中职中专-数字通信技术电子课件9

第九章数据通信

教学重点

1．计算机网络的组成；

2．计算机网络的拓扑结构；

3．TCP/IP网络协议；

TCP/IP网络协议。序号内容学时1

9.1计算机网络概述22

9.2数据通信

1.53

9.3计算机网络的硬件组成0.54习题和小结5本章讲授学时4

学时分配

教学难点第九章数据通信

9.1计算机网络概述

9.2数据通信

本章小结

9.1计算机网络概述

一、计算机网络的概念

三、计算机网络的分类

二、计算机网络的组成

四、网络的结构

五、计算机网络体系结构

六、IPv6

计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，凡是将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，且以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络资源共享的系统，称为计算机网络。计算机网络涉及三方面的内容：

一、计算机网络的概念①它是通过通信线路和通信设备互连起来的具有独立的运行功能计算机集合所以要用通信线路连接，是因为它们分布在不同的地理位置；

②网络系统中，不仅有硬件、软件，还有在网上流动着的信息，它们组成了网络的资源；

③网络的目标是实现资源共享。二、计算机网络的组成

我们通常所说的计算机网络组成是指它的硬件组成，包括：主计算机系统、终端设备、通信设备和通信线路四大部分。

在结构上都是将若干个多机系统用高速通信线路连接起来，使它们与主计算机之间能相互交换信息、调用软件以及调用其中任意一个主计算机系统的任何资源。从功能角度出发，计算机网络可以看成是由通信子网和资源子网两个部分组成的，如图9.1所示。图9.1资源子网与通信子网

资源子网提供网络上的资源包括所有主计算机系统的硬件、软件、数据库、终端以及与通信子网的接口设备等，专门负责全网的数据处理业务，并向网络提供自己的资源，同时也享用全网资源。通信子网提供网络的通信能力，由通信控制处理机以及软件和高速通信线路组成，负责全网的数据传输、转接和通信处理。

三、计算机网络的分类计算机网络的品种繁多、性能各异，根据不同的分类原则，可以得到各种不同类型的计算机网络。按通信距离分：广域网、城域网和局域网；按信息交换方式分：电路交换网、分组交换网和综合交换网；按网络拓扑结构分：星型网、树型网、环形网和总线网；按通信介质分：双绞线网、同轴电缆网、光纤网和卫星网；按传输带宽分：基带网和宽带网。

四、网络的结构计算机网络是由计算机系统、数据通信系统和网络操作系统组成的有机整体。计算机系统是网络的基本模块，它提供各种网络资源；数据通信系统是连接网络基本模块的桥梁，它提供各种连接技术和信息交换技术；而网络操作系统则是网络的组织管理者，它提供了各种网络服务。

1.网络的基本模块网络的基本模块是组成计算机网络的基本要素，由主机系统、通信控制处理机、终端系统、本地线路和高速线路组成多机系统，如图9.2所示。主机在计算机网络中负责数据处理和网络控制。它和其它模块中的主机构成网络的主要资源。作为网络的主机，它具有以下功能：

(1)主机①通信处理能力；②时分处理能力；③多重处理能力；④程序兼容能力；⑤虚拟存储能力；⑥数据库管理能力。图9.2网络基本模块终端是用户进行网络操作时使用的设备。包括键盘、打印机、显示器等输入、输出装置和装入了协议的终端设备。终端设备一般与通信控制处理机或集中器相连，与通信控制处理机相连的一般为近程终端，通过集中器再与通信控制处理机相连的一般为远程终端。

(2)终端

(3)通信控制处理机通信控制处理机的主要作用是控制本模块和终端设备之间的信息传送，以及对终端设备之间的通信线路进行控制管理。此外，它还是网络中各个模块之间的接口机，负责模块间的信息传输控制。

通信控制处理机的主要功能是：①线路传输控制；②作业装配和拆卸；③差错检测和恢复；④路径选择和流量控制；⑤代码转换。

(4)集中器集中器的作用是把若干终端经本地线路（一般为低速线路）集中起来，连接到１～２条高速线路上，以提高通信效率和降低通信费用。它的主要功能有：数据集中、差错控制、代码转换、信息缓存、电路转接及轮询等。

(5)本地线路本地线路是靠近终端设备的通信线路，由它把终端设备和通信控制处理机，以及主机连接起来，本地线路大多数是低速通信线路，可以用专线连接，也可以用交换线路连接。

(6)高速线路高速线路用于集中器到通信控制处理机，或网络中模块的通信控制处理机之间的连接。从网络的传输效率出发，这种通信线路一般采用高速线路，如同轴电缆、光纤等。

