1、第2章 数据通信基础与网络互联,第2章 数据通信基础与网络互联,2.1 数据通信基础 2.2 通信系统简介 2.3 网络结构与传输介质 2.4 通信参考模型 2.5 差错控制,2.1 数据通信基础,2.1.1 基本概念 1.总线的基本术语 （1）总线与总线段(bus segment)。 总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接与操作方式。 一组设备通过总线连在一起称为“总线段”。可以通过总线段相互连接把多个总线段连接成一个网络系统。,（2）总线主设备可在总线上发起信息传输的设备叫做“总线主设备”(bus master) ，又称命令者。 （3）总线从主设备不能在总线上主动发起通
2、信、只能挂接在总线上、对总线信息进行接收查询的设备称为总线从设备(bus slaver)，也称基本设备。在总线上可能有多个主设备，某一设备既可以是主设备，也可以是从设备，但不能同时既是主设备又是从设备。,（4）控制信号（三种类型）（a）控制连在总线上的设备，让它进行所规定的操作，如设备清零、初始化、启动和停止等。（b）用于改变总线操作的方式，如改变数据流方向，选择数据字段的宽度和字节等。（c）表明地址和数据的含义，对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现广播操作；对于数据，可用于指定能否转译成辅助地址或命令。 （5）总线协议管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”(bus prot
3、ocol)。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。,2.1.2 总线操作的基本内容 （1）总线操作总线上命令者与响应者之间的连结数据传送脱开这一操作序列称为一次总线“交易”(transaction)，或者叫做一次总线操作。“脱开”(disconnect)是指完成数据传送操作以后，命令者断开与响应者的连接。 （2）总线传送“读”(read)数据操作是读来自响应者的数据；“写”(write)数据操作是向响应者写数据。读写操作都需要在命令者和响应者之间传递数据。,（3）请求通信通信请求是由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务。它们有可能要求传送数据，也有可能要求完
4、成某种动作。 （4）寻址寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。通常有以下三种寻址方式:（a）物理寻址 用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。（b）逻辑寻址 用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。（c）广播寻址 广播寻址用于选择多个响应者。,（5）总线仲裁传送信息过程可能 “冲突”(contention)。为解决冲突，总线占有权需进行“仲裁”（arbitration)。总线仲裁是用于裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备。总线仲裁和数据传送是完全分开且并行工作，因此总线占有权的交接过程不会耽误总线操作。 （6）总线定时总线操
5、作用“定时”(timing)信号进行同步。定时信号用于指明总线上的数据和地址在什么时刻是有效的。定时信号有异步和同步两种。,（7）出错检测总线传送信息时会因噪声和干扰而出错，在高性能的总线中设有出错码产生和校验机构。 （8）容错设备在总线上传送信息出错时，如何减少故障对系统的影响，提高系统的重配置能力是十分重要的。故障对分布式仲裁的影响就比菊花链式仲裁小。后者在设备出故障时，会直接影响它后面设备的工作。总线系统应能支持软件利用一些新技术，如动态重新分配地址，把故障隔离开来，关闭或更换故障单元。,2.2 通信系统简介 2.2.1 通信系统的组成通信系统是传递信息所需的一切技术设备的总和。它一般由
6、信息源、发送、接收设备和传输媒介几部分组成。,1.发送设备 基本功能:将信息源和传输媒介匹配，即将信息源产生的消息信号经过编码，并变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。 信源编码：处理信号，连续消息变为特殊数字信号; 信道编码：处理传输介质，使数字信号与传输介质匹配，提高传输的可靠性或有效性。 特殊处理:发送设备还要包括为达到某些特殊要求所进行的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错编码处理等。,2.传输介质 传输介质指发送设备到接收设备之间信号传递所经媒介。它可以是无线的，也可以是有线的(包括光纤)。有线和无线均有多种传输媒介，如电磁波、红外线为无线传输介质，各种电缆、光缆、双绞线等为有线传
