计算机数据通信基础知识及体系结构

1、第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构第第2章章 计算机数据通信基础知识计算机数据通信基础知识及体系结构及体系结构2.1 数据通信基础知识数据通信基础知识2.2 计算机通信接口计算机通信接口2.3 异种系统的互连异种系统的互连2.4 网络体系与层次结构网络体系与层次结构2.5 ISO/OSI开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型2.6 TCP/IP协议综述协议综述2.7 OSI参考模型与参考模型与TCP/IP参考模型的比较参考模型的比较2.8 本章小结本章小结练习题练习题第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2.1

2、数据通信基础知识数据通信基础知识2.1.1 数据通信的基本概念1. 信息、数据和信号在计算机网络中，通信的目的是传输信息或消息。信息(Information) 是消息 (Message) 所包含的内容，它的载体是数字、文字、语音、图形和图像等。数据 (Data) 是传递信息的实体，它总是和一定的形式相联系的，而信息(Information)则是该数据的内容或解释。数据分两种：模拟数据和数字数据。前者取连续值，后者取离散值。模拟数据反映的是连续消息，如话音和图像等。话音的声压是时间的连续函数。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构数字数据反映的是离散消息，就

3、是用一系列符号代表的消息，而每个符号只可以取有限个值。数字数据在传送时，一段时间内传送一个符号，因此在瞬间内数据是离散的。因此，用来反映取值上离散的文字或符号的数据是数字数据。信号(Signal)是数据的电编码或电磁编码。它分为两种：模拟信号和数字信号。模拟信号是一种连续变化的电信号，它用电信号模拟原有消息。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构显然，模拟信号的取值可以有无限多个，图2-1 (a) 表示话音声压随时间连续变化的消息，图2-1(b) 表示与之相应的电流幅度随时间变化的电信号。数字信号是一种离散信号，它的取值是有限个，比如计算机及其外围设备产

4、生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母、数字或控制符号。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构声压t(a)ti(b)图2-1 模拟信号第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2信道及信道的类型1) 信道传输信息的通路称为“信道”。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。2) 物理信道和逻辑信道在计算机网络中，有物理信道和逻辑信道之分。 3) 有线信道和无线信道根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构4) 模拟信道和

5、数字信道如果按照信道中传输的数据信号的类型来分，物理信道又可以分为模拟信道和数字信道。模拟信道传输的是模拟信号，而数字信道直接传输二进制数字脉冲信号。5) 专用信道和公共交换信道如果按照信道的使用方式来分，又可以将信道分为专用信道和公共交换信道。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构专用信道有两种连接方式：一种是点对点式连接(点点连接)；另一种是点对多点式连接(多点连接)，参见图2-2。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构主机调制解调器调制解调器终端主机调制解调器调制解调器终端调制解调器终端调制解调器终端图2-2

6、通信信道连接类型(a) 点对点式连接；(b) 点对多点式连接第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构3数据通信系统的主要技术指标比特(bit)是二进制(Binary Digit)的缩写，即计算机中常用的术语“位”，在数据通信中用它来度量消息的信息量。“码元”是对计算机网络中传送的二进制数字中每一位的通称，或称为“码位”。二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”，在7位ASCII码中，这个码字就是字母A。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构1) 数据传输率S数据传输率又称比特率，是指数字信号的传输

7、速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数，单位用比特每秒(b/s)表示。数据传输率S可用以下公式计算：S=lb n第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构式中：T信号脉冲重复周期；n一个脉冲信号代表的有效状态数，是2的整倍数，例如，二进制的一个脉冲可表示“0”和“1”两个状态，故n2；lb n单位脉冲能表示的比特数，如n4时，表示一个单位脉冲为2 bit。在实际应用中，常用的数据传输速率单位有：kb/s、Mb/s、Gb/s和Tb/s，其中：1 kb/s=103b/s，1Mb/s=103 kb/s，1Gb/s=103 Mb/s，1 Tb/s

8、=103 Gb/s第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构 2) 波特率B波特率是一种调制速率，也称波形速率或码元速率。它是指模拟信号传输过程中，从调制解调器上输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的次数；或者说，在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特(Baud)。从调制速率的意义来理解，它是脉冲信号经过调制后的传输速率，通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。若以T表示波形的持续时间，则调制速率B可以表示为B= (波特) T1第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构比特率和波特率之间有下列关

