第2章 数据通信基础-高殿武课件

本章学习要求：掌握：数据通信的基本概念掌握：物理传输媒体（介质）掌握：数据编码与传输方式掌握：多路复用掌握：数据交换了解：物理层接口与协议掌握：差错控制掌握:数据链路控制协议第2章数据通信基础数据通信：依照通信协议，利用数据传输技术在两个通信实体之间传递数据信息例如：计算机与计算机、计算机与终端之间数据通信基本作用是完成两个实体间数据的交换2.1数据通信的基本概念2.1.1数据通信系统模型2.1.1数据通信系统模型（1）信源/信宿

（2）信道:信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组成。同一条传输线路上可以有多个信道。（3）噪声:它是所有干扰信号的总称（4）信号转换器（变换器）:变换器的主要功能是在信源或信宿与信道之间进行信号的变换。调制解调器（Modem）编码解码器（Codec）

（1）信息：信息是人脑对客观物质的反映（2）消息：消息是具有一定意义的语言、文字、图象、数据等。2.1.2数据通信系统的常用术语

1．信息、消息和信号（3）信号：信号是信息在传输过程中的表示形式，是用于传输的电子、光或电磁编码

模拟信号（也称为连续信号）：随时间连续变化的电流、电压或电磁波用模拟信号表示要传输的信息，是指利用其某个参量（如幅度、频率或相位等）的变化来表示数据模拟数据和数字数据数字信号（也称为离散信号）：一系列离散的电脉冲用数字信号表示要传输的信息，是指利用其某一瞬间的状态来表示数据（4）信息、消息和信号三者之间的关系

从消息中提取有用的信息，用信号去表示信号是信息的载体，是消息的内容和解释数据通信过程：发送方将要发送的数据转换成信号，并通过物理信道传送到接收方的过程传输信道分为：模拟信道数字信道

数据通信分为：模拟通信数字通信

2．模拟信道和数字信道（1）模拟通信：模拟通信是指在模拟信道以模拟信号的形式来传输数据①模拟信道传输模拟数据②模拟信道传输数字数据模拟通信在长距离传输时，需用放大器增加电信号中的能量克服了衰减，但增加了噪声（2）数字通信：数字通信是指在数字信道以数字信号的形式来传输数据①数字信道传输模拟数据②数字信道传输数字数据数字通信在长距离传输时，需用中继器（重发器）提取并重发数字信号既克服了衰减，又克服了噪声码元传输速率简称传码率，又称符号速率、码元速率、波特率、调制速率表示单位时间内（每秒）信道上实际传输码元的个数，单位是波特（Baud）

传输速率Rb与波特率RB之间的关系：Rb=RBlog2N

2.1.3信道的极限信息传输速率

1．码元传输速率2．信道容量信道容量即信道的最大数据传输速率，即信道传输数据能力的极限。（1）离散的信道容量

奈奎斯特（Nyquist）在无噪声条件下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系为：B=2H（Baud）

奈奎斯特公式即无噪声条件下的信道容量C的公式为：（2）连续的信道容量

1948年，香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率：信噪比=10log10（S/N）（dB）常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质两大类（1）有线传输介质有线传输介质主要有双绞线、同轴电缆和光纤（2）无线传输介质主要有无线电波、微波、红外线、可见光2.2物理传输媒体（介质）双绞线是局域网中使用最广泛的传输介质分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）两大类2.2.1双绞线及其制作实例

1．双绞线双绞线特点：价格比较便宜连接可靠性好布线施工和维护简单可提供高达1000Mbps的传输带宽等，可用于数据、语音、视频等多媒体信息的传输双绞线常见的有：3类线，5类线和超5类线，以及最新的6类线等3类线：用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输主要用于10BASE-T以太网5类线用于语音传输和最高传输速率为1000Mbps的数据传输主要用于100BASE-T和1000BASE-T以太网超5类线：主要用于千兆位以太网（1000Mbps）目前，施工布线工程中最常使用的双绞线布线标准有两个：T568A标准和T568B标准把水晶头（RJ-45头）有塑料弹簧片的一面向下，有针脚的一方向上，使有针脚的一端指向远离自己的方向，有方形孔的一端对着自己最左边的是第1脚，最右边的是第8脚

