第2章数据通信基础与网络互联ppt课件.ppt

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1、数据通信基础与网络互联,第二章,2,主 要 内 容,2.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,3,主 要 内 容,2.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,4,现场总线是低层控制网络,现场总线是企业的底层数字通信网络，是连接微机化仪表的开放系统。,5,2.1 总线的基本概念,总线与总线段 从广义来说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

2、组设备通过总线连在一起称为“总线段”(bus segment)。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。,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)。也就是说，主设具备在总线上主动发起通信的能力，又称命令者。,总线从设备 不能在总线上主动发起通信、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。,6,控制信号 总线上的控制信号通常有三种类型:,总线协议 (bus protocol) 管理主、从设备使用总线的一套规则称为“总线协议”。 这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。,1、控制连在总

3、线上的设备2、改变总线操作的方式3、表明地址和数据的含义,设备清零、初始化、启动和停止,选择数据字段的宽度和字节,指定某一地址空间,7,总线操作的基本内容,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。,通信请求 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成某种动作。,“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。命令者可以在做完一次或多次总线操作后放弃总线占有权。,8,总线操作的基本内容,

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：,1、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,2、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,3、广播寻址广播寻址用于选择多个响应者。,9,总线操作的基本内容,总线仲裁 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。以避免总线在传送信息的操作过程中有可能发生的“冲突”（Conflict）。当前的总线主设备叫做“命令者”(commander)。,10,同步系统 在大多数同步总线系统中，定时时钟信号是由系统统一提供的。总线状态的改变只出现在时钟

5、的固定时刻。,异步系统 异步总线系统中，命令者发出选通定时信号表明总线上的信息有效，响应者回送一个应答定时信号。命令者收到该应答信号后，证实响应者确实进行了响应。这一过程叫做 “握手”(handshake)。,通信定时 总线操作用“定时”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。有异步和同步两种。,11,总线操作的基本内容,出错检测 在总线上传送信息时会因噪声和串扰而出错，因此在高性能总线中设有出错码产生和校验机构，以实现传送过程的出错检测。,12,容错 备在总线上传送信息出错时，必须提高系统的重配置能力。,1、硬件结构连接；2、利用软件减少故障对系统的影响；3、备用

6、路径,13,主 要 内 容,2.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,14,2.2 通信系统简介,信息源,信息接收者,发送设备,接收设备,传输介质,15,数据编码,1、模拟数据编码2、数字数据编码,计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的传息：,例如：11010010,数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据：,16,一、数字数据编码,17,差分码,用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”电平变化代表“l” ，不变化代表“0”。,18,曼彻斯特编码(Manchest

7、er Encoding),在曼彻斯持编码中，时间被划分为等间隔的小段。其中每小段代表一个比特。每一小段时间本身又分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段传送的是比特值本身。,19,二、模拟数据编码调幅,幅度键控ASK中，载波信号的幅度随着调制信号而变化，而载波信号的频率、相位不变。例如在二进制数字信号调制后波形的时域表达式对应SA = an A *coswct， an=0，SA=0代表0， an=1，SA波形代表1。,三种模拟数据编码调幅后的信号波形,20,二、模拟数据编码调频,频移键控FSK中，载波信号的频率随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、相位不变。例如在

8、二进制频移键控中、可定义为信号0对应的载波频率大，信号1对应的载波频率小。,三种模拟数据编码调频后的信号波形,21,二、模拟数据编码调相,相移键控PSK中，载波信号的相位随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、频率不变。例如在二进制相移键控中、可定义为信号1对应的0o，信号0对应180o 。,三种模拟数据编码调相后的信号波形,22,通信系统性能,标准数据信号速率： 50，100，200，300，600，1200， 2400， 4800，9600，240k，1M，10M,PeNe/N Ne被传错的码元数，N 传送的二进制码元数,23,通信信道的频率特性： 通信信道-通信介质和中间通信设备。 信道容

9、量：单位时间内可能传送的最大比特数。 信噪比：信道功率S与噪声功率N的比值。,24,信号传输方式,基带传输 基带传输就是在数字通信的通道上直接传送数据的基带信号，即按数据波的原样进行传输，不包含有任何调制，它是最基本的数据传输方式。,载波传输 载波传输采用数字信号对载波进行调制后实行传输。,宽带网 用与传输数据、文字、语音、图像等多种信号的传输技术,宽带网与基带网的主要区别，一是数据传输速率不同，基带网的数据速率范围为0一10Mbps，宽带网可达0一400Mbps；二是宽带网可划分为多条基带信道，提供良好的通信路径。,25,ATM是实现高速网络的主要技术:它支持多媒体通信，包括数据、语音和视频

10、信号；按需分配频带；具有低延迟特性；速率可达 155M bps 到 2.4G bps，也有 25Mbps ，和 50Mbps 的ATM技术；可适用于局域网和广域网。,异步传输模式 ATM (asynchronous transfer mode),26,网络通信方式,半双工通信,单工通信,全双工通信,27,网络同步方式,在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端取得一致，这一过程称为同步过程。,信息传输的同步方式分为两种： 异步(asynchronous)式 同步(synchronous)式,同步就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据。,28,1、同步

11、式,按传输信息的基本组织单位，分为位同步、字符同步和帧同步。,适用于高速传输要求,29,2、异步式,异步式又称起止(startstop)同步方式，异步方式中，并不要求收发两端在传送代码的每一位时都同步。,易于实现，频移无积累，对线路和收发器要求低；但效率低，适于低速系统,字符长度数据(信息位和校验位)+起始位+终止位,30,主 要 内 容,2.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,31,2.3 拓扑结构,32,33,主 要 内 容,2.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.

