吴静-第二章数据通信基础知识完

第二章数据通信基础知识本章内容2.1数据通信系统2.2数据通信方式2.3数据传输技术2.4数据交换技术2.5流量控制2.6差错检测编码2.7传输介质2.8物理层接口及标准2.9宽带接入技术2.1数据通信系统2.1.1数据通信系统模型2.1.2数据通信的基本概念2.1.3数据通信的主要技术指标2.1.1数据通信系统模型信源变换器信道反变换器信宿发送端噪声源接收端简单的数据通信系统模型数据通信系统定义：指以计算机为中心，用通信线路连接分布在各地的而执行数据传输功能的系统基本作用：在两个实体之间交换数据基本组成三要素：信源、信道、信宿计算机或终端数据终端设备信源：信息发送端信宿：信息接收端信道：传输信息的通道有线信道、无线信道数字信道、模拟信道变换器作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。变换器一般有编码器或调制器反变换器作用是将接收到的信号恢复成发送端原来的信号，是变换器的反向功能。反变换器一般有译码器或解调器噪声源模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。编码：把数据变换为数字信号的过程译码：把数字信号变换为数据的过程调制：把数据变换为模拟信号的过程解调：把模拟信号变换为数据的过程2.1.2数据通信的基本概念数据：由数字、字符和符号等组成，是信息的载体数据没有实际含义信息：按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据信息有具体含义信号：信号是数据的具体物理表示，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。电磁信号一般有模拟信号和数字信号两种形式数字信号：随时间离散变化的信号，如脉冲信号等模拟信号：随时间连续变化的信号，如正弦波信号等1011100码元：代表不同离散数值(状态)的基本波形码元代表的离散数值可以是多进制的，也可以是二进制的如：当使用二进制编码时，只有两种不同的码元，分别代表0状态和1状态码元代表的离散数值是多进制的情况如：传送“101011000110111010……”方法一：直接传送每个码元携带1bit码元代表的离散值是二进制的，两种码元方法二：分组：“101,011,000,110,111,010……”每个码元携带3bit码元代表离散值是0~7(八进制)，八种码元可用8种不同的振幅、频率、相位进行调制

数据据通通信信：定义义：：指指信信源源和和信信宿宿之之间间传传送送数数据据信信号号的的通通信信方方式式。。狭义义：：指指数数字字信信号号广义义：：包包括括数数字字信信号号和和模模拟拟信信号号数字字通通信信：在通通信信信信道道中中传传送送数数字字信信号号的的通通信信方方式式模拟拟通通信信：在通通信信信信道道中中传传输输模模拟拟信信号号的的通通信信方方式式数据据通通信信与与数数字字通通信信的的区区别别？？信源编码器信宿译码器信源编码器信宿译码器信源调制器信宿解调器数字字信信道道数字字信信道道模拟拟信信道道信源调制器信宿解调器模拟拟信信道道2.1.3数数据据通通信信的的主主要要技技术术指指标标数据据通通信信的的主主要要技技术术指指标标：：衡量量数数据据传传输输的的有有效效性性和和可可靠靠性性的的参参数数衡量量有效效性性的指指标标:信道道带带宽宽和和信信道道容容量量传输输速速率率(数数据据传传输输速速率率、、码码元元速速率率)传输输延延迟迟衡量量可靠靠性性的指指标标:误码码率率(1)信信道道带带宽宽和和信信道道容容量量信道道带带宽宽：：信道道具具有有的的一一定定频频率率范范围围(频频带带宽宽度度)按信信道道频频率率范范围围不不同同，，可可分分为为三三类类：：窄带带信信道道———带带宽宽为为0~300Hz音频频信信道道———带带宽宽为为300~3400Hz宽带带信信道道———带带宽宽为为3400Hz以以上上带宽宽分分配配？？无线线电电微波波红外外线线可见见光光紫外外线线X射射线线射线线双绞绞线线同轴轴电电缆缆卫星星地面面微微波波调幅幅无线线电电调频频无线线电电海事事无线线电电光纤纤电视视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电电信领域域使用的的电磁波波的频谱谱信道容量量定义：指指单位时时间内信信道所能能传输的的最大信息量，它它表征信信道的传传输能力力。表示方式式：a)以码元速速率表示示：指信道道在单位位时间内内可传输输的最大大码元数数，单位位“波特特”b)以数据传传输速率率表示：指单位位时间内内最多可可传输的的二进制制数的位位数，单单位“bit/s”信道容量量和信道道带宽的的关系一般情况况下，信信道带宽宽越宽，，一定时时间内信信道上传传输的信信息量就就越多，，则信道道容量就就越大，，传输效效率就越越高。香农定理理：在带宽宽受限、、有高斯斯白噪声声干扰的的条件下下：C——信道道容量，，bit/sW——信道道带宽，，HzN——噪声声功率S——信号号功率S/N——信噪噪比，一一般用分分贝(dB)作作为度量量单位C=Wlog2(1+S/N)信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)奈奎斯特特准则：在带宽宽受限、、无噪声声干扰的的条件下下：C——信道道容量，，bit/sW——信道道带宽，，HzN——信道道上传输输信号可可取离散散值的个个数(状状态数)log2N——信号号所表示示的二进进制数据据的位数数数据传输输速率R和码元元速率B的关系系最大码元元速率BmaxC=2Wlog2NR=Blog2N因为Rmax=C，所所以Bmax=2WRmax=Bmaxlog2N由题意知知：10log10(S/N)=30可得出：S/N=1000根据香农农公式：：最大数据据传输率率=3000log2(1+S/N)≈30K(bit/s)例1:电电话系统统的典型型参数是是信道带带宽为3000Hz，，信噪比比为30dB，，则该系系统的最最大数据据传输速速率是多多少？例2：对对于某带带宽为4000Hz的的低通信信道，采采用16种不同同的状态态来表示示数据。。

