计算机网络基础与实践438页教学课件全书电子教案.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第六级,第七级,第八级,计算机网络基础与实践,*,计算机网络基础与实践,教学内容介绍,本教材全面而又系统地介绍了计算机网络的基本理论和实际操作知识、计算机网络应用的常用工具，实践教学结合Cisco Packet Tracer软件，帮助理解相关理论知识、增强实践技能，培养运用理论知识解决实际问题的能力。,网络认知,1,2,网络组建,网络应用,4,网络安全,5,3,网络管理,计算机网络基础与实践,2,项目一 网络认知,认识计算机网络,认识Packet Tracer软件,使用Packet Tracer搭建网络拓扑,熟悉数据通信,认识网络新技术,计算机网络基础与实践,3,学习目标,知识目标,了解计算机网络的定义、发展、功能,熟悉计算机网络的组成、分类、标准,了解数据通信的基本概念,熟悉数据通信的常用技术,能力目标,熟悉Packet Tracer软件的界面、运行模式,学会使用Packet Tracer软件添加网络设备、功能模块,学会使用Packet Tracer软件查看设备显示信息,学会使用Packet Tracer软件观察网络连通情况,计算机网络基础与实践,4,案例导入,自从上世纪末，互联网在我国开始传播，计算机网络技术快速发展，现已成为我国社会结构的一个基本组成部分，网络普及率逐年上升，网络应用逐渐成熟。工业、企业借助计算机网络对广泛分布于各地的业务进行及时、统一的管理与控制，并实现全企业范围内的信息共享，从而大大提高企业在市场中的竞争能力。在农业领域，可以通过计算机网络分析各类农业资源分布情况，实现资源的合理开发利用。邮电部门利用遍及全国乃至全球的计算机通信网为用户提供邮政服务。文化教育系统通过计算机网络进行资料检索和远程教育，使教育资源进行了合理的分配和利用。科学研究部门利用计算机网络进行地震预测、气象预报、生物控制等。可以说，网络在我们的生活中无处不在。那么到底什么是计算机网络呢？,计算机网络基础与实践,5,任务一 认识计算机网络,认识计算机网络将从以下几个方面进行：,初识网络；,计算机网络的发展；,计算机网络的功能；,计算机网络的组成；,确定网络类别；,网络标准化组织。,计算机网络基础与实践,6,任务1.1 初识网络,计算机网络=通信技术+计算机技术,定义：将分布在不同地理位置上的多个具有独立功能的计算机，利用通信设备和通信线路连接起来，在网络系统软件和通信协议的控制下，实现信息传递、资源共享的计算机系统。,要点：,（1）连接对象：不同地理位置、功能独立；,（2）如何连接：通信设备和通信线路；,（3）如何控制：网络系统软件和网络协议；,（4）连接目的：信息传递和资源共享。,计算机网络基础与实践,7,任务1.2 计算机网络的发展,1、第一阶段：面向终端的计算机通信网,计算机负责数据的处理和通信管理；终端只具有输入/输出功能，离开了计算机，它不能够独立工作。,2、第二阶段：以通信子网为中心的计算机网络,计算机网络基础与实践,8,任务1.2 计算机网络的发展,3、第三阶段：形成计算机网络体系结构,国际标准化组织ISO提出了一个能使各种计算机在世界范围内互联成网的标准框架开放系统互连参考模型OSI。,4、第四阶段：高速计算机网络,当前计算机网络的发展正处于第四阶段。,计算机网络基础与实践,9,任务1.3 计算机网络的功能,1、数据通信,数据通信是计算机网络最基本的功能。它用来快速传送计算机与终端、计算机与计算机之间的各种信息。,2、资源共享,“,资源,”,指的是网络中所有的软件、硬件和数据资源。,“,共享,”,指的是网络中的用户都能够部分或全部地享受这些资源。,计算机网络基础与实践,10,任务1.3 计算机网络的功能,3、分布处理,均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性；对大型综合性问题，可将问题各部分交给不同的计算机分头处理，充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力，即增强实用性。,4、可靠性高,如果单个部件或少量计算机出现失效问题，由于相同的资源分布在不同的计算机上，网络可通过不同路由来访问这些资源，不影响用户对同类资源的访问。,计算机网络基础与实践,11,任务1.4 计算机网络的组成,从资源构成上可划分为网络硬件和网络软件两部分。,网络硬件,计算机网络的基础，主要包括主机、终端、联网的外部设备、传输介质和通信设备等。网络硬件的组合形式决定了计算机网络的类型。,网络软件,网络软件是实现网络功能不可缺少的软环境，通常包括网络协议和通信软件、网络操作系统、网络管理及网络应用软件。