T568A标准从第1根～第8根线的颜色依次为：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕和棕。T568B标准从第1根～第8根线的颜色依次为：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕和棕。在网络施工接线时，可以随便选择一种标准一般同网络中所有网线制作采用同一标准，这样比较规范在实际施工布线工程中使用T568B标准的比较多直通线（StraightCable）：两端RJ-45头中的线序排列完全相同的双绞线，称为直通线通常用于不同种设备之间的连接例如：计算机与交换机或HUB间的连接交叉线（CrossoverCable）两端线序标准不同的双绞线

交叉线通常用于同种设备之间的连接例如用于HUB或交换机间的连接、计算机和计算机之间的连接。2．双绞线制作实例（1）剥线（2）排线

（3）剪线

（4）插线

（5）压线

视频演示做线步骤常用的同轴电缆有两大类：基带同轴电缆（用于局域网传输数字信号的50Ω的粗缆和50Ω的细缆）宽带同轴电缆（用于宽带传输模拟信号的75Ω电缆）。普通双绞线可以传输低频与中频信号，同轴电缆可以传输低频到特高频信号，光纤可以传输可见光信号特点

2.2.2同轴电缆2.2.3光纤

光纤通信的原理光纤是利用光的全反射原理传输光信号

对于多芯的光纤，要正常通信，必须同时使用其中的两芯

1．光纤的通信原理单模光纤（SingleModeFiber）和多模光纤（MultiModeFiber）跳变式光纤和渐变式光纤

2．光纤的分类（1）通信速度快（2）传输距离长

（3）信号干扰小

（4）安全性较好

3．光纤的特点光纤一般用于距离较远或者对带宽要求很高的情况下光纤要能正常使用，在两端先要把里面的芯熔接上跳线或者尾纤

4．光纤在网络中的应用目前用于通信的主要有：无线电波、微波、红外线、可见光对于无线媒体，发送和接收都是通过天线实现的无线传输有两种基本的构造类型：定向的和全向的通常，30MHz～1GHz适用于全向应用而2～40GHz可实现高方向性的波束，它非常适用于点对点的传输2.2.4无线传输媒体（介质）无线通信所使用的无线电波频段覆盖从低频到特高频应用例子:调幅无线电使用中波（中频）MF（300KHz～3MHz）短波无线电使用高频HF（3M～30M）调频无线电广播使用甚高频VHF（30M～300MHz）电视广播使用甚高频到特高频UHF（30M～3GHz）802.11系列无线局域网、Bluetooth使用2.4GHz频段关于30MHz～1GHz：视距传输下雨对无线电波的衰减影响不大多路干扰

1．无线通信地面微波系统常用的频率范围是2～40GHz

卫星微波系统常用的频率范围是1～10GHz地面微波“接力”通信

微波天线最常见的类型是抛物面的“碟状”天线微波信号传输的特点是：（1）只能进行视距传播（2）由于大气对微波信号的吸收与散射，以及雨天等气候的影响，信号将严重衰减2．微波通信结构：小区（cell）：目前的移动通信系统将一个大区制覆盖的区域划分成多个小区（cell）基站（BS）：每个小区制的覆盖区域设立一个基站（BS）移动站（SS）：通过基站在用户的移动站（SS）之间建立通信小区覆盖的半径较小，一般为1～10km，因此可用较小的发射功率实现双向通信3．蜂窝无线通信蜂窝移动通信系统：由若干小区构成的覆盖区叫做区群由于区群的结构酷似蜂窝，因此人们将小区制移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统3G

