计算机网络技术与应用教程（第2版）课件

第2章 数据通信基础第2章数据通信基础2.1传输介质2.1传输介质几种传输介质的性能比较几种传输介质的性能比较几种传输介质的性能比较2.1.1有线传输介质2.1.1有线传输介质计算机网络技术与应用教程（第2版）课件常用绞合线的带宽和应用常用绞合线的带宽和应用计算机网络技术与应用教程（第2版）课件4.电力线路载波通信电力线载波（PowerLineCarrierPLC）通信简称电力线通信，是指利用电力线传输数据和媒体信号的通信方式。（1）无需另布网线。（2）有插座的地方就能上网。（3）距离稳定传输。（5）节能环保，无辐射。4.电力线路载波通信5.有线介质连接器5.有线介质连接器2.1.2无线传输介质2.1.2无线传输介质1.不可见光无线传输介质1）短距离无线技术2）中长波无线电波3）微波（1）地面接力通信1.不可见光无线传输介质（2）卫星通信（2）卫星通信2.可见光无线传输介质可见光通信技术（visiblelightcommunication，VLC）是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来携带数据进行传输。2.可见光无线传输介质计算机网络技术与应用教程（第2版）课件2.2信道与信号技术2.2信道与信号技术2.2.1信道的概念1.物理信道和逻辑信道2.有线信道和无线信道3.模拟信道和数字信道2.2.1信道的概念1.物理信道和逻辑信道2.2.2数据信号及其调制/解调1模拟信号与数字信号2.2.2数据信号及其调制/解调1模拟信号与数字信号2.数字信号的模拟调制2.数字信号的模拟调制3模拟信号的数字编码脉冲编码调制技术3模拟信号的数字编码脉冲编码调制技术4.调制解调器4.调制解调器5.光端机目前的计算机系统都还是基于电信号工作的。光端机就是在一条光链路的两端使用的设备，主要进行光-电型号的转换。按照使用的位置，分为光发射机和光接收机：光发射机完成电/光转换，并把光信号发射出去用于光纤传输；光接收机主要是把从光纤接收的光信号再还原为电信号，完成光/电转换。5.光端机2.2.3数字信号的数字编码2.2.3数字信号的数字编码2.2.4串行通信与并行通信2.2.4串行通信与并行通信2.2.5单工、半双工和全双工通信1单工通信单工通信是指在两个通信结点间，数据的传输总是单向的，只能由一方将数据传输给另一方，如数字电视，其信号只能由电视台到用户终端（电视机）传输。2半双工通信半双工通信是指数据可以在收、发双方间相互传递，但任何一个时间点上只能是单向的，如对讲机，听的时候不能说，反之说的时候不能听。3全双工通信全双工通信是指数据可以在收、发双方间同时相互传递，如手机、程控电话，听的时候也能同时说，说的时候也能同时听，边说边听，毫无影响。2.2.5单工、半双工和全双工通信计算机网络技术与应用教程（第2版）课件2.2.6多路复用技术1.频分多路复用技术频分多路复用（frequencydivisionmultiplexing，FDM）是模拟传输中常用的一种多路复用技术。它把一个物理信道划分为多个逻辑信道，各个逻辑信道占用互不重叠的频带，相邻信道之间用“警戒频带”隔离，以便将不同路的信号调制（滤波）分别限制在不同的频带内，在接收端再用滤波器将它们分离，就好像在大气中传播的无线电信号一样，虽同时传送多个频率信号，但互不重叠，可以分辨。2.2.6多路复用技术1.频分多路复用技术2.时分多路复用技术2.时分多路复用技术计算机网络技术与应用教程（第2版）课件计算机网络技术与应用教程（第2版）课件3.光波分多路复用技术3.光波分多路复用技术4.码分多路复用技术码分多路复用（codedivisionmultiplexing，CDM）是与码分多址（codedivisionmultipleaccess，CDMA）相联系的一项技术。在CDMA传输时，要给每位用户分配一个m（通常m取64或128）比特序列，称为码片序列（chipsequence）或码片向量。不同的用户的拥有不同的码片序列，好像他们具有不同的地址。CDMA按照下面的规则进行用户数据的发送：发1，发送该站的码片序列的原码；发0，发送该站的码片序列的反码。4.码分多路复用技术码分多路复用技术码分多路复用技术2.3数据传输控制技术2.3数据传输控制技术1异步传输异步传输方式又称为起止步传输方式，其特点是传输的数据以字符为单位发送，且字符间的发送时间是异步的，故称为异步传输。