,计算机网络基础与实践,12,任务1.4 计算机网络的组成,从逻辑上可划分为资源子网和通信子网两部分。,计算机网络基础与实践,13,任务1.4 计算机网络的组成,资源子网,资源子网主要负责全网的数据处理任务，为网络用户提供网络服务和资源共享功能。,计算机网络,通信子网,通信子网主要负责全网的数据通信，为网络用户提供数据传输、转接、加工和变换等通信处理工作。,注意：,广域网可以明确地划分出资源子网和通信子网，而局域网由于采用的工作原理与结构的限制，不能明确地划分出子网的结构。,计算机网络基础与实践,14,任务1.5 确定网络类别,1、按网络的地理范围分类,（1）局域网（Local Area Network，LAN）,在局部地区范围内由多台计算机互联成的计算机组，通常覆盖范围可以是10公里以内。,（2）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）,在一个城市范围内所建立的计算机通信网，覆盖范围界于局域网与广域网之间。城域网的连接距离可以在10至100公里。,（3）广域网（Wide Area Network，WAN）,也称远程网，所覆盖的范围比城域网更广，覆盖范围可从几百公里到几千公里。,计算机网络基础与实践,15,任务1.5 确定网络类别,2、按网络的拓扑结构分类,拓扑结构：计算机连接的方式。,（1）星型结构,（2）环型结构,（3）总线型结构,（4）树型结构,（5）网型结构,计算机网络基础与实践,16,任务1.5 确定网络类别,（1）星型结构,优点：,安装容易，结构简单，费用低。,便于集中控制，因为端用户之间的通信必须经过中心站。,易于维护和安全。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信。,网络延迟时间较小，传输误差较低。,缺点：,中心系统必须具有极高的可靠性，因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。,计算机网络基础与实践,17,任务1.5 确定网络类别,（2）环型结构,优点：,安装容易，费用较低，电缆故障容易查找和排除。,缺点：,由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；,环路是封闭的，不便于扩充；,可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；,维护难，对分支节点故障定位较难。,计算机网络基础与实践,18,任务1.5 确定网络类别,（3）总线型结构,优点：,安装容易，扩充或删除一个节点很容易，不需停止网络的正常工作，节点的故障不会殃及系统。,由于各个节点共用一个总线作为数据通路，信道的利用率高。,缺点：,由于信道共享，连接的节点不宜过多，并且总线自身的故障可以导致系统的崩溃。,计算机网络基础与实践,19,任务1.5 确定网络类别,（4）树型结构,与星型拓扑结构相比，它的通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。,计算机网络基础与实践,20,任务1.5 确定网络类别,（5）网型结构,优点：,网络可靠性高；,网络可组建成各种形状，采用多种通信信道，多种传输速率；,网内节点共享资源容易；,可改善线路的信息流量分配；,可选择最佳路径，传输延迟小。,缺点：,控制复杂，软件复杂；,线路费用高，不易扩充。,计算机网络基础与实践,21,任务1.5 确定网络类别,3、按网络的管理方式分类,（1）对等结构,对等结构网络中的计算机，它们之间的关系是对等的，连接后双方可以互相访问，没有主次差异。,（2）客户机/服务器结构,服务器是网络的核心，而客户机是网络的基础，客户机依靠服务器获得所需要的网络资源，而服务器为客户机提供网络必须的资源。,计算机网络基础与实践,22,任务1.5 确定网络类别,4、按网络的使用范围分类,（1）公用网,由电信部门或其他提供通信服务的经营部门组建、管理和控制，网络内的传输和转接装置可供任何部门和个人使用；公用网常用于广域网络的构造，支持用户的远程通信。如我国的电信网、广电网、联通网等。,（2）专用网,由用户部门组建经营的网络，不容许其它用户和部门使用；由于投资的因素，专用网常为局域网或者是通过租借电信部门的线路而组建的广域网络。如由学校组建的校园网、由企业组建的企业网等。,计算机网络基础与实践,23,任务1.5 确定网络类别,5、按网络的通信传输介质分类,（1）有线网络,采用有形的传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等组建的网络。