第4講網(wǎng)絡(luò)通信方法

1、網(wǎng)絡(luò)基本概念馬惟哲電子郵件:第四章 網(wǎng)絡(luò)通信方法4.1 信號(hào)傳輸方法和特性 4.2 信號(hào)傳輸與通信問題4.3 介質(zhì)訪問方法 我們可以按照不同的特征對(duì)被編碼的信號(hào)進(jìn)行分類。4.1 信號(hào)傳輸方法和特性 模擬或數(shù)字基帶多路復(fù)用單工、半雙工以及全雙工傳輸同步或異步4.1.1 模擬與數(shù)字 1.模擬信號(hào)的特性振幅-信號(hào)的強(qiáng)度，由波高表示頻率-波完成一個(gè)周期所需要的時(shí)間相位-一個(gè)波相對(duì)于另一個(gè)波的狀態(tài)，以度來測量模擬信號(hào)不斷變化的電磁波4.1.1 模擬與數(shù)字 2.數(shù)字信號(hào)的特性也叫離散信號(hào)（discrete state），從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的變化，通常是瞬時(shí)的，沒有中間狀態(tài)。數(shù)字信號(hào)代表了固定的、離散狀

2、態(tài)4.1.1 模擬與數(shù)字 3.比較模擬與數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字設(shè)備通常比模擬設(shè)備便宜數(shù)字信號(hào)通常不容易受干擾數(shù)字連接方式通常提供較好的安全性、較快的速度和較高的可靠性，另外差錯(cuò)率也少的多。模擬信號(hào)的也有優(yōu)點(diǎn)：模擬信號(hào)很容易進(jìn)行多路復(fù)用，也就是組合起來增加帶寬模擬信號(hào)不容易長距離衰減LAN通常依賴于電纜，通過它傳輸數(shù)字信號(hào)。某些WAN技術(shù)使用模擬信號(hào)。4.1.2基帶與寬帶 1.基帶技術(shù)特性基帶傳輸很簡單-每次一個(gè)信號(hào)通過電纜。這個(gè)信號(hào)占用了整個(gè)帶寬。基帶通常與數(shù)字信號(hào)相關(guān)(盡管它也可以用于模擬信號(hào))?；鶐盘?hào)是雙向的。多數(shù)計(jì)算機(jī)通信用基帶技術(shù)；計(jì)算機(jī)到監(jiān)視器、打印機(jī)和其它外設(shè)。 2.寬帶技術(shù)特

3、性寬帶技術(shù)允許將鏈路容量分成兩個(gè)或更多信道，每個(gè)信道可以攜帶不同的信號(hào)。所有的信道都可以同時(shí)發(fā)送信號(hào)。寬帶信號(hào)是單向的，但是帶寬可以分成兩個(gè)信道，一個(gè)用于發(fā)送，一個(gè)用于接收。這叫中分帶寬配置(midsplit broadband configuration)。CATV、數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line,DSL)4.1.3多路復(fù)用 多路復(fù)用是一種在同一時(shí)間、同一鏈路上以單獨(dú)、復(fù)雜信號(hào)的形式發(fā)送不同信息流的方法。單獨(dú)的信息流隨后在接收端恢復(fù)。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都可以使用多路復(fù)用。頻分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用密集光波分多路復(fù)用4.1.3多路復(fù)用 頻分多路復(fù)用(Frequency

4、-division multiplexing,FDM)模擬信號(hào)通常使用FDM。多個(gè)信道可以在一個(gè)單獨(dú)的線路上組合起來進(jìn)行傳輸，每條信道被分配不同的頻率。雙向通信線路在每一端需要多路復(fù)用器/多路解復(fù)用器。信號(hào)2信號(hào)3信號(hào)1多路復(fù)用器多路分解器 結(jié)合在一起的信號(hào)在單獨(dú)的信路上傳輸，每個(gè)信號(hào)都被分配了不同的頻率4.1.3多路復(fù)用 時(shí)分多路復(fù)用(Time-division multiplexing,TDM)數(shù)字信號(hào)通常使用TDM。這種方法將信號(hào)組合在一起，通過單獨(dú)的通信線路傳輸，并將每個(gè)信號(hào)分解成短時(shí)隙。信號(hào)隨后在交替的時(shí)隙中傳輸。信號(hào)2信號(hào)3信號(hào)1多路復(fù)用器多路分解器 信號(hào)分解成短期部分，在同一個(gè)線

5、路上傳輸4.1.3多路復(fù)用 密集光波分多路復(fù)用(Dense wavelength multiplexing,DWDM)通過使用DWDM，每個(gè)信號(hào)都被攜帶在單獨(dú)的光波長上。不同的數(shù)據(jù)格式（例如，SONET和ATM）可以同時(shí)通過相同的光纜傳輸。 多個(gè)光信號(hào)可以結(jié)合在一起，作為組合放大信號(hào)通過單根光纖傳輸信號(hào)可以按照不同格式(SONET,ATM等)、不同位速率來傳輸4.1.4異步傳輸與同步傳輸在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要高度的協(xié)同工作。為了正確的解釋信號(hào)，接收方必須確切地知道信號(hào)應(yīng)當(dāng)何時(shí)接收和處理，因此定時(shí)是至關(guān)重要的。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，定時(shí)的因素稱為位同步。同步是要接收方按照發(fā)送方發(fā)送

