1,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1數(shù)據(jù)通信技術基礎,2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念,1總線的基本術語（1）總線與總線段從廣義來說，總線就是傳輸信號或信息的公共路徑，是遵循同一技術規(guī)范的連接與操作方式。一組設備通過總線連在一起稱為“總線段”（BusSegment）。可以通過總線段相互連接，把多個總線段連接成一個網(wǎng)絡系統(tǒng)。（2）總線主設備可在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O備叫做“總線主設備”（BusMaster）。也就是說，主設備具備在總線上主動發(fā)起通信的能力，又稱命令者。,2,第2章控制網(wǎng)絡技術,（3）總線從設備不能在總線上主動發(fā)起通信，只能掛接在總線上，對總線信息進行接收查詢的設備稱為總線從設備（BusSlaver），也稱基本設備。,2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念,（4）控制信號總線上的控制信號通常有三種類型。一類控制連在總線上的設備，讓它進行所規(guī)定的操作，如設備清零、初始化、啟動和停止等。另一類是用于改變總線操作的方式，如改變數(shù)據(jù)流的方向，選擇數(shù)據(jù)字段的寬度和字節(jié)等。還有一些控制信號表明地址和數(shù)據(jù)的含義，如對于地址，可用于指定某一地址空間，或表示出現(xiàn)了廣播操作；對于數(shù)據(jù)，可用于指定它能否轉(zhuǎn)譯成輔助地址或命令。,3,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念,（5）總線協(xié)議管理主、從設備使用總線的一套規(guī)則稱為“總線協(xié)議”（BusProtocol）。這是一套事先規(guī)定的、必須共同遵守的規(guī)約。,2總線操作的基本內(nèi)容（1）總線操作總線上命令者與響應者之間的“連結數(shù)據(jù)傳送脫開”這一操作序列稱為一次總線“交易”（Transaction），或者叫做一次總線操作。（2）總線傳送一旦某一命令者與一個或多個響應者連接上以后，就可以開始數(shù)據(jù)的讀寫操作規(guī)程。,4,第2章控制網(wǎng)絡技術,（3）通信請求通信請求是由總線上某一設備向另一設備發(fā)出的請求信號，要求后者給予注意并進行某種服務。它們有可能要求傳送數(shù)據(jù)，也有可能要求完成某種動作。,2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念,（4）尋址尋址過程是命令者與一個或多個從設備建立起聯(lián)系的一種總線操作。（5）總線仲裁總線在傳送信息的操作過程中有可能會發(fā)生“沖突”（Contention）。為解決這種沖突，就需進行總線占有權的“仲裁”（Arbitration）?？偩€仲裁是用于裁決哪一個主設備是下一個占有總線的設備。,5,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念,（6）總線定時總線操作用“定時”（Timing）信號進行同步。定時信號用于指明總線上的數(shù)據(jù)和地址在什么時刻是有效的。（7）出錯檢測在總線上傳送信息時會因噪聲和串擾而出錯，因此在高性能的總線中一般設有出錯碼產(chǎn)生和校驗機構，以實現(xiàn)傳送過程的出錯檢測。（8）容錯,6,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.2通信系統(tǒng)的結構,通信系統(tǒng)是傳遞信息所需的一切技術設備的總和。它一般由信息源和信息接收者，發(fā)送設備，接收設備，傳輸介質(zhì)幾部分組成。單向數(shù)字通信系統(tǒng)的結構如圖2-1所示。,圖2-1數(shù)字通信系統(tǒng)的結構,7,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信任務是傳送數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)化的信息。這些數(shù)據(jù)通常以離散的二進制0，1序列的方式表示。碼元是所傳輸數(shù)據(jù)的基本單位。在計算機網(wǎng)絡通信中所傳輸?shù)拇蠖酁槎a，它的每一位只能在1或0兩個狀態(tài)中取一個，這每一位就是一個碼元。數(shù)據(jù)編碼是指通信系統(tǒng)中以何種物理信號的形式來表達數(shù)據(jù)。分別用模擬信號的不同幅度、不同頻率、不同相位來表達數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)的，稱為模擬數(shù)據(jù)編碼。用高低電平的矩形脈沖信號來表達數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)的，稱為數(shù)字數(shù)據(jù)編碼。