计算机数据通信基础知识及体系结构

第2章计算机数据通信基础知识及体系结构第2章计算机数据通信基础知识及体系结构2.1数据通信基础知识2.2计算机通信接口2.3异种系统的互连2.4网络体系与层次结构2.5ISO/OSI开放系统互连参考模型2.6TCP/IP协议综述2.7OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较2.8本章小结练习题第2章计算机数据通信基础知识及体系结构2.1数据通信基础知识2.1.1数据通信的基本概念1.信息、数据和信号在计算机网络中，通信的目的是传输信息或消息。信息(Information)是消息(Message)所包含的内容，它的载体是数字、文字、语音、图形和图像等。数据(Data)是传递信息的实体，它总是和一定的形式相联系的，而信息 (Information)则是该数据的内容或解释。数据分两种：模拟数据和数字数据。前者取连续值，后者取离散值。模拟数据反映的是连续消息，如话音和图像等。话音的声压是时间的连续函数。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构数字数据反映的是离散消息，就是用一系列符号代表的消息，而每个符号只可以取有限个值。数字数据在传送时，一段时间内传送一个符号，因此在瞬间内数据是离散的。因此，用来反映取值上离散的文字或符号的数据是数字数据。信号(Signal)是数据的电编码或电磁编码。它分为两种：模拟信号和数字信号。模拟信号是一种连续变化的电信号，它用电信号模拟原有消息。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构显然，模拟信号的取值可以有无限多个，图2-1(a)表示话音声压随时间连续变化的消息，图2-1(b)表示与之相应的电流幅度随时间变化的电信号。数字信号是一种离散信号，它的取值是有限个，比如计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母、数字或控制符号。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构声压t(a)ti(b)图2-1模拟信号第2章计算机数据通信基础知识及体系结构2．信道及信道的类型1)信道传输信息的通路称为“信道”。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。2)物理信道和逻辑信道在计算机网络中，有物理信道和逻辑信道之分。3)有线信道和无线信道根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构4)模拟信道和数字信道如果按照信道中传输的数据信号的类型来分，物理信道又可以分为模拟信道和数字信道。模拟信道传输的是模拟信号，而数字信道直接传输二进制数字脉冲信号。5)专用信道和公共交换信道如果按照信道的使用方式来分，又可以将信道分为专用信道和公共交换信道。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构专用信道有两种连接方式：一种是点对点式连接(点点连接)；另一种是点对多点式连接(多点连接)，参见图2-2。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构主机调制解调器调制解调器终端主机调制解调器调制解调器终端调制解调器终端调制解调器终端图2-2通信信道连接类型(a)点对点式连接；(b)点对多点式连接第2章计算机数据通信基础知识及体系结构3．数据通信系统的主要技术指标比特(bit)是二进制(BinaryDigit)的缩写，即计算机中常用的术语“位”，在数据通信中用它来度量消息的信息量。“码元”是对计算机网络中传送的二进制数字中每一位的通称，或称为“码位”。二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”，在7位ASCII码中，这个码字就是字母A。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构1)数据传输率S数据传输率又称比特率，是指数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位(bit)数，单位用比特每秒(b/s)表示。数据传输率S可用以下公式计算：S=lbn第2章计算机数据通信基础知识及体系结构式中：T——信号脉冲重复周期；n——一个脉冲信号代表的有效状态数，是2的整倍数，例如，二进制的一个脉冲可 表示“0”和“1”两个状态，故n＝2；lbn——单位脉冲能表示的比特数，如n＝4时，表示一个单位脉冲为2bit。在实际应用中，常用的数据传输速率单位有：kb/s、Mb/s、Gb/s和Tb/s，其中：1kb/s=103b/s，1 Mb/s=103kb/s，1 Gb/s=103Mb/s，1Tb/s=103Gb/s第2章计算机数据通信基础知识及体系结构2)波特率B波特率是一种调制速率，也称波形速率或码元速率。它是指模拟信号传输过程中，从调制解调器上输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的次数；或者说，在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特 (Baud)。从调制速率的意义来理解，它是脉冲信号经过调制后的传输速率，通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。若以T表示波形的持续时间，则调制速率B可以表示为B=(波特)T1第2章计算机数据通信基础知识及体系结构比特率和波特率之间有下列关系：S＝Blbn其中，n为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二进制中，一个脉冲的“有”和“无”表示1和0两种状态。在二相调制中，n＝2，故S＝B，即比特率与波特率相等。但在更高相数的多相调制中，S与B就不相同了。例如，在四相调制中，n＝4，如果B＝1200bit，则信号传输速率S＝2400b/s。这一点希望读者使用时注意。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构3)出错率出错率是指数据通信系统在正常工作情况下信息传输的错误率，也称误码率。传输可靠性指标由于传输中信息的最小单位不同而不同。信息的单位可以是比特、码元、码字、一组码字，因此，出错率有以下几种表示方法：(1)误比特率Pb：接收的错误比特数占传输总比特数的比例，即：Pb＝传输的总比特数接收的错误比特数第2章计算机数据通信基础知识及体系结构(2)误码率Pe：接收码元中错误码元数占传输总码元数的比例，即：Pe＝计算机网络通信系统中，要求误码率低于10−9。(3)误字率Pw：实际应用中，常由若干码元组成一个码字，因此衡量传输可靠性也用误字率表示。