6、的每個(gè)位的起止時(shí)刻和速率來接收數(shù)據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。通?？梢圆捎猛交虍惒降膫鬏敺绞綄?duì)位進(jìn)行同步處理。異步傳輸異步傳輸將比特分成小組進(jìn)行傳送，小組可以是8位的1個(gè)字符或更長。發(fā)送方可以在任何時(shí)刻發(fā)送這些比特組，而接收方從不知道它們會(huì)在什么時(shí)候到達(dá)。因此，每次異步傳輸?shù)男畔⒍家砸粋€(gè)起始位開頭，它通知接收方數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)了，這就給了接收方響應(yīng)、接收和緩存數(shù)據(jù)比特的時(shí)間；在傳輸結(jié)束時(shí)，一個(gè)停止位表示該次傳輸信息的終止。在上面的例子，每8個(gè)比特要多傳送兩個(gè)比特，總的傳輸負(fù)載就增加25%。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量很小的低速設(shè)備來說問題不大，但對(duì)于那些數(shù)據(jù)傳輸量很大的高速設(shè)備來說，25%的負(fù)載增值就相當(dāng)嚴(yán)重了。因此，

7、異步傳輸常用于低速設(shè)備。4.1.4異步傳輸與同步傳輸同步傳輸同步傳輸?shù)谋忍胤纸M要大得多。它不是獨(dú)立地發(fā)送每個(gè)字符，而是把它們組合起來一起發(fā)送。我們將這些組合稱為數(shù)據(jù)幀，或簡稱為幀。數(shù)據(jù)幀的第一部分包含一組同步字符，它是一個(gè)獨(dú)特的比特組合，類似于前面提到的起始位，用于通知接收方一個(gè)幀已經(jīng)到達(dá)，但它同時(shí)還能確保接收方的采樣速度和比特的到達(dá)速度保持一致，使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。幀的最后一部分是一個(gè)幀結(jié)束標(biāo)記。與同步字符一樣，它也是一個(gè)獨(dú)特的比特串，類似于前面提到的停止位，用于表示在下一幀開始之前沒有別的即將到達(dá)的數(shù)據(jù)了。同步傳輸通常要比異步傳輸快速得多。接收方不必對(duì)每個(gè)字符進(jìn)行開始和停止的操作。一旦檢測

8、到幀同步字符，它就在接下來的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)接收它們。另外，同步傳輸?shù)拈_銷也比較少。4.1.5單工、半雙工以及全雙工傳輸 單工傳輸信號(hào)只能在一個(gè)方向上傳輸，就好象單行道上的交通。傳統(tǒng)的有線電視。SpeakerMicrophone單向： 信號(hào)只在一個(gè) 方向上流動(dòng)4.1.5單工、半雙工以及全雙工傳輸 半雙工傳輸信號(hào)可在兩個(gè)方向上傳輸，但每次只有一個(gè)方向可以傳輸數(shù)據(jù)。警察的通信移動(dòng)臺(tái)。半雙工： 信號(hào)每次只在一個(gè)方向上流動(dòng)Cell PhoneCell Phone4.1.5單工、半雙工以及全雙工傳輸 雙工傳輸信號(hào)可在兩個(gè)方向上同時(shí)傳輸。普通電話。全雙工： 信號(hào)同時(shí)在兩個(gè)方向上流動(dòng) 我們?cè)趯?duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障排除時(shí)，

9、應(yīng)該牢記以下幾個(gè)問題。4.2 信號(hào)傳輸與通信問題 電磁干擾無線電射頻干擾串音衰減 轉(zhuǎn)發(fā)器可以用來放大數(shù)字信號(hào)，放大器適用于模擬信號(hào)的放大。帶寬能力問題 在網(wǎng)絡(luò)中需要類似交通管理規(guī)則的方法來控制對(duì)介質(zhì)的訪問。一些不同的方法對(duì)應(yīng)著不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和拓?fù)?。下面我們討論最流行的方法?.3 介質(zhì)訪問方法 載波偵聽多路訪問沖突檢測 (Carrier sense multiple access collision detect,CSMA/CD)載波偵聽多路訪問沖突避免 (Carrier sense multiple access collision avoidance,CSMA/CA)令牌傳遞請(qǐng)求優(yōu)先權(quán)