12、3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,34,2.4 网络传输介质,传输介质是网络中连接收发双方的物理通路。也是通信中实际传送信息的载体。,35,(6)相对价格：器件、安装与维护费用。,(1)物理特性：传输介质物理结构的描述；,(2)传输特性：传输介质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：传输介质最大传输距离；,(5)抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据 影响的能力：,影响网络中数据通信质量的特性,36,双绞线,(1)物理持性：传输介质物

13、理结构的描述；(2)传输特性：传输介质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：传输介质最大传输距离；(5)抗干扰性；传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据 影响的能力：(6)相对价格：器件、安装与维护费用。,37,用作10Mbps局域网，与集线器的最大长度100米,38,同轴电缆,(1)物理持性：传输介质物理结构的描述；(2)传输特性：传输介质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：传输介质最大传输距离；(5)抗干扰性；传输介质防止噪声与电磁干扰对传

14、输数据 影响的能力：(6)相对价格：器件、安装与维护费用。,39,40,光 纤,(1)物理持性：传输介质物理结构的描述；(2)传输特性：传输介质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：传输介质最大传输距离；(5)抗干扰性；传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据 影响的能力：(6)相对价格：器件、安装与维护费用。,41,42,无线通信方式,微波通信红外线通信激光通信卫星通信,43,选择传输介质考虑因素,网络拓扑、网络连接方式网络通信量系统的可靠性要求传输的数据类型网络覆盖的地理范围节点间的距离等等.,44,主 要 内 容,2

15、.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,45,2.5 介质访问控制方式,1、随机访问方式：2、控制访问方式:,CSMA/CD (载波监听多路访问/冲突检测),1)令牌总线Token bus2)令牌环Token ring,46,CSMA/CD (载波监听多路访问/冲突检测),对介质的访问是随机的，必须在网络上争用传输介质，为避免访问“冲突”，载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。,当监听总线状态后，可采用以下三种CSMA坚持退避算法:,1）不坚持CSMA 2）1-坚持CSMA 3）P

16、-坚持CSMA,47,三种CSMA坚持退避算法,1）不坚持CSMA 2）1-坚持CSMA 3）P-坚持CSMA,1、If 介质是空闲的，then发送；else2、If介质是忙的，then等待一段随机时间，重复1；,1、If 介质是空闲的，then发送；else2、If介质是忙的，then继续监听，直到介质空闲，立即发送；,1、If 介质是空闲的，then以P概率发送，or以1-P概率延迟 一个时间单位（最大传输延迟）重复处理；else2、If介质是忙的，then继续监听，直到介质空闲，重复1 ；,介质浪费,访问冲突,折衷！,48,冲突检测 CD,故每个工作站发送信息之后，还要继续监听线路，判定

17、是否有其他站正与本站同时向传输线发送，一旦发现，便中止当前发送，这就是“冲突检测 Conflict Detection, CD”。,边讲边听,由于传输线上不可避免的有传输延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。,49,令牌访问控制方式令牌环方式,令牌方式是有控制的发报方式，谁得到令牌，谁才有发报权。环形网络！,入口,出口,传输桢格式:,通信处理器,通信处理器,通信处理器,通信处理器,通信处理器,50,令牌访问控制方式令牌传递总线方式,采用总线网络拓扑、网络上各工作站按一定顺序形成一个逻辑环。,令牌传递算法：逻辑环按递减的站地址次序组成逻辑环的初始化：网络开始启动、插入或退

18、出、故障站插入环路算法：站退出环路算法：差错恢复：丢失令牌、重复令牌,空标记01111111,忙标记01111110,递减,51,主 要 内 容,2.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,52,2.6 数据交换方式,1、线路交换方式2、存储转发交换方式,1）报文存储转发交换2）报文分组存储转发交换,a 数据报方式b 虚电路方式,53,数据交换线路交换方式,采用线路交换方式在两台计算机之间通过网络进行数据交换之前，首先在网络中建立一个实际的物理线路连接，为此次通信专用。,(1)线路建

19、立阶段：,+“连接请求包”,“连接应答包”,(2)数据传输阶段,(3) 线路释放阶段,A: “释放请求包” B: “释放应答包”,线路交换方式的通信过程分三个阶段：,路选算法,54,线路交换方式的缺点： 1、对突发性通信不适应，系统效率低； 2、系统节点不具有存储数据的能力，也 不具备差错控制能力。,线路交换方式的优点： 通信实时性强，适用于交互式通信。,55,数据交换存储转发交换方式,与线路交换方式的区别：,1、发送的数据与目的地址、原地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元，即抱文或报文分组；,2、通信站点的通信处理器要完成数据单元的接收、差错控制存储、路选和转发功能；,56,存储转发方

