数据通信_第七章 数据通信设备.pptx

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1、第七章 数据通信设备,终端设备调制解调器 多路复用器 集中器 协议转换器网络适配器前端处理器网络设备,终端设备,终端设备输入信息的方式直接输入：直接通过键盘、鼠标、按钮等。通过间接媒介输入：先将数据记录在磁盘等媒介上，在借助磁盘机等设备把信息输入到网络中。通过检测装置输入：通过例如传感器等设备检测某些物理量，采样量化成数据后再输入到传送系统。,终端设备的组成和功能,终端设备通常由输入、输出设备，控制设备和传输控制器组成。功能：完成信息的输入、输出；进行线路连接；进行传输控制；对信息进行编码和译码；进行差错控制及校验；对信息进行缓冲和储存。,终端设备的分类,通用终端：打印类终端、显示类终端和识别

2、类终端复合终端：是一种面向某种应用业务，能按需配置输入/输出设备，而且终端本身可以进行相关信息处理的设备。如销售终端，票务终端等。智能终端：是一种带有微处理器的高级终端，它不但可以输入输出信息，还可以存储、处理、控制数据信息。智能终端通常具有人机交互能力，具有本机数据处理与存储功能，还具有与多种通信网络相兼容的能力及自珍段能力。例如电脑。虚拟终端：是指计算机支持各种各样实际终端的过渡终端或标准终端,调制解调器,调制解调器（MODEM）的功能主要是完成数据信号的编码调制到模拟信号在模拟信道上传输；同时在模拟信道上将模拟信号解调解码成原始的数据信号。为了提高数据传输速率，通常在调制之前要对数据进行

3、冗余压缩，在接收端进行恢复。同时还增加了纠检错功能确保数据传输的可靠性。电话线常用的是CCITT制定的V系列建议。按照传输介质分有线和无线MODEM按照带宽分窄带和宽带MODEM,常用的无线MODEM芯片,无线MODEM芯片nRF2401,工作频段2.4G单片GFSK收发芯片多信道工作125 信道信道切换时间200us.支持跳频寻址和CRC低功耗,常用的宽带接入方式,在电话线上的宽带频谱分配,在电话线上的宽带频谱分配,ADSL Modem的调制方式,正交调幅（QAM）QAM是一种十分成熟且应用广泛的调制技术。这种方式的频谱利用率可以做得很高，设备也不太复杂。但是，当它的信号状态数很多时，则对信

4、道的线性和非线性失真变得十分敏感。无载波调幅调相（CAP）CAP技术在原理上类似QAM，但不用正交载波，而是通过两个数字横向带通滤波器进行调制，其输出结合起来即形成了发送信号。在接收侧用软判决技术对信号进行解调，再用判决前馈均衡器对电缆芯径变化和桥接抽头进行适配。离散多音频调（DMT）DMT即离散多音调制，又称多载波调制。它是将信道的可用带宽划分为若干个子信道，每个子信道一个载波，分别载荷一路数据，并行传输,VDSL,VDSL（Very-high-bit-rate Digital Subscriber loop）甚高速数字用户环路，简单地说，VDSL就是ADSL的快速版本。使用VDSL，短距离

5、内的最大下传速率可达55Mbps，上传速率可达19.2Mbps，甚至更高。目前可提供10Mbps上、下行对称速率。 VDSL使用DMT调制方式，国内VDSL有少量应用，都是采用PTM模式、QAM调制的EoVDSL技术 。,ADSL vs VDSL,ADSL上行与下行带宽不一致，适合普通用户的上网要求。VDSL可以提供对称带宽适合商业用户。ADSL2+在3公里传输距离以内，传输速度可维持在10Mbps26Mbps，相对而言，VDSL在1.2 公里传输距离以内速度才得以维持在25Mbps以上，超过1.2公里以上传输距离速度则快速锐减。 在目前电信网络架构下，机房与客户端距离绝大部分超过目前VDSL

6、有效传输距离，为提供VDSL服务，电信业者势必重新布建光纤，增加其网络布建成本。ADSL2+将成为ADSL下一世代技术，并将延续ADSL既有地位成为市场应用主流，并将延后电信投入VDSL建设的脚步。,多路复用器,中间一般用高速专线连接接口非常丰富，可以提供多种连接方式，支持多种协议多用于专网,集中器,集中器是一种将m条输入线汇总成n条输出线的传输控制设备（mn）集中器的功能将多条输入的大量低、中速率数据进行合并，再经一条或几条高速线路送到另一个集中器或者前端处理机。在纯争用的情况下，可作为可编程的交换设备（称为端口选择器）可完成报文交换功能或存储转发报文功能。具有进行远程网络处理功能。集中器的

