计算机网络讲义2

1、计算机网络讲义计算机网络讲义管理科学与工程系 马维忠 计算机网络讲义2数据传输数据传输远程通信远程通信l前面描述了如何通过导线将每一位数据编前面描述了如何通过导线将每一位数据编码为正的或负的电压以便在短距离内传输码为正的或负的电压以便在短距离内传输字符。字符。l同一方案在长距离情形下不能正常工作同一方案在长距离情形下不能正常工作l需要其他的硬件需要其他的硬件计算机网络讲义3远程发送信号远程发送信号l电流并不能沿导线传输任意长的距离电流并不能沿导线传输任意长的距离l因为电流在经过一段距离后会逐渐减弱因为电流在经过一段距离后会逐渐减弱l这种问题称为信号损耗（这种问题称为信号损耗（signal lo

2、ss ）计算机网络讲义4l 一个连续振荡信号能比其他信号传播到更远的地一个连续振荡信号能比其他信号传播到更远的地方方l 长距离通信发送连续的振荡信号，通常为正弦波，长距离通信发送连续的振荡信号，通常为正弦波，称为载波（称为载波（Carrier）计算机网络讲义5l为发送数据，发送器略微修改其载波，这为发送数据，发送器略微修改其载波，这种修改称为调制（种修改称为调制（modulation）。）。l调制最初用于电话、无线电和电视。调制最初用于电话、无线电和电视。计算机网络讲义6l例如一个无线电台使用一个以某一给定的例如一个无线电台使用一个以某一给定的频率振荡的连续载波。频率振荡的连续载波。l在传输信

3、号前，无线电台使用声音信号调在传输信号前，无线电台使用声音信号调制载波，当发射机复盖范围内的收音机调制载波，当发射机复盖范围内的收音机调谐至载波频率时，收音机的电子线路检测谐至载波频率时，收音机的电子线路检测到载波及其调制并根据其调制重建原来的到载波及其调制并根据其调制重建原来的声音信号。收音机被设计成仅抽取并播放声音信号。收音机被设计成仅抽取并播放调制部分，在调制被抽取后载波就被丢弃调制部分，在调制被抽取后载波就被丢弃了。了。计算机网络讲义7l不管信号沿导线、光纤、微波或射频传播，不管信号沿导线、光纤、微波或射频传播，绝大多数的长距离计算机网络都使用和无绝大多数的长距离计算机网络都使用和无线

4、电台相同的工作原理。线电台相同的工作原理。l发送器产生一个连续振荡的载波信号，该发送器产生一个连续振荡的载波信号，该信号根据待发送的数据加以调制后，和无信号根据待发送的数据加以调制后，和无线电收音机类似的远程通信的接收器必须线电收音机类似的远程通信的接收器必须被配置成能够识别发送方所用的载波。被配置成能够识别发送方所用的载波。l该接收器检测抵达的载波，检测调制，重该接收器检测抵达的载波，检测调制，重建原始数据并丢弃载波。建原始数据并丢弃载波。计算机网络讲义8l网络技术使用多种调制技术网络技术使用多种调制技术计算机网络讲义9l 调幅（调幅（amplitude modulation ）计算机网络讲

5、义10l 调频（调频（frequency modulation）计算机网络讲义11l虽然调频与调幅技术对声音传输可以工作虽然调频与调幅技术对声音传输可以工作得很好，但两种技术每传送一个信号位都得很好，但两种技术每传送一个信号位都需要至少一个载波周期。需要至少一个载波周期。l如果编码方式允许在单个载波周期内编码如果编码方式允许在单个载波周期内编码多位数据，则单位时间内允许发送的数据多位数据，则单位时间内允许发送的数据位将增加。位将增加。计算机网络讲义12l调相调相 phase shift 计算机网络讲义计算机网络讲义14用于调制和解调的调制解调器硬件用于调制和解调的调制解调器硬件l接收一串数据位

6、，并根据这些位串调制载接收一串数据位，并根据这些位串调制载波的硬件线路称为调制器（波的硬件线路称为调制器（modulator）l而接收载波，并重建调制在载波上的数据而接收载波，并重建调制在载波上的数据的各二进制位的硬件线路称为解调器的各二进制位的硬件线路称为解调器（demodulator）。）。l长距离数据传输要求在线路的一端有一个长距离数据传输要求在线路的一端有一个调制器，另一端有一个解调器。调制器，另一端有一个解调器。计算机网络讲义计算机网络讲义计算机网络讲义17l网络都是全双工的，即允许数据的双向流网络都是全双工的，即允许数据的双向流动动l为支持这一全双工通信，每一站点需要一为支持这一全