2.网络的拓扑结构通信子网节点的地理分布和互联关系上的几何排序（几何构形），称为通信子网的拓扑结构。计算机通信网络的拓扑结构有以下几种型式：

（1）星型结构星型结构是一种以中央节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构，中央节点实施、对全网的控制，并分别通过单独的线路与各个外围节点相连接，如图9.3所示。图9.3星型结构星型结构是最早的拓扑结构之一，由于各外围节点都要用自己的电缆与中央节点直连，数据的传输不会在线路上发生碰撞。这种系统优点是比较容易扩充，缺点是各外围节点的相互通信都要通过中央节点，中央节点的故障可能会导致整个系统工作的崩溃。

（2）树型结构树型结构是星型结构的变种，如图9.4所示。其特点是网络中有多个中心节点，但主要的信息流通是在网络的各分支之间，形成一种分级管理的集中式网络，适宜于各种管理部门进行分级数据传送的场合。树型结构的优点是连接容易、管理简单、维护方便，缺点是共享能力差、可靠性低。它实际上是多个星型结构的级连组合。图9.4树型结构

（3）环型结构在回路型结构的网络中，所有的节点连成一个环形，如图9.5所示。这样，源节点与目的节点之间存在两条路径，源节点可以选择一条短的路径发送数据，这种结构简单，容易建网。但某个节点故障会影响全网的通信。图9.5环型结构

（4）分布式结构无严格的布点规定和构形，节点之间有多条线路可供选择，当某一条线路或节点故障时不会影响整个网络的工作，具有较高的可靠性，而且资源共享方便。由于各个节点通常和另外多个节点相连，故各个节点都应具有选道和信息流控制的功能，所以网络管理软件比较复杂，硬件成本较高。分布式结构如图9.6所示。图9.6分布式结构

五、计算机网络体系结构

1.OSI参考模型人与人之间的对话，必须使用相同的语种、语音、语义和语法。同样，计算机之间的通信，也必须遵守协商一致的协议规则，包括互换信息的格式，编码方式、过程的连接和信息交换的顺序等。为此国际标准化组织ISO制订了一个开放系统互联参考模型RM/OSI（ReferenceModel/OpenSystemInterconnection）的国际标准方案。这是一个７层模型，规定了每一层的功能、协议以及向上一层提供的服务，每一层都有相应协议，如图9.7所示。图9.7OSI参考模型这7层的功能如下：①应用层：是最高层，由用户程序组成，直接为用户提供服务，服务内容取决于网络的用途；②表示层：主要功能是有关字符集、数据编码的转换，还执行信息的压缩、加密、解密等；③会话层：使两个用户进程之间连接并管理双方通信；④传输层：对通信的双方提供服务，可靠、经济地传输数据；⑤网络层：提供建立、保持和终止网络的连接，在两个节点之间传送数据包或报文分组；⑥数据链路层：确定传输信息帧的格式，检测物理层发生的差错，构成一条无差错的链路；⑦物理层：提供通信介质和连接的机械、电气功能及规程，保证在通信介质间进行可靠的位发送和接收。在计算机网络中，为了能正确地传输和接收信息，接、收双方必须共同遵守一套关于信息的传输、信息格式和信息内容的约定，它由语法、语义和定时3部分组成。语法规定报文的格式；语义规定了命令和应答的含义；定时规定了应答次序和状态变化的规则。这一整套约定称为通信协议。分层结构中，协议分布在各层。通信双方的每一层之间，都有相应的协议，称为同层协议，同层协议使得网络中的对应层好像有一条如图9.7中虚线所示的逻辑通道，进行同一层次上的通信。各层进行对等地、用相应层互相约定的语言工作，并支持（执行）上层的工作，同时，每一层协议还担负承上启下的作用。这一部分称为层间协议。

2.网络互联和TCP/IP协议网络互联的关键是解决各网络通信协议的兼容性和连通性。兼容性是指不同语言和不同型号的计算机与外围设备连成网的能力；连通性是指不同配置的标准局域网之间，以及它们与远程网、公用数据网、大型主机、超级小型机等进行互联的能力。除OSI体系结构外，很有影响的另一种体系结构是美国国防部研究的与国际数据网进行网络协议的标准化时提出来的DPA。图9.8是OSI与DPA的比较。OSI是一个分层结构，而DPA是一个分级结构，它的通信协议分为４级：①网络访问级②网际级③主机－主机级④进程／应用级图9.8OSI与DPA通信模型的比较

