计算机通信基础3解析课件

Slide Title,Body Text,Second Level,Third Level,Fourth level,Slide Title,Body Text,Second Level,Third Level,Fourth level,Slide Title,Body Text,Second Level,Third Level,Fourth level,Slide Title,Body Text,Second Level,Third Level,Fourth level,Slide Title,Body Text,Second Level,Third Level,Fourth level,第三章,计算机通信基础,计算机是,20,世纪人类最伟大、最卓越 的发明之一，由计算机技术和通信技术 相结合而产生的计算机网络使计算机的功能得到了加强、范围得到了扩展。计算机应用不再停留在单机工作，而要求计算机之间能够快捷、便利、稳定和安全地进行信息交换和资源共享。,“本章要点”是计算机网络的基础知识，通过本章的学习，读者可以对计算机网络有一个宏观的了解。,本章将介绍大量有关网络的基本概念，是一些很重要的技术术语（行话），理解并掌握它们将为后继内容的学习打下坚实的基础。,本章导读,主要内容,数据通信的基本概念,数据传输方式、形式和数据传输速率,数据编码,多路复用技术,数据交换技术,差错控制技术,注：,号表示重要的、要考核的补充内容。以后同。,信息数据信号,通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合。,为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示。,为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示。,信息基本概念,数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码,(0,、1比特序列,),的模拟或数字信号的过程。,数据与信息的主要区别在于：数据是用二进制比特序列表示的文本、数字、语音、图形、图像与视频；信息是对数据的二进制比特序列所表示意义的解释。,数据基本概念,信号,信号是数据在传输过程中电信号的表示形式。,模拟信号和数字信号,模拟信号（,analog signal）,的信号电平是连续变化的，在两个峰值之间来回振荡，连续变化的信号。,数字信号（,digital signal）,是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号，数字信号总是在两个确定的值之间来回变换。,按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通 信系统与数字通信系统两种。,信号基本概念,2.1,数据通信基本概念,数据信号,信号值,信号值,t,t,（,a,）模拟信号,（,b,）数字信号,相关概念：,数据、信息、信号,1 0 1 1 0 0 1 0,通信系统的组成,通信是指信息的传输，通信具有三个基本要素,信源：信息的发送者,信宿：信息的接收者,载体：信息的传输媒体,信源,变换器,信道,反变换器,信宿,干扰源,信息,information,information,信息,变换器,：,将信源发出的,信息变换成适合在信道,上传输的信号。,反变换器,：,提供与变换器相反的功能，将从信道上接收的电（或光）信号变换成信宿可以接收的信息。,信道（,channel,）,表示向某一个方向传送信息的媒体即信道。,一条通信线路往往至少包含一条发送信道和一条接收信道。信道是线路的逻辑部件。,有线信道：由有线传输介质构成的信道,无线信道：由无线传输介质构成的信道,模拟信道：传送模拟信号的信道,数字信道：传送数字信号的信道,计算机网络主干线已基本是数字信道，大量用户线则基本上还是模拟信道。,相关概念,：,信道,、,线路、链路、通路,信道的分类,有线信道：一对导线构成一条有线信道。,无线信道：发送方（信源）使用高频发射机和定向天线,发射信号，接收方（信宿）通过接收天线和,接收机接收信号。,模拟信道：传送模拟信号的信道,数字信道：传送数字信号的信道,通信线路,噪声源,简单的数据通信系统模型,数据终 端,数据终 端,信号变换器,信号变换器,数据通信模型,（,DTE,）,（,DCE,）,（,DCE,）,（,DTE,）,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,数字通信和模拟通信,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(a),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,(c),模拟信道,信源,调制器,解调器,信宿,(b),数字信道,信源,编码器,解码器,信宿,返回,P26,数据传输类型,传输信号,数字信号,模拟信号,表示方式,数字数据信号,模拟数据信号,传输方式,频带传输,基带传输,数据在通信线路上传输是有方向的。