(1)按照照奈奎斯斯特定理理，信道道的最大大码元速速率是多多少？最最大传输输速率是是多少？？

(2)如果果信道的的信噪比比为30dB，，按照香香农定理理，信道道的最最大传输输速率是是多少？？(1)最最大码元元速率Bmax=2×W=2××4000=8000(波特特)最大传输输速率=Bmaxlog2N=8000log216=32K(bit/s)(2)由由题知：：10log10(S/N)=30可得出：：S/N=1000最大传输输速率=Wlog2(1+S/N)=4000log2(1+1000)≈40K(bit/s)2.2数数据通通信方式式2.2.1并并行通信信与串行行通信2.2.2单单工通信信、半双双工通信信和全双双工通信信2.2.3异异步传输输与同步步传输2.2.1并并行通信信与串行行通信并行通信信定义：指指利用多多根传输输线将多多位数据据同时进进行传送送。特点：线线路多、、成本高高适用场合合：距离离短、数数据量大大串行通信信定义：指指利用一一条传输输线将数数据一位位一位地地按顺序序（由低低位到高高位）分分时传输输特点：线线路少、、成本低低适用场合合：距离离远、距距离近且且速度不不高源目的01001100并行数据据T源目的串行数据据8T010011002.2.2单单工通信信、半双双工通信信和全双双工通信信全双工站A站B站A站B站A站B半双工单工单向分时、双双向同时、双双向2.2.3异异步传输输与同步步传输异步传输输异步是指指发送端端和接收收端不使使用共同同的时钟钟，也不不在数据据中传输输同步信信号发送端和和接收端端必须约约定数据帧格格式和比特率起始位(1个)——每每个数据据帧开始始传送的的标志；；低电平平。数据帧格格式数据位(5～8个)———紧跟跟着起始始位传送送；低位位前，高高位后。。表示一一个字符符校验位(1个)——用用于校验验是否传传送正确确；可选选。停止位(1.5/2个个)———表示该该数据帧帧传送结结束；高高电平。。空闲位———传送送数据帧帧之间的的间隔；；高电平平。起始位校验位停止位空闲位数据位低位高位数据帧0/10/10/10/110111…空闲位下一个数据帧同步传输输以一个数数据帧为为传输单单位，每每个数据据帧附加加起始和和结束标标志同步通信信的数据据传输效效率和传传输速率率较高，，但硬件件电路比比较复杂杂两种形式式：面向字符符的同步步传输、面向比特特的同步步传输~~~~起始标志志数据数据数据结束标志志例１:设设数据帧帧为1个个起始位位、7个个数据位位、1个个奇偶校校验位和和1个停停止位，，如果比比特率为为1200bps。用用7位数数据位代代表一个个字符，，求每秒秒能传送送的最多多字符数数是多少少？不存在空空闲位时时，可传传送的字字符数最最多1200/（1+7+1+1）＝120个个2.3数数据传传输技术术2.3.1基基带传输输、频带带传输和和宽带传传输2.3.2数数据编码码与调制制技术2.3.3多多路复用用技术2.3.1基基带传输输、频带带传输和和宽带传传输1)基带带传输基带信号号：来自信源源的电脉脉冲信号号基带传输输：在信道中中直接传传输基带带信号的的传输方方式基带信号号往往包包含有较较多的低低频成分分或直流流成分，，仅适合合近距离传传输。通常在进进行远距距离传输输的模拟拟信道中中，必须须对基带带信号进进行调制(modulation)。。2)频带带传输频带信号号：将基带信信号变换换(调制制)成便便于在模模拟信道道中传输输的、具具有较高高频率范范围(300～3400Hz)的信号号频带传输输：将频带信信号在信信道中传传输的方方式。频带传输输实际上上就是模拟传输输频带传输输的基础础是载波频率恒定定的模拟拟信号3)宽带带传输宽带：包括大部部分电磁磁波频谱谱宽带传输输：将宽带信信号在信信道中传传输的方方式。2.3.2数数据编码码与调制制技术编码与调调制的原原因：数据在传传输中容容易产生生误码编码和调调制技术术可使系系统具有有纠错能能力和抗抗干扰能能力可极大地地避免码码流传送送中误码码的发生生编码与调调制的任任务：提高数据据传输效效率降低误码码率信号是数数据的具具体表现现形式数据与信信号之间间的四种种组合：：数字数据据模拟拟信号数字数据据数字信信号模拟数据据数字字信号模拟数据据模拟拟信号（一）数数字数据据调制为为模拟信信号数字数据据可以由多多种不同同形式的的电脉冲冲信号的的波形来来表示。。要将基带信号号(即数数字数据据)进行远程程传输，，必须先先将其变变换(调调制)为为频带信号号(即模模拟信号号)，才能在在模拟信信道上传传输。