在蜂窝移动通信系统中，多址接入方法主要有3种：频分多址接入FDMA时分多址接入TDMA码分多址接入CDMA

3．蜂窝无线通信卫星通信系统：是微波通信的一种其中继站设在卫星上卫星通信系统构成：通过卫星微波形成的点到点通信线路、两个地球站（发送站、接收站）与一颗通信卫星上行链路与下行链路卫星通信优点容量大、距离远、覆盖广具有广播能力、多站可以同时接收一组信息缺点：传播延迟时间长4．卫星通信编码调制:将模拟数据或数字数据编码为模拟信号通过传输介质发送出去的过程1．模拟数据的模拟信号调制

模拟数据以模拟信号传输时可以直接在模拟信道上传输，但是，出于天线尺寸和抗干扰等诸多问题的考虑，一般也需要进行调制其输出信号是一种带有输入数据的、频率极高的模拟信号。其调制技术有3种：调幅、调频和调相2.3数据编码与传输方式数字数据的数字信号编码，解决数字数据的数字信号表示问题由网络上的硬件完成

2．数字数据的数字信号编码可分为单极性不归零码和双极性不归零码

编码规则、判决门限、同步方式计算机串口与调制解调器之间采用的是不归零码不归零码NRZ（non-returntozero）可分为单极性归零码和双极性归零码

编码规则、同步方式、比较

归零码自同步码编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去曼彻斯特（Manchester）编码：每一位的中间（1/2周期处）有一跳变，该跳变既作为时钟信号（同步），又作为数据信号从高到低的跳变表示数字“0”，从低到高的跳变表示数字“1”自同步码差分曼彻斯特（DifferentManchester）编码：每一位的中间（1/2周期处）有一跳变，但是，该跳变只作为时钟信号（同步）数据信号根据每位开始时有无跳变进行取值：有跳变表示数字“0”，无跳变表示数字“1”。自同步码要在模拟信道上传输数字数据，首先数字信号要对相应的模拟信号进行调制，即用模拟信号作为载波运载要传送的数字数据载波信号可以表示为正弦波形式：f（t）=Asin（ωt+φ）其中幅度A、频率ω和相位φ的变化均影响信号波形通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码相应的调制方式分别称为幅度调制ASK、频率调制FSK和相位调制PSK结合ASK、FSK和PSK可以实现高速调制，常见的组合是PSK和ASK的结合3．数字数据的模拟信号调制幅度调制（幅移键控ASK）频率调制（频移键控FSK）相位调制（绝对相移键控和相对相移键控）常把模拟数据转换为数字信号来传输因为数字信号传输具有失真小、误码率低、价格低和传输速率高等特点将模拟数据转换为数字信号最常见的方法：脉冲编码调制PCM（PulseCodeModulation）技术它包括3个步骤：采样、量化和编码

PCM的理论基础是奈奎斯特（Nyquist）采样定理：若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，可以从这些采样中重新构造出原始信号。4．模拟数据的数字信号编码ADSL（非对称数字用户线路）常用正交调幅QAM（quadratureamplitudemodulation）调制这种调制技术是调幅与调相的综合。使用两个彼此相差90度的互为副本的载波频率，就有可能在相同的载波频率上同时发送两个不同的信号，QAM正是利用了这一特点。使用两电平ASK

使用四电平ASK

5．正交调制的基本概念通过模拟信号扩频既可用于传输模拟数据，也可用于传输数字数据其实质为调制技术6．扩频简介

扩频系统的主要特点是：输入的数据进入信道编码器，并产生模拟信号，这个模拟信号具有围绕某个中心频率的相对较窄的带宽然后这个信号被类似随机的数字序列进一步凋制，这个随机数字序列称为伪随机序列（pseudorandomsequence）用伪随机序列调制后传输信号的带宽有显著增加（频谱被扩展）伪随机序列是使用一些称为种子（seed）的初始值通过某种算法得到的，除非知道算法和种子，否则就不大可能推测出这个序列在接收端，使用相同的数字序列对扩频信号进行解调。最后，信号进入信道解码器被还原成数据扩频系统的主要特点广泛应用于包括计算机无线网等许多领域