根据数据在线路上的传输方向及其与时间的关系，串行数据通信有单工通信、半双工通信和全双工通信三种通信方式。,单工通信：,在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式。,半双工通信：,又称为双向分时通信。数据可以双向传输，但不能同时进行，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息的通信方式。在不工作时，双方均处于接收状态。,全双工通信：,可同时双向传输数据的通信方式。,数据通信方式,发送设备,接收设备,数据流,(a),单工通信,发送设备,数据流,(b),半双工通信,接收设备,发送设备,接收设备,数据流,发送设备,(c),全双工通信,接收设备,接收设备,发送设备,数据流,数据流,应答,题目,：,按数据通信方式广播属于（）,A半双工通信 B单双工通信 C全双工通信,按数据通信方式遥控通信属于（）,A单双工通信 B半双工通信 C全双工通信,按数据通信方式电话通信属于（）,A单双工通信 B半双工通信 C全双工通信,三种通信方式的比较,单工方式功能单一，只适应于某些专用场合；,全双工方式效率高，但以增加一条传输通道为代价；若增加的是物理线路，对远距离通信开销太大，若在一条线路上采用,多路复用,技术，则必须有相应的设备；,半双工方式在软件控制下双方切换，影响效率，但系统成本低，在实际的异步通信中多用。,2.2,数据传输,数据传输方式,并行传输与串行传输,异步传输与同步传输,数据传输形式,基带传输,频带传输,宽带传输,数据传输速率,比特率,bps,（带宽,Mbps,）,波特率 （码元传输速率）,并行传输与串行传输,发,送,设,备,接,收,设,备,0,1,1,0,1,0,0,1,接,收,设,备,发,送,设,备,01101001,01101001,01101001,计算机内部采用并行传输 计算机网络中采串行传输,数据传输方式,串行传输,串行传输-利用一条线路，逐个传送比特位的传输方式。,发送方必须先确认发送字节的高位还是低位。接收方接收时以同样的顺序进行接收。,但是由于信号的干扰存在，数据传输的过程当中可能会导致一些数据遭到破坏，需要重新发送这些数据，要求发送方的数据中一定要包含,数据顺序信息,。所以采用串行传输，数据一定要加入,起始和结束,标识符，即解决数据传送过程中的,同步,问题。一般采用,同步传输方式和异步传输方式,两种方法。,并行传输,并行传输 -同时可以传输多个比特，构成一个字符的几位二进制位在相应位数的并行信道上进行传输。每个比特使用一条独立的线路。如要传送一个字节数据，需要使用8个信道来进行并行传输。这样的方式使发送和接收方不需要进行字符同步，即在放送方的数据中不需要增加开始和结束标识符。,串行、并行传输方式比较,并行传输不适合长距离通信，因为使用多条导线，,长距离通信使得线路昂贵；长距离通信需要一定强度和较,粗的导线来减少信号衰减，因此多条导线也不实际。,例如：主机和打印机、显示器、硬盘等外围设备的连接。,串行传输使用的线路少，因此价格低，长距离传输更加可靠。由于每次只能发送一个比特，所以速度较慢。,同步技术,同步：,在串行通信中，,通信双方的收发数据必须一致，才能使接收方准确地区分和接收发送方发送的每一位数据，保证接收的数据和发送的相同，这就是同步。,串行通信系统能否可靠而有效地工作，在很大程度上依赖于是否能很好实现同步。,数据传输方式,数据通信与电话通信主要不同是无人直接介入，有关收发同步、方式选择、信号识别、差错检测与纠正、流量控制等 ，都需要用事先约定的规程来自行控制。,异步传输,异步传输(asynchronous) 异步传输的工作原理是：每个字,符,作为一个单元独立传输，字,符,之间的传输间隔任意。为了标志字,符,的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位或2位停止位，构成一个个的“字符”。这里的“字符”指异步传输的数据单元如下图所示：,0 1 0 0 0 0 0 1 0,起始位,校验位,停止位,字符,1,字符,2,字符,3,字符,4,字符间隔,异步传输,七位信息位,字符信息,数据传输方式,同步传输,同步传输 同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合,(,如,01111110),或同步字符,(SYN),，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆,同步传输,数据传输方式,异步传输,不需要在发送端和接收端之间传输时钟信号，而是靠它的起始位和停止位来确定的。