第2章 网络体系结构与通信基础

1、第第2章网络体系结构与数据通信基础知识章网络体系结构与数据通信基础知识 本章内容2.1 计算机网络体系结构2.2 数据通信基础知识2.3 数据编码技术2.4 差错控制技术2.5 数据交换技术2.6 多路复用技术2.1 计算机网络体系结构2.2.1 网络协议网络协议2.2.2 网络体系结构网络体系结构2.2.3 OSI参考模型参考模型计算机网络技术与应用2.2.1 网络协议网络协议计算机网络技术与应用网络中的各种设备存在很大差异。要把这些有差异的设备连接在一个网络中，彼此要相互通信，而且要求接收方能够正确的理解发送方发送的信息的含义，因此就需要制定网络中各种计算机和通信设备共同遵守的规则或约定，

2、这种规则或约定就是网络协议。网络协议作为一种规则一般要约定三个方面的内容，我们称之为网络协议三要素，即语法、语义和时序。1语义。指在数据传输中加入哪些控制信息。2语法。指传输数据的格式3时序。指数据传输的次序或步骤2.2.2 网络体系结构计算机网络技术与应用1.分层网络通信过程非常复杂，为了使复杂问题简单化，人们将网络完成的任务分解成一个个小的子任务，然后针对每个子任务分别制定相应的协议，在网络术语中将这样一种任务分解的方法叫分层。2.网络体系结构我们把网络的这种分层结构，以及各层协议的集合称之为网络体系结构。计算机网络技术与应用发信者收信者检查信件、盖邮戳、分拣收集信件按地址收信、阅读信件写

3、信、书写信封、送邮箱邮递员通信者通信者邮递员邮局邮局运输部门协议协议协议分发信件检查信件、盖邮戳、分发运输运输图2-2邮政系统的网络体系结构计算机网络技术与应用2.2.3 OSI参考模型参考模型背景：到了20世纪70年代，各大计算机公司都制定了自己的网络体系结构，如：IBM的网络体系结构SNA，DEC公司的网络体系结构DNA等带来的问题： 在一个网络中只能使用一个厂商的网络产品； 使用不同的厂商的产品组建的网络不能互相连通； 一旦用户购买了每个公司的网络产品组建网络，那么它以后只能依赖于这个公司，自身的利益无法得到保障。如果这样的局面不能得到改变，在这个世界上就会出现很多信息网络的孤岛，这既不

4、符合全球用户的需求，也不利于网络技术自身的发展。1OSI参考模型计算机网络技术与应用在这种背景下，国际标准化组织（ISO）于1977年成立一个专门的机构（SC16委员会），研究如何将网络标准统一起来，使不同体系结构的计算机网络之间能够实现互联。这个委员会在现有网络体系结构的基础上，制定了开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型。这里的开放系统的含义是：如果你的的系统是符合OSI标准的，那么你的系统就是开放的，你的系统就可以与其他开放的系统实现互联。OSI只是一个概念性的框架，不是一个具体的标准，它只是描述了开放系统的层次结构，对各层功能做了精确的定义，但是它没有涉及各层协议实现的技术细节。计算

5、机网络技术与应用OSI参考模型将网络分成七个层次，如图2-3所示。其中： 低三层（1-3层）面向通信子网，主要解决通信问题，负责网络中的数据传输，与通信设备有关。 高三层（5-7层）面向资源子网，主要解决数据处理问题，负责使接收方理解发送方发送数据的含义，与通信设备无关。 传输层（第四层）是通信子网与资源子网的接口层，保证数据正确送达。网络中的主机既要进行通信处理又要进行数据处理，需要有七层结构对通信网和通信设备而言，由于他们的作用就是正确的传输信号，不需要对信号进行理解，所以，只需要有低三层（1-3层）结构就可以了。计算机网络技术与应用通信子网应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层数