使用这种机制时，原始信号中的一个比特在传输信号中就变成了多个比特，称为切片编码（chippingcode）（扩频码）例如在发射端将“1”用11000100110代替，而将“0”用00110010110去代替，这个过程就实现了扩频直接序列扩频DSSS

（DirectSequenceSpreadSpectrum）①抗干扰性强扩频扩频码相关性②隐蔽性好功率谱密度扩频码③易于实现码分多址CDMA

④抗多径干扰

相关性⑤DSSS通信速率高

直接序列扩频通信技术特点实现方法：载频信号以一定的速度和顺序，在多个频率点上跳变传递，接收端以相应的速度和顺序接收并解调这个预先设定的频率跳变的序列就是伪随机序列。在一个相对的时间段内，就可以看作在一个宽的频段内分布了传输信号，也就是宽带传输原因：系统的工作频率在不停地跳变，在每个频率点上停留的时间仅为毫秒或微秒跳频扩频技术特点：相对于DSSS，跳频技术具有更好的保密性和抗干扰性能，但带宽较低跳频扩频FHSS

（FrequencyHoppingSpreadSpectrum）根据不同的分类标准数据传输有不同的方式1．串/并行通信并行通信：数字信号以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输并行通信传输速度快、收发双方不存在字符同步问题适用于近距离和高速率的通信（是计算机内的主要传输方式）串行通信数据以比特流逐位在一条信道上传输传输效率低，收发双方需要保证同步串行通信适用于计算机之间通信和远程通信（它是计算机网络的主要传输方式）2.3.2数据传输方式（1）点对点连接

（2）多点连接2．通信线路的连接方式数据传输按数据传送的方向与时间可以分为：单工半双工全双工3、单/双工通信基带是指离散矩形波固有的频带基带信号是指离散矩形波（用0、1表示的离散矩形波信号）基带传输是指在信道中直接传输数字信号的传输方式，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输数据基带传输的频带可以从0Hz（直流）到几百MHz，甚至几千MHz电话通信线路一般不能满足基带传输要求传输距离、重发器

4．基带传输和频带传输频带传输先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输例如利用电话线的宽带ADSL接入

在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方交换数据要有高度的协同动作即保证传输数据速率、每个比特的持续时间和间隔均相同，这就是同步问题。实现数据传输同步有同步传输和异步传输两种方式（在利用数据编码的位同步基础上）5．异步传输和同步传输异步传输以字符作为数据传输的基本单位在传送的每个字符首末分别设置1位起始位以及1位或2位停止位，起始位是低电平（编码为“0”），停止位为高电平（编码为“1”）字符可以是5位或8位，当字符为8位时停止位是2位，8位字符中包含1位校验位各字符之间的间隔是任意的、非同步的，但在一个字符时间之内，收发双方的各数据位保持同步开销

