2网络与通信基础4课件

现场总线技术主讲：邓耀华主讲：邓耀华 博士博士单位：信息工程学院测控系单位：信息工程学院测控系Email：研究室：工学一号馆研究室：工学一号馆703第2章 数据通信基础与网络互联n2.1 数据通信基础n2.2 通信系统简介n2.3 网络硬件传输介质n2.4 通信参考模型n2.5 差错控制 企业网络体系结构2.1 数据通信基础2.1.1 2.1.1 基本概念基本概念1.1.总线的基本术语总线的基本术语（1）总线与总线段(bus segment)。n从广义说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。n一组设备通过总线连在一起称为“总线段”。n 可以通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网络系统。（2）总线主设备 可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”(bus master)，又称命令者。（3）总线从主设备 不能在总线上主动发起通信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。在总线上可能有多个主设备，某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。（4 4）控制信号（三种类型）控制信号（三种类型）（a）控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。（b）用于改变总线操作的方式，如改变数据流方向，选择数据字段的宽度和字节等。（c）表明地址和数据的含义，对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现广播操作；对于数据，可用于指定能否转译成辅助地址或命令。（5 5）总线协议）总线协议 管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”(bus protocol)。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。2.1.2 2.1.2 总线操作的基本内容总线操作的基本内容（1 1）总线操作）总线操作 总线上命令者与响应者之间的连结数据传送脱开这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。“脱开”(disconnect)是指完成数据传送操作以后，命令者断开与响应者的连接。（2 2）总线传送）总线传送 “读”(read)数据操作是读来自响应者的数据；“写”(write)数据操作是向响应者写数据。读写操作都需要在命令者和响应者之间传递数据。（3 3）请求通信）请求通信 通信请求是由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务。它们有可能要求传送数据，也有可能要求完成某种动作。（4 4）寻址）寻址 寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。通常有以下三种寻址方式:（a）物理寻址 用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。（b）逻辑寻址 用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。（c）广播寻址 广播寻址用于选择多个响应者。（5 5）总线仲裁）总线仲裁 传送信息过程可能“冲突”(contention)。为解决冲突，总线占有权需进行“仲裁”（arbitration)。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。总线仲裁和数据传送是完全分开且并行工作，因此总线占有权的交接过程不会耽误总线操作。（6 6）总线定时）总线定时 总线操作用“定时”(timing)信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。定时信号有异步和同步两种。（7 7）出错检测）出错检测 总线传送信息时会因噪声和干扰而出错，在高性能的总线中设有出错码产生和校验机构。（8 8）容错）容错 设备在总线上传送信息出错时，如何减少故障对系统的影响，提高系统的重配置能力是十分重要的。总线系统应能支持软件利用一些新技术，如动态重新分配地址，把故障隔离开来，关闭或更换故障单元。第2章 数据通信基础与网络互联n2.1 数据通信基础n2.2 通信系统简介n2.3 网络硬件传输介质n2.4 通信参考模型n2.5 差错控制2.2 2.2 通信系统简介通信系统简介2.2.1 2.2.1 通信系统的组成通信系统的组成 通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由信息源、传输媒介几部分组成信息接收者，发送、接收设备。1.1.信息源和接收者信息源和接收者n信息源和接收者是信息的产生者和使用者。n数字通信系统传输的信息是数字化的数据，可能是原始数据，也可能经计算机处理或是某些指令或标志。n信息源分类：n模拟信号：模拟传输调制（频分复用FDM）n PCMn数字信号：数字传输 数字数据编码，基带 模拟数据编码，载波（TDM、FDM、CDM、）2.发送设备n基本功能:将信息源和传输媒介匹配，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。n信源编码：把连续消息变换为数字信号;n信道编码：使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。n特殊处理:发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。3.传输介质n传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传输介质。