9、系：SB lb n其中，n为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二进制中，一个脉冲的“有”和“无”表示1和0两种状态。在二相调制中，n2，故SB，即比特率与波特率相等。但在更高相数的多相调制中，S与B就不相同了。例如，在四相调制中，n4，如果B1200 bit，则信号传输速率S2400 b/s。这一点希望读者使用时注意。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构3) 出错率出错率是指数据通信系统在正常工作情况下信息传输的错误率，也称误码率。传输可靠性指标由于传输中信息的最小单位不同而不同。信息的单位可以是比特、码元、码字、一组码字，因此，出错率有以下几种表示方法

10、：(1) 误比特率Pb：接收的错误比特数占传输总比特数的比例，即： Pb传输的总比特数接收的错误比特数第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构(2) 误码率Pe：接收码元中错误码元数占传输总码元数的比例，即：Pe计算机网络通信系统中，要求误码率低于109。(3) 误字率Pw：实际应用中，常由若干码元组成一个码字，因此衡量传输可靠性也用误字率表示。误字率指接收的错误码字占传输总码字的比例，即： 接收的总码元数错误接收的码元数第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构Pw传输中，有时一个码字中有两个或更多个码元出错，这和错一个码

11、元的效果一样，因为它们都导致这个码字出错，两种情况的误字率相同，但误码率不同。可见，误字率不一定等于误码率。(4) 误组率PB：数据通信中，可将所传输的信息中的若干字组成一组，一组一组地传送，此时接收信息中的错误组数与传输的总组数之比称误组率，即：PB 传输的总码字数接收的错误码字数传输的总组数接收的错误组数第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构4) 信道容量信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用带宽来描述。模拟信道的容量指信道传输信号的可接收频率范围，其带宽为传输信号的最高频率和最低频率的差值。如话音电路接收的语音频率为3003400Hz，则其带宽

12、为3400300=3100 Hz(一般话音电路带宽取4 kHz)。在数字信道中，一般用单位时间内最大可传送比特数来描述带宽。例如，某传输媒体最大的传输速率为9600b/s，则其带宽为9600b/s。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构任何通信信道都不是理想的，由于信道带宽的限制及信道干扰的存在，信道的数据传输速率总会有一个上限。1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出在具有理想低通矩形特性信道情况下的最高码元传输速率公式：理想低通信道每赫兹带宽的最高码元传输速率是2Baud每秒，我们称为奈氏准则。例如，话音电路的带宽为4kHz，则其最高码元传输速率

13、是8000Baud每秒；假设1Baud携带3bit的信息，则最高传输速率为24000b/s。对于具有理想带通矩形特性的信道，奈氏准则变为理想低通信道每赫兹带宽的最高码元传输速率是1Baud每秒。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构奈氏准则描述的是有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽之间的关系。如考虑信道噪声问题，可用香农(Shannon)定律来表述，它描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。信道的最大信息传输速率为C：C=W lb b/s其中，W为信道的带宽(以Hz为单位)，S为信道内所传信号的

14、平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。NS1第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构其中，W为信道的带宽(以Hz为单位)，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。香农(Shannon)定律表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的最高传输速率就越高。对于3.1kHz带宽的话音电路，如果信噪比S/N=2500，那么由香农定律可知，无论采用 何 种 编 码 技 术 ， 信 息 的 传 输 速 率 都 不 超 过3100lb(1+2500)35 kb/s。信道容量由信道的带宽W、可使用的时间T以及信道质量(即信号功率与干扰功率之比)决定。由于噪

15、音的干扰，实际应用中的传输速率要小于信道容量，高传输速率将被信道容量限制而得不到充分利用。例如，56kb/s的调制解调器在较差的电话线路上只能达到28.8kb/s甚至14.4 kb/s的传输速率。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2.1.2 数据传输1数据传输方式1) 并行传输与串行传输(1) 并行传输。 如图2-3所示，两数据设备之间一次传输n位并行数据，每条连线对应一条信道，用于传输代码的对应位，n条信道组成了n位并行信号。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构数据发送端0123n1信号地数据接收端0123信

16、号地1010n1图2-3 并行传输方式第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构(2) 串行传输。串行传输时，数据一位一位地在一条信道上传输。如图2-4所示，数据发送端向数据接收端发出了“01001101”的串行数据。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构数据接收端数据发送端0 1 0 0 1 1 0 1信号信号地信号信号地图2-4 串行传输方式第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2) 数据的通信方式数据传输是有方向的，这是由传输电路的能力和特点所决定的。按传输的方向不同，数据传输

