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第2章网络体系结构与数据通信基础知识•本章内容2.1计算机网络体系结构2.2数据通信基础知识2.3数据编码技术2.4差错控制技术2.5数据交换技术2.6多路复用技术2.1计算机网络体系结构2.2.1网络协议2.2.2网络体系结构2.2.3OSI参考模型计算机网络技术与应用2.2.1网络协议计算机网络技术与应用网络中的各种设备存在很大差异。要把这些有差异的设备连接在一个网络中，彼此要相互通信，而且要求接收方能够正确的理解发送方发送的信息的含义，因此就需要制定网络中各种计算机和通信设备共同遵守的规则或约定，这种规则或约定就是网络协议。网络协议作为一种规则一般要约定三个方面的内容，我们称之为网络协议三要素，即语法、语义和时序。1．语义。指在数据传输中加入哪些控制信息。2．语法。指传输数据的格式3．时序。指数据传输的次序或步骤2.2.2网络体系结构计算机网络技术与应用1.分层网络通信过程非常复杂，为了使复杂问题简单化，人们将网络完成的任务分解成一个个小的子任务，然后针对每个子任务分别制定相应的协议，在网络术语中将这样一种任务分解的方法叫分层。2.网络体系结构我们把网络的这种分层结构，以及各层协议的集合称之为网络体系结构。计算机网络技术与应用发信者收信者检查信件、盖邮戳、分拣收集信件按地址收信、阅读信件写信、书写信封、送邮箱邮递员通信者通信者邮递员邮局邮局运输部门协议协议协议分发信件检查信件、盖邮戳、分发运输运输图2-2邮政系统的网络体系结构计算机网络技术与应用2.2.3OSI参考模型背景：到了20世纪70年代，各大计算机公司都制定了自己的网络体系结构，如：IBM的网络体系结构SNA，DEC公司的网络体系结构DNA等带来的问题：①在一个网络中只能使用一个厂商的网络产品；②使用不同的厂商的产品组建的网络不能互相连通；③一旦用户购买了每个公司的网络产品组建网络，那么它以后只能依赖于这个公司，自身的利益无法得到保障。如果这样的局面不能得到改变，在这个世界上就会出现很多信息网络的孤岛，这既不符合全球用户的需求，也不利于网络技术自身的发展。1．OSI参考模型计算机网络技术与应用•在这种背景下，国际标准化组织（ISO）于1977年成立一个专门的机构（SC16委员会），研究如何将网络标准统一起来，使不同体系结构的计算机网络之间能够实现互联。•这个委员会在现有网络体系结构的基础上，制定了开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型。•这里的开放系统的含义是：如果你的的系统是符合OSI标准的，那么你的系统就是开放的，你的系统就可以与其他开放的系统实现互联。•OSI只是一个概念性的框架，不是一个具体的标准，它只是描述了开放系统的层次结构，对各层功能做了精确的定义，但是它没有涉及各层协议实现的技术细节。计算机网络技术与应用OSI参考模型将网络分成七个层次，如图2-3所示。其中：①低三层（1-3层）面向通信子网，主要解决通信问题，负责网络中的数据传输，与通信设备有关。②高三层（5-7层）面向资源子网，主要解决数据处理问题，负责使接收方理解发送方发送数据的含义，与通信设备无关。③传输层（第四层）是通信子网与资源子网的接口层，保证数据正确送达。•网络中的主机既要进行通信处理又要进行数据处理，需要有七层结构•对通信网和通信设备而言，由于他们的作用就是正确的传输信号，不需要对信号进行理解，所以，只需要有低三层（1-3层）结构就可以了。计算机网络技术与应用通信子网应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层主机主机路由器路由器传输介质传输介质传输介质OSI参考模型计算机网络技术与应用1）第7层：应用层。通过用户应用程序接口为用户应用层序提供服务，使用户通过网络应用程序将对网络的请求送到网络中来。2）第6层：表示层。表示层为应用层提供服务，表示层保证一个系统应用层发出的信息能被另一个系统的应用层读出。