n介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。4.接收设备n接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。n以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。1、通信系统性能指标n传输速率 T传输代码最小单位，n为信道有效状态 n信道容量 W带宽，L信号所含比特数n误码率 分别为传错码元数和传输码元总数n信噪比 信号功率与噪声功率之比2.2.2 通信原理通信原理2 2、信号的传输方式信号的传输方式详解详解 （1 1）单工、半双工）单工、半双工/全双工传输全双工传输 单单工工方方式式单单工工是是指指信信号号在在任任何何时时间间内内只只能能沿沿信信道道的的一一个个方方向向传传输输，不不允允许许改改变变方方向向。采采用用这这种种通通信信方方式式时，信源只允许发送信息，而信宿只能接收数据。时，信源只允许发送信息，而信宿只能接收数据。半半双双工工方方式式半半双双工工是是指指信信号号在在信信道道中中可可以以双双向向传传输输，但两个方向只能交替进行，而不能同时进行。但两个方向只能交替进行，而不能同时进行。全全双双工工方方式式全全双双工工方方式式允允许许通通信信的的双双方方在在任任何何一一个个时时刻刻，均均可可同同时时在在两两个个方方向向传传输输数数据据信信号号。也也就就是是说说，通通信信双双方方在在发发送送数数据据信信息息的的同同时时仍仍可可以以接接收收对对方方发发送送来的信息。来的信息。（2 2）并行）并行/串行传输串行传输 并行传输并行传输并行传输指的是数据以成组的方式并行传输指的是数据以成组的方式在多条并行信道上同时进行传输，每位单独使用一条线在多条并行信道上同时进行传输，每位单独使用一条线路。路。串行传输串行传输串行传输指的是数据按照顺序一位一位地串行传输指的是数据按照顺序一位一位地在通信设备之间的一条通信信道上传输。在通信设备之间的一条通信信道上传输。（3 3）同步）同步/异步传输异步传输 为了保证发送端的信号能够被接收端准确无误地接收，接收端必须与为了保证发送端的信号能够被接收端准确无误地接收，接收端必须与发送端同步。发送端同步。所谓所谓同步同步就是要求通信的发送端和接收端在时间基准上保持一致。就是要求通信的发送端和接收端在时间基准上保持一致。也也就是说接收端不但要知道一组二进制位的开始与结束，还要知道每位二就是说接收端不但要知道一组二进制位的开始与结束，还要知道每位二进制持续的时间，这样才能做到用适当的采样频率采样所收到的数据。进制持续的时间，这样才能做到用适当的采样频率采样所收到的数据。异步传输异步传输 在在异异步步传传输输方方式式中中，数数据据传传输输是是以以字字符符为为单单位位，即即每每个个字字符符作作为为一一个个独立的整体进行发送，字符与字符之间的间隔可以是任意的。独立的整体进行发送，字符与字符之间的间隔可以是任意的。实实现现方方法法是是：当当没没有有数数据据发发送送时时，传传输输线线路路处处于于空空闲闲状状态态，线线路路信信号号电电平平与与二二进进制制“1”对对应应的的电电平平相相同同。当当发发送送端端发发送送字字符符时时，为为了了通通知知接接收收端端准准备备接接收收数数据据，在在要要发发送送的的字字符符前前加加上上一一个个起起始始位位，起起始始位位的的长长度度为为1bit，其信号电平与二进制，其信号电平与二进制“0”对应的电平相同。对应的电平相同。接接收收端端通通过过检检测测信信号号电电平平发发生生的的跳跳变变来来判判断断新新数数据据的的到到达达，从从而而与与发发送端取得同步。送端取得同步。为了通知接收端一个字符已经传输结束，在字符代码为了通知接收端一个字符已经传输结束，在字符代码的最后加上的最后加上1 1位、位、1.51.5位或位或2 2位终止位（逻辑位终止位（逻辑“1”1”）。）。异步传输方式简单、易实现，但传输效率较低，开异步传输方式简单、易实现，但传输效率较低，开销较大，这是因为每个字符都要附加起始位和终止位。销较大，这是因为每个字符都要附加起始位和终止位。因此，异步传输常用于低速设备。因此，异步传输常用于低速设备。同步传输同步传输 同步传输是将若干个字符组合起来一起进行传输。这些组同步传输是将若干个字符组合起来一起进行传输。这些组合起来的字符被称为数据帧（简称为帧）。合起来的字符被称为数据帧（简称为帧）。在数据帧的第一部分包含一组同步字符，用于通知接收方一在数据帧的第一部分包含一组同步字符，用于通知接收方一个数据帧已经到达，它同时还能确保接收方的采样速度和比特个数据帧已经到达，它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。数据帧的最后一部分是一个帧结束标记，用于表示在下一帧数据帧的最后一部分是一个帧结束标记，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据。开始之前没有别的即将到达的数据。同步传输的优劣 同步传输以数据帧为单位来传送数据，帧中的字同步传输以数据帧为单位来传送数据，帧中的字符是连续的，字符间无需加入附加位，因此同步传输符是连续的，字符间无需加入附加位，因此同步传输比异步传输效率高，开销也很小。比异步传输效率高，开销也很小。但这种方式的缺点是发送端和接收端的控制复杂，但这种方式的缺点是发送端和接收端的控制复杂，且对线路要求也较高。且对线路要求也较高。（4 4）基带）基带/频带传输频带传输 基带传输基带传输 在数据通信中，由计算机或终端产生的数字信号，其在数据通信中，由计算机或终端产生的数字信号，其频谱从零开始，包括直流、低频和高频等多种成份，这种频谱从零开始，包括直流、低频和高频等多种成份，这种原始的脉冲电信号所固有的频率范围叫基本频带，简称原始的脉冲电信号所固有的频率范围叫基本频带，简称基基带（带（base bandbase band）。在信道中直接传输基带信号就称为在信道中直接传输基带信号就称为基带传输基带传输，基带传，基带传输也称数字传输。