上述变换换就是将数字数数据调制制为模拟拟信号的的过程三种调制制方法：：1)幅幅度调制制（AM）载波的振振幅随基基带数字字信号而而变化，，简称调调幅2)频频率调制制（FM）载波的频频率随基基带数字字信号而而变化，，简称调调频3)相位位调制（（PM））载波的初初始相位位随基带带数字信信号而变变化，简简称调相相010011100基带信号号调幅调频调相对基带信信号的三三种调制制波形（二）数数字数数据编码码为数字字信号数字数据据可以由多多种不同同形式的的电脉冲冲信号的的波形来来表示。。数字信号号是离散的的电压或或电流的的脉冲序序列，由由若干个个码元组组成表示数字字数据的的码元形形式不同同，则相相应产生生不同的的编码方方法(1)双双极性码码在一个码码元时间间间隔内内:发正电流流表示二二进制的的“1””发负电流流表示““0”正向幅度度与负向向幅度相相等有归零型型和不归归零型之之分(2)曼曼彻斯特特编码在每一个个码元时时间间隔隔内:当发“0”时，，在间隔隔的中间间时刻电电平从低向高高跃变当发“1”时，，在间隔隔的中间间时刻电电平从高向低低跃变注意：也也可采用用相反的的规定！！曼彻斯特特编码的的波形图图tA(3)差差分曼彻彻斯特编编码在每一个个码元时时间间隔隔内:无论发““0”或或发“1”，在在间隔的的中间都都有电平平的跃变变。发“0””时，间隔开始始时刻有跃变发“1””时，间隔开始始时刻不跃变差分曼彻彻斯特编编码的波波形图tA例1：画画出比特特流01101100的双极极性不归归零码波波形图、、曼彻斯斯特编码码波形图图（码元元1是先先高后低低）、差差分曼彻彻斯特编编码波形形图At双极性不归零码波形图At曼彻斯特编码波形图At差分曼彻斯特编码波形图作业：如图是二二进制序序列的曼曼彻斯特特编码，，码元１１是前低低后高，，试画出出该二进进制序列列的差分分曼彻斯斯特编码码。曼彻斯特特编码波波形图二进制序列Ｔ(三)模模拟数据据编码为为数字信信号常用方法法：脉冲编码码调制(PCM)、增量调调制(IM)PCM过过程的三三个步骤骤：采样、量量化、编编码不考(1)采采样定义把时间上上连续的的模拟数数据转换换成时间间上离散散信息，，即在每每隔固定定长度的的时间点点上抽取取模拟数数据的瞬瞬时值。。采样定理当采样频率率f≥2*模拟拟数据的频频带宽度fmax时，离散信信息可以无无失真地代代表被取样样的模拟数数据。(2)量量化定义把采样得到到的不同离离散幅值，，按照一定定的量化级转换为对应应的数值并并取整数，，得到离散散信号的具具体数值。。量化级量化级即把把离散幅值值分为均匀匀的等级量化级是2的整数次次幂，如分分为128级、256级等量化等级越越高，表示示离散信号号的精度越越高(3)编编码定义将量化后的的离散值转转换为一定定位数的二二进制数值值。量化级为N时，对应应的二进制制位数为log2NPCM编码码过程2.3.3多路复复用技术信道共享和和多路复用用技术产生生原因多路复用：利用一条条物理信道道同时传输输多路信息息的过程。。信道A1A2B1B2C1C2信道信道共享信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不不使用用复用技技术(b)使使用复复用技术术1)频分分多路复复用(FDM)FDM：：就是将将具有一一定带宽宽的信道道分割为为若干个个有较小小频带的的子信道道，每个个子信道道供一个个用户使使用。FDM的所有用用户在同样的时时间占用不同的带带宽资源源FDM子子信道示示意图频率时间子信道D子信道C子信道B子信道A可用频段段2)时时分多路路复用(TDM)时分多路路复用：将时间间分成一一个个等等长的时分复用用帧(TDM帧帧)，每帧再再分为若若干时隙隙，轮换换地为多多个用户户使用。。每个用户户在每个个TDM帧帧中占用用固定序序号的时时隙，这这些时隙隙组成一一个子信信道TDM的的所有用用户是在在不同的时时间占用同样的频频带宽度度。TDM子子信道示示意图频率时间BCDBCDBCDBCDAAAATDM帧帧TDM帧帧TDM帧帧TDM帧帧可用频段段组成子信信道A的的时隙TDM分分为两种种：同步时分分多路复复用分配给每每个用户户的时隙隙固定，，空闲时时隙不能能被其它它用户占占用异步时分分多路复复用(又称统计时分分多路复复用STDM)动态分配配时隙，，空闲时时隙可以以被其它它用户占占用3)波分分多路复复用(WDM)WDM相相当于光光的频分分复用WDM指指在一根根光纤上上能同时时传送多多个波长长（频率率）不同同的光载载波的复复用技术术不考4)码分分多路复复用(CDM)CDM是是基于码码型分割割信道的的共享信信道方法法常用名词词是码分多址址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。每个用户户在同样的时时间使用同样的频频带通信各用户使使用不同码型型，彼此不不会造成成干扰每个比特特时间划划分为m个短的间间隔，称称为码片(chip)码片序列列(chipsequence)每个站被被指派一一个唯一一的mbit码码片序序列。如发送比比特1，则发发送自己己的mbit码码片序序列如发送比比特0，则发发送该码码片序列列的二进进制反码码例如，S站的8bit码码片序序列是00011011发送比特特1时时，就就发送序序列00011011发送比特特0时时，就就发送序序列11100100将码片中中的0写写为-1,1写写为+1，上述述S站的的码片序序列可写写为：(–1––1––1+1+1––1+1+1)CDMA的重重要特点点每个站分分配的码码片序列列特点必须各不不相同必须互相相正交码片序列列的正交交关系令向量S表表示站S的的码片向向量令向量T表表示其它它任何站站的码片片向量两个不同同站的码码片序列列正交，，就是向向量S和T的的规格化化内积都是0：例：令向向量S为(–1––1––1+1+1––1+1+1)，向量T为(–1––1+1––1+1+1+1––1)，S与T是是否正交交？