7、技术争用轮询存储转发排队,集中器例子（MPT集群系统）,前端处理器,前端处理器实际上是为了减轻主机处理数据的负担，各终端发送来的数据通过通信线路，首先进入前段处理器进行预处理，如纠检错、转换数据代码等。例如外置MODEM、独立显卡。,电脑,外置MODEM,电话线,电脑,内置MODEM,电话线,FEC利用MODEM内部处理器实现,FEC利用电脑处理器资源实现,硬猫,软猫,网络设备-网络设备的分类,物理层网络设备 数据链路层网络设备 网络层网络设备传输层上的网络设备,各层上的网络设备,SWITCH,ROUTER,GATEWAY,物理层网络设备,物理层网络设备主要解决数据终端设备（DTE）与数据通信

8、设备（DCE）之间的接口问题。主要设备有：中继器、网络收发器、网络传输媒体转换设备等。中继器用于扩展局域网长度，在连接网络及其他设备时还有不同名称：多路复用器类。用于增加通信传输媒质的有效性，提高效率。中继器类，例如： 令牌环网中继器，用于MAU之间，或工作站与MAU之间扩展距离。以太网中继器。用于连接多个以太网，包括传统的以太网和快速以太网中继器等。集线器，多口中继器。例如：以太网集线器（HUB)FDDI集中器。集中器是一种数据传输中的功能部件，他将多个数据流的数据汇集到相对较少的物理传输媒质中，以提高传输效率。媒体转换类，例如：以太网-E1转换（10Base-T），对以太网数据缓存转换格式

9、加载到E1上传输。,中继器-物理层设备,由于数据信号在网络介质上传输时，会随着距离的增加而衰减，中继器的主要作用之一就是解决信号衰减的问题。快速以太网中继器(Repeater) 中继器主要用于拓展网络的长度，它的功能为从一个端口接收数据信号，然后将这些信号整形、放大，最后将之传送到其他端口上(画图举例)。中继器不检测它所传送的信号信息，仅仅是将不理想的信号再现为完美的信号。中继器工作于OSI模型的物理层，因此只能连接具有相同物理层协议的网络。中继器一般不能超过3-5个，因为不能纠正误码。最常见的就是使用HUB进行中继。,数据链路层网络设备,该设备为网络提供建立/拆除数据链路、帧传输、差错与流量

10、控制、数据链路管理功能。主要设备有：网络适配器（网卡）。网桥。用于把一个较大的LAN分割成多个网段，或将两个以上的LAN互接为一个逻辑上的LAN。网络交换机。主要进行信息包的接收，暂时存储、发送，交换等。分为帧交换机和信元交换机（ATM）两大类。,网络适配器,也称为网络控制器、网卡，是PC或各种计算机连接到网络上的关键接口部件。网络适配器的作用：提供网络物理层接口实现和计算机系统总线信号之间的连接与通信实现网络协议中的数据链路层的大部分功能支持桌面管理接口（DMI）和连线化管理可以进行自动远程管理和对网上PC进行远程控制可以进行开机、关机、存储及系统维护等。,网桥-链路层设备,网桥是运行在数据

11、链路层上的网络设备，网桥可以将一个较大的LAN分割成多个网段，或者将两个以上的LAN互联成一个逻辑上的LAN。 网桥的主要功能，用于连接网段，增加网络范围；进行寻址和路径选择；具有某些网络管理功能。网桥工作在数据链路层，将两个LAN连起来，根据MAC地址来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。远程网桥通过一个通常较慢的链路（如电话线）连接两个远程LAN，对本地网桥而言，性能比较重要，而对远程网桥而言，在长距离上可正常运行是更重要的。 按照传输媒质分为有线网桥和无线网桥按照协议处理方式不同分为透明网桥和源路由选择网桥,透明网桥(transpa

12、rent bridge) ,透明网桥(transparent bridge)或生成树网桥(spanning tree bridge)。支持这种设计的人首要关心的是完全透明。装有多个LAN的单位在买回IEEE标准网桥之后，只需把连接插头插入网桥，无需设置地址开关，无需设置路由表或参数，现有LAN的运行完全不受网桥的任何影响。 透明网桥以混杂方式工作，它接收与之连接的所有LAN传送的每一帧。当一帧到达时，通过查询网桥中一张大型散列表里的目的地址而作出决定是否转发和转发到哪里。在插入网桥之初，所有的散列表均为空。由于网桥不知道任何目的地的位置，因而采用扩散算法(flooding algorithm)