7、输介质。 介质在传输过程中必然会引入某些干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰减等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换方式的选取。,3.接收设备 接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。 以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交流信息，因此要求双向通信。,2.2.2 通信原理 1、基本概念 （1）信息源分类： 模拟信号：模拟传输调制（频分复用FDM）PCM 数字信号：数字传输数字数据编码，基带模拟数据编码，载波（TDM、FDM、CDM
8、、） （2）传输速率：bps,2、传输方式 通信方式按照信息的传输方向分为 ： (1)单工 (simplex)方式 信息只能沿单方向传输的通信方式称为单工方式；。 (2)半双工(Half duplex)方式 信息可以沿着两个方向传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输的通信方式称为半双工方式； (3)全双工 (Full duplex)方式 信息可同时接受和发送的通信方式称为全双工方式。,单工、半双工和全双工通信方式,3 、通信系统性能指标,传输速率 T传输代码最小单位，n为信道有效状态 信道容量W带宽， L信号所含比特数 误码率分别为传错码元数和传输码元总数 信噪比信号功率与噪声功率之比,4 传输
9、模式基带传输 、载波（带）传输 、宽带传输 1）基带传输 基带传输是指在基本不改变数据信号频率的情况下，在数字通信中直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不采用任何调制措施。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。,2）载波（带）传输载波传输是先用数字信号对载波进行调制，然后进行传输的传输模式。最基本的调制方式有幅值键控 (ASK)，频移键控 (FSK)和相移键控 (PSK)3种。在载波传输中，发送设备首先要产生某个频率的信号作为基波来承载信息信号，这个基波就称为载波信号，基波频率就称为载波频率;然后按幅值键控、频移键控、相移键控等不同方式改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信
10、号后发送。,3）宽带传输 由于基带网不适于传输语言、图像等信息，随着多媒体技术的发展，计算机网络传输语音、图像等多种信号的任务愈来愈重，因此需要宽带传输。宽带传输与基带传输的主要区别:（1）数据传输速率不同，基带网的数据传输速率范围为 0一l0Mbit/s，宽带网可达0400Mbit/s;（ 2）宽带网可划分为多条基带信道，能提供良好的通信路径，一般宽带局域网可与有线电视系统共建。,5. 异步转移模式ATMATM(Asynchronous Transfer Mode)是一种新的传输与交换数字信息的技术，也是实现高速网络的主要技术，被规定为宽带综合业务数字网 (B-ISDN)的传输模式。包含传输
11、与交换两方面的内容。ATM是一种在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信问题的技术。它支持多媒体通信，包括数据、语音和视频信号，按需分配频带，具有低延迟特性，速度可达155Mbit/s一2.4Gbit/s,也有25Mbit/s和50Mbit/s的ATM技术。,2.2.3 二进制表示方法 1基带传输中数据的表示方法 (1)信息传输有平衡传输和非平衡传输。 (2)根据对零电平的关系，信息传输可以分为归零传输和不归零传输。 (3)根据信号的极性，信息传输分为单极性传输和双极性传输。单极性码双极性码,常用的数据表示方法 1)平衡、归零、双极性 2)平衡、归零、单极性 3)平衡、不归零、单极性 4)非平
12、衡、归零、双极性 5)非平衡、归零、单极性 6)非平衡、不归零、单极性,数据表示方法,归零、双极,非平衡、归零、双极,2载带传输中的数据表示方法 (1)调幅方式 AM (Amplitude Modulation)又称为幅移键控法 ASK (Amplitude-Shift Keying) (2)调频方式 FM (Frequency Modulation)又称为频移键控法FSK (Frequency-Shift Keying) (3)调相方式 PM (Phase Modulation)又称为相移键控法PSK (Phase-Shift Keying),数据调制方式 （a）调幅 （b）调频 （c）调相
