第二章-网络通信基础(第四讲)

第二章第二章网络通信基础网络通信基础主要内容2.1网络通信的基本概念及通信模型2.2通信传输介质2.3数据编码技术2.4数据的传输模式2.5数据的通信方式2.6网络控制系统的拓扑结构2.7通信信道访问控制方式2.8差错控制技术2.9RS232和RS485串口通信技术2.10开放系统的OSI参考模型模拟数据编码的三种编码方法：幅度键控ASK（amplitude-shiftkeying）频移键控FSK（frequency-shiftkeying）相移键控PSK（phase-shiftkeying）2.3.1模拟信号调制2.3.2数字数据的数字信号编码单极性码双极性编码归零码非归零码差分码曼彻斯特编码用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态。2.3.3模拟数据的数字信号编码模拟信号数字化的最常用方法：脉冲编码调制（PCM）。发信端中继器收信端模拟信号PCM模拟信号数字信号PCM数字信号模拟信号数字化基本过程PCM编码机制抽样量化编码2.4数据的传输模式数据的传输模式最常见的有基带传输和频带传输两种模式。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，不采用任何调制措施原样进行传输。它是目前广泛应用的最基本的数据传输方式。频带传输是利用模拟通信信道进行数据通信的方式。频带传输中使用数据的模拟编码方法，传输过程中要使用调制解调技术，调制解调器同时具有调制和解调功能。2.5数据的通信方式根据通信信道的不同特点进行分类。根据一次数据传输的位数可分为：并行通信和串行通信根据数据时序的同步方式也可分为：异步传输和同步传输根据数据传送的方向可分为：单工、半双工和全双工通信中对公用信道的访问可以是随机的，即各工作站可在任何时刻，任意地访问介质；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法调整各站访问介质顺序和时间。在随机访问方式中，常用的争用总线技术为CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswith/CollisionDetection载波监听多路访问/冲突检测）。在控制访问方式中常用令牌访问控制方式。2.7通信信道访问控制方式设备n-1设备n设备3设备4设备2设备1…………对任何工作站都没有预约发送时间。工作站的发送是随机的，必须在网络上争用传输介质，故称之为争用技术。若同一时刻有多个工作站向传输线路发送信息，则这些信息会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为“冲突”。为尽量避免由于竞争引起的冲突，每个工作站在发送信息之前，都要监听传输线上是否有信息在发送，这就是“载波监听”。载波监听CSMA的控制方案是先听再讲。2.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）设备n-1设备n设备3设备4设备2设备1…………三种CSMA坚持退避算法：¾不坚持CSMA（也叫0坚持CSMA）¾1-坚持CSMA¾P-坚持CSMA2.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）不坚持CSMA——介质空闲就发送，介质忙就等待一段随机时间再发送。利用随机的重传时间来减少冲突的概率。缺点是：即使有几个站有数据要发送，介质仍然可能处于空闲状态，介质的利用率较低。2.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）2.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）1-坚持CSMA——介质空闲就发送，介质忙则继续监听，等到总线空闲，立即发送。如果发生冲突，则等待一段随机时间，重复第一步。缺点是：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。P-坚持CSMA——假如介质是空闲的，则以P的概率发送，或以（1-P）的概率延迟一个时间单位后重复处理。该时间单位等于最大的传输延迟。假如介质是忙，继续监听直到介质空闲，重复第一步。2.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）冲突检测：如果有多个站同时监听到总线空闲并开始发送数据，就会产生冲突。因此，每个站在发送数据之后，还要继续监听线路，判定是否有其它站也正在向总线上发送数据，一旦发现，便中止发送。2.7.1CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）2.7.2令牌（标记）访问控制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。令牌访问原理可用于环形网络，构成令牌环形网；也可用于总线网，构成令牌总线网络。2.7.2令牌（标记）访问控制方式令牌环形网¾单环故障，整个瘫痪，可靠性低。