《计算机网络基础》全套课件教学教程整本书电子教案全书汇编.ppt

第第1 1章章 计算机网络概论计算机网络概论学习目标：学习目标：了解计算机网络产生背景了解计算机网络产生背景掌握计算机网络发展各个阶段的特点掌握计算机网络发展各个阶段的特点理解分组交换的概念理解分组交换的概念掌握计算机网络的定义掌握计算机网络的定义掌握计算机网络的分类掌握计算机网络的分类了解因特网发展的历史了解因特网发展的历史理解现实网络需要解决的技术问题理解现实网络需要解决的技术问题 1.1 1.1 计算机网络的形成与发展计算机网络的形成与发展 纵观计算机网络的发展历史可以发现，它和其他事物的发展一样，算机网络也经历了从简单到复杂，从低级到高级的过程。在这一过程中，计算机技术与通信技术紧密结合，相互促进，共同发展，最终产生了计算机网络。1.1.1 1.1.1 计算机网络的产生计算机网络的产生 按照计算机网络发展不同历史阶段出现的典型技术，将计算机网络的发展分为面向终端的计算机通信网、分组面向终端的计算机通信网、分组交换网、计算机网络体系结构交换网、计算机网络体系结构和高速网络技术高速网络技术4个阶段。1 1面向终端的计算机通信网面向终端的计算机通信网 面向终端的计算机通信网是计算机通过线路控制器和远程终端连接的形式。1.1.2 1.1.2 计算机网络的发展计算机网络的发展 当时，这种面向终端网络的应用范围极广，己涉及军事、银行、航空、铁路、教育等部门。随着远程终端数量的增加，为了避免一台计算机使用多个线路控制器，在60年代初期，出现了多重线路控制器。它可以和多个远程终端相连接，构成面向终端的计算机通信网。这种最简单的通信网称为第一代计算机网络。面向终端的计算机网络，存在下述问题：面向终端的计算机网络，存在下述问题：主机负荷过重，从而导致响应时间过长；终端速度慢，操作时间长，因而占用通信线路的时间也长，故通信代价极高；单个计算机集中系统的可靠性较低，一旦主机出现故障，将导致整个系统的瘫痪。2 2分组交换网分组交换网 分组交换（packet switching）也称为包交换，它是现代计算机网的技术基础。传统电话网采用电路交换（circuit switching）。电路交换的特点是：用户在通话之前，先要申请拨号，待建立一条从发端到收端的物理通路建立一条从发端到收端的物理通路后，双方才能互相通话。在通话的全部时间里，用户始终占用端到端的固定线用户始终占用端到端的固定线路路，直到通话结束，挂起电话（释放线路释放线路）为止。这种通信系统不适合传送计算机或终端的数据。主要体现在以下几点：（1）计算机的数字信号是不连续的，它和打电话传送的连续语音信号不同，具有突发性和间歇性。（2）电路交换建立通路（即呼叫过程）的时间对计算机传送数据来说就太长了。（3）电路交换很难适应不同类型、规格、速率的终端和计算机之间的通信。（4）计算机通信对可靠性要求很高，需要在传送过程中进行差错控制，电路交换难以做到。电路交换对于计算机网络来说，建立通路的呼叫过程太长，必须寻找新的适合于计算机通信的交换技术。v1964年8月，美国兰德（Rand）公司的巴兰（Baran）在其发表的“论分布式通信”的研究报告中提到了存储转发的概念。v英国NPL的戴维斯（David）于1966年首次提出了“分组”（packet）这一概念。v1969年12月，DARPA的计算机分组交换网ARPANETARPANET投入运行。v优点：动态分配传输通道，非常适合传输突发式的计算机数据，极大地提高了通信线路的利用率，降低了用户的使用费用。v缺点：第一，分组在各结点存储转发时，会因为排队带来一定的时延；第二，各分组必须携带的控制信息造成额外开销；第三，分组交换网的管理与控制也比较复杂。3 3形成计算机网络的体系结构形成计算机网络的体系结构 在网络中，相互通信的计算机必须高度协调工作，而这种“协调”是相当复杂的。v1974年IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA（System Network Architecture）。vDEC公司也在七十年代末开发了自己的网络体系结构数字网络体系结构（Digital Network Architecture，DNA）。v1978年ISO提出了异种机连网标准的框架结构得到了国际上的承认，这就是著名的开放系统互联参考模型OSI/RM。