)復雜、造價高、傳輸效率低。通常是采用檢錯碼檢查出差錯，由合適的差錯控制協(xié)議來補救。2.5差錯檢測與控制2.誤碼檢測1）校驗和（checksum）首先看一個例子：假定要傳輸?shù)?個數(shù)字為1、2、3、5，它們的和為B（十六進制），則實際發(fā)送的是1235B（將和連同數(shù)據(jù)一起發(fā)送），即000100100011010110102．循環(huán)冗余碼校驗（cyclicredundancycheck，CRC）循環(huán)冗余碼是一種能力相當強的檢錯碼，并且實現(xiàn)編碼和檢碼的電路比較簡單，常用于串行傳送（二進制位串沿一條信號線逐位傳送）的輔助存儲器與主機的數(shù)據(jù)通信和計算機網(wǎng)絡中。循環(huán)碼通過某種數(shù)學運算實現(xiàn)有效信息與校驗位之間的循環(huán)校驗。編碼步驟如下：①將待編碼的n位信息碼組Cn?1Cn?2…Ci…C2C1C0表達為一個n?1階的多項式M（x）M（x）=Cn?1xn?1+Cn?2xn-2+…+Cixi+…+C1x1+C0x0②將信息碼組左移k位，形成M（x）·xk，即n+k位的信息碼組Cn?1+kCn?2+k…Ci+k…C2+kC1+kCk00…00③用k+1位的信息碼組生成多項式G（x）對M（x）·xk作模2除運算，得到一個商Q（x）和一個余數(shù)R（x）。顯然有：M（x）·xk=Q（x）·G（x）+R（x）生成多項式G（x）是預先選定的。從檢錯的要求出發(fā)，生成多項式應能滿足下列要求：● 任何一位發(fā)生錯誤都應使余數(shù)不為0；● 不同位發(fā)生錯誤應使余數(shù)不同；● 對余數(shù)繼續(xù)作模2運算應使余數(shù)循環(huán)。生成多項式的選擇主要靠經(jīng)驗。有3種多項式已經(jīng)成為標準，具有極高的檢錯率，即

CRC?12=x12+x11+x3+x2+x+1CRC?16=x16+x15+x2+1CRC?ITU?T=x16+x12+x5+11．停等ARQ2.3.3差錯控制協(xié)議2．連續(xù)ARQ2.3.4流量控制與滑動窗口協(xié)議1.擁塞與死鎖當網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增加到一定程度時，網(wǎng)絡的吞吐量下降，這種現(xiàn)象稱為“擁塞”（congestion）。傳輸數(shù)據(jù)量急劇增加時，丟棄的數(shù)據(jù)幀不斷增加，從而引起更多的重發(fā)；重發(fā)數(shù)據(jù)所占用的緩沖區(qū)得不到釋放，又引起更多的數(shù)據(jù)幀丟失。這種連鎖反應將很快波及全網(wǎng)，使通信無法進行，網(wǎng)絡處于“死鎖”（deadlock）狀態(tài)，陷入癱瘓。2.滑動窗口協(xié)議1）

發(fā)送器窗口的工作原理（d）確認數(shù)據(jù)單元：2，因數(shù)據(jù)單元3已確認，窗口移動2格；主機傳來單元（未發(fā)送）：7、0（b）確認數(shù)據(jù)單元：1，窗口移動一格；已發(fā)送單元：2，3；主機傳來單元（未發(fā)送）：4、5、6（c）確認數(shù)據(jù)單元：3，因數(shù)據(jù)單元2未確認，窗口不移動（a）確認數(shù)據(jù)單元：0；已發(fā)送單元：1，2；未發(fā)送單元：3、4、5（f）數(shù)據(jù)單元4超時，4，5，6重發(fā)（e）發(fā)送數(shù)據(jù)單元：4，5，6，但6被先確認2）接收器窗口的工作原理2.4計算機網(wǎng)絡通信控制設備應用層運輸層網(wǎng)際層數(shù)據(jù)鏈路層物理層用戶程序B網(wǎng)絡協(xié)議軟件網(wǎng)卡物理層物理層物理層物理層物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)際層網(wǎng)際層運輸層應用層用戶程序A網(wǎng)卡網(wǎng)絡協(xié)議軟件中繼器交換機中繼器交換機路由器1.4.1網(wǎng)絡適配器網(wǎng)卡是網(wǎng)絡接口卡（networkinterfacecard，NIC）的簡稱，也稱為網(wǎng)絡適配器，它是連接計算機與網(wǎng)絡的接口設備。