7、双工通信，每一站点需要一个调制器用于发送数据和一个解调器用于个调制器用于发送数据和一个解调器用于接收数据接收数据l为降低成本以及使这对设备更易于安装和为降低成本以及使这对设备更易于安装和操作，制造商将两个线路组合在单个设备操作，制造商将两个线路组合在单个设备中，称其为调制解调器中，称其为调制解调器计算机网络讲义计算机网络讲义19租用模拟数据电路租用模拟数据电路l当通信线路用于连接同一地方的两个站点当通信线路用于连接同一地方的两个站点时，公司可自行安装所需的线路。时，公司可自行安装所需的线路。l远程线路可以从电话公司获得远程线路可以从电话公司获得l话公司租用了一条线路连接后，首先需要话公司租用了

8、一条线路连接后，首先需要在两端分别安装一个调制解调器。在两端分别安装一个调制解调器。计算机网络讲义20光学、无线和拨号调制解调器光学、无线和拨号调制解调器l除了专用线路，调制解调器也用于其他介除了专用线路，调制解调器也用于其他介质的通信质的通信RF (Radio Frequency ，射频，射频)传输，传输，光纤光纤常规电话线常规电话线计算机网络讲义计算机网络讲义22载波频率和多路复用载波频率和多路复用l两个或多个使用不同载波频率的信号可以两个或多个使用不同载波频率的信号可以在单一介质上同时传输而互不干扰在单一介质上同时传输而互不干扰l有线电视传输的例子有线电视传输的例子计算机网络讲义23l计

9、算机网络应用分离频道的原理以使多个计算机网络应用分离频道的原理以使多个通信共享单根物理连线通信共享单根物理连线l频分多路复用（频分多路复用（frequency division multiplexing ，F D M ）是用多个载波频）是用多个载波频率在一个介质中同时传输多个独立信号的率在一个介质中同时传输多个独立信号的计算机网络术语计算机网络术语计算机网络讲义计算机网络讲义25基带和宽带技术基带和宽带技术l利用频分多路复用建立了许多网络技术，利用频分多路复用建立了许多网络技术，它们允许在同一介质上同时进行相互独立它们允许在同一介质上同时进行相互独立的通信的通信l宽带技术（宽带技术（broad

10、band technology ） 使用介质的大部分电磁频谱，多个信号使用介质的大部分电磁频谱，多个信号l基带技术（基带技术（baseband technology ） 使用介质的很少部分电磁频谱，单一信号使用介质的很少部分电磁频谱，单一信号计算机网络讲义26波分多路复用波分多路复用l应用于光传输系统应用于光传输系统l波分多路复用波分多路复用(wave division multiplexing)计算机网络讲义27分布频谱分布频谱lF D M 的一个特别应用范例是用多个载波的一个特别应用范例是用多个载波以提高可靠性以提高可靠性l分布频谱技术通过使发送器用一组独立的分布频谱技术通过使发送器用一组

11、独立的载波频率同时发送同一信号的技术解决干载波频率同时发送同一信号的技术解决干扰问题。扰问题。计算机网络讲义28时分多路复用时分多路复用l时分多路复用（时分多路复用（Time Division Multiplexing ，T D M ）l各个发送源轮流使用共享的通信介质各个发送源轮流使用共享的通信介质计算机网络讲义29包传输包传输包、帧与差错检测包、帧与差错检测 l第一部分描述了硬件的底层怎样通过铜缆第一部分描述了硬件的底层怎样通过铜缆或光纤介质来传输位串或光纤介质来传输位串l计算机网络提供一种较方计算机网络提供一种较方l便的接口，该接口允许计算机通过网络以便的接口，该接口允许计算机通过网络以

12、字节来发送数据，而不必处理位串，也不字节来发送数据，而不必处理位串，也不必知道基础硬件是怎样将位编码成信号的必知道基础硬件是怎样将位编码成信号的计算机网络讲义30包的概念包的概念l大多数计算机网络都不能连续传输任意数大多数计算机网络都不能连续传输任意数量的数据量的数据l首先，发送方与接收方需要协调传输首先，发送方与接收方需要协调传输l把数据分成小块就能帮助发送方与接收方把数据分成小块就能帮助发送方与接收方确定哪块数据完整到达，哪块数据没有到确定哪块数据完整到达，哪块数据没有到达达计算机网络讲义31l其次，因为通信线路与相关的调制解调硬其次，因为通信线路与相关的调制解调硬件比较昂贵，所以多台计算