异步传输同步传输要求发送方和接收方时钟始终保持同步，即每个比特位必须在收发两端始终保持同步，中间没有间断时间可分为：面向字符的同步面向位的同步

同步传输面向字符的同步：同步字符SYN

面向位的同步：用某个特殊的8位二进制串F（如01111110）作为同步标志

同步传输不是独立地发送每个字符，而是把字符或二进制序列组合为带有同步标志的数据块发送，一般称这样的数据块为数据帧，简称帧。开销

同步传输多路复用（multiplexing，也常简称为复用）在一条物理线路上传输多路信号来充分利用信道资源。采用多路复用的主要原因如下：（1）通信工程中用于通信线路架设的费用相当高，人们需要充分利用通信线路的容量（2）无论在广域网还是局域网中，传输介质的传输容量往往都超过了单一信道传输的通信量2.4多路复用多路复用的基本原理（1）频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）（2）波分多路复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）（3）时分多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）（4）码分多路复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）。多路复用一般可分为以下几种基本形式频分多路复用的基本原理是：在一条通信线路上设计多路通信信道，每路信道的信号以不同的载波频率进行调制，各个载波频率是不重叠的，相邻信道之间用“警戒频带”隔离那么，一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。频分多路复用是利用带通滤波器实现的使用FDM的前提是：物理信道的可用带宽要远远大于各原始信号的带宽。2.4.1频分多路复用OFDM在无线网络中被广泛应用其基本思想：将信道的可用带宽划分成若干相互正交的子载波，在每个子载波上独立进行数据传输。从而实现对高速串行数据流的低速并行传输OFDM（正交频分复用）它由传统的频分复用（FDM）技术演变而来，区别在于：OFDM是通过DFT（离散傅立叶变换）和IDFT而不是传统的带通滤波器来实现子载波之间的分割各子载波可以部分重叠，但仍然保持正交性因而大大提高了系统的频谱利用率波形数据的低速并行传输增强了OFDM抵抗多径干扰和频率选择性衰减的能力。OFDM的每个子载波可以有自己的调制方式，例如可以选用QAM64等。OFDM（正交频分复用）波分多路复用在一根光纤上同时传输多个波长不同的光载波实际上WDM是FDM的一个变种，用于光纤信道波分多路复用实现：在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解随着技术的发展，目前可以复用80路或更多路的光载波信号，这种复用技术也叫做密集波分复用DWDM（DenseWavelengthDivisionMultiplexing）2.4.2波分多路复用1．时分多路复用的概念应用前提：当信号的频宽与物理线路的频宽相当时，就不适合采用频分复用技术如数字信号具有较大的频率宽度，通常需要占用物理线路的全部带宽来传输一路信号数字信号作为离散量，具有持续时间很短的特点可以考虑将线路的传输时间作为分割对象2.4.3时分多路复用1．时分多路复用的概念时分多路复用将线路传输时间分成一个个互不重叠的时隙（timeslot），并按一定规则将这些时隙分配给多路信号，每一路信号在分配给自己的时隙内独占信道进行传输2.4.3时分多路复用

时分多路复用又可分为两类：同步时分多路复用与统计时分多路复用

同步时分多路复用（synchronousTDM，STDM）：将时间片预先分配给各个信道，并且时间片固定不变，因此各个信道的发送与接收必须是同步的

统计时分多路复用：允许动态地分配时间片

比较:线路资源、地址异步时分多路复用技术为异步传输模式ATM技术的研究奠定了理论基础2．时分多路复用的分类E1标准就是采用时分多路复用技术将许多路PCM话音信号装成时分复用帧后，再送往线路上一帧一帧地传输。E1标准在欧洲、中国、南美国家使用。E1的数据率为：（32×8bit）/125μs=2.048Mb/s对E1进一步复用，还可构成E2到E5等高次群

3．时分多路复用的应用

E1标准T1标准也是采用时分多路复用技术，使24个话路复用在一个物理信道上T1标准在北美、日本等国家和地区使用。T1的数据率为：（24×8bit+1bit）/125μs=1.544Mb/s

对T1进一步复用，还可构成T2到T4等高次群T1标准码分复用CDM技术又叫码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）技术是在扩频通信技术基础上发展起来的一种无线通信技术特点比较：FDM的特点是信道不独占，而时间资源共享，每一子信道使用的频带互不重叠TDM的特点是独占时隙，而信道资源共享，每一个子信道使用的时隙不重叠CDMA的特点是所有子信道在同一时间可以使用整个信道进行数据传输，它在信道与时间资源上均共享2.4.4码分多路复用CDMA技术多用于移动通信：不同的移动台（或手机）可以使用同一个频率，但是每个移动台（或手机）都被分配一个独特的“码序列”，该码序列与所有别的码序列都不同各个移动台（或手机）的码片序列还必须互相正交（Orthogonal）即内积（InnerProduct）都是0，但任何一个码片向量的规格化内积都是1，一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-12.4.4码分多路复用采用CDMA：可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量降低手机的平均发射功率

