計算機軟件及應用第2章-網絡通信基礎

第2章網絡通信基礎

主編：袁宗福機械工業(yè)出版社8/16/20241第2章網絡通信基礎計算機網絡本章內容2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.2信息編碼技術2.3數(shù)據(jù)傳輸和通信方式2.4傳輸媒體2.5多路復用技術2.6數(shù)據(jù)交換技術2.7差錯控制

8/16/20242第2章網絡通信基礎計算機網絡2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念通信是把信息從一個地方傳送到另一個地方的過程，用來實現(xiàn)通信過程的系統(tǒng)被稱為通信系統(tǒng)。8/16/20243第2章網絡通信基礎計算機網絡2.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)凡是將計算機或終端與數(shù)據(jù)傳輸線路連接起來，達到傳輸、收集、分配和處理數(shù)據(jù)目的的系統(tǒng)，稱為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫文件ABDTEDTEDCEDCE本地連接本地連接表示邏輯通信表示物理通信APA1APA2APB1APB2數(shù)據(jù)庫通信信道文件圖2-1

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的一般結構8/16/20244第2章網絡通信基礎計算機網絡2.1.2數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)被定義為有意義的實體，數(shù)據(jù)涉及到事物的表示形式，是信息的裁體。數(shù)據(jù)有模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字數(shù)據(jù)之分。模擬數(shù)據(jù)是指在某個區(qū)間的連續(xù)值，其電平隨時間連續(xù)變化。數(shù)字數(shù)據(jù)在時間上是離散的，在幅值上是經過量化的，即數(shù)字數(shù)據(jù)是指離散的值，它一般是由0、1的二進制代碼組成的數(shù)字序列，如文本信息和整數(shù)。8/16/20245第2章網絡通信基礎計算機網絡信息信息是對數(shù)據(jù)的解釋，數(shù)據(jù)只有經過處理并經過解釋才有意義，才能成為信息。信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像。計算機產生的信息一般是字母、數(shù)字、符號的組合。8/16/20246第2章網絡通信基礎計算機網絡2.1.3信號信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電信號的表示形式，或稱數(shù)據(jù)的電磁或電子編碼。它分為模擬信號和數(shù)字信號兩種。模擬信號是在一定的數(shù)值范圍內可以連續(xù)取值的信號，是一種連續(xù)變化的電信號，這種電信號可以按照不同頻率在各種介質上傳輸。數(shù)字信號是一種離散的脈沖序列，如數(shù)字儀表的測量結果、數(shù)字計算機的輸出，這種脈沖序列可以按照不同的速率在介質上傳輸。8/16/20247第2章網絡通信基礎計算機網絡2.2信息編碼技術