13、机通常要共享件比较昂贵，所以多台计算机通常要共享底层的连接与硬件。底层的连接与硬件。l为了确保所有的计算机能公平、迅速地得为了确保所有的计算机能公平、迅速地得到共享通信设备的服务，网络系统不能只到共享通信设备的服务，网络系统不能只允许一台计算机使用而拒绝其他计算机允许一台计算机使用而拒绝其他计算机计算机网络讲义32l网络系统把数据分成小块单独发送，这种网络系统把数据分成小块单独发送，这种小块称作包小块称作包 packetl计算机网络通常又称作包网络（计算机网络通常又称作包网络（packet network ）或包交换网络（）或包交换网络（packet switching 计算机网络讲义计算机网

14、络讲义34包和时分多路复用包和时分多路复用l允许多个源机按次序使用共享通信资源的允许多个源机按次序使用共享通信资源的网络实际上是提供了一种时分多路复用的网络实际上是提供了一种时分多路复用的形式形式计算机网络讲义计算机网络讲义36l把数据分成包保证了所有源机能得到迅速、把数据分成包保证了所有源机能得到迅速、即时的服务，即时的服务，l因为它禁止一台源机任意长时间独占网络。因为它禁止一台源机任意长时间独占网络。l特别是，如果一台源机有少量包要发送，特别是，如果一台源机有少量包要发送，另一台也有许多包要发送，那么，让两台另一台也有许多包要发送，那么，让两台源机按次序发送包的方法将确保传输数据源机按次序

15、发送包的方法将确保传输数据较少的源机能迅速完成。较少的源机能迅速完成。计算机网络讲义37包和物理帧包和物理帧l尽管术语包（尽管术语包（packet）指的是小数据块的）指的是小数据块的一般概念，但是在确切的包格式方面没有一般概念，但是在确切的包格式方面没有达到完全一致。达到完全一致。l每种硬件技术都定义了能在该硬件上传输每种硬件技术都定义了能在该硬件上传输的包的细节，并指明了包的位串是如何传的包的细节，并指明了包的位串是如何传输的输的l用术语帧（用术语帧（frame）来定义用在特定网络类）来定义用在特定网络类型中的包型中的包计算机网络讲义38l 一个简单的例子一个简单的例子l 发送方和接收方必须

16、在怎样指明每一帧的开始与发送方和接收方必须在怎样指明每一帧的开始与结束上保持一致结束上保持一致计算机网络讲义39l主要缺点是网络开销（无延迟）主要缺点是网络开销（无延迟）l长延迟和计算机崩溃的情况，在帧的开始长延迟和计算机崩溃的情况，在帧的开始和结束传输字符的主要优点就显得很明显和结束传输字符的主要优点就显得很明显了了计算机网络讲义40字节充填字节充填l大多数计算机网络不能保留网络使用的那大多数计算机网络不能保留网络使用的那些字符些字符l怎么传递含怎么传递含s o h 与与e o t 的信息？的信息？l为了区分传输的数据与控制信息为了区分传输的数据与控制信息l网络系统会要求发送方在发送之前稍微

17、修网络系统会要求发送方在发送之前稍微修改一下数据改一下数据l这种技术被称为数据充填（这种技术被称为数据充填（data stuffing）计算机网络讲义计算机网络讲义42传输差错传输差错l雷击、电压骤变以及其他电磁干扰都能在雷击、电压骤变以及其他电磁干扰都能在用于通信的电子部件或电缆上产生意外的用于通信的电子部件或电缆上产生意外的电流电流l电子信号的一个小小的变化能使接收计算电子信号的一个小小的变化能使接收计算机误解一个或多个数据位机误解一个或多个数据位l传输差错（传输差错（transmission error ），就是），就是丢失、改变或错误出现位串的问题丢失、改变或错误出现位串的问题计算机网