其帧结构由如下4部分组成：1个起始位：低电平数字“0”状态；5位或7位数据；1位校验位，用作奇偶校验；长度为1.5位或2位停止位：高电平也是不通信状态。2.3.1异步传输和同步传输2.3.1异步传输和同步传输2同步传输同步传输方式从帧和位两个方面实现同步控制。（1）帧同步及其实现2同步传输（2）位同及其实现外同步法自同步法。（2）位同及其实现2.3.2数据传输的差错检测与控制1.差错产生的原因与基本对策在数据通信中，差错的基本应对策略有3个。1）提高信道质量使用高质量的信道：即使用具有热噪声小、信号屏蔽能力强等优点的信道。使用中继器：中继器的作用是每经过一定的传输距离将数据信号重新复制一次。2）提高数据信号的健壮性纠错码：为传输的数据信号增加冗余码，以便能自动纠正传输差错。检错码：为传输的数据信号增加冗余码，以便查出哪一位出错。3）采用合适的差错控制协议与检错码相比，纠错码具有自动纠错功能，但实现复杂、造价高、传输效率低。通常是采用检错码检查出差错，由合适的差错控制协议来补救。2.3.2数据传输的差错检测与控制1.差错产生的原因与2.5差错检测与控制2.5差错检测与控制2.误码检测1）校验和（checksum）首先看一个例子：假定要传输的4个数字为1、2、3、5，它们的和为B（十六进制），则实际发送的是1235B（将和连同数据一起发送），即000100100011010110102.误码检测2循环冗余码校验（cyclicredundancycheck，CRC）循环冗余码是一种能力相当强的检错码，并且实现编码和检码的电路比较简单，常用于串行传送（二进制位串沿一条信号线逐位传送）的辅助存储器与主机的数据通信和计算机网络中。循环码通过某种数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验。编码步骤如下：将待编码的n位信息码组Cn1Cn2CiC2C1C0表达为一个n1阶的多项式M（x）M（x）=Cn1xn1+Cn2xn-2+Cixi+C1x1+C0 x0将信息码组左移k位，形成M（x）xk，即n+k位的信息码组Cn1+kCn2+kCi+kC2+kC1+kCk0000用k+1位的信息码组生成多项式G（x）对M（x）xk作模2除运算，得到一个商Q（x）和一个余数R（x）。显然有：M（x）xk=Q（x）G（x）+R（x）生成多项式G（x）是预先选定的。2循环冗余码校验（cyclicredundancych从检错的要求出发，生成多项式应能满足下列要求：任何一位发生错误都应使余数不为0；不同位发生错误应使余数不同；对余数继续作模2运算应使余数循环。从检错的要求出发，生成多项式应能满足下列要求：生成多项式的选择主要靠经验。有3种多项式已经成为标准，具有极高的检错率，即CRC12=x12+x11+x3+x2+x+1CRC16=x16+x15+x2+1CRCITUT=x16+x12+x5+1生成多项式的选择主要靠经验。有3种多项式已经成为标准，具有极1停等ARQ2.3.3差错控制协议2.3.3差错控制协议2连续ARQ2连续ARQ2.3.4 流量控制与滑动窗口协议流量控制与滑动窗口协议1.拥塞与死锁拥塞与死锁当网上传输的数据量增加到一定程度时，网络的吞当网上传输的数据量增加到一定程度时，网络的吞吐量下降，这种现象称为吐量下降，这种现象称为“拥塞拥塞”（congestion）。）。传输数据量急剧增加时，丢弃的数据帧不断增加，传输数据量急剧增加时，丢弃的数据帧不断增加，从而引起更多的重发；重发数据所占用的缓冲区得从而引起更多的重发；重发数据所占用的缓冲区得不到释放，又引起更多的数据帧丢失。这种连锁反不到释放，又引起更多的数据帧丢失。这种连锁反应将很快波及全网，使通信无法进行，网络处于应将很快波及全网，使通信无法进行，网络处于“死锁死锁”（deadlock）状态，陷入瘫痪。）状态，陷入瘫痪。2.3.4流量控制与滑动窗口协议1.拥塞与死锁2.滑动窗口协议1）发送器窗口的工作原理（d）确认数据单元：2，因数据单元3已确认，窗口移动2格；主机传来单元（未发送）：7、0（b）确认数据单元：1，窗口移动一格；已发送单元：2，3；主机传来单元（未发送）：4、5、6（c）确认数据单元：3，因数据单元2未确认，窗口不移动（a）确认数据单元：0；已发送单元：1，2；未发送单元：3、4、5（f）数据单元4超时，4，5，6重发（e）发送数据单元：4，5，6，但6被先确认2.