6、据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层主机主机路由器路由器传输介质传输介质传输介质OSI参考模型计算机网络技术与应用1）第7层：应用层。通过用户应用程序接口为用户应用层序提供服务，使用户通过网络应用程序将对网络的请求送到网络中来。2）第6层：表示层。表示层为应用层提供服务，表示层保证一个系统应用层发出的信息能被另一个系统的应用层读出。如果发送方和接收方数据表示格式不一致，表示层将使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。3）第5层：会话层。会话层为表示层提供服务，在传输连接的基础上具体实施通信双方应用程序的会话，包括会话建立、会

7、话管理和终止的机制。2各层的作用计算机网络技术与应用4）第4层：传输层。传输层为会话层提供可靠数据传输服务。传输层对上层屏蔽数据传输的具体细节，为数据的传输提供可靠的服务。为了提供可靠的服务，传输层提供建立、维护端到端的传输连接、端到端的传输差错校验和恢复以及信息流控制机制等机制。5）第3层：网络层。网络层为传输层提供分组传输服务，保证报文分组能够从一个主机通过通信子网送达到另一个主机上。网络层把传输层送来的数据流分割成一个个的分组，根据分组要送达的目的主机地址，通过路由选择算法为每个分组选择一个最佳路径，使分组能够沿着这条路径通过通信子网到达接收端的主机，并处理网络中可能出现的拥塞（由于通信

8、量大而引起的网络拥堵、死锁等）问题。计算机网络技术与应用6）第2层：数据链路层。数据链路层在物理层连接的基础上，为网络层提供通信子网中两个相邻的通信节点间的可靠的帧传输服务。数据链路层要对传输的比特以帧为单位检查错误，如果出现错误，要求发送端重发。另外数据链路层还要处理相邻节点间流量控制问题。7）第1层：物理层。物理层为数据链路层提供比特传输服务，确保比特在通信子网中从一个节点传输到另一个节点上，物理层协议主要定义传输介质接口的电气的、机械的、过程的和功能的特性，包括接口的形状、传输信号电压的高低、数据传输速率、最大传输距离、引脚的功能、动作的次序等等。计算机网络技术与应用传输介质传输介质传输

9、介质通信子网应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层链路层网络层物理层网络层应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层主机主机路由器路由器链路层物理层链路层物理层链路层物理层3数据在OSI参考模型中的流动过程2.2 数据通信基础知识数据通信基础知识2.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号2.2.2 数据通信系统数据通信系统2.2.3 数据通信方式数据通信方式2.2.4 数据通信指标数据通信指标计算机网络技术与应用2.2.1 信息、数据与信号信息、数据与信号计算机网络技术与应用1信息、数据、信号及其关系信息是信息论中的一个术语，常常把消息中有意义的内容称为信息。数据是指能够输入到计

10、算机中并能为计算机所处理的数字、文字、字符、声音、图片、图像等数据与信息关系密切，数据是信息的载体，信息要靠数据来承载；孤立的数据没有意义，而一组有相互关系的数据可以表达特定的信息。例如，39表示数据的物理量叫信号，只有把数据表示成信号，才能够对数据或信息进行处理和传输。计算机网络技术与应用2模拟信号与数字信号模拟信号是随时间连续变化的，用随时间连续变化的物理量表示实际的数据数字信号是随时间离散的、跳变的，用脉冲信号的组合表示实际数据图2-5 模拟信号与数字信号（a）模拟信号（b）模拟信号2.2.2 数据通信系统数据通信系统计算机网络技术与应用数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符

11、号的二进制0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。用模拟信号传输数据，这样的通信系统叫模拟通信系统用数字信号传输数据，这样的通信系统叫数字通信系统计算机网络技术与应用图2-6 模拟通信系统与数字通信系统（a）模拟通信系统调制解调器调制解调器模拟通信网（b）数字通信系统编码/解码器编码/解码器数字通信网2.2.3 数据通信方式计算机网络技术与应用1串行通信与并行通信10110010接收端发送端b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0发送端接收端b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b010110010（a） 串行通信（b）并行

