計算機網絡技術教案

任課教師：黃建雄

時一間：2015-2016學年上學期

使用教材：計算機網絡技術吳旭

第一章計算機網絡基本概念

教學目標：

計算機網絡的形成與發(fā)展

計算機網絡的定義與分類

計算機網絡的組成和邏輯劃分

計算機網絡的拓樸結構

重點和難點（專業(yè)詞匯）

計算機網絡

通信子網與資源子網

LAN/WAN/MAN

網絡拓樸結構總線型環(huán)型星型樹型網狀型

1.1計算機網絡的定義

定義：將地理上位置不同且功能獨立的多個計算機系統通過通信線路相互連在一起、由專門的

網絡操作系統進行管理，以實現資源共享的系統。

功能獨立的計算機系統（軟、硬件）

通信線路（通信媒體、通信設備）

網絡操作系統（單機OS功能+網絡通信協議+網絡資源管理+網絡服務）

資源共享（硬件、軟件，如程序、數據庫、存儲設備、打印機）

1.2計算機網絡的形成與發(fā)展

-、計算機網絡發(fā)展經歷發(fā)四個階段：

1.初級階段

2.計算機網絡階段

3.標準或開放的計算機網絡

4.高速、互連、智能化的計算機網絡

1.2.1初級階段

遠程聯機系統（20CEN,50-60年代）

Terminal

Terminal

aTerminal

遠程聯機系統的發(fā)展

典型：美國半自動地面防空系統SAGE

1.2.1計算機網絡階段

分布在不同地點的計算機通過通信線路互聯成計算機-計算機的網絡：ARPANET

資源子網與通信子網結構

ag

a

aa

3a

ga

S

1.2.2計算機網絡通信

將應用與通信功能從邏輯上分離,應產生了通信子網與資源子網的概念

a

Host

g通信子網aJ

資源子網

~3

r3

3

網絡邏輯劃分：資源子網與通信子網

資源子網

提供用戶訪問網絡和處理數據的能力。

包括加入網絡的所有的計算機、終端外設及各種軟件和數據資源

通信子網

提供網絡的通信功能（數據的傳輸與轉發(fā)）

1、網絡接口功能：實現資源子網和通信子網的接口功能

2、存儲/轉發(fā)功能：對進入網絡傳輸的數據信息提供轉發(fā)功能

3、網絡控制功能：為數據提供路徑選擇、流量控制等功能

包括通信處理機通信設備與通信線路

1.2.3開放的計算機網絡

一、網絡體系結構的標準化

IBM的SNA（系統網絡結構）-1974

DEC的DNA（分布型網絡的數字網絡體系）-1975

ISO的OSIRM（開放系統互連參考模型）-1977/1983

IEEE的IEEE802標準-1980年,

二、網絡的高速發(fā)展：

ETHERNET（以太網）

Internet

三、發(fā)展方向

高速：帶寬的增加達到Gbps

互連：IntranetExtranetIntcmet/IntemetII

智能：服務（QoS）管理

1.3計算機網絡的分類

一、計算機網絡有多種分類標準，如按傳輸技術（廣播、點對點）、通信介質（有線、無線）、

按數據交換方式（報文、分組、虛擬分組）、通信速率（寬帶、窄帶）和使用范圍（私有、公有）

等。

最普遍的是按地理范圍劃分：

局域網（Localareanetworks，LANs）

廣域網（Wideareanetworks,WANs）

城域網（Metropolitanareanetworks,MANs）

1、典型的局域網技術舉例：

,Ethernet?Token-Ring,FDDI

LocalAreaiNotworlksandDevices

Ethernet

SwttctiSwitch

2、典型的廣域網技術有：

Modems

ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork)

DSL(DigitalSubscriberLoop)?Framerelay

ATM(AsynchronousTransferMode)

T-CarrierSeries(Tl,T3,etc.)

SONET(SynchronousOpticalNetwork)

Wide-Ar—aZqtrwoand

1.4計算機網絡的功能和應用

一、計算機網絡的功能

1、資源共享：程序、打印機

2、快速傳輸信息:E-MAIL

3、數據信息的集中和綜合處理：網絡數據庫應用系統

4、資源的可用性與可靠性：平衡負載、后備

5、任務的分布處理

二、計算機網絡的應用

1、信息檢索

2、現代化的通信方式

3、辦公自動化

4、管理信息系統

5、電子商務

6,遠程教育與E-Learning

7、遠程醫(yī)療

8、生活娛樂

1.5計算機網絡的組成與結構

見前面

重點反復強調

1.6計算機網絡拓樸結構

一、數學中的圖論

二、網絡的拓樸結構：

將通信子網中的具體設備視為“點或線”采用拓樸學的方法抽象出的關于節(jié)點與鏈路的幾何

構型

三、常見的網絡拓樸結構

?總線型?星型?樹型?環(huán)型?網狀型

為什么要研究網絡的拓樸結構

網絡拓樸結構是決定網絡性能的主要因素。

構造網絡時，首先要選擇采用何種網絡拓樸結構來物理連接所有的節(jié)點與計算機。

1、線性總線

(Ethernet)