它是指把要传输的数据转换为数字信号，输也称数字传输。它是指把要传输的数据转换为数字信号，使用固定的频率在信道上直接传输。使用固定的频率在信道上直接传输。目前大部分计算机局域网，都采用基带传输方式。目前大部分计算机局域网，都采用基带传输方式。由于基带传输是把数字信号按照原样进行传输，不需由于基带传输是把数字信号按照原样进行传输，不需要经过任何调制或解调，因此要经过任何调制或解调，因此所需附属设备少，价格低所需附属设备少，价格低。双绞线、同轴电缆和光纤都可作为基带传输的传输介质。双绞线、同轴电缆和光纤都可作为基带传输的传输介质。基带传输基带传输适合于短距离的数据传输适合于短距离的数据传输。频带传输频带传输 基带信号含有直流和大量的低频成分，往往不能直接通基带信号含有直流和大量的低频成分，往往不能直接通过电话线路这类介质进行传输，因此需要采取措施把数字过电话线路这类介质进行传输，因此需要采取措施把数字信号转换成线路允许传输的频带范围内的模拟信号，才能信号转换成线路允许传输的频带范围内的模拟信号，才能在电话线路上传输，这就形成了频带传输。在电话线路上传输，这就形成了频带传输。频带传输系统的基本构成频带传输系统的基本构成 所谓频带传输就是将基带信号变换（调制）成便于在模所谓频带传输就是将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输，在接收带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输，在接收端，进行相反变换（解调），把模拟的调制信号还原为数端，进行相反变换（解调），把模拟的调制信号还原为数字信号。字信号。2.2.2.3 2.3 二进制表示方法二进制表示方法1基带传输中数据的表示方法(1)信息传输有平衡传输和非平衡传输。(2)根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。(3)根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。单极性码 双极性码n单极性码:使用正（或负）的电压表示数据;n双极性码:三进制码，1为反转，0为保持零电平;n归零码:码元中间的信号回归到0电平n非归零码:遇1电平翻转，零时不变;n曼彻斯特编码:这种编码每位中间的跳变仅提供时钟定时,而用每位开始时有无跳变表示为0或1,有跳变表示0,无跳变表示1。常用的数据表示方法常用的数据表示方法1)平衡、归零、双极性2)平衡、归零、单极性3)平衡、不归零、单极性4)非平衡、归零、双极性5)非平衡、归零、单极性6)非平衡、不归零、单极性2载带传输中的数据表示方法(1)调幅方式 AM(Amplitude Modulation)又称为幅移键控法 ASK(Amplitude-Shift Keying)(2)调频方式 FM(Frequency Modulation)又称为频移键控法FSK(Frequency-Shift Keying)(3)调相方式 PM(Phase Modulation)又称为相移键控法PSK(Phase-Shift Keying)数据调制方式数据调制方式（a）调幅调幅 （b）调频调频 （c）调相调相2.2.4 数据交换方式数据交换方式数据通信系统中通常采用三种数据交换方式：n 线路交换方式n 报文交换方式n 报文分组交换方式n 报文分组交换方式包含：n 虚电路n 数据报1线路交换方式 两个节点之间建立一条实际物理连接，然后交换数据，数据交换完成后再拆除物理连接。线路交换方式将通信过程分为三个阶段:即线路建立、数据通信和线路拆除阶段。2报文交换方式 报文交换及报文分组交换方式不需事先建立实际物理连接，而是由中间节点的存储转发功能来实现数据交换，又将其称为存储转发方式。3报文分组交换方式n报文分组交换方式交换的基本数据单位是一个报文分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。n报文分组比报文短的多，传输时比较灵活。特别是当传输出错需要重发时，只需重发出错的报文分组，而不必像报文交换方式那样重发整个报文。具体实现有以下方法：(1)虚电路方法 建立过程：发送站“呼叫请求分组”-中间节点-接收站“呼叫接受分组”-发送站。此逻辑信道为“虚电路”。(2)数据报方法 将完整的报文分割成若干个报文分组，不需要建立逻辑连接，直接发送。第2章 数据通信基础与网络互联n2.1 数据通信基础n2.2 通信系统简介n2.3 网络硬件传输介质n2.4 通信参考模型n2.5 差错控制2.3.网铬结构及传输介质网铬结构及传输介质 2.3.1 通信网铬的拓扑结构通信网铬的拓扑结构 分布控制系统拓扑结构较多采用星型、环型和总线型。通信网络的拓扑结构通信网络的拓扑结构(a)星形结构；星形结构；(b)环型结构；环型结构；(c)总线型结总线型结构构 1 1星型结构星型结构 每个节点都连接到中央节点,任何两节点间通信都要经中央节点的开关装置来接通。中央节点构造复杂，发生故障，通信系统瘫痪，可靠性较低，分散控制系统中应用较少。2 2环型结构环型结构 节点通过环形链路组成，环上信息可按确定方向传输。信息到达接收节点时，节点识别信息中目的地址与本机地址相同，就将信息取出，并加确认标记，以便由发送节点清除。3 3总线型结构总线型结构 所有节点共享一条开放传输线路，每次由一个节点发信息，向其两端扩散。该结构网络又称为广播式网络。某节点发信息前，必须保证总线上没有其他信息传输。2.3.2 网络传输介质传输介质是网络中连接收发双方的物理通路,也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线、电力线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。