解：把向向量S和T的的各分量量值代入入上式就就可看出出这两个码片片序列是是正交的的。任何一个个码片向向量和该该码片向向量自己己的规格格化内积积都是1。一个码片片向量和和该码片片反码的的向量的的规格化化内积值值是––1。正交关系系的另一一个重要要特性ååå====±===·mimiimiiimSmSSm112211)1(111SSååå======·mimimi=1m(-Si2)m(Si)反Sim11)－1(111S反S－1CDMA的工工作原理理S站的的码片序序列S110ttttttm个码片tS站发发送的信信号SxT站发发送的信信号Tx总的发送送信号Sx+Tx规格化内内积SSx规格化内内积STx数据码元元比特发送端接收端S(Sx+Tx)=SSx+STx=SSx=+1S站站发送位位1-1S站发送送位00S站站没发送送数据例1：共共有3个个站进行行CDMA通信信，3个个站的码码片序列列分别为为：A(-1-1-1+1+1-1+1+1),B(-1-1+1-1+1+1+1-1),C(-1+1-1+1+1+1-1-1),现收收到这样样的码片片序列X(-1+1-3+1-1-3+1+1),那么么，A、、B、C3个个站分别别发送了了什么数数据呢？？所以，A站发送送的是位位1å=·8i=1XiAi81XA=+1·XB=-1所以，B站发送送的是位位0·XC=0所以，C站未发发送数据据例2：在在一个CDMA移动通通信系统统中，A、B、、C站分分配的码码片序列列分别为为(-1-1-1+1+1-1+1+1)、(-1-1+1-1+1+1+1-1)和(-1+1-1+1+1+1-1-1)，，某一时时刻A发发送数据据位0，，B发送送数据1，C未未发送，，则接收收C站信信息的接接收者收收到的信信号是什什么？解：A要发发送位位0，，则将将其码码片反反码的的序列列发送送出去去，即即发送(+1+1+1-1-1+1-1-1)B要发发送位位1，，则将将其码码片序序列发发送出出去，，即发发送(-1-1+1-1+1+1+1-1)C未发发送数数据收到的的信号号是双双极性性信号号线性性相加加的结结果，，即(+1+1+1-1-1+1-1-1)+(-1-1+1-1+1+1+1-1)=(00+2-20+20-2)作业：：共有4个站站进行行码分分多址址CDMA通信信。4个站站的码码片序序列为为：A:(-1-1-1+1+1-1+1+1)B:(-1-1+1-1+1+1+1-1)C:(-1+1-1+1+1+1-1-1)D:(-1+1-1-1-1-1+1-1)现现收到到这样样的码码片序序列:(-1+1-3+1-1-3+1+1)。问问哪个个站发发送数数据了了？发发送数数据的的站发发送的的是1还是是0？？2.4数数据交交换技技术“交换换”的的含义义从字面面上看看，““交换”就是是转发从通信信资源源的分分配角角度来来看，，“交交换””就是是按照照某种种方式式动态地地分配配传输线线路资资源。。常用的的数据据交换换技术术电路交交换、、报文文交换换、分分组交交换2.4.1.电电路交交换技技术电路交交换的的三个个阶段段：建立电电路传输数数据拆除电电路A和和B通通话经经过四四个交交换机机通话在在A到到B的的连接接上进进行((((交换机机交换机机交换机机交换机机用户线线用户线线中继线线中继线线BDCA电路交交换过过程电路交交换的的特点点有电路路的建建立和和拆除除过程程电路建建立以以后为为专用用线路路实时性性好出现的的问题题计算机机数据据具有有突发发性这导致致专用用线路路的利利用率率很低低2.4.2报报文交交换技技术以报文文为单单位交交换信信息。。报文交交换特特点无呼叫叫建立立和专专用线线路存储-转发发式的的发送送技术术报文交交换过过程发送报报文传输暂存-转发发传输暂存-转发发传输接收报报文与电路路交换换比较较，优优点为为不存在在专用用线路路，线线路利利用率率较高高系统很很容易易把一一个报报文送送到多多个目目的站站点出现的的问题题报文传传输延延迟较较长(特别别是发发生传传输错错误后后)不能满满足实实时或或交互互式通通信要要求2.4.3分分组交交换技技术基本思思想数据分分组路由选选择存储转转发分组交交换特特点无呼叫叫建立立和专专用通通路存储-转发发式的的发送送技术术数据分分成分分组进进行发发送报文1101000110101010110101011100010011010010报文较较长，，不便便于传传输(1)数据据分组组数据段1数据段2数据段3报文第一步步：在在发送送端，，先把把较长长的报报文分分成若若干个个较短的、长长度固定定的数据据段数据段段1数据段段2数据段段3报文第二步：：每个数数据段前前面添加加上首部构成分组组首部首部首部分组1分组2分组3请注意：：现在左左边是“前面”第三步：：以“分组”作为数数据传输输单元，，依次把各分组组发送到到接收端端（假定定接收端端在左边边）数据段1首部分组1数据段2首部分组2数据段3首部分组3分组首部部的重要要性每一个分组的首首部都含含有地址等控制信信息。每个结点点交换机机根据收收到的分分组首部部中的地址信息息，把分组组转发到下一个个结点交交换机。。用这样的的存储转发发方式，最最后分组组就能到到达最终目的的地。第四步：：接收端端收到分分组后剥剥去首部部还原成成报文数据段段1首部分组1数据段段2首部分组2数据段段3首部分组3收到的数数据数据据数据据数据据第五步：：在接收收端把收收到的数数据恢复成为为原来的的报文。