計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第二章課件

1、第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)21 數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1 信息和數(shù)據(jù)1信息 信息是對客觀事物的反映,可以是對物質(zhì)的形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)、性能等全部或部分特性的描述，也可表示物質(zhì)與外部的聯(lián)系。信息有各種存在形式。2數(shù)據(jù) 信息可以用數(shù)字的形式來表示，數(shù)字化的信息稱為數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以分成兩類：模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)。模擬信號模擬信號是隨時間連續(xù)變化的物理量。如聲音就是一個模擬信號，當人說話時，空氣中便產(chǎn)生了一個聲波，這個聲波 包含了一段時間內(nèi)的連續(xù)值（無窮多個）。數(shù)字信號數(shù)字信號相對于時間和幅值而言都是不連續(xù)的，即離散的物理量，他只包含有限數(shù)目的固定值。最簡單的數(shù)字信號是二進制數(shù)字0和1.數(shù)字信號從一個值到另一

2、個值的變化是瞬時發(fā)生的。2.1.2 信道和信道容量1信道 信道是傳送信號的一條通道，可以分為物理信道和邏輯信道。 物理信道是指用來傳送信號或數(shù)據(jù)的物理通路，由傳輸及其附屬設(shè)備組成。 邏輯信道也是指傳輸信息的一條通路，但在信號的收、發(fā)節(jié)點之間并不一定存在與之對應(yīng)的物理傳輸介質(zhì)，而是在物理信道基礎(chǔ)上，由節(jié)點設(shè)備內(nèi)部的連接來實現(xiàn)。信道的分類 信道按使用權(quán)限可分為專業(yè)信道和共用信道。 信道按傳輸介質(zhì)可分為有線信道、無線信道和衛(wèi)星信道。 信道按傳輸信號的種類可分為模擬信道和數(shù)字信道。2信道容量 信道容量是指信道傳輸信息的最大能力，通常用數(shù)據(jù)傳輸率來表示。即單位時間內(nèi)傳送的比特數(shù)越大，則信息的傳輸能力也就

3、越大，表示信道容量大。2.1.3 碼元和碼字在數(shù)字傳輸中，有時把一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元，是構(gòu)成信息編碼的最小單位。計算機網(wǎng)絡(luò)傳送中的每一位二進制數(shù)字稱為“碼元”或“碼位”，例如二進制數(shù)字10000001是由7個碼元組成的序列，通常稱為“碼字”。2.1.4 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要技術(shù)指標1比特率：比特率是一種數(shù)字信號的傳輸速率，它表示單位時間內(nèi)所傳送的二進制代碼的有效位（bit）數(shù)，單位用比特每秒（bps）或千比特每秒（Kbps）表示。2波特率：波特率是一種調(diào)制速率，也稱波形速率。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)就是波特率，其單位為波特（baud）。3誤碼率：誤碼率指信息傳輸?shù)腻e誤率，也

4、稱誤碼率，是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下，衡量傳輸可靠性的指標。4吞吐量：吞吐量是單位時間內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)能夠處理的信息總量，單位是字節(jié)/秒或位/秒。在單信道總線型網(wǎng)絡(luò)中，吞吐量=信道容量傳輸效率。5通道的傳播延遲：信號在信道中傳播，從信源端到達信宿端需要一定的時間，這個時間叫做傳播延遲（或時延）。2.1.5 帶寬與數(shù)據(jù)傳輸率 1.信道帶寬 信道帶寬是指信道所能傳送的信號頻率寬度，它的值為信道上可傳送信號的最高頻率減去最低頻率之差。 帶寬越大，所能達到的傳輸速率就越大，所以通道的帶寬是衡量傳輸系統(tǒng)的一個重要指標。2.數(shù)據(jù)傳輸率 數(shù)據(jù)傳輸率是指單位時間信道內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，即比特率，單位為比?秒。 一