数据交换：将数据在各中间结点间的数据传输过程称为数据交换数据交换技术可分为：电路交换存储转发交换报文交换分组交换数据报交换虚电路交换2.5数据交换电路交换：也称线路交换，在电路交换中，两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一条实际的物理线路连接利用电路交换进行通信需以下三个阶段：（1）电路建立（2）数据传输（3）电路拆除2.5.1电路交换（1）数据传输可靠、迅速、有序（按原来的次序）线路建立后，所有数据直接传输（2）线路利用率低电路接通后即为专用信道（3）线路建立时间较长，造成有效时间的浪费。（4）线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求较强的场合（如会话式通信），不适合突发性通信电路交换的特点报文交换（MessageSwitching）：是以“报文”为单位进行存储转发交换（StoreandForwardSwitching）的技术传输过程2.5.2报文交换（1）主要优点：没有建立和拆除连接所需的等待时间，线路利用率高有检错和纠错机制，传输可靠性较高（2）缺点：大报文问题延迟过长存储容量要求较高增加了出错概率和重传延迟存储管理复杂报文交换不适用于实时交互通信现已基本上不再使用。分组交换（PacketSwitching）是以“分组”为单位进行存储转发交换的技术将大的报文分成若干个小的分组，每个分组通过交换网络中的结点进行存储转发分组的好处

分组交换又可以分成数据报交换和虚电路两种交换方式无连接服务，采用数据报方式面向连接的服务，采用虚电路方式2.5.3分组交换在数据报方式中：结点间不需要建立从源主机到目的主机的固定连接。源主机所发送的每一个分组都独立地选择一条传输路径每个分组在通信子网中可以通过不同传输路径，从源主机到达目的主机1．数据报（1）同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网（2）同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象（3）每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址（4）数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信数据报具有以下特点虚电路（VC，VirtualCircuit）方式：虚电路方式在分组发送前，需要在发送方与接收方之间建立一条逻辑通路试图将数据报方式和电路交换方式结合起来每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符在预先建好的路径上的每个结点依据虚电路标识符就知道把这些分组向哪条路径发送，不再需要路由选择判定虚电路的数据交换过程分为以下3个阶段：虚电路建立阶段、数据传输阶段和虚电路拆除阶段

2．虚电路（1）在分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接（2）一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送分组不必带目的地址、源地址等辅助信息分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象（3）分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需做差错检测，而不必做路径选择（4）通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接虚电路方式具有以下几个特点1．采用统计时分复用

2．信元交换ATM将数据组织成若干个信元，信元长度与格式固定，并且很短每个信元长度固定为53字节，头部固定为5字节可以减少ATM交换机的数据交换的处理负荷，这就为交换机的高速交换创造了有利条件3．两级虚电路体制ATM的每条物理链路可以包含一条或多条虚路径VP；每条虚路径VP又可以包含一条或多条虚通道VC路径可以将许多通道捆绑在一起作公共处理2.5.4ATM交换ATM交换：是建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的快速分组交换技术，兼具电路交换的实时性和服务质量及分组交换的灵活性，且更有效物理层仅关心比特流信息的传输不涉及比特流中各比特之间的关系（包括信息格式及含义）对传输差错也不做任何控制

2.6物理层接口与协议1．基本概念广域网物理层定义了数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）和数据电路端接设备DCE（DataCircuit-terminationEquipment）之间的接口规范和标准DTE是用户网络接口上的用户端设备，典型的DTE是路由器、主机等而DCE是网络端设备，DCE的作用是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、管理和释放数据链路的连接例如调制解调器2.6.1物理层接口与标准的基本概念2．接口基本特性：机械特性

电气特性

功能特性

接口信号线按功能一般可分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线四类规程特性

2.6.1物理层接口与标准的基本概念局域网物理层协议中最出名的是IEEE802.3标准，它定义了以太网的各种线缆标准和接口的类型等接口有很多种，常见的接口有RJ-45接口、RJ-11接口、AUI接口