17、可分为三种基本工作方式：单工通信、半双工通信和全双工通信。(1) 单工通信。 (2) 半双工通信。(3) 全双工通信。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构3) 数据同步方式数据在线路上传输时，为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误接收，要求发送端和接收端的收发动作必须控制在同一时间内进行，即发送端以某一速率在一定的起止时间内发送数据，接收端也必须以同一速率在相同的起止时间内接收数据。 常用的同步方式有两种：异步方式和同步方式。(1) 异步方式。图2-5(a)、(b)分别给出5位字符和8位字符的异步方式结构。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结

18、构计算机数据通信基础知识及体系结构10100(a)1 个字符5 位信息位1.5位停止位1位起始位(b)1位起始位110000107 位信息位1 个字符1位校验位2位停止位图2-5 异步方式字符结构第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构(2) 同步方式。如图2-6所示。发送前，发送端和接收端应先约定同步字符的个数及每个同步字符的代码，以便实现接收与发送的同步。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构1SYNSYN同步字符1个字符1个字符1组字符000 0000011 11110图2-6 同步传输第第2章章 计算机数据通信

19、基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2数据传输类型1) 基带传输由计算机或数字终端产生的信号是一连串的脉冲信号，它包含有直流、低频和高频等分量。在基带传输中，需要对数字信号进行编码，即用不同电压极性或电平值代表数字信号的“0”和“1”。常见的编码方法有三种：非归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。(1) 非归零编码。非归零编码NRZ(Non-Return to Zero)如图2-7 (a) 所示。NRZ 码可以规定为用负电压代表“0”，正电压代表“1”。当然也可以有其他表示方法。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构(2) 曼彻斯特编码

20、。曼彻斯特(Manchester)编码是目前广泛使用的编码方法之一。它的编码规则是：每比特的时钟周期的1/2都有跳变，该跳变既可代表本地时钟，也可代表数字信号的取值；由高电位向低电位跳变代表“1”，由低电位向高电位跳变代表“0”。典型的曼彻斯特编码波形如图2-7(b)所示。曼彻斯特编码的缺点是效率较低。 (3) 差分曼彻斯特编码。其典型波形见图2-7(c)。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构01001110数据时钟(a) NRZ(b) 曼彻斯特 编码(c) 差分曼彻 斯特编码图2-7 数字信号三种编码的波形第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计

21、算机数据通信基础知识及体系结构2) 频带传输基带传输是数据通信中一种非常重要的传输形式，但是它只能在信道上原封不动地传输二进制数字信号。传统的电话通信信道是为传输语音信号而设计的，它只适用于传输音频范围为3003400 Hz的模拟信号，不适用于直接传输计算机的数字基带信号。为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模拟信号。为此，需要在发送端选取音频范围内的某一频率的正(余)弦模拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道将其送至另一端；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的信号波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。 第第

22、2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构其中，由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为“调制”(Modulation)，相应的调制设备称为“调制器”(Modulator)；在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程称为“解调”(Demodulation)，相应的设备称为“解调器”(Demodulator)。同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器”(Modem)。在调制过程中，选用的载波信号可以表示为yA(t)cos(t+)其中，振幅A、角频率、相位是载波信号的三个电参量，它们是正弦波的控制参数，称为调制参数。它们的变化将对正弦载波的波形产生影

23、响，通过改变这三个参量可以实现对模拟数据信号的编码，相应的调制方式分别称为幅度调制、频率调制和相位调制。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构 (1) 幅度调制。幅度调制又称为“振幅键控”(ASK，Amplitude-Shift Keying)。在幅度调制中，频率和相位都是常数，振幅为变量，即载波的幅度随发送的信号而变化，表示为(t)= 0(t)=0A(t)=A1，A2，An 图2-8(a)是具有0、1两个幅度值的调幅波形(二元制调幅波)，具有一定幅度的载波信号表示“1”，幅度等于0的载波信号表示“0”。为提高传输速度，可采用多幅度调制，即调制电平有4个、

24、8个或更多。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构图2-8(a)是具有0、1两个幅度值的调幅波形(二元制调幅波)，具有一定幅度的载波信号表示“1”，幅度等于0的载波信号表示“0”。为提高传输速度，可采用多幅度调制，即调制电平有4个、8个或更多。(2) 频率调制。频率调制又称“移频键控”(FSK，Frequency-Shift Keying)。在频率调制中，振幅和相位为常量，频率为变量，表示为A(t)=A0(t)=0(t)= 1，2，n第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构在二元制中，数字信号“0”和“1”分别用两种不同