因此实现简单，控制容易，如果出现错误，只需重发一个字符即可；但传输效率较低，开销大。适于低速率场合,（如,RS-232C,串口）,。,同步传输,传输效率高，开销小，但收发双方需建立同步时钟，实现和控制比较复杂；在传输的数据中有一位出错，就必须重新传输整个数据块。同步传输方式适合于高速场合。,两种同步技术的比较,基带信号,由计算机或终端等数字设备直接发出的二进制数字信号形式称为方波，即“,1”,或“,0”,，分别用高电平或低电平表示，人们把方波固有的频带称为基带。方波电信号称为基带信号。,基带传输,在线路中直接传送数字信号的电脉冲。,基带信号不加调制而直接在通信线路中进行传输，它将占用线路的全部带宽。,返回,数据传输形式,基带传输,基带信号绝大部分是数字信号。基带传输占用传输媒体的整个带宽，可以利用,时分多路复用（,TDM,）,技术提高传输信道的利用率。,基带信号一网段传输距离超过,2km,时，需加接中继器将信号放大后才能延伸，在,LAN,中具体应用时还与采用的传输介质有关。,计算机网络内主要采用基带传输，局域网（,LAN,）一般都采用基带传输。,频带传输,将基带信号调制成模拟信号来传输即频带传输。,频带传输不仅解决了数字信号可用电话线路（模拟信道）传输，而且可以采用,频分多路复用（,FDM,）技术,提高传输信道利用率，实现宽带传输。,宽带传输,将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，它是一种将传输介质（如,75,同轴电缆）的频带宽度交替使用的信息传输方式（,300,400MHz,），称为宽带传输。,数据传输形式,频带传输与宽带传输,数据传输速率,比特率：,即单位时间内所传送的二进制码元的有效位数，单位为比特、秒（b/s）对于二进制系统，比特率=波特率。,带宽：,指数字信号在线路上的传输速率，单位为,Mbps,。习惯上常用它表示网络的数据传输速度。,波特率：,指脉冲信号经调制后的传输速率，它指单位时间内传输的码元数目，单位为,Band,（码元数,/,秒）。通常表示调制器之间传输信号的速率。,2.3,数据编码,从编码后的信号形式分：,模拟数据编码：适合于模拟信道传输,数字数据编码：适合于数字信道传输,计算机或终端产生的数据信号一般不能直接在网上传输，需经过编码。编码一般由信源网卡完成。,模拟数据编码,将数字信号在模拟信道上传输前，需用数字信号调制载波成模拟信号才能在模拟信道上实现频带传输。,基本的调制方法有：调幅（,AM,）、调频（,FM,）和调相（,PM,）（见,P6,图,1,4,）。,AM,方式,:,利用数字信号的值对载波的幅度进行控制,使载波的幅度随数字信号的值而改变。当数字信号为“,1”,时，传输载波；为“,0”,时，不传输载波。,AF,方式：利用载波的频率变化来传输数字信息，使载波的频率随数字信号的值而改变。即两种不同载波频率分别表示“,0”,或“,1”,。,PM,方式：载波的相位随数字信号改变而改变。,应用：,AM,实现技术简单，但抗干扰能力差，很少采用；,FM,实现技术简单，且抗干扰能力较强，广泛用于载波频率不高的场合；,PM,抗干扰能力强，但实现技术较复杂。实用中一般采用,APK,复合多级调制。,目的：,使基带信号变换为频带信号，便于在模拟信道上进行远距离传输；同时便于信道多路复用。,数字数据编码,数字信号的信源编码问题就是要解决数字数据的数字信号二进制位的,“,0,”,、,“,1,”,值与二进制位识别两个问题。,可以由多种不同的形式的电脉冲信号的波形来表示。普遍用两种不同的电平来分别表示二进制数字,“,1,”,和,“,0,”,，每位二进制符号和一个码元相对应。,因此，表示二进制数字的码元的形式不同，便产生不同的编码方法。,常用的方法有：不归零码、曼彻斯特码和,差分曼彻斯特码、,CMI,码。,NRZ,编码,：,直接利用二进制数据信号（低电平表示二进制,0,，高电平表,1,），传输时需要附加外同步信号线。,1 0 1 1 0 0 1 0,外时钟,同步信号,二进制数据,NRZ,编码,曼彻斯特编码,每个二进制位（码元）的中间都有电压跳变。用电压的正跳变（先正后负）表示“1,”,，电压的负跳变（先负后正）表示“0,”,。由于跳变都发生在每一个码元的中间位置（半个周期），接收端可以方便地利用它作为同步时钟，因此这种曼彻斯特编码又称为“自同步曼彻斯特编码”。目前最广泛应用的以太局域网，在数据传输时就采用这种数字编码方式。,下跳,在曼彻斯特编码的基础上，用每一位的起始处有无跳变来表示“,0”,和“,1”,，若有跳变则为“,0”,，无跳变则为“,1”,，常用于令牌环网。