工業(yè)網絡技術第2課

東北大學秦皇島分校第二章計算機網絡體系結構主要內容計算機網絡基礎知識網絡通信基礎知識計算機網絡基礎知識拓撲結構將網絡單元抽象為結點，通信線路抽象為鏈路。計算機網絡是由一組結點和連接結點的鏈路組成的，拓撲結構指計算機網絡的幾何形狀?？偩€型拓撲結構所有節(jié)點都連接到一條作為公共傳輸介質的總線上信息的傳輸以“共享介質”方式進行總線型的優(yōu)越性一個節(jié)點失效不影響其他節(jié)點的工作節(jié)點的增刪不影響全網的運行結構簡單接入靈活擴展容易可靠性高環(huán)型拓撲結構特點：以共享介質方式進行數(shù)據(jù)傳輸每個節(jié)點都與兩個相鄰的節(jié)點相連節(jié)點之間采用點到點的鏈路網絡中的所有節(jié)點構成一個閉合的環(huán)環(huán)中的數(shù)據(jù)沿著一個方向繞環(huán)逐站傳輸環(huán)型的主要問題環(huán)中某一位置的斷開將導致整個網絡癱瘓星型拓撲結構特點存在一個中心節(jié)點每個節(jié)點通過點到點的鏈路與中心節(jié)點連接所有通信都通過中心節(jié)點進行交換局域網是一種典型的星型拓撲結構樹型網絡拓樸結構工作站工作站工作站混合型網絡拓樸結構物理拓撲和邏輯拓撲物理拓撲指網絡的幾何形狀，即通常意義上的拓撲；而邏輯拓撲（邏輯總線、邏輯環(huán)）則指信息在通信介質中傳輸?shù)臋C制。對特定網絡而言，其邏輯拓撲與物理拓撲不一定相同。返回計算機網絡的體系結構為進行網絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定即網絡協(xié)議(networkprotocol)，簡稱為協(xié)議。語言語言網絡協(xié)議語法數(shù)據(jù)與控制信息的結構或格式。語義需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。同步事件實現(xiàn)順序的詳細說明。劃分層次的概念舉例網絡的層次結構（1）層次劃分的目的將網絡這個龐大的、復雜的問題劃分成若干較小的、簡單的問題層次劃分的原則層內功能內聚層間耦合松散網絡的層次結構（2）層次結構的優(yōu)越性各層之間相互獨立靈活性好每層都可以采用最合適的實現(xiàn)技術易于實現(xiàn)和維護有利于網絡標準化計算機

1

向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用進程數(shù)據(jù)先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層

PDU計算機

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向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文計算機

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向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層報文再傳送到網絡層加上網絡層首部，成為IP數(shù)據(jù)報（或分組）計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2IP數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)應用層(applicationlayer)5432154321物理傳輸媒體計算機

1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層計算機

2計算機

1

向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝去幀首部和幀尾部取出數(shù)據(jù)部分，上交給網絡層計算機

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向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網絡層剝去首部，取出數(shù)據(jù)部分上交給運輸層計算機

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向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層剝去首部，取出數(shù)據(jù)部分上交給應用層計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層剝去首部，取出應用程序數(shù)據(jù)上交給應用進程計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用程序數(shù)據(jù)應用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝去首部（尾部）的層次應用程序數(shù)據(jù)H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H4運輸層首部H3網絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

210100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝去幀首部和幀尾部后把幀的數(shù)據(jù)部分交給網絡層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)計算機

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向計算機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2網絡層剝去分組首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2運輸層剝去報文首部后把報文的數(shù)據(jù)部分交給應用層應用程序數(shù)據(jù)H5應用程序數(shù)據(jù)計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2應用層剝去應用層PDU首部后把應用程序數(shù)據(jù)交給應用進程計算機

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向計算機

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發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321計算機

1AP2AP1計算機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！實體、協(xié)議、服務和服務訪問點實體(entity)表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。協(xié)議是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層所提供的服務。實體、協(xié)議、服務和服務訪問點本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透明的。協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱為服務訪問點SAP(ServiceAccessPoint)。實體、協(xié)議、服務和服務訪問點協(xié)議交換原語交換原語服務用戶提供服務服務提供者第n層第n+1層服務用戶SAPSAP面向連接服務與無連接服務面向連接服務(connection-oriented)面向連接服務具有連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放這三個階段。

無連接服務(connectionless)兩個實體之間的通信不需要先建立好連接。是一種不可靠的服務。這種服務常被描述為“盡最大努力交付”(besteffortdelivery)或“盡力而為”。開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI/RM）現(xiàn)場總線模型