所有節(jié)點直接連到一條物理鏈路上，除此之外節(jié)點間不存在任何其他連接。

每一個節(jié)點可以收到來自其他任何節(jié)點所發(fā)送的信息

優(yōu)點：簡單、易于實現

缺點：可靠性和靈活性差、傳輸延時不確定

2、環(huán)型結構

(Token-Ring)

節(jié)點與鏈路構成了一個閉合環(huán)，每個節(jié)點只與相鄰的兩個節(jié)點相連。

每個節(jié)點必須將信息轉發(fā)給下一個相鄰的節(jié)點。

優(yōu)點：簡單、易于實現，傳輸延時確定。

缺點：維護與管理復雜

雙環(huán)

(FDDI)

兩個非相連的獨立同心環(huán)

主環(huán)+備用環(huán)(同一時刻只有一個環(huán)在使用)

優(yōu)點：在單環(huán)之上增加了高度的可靠性。

缺點：維護與管理復雜，投資大

3、星型(Ethernet)

網絡由各節(jié)點以中央節(jié)點為中心相連接，各節(jié)點與中央節(jié)點以點對點方式連接。

節(jié)點之間的數據通信要通過中央節(jié)點

優(yōu)點：結構簡單，管理方便，可擴充性強，組網容易。

缺點：中心節(jié)點成為全網可靠性的關鍵

4、擴展星型

(campus-bascd)

星型結構的重復(中央星型拓樸上的節(jié)點是另一個星型拓樸的中心節(jié)點).

減少了鏈路與設備的投資

優(yōu)點：在星型的優(yōu)點之外，更富于層次，從而可隔離某些網絡流量

5、層次結構(LAN/WAN)又稱樹型結構

數據流具有明顯的層次性

6、網狀結構(廣域網)

又稱無規(guī)則型。結點間的連接是任意的，不存在規(guī)律。是目前

數據的傳輸有賴于所采用的網絡設備

優(yōu)點：多條鏈路提供了冗余連接

缺點：結構復雜

7、完全網狀結構

每一個節(jié)點均與其他每一個節(jié)點直接相連。

數據的傳輸有賴于所采用的網絡設備

優(yōu)點：多條鏈路提供了冗余連接

缺點：鏈路隨著節(jié)點數目的增加呈指數增長。

Homework

復習本章內容pl71,2,3,4.3,4.4

預習下一章(計算機網絡的體系結構)

為什么要分層？

體系結構中的相關術語和概念

OSI的各層及功能

TCP/IP及其與OSI的比較

第二章計算機網絡體系結構

教學目標

計算機網絡體系結構的概念

ISO/OSIModel

TCP/IP

ISO/OSIModel和TCP/IP的比較

重點與難點

計算機網絡體系結構（層，服務，接口，協議）

ISO/OSI模型（物理層，數據鏈路層，網絡層，傳輸層，會話層，表示層，應用層）

數據封裝（APDU,PPDU,SPDU,分段，分組或包，幀，比特）

2.1計算機網絡體系結構概述

一、網絡通信的一般模型

計算機網絡所采用的一般模型為層次模型.

LayerLayer

N-1N-1

二、為什么要分層？

以文件傳輸為例說明網絡傳輸的復雜性

?線路質量問題

?尋址問題

?選路問題

?傳輸中錯誤問題

?擁塞問題

?速度匹配問題

?文件系統不同問題

?多用戶問題

分層的目的是為了降低復雜性，提高靈活性--“分而治之，各個擊破”

以郵件傳遞為例說明分層的好處：

YouYourfriend

PostofficeAPostrule

PostofficeB

Airportrule

WuhanAirportBeijingAirport

三、分層的原則

?分層是根據功能的抽象分層

?每個層次所要實現的功能或服務均有明確的規(guī)定

?不同的系統分成相同的層次，對等層次具有相同功能。

?每層功能的選擇應有利于標準化

?高層使用下層提供的服務時，下層服務的實現是不可見的

?層次的數目要適當（太少功能不明確，太多體系結構過于龐大）

與層次模型相關的若干術語

1、源和目標

源：通信過程中，數據的發(fā)送方

目標：通信過程中，數據的接收方

2、實體與對等實體

Entity（實體）：每?層上的活動元素，包括實現該層功能的所有硬件與軟件

Peer-peerentity（對等實體）：相互通信的兩個不同機器上的同一層次

4、服務與接口

Service（服務）：每一層為上一層所提供的功能稱為服務。N層使用N-1層所提供的服務，

向N+1層提供更高的服務。

Interface（接口）：定義下層向其相鄰的上層提供的服務及原語操作，但服務的實現細節(jié)對

上層是透明的（不可見的）。

5、協議與協議數據單元

?協議（Protocols）和N層協議

?協議可以使通信更有效地進行。

?從源到目標還會出現數據傳送的混亂

定義：為網絡通信所制定的一組規(guī)則、約定和標準。

網絡通信是一種層到層的對等通信，第N層上的通信規(guī)則或約定稱為N層協議

6、協議的三大要素

語法：定義數據和控制信息的格式

語義：規(guī)定協議語法成分的含義

時序：協議語法成分的順序和速度匹配關系

關于協議要素的比喻

例1：信封的格式由語法來定義，而格式的含義由語義來規(guī)定。

例2：老師講課:

語法：中文語法規(guī)則

語意：有意義的中文，含有一定的信息量，言之有物

時序：老師先講，同學提問

7、數據單元（PDU）

?按每層協議所采用的數據格式，被對等實體用于執(zhí)行其相同的協議

?網絡中所傳送的數據的邏輯組成單元

?從高層到下層，存在數據的封裝過程

?從下層到高層，存在數據的拆封過程

四、計算機網絡的體系結構

1、定義：網絡功能分層結構與各層協議的統稱。

不同的網絡體系結構中分層的數量、各層的名稱、內容與功能會有所不同。

網絡體系結構的例子：

IBM的SNA（系統網絡結構）-1974

DEC的DNA（分布型網絡的數字網絡體系）-1975

2、網絡體系結構的標準化

?Early1980's---Mid1980's

?計算機網絡規(guī)模與數量的急劇增長

?許多不同規(guī)格與實現的網絡產品之間難以進行互操作

?專用系統的嚴重阻礙了計算機網絡的發(fā)展

3、專用技術與開放技術的對比

專用(Proprietary)：個別廠商開發(fā)、擁有并控制一個公司或一個公司集團掌握了整個技術

開放(Open):技術的免費使用是對公眾開放的，不同廠商的網絡產品可以互相兼容，進行互

操作.

五、ISO的計算機網絡體系結構模型

1、通過對當時已有的計算機網絡體系結構進行研究，借鑒其精華之處，于1984年公布了一個

標準(文件ISO7048)。

2、OSIRM(OpenSystemInterconnectingReferenceMode)1

一個概念模型，并未確切描述用于各層的協議和服務，所以并不是嚴格意義上的體系結構

目前在計算機網絡通信中的主流模型

3、OSI模型的意義

WhyaLayeredNetworkModel?

7

-Application

6?Reducescomplexity

-Presentation?Standardizesinterfaces

5?Facilitatesmodularengineering

-Session

?Ensuresinteroperabletechnology

4

Transport?Acceleratesevolution

3?Simplifiesteachingandlearning

Network

2

-DataLink

1

Physical

?CiscoSystefns.tnc.1999

Interoperable能共同操作的(0)能共同使用的

Facilitate促進

通信子網

因E

__?Application

Application,ApplicationAPDU

PresentationRepresentation-protocol_____resentationPPDU

Session--protocoL___

SessionSessionSPDU

_Jransport

TransportTransportSegmen

NetworkNetworkNetwork(NetworkNetwork

DataLinkDataLinkDataLinkDataLink|DataLinkFram

[Physical|1■

PhysicalPhysicalPhysicalBits

4、OSI中的數據傳輸

數據流從源的匕層逐層流向下層，在目的端則由下層逐層流向上層

源-數據封裝：

APDU->PPDU->SPDU->Segments->Packet->Frame->Bits

目的-數據的拆封：

Bits->frame->Packet->Segment->SPDU->PPDU->APDU

數據封裝的例子

DataEncapsulationExample

⑥Cr?ct>SyMams.tnc.T999

5、OSI模型各層的名稱和功能

Layer7:應用層

Layer6:表示層

Layer5:會話層

Layer4:傳輸層

Layer3:網絡層

Layer2:數據鏈路層

Layer1:物理層

1、物理層的功能

負責實際或原始的數據“位（BIT）”傳送，通過傳輸介質將比特流由一個節(jié)點傳向另一

個節(jié)點。

節(jié)點通常分為DTE與DCE兩大類。DTE為用戶端接設備，DCE為數據控制設備。

該層協議的功能是定義網絡物理設備DTE/DCE的接口。物理層協議具有四個特性：

機械特性：設備接插件的規(guī)格、尺寸、引腳數量和排列等

電氣特性：信號電平的高低、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制等

功能特性：物理接口上各信號線的功能

規(guī)程特性：利用各信號線傳輸二進制位流的一組操作規(guī)程，即各信號線工作的規(guī)則和先后

順序。如何建立與拆除物理連接、全雙工或半雙工、同步還是異步傳輸。

2、數據鏈路層的功能

?實現兩個相鄰的機器間的無差錯的傳輸。通過對物理層提供的原始比特流傳輸服務的

加強，向網絡層提供服務

?成幀：規(guī)定數據鏈路層最小的數據傳送邏輯單位——幀的類型和格式。將從網絡層接

收的信息分組組成幀后傳送給物理層，由物理層傳送到對方的數據鏈路層。

?物理尋址和對網絡拓樸的存取

?差錯控制：在信息幀中帶有校驗字段，當接收方收到幀時，按照選定的差錯控制方法

進行校驗，在發(fā)現差錯時進行差錯處理。

?流量控制：協調發(fā)送方與接收方的數據流量，使發(fā)送速率不要超過接收方速率。

?共享介質環(huán)境中的介質訪問控制

?鏈路管理：建立、維持與釋放數據鏈路。

3、網絡層的功能

?涉及將源端發(fā)出的數據（分組）經各種途徑送到目的端，從源端到H的端可能要經過

許多的中間節(jié)點一互連和路徑選擇（源網絡-目標網絡）

?通信子網的最高層，但是處理端到端（主機一主機）數據傳輸的最低層。

?信息分組的類型和格式

?邏輯尋址

?路由和轉發(fā)