5、般來說，數(shù)據(jù)傳輸率的高低由傳輸每一位數(shù)據(jù)所占時間決定，如果每一位所占時間越小，則速率越高。2.2.1 數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.2.1 數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.3 數(shù)據(jù)通信方式 在計算機內(nèi)部各部件之間、計算機與各種外部設(shè)備之間、計算機與計算機之間，都是以通信的方式傳遞交換數(shù)據(jù)信息。本節(jié)將對通信方式進行介紹。 2.3.1 并行通信與串行通信 并行傳輸優(yōu)勢在于速度，并行通信適用于近距離傳輸。 串行通信比并行通信傳輸速度慢，但串行通信節(jié)省了大量通信設(shè)備和通信線路，其更適合遠距離通信。其在計算機網(wǎng)絡(luò)中普遍采用。2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型2.2.2 數(shù)據(jù)線路的通信方式 根據(jù)數(shù)據(jù)信

6、息在傳輸線上的傳送方向，數(shù)據(jù)通信方式有： 單工通信 半雙工通信 雙工通信2.3.2 單工、半雙工、全雙工通信 按照數(shù)據(jù)在線路上的流向，串行數(shù)據(jù)通信可分為3種類型：單工通信、半雙工通信和全雙工通信。單工數(shù)據(jù)傳輸：兩站之間只能沿指定方向傳輸數(shù)據(jù)，反向傳聯(lián)絡(luò)信號半雙工數(shù)據(jù)傳輸：兩站之間可以沿兩個方向傳輸數(shù)據(jù)，但兩個方向不能同時傳輸雙工數(shù)據(jù)傳輸:兩站之間可以同時兩個方向傳輸數(shù)據(jù) 基帶傳輸：不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送。比如：以太網(wǎng)（局域網(wǎng)）頻帶傳輸：數(shù)字信號調(diào)制成音頻模擬信號后在傳送，接收方需要解調(diào)。例：通過電話網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。寬帶傳輸：把信號調(diào)制成頻帶為幾十MHZ到幾百MHZ的模擬信

7、號后在傳送，接收方需要解調(diào)。例：閉路電視的信號傳輸。第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式一、線路交換方式（電路交換方式） 線路交換方式的通信過程線路建立階段：如果主機H1要向主機H2傳輸數(shù)據(jù)，首先要通過通信子網(wǎng)在主機H1與主機H2之間建立線路連接。主機H1首先向通信子網(wǎng)中節(jié)點A發(fā)送“呼叫請求包”，其中含有需要建立線路連接的源主機地址與目的主機地址。節(jié)點A根據(jù)目的主機地址，根據(jù)路選算法，如選擇下一個節(jié)點為B，則向節(jié)點B發(fā)送“呼叫請求包”。其它節(jié)點動作基本類同。至此，從“主機H1-節(jié)點A-節(jié)點B-節(jié)點C-節(jié)點D-主機H2”的專用物理線路連接建立完成。第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式一、線路交換方式（電路交換方式） 線路交換方

8、式的通信過程數(shù)據(jù)傳輸階段：在主機H1與主機H2通過通信子網(wǎng)的物理線路連接建立以后，主機H1與主機H2就可以通過該連接實時、雙向交換數(shù)據(jù)。線路釋放階段：在數(shù)據(jù)傳輸完成后，就要進入路線釋放階段。一般可以由主機H1向主機H2發(fā)出“釋放請求包”，主機H2同意結(jié)束傳輸并釋放線路后，將向節(jié)點D發(fā)送“釋放應(yīng)答包”，然后按照節(jié)點C-節(jié)點B-節(jié)點A-主機H1次序，依次將建立的物理連接釋放。這時，此次通信結(jié)束。第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式一、線路交換方式（電路交換方式） 線路交換方式的特點通信子網(wǎng)中的節(jié)點是用電子或機電結(jié)合的交換設(shè)備來完成輸入與輸出線路的物理連接；交換設(shè)備與線路分為模擬通信與數(shù)字通信兩類；線路連接過程完成

9、后，在兩臺主機之間已建立的物理線路連接為此次通信專用，電路利用率低；通信子網(wǎng)中的結(jié)點交換設(shè)備不能存儲數(shù)據(jù)，不能改變數(shù)據(jù)內(nèi)容，并且不具備差錯控制能力；信息傳輸效率較高，對用戶提供“透明”傳輸通路。第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式二、報文交換方式 報文交換的基本原理報文交換不事先建立物理電路，當發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，它把要發(fā)送的數(shù)據(jù)當作一個整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備先將報文存儲起來，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個交換設(shè)備，如此循環(huán)往復(fù)直至將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的結(jié)點。 報文的基本格式第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式二、報文交換方式 報文交換的特點線路效率較高，因為許多報文可以分時共享一條節(jié)點到節(jié)點的通道；