,（2）无线网络,采用微波、红外线等无线传输介质作为通信线路的网络就属于无线网络。,计算机网络基础与实践,24,任务1.6 网络标准化组织,网络标准,推动某一网络产品或网络服务应如何设计或实施的技术规范。通过标准，不同的生产厂商可以确保产品、生产过程以及服务适合组网的要求。网络标准化组织负责制定各种网络标准，推动网络向前发展。,计算机网络基础与实践,25,任务1.6 网络标准化组织,国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）,ISO在网络领域的最突出贡献就是提出OSI参考模型，该模型描述了网络的工作机理，为计算机网络构建了一个易于理解、清晰的层次模型。,电子电器工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）,IEEE是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会。主要提供了网络硬件的标准，使各厂商生产的硬件设备能相互连通。IEEE LAN 标准是当今居于主导地位的LAN标准。,计算机网络基础与实践,26,任务1.6 网络标准化组织,电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）,电子工业协会的主要成员是电子产品公司和电信设备制造商。主要定义了大量设备间电气连接和数据物理传输的标准。,国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）,ITU前身是国际电报电话咨询委员会。它定义了很多作为广域网连接的电信网络的标准，如帧中继等。,计算机网络基础与实践,27,任务二认识Packet Tracer软件,传统教学,实践活动受实训时间、实训地点的限制。,Packet Tracer,利用Packet Tracer软件，学生可以在个人电脑上形成一个小型网络实验室，为学生自主学习提供了使得的条件，便于学生及时复习、强化实训内容。,提供可视化、可交互的用户图形界面，来模拟各种网络设备及其网络处理过程。,在进行设备选择时，根据实际需要确定设备的型号。通过各种连接线缆搭建起网络拓扑，非常适合新手学习网络设备的配置与管理，同时也使得实验更直观、更灵活、更方便。,计算机网络基础与实践,28,任务2.1 安装Packet Tracer软件,软件说明,Packet Tracer软件是Cisco公司开发的一个模拟软件，为设计、配置网络及排除网络故障提供了网络模拟环境。学生可在软件的图形用户界面上直接使用拖曳方法建立网络拓扑，软件中实现的IOS子集允许学生配置设备；并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况。,计算机网络基础与实践,29,任务2.1 安装Packet Tracer软件,安装软件,单独的安装文件PT52_setup.exe，双击运行安装程序，按照安装向导单击【下一步】,，即可完成软件的安装。,软件系统需求,（1）运行环境：Windows 2000、Windows XP、Windows Vista、Fedora 7以上；,（2）CPU：英特尔奔腾III 500 MHz以上；,（3）内存：256 MB以上；,（4）硬盘：250 MB以上；,（5）屏幕分辨率：800600；,（6）需安装Macromedia的Flash Player 6.0或以上。,计算机网络基础与实践,30,任务2.2 认识Packet Tracer软件,工作界面包含菜单、快捷工具栏、工作拓扑图区、设备列表区、报文跟踪区几个部分。,1、工作拓扑图区,2、工作区域属性设置,3、拓扑图工作工具,4、设备列表区,在界面的左下角一块区域，这里有许多种类的硬件设备，从左至右，从上至下依次为路由器、交换机、集线器、无线设备、设备之间的连线（Connections）、终端设备、仿真广域网、Custom Made Devices（自定义设备）。单击某种设备时，设备的英文名称就会显示在设备选择区的矩形框中，同时选择区右边会列出该种设备的具体型号。,计算机网络基础与实践,31,任务2.3 区分Packet Tracer软件的运行模式,Packet Tracer软件提供了两种模式，即实时模式和模拟模式。默认模式为实时模式，如果需要在两种模式间进行切换，可以单击工作拓扑图区右下角的两个按钮。,模拟模式,单击【Simulation】按钮，即可进入模拟模式。该模式主要用于模拟数据包的产生、传递和接收过程，并可逐步查看。,实时模式,单击【Realtime】按钮，即可进入实时模式。实时模式顾名思意即时模式，也就是真实模式。