信件內容：n

收/發(fā)信件人n

信件內容信封內容：n收/發(fā)信人的地址n郵票n信件內容包在里面n書寫格式嚴格

信箱：n

保存信封n

地址并標識運送信件：物

理層數(shù)據(jù)鏈路層應用層

網絡管理傳輸介質網絡管理127省略3~6層TCP/IP四層協(xié)議的表示方法舉例

應用層傳輸層網際層主機至網絡層主機A主機B路由器網絡

2網絡

1應用層傳輸層網際層主機至網絡層網際層網絡接口層4321OSI與TCP/IP體系結構的比較

應用層運輸層網絡層表示層會話層數(shù)據(jù)鏈路層物理層7654321OSI的體系結構應用層網絡接口層網際層IP(各種應用層協(xié)議如TELNET,FTP,SMTP等)運輸層(TCP

或

UDP)TCP/IP的體系結構無連接分組交付服務運輸服務(可靠或不可靠)各種應用服務TCP/IP

的三個服務層次傳輸介質傳輸介質傳輸信號經過的各種物理環(huán)境物理上將計算機相互連接起來的介質傳輸介質的種類同軸電纜非屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP光纜傳輸介質的種類同軸電纜的主要特性連接形式支持點-點連接和多點連接連接距離基帶同軸電纜最大傳輸距離限制在幾公里范圍內寬帶同軸電纜最大距離可達幾十公里基帶同軸電纜抗干擾性具有較強的抗干擾能力價格居中同軸電纜同軸電纜連接器類型同軸電纜的特點優(yōu)點傳輸距離較遠，覆蓋的地域范圍較大技術非常成熟缺點電纜硬，折曲困難，重量重局域網常用同軸電纜粗同軸電纜：特征阻抗50Ω，直徑1cm細同軸電纜：特征阻抗50Ω，直徑0.5cm。同軸電纜不適合用于樓宇內的結構化布線雙絞線的主要特性一對線作為一條通信線路使用：差分信號傳輸，增強抗干擾能力雙絞線對采用規(guī)則螺旋結構排列：使各線對之間的電磁干擾最小連接形式：通常用于點-點連接連接距離：與速率成反比，即傳輸速率越高，傳輸距離越短。局域網中的典型線段距離為100米抗干擾性：取決于單位長度內扭曲個數(shù)及適當?shù)钠帘?。低頻傳輸時與同軸電纜相當，10~100KHz時低于同軸電纜價格：低非屏蔽雙絞線和RJ-45連接器非屏蔽雙絞線的特點優(yōu)點尺寸小、重量輕、容易彎曲價格便宜容易安裝和維護RJ-45連接器牢固、可靠缺點抗干擾能力較弱傳輸距離比較短UTP分為：3類線、4類線、5類線和超5類線UTP非常適合于樓宇內部的結構化布線非屏蔽雙絞線的帶寬UTP3帶寬為16MHz適用于語音及10Mbps以下的數(shù)據(jù)傳輸UTP4帶寬為20MHz適用于語音及16Mbps以下的數(shù)據(jù)傳輸UTP5帶寬為100MHz適用于語音及100Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，也可以支持155Mbps的ATM網絡傳輸傳輸屏蔽雙絞線優(yōu)點傳輸質量較高電纜尺寸和重量與UTP相當缺點安裝不合適有可能引入外界干擾屏蔽雙絞線連接器類型DB9連接器與DC連接器光纜的主要特性連接形式通常用于點-點連接，有時也用于多點連接連接距離光纖的傳輸損耗很小，可以支持長距離傳輸多模光纖的最大傳輸距離通常為2公里單模光纖的最大傳輸距離可達幾十、乃至上百公里距離與所用的光源（LD）、光纖芯直徑（小）、光波波長（長）有密切關系抗干擾性光信號不受電磁干擾，具有很強的抗干擾能力價格：高光纜光纜連接器類型－MIC與ST光纜連接器類型－ST與SCOSI模型各層功能——物理層物理層是指在物理媒體之上為數(shù)據(jù)鏈路層提供一個原始比特流的物理連接。物理層的傳輸單位為比特。物理層物理層規(guī)定了用于建立、保持和斷開物理連接的機械、電氣、功能和規(guī)程條件。如信號電平標準等。典型的有EIA-232、EIA-485。EIA-232-D機械特性DB25連接器DB9連接器EIA-232-D電氣特性EIA-232-D電氣特性采用負邏輯。－5～－15V，表示邏輯“1”；＋5～＋15V，表示邏輯“0”。

