计算机网络第3章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 网络接口层,曹佳,网络接口层,物理层,数据链路层,对于这一层，,TCP/IP,参考模型没有进行详细的描述，只定义了接口,本章内容,基本概念,传输介质,编码解码和调制解调,传输技术,差错控制,多路复用技术,实例：网卡的工作原理,计算机：数据,为了把数据存储在计算机上，需要编码,编码：把信息表示成计算机可以存储,/,识别的形式,例如,单字节：,ASCII,双字节：,Unicode,ANSI,ASCII,码,A,merican,S,tandard,C,ode for,I,nformation,I,nterchange,7,位二进制,-7bit,字符,5,的,ASCII,码,011 0101,可以表示的字符数目,2,7,=128,扩展,ASCII,8bit,可以表示的字符数目,2,8,=256,Unicode,16bit,(,2,个字节,B,1B=8bit,),表示一个字符,实现了使用单个字符集代表世界上几乎所有书面语言,可以表示的字符数目,2,16,=65,536,线路：信号,传输过程中,数据的物理量编码,模拟信号,(analog signals),数字信号,(digital signals),数据传输,数据以信号的方式在线路上传输,计算机只能识别数字信号。所以如果传输线路只支持模拟信号，那么需要调制解调器,(,modem,),发送：数字信号,模拟信号,接收：模拟信号,数字信号,传输速度,比特率,(,单位,bps),表示数据的传送速率,(,带宽,),数据通信方式,串行和并行,单工、半双工和全双工,串行和并行,单工、半双工和全双工,同步技术,通信双方在时间基准上保持一致,发送方和接收方的速度匹配,同步频率,接收方知道什么时候发送开始，什么时候结束,外同步（提前打节拍）,本章内容,基本概念,传输介质,有线、无线,数据编码解码和调制解调,传输技术,差错控制,多路复用技术,实例：网卡的工作原理,2.1,有线,双绞线,同轴电缆,光纤,双绞线,2,根、,4,根、,8,根,对旋目的,:,使得各线对之间的电磁干扰最小,RJ45,插头,(,水晶头,),插脚编号,作用,1,输出数据,(-),2,输出数据,(-),3,输入数据,(+),4,保留为电话使用,5,保留为电话使用,6,输入数据,(+),7,保留为电话使用,8,保留为电话使用,直连网线,交叉网线,1-3 2-6,设备连接方式,(,参考手册,),主机,路由器,集线器,主机,交叉,交叉,直连,路由器,交叉,交叉,直连,集线器,直连,直连,交叉,同轴电缆,Coaxial Cable,流行于,2 0,世纪,8 0,年代，后来双绞线电缆逐渐取代了同轴电缆,应用：总线局域网,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,光纤,依靠光波承载数据,纤芯材料：塑料,二氧化硅,(,高纯玻璃,),多束光线以不同的反射角传播,激光器,包层，折射率低,纤芯，折射率高,亮度调制,光检波器,多模光纤,(MMF),优点,传输带宽高,:,仅受光电转换器件的限制,(,100Gbps),传输损耗小，适合长距离传输,抗干扰性能极好、误码率低,保密性好,轻便,缺点,价格较高,需要光电转换,无线电,基站与终端之间通信采用无线链路,应用领域,:,移动通信、无线局域网,WLAN,BS,基站覆盖的无线电区域,BS,基站,用户计算机和终端,蜂窝无线通信,GSM,全球移动通讯系统,(,只能打电话,),GPRS,通用分组无线服务,(,移动数据业务,)56Kbps115Kbps,EDGE(GPRS,的增强版,)473Kbps,3G,宽带数据业务,2Mbps,卫星通讯,卫星通讯的特点,传输距离长,传输延迟,为,540ms(up and down),应用场景,不适合实时性要求很高的应用,低轨道卫星,微软与麦考通信公司,Teledesic,支持电话,视频会议、交互式多媒体通信与实时双向等宽带业务,Motorola,铱星计划,77,颗,(,后来减为,66,颗,),本章内容,基本概念,传输介质,有线、无线,数据编码解码和调制解调,数据编码解码,数据调制解调,传输技术,差错控制,多路复用技术,实例：网卡的工作原理,编码与解码,编码：把数据转换成数字信号,解码：把数字信号转换成数据,编码,解码,x(t),数字信道,调制与解调,调制：把数据转换成模拟信号,解调：把模拟信号转换成数据,调制,解调,s(t),载波,模拟信道,3.1,编码,把数据转换成数字信号,用于计算机和普通的计算机网络之间,数字数据的编码,（,1,）数字数据的编码,使数字数据能在数字信道上传输,主要的方法：,不归零码,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,不归零码,NRZ,，,Non-Return to Zero,二进制数字,0,、,1,分别用两种电平来表示,常用,5V,表示,1,，,5V,表示,0,；,缺点,存在直流分量,传输中不能有变压器或电容,不具备自同步机制,传输时必须使用外同步,时钟,0,1,0,0,NRZ,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,曼彻斯特编码,Manchester Coding,用电压的变化表示,0,和,1,。,高低的跳变代表,0,，低高的跳变代表,1,规定在,每个码元的中间发生跳变,每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同步信号,属于自同步码,缺点,需要双倍的传输带宽,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,Manchester,差分曼彻斯特编码,Differential,Manchester Coding,每个码元的中间仍要发生跳变，所以也是自同步编码,用码元开始处有无跳变来表示,0,和,1,有跳变代表,0,无跳变代表,1,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,Manchester,差分,Manchester,3.2,调制,把数据转换成模拟信号,计算机电话线上网,数字数据的调制,使数字数据能在模拟信道上传输,0101,模拟信号,基本方法：,载波,线路本身传输一个固定形式的信号，发送方把待发信号与这个固定信号进行“叠加”；接收方接收混合信号，从中分离出相关的信号,低频的信息信号叠加到高频载波上,采用载波的原因,发射天线的长度至少是被发送信号波长的,1/4,v=f,人的话音信号频率,:1007500,赫。