信息在網絡中傳遞時，根據(jù)不同的信道可以采用模擬信號傳遞信息，也可以采用數(shù)字信號來傳遞信息。無論哪種信號，為了正確地傳輸數(shù)據(jù)，都要對原始的數(shù)據(jù)進行編碼后才能送到信道上傳輸。例如，將數(shù)字信號經過調制變換為模擬信號，計算機中的二進制數(shù)據(jù)經過調制可以提高信號的抗干擾能力并增加定時功能，在傳輸數(shù)字信號的信道中傳輸多媒體模擬信號時，要將模擬信號編碼為數(shù)字信號。8/16/20248第2章網絡通信基礎計算機網絡2.2.1數(shù)字調制技術公共電話線一般為傳輸模擬信號而設計的，為了利用現(xiàn)有的電話網進行數(shù)據(jù)傳輸，首先需要將數(shù)字信號轉換為模擬信號。方法是：用要傳送的數(shù)字信號改變載波的幅度（調幅載波）、頻率（調頻載波）或相位（調相載波），然后使之在信道上傳送，到達接收點后再將數(shù)字信號從載波上取出。8/16/20249第2章網絡通信基礎計算機網絡（1）調幅按照數(shù)字信號的值改變載波的幅度。當載波存在（具有一定的幅度），表示數(shù)字信號的“1”，而載波不存在（幅度為0），則表示數(shù)字信號的“0”。8/16/202410第2章網絡通信基礎計算機網絡（2）調頻按照數(shù)字信號的值去改變載波的頻率。當載波頻率為高頻時，表示數(shù)字信號的“1”，而載波頻率為低頻時，則表示數(shù)字信號的“0”。8/16/202411第2章網絡通信基礎計算機網絡（3）調相按照數(shù)字信號的值去改變載波的相位。當載波信號和前面的信號同相（即不產生相移）時，代表數(shù)字信號“0”，而載波信號和前面的信號反相（有1800相移）時，則代表數(shù)字信號“1”。8/16/202412第2章網絡通信基礎計算機網絡2.2.2二進制數(shù)據(jù)編碼技術非歸零編碼非歸零編碼（NRZ）是一種最簡單效率最高的數(shù)字編碼，如圖2-3a所示。它用負電平代表“0”，正電平代表“1”，這種方案稱為雙極性非歸零編碼。若用0電平代表“0”，正電平代表“1”則稱為單極性非歸零編碼。NRZ編碼的缺點是發(fā)送和接收方不能保持同步。8/16/202413第2章網絡通信基礎計算機網絡曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding），也叫做相位編碼（PE），常用于局域網傳輸。在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號－起到發(fā)送和接收方保持同步的時鐘信號。，又作數(shù)據(jù)信號。8/16/202414第2章網絡通信基礎計算機網絡差分曼徹斯特編碼它的特點是每一位二進制信號的中間的跳變僅作為時鐘，而不代表二進制數(shù)據(jù)的取值，二進制數(shù)據(jù)的取值是由每一位開始的邊界處是否有跳變來決定。一位數(shù)字信號的起始位置存在跳變代表“0”，而無跳變則代表“1”。優(yōu)點是帶有同步時鐘和良好的抗噪聲特性，因而在局域網中被廣泛使用。8/16/202415第2章網絡通信基礎計算機網絡2.2.3模擬信號的數(shù)字編碼技術

將模擬數(shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號的最常見的例子是脈沖代碼調制PCM。采樣每隔固定的時間間隔，采集模擬數(shù)據(jù)的瞬時值作為樣本。量化量化是決定樣本屬于哪個量級，并將其幅值按量化級取整。量化之前要規(guī)定將信號分為若干個量化級。8/16/202416第2章網絡通信基礎計算機網絡編碼

編碼是用相應位數(shù)的二進制碼表示已經量化的采樣樣本的級別。經過編碼后，每個樣本就由相應的編碼脈沖表示，亦即將相應于樣本的編碼脈沖發(fā)送到信道上。8/16/202417第2章網絡通信基礎計算機網絡2.3數(shù)據(jù)傳輸和通信方式四種數(shù)據(jù)傳輸形式:

模擬信號傳輸模擬數(shù)據(jù)模擬信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號傳輸模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)。8/16/202418第2章網絡通信基礎計算機網絡基帶傳輸使用數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)時，終端設備把數(shù)字信號轉換成脈沖電信號時，這個原始的電信號所固有的頻帶，稱為基本頻帶，簡稱基帶。在信道中直接傳送基帶信號時，稱為基帶傳輸。基帶傳輸時，媒體的整個帶寬被基帶信號占用，可以雙向地傳輸信息?；鶐鬏斚到y(tǒng)的優(yōu)點安裝簡單、成本低，但傳輸距離較短。在傳輸數(shù)字信號時要對信號進行編碼。8/16/202419第2章網絡通信基礎計算機網絡頻帶傳輸采用模擬信號傳輸數(shù)據(jù)時，往往只占有有限的頻譜，對應基帶傳輸將其稱為頻帶傳輸。頻帶傳輸也稱寬帶傳輸，并且只能單方向的傳輸信息。寬帶傳輸常采用同軸電纜或光纖作為傳輸媒體，可使用頻分復用調制技術同時發(fā)送多種模擬信號。頻帶傳輸?shù)膬?yōu)點是傳輸距離遠，可達幾十千米，并且可同時提供多個信道。8/16/202420第2章網絡通信基礎計算機網絡線路通信方式線路通信方式有三種基本的形式：單工通信半雙工通信全雙工通信8/16/202421第2章網絡通信基礎計算機網絡單工通信這種通信方式的數(shù)據(jù)信息只能按照一個固定的方向傳送，即決定了通信雙方的一端是發(fā)送端，而另一端只能是接受端。例如，顯示終端只能接受計算機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，而不能向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保證電信號的正確傳送，需要一對線路，其中一條線路作為反向的應答和控制的監(jiān)控信道