4 4高速网络技术高速网络技术 从20世纪80年代末开始，计算机网络开始进入发展的第四代时期，起主要标志可归纳为：网络传输介质的光纤化、信息高速公路的建设等。1.1.3 1.1.3 计算机网络的应用计算机网络的应用 1 1资源共享资源共享 2 2交流沟通交流沟通 3 3信息获取信息获取 4 4商务交易商务交易 5.5.网络娱乐网络娱乐v计算机网络是利用通信线路将地理位置分散的计算机、网络设备连接起来，按照某种协议进行数据通信，实现资源共享的信息系统。P7第三段v要点：（1）组成网络的计算机要求是独立的。（2）计算机网络通信的目的是实现信息共享。1.2 1.2 计算机网络的定义及分类计算机网络的定义及分类 1.2.1 1.2.1 计算机网络的定义计算机网络的定义 计算机网络的分类标准很多，按拓扑结构划分按拓扑结构划分可以分为：星型、树型、总线型、环型、网状和无线通信网；从功能上从功能上计算机网络可分为通信子网和资源子网两类；按按网络的使用范围网络的使用范围可以分为公用网和专用网；还可以按介质访问方式、交换方式以及数据传输率、网络覆盖范围等进行划分。用的较多的划分方法为按照计算机网络的覆盖范围划分，按网络覆盖范围的大小，我们将计算机网络分为局域网、城域网、广域网。1.2.2 1.2.2 计算机网络的分类计算机网络的分类 1 1局域网（局域网（Local Area NetworkLocal Area Network，LANLAN）它所覆盖的地区范围在几米至10公里以内。2 2城域网（城域网（Metropolitan Area NetworkMetropolitan Area Network，MANMAN）城域网一般指在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。这种网络的连接距离可以在10100公里。3 3广域网（广域网（Wide Area NetworkWide Area Network，WANWAN）广域网所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里，利用公用分组交换网。vInternetInternet：泛指全世界各国家利用TCP/IP通讯协议所建立的整个网络。v从某种意义上，Internet可以说是美苏冷战的产物。vARPANET开始只有4个结点：分布在洛杉矶的加利福尼亚州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学、以及位于盐湖城的犹他州大学四所大学的4台大型计算机。1.3 1.3 因特网的发展因特网的发展 1.3.1 1.3.1 因特网的起源因特网的起源v1972年时，ARPANET网上的网点数已经达到40个，这40个网点彼此之间可以发送小文本文件（当时称这种文件为电子邮件，也就是我们现在的E-mail）和利用文件传输协议发送大文本文件，包括数据文件（即现在Internet中的FTP），同时也发现了通过把一台电脑模拟成另一台远程电脑的一个终端而使用远程电脑上的资源的方法，这种方法被称为Telnet。v1983年，原来的ARPANET自行分裂成两个网络，即ARPANET和MILNET，但它们之间仍保持着互连状态，彼此之间仍能进行通信和资源共享。这种网际互连的网络最初被称为“DARPA Internet”，随后不久就被简称为“Internet”，它标志着Internet的诞生。v1986年，美国国家科学基金会网NSFNET（National Science Foundation Network）诞生了。NSFNET将美国各地科研人员的计算机连接到分布在美国不同地区的五个超级计算机中心，随后又将各个大学和科研单位的中等级别的计算中心连接起来，形成全国性的广域网络。这样，NSFNET逐渐取代了ARPANET，ARPANET于1990年7月退役。v Internet的最高国际组织：Internet学会（Internet Society），也是一个非盈利性的专业化组织，其主要目标是促进Internet的改革与发展。目前，Internet学会下分Internet体系结构研究会（IAB）和其它几个研究会，IAB下又有工程组（IETF）、许可证管理局（ICRS）、技术研究组（IRTF）和编号管理局（IANA）等。