25、频率的波形表示，如图2-8(b)所示，“1”调制为频率为1的波，“0”调制为频率为2的波。频率调制的电路简单，抗干扰能力强，频带利用率低，适用于传输较低速的数字信号。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构数据01000111(a) 幅度调制(b) 频率调制(c) 绝对相位调制相对相位调制21221121图2-8 三种调制方式的波形 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构(3) 相位调制。相位调制又称“移相键控”(PSK，Phase-Shift Keying)。在相位调制中，振幅、频率为常量，相位为变量，其函数表达式为A

26、(t)=A0(t)= 0(t)=1,2,n在二元制情况下，信号“0”和“1”分别用不同相位的波形表示，如图2-8(c)所示。相位调制又分绝对相位调制和相对相位调制两种。绝对相位调制中，数字“0”和“1”的载波信号起始相位不同，即0代表数字“1”180代表数字“0”，反之也成立。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构在多相制中，相位有多种变化。如在四相制中，相位角有四种变化：0，90，180，360，它们分别代表数字00、01、10、11。相对相位调制中，传送数字“1”时，相邻两波形相位不变；传送数字“0”时，相邻两载波相位变化为180。相位调制占用频带较窄

27、，抗干扰性能好，实际应用中常使用这种方式。3多路复用技术在数据传输时，为了高效合理地利用资源，通常采用多路复用技术，使多路数据信号共同使用一条线路进行传输，如图2-9所示。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构n个输入1多路复用器2n一条链路 n 个信道多路分配器n个输出12n图2-9 多路复用技术第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构多路复用技术通常分为频分多路复用技术FDM、时分多路复用技术TDM(同步时分复用技术和异步时分复用技术)、波分多路复用技术WDM和码分多路复用技术CDMA等，其中频分多路复用技术在早期电

28、话系统和无线电模拟通信中用得较多；在数据通信和计算机网络通信中使用时分多路复用技术；随着光纤技术在数据通信中的应用，光纤通道采用了波分多路复用技术；码分多路复用技术常称为码分多址CDMA技术，多使用在手机等移动通信中。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构 1) 频分复用技术(FDM)频分复用原理如图2-10所示。 一条链路n个频(信)道多路复用器多路分配器终端1终端2终端n计算机图2-10 频分复用原理 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2) 同步时分复用技术(STDM)同步时分复用技术采用固定时隙分配方式，即将

29、传输时间按特定长度连续地划分成特定时间段(称为帧)，再将每一帧划分成固定长度的多个时隙(时间片)。各时隙以固定的方式分配给各路数字信号(如图2-11所示)，即将这些时隙分配给固定的用户终端，并且周期地重复分配每一帧。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构A1C1B1A2B2C2D2.D1第1帧第2帧STDM图2-11 同步时分复用技术第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构3) 异步时分复用技术(ATDM)异步时分复用技术又被称为统计时分复用或智能时分复用(ITDM)技术，它能动态地按需分配时隙，避免每帧中出现空闲时隙

30、。 2.1.3 数据差错检测与控制1差错的检测数据在通信线路上传输时，由于传输线路上的噪声或其他干扰信号的影响，往往使发送端发送的数据不能正确地被接收端接收，这就产生了差错。差错可用误码率Pe来度量： 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构Pe =(1) 选择好的通信线路，即改善通信线路的电气性能，使误差的出现概率降低到系统要求的水平。 (2) 在通信线路上，设法检查错误，采取措施对错误进行差错控制，即在数据传输时，采取一定的方法发现并纠正错误。 接收的总码元数错误接收的码元数第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2抗

31、干扰编码的控制方式1) 反馈重发纠错反馈重发纠错简称ARQ，其工作原理是：由发送端发出能够检测出错误的码检错码，接收端按该码的编码规则判断传输中有无差错；若有差错，通过反馈信道把判定结果告诉发送端，发送端重发该信息，直至接收端接收正确为止。当干扰出现频繁时，发送端重发的次数也就随之增加。多次重发某一信息会使传送信息的连贯性差，但由于该方式只要求发送端发送检错码，接收端只要求检查有无错误，无需纠正错误，因此设备简单。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2) 前向纠错前向纠错简称FEC，其工作原理是：由发送端送出纠错码，接收端通过接收译码器不仅可发现错误，

