计算机网络通信基础

1. 计算机网络通信基础

2. 数据、信号、信道和异步通信 l．数据 数据是有意义的实体，是描述事物的形式，例如数字、文字、声音和图像等。数据可分为模拟数据和数字数据两类。模拟数据是指在某个区间连续变化的量，例如声音的大小和温度的高低等。数字数据是指离散（不连续）的量，例如文本信息和自动生产线上零件个数的计数值等。 2．信号 信号是数据的电磁编码或电子编码。在通信系统中，信号可分为模拟信号和数字信号。其中，模拟信号指随时间连续变化的电信号，例如电话线上传送的按照语音强弱幅度连续变化的电信号；数字信号指离散变化的电信号，例如计算机产生的用于表达“0”和“l”的电压脉冲。

3. 数据、信号、信道和异步通信 3．信道 信道一般是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。一条信道可以看成是一条电路的逻辑部件。 从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三个基本方式： （1）单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。 （2）双向交替通信 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送（也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。 （ 3）双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。

4. 数据、信号、信道和异步通信 信道上传送的信号 基带（baseband）信号: 将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输 宽带（broadband）信号:是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 4．异步通信 若发送方与接收方之间在发送数据前无须协调（同步），则这种通信称为异步的（asynchronous）。 异步通信中接收硬件必须具备接收并解释发送硬件本身产生的信号的能力。

5. 数据、信号、信道和异步通信 为理解电流如何编码位串，可假设在一根连接两台电子设备的导线上，用负电压来表示1，用正电压来表示0。例如，为发送一位0，发送设备在导线上放置一个正电压并保持一小段时间，然后返回0伏。下图显示了导线上的电压在发送设备发送位串时如何随时间变化。 这样的图叫做波形图（waveform diagram），这样一张图形象地说明了电信号如何随时间发生变化。

6. 数据、信号、信道和异步通信 通信标准:RS-232 RS-232是由电子工业协会（EIA）提出的在计算机与调制解调器或ASCII终端之间实现短距离异步串行通信的一个流行标准。允许发送方在任何时刻发送一个字符，并可在发送另一个字符前延迟任意长的时间。由于接收器并不能对线路的空闲状态和一位真正的1做出区分，RS-232标准要求发送器在传输字符的各位之前先传输一位额外的0，这一附加位就是我们所说的起始位RS-232在每个字符前用一位起始位做前导，在每个字符后跟随至少一位长的空闲时间（终止位），并且传输每一位都使用相同的时间。 -15V表示1，+15V表示0。

7. 数据、信号、信道和异步通信 波特率和帧对齐差错 波特率（baud rate）：传输硬件的工作速率，也就是每秒中硬件产生的电信号变化的次数，就等于每秒中传输的位数。波特率既能手工设置，也能由程序自动设置 帧对齐差错（framing error）：电压彼此不一致，或停止位并不在期待的时刻出现，接收器将报告出错。 全双工异步通信 在两个方向上的同时传输就是我们所说的全双工传输（full duplex transmission），而单向传输则被称为半双工传输或单工传输（half duplex transmission或simplex transmission）。

8. 数据、信号、信道和异步通信 上图接地线直接从一个设备的接地端连向另一设备的接地端。但是，另两根导线相互交叉：一台设备的数据发送端连到另一台设备的接收端。 为使连线更简单，设计者决定计算机与调制解调器在标准的25针连接器上采用相反的引脚，即计算机用引脚2发送，引脚3接收；而调制解调器用引脚3发送，引脚2接收（接地线用引脚7）。

9. 调制、解调与远距离数据传输 一个连续振荡信号能比其他信号传播到更远的地方。这一结果形成了绝大多数远距离通信系统的基础。与仅传输数据位变化而变化的电流不同，远距离通信发送连续的振荡信号，通常为正弦波，称为载波（Carrier）。下图给出了其波形。