1 1通信线路通信线路 我国的公共通信网提供的线路主要有以下几种类型：（1）公用电话交换网PSTN。（2）公用分组交换网，即X.25网（CHINAPAC）。（3）数字数据网，即DDN网(CHINADDN)。（4）依附于X.25网或DDN网的帧中继网FR。（5）综合业务数据网ISDN。（6）光纤线路。（7）卫星线路。1.3.2 1.3.2 因特网的主要组成部分因特网的主要组成部分 2 2网络设备网络设备 网络连接设备主要有三种：路由器、访问服务器和调制解调器。其中路由器（Router）和访问服务器（Access Server）主要用于ISP（Internet服务商）端，用户端一般使用调制解调器（Modem）即可接入。3 3服务器和客户机服务器和客户机 接入Internet的主机按其在Internet中扮演的角色不同，分成两类，即服务器和客户机。服务器是Internet服务与信息资源的提供者，而客户机则是Internet服务和信息资源的使用者。4 4软件系统软件系统 软件系统包括操作系统、客户程序和网络通信协议。v1987年9月，在德国卡尔斯鲁厄大学（Karlsruhe University）维纳措恩（Werner Zorn）教授带领的科研小组的帮助下，王运丰教授和李澄炯博士等在北京计算机应用技术研究所（ICA）建成一个电子邮件节点，并于9月20日向德国成功发出了一封电子邮件，邮件内容为“Across the Great Wall we can reach every corner in the world.（越过长城，走向世界）”。1.3.3 1.3.3 因特网在中国的发展因特网在中国的发展v1987年11月9日11日，中国代表团受邀参加了在美国普林斯顿举办的第六届国际学术网络会议。与会期间，美方向中方代表杨楚泉转交了美国国家科学基金会对中国接入计算机科学网（CSNET）和美国大学网（BITNET）的认可性贺信。v1990年11月28日，在王运丰教授和维纳措恩教授的努力下，中国的顶级域名.CN完成注册，钱天白任行政联络员。从此在国际互联网上中国有了自己的身份标识。由于当时中国尚未实现与国际互联网的全功能联接，中国CN顶级域名服务器暂时设在德国卡尔斯鲁厄大学。v1992年12月底，清华大学校园网（TUNET）建成并投入使用，是中国第一个采用TCP/IP体系结构的校园网，主干网首次成功采用FDDI技术，在网络规模、技术水平以及网络应用等方面处于国内领先水平。v1993年3月2日，中国科学院高能物理研究所租用AT&T公司的国际卫星信道接入美国斯坦福大学直线加速器中心的 64KDECnet专线正式开通。专线开通后，由于国家自然科学基金委员会的大力支持，许多学科的重大课题负责人能够拨号连入高能物理研究所的这根专线，几百名科学家得以在国内使用电子邮件。v1993年3月12日，朱镕基副总理主持会议，提出和部署建设国家公用经济信息通信网（简称金桥工程）。v1993年4月，中国科学院计算机网络信息中心召集在京部分网络专家调查了各国的域名体系，提出并确定了中国的域名体系。v1994年4月20日，NCFC工程通过美国Sprint公司连入Internet的64K国际专线开通，实现了与Internet的全功能连接。v1994年5月15日，中国科学院高能物理研究所设立了国内第一个WEB服务器，推出中国第一套网页。因特网是由各个不同的网络通过互相连接形成的，生活中如果我们要登录因特网获取信息，首先需要一台终端设备接入特定网络然后接入因特网。例如郑州市的用户通过网络给位于广州的用户发送文件，要求两地用户终端设备所在的网络都已经接入因特网。1.4 1.4 计算机网络研究的问题计算机网络研究的问题1.4.1 1.4.1 现实的网络场景现实的网络场景 本书描述的计算机网络知识和现实我们现实生活中使用的网络有什么联系呢？本节我们通过实例加以说明。假设，位于不同地方的郑州市和广州市两个用户之间通过计算机网络进行通信。实现这个通信过程要解决一系列问题。为了便于分析，可以将上图简化为为了便于分析，可以将上图简化为下面下面网络图。网络图。用户的终端设备通常位于一个局域网中，假设郑州用户的终端设备通常位于一个局域网中，假设郑州的用户终端设备是校园网中的一台计算机，校园网的场的用户终端设备是校园网中的一台计算机，校园网的场景如图所示。景如图所示。校园网通过网线、网络设备把位于不同建筑物、不校园网通过网线、网络设备把位于不同建筑物、不同房间的多台计算机互相连接起来，形成物理网络。