而每一位中间的跳变只用来作为同步的时钟信号，所以它也是一中自同步编码。,要注意的一个知识点是：使用曼码和差分曼码时，每传输,1bit,的信息，就要求线路上有,2,次电平状态变化（,2,波特），因此要实现,100Mb/s,的传输速率，就需要有,200Mhz,的带宽，即编码效率只有,50%,。,差分曼彻斯特编码,信号反转码。“,1”,码（信号）交替地用正、负脉冲表示，而“,0”,码则用固定相位的一个周期方波表示。,CMI,码,二进制码,1,1,1,0,0,1,0,CMI,码,2.4,多路复用技术,多路复用：,利用一条物理线路同时传输多路信息的过程。这是,共享信道,的应用。,多路复用技术能把多个信源信号组合在一条物理线路上传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用，提高信道的利用率。,在广域网中常常采用多路复用技术,.,基本概念,多路复用的类型,频分多路复用,时分多路复用,波分多路复用,码分多路复用,多路复用,固定时分多路复用,统计时分多路复用,多路复用技术包括复用、传输和分离三,个过程。,实现多路复用功能的设备叫,多路复用器,。复用器成对使用。,n,个输入,多路复用原理图,。,多路,复用器,。,多路,复用器,n,个输出,1,条线路,n,个信道,频分多路复用,：,就是将具有一定带宽的信道分割为若干个有不同频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。这样在线路中就可同时传送多个不同频率的,模拟信号（如下图所示）。,频分多路复用,(,FDM,),我们考虑一下中波无线电广播的例子，这是一条利用空间无线电波传输信号的物理通信线路。中波广播频率的带宽是从,535 kHz,到,1605 kHz,。这个通信信道上又按照不同的频率划分成为若干个子信道，每个子信道的带宽是,9 kHz,，每个子信道供给广播电台的一个频道使用。例如天津广播电台交通频道的中心频率是,567 kHz,，生活频道的中心频率是,1386 kHz,。各个广播电台在这些子信道上同时进行信号传输而互不干扰，这就是一个由频率进行划分的多路复用技术的具体例子。,FDM,应用现状,FDM,应用现状,FDM,在无线电广播和电视领域中应用较多，用户,ADSL,使用双绞线联网时，划分,3,个频段：,0,4kHz,传送语音，,20,50kHz,用于计算机上传数据，,150,500kHz,或,140,1100kHz,用于下载。,我们所用的收音机就是一个频分多路复用接收器，而广播电台则是频分多路复用发射器。,时分多路复用,：,通信时把通信时间划分成为若干个时间片，每个时间片占用信道的时间都很短。这些时间片分配给各路信号，每一路信号使用一个时间片。在这个时间片内，该路信号占用信道的全部带宽,而不像,FDM,那样,同一时间同时发送多路信号。这样,利用每个信号在时间上的交叉,就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。这种交叉可以是位一级的,也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。,时分多路复用（,TDM,）,D d 4 $ C c 3 # B b 2 A a 1 !,子 信 道,的 时 隙,传输周期,T,信源,：,ABCD,信源,：,abcd,信源,：,1234,信源,：,!#$,定长帧,bit,时分多路复用又可分为,固定时分多路复用和统计时分多路复用，,或叫同步时分多路复用,(STDM),和异步时分多路复用,(ATDM),。,时分复用技术的特点是时隙事先规划分配好且固定不变，所以有时也叫同步时分复用。其优点是时隙分配固定，便于调节控制，适于数字信息的传输；缺点是当某信号源没有数据传输时，它所对应的信道会出现空闲，而其他繁忙的信道无法占用这个空闲的信道，因此会降低线路的利用率。,同步时分多路复用技术（,STDM,）,这种技术按照信号的路数划分时间片，每一路信号具有相同大小的时间片。时间片轮流分配给每路信号，该路信号在时间片使用完毕以后要停止通信，并把物理信道让给下一路信号使用。当其他各路信号把分配到的时间片都使用完以后，该路信号再次取得时间片进行数据传输。这种方法叫做同步时分多路复用技术。,同步时分多路复用技术优点是控制简单，实现起来容易。缺点是如果某路信号没有足够多的数据，不能有效地使用它的时间片，则造成资源的浪费；而有大量数据要发送的信道又由于没有足够多的时间片可利用，所以要拖很长一段的时间，降低了设备的利用效率。,异步时分多路复用技术（,ATDM,）,为了提高设备的利用效率，可以设想使有大量数据要发送的用户占有较多的时间片，数据量小的用户少占用时间片，没有数据的用户就不再分配时间片。