该模式提供实时的设备配置和Cisco IOS CLI（Command Line Interface）模拟。,计算机网络基础与实践,32,任务三 使用Packet Tracer搭建网络拓扑,在做网络实验时，为验证某个知识点，我们可以自己动手设计实验。利用Packet Tracer软件可以根据网络实际需求搭建网络拓扑。,Packet Tracer软件提供了很多连接线，每一种连接线代表一种连接方式。在用户进行DIY实验时，如果不能确定应该使用哪种连接线，可以使用自动连接，让软件自动选择相应的连接方式。网络环境搭建好了，接下来就可以模拟真实的网络环境进行配置了，具体怎么样进行操作，我们将逐步深入学习。,计算机网络基础与实践,33,任务3.1 连接PC与交换机,1、在将PC与交换机互连时，选择相应的设备型号，直接拖拽到工作区中。,2、单击选择直通线，一端连接PC的【FastEthernet】接口。,3、直通线的另一端连接交换机的一个【FastEthernet】接口。,4、单击【Options】菜单，选择【Preferences】选项，弹出属性设置对话框。,5、勾选【Hide Device Label】复选框，隐藏设备型号；勾选【Port Labels Always Shown】，显示接口型号；勾选【Show Link Lights】复选框，显示设备连接显示灯，红色表示该连接线路不通，绿色表示连接通畅。,6、把鼠标放置在拓扑图中的设备上会显示当前设备配置信息，如PC当前的配置，如图所示。,7、单击要配置的设备，如果是网络设备（交换机、路由器等）在弹出的对话框中切换到【Config】或【CLI】可在图形界面或命令行界面对网络设备进行配置。如果在图形界面下配置网络设备，下方会显示对应的IOS命令。,计算机网络基础与实践,34,任务3.2 连接交换机与路由器,1、在将交换机与路由器互连时，选择相应的设备型号，直接拖拽到工作区中。,2、单击选择直通线，一端连接交换机的一个【FastEthernet】接口。,3、直通线的另一端连接路由器的一个【FastEthernet】接口。,计算机网络基础与实践,35,任务3.3 连接路由器与路由器,1、使用交叉线连接路由器与路由器，连接两个【FastEthernet】接口。,2、将两台路由器采用“背靠背”连接，可以搭建出模拟的广域网测试环境，使用户能够在搭建出的不同速率的模拟环境中，测试应用系统的运行情况。这种连接需要用到路由器的WAN Serial接口，如果默认设置中没有这种接口，需要用户手动添加。,计算机网络基础与实践,36,任务3.3 连接路由器与路由器,（1）Packet Tracer软件提供给交换机和路由器添加网络功能模块的功能。在网络拓扑图中，鼠标单击某个设备，即可进入该设备的物理配置模式。在该模式下，即可给设备添加一些扩展业务模块以及扩展槽的面板盖。,（2）Packet Tracer软件拓扑图中的设备默认处于运行状态，在给设备添加功能模块时，一定要将设备面板上的电源开关置于关闭状态；否则系统将提示错误，导致不能添加成功。,（3）选择相应模块，这里我们选择【NM-4A/S】，完成添加，再次将电源开关打开。,（4）进行“背靠背”连接时，需要使用DCE或DTE线缆，在出现时钟的一端配置时钟。,计算机网络基础与实践,37,任务3.4 连接路由器与Internet,1、路由器与Internet网云相连,在将路由器连接至Internet网云时，需要将路由器的【FastEthernet】接口与网云的【Ethernet】接口相连。,2、WAN设备与Internet网云相连,在将电缆调制解调器连接至Internet网云时，需要选择Coaxial（同轴）连接线缆，将电缆调制解调器与Internet网云的【Coaxial】接口相连；在将DSL调制解调器连接至Internet网云时，需要选择Phone（电话）连接线缆。,计算机网络基础与实践,38,任务四 熟悉数据通信,数据通信主要是“人机”通信或“机机”通信，主要负责在数据处理设备之间传递信息。数据通信之所以得到人们的重视和广泛应用，主要是由于数据通信克服了距离和时间上的限制，使得人们可以进行远距离操作，并及时地得到处理的结果。不同的通信系统在设备配置、通信线路、业务处理方式等方面都有很大的差异，但长期以来形成了很多通用数据通信技术，对实现高效、统一的通信环境奠定了基础。,计算机网络基础与实践,39,任务4.1 数据通信概念解析,对于任何一个通信系统，都可以用通信系统模型来描述，如图所示。要理解数据通信系统的通用技术，首先要正确掌握数据通信的基本概念。,计算机网络基础与实践,40,任务4.1 数据通信概念解析,1、信息,信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。