滑动窗口协议（d）确认数据单元：2，因数据单元2）接收器窗口的工作原理2）接收器窗口的工作原理2.4计算机网络通信控制设备2.4计算机网络通信控制设备应用层运输层网际层数据链路层物理层用户程序B网络协议软件网卡物理层物理层物理层物理层物理层物理层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层网际层网际层运输层应用层用户程序A网卡网络协议软件中继器交换机中继器交换机路由器应用层运输层网际层数据链路层物理层用户程序B网络协议软件网卡1.4.1网络适配器网卡是网络接口卡（networkinterfacecard，NIC）的简称，也称为网络适配器，它是连接计算机与网络的接口设备。无论双绞线、同轴电缆还是光纤连接，都必须借助网卡才能实现。1.4.1网络适配器网卡是网络接口卡（networ计算机网络技术与应用教程（第2版）课件1.网络适配器及其功能（1）它工作在数据链路层和物理层。（2）它有一个全球唯一的编码，用于作为计算机的物理地址MAC地址，为二层寻址提供依据。1.网络适配器及其功能（3）数据缓冲。（4）格式转换。（5）进行链路管理，监听链路上是否有信号冲突。（3）数据缓冲。2.网卡的基本构造网卡包括硬件和固件程序（只读存储器中的程序）。1）网卡硬件（1）网卡的控制芯片。网卡的控制芯片是网卡的CPU，用于控制整个网卡的工作，负责数据的的传送和连接时的信号侦测。（2）晶体震荡器。负责产生网卡所有芯片的运算时钟。通常网卡是使用20或25hz的晶体震荡器。千兆网卡使用62.5MHz或者125MHz晶振。（3）调控元件。用来发送和接收中断请求IRQ,指挥数据的正常流动。（4）网络接头，用于连接网络。在用双绞线作为传输媒介时，基本采用RJ-45接头；用细同轴电缆作为传输媒介（时，采用BNC接头。（5）信号指示灯。通常有两个信号：TX代表正在送出数据，RX代表正在接收数据。通过不同的灯光变换来表示网络是否导通。2）固件程序固件程序实现逻辑链路控制和媒体访问控制的功能，还记录MAC地址。3）其他（1）缓存和收发器（transceiver）。（2）BOOTROM，即就是启动芯片等，2.网卡的基本构造3.网卡的种类1按总线类别划分网卡是通过插在计算机总线扩展槽内实现与计算机连接的，扩展槽有各种总线类型，网卡也随之有多种类型。ISA总线网卡：总线宽度为16位，I/O速度较慢，已被淘汰。PCI总线网卡：总线宽度为32位，I/O速度快，通过网卡所带的两个指示灯颜色可以初步判断网卡的工作状态，是目前主流网卡，市场上较多见。图1.11所示为一种典型的PCI总线网卡。PCMCIA总线网卡：这种网卡是笔记本专用网卡。USB接口网卡：这是一种新型的总线网卡。2按网络接口分类RJ45接口网卡：连接双绞线的。BNC接口网卡：连接细同轴电缆的。AUI接口网卡：连接粗同轴电缆的。FDDI接口网卡：用于FDDI网络的，市场上很少见。ATM接口网卡：应用于ATM网络中的。3按带宽分类10Mbit/s网卡：用于标准以太网，主要是ISA总线。100Mbit/s网卡：用于快速以太网，是目前的主流产品之一。10/100Mbit/s自适应网卡：能在两种速率上自动适应的网卡，是目前的主流产品之一。1000Mbit/s网卡：用于吉比特以太网中，能够提供1Gbit/s带宽，它的接口主要有RJ-45和光纤接口。3.网卡的种类2.4.2中继器与集线器1.中继器中继器是最简单的网络互联设备。所以使用中继器，是因为传输线路上总会存在损耗，这些损耗会引起线路上传输的信号功率衰减，引起信号的失真，并且这些衰减会随着线路的长度增加而增减，是失真越来越严重；当衰减到一定程度时接收错误。因此，当有比特流传送到中继器时，中继器只对所传送来的信号波形还原、再生，对衰减信号进行放大，然后转发到其他的端口，并不对比特流的内容进行分析，目的仅仅是扩展网段的长度，扩大网络的覆盖范围。此外，使用中继器后，当某一网段出现故障时，不会影响其他网段，提高了网路的可靠性。并且，还允许不同网段使用不同的通信带宽，在一定程度上提高了网络的灵活性。2.4.2中继器与集线器1.