12、通信计算机网络技术与应用2数据通信的交互方式发送接收单向通道（a）单工通信方式发送接收单向通道（b）半双工通信方式接收发送（c）全双工通信方式发送接收单向通道接收发送单向通道1）单工通信：一端为发送方，只能发送数据，另一端为接收方，只能接收数据2）半双工通信：允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，3）全双工数据通信：全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输计算机网络技术与应用3同步问题1）同步概念同步：就要求通信双方的设备在时间基准上保持一致通俗的说，所谓同步就是让接收方知道发送方发送的数据从什么时刻开始到什么时刻结束的技术。2）在数据传输过程中需要解决两个

13、层次上的同步问题一个是如何让接收方识别出一个比特的开始和结束，这叫位同步；另一层次是让接收方识别出传输的数据块的开始和结束，这叫字符同步。计算机网络技术与应用实现位同步的方法有两种，外同步法和自带同步法1）位同步外同步法是在发送正常的数据的同时，另发一路同步时钟信号，用同步时钟信号去调整校正接收方的时间基准与时钟频率自带同步法是在发送数据的同时，通过编码技术让传输的数据中包含同步信息（a）外同步（b）自带同步11010100发送的原始数据发送计算机中的原始信号另外发送一路同步信号11010100发送的原始数据计算机中的原始信号发送曼彻斯特编码后的信号图2-9 位同步计算机网络技术与应用2）字符

14、同步实现字符同步的方法也有两种，异步传输和同步传输。异步传输是以字符为单位传输，一个字符通常包括4-8各比特，在传输字符的前面，加入起始位，在传输字符的的后面，加入终止位。同步传输是多个字符组成一个数据块一起传输，在数据块的开头和结尾分别加上用于同步控制的专用字符，如SYN或特定的比特串如01111110。计算机网络技术与应用停止位起始位5位数据位同步时钟0111111001111110数据SYN数据SYN（a）异步传输（b）同步传输图2-10字符同步传输字符 00100112.2.4 数据通信指标数据通信指标计算机网络技术与应用1数据传输速率R=1/T(bps)R为数据传输速率，T为脉冲宽度

15、(一个bit的持续时间)。例如：在信道上发送一个比特的时间是0.104ms，则传输速率为9600bps。常用的数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s。其中： 1Kb/s = 1103 b/s 1Mb/s = 1106 b/s 1Gb/s = 1109 b/s 1Tb/s = 11012 b/s计算机网络技术与应用2码元速率C又称调制速率、信号传输速率、波特率、传码率等。是指调制或信号变换过程中，每秒波形转换次数或每秒传输波形（信号）的个数。它定义为： C=1/t（baud）C：为码元速率，t为传输一个码元所需时间，单位为波特（baud）。3码元速率与数据传输速率的关系R=

16、C*log2M（bps） M：为一个码元所取的离散值的个数若码元速率不变，当一个码元可取的离散值增加时，数据传输速率可以成倍的提高但是随着M值的提高，信道噪声也会增加，又会抑制传输速率的增加，所以M值要受到限制。计算机网络技术与应用4信道的带宽带宽：信道允许传送的信号的最高频率与最低频率之差，单位为赫兹（Hz），带宽用于衡量一个信道的数据传输能力。5信道的最大数据传输率（信道容量）信道容量是理想情况下，即没有传输损耗，没有噪声干扰的情况下信道的最大数据传输速率。由奈奎斯特准则给出。 C=2B（baud） B：为信道带宽，C为码元速率。若换算成数据传输速率： Rmax=2Blog2M计算机网络技

17、术与应用6非理想信道与香农（Shannon）公式考虑噪声干扰的情况下数据传输速率的计算由香农公式给出。 R=Blog2(1+S/N)R：数据传输速率；B：信道带宽；S/N：信号功率与噪声功率之比，简称信噪比。在实际应用中，信噪比可以测量，其单位为分贝（dB），S/N与分贝的换算关系为： 1dB=10log10S/N所以在应用香农公式时，常常是根据测得的分贝数求出信噪比，再根据香农公式计算数据传输速率。计算机网络技术与应用7误码率误码率用于衡量信道出错率，定义为： Pe=Ne/NPe：代表误码率；Ne ：代表传输过程中出现错误的比特数；N：代表传输总的比特数。2.3 数据编码技术2.3.1 数字