设同房间的多台计算机互相连接起来，形成物理网络。设备之间的连接关系如图所示备之间的连接关系如图所示。不同网络设备、电脑物理连接问题、信号的传递问题。这一问题将在第不同网络设备、电脑物理连接问题、信号的传递问题。这一问题将在第2章章物理网络的实现中讲述。物理网络的实现中讲述。将用户熟悉的文字、音乐、图片、视频等形式转变成计算机识别的信号需将用户熟悉的文字、音乐、图片、视频等形式转变成计算机识别的信号需要遵循一定的规则。这一问题将在第要遵循一定的规则。这一问题将在第3章网络体系结构与协议中讲述。章网络体系结构与协议中讲述。相邻设备之间数据传递处理机制问题。这一问题将在第相邻设备之间数据传递处理机制问题。这一问题将在第4章结点间的数据传章结点间的数据传输（数据链路层）中讲述。输（数据链路层）中讲述。局域网范围内计算机之间数据传递问题。这一问题将在第局域网范围内计算机之间数据传递问题。这一问题将在第5章局域网中讲述。章局域网中讲述。数据在不同网络之间传递问题。这一问题将在第数据在不同网络之间传递问题。这一问题将在第6章网络互联中讲述。章网络互联中讲述。数据在网络中传输过程中的传输控制机制将在第数据在网络中传输过程中的传输控制机制将在第7章端到端的数据传输（传章端到端的数据传输（传输层）中讲述。输层）中讲述。用户通过应用接口使用网络的协议规则将在第用户通过应用接口使用网络的协议规则将在第8章应用层协议中讲述。章应用层协议中讲述。使用网络过程中的安全和管理问题。这一问题将在第使用网络过程中的安全和管理问题。这一问题将在第9章计算机网络安全与章计算机网络安全与管理中讲述。管理中讲述。网络规划设计问题，这一问题将在第网络规划设计问题，这一问题将在第10章网路系统集成中讲述。章网路系统集成中讲述。1.4.2 1.4.2 实现网络数据传递需要解决的问题实现网络数据传递需要解决的问题第第2 2章章 物理网络的实现物理网络的实现本章学习目标：本章学习目标：v掌握物理特性掌握物理特性v掌握通信基本概念掌握通信基本概念v理解通信系统的分类及通信方式理解通信系统的分类及通信方式v理解通信的主要性能指标理解通信的主要性能指标v掌握模拟传输、数字传输的概念掌握模拟传输、数字传输的概念v掌握多路复用的原理掌握多路复用的原理v理解数据交换技术的区别理解数据交换技术的区别 通过计算机网络概念的学习，我们已经知道要想通过计算机网络概念的学习，我们已经知道要想共享网络中的资源，必须先把物理网络建立起来。物共享网络中的资源，必须先把物理网络建立起来。物理网络中包括用户的终端设备、网络连接设备、通信理网络中包括用户的终端设备、网络连接设备、通信线路等，因此物理网络的实现需要考虑设备直接连接线路等，因此物理网络的实现需要考虑设备直接连接使用的线缆类型、接口标准、数据通信等内容。主要使用的线缆类型、接口标准、数据通信等内容。主要任务可以描述为任务可以描述为机械特性、电气特性、功能特性、规机械特性、电气特性、功能特性、规程特性四个物理特性程特性四个物理特性和和数据传输相关的通信知识数据传输相关的通信知识两大两大部分。部分。1.1.机械特性机械特性机械特性规定接口所用接线器的形状、几何尺寸、引线数目和排列方式、固定和锁定装置等。美国电子工业协会EIA（Electronic Industries Association）制定的EIA-232-E就是著名的物理层标准。它描述的是DTE与DCE之间接口的标准。2.1 2.1 物理特性物理特性2.2.电气特性电气特性在DTE与DCE之间有多条信号线，除了地线之外，每条信号线都有其发送器和接收器。电气特性规定这些信号的连接方式、发送器和接收器的电气参数，包括信号源输出阻抗、负载输人阻抗、信号“1”或“0”的电压范围、传输速率和距离的限制等。3.3.功能特性功能特性功能特性对接口连线的功能给出确切的定义，说明某条连线上出现的某一电平的电压所表示的意义。与功能特性有关的国际标准主要有CCITT V.24和X.21。4.4.规程特性规程特性物理层的规程特性规定了使用接口线实现数据传输的操作过程，也就是在物理连接的建立、维持和解释时DTE/DCE双方在各电路上的动作序列。2.2 2.2 通信的基本概念通信的基本概念 1 1信号信号通信的目的是传输消息，消息一般是用数据来表示的，通常要把表示消息的数据转变为信号进行传递。