与OSI相比，DPA的特点是重视网际技术，著名的TCP／IP协议就是DPA的高层网际协议。

TCP／IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，传输控制协议和网际协议），是美国国防部高级计划研究局为实现美国本土广域互联网而开发的通信传输协议。后来发展成为国际网络Internet，它是当今世界最流行的全球性开放计算机互联网络。由于Internet的成功，TCP／IP已成为世界公认的网络标准。它的特点是满足异种计算机、异种计算机网间的通信。

TCP／IP协议在硬件基础上建立了4个概念层。如图9.9所示，这4个概念层是：图9.9TCP/IP协议的层次结构

④网络接口层：最低层的网络协议，负责把网际层的IP数据报（分组的一种形式）发送到指定的网上，相当于数据链路层。一般说来它不属于TCP/IP的一部分，但它却是TCP/IP赖以存在的各种通信网络和TCP／IP的接口。为TCP／IP开发的应用程序一般使用TCP/IP协议组中的若干协议。

②传输层：提供一个应用程序到另一个应用程序之间的通信；

③网际层：解决计算机到计算机间的通信问题；

①应用层：用户调用、访问网络的应用程序；

（1）网际层网际层含有4个协议：IP、ICMP、ARP和RARP。其中最重要的是IP协议（网际协议）。由于IP协议，才把多个网络连成一个互联网，IP协议的工作原理是，传输层将报文分成若干数据报，每个数据报为64K字节，在网际层传送过程中，数据报可能被分成更小的单位；所有的数据报到达目的地后，由对方的传输层再把它们重新组装成原来的报文，IP协议除了提供端到端的分组分发功能外，还提供标识结点号地址的功能，这些地址被称为IP地址，每台主机都有一个唯一的32位IP地址，每个网络地址由两个部分组成——标识网络和标识主机的部分，并且根据网络和主机的数量，把IP地址分为5类，以适应不同的网络需求，较常用的有3类：A类地址：大型网络，网络数少（最多127个），每个网络可有众多主机（多达1600万个）。B类地址：中型网络（最多16384个）和数量适中的主机（最多65534个）。C类地址：小型网络，网络数量多（达200万个），每个网络连少量主机（最多254个）。ICMP称为差错与控制协议，主要用于报告差错或提供有关意外情况的信息。ARP称为地址转换协议，它能按给出的目的主机的IP地址，找出同一物理网络中另一个物理主机的物理地址。RARP称为双向地址转换协议，广泛用于获取无盘工作站的IP地址。

（2）传输层

传输层的目的是在机器间建立端到端的连接和事务服务。TCP／IP在传输层有两个主要的协议：TCP和UDP。TCP协议称为传输控制协议，在于保证用户数据在网上可以有序而可靠地传送。UDP协议称为用户数据报协议，是对IP协议组的扩充。

（3）TCP/IP的高层协议

TCP／IP的高层是几个可以在各种不同机型上广泛实现的协议，如文件传输协议FTP、远程终端访问协议Telnet、域名服务程序DNS、简单邮件传送协议SMTP等。六、IPv6

1．IPv6的特点及发展前景

IPv6是互联网协议的第六版本，是在IPv4的基础上诞生的，它的突出特点是有巨大的地址空间，保证未来互联网发展的需求。IPv4地址匮乏的问题日益突出，近几年出现的IPv6技术被认为是下一代互联网发展的基础。IPv6的128位地址空间可以提供1038亿潜在的互联网地址，这将解决互联网地址短缺的问题。IPv6还支持标准的端到端安全解决方案，同时还具备自动地址管理功能，这些地址管理功能支持网络或企业范围内的地址自动配制并能简化安装，无须路由器和外部连接。因此，IPv6是集移动性、安全性和质量为一体的最佳选择。IPv6是开放性的。

2．IPv6对中国互联网发展的影响我国互联网发展速度很快，需要大量的IP地址，在国际互联网发展早期，一些发达国家大量申请和使用IP地址，由于IPv4地址有限，我国互联网起步较晚，因此得到的IP地址非常少，据了解，我国分配到的IP地址总数只有900万，专家认为，IPv6为中国互联网发展提供了良好的机遇，中国应率先采用IPv6技术，这是一条赶超先进国家的捷径。如果我们继续使用IPv4技术，不仅发展速度慢，而且将来扩大地址或向IPv6转换，需要做大量工作，且需要大量的资金投入。如果直接采用IPv6技术，虽然先期需要投入，但从长远来看是节约的，中国会在下一代互联网发展中占领先机，走在其它国家前面。9.2数据通信