如果发送方和接收方数据表示格式不一致，表示层将使用一种通用的数据表示格式在多种数据表示格式之间进行转换。。3）第5层：会话层。会话层为表示层提供服务，在传输连接的基础上具体实施通信双方应用程序的会话，包括会话建立、会话管理和终止的机制。2．各层的作用计算机网络技术与应用4）第4层：传输层。传输层为会话层提供可靠数据传输服务。传输层对上层屏蔽数据传输的具体细节，为数据的传输提供可靠的服务。为了提供可靠的服务，传输层提供建立、维护端到端的传输连接、端到端的传输差错校验和恢复以及信息流控制机制等机制。5）第3层：网络层。网络层为传输层提供分组传输服务，保证报文分组能够从一个主机通过通信子网送达到另一个主机上。网络层把传输层送来的数据流分割成一个个的分组，根据分组要送达的目的主机地址，通过路由选择算法为每个分组选择一个最佳路径，使分组能够沿着这条路径通过通信子网到达接收端的主机，并处理网络中可能出现的拥塞（由于通信量大而引起的网络拥堵、死锁等）问题。计算机网络技术与应用6）第2层：数据链路层。数据链路层在物理层连接的基础上，为网络层提供通信子网中两个相邻的通信节点间的可靠的帧传输服务。数据链路层要对传输的比特以帧为单位检查错误，如果出现错误，要求发送端重发。另外数据链路层还要处理相邻节点间流量控制问题。7）第1层：物理层。物理层为数据链路层提供比特传输服务，确保比特在通信子网中从一个节点传输到另一个节点上，物理层协议主要定义传输介质接口的电气的、机械的、过程的和功能的特性，包括接口的形状、传输信号电压的高低、数据传输速率、最大传输距离、引脚的功能、动作的次序等等。计算机网络技术与应用传输介质传输介质传输介质通信子网应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层链路层网络层物理层网络层应用层表示层会话层传输层数据链路层网络层物理层主机主机路由器路由器链路层物理层链路层物理层链路层物理层①⑥②③④⑤3．数据在OSI参考模型中的流动过程2.2数据通信基础知识2.2.1信息、数据与信号2.2.2数据通信系统2.2.3数据通信方式2.2.4数据通信指标计算机网络技术与应用2.2.1信息、数据与信号计算机网络技术与应用1．信息、数据、信号及其关系•信息是信息论中的一个术语，常常把消息中有意义的内容称为信息。•数据是指能够输入到计算机中并能为计算机所处理的数字、文字、字符、声音、图片、图像等•数据与信息关系密切，数据是信息的载体，信息要靠数据来承载；孤立的数据没有意义，而一组有相互关系的数据可以表达特定的信息。例如，39•表示数据的物理量叫信号，只有把数据表示成信号，才能够对数据或信息进行处理和传输。计算机网络技术与应用2．模拟信号与数字信号•模拟信号是随时间连续变化的，用随时间连续变化的物理量表示实际的数据•数字信号是随时间离散的、跳变的，用脉冲信号的组合表示实际数据图2-5模拟信号与数字信号（a）模拟信号（b）模拟信号2.2.2数据通信系统计算机网络技术与应用数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。•用模拟信号传输数据，这样的通信系统叫模拟通信系统•用数字信号传输数据，这样的通信系统叫数字通信系统计算机网络技术与应用图2-6模拟通信系统与数字通信系统（a）模拟通信系统调制解调器调制解调器模拟通信网（b）数字通信系统编码/解码器编码/解码器数字通信网2.2.3数据通信方式计算机网络技术与应用1．串行通信与并行通信10110010接收端发送端b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0发送端接收端b7b6b5b4b3b2b1b010110010（a）串行通信（b）并行通信计算机网络技术与应用2．