13、：把每个到来的、目的地不明的帧输出到连在此网桥的所有LAN中（除了发送该帧的LAN）。随着时间的推移，网桥将了解每个目的地的位置。一旦知道了目的地位置，发往该处的帧就只放到适当的LAN上，而不再散发。,透明网桥(transparent bridge),透明网桥采用的算法是逆向学习法(backward learning)。网桥按混杂的方式工作，故它能看见所连接的任一LAN上传送的帧。查看源地址即可知道在哪个LAN上可访问哪台机器，于是在散列表中添上一项。当计算机和网桥加电、断电或迁移时，网络的拓扑结构会随之改变。为了处理动态拓扑问题，每当增加散列表项时，均在该项中注明帧的到达时间。每当目的地已在

14、表中的帧到达时，将以当前时间更新该项。这样，从表中每项的时间即可知道该机器最后帧到来的时间。网桥中有一个进程定期地扫描散列表，清除时间早于当前时间若干分钟的全部表项。于是，如果从LAN上取下一台计算机，并在别处重新连到LAN上的话，那么在几分钟内，它即可重新开始正常工作而无须人工干预。这个算法同时也意味着，如果机器在几分钟内无动作，那么发给它的帧将不得不散发，一直到它自己发送出一帧为止。,网桥利用ARP广播学习MAC地址,以太网头类型：ARP,IPv4头,广播出源及目的的IP与MAC地址对照关系,源路由选择(source routing)网桥,透明网桥的优点是易于安装，只需插进电缆即大功告成。

15、但这种网桥并没有最佳地利用带宽。这两个（或其他）因素的相对重要性导致了802委员会内部的分裂。支持CSMA/CD和令牌总线的人选择了透明网桥，而令牌环的支持者则偏爱一种称为源路由选择的网桥（受到IBM的鼓励）源路由选择的前提是互联网中的每台机器都知道所有其他机器的最佳路径。如何得到这些路由是源路由选择算法的重要部分。获取路由算法的基本思想是：如果不知道目的地地址的位置，源机器就发布一广播帧，询问它在哪里。每个网桥都转发该查找帧(discovery frame)，这样该帧就可到达互联网中的每一个LAN。当答复回来时，途经的网桥将它们自己的标识记录在答复帧中，于是，广播帧的发送者就可以得到确切的路

16、由，并可从中选取最佳路由。,两种网桥的比较,利用网桥和交换网络链接两个LAN,LAN-1,LAN-2,网桥,网桥,MODEM,交换网络,MODEM,网络交换机-链路层设备,根据交换机所交换的分组长度可以分为分组长度可变的帧交换机和分组长度固定为53字节的ATM交换机。根据交换机涉及技术可分为：以太网交换机；快速以太网交换机；多功能交换机；FDDI交换机；ATM交换机；路由交换机（第三层交换机）等。根据应用规模分：企业级；部门级；工作组级交换机。交换机的重要指标端口类型（RJ45自适应）端口速率（10M/100M自适应）缓冲器缓冲能力端口数目及类型每端口的地址数抗广播风暴能力接口的灵活性和可适应

17、性等。,交换式技术发展过程,以太网交换机，英文为SWITCH，也有人翻译为开关，交换器或称交换式集线器。 八十年代中后期，由于通信量的急剧增加，促使技术的发展，使局域网的性能越来越高，最早的1MBPS的速率已广泛地被今天的100BASE-T和100CG-ANYLAN替代，但是，传统的媒体访问方法都局限于使大量的站点共享对一个公共传输媒体的访问，既CSMA/CD。 九十年代初，随着计算机性能的提高及通信量的聚增，传统局域网已经愈来愈超出了自身的负荷，交换式以太网技术应运而生，大大提高了局域网的性能。与现在基于网桥和路由器的共享媒体的局域网拓扑结构相比，网络交换机能显著的增加带宽。交换技术的加入，