,2、数据,数据是指把事件的某些属性规范化后得到的表现形式，没有实际含义。,数据可分为模拟数据与数字数据两种。模拟数据是在一段时间内连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。,计算机网络基础与实践,41,任务4.1 数据通信概念解析,3、信号,信号是数据的具体物理表现形式，数据只有转换为信号才能进行传输。,信号分为模拟信号和数字信号两种，如图所示。,计算机网络基础与实践,42,任务4.1 数据通信概念解析,4、信息、数据和信号三者的关系,信息一般用数据来表示，比如文字相当于数据，而文字所表示的含义称为消息，有意义的消息称为信息。,表示信息的数据通常要被转变为信号才能进行传输。,5、信源,信源，即信息的来源，一般指信息的发送端，可以是发送信息的人或设备。信源产生的数据可以为模拟数据，也可以为数字数据。,6、信宿,信宿，即信息的接收端，是接受所传送信息的人或设备。,计算机网络基础与实践,43,任务4.1 数据通信概念解析,7、信道,数据通信离不开传输介质，在传输介质内存在着传输信号的通道，这就是所谓的信道。例如二人对话，靠声波通过二人间的空气来传送，因而二人间的空气部分就是信道。邮政通信的信道是指运载工具及其经过的设施。无线电话的信道就是电波传播所通过的空间，有线电话的信道是电缆。,按照信道上允许传输的信号类型，可将信道分为模拟信道和数字信道。模拟信道允许传输的是模拟信号，数字信道允许传输的是数字信号。,8、发信机,发信机负责将信源发出的数据或信号转换成适合于传输媒体中传送的发送信号。,计算机网络基础与实践,44,任务4.1 数据通信概念解析,9、收信机,收信机负责将传输媒体中传送的信号转换成信宿能够读懂的数据或信号。,10、噪声,在通信系统中，目的信号以外的所有信号统称为噪声。噪声可分为热噪声和冲击噪声。热噪声是由电子的热运动产生的，在数据传输的过程中时刻存在，由它引起的差错具有随机性，影响个别位。冲击噪声是由外界的电磁干扰产生的，例如打雷闪电时产生的电磁干扰等。冲击噪声持续时间短且幅度大，往往引起一个位串出错。,计算机网络基础与实践,45,任务4.2 数据通信的主要技术指标,1、传输速率,传输速率又称比特率，指每秒能传输的二进制数据位数，单位为比特每秒（b/s）。它是衡量数据通信系统有效性的重要指标，传输速率越高，系统的有效性越好。,2、带宽,带宽是指通信媒体能够容纳一定频率范围的信号，即能够传输的最高频率和最低频率的差值，单位为赫兹。描述网络的传输容量时，通常都用带宽来表示。带宽的单位是比特每秒（bps 或bit/s），即通信线路每秒所能传输的比特数。,计算机网络基础与实践,46,任务4.2 数据通信的主要技术指标,3、信道容量,信道容量表示信道允许的最大数据速率，也就是信道能达到的传输数字信号能力的极限，单位为比特每秒（b/s）。,信道容量与数据传输速率的区别是前者表示信道的最大数据传输速率，后者是实际的数据传输速率。,计算机网络基础与实践,47,任务4.2 数据通信的主要技术指标,4、误码率,误码率是指传输二进制位时出现差错的概率，即发生差错的码元数在传输总码元数中所占的比例。在计算机网络中，误码率一般要求低于10-6，即平均每传送1兆位才允许错1位。误码率是衡量数据通信系统在正常工作情况下，传输可靠性的指标。,误码率可用下式表示：,PeNe（出错的位数）N（传送的总位数）,计算机网络基础与实践,48,任务4.2 数据通信的主要技术指标,5、延迟,延迟又称时延，是指信号从信源传送到信宿所需要的时间。通常来讲，时延是由以下几个不同的部分组成的。,（1）发送时延,（2）传播时延,（3）处理时延,计算机网络基础与实践,49,任务4.3 数据通信技术分析,1、串行通信与并行通信,根据一次传输位数的多少，可将基带传输分为串行方式和并行方式。,（1）串行通信,串行通信是指数据在一个信道上一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度，如图所示。,计算机网络基础与实践,50,任务4.3 数据通信技术分析,串行通信的特点：所需要的线路较少，线路利用率高，成本较低。由于每次只能发送一个比特位，所以数据传输效率低。另外，这种传输方式也给发送方和接收方增加了额外的复杂性。发送方必须明确比特发送的顺序，如发送一个字节的数据时，发送方必须确定是先发送高位比特还是先发送低位比特；同时，接收方必须知道一个目标字节中收到的第一个比特位应该放在什么位置上。,计算机网络基础与实践,51,任务4.3 数据通信技术分析,（2）并行通信,并行通信是指数据在多个信道上同时传输，通常构成一个字符代码的几位都在同一个时刻发送出去，如图所示。