13、,2.2.4 数据交换方式 数据通信系统中通常采用三种数据交换方式：线路交换方式报文交换方式报文分组交换方式报文分组交换方式包含：虚电路：永久虚电路、临时虚电路数据报,1线路交换方式两个节点之间建立一条实际物理连接，然后交换数据，数据交换完成后再拆除物理连接。线路交换方式将通信过程分为三个阶段:即线路建立、数据通信和线路拆除阶段。 2报文交换方式报文交换及报文分组交换方式不需事先建立实际物理连接，而是由中间节点的存储转发功能来实现数据交换，又将其称为存储转发方式。,3报文分组交换方式 报文分组交换方式交换的基本数据单位是一个报文分组。报文分组是一个完整的报文按顺序分割开来的比较短的数据组。由于
14、报文分组比报文短的多，传输时比较灵活。特别是当传输出错需要重发时，只需重发出错的报文分组，而不必像报文交换方式那样重发整个报文。(1)虚电路方法：临时、永久(2)数据报方法,2.3. 网铬结构及传输介质 2.3.1 通信网铬的拓扑结构 分布控制系统拓扑结构较多采用星型、环型和总线型。,通信网络的拓扑结构 (a)星形结构； (b)环型结构； (c)总线型结构,1星型结构每个节点都连接到中央节点,任何两节点间通信都要经中央节点的开关装置来接通。中央节点构造复杂，发生故障，通信系统瘫痪，可靠性较低，分散控制系统中应用较少。 2环型结构节点通过环形链路组成，环上信息可按确定方向传输，可以双向传输。信息
15、到达接收节点时，节点识别信息中目的地址与本机地址相同，就将信息取出，并加确认标记，以便由发送节点清除。高速主干网 3总线型结构所有节点共享一条开放传输线路，每次由一个节点发信息，向其两端扩散。该结构网络又称为广播式网络。某节点发信息前，必须保证总线上没有其他信息传输。,2.3.2 网络传输介质连接收发双方的物理通路，图2-10。网络中常用的传输介质有电话线、电力线、同轴电缆、双绞线、光导纤维、无线与卫星通信。传输介质的特性包括：1）物理特性：物理结构的描述;2）传输特性：允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围;3）连通特性：允许点-点或多点连接4）地理范围：最大传输距离5
16、）抗干扰性：防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力。,1.双绞线的主要特性(1) 物理特性由规则螺旋结构排列的2根或4根绝缘线组成。(2) 传输特性在一条双绞线上使用频分多路复用技术可以进行多个通道的多路复用。数据传输速率可达9600bit，24条音频通道总的数据传输速率可达230Kbit。(3) 连通特性：用于点-点连接，也可用于多点连接。(4) 地理范围: 双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km;用于l0Mbit/s局域网时，与集线器的距离最大为100m。(5) 抗干扰性双绞线的相邻线对线的节距及屏蔽。低频时，其抗干扰与同轴电缆相当。10-100kHz时，抗干扰能力低于同轴电缆。,2
17、. 同轴电缆主要特性 (1)物理特性：由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外保护层组成。 (2)传输特性：根据通频带，可分为基带和宽带同轴电缆两类。基带同轴电缆（50）一般用于数字数据信号传输。宽带同轴电缆（75）可使用频分多路复用方法，将同轴电缆频带划分成多条信道，使用各种调制方案，支持多路传输。 (3)连通特性：支持点-点连接，也支持多点连接。宽带同轴电缆：支持数千台设备连接;基带同轴电缆：支持数百台设备连接。 (4)地理范围：基带同轴电缆最大距离几km内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十km。 (5)抗干扰性：结构-抗干扰能力较强。,3.光缆的主要特性光缆传输性能最好、应用最广泛的一种。 (1)物
18、理特性光纤是一种直径为50一100m的柔软、能传导光波的介质，由玻璃或塑料制成，高纯度石英玻璃纤维的光纤传输损耗最低。多条光纤组成一束就构成光纤电缆。(2)传输特性光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。分为单模与多模两类。单模光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度传输。多模光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度传输。单模光纤性能优于多模光纤。,(3)连通方式通常点-点连接方式，某些可采用多点连接，图2-11。 (4)地理范围衰减极小，在68km距离内不需中继器，实现高速传输。光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速度传输中保持低误码率。双绞线典型的误码率在106，基带同轴