中继器2.集线器HUB是一个多端口的转发器，它虽然也具有中继器的信号整形、再生、放大功能，但主要目的不是用来扩展网段长度，而是用来连接多个设备或网段。其特点是，当连接了多台设备或网段后，该集线器就被这些设备或网段共享。这样的一种连接，会带来如下结果：（1）某一设备或网段发生故障，不会影响其他端口所连接点设备和网段。（2）设备的接入或退出比较灵活、方便。（3）集线器会把收到的来自某一端口或上层的任何信号，经过再生或放大后，将广播转发给其他所有端口，形成了一种广播发送。这种广播信号，往往会被窃听。（4）所有端口共享上行带宽方式，使每个端口的带宽降低，例如，若两个设备共享10Mbps的集线器，每个设备就只有5Mbps的带宽；若连接了10个设备，每个设备就只有1Mbps的带宽了。这更增加了网络塞车风险，降低了网络执行效率。（5）共享式网络是一种无管理疏导的无序工作状态，每个客户端都会尽可能的抢占通信通道，所以几个客户端一起抢占通道时就形成网络堵塞的局面，当数据和用户数量超出一定的限量时，就会造成网络性能的严重衰退。所以连接的端口数目越多，就越容易造成冲突。依据实训经验，一个10Mbit/s集线器所管理的计算机数不宜超过15个，100Mbit/s的不宜超过25个。（6）集线器的同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信，无法进行双工传输，最多只能进行半双工通信，网络执行效率低，不能满足较大型网络通信需求。2.集线器2.4.3交换机1交换机的功能交换机是交换网的交通枢纽，其作用是接收数据，然后有选择地将数据转发出去，实现交换网中的数据流控制。进一步说，它的功能包括以下几个方面。（1）“有目的地”地转发数据。当有比特流送到交换机端口时，交换机就先接收保存在缓冲区内，并由数据链路层对帧头进行分析，并按照帧头中的目的地址将该帧装发到可以到达目的地址的端口。（2）分隔冲突域。所有共享同一传输介质的站点属于同一冲突域。对于交换机来说，同一端口连接的站点属于同一冲突域，不同端口连接的站点属于不同的冲突域。与集线器相比，交换机可以分隔冲突域，减少冲突。在每个端口只有一个站点的极限情况下，就可以完全避免冲突。（3）流量控制。给不同的端口分配带宽，延缓数据的传输能力。例如，可以给某些端口分配带宽为100Mbit/s，同时给另一些端口分配带宽为10Mbit/s，而不是像集线器那样共享平均分配带宽。这使交换机能够提供更佳的通信性能。（4）可以提供全双工通信，与半双工通信相比，可以把带宽提高一倍。2.4.3交换机1交换机的功能（5）其他：物理编址：定义数据帧的物理地址；网络拓扑结构设定：定义设备物理连接所形成的网络拓扑结构；差错验证：错误发生时发出告警；数据帧整序。（5）其他：2交换机的工作原理2交换机的工作原理2.4.4路由器1.路由器的基本功能1）路由选择信息传送的路径2）连通不同的网络3）隔离广播、划分子网2.4.4路由器1.路由器的基本功能计算机网络技术与应用教程（第2版）课件2.路由器及其工作过程路由器（router）是工作在OSI模型网络层的设备，是按照IP地址进行数据转发的设备。这个IP地址是根据路由算法计算得到的，可能是一台主机的IP地址，也可能是下一台路由器的IP地址。简单地说，路由器的主要工作有以下两个。(1)路径判断，使用一定的路由算法选择合适路径。(2)转发。2.路由器及其工作过程计算机网络技术与应用教程（第2版）课件4.路由器的主要类型（1）按照路由器在自治域中的位置可分为以下两种：内部路由器在自治域内部转发数据包；边界路由器在不同自治域之间转发数据包。（2）按所支持的协议可分为以下两种：单协议路由器仅支持单一协议；多协议路由器可以支持多种协议传送。（3）按所连接的范围，路由器分为以下3种：接入路由器连接家庭或ISP内的小型企业客户，接入路由器不仅要提供SLIP或PPP连接，还支持诸如PPTP和IPSec等虚拟私有网络协议；企业或校园级路由器主要目标是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互连，并且进一步要求支持不同的服务质量；骨干级路由器实现企业级网络的互连，对它的要求是速度和可靠性，而代价则处于次要地位。4.路由器的主要类型计算机网络技术与应用教程（第2版）课件