32、而且能自动纠正错误。该方式不需反馈信道就可实现一个对多个用户的通信，但译码设备比较复杂，且因所选用的纠错码与信道干扰情况有关，某些情况下，为了纠正差错，要求附加的冗余码较多，故传输效率较低。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构3几种冗余校验方法1) 垂直冗余校验垂直冗余校验是以字符为单位的校验方法。一个字符由8位组成，其中低7位是信息码，最高位是冗余校验位。校验位可以使每个字符代码中“1”的个数为奇数或为偶数。若字符代码中“1”的个数为奇数，称奇校验；“1”的个数为偶数，称偶校验。例如，一个字符的7位代码为1010110，有4个“1”(偶数个)，若为奇校

33、验，则校验位为1，即整个字符为11010110，如下图所示。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构11010110校验位第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构同理，若为偶校验，则校验位应为0，即整个字符为01010110。垂直冗余校验能发现传输中任意奇数个错误，但不能发现偶数个错误。2) 水平冗余校验水平冗余校验把数个字符组成一组，对一组字符的同一位(水平方向)进行奇或偶校验，得到一列校验码。发送时，一个接一个地发送字符，最后发送一列校验码。如：一组字符包括五个字符，如表2-1所示，每个字符的信息代码是7位，传送时先顺

34、序传送0、1、2、3、4五个字符的blb7位，最后传送校验码，假设水平校验采用偶校验。水平冗余校验能发现长度小于字符位数(现在为7位)的突发性错误。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构表2-1 水平冗余校验 0 1 2 3 4 校 验 码 b1 0 0 1 0 1 0 b2 1 0 1 1 0 1 b3 0 0 0 1 0 1 b4 1 1 1 0 1 0 b5 0 1 0 1 1 1 b6 0 0 0 1 0 1 b7 0 1 1 0 1 1 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构3) 水平垂直冗余校验同时进行水平

35、和垂直冗余校验就得到水平垂直冗余校验。具体地说，就是对表2-1中的5个字符均再增加一位校验位b8。如表2-2所示。b8是垂直校验位，每行的最右一位是水平校验位。它们可以是奇校验或偶校验。表2-2均是偶校验。水平垂直校验码也称方阵码，这种码有较强的检错能力，它不但能发现所有一位、二位或三位的错误，而且能发现某一行或某一列上的所有奇数个错误。方阵码广泛应用于计算机网络通信及计算机的某些外部设备中。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构表2-2 水平垂直冗余校验 0 1 2 3 4 校 验 码 b1 0 0 1 0 1 0 b2 1 0 1 1 0 1 b3 0

36、 0 0 1 0 1 b4 1 1 1 0 1 0 b5 0 1 0 1 1 1 b6 0 0 0 1 0 1 b7 0 1 1 0 1 1 b8 0 1 0 0 0 1 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构4) 循环冗余校验循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)是一种较为复杂的校验方法。它利用事先生成的一个二进制校验多项式g(x)去除(采用模2算术，运算时不进位和借位)要传送的二进制信息多项式m(x)，得到的余式就是所需的循环冗余校验码，它相当于一个n位长的二进制串。采用循环冗余校验的信息编码如图2-12所示，它在要传送的

37、信息位后附加若干校验位，发送时，将信息码和冗余码一同传送至接收端；接收时，先对传送来的码字用发送时的同一多项式去除，若能除尽，则说明传输正确，否则说明传输出错。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构图2-12 循环冗余校验编码方式信息位校验位位m位n第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构循环冗余校验码的纠错能力与校验码的位数有关，校验码位数越多，检错能力就越强。此外，产生循环冗余校验码的规则也影响检错能力，这里不再多阐述。校验多项式g(x)有以下几种：CRC-16x16+x12+x2+1CRC-CCITTx16+x12

38、+x5+1CRC-32x32+ x26+ x23+ x22+ x16+ x12+ x11+x10+ x8+ x7+x5+ x4+ x2+x+1第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2.2 计算机通信接口计算机通信接口2.2.1 RS-232接口标准RS-232是美国电子工业协会(EIA，Electronic Industries Association)1962年制定的著名物理层标准，其中RS(RS，Recommended Standard)表示推荐标准，232是一个编号；1969年修订为RS-232-C，C表示第三个修订版本；1987年1月，修订为EIA