數(shù)據(jù)通信的基礎知識

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型什么是數(shù)據(jù)？（重要）各種字母、數(shù)字符號的組合、語音、圖形、圖像等統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)。信號是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼。信息（Information）是對數(shù)據(jù)（Data）的解釋，數(shù)據(jù)是信息的載體，信號（Signal）是數(shù)據(jù)的電子編碼。什么是數(shù)據(jù)?ext什么是通信？通過各種傳輸介質將信息從一個地點、一個人或一臺設備傳送到另一個地點、另一個人或設備的過程。通信的目的是交換信息。什么是數(shù)據(jù)通信?數(shù)據(jù)通信是兩點或多點之間借助某種傳輸介質以二進制代碼形式進行信息交換的過程。數(shù)據(jù)通信技術主要涉及通信協(xié)議、信號編碼、同步等問題。工業(yè)數(shù)據(jù)通信工業(yè)數(shù)據(jù)是指與生產過程密切相關的數(shù)值、狀態(tài)、指令等的表達。通過計算機、PLC和現(xiàn)場測量控制設備之間的工業(yè)數(shù)據(jù)通信來實現(xiàn)測量、控制、監(jiān)視、操作等功能。工業(yè)數(shù)據(jù)通信示例控制器變頻器傳感器數(shù)據(jù)采集監(jiān)視界面模擬量I/O變頻器變頻器數(shù)據(jù)編碼通信系統(tǒng)中以何種物理信號的形式來表達數(shù)據(jù)。數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼數(shù)字數(shù)據(jù)編碼（重點）將二進制數(shù)字數(shù)據(jù)使用兩個電平來表示，形成矩形脈沖信號。分為不歸零碼、歸零碼、差分碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼。不歸零碼全寬單極性碼：全寬單極碼以高電平（或者有電流）表示數(shù)據(jù)“1”，以低電平（或者沒有電流）表示數(shù)據(jù)“0”。CAN總線和DeviceNet采用這種方式。全寬單極性碼優(yōu)點：（1）便于逐位仲裁。缺點：（1）積累直流分量；（2）各位之間的界限不易確定。不歸零碼ext全寬雙極性碼：全寬雙極碼以正電平（或者正向電流）表示數(shù)據(jù)“1”，以負電平（或者反向電流）表示數(shù)據(jù)“0”。全寬雙極性碼優(yōu)點：（1）積累直流分量。缺點：（1）各位之間的界限不易確定。歸零碼不歸零碼都是在一個碼元的全部時間內發(fā)出信號電平。如果兩個碼元數(shù)據(jù)相同（例如都是1），則電平保持不變。而這種情況下要求區(qū)分每個碼元的電平就必須對每個碼元的占用時間做精確確定。歸零碼ext歸零碼編碼方式中，信號電平在一個碼元之內都要恢復到零?？梢院芊奖愕卮_定每個碼元的界限和信號電平。歸零碼ext單極性歸零碼：歸零碼ext雙極性歸零碼：曼徹斯特編碼每位的中間有一跳變，位中間的跳變既做時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號。從高到低跳變表示“1”，從低到高跳變表示“0”。跳變既作為數(shù)據(jù)信號標志，也是時鐘信號的標志。差分曼徹斯特編碼它的每一位中間的跳變僅用來提供時鐘信息；二進制數(shù)據(jù)的取值由每一位開始的邊界是否存在跳變而定；每一位的開始邊界有變化代表邏輯“0”，無變化代表邏輯“1”。差分曼徹斯特編碼ext

數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼

采用模擬信號來表達數(shù)據(jù)的0，1狀態(tài)，用于調制后進行載波傳輸；通過改變信號的幅度、頻率、相位來改變模擬數(shù)據(jù)編碼。

模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

將一個模擬物理量（如電流、電壓、溫度、長度等等）轉換為二進制信號的方式。典型方法是脈沖編碼調制法（PCM，PulseCodeModulation）。脈沖編碼調制方法脈沖編碼調制是以采樣定理為基礎，對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，利用大于等于有效信號最高頻率的２倍的采樣頻率，從這些采樣中重新構造出原始信號。

模擬信號數(shù)字化的三步驟

采樣，以采樣頻率Fs把模擬信號的值采出；量化，使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值；編碼，將離散值變成一定位數(shù)的二進制數(shù)碼。

模擬信號數(shù)字化的三步驟ext采樣量化編碼數(shù)據(jù)傳輸方式并行傳輸串行傳輸并行傳輸將數(shù)據(jù)以成組的方式在兩條以上的并行通道上同時傳輸；可以同時傳輸一組數(shù)據(jù)位，每個數(shù)據(jù)位使用單獨一條導線。串行傳輸串行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)一位一位在通信線上傳輸。發(fā)送端將幾位并行數(shù)據(jù)經并--串轉換硬件轉換成串行方式，再逐位經傳輸介質到達接收端，并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉換成并行方式。

