通信概论第4章数据通信运输j课件

现代通信概论第4章数据通信4.1基本概念4.2差错控制原理4.3数据交换方式4.4数据通信协议4.5数据保密4.1.1数据通信的定义及特点4.1.2计算机网络的分类4.1.3数据通信系统的模型4.1.4数据通信系统的组成

按照网络覆盖的范围分类局域网（LAN）

范围：几十米到几公里特点：传输速度高、组网灵活、成本低，单位内部应用

城域网（MAN）范围：几公里到几十公里特点：传输速度较高，城市内部应用

广域网（WAN）范围：几十公里到几百公里特点：传输速度较慢，覆盖一个国家

internet

范围：上千公里特点：全世界各种网络互连得到的网间网，如Internet，洲际之间应用大传输速度小小覆盖范围大4.1.2计算机网络的分类广域网、城域网、接入网以及局域网的关系

城域网城域网接入网接入网接入网接入网接入网接入网广域网局域网局域网校园网企业网……4.1.2计算机网络的分类按照网络拓扑结构分类

（1）星型优点：可靠性高，易管理，易扩展，传输效率高。缺点：线路利用率低，中心节点应有很高的可靠性。典型应用：以太网交换机、集线器（HUB）、ATM交换机等。星型拓扑结构星型拓扑结构的应用4.1.2计算机网络的分类（3）环型优点：令牌控制，实时性好，传输控制简单。缺点：安装管理维护困难，可靠性较低。典型应用：IBM令牌环网、FDDI网。环型拓扑结构环型拓扑结构的应用4.1.2计算机网络的分类（4）树型优点：易扩展和进行故障隔离，网络层次性清晰。缺点：节点可靠性要求高，资源共享能力差。典型应用：以太网交换机、集线器间的级联。树型拓扑结构树型拓扑结构的应用4.1.2计算机网络的分类（5）网状优点：可靠性高，易扩充，组网方式灵活。缺点：费用高，结构复杂，管理维护困难。典型应用：一般用于广域网组网，如CHINANET等。网状拓扑结构网状拓扑结构的应用4.1.2计算机网络的分类按照网络传输技术分类（2）点对点交换网络：如分组交换网等广域网同时允许多台主机发送数据包,每个从信息源发出的数据包一般要经过一个或多个中间结点才能最终到达接收站点；由于各个数据包从源站点到目的站点可能存在多种长度不同的传输路径。显然,既要确定各数据包传输的先后顺序，又要选择最佳路径。

4.1.2计算机网络的分类4.1.3数据通信系统的模型

传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据DTEDTEDCEDCE调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机数据电路数据链路DTE(DataTerminalEquipment)：是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)：是数据电路端接设备，它在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、保持和释放数据链路的连接。

4.1.3数据通信系统的模型4.1.4数据通信系统的组成4.2差错控制技术产生差错的原因：1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；2）信号反射；3）串扰；4）闪电、大功率电机的启停等。线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响。差错出现的特点：随机，连续突发（burst）随机错误。由随机噪声引起的码元错误，其特点是码元中任意一位或几位发生从0变1或从1变0的错误是相互独立的。突发错误。由突发噪声引起的码元错误，（闪电、电器开关的瞬态、磁带缺陷等）。特点是各错误码元之间存在相关性，因此是成片出现，突发错误是一个错误序列，该序列的首部和尾部码元都是错的，中间的码元有错的也有对的，但错的码元相对较多。4.2差错控制技术4.2.1差错控制的基本方式4.2.2检错纠错的基本原理4.2.3几种常用的检纠错码4.2.1差错控制的基本方式检错反馈重发:ARQ前向纠错：FEC混合纠错：HFC检错反馈重发(ARQ:AutomaticRepeatRequest)停等

ARQ

发送方每发完一帧必须等接收方确认后才能发下一帧。Go-back-NARQ

发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，从该帧以后的各帧都需重发。选择重传

ARQ

发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，只需重发该出错的帧。发送方需要缓存前面所有未被确认的帧。4.2.1差错控制的基本方式0100111101111000010001014.2.2检错纠错的基本原理

假设要发送一组具有四个状态的数据信息（比如，一个电压信号的四个值，1V、2V、3V、4V）。用2位二进制码就可进行编码。收信端收到00就认为是1V，收到10就是3V。实际通信中由于干扰（噪声）的影响，会发生错误从而出现误码（比如码组00变成10、01或11）。任何一组码不管是一位还是两位发生错误，都会使该码组变成另外一组信息码，从而引起信息传输错误。这种编码形式不具备检错和纠错的能力4.2.2检错纠错的基本原理码字（codeword）：一个帧包括k个数据位，r个校验位，n=k+r，则此n比特单元称为n位码字。海明距离（Hammingdistance）：两个码字之间不同的比特位数目。例：0000000000与0000011111的海明距离为5如果两个码字的海明距离为d，则需要d个单比特错就可以把一个码字转换成另一个码字；码元重量（简称码重）：为一个码组中非零码元的个数。它反映一个码组中“0”和“1”的“比重”。比如，码组100110的码重为3，0110的码重是2。4.2.2检错纠错的基本原理最小码距：一个码组中两两码字中的最小海明距离。在一个码组内要想检出e位误码，要求最小码距为