,并行通信的特点：各数据位同时传输，传输速度快、效率高。,计算机网络基础与实践,52,任务4.3 数据通信技术分析,串行与并行的区别:,采用串行通信方式，只需要在收发双方之间建立一条通信信道；采用并行通信方式，收发双方之间必须建立并行的多条通信信道。对于远程通信来说，在同样传输速率的情况下，并行通信在单位时间内所传送的码元数是串行通信的n倍（在该图中，n=8）。由于需要建立多个通信信道，并行通信方式造价较高。通常，传输距离较远的数字通信系统多采用串行方式；计算机内部以及计算机与并行打印机之间采用并行方式。,计算机网络基础与实践,53,任务4.3 数据通信技术分析,2、单工、半双工和全双工通信,根据通信双方的分工和信号传输方向，可将数据通信分为三种方式：单工、半双工与全双工，如图所示。,计算机网络基础与实践,54,任务4.3 数据通信技术分析,（1）单工通信,单工通信是指在通信线路上只能沿一个指定的方向传输数据信号。发送方不能接收，接收方也不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。采用单工通信的典型发送设备如早期计算机的读卡器，典型的接收设备如打印机。,计算机网络基础与实践,55,任务4.3 数据通信技术分析,（2）半双工通信,半双工通信是指在通信线路上可以在两个方向上传输数据信号，但不能同时进行。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上传送信息。例如，对讲机是半双工设备，因为在一个时刻只能有一方说话。这种方式要求通信双方都具有发送和接收功能，又有双向传送信息的能力。因此，半双工通信比单工通信设备昂贵。,计算机网络基础与实践,56,任务4.3 数据通信技术分析,（3）全双工通信,全双工通信是指在通信线路上可以在两个方向上同时传输数据信号。例如，电话是全双工设备，因为双方可同时说话。这种方式要求通信双方都具有发送和接收功能，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽。因此，全双工通信设备最昂贵。,计算机网络基础与实践,57,任务4.3 数据通信技术分析,3、异步传输与同步传输,在数字通信中，同步(Synchronous)是十分重要的。当发送方通过传输介质向接收方传输数据信息时，如每次发出一个字符(或一个数据帧)的数据信号，接收方必须识别出该字符(或该帧)数据信号的开始位和结束位，以便在适当的时刻正确地读取该字符(或该帧)数据信号的每一位信息，这就是接收方与发送方之间的基本同步问题。,计算机网络基础与实践,58,任务4.3 数据通信技术分析,（1）异步传输,在异步传输中，可以在比特流内插入特殊的“开始”和“停止”位，以表示字符的开始和结束。计算机主机与输入、输出设备之间一般采用异步传输方式，如键盘，发送方可以在任何时刻发送一个字符。,（2）同步传输,在同步传输中，通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率。收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。,计算机网络基础与实践,59,任务4.3 数据通信技术分析,4、基带传输与频带传输,根据数据传输系统在传输数据信号的过程中是否进行调制，可把传输方式分为基带传输和频带传输两种。,计算机网络基础与实践,60,任务4.3 数据通信技术分析,（1）基带传输,基带传输是指将数字设备发出的数字信号直接传送。在发送端，基带传输的信源数据经过编码器变换，变为直接传输的基带信号，如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号（具体编码方式在任务4.4中介绍）。在接收端由解码器还原成与发送端相同的数据。由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。,计算机网络基础与实践,61,任务4.3 数据通信技术分析,（2）频带传输,频带传输是指把数字信号调制成音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。,从概念上讲，采用数字信道在计算机之间传送数字信号是最好的方法。但事实上，在计算机网络出现之前，采用模拟传输技术的电话交换网是最为普遍的通信方式。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换为模拟信号。,计算机网络基础与实践,62,任务4.4 数据编码和调制技术,数据包括模拟数据和数字数据，它们必须经过编码或调制后变成数字的或模拟的信号，才能通过通信介质进行传输。