10. 调制、解调与远距离数据传输 调制（modulation）： 为发送数据，发送器略微修改其载波 网络技术使用多种调制技术，包括调幅（amplitude modulation）与调频（frequency modulation），也就是AM与FM电台所使用的技术。

11. 调制、解调与远距离数据传输 1．几种最基本的调制方法 如图所示： （1）调幅（AM）。即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。 （2）调频（FM）。即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。 （3）调相（PM）。即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如， 0对应于相位 0度，而1对应于相位180度。

12. 调制、解调与远距离数据传输 2．用于调制和解调的调制解调器硬件 接收一串数据位，并根据这些位串调制载波的硬件线路称为调制器（modulator）； 而接收载波，并重建调制在载波上的数据的各二进制位的硬件线路称为解调器（demodulator）。 因此，长距离数据传输要求在线路的一端有一个调制器，另一端有一个解调器。

13. 调制、解调与远距离数据传输 3．载波频率和多路复用 计算机网络应用分离频道的原理可以使多个通信共享单根物理连线。每一发送器用一个给定频率的载波传输数据，每一接收器被设置成只接收给定频率的载波，且不受其他频率的干扰。所有载波可在同一时间通过同一导线而互不干扰。 频分多路复用（frequency division multiplexing，FDM）是用多个载波频率在一个介质中同时传输多个独立信号的计算机网络术语。FDM技术可用于在导线、RF或光纤上传输信号。下图说明了这一概念并显示了FDM所需的硬件。

14. 调制、解调与远距离数据传输

15. 调制、解调与远距离数据传输 4．波分多路复用 用于无线电传输的频分多路复用技术同样可以应用于光传输系统。从技术上来说，光的FDM称为波分多路复用（wave division multiplexing）。因为可见光的频率在人们看来就是不同的颜色，工程师们有时也使用非正式的说法：色分多路复用（color division multiplexing），并将载波戏称为“红”，“橙”，“蓝”等。 波分多路复用将多种光波通过同一根光纤发送。在接收端，用一块玻璃棱镜来分开不同频率的光波。和一般的FDM类似，因为特定频率的光不会干扰另一频率的光，所以不同频率的载波可以合并在同一介质中传输。

16. 调制、解调与远距离数据传输 5．时分多路复用 和FDM不同的另一种复用形式是时分多路复用（time division multiplexing，TDM）。在这种方式中各个发送源轮流使用共享的通信介质。例如，某些TDM硬件使用循环（round-robin）方案共享介质，多路复用器从源1发送一小批数据，然后从源2发送一小批数据，如此循环。这一方法给每个数据源以同等的机会使用共享的介质。实际上，绝大多数计算机网络使用某种形式的TDM。

17. 数据交换技术 要通过有中间节点的网络来把数据从源地发送到目的地，以此实现通信。这些中间节点并不关心数据内容，其目的是提供一个交换设备，用这个交换设备把数据从一个节点传到另一个节点直至到达目的地，下图表示了这种情况。通常将希望通信的一批设备称为站，而将提供通信的一批设备称为节点。这些节点以某种方式用传输链路相互连接起来，每个站都连接到一个节点上去。节点集称为通信网络，如果所连接的设备是计算机和终端的话，那么节点集加上一些站称为计算机网络。

18. 数据交换技术 通常使用三种交换技术：线(电)路交换，报文交换和分组交换。 • 线路交换 使用线路交换（circuit switching）的方式，就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路，最典型的线路交换的例子是电话系统。 通过线路交换进行通信指的是：在两个站之间有一个实际的物理连接，这种连接是节点之间线路的连接序列。在每条线路上，通道专门用于连接。线路交换方式的通信包括三种状态，这三种状态可利用上图加以解释。