dmin≥e+1

在一个码组内要想纠正t位误码，要求最小码距为

dmin≥2t+1

在一个码组内要想纠正t位误码，同时检测出e位误码（e≥t）,要求最小码距为

dmin≥t+e+1

4.2.2检错纠错的基本原理差错编码的分类差错控制编码非线性码卷积码

线性码分组码非循环码纠突发错误码循环码纠随机错误码纠随机突发错误码纠同步错误码4.2.2检错纠错的基本原理1、奇偶校验（ParityChecking）

属于检错码，在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位，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：原始数据=1100010，采用偶校验。则增加校验位后的数据为1若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。4.2.3几种常用的检纠错码2恒比码属于检错码，恒比码的编码原则是从确定码长的码组中挑选那些“1”和“0”个数的比值一样的码组作为许用码组。这种码通过计算接收码组中“1”的数目是否正确，就可检测出有无错误。4.2.3几种常用的检纠错码

邮电部门在国内通信中采用的五单位数字保护电码，是一种五中取三的恒比码。每个码组的长度为5，每个许用码组中“1”和“0”个数的比值恒为3/2。许用码组的个数就是5中取3的组合数，即5!/(3!2!)=10，正好表示10个阿拉伯数字。恒比码举例：4.2.3几种常用的检纠错码4.3.1电路交换4.3.2报文交换4.3.3分组交换4.3.4快速分组交换技术4.3数据交换方式4.3数据交换方式

电路交换报文交换数据报交换方式分组交换信息交换虚电路帧中继快速分组交换信元中继

1、电路交换(CircuitSwitching)2、报文交换(MessageSwitching)3、分组交换(PacketSwitching)4、快速交换(FastSwitching)

电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接4.3.1电路交换

电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA4.3.1电路交换

电路交换举例C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA4.3.1电路交换

电路交换的特点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；线路传输可靠性高，无需纠错机制；建立连接后，传输延迟小。4.3.1电路交换

计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。电路交换传送计算机数据效率低：4.3.2报文交换

基本原理：存储--转发。（没有固定的电路连接）

交换机收到报文时，先存储报文，待寻找到空闲路由后，转交到下一交换结点，下一交换结点存储报文，寻找到空闲路由再转交直至目的地。整个报文作为一个整体一起发送。报文：报头（收、发端地址等）、正文、报尾。主叫用户报文交换机被叫用户报文交换机数据+收地址应答数据+报头数据+报头应答应答报文存储等待时间t

报文交换的优点：没有电路接续，不独占信道。-----通信线路的利用率高。可实现不同类型终端之间的交换；实现以报文为单位的多路复用，提高线路的利用率；报文交换的缺点：大报文时延大，不适应实时通信；要求交换机存储容量大；报文大小不一，造成缓冲区管理复杂出错后整个报文全部重发。4.3.2报文交换将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。优点：1）存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组——速度快；2）转发延时小——适用于交互式通信；3）某个分组出错仅重发该分组——效率高；4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高。特点：1）数据传输前不需要建立一条端到端的通路。2）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。4.3.3分组交换

报文分组交换的原理在克服报文交换的缺陷上发展。在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。1111010假定这个报文较长不便于传输4.3.3分组交换

数据数据数据报文分组交换的原理每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组

1分组

2分组

3请注意：现在左边是“前面”4.3.3分组交换

分组交换的原理分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

34.3.3分组交换

分组交换的原理接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3收到的数据4.3.3分组交换

数据数据数据分组交换的原理最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文11110104.3.3分组交换

分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组H2向H6发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机4.3.3分组交换

注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

发送分组结点交换机主机在结点交换机

A

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

C

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

E

暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机

H54.3.3分组交换

注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路结点交换机123412341

2

3

412

3

41

2

3

44.3.3分组交换

数据报和虚电路分组交换所提供的服务可以有两大类：无连接的网络服务（数据报服务）面向连接的网络服务（虚电路服务）。4.3.3分组交换

4.3.3分组交换

提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

向

H5

发送分组H2

向

H6

发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。4.3.3分组交换

提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。4.3.3分组交换

提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机4.3.3分组交换

提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃4.3.3分组交换

提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。4.3.3分组交换

提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

要和

H5

通信主机

H1

先向主机H5发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机H5同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。虚电路H1

向

H5

发送的所有分组都沿此虚电路传送。4.3.3分组交换

提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网同理，主机

H2

和主机H6通信之前，也要建立虚电路。4.3.3分组交换

提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。4.3.3分组交换

提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量QoS(QualityofService)有较好的保证。分组交换的优点高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。4.3.3分组交换