18、就可以建立地理位置相对分散的网络，使局域网交换机的每个端口可平行、安全、同时的互相传输信息，而且使局域网可以高度扩充。,从网桥、多端口网桥到交换机,局域网交换技术的发展要追溯到两端口网桥。桥是一种存储转发设备，用来连接相似的局域网。从互联网络的结构看，桥是属于DCE级的端到端的连接；从协议层次看，桥是在逻辑链路层对数据帧进行存储转发；与中继器在第一层、路由器在第三层的功能相似。两端口网桥几乎是和以太网同时发展的。以太网交换技术(SWITCH)是在多端口网桥的基础上与九十年代初发展起来的，实现OSI模型的下两层协议，与网桥有着千丝万缕的关系，甚至被业界人士称为“许多联系在一起的网桥”，因此现在的

19、交换式技术并不是什么新的标准，而是现有技术的新应用而已，是一种改进了的局域网桥，与传统的网桥相比，它能提供更多的端口(488)、更好的性能、更强的管理功能以及更便宜的价格。现在某些局域网交换机也实现了OSI参考模型的第三层协议，实现简单的路由选择功能，目前很热的第三层交换就是指此。以太网交换机又与电话交换机相似，除了提供存储转发(STORE AND FORWORD)方式外还提供了其它的桥接技术，如：直通方式(CUT THROUGH)。,以太网交换机的工作原理,以太网交换机的原理很简单，它检测从以太端口来的数据包的源和目的地的MAC(介质访问层)地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据包

20、的MAC层地址不在查找表中，则将该地址加入查找表中，并将数据包发送给相应的目的端口。,192.168.0.111-22-33-44-55-66,ARP列表192.168.0.1-11-22-33-44-55-66192.168.0.2-11-22-33-44-55-67192.168.0.3-11-22-33-44-55-68,192.168.0.311-22-33-44-55-68,192.168.0.211-22-33-44-55-67,PING 192.168.0.3,REPLY 192.168.0.1,交换式以太网技术的优点,交换式以太网不需要改变网络其它硬件，包括电缆和用户的网卡，仅

21、需要用交换式交换机改变共享式HUB，节省用户网络升级的费用。可在高速与低速网络间转换，实现不同网络的协同。目前大多数交换式以太网都具有100Mbps的端口，通过与之相对应的100Mbps的网卡接入到服务器上，暂时解决了10Mbps的瓶颈，成为网络局域网升级时首选的方案。它同时提供多个通道，比传统的共享式集线器提供更多的带宽，传统的共享式10Mbps/100Mbps以太网采用广播式通信方式，每次只能在一对用户间进行通信，如果发生碰撞还得重试，而交换式以太网允许不同用户间进行传送，比如，一个16端口的以太网交换机允许16个站点在8条链路间通信。特别是在时间响应方面的优点，使的局域网交换机倍受青睐。

22、它以比路由器低的成本却提供了比路由器宽的带宽、高的速度，除非有上广域网(WAN)的要求，否则，交换机有替代路由器的趋势。,第二层、第三层交换与路由器方案的竞争,局域网交换机是工作在OSI第二层的，可以理解为一个多端口网桥，因此传统上称为第二层交换；目前，交换技术已经延伸到OSI第三层的部分功能，既所谓第三层交换，第三层交换可以不将广播封包扩散，直接利用动态建立的MAC地址来通信，似乎可以看懂第三层的信息，如IP地址、ARP等，具有多路广播和虚拟网间基于IP、IPX等协议的路由功能，这方面功能的顺利实现得力于专用集成电路(ASIC)的加入，把传统的由软件处理的指令改为ASIC芯片的嵌入式指令，从

23、而加速了对包的转发和过滤，使得高速下的线性路由和服务质量都有了可靠的保证。目前，如果没有上广域网的需要，在建网方案中一般不再应用价格昂贵、带宽有限的路由器。以太网交换机和路由器的组合设备（市面销售的无线AP）方便用户使用。,利用网桥和网络交换机组网案例,虚拟局域网技术,交换技术的发展，允许区域分散的组织在逻辑上成为一个新的工作组，而且同一工作组的成员能够改变其物理地址而不必重新配置节点，这就是用到所谓的虚拟局域网技术(VLAN)。用交换机建立虚拟网就是使原来的一个大广播区(交换机的所有端口)逻辑的分为若干个“子广播区”，在子广播区里的广播封包只会在该广播区内传送，其它的广播区是收不到的。VLA

24、N通过交换技术将通信量进行有效分离，从而更好地利用带宽，并可从逻辑的角度出发将实际的LAN基础设施分割成多个子网，它允许各个局域网运行不同的应用协议和拓扑结构。高档网络交换机（带管理功能的三层交换机）可以支持该功能。,虚拟局域网四种划分方式,基于端口划分VLAN；基于MAC地址划分VLAN；基于网络层划分VLAN；基于组播划分VLAN。,网络层网络设备,该层设备主要功能是将逻辑地址翻译成物理地址，使传输层可以使用逻辑地址，确定路由，分组交换，拥塞控制和流量控制。主要设备有：路由器。为网络互连提供各种类型、各种速率的链路或通信子网接口，完成路由算法，提供路由信息，参与网络管理。第三层交换机（路由