这时，为了区分哪一个时间片是哪一个用户的，必须在时间片上加上用户的标识。由于一个用户的数据并不按照固定的时间间隔发送，所以称为“异步”。这种方法叫做异步时分多路复用技术，也叫做统计时分多路复用技术（,STDM,，,Statistic Time-Division Multiplexing,）。,这种方法提高了设备利用率，但是技术复杂性也比较高，所以这种方法主要应用于高速远程通信过程中，例如，异步传输模式,ATM,。,码分多路复用（,CDMA,）,FDM,的特点是信道独占，而时间资源共享，每一子信道使用的频带互不重叠；,TDM,的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠,.,为了很好的利用,FDM,与,TDM,的有点将两种技术结合在一起叫做,码分多路复用（,CDMA,）,.,CDMA,的特点是所有子信道在同一时间可以使用整个信道进行数据传输，它在信道与时间资源上均为共享，因此，信道的效率高，系统的容量大,. CDMA,码分多路技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。,波分多路复用：是指在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波的复用技术。,主要用于全光纤网的通信系统中。,由于在光纤通道上传输的是光波，光波在光纤上的传输速度是固定的，所以光波的波长和频率有固定的换算关系。在一条光纤通道上，按照光波的波长不同划分成为若干个子信道，每个子信道传输一路信号就叫做波分多路复用技术。在实际使用中，不同波长的光由不同方向发射进入光纤之中，在接收端再根据不同波长的光的折射角度不同，再分解成为不同路的光信号由各个接收端分别接收。,波分多路复用（,WDM,）,2.5,数据交换技术,右图中,主机,H,1,H,5,通过交换网通信,结点,AE,是交换机,.,依交换机的功能和,数据传输方式的不同,交换形式分为三种,:,电路交换,报文交换,分组交换,A,B,C,D,E,H,1,H,2,H,3,H,4,H,5,H,6,本地回路,(,用户链路,),主干线,(,共享链路,),Web Server,Email Server,T,1,H,5,广域网,连接建立,数据传输,连接释放,电路交换,假定,H1,和,H5,通信。,通信过程分三个 阶段,:,(1),建立物理连接,-,主叫,T1,发出请求,交换结点沿途接通一条物理线路,(,假令为,A-C-BE),接收,T5,发出应答信号,通信线路建立,;,(2),数据传输,-,双方沿,A-C-B-E,线路传输数据，经过各结点时不存储停留,;,(3),拆除电路,-,通信结束,由某方请求拆线,收方应答释放,.,电路交换技术的优缺点：,数据传输可靠、迅速，通信实时性强。缺点是在有的环境下，电路空闲时的信道容量被浪费，而且数据传输阶段的时间不长的话，电路建立和拆除所用的时间也得不偿失，系统不具有存储数据的能力不具备差错控制的能力，无法发现与纠正传输过程中发生的数据差错。,宜用于长时间连续可靠传送大量数据（如公共交换电话网,PSTN,）,.,A C B E,t,T1,T5,A,B,C,D,E,T,1,主干线,(,共享链路,),T,5,广域网,报文,报文,报文,t A,报文,:,是网络中一次传输的信息块，可,以是一个程序、一个文件等；目的地址,附加在报文首部；,报文交换,:,结点把要发送的信息组织成一个数据包,报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储转发，最后到达目标。交换结点对各个方向上收到的报文排队，对找下一个转结点，然后再转发出去，这些都带来了排队等待延迟。报文交换适用于数字信号，计算机通信就采用报文交换。,报文交换 （见右图）,H1,X,X,E,H,5,A,B,C,D,E,H,1,H,5,广域网,本地回路,(,用户链路,),优缺点,:,报文交换线路利用率高，发送,时不要求接收器同时工作，且可以将一,个报文发送到多个目的地，网络通信量,较大时可以选择不同路由传送，普遍用,于电子信箱,;,报文交换延迟大，不能用,于实时与交互式通信及声音连接。,电子邮件系统（,E-mail,）适合采用报文交换方式。,3,分组交换,A,B,C,D,E,分组是指将报文划分成一个个等长数据段,将收发地址加在段首,构成一个个分组；,交换机内创建有转发表，用来 存储转发 ；,有两种传输方式：,数据报方式：每一分组（数据报）在网络中可独立选择路由；分组传输不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。,虚电路方式： 是一种类似于电路交换、面向连接的存储转发方式，每一个分组使用同一条路径传输。