8/16/202422第2章網絡通信基礎計算機網絡半雙工通信半雙工通信方式是指可以交替改變方向的數(shù)據(jù)傳送，但在某一時刻，只允許一個方向的數(shù)據(jù)流動。通信的雙方都有發(fā)送和接收裝置，但它們不能同時進行發(fā)送和接收。半雙工通信也采用一個信道（2線）。8/16/202423第2章網絡通信基礎計算機網絡全雙工通信這是一種在任意時刻都可進行雙向傳送的通信方式，相當于將兩個方向的單工通信組合起來，要求收發(fā)裝置都具有獨立的收發(fā)能力。為此它需要兩個信道予以支持，即使用四線連接。8/16/202424第2章網絡通信基礎計算機網絡計算機網絡通信中的兩種通信方式：并行通信：用于計算機內部各部件之間或近距離設備的傳輸數(shù)據(jù)。串行通信：用于計算機之間的通信，須考慮通信的方向以及通信過程中的同步。8/16/202425第2章網絡通信基礎計算機網絡計算機和外部設備之間的并行通信一般通過計算機的并行端口（LPT），串行通信通過串行端口（COM）。普通微機支持4個以上的COM端口和3個以上的LPT端口，但一般只有2個COM端口和1個LPT端口有效。8/16/202426第2章網絡通信基礎計算機網絡在并行通信中，一般有8個數(shù)據(jù)位同時在兩臺設備之間傳輸，發(fā)送端和接收端有8條數(shù)據(jù)線相連，發(fā)送端同時發(fā)送8個數(shù)據(jù)位，接收端同時接收8個數(shù)據(jù)位。在串行通信中，收發(fā)端一次只能發(fā)送或接收1個數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)位依次串行地通過通信線路。8/16/202427第2章網絡通信基礎計算機網絡由于在計算機內部總線上傳輸?shù)氖遣⑿袛?shù)據(jù)，要和外部設備進行串行通信，在發(fā)送端需要將并行數(shù)據(jù)轉換成串行數(shù)據(jù)，在接收端則將串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)。在計算機內的串行通信適配器負責進行串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)之間的轉換。在計算機局域網中，計算機之間也進行串行通信，網卡負責進行串行數(shù)據(jù)和并行數(shù)據(jù)的轉換。8/16/202428第2章網絡通信基礎計算機網絡數(shù)據(jù)傳輸方式要做到通信雙方的步調一致，必須解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的同步問題。常見的數(shù)據(jù)傳輸方式有異步傳輸和同步傳輸。8/16/202429第2章網絡通信基礎計算機網絡同步傳輸同步傳輸方式的信息格式是在一組字符或一個二進制位組成的數(shù)據(jù)塊的前后加上同步字符。通信雙方事先應約定同步字符的代碼及同步字符的個數(shù)，在接收方一旦接收到同步字符，就開始接收數(shù)據(jù)。同步方式下，發(fā)送方除了發(fā)送數(shù)據(jù)，使用同步字符開始接收數(shù)據(jù)外，還要傳輸同步時鐘信號，信息傳輸?shù)碾p方用同一個時鐘信號確定傳輸過程中每1位的位置。同步通信方式效率高，速度快，但如果數(shù)據(jù)中有一位錯，就必須重新傳輸整塊數(shù)據(jù)，且控制比較復雜。8/16/202430第2章網絡通信基礎計算機網絡異步通信在發(fā)送的每一個字符代碼的前面加一位為“0”的起始位，表示字符代碼的開始，后面加停止位“1”，以示該字符代碼的結束。接收方根據(jù)“1”到“0”的跳變來判斷一個新字符的開始，從而起到通信線路兩端的同步作用。為了能檢測字符傳輸?shù)恼_性，可在字符代碼后加一位奇偶校驗位。異步傳輸方式時如果出錯，只需重發(fā)一個字符，故控制簡單。但由于起始位和校驗位占了一定的開銷，所以效率低8/16/202431第2章網絡通信基礎計算機網絡數(shù)據(jù)通信的主要技術指標數(shù)據(jù)速率：指每秒鐘傳送的信息量，單位為bit/s，記為bps信道帶寬：指信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占據(jù)的頻率范圍，通常也被稱為信道的頻帶。信道容量：表征一個信道傳輸數(shù)字信號的能力，用信道中可以傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)率作為指標。當傳輸?shù)男盘査俾食^信道的最大信號速率時，就會產生失真。常用信道帶寬來表示信道容量。出錯率：衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或信道傳輸可靠性的一個指標。有誤碼率、誤bit率、誤字符率、誤組率等。8/16/202432第2章網絡通信基礎計算機網絡數(shù)據(jù)通信的主要技術指標延遲：對信道而言，延遲用來表示網絡中相距最遠的兩個站之間的傳播時間；對于網絡上的某一站點來講，延遲表示從接收信息到將該信息再轉發(fā)出去的時延。吞吐量：在數(shù)值上表示網絡或交換設備在單位時間內成功傳輸或交換的總信息量，單位為bps。8/16/202433第2章網絡通信基礎計算機網絡2.4傳輸媒體