無論雙絞線、同軸電纜還是光纖連接，都必須借助網(wǎng)卡才能實現(xiàn)。1.網(wǎng)絡適配器及其功能（1）它工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。（2）它有一個全球唯一的編碼，用于作為計算機的物理地址——MAC地址，為二層尋址提供依據(jù)。（3）數(shù)據(jù)緩沖。（4）格式轉換。（5）進行鏈路管理，監(jiān)聽鏈路上是否有信號沖突。2.網(wǎng)卡的基本構造網(wǎng)卡包括硬件和固件程序（只讀存儲器中的程序）。1）網(wǎng)卡硬件（1）網(wǎng)卡的控制芯片。網(wǎng)卡的控制芯片是網(wǎng)卡的CPU，用于控制整個網(wǎng)卡的工作，負責數(shù)據(jù)的的傳送和連接時的信號偵測。（2）晶體震蕩器。負責產(chǎn)生網(wǎng)卡所有芯片的運算時鐘。通常網(wǎng)卡是使用20或25hz的晶體震蕩器。千兆網(wǎng)卡使用62.5MHz或者125MHz晶振。（3）調(diào)控元件。用來發(fā)送和接收中斷請求IRQ,指揮數(shù)據(jù)的正常流動。（4）網(wǎng)絡接頭，用于連接網(wǎng)絡。在用雙絞線作為傳輸媒介時，基本采用RJ-45接頭；用細同軸電纜作為傳輸媒介（時，采用BNC接頭。（5）信號指示燈。通常有兩個信號：TX代表正在送出數(shù)據(jù)，RX代表正在接收數(shù)據(jù)。通過不同的燈光變換來表示網(wǎng)絡是否導通。2）固件程序固件程序?qū)崿F(xiàn)邏輯鏈路控制和媒體訪問控制的功能，還記錄MAC地址。3）其他（1）緩存和收發(fā)器（transceiver）。（2）BOOTROM，即就是啟動芯片等，3.網(wǎng)卡的種類1．按總線類別劃分網(wǎng)卡是通過插在計算機總線擴展槽內(nèi)實現(xiàn)與計算機連接的，擴展槽有各種總線類型，網(wǎng)卡也隨之有多種類型?！?ISA總線網(wǎng)卡：總線寬度為16位，I/O速度較慢，已被淘汰?！?PCI總線網(wǎng)卡：總線寬度為32位，I/O速度快，通過網(wǎng)卡所帶的兩個指示燈顏色可以初步判斷網(wǎng)卡的工作狀態(tài)，是目前主流網(wǎng)卡，市場上較多見。圖1.11所示為一種典型的PCI總線網(wǎng)卡?！?PCMCIA總線網(wǎng)卡：這種網(wǎng)卡是筆記本專用網(wǎng)卡?！?USB接口網(wǎng)卡：這是一種新型的總線網(wǎng)卡。2．按網(wǎng)絡接口分類● RJ45接口網(wǎng)卡：連接雙絞線的?！?BNC接口網(wǎng)卡：連接細同軸電纜的。● AUI接口網(wǎng)卡：連接粗同軸電纜的?！?FDDI接口網(wǎng)卡：用于FDDI網(wǎng)絡的，市場上很少見?！?ATM接口網(wǎng)卡：應用于ATM網(wǎng)絡中的。3．按帶寬分類● 10Mbit/s網(wǎng)卡：用于標準以太網(wǎng)，主要是ISA總線。● 100Mbit/s網(wǎng)卡：用于快速以太網(wǎng)，是目前的主流產(chǎn)品之一?！?10/100Mbit/s自適應網(wǎng)卡：能在兩種速率上自動適應的網(wǎng)卡，是目前的主流產(chǎn)品之一?！?1000Mbit/s網(wǎng)卡：用于吉比特以太網(wǎng)中，能夠提供1Gbit/s帶寬，它的接口主要有RJ-45和光纖接口。