兩者比較串行傳輸速度要比并行傳輸慢得多，但易于實現(xiàn)，適合遠距離的數(shù)據(jù)通信?，F(xiàn)場總線均采用串行通信的方式。并行傳輸速度快，且無需變換，但它需要的傳輸通道多，主要用于近距離通信。計算機內部的總線結構就是并行通信的例子。練習畫出010011的所對應的不歸零碼、歸零碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。（設初始為低電平）同步（重點）同步：接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送的每個位的重復頻率和起止時間來接收數(shù)據(jù)。位同步和群同步同步ext位同步使接收端對每一位數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持準確同步。外同步和自同步法位同步－外同步法在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)出一串同步時鐘脈沖，接收端按照這一時鐘脈沖頻率和時序鎖定接收端的接收頻率。位同步－自同步法自同步法是能從數(shù)據(jù)信號波形中提取同步信號的方法。典型例子就是著名的曼徹斯特編碼，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時鐘信號，又作數(shù)據(jù)信號。位同步ext所有設備都使用同一時鐘。多用于電路板元件之間的數(shù)據(jù)傳輸，適合高速傳輸?shù)囊蟆?/p>

群同步又稱起止同步，異步?？科鹗己屯Ｖ刮粊韺崿F(xiàn)字符定界及字符內比特同步的。在起始位和停止位間，形成一個需傳送的字符。起始位指示字符的開始，并啟動接收端對字符中比特的同步；而停止位標志該字符傳輸結束。

異步傳輸ext每個通信節(jié)點都有自己的時鐘信號；實現(xiàn)簡單，頻率的漂移不會積累，對收發(fā)器要求較低；PC機的232串口通信方式。通信線路的工作方式單工通信半雙工通信全雙工通信單工通信單工數(shù)據(jù)傳輸只支持數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，而不進行與此相反方向的傳送。半雙工通信半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，在某一時刻，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸。全雙工通信全雙工數(shù)據(jù)通信允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，它要求發(fā)送設備和接收設備都有獨立的接收和發(fā)送能力。信號的傳輸模式基帶傳輸載波傳輸寬帶傳輸基帶傳輸不采用任何調制措施。傳輸速率為0~10MHz，距離在25km內。載波傳輸又稱頻帶傳輸，將基帶信號進行調制后形成的模擬信號送到線路上進行傳輸?shù)姆绞?。在發(fā)送端和接收端都要設置調制解調器。適合于長距離的數(shù)據(jù)傳輸，如電話網。寬帶傳輸將多路基帶信號、音頻信號和視頻信號的頻譜分別移到一個物理信道的不同頻段進行傳輸?shù)姆绞?。?shù)據(jù)傳輸速率可達0~400Mbps。寬帶網可劃分為多條基帶信道。數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念

鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結點。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。數(shù)據(jù)鏈路(datalink)除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路的建立、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)鏈路的釋放，以及信息幀發(fā)送過程中的流量控制與差錯控制功能，保證信息幀在數(shù)據(jù)鏈路上的正確傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層ext成幀：把比特流分成離散的幀。流量控制：限制發(fā)送方所發(fā)出的數(shù)據(jù)流量，使發(fā)送速率不能超過接收方能處理的速率。差錯控制：保證接收到的信息幀正確。CAN的數(shù)據(jù)幀物理鏈路與數(shù)據(jù)鏈路的區(qū)別物理鏈路與數(shù)據(jù)鏈路的區(qū)別可靠性傳輸（重點）差錯控制確認差錯控制傳輸出錯的原因是數(shù)據(jù)中的一位或幾位因噪聲干擾而出錯。差錯控制編碼糾錯碼：利用附加的信息在接收端能夠檢測和校正一定位數(shù)的差錯。如海明碼。檢錯碼：利用附加的信息在接收端能夠檢測出所有的或者是絕大部分的差錯。如奇偶校驗碼和CRC校驗碼。

奇偶校驗碼發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先要將數(shù)據(jù)中“1”的個數(shù)進行統(tǒng)計，確定是奇或偶，并將統(tǒng)計的結果連同數(shù)據(jù)一同發(fā)送給接收方。接收方對收到的數(shù)據(jù)統(tǒng)計其中的“1”的個數(shù)以確定奇偶。檢驗方法簡單，但檢錯能力差，一般只用于通信要求較低的場合。循環(huán)冗余校驗（CRC校驗）在發(fā)送端產生一個循環(huán)冗余碼，附加在信息位后面