这里，假假定分组组在传输输过程中中没有出出现差错错，在转发时时也没有有被丢弃弃。报文1101000110101010110101011100010011010010H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组组H2向H6发送分组组注意分组组路径的的变化！！路由器主机(2)路路由选选择(3)存存储转发发H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组组路由器主机在路由器器E暂存查找转发发表找到转发发的端口口最后到达达目的主主机H5在路由器器C暂存查找转发发表找到转发发的端口口在路由器器A暂存查找转发发表找到转发发的端口口分组交换换优点：：传输延迟迟小，提提高了传传输速率率出错概率率小，出出错时重重传分组组比报文文开销小小降低对网网络结点点存储容容量的要要求分组在不不同链路路并发传传送，提提高了传传输效率率和线路路利用率率分组交换换出现的的问题：：分组封装装与重组组会产生生一定的的开销三种交换换方式的的数据传传输过程程P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换换电路交换换分组交换换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送送的特点比特流直直达终点点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发设共k段段链路，，每段链链路传播播时延为为d秒，，报文长长度为l，每段链路路发送速速率为v，电路路建立时时间为s，结点点处理和和排队时延延忽略不不计。分分组长度度为p，，分组首首部为m。电路交换换时延电路建立立时间+发送报报文时延延+k段段传播时时延=s+l/v+kd报文交换换时延k个结点点发送报报文时延延+k段段传播时时延=kl/v+kd分组交换换时延设需划分分n个分分组，l/(p-m)若能能整除，，则n=l/(p-m)，，否则n=l/(p-m)+1，，此时分分组交换换时延为为；第1个分分组的k段发送送时延+第1个个分组的的k段传传播时延延+n-1个个分组的的1段发发送时延延=kp/v+kd+(n-1)p/v三种交换换技术对对比电路交换换存在呼呼叫建立立，专用用线路不不传送数数据时浪浪费资源源。报文交换换没有呼呼叫建立立，只有有发送数数据时才才占用线线路，但但传输延延迟较长长分组交换换除了报报文交换换的特点点外，还还有传输输延迟小小的优点点例1：在在图2.8所示示的采用用“存储储-转发发”方式式分组的的交换网网络中，，所有链链路的数数据传输输速度为为100Mbps，分分组大小小为1000B，其中中分组头头大小为为20B，若主主机H1向主机机H2发发送一个个大小为为980000B的文文件，则则在不考考虑分组组拆装时时间和传传播延迟迟的情况况下，从从H1发发送到H2接收收完为止止，需要要的时间间至少是是多少？？2010年全全国考研研题H1H2划分分组数数为：980000/(1000-20)=1000对于每个分分组发送时时延：(1000*8)/(100*106)=0.08ms总的时间至至少为：0.08*3+0.08*999=80.16ms作业：要传送的报报文共1024bit，从源源站到目的的站共经过过3段链路路，每段链链路的传播播时延为10ms，，数据率为为1Mbps。在电电路交换时时电路的建建立时间为为100ms。在分分组交换时时，分组长长度为672bit，首部长长度为160bit，且各结结点的排队队等待时间间可忽略不不计。(1)计算算在电路交交换时的时时延(2)计算算在分组交交换时的时时延2.5流流量控制流量控制：：指控制发送送方的发送送能力不超超过接收方方的接收能能力常见的流量量控制协议议包括：停止-等待待协议连续ARQ协议选择重传ARQ协议议采用滑动窗窗口机制2.5.1停止-等待协议议常称为自动动重传请求求ARQ(AutomaticRepeatreQuest)协议描述：：当发送方发送完一个个数据帧后后，便等待待接收方发发回的确认认帧只有当确认认帧到达后后，才能发发送下一个个数据帧若计时器超时而仍未收到到确认帧，，则重传刚刚发送过过的数据帧帧。超时重传M1(a)无无差错情况况A发送M1确认M1B发送M2发送M3确认M2确认M3A发送M1B发送M2确认M1丢弃有差错错的数据帧(b)超超时重传ttttA发送M1B超时重传M1发送M2丢弃重复的M1重传确认M1(a)确确认丢失确认M1A发送M1B超时重传M1发送M2丢弃重复的M1重传确认M1(b)确确认迟到确认M1收下迟到的确认,但但什么也不不做tttt超时重传发送方每发发送一个数数据帧，就就对这个数数据帧设置置一次超时计时器器。只要超时计计时器设置置的重传时间已已到，但发送方还没没有收到接接收方的确确认，就要要向接收方方重传这个数据帧帧。请注意在发送完一一个数据帧帧后，必须须暂时保留已发送数据据帧的副本本。数据帧和确确认帧都必必须进行编号，并且序号循循环使用。。超时计时器器的重传时时间应当比比数据帧的的平均往返返时延更长一些。