影响网络中数据通信质量的特性物理特性：物理结构的描述;传输特性：允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输 容量、传输的频率范围;连通特性：允许点-点或多点连接地理范围：最大传输距离抗干扰性：防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。相对价格：器件、安装与维护费用。传输介质的特性是选择传输介质的重要依据，它对网络中数据通信的质量影响很大，其主要特性如下：2.3.2 网络的传输介质及特性网络的传输介质及特性 传输介质是传输信息的载体，是网络中位于发送传输介质是传输信息的载体，是网络中位于发送端与接收端之间的物理通路。资源子网中的各节点和端与接收端之间的物理通路。资源子网中的各节点和通信子网中的通信处理机（通信子网中的通信处理机（IMPIMP）之间均需通过传输）之间均需通过传输介质连接。介质连接。网络传输介质的分类 1 有线介质n双绞线屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair)n同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆n光缆 n光纤各种电缆铜线铜线铜线铜线聚氯乙烯聚氯乙烯 套层套层聚氯乙烯聚氯乙烯套层套层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层外导体屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘保护套层绝缘保护套层内导体内导体无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP同轴电缆同轴电缆(1)双绞线n双绞线也称为双扭线，是由根不同颜色的线分成对绞合在一起，成对扭绞的作用是尽可能减少电磁辐射与外部电磁干扰的影响。n双绞线最常见的应用是电话系统，几乎所有的电话都通过双绞线连接到电话局。n双绞线的宽带和传输距离取决于铜线的粗细，导线越粗，其通信距离越远，但价格也越高。n在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。无屏蔽双绞线（UTP）（1）n对UTP来说，各导线并排，没有屏蔽层。UTP电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成，双绞线内是直径1mm左右的铜丝，外面加上绝缘层，各绝缘层的颜色不同，以区别不同的导体。如下图：n(a)Category 3 UTP.（3类无屏蔽双绞线）n(b)Category 5 UTP.（5类无屏蔽双绞线）无屏蔽双绞线（UTP）（2）nUTP易受外部环境干扰，但由于其价格低廉且易于安装使用，所以使用非常广泛。n1991年，美国电子工业协会美国电子工业协会EIA和电信工业协会和电信工业协会TIA联合发布了EIA/TIA568，规定了用于室内的UTP和STP。此标准规定了5个种类的UTP标准。对传送数据来说，常用的是3类线和5类线。n对应于大多数办公楼里使用的话音级电缆，在有限的距离内 3类UTP，经过适当的设计，速率可达10M以上，5类是数字级电缆，现正成为新建大楼的预装设施，速率可达100Mbps。n除了这5类以外，现在有了超5类和6类UTP。屏蔽双绞线STPn为了提高双绞线的抗干扰能力，可以在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织而成的屏蔽层。n但它相对来说要贵一些，并且需要有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。n除了IBM网络产品的安装外，并未普通流行。双绞线的特点双绞线的特点n双绞线的优点：（1）价格便宜。（2）安装容易n缺点：（1）易受电器干扰（2）传输速率不快（约10Mbps）n双绞线电缆一般用于电话及低速数据或短距离通信上。双绞线的主要特性(主要参数)(1)物理特性物理特性 由规则螺旋结构排列的2根或4根绝缘线组成。(2)传输特性传输特性 在一条双绞线上使用频分多路复用技术可以进行多个通道的多路复用。数据传输速率可达9600bit，24条音频通道总的数据传输速率可达230Kbit。(3)连通特性连通特性：用于点-点连接，也可用于多点连接。(4)地地理理范范围围:双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km;用于l0Mbit/s局域网时，与集线器的距离最大为100m。(5)抗干扰性抗干扰性 双绞线的相邻线对线的节距及屏蔽。低频时，其抗干扰与同轴电缆相当。10-100kHz时，抗干扰能力低于同轴电缆。(2)同轴电缆n同轴电缆由绕同一轴线的两个导体组成，它以硬铜线为芯，外裹一层绝缘材料，这层绝缘体外面又被密集的网状导体所环绕，网外又覆盖一个保护性塑料层。同轴电缆的这种结构，使它具有比双绞线更好的抗干扰能力。同轴电缆结构图同轴电缆结构图同轴电缆的分类n同轴电缆按阻抗分有两种，一种是50欧姆电缆，一般以铜网为外导体，用于基本数字信号的传输，主要用于局域以太网，速率一般是10Mbps；n另一种是75欧姆电缆，用于宽带模拟传输，常用于有线电视，频带可达300M450MHz，以铝带为外导体。n宽带系统（75欧姆电缆）由于覆盖的区域广，因此，需要模拟放大器周期性地加强信号。这些放大器仅能单向传输信号，因此，如果计算机间有放大器，则报文分组就不能在计算机间逆向传输。为了解决这个问题，人们已经开发了两种类型的宽带系统：双缆系统和单缆系统。同轴电缆的特点同轴电缆的特点n同轴电缆的优点：（1）较双绞线不易受电器干扰（2）使用寿命较长。n缺点：（1）价格较贵（2）重量较双绞线重。n(1)物理特性：由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外保护层组成。n(2)传输特性：根据通频带，可分为基带和宽带同轴电缆两类：基带同轴电缆（50）一般用于数字数据信号传输。宽带同轴电缆（75）可以使用频分多路复用方法，将一条宽带同轴电缆的频带划分成多条通信信道，使用各种调制方案，支持多路传输。