虚电路服务的思路来源于传统的电信网。电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。

虚电路和数据报两种服务的思路来源不同分组交换所提供的两种服务数据报服务与虚电路服务之争让网络只提供数据报服务就可大大简化网络层的结构。技术的进步使得网络出错的概率已越来越小，因而让主机负责端到端的可靠性不但不会给主机增加更多的负担，反而能够使更多的应用在这种简单的网络上运行。若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。因特网发展到今天的规模，充分说明了在网络层提供数据报服务是非常成功的。三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数据ABCD分组1分组2分组3报文ABCDABCD电路交换报文交换分组交换ADCBE寻路延迟排队延迟4.4.1物理层协议4.4.2数据链路层协议4.4.3因特网的网际协议IP4.4数据通信协议物理层的主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层功能：

定义了为激活、保持和关闭物理连接所应提供的关于机械的、电气的、功能的和规程的特性及手段，通过合理的中间系统为数据链路层的实体之间进行传输提供保证。

4.4.1物理层协议EIA-232/V.24的信号定义(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DTEDCE计算机或终端调制解调器EIA-232/V.24

接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/V.24

接口调制解调器网络4.4.1物理层协议链路和数据链路是等同的概念么？？“链路”是指一条无源的点到点物理线路段，中间不存在交换节点；“数据链路”则是指除了具备一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。数据链路就是把实现这些规程的硬件和软件加到链路上之后的总和。4.4.2数据链路层协议数据链路层功能：

数据链路层的功能是保证在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。数据链路层功能实现：

（1）链路管理解决链路建立、拆除和数传维持，控制数据传输方向（2）信息传输正确收发和识别信息帧（3）流量与差错控制纠措检错机制（4）异常情况处理协议要解决的问题：

数据编码格式、传输控制字符、报文格式、呼叫应答方式、差错控制、通信方式、同步方式、信息传输速率等。4.4.2数据链路层协议局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网主机

H1

向

H2

发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动数据链路层的简单模型4.4.2数据链路层协议数据链路层的简单模型局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网主机

H1

向

H2

发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动4.4.2数据链路层协议停止等待协议数据链路层主机A缓存主机B数据链路AP2AP1缓存发送方接收方帧高层帧完全理想化的数据传输所基于的两个假定假定1：信道理想：所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。假定2：接收端的速率足够快：不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。4.4.2数据链路层协议1、完全理想化的数据传输2、具有最简单流量控制的数据链路层协议如果主机A向主机B传输数据的信道仍然是无差错的理想信道。但不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。由收方控制发方的数据流——计算机网络中流量控制的一个基本方法。4.4.2数据链路层协议停止等待协议

具有最简单流量控制的数据链路层协议算法在发送结点：(1)从主机取一个数据帧送到数据链路层的发送缓存。(2)将发送缓存中的数据帧发送出去。(3)等待。(4)若收到由接收结点发过来的信息(此信息的格式与内容可由双方事先商定好)，则从主机取一个新的数据帧，然后转到(1)。在接收结点：(1)等待。(2)若收到由发送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓存。(3)将接收缓存中的数据帧上交主机。(4)向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机。(5)转到(1)。4.4.2数据链路层协议两种情况的对比（传输均无差错）ABDATADATADATADATA送主机B送主机B送主机B送主机BABDATA送主机BDATA送主机B时间不需要流量控制需要流量控制4.4.2数据链路层协议3、实用的停止等待协议时间ABDATA0送主机ACKDATA1送主机ACK(a)正常情况ABDATA0DATA0送主机ACK(c)数据帧丢失重传tout丢失！ABDATA0送主机ACKDATA0丢弃ACK(d)确认帧丢失重传tout丢失！ABDATA0NAKDATA0送主机ACK(b)数据帧出错重传出错出现差错的四种情况4.4.2数据链路层协议超时计时器的作用结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器。计时器又称为定时器。若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧。一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。若结点B收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧。这时应丢弃重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且也交给了主机B。但此时结点B还必须向A发送确认帧ACK，因为B已经知道A还没有收到上一次发过去的确认帧ACK。解决重复帧的问题4.4.2数据链路层协议帧的编号问题

任何一个编号系统的序号所占用的比特数一定是有限的。因此，经过一段时间后，发送序号就会重复。序号占用的比特数越少，数据传输的额外开销就越小。对于停止等待协议，由于每发送一个数据帧就停止等待，因此用一个比特来编号就够了。一个比特可表示0和1两种不同的序号。

帧的发送序号

数据帧中的发送序号N(S)以0和1交替的方式出现在数据帧中。每发一个新的数据帧，发送序号就和上次发送的不一样。用这样的方法就可以使收方能够区分开新的数据帧和重传的数据帧了。4.4.2数据链路层协议帧检验序列FCS在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS。循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的惟一方法。

只要得出的余数R不为0，就表示检测到了差错。但这种检测