数据通信的交互方式发送接收单向通道（a）单工通信方式发送接收单向通道（b）半双工通信方式接收发送（c）全双工通信方式发送接收单向通道接收发送单向通道1）单工通信：一端为发送方，只能发送数据，另一端为接收方，只能接收数据2）半双工通信：允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，3）全双工数据通信：全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输计算机网络技术与应用3．同步问题1）同步概念•同步：就要求通信双方的设备在时间基准上保持一致•通俗的说，所谓同步就是让接收方知道发送方发送的数据从什么时刻开始到什么时刻结束的技术。2）在数据传输过程中需要解决两个层次上的同步问题•一个是如何让接收方识别出一个比特的开始和结束，这叫位同步；•另一层次是让接收方识别出传输的数据块的开始和结束，这叫字符同步。计算机网络技术与应用实现位同步的方法有两种，外同步法和自带同步法1）位同步•外同步法是在发送正常的数据的同时，另发一路同步时钟信号，用同步时钟信号去调整校正接收方的时间基准与时钟频率•自带同步法是在发送数据的同时，通过编码技术让传输的数据中包含同步信息（a）外同步（b）自带同步11010100发送的原始数据发送计算机中的原始信号另外发送一路同步信号11010100发送的原始数据计算机中的原始信号发送曼彻斯特编码后的信号图2-9位同步计算机网络技术与应用2）字符同步实现字符同步的方法也有两种，异步传输和同步传输。•异步传输是以字符为单位传输，一个字符通常包括4-8各比特，在传输字符的前面，加入起始位，在传输字符的的后面，加入终止位。•同步传输是多个字符组成一个数据块一起传输，在数据块的开头和结尾分别加上用于同步控制的专用字符，如SYN或特定的比特串如01111110。计算机网络技术与应用停止位起始位5位数据位同步时钟0111111001111110…数据…SYN…数据…SYN（a）异步传输（b）同步传输图2-10字符同步传输字符00100112.2.4数据通信指标计算机网络技术与应用1．数据传输速率R=1/T(bps)R为数据传输速率，T为脉冲宽度(一个bit的持续时间)。例如：在信道上发送一个比特的时间是0.104ms，则传输速率为9600bps。常用的数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s。其中：1Kb/s=1×103b/s1Mb/s=1×106b/s1Gb/s=1×109b/s1Tb/s=1×1012b/s计算机网络技术与应用2．码元速率C又称调制速率、信号传输速率、波特率、传码率等。是指调制或信号变换过程中，每秒波形转换次数或每秒传输波形（信号）的个数。它定义为：C=1/t（baud）C：为码元速率，t为传输一个码元所需时间，单位为波特（baud）。3．码元速率与数据传输速率的关系R=C*log2M（bps）M：为一个码元所取的离散值的个数•若码元速率不变，当一个码元可取的离散值增加时，数据传输速率可以成倍的提高•但是随着M值的提高，信道噪声也会增加，又会抑制传输速率的增加，所以M值要受到限制。计算机网络技术与应用4．信道的带宽带宽：信道允许传送的信号的最高频率与最低频率之差，单位为赫兹（Hz），带宽用于衡量一个信道的数据传输能力。5．信道的最大数据传输率（信道容量）信道容量是理想情况下，即没有传输损耗，没有噪声干扰的情况下信道的最大数据传输速率。由奈奎斯特准则给出。C=2B（baud）B：为信道带宽，C为码元速率。若换算成数据传输速率：Rmax=2Blog2M计算机网络技术与应用6．非理想信道与香农（Shannon）公式考虑噪声干扰的情况下数据传输速率的计算由香农公式给出。R=Blog2(1+S/N)R：数据传输速率；B：信道带宽；S/N：信号功率与噪声功率之比，简称信噪比。在实际应用中，信噪比可以测量，其单位为分贝（dB），S/N与分贝的换算关系为：1dB=10log10S/N所以在应用香农公式时，常常是根据测得的分贝数求出信噪比，再根据香农公式计算数据传输速率。计算机网络技术与应用7．误码率误码率用于衡量信道出错率，定义为：Pe=Ne/NPe：代表误码率；Ne：代表传输过程中出现错误的比特数；N：代表传输总的比特数。2.3数据编码技术2.3.1