一、信道技术

二、数据交换方式

三、数据通信网

一、信道技术

数据通信系统是计算机网络的重要组成部分，其主要的任务是把地理位置不同的终端和计算机，或计算机和计算机连接起来，高效率地完成数据传输、信息交换和通信处理三大任务。数据通信系统如图9.10所示。图中的DTE为数据终端设备（包括计算机、打印机等），DCE为数据电路终接设备，将计算机信息变换成通信线路信号的设备（例如MODEM）。图9.10数据通信系统组成框图

信息的传输通路称为信道。在计算机网络中，信道有逻辑信道与物理信道之分。物理信道是实实在在的物理通路，如有线信道、无线信道、卫星信道等。逻辑信道是建立在物理信道基础上的，一条物理信道通过载波或改变连接方式等，有可能分为几条逻辑信道；在复杂拓扑结构的网络上，两点之间的通信，并不一定要有一条专门的物理线路，而可以由其内部的节点间的连接来实现。所以通常把逻辑信道的实现称为“连接”。信道的带宽是指信道能传送信号的频带宽度。

1．信道及其带宽数据传输速率的单位为bit/s，称比特率。信道容量为信道上所允许的最大数据传输速率，它与信道带宽以及噪声强度有关。一般说来，信道的带宽较宽，信道的容量也大。下面是几种常用介质的传输速率：

2．数据传输速率和信道容量①双绞线：1～100Mbit/s，目前建立数字宽带网入户的超五类双绞线，传输速率可达②基带同轴电缆：10Mbit/s；③宽带同轴电缆：155Mbit/s；

3．数据信号的基带传输与频带传输

基带是信号的固有频率范围，它与信号的速率及波形有关。直接传输基带信号，称为基带传输。④光纤：50～250Mbit/s；

⑤红外线：0.01～0.5Mbit/s。

（1）基带传输

利用调制器把数字信号调制成能在电话线上传输的音频（正弦）信号进行传输，称为频带传输。

（2）频带传输多路复用技术就是在一个物理信道上同时传送多个信号，或者说是把一个物理信道设法分成多个逻辑信道，以提高信道利用率。数据通信中常用的多路复用有FDM（频分多路复用）和TDM（时分多路复用）两种技术。

4．多路复用技术

5．传输的方向传输方向指信道上所允许的信号流动方向，可分为3种：①单工方式：信号只能进行一个方向的流动，因此只能固定地由一端发，另一端收；②全双工方式，能同时进行两个方向的信号传输，因此，双方都可同时收发信息；

③半双工方式：同一时刻只限一个方向传输，即双方都可收发信息，但不可同时进行；一个时刻，只能有一端发，另一端收。

6．异步传输和同步传送方式数字通信的基本要求是，接收端必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间，满足这一要求的最早并且也是最简单的方法是异步传送，见图9.11(a)。

异步传送的特点是：

①不传送时，信道一直处于高电平，表示停止状态“1”；②用一位低电平（“0”状态）表示起始位；

③接着传送一个字符；

④最后用1位、1.5位或2位的高电平表示停止位。与异步传送相对应的是同步传送，见图9.11(b)。图9.11异步和同步传输方式

①每次传送一个“帧”的数据，一个“帧”可以是多个字符（面向字符的方式）或一串位流（面向位的方式）；

②每个帧分别有一个帧头（作为帧的开始标志）和一个帧尾（作为帧的结束标志），它们是特殊的码。如面向字符方式中，用一个或两个同步字符SYN作为帧头；在面向位的方式中，用０１１１１１０作为开始和结束标志。接收端发现帧头，便开始接收后面的数据块，直到遇到帧尾。

同步传送的特点是：

二、数据交换方式要在网络中的两个节点之间进行可靠而有效的通信，就必须在它们之间建立一条信息通路，在一个多点的网络中，只考虑两点之间的通信路径，就称为交换。通常，交换有３种方式：

线路交换是通过网络各节点间的转接，建立两点之间的专用通信信道，直至传送结束。它一般分为三个过程：建立线路——数据传送——线路拆除。电话和Internet网上的远程文件传输FTP都属于这种传输方式。

1．线路交换报文交换是一种不建立专用通信信道的交换技术。当发送端要发送报文时，需把目的地址先加到报文中，然后靠地址把报文从发送节点起，一个节点、一个节点地转送到目的节点。由于在转送过程中，中间节点要先把报文暂时存储，所以这种交换方式也称存储——转发交换。传统的电报网就是采用这种方式。3．分组交换

分组交换也称包交换，也是一种存储交换，但它与报文交换的不同之处在于报文交换对信息块的大小没有限制，2．报文交换而分组交换要先把一个报文分割成规定长度的信息组，即分组。传送到达目的地后，再重新装配成完整的报文。如图9.12所示，采用分组交换技术的通信网，称为分组交换网。图9.12分组交换的原理