25、交换机）。它是能完成路由器功能的交换机。,路由器-网络层设备,路由器是网络层的互联设备，是网络的基本组成部分。路由器（Router）是工作在OSI第三层（网络层）上、具有连接不同类型网络的能力并能够选择数据传送路径的网络设备。路由器有三个特征：工作在网络层上、能够连接不同类型的网络、能够选择数据传的路径。我们所说的“互联网”，就是由各种路由器连接起来的，因为互联网上存在各种不同类型的网络，集线器和交换机根本不能胜任这个任务，所以必须由路由器来担当这个角色。,路由器的另外两个特征,路由器能连接不同类型的网络我们常见的集线器和交换机一般都是用于连接以太网的，但是如果将两种网络类型连接起来，比如以太

26、网与ATM网，集线器和交换机就派不上用场了。路由器能够连接不同类型的局域网和广域网，如以太网、ATM网、FDDI网、令牌环网等。 数据从一种类型的网络传输至另一种类型的网络，必须进行帧格式转换。路由器就有这种能力，而交换机和集线器就没有。 路由器具有路径选择能力在互联网中，从一个节点到另一个节点，可能有许多路径，路由器可以选择通畅快捷的近路，会大大提高通信速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源，这是集线器和二层交换机所根本不具备的性能。,集线器 vs 交换机 vs 路由器,集线器工作在第一层（即物理层），它没有智能处理能力，对它来说，数据只是电流而已，当一个端口的电流传到集线器中时，它只

27、是简单地将电流传送到其他端口，至于其他端口连接的计算机接收不接收这些数据，它就不管了。交换机工作在第二层（即数据链路层），它要比集线器智能一些，对它来说，网络上的数据就是MAC地址的集合，它能分辨出帧中的源MAC地址和目的MAC地址，因此可以在任意两个端口间建立联系，但是交换机并不懂得IP地址，它只知道MAC地址。路由器工作在第三层（即网络层），它比交换机还要“聪明”一些，它能理解数据中的IP地址，如果它接收到一个数据包，就检查其中的IP地址，如果目标地址是本地网络的就不理会，如果是其他网络的，就将数据包转发出本地网络。,传输层上的网络设备,主要功能是将消息重新打包，发送端将长消息解封为数据包

28、，接收端将小数据包解封为大数据包，接受确认， 进行流量控制，进行错误管理等。工作在OSI传输层以上的网络设备通常称为应用层网关，简称网关。网关（Gateway）是一种可以把具有不同网络体系结构的两个或多个计算机网络连接起来的设备。是在网络不同层次之间传递数据，并进行相应的协议转换的一种设备或程序。,网关-传输层设备,是一种能够把两个网络连接起来，并把分组从一个网络传送到另一个网络的计算机或功能装置。网关所涵盖的内容相当广泛，例如以太网与串行口之间的转换，甚至包括模拟话音到IP话音的转换都可以称之为网关。应用范例1：以太网串行口网关以前的设备尤其是在工业控制上使用的接口很多还是RS232串口，但

29、计算机网络发展到今天，很多数据链路接口都是IP接口，那么怎样能利用IP来传输串行数据呢。就是通过以太网串行口网关，典型的设备就是MOXA公司生产的Nport Server Lite。,应用范例2：VoIP网关,IP电话发展到今天，利用INTERNET进行电话的互联，已经是很平常的事情。关键设备就是VoIP网关，将电话信令和语音转换成IP数据在INTERNET上传输，大大降低了长途话费，同时也节约了大量的中继线路带宽。最主要得益于高倍的语音压缩技术和统计时分复用技术。,无线数据查询系统应用范例,系统组成部分：查询终端、传输链路、数据网关、数据库、防火墙查询终端有PDA运行专用查询软件组成，使用RS232接口与MODEM相连传输链路由MODEM、链路机（集群手机、车载台、集群系统组成）组成数据网关由一台服务器构成，运行串口通信程序和数据库查询程序数据库是由公安提供的车辆、人口等数据库防火墙是用于进入公安网防止外部非法入侵的,IP集群联网应用范例,IP集群联网应用范例,