1、数据通信的基础知识 1 数据通信系统的模型,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,PC 机,数据(data)运送信息的实体。 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 “模拟的”(analogous)连续变化的。 “数字的”(digital)取值是离散数值。 调制把数字信号转换为模拟信号的过程。 解调把模拟信号转换为数字信号的过程。,模拟的和数字的数据、信号,2.2.2 有关信号的几个基本概念,单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送
2、(当然也就不能同时接收)。 双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。,基带(baseband)信号和 宽带(broadband)信号,基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,2.2.3 信道的最高码元传输速率,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。,数字信号通过实际的信道,失真不严重失真严重,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信
3、号波形 (失真不严重),奈氏(Nyquist)准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。,理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud,W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),另一种形式的奈氏准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。,理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud,W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),不能通过,要强调以下两点,实际的信
4、道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位。,要注意,信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。,2.2.4 信道的极限信息传输速率,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受
5、限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,奈氏准则
6、和香农公式 在数据通信系统中的作用范围,源系统,传输系统,目的系统,传输 系统,源点,终点,发送器,接收器,输入信息,输出信息,4.1.1 局域网的概念,局域网LAN（Local Area Network）是将小区域内的各种通信设备互连在一起的通信网络。它由互连的计算机、打印机和其他在短距离间共享硬件、软件资源的计算机设备组成。,4.1.2 局域网的特点,1局域网是一个通信网络，从协议层次的观点看，它包含着下三层的功能，由连接到局域网的数据通信设备和高层协议、网络软件组成。 2范围：局域网覆盖的范围比较小，其服务区域可以是一间小型办公室、大楼的一层或整个大楼；数据传输距离短（0.1km10km
7、），传输时间有限。 3传输介质：局域网可以采用多种传输介质，包括双绞线、同轴电缆、光纤和无线介质等。 4传输速率：传统的局域网传输速度为：10Mbps100Mbps，高速局域网可达到10000Mbps；传输延迟和误码率低。,4.1.3 局域网的分类,按照组网方式分类 按照组网方式的不同，即网络中计算机之间的地位和关系的不同，局域网可以分为3种：对等网、专用服务器局域网和客户机/服务器局域网。,对等网示意图,按照介质访问控制方法分类 局域网可以分为以下两类： 共享介质局域网（Shared LAN）、 交换式局域网（Switched LAN）,在传统共享介质局域网中，所有节点共享一条公共通信传输介
8、质，不可避免将会有冲突发生。随着局域网规模的扩大，网中节点数不断增加，每个节点平均能分配到的带宽越来越少。因此，当网络通信负荷加重时，冲突与重发现象将大量发生，网络效率将会急剧下降。为了克服网络规模与网络性能之间的矛盾，人们提出共享介质方式改为交换方式，从而促进了交换式局域网的发展。,局域网按照介质访问控制方法的分类,4.1.4 局域网的应用,随着网络技术的不断发展，局域网已经被广泛应用到家庭、公司、校园、工厂等各个领域。 1个人计算机局域网 2后端网络和存储区网络 3高速办公室网络 4主干局域网 5校园网,4.2 网络拓扑结构,4.2.1 总线型拓扑结构 4.2.2 环型拓扑结构 4.2.3
9、 星型拓扑结构 4.2.4 其他拓扑结构,网络中各个节点相互连接的方法和型式称为网络拓扑（topology）。由于已有多种局域网技术，可以通过对网络拓扑结构的分析来了解各个具体技术之间的相似性与区别性。,4.2.1 总线型拓扑结构,总线拓扑（bus topology）的网络通常由单根电缆组成，该电缆连接网络中所有节点，其中没有插入其他的连接设备。 优点：布线容易、易于扩充。 缺点:扩展性不佳、故障检测不容易、容错能力较差,一个典型的总线型网络,4.2.2 环型拓扑结构,在一个环型拓扑（ring topology）的网络中，每个节点与最近的节点相连接以使整个网络形成一个封闭的圆环。 环型拓扑结构
10、的优点：容易协调使用计算机、易于检测网络是否正确运行。 缺点：单个发生故障的工作站可能使整个网络瘫痪。单纯的环型拓扑结构非常不灵活、不易于扩展。,一个典型的环型网络,4.2.3 星型拓扑结构,在一个星型拓扑结构（star topology）中，网络中的每个节点通过一个中心节点，如集线器（hub）连接在一起。 星型拓扑结构需要的电缆和配置比环型和总线网络多，发生故障的单个电缆或工作站不会使星型网络瘫痪。但是一个集线器出现故障将导致一个局域网段的瘫痪。 由于采用了中央节点，星型拓扑结构很容易移动、隔绝或与其他网络的连接。因而具有良好的扩展性。,一个典型的星型网络,4.2.4 其他拓扑结构,树型拓扑
11、是从总线拓扑演变过来的，形状像一颗倒置的树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可延伸出子分支。 星型环拓扑结构将星型的物理布局与令牌环传递的数据传输方法联合使用。 星型总线则混合了星型和总线构造。,星型环拓扑结构,星型总线拓扑结构,4.3 传统以太网,1. 两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 的 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,高速以太
12、网 100BASE-T 以太网,速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。,100BASE-T 以太网的特点,可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。,三种不同的物理层标准,100BASE
13、-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX 使用 2 对光纤。 100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。,吉比特以太网,允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。,吉比特以太网的物理层,1000BASE-X 基于光纤通道的物理层： 1000BASE-SX SX表示短波长 1000BASE-LX LX表示长波长 1000BASE-CX