它之所以是,“,虚,”,的,是因为这条电路不是专用的,.,也就是说它并不象电路交换那样有一条专用通路,.,分组在每个节点上仍然需要缓冲,.,并在线路上进行排队等待输出。,H,1,H,5,报文分组,结点存储转发分组独立路由,按序重组,优点,:,是高效、灵活、迅速、可靠。宜用于多段链路之间点到点数据传输,;,缺点：分组处理开销大,在宽带高速交换网中很难满足实时性要求很强的业务需求,.,分组交换是在网络中使用最广泛的一种数据交换技术。,三种交换技术的比较及应用场合,小结三种技术的主要特点,:,1),电路交换,:,在数据传送之前必须先设置一条专用的通路,.,在线路放之前,该通路将由一对用户独占,.,对于突发式的通信电路交换效率不高,.,2),报文交换,:,报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式,在传送报文时,同时只占用一段通道,.,在交换节点中需要缓冲存储,报文需要排队,.,因此,报文交换不能满足实时通信的要求,.,3),分组交换,:,交换方式和报文交换方式类似,但报文被分成分组传送,并规定了最大的分组长度,.,在数据报分组交换中,目的地需要重新组装报文,.,在虚电路分组交换中,在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路,.,分组交换技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技术,.,教学目标：,了解差错控制的基本概念,掌握差错控制编码的基本原理,了解常用的差错控制方法,2.6,差错控制技术,教学内容 ：,差错控制概述,差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错，将差错限制在尽可能小的允许范围内。,差错控制编码,差错检测是通过差错控制编码来实现的。常用的差错控制编码有奇偶校验码和循环冗余校验码（,CRC,）。,差错控制方法,差错纠正是通过差错控制方法来实现的，常用的有反馈检测、自动请求重发（,ARQ,）和前向纠错（,FEC,）三种。,2.6,差错控制技术,重点,/,难点,：,差错的概念与差错控制编码原理,2.6,差错控制技术,差错,：,就是在通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致（误码、丢失）的现象。衡量差错对传输质量影响程度的指标是误码率,。,P,e,差错产生的原因：,信号介质传输衰减、信道频率特性不理想形成的码间串扰和系统中各种噪声引起的波形失真，最终导致数据误码；,数据通信双方收发速率不匹配导致接收缓存溢出而造成的数据丢失。,差错控制基本概念,发生差错的码元数,传输的总码元数,纠错措施：,流量控制：,为防止收方因接收缓存溢出导致数据丢失而采用的措施。,基本思路是：由收方控制发方的数据流量。,主要技术是：滑动窗口与自动请求重发（,ARQ,）。,信道编码：,为了保证通信系统的码元传输质量，降低误码率，对数据附加具有检错与纠错能力的冗余编码（,CRC,码）。,滑动窗口流量控制,实质：发送与接收数据帧数 被大小动态变化的缓冲区窗,口控制 ，确保接收缓存不溢出,.,0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7,0,0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7,0,0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7,0,例如：,设发送序号用,3bit,来编码；又设发送窗口,W,T,5,，在收到收方,ACK,确认帧之前，发送方最多可以发送出,5,个数据帧。发送滑动窗口,W,T,工作过程如下图所示：,（,a,）初始状态，可发送,0,4,号帧（发送完后，等待收方确认帧）,（,b,）收到,0,号帧确认帧，,W,T,向前滑动一个号，可发送,1,5,号帧,（,c,）又收到,3,号帧的累积确认，向前滑动,3,个号，可发送,4,7,及,0,号帧,W,T,实际操作,：,发端每发送一个新的数据帧的同时将该帧存入,一个先进先出队列；队列长度达到窗口大小时，,停止数据发送；只有在收到对应于队首帧的确认,时，才将队首帧清除，以便在出差错时重传。,注意：,窗口大小设置要适当,.,因为：一帧出错，重传帧数可能很多；窗口越大，序号开销也越大；然而窗口太小，信道利用率又太低。一般情况下,陆地链路只用,3 bit,编号,卫星链路时延大，用,7 bit,编号也已足够,.,常用的差错控制编码,原理：,发送方对准备传输的数据进行抗干扰编码，即按某种算法附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送。