Internet 应用基础

Internet应用基础 第一章计算机网络基础数据通信基础

内容提要 • 1.6.1 数据和信号 • 1.6.2 数据通信的概念 • 1.6.3 传输介质 • 1.6.4 数据通信系统的主要指标 • 1.6.5 数据传输 • 1.6.6 数据交换 • 1.7 网络互联

1.6.1 数据和信号 • 三个概念 • 信息：信息是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像和动画等。 • 数据：数据是把事物的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。例如十进制数、二进制数、字符、图像等。 • 信号：信号是数据的具体物理表现，具有确定的物理描述。例如电压、磁场强度等。 • 模拟和数字 • 数据和信号可以是模拟的也可以是数字的。 • 模拟信号是在一定的数值范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号，如声音信号。 • 数字信号是一种离散的脉冲序列，它取几个不连续的物理状态来代表数字，最简单的离散数字是二进制数字0和1 。 • 利用数字信号传输的数据，在受到一定限度内的干扰后是可以恢复的。

1.6.2 数据通信的概念 • 数据通信的三要素 • 信源：信息产生和出现的发源地，既可以是人，也可以是计算机等设备 • 通信信道：信息传输过程中承载信息的传输媒体 • 信宿：接收信息的目的地。 • 在数据通信中，计算机（或终端）设备起着信源和信宿的作用，通信线路和必要的通信转接设备构成了通信信道。

信息信源变换器信息信道干扰源反变换器信宿数据通信系统的组成 • 通信系统是实现通信过程的系统。其基本组成包括信源、信宿、变换器和反变换器、信道以及噪声源。 • 信源：信息的发出者，即通信过程中产生和发送信息的设备或计算机，它把各种可能的信息（如语言、文字、图形和图像等）转换成原始电信号。 • 信宿：信号的接收者，即通信过程中接收和处理信息的设备或计算机，它将接收到的信号转换成信息。 • 信道：信道是信息传输的通道，即信源和信宿之间的通信线路。 • 噪声：信号在传输过程中受到的干扰。噪声过大将影响被传送信号的真实性或正确性。

数据通信的基本过程 • 数据从发送端出发到数据被接收端接收的整个过程称为数据通信过程。每次通信又包含两个子过程：数据传输和通信控制。 • 数据通信基本过程一般被分为五个阶段，每个阶段包括一组功能操作。 • 第一阶段：建立通信线路，用户将要通信的对方地址告诉通信控制处理机，这相当于用户拿起电话进行拨号； • 第二阶段：若对方同意通信，建立数据传输链路，通信双方建立同步联系，是双方设备处于正确的收发状态。这相当于对方电话铃响，并拿起电话； • 第三阶段：传输数据以及必要的通信控制信号。这类似于通话双方进行对话； • 第四阶段：数据传输结束，通信双方通过控制信息确认此次通信结束。这类似于对话双方说再见； • 第五阶段：通知通信控制处理机，通信结束并切断数据连接的物理通道。这相当于对话双方挂起电话。

1.6.3 传输介质 • 任何信息传输和共享都需要有传输介质，它是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。 • 计算机网络中采用的传输介质可分为有线和无线两大类。在有线传输介质中，又因传输的信号不同分为双绞线、同轴电缆和光纤。卫星、无线电波、微波、红外通信及激光传输的信息载体都属于无线传输媒体。 • 传输介质的特性对网络的数据通信质量有很大的影响，这些特性是： • 物理特性：说明传输媒体的特征。 • 传输特性：使用模拟信号发送还是数字信号发送以及传输的速度、频率范围。 • 地理范围：网络上各节点的最大距离。 • 抗干扰性：防止噪声、电磁干扰对数据传输影响的能力。

1.6.3.1双绞线 • 3类线，5类线，超5类线 • 屏蔽、非屏蔽 • 非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair） • 屏蔽双绞线STP

双绞线布线标准

1.6.3.2同轴电缆 • 粗缆：用于传送基带数字信号. • 细缆：也用于传送基带数字信号。最大传输距离不及粗缆，但因比粗缆便宜而被广泛使用。 • TV电缆：用于模拟传输系统，是CATV中的标准传输电缆。其采用的是频分复用的宽带信号。

同轴电缆 收发器计算机收发器电缆网络接口板或网卡

分接头 收发器收发器电缆同轴电缆

细缆 1 工作站 2 3 工作站工作站

重量轻、体积小; 节省有色金属，抗腐蚀能力强 ; 1.6.3.3 光纤传输频带宽，通信容量大; 损耗低，中继距离长; 抗干扰能力强; 保密性好;

特性 • 单模光纤和多模光纤 • 波长 • 850nm：衰减（attenuation)大，传输速率和距离受限制，但价格便宜； • 1310nm：衰减小，无色散（dispersion）补偿、功率放大情况下，最大传40km（最坏情况）； • 1550nm：衰减小，无色散补偿、功率放大情况下，最大传80km（最坏情况）

Caption: Optical fiber and connectors; the small black covers protect the end of the connector when the connector is not in use.