39、-232-D标准；1991年又修订为EIA-232-E标准。由于修改的内容不多，故现在人们仍旧使用RS-232这一名称。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构PC机调制解调器调制解调器PC机RS-232接口RS-232接口RS-232接口RS-232接口PSTNPC机PC机RS-232接口RS-232接口(b)(a)图2-13 RS-232串口标准的典型应用第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构1RS-232的电气特性RS-232采用负逻辑，属于不平衡型电气特性(所有电路共用一个公共地)。 2RS-232的机械特性一

40、般RS-232用的接插件是25pin(引脚)的D型接插件，以其接头的不同(针或孔)分为DB-25P(公)与DB-25S(母)，引脚分为上、下两排，分别有13和12根引脚，如图2-14所示，引脚编号分别规定为113和1425，都是从左到右排列的(引脚指向人时)。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构图2-14 RS-232用的25 pin接插件第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构针对PC机的特殊用途(如鼠标接口等)，RS-232也提供了9pin的接插件，以便于连接。9pin接口省略了部分插针功能。在PC机中，9pin

41、接口一般设定为com1，而25pin接口多设定为com2。 RS-232的插针定义规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根及该引脚的作用。图2-15描述了常用的10根引脚的作用，括号中的数字为引脚的编号。图中引脚7为信号地，引脚2和引脚3分别是发送数据线和接收数据线(数据发送和接收都是针对DTE而言的)。把图2-15中的保护地(引脚1)去掉，就变成了9pin接口。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构DTE(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE就绪(22)振铃指示DC

42、ERS-232-C图2-15 RS-232引脚定义第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构3RS-232互连方式图2-16中给出在某些应用场合，比如近在同一机房内的两台计算机或终端间相互通信、交换数据时所使用的“空Modem”接法，该接法省去了通信双方的Modem(DCE)，仍用RS-232C连接方式。这种接法对DTE是透明的。6号线“DCE就绪”和22号线“振铃指示”与对方DTE的20号线“DTE就绪”相连，当“DTE就绪”出现时，另一方即振铃，表示有呼叫进来，此时“DTE就绪”也产生。因此，只要双方DTE准备好，就同时给双方产生DCE准备好信号。由于4号

43、线“请求发送”和5号线“允许发送”接在一起，因此只要有请求就允许发送，对方8号线就收到信号，这种连接可实现全双工通信。在图2-16中，若把通信双方端的4、5、8号线相连；6、20号线相连；22号线悬空，则连接就更简单了。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(22)振铃指示终端123685472022(20)DTE就绪123685472022DTEDTE计算机图2-16 计算机与终端直接连接第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信

44、基础知识及体系结构4RS-232的通信过程现以终端通过Modem及电话线与远程计算机中心主机以半双工方式通信为例说明RS-232通信过程。参看图2-16，设终端先向远程主机发送数据，具体过程如下： 首先，当终端接至线路上时，20号线(DTE就绪)为高电平(通状态)，表示通知Modem(DCE)要求与线路接通，Modem响应，通过6号线(DCE就绪)发信号，以高电平回答，表示Modem(DCE)已准备好，同时向远程Modem(远程DCE)发载波。以上属于数据通信连接建立阶段。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构接下来，若终端想发送数据，就使4号线(请求发送

45、)处于通状态，表示请求发送，并向对方发送载波。与终端连接的Modem收到发送请求，用5号线(允许发送)响应，使其接通，表示准备好发送，此时终端就可通过2号线(发送数据)发送数据。与此同时，对方Modem(远程DCE)收到载波后通过8号线(载波检测)向主机(远程DTE)发信号，表示已检测到接收数据载波，准备接收数据，并经3号线(接收数据)接收数据。以上属于数据通信阶段。 最后，当数据发送完毕后，4号线变成低电平(断开状态)，5号线也随之降低，恢复成原始状态，数据通信连接断开。RS-232只适于短距离，一般规定DTE与本地DCE设备的连接电缆不超过15m，即通过虚Modem时，两端的DTE连接线总

46、长不能超过30m。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2.2.2 其他计算机接口标准RS-232接口标准有较大的弱点：通信速度较慢(20kb/s)，DTE与本地DCE设备的连接电缆短(15m)，需提供额外电压。因此，出现了以下一些改良的接口标准。1RS-4492RS-422ARS-422A属于平衡型接口，该接口有如下优点：(1) 抗噪声能力较强，较适合于通信。(2) 电源电压使用5V，不需使用额外电压。3RS-423A第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2.3 异种系统的互连异种系统的互连在日常生活中，如果遇到这样