接收方收到数据后进行校验，即检查信息位和附加的冗余位之间的关系，以检查传输过程中是否有差错发生。差错控制编码分检错码和纠错码两种，检错码是能自动发现差错的编码，纠错码是不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。,编码方法：,常用的差错控制编码是奇偶校验码和循环冗余码。,（,1,）奇偶校验码,(VRC),是一种最简单的检错码。,原理：,通过增加冗余位来使得码字中,“,1,”,的个数保持为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。例如，,偶校验：,11010100,1,，,01101101,1,多用于计算机内部数据校验。,奇偶校验的特点：,面向,bit,编码检错；,检错能力低，只能检测出奇数个码错和一部分偶数个码错，且不能定位；,这种检错法所用设备简单，容易实现,(,可以用硬件和软件方法实现,),。,多用于短距离传输,(,如计算机内部,),校验。,校验码,由于器件质量不可靠，远距离传送带来的干扰或受来自电源，空间磁场影响等因素，使得信息在存取、传送和计算过程中难免会发生诸如,1,误变为,0,的错误，计算机一旦出错，要能及时检测并纠正错误，其中一种方法是对数据信息扩充，加入新的代码，它与原数据信息一起编码后具有发现错误的能力，能起这种作用的编码叫,校验码,（,2,）,循环冗余校验码（,CRC,码）,循环冗余码又称,CRC,码，简称循环码。,CRC,码检错能力强，且容易实现，是目前最广泛的检错码编码方法之一。在计算机网络中，,CRC,被广泛采用。,CRC,是一种检错码，其编码过程涉及,多项式知识,。多项式和比特串有一定的对应关系，例如，比特串,10010101110,可被解释成,X,10,+ X,7,+ X,5,+ X,3,+ X,2,+ X,1,它是由要传送的,k,位信息后附加一个,r,位的校验序列构成，并以该循环码（码字）进行发送和传输。,(1)CRC码串行传送的信息M(X)是一串k位二进制序列，在它被发送的同时，被一个事先选择的生成多项式,(,G(x),),相除，生成多项式,长r+1位,，相除后得到,r,位,余数,就是,校验位,，,将,校验位,接到,原k位,有效信息后面即,形成CRC码,。CRC码到达接收方时，接收方的设备一方面接收CRC码，一方面用同样的,生成多项式相除，,如果正好除尽，表示无差错，接收方去掉CRC码后面r位校验，收下k位有效信息；,CRC,码当不能除尽时，说明有信息的状态位发生了转变，即出错了。一般要求重新传送一次或立即纠错。,(2)CRC码计算,传送信息时,生成CRC码以及,接收时,对CRC码校验,都要与“生成多项式”相除,，这里二进位运算时不考虑进位和借位。取商的原则是当部分余数首位为1时商取1，反之商取,0,。当被除数逐位除完时，最后余数的位数比除数少一位。该余数就是校验位。它拼接在有效信息后面组成CRC码。,(3),生成多项式,CRC,码是,M(X),除以某一个预先选定的多项式后产生的，所以这个多项式叫生成多项式，它应能满足当任何一位发生传送错误时都能使余数不为,0,，这样能有利准确的纠错。,CRC,编、译码实例,若待传输的信息序列为,1001001,，生成多项式为,G(x),x,3,+x,2,+1,（,1101,），求,CRC,码的检验序列码，并验证收到的码字,1001001111,的正确性。,编码：,信息序列1001001对应的,码多项式,为K(x)x,6,+x,3,+1,x,r,.K(x)x,9,+x,6,+x,3,，对应的代码为1001001000 (,相当于信息码左移3位,),生成多项式G(x)x,3,+x,2,+1 对应的代码为1101,（,生成多项式,长r+1,）r=3,1 0 0 1 0 0 1 0 0 0,1 1 0 1,1 1 0 1,1 0 0 0,1 1 0 1,1 0 1 0,1 1 0 1,1 1 1 1,1 1 0 1,1 0 0 0,1 1 0 1,1 0 1 0,1 1 0 1,1 1 1,1 1 1 1 0 1 1,编码结果：,得到检验序列111。因此传输的代码序列为1001001,111,(,校验位,接到,原k位,有效信息后面即,形成CRC码,),CRC,码多项式为T(x)。,译码,：,如收到的代码为1001001,111,，则用其除以生成多项式对应的代码1101，得余数为0(,自己验证,)。说明信息在传输过程中没错，将最后的r位校验位码“111”去掉，就得到信息码1001001。,译码并纠错：,若收到的,T(x),代码为,1001001101,，按原过程计算，将其除以生成多项式对应的代码,1101,，得余数为,10(,如下页,),。这就说明传输有差错，差错,e(x)=x,，其代码为,10,。