,8,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,采用數(shù)字數(shù)據(jù)編碼，在基本不改變數(shù)據(jù)信號頻率的情況下，直接傳輸數(shù)據(jù)信號的傳輸方式，稱為基帶傳輸?；鶐鬏斂梢赃_到較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，是目前廣泛應用的數(shù)據(jù)通信方式。,1模擬數(shù)據(jù)編碼模擬數(shù)據(jù)編碼采用模擬信號來表達數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)。幅度、頻率、相位是描述模擬信號的參數(shù)，可以通過改變這三個參數(shù)，實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)編碼。幅度鍵控ASK（Amplitude-ShiftKeying）、頻移鍵控FSK（Frequency-ShiftKeying）、相移鍵控PSK（Phase-ShiftKeying）是模擬數(shù)據(jù)編碼的三種編碼方法。,9,第2章控制網(wǎng)絡技術,公用電話通信信道是典型的模擬通信信道，它是專為傳輸語音信號設計的，只適用于傳輸音頻（3003400Hz）的模擬信號，無法直接傳輸數(shù)字信號，但可以通過調(diào)制和解調(diào)（頻帶傳輸）傳送數(shù)字信號，模擬信道的數(shù)據(jù)傳輸結構如圖2-2所示。,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,圖2-2模擬信道的數(shù)據(jù)傳輸結構,10,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,在傳輸中，通常采用信道允許的頻帶范圍內(nèi)某一頻率的正（余）弦信號作為載波，調(diào)制時根據(jù)數(shù)據(jù)的不同改變信號的特征。如載波信號為：,其信號特征包括振幅、頻率和相角。如果分別采用這三個特征的不同作為不同數(shù)據(jù)的模擬編碼依據(jù)，就出現(xiàn)了三種最常見的模擬編碼方法如圖2-3所示。,11,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,圖2-3模擬數(shù)據(jù)編碼,12,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,2單極性碼信號電平是單極性的，如邏輯1用高電平，邏輯0用零電平的信號表達方式，如圖2-4和圖2-5所示。,圖2-4單極性非歸零碼,圖2-5單極性歸零碼,13,第2章控制網(wǎng)絡技術,3雙極性碼信號電平為正、負兩種極性的。如邏輯1用正電平，邏輯0用負電平的信號表達方式，如圖2-6和圖2-7所示。,圖2-6雙極性非歸零碼,圖2-7雙極性歸零碼,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,14,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,4歸零碼（RZ）在每一位二進制信息傳輸之后均返回到零電平的編碼。例如，其邏輯1只在該碼元時間中的某段（如碼元時間的一半）維持高電平后就回復到低電平，如圖2-5和圖2-7所示。,5非歸零碼（NRZ）在整個碼元時間內(nèi)維持有效電平，如圖2-4和圖2-6所示。,6差分碼用電平的變化與否來代表邏輯“1”和“0”，電平變化代表“1”，不變化代表“0”，按此規(guī)定的碼稱為信號差分碼。根據(jù)初始狀態(tài)為高電平或低電平，差分碼有兩種波形（相位恰好相反）。顯然，差分碼不可能是歸零碼，其波形如圖2-8所示。,15,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,圖2-8差分碼,差分碼可以通過一個JK觸發(fā)器來實現(xiàn)。當計算機輸出為“1”時，JK端均為“1”，時鐘脈沖使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)；當計算機輸出為“0”時，JK端均為“0”，觸發(fā)器狀態(tài)不變，實現(xiàn)了差分碼。根據(jù)信息傳輸方式，還可分為平衡傳輸和非平衡傳輸。平衡傳輸指無論“0”或“1”都是傳輸格式的一部分；而非平衡傳輸中，只有“1”被傳輸，“0”則以在指定的時刻沒有脈沖來表示。,16,第2章控制網(wǎng)絡技術,7曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding）曼徹斯特編碼過程與波形如圖2-9所示。,2.1.3數(shù)據(jù)的編碼技術,圖2-9曼徹斯特編碼過程與波形,17,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.6計算機網(wǎng)絡及其拓撲結構,1計算機網(wǎng)絡和網(wǎng)絡拓撲由于計算機的廣泛使用，為用戶提供了分散而有效的數(shù)據(jù)處理與計算能力。計算機和以計算機為基礎的智能設備一般除了處理本身業(yè)務之外，還要求與其他計算機彼此溝通信息，共享資源，協(xié)同工作，于是，出現(xiàn)了用通信線路將各計算機連接起來的計算機群，以實現(xiàn)資源共享和作業(yè)分布處理，這就是計算機網(wǎng)絡。