?擁塞控制

4、傳輸層的功能

?為高層數據傳輸建立、維護與拆除傳輸連接，實現透明的端到端的傳輸（主機-主機）

?真正意義上的從源到目標的“端到端”層，源端的某程序與源端的“類似”程序進行

對等通信

?屏蔽了上三層（面向應用）和下三層（面向數據傳輸）之間的界限，彌補網絡所提供

的服務質量的不足，提供可靠的網絡服務

?信息的分段（源端）和合并（目標端）

?流量控制和差錯恢復

?多路復用

5、會話層的功能

?建立、管理和終結不同機器上的應用程序或進程間的會話

?為表示層提供服務

?會話（Dialogue）的管理：令牌（Token）

?會話的同步檢查點（Checkpoint）

6、表示層的功能

?表示層以卜.各層只關心可靠的數據傳輸，而表示層關心的是所傳送數據的語法和語義。

完成語法格式的轉換

?不同的計算機可能有不同的內部數據表示（抽象語法），表示層收到應用層傳過來的某

種語法形式的數據后，將其轉換成適合在網絡實體間傳送的公共語法（傳送語法）表

示的數據。包括數據表示格式和轉換、數據壓縮、加密與解密、協議轉換等

?與接收方協商所采用的公共語法類型

?表示層對等實體間連接的建立、數據傳送與連接釋放。

7、應用層的功能

?OSI的最高層，也是離用戶最近的層，是計算機網絡與用戶之間的界面

?由若干的應用進程或程序組成。網絡通過應用層為用戶提供多種網絡服務。

?常見應用層服務：

目錄服務

電子郵件

文件傳輸

虛擬終端

前面我們說的通信子網指的就是1、2、3層。

2.3TCP/IP模型

一、TCP/IP與Internet

20世紀70年代中期：ARPA實現異種網互連，TCP/IP出現

1980年前后：ARPA將ARPA上的所有機器轉向該協議，并資助開發(fā)用于UNIX的TCP/IP協

議

1985年：NFS涉及TCP/IP協議的研究與開發(fā)，其所資助的所有網絡機構均采用該協議

NOW：若干協議組成的完整的協議簇/一個網絡協議體系。

二、異種網絡互連的唯一協議體系，適用于不同機型（從PC到巨型機）、不同類型的網絡（從

局域網到廣域網）。

TheTCP/IPModel

<§)Ci?cotnc.t

2.3.2TCP/IP模型中的各層主要協議

FTPtelnetHTTPSMTSNMPDNS其

TCPUDP

IP

ARP/RARPICMP

EthernetTokenRinsFDDIATM其他

1、主要協議的名稱

FTP:filetransportprotocol

DNS:domainnameservice

HTTP:hypertexttransferprotocol

SMTP:simplemailtransportprotocol

TFTP:trivialfiletransportprotocol

TCP：transportcontrolprotocol

UDP:userdatagramprotocol

IP：internetprotocol

2、關于TCP/IP的說明

?TCP/IP是OSI模型之前的產物，所以兩者間不存在嚴格的對應關系。

?不存在與OSI中的物理層與數據鏈路層相對應的部分。因為TCP/IP用于異構網絡的互連,

支持各種網絡拓樸結構，所以在該兩層無限定。

?最主要的協議是TCP協議與1P協議。兩者可聯合使用，也可單獨與其他協議配合使用。

3、兩種模型的對比：

OSIModelTCP/IPModel

ApplicationApplication

Presentation

Session

TransportTransport

NetworkInternet

DatalinkNetwork

OSI與TCP/IP的比較

A、類似之處

?均為層次結構

?存在可比的傳輸層和網絡層

?均有應用層，但其所提供的服務有所不同

?均是一種基于協議數據單元的包交換網絡

?作為概念上的模型和事實上的標準，具有同等的重要性

B、不同之處

?TCP/IP將OSI中的上三層合并成了?個應用層

?TCP/IP將OSI中的下地層合并成了一個網絡存取層

?TCP/IP由于層次更少顯得比OSI更簡潔

?TCP/IP作為從INTERNET上發(fā)展起來的協議，已成了網絡互連的事實標準，但目前還沒

有按OSI實現的網絡產品。

?OSI僅作為理論的參考模型被廣泛使用.