20、式的优点,(4)通过通信控制处理器，可以对不同通信速率的线路 进行速率转换，也可以对不同数据代码格式进行交换。,(3)报文(或报文分组)在通过每个通信控制时均要进行差错 检查与纠错处理，可以减少传输错误，提高系统可靠性；,(2)通信控制具有路选功能，可以动态选择报文最佳路径， 同时可以平滑通信量，提高系统效率；,(1)多个报文可以分时共享一条通信信道，线路利用率高；,57,1、报文交换2、报文分组交换,存储转发交换方式的两种类型,a 数据报(DG, Data Gram)方式b 虚电路（VC, Virtual Circuit）方式,58,报文分组交换数据报（DG, data gram）,数据报工

21、作方式特点：,(4) 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。,报文分组交换过程：,检错,路选算法,路选算法,检错,(1) 同一报文的不同报文分组可以由不同的传输路径通过通信网络；,(2) 同一报文的不同报文分组到达目的节点时可能出现乱序、重复和丢失现象；,(3) 每一个报文分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址；,59,报文分组交换虚电路（VC, virtual circuit）,虚电路交换方式工作过程:,三个阶段：,(4)通信网络中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。,连接请求分组,虚电路方式的特点：,(1)在每次报文发送之前，必须在发送方与接收方之间建立

22、一条逻辑连接；,(2)一次通信中所有报文分组都从这条逻辑连接的虚电路上通过，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复和乱序的现象；,(3)报文分组通过每个虚电路的节点时，节点需要做差错检测、而不需要做路径选择；,路选算法,60,各种数据交换方式的适用场合,线路交换：适合于高负荷的持续通俗要求，尤其是会话式通信与语音、图像通信，不适合于突发性通信；,报文交换：适合于长报文、无实时要求的通信，不适合会话式通信；,数据报DG方式：适合于灵活的突发性短报文传输、不适合会话式和有实时性要求的通信；,虚电路VC方式：既适合于定时、定对象、长报文通信，也适合会话式

23、通信和语音、动态图像和图形通信要求。,61,主 要 内 容,2.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,62,2.7 差错控制,1、纠错码方案：2、检错码方案：,概念：为了提高通信系统的传输质量，而提出的有效地检测错误，并进行纠正的方法叫做差错检测和校正，简称差错控制。,63,1、纠错码方案：,让每传输的报文分组代上足够的冗余信息，以便于在接收端能够发现并自动纠正传输错误。,实现复杂，造价高。费时。,64,2、检错码方案：,1) 奇偶校验码2) 循环冗余编码,(CRC，cyclic

24、redundancy code),让报文分组仅包含足以让接收端发现错误的冗余信息，但不能确定哪一比特是错误的，并且不能纠正传输错误。,65,CRC码 检错原理,发送数据 接收数据生成多项式 生成多项式 实际发送 接收正确数据字段 校验字段 接收出错 发送,数据字段,校验字段,66,66,CRC码 检错 实例,发送数据 接收数据 生成多项式 生成多项式 实际发送 接收正确 接收出错 发送,数据字段,校验字段,G(x)=x4+x3+x0,67,CRC码 检错 实例,G(x)=x4+x3+x0,68,差错控制方法反馈重发ARQ机制,69,差错控制方法反馈重发ARQ机制,反馈重发纠错实现方法有两种：

25、1) 停止等待方式 2) 连续工作方式：,拉回式 选择重发式,0 1 2 3 4 5 6,0 1 2 3 4 5 6,2 3 4 5 6,2,70,主 要 内 容,2.1 总线的基本概念2.2 数字通信系统简介2.3 网络拓扑2.4 传输介质2.5 介质访问控制方式2.6 数据交换技术2.7 差错控制2.8 网络互连,71,2.8 网 络 互 联,实质：计算机网络是通信技术与计算机技术相结合的产物。,72,因特网,内部网,IP语音,因特网,内部网,内部网,内部网,控制网,控制网,73,网络互联设备,中继器 起简单的信号放大作用，用于驱动很长的通信介质。它对所通过的 数据不作处理，主要作用在于延长电缆或光缆的传输距离。,网桥 是存储转发设备，用来连接同一类型的局域网，网桥能够互连两个采用 不同数据链路层协议、不同传输速率、不同传输介质的网络,路由器 从路径选择角度为逻辑上独立的不同子网用户之间传输数据提供传输路 线，在Internet中的作用类似于邮局的作用: 它有两大功能：1、建立路由表；2、转发IP数据报。,网关 又被称为网间协议变换器用以实现不同通信协议的网络之间、包括使用不 同网络操作系统的网络之间的互连。,现场总线网段间的连接主要选用中继器和网桥。,74,网络互联实例,