2.6.2物理层标准举例

1．IEEE802.3物理层接口标准脚名功能定义简称1TranceiveData+（发信号+）TX+2TranceiveData-（发信号-）TX-3ReceiveData+（收信号+）RX+4Notconnected（空脚）n/c5Notconnected（空脚）n/c6ReceiveData-（收信号-）RX-7Notconnected（空脚）n/c8Notconnected（空脚）n/cEIARS-232C是EIA在1996年颁布的串行物理接口标准RS-232C标准:提供了一个用公用电话网络作为传输媒体，并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定

2．EIARS-232-C接口标准机械特性：每个插座有25针插头，顶上一排针分别编号为1～13，下面一排针编号为14～25，还有一些其他尺寸的严格说明电气特性：用低于-3V的电压表示二进制1，用高于+4V的电压表示二进制0允许的最大数据传输速率为20Kb/s最长可用电缆15m功能特性：规定了25针各与哪些电路连接以及每个信号的含义有9针几乎总是要用到的，而其余的针常常不用有时只用9个引脚制成专用的9芯插头，供计算机与调制解调器的连接使用规程特性：是指协议，即事件的合法顺序协议是基于“请求-应答”关系的关于V.24接口和V.35接口

1．中继器

2．调制解调器

3．集线器（Hub）主要完成物理层的功能，实际上是一种多端口的中继器集线器的某个端口接收到计算机发来的数据帧时，便将数据帧转发到所有的端口

集线器常按端口数量或带宽来分类集线器主要有两个特点：一是共享带宽二是半双工

2.6.3常见物理层设备计算机网络中进行差错控制的基本方法有：检错码和校验和确认重传机制2.7差错控制检错码和校验和的工作机制：（1）在协议数据单元的头部（或尾）（例如：帧尾、IP头、TCP报文段头）设置一检错字段，这是协议本身规定好的（2）发送方根据协议规定，利用检错编码算法计算检错码，或者利用校验和算法计算校验和（3）将检错字段置为检错码值或校验和值（即一个二进制序列）（4）数据单元发送到接收方后，接收方经过同样计算或检测等操作后即可发现该数据单元在传输过程中是否有错2.7.1检错码和校验和奇偶校验码原理通过增加冗余位来使得码字中“1”的个数保持为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）（1）垂直奇偶校验能检出每列中的所有奇数个错，但检不出偶数个错；对突发错，漏检率约为50%。（2）水平奇偶校验能检出每行中的所有奇数个错，但检不出偶数个错；对突发长度≤P的突发错都能检出。（3）水平垂直奇偶校验能检出所有3位或3位以下的错误以及突发长度≤P+1的突发错，能检出所有奇数个错和绝大部分偶数个错奇偶校验码循环冗余码CRC（CycleRedundancyCheck）是在数据通信中用得最广泛的检错码，CRC码检错能力强，且容易实现。CRC编码过程涉及多项式知识，多项式和比特串有一定的对应关系比特串1110101可被解释成x6+x5+x4+x2+1，反之亦然。在CRC校验中，发送方和接收方必须事先商定一个生成多项式G（x）（协议会做出规定），生成多项式的最高位和最低位必须是1。循环冗余码CRC发送端的编码步骤：（1）将要发送的二进制数据（k位比特序列），对应一个（k-1）阶多项式K（x）；再选取一个收发双方预先约定的r阶生成码多项式G（x）。（2）在原数据尾添加r个0，即，xrK（x）。（3）进行xrK（x）/G（x），求得余数R（x）。R（x）即为校验序列。（注意：求余数的过程是进行异或运算，加法不进位，减法不借位）（4）用R（x）替代xrK（x）最后的r个0（即xrK（x）+R（x）），得到待传送的CRC码多项式（数据位加校验位）T（x）。（显然，T（x）能被G（x）除尽，即余数0）接收端的检验：（1）接收端收到的CRC码多项式T'（x）（2）校验：进行T'（x）/G（x），求得余数。（3）若余数为0，则正确；若余数不为0，则出错。[注意]发送方和接收方使用的G（x）必须一致。CRC校验能力很强,能够检测出:全部单个错误和全部随机的两位错误全部奇数个错误和全部长度小于或等于校验位的突发性错误除了检错码外，还有一种纠错码，例如海明码:纠错码不仅能发现差错而且能自动纠正差错确认（ACK）:协议数据单元（例如帧、TCP报文段）的接收结点在收到每个数据单元后，要求向发送结点发送正确接收数据单元的确认信息。确认重传机制的基本原理在规定的时间内，如果发送结点没有接收到接收结点的确认信息，就认为该数据单元发送失败，发送结点重新发送该数据单元。（1）超时计时器（2）编号问题2.7.2确认重传机制确认和重传机制的优缺点:可以提高数据传输的可靠性它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽前向纠错FEC2.7.2确认重传机制2.8数据链路控制协议