18、数据模拟信号编码数字数据模拟信号编码2.3.2 数字数据数字信号编码数字数据数字信号编码2.3.3 模拟数据数字信号编码模拟数据数字信号编码计算机网络技术与应用2.3.1 数字数据模拟信号编码数字数据模拟信号编码计算机网络技术与应用调制与解调：数字数据在模拟信道上传输，就需要将原来用数字信号表示的数据，用模拟信号来加以表示。这项技术叫调制，在另端需要将模拟信号再转换成数字信号，这项技术叫解调，实现信号变换的设备叫调制解调器。输入/输出调制解调器图2-11 调制解调器简单原理输出/输入有三种调制方式，即幅移键控、频移键控和相移键控计算机网络技术与应用1幅移键控（ASK）：用载波信号的不同幅度表示

19、数据的0和12频移键控（FSK）：用载波信号的不同频率表示数据的0和13相移键控（PSK）：用载波信号的不同初始相位表示数据的0和1计算机网络技术与应用010010传输的数据数据在计算机中的表示（a）调幅后的输出波形（b）调频后的输出波形（c）调相后的输出波形图2-12 三种调制方法的调制波形2.3.2 数字数据数字信号编码数字数据数字信号编码计算机网络技术与应用在数字通信系统中直接传输计算机中的数字信号会带来两个问题 直流分量过大 同步问题，这里有几个0？这里有几个1？1非归零码NRZ非归零码编码规则：将计算机中传来的数据用一个正电压表示1（或0），用0电压表示0（或1）。计算机网络技术与应

20、用2曼彻斯特（manchester）编码曼彻斯特编码的规则：表述1：每比特的周期T的中间产生跳变，这个跳变即起同步作用，同时，又用跳变方向代表数据0或1表述2：将每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分，前T/2用该比特的反码，后T/2用该比特的原码。3差分曼彻斯特（difference manchester）编码每比特的周期T的中间产生跳变，这个跳变仅起同步作用，每比特所代表的值根据其开始边界是否发生跳变来决定。当要传输的比特是1时，在该比特到来的瞬间，编码后的波形不产生跳变；当要传输的比特是0时，在该比特到来的瞬间，编码后的波形产生跳变。计算机网络技术与应用101101传输的数据（a）非

21、归零编码（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码图2-14 数字信号编码2.3.3 模拟数据数字信号编码模拟数据数字信号编码计算机网络技术与应用PCM（pulse code Modulation)也称为脉冲编码调制，是一种把模拟信号转换为进制数字信号的过程采用PCM编码方案需要经过采样、量化、编码三个过程采样：每隔一定的时间对连续模拟信号采样，连续模拟信号就成为离散的信号。根据采样定理，采样频率必须满足 ffmax量化：是一个分级过程，把采样所得到的脉冲信号根据幅度做N等分，然后让每一个采样值都近似等于一个标称值编码：用一组二进制数组合来表示采样序列量化后的量化幅度。如果有N个量化级，那么，就

22、应当用(log2N)位二进制数来表示。计算机网络技术与应用编码规则量化原始信号采样电路离散信号4 0115 1006 1017 1108 1113 0102 0011 000数字信号000010100101110111110100011001000图2-15 脉冲编码调制编码结果865432172.4 差错控制技术差错控制技术2.4.1 差错控制概念2.4.2 常用检错编码方法2.4.3 反馈重发方法计算机网络技术与应用2.4.1 差错控制概念差错控制概念计算机网络技术与应用1差错产生的原因：热噪声和冲击噪声2差错控制方法：前向纠错和反馈重发3检错方法：在发送端运用某种算法对传输的数据进行运算

23、得到冗余码然后将冗余码加在传输的数据的后面一起发送在接收端用同样的算法对收到的数据部分进行相同的运算，也得到一个冗余码将两个冗余码进行比较，如果结果相同就没有错误，否则，就判定出现了错误。计算机网络技术与应用1奇偶校验在原始数据字节的最高位或最低位增加一个附加位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。增加的位称为奇偶校验位。例如，原始数据= 1100010（数据中有三个1）若采用偶校验，校验位1，增加校验位后的传输的数据为11100010（数据中有四个1）。若接收方收到的字节中1的个数不是偶数个，就认为传输中发生了错误。奇偶校验只能检测出奇数位错，对偶数位错则无能为力计算机网络技术