18、络讲义43奇偶位与奇偶校验奇偶位与奇偶校验lR S - 2 3 2 硬件用来检测差错的一种机制：硬件用来检测差错的一种机制：当一个字符开始到达时，接收计算机就启当一个字符开始到达时，接收计算机就启动一个计时器并用它来检查收到字符的位动一个计时器并用它来检查收到字符的位串。串。l如果信号的每一位不能使固定的电平保持如果信号的每一位不能使固定的电平保持一段时间或者如果停止位没有在相应的时一段时间或者如果停止位没有在相应的时间内出现，那么硬件就认为干扰引起了差间内出现，那么硬件就认为干扰引起了差错。错。计算机网络讲义44l奇偶校验（奇偶校验（parity check）机制要求发送计）机制要求发送计算

19、机在发送前对每一个字符都计算一个附算机在发送前对每一个字符都计算一个附加位，叫做奇偶位（加位，叫做奇偶位（parity bit ），并把它），并把它放在每一个字符后面放在每一个字符后面l在一个字符的所有位到达之后，接收计算在一个字符的所有位到达之后，接收计算机去掉奇偶位，进行与发送计算机同样的机去掉奇偶位，进行与发送计算机同样的计算，并证实结果与奇偶位一致计算，并证实结果与奇偶位一致计算机网络讲义45l有两种奇偶校验形式，偶（有两种奇偶校验形式，偶（even）校验与）校验与奇（奇（odd）校验）校验l两者都要求发送与接收计算机使用一致的两者都要求发送与接收计算机使用一致的形式形式计算机网络讲义

20、46l为了得到偶校验位，发送计算机把校验位为了得到偶校验位，发送计算机把校验位置为置为0 或或1 ，使得，使得1 的总数（包括校验位）的总数（包括校验位）是偶数。是偶数。l0 1 0 0 1 0 1 的校验位是的校验位是1l0 1 0 11 0 1 的校验位是的校验位是0l为了得到奇校验位，发送计算机选择校验为了得到奇校验位，发送计算机选择校验位使得位使得1 的总数是奇数的总数是奇数计算机网络讲义47差错检测中的概率和算术差错检测中的概率和算术l奇偶校验机制能很好地检测一位差错，但奇偶校验机制能很好地检测一位差错，但它不能检测所有可能的差错它不能检测所有可能的差错l奇偶校验不能检测任何改变偶数

21、个位的传奇偶校验不能检测任何改变偶数个位的传输差错输差错l已经发明了几种代替的机制已经发明了几种代替的机制计算机网络讲义48l差异表现在三个方面：差异表现在三个方面：附加信息的大小（它决定了传输开销），附加信息的大小（它决定了传输开销），算法的计算复杂度（它决定了创建与证实算法的计算复杂度（它决定了创建与证实这些信息所需的计算开销），这些信息所需的计算开销），以及能检测出的差错位的个数（它决定某以及能检测出的差错位的个数（它决定某种方法检测传输差错的优劣程度）种方法检测传输差错的优劣程度）计算机网络讲义49校验和检测差错校验和检测差错l 许多计算机网络系统随同每个包一起发送一个校许多计算机网络

22、系统随同每个包一起发送一个校验和（验和（checksum）来帮助接收计算机检测差错）来帮助接收计算机检测差错l 为了计算校验和，发送计算机把数据看成二进制为了计算校验和，发送计算机把数据看成二进制整数序列并且计算它们的和整数序列并且计算它们的和计算机网络讲义50l校验和方法既有优点也有缺点。校验和方法既有优点也有缺点。l主要的优点是计算的容易性与校验和的大主要的优点是计算的容易性与校验和的大小小l校验和的缺点是不能检测所有常见错误校验和的缺点是不能检测所有常见错误计算机网络讲义计算机网络讲义52循环冗余校验检测差错循环冗余校验检测差错l循环冗余校验（循环冗余校验（Cyclic Redundan

23、cy Check ，C R C ）技术）技术l计算计算C R C 的硬件使用两个简单的部件：的硬件使用两个简单的部件：一个移位寄存器（一个移位寄存器（shift register ）与一个）与一个异或（异或（exclusive or 或或xor ）单元）单元计算机网络讲义计算机网络讲义计算机网络讲义55模块联接模块联接l 看一个看一个CRC生成的实例生成的实例计算机网络讲义56l在整个消息都被移入该设备后，移位寄存在整个消息都被移入该设备后，移位寄存器中包含消息的器中包含消息的1 6 位位C R C 。l接收方只需对所接收到的消息和接收方只需对所接收到的消息和C R C 一一起计算起计算C R C ，如果所有位都正确接收，如果所有位都正确接收，最后计算的结果应该为最后计算的