如果用无线电波把,5000,赫的声波直接传播出去，就需要,数公里,的天线。,如果用导线来传送低频信号，由于衰减太大，同样难以实现,调制原理,用数字信号对载波的不同参量进行调制,载波信号,S(t)=,A,cos(,t+,),S(t),的参量包括,:,幅度,A,、,频率,、,初相位,调制就是要使,A,、或随数字基带信号的变化而变化,三种常用的调制技术,幅移键控,ASK,Amplitude Shift Keying,频移键控,FSK,Frequency Shift Keying,相移键控,PSK,Phase Shift Keying,幅移键控,ASK,、,频移键控,FSK,、,相移键控,PSK,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,PSK,语音信号数字化,PCM,Pulse Coded Modulation,脉冲编码调制,采样,对连续模拟的信号,定时,进行采样，从而得到离散的信号,需要从离散信号恢复到原来的连续信号,那么采样的间隔时间是多少？即采样频率是多少,采样定理,一个连续变化的模拟信号，假设有最高频率,Fmax,，若采样频率为,F,能满足,F=2Fmax,那么采样后的离散序列就能恢复出原始连续模拟信号。,PCM,编码过程举例,语音信号,011 100 011 011 001 100,PCM,输出,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,量化,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,采样,PCM,的三个基本过程,采样,根据采样定理，每隔一段时间对语音信号进行采样，产生离散的,脉冲信号,量化,把每个脉冲信号按量级近似到最接近的量化级别上，把脉冲信号转化为,数字信号,编码,用一定位数的二进制编码对这些数字信号进行,编码,（数据）,对于,PCM,，如果要对频率为,600Hz,的某种语音信号进行采样，那么采样频率为多少？,本章内容,数据通信的基本概念,传输介质,数据编码解码和调制解调,传输技术,基带传输,频带传输,差错控制,多路复用技术,实例：网卡的工作原理,定义,基带传输：在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输,频带传输：在模拟信道上的传输,网线；电话线,曼彻斯特、差分曼彻斯特；调制解调,调制解调器的作用是,信道传输速率,信道速率,vs.,带宽,如同：汽车的通过流量,vs,路宽,理论：最大数据传输速率与信道带宽的关系,Nyquist,准则（理想信道，无干扰）,Shanon,定律（有干扰信道,),信道速率,(bps)vs.,波特率,(baud),波特率：信号每秒钟变化的次数,比特率：每秒传送的二进制位数,波特率与比特率的关系,每个信号值表示位，则比特率是波特率的倍,每个信号值可表示位，则比特率和波特率相同,Nyquist,准则,有限带宽，无噪音信道,一理想信道带宽为,B(Hz),，,信道最大数据传输率,R(,波特,),为,R=2B,Shanon,定律,有限带宽，有噪音信道,数据传输速率,R(,波特,),与 信道带宽,B(Hz),、信噪比,S/N,的关系为,R=B*log,2,(1+S/N),S/N:,一般信噪比的单位是分贝,(dB),，本公式需要转换成普通的倍数关系：,分贝,=10*lg(S/N),30db=10*lg 1000,对于,PCM,，如果要对频率为,600Hz,的某种语音信号进行,PCM,编码，传送,PCM,信号的信道带宽为,3Khz,，那么采样频率应该为多少？,本章内容,基本概念,传输介质,数据编码解码和调制解调,传输技术,差错控制,多路复用技术,实例：网卡的工作原理,5.,差错控制技术,在通信过程中，检测、纠正差错,计算机通信要求极低的差错率,主要方法：,检错码：仅仅发现差错,纠错码：发现差错并且恢复数据,5.1,误码率,二进制数据在传输系统中被错传的概率,Pe=Ne/N,Ne,被错传的数据位数,N,被传数据的总位数,关于误码率的几个说明,误码率应该是,衡量,数据传输系统正常工作状态下传输,可靠性的参数,；,对于一个,实际,的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；,对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成,二进制比特,来计算；,差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。,5.2,检错码,仅仅让每个数据块携带足以使接收端,发现,差错的冗余信息,此时接收方可能要求发送方重新传输这个数据块,奇偶校验码,循环冗余校验码（在一定程度上，也有纠错功能）,奇偶校验码,奇校验,/,偶校验,例,:1100010,增加一个,偶校验位,后为,1,1100010,偶数个,1,时，偶校验位为,0,只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出,所以检错能力差,CRC,码,了解,待发送的信息：,110011,生成多项式,11001,计算,CRC,5.3,处理差错,发现错误之后，需要处理差错,通常采用反馈重发纠错实现机制,反馈重发机制的分类,停止等待方式,连续工作方式,拉回方式,选择重发方式,停止等待方式,连续工作方式,:,拉回方式,连续工作,:,选择重发方式,本章内容,数据通信的基本概念,传输介质,数据编码解码和调制解调,差错控制,传输技术,多路复用技术,实例,6.,多路复用的基本思想,把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据,DEMUX,复用器,解复用器,共享信道,MUX,信源,信宿,复用方法,频分复用,FDM,按频率划分不同的信道,如,CATV,系统,波分复用,WDM,按波长划分不同的信道,用于光纤传输,时