計算機網(wǎng)絡的種類繁多，分類方法各異。按地域范圍可分為遠程網(wǎng)和局域網(wǎng)。網(wǎng)絡拓撲結構、信號方式、訪問控制方式、傳輸介質(zhì)是影響網(wǎng)絡性能的主要因素。網(wǎng)絡的拓撲結構是指網(wǎng)絡中節(jié)點的互連形式。,18,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.6計算機網(wǎng)絡及其拓撲結構,2星形拓撲星形拓撲結構如圖2-14所示。,圖2-14星形拓撲結構,3環(huán)形拓撲環(huán)形拓撲結構如圖2-15所示。,圖2-15環(huán)形拓撲結構,19,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.6計算機網(wǎng)絡及其拓撲結構,4總線形拓撲總線形拓撲結構如圖2-16所示。,圖2-16總線形拓撲結構,5樹形拓撲樹形拓撲結構如圖2-17所示。,圖2-17樹形拓撲結構,20,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.7傳輸介質(zhì),傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送信息的載體。網(wǎng)絡中常用的傳輸介質(zhì)有電話線、同軸電纜、雙絞線、光導纖維、無線與衛(wèi)星通信。傳輸介質(zhì)的特性對網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)通信質(zhì)量影響很大，主要特性如下。物理特性：傳輸介質(zhì)物理結構的描述；傳輸特性：傳輸介質(zhì)允許傳送數(shù)字或模擬信號以及調(diào)制技術、傳輸容量、傳輸?shù)念l率范圍；連通特性：允許點-點或多點連接；地理范圍：傳輸介質(zhì)最大傳輸距離；抗干擾性：傳輸介質(zhì)防止噪聲與電磁干擾對傳輸數(shù)據(jù)影響的能力。,21,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.8介質(zhì)訪問控制方式,通信中對介質(zhì)的訪問可以是隨機的，即各工作站可在任何時刻，任意地點訪問介質(zhì)；也可以是受控的，即各工作站可用一定的算法調(diào)整各站訪問介質(zhì)順序和時間。在隨機訪問方式中，常用的爭用總線技術為CSMA/CD。在控制訪問方式中則常用令牌總線、令牌環(huán)，或稱之為標記總線、標記環(huán)。,1CSMA/CD（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測）載波監(jiān)聽CSMA的控制方案是先聽再講。一個站要發(fā)送，首先需監(jiān)聽總線，以決定介質(zhì)上是否存在其他站的發(fā)送信號。如果介質(zhì)是空閑的，則可以發(fā)送。如果介質(zhì)是忙的，則等待一定間隔后重試。當監(jiān)聽總線狀態(tài)后，可采用以下三種CSMA堅持退避算法：,22,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.8介質(zhì)訪問控制方式,第一種為不堅持CSMA。假如介質(zhì)是空閑的，則發(fā)送；假如介質(zhì)是忙的，則等待一段隨機時間，重復第一步。第二種為1堅持CSMA。假如介質(zhì)是空閑的，則發(fā)送；假如介質(zhì)是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽，直到介質(zhì)空閑，立即發(fā)送；假如沖突發(fā)生，則等待一段隨機時間，重復第一步。第三種為P堅持CSMA。假如介質(zhì)是空閑的，則以P的概率發(fā)送，或以（1P）的概率延遲一個時間單位后重復處理，該時間單位等于最大的傳輸延遲；假如介質(zhì)是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽，直到介質(zhì)空閑，重復第一步。由于傳輸線上不可避免的有傳輸延遲，有可能多個站同時監(jiān)聽到線上空閑并開始發(fā)送，從而導致沖突。故每個工作站發(fā)送信息之后，還要繼續(xù)監(jiān)聽線路，判定是否有其他站正與本站同時向傳輸線發(fā)送。一旦發(fā)現(xiàn)，便中止當前發(fā)送，這就是“沖突檢測”。,23,第2章控制網(wǎng)絡技術,2令牌（標記）訪問控制方式CSMA的訪問存在發(fā)報沖突問題，產(chǎn)生沖突的原因是由于各站點發(fā)報是隨機的。為了解決沖突問題，可采用有控制的發(fā)報方式，令牌方式是一種按一定順序在各站點傳遞令牌（Token）的方法。誰得到令牌，誰才有發(fā)報權。令牌訪問原理可用于環(huán)形網(wǎng)絡，構成令牌環(huán)形網(wǎng)；也可用于總線網(wǎng)，構成令牌總線網(wǎng)絡。