1.6.3.4无界介质 • 无线电 • 微波 • 红外线 • 光波

微波 • 频率为0.3-300 GHz的电磁波 • 长途、大容量通信的无线传输手段

微波通信的特点 • 微波频段：分米波、厘米波和毫米波 • 多路复用 • 接力：因微波频段的电磁波在视距范围内是沿直线传播的，通信距离一般为40-50km

终端站 终端站中继站中继站微波中继系统

中频中频天线自市内通信线路发射机发射机发射机复用设备调制器接收机 ┊ 双工器双工器发射设备双工器调制器发射机发射机发射机接收机复用设备 ┊ 至市内通信线路接收设备 (a）终端站 (b）中继站微波通信系统的构成

卫星通信 • 覆盖面积很大，可以进行多址通信 • 通信频带较宽、传输容量较大 • 信道特性稳定 • 电路使用费用与通信距离无关 • 地球站需要有大功率发射机、低噪声接收机和高增益天线 • 信号传输的时间延迟较大

卫星 35860 km 41756km 赤道赤道地球 N 12752 km 11070 km/h 速率卫星通信系统

CERNET Satellite Network • Satellite network • Sino-sat • 22 earth stations

几种传输介质的比较 下表列出了计算机通信中几种传输介质的比较。我们在选择通信介质的时候，一定要从性能、价格和使用场合等各个角度综合考虑，一般来说，影响传输介质选择的因素包括： • 拓扑结构：(如星形结构不适合选用同轴电缆，可选择双绞线方等方式) • 容量：介质提供的传输速率应能够满足要求 • 可靠性(差错率)：在可能的情况下，尽量选择可靠性高的介质 • 应用环境：包括传输距离、环境恶劣程度、信号强度等等常用传输介质比较非屏蔽双绞线基带同轴电缆光纤卫星分类 3类 5类粗缆细缆单模多模同步低轨传输速率 3类UTP最大16Mbps 因种类、距离不同，几千Mbps 根据租用费用变化较大 5类UTP最大155Mbps变化较大(但总要高于UTP) 地理范围 100米左右细缆小于800米几公里到几十公里很大粗缆小于2500米差错率一般(10~10)中等(10~10)最低(10)高成本低中较高高

1.6.4 数据通信系统的主要指标 • 传输速率 • 单位时间内传送的信息单元的数量。信号速率bit/s，调制速率baud/s。二者不同，但可互换。 • 出错率 • 误码率=接收出现差错的比特数/传输全部的比特数 • 可靠性 • （正常工作时间/总工作时间）*100%，或平均无故障时间 • 适应性 • 对外界环境变化的适应能力 • 可维护性 • 维护方便程度 • 标准化程度 • 衡量设计水准，共享，开放 • 经济性 • 性能价格比 • 通信建立时效 • 同步性能的指标

1.6.5 数据传输 • 数据通信系统的基本任务就是完成数据的传输。 • 在计算机内部各部件之间、计算机与各种外部设备之间及计算机与计算机之间都是以通信的方式传递交换数据信息的，并在双方间实现同步。 • 通信有两种基本方式，即串行传输方式和并行传输方式。通常情况下，并行方式用于近距离通信，串行方式用于距离较远的通信。在计算机网络中，串行通信方式更具有普遍意义。

1.6.5.1 串行传输和并行传输 • 并行传输方式 • 是将组成字符的各个位（如8位、16位等）同时传输，每一个数位都有自己的数据传输线。并行的数据传送线也叫总线，如并行传送32为数据就叫32位总线，并行传送64位数据就叫64位总线。并行传输速度高，一次可传输一个或几个字符，但通信成本较高，一般适用于计算机内部或计算机与外围设备间的短距离数据传输。

串行传输 • 是将组成字符的各个位串行地发往通信线路。 • 串行数据传输时，现有具有8位总线的计算机内部的发送设备，将8位并行数据经并——串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方式用。 • 与并行传输相比，串行传输的速度要慢得多，但是通信成本也较低，仅需要一个通信信道。串行传输适用于远距离通信，目前计算机网络中普遍采用串行传输方式。

串行通信的方向性结构 • 数据通信按信号在串行传输线路上的传输方向，可分为： • 单工通信 • 半双工通信 • 全双工通信。数据通信模式 a）单工 b)半双工 c)全双工