1.雙絞線－－TwistedPair在局域網中一般也采用雙絞線電纜作為傳輸媒體。雙絞線電纜則由一對或多對雙絞線組成，當前網絡中使用的是4對的雙絞線。雙絞線電纜是模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)通信最普通的傳輸媒體，1類線和2類線主要是為話音和低速傳輸，3類以上雙絞線可以在網絡中使用。當前主要使用5類和6類雙絞線。8/16/202434第2章網絡通信基礎計算機網絡2.同軸電纜－－CoaxialCable常用同軸電纜有：粗纜、細纜、CATV同軸電纜等。同軸電纜由內導體（單芯銅導線）和外導體（編織網狀導體）。外導體的作用是屏蔽電磁干擾和輻射，兩導體之間用絕緣材料隔離，這種結構使同軸電纜具有高帶寬和較好的抗干擾特性。8/16/202435第2章網絡通信基礎計算機網絡3.光導纖維電纜－－FiberOptics光纖可分為多模光纖和單模光纖兩種。光導纖維電纜（簡稱光纜）由一束光導纖維組成，它的外面包一層折射率較低的材料，當光束進入芯線后，在芯線邊緣產生全反射，使光束曲折前進。模光纖采用發(fā)光二極管產生熒光作為光源，定向性較差。單模光纖采用注入式激光二極管作為光源，激光的定向性強。光纜的優(yōu)點是信號的損耗小、頻帶寬、傳輸率高，并且不受外界電磁干擾；保密性能好。光纜主要用于長距離的數(shù)據(jù)傳輸和網絡的主干線。8/16/202436第2章網絡通信基礎計算機網絡4.無線電傳輸媒體主要有：微波通信、激光通信、紅外線通信。微波通信廣泛應用于電報、電話和電視的傳播。微波是沿直線傳輸。激光通信的優(yōu)點是帶寬更高、方向性好、不受氣候和環(huán)境的影響、保密性能好。激光通信多使用于短距離的傳輸。紅外線通信技術多用于遙控裝置的通信。8/16/202437第2章網絡通信基礎計算機網絡2.5多路復用技術利用傳輸線路，采用各種技術在一條物理信道上同時傳輸多路信號的技術稱為多路復用技術。多路復用技術有：頻分多路復用技術、時分多路復用技術、碼分多路復用、波分多路復用技術等。8/16/202438第2章網絡通信基礎計算機網絡頻分多路復用一般傳輸媒體的可用帶寬超過了信號所需要的帶寬。頻分多路復用（FDM）利用了傳輸媒體的這種特性，將傳輸媒體的帶寬劃分為若干條占有較小帶寬的子信道，對要傳輸?shù)拿恳宦沸盘栆圆煌妮d波頻率進行調制，使各個載波的頻率完全獨立，即各路信號的帶寬互不重疊。再將經過調制的各路信號送到相應的子信道上，從而使得在一條通信線路上傳輸多路信號。8/16/202439第2章網絡通信基礎計算機網絡時分多路復用時分多路復用（TDM）是把時間化分成若干個時間片（時隙），每個用戶輪流分得一時間片，在其占用的時間片內，該用戶可使用信道的全部帶寬。各子通道被每個用戶輪流占用，在接收端的復用器可根據(jù)子通道序號判斷是哪一路信號，再送到相應的目的地。