同轴电缆的主要特性（1）n(3)连通特性：支持点-点连接，也支持多点连接。宽带同轴电缆：支持数千台设备连接;基带同轴电缆：支持数百台设备连接。n(4)地理范围：基带同轴电缆最大距离几km内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十km。n(5)抗干扰性：结构-抗干扰能力较强。同轴电缆的主要特性（2）光纤n光纤即为光导纤维的简称。光纤通讯是以光波为载频，以光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤传输时，有光脉冲表示1，没有光脉冲表示为0。n由于可见光的频率（约10的14次方Hz）非常高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。n在发送端有光源，可以采用发光二极管（LED)或半导体激光器（Laser）；在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光缆的主要特性（1）光缆传输性能最好、应用最广泛的一种。n(1)物理特性 光纤是一种直径为50一100m的柔软、能传导光波的介质，由玻璃或塑料制成，高纯度石英玻璃纤维的光纤传输损耗最低。多条光纤组成一束就构成光纤电缆。n(2)传输特性 光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光纤传输分为单模与多模两类。单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度传输。多模光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度传输。单模光纤性能优于多模光纤。n(3)连通特性 通常点-点连接方式，某些实验可采用多点连接方式。n(4)地理范围光纤信号衰减极小，它可以在68km距离内不使用中继器，实现高速率数据传输。光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速度传输中保持低误码率。双绞线典型的误码率在106，基带同轴电缆为107，宽带同轴电缆为109。而光纤误码率可以低于1010。光纤传输的安全性与保密性极好。n(5)抗干扰性抗干扰能力强光缆的主要特性（2）光纤的优点n不受电源线波动、电磁干扰及空气中腐蚀性化学物质的影响。n可提供极宽的频带，功率损失小，无中继传输远。n无串音干扰，保密性好，不易被截取数据。n体积小，重量轻。光纤的缺点n安装分接不易，分路、耦合比较麻烦n故障排除困难n价格较高n质地脆、机械强度低介质比较无线通信方式地面微波接力无线通信方式无线通信方式n红外线通信n激光通信选择传输介质考虑因素n网络拓扑、网络连接方式n网络通信量n系统的可靠性要求n传输的数据类型n网络覆盖的地理范围n节点间的距离2.2.3.3 3.3 介质访问控制方式介质访问控制方式n在总线和环形拓扑中，网上设备共享传输线路。为解决同一时间多个设备同时争用传输介质，需有访问控制方式，协调各设备访问介质的顺序。n介质访问有随机和受控两种，前者各工作站可在任一时刻和地点访问介质；后者各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。两种介质访问方式n 随机访问方式中，常用争用总线技术为CSMA/CD；n 控制访问方式中，常用令牌总线(Token bus)、令牌环(Token ring)，或称之为标记总线、标记环。1.CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)n载波监听：节点随机发送信息，常在网络上争用传输介质。若同一时刻有多个节点向传输线路发送信息，则发生“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送。n载波监听CSMA的控制：方案是先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。如果介质是空闲的，则可以发送。如果介质是忙的，则按某种算法，等待一定间隔后重试。三种CSMA坚持退避算法n1）不坚持CSMA(介质浪费)：1、If 介质是空闲的，then发送；else2、If介质是忙的，then等待一段随机时间，重复1；n2）1-坚持CSMA(访问冲突)：1、If 介质是空闲的，then发送；else2、If介质是忙的，then继续监听，直到介质空闲，立即发送；n3）P-坚持CSMA(折衷！)：1、If 介质是空闲的，then以P概率发送，or以1-P概率延迟一个时间单位（最大传输延迟）重复处理；else2、If介质是忙的，then继续监听，直到介质空闲，重复1；冲突检测 CD由于传输线上不可避免的有传输延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。故每个工作站发送信息之后，还要继续监听线路，判定是否有其他站正与本站同时向传输线发送，一旦发现，便中止当前发送，这就是“冲突检测 Conflict Detection,CD”。CSMA/CD流程 CSMA/CD协议的工作过程通常可以概括为：先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发。CSMA/CD协议特点n在采用CSMA/CD协议的总线LAN中，各节点通过竞争的方法强占对媒体的访问权利，出现冲突后，必须延迟重发。因此，节点从准备发送数据到成功发送数据的时间是不能确定的，它不适合传输对时延要求较高的实时性数据。n结构简单、网络维护方便、增删节点容易，网络在轻负载（节点数较少）的情况下效率较高。但是随着网络中节点数量的增加，传递信息量增大，即在重负载时，冲突概率增加，总线LAN的性能就会明显下降。2.令牌(标记)访问控制方式nCSMA的访问存在发报冲突问题，产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决冲突问题，可采用有控制的发报方式：令牌方式。