信号是消息（或数据）的一种电磁编码，信号中包含了所要传递的消息。2.2.1 2.2.1 信号与噪声信号与噪声 作为信息的载体，信号必须具备以下特点：作为信息的载体，信号必须具备以下特点：v必须能被人的视觉、听觉、味觉或触觉感受到，或被机器设备检测到，否则就失去了信息传输的意义；v信号必须可变，信号如果不可变，则无法携带丰富多彩的信息；v信号必须能够通过物理方法产生或实现。v打雷和闪电具有信号的前两个性质，但它们无法由人控制、产生，所以不能作为通信信号。信号一般以时间为自变量，以表示消息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号模拟信号和数字信号数字信号。模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。数字信号是指表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号 。模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间在一定条件下可以相互转化。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号。2 2噪声噪声噪声其实是一种不携带有用信息的电信号，是对有用信号以外的一切信号的统称。概括地讲，不携带有用信息的信号就是噪声。显然，噪声是相对于有用信号而言的，一种信号在某种场合是有用信号，而在另一种场合就有可能是噪声。信道是传送信号的一条通道，其建立在传输介质之上，但包括了传输介质和通信设备。传输介质泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，特指用来连接各个通信处理设备的物理介质，包括有线与无线两大类。同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过。1 1信道信道 信道，通俗地说，是指以传输媒质为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。信道的作用是传输信号，它提供一段频带让信号通过。2.2.2 2.2.2 信道与传输介质信道与传输介质 通常，我们将仅指信号传输介质的信道称为狭义信道。信号在传输过程中除了经过传输介质还必须经过很多设备，如：发送设备、接收设备、调制器、转换器、解调器等，我们称这种扩大范围的信道为广义信道。信道可以分为有线信道与无线信道两类。有线信道包括明线、双绞线、同轴电缆、光缆等；无线信道有地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、各种散射信道等。根据信道传输信号的不同，可以将信道分为模拟信道和数字信道。2 2传输介质传输介质 传输介质通常分为有线介质和无线介质。有线介质将信号约束在一个物理导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等；而无线介质则不能将信号约束在某个空间范围之内。（1）双绞线（Twisted Pair）双绞线是由两条相互绝缘的铜导线组成。这两条线扭绞在一起，可以减少对邻近线对的电磁干扰。为了进一步提高双绞线的抗电磁干扰能力，还可以在双绞线的外层再加上一个金属屏蔽层，根据双绞线是否外加屏蔽层，它又可分为屏蔽双绞线（STP，Shield Twisted Pair）和非屏蔽双绞线（UTP，UnShield Twisted Pair）两类。美国电子工业协会的远程通信工业分会（EIA/TIA）在1995年颁布了新的“商用建筑物电信布线标准EIA/TIA568-A”。2002年EIA/TIA568-B标准正式出台。（2）同轴电缆（Coaxial Cable）同轴电缆中的材料是共轴的，同轴之名由此而来。同轴电缆分为两类：一种是阻抗为5050的基带同轴电缆，另一种是阻抗为7575的宽带同轴电缆。基带同轴电缆基带同轴电缆：一条基带同轴电缆只支持一个信道，传输带宽为120Mb/s。它能够以10Mb/s的速率把基带数字信号传输11.2km。所谓基带数字信号传输是指按数字信号位流形式进行的传输，无需任何调制。宽带同轴电缆宽带同轴电缆：宽带同轴电缆支持的带宽为300450MHz，可用于宽带数据信号的传输，传输距离可达100km。