對于傳輸媒體的信道容量超過傳輸數(shù)字信號所需的數(shù)據(jù)傳輸率時，使用TDM技術既可以滿足用戶的傳輸要求又可以實現(xiàn)多路復用。同步時分多路復用是指劃分給用戶的時間片是預先分配好固定不變的，統(tǒng)計時分多路復用（也稱為異步TDM）允許動態(tài)地分配時間片。8/16/202440第2章網絡通信基礎計算機網絡碼分多路復用是一種共享信道的方法，每個用戶可在同一時間使用同樣的頻帶進行通信，但使用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個用戶分配一個地址碼，各個碼型互不重疊，通信各方之間不會相互干擾，且抗干擾能力強。主要用于無線通信系統(tǒng)，特別是移動通信系統(tǒng)。它不僅可以提高通信的話音質量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皽p少干擾對通信的影響，而且增加了通信系統(tǒng)的容量。8/16/202441第2章網絡通信基礎計算機網絡波分多路復用波分多路復用利用了光具有不同的波長的特征。波分多路復用技術將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個不同波長的光信號分開。這種技術可以同時在一根光纖上傳輸多路信號，每一路信號都由某種特定波長的光來傳送，這就是一個波長信道。原理：利用波分復用設備將不同信道的信號調制成不同波長的光，并復用到光纖信道上。在接收方，采用波分設備分離不同波長的光。8/16/202442第2章網絡通信基礎計算機網絡2.6數(shù)據(jù)交換技術通過中間結點轉發(fā)信息的技術。通常有三種交換方式：線路交換、報文交換和報文分組交換。8/16/202443第2章網絡通信基礎計算機網絡線路交換在信息交換時，通信雙方之間由一系列線路組成一條專用的物理鏈路。特點：在傳輸數(shù)據(jù)時通信雙方之間有一個實際的物理連接，這種連接是由若干個結點間的一系列線路來實現(xiàn)的；在建立連接時需要一定的時間，而一旦建立連接后，傳輸數(shù)據(jù)不再有傳輸延遲。線路交換方式適合于傳輸實時和大量的數(shù)據(jù)。線路交換方式的通信過程包括三個基本步驟，即建立線路、傳輸數(shù)據(jù)和拆除線路。8/16/202444第2章網絡通信基礎計算機網絡報文交換報文（Message）交換是與線路交換完全不同的一種數(shù)據(jù)交換方式，它不要求在通信雙方之間建立專用線路，而是將等待發(fā)送的信息組織成一個個帶有地址和一些控制信息的數(shù)據(jù)包－報文，將這些報文送到網絡上，通過中間結點（也稱交換結點）的傳遞，直至到達目的地。報文交換采用存儲轉發(fā)原理進行數(shù)據(jù)的交換。優(yōu)點：通信時不需要建立專用的線路，另外報文在傳輸時可分時共享一條結點到結點的鏈路，從而提高了線路的利用率。缺點：不能進行實時和交互式的通信，報文體積不能確定。8/16/202445第2章網絡通信基礎計算機網絡報文分組交換報文分組交換方式是將大的報文分成較小的數(shù)據(jù)單位，作為獨立的存儲轉發(fā)的數(shù)據(jù)單位，稱其為報文分組（Packet，簡稱分組）。在傳輸信息之前，發(fā)送端將傳輸?shù)膱笪姆纸鉃槿舾蓚€報文分組，加上分組編號、地址和控制信息，然后將這些分組送到網絡上傳輸?shù)侥康牡?，在接收端再將接收到的分組按照原來的順序進行排序，重新組裝成原來完整的報文。優(yōu)點：在交換結點無需大的存儲器；當一個分組在傳遞過程中出錯時，只重發(fā)此分組；缺點：打包以及在目的結點重新組裝報文所用的時間會增加傳輸延遲；編號、地址等控制信息增加了傳輸?shù)拈_銷。8/16/202446第2章網絡通信基礎計算機網絡2.7差錯控制信息由于傳輸媒體內部電子熱運動產生的熱噪聲而引起隨機性的錯誤；外界電磁干擾也會引起突發(fā)性的錯誤。為了改善通信線路的傳輸質量，提高抗干擾能力，降低誤碼率，采取措施：