n令牌方式：一种按一定顺序在各站点传递令牌(Token)的方法。谁得到令牌，谁才有发报权。令牌访问原理可用于环环形形网网络络，构成令牌环形网;也可用于总线网，构成令牌总线网络令牌总线网络。令牌访问控制方式令牌环方式令牌环方式的特点n由于每个节点不是随机的争用信道，某一瞬间只允许一个拥有令牌的站点发送报文，令牌在环网传送，其他站点仅允许接收报文。站点发送完后，便将令牌交下个站点，如该站点没有报文发送，便把令牌顺次传给下个站点，不会出现冲突，因此称它是一种确定型的介质访问控制方法，而且每个节点发送数据的延迟时间可以确定。在轻负载时，由于存在等待令牌的时间，效率较低。在重负载时，对各节点公平，且效率高。n采用令牌环的局域网还可以对各节点设置不同的优先级，具有高优先级的节点可以先发送数据，比如某个节点需要传输实时性的数据，就可以申请高优先级。令牌访问控制方式令牌传递总线方式采用总线网络拓扑、网络上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。n令牌传递算法：逻辑环按递减的站地址次序组成n逻辑环的初始化：网络开始启动、插入或退出、故障n站插入环路算法：n站退出环路算法：n差错恢复：丢失令牌、重复令牌递减忙标记01111110空标记01111110令牌传递总线方式的特点(1)n和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，不同的是网上按一定顺序形成逻辑环。每个站点在环中均有指定的逻辑位置，末站的后站就是首站，即首尾相连。每站都了解先行站(PS)和后继站(NS)的地址，物理位置与逻辑位置无关。n令牌总线适用于重负载的网络中，数据发送的延迟时间确定，适合实时性的数据传输等。令牌传递总线方式的特点(2)n网络管理较为复杂，网络必须有初始化的功能，以生成一个顺序访问的次序。n令牌总线访问控制的复杂性高：网络中的令牌丢失，出现多个令牌、将新节点加入到环中，从环中删除不工作的节点等。随机访问方式与控制访问方式比较随机访问方式的特点：nCSMA/CD介质访问控制方法算法简单，易于实现。目前有多种VLSI可以实现CSMA/CD方法，这对降低Ethernet成本，扩大应用范围是非常有利的。nCSMA/CD是一种用户访问总线时间不确定的随机竞争总线的方法，适用于办公自动化等对数据传输实时性要求不严格的应用环境。nCSMA/CD在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与延迟特性。但是，当网络通信负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加，因此CSMA/CD方法一般用于通信负荷较轻的应用环境中。随机访问方式与控制访问方式比较控制访问方式的特点：n令牌环、令牌总线网中结点两次获得令牌之间的最大时间间隔是确定的，因而适用于对数据传输实时性要求较高的环境，如生产过程控制领域。n令牌环、令牌总线网在网络通信负荷较重时表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟，因而适用于通信负荷较重的环境。n令牌环、令牌总线网的不足之处在于它们有需要复杂的环维护功能，实现较困难。第2章 数据通信基础与网络互联n2.1 数据通信基础n2.2 通信系统简介n2.3 网络硬件传输介质n2.4 通信参考模型n2.5 差错控制2.4 2.4 通信参考模型通信参考模型2.2.4.1 OSI4.1 OSI参考模型参考模型n为实现不同厂家设备间的互联操作与数据交换，国际标准化组织ISO/TC97于1978年建立“开放系统互联”分技术委员会，起草了开放系统互联参考模型OSI(open system interconnection)草案，形成OSI。n开放并不是指对特定系统实现具体的互联技术或手段，而是对标准的认同。一个系统是开放系统，是指它可以与世界上任一遵守相同标准的其他系统互联通信。ISO/OSIISO/OSI参考模型参考模型ISO/OSI模型将各种协议分为七层，自下而上依次是：n物理层（Physical Layer）n数据链路层（Datalink Layer）n网络层（Network Layer）n传输层（Transport Layer）n会话层（Session Layer）n表示层（Presentation Layer）n应用层（Application Layer）O OS SI I参参考考模模型型1.1.物理层物理层(Physical Layer)(1 1)n物理层(physical layer)涉及信道传输的原始比特流。设计上必须保证一方发出二进制“1”时，另一方收到的也是“1”而不是“0”。n主要是处理机械的、电气的和过程的接口，以及物理层下的物理传输介质等问题。1.物理层物理层(Physical Layer)(2)n典型问题1）采用多高的电压表示“1”和“0”2）一个比特持续时间（）3）传输是否在两个方向上同时进行4）如何建立连接、通信后、如何终止5）网络接插件有多少针以及各针的用途。2.2.数据链路层数据链路层(data link layer)(1)nOSI模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信。n主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。一是对链路的使用进行控制，二是组成具有确定格式的信息帧。n为了保证传输，从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包，它不仅包括原始数据，还包括发送方和接收方的物理地址以及纠错和控制信息。其中的地址确定了帧将发送到何处，而纠错和控制信息则确保帧无差错到达。如果在传送数据时，接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧。2.2.