数据编码和调制技术，主要包括以下几种情况：模拟数据转换为模拟信号、模拟数据转换为数字信号、数字数据转换为模拟信号和数字数据转换为数字信号。,计算机网络基础与实践,63,任务4.4 数据编码和调制技术,1、模拟数据转换为模拟信号,有两种基本的方式将模拟数据转换为模拟信号：一种是以信号的原始频率表示；另一种是以频率表示。,在标准的电话会话中，当我们向电话机说话，电话以原始值（300-3300Hz范围）传输我们的模拟话音信号。这是以信号的原始频率表示的方式进行传输。,另一种频率表示是将传输的信号与载波结合在一起，载波就是工作在预先定义的频率上的连续信号。改变载波以便它能以适合传输的形式表示数据称为调制。载波的特性包括信号的振幅、频率和相位。改变波形的振幅称为调幅；改变波形的频率称为调频；改变波形的相位称为调相。这三种调制技术广泛用于传统的无线电和电视广播领域。,计算机网络基础与实践,64,任务4.4 数据编码和调制技术,2、模拟数据转换为数字信号,在通信系统中，将以波表示的模拟数据转换为以“0”、“1”序列表示的数字信号的方法为脉冲编码调制（Pulse-Code Modulation，PCM）。PCM包括三个步骤：采样、量化和编码。,计算机网络基础与实践,65,任务4.4 数据编码和调制技术,（1）采样，就是对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。该模拟信号经过采样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真的恢复原模拟信号。,计算机网络基础与实践,66,任务4.4 数据编码和调制技术,（2）量化，就是把经过采样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时采样值用最接近的电平值来表示，如图所示。,量化之前要规定将信号分为若干量化级，例如可以分为8级或16级，以及更多的量化级，这要根据精度要求决定。同时，要规定好每一级对应的幅度范围，然后将采样所得样本幅值与上述量化级幅值比较。,计算机网络基础与实践,67,任务4.4 数据编码和调制技术,PCM采样、量化,计算机网络基础与实践,68,任务4.4 数据编码和调制技术,（3）编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值。,例如，如果量化级有16个，就需要4位编码。经过编码后，每个样本都要用相应的编码脉冲表示。如图所示，D4取样幅度为1.52，取整后为1.5，量化级为15，样本编码为1111。将二进制编码1111发送到接收端，接收端可以将它还原成量化级15，对应的电平幅度为1.5。在目前常用的语音数字化系统中，多采用128个量级，需要7位编码。此外，PCM还可以用于计算机中的图形、图像数字化，以及传输处理中。,计算机网络基础与实践,69,任务4.4 数据编码和调制技术,PCM编码,计算机网络基础与实践,70,任务4.4 数据编码和调制技术,3、数字数据转换为模拟信号,在通信系统中，将数字数据转换为模拟信号的方法为调制技术。如图所示，改变载波的振幅大小来表示二进制的“0”和“1”，称为幅移键控法（ASK）；改变载波的频率来表示二进制的“0”和“1”，称为频移键控法（FSK）；改变载波的相位来表示二进制的“0”和“1”，称为相移键控法（PSK）。,计算机网络基础与实践,71,任务4.4 数据编码和调制技术,数字数据转换为模拟信号,计算机网络基础与实践,72,任务4.4 数据编码和调制技术,4、数字数据转换为数字信号,数字信号的编码问题就是如何将数字数据用物理信号的波形来表示。数字信号是离散的、不连续的电压或电流的脉冲序列，每个脉冲代表一个信号单元，或称码元。对于二进制的数据信号，要用两种码元分别表示二进制数字符号1和0，每一位二进制符号和一个码元对应。表示二进制数字的码元的形式不同，便产生不同的编码方案。数字基带传输中数据信号的编码方式主要有3种，它们是非归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如图所示。,计算机网络基础与实践,73,任务4.4 数据编码和调制技术,数字数据转换为数字信号的编码方式,计算机网络基础与实践,74,任务4.4 数据编码和调制技术,（1）非归零编码,非归零编码可以用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。这种编码方式最简单，但最大问题就是当出现一长串的连续1或连续0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。