10、4.3.1 CSMA/CD 載波偵聽多路訪問訪問檢測是現(xiàn)代LAN上最流行的訪問控制方法。CSMA/CD是用于載波傳輸訪問以太網(wǎng)的協(xié)議。在以太網(wǎng)上，每個(gè)設(shè)備可以在任何時(shí)候發(fā)送幀。每個(gè)設(shè)備先檢測線路是否可用，如果可用就發(fā)送。如果其它設(shè)備在同時(shí)也這樣做了，沖突就發(fā)生了，相應(yīng)的幀也就拋棄了。每個(gè)設(shè)備停一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間然后再發(fā)送，直到發(fā)送成功。CSMA/CD是IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)說明的。4.3.2 CSMA/CA 載波偵聽多路訪問沖突避免在某些方面與CSMA/CD有關(guān)。同樣，首先要做的是計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)來監(jiān)視電纜并確定它是否空閑。是一種較少信任的訪問方法。如果計(jì)算機(jī)偵測到目前線路上沒有信號(hào)，它并不會(huì)假

11、定線路是安全的，隨后發(fā)出寶貴的數(shù)據(jù)到那里，去冒滅亡的危險(xiǎn)。相反，計(jì)算機(jī)首先發(fā)送一個(gè)稱為請(qǐng)求發(fā)送的信號(hào)(request to send,RTS)，宣布計(jì)算機(jī)打算發(fā)送，信號(hào)如果發(fā)生沖突，但是不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)的丟失。因?yàn)槌藬?shù)據(jù)本身外，所有RTS消息都必須發(fā)送出去，對(duì)性能有負(fù)面影響。4.3.3 令牌傳遞前面介紹過的CSMA/CD媒體訪問控制采用總線爭用方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、在輕負(fù)載下延遲小等優(yōu)點(diǎn)，但隨著負(fù)載的增加，沖突概率增加，性能將明顯下降。采用令牌環(huán)媒體訪問控制具有重負(fù)載下利用率高、網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)距離不敏感以及具有公平訪問等優(yōu)越性能,但環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在檢錯(cuò)和可靠性等問題。令牌傳遞是非爭用的辦法，因?yàn)?

12、臺(tái)計(jì)算機(jī)不會(huì)同時(shí)傳輸信號(hào)，是一種非常文明禮貌的控制方法。稱作令牌的信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)上循環(huán)(最常用于環(huán)狀拓?fù)?，但是令牌也可以用在總線上)，直到它到達(dá)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的計(jì)算機(jī)處。4.3.3 令牌傳遞站點(diǎn)只有取得令牌，才能發(fā)送幀，而令牌在邏輯環(huán)上依次循環(huán)傳遞。在正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)站點(diǎn)做完該做的工作或者時(shí)間終了時(shí)，它將令牌傳遞給邏輯序列中的下一個(gè)站點(diǎn)。從邏輯上看，令牌是按地址的遞減順序傳送至下一個(gè)站點(diǎn)的。計(jì)算機(jī)必須等待傳輸，直到它具有令牌為止 令牌轉(zhuǎn)圈，當(dāng)令牌最終到達(dá)報(bào)頭中的目的地址時(shí)，該計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡將復(fù)制此數(shù)據(jù)。追加信息到令牌，證實(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)接收，然后發(fā)送令牌返回。4.3.4 請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)100VG-AnyLAN是

13、Hewlett-packard(HP)公司開發(fā)的CSMA/CD替代方案，它支持實(shí)時(shí)性的應(yīng)用。根據(jù)工作站的需求，100VG-AnyLAN介質(zhì)訪問方法被設(shè)計(jì)為以太網(wǎng)和16Mbps 令牌環(huán)網(wǎng)的升級(jí)途徑。100VG-AnyLAN網(wǎng)絡(luò)使用一系列集線器來實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求優(yōu)先訪問法父集線器子集線器子集線器子集線器4.3.4 請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)100VG-AnyLAN采用優(yōu)先訪問控制方法解決沖突問題,它比100BaseT的通信量大，因?yàn)榧€器控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問，因此，優(yōu)先訪問控制方法比CSMA/CD更有效。 100VG-AnyLAN中，第一級(jí)集線器或稱為根集線器或根中繼器，它控制優(yōu)先域的工作。在星型拓?fù)渲?，集線器可分成三級(jí)，互聯(lián)的集線器可以看作一個(gè)大的中繼器，根中繼器按排序輪詢端口。 在100VG-AnyLAN的優(yōu)先控制操作中，如果某一節(jié)點(diǎn)想發(fā)送信息，必須先給集線器（或交換機(jī)）發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)，如果網(wǎng)絡(luò)空閑，集線器立即響應(yīng)，該節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包給集線器。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求，集線器采用輪詢支術(shù)順序響應(yīng)，高優(yōu)先級(jí)的請(qǐng)求（如實(shí)時(shí)電視會(huì)議）比一般優(yōu)先級(jí)的請(qǐng)求先得到響應(yīng)，為發(fā)對(duì)所有工作站公平，在一次輪詢中，集線器賦予任一端口的優(yōu)先訪問權(quán)不會(huì)超過兩次。 100VG-AnyLAN支持以下電纜類型：4對(duì)3類非屏蔽雙絞線（UTP）、2對(duì)4類或5類UTP、屏蔽雙絞線（STP）、 光纖 .小結(jié)這一章討論了信號(hào)級(jí)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