19、电缆为107 ，宽带同轴电缆为109 。而光纤误码率可以低于1010 。光纤传输的安全性与保密性极好。 (5)抗干扰性抗干扰能力强,2.3.3 介质访问控制方式在总线和环形拓扑中，网上设备共享传输线路。为解决同一时间多个设备同时争用传输介质，需有访问控制方式，协调各设备访问介质的顺序。介质访问有随机和受控两种，前者各工作站可在任一时刻和地点访问介质；后者各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。随机访问方式中，常用争用总线技术为CSMA/CD； 控制访问方式中，常用令牌总线、令牌环，或称之为标记总线、标记环。,1. CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测) 节点随机发送信息，网络争
20、用传输介质，故称为争用技术。若同一时刻有多节点发送信息，则发生 “冲突“。为避免引起的冲突，每个工作站在发送信息前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是 “载波监听“。 控制方案：先听再讲。一个站要发送，首先需监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。介质是空闲的，可以发送；介质忙，则按某种算法，等待一定间隔后重试。,三种CSMA坚持退避算法:1）不坚持CSMA。介质空闲，则发送; 介质忙，则随机等待一段时间，重复第一步。2）1-坚持CSMA。介质空闲，则发送; 介质忙，继续监听，直到介质空闲，立即发送;假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。3）P-坚持CSMA。介质空闲，则
21、以P的概率发送; 介质忙，继续监听，直到介质空闲，重复第一步。,2.令牌 (标记)访问控制方式由于各站点发报是随机的， CSMA的访问存在发报冲突问题。为解决冲突，采用控制发报方式，令牌方式：是一种按一定顺序在各站点传递令牌(Token)的方法，得到令牌才有发报权。令牌访问原理可用于环形网络和总线网。,(1)令牌环 (Token-Ring)方式 某一瞬间只允许一个拥有令牌的站点发送报文，令牌在环网传送，其他站点仅允许接收报文。站点发送完后，便将令牌交下个站点，如该站点没有报文发送，便把令牌顺次传给下个站点。因而环路上不会发生访问冲突。(2)令牌传递总线 (Token-PassingBus)方式
22、 和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，不同的是网上按一定顺序形成逻辑环。每个站点在环中均有指定的逻辑位置，末站的后站就是首站，即首尾相连。每站都了解先行站 (PS)和后继站 (NS)的地址，物理位置与逻辑位置无关。,2.4 通信参考模型,2.4.1 OSI参考模型 为实现不同厂家设备间的互联操作与数据交换，国际标准化组织ISO/TC97于1978年建立 “开放系统互联”分技术委员会，起草了开放系统互联参考模型OSI(open system interconnection) 草案，形成OSI。 “开放“并不是指对特定系统实现具体的互联技术或手段，而是对标准的认同。一个系统是开放系统，是指
23、它可以与世界上任一遵守相同标准的其他系统互联通信。,OSI参考模型,一.物理层 物理层 (physical layer)涉及信道传输的原始比特流。保证发出“1” ，收到是“1”而不是 “0”。 处理机械的、电气的和过程的接口，及物理传输介质。 典型问题 （1）采用多高的电压表示 “1”和 “0” （2）一个比特持续时间（） （3）传输是否在两个方向上同时进行 （4）如何建立连接、通信后、如何终止 （5）网络接插件有多少针以及各针的用途。 （6）接口：RS-232C（单个）、RS-442（多个、双工、高速、300m） 、 RS-485 （多个、半双工、高速、300m ）；,二.数据链路层(dat
24、a link layer)链路层协议主要完成两个功能:一个是对链路的使用进行控制，一个是组成具有确定格式的信息帧。 （1）在帧前和后附加特殊二进制编码模式产生识别帧边界。 （2）解决由于帧的破坏、丢失和重复所出现的问题。 （3）防止高速发送方的数据把低速的接收方 “淹没”。采用流量调节机制，使发送方知道当前接收方还有多少缓存空间。 （4）双向传输数据：从A到B数据帧的确认帧将同从B到A的数据帧竞争线路的使用权。 （5）广播式网络：控制对共享信道的访问，数据链路层的一个特殊的子层介质访问子层。,常用网络访问控制协议 与底层协议区别？,1时分多路访问法（ TDMA）：用于总线型网络 2查询法(Po
25、lling) ：用于总线型或环型网络。 3令牌法 (Token)：用于总线型或环型网络。 4带有冲突检测的载波侦听多路访问法（CSMA/CD） 5扩展环型法 (Ring Expansion)法：仅用于环型网络。,三.网络层(network layer) 关系到子网的运行控制，关键问题是确定分组从源端到目的端如何选择路由。 过多分组，相互阻塞通路拥塞控制 网络层设有记账功能，软件必须对每一个顾客究竟发送了多少分组、多少字符或多少比特进行记数，以便于生成账单。 分组跨越网络：寻址方法完全不同，网络协议也不同，异种网络互联。,四.传输层传输层 (transport layer)的基本功能是从会话层接