19. 数据交换技术 1．线路建立 在传输任何数据之前，都必须建立端到端（站到站）的线路。 例如，A站发送一个请求到节点4，请求与B站建立一个连接。典型的做法是，A站先向与之相连的节点1提出请求，节点1必须在通向节点4的路径中找到下一个支路。根据路径选择信息，节点1选择节点2的线路，在此线路上分配一个未用的通道（使用时分多路复用TDM或频分多路复用FDM），并且并告诉节点2发送一个报文请求连接到4节点，至此，已经建立了一条从A站经过节点2到节点4的专用通路124。因为可能有许多站点连接到节点4，当线路发生拥塞，则可能另建立一条经过节点3的线路134或经过节点6、7、5的线路16754。在完成这些连接的过程中，要通过测试来测定，若都不行则不能传输数据。

20. 数据交换技术 2．数据传送 现在，可以通过网络把信号从A站传送到B站，所传输的数据可以是数字的（例如从终端传输到计算机），也可以是模拟的（例如声音），信号发送和传输可以分别是数字的或者是模拟的。总之，经济的路径是：从A站到节点4的线路，经过节点1，节点2到节点4形成通道，到B站。一般来说，这种连接是全双工的，可以在两个方向传输数据。 3．线路拆除 在某个数据传送周期结束以后，就要结束连接，通常由两个站中的一个来完成这个动作。必须把信号传播到节点1、2和4，以便释放专用资源。 因为在数据传输开始以前必须建立连接通路，因此通路中的每对节点之间的通道容量必须是可用的，而且每个节点必须有内部交换能力来处理连接，交换节点必须有智能以进行分配和求出通过网络的路径。

21. 数据交换技术 线路交换技术的优缺点及其特点: （1)优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。 （2)缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费：在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。 （3)特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。

22. 数据交换技术 • 报文交换 另一个完全不同的在网络上通信的方法是报文交换（message switching）。 在报文交换中，不需要在两个站之间建立一条专用通路。相反，如果一个站想要发送一个报文（信息的一个逻辑单位），它把一个目的地址附加在报文上，然后把报文从节点到节点依次通过网络。每个节点先接收整个报文，暂存这个报文，然后发送到下一个节点。在线路交换的网络中，每个节点是一个电子的或者是机电结合的交换设备，这种设备发送二进制位同接收二进制位一样快。报文交换节点通常是一台通用的小型计算机，它具有足够的存储容量来缓冲进入的报文。一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文的所有位所需的时间加上等待时机重传到下一个节点所需的排队延迟时间。

23. 数据交换技术 报文交换的特点 （1)报文从源点传送到目的地采用"存储--转发"方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。　　 （2)在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。 报文交换的优点 （1)电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。　　 （2)在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。　　 （3)报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。　　 （4)报文交换网络可以进行速度和代码的转换。

24. 数据交换技术 报文交换的缺点 （1)不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。　　 （2)有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。

25. 数据交换技术 • 分组交换 分组交换（packet switching）试图结合报文交换和线路交换的优点，而使缺点最少。分组交换非常像报文交换 形式上的主要差别在于：在分组交换网络中，要限制所传输的数据单位的长度，典型的最大长度是1000位到几千位。报文交换系统却适应于更大的报文。从一个站的观点来看，超过最大长度的报文必须分成较小单位，然后一次只发送一个。为了区分这两种技术，分组交换系统中的数据单位通常称为分组（packets）。 从表面来看，分组交换与报文交换相比没有什么特殊的优点。但值得注意的是，把数据单位的最大长度限制在较小的范围内，这种简单的方法会在性能上产生引人注目的效果。一个站要发送一个报文，其长度比最大分组长度还要长，则把该报文分成组并把这些分组发送到节点上。问题是网络将如何管理这些分组流呢？通常有两种方法：数据报和虚电路。