,计算机网络基础与实践,75,任务4.4 数据编码和调制技术,（2）曼彻斯特编码,曼彻斯特编码是将每一个码元再分成两个相等的间隔，在每位信号的中间有一个跳变，高电平跳变到低电平表示“1”；从低电平跳变到高电平表示“0”。这种编码的好处就是可以保证在每一个码元的正中间的时刻出现一次电平的转换，对提取位同步信号非常方便。,计算机网络基础与实践,76,任务4.4 数据编码和调制技术,（3）差分曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的改进，它在每位信号的中间有一个跳变，但是信号中间的跳变只用来表示同步信息。传输的是“1”还是“0”，是在每个时钟位的开始有无跳变来区分的。开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。这种编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。,计算机网络基础与实践,77,任务4.5 多路复用技术,为了充分利用通信干线的通信能力，人们广泛使用多路复用(Multiplex)技术，即让多路通信信道同时共用一条线路，尽可能地传输较多的信息，如图所示。多路复用可分为频分多路复用、时分多路复用和波分多路复用。,计算机网络基础与实践,78,任务4.5 多路复用技术,1、频分多路复用（Frequency-division Multiplexing，FDM）,不同的传输媒体具有不同的带宽，频分多路复用技术对整个物理信道的可用带宽进行分割，并利用载波调制技术，实现原始信号的频谱迁移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内，实现频谱上的不重叠，从而共用一个信道。为了防止多路信号之间的相互干扰，使用隔离频带来隔离每个子信道，如图所示。,频分多路复用的特点：信号被划分成若干通道(频道、波段)，每个通道独立进行数据传输。频分多路复用主要用于模拟信道的复用，如无线电广播、电视等。,计算机网络基础与实践,79,任务4.5 多路复用技术,频分复用技术,计算机网络基础与实践,80,任务4.5 多路复用技术,2、时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）,时分多路复用是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的时间内传送，将整个传输时间分为许多等长的时分复用帧（TDM帧），每个TDM帧再划分成若干时间片，每个时间片被一路信号占用。TDM就是通过在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条电路传送多路信号的。电路上的每一短暂时刻只有一路信号存在，如图所示。,计算机网络基础与实践,81,任务4.5 多路复用技术,当使用时分多路复用技术传送数据时，由于数据具有突发性，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时（如用户正在键盘上输入数据），那就只能让已经分配到手的子信道空闲，从而造成信道资源浪费。统计时分多路复用技术是时分多路复用技术的改进，可以明显地提高信道的利用率。,计算机网络基础与实践,82,任务4.5 多路复用技术,时分复用技术,计算机网络基础与实践,83,任务4.5 多路复用技术,统计时分多路复用技术（Statistic Time-Division Multiplexing，STDM）使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中划分的时间片的数目要小于进行复用的用户数。每一帧中的时间片不再是固定分配给某个用户，而是按需动态地给每个用户分配时间片，这样就使所有的时间片都能充分地得到使用。统计分析，统计复用可比传统的时分复用提高传输效率2-4倍。这种复用的主要特点是动态地分配信道时隙，所以统计复用又可叫做“动态复用”。,时分多路复用的特点：多条低速线路轮流使用同一条高速线路进行数据传输。时分多路复用主要用于数字信道的复用，如电话的主干线路等。,计算机网络基础与实践,84,任务4.5 多路复用技术,3、波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）,波分多路复用是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(又称合波器)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术，如图所示。在接收端，经解复用器(又称分波器)将各种波长的光