24、与应用2循环冗余校验循环冗余码计算和验证过程如下：（1）将要发送的数据序列，当作一个多项式F(x)；（2）选择一个生成多项式G(x），设G(x）中的最高幂次为k；（3）用xk 乘F(x)；（4）使用模二除法，用G(x）去除F(x)*xk，得P（x）+R（x）/G（x），余数多项式R(x)对应的二进制数位串即为所求的循环冗余码；（5）将冗余码加在F(x)的后面：F(x)*xk+R(x)，发送；（6）在接收端收到F(x)；（7）接收端用G(x）去除F(x) ，得余数多项式R (x) ；（8）若R(x)=0，则无错。计算机网络技术与应用例如，要发送的数据为101，选择得生成多项式为g(x）=X4+X

25、3+X2+1，求CRC码解：（1）发送的数据为101；（2）G(x）= X4+X3+X2+1 ， k=4，对应的二进制序列为11101；（3）将101左移4位，得1010000；（4）做模二除法；1 1 10 0 1 11 0 0 1 01 1 1 0 11 0 1 0 0 0 01 1 1 0 11 1 1 0 11 1 1 1 01 1 1 0 1K位冗余码计算机网络技术与应用（5）将左移四位的数据1010000与循环冗余码0011相加后得：1010011；即实际发送1010011。假设接收端恰好收到的是1010011（没有错误），用同样的多项式对收到的数据进行摸二除法运算：1 1 101

26、 0 0 1 11 1 1 0 11 0 1 0 0 1 11 1 1 0 11 1 1 0 11 1 1 0 11 1 1 0 1位冗余码0计算机网络技术与应用CRC检验码检查错误的能力很强，可以检查下列错误：（1）全部单个错；（2）全部离散的二位错；（3）全部奇数个错误；（4）全部长度小于或等于k位的突发性错误；（5）能以1-(1/2)k-1的概率检查出长度为(k+1)位的突发错；作为国际标准的G(x)是：CRC-12=X12+X11+X3+X2+X+1CRC-16= X16+X15+X2+1CRC-CCITT= X16+X12+X5+1CRC-32= X32+X26+X23+ X22+X

27、16+X12+ X11+X10+X8+ X7+X5+X4+ X2+X+12.4.3 反馈重发方法反馈重发方法计算机网络技术与应用重发的方法有停止等待法和连续发送的方法1停止等待发送方在发送完一个数据帧后，将发送的数据帧保存在通信装置的缓冲区中，然后停止发送接收端收到一个帧后，检查有没有错误，如果有错就丢弃，同时向发送端发送出错信息NAK，发送方收到NAK信息后，将发送缓冲区中的帧重发一遍；如果接收正确就将该帧送主机，同时向发送端发送确认信息ACK，发送端收到ACK信息后，将缓冲区中的帧删除，然后发送下一帧。计算机网络技术与应用主机通信装置缓冲区ACK？帧否，重发是，发下一帧通信装置缓冲区正确？

28、是，送主机主机否，丢弃NAK/ACK帧图2-16 停止等待方式的工作原理计算机网络技术与应用2连续工作方式连续工作方式是指发送端不需要等待接收端的确认信息就可以连续发送多个数据帧连续工作方式又分为两种类型：拉回方式选择重发计算机网络技术与应用1）拉回方式发送方向接收方连续发送数据帧，发送出去的数据帧在缓冲区中暂存;接收方对收到的数据帧逐帧进行检验，如果一帧没有错误，就将其送主机，然后发送确认信息ACK，发送端收到确认信息后，在缓冲区中清除已经正确发送的帧，腾出缓冲区，发送端主机可以继续发送后面的帧；如果接收端检查某帧有错，就将该帧及其以后到达的帧丢弃，同时向发送端发出某帧错误信息NAK，发送端