Homework

復習本章內容

在常規(guī)的復習總結之外，分析考慮如下問題：OSI模型或TCP/IP模型如何與你所知道的

INTERNET上的數據傳輸聯系起來？舉例說明。

預習下一章的部分內容（數據通信基礎）

有哪些相關的術語？

數據通信要解決什么問題？

有哪些數據編碼方式？

第三章物理層

教學目標

數據通信的基礎知識

傳輸介質

物理層的網絡互連設備

物理接口

重點和難點

信息/數據/信號

模擬通信和數字通信信道，介質，）

基帶傳輸/數字數據編碼（NRZ,曼徹斯特編碼，差分曼徹斯特編碼）

頻帶傳輸/模擬數據編碼（調制，解調，幅移鍵控，頻移鍵控，相移鍵控）

信道帶寬/數據傳輸速率

單工通信、半雙工通信、全雙工通信

串行通信/并行通信

3.1數據通信基礎

一、基本概念

1、信息、數據和信號

?信息：不同形式表達的知識，通信的目的是交換信息

?數據：信息的載體，可以是數字、文字、聲音、圖形與圖象等形式。在計算機中，以二進

制代碼表示。同學們所熟悉的數據編碼系統有EBCDIC和ASCII碼

?信號：數據在傳輸過程中的電磁波表示形式

?三者關系：數據是信息的載體，信息涉及數據的內容和解釋，信號則是數據在傳輸過程中

的電磁波表示形式

在計算機網絡系統中，計算機系統關心的是信息所采用的編碼體制（如用ASCII還是EBDIC

來表達字母和數字，采用GIF或BMP表達圖像等）或數據形式；而數據通信系統則關注如何

將表示數據的二進制比特序列轉換成適合于通信系統傳送的信號，包括數據如何用電信號表示

以及如何傳輸信號。

例子:

信息：NETWORK

數據：（用ASCII碼表示）

1001110100010110101001010111100111110100101001011

信號：

用脈沖信號表示的方波圖

2、模擬信號和數字信號

?模擬信號：連續(xù)變化一是關于時間的連續(xù)函數

ACQQSignals

A—An>F>lrtc?c*eU?e，o?i<or

CuvWitvaMBaaw\ZC>N^?Q?>tufsr?">\z?，>

Cv?ri*>arvenrayxzz?K?e1-Merkocl(tarraetoco?Ti|Me*e

?"NA^Mzy"xz??ltcu?9M-M<??????<>CMMMMWW1w?v\/<*<ry<:!??>

Ma?vV'on|>o-ssit>leF-f-re<i<?eri<Tv<cvctes|?er

TIM>rrx>9CtMASUI:^M.A.OU

Morecorvw>9xawalOQsiQrwal

?數字信號：離散的脈沖信號，關于時間的非連續(xù)函數

DigitalSignals

?Notcontinuous(discrete)pulses

?Canonlyhaveoneoftwovoltagelevels

?Voltagejumpsbetweenlevels

?M-adeupofm^riyparticularsinewaves

A-Amplitude(tieigtitofputses>

T=Period

F=Frequency(pulsespersecond)=

<?CiscoSystems,tnc，999

3、通信系統

發(fā)送信號信道帶寬接收信號

?介質與信道

1.傳輸介質：泛指計算機網絡中用于連接各個計算機的物理媒體，特指用來連接各個通

信處理設備的物理介質。包括無線與有線兩大類。

2.通信信道：傳送信號的一條通道，其建立在傳輸介質之上，但包括了傳輸介質和通信

設備。同一傳輸介質上可提供多條信道，一條信道允許一路信號通過。

?信道的類型

1.模擬信道與數字信道

按相應的數據在傳輸過程中采用的信號方式劃分。

2.信道與無線信道

按信道所基于實現的傳輸介質劃分。

?數字通信系統

發(fā)送數字信號信道帶寬接收數字信號

?模擬通信系統

計算機—?D/A轉換—?模擬信道—AA/D轉換—?計算機

發(fā)送模擬信號信道帶寬接收模擬信號

問題一：

?數據如何用電信號表示？

?基帶傳輸與數字數據編碼

?頻帶傳輸與模擬數據編碼

VocabularyandTerm

?模擬通信和數字通信（信道、介質）

?基帶傳輸/數字數據編碼（NRZ,曼徹斯特編碼，差分曼徹斯特編碼）

?頻帶傳輸/模擬數據編碼(調制，解調，幅移鍵控，頻移鍵控，相移鍵控)

3.2基帶傳輸

?基帶信號：矩形脈沖信號是二進制比特的典型表達方式，按傅利葉分析，其由直流、低頻、

高頻的多個成分組成。在其頻譜中，從零開始的能量集中的一段頻率范圍稱為基本頻帶，

簡稱基帶。基頻等于脈沖信號的固有頻率。與基帶對應的數字信號稱為基帶信號。

?基帶傳輸：在數字信道上直接傳送數據的基帶信號

?特點：

1.抗噪聲能力強，成本低，傳輸速率高

2.信號衰減嚴重，只能利用有線介質近距離傳輸

3.基帶信號頻帶寬，傳輸時要占用整個傳輸介質的帶寬

一、數字數據編碼

數字數據編碼的任務是如何將二進制比特轉換成適合在數字信道上傳送的數字信號：

?不歸零(NRZ,Non-RctumtoZero)編碼

?Manchester編碼

?差分Manchester編碼

A、NRZ編碼：

規(guī)則：以高電平表示邏輯“1”，低電平表示邏輯“0”。

特點：由于不能判斷位的開始與結束，收發(fā)雙方不能保持同步，需要用另個信道同時傳

送同步信號。

B、Manchester編碼

規(guī)則：將每比特周期T分為前T/2和后T/2；前T/2傳送該比特的反碼，后T/2傳送該比特

的原碼。

特點：任何兩次電平跳變的時間間隔是T/2或T,提取電平跳變信號可作為收發(fā)雙方的同

步信號，不需要另外的同步信號。即“自含時鐘編碼”。

C、差分Manchester編碼

規(guī)則：對Manchester編碼的改進，保留每比特中間的跳變作同步之用：每比特的值則根據其

開始處是否出現電平的跳變來決定，有跳變者為“0”，無跳變者為二進制“1”

特點：電路復雜，抗干擾能力強。

示例:見P36圖3-4

二、目前常用的數字編碼

ManchesterandNRZ編碼在基于銅纜的網絡中較為普遍arepopularoncopper-based

networks.