10、不需要同時使用發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)可以在接收器可用之前，暫時存儲這個報文；在線路交換網(wǎng)上，當通信量變得很大時，就不能接受某些呼叫；報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地；根據(jù)報文的長短或其他特征能夠建立報文的優(yōu)先權(quán)，使得一些短的、重要的報文優(yōu)先傳遞，且可以進行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式三、分組交換方式 分組交換的基本原理分組交換與報文交換的工作方式基本相同，形式上的主要差別在于，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度,一般選128B。 發(fā)送節(jié)點首先對從終端設(shè)備送來的數(shù)據(jù)報文進行接收、存儲，而后將報文劃分成一定長度的分組，并以分組為單位進行傳輸和交換。接收節(jié)點將接收到

11、的分組重新組裝成信息或報文。 分組的基本格式第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式三、分組交換方式 分組交換的實現(xiàn)方式虛電路方式：兩個用戶(DTE)在進行通信之前通過網(wǎng)絡(luò)建立的邏輯上的連接。在同一條物理線路上可以同時建立多個虛電路。包括呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和呼叫釋放階段。數(shù)據(jù)報方式：每個分組單獨傳送，稱為數(shù)據(jù)報，每個數(shù)據(jù)報都包含源節(jié)點和目的節(jié)點的地址信息。二者之間的比較：第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式三、分組交換方式 分組交換的特點具有分段差錯流量控制功能，傳輸質(zhì)量高；對線路動態(tài)多路復(fù)用，傳輸效率高；可在不同種類的終端之間通信；服務(wù)質(zhì)量(QoS)可靠，經(jīng)濟性好；時延不固定，平均時延較長；分組頭部增加開銷，不適宜傳送實時性要

12、求高的數(shù)據(jù)。第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式三、分組交換方式 分組交換的基本原理分組交換與報文交換的工作方式基本相同，形式上的主要差別在于，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度,一般選128B。 發(fā)送節(jié)點首先對從終端設(shè)備送來的數(shù)據(jù)報文進行接收、存儲，而后將報文劃分成一定長度的分組，并以分組為單位進行傳輸和交換。接收節(jié)點將接收到的分組重新組裝成信息或報文。 分組的基本格式第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式三、分組交換方式 分組交換的實現(xiàn)方式虛電路方式數(shù)據(jù)報方式I、傳輸需連接建立和釋放的過程；II、數(shù)據(jù)塊中僅含少量的地址信息，用戶的連續(xù)數(shù)據(jù)塊沿著相同的路徑，按序到達目的地；接受站點處理方便。III、如果虛電路中的某個結(jié)

13、點或者線路出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致虛電路傳輸失效。IV、虛電路方式較適合站點之間大批量的數(shù)據(jù)傳輸。I、傳輸無需連接建立和釋放的過程；II、每個數(shù)據(jù)報中需帶較多的地址信息；III、用戶的連續(xù)數(shù)據(jù)塊會無序地到達目的地；接受站點處理復(fù)雜。IV、當使用網(wǎng)狀拓撲組建網(wǎng)絡(luò)時，任一中間結(jié)點或者線路的故障不會影響數(shù)據(jù)報的傳輸（可以選擇不同的路徑），可靠性較高。V、數(shù)據(jù)報較適合站點之間少量數(shù)據(jù)的傳輸。第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式四、三種交換方式的比較 三種交換技術(shù)總結(jié)如下線路交換：在數(shù)據(jù)傳送之前需建立一條物理通路，在線路被釋放之前，該通路將一直被一對用戶完全占有； 報文交換：報文從發(fā)送方傳送到接收方采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式；分組交換