,将其纠正,1001001101+10=1001001111,1 0 0 1 0 0 1 1 0 1,1 1 0 1,1 1 0 1,1 0 0 0,1 1 0 1,1 0 1 0,1 1 0 1,1 1 1 1,1 1 0 1,1 0 1 0,1 1 0 1,1 1 1 1,1 1 0 1,0 1 0,1 1 1 1 0 1 1,运算演示：,CRC,码的特点,CRC,码是面向数据帧编码检错；,理论证明，循环冗余检验码能够检验出：全部奇数个错、全部偶数位错和全部小于、等于冗余位数的突发性错误；,差错控制工作方式,本节讨论接收端检测差错后如何纠正差错的问题。针对两种不同情况，有两种纠错方案。,通过抗干扰编码，实现检错并定位纠错,(,如,CRC,码,),；,接收端只能检测到差错，不能纠错,(,如由于应答帧丢失等,),， 可进一步采用请求重发,（,automatic repeat request,，,ARQ,）,方式纠错。,常用的差错控制方法有反馈检测、自动请求重发（,ARQ,）和前向纠错（,FEC,）。,(,1),反馈检测,反馈检测方法又称回送校验法。双方在进行数据传输时，接收方将接收到的数据重新发回发送方，由发送方检查是否与原始数据完全相符。如不相符，则发送方发送一个控制信息通知接收方删去出错的数据。并重新发送该数据；如相符，则发送下一个数据。其原理如下图所示,：,差错控制方法,特点：原理简单、实现容易、可靠性强，但开销大，信道利,用率低。,发送方发送下一数据,(2),自动请求重传法,(,ARQ,法,),反馈信道,前向信道,检错码编码器,信源,发送器,接收器,检错码译码器,信宿,噪声源,ARQ,方法原理图,重发控制,反馈控制,自动请求重发简称,ARQ,，是计算机网络中较常采用的差错控制方法。,ARQ,的原理是：发送方将要发送的数据附加上一定的冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据进行差错检测，如发现差错，则接收方返回请求重发的信息，发送方在收到请求重发的信息后，重新传送数据；如没有发现差错，则发送下一个数据，如下图所示。,为保证通信正常进行，还需引入计时器（防止整个数据帧或反馈信息丢失）和帧编号（以防止接收方多次收到同一帧并递交给网络层）。 特点：使用检错码（常用的有奇偶校验码和,CRC,码等）、必须是双向信道、发送方需设置缓冲器。,发送方发送下一数据,(3),前向纠错技术（,FEC,）,前向信道,纠错码编码器,信源,发送器,接收器,纠错码译码器,信宿,噪声源,FEC,方法原理图,原理：发送方将要发送的数据附加上一定的冗余纠错码一并,发送，接收方则根据纠错码对数据进行差错检测，如,发现差错，由接收方进行纠正，如下图所示。,特点：,使用纠错码（纠错码编码效率低且设备复杂）、单,向信道、发送方无需设置缓冲器。,几种差错控制方法的特点,ARQ,方法：,容易实现，设备简单，但要有反馈信道，信道质量差时反馈次数增多，影响传输效率和信息的连续性。,FEC,方法：,优点是发送时不需存储，不要反馈信道，缺点是译码设备复杂，纠错码与信道干扰情况相关，不大适合于计算机通信。,差错控制方法的选用,当差错较少或无反馈系统时,采用,FEC,控制，即采用有纠错功能编码；,当差错较多、纠错不彻底，且设备又充裕时， 用反馈纠错控制；,对停止等待流量控制协议来说,只能采用停止等待,ARQ,；,对滑动窗口流量控制协议来说， 可以采用返回,N,帧,ARQ,或 选择重发,ARQ,。,海明码,海明码是奇偶校验的一种扩充。它采用多位校验码的方式，在这些校验位中的每一位都对不同的信息数据位进行奇偶校验，通过合理地安排每个校验位对原始数据进行校验位组合，可以达到发现错误，纠正错误的目的。,假设数据位有,m,位，如何设定校验位,k,的长度才能满足纠正一位错误的要求呢,?,我们这里做一个简单的推导。,如果能够满足：,2k,1=m + k (m + k,为编码后的总长度,),，在理论上,k,个校验码就可以判断是哪一位,(,包括信息码和校验码,),出现问题。,编码步骤,(1),根据信息位数，确定校验位数，,2r = k+r+1,，其中，,k,为信息位数，,r,为校验位数。求出满足不等式的最小,r,，即为校验位数。,(2),计算机校验位公式。,表,1-3,校验位公式表,表,1-3,其实可以当成一个公式来套用，如有已经编码的数据,1100 1001 0111,。我们只需把这些数据填充到校验公式，即可得到信息位与校验位。填充的方法是这样的，首先看数据的最低位,(,即右边第,1,位,),，最低位为,1,，把,1,填充在公式表的,r0,位置，接着取出数据的次低位数据,(,即右边第,2,位,),，把它填充到,r1,位置，把右边第,3,位数填充到,I1,位置。依此类推，我们可以得到表,1-4,。,