Manchesterand4B/5B,甚至8B/10B編碼則在基于光纖的網絡中被廣泛使用

3.3頻帶傳輸

?頻帶傳輸：由于基帶傳輸的近距離限制，在遠距離傳輸中通常采用模擬信道。利用模擬信

道，傳輸二進制數據的方法稱為頻帶傳輸。

?關鍵技術問題：如何將計算機中的數字信號轉化為適合模擬信道傳輸的模擬信號。

?解決方案

將要傳送的數字數據“寄載”在載波上，利用數字數據對載波的某些特性(振幅、頻率、

相位)進行控制，使載波特性發(fā)生了變化，然后將變化了的載波送往線路進行傳輸

?調制與解調

1.調制：在數據發(fā)送端，將數字數據寄載在載波上的過程稱為調制(modulation)

2.解調：在接收端，當攜帶數據信號的載波到達時，將數字信號從中分離出來的過程稱

為解調(demodulation)。

?三種基本調制方法

根據調制過程中所采用的載波的特性不同，分為三種基本調制方法：y=Asin((ot+(p)

1.幅移鍵控(ASK,Amplitude-ShiftKeying)：通過載波信號的振幅變化來表示二進制信

號“0”與

2.幅移鍵控(FSK,,Frequency-ShiftKeying)：改變載波信號的頻率來表示二進制信號"0"

與“1”

3.相移鍵控(PSK,Phase-ShiftKeying)：通過改變載波信號的相位值表示二進制信號“0”

和“12按照使用相位的絕對值或相位的相對偏移兩大表示分為絕對調相和相對調相：

按對一個完整周期的相位的劃分方式分為二相制、四相制、八相制等。

?三種調制方式的比較

1.幅移鍵控：技術簡單，抗干擾能力差

2.頻移鍵控：技術簡單，抗干擾能力強

3.相移鍵控：技術較復雜，抗干擾能力強，編碼效率高

4.目前在網絡中廣為使用的調制方式為三種基本方式的變種。

問題2：信號如何傳輸？

1、對信道的要求

2、串行通信與并行通信

3、單工通信、半雙工通信、全雙工通信

4、多路復用技術

5、異步通信與同步通信

VocabularyandTerm

?信道帶寬/數據傳輸速率

?單工通信、半雙工通信、全雙工通信

?串行通信/并行通信

?頻分多路復用/時分多路復用/波分多路復用

?同步傳輸和異步傳輸

數據通信的理論基礎一Fourier分析

任何正常的周期函數，都可以由無限個正弦和余弦函數合成，這些函數為基頻的n次諧波

(n=l,2,…8)

FourierSyrrttieslsofaSquareWave

1、信號傳送與信道帶寬

?信道帶寬：信道中信號的頻譜范圍

?信道帶寬與信號傳送：信道的帶寬至少要能保證基頻信號(基次諧波)的通過；而且信道

帶寬越寬，信道中所能通過的高次諧波的次數就越高，從而在接收端信號還原后的失真就

越小。

2、信道帶寬與數據傳輸速率

?數據傳輸速率：數據傳輸中線路上每秒內傳輸的二進制數據位數，其單位為bps(bitper

second)

?由脈沖信號的Fourier分析可知：脈沖越窄，數據傳輸速率越高，但為了使信號不失真通過

通信信道所需要的信道帶寬越高。

?信道帶寬與數據傳輸速率：限制信道的帶寬，就是限制數據傳輸速率；提高信道的帶寬，

就是提高數據傳輸速率。

3、兩個定理

?Nyquist定理Nyquist定理給出了有限帶寬的無噪聲信道的最大數據傳輸速率：

最大數據傳輸速率=2Hlog2V(b/s)

其中，H為信道帶寬，V表示被傳信號的電平級數。

例如：一個無噪聲的帶寬為3KHz的信道若用于傳送二進制數(V=2),則最大數據傳輸速率

不可能高于6000bps.

?Shannon定理給出了有限帶寬的噪聲信道的最大數據傳輸速率：

最大數據傳輸速率=Hlog2(l+S/N)

其中，H為信道帶寬，S/N為信道的信噪比。

例如：一個信噪比為30db、帶寬為3KHz的信道若用于傳送數據，則不管使用多少級的信號電

平，其最大數據傳輸速率絕不可能高于30001og2(l+1000)bps.(分貝數=10xbgi0(S/N)