2.8.1滑动窗口协议1．停止等待协议工作原理

信道差错问题流量控制问题重复帧问题的解决帧编号(0,1)重复帧需要确认由于发送端对出错的数据帧进行重传是自动进行的，所以这种差错控制体制常简称为ARQ(AutomaticRepeatreQuest)，自动请求重传停止等待协议ARQ的优缺点

优点：比较简单

缺点：通信信道的利用率不高，即信道还远远没有被数据比特填满为了克服这一缺点，就产生了另外两种协议：连续ARQ选择重传ARQ2.连续ARQ协议连续ARQ协议的工作原理:在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了要注意两点：（1）接收端只按序接收数据帧（2）结点A在每发送完每一个数据帧时都要设置超时计时器连续ARQ协议讨论1、四种事件处理2、优缺点3、滑动窗口3．滑动窗口的概念发送窗口：用来对发送端进行流量控制发送窗口的大小WT代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧发送窗口的规则接收窗口的规则只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该帧收下滑动关于WT的讨论1、滑动窗口协议的概念2、WT2n-1（条件：WR=1）3、关于ARQ协议的窗口4、关于发送端数据帧的存储空间及存储数据结构4选择重传ARQ协议如何进一步提高信道的利用率？可设法只重传出现差错的数据帧或者是计时器超时的数据帧可加大接收窗口先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机

优缺点：可避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间对于选择重传ARQ协议，若用n比特进行编号，则接收窗口的最大值受下式的约束：WR

2n/2

2.8.2HDLC广域网链路类型大多数是点对点连接，用于点对点连接的帧封装协议主要有两种：高级数据链路控制规程HDLC（High-levelDataLinkControl）点对点协议PPP（Point-to-PointProtocol）HDLC的帧结构

F（flag）：固定格式—01111110作用—帧同步

传输数据的透明性（零比特插入与删除）A（address）：地址C（control）：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息I（information）：网络层数据，Nmax=256BCRC（checksum）：校验A、C、I字段的数据

G(X)=X16+X12+X5+1零比特插入/删除工作过程帧类型及控制字段的意义帧类型I帧：N（S）—发送帧的顺序号

N（R）—接收帧的顺序号（捎带确认）

P/F=Poll/Final，P=1询问，F=1响应P与F成对出现S帧：监控功能位

S=00，RR（receiveready）

S=01，RNR（receivenotready）

S=10，REJ（reject）

S=11，SREJ（selectreject）U帧：无编号帧主要起控制作用，用于链路管理，如数据链路的建立、释放、恢复的命令和响应，可以在需要时随时发出

2.8.3PPP虽然HDLC协议在历史上曾经起过很大的作用，但现在全世界使用得最多的数据链路层协议是非常简单的点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。1．PPP协议的组成PPP是个协议簇，包括:链路控制协议LCP（LinkControlProtocol）用来建立、配置和测试数据链路的连接通信的双方可协商一些选项网络控制