（3）光纤（Optical Fiber）光导纤维简称为光纤，是光纤通信系统的传输介质。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此，一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其他各种传输介质的带宽，是最有发展潜力的有线传输介质。根据光纤传输数据模式的不同，它可分为多模光纤多模光纤和单模光纤单模光纤两种。多模光纤多模光纤是指有多条不同入射角度的光在一条光纤中同时传播。若光纤的直径减小到只有光的一个波长，则光纤如同一个波导，光在媒体中没有反射，而沿直线传播，这样的光纤称为单模光纤单模光纤。v 优点：光纤不易受电磁干扰和噪声影响，可进行远距离、高速率的数据传输，而且具有很好的保密性能。v缺点：光纤的衔接、分岔比较困难，目前主要用于传播速率高、抗干扰性好的主干网上。（4）无线传输媒体 常用的无线传输媒体有：微波、红外线、激光。电磁波谱 微波是指频率为300MHz300GHz的电磁波，实际主要使用240GHz的频率范围。微波通信是把微波作为载波信号，用被传输的模拟信号或数字信号调制后进行传输。由于微波段的频率很高，其频段的范围也很宽，因此微波信道的容量很大，可同时传输大量信息。红外线、激光属于光波，前者广泛用于短距离通信，如电视、录像机、空调器等家用电器使用的遥控装置；后者可用于建筑物之间的局域网连接，它具有高带宽和定向性好的优势。它们都易受天气、热气流或热幅射等影响，使得工作质量存在不稳定性，而且传输距离有限。v在通信过程中，基本的点对点通信，均是把发送端的消息通过某种信道传递到接收端。2.3 2.3 通信系统的分类及通信方式通信系统的分类及通信方式 2.3.1 2.3.1 通信系统模型通信系统模型信信 源源发送设备发送设备信信 道道接收设备接收设备信信 宿宿噪声噪声v发送端信源的作用是把各种待传递的消息转换成原始信号，由发送设备对原始信号完成某种变换后送入信道；v接收端，接收设备能从接收信号中恢复出相应的原始信号，而信宿是将复原的原始信号转换成相应的消息；v图中的噪声是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集合。1 1、按信号特征分类、按信号特征分类 根据信道传输信号种类的不同，通信系统可分为三类：模拟通信系统、数字通信系统和数据通信系统。v信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统；v信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统；v数据通信系统中的数据信号既可以以数字信号的形式在数字信道中传输，也可以转换成模拟信号在模拟信道中传输。这里需要明确模拟通信、数字通信和数据通信的概念：2.3.2 2.3.2 通信系统的分类通信系统的分类 （1）模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和信道传输的都是模拟信号的通信过程或方式。因此，模拟通信系统可以说是以模拟信道传输模拟信号的系统。（2）数字通信是指信源发出和信宿接收的是模拟信号，而信道传输的是数字信号的通信过程或方式。（3）数据通信是随着计算机和计算机网络的发展而出现的一种新的通信方式，它是指信源、信宿处理的都是数字信号，而传输信道既可以是数字信道也可以是模拟信道的通信过程或方式。模拟通信系统传输数据过程中有两种变换。模拟通信系统传输数据过程中有两种变换。v发送端的连续消息要变换成原始电信号，接收端收到的信号要反变换成原连续消息。v由于原始电信号通常具有频率很低的频率分量，一般不宜直接传输。因此模拟通信系统里常需要有第二种变换：将原始电信号变换成频带适合信道传输的信号，并在接收端进行反变换，这种变换和反变换通常称为调制、解调。v经过调制后的信号称为已调信号，它应具有两个两个基本特征：一是携带有消息，二是适应在信道中传输。v通常我们将发送端调制前和接收端解调后的信号称为基带信号。因此，原始信号又称为基带信号，而已调信号则称为频带信号。数字通信系统的基本特征是它传输的信号是数字或“离散”的。数字通信具有以下突出的特征：v第一，抗干扰能力强。