47、的问题：两个不同国度的外交官讨论外交事务，可是两人不懂对方的语言，那么他们在讨论外交事务时怎么才能让对方听懂呢? 我们会说，“可以请翻译呀！”现假设问题是这样的：一位只讲英语的巴基斯坦外长甲告诉只讲汉语的中国外长乙：“我喜欢中国。”可又没有既懂英语又懂汉语的翻译，该怎么办？ 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构像这种情况，一般我们可以请两个翻译：翻译A和翻译B，其中A会讲英语、法语，B会讲法语、汉语。如图2-17所示，外交官甲将要讨论的外交事务通过英语告诉翻译A，翻译A将英语翻译成法语(法语在这里成为了中间语言)再传给翻译B，翻译B将法语翻译成汉语再传给

48、外交官乙，外交官乙就明白了外交官甲的意思。值得注意的是，这里翻译们只管翻译语言，并不需要知道外交领域的事务，同样外交官也不需要懂语言翻译领域的事。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构翻译AI LoveChina中间语言语音通信媒体外交官甲消息翻译的信息通过空气传输的声压翻译B中间语言通信媒体外交官乙语音我喜欢中国图2-17 外交官问题第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构计算机网络是由许多像Apple机和IBM PC机那样的计算机和各类终端通过通信线路连接起来的复合系统。计算机网络标准化所遇到的首要问题是系统的互连，

49、它不仅涉及基本的数据传输，还涉及网络的应用和有关的服务。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2.4 网络体系与层次结构网络体系与层次结构2.4.1 协议分层1网络协议计算机网络中不同系统的两实体间只有在通信的基础上，才有可能相互交换信息，共享网络资源。一个网络协议主要由以下三个要素组成：(1) 语法，即数据与控制信息的结构或格式。(2) 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答。(3) 同步，即实体通信实现顺序的详细说明。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2协议分层层次结构如图2-18所示。

50、第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构外交官层语言层通信层外交官层语言层通信层外交领域语言领域通信领域123图2-18 “外交官”问题的层次结构 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构为简化问题、减少协议设计的复杂性，大多数网络都采用类似于“外交官”问题的层次结构，按层或级的方式来组织网络，因此协议也是分层次的，每一层都建立在其下层之上，每一层的目的都是为上层提供一定的服务，并对上层屏蔽服务实现的细节；各层协议互相协作，构成一个整体，常称之为协议簇(Protocol Family)或协议套(Protocol Suite

51、)。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构不同系统中的相同层实体叫对等实体(Peers)。对等实体间通信须遵守同层协议。一台机器上的n层实体与另一台机器上n层实体间通信所使用的协议，称为第n层协议。实际上，数据并不是在两个对等实体间直接传送时的，而是由发送方实体将数据逐次传递给它的下一层，直至最下层，通过物理介质实现实际通信，到达接收方；由接收方最下层逐层向上传递，直至对等实体，完成对等实体间的通信。因此，我们有必要区分虚拟通信和实际通信，图2-19有助于我们理解这个问题。其中，实线表示实际通信路径，虚线表示虚拟通信路径。第第2章章 计算机数据通信基础知识

52、及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构每一对相邻层之间有一个预先定义的界面，我们称之为接口，接口定义了原语操作和下层向上层提供的服务。如果网络中每一层都有一个定义明确的功能集合，相邻层之间有一个定义清晰的接口，就能尽量减少必须在相邻层间传递的信息的数量。同时，修改本层的功能也不会影响到其他层。也就是说，只要能向上层提供完全相同的服务集合，改变下层功能的实现方式并不影响上层。这为新通信技术和通信材料的使用提供了方便(如用卫星信道代替现用的电话线)。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构第n层实体第n-1层实体第2层实体第1 层实体第n层实体第n-1层实

53、体第2层实体第1 层实体物 理 介 质第n层协议第n-1 层协议第 2 层协议第 1 层协议发送端接收端图2-19 协议层次结构第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构各层设计问题在计算机网络的设计中，有些问题显得很关键，是各层或大多数层都需要解决的。我们简述其中一些问题： (1) 每一层都必须有一个建立连接和拆除连接的机制，以便网络中欲进行通信的两个进程之间能彼此定位。 (2) 由于物理通道和各层通常不会完全可靠，因此，差错控制是另外一个重要问题。(3) 为避免高速发送方发送数据过快致使低速接收方难以应付而丢失数据，甚至引起网络死锁，必须进行数据流量的控制