数据链路层数据链路层(data link layer)(2)n数据链路层的功能独立于网络和它的节点和所采用的物理层类型。n在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。n数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。n数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。常用网络访问控制协议 1）时分多路访问法(TDMA)：用于总线型网络2）查询法(Polling)：用于总线型或环型网络。3）令牌法(Token)：用于总线型或环型网络。4）带有冲突检测的载波侦听多路访问法 5）扩展环型法(Ring Expansion)法：仅用于环型网络。3.3.网络层网络层(network layer)n关系到子网的运行控制，关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。n过多分组，相互阻塞通路拥塞控制n网络层设有记账功能，软件必须对每一个顾客究竟发送了多少分组、多少字符或多少比特进行记数，以便于生成账单。n分组跨越网络：寻址方法完全不同，网络协议也不同，异种网络互联。4.4.传输层传输层(Transport Layer)n传输层(transport layer)的基本功能是从会话层接收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。n会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其创建一个独立的网络连接。n最流行的传输连接是一条无错的、按发送顺序传输报文或字节的点到点的信道。n传输层是真正的从源到目标 端到端。5.5.会话层会话层(Session layer)不同设备的用户建立会话(session)关系，并管理对话：n(1)方式：允许信息同时双向传输，或单向传输。n(2)令牌管理(token management)：令牌可以在会话双方之间交换，只有令牌持有方可以执行某种关键操作。n(3)同步(synchronization)：数据流中插人检查点，每次网络崩溃后，仅需要重传最后一个检查点后的数据。6.6.表示层表示层(presentation layer)n完成某些特定功能：所传输信息的语法和语义。n为了让采用不同表示法的计算机之间能进行通信，交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用标准的编码方式。表示层管理这些抽象数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。7.7.应用层应用层(application layer)n应用层(application layer)包含大量人们普遍需要的协议。n虚拟终端软件都位于应用层。n解决不同的系统之间传输文件所需处理的各种不兼容问题。n文件传输、电子邮件、远程作业输入、名录查询和其他各种通用和专用的功能。2.2.4.2 TCP/IP4.2 TCP/IP参考模型参考模型n计算机网络的祖父ARPANET和其后继的因特网使用的参考模型TCP/IP参考模型(TCP/IP reference model)。nARPANET是由美国国防部DoD(USDepartment of Defense)赞助的研究网络。n主要设计目标：无缝隙地连接多个网络网络不受子网硬件损失的影响TCP/IP参考模型0SI0SI参考模型和参考模型和TCP/IPTCP/IP参考模型的比较（参考模型的比较（1 1）层的功能也大体相似，传输层及以上层都为通信的进程提供端到端的、与网络无关的传输服务。n(1)三个概念：OSI模型的三个主要概念:服务、接口、协议 TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议，后来改进：互联网层提供的真正服务只是发送IP分组(SEND IP PACKET)和接收IP分组(RECElVE IP PACKET)。0SI0SI参考模型和参考模型和TCP/IPTCP/IP参考模型的比较（参考模型的比较（2 2）n(2)OSI模型中的协议比TCP/IP参考模型的协议具有更好的隐藏性，在技术发生变化时能相对比较容易地替换掉。n(3)通用性强OSI参考模型产生在协议发表之前。这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议。TCP/IP相反，首先出现协议，模型是对己有协议的描述。协议与模型匹配。惟一的问题是该模型不适合于任何其他协议栈。0SI0SI参考模型和参考模型和TCP/IPTCP/IP参考模型的比较（参考模型的比较（3 3）n(4)面向连接的和无连接的通信OSI模型：在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。TCP/IP模型：在网络层仅有一种通信模式，但在传输层支持两种模式，给了用户选择的机会。第2章 数据通信基础与网络互联n2.1 数据通信基础n2.2 通信系统简介n2.3 网络硬件传输介质n2.4 通信参考模型n2.5 差错控制2.2.5 5 差错控制差错控制差错控制：分布控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此，在信息传输过程中，各种各样的干扰可能造成传输错误，其指标用误码率表示。这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误。信道上的干扰信号通信信道上的干扰信号分为两类：n1）是由传输介质的电子热运动产生的。这类信号的特点是时刻操作，但幅度较小，对传输信号的影响较弱，提高传输介质质量是消除此类干扰的有效方法。n2）干扰信号是由外界电磁干扰引起的，这类干扰信号的出现无任何规律可言，而且幅度较大，是引起传输误差的主要原因。1.