（1）令牌環(huán)（Token-Ring）方式（2）令牌傳遞總線（Token-PassingBus）方式,2.1.8介質(zhì)訪問控制方式,24,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.9差錯控制編碼技術,差錯控制的目的是使用一些方法發(fā)現(xiàn)差錯并加以糾正，通常采用在信息碼元的基礎上增加一些冗余碼元，冗余碼元與信息碼元之間存在一定的關系，傳輸時，將信息碼元與冗余碼元組成碼組（碼字）一起傳輸。2循環(huán)冗余編碼（CRC）（1）工作原理CRC碼檢錯能力強，實現(xiàn)容易，是目前應用最廣泛的校驗方法之一，其工作原理如圖2-19所示。,圖219CRC編碼基本工作原理,25,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.9差錯控制編碼技術,（2）工作過程在發(fā)送端，發(fā)送數(shù)據(jù)多項式為,，其中,項式的最高冪值，例如CRC-12的最高冪值為12，則發(fā)送,；對于二進制乘法來說，,數(shù)據(jù)比特序列左移12位，用來存入余數(shù)；,為生成多,的意義是將發(fā)送,將,除以生成多項式,，得,式中,為余數(shù)多項式；,26,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.9差錯控制編碼技術,將,作為整體，從發(fā)送端通過通信信道傳送,到接收端；,接收端對接收數(shù)據(jù)多項式,采用同樣的運算，即,求得計算余數(shù)多項式；,接收端根據(jù)計算余數(shù)多項式,是否等于接收余數(shù)多項式,來判斷是否出現(xiàn)傳輸錯誤。實際的CRC校驗碼生成是,采用二進制模二算法，即減法不借位，加法不進位，這是,一種異或操作。,27,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.9差錯控制編碼技術,（3）CRC生成多項式CRC列入國際標準的生成多項式有：,CRC-12,CRC-16,CRC-CCITT,CRC-32,生成多項式的結構及檢錯效果是經(jīng)過嚴格的數(shù)學分析與實驗,后確定的。,28,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.1.9差錯控制編碼技術,（4）CRC編碼實例,假設發(fā)送數(shù)據(jù)位序列為111011，生成多項式位序列為11001。,乘以24得1110110000,，然后除生成多項式位序列11001,，不考慮借位，,將發(fā)送位序列111011,按模2運算，得余數(shù)位序列為：1110,。,29,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.4通信參考模型,2.4.1OSI參考模型,OSI參考模型是在博采眾長的基礎上形成的系統(tǒng)互聯(lián)技術。它促進了數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡的發(fā)展。OSI參考模型提供了概念性和功能性結構，將開放系統(tǒng)的通信功能劃分為7個層次。各層的協(xié)議細節(jié)由各層獨立進行。OSI參考模型把開放系統(tǒng)的通信功能劃分為7個層次。從連接物理介質(zhì)的層次開始，分別賦予1，2，7層的順序編號，相應地稱之為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。OSI參考模型如圖2-21所示。,30,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.4.1OSI參考模型,圖2-21OSI參考模型,31,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.4.1OSI參考模型,OSI模型有7層，其分層原則如下：根據(jù)不同層次的抽象分層；每層應當實現(xiàn)一個定義明確的功能；每層功能的選擇應該有助于制定網(wǎng)絡協(xié)議的國際標準；各層邊界的選擇應盡量減少跨過接口的通信量；層次應足夠多，以避免不同的功能混雜在同一層中，但也不能太多，否則體系結構會過于龐大。,32,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.4.2TCP/IP參考模型,1互聯(lián)網(wǎng)層TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)層和OSI網(wǎng)絡層在功能上非常相似。圖2-22顯示了它們的對應關系。,圖2-22TCP/IP參考模型,33,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.4.2TCP/IP參考模型,2傳輸層在TCP/IP模型中，位于互聯(lián)網(wǎng)層之上的那一層，現(xiàn)在通常被稱為傳輸層（TransportLayer）。它的功能是使源端和目標端主機上的對等實體可以進行會話，和OSI的傳輸層一樣。IP、TCP和UDP的關系如圖2-23所示。,圖2-23TCP/IP模型中的協(xié)議與網(wǎng)絡,34,第2章控制網(wǎng)絡技術,2.4.2TCP/IP參考模型,3應用層TCP/IP模型沒有會話層和表示層。傳輸層的上面是應用層（ApplicationLayer）。它包含所有的高層協(xié)議。4主