第二章网络和数字通信基础

第二章网络和数字通信基础1.数字通信的基本概念2.总线的基本概念3.通信系统简介4.计算机局域网与拓扑结构5.网络的传输介质6.共享介质的访问方式7.数据交换8.差错控制数字通信的基本概念•数字计算机数据交换接口概念–串行和并行：按照接口电路数据传送方式–同步方式和异步方式：数据收发时钟•按统一时钟，有节奏通讯–简单方式和握手控制方式：按控制方式•简单方式：发方只发数据，收方只接收•握手方式：需要联络线–数字接口和模拟接口：交互信号的类型数字通信的基本概念•串口、并口的基本结构–接口：CPU与外设桥梁•面向CPU的通过总线完成，•面向外设的则通过相应的数据线和控制线–保证CPU效率，接口满足：•设置了数据寄存器或锁存器•命令寄存器或工作方式寄存器•状态寄存器•中断申请电路•满足速度匹配数字通信的基本概念•串口、并口的基本功能–数据缓冲功能•协调CPU与外设在速度上差异–信号变换功能•电平变换和匹配–可编程功能–错误检测功能–寻址功能数字通信的基本概念•并行接口的基本介绍–并口的特点：•多根数据线传输,以数据字为单位同时传递•并行接口传递的数据不要求固定的格式•并行接口从电路结构来看，有可编程和不可编程之分，而可编程结构居多•并行接口适合于近距离数据传送数字通信的基本概念•串行通信的基本概念–数据传输是按位进行的–基本的传送方式•单工通信•半双工通信•全双工通信–同步传输方式和异步传输方式：是否具有统一的时钟数字通信的基本概念•串行通信的基本概念–特点•参与通讯的两台或多台设备共享一条物理通路–由位判决与字判决实现数据传输•位的判决：提供统一时钟或从接收的数据中提取位时钟来解决•字的识别：由规范的数据信息格式来获得–串行数据传输距离•从几米到几千公里，•介质:直接连线、市话网、无线网–通信可靠性•接口之间的握手关系需要一些通信协议来保障数字通信的基本概念•串行通信位的判决–异步传输•收发两端各自有相互独立的位定时时钟•数据的传输速率是双方约定的，•收方利用数据本身来进行同步的传输方式，一般采用了异步起止式。•一帧信息是由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位四部分组成的数字通信的基本概念•串行通信位的判决–起始位——是在高电平后的一位宽的低电平，其下降沿表征了时钟关系，通知接收方传输开始：–数据位——可为5～8位，具体由双方通过软件设定。数据位紧跟在起始位后，是传送的信息主体。传送时低位在前，高位在后；–奇偶校验位——仅占l位，进行数据检查，也可以不设校验位；–停止位——可为l位、l／2位或2位，电传机采用l／2位，计算机采用1或2位，具体由收发双方确定。停止位是高电平，标志一个字符的结束，也为下一个字做准备。数字通信的基本概念•串行通信的字判决–异步：每一个字符要使用起始位和停止位的额外开销用作再同步–同步：不是将每一个字符当做一个独立的信息来传送，而是将许多字符组成一个信息块，加入适当的控制信息和错误检测数据后再传送出去数字通信的基本概念•串口的结构–输入输出是为实现串行与并行转换的功能，要有移位寄存器和数据寄存器。在其间串口电路要实现不同通信方式下的数据格式转化。在异步方式下，接口电路要能在发送时自动生成和在接收时自动掉起／停位。数字通信的基本概念•串口的结构–发送数据寄存器（TxDR）：它通过数据总线缓冲器，从CPU接收并行的数据；–发送移位寄存器（TxsR）：它从发送数据寄存器取得并行的数据，以发送时钟TxC的速率把数据逐位移出；–接收移位寄存器（RxsR）：它以接收时钟的速率把出现在串行数据输入线上的数据，逐位地移入接收移位寄存器。当寄存器接收满后，将数据并行地送往接收数据寄存器（RxDR）；–接收数据寄存器（RxDR）：它从接收移位寄存器接收并行的输入数据再经过数据总线缓冲器，将数据送入微处理器。–数据总线缓冲器：它是微处理器与数据寄存器（RxDR或RxDR）交换数据的双向缓冲器。数字通信的基本概念•总线的基本概念–Fieldbus网络体系结构及标准的研究和制定始于1985年–网络形式——完全型还是简化型网络结构•现场总线是简化型网络结构数字通信的基本概念•现场总线是简化型网络结构的原因–对于面向控制的信息通常十分有限，当要求这种信息必须快速而可靠地到达目的站时，七层模式使数据转换远远慢于实时操作要求；–现场总线设备并不需要OSI地址；–与OSI系统有关的网络接口的造价对现场总线系统来说显得过高，包括OSI系统所有各层的总开销，对现场总线的应用来说同样显得太高–现场总线网络可采用低成本的桥接器、路由选择器和网间连接器等实现与其他开放式系统(例如OSI网络、MAP网络)的连接数字通信的基本概念•现场总线特点–现场总线的终端一般具有一定的智能计算能力(数字计算能力)；–现场总线本身只负责发送或接收较小数据报文，并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段；–现场总线的系统由于网络关系清晰,易于维护.数字通信的基本概念•现场总线基本概念–总线：传输信号或信息的公共路径–总线主设备：发起信息传输的设备（BusMaster）–总线从设备：不能在总线上主动发起通讯、只能挂在总线上进行接受查询的设备（BusSlaver）–控制信号：总线上的控制信号通常有三种类型。•总线上设备的控制信号，如设备清零、初始化、启动和停止等。•改变总线操作方式的控制信号，如改变数据流的方向，选择数据字段的宽度和字节等。•地址和数据表示控制信号，如对于地址，可用于指定某一地址空间，或表示出现了广播操作；对于数据，可用于指定它能否转译成辅助地址或命令。–总线协议(Protocol)：管理总线上所有设备使用总线的一套规则数字通信的基本概念•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接-〉数据传送-〉脱开这一操作的过程称为“一次总线交易（操作）”–数据传送:读/写–通讯请求：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–寻址：命令者与一个或多个从设备建立联系的一种总线操作•物理寻址•逻辑寻址•广播寻址–总线仲裁：裁决哪一个主设备是下一个占有总线的设备•集中仲裁：有一个仲裁单元完成（利用优先级）•分布式仲裁：主设备发出优先级代码，实现一个仲裁周期，完成仲裁。–总线定时：用定时信号进行同步，指明总线上何时数据有效。