2.7.2令牌（标记）访问控制方式令牌总线网2.8差错控制技术差错控制是指在数据通信过程中能发现差错，并采取纠正措施，把差错限制在所允许的尽可能小的范围内的技术和方法。硬件方法：选用高可靠性的设备和传输介质及相应的辅助措施软件方法：采用差错控制编码发送设备接收设备信息码元+冗余码元1/011/00111/0002.8差错控制技术海明距离：简称码距，两个等长码组之间对应位不同的数目称为这两个码组的海明距离（1950年由海明提出)。发送设备接收设备信息码元+冗余码元1000100110110001101100012.8差错控制技术根据对码组处理方式的不同，差错控制的方式基本上有两类：纠错方式检错重发方式2.8.1循环冗余编码(CRC)发送设备接收设备1011011X6+X4+X3+X+12.8.1循环冗余编码(CRC)()fx()Gx()fx′()()()()()kfxxRxQxGxGx⋅=+()()RxRx′≠()Gx()()()()()kfxxRxQxGxGx′⋅′=+()()RxRx′=()()kfxxRx⋅+()kfxx⋅()Rx1110111100124111011000011101110111110101110示例（模二运算）待校验数据：111011G(x)=x4+x3+1,即11001111011000011001101110110011001011001101101100111110110011110余数∴传送序列T(x)=1110,1111,102.8.2海明码海明码(Hamming)：是一种简单实用的一位错纠错编码，它的码组长度(n)、冗余校验位长度(r)和码组中的最大数据位长度(k)满足下列关系：21rnknr⎧=−⎨=−⎩n位信息码：k位CRC码：r位2.8.2海明码在海明码的编码过程中，冗余码从左至右依次填充到2j(j=O，1，…，r-1)的位置上。0234123452222ppppp∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗∗海明纠错码格式12每个校验位的取值应使得包括自己在内的一些位的集合符合规定的奇偶性.(主要用于奇偶性校验)为了知道编号为K的数据位对哪些检测位有影响,将编号K改写成2的幂的和(如:11=1+2+8,29=1+4+8+16),1个位只由扩展式中所示编号的位检测(编号为11的位,只能由1,2,8检测位检测)。123456789101112……2.8.2海明码例:根据海明编码方法,对ASCII字符Z(二进制编码是1011010),形成11位码字,要求简单地写出编码过程.并说明在传输过程中,有一位错的情况下,如何能够检查出是哪一位是错的?解:k=7,n=11,r=4编号:1=1,2=2,3=1+2,4=4,5=1+4,6=2+4,7=1+2+4,8=8,9=1+8,10=2+8,11=1+2+8于是有:(1)(3)+(5)+(7)+(9)+(11)(2)(3)+(6)+(7)+(10)+(11)(4)(5)+(6)+(7)(8)(9)+(10)+(11)2.8.2海明码1011010??1?011?010码字此处是?此处是?1,2,4,8是校验位!其余位是信息位.1,2,4,8是校验位!其余位是信息位.(1)(3)(5)(7)(9)(11)010100(1)(3)(5)(7)(9)(11)010100偶数个1偶数个1奇数个1奇数个1001001110101234567891011(8)(9)(10)(11)1010(8)(9)(10)(11)1010(2)(3)(6)(7)(10)(11)011110(2)(3)(6)(7)(10)(11)011110(4)(5)(6)(7)0011(4)(5)(6)(7)00112.8.2海明码如果冗余码的位数为r，则存在这样一个(2r-1)行×r列的编码矩阵，矩阵元素等于0或1，并且每一行的元素所组成的二进制编码等于行数的二进制编码。对于海明纠错码，要求码组数据与这一矩阵相乘满足下列关系：()1211211234121121()rrrrrrrrbbbbbbbbppppllllbbbb−−−−⎡⎤⎢⎥⎢⎥∗∗∗∗∗∗=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦#####2.8.2海明码下面以数据(信息)1101为例，给出海明码编码、译码及纠错的工作过程。(1)编码过程,根据公式，可选择数据长k=4，冗余码长r=3，码组长n=7。由关系式：()()1230010100111101000100101110111ppp⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦21rnknr⎧≥+⎨=−⎩123100ppp===海明编码为：(1010101)2.8.2海明码(2)译码过程假设接收方接收到的数据为(1010111)。按照下式计算传输是否出错()()0010100111010111110100101110111⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦(1010101)(3)纠错值为多少？从左数相应位数，取反思考题1.简述CSMA/CA访问控制的基本原理？2.发送8位数据位序列为10101110，生成多项式位序列为11001CRC检验码？