传输错误及可靠性指标(1)根据错误的特征，可以把它们分为两类 n突发错误：由突发噪声引起，误码连续成片出现；n随机错误：由随机噪声引起，误码与其前后的代码是否出错无关。1.传输错误及可靠性指标(2)n传输速率越大，每一位二进制代码（码元）所占用的时间就越短，波形就越窄，抗干扰能力就越差，可靠性就越低。n传输可靠性用误码率表示，其定义如下：Pe=出错的码元数/传输的总码元数由上式可见，误码率越低，通信系统的可靠性就越高。2.差错控制方法及其分类差错控制方法一般分为两类：n在传输信息中附加冗余度n在传输方法中附加冗余度差错控制方法1、在传输信息中附加冗余度n（1）冗余位数越多，检错和纠错的能力越强。n（2）冗余位数越多，有用信息所占比例越少，效率低。n（3）纠错时所需要的冗余位数更多。n（4）汉明距离（Hamming）：两个序列之间对应位取值的不同的个数。在一个分组码中，最小汉明距离越大，码字之间的差别越大，误码的可能性越小。2.5.2 2.5.2 奇偶效验奇偶效验n奇偶校验（Parity Checking）原理举例：原始数据=1100010，采用偶校验。则增加校验位后的数据为11100010若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。判断结果：奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。2.5.2 2.5.2 奇偶效验奇偶效验n奇偶校验码是在原信息码元后面附加一个监督码元，使得码组中“1”的个数为奇数或偶数。n因此，奇偶校验码是含一个监督码元，码重为奇数或偶数的（n,n-1）系统分组码。奇偶监督码又分为奇监督码和偶监督码。奇偶校验码的特点奇偶校验码的特点 n设有n-1位信息码元为Cn-1，Cn-2，C1，校验码为C0n对于偶校验，有n奇偶校验码只能检测出代码序列中的奇数个错误。没有纠错能力n最小码距为dmin=2n编码效率为R=（n-1）/nn对于奇校验，有行、列监督码行、列监督码n奇偶校验码不能发现偶数个错误。为了改善这种情况，引入行、列监督码。n这类编码不仅对水平(行)方向的码元，而且对垂直(列)方向的码元实施奇偶校验。既可以逐行传输，也可以逐列传输。n这类编码具有较强的检测能力，适于检测突发错误，还有一定的纠错能力。水平奇偶校验（水平奇偶校验（HRC）n属于水平方向冗余校验：n把要传输的数据以适当的长度划分成若干个小组，每个小组由若干个码字组成。把码字按顺序一列一列地排列起来，n然后对水平方向的码元进行奇偶校验，得到一列校验码字，附加在其它各列之后，最后按列的顺序进行传输。水平奇偶校验之例水平奇偶校验之例 水平奇偶校验能发现水平方向奇数个错误，以及所有突发长度=n（n为码字长度）的突发性错误。垂直奇偶校验（VRC）n属于垂直方向冗余校验码：n把要传输的数据以适当的长度划分成若干个小组，每个小组由若干个码字组成。把码字按顺序一列一列地排列起来。n然后对垂直方向的码元进行奇偶校验，得到一行校验位字，附加在其它各列之后，最后按列的顺序进行传输。垂直奇偶校验之例 垂直奇偶校验能发现垂直方向奇数个错误，以及50%的突发性错误。水平垂直奇偶校验（LRC）n水平垂直奇偶校验码，也称为方阵校验码。它不仅对行进行奇偶校验，而且也对列进行奇偶校验。n这种方法按列传输时能发现所有长度=n+1（n为码字长度）的突发性错误和其它错误；按行传输时能发现所有长度=m+1（m为码字个数）的突发性错误和其它错误；并且具有一定的纠错能力。水平垂直奇偶校验之例 2.5.32.5.3循环冗余校验(CRC,Cyclic RedundancyCheck)n循环码是一类重要的线性分组码，它除了具有线性码的一般性质外，还具有循环性，即循环码组中任一码组循环移位所得的码组仍为该循环码中的一许用码组。n循环冗余码（CRC码）是数据通信领域中最常用的一种差错检验码，其特征是信息码元和校验码元的长度可以任意选定。循环冗余码的基本思想 n把要传输的数据信息当作一个报文码多项式f(x)的系数，发送时用一个标准的生成多项式g(x)来除f(x)，将所除得余式r(x)的系数附加在报文码之后发出；n接收时用同一生成多项式g(x)来除收到的码字多项式，能除尽说明传输正确，否则说明有错。n实现：用简单的移位寄存器电路即可。计算方法n若G(x)为r阶，原帧为m位，其多项式为M(x)，则在原帧后面添加r个0，帧成为m+r位，相应多项式xr M(x)n按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xr M(x)的位串，得出余数n按模2加法把xr M(x)的位串与余数相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x)T(x)=xrM(x)+xrM(x)MOD2 G(x)差错控制n循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check）举例 循环冗余校验（举例）n请再做一个验证：传送数据为：110011多项式比特序列为：11001（最高阶为4）带有CRC检验码的接收比特序列为：1100111001n其实CRC中的生成多项式不是随便选定的。它的结构和检错效果是要经过严格的数学分析与实验后确定的。目前已有多种生成多项式被列为了国际标准，如：CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1 nCRC错误检测方法大约能检查出99.95%以上的2.5.4 2.5.4 汉明效验汉明效验n汉明码汉明码是一种可以纠正一位差错的高效率线性分组纠错码。汉明码有一套较为复杂的编码、检错和纠错方法汉明距离汉明码的检错和纠错能力可以用汉明距离来表示，海明距离越大，检错和纠错能力也越强，但所需要冗余的信息也越多。n如果需检测出d个错误，则汉明距离至少应为d+1；n如果要能纠正d个错误，则编码集中的汉明距离至少应为2d+1。作业：作业：1、汉明距离与汉明效验是一样的吗？指出其作用和特点。2、查找并指出RS-232与RS-485接口的特点3、分析介质访问控制方式及特点，并进行举例。