4、通信方式

?單工通信：數據傳送只能在一個固定的方向上進行，任何時候都不能改變方向。

例子：廣播、電視

?半雙工通信：信號可以雙向進行，但不可同時進行，一個時間只能有一個方向的傳送

例子：對講機、計算機一終端

?雙工通信：信號可以同時進行雙向發(fā)送

例子：計算機一計算機

?串行通信：數據流以串行方式在一條信道上傳輸。存在字符同步問題

例子：電話線路傳送數據信號

?并行通信：數據以成組方式在多個并行信道上同時傳輸。在并行傳輸中，一次傳送一個字

符，所以不存在字符同步問題。

例子：計算機中的總線

?串行通信與并行通信的比較

1.在相同的發(fā)送時鐘下，并行通信的數據傳輸速率將大于串行通信。

2.并行通信需要多個并行信道，實現昂貴。

3.并行通信方式適合于近距離通信(如計算機中)而在遠程通信中一般采用串行通信方式

?串/并與并/串轉換

當計算機通過串行信道相互通信時，在發(fā)送方要進行并/串轉換，而在接收端要進行串/并轉換

并行傳輸串行傳輸并行傳輸

5、多路復用技術

?多路復用：在?條物理線路上建立多條通信信道的技術

?意義：多路復用使得在同一傳輸介質上可傳輸多個不同信源發(fā)出的信號?？沙浞掷猛ㄐ?/p>

線路的傳輸容量，提高傳輸介質的利用率

?常用多路復用技術：

頻分多路復用(FrequencyDivisionMultiplexing)

時分多路復用(TimeDivisionMultiplexing)

波分多路復用(Wave-lengthDivisionMultiplexing)

?多路復用系統的結構

s多多

路路

復高速通信線路復?

用用口

A、頻分多路復用(FDM)

?工作原理：將一個具有較大帶寬的線路劃分為若干個具有較小帶寬的信道，各條信道的中

心頻率互不重合，相互間留出一個適當的頻率范圍作保護頻帶用以減少干擾。然后將多路

信號分別調制到各個信道中，在線路上同時進行傳輸

?用途：主要用于傳送模擬信號。頻帶傳輸因此也被稱為寬帶傳輸。

?例如：在公用電話網絡上，12條語音信道復用在60-108KHZ或12-60KHZ的頻帶上。

示例:見書P46圖3.16

B、忖分多路復用(TDM)

?工作原理：將一條信道的工作時間劃分為若干個時間片(timeslot),每個時間片供一路信

號傳輸信號用，多路信號按時間片輪流使用通信線路的全部帶寬。

?用途：既可用于傳輸數字信號，也可用于傳輸模擬信號。

舉例：T1載波(Carrier)或E1載波(Carrier)。示例：見書P47圖3.17

時分多路復用示例一T1

?由Bell公司制訂

?利用TDM和PCM技術提供24路語音信號在一條通信線路上的復用標準。

?每路語音信號首先要經脈沖編碼調制(PCM)進行數字化。PCM的編碼解碼器每秒采樣

8000次，即采樣一次的時間為125Ps

?然后24路信號用TDM技術組成1幀信號，即每個語音信道依次在其使用的時間片內插入

8比特(7位數據，I位控制)。幀由1位幀標識位來標識

?PCM的編碼解碼器每秒采樣8000次，相當于T1我波每秒發(fā)送8000幀或每125口s產生一

個193(8*24+1)比特的幀

?每信道的數據傳輸速率：8000*7=56Kbps

?T1的總數據傳輸速率可以達到:24*8000*7=1.544Mbps

193位幀（125MS）

**—信道1—A<—信道2—A<—信道3—A<一信道4—?＜一信道24f

IIIIIIIIILIU

第1位為第8位為

每信道每樣本

幀標識碼信號位

7個數據位

B1、脈沖編碼調制(PCM)

?PCM(PulsecodeModulation)：將模擬信號轉換成數字信號的一種基本方法

?典型應用：語音數字化

?工作原理：采樣一量化一編碼(三部曲)

語音數字化的示例

模擬信源

模擬信號數字信號模擬信號

?PCM的采樣

模擬信號數字化的第一步

按一定的時間間隔，將模擬信號的電平幅度取出來作為樣本，讓其表示原始信號。

采樣定理：若以至少兩倍于最高有效信號頻率的速率對模擬信號進行采樣，則其樣本包含足以

重構原模擬信號的所有信息。（fsN2fo）

?PCM的量化

模擬信號數字化的第二步-將采樣樣本按量化級進行離散化的過程。

通過將采樣所得樣本與預先規(guī)定的量化級進行比較，進行取整定級。

量化級的多少取決于量化的精度。級數越高，量化精度越高，但所需的編碼位數相應越多。

?PCM的編碼

模擬信號數字化的第三步。

用相應位數的二進制代碼表示采樣樣本的量化級。

量化級數越多，所需的編碼位數相應志越多。

e.g.：8級一3位，16級一4位T1（128級）一7位

C、統計時分多路復用（STDM）

?工作原理：將普通時分復用中時間片的固定分配方式為動態(tài)分配方式，即若規(guī)定時間片內

相應的信道無信號發(fā)送或信號提前發(fā)送完畢，則后續(xù)的信道可提前使用自己的時間片。

?用途：解決帶寬的浪費問題，提高信道帶寬的利用率

?舉例：ATM（異步傳輸模式）

D、波分多路復用

?光纖上進行信道復用的技術

?一根光纖的帶寬可達25000GHZ,而通常?路光信號的帶寬只有兒GHZ

?頻分多路復用技術的變種

?不同頻率或波長的光在經過相同的光折射介質后，其光路將會不同一折射率與光的頻率或

波長有關

示例見書P48圖3.19

6、同步技術

?同步：接收端按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的起止時刻和重復頻率來接收數據，通信雙方