ack2ack1ack0发送方接收方0112时间时间0E12超时重传出错2.5.2连续ARQ协议议协议提出原原因改进停止-等待协议议——提高信道利利用率协议描述数据帧按序从发送方流流向接收方方发送方在发送完一一个数据帧帧后，不是是停下来等等待确认帧帧，而是可可以连续再再发送若干干个数据帧帧出错帧处理理方法：接收方等待发送方方重发该帧帧，对其它它发送方发发来的帧均均丢弃，发送方重发包括该该帧在内的的后面N帧帧附加说明连续ARQ协议又叫叫后退N帧帧ARQ协协议(GoBackN,GBN)接收方可以以累计确认认ack62013423401EDD2345656发送方接收方重传2~4┏━━━━━┓ack0ack1ack2ack3ack4出错被丢弃的数据帧超时间隔ack52.5.3选择重重传ARQ协议选择重传(SelectiveRepeat)协议(SR)协议提出原原因：改进连续ARQ协议议——减少重传帧帧数，设法只重重传出错的数据据帧协议描述：：出错帧的处处理方法接收方发现某帧出出错后，接接收方对后后面传来的的帧不丢弃弃，而是把把它们放在在一个缓冲冲区中发送方只对出错帧帧进行重传传接收方收到重传帧帧后，就将将已收到的的其余帧一一起按正确确的顺序递递交网络层层，且只对对最高序号号帧进行确确认。2013425601E342567878发送端接收端重传┏━┓超时间隔ack0ack1ack4ack5ack6ack7ack8出错被缓冲的数据帧将2~4传给网络层2.5.4滑动窗窗口机制滑动窗口机机制是从发送和和接收两方方面限制用用户资源需需求，并通通过接收方方来控制发发送方的数数量发送方在发送窗口口尺寸允许许下，一次次可连续发发送多个数数据帧接收方在接收窗口口尺寸允许许下，可接接收多个数数据帧，并并对多个数数据帧一次次进行确认认发送窗口和和接收窗口口发送窗口发送窗口是指发送方方允许连续续发送数据据帧的序列列表发送窗口的的大小限制了发送送方的已发发送但未被被确认的数数据帧的数数目。接收窗口接收窗口是指接收方方允许接收收数据帧的的序列表凡是到达接接收窗口内内的数据帧帧才被接收收，在窗口口外的其它它数据帧被被丢弃窗口滑动方方法发送窗口滑滑动方法发送方收到确认ACKi(i为接收收方期望收收到的序号号)后，将将发送窗口口向前滑动动到起始序序号为i的的位置，然然后根据收到的接收窗口大大小来设置发送送窗口大小小接收窗口滑滑动方法接收方对按序收到到数据中的的最高序号号j(j为为接收方最最后正确接接收的序号号)给出确确认ACKj+1，，然后将接接收窗口向向前滑动到到起始序号号为j+1的位置窗口的滑动动过程前移不允许发送送已发送并收到确认A的发送送窗口=20允许发送的的序号26272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556B期望收到的序号号31前沿后沿前移收缩根据据B给给出出的的确确认认号号31,接接收收窗窗口口大大小小20A构构造造出出自自己己的的发发送送窗窗口口TCP标标准准强强烈烈不不赞赞成成发送送窗窗口口前前沿沿向向后后收收缩缩不允允许许发发送送已发发送送并并收到到确确认认A的的发发送送窗窗口口位位置置不不变变允许许发发送送但但尚尚未未发发送送262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已发发送送但但未未收收到到确确认认56P1P2P3不允允许许接接收收已发发送送确确认认并交交付付主主机机B的的接接收收窗窗口口允许许接接收收26272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556未按按序序收收到到可用用窗窗口口A发发送送了了11个个数数据据帧帧P3–P1=A的的发发送送窗窗口口(又又称称为为通通知知窗窗口口)P2–P1=已已发发送送但但尚尚未未收收到到确确认认的的数数据据帧帧P3–P2=允允许许发发送送但但尚尚未未发发送送的的数数据据帧帧(又又称称可可用用窗窗口口或或有有效效窗窗口口)注意意:B只只能能对对按按序序收收到到的的数据据的的最最高高序序号号给给出出确确认认确认认号号？？允许许发发送送但但尚尚未未发发送送A的的发发送送窗窗口口向向前前滑滑动动262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已发发送送并并收收到到确确认认不允允许许发送送已发发送送但未未收收到到确确认认56P1P2P3允许许接接收收B的的接接收收窗窗口口向向前前滑滑动动262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已发发送送确确认认并交交付付主主机机不允允许许接收收56未按按序序收收到到A收收到到新新的的确确认认号号34，，接接收收窗窗口口大大小小20，，发送送窗窗口口向向前前滑滑动动，，可可用用窗窗口口增增大大先存存下下，，等等待待缺缺少少的的数据据的的到到达达B收收到到31号号帧帧，，把把31~33号号帧帧交交付付给给主主机机，，接收收窗窗口口向向前前移移动动3个个序序号号，，并并给给A发发确确认认不允允许许发送送已发发送送并并收收到到确确认认A的的发发送送窗窗口口已已满满，，可可用用窗窗口口为为零零262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455已发送送但未未收到到确认认56P1P2P3A的的发送送窗口口内的的序号号都已已用完完，但还没没有再再收到到确认认，必必须停停止发发送。。