–出错检测：奇偶校验–容错：允许某个设备故障时，总线正常运行通信系统简介•通信系统的组成–信息源和信息接收者：–发送设备:将信息源和传输媒介匹配起来，经编码发送出去–传输介质：设备之间信号传递的媒介，如无线、有线（光纤）–接收设备：进行解调、译码等将信号接收和恢复出来•通信系统的数据编码–模拟数据编码:用不同幅度、频率、相位来表示0、1数据–数字数据编码：用高低电平信号来表示0、1数据通信系统简介•数字数据编码–单极性码：信号极性是单极性的，如1-高电平，0-低电平–双极性码：信号极性为正、负两种。–归零码：每一位二进制信息传输后均返回零电平–非归零码：在每一信号码元内维持有效电平–差分码：电平变化表示1，不变化表示0–曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)：一个时钟周期的前半个周期表示信号的原码、后半个周期表示信号的反码1111000时钟曼切斯特编码通信系统简介•数字数据编码–模拟数据编码模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0，1状态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数，可以通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。•幅度键控ASK中，载波信号的频率、相位不变，幅度随调制信号变化，如：SA=anAcos(ωt+φ)，an=0,1•频移键控FSK中，载波信号的频率随着调制信号而变化，而截波信号的幅度、相位不变•相移键控PSK中，载波信号的频率、幅值不变，相位随调制信号变化通信系统简介•通信系统的性能•传输速度：度量通信系统每秒传送带信息量s=1/Tlog2nT–传输代码的最小时间，n–信道的有效状态(n=2)，单位：bps•误码率：二进制码元在数据传输系统中传错的概率:p=e/N–N为总元数，e是被传错码数•信道容量：信道在单位时间内传输的最大比特数•信噪比：信道功率与噪声功率之比。10lgS/N分贝有噪声，信道容量香农定理：C=Wlog2(1+S/N)(bps)，S信道功率、N噪声功率，W信道带宽。得出结论：（1）提高信噪比能提高信道容量（2）增加带宽不能无限制提高信道容量，由于N=Wn0,（no为噪声的单边功率谱密度，W增加，N也增加）通信系统简介•信号的传输方式–基带传输：数据波的原样进行传输(0-10Mbps)–载波传输：通过调制后进行传输–宽带网：多条基带信道(0-1000Mbps)–异步传输模式ATM：时分多路复用技术基础上发展起来的。被称为宽带综合业务数字网（B-ISDN）的传输模式。速度可达155M-2.4GB。在数据传输中采用固定长度的短帧（信元Cell），帧长度为53个字节，5个为信元头。异步：表示信元插入线路的位置是任意的，无固定结构。计算机局域网与拓扑结构–星型拓扑–总线拓扑–环型拓扑–树型拓扑网络的传输介质–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–常用的传输介质•电话线•同轴电缆•双绞线•光导纤淮电缆•无线与卫星通信–主要特性•物理特性：传输介质物理结构的描述；•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；•连通特性：允许点-点或多点连接；•地理范围：传输介质最大传输距离；•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；•相对价格：器件、安装与维护费用。网络的传输介质–双绞线•物理特性：双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成•传输特性：双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输，可多路复用，最多复用24条，带宽可达268kHz•连通性：双绞线可以用于点-点连接，也可用于多点连接•地理范围：双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15Km；用于10Mbps局域网时，方案线器的距离最大为100m。•抗干扰性：双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。在低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆，在10-100KHz时，其抗干扰能力低于同轴电缆•价格低网络的传输介质–同轴电缆•物理特性：由内导体、外屏蔽层、绝缘层及外部保护层组成•传输特性：同轴电缆可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两类。基带速率可达10M。宽带可用于频分复用。•连通性：同轴电缆支持点-点连接，也支持多点连接。宽带同轴电缆可支持数干台设备的连接•地理范围：基带同轴电缆最大距离限制在几公里范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里•抗干扰性：抗干扰能力较强•价格中网络的传输介质–光缆•物理特性：光纤是一种直径为50～100μm的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤•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。可达几千Mbps。•连通性：主要是点-点连接，•地理范围：6-8km无需中继器•抗干扰性：抗干扰能力强。一般双绞线典型的误码率在10-5～10-6之间，基带同轴电缆为10-7，宽带同轴电缆为10-9。而光纤误码率可以低于10-10•价格高网络的传输介质–光缆共享介质的访问方式–随机访问方式：争用总线技术为CSMA／CD–受控访问方式：令牌总线、令牌环，或称之为标记总线、标记环–CSMA／CD（载波监听多路访问／冲突检测）：载波监听CSMA的控制方案是先听再讲•第一种为不坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，则等待一段随机时间，重复第一步。•第二种为1一坚持CSMA。假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，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。•第三种为P一坚持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。假如介质是忙的，继续监听直到介质空闲，重复第一步。共享介质的访问方式–第三种为P一坚持CSMA。P