2.4.2中繼器與集線器1.中繼器中繼器是最簡單的網(wǎng)絡互聯(lián)設備。所以使用中繼器，是因為傳輸線路上總會存在損耗，這些損耗會引起線路上傳輸?shù)男盘柟β仕p，引起信號的失真，并且這些衰減會隨著線路的長度增加而增減，是失真越來越嚴重；當衰減到一定程度時接收錯誤。因此，當有比特流傳送到中繼器時，中繼器只對所傳送來的信號波形還原、再生，對衰減信號進行放大，然后轉發(fā)到其他的端口，并不對比特流的內(nèi)容進行分析，目的僅僅是擴展網(wǎng)段的長度，擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。此外，使用中繼器后，當某一網(wǎng)段出現(xiàn)故障時，不會影響其他網(wǎng)段，提高了網(wǎng)路的可靠性。并且，還允許不同網(wǎng)段使用不同的通信帶寬，在一定程度上提高了網(wǎng)絡的靈活性。2.集線器HUB是一個多端口的轉發(fā)器，它雖然也具有中繼器的信號整形、再生、放大功能，但主要目的不是用來擴展網(wǎng)段長度，而是用來連接多個設備或網(wǎng)段。其特點是，當連接了多臺設備或網(wǎng)段后，該集線器就被這些設備或網(wǎng)段共享。這樣的一種連接，會帶來如下結果：（1）某一設備或網(wǎng)段發(fā)生故障，不會影響其他端口所連接點設備和網(wǎng)段。（2）設備的接入或退出比較靈活、方便。（3）集線器會把收到的來自某一端口或上層的任何信號，經(jīng)過再生或放大后，將廣播轉發(fā)給其他所有端口，形成了一種廣播發(fā)送。這種廣播信號，往往會被竊聽。（4）所有端口共享上行帶寬方式，使每個端口的帶寬降低，例如，若兩個設備共享10Mbps的集線器，每個設備就只有5Mbps的帶寬；若連接了10個設備，每個設備就只有1Mbps的帶寬了。這更增加了網(wǎng)絡塞車風險，降低了網(wǎng)絡執(zhí)行效率。（5）共享式網(wǎng)絡是一種無管理疏導的無序工作狀態(tài)，每個客戶端都會盡可能的搶占通信通道，所以幾個客戶端一起搶占通道時就形成網(wǎng)絡堵塞的局面，當數(shù)據(jù)和用戶數(shù)量超出一定的限量時，就會造成網(wǎng)絡性能的嚴重衰退。所以連接的端口數(shù)目越多，就越容易造成沖突。依據(jù)實訓經(jīng)驗，一個10Mbit/s集線器所管理的計算機數(shù)不宜超過15個，100Mbit/s的不宜超過25個。

（6）集線器的同一時刻每一個端口只能進行一個方向的數(shù)據(jù)通信，無法進行雙工傳輸，最多只能進行半雙工通信，網(wǎng)絡執(zhí)行效率低，不能滿足較大型網(wǎng)絡通信需求。2.4.3交換機1．交換機的功能交換機是交換網(wǎng)的交通樞紐，其作用是接收數(shù)據(jù)，然后有選擇地將數(shù)據(jù)轉發(fā)出去，實現(xiàn)交換網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流控制。進一步說，它的功能包括以下幾個方面。（1）“有目的地”地轉發(fā)數(shù)據(jù)。當有比特流送到交換機端口時，交換機就先接收保存在緩沖區(qū)內(nèi)，并由數(shù)據(jù)鏈路層對幀頭進行分析，并按照幀頭中的目的地址將該幀裝發(fā)到可以到達目的地址的端口。（2）分隔沖突域。所有共享同一傳輸介質(zhì)的站點屬于同一沖突域。對于交換機來說，同一端口連接的站點屬于同一沖突域，不同端口連接的站點屬于不同的沖突域。與集線器相比，交換機可以分隔沖突域，減少沖突。在每個端口只有一個站點的極限情況下，就可以完全避免沖突。（3）流量控制。給不同的端口分配帶寬，延緩數(shù)據(jù)的傳輸能力。例如，可以給某些端口分配帶寬為100Mbit/s，同時給另一些端口分配帶寬為10Mbit/s，