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3.4 TCP/IP3.5 Internet和广域网数据的定义：通信的目的是为了传递信息（Information）。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像，常称它们为数据（Data）。信息：是抽象的消息，一般用数据来表示。 数据通信系统：是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。3.1 数据通信概述3.1 数据通信概述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”。数据通信系统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1.1.数据终端设备（数据终端设备（DTEDTE：Data Terminal EquipmentData Terminal Equipment）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/输出设备通信控制器3.1 数据通信概述2.数据电路终接设备（DCE：Data Circuit-terminating Equipment）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（Data Service Unit，DSU）和信道服务单元（Channel Service Unit，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。数据链路包括物理链路和实现链路协议的软件与硬件。只有建立了数据链路，双方DTE才可进行数据传输。数据链路仅操作于两个相邻节点之间，从一个DTE到另一个DTE之间的连接可以包括多段数据链路。3.1 数据通信概述3.1.3.1.3 3 数据传输方式数据传输方式1.1. 串行传输与并行传输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3.1.3.1.3 3 数据传输方式数据传输方式1.1. 串行传输与并行传输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 数据通信概述图3-1-2 串行并行传输方式 3.1 数据通信概述3.1.3.1.3 3 数据传输方式数据传输方式2.2.异步传输与同步传输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12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1.1.差错的检测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10-710-9。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3.4 TCP/IP3.5 Internet和广域网3.2 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构3.2.1 3.2.1 网络协议及网络体系结构网络协议及网络体系结构1.1.网络协议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 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构3.2.1 3.2.1 网络协议及网络体系结构网络协议及网络体系结构1.1.网络协议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（Network Protocol）：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。 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 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构2.网络体系结构（Network Architecture）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 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构3.2 3.2 计算机网络体系结构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3-2-1 OSI参考模型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13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57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 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构这种分层结构的特点是： 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。 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）。 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 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构 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。 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。 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 3.2 计算机网络体系结构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层下图 相邻两层之间的关系 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。 “协议”是水平的，而“服务”是垂直的。 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。图3-2-2 分层协议中数据传输示意图3.2.2 3.2.2 物理层（物理层（Phusical LayerPhusical Layer）物理层是OSI体系结构中最低的一层，其任务是为上一层（即数据链路层）提供一个物理连接，以便透明地传输比特流。“透明”表示经过实际电路传送后的比特流没有发生变化。注：传递信息的具体物理设备或传输媒质，例如光纤、同轴电缆、无线电波等，不在物理层之内，而在物理层以下。由于传输媒质种类繁多，通信手段各不相同，物理层的作用是屏蔽这些差异，使数据链路层感觉不到这些差异的存在。3.2 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构3.2.3 数据链路层（Data Link Layer）数据链路层的功能：通过物理层提供的比特流服务，在相邻节点间建立链路，对传输中的差错进行检错和纠错，向网络层提供无差错的透明服务。该层需完成：帧的封装与解封，差错控制，流量控制，链路管理，区分数据和控制信息，寻址等功能。数据链路层的链路分为点对点链路和点对多点链路。3.2 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构3.2.4 网络层1.网络层的功能数据链路层协议只能解决相邻节点间的数据传输问题，不能解决两个主机之间的数据传输问题，因为两个主机之间的通信通常包括多段链路，涉及到路由选择、流量控制等问题。在数链层提供服务的基础上，网络层解决多段链路的数据传送问题，完成从源端向目地端有效、可靠的传送信息。当信息传送需经过两个或多个网络时，网络层还解决网络互联问题。3.2 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构网络层的功能包括： 为传输层提供建立、维持和拆除网络连接的手段； 完成选定交换方式、路由选择、流量控制、顺序控制、差错控制、阻塞与非正常情况处理等； 当信息在不同网络之间传输时，完成不同网络层之间的协议转换； 根据传输层要求选择网络服务质量； 向传输层提供虚电路服务或数据报服务。3.2 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构西安西安邮电邮电学学院通信工程系院通信工程系数据报方式l无连接 l分组中的全局目的 地址决定下一跳路由 l对话期间路由可变 l分组到达目的终端 需重整顺序西安西安邮电邮电学学院通信工程系院通信工程系虚电路方式l面向连接,但不沿 路由预留资源 l每分组携带定长标 签,由定长标签决定 下一跳 l呼叫建立时确定固 定的路由,对话期间 不可变. l交换机必须维持每 一个呼叫的状态3.2.5 3.2.5 传输层传输层3.2 3.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构屏蔽差异：屏蔽掉各类通信子网的差异，向用户提供一个能满足其要求的服务，且具有一个不变的通信接口，使用户只需了解该接口，便可方便地在任何网络上使用网络资源进行通信； 提供端到端的通信； 运输层可以提高端到端的服务质量：包括吞吐量、传输时延、残留误码率、优先级和可靠性等。 运输层可以增加服务功能：即通过复用、分段与组装、组块与分块方法增加服务功能。运输层为相互通信的应用进程提供了 逻辑通信 54321