ACK=1,ack=601,rwnd=0ACK=1,ack=501,rwnd=100ACK=1,ack=201,rwnd=300seq=1,DATAseq=201,DATAseq=401,DATAseq=301,DATAseq=101,DATAseq=201,DATAseq=501,DATAAB允许A发发送送序号号201至至500共共300帧帧A发发送了了序号号101至至200，还还能发发送200帧帧A发发送了了序号号301至至400，还还能再再发送送100帧帧新数数据A发发送了了序号号1至至100，还还能发发送300帧帧A发发送了了序号号401至至500，不不能再再发送送新数数据了了A超超时重重传旧旧的数数据，，但不不能发发送新新的数数据允许A发发送送序号号501至至600共共100帧帧A发发送了了序号号501至至600，不不能再再发送送了不允许许A再再发送送（到到序号号600为为止的的数据据都收收到了了）丢失！！利用滑滑动窗窗口进进行流流量控控制举举例A向向B发发送数数据。。在连连接建建立时时，B告告诉诉A：““我的的接收收窗口口rwnd=400（（数据据帧））”。。流量控控制各各协议议的窗窗口大大小发送窗口大小接收窗口大小停止-等待协议11连续ARQ协议N1选择重传ARQ协议NM最大窗窗口尺尺寸问问题讨讨论设帧序序号位位数为为Q，，发送送窗口口大小小为WT，接收收窗口口大小小为WR，为了能能区分分出新新帧和和重传传帧，，需满满足如如下条条件:停止-等待待协议议Q=1，则则WT和WR只能为为1，满足足WT+WR≤2Q连续ARQ协议议WR只能为为1，由WT+WR≤2Q可知，，WT≤2Q-1选择重传传ARQ协议WT+WR≤2QWT+WR≤2QWT≤WR不考虑拥拥塞控制制，WT=WR≤2Q-1考虑拥塞塞控制，，请自行行讨论?帧序号位位数为3，发送送窗口WT和接收窗窗口WR的大小都都为7，，则会出出现如下下情况：：发送方0123456701234567接收方0123456701234567发送方0123456701234567接收方0123456701234567数据帧正确接收收发送方0123456701234567接收方0123456701234567确认帧丢失012345重叠叠帧信道利用用率问题题讨论设发送一一个数据据帧时延延TD，往返时延延RTT，发送一个个确认帧帧时延TA(常忽略略不计)，信道道利用率率为U停止-等等待协议议连续ARQ协议议和选择择重传ARQ协协议设发送窗窗口大小小为P，，并且满满足PTD≤TD+RTT+TAU=TD/(TD+RTT+TA)U=PTD/(TD+RTT+TA)U=TD/(TD+RTT)不计TAU=PTD/(TD+RTT)不计TA三个协议的发送周期相同不考例1：若采用用后退N帧ARQ协议议进行流流量控制制，帧编编号字段为7位，则则发送窗窗口的最最大尺寸寸为()A.7B.8C.127D.128例2：数据链链路层采采用GoBackn方式式进行流流量控制制，发送送方已经经发送了了编号为为0~6的帧。。当计时时器超时时时，1号帧的的确认还还没有返返回，则则发送方方需要重重发的帧帧数是()A.1B.2C.5D.6例3：在选择择重传协协议(SR)中中，当帧帧的序号号字段为为3比特特，为保保证新滑滑动的窗窗口与旧旧的窗口口不产生生帧编号号的重叠叠，则发发送窗口口的最大大尺寸是是()A.2B.4C.6D.8例4：数据链链路层采采用选择择重传协协议(SR)传传输数据据，发送送方已发发送了0~3号数据帧帧，现0、2号号帧依次次超时，，则此时时需要重重传的帧帧数是()A.1B.2C.3D.4CDBB例5：在数据据传输速速率为100Kbps的卫星星信道上上发送长长度为1Kb的的帧，单单程传播播时延为为0.27s。。假设确确认总是是由数据据帧捎带带，帧头头很短，，帧序号号的长度度为3bit。。对于下下列三种种协议，，可以取取得的最最大信道道利用率率是多少少？(1)停停止-等等待协议议(2)连续续ARQ协议(3)选择重重传ARQ协议议解：三种种协议的的发送周周期相同同，均为为1/100+0.27+1/100+0.27=0.56s(1)发发送一个个数据帧帧的时间间为1/100=0.01s故U1=0.01/0.56=1.8%(2)发发送窗口口最大值值为23-1=7故U2=0.01*7/0.56=12.5%(3)发发送窗口口最大值值为23-1=4故U3=0.01*4/0.56=7.1%不考作业：1.数据据链路层层采用了了后退N帧(GBN)协议，，发送方方已经发发送了编编号为0~7的帧帧。当计计时器超超时时，，若发送送方只收收到0、、2、3号帧的的确认，，则发送送方需要要重发的的帧数是是()A.2B.3C.4D.52.P512(6)不考2.6差差错检检测编码码基本思想想发送端通通过对信信息序列列进行某某种变换换，使原原来彼此此独立的的、没有有相关性性的信息息码产生生某种相相关性接收端据据此来检检查和纠纠正传输输信息序序列中的的差错。。常用的差差错检测测编码奇偶校验验码校验和循环冗余余校验码码2.6.1奇奇偶校验验码奇偶校验验码是一一种最简单的检错码码只能对付付少量的的随机性错误奇偶校验验定义：：在原数数据位后后附加一一个检验验位(冗冗余位)，使得得在附加加后的整整个数据据码中的的“1””的个数数成为奇奇数或偶偶数，分分别称为为奇校验或偶校验。奇偶校验验过程发送端先将要传传送的数数据分组组(一个个字符[异步时时]或若若干个字字符[同同步时])，然然后在每每一组后后增加校校验位[异步时时]或校校验字符符[同步步时]接收端按同样规规律进行行检验，，如发现现不符，，则有错错，否则则认为传传输正确确。