第三章 数据通信技术(张)

通信系统概论第三章数据通信系统通信工程系第三章数据通信系统3.1数据通信概述3.2计算机网络体系结构3.3局域网3.4TCP/IP3.5Internet和广域网数据通信是以传输和交换“数据”为业务的电信通信方式。“数据”是指用数字信号代表的字母、数字、字符及符号，共128个（），故每个字母、数字、字符及符号可以编成7bit二进制码组，再加上第8位做奇偶校验，称这8bit二进制码组为“数据”。数据通信（计算机通信）网络：将计算机或终端通过电信网按某种拓扑结构连接起来，运行某种系统软件的网络。128273.1数据通信概述3.1数据通信概述3.1.1数据通信的特点（1）数据通信是人—计算机或计算机—计算机之间的通信，通信过程可能没有人的直接参与，为了保证通信的顺利进行，必须采用严格统一的传输控制规程（通信协议）。所谓“规程”就是在通信过程中计算机必须遵守的一系列“约定”。3.1.1数据通信的特点（2）数据通信的传输速率极高。（3）数据通信要求误码率≤10-7～10-9，而语音及电视业务仅要求误码率≤10-4，即数据通信可靠性要求高，因此必须采用严格的差错控制技术。（4）数据通信的突发度高。所谓“突发度”是指数据通信的峰值速率与平均速率之比。3.1数据通信概述3.1.2数据通信系统构成数据通信系统基本构成如图3-1-1所示。从图中看出，数据通信系统由数据终端设备（DTE）、数据电路终接设备（DCE）和传输信道三部分组成。3.1数据通信概述图3-1-1数据通信系统的构成3.1数据通信概述图中所示为左端的数据终端与右端的主计算机进行点对点的通信。数据输入输出设备通信控制器数据电路终接设备传输信道数据电路终接设备数据输入输出设备中央处理机接口计算机系统接口数据终端设备1.数据终端设备（DTE：DataTerminalEquipment）DTE是计算机网中用于发送和接收用户数据的设备，从简单的数据终端（甚至I/O设备）到复杂的中心计算机均可称为DTE。输入/输出设备传输控制器3.1数据通信概述2.数据电路终接设备（DCE：DataCircuit-terminatingEquipment）用来连接DTE与数据通信网络的设备称为数据电路终接设备；调制解调器、线路接续控制设备及与线路连接的其他数据传输设备称为DCE。调制解调器（Modem）：把DTE送来的数字信号变换为模拟信号再送往信道，或把信道送来的模拟信号变换为数字信号再送往DTE。DSU与CSU3.1数据通信概述如果信道是数字信道，DCE由数据服务单元（DataServiceUnit，DSU）和信道服务单元（ChannelServiceUnit，CSU）组成。DSU的功能：把面向DTE的数字信道上的数据信号变换成双极性的数字信号、包封的形成/还原、定时信号的产生与提取；CSU的功能：完成信道特性的均衡、信号整形、环路检测等。3.1数据通信概述3.数据电路：由DCE与信道一起构成。4.数据链路：数据电路加上两端的传输控制器、通信控制器构成。链路（link）是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何的交换节点。两个计算机之间的通路往往由许多链路串接而成。3.1数据通信概述3.1.3数据传输方式1.串行传输与并行传输串行传输是数字流以串行方式在一条信道上传输。优点：只需要一条信道，易于实现；缺点：存在收发双方如何实现字符同步的问题；3.1数据通信概述3.1.3数据传输方式1.串行传输与并行传输并行传输指的是数据以成组的方式在多条并行的信道上同时传输。优点：收发双方不存在字符同步的问题；缺点：必须同时有多条并行信道可供使用；3.1数据通信概述并行通信信道接收端b7b6b5b4b3b2b1b0串行通信信道（a）b7b6b5b4b3b2b1b0b7b6b5b4b3b2b1b0发送端接收端（b）发送端图3-1-2串行并行传输方式3.1数据通信概述3.1.3数据传输方式2.异步传输与同步传输数据传输时常用的同步方式有两种：异步传输方式同步传输方式3.1数据通信概述异步传输方式也称为起止式同步方式。以字符作为传输单位，为了实现字符同步，在传送一个字符序列时，在字符的开始和末尾加上两个码元，分别表示该字符的起始和停止，称为起始位和停止位。起始位长度为1个码元，极性为“0”；停止位长度为1~2个码元，极性为“1”。如图3-1-3（a）所示。3.1数据通信概述图3-1-3数据传输的同步3.1数据通信概述同步传输方式：又称独立同步方式，这种方式收发双方要保证比特同步；字符同步是通过同步字符SYN来实现的，如图3-1-3（b）所示。SYN的作用：一是当收端收到2个以上的SYN就开始与发端同步，并按每8位码组成一个字符；二是当报文发完，但尚未断开与收端的联系，用SYN维持双方的同步；多用在短距离高速数据传输中；3.1数据通信概述图3-1-3数据传输的同步3.1数据通信概述3.1.4差错控制1.差错的检测在计算机与计算机之间传输数据时，误码率要求低于≤10-7～10-9。因此，在进行数据传输时，要采取一定的方法发现差错并纠正差错，这称为“差错控制”。检错码：能发现错误的码；纠错码：能纠正错误的码。3.1数据通信概述3.1.4差错控制2.常用的冗余校验方法（1）奇偶校验在信息码元之后加上奇偶校验比特，使包含奇偶校验比特在内的所有码元的“1”的总个数为奇数或偶数，分别称为“奇校验”或“偶校验”。实现奇偶校验的方式还有水平冗余校验、垂直冗余校验、水平垂直冗余校验等多种，但基本原理相同，这里不再一一列举。3.1数据通信概述（2）循环冗余（CRC）校验循环冗余校验码简称循环码或CRC码，是一种高效能的检错和纠错码。由于检错能力强，编译码电路简单，因而在数据通信中应用甚广。目前，循环码常用作检错码。3.1数据通信概述（2）循环冗余（CRC）校验循环码的码型结构如图3-1-4所示。码组长度为n，其中k位为信息比特，n-k位为监督比特，称为（n,k）循环码。3.1数据通信概述k位信息码n-k位监督码n位图3-1-4（n,k）循环码的码型结构CRC编码原理：把每一码组表示为一个x的多项式P(x)；用预先规定的生成多项式G(x)除多项式，所得余数多项式R(x)即为监督比特码组对应的多项式。即：3.1数据通信概述式中：G(x)的最高幂次为n-k，Q(x)为商式，R(x)为余数多项式，其最高幂次为n-k-1。