14、：此方式與報文交換類似，但報文被分成組傳送，并規(guī)定了分組的最大長度，到達目的地后需重新將分組組裝成報文。電路交換 報文交換 分組交換第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式四、三種交換方式的比較 三種交換技術(shù)總結(jié)如下線路交換：在數(shù)據(jù)傳送之前需建立一條物理通路，在線路被釋放之前，該通路將一直被一對用戶完全占有； 報文交換：報文從發(fā)送方傳送到接收方采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式；分組交換：此方式與報文交換類似，但報文被分成組傳送，并規(guī)定了分組的最大長度，到達目的地后需重新將分組組裝成報文。電路交換 報文交換 分組交換第二節(jié) 數(shù)據(jù)交換方式三、分組交換方式 分組交換的基本原理分組交換與報文交換的工作方式基本相同，形式上的主要差別在于

15、，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度,一般選128B。 發(fā)送節(jié)點首先對從終端設(shè)備送來的數(shù)據(jù)報文進行接收、存儲，而后將報文劃分成一定長度的分組，并以分組為單位進行傳輸和交換。接收節(jié)點將接收到的分組重新組裝成信息或報文。 分組的基本格式（1）電路交換：在數(shù)據(jù)傳輸期間，源（發(fā)送點）與目的（接收點）之間構(gòu)成一條實際連接的專用物理線路。（2）報文交換：不需要建立一條專用物理線路，信息分成報文一站一站地從源地址送到目的地址。即存儲-轉(zhuǎn)發(fā)方式。報文長度不固定，有點像寄出一封信傳送方式一樣。（3）分組交換：同樣不需要建立一條專用物理線路，不過信息傳送的單位不是報文，而是分組。特征是其最大長度比報文短很多

16、?；驹砼c報文交換相同。2.2.3 數(shù)據(jù)傳輸方式 數(shù)據(jù)傳輸方式依其數(shù)據(jù)在傳輸線原樣不變地傳輸還是調(diào)制變樣后再傳輸，可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸?shù)确绞健?1.基帶傳輸 2.頻帶傳輸 3.寬帶傳輸2.3 數(shù)據(jù)交換技術(shù)通常使用四種交換技術(shù)：電路交換報文交換分組交換信元交換。2.3.1 電路交換電路交換（也稱線路交換）在電路交換方式中，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（交換設(shè)備）在工作站之間建立專用的通信通道，即在兩個工作站之間建立實際的物理連接。一旦通信線路建立，這對端點就獨占該條物理通道，直至通信線路被取消。電路交換的主要優(yōu)點是實時性好，由于信道專用，通信速率較高；缺點是線路利用率低，不能連接不同類型的線路組

17、成鏈路，通信的雙方必須同時工作。 電路交換必定是面向連接的，電話系統(tǒng)就是這種方式。 電路交換的三個階段：電路建立階段數(shù)據(jù)傳輸階段拆除電路階段2.3.2 報文交換報文是一個帶有目的端信息和控制信息的數(shù)據(jù)包。報文交換采取的是“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”（Store-and-Forward）方式，不需要在通信的兩個節(jié)點之間建立專用的物理線路。報文交換的主要缺點是網(wǎng)絡(luò)的延時較長且變化比較大，因而不宜用于實時通信或交互式的應(yīng)用場合。在 20 世紀 40 年代，電報通信也采用了基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理的報文交換(message switching)。 報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等。現(xiàn)在，報文交換已經(jīng)很少有人使用了。

18、2.3.3 分組交換分組交換也稱包交換，它是報文交換的一種改進，也屬于存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，但它不是以報文為單位，而是以長度受到限制的報文分組（Packet）為單位進行傳輸交換的。分組也叫做信息包，分組交換有時也稱為包交換。分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，還可以分為兩種不同的方式：數(shù)據(jù)報和虛電路。數(shù)據(jù)報無連接，分組經(jīng)過不同路徑，亂序，不可靠。對于短報文數(shù)據(jù)，通信傳輸率比較高，缺點是傳輸時延較大，時延離散度大。54231ABCDE432113222434312 3 1 4虛電路面向連接，分組按序到達，可靠。優(yōu)點 ：對于數(shù)據(jù)量較大的通信傳輸率高，分組時延短。缺點是：對網(wǎng)絡(luò)的依賴性較大。54321AEDCB4 3 2 14 3 2 14 3 2 1 虛電路這一術(shù)語是為了區(qū)別線路交換而言的，線路交換是各交換節(jié)點未發(fā)送站和接收站建立一條專用的物理通路。而虛電路是在交換節(jié)點之間建