26. 数据交换技术 2 1 3 在数据报（datagram）方法中，每个分组独立地处理，就像在报文交换网络中每个报文独立地处理那样。假设A站有3个分组的报文要发送到B站，它按照1、2、3的次序发送到节点4，节点1必须对每个分组做出路径选择判定。当分组1进入时，节点 1测定到经过节点124的队列短，因此把分组1排到节点2上。分组2也是同样的。但是对于分组3，节点1发现去节点2断了，因此把分组3排到经过节点134的队列上。这样，具有同样目的地址的分组不必都遵循同样的路径，因此有可能分组3抢在分组2之前到达节点4。于是，一些分组有可能不按发送顺序到达B站，到达B站后，再想办法重新把它们按顺序排列。在这种技术中，独立处理的每个分组通常被称为“数据报”。 4

27. 3 数据交换技术 1 4 2 在虚电路（virtual circuit）方法中，在发送任何分组之前，都需要建立一条逻辑连接。假设A站有一个或多个报文要发送到B站去，那么它首先要发送一个呼叫请求分组到节点1，请求建立一条到B站的连接，节点1决定到节点2，节点2再决定到节点4，节点4最终把呼叫请求分组传送到B站，如果B站已准备接受这个连接，就发送一个呼叫接受分组到节点4。这个分组通过节点2和节点1返回到A站。现在A站和B站可以在已建立的逻辑连接上或者说在虚电路上交换数据了。每个分组除了包含数据之外还得包含一个虚电路标识符，预先建立好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路径选择判定。于是，来自A站的每一个数据分组都通过节点1、2和4到达B；来自B站的每一个数据分组都经过节点4、2和1到达A，最后，其中一个站用清除请求分组来结束这次连接。无论何时，每个站都能和任何站建立多个虚电路，也能与多个站建立虚电路。

28. 数据交换技术 虚电路技术的主要特点是：在数据传送以前建立站与站之间的一条路径。值得注意的是，这样做并不是说它像线路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行输出排队。它与数据报方法之间的差别在于：各节点不需要为每个分组作路径选择判定。 数据报方法的一个优点是避免了呼叫建立状态，如果一个站只希望发送一个或很少几个分组的话，数据报传递是较快的；数据报方法的另一个优点是，由于其较原始，因而较灵活，有关这一点的一个很好例子是利用数据报方法进行网际互连；数据报方法的第三个优点是数据报传递特别可靠，如果一个节点失效，则通过该节点的所有虚电路均丢失了，而若用数据报传递，一个节点失效，分组还能找到替代路径。

29. 差错校验 差错控制的目的和任务是发现和纠正计算机通信错误以提高信息的传输质量。主要涉及的问题一是如何检测出错误，二是发现错误后，如何进行纠正。差错监测和控制技术是在计算机通信系统中产生差错以后，一定要采取措施来监测和纠正错误，将错误控制在允许的最小范围内。 常用的简单差错控制编码 (1)奇偶校验码——最基本、最常用、最简单的检错码 (2)二维奇偶校验码 a.垂直奇偶校验（又称为纵向奇偶校验、字符奇偶校验） b.水平奇偶校验（又称为横向奇偶校验） c.水平垂直奇偶校验 (3) 循环冗余码 又称为多项式码，是一种在计算机网络和数据通信中使用得最广泛 的检错码。

30. 循环冗余码基本原理： 给定一个k比特的帧或信息，发送装置产生一个n比特校验位，称为帧校验序列FCS，使得产生的这个由k+n比特组成的码字可被某个预定的整数相除，然后接受装置将收到的码字除以同样的数，当没有余数时，则认为没有错误。 基本运算规则：模2运算，即异或运算，加法不进位，减法不借位。 差错控制方式 (1)自动请求重发方式ARQ：采用检错码；需有双向信道来传送收方的反馈信息；在发方要有数据缓冲区来存放已发出的数据；实现简单、传输效率高，是数据通信中常用的差错控制方式。 (2)前向纠错方式FEC：采用纠错码；不需要反向信道和数据缓冲区；由于纠错码使用更多的冗余位，故纠错设备比检错设备复杂。