在時間基準上保持一致。

?同步過程：在通信過程中，接收端按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的起止時刻和重復頻率來

校正自己的時間基準和重復頻率的過程，

?常用的同步方法：位同步、字符同步

A、位同步：使接收端接收的每一位都和發(fā)送端發(fā)送端發(fā)送的每一位保持準確的同步。

位同步的類型：

外同步：根據發(fā)送端所在發(fā)送的同步時鐘作為接收端同步標準的方法。如NRZ編碼所采用

的方法。

內同步：從自含時鐘編碼的發(fā)送數據中提取同步時鐘的方法。如Manchester編碼和差分

Manchester編碼。

B、字符同步：以字符或字符組為單位所采用的同步技術。

類型：

起止式或異步式

同步式

7、異步傳輸

?每個字符作為一個獨立的整體進行傳送，字符之間的時間間隔是任意的。

為了進行字符的同步，在每個字符的第一位前加1位起始位，在其最后一位加1、1.5或2位的

終止位。

8、同步傳輸

?將字符以成組的形式連續(xù)傳送，取消了每個字的同步位，而在每組字符前（和后）加上同

步標志。根據該標志來實現比特同步利確定字符的起始。

類型：

1.面向字符的同步（標志采用同步字符）

2.面向位的同步（標志采用同步位串）

9、同步傳輸和異步傳輸的比較

A、異步傳輸：

開銷大，效率低；控制簡單，若傳輸有錯，只需重傳出錯的字符。

B、同步傳輸

開銷小，傳輸效率大；當所傳輸的數據塊中出現與同步字符或同步標志位相同比特序

列時，需提供解決方案（如轉義字符，位填充技術）；一次傳輸出錯，需重傳整個數據

塊。適用于高速傳輸。

三、傳輸介質

?傳輸介質：泛指計算機網絡中用于連接各個計算機的物理媒體，主要指用來連接各個通信

處理設備的物理介質。

?類型：有線介質和無線介質

?性能指標：物理特性、傳輸特性、地理范圍、抗干擾性、價格（包括安裝與維護費用）

1、無屏蔽雙絞線（UTPUnshieldedTwistedPair）

?由四對直徑為22或的銅纜組成。每兩條線互絞成一對。

?阻抗：100ohms.

?外徑:.43cm

?信號的最大傳輸距離：100M

?傳輸速率：10M-1000Mbps

?易于安裝，價格低廉

?基于銅介質提供了最快的數據傳輸速率。

?信號衰減大，抗干擾和噪聲差。

問題：雙絞線為什么要絞在一起

2、屏蔽雙絞線（STP）

?與無扉蔽雙絞線有較多的相同點。

?阻抗：150Ohm

?集成了屏蔽與抵消技術，抗干擾性強。

?價格較無屏蔽雙絞線高，安裝也較無屏蔽雙絞線復雜。

3、同軸電纜

?按傳輸特性分為兩大類：基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜

?阻抗：基帶同軸電纜50Ohm/寬帶同軸電纜75Ohm

?基帶同軸電纜又分為粗纜和細纜：粗纜傳輸距離：500m/細纜傳輸距離：185m

?具有較高的噪聲抑制特性，抗干擾能力強。

?價格居中，安裝難度居中。

?目前已不再推薦使用

4、光纖

?基于光的全反射原理制造的光傳輸介質。在折射率較高的光傳輸層之外加上折射率較

低的包裹層。

?直徑：Um數量級

?不受外界電磁波和噪聲的干擾，傳輸質量高；

?安全性與保密性好

?數據傳輸速率高達Gbps數量級

?類型：單模（注入式激光二極管ILED/3km）與多模光纖（發(fā)光二極管/2km）

5、無線傳輸

?無線傳輸的信號可以是電磁波的任意形式：無線電波，微波，紅外線等

?不存在有形的物理介質

?常見形式：無線通信微波通信紅外通信

?用途：

移動通信

無線局域網（WLANs）theIEEE802.11standards.

6、傳輸介質的選擇

?傳輸介質的選擇要考慮多種技術和非技術的因素：

?網絡技術（拓樸結構/連接方式）

?網絡的通信流量（傳輸容量）

?可靠性和安全性

?地理和環(huán)境因素（介質形式和傳輸距離）

?價格（建設與維護成本）

四、信號在介質中傳輸存在的問題

?信號在介質中傳輸會不可避免地存在噪聲。

?噪聲與信號的疊加會引起數據傳輸的錯誤

?信道中噪聲的大小由信噪比S/N來度量，提高介質性能的一個主要目標是提高其信噪比。

?噪聲的類型

1.熱噪聲：介質中的電子熱運動引起，時刻存在，幅度較小，強度與頻率無關，但頻譜

較寬。具有隨機性。

2.沖擊噪聲：外界電磁干擾引起，幅度較大，呈突發(fā)性。

3.近端串擾：可通過絞線或良好的端接來解決

4.接地噪聲：非良好接地引發(fā)的交流噪聲。

5.信號反射：