1.6.5.2基带传输和频带传输 • 数据按照在通信信道上是否经过了调制变形处理再进行传输，数据传输可分为基带传输和频带传输。 • 基带传输：计算机和终端接收或发送的信号是数字信号，把这个数字信号直接在通信信道上传输就是基带传输。基带传输一般用于短距离的数据传输，如在局域网中用基带同轴电缆作传输介质的数据传输。 • 频带传输：频带传输是指将数字信号变换成一定频率范围内的模拟信号，在某一频带内传送的方式。如采用“多路复用技术”可将多路信号通过调制技术调制到各自不同的载波频率上，在各自的频段范围内进行传输，从而实现在一个信道中同时传播声音、图像和数据多种信息，使系统具有多种用途。

1.6.5.3同步传输和异步传输 • 根据通信过程中收、发双方在时间上的同步方式，数据传输可分为同步传输和异步传输。 • 通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步，一方面数据位之间要保持同步，另一方面由数据位组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步。

1）异步传输 • 数据通信的基本要求是：接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间，满足这一要求的最早和最简单的方法就是采用异步传输。 • 所谓异步传输，即指发送者和接收者之间不需要合作。也就是说，发送者可以在任何时候发送数据，只要被发送的数据已经是可以发送的状态的话。对于接收者来说，只要数据到达，就可以接受数据。 • 用这种方法，一次传输一个字符（5-8位组成）的数据。每个字符用一个起始位和一个结束位来表示数据的开始和结束。起始位的编码为0，结束位的值为1。如果没有发送的数据，那么发送方就发送连续的停止位。接收方根据1到0的跳变来识别一个新字符的开始。 • 异步传输比较适合于像键盘等那些并不是经常有大量数据传送的设备。

2）同步传输 • 同步传输则要求发送和接收数据的双方进行合作，按照一定的速度向前推进。也就是说，发送者只有得到接收者送来的允许发送的同步信号之后才能发送数据，而接收者也必须收到发送者所指示的数据发送完毕、允许接受的信号之后才能接收。 • 在同步传输情况下，数据是以数据块的形式传输的，为使接收方明确数据块的开始和结束，还必须在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和帧尾作为标识。

1.6.5.4数据传输中的差错控制 • 在数据通信中，利用抗干扰编码进行差错控制的方法有两种：一种是接收端发现错误后通过反馈信息要求发送端重发那一部分错误的信息，从而达到纠错的目的；另一种是接收端发现错误后能自动纠正错误。 • 数据传输的差错控制能力主要依赖于编码的纠错能力。纠错码一般包括信息字段和校验纠错字段两部分。常用的纠错码有奇偶校验、海明校验、循环冗余校验码等。

1.6.6数据交换 • 通信网络的中间节点起着数据交换的功能，将数据从一个节点传到另一个节点，直至目的地。整个数据传输的过程称为数据交换过程。设备A、B、C、D、E、F、G、H之间的数据交换均可通过交换网络实现

交换技术 在电话交换系统里有各种大小交换局，如北京有六个大的交换局，每个交换局又下属若干个小交换局或端局，中关村的6255局就是六大交换局之一，而北大的6275局是6255局的下属局，用户电话就是经过各个交换局到达目的地的。数据传输系统正是这样一种组织结构，在数据传输系统里除了本地回路和干线之外，最重要的就是交换设备。交换机是指通信网络的一些中间结点。通信的发起者到接收者之间很少是直接相连的，常常是通过若干个中间结点将数据一步一步地发送到目的站点。这些中间结点并不关心数据的内容，它们关心的是数据的组织形式和信息的处理方法。通信系统中，交换机所采用的交换技术按照其交换形式可以分为以下四种： • 线路交换(Circuit Switching) • 报文交换(Message Switching) • 数据包交换(Packet Switching) • 虚电路交换(Virtual Circuit Switching) 下面一一介绍各种交换技术。

1、线路交换 线路交换（Circuit Exchanging）方式与电话交换方式的工作过程很类似。在线路交换中，两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接，如图所示线路交换的工作原理线路交换方式中建立的物理连接

线路交换 • 利用线路交换进行通信需以下三个阶段 • 1) 线路建立：在数据传送之前，必须先建立一条利用中间节点构成的端到端的专用物理连接线路。 • 2) 数据传输：两端点沿着已建立好的线路传输数据。 • 3) 线路拆除：数据传送结束后，应拆除该物理连接，以释放该连接所占用的专用资源。 • 线路交换的特点 • 1) 优点：线路建立后，所有数据直接传输。因此数据传输可靠、迅速、有序（按原来的次序）。 • 2) 缺点：线路接通后即为专用信道，因此线路利用率低。例如，线路空闲时，信道容量被浪费。线路建立时间较长，造成有效时间的浪费。例如，只有少量数据要传送时，也要花不少时间用于建立和拆除电路。 • 3) 结论：线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求较强的场合（如会话式通信），不适合突发性通信。

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