29、收到错误某帧错误信息后，就从该帧开始连同该帧后面的帧都重发一遍。计算机网络技术与应用ACKNAK主机通信装置ACK？否，重发3、4、5是，发下一帧通信装置3号帧正确？是，送主机主机否，丢弃3、4、5图2-17 拉回方式的工作原理缓冲区23451 0缓冲区23451 0计算机网络技术与应用2）选择重发方式发送方向接收方连续发送数据帧，发送出去的数据帧在缓冲区中暂存;如果接收端检查某帧有错，就只将该帧丢弃，其后面的帧仍继续接收到缓冲区中，同时向发送端发出某帧错误信息NAK发送端收到某帧错误信息后，仅将该编号帧重发一遍。计算机网络技术与应用否，丢弃3ACKNAK主机通信装置ACK？否，重发3是，发下

30、一帧通信装置3号帧正确？是，送主机主机图2-18 选择重发方式的工作原理缓冲区23451 0缓冲区23451 02.5 数据交换技术2.5.1 数据交换基本概念2.5.2 线路交换2.5.3 报文交换2.5.4 分组交换计算机网络技术与应用2.5.1 数据交换基本概念计算机网络技术与应用在远程同通信中，数据要经过通信子网中的多个节点一站一站的传输才能送到接收端，我们把这种通信方式称为交换数据交换有以下几种交换方式。数据交换电路交换存储转发报文交换分组交换数据报虚电路2.5.2 线路交换线路交换计算机网络技术与应用 交换数据之前，通信双方先建立物理连接，然后在约定的信道上传输数据。 线路交换经过

31、建立线路、传输数据和释放线路三个阶段。节点A节点B节点C节点D节点E节点F节点G主机A主机B请求请求请求请求确认确认确认图2-19 线路交换基本原理计算机网络技术与应用（1）线路独占，因此线路的利用率较低；（2）实时性好。传输数据过程中中间节点不对数据做任何处理，具有较好的实时性；（3）不能缓存数据，不能进行差错检验；（4）适合大量数据传输、交互式会话类的通信。线路交换的特点2.5.3 报文交换计算机网络技术与应用1报文交换原理主机A将发送的数据和源地址、目的地址以及其他控制信息组装成报文，然后发送到通信子网中的节点A。节点A完成以下工作：接收报文并存储，对报文进行检错纠错，根据报文中的目的地

32、址选择一条最佳路径如果所选路径空闲就将报文发送出去，如果所选路径忙就存储，计算机网络技术与应用图2-20 报文交换基本原理报文报文报文报文报文报文节点A节点B节点C节点D节点E节点F节点G主机A主机B计算机网络技术与应用2报文交换的特点主要有：（1）发送数据前不需要建立专线连接；（2）不独占线路，多个用户的数据可以通过存储和排队共享一条线路，线路利用率高；（3）有差错检测功能，避免出错数据无谓传输；（4）有存储转发功能，可以对不同速率的线路进行转换；（5）不能支持实时通信和交互式的通信。2.5.4 分组交换计算机网络技术与应用所谓分组交换是在报文交换的基础上，将报文分成更小的单位分组，然后以分

33、组为单位进行传输.分组的好处： 分组交换更利于检错纠错 分组很小，对中间节点缓冲区要求也很低1分组交换的概念计算机网络技术与应用2数据报交换方式节点A节点B节点C节点D节点E节点F节点G主机A主机BG1G1G2G2G3G3G3G2G1G3 G2G1 G2G3（1）不需要建立专线连接，线路利用率高；（2）每个分组独立携带源地址和目的地址信息；（3）每个分组可以经过不同的路径通过通信子网，到达的顺序可能不同于发送的顺序，可能出现分组丢失、重复现象；（4）数据延迟较大，适合于突发性通信，不适合会话式的通信；计算机网络技术与应用3虚电路交换方式（1）在传输数据之前需要建立一个逻辑连接，这个连接不独占；（2）数据分组不需要携带地址信息；（3）所有分组沿一条虚电路传输，不会出现乱序、重复、分组丢失等现象；（4）分组经过虚电路上的节点时，只做差错检验，不需要再选择路径；（5）通信子网