整个发送码组可表示为：)(xPxkn)()()()()(xGxRxQxGxPxkn)()()(xRxPxxFknCRC译码原理：接收端把收到的码组也表示为一个x的多项式F’(x)；用与发端同样的生成多项式G(x)除F’(x)，所得余数多项式R’(x)；若R’(x)=0，则传输正确；若R’(x)≠0，则传输有错误；3.1数据通信概述第三章数据通信系统3.1数据通信概述3.2计算机网络体系结构3.3局域网3.4TCP/IP3.5Internet和广域网3.2计算机网络体系结构3.2.1网络协议及网络体系结构1.网络协议计算机网是由多种计算机和各类终端设备通过通信线路连接起来的复合系统，由于计算机型号不同，终端类型各异，加之线路类型（固定线路或交换线路）、连接方式（点对点或多点）、同步方式（同步或异步）、通信方式（单工、半双工、全双工）的不同，给通信带来极大不便。3.2计算机网络体系结构3.2.1网络协议及网络体系结构1.网络协议为了解决这一问题，应实施一套国际或国家标准，力争做到统一硬件接口、统一信息编码制度、统一报文格式、统一传输命令、统一差错控制、统一通信过程等等，于是产生了通信（或网络）协议。网络协议（NetworkProtocol）：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，简称协议。执行协议代表着通信的标准化。2.网络体系结构（NetworkArchitecture）举例：连接在网络上的两台计算机相互传送文件？①这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路；②发起通信的计算机必须将数据通信的通路激活；③要告诉网络如何识别接收数据的计算机；④发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已开机，并且与网络连接正常；⑤发起通信的计算机中的应用程序必须清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好文件接收和存储文件的准备工作；⑥若计算机文件格式不兼容，则至少其中的一个计算机应完成格式转换功能；⑦对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够接收到正确的文件。3.2计算机网络体系结构由此可见，相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。为了设计复杂的计算机网络，提出了“分层”的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而局部问题较容易研究和处理。3.2计算机网络体系结构2.网络体系结构（NetworkArchitecture）计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。换种说法，计算机网络体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。1977年国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连（OSI）参考模型，如图3-2-1所示。所谓“开放”，是指任意两个系统，只要遵照此参考模型和相关标准就可以相互连接；3.2计算机网络体系结构3.2计算机网络体系结构通信媒介系统A系统B层次名称应用层表示层会话层运输层网络层物理层数据链路层互换信息单元报文报文报文报文分组比特帧中继节点图3-2-1OSI参考模型为简化设计，OSI将网络应完成的通信任务进行分解，分为七个功能层，自下而上为:物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。以上七层按照功能特点又分为：低层功能和高层功能。低层功能包括1~3层的全部功能，又称为通信子网，其作用是保证系统之间跨过网络的可靠信息传送。高层功能包括5~7层的功能，是在低层协议提供的端到端连接的基础上生成用户服务和一些附加功能。第4层是低层和高层之间的过渡层，它屏蔽了通信子网的差异，向用户提供恒定的通信界面。3.2计算机网络体系结构这种分层结构的特点是：①各层相对独立，每一层完成自身定义的功能，可以单独地开发、修改本层功能，而不影响其他层。②第n层完成自身定义的功能时，只利用（n-1）层所完成的功能（而不关心这些功能是怎样完成的）。③不同系统的同层实体间使用该层协议进行通信，只有最低层才发生直接数据传送，且最低层只提供服务。3.2计算机网络体系结构④除最低层外，其他层实体间没有直接物理连接不能直接交换信息，必须利用下一层实现的协议所提供的更为基本的服务来实现本层通信。⑤两种不同的协议可能对应同一层，但它们之间不能协同工作，只有执行相同协议的实体才能通信。⑥在需要不同的通信服务时，可在一层内设置两个或更多的子层。3.2计算机网络体系结构实体（n+1）实体（n+1）实体（n）实体（n）协议（n）服务用户服务提供者SAPSAP交换服务原语交换服务原语协议（n+1）第n层第n+1层图相邻两层之间的关系3.几个概念3.2计算机网络体系结构实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程；协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合；在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。即要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。“协议”是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则；“服务”是垂直的，服务是由下层向上层通过层间接口提供的；服务访问点（SAP）：在同一系统中相邻两层的实体进行交互（交换信息）的地方。服务原语：位于SAP，上下层交换的命令。3.2计算机网络体系结构4.数据在各层之间的传递过程用户位于应用层（高层）上方，应用层直接为用户提供服务。发送端用户信息自上向下传送，传送过程中执行各层协议，于是在数据前面加上了执行协议的控制“头”，称为“打包”。在数据链路层，数据不仅加“头”，而且加“尾”，如图3-2-2所示。3.2计算机网络体系结构图3-2-2分层协议中数据传输示意图4.数据在各层之间的传递