不考奇偶校验验分为三三类水平奇偶偶校验垂直奇偶偶校验水平垂直直奇偶校校验水平奇偶偶校验主要用于于异步传传输信息字段段：以字符符为单位位检验对象象：一个字字符检验字段段：一个二二进制位位(称为为水平校校验位)传送顺序序：水平校校验位附附加在字字符之后后传输垂直奇偶偶校验主要用于于同步传传输信息字段段：一组(由多个个字符构构成)为为单位校验对象象：对组中中每个字字符的相相同位(构成一一列)进进行奇偶偶校验检验字段段：校验位位形成的的校验字字符(若若干位垂垂直校验验位)传送顺序序：检验字字符附加加在信息息分组之之后传输输水平垂直直奇偶校校验把水平和和垂直两两个方向向的奇偶偶校验结结合起来来字符信息比特水平偶校验位7654321A10000010B10000100C10000111D10001000E10001011F10001101G10001110垂直偶校验位1000000水平垂直直偶校验验码表检测能力力水平或垂垂直奇偶偶校验只只能检测测出奇数数个错误误，而不不能检测测出偶数数个位错错水平垂直直校验能能检测出出大多数数偶数个个位错2.6.2校校验和能检测突突发性的的位串出出错网络层协协议IP、运输输层协议议TCP/UDP等都都采用互互联网校校验和来来对报头头进行差差错检测测不考互联网校校验和计计算方法法发送方(1)把把报头中中的校验验和字段段置为0(2)将将报头视视为二进进制16位整数数流，如如果长度度不足，，则补若干干个0凑凑足16位整数数倍(3)对对报头内内的每个个16位位二进制制数进行行反码求和和(4)所所有16位全部部加完后后，将求求和结果果取反填填入校验验和字段中中，并将将数据与与校验和和一起发发送出去去接收方(1)收收到数据据后，同同样对报报头中的的每个16位二二进制数数进行反码求和和(2)如如果计算算的结果果为全1，则传传输正确确；否则则，出错错反码求和和的运算算规则从低位到到高位逐逐列进行行计算若有进位位，加到到左一列列高位若最高位位相加后后产生进进位，则则得到的的结果要要加1发送方接收方16位位字116位位字2置为全0检验和16位位字n16位反码算术运算求和……取反码报头数据报16位检验和16位位字116位位字216位检验和16位位字n16位反码算术运算求和结果……数据部分分若结果为全1,则正确；否则，传输出错数据部分不参与检验和的计算CRC码码由要传传送的k位信息码后附加r位校验序列列码(冗余码码)构成成CRC码码采用多项式编编码方法被处理的的数据可可看作是是一个n阶的二二进制多多项式，，如一个个8位二二进制数数10110101可可表示为为：1x7+0x6+1x5+1x4+0x3+1x2+0x+12.6.3循环冗冗余校验码码(CRC码)第一步：求r位校验验序列码设k位信息息码多项式式为M(x)发送方和接接收方约定定的r阶生成多项项式为G(x)在信息码末末尾添加r个0,则则其对应的的多项式变变为m(x)=xrM(x)用模2除法法进行m(x)/G(x)运运算,获得得商Q(x)和余数数R(x),则m(x)=G(x)*Q(x)+R(x)这里，R(x)对应应数据为r位校验序序列码循环冗余校校验方法第二步：求CRC码码令T(x)=m(x)+R(x)，T(x)对对应数据为为CRC码码发送CRC码第三步：检验设接收端收收到的数据据多项式为为T’(x)，将T’(x)除以以G(x)，若余数数为0则传传输数据正正确，否则则错误M(x)=pk-1xk-1+pk-2xk-2+…+p0x0pk-1pk-2…p0m(x)=xrM(x)=pk+r-1xk+r-1+…+prxr+0xr-1…+0x0r项pk+r-1…pr0…0r位G(x)=yrxr+yr-1xr-1+…+y0x0商Q(x)=qk-1xk-1+…+q0x0余数R(x)=lr-1xr-1+…+l0x0yryr-1…y0m(x)/G(x)商qk-1…q0余数lr-1…l0pk+r-1…pr0…0yryr-1…y0T(x)=m(x)+R(x)=pk+r-1xk+r-1+…+prxr+lr-1xr-1+…+l0x0=pk+r-1…prlr-1…l0pk+r-1…pr0…0+lr-1…l0模2运算法法则模2加法——相当于于异或运算算0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0模2减法——按照模模2加法规规则运算0–0=0,0––1=1,1––0=1,1–1=0模2除法——部分余余数首位为为1,则商商为1，否否则商为0。例：信息序列为为1100，生成多多项式为g(x)=x3+x+1，求CRC码的检检验序列码码，并验证证收到CRC码码1101010的的正确性。。解：M(x)=x3+x21100G(x)=x3+x+11011m(x)=xrM(x)=x3(x3+x2)=x6+x51100000m(x)/G(x):R(x)=x1100000/1011的的余数为010r位检验序序列码为010T(x)=m(x)+R(x)=x6+x5+x1100000+010=1100010则对应CRC码为1100010验证：T’(x)/G(x):1101010/1011余余数11，不正确1011111100000101111011011011011011001001100000/1011结结果：商为1110，余数数为010(取r=3位)1若信息息码字为11100011，，生成多项项式G(x)=x5+x4+x+1，则则计算出的的CRC检检验码为()A.01101B.11010C.001101D.00110102信息位位串为101000