54、。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构 (4) 需确定数据传输的方式是单工通信、双工通信，还是半双工通信。(5) 当源端与目标端间存在多条通路时，必须从中选择一条合适的路径。(6) 当网络中分组很多时，就可能发生拥挤或阻塞现象，必须对网络实行拥塞控制。无论哪一层都不可能接收任意长的信息，因此需要对信息进行分割、封装、传送与重组。 (7) 任何一层都可采用多路复用技术，以降低成本，提高效率。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2.4.2 服务与协议1服务类型在计算机网络协议的层次结构中，层与层之间具有服务与被服务的单

55、向依赖关系，下层向上层提供服务，而上层则调用下层的服务。因此，我们可称任意相邻两层的下层为服务提供者，上层为服务调用者。下层为上层提供的服务可分为两类，它们是面向连接的服务(Connection-oriented Service)和无连接服务(Connectionless Service)。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构面向连接的服务类似电话系统的服务模式。无连接服务类似邮政系统的服务模式。我们用可靠性这一指标来衡量不同服务类型的质量和特性。 多数无连接服务不支持确认重传机制，因此多数无连接服务可靠性不高。2服务原语相邻层之间通过一组服务原语(Se

56、rvice Primitive)建立相互作用，完成服务与被服务的过程。服务原语可划分为四类，分别是请求(Request)、指示(Indication)、响应(Response)和确认(Confirm)。由不同层发出的每条原语完成各自确定的功能，参见表2-3。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构表2-3 四类服务原语 原 语 功 能 (含义) Request 服务调用者请求服务提供者提供某种服务 Indication 服务提供者告知服务调用者某事件发生 Response 服务调用者通知服务提供者响应某事件 Confirm 服务提供者告知服务调用者关于它的

57、请求的答复 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构3服务与协议服务和协议是两个不同的概念。服务描述两层之间的接口，定义了该层能够代表它的调用者所完成的操作。下层是服务提供者，上层是服务调用者。它们之间通过一组服务原语完成服务过程，但并不涉及如何实现操作的细节。协议是有关对等实体间交换数据的格式和意义的一组规则。通信的两实体利用协议来实现它们的服务定义。只要不改变提供给服务调用者的服务，实体就可转换它们之间的协议。即协议关系到服务的实现，但对服务调用者来说是透明的。协议与服务的分离，使得在计算机网络中采用新通信技术替换落后的通信手段更容易，增加了所设计的计算

58、机网络的适应性。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2.5 ISO/OSI开放系统互连参考模型开放系统互连参考模型1OSI参考模型层次划分原则OSI开放系统互连参考模型如图2-20所示。 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构应用层表示层数据链路层物理层主机B传输层网络层会话层数据链路层物理层网络层数据链路层物理层网络层应用层表示层主机A传输层会话层数据链路层物理层网络层路由器路由器应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议通信子网边界网络层主机路由器协议数据链路层主机路由器协议物理层主机路由器协议内部子网协议层761

59、2345图2-20 OSI参考模型及协议 第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构网络分层按下述规则进行：(1) 根据不同层次的抽象分层。(2) 每层应当实现一个定义明确的功能。 (3) 每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准。(4) 各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量。 (5) 层数应足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构会过于庞大，并将增加各层服务的开销。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构2. OSI参考模型的七层协议及其功能OSI模型并未确切地描述用于各层的协议和服务，

60、它仅仅告诉我们每一层应该做什么，其本身不包含网络体系结构的全部内容。不过，ISO已经为各层制定了标准，但它们并不是参考模型的一部分，而是作为独立的国际标准公布的。下面我们将从最下层开始，依次讨论OSI参考模型各层的功能。第第2章章 计算机数据通信基础知识及体系结构计算机数据通信基础知识及体系结构1) 物理层 (Physical Layer)物理层完成的主要功能： (1) 二进制在线路上的表示和传输二进制“位”信号。(2) 指定传输方式的要求。(3) 当建立、维护与其他设备的物理连接时，提供需要的机械、电气、功能特性和规程特性。在物理层中，数据传输的单位是比特(bit)。第第2章章 计算机数据通