误字率指接收的错误码字占传输总码字的比例，即：接收的总码元数错误接收的码元数第2章计算机数据通信基础知识及体系结构Pw＝传输中，有时一个码字中有两个或更多个码元出错，这和错一个码元的效果一样，因为它们都导致这个码字出错，两种情况的误字率相同，但误码率不同。可见，误字率不一定等于误码率。(4)误组率PB：数据通信中，可将所传输的信息中的若干字组成一组，一组一组地传送，此时接收信息中的错误组数与传输的总组数之比称误组率，即：PB＝传输的总码字数接收的错误码字数传输的总组数接收的错误组数第2章计算机数据通信基础知识及体系结构4)信道容量信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用带宽来描述。模拟信道的容量指信道传输信号的可接收频率范围，其带宽为传输信号的最高频率和最低频率的差值。如话音电路接收的语音频率为300～3400 Hz，则其带宽为3400−300=3100Hz(一般话音电路带宽取4kHz)。在数字信道中，一般用单位时间内最大可传送比特数来描述带宽。例如，某传输媒体最大的传输速率为9600 b/s，则其带宽为9600 b/s。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构任何通信信道都不是理想的，由于信道带宽的限制及信道干扰的存在，信道的数据传输速率总会有一个上限。1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出在具有理想低通矩形特性信道情况下的最高码元传输速率公式：理想低通信道每赫兹带宽的最高码元传输速率是2Baud每秒，我们称为奈氏准则。例如，话音电路的带宽为4kHz，则其最高码元传输速率是8000Baud每秒；假设1Baud携带3 bit的信息，则最高传输速率为24000b/s。对于具有理想带通矩形特性的信道，奈氏准则变为理想低通信道每赫兹带宽的最高码元传输速率是1Baud每秒。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构奈氏准则描述的是有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽之间的关系。如考虑信道噪声问题，可用香农(Shannon)定律来表述，它描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。信道的最大信息传输速率为C：C=Wlbb/s其中，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。NS1第2章计算机数据通信基础知识及体系结构其中，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(Shannon)定律表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的最高传输速率就越高。对于3.1 kHz带宽的话音电路，如果信噪比S/N=2500，那么由香农定律可知，无论采用何种编码技术，信息的传输速率都不超过3100×lb (1+2500)≈35kb/s。信道容量由信道的带宽W、可使用的时间T以及信道质量(即信号功率与干扰功率之比)决定。由于噪音的干扰，实际应用中的传输速率要小于信道容量，高传输速率将被信道容量限制而得不到充分利用。例如，56 kb/s的调制解调器在较差的电话线路上只能达到28.8 kb/s甚至14.4kb/s的传输速率。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构2.1.2数据传输1．数据传输方式1)并行传输与串行传输(1)并行传输。如图2-3所示，两数据设备之间一次传输n位并行数据，每条连线对应一条信道，用于传输代码的对应位，n条信道组成了n位并行信号。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构数据发送端0123n－1信号地数据接收端0123信号地1010…n－1……图2-3并行传输方式第2章计算机数据通信基础知识及体系结构(2)串行传输。串行传输时，数据一位一位地在一条信道上传输。如图2-4所示，数据发送端向数据接收端发出了“01001101”的串行数据。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构数据接收端数据发送端01001101信号信号地信号信号地图2-4串行传输方式第2章计算机数据通信基础知识及体系结构2)数据的通信方式数据传输是有方向的，这是由传输电路的能力和特点所决定的。按传输的方向不同，数据传输可分为三种基本工作方式：单工通信、半双工通信和全双工通信。(1)单工通信。(2)半双工通信。(3)全双工通信。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构3)数据同步方式数据在线路上传输时，为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误接收，要求发送端和接收端的收发动作必须控制在同一时间内进行，即发送端以某一速率在一定的起止时间内发送数据，接收端也必须以同一速率在相同的起止时间内接收数据。常用的同步方式有两种：异步方式和同步方式。(1)异步方式。图2-5 (a)、(b) 分别给出5位字符和8位字符的异步方式结构。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构10100(a)1个字符5位信息位1.5位停止位1位起始位(b)1位起始位110000107位信息位1个字符1位校验位2位停止位图2-5异步方式字符结构第2章计算机数据通信基础知识及体系结构(2)同步方式。如图2-6所示。发送前，发送端和接收端应先约定同步字符的个数及每个同步字符的代码，以便实现接收与发送的同步。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构1SYNSYN同步字符1个字符1个字符1组字符000000001111110图2-6同步传输第2章计算机数据通信基础知识及体系结构2．数据传输类型1)基带传输由计算机或数字终端产生的信号是一连串的脉冲信号，它包含有直流、低频和高频等分量。在基带传输中，需要对数字信号进行编码，即用不同电压极性或电平值代表数字信号的“0”和“1”。常见的编码方法有三种：非归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。(1)非归零编码。非归零编码NRZ(Non-ReturntoZero)如图2-7(a)所示。NRZ码可以规定为用负电压代表“0”，正电压代表“1”。当然也可以有其他表示方法。第2章计算机数据通信基础知识及体系结构(2)曼彻斯特编码。曼彻斯特(Manchester)编码是目前广泛使用的编码方法之一。它的编码规则是：每比特的时钟周期的1/2都有跳变，该跳变既可代表本地时钟，也可