DDN(DigitalDataNetwork)是一种基本传输网，它由专用的光纤、数字微波或卫星数字传输通道组成数字传输网络。一般分为核心层、接入层、用户接口层三个层次。DDN业务区别于传统的模拟电话专线的显著特点是：不需经过调制解调、传输速率高、时延小、通信速率可以根据需要选择；电路可以自动迂回，可靠性高；一线多用，既可以通话、传真、传输数据，还可以组建会议电视系统，开放帧中继业务，做多媒体服务；也可以组建自己的虚拟网络，设立网管中心，自己管理自己的网络。

三、数据通信网1．数字数据网DDN

DDN网络为用户提供有如下几种入网连接方式。

①二线模拟传输方式；

②二线／四线话带MODEM传输方式；

③二线／四线基带传输方式；

④基带传输＋TDM复用传输方式；

⑤话音数据模拟传输方式；

⑥包含两个能传输声音和数据的64kb/s的B通道、一个分组交换数据通道D；

⑦支持PCM（脉冲编码调制）数字线路传输方式。2．综合业务数字网ISDN

70年代初人们提出了ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork)，即综合业务数字网，其最初目的是把传输语音的模拟交换网、控制语音的CCIS网和传输数据的分组交换网，综合成为一个三位一体的数字网络体系，以便将话音、数据和图像等信息综合在一个网内。简单地说，ISDN就是数字化、综合化。ISDN可以提供如下功能：

①各种服务的访问；

②开放式的标准接口；

③端对端的数字连接；

④通过公共通道、端对端的信令，实现灵活的智能控制。

3、中国公用分组交换网CHINAPAC

分组交换是为适应计算机通信而发展起来的一种先进的通信手段，它可以解决诸如不同计算机之间的数据传送、计算机的远程实时快速访问等数据通信问题。中国公用分组交换网CHINAPAC是我国数据通信的基础网，它除了具有一般的分组交换功能外，还增加了下述功能。

(1)运行SNA的网络环境

(2)支持TCP／IP协议

(3)提供虚拟专用网(VPN)功能

(4)广播功能

(5)帧中继功能9.3计算机网络的硬件组成计算机网络的硬件系统是由网络服务器、工作站、通信处理设备等基本模块和通信介质组成的。下面对常用的网络硬件逐一介绍。

2．工作站服务器在网络中起着非常重要的作用，在由若干台计算机组成的计算机网络中，服务器起着协调整个系统工作和资源分配的作用。可以把服务器分为文件服务器、打印服务器、应用系统服务器、通信服务器。

1．服务器将计算机与网络连接起来，这台计算机就成为了—个工作站。网卡也称网络适配器，是服务器和工作站都需要安装的硬件设备。是计算机与网络电缆相连接的物理接口。—方面，网卡将计算机需要发送到网上的信号打包成数据帧，再编码后送到网络电缆上，另—方面，网卡又可将从电缆上接收到的信号解码，拆开据帧，再将还原的数据送给计算机。

3．网卡调制解调器又叫Modem，是远程的计算机和网络相连的设备。

4．调制解调器在广域中，信号往往要经过很长距离的传输，这时信号就会衰减；中继器可以将这些衰减的信号整形和再生，使它们能继续传输。

5．中继器

集线器实质是一条总线，但它可以对信号进行整形和再生，因此也可以说它是一种特殊的中继器，使用集线器以使局域网络的传输线更长，而且可以在形式上连接为星状，因此具有更高的稳定性和可靠性。

6．集线器在线路的连接和使用上，交换机与集线器是一样的，但它们之间有很大的不同：集线器实质上是一条总线，当这条总线上的某两个设备进行通信时，其他的设备就只能处于等待状态；而交换机则不同，可以认为在交换机内为任何两个设备单独进行了连接，因此交换机的速度比集线器要高得多。

7．交换机网桥是用于连接两个网段的设备，它具有中继器的再生数据功能，同时还能识别数据包是否属于本网段，如果不是就将这个数据包发到其他网段。

8．网桥和路由器中继器、集线器、网桥、交换机、路由器有很多相同点，仅从作用上看往往容易将它们混淆，实际上，这几种设备是工作在网络0SI模型的不同层上的。中继器是工作在物理层上的，因此它不能识别数据包是什么、去哪儿。集线器可以看成是一种特殊的中继器，它是用于小型局域网的；网桥是工作于链路层上的，可以对数据包进行简单的识别，因而可以区别数据包所属范围；交换机则可以看成是一种多口