1）在建網時應盡量選擇性能好的傳輸設備和媒體。

2）采取有效地措施來發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤。差錯控制采用的方法：奇偶校驗、循環(huán)冗余碼校驗8/16/202447第2章網絡通信基礎計算機網絡奇偶校驗此方法是在數(shù)據(jù)塊末尾加一位奇偶校驗位（冗余位），使該數(shù)據(jù)塊連同冗余位中“1”的個數(shù)為偶數(shù)（偶校驗）或奇數(shù)（奇校驗）。在接收端收到帶有冗余位的數(shù)據(jù)塊后，檢查“1”的個數(shù)若符合奇校驗或偶校驗的規(guī)律，則認為傳輸正確。（垂直奇偶校驗）8/16/202448第2章網絡通信基礎計算機網絡水平奇偶校驗：將若干字符組成一個信息塊，對這個信息塊中所有字符對應的位（即水平方向對應的位）進行奇偶校驗。這種校驗方案可以查出長度小于字符寬度的突發(fā)性錯誤位數(shù)。

水平垂直奇偶校驗：將水平校驗和垂直校驗結合起來，形成行為n位，列為k個字符的矩陣。8/16/202449第2章網絡通信基礎計算機網絡循環(huán)冗余碼（CRC）校驗基本思想：把要發(fā)送的有效數(shù)據(jù)（信息bit流）在發(fā)送時按照所使用的某種差錯校驗規(guī)則加上冗余碼元序列。當信息到達接收端后，再按照所使用的差錯校驗規(guī)則來檢驗收到的信息和發(fā)送前是否完全相同，若相同則說明傳輸無誤，否則，將按照所制定的策略（如重發(fā)信息等）來糾正傳輸中產生的錯誤。8/16/202450第2章網絡通信基礎計算機網絡CRC的檢錯原理：把要傳送的數(shù)據(jù)位串看成是一多項式M(x)的系數(shù)，并在發(fā)送之前被一個預先選取的生成多項式G(x)去除，求得一余數(shù)多項式－－CRC冗余碼，從多項式中減去（異或運算）此余數(shù)，得到能被G(x)除盡的編碼信息多項式T(x)。將編碼信息多項式T(x)的系數(shù)組成數(shù)據(jù)位串進行發(fā)送。在接