14、 CX表示铜线 1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP,载波延伸(carrier extension),吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。 由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小的数值。 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。,10 吉比特以太网,10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3
15、标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。,吉比特以太网的物理层,局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。 为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/
16、s。,端到端的以太网传输,10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。 这种工作方式的好处是： 成熟的技术 互操作性很好 在广域网中使用以太网时价格便宜。 统一的帧格式简化了操作和管理。,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进,以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是： 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。 易于安装。 稳健性好。,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。
17、 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么
18、也不做。差错的纠正由高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据
19、信号。,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,电磁波在总线上的 有限传播速率的影响,当某个站监听到
20、总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。,1 km,A,B,t,t = 0,单程端到端 传播时延记为,1 km,A,B,t,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端 传播时延记为,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全
21、双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,4. 争用期,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type),发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。
22、确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。 定义重传次数 k ，k 10，即k = Min重传次数, 10 从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。,争用期的长度,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,最短有效帧长,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去
23、的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,强化碰撞,当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。,人为干扰信号,A,B,t,B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。,两种不同的 MAC 帧格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的
24、 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,MAC 帧,字节,6,6,2,4,IP 层,物理层,目的地址,源地址,长度/类型,FCS,MAC 层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始 定界符,7 字节,1 字节,数 据,MAC 子层,IP 层,LLC 子层,这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用,43 1497,1,1,1,DSAP,SSAP,控制,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,目的地址字段 6 字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,源地址字段 6
25、字节,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,类型字段 2 字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,数据字段 46 1500 字节,数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,FCS 字段 4 字节,当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11
26、014。,当数据字段的长度小于 46 字节时， 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。,为了达到比特同步， 在传输媒体上实际传送的 要比 MAC 帧还多 8 个字节,数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 150
27、0 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。,无效的 MAC 帧,帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。,帧间最小间隔,表2-2 10Mbps以太网物理层比较,图2-6 5-4-3规则,表2-6 以太网最大网段距离,2.2.4.2最大网段距离,表2-7 以太网标准化进程,归纳总结,1、局域网及其特点； 2、LAN中的传输方式 3、局域网中的媒体访问控制方法 4、IEE802系列标准 5、局域网的类型1）以太网；2）ATM； 3）FDDI光纤分布式数据接口；4） 无线LAN； 6、通信协议及其选择,课后作业,课后作业,在以太网上使用哪种介质访问方法（ ） CSMA/CA CSMA/CD 令牌传递 请求优先级,谢谢观看,