26、收数据，并且在必要时把它分成较小的单元，传递给网络层，并确保到达对方的各段信息正确无误。会话层每请求建立一个传输连接，传输层就为其创建一个独立的网络连接。最流行的传输连接是一条无错的、按发送顺序传输报文或字节的点到点的信道。传输层是真正的从源到目标 “端到端“。,五.会话层(Session layer)不同设备的用户建立会话 (session)关系，并管理对话： （1）方式：允许信息同时双向传输，或单向传输。 （2）令牌管理 (token management)：令牌可以在会话双方之间交换，只有令牌持有方可以执行某种关键操作。 （3）同步 (synchronization)：数据流中插人检查点
27、，每次网络崩溃后，仅需要重传最后一个检查点后的数据,六.表示层(presentation layer) 完成特定功能：所传输信息的语法和语义。 为了让采用不同表示法的计算机之间能进行通信，交换中使用的数据结构可以用抽象的方式来定义，并且使用标准的编码方式。表示层管理这些抽象数据结构，并且在计算机内部表示法和网络的标准表示法之间进行转换。,七.应用层 应用层 (application layer)包含大量人们普遍需要的协议。 虚拟终端软件都位于应用层。 解决不同的系统之间传输文件所需处理的各种不兼容问题。 文件传输、电子邮件、远程作业输入、名录查询和其他各种通用和专用的功能。,2.4.2 TCP
28、/IP参考模型 计算机网络的祖父ARPANET和其后继的因特网使用的参考模型TCP/IP参考模型 (TCP/IP reference model) 。 ARPANET是由美国国防部DoD(USDepartment of Defense)赞助的研究网络。 主要设计目标：无缝隙地连接多个网络网络不受子网硬件损失的影响,TCP/IP参考模型,2.4.3 0SI参考模型和TCP/IP参考模型的比较层的功能也大体相似，传输层及以上层都为通信的进程提供端到端的、与网络无关的传输服务。 （1）三个概念：OSI模型的三个主要概念: 服务、 接口、 协议TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议，后来
29、改进：互联网层提供的真正服务只是发送IP分组 (SEND IP PACKET)和接收IP分组 (RECElVE IP PACKET)。 （2）互换性：OSI模型中的协议比TCP/IP参考模型的协议具有更好的隐藏性，在技术发生变化时，比较容易替换掉。,（3）通用性强OSI参考模型产生在协议发表之前。这意味着该模型没有偏向于任何特定的协议。 TCP/IP相反。首先出现协议，模型是对己有协议的描述。协议与模型匹配。惟一的问题是该模型不适合于任何其他协议栈。 （4）面向连接的和无连接的通信 OSI模型：在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。 TCP/IP模型：在网络层仅有一
30、种通信模式，但在传输层支持两种模式，给了用户选择的机会。,2.5 差错控制分布控制系统的通信网络是在条件比较恶劣的工业环境下工作的，因此，在信息传输过程中，各种各样的干扰可能造成传输错误，其指标用误码率表示。这些错误轻则会使数据发生变化，重则会导致生产过程事故。因此必须采取一定的措施来检测错误并纠正错误，检错和纠错统称为差错控制。突发错误；由突发噪声引起，误码连续成片出现；随机错误：由随机噪声引起，误码与其前后的代码是否出错无关。,差错控制方法： 在传输信息中附加冗余度 在传输方法中附加冗余度,1、在传输信息中附加冗余度（1）冗余位数越多，检错和纠错的能力越强。 （2）冗余位数越多，有用信息所
31、占比例越少，效率低。 （3）纠错时所需要的冗余位数更多。 （4）汉明距离（Hamming）：两个序列之间对应位取值的不同的个数。在一个分组码中，最小汉明距离越大，码字之间的差别越大，误码的可能性越小。举例：P、29,2.5.2 奇偶效验,1、奇偶效验公式。=1，0（奇、偶效验） 2、奇偶效验方法 （1）垂直奇偶效验 （2）水平奇偶效验 （3）矩阵奇偶效验,2.5.3 汉明效验,1、汉明效验特点若干位效验码，每位有不同效验范围。比奇偶效验复杂，可以检错和纠错，K为传输位。 2、汉明效验 （1）满足不等式： （2）附加r个效验位，可组成r个效验组。 （3）冗余效验位组合不重复 （4）如某位出错，其所参加的效验组出错，而其 他组无错时，则可判断该位出错并效验。,2.5.4 循环冗余效验（CRC）,1、特点在分散控制系统中应用较多，生成效验码与处理源码一起发送。 2、产生（1）发送数据为D（2）D与G(生成多项式)的最高位相乘，得 。（3）用 /G的余数加上 传输。,作业：,1、书上的2-3、 2-4 2、查找并指出RS-232与RS-485接口的特点 3、分析介质访问控制方式及特点，并进行举例。,