数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错可以通过差错控制编码等手段进行控制。v第二，数字信息易于加密，保密性强。v第三，数字通信需要同步。数据通信是指通信双方或多方按照一定协议，以数字信号或模拟信号为载体，完成数据传输的过程或方式。数据通信是随着信息处理技术的进步而迅速发展起来的，是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。图中，DTE（Data Terminal Equipment）是数据终端设备，是具有发送和接收数据能力以及一定处理能力的设备，可以是终端设备或计算机。在大多数情况下，直接将两个数据处理设备连接起来是不能通信的，必须在数据处理设备和传输线路之间加上一个中间设备，这个中间设备就是数据电路端接设备DCE（Data Circuit-terminating Equipment）。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，典型的DCE设备对于模拟信道可以是调制解调器。数据通信是随着信息处理技术的进步而迅速发展起来的，是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。因此，数据通信的发展不能脱离原有的通信网，在一般情况下还需要利用原有的通信设施作为数据传输的手段。数据通信与传统的话音通信相比，有以下主要特点：（1）以计算机为中心。通常是人（通过终端设备）与计算机的通信，或计算机与计算机的通信。（2）传输的数据信息通常由计算机（或数字终端设备）产生、加工和处理。（3）为了进行信息传递，要有严格的通信协议或规程，对信息传输的准确性和可靠性要求高。（4）通信速度较高，可以同时处理大量数据。（5）数据呼叫（一次完整的通信过程）具有突发性和持续时间短的特点。（6）可采用存储转发方式工作，且一般多采用这种方式。（7）必须采用差错控制措施。数字通信产生的直接原因是为了提高模拟通信的质量，所以，数字通信可以理解为是模拟通信的升级。因为对通信双方而言，它们接触的仍然是模拟信号（或模拟信息），如果只从信号传输的角度上看（不考虑保密等），数字通信与模拟通信的主要差别仅仅是前者信宿接收到的信号质量更好一点而已，但它们的信号传输方式（传输系统）却迥然不同；而数据通信在信号传输上与数字通信大致相同（先不考虑模拟信道传输），但它的信息源一般为数字信息（离散信息），所以数据通信在功能上可以认为是数字通信的延伸或分支。2 2按调制方式分类按调制方式分类根据是否采用调制，可将通信系统分为基带传输和频带传输。基带传输是将未经调制的信号直接进行传送，如市话音频信号；频带传输是对信号调制后传输的总称。3 3按传输介质分类按传输介质分类按传输介质的不同，通信系统又可分为有线通信系统和无线通信系统。有线通信系统用导线作为传输介质，如有线电话系统、闭路电视系统、普通计算机局域网等；无线通信系统利用无线电波、红外线、激光传输信号，如广播系统、移动通信系统等。通信方式是指通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传输方式，它是通信各方在通信实施之前必须首先确定的问题。通信方式也有多种不同的分类方法。（1）任意两点之间的通信，按照消息传递的方向与时间关系，通信方式可分为：单工通信、半双工通信、全双工通信三种。单工通信：消息只能单方向传输的工作方式。例如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信、遥控等。半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时收发的工作方式。例如使用同一载频工作的对讲机之间的通信。全双工通信：通信双方可同时收发消息的工作方式。典型的如计算机之间的通信。2.3.3 2.3.3 通信方式通信方式（2）在数字通信中，按照数字信号码元排列方法的不同，可分为串行传输和并行传输两种方式。串行传输是将数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输，如果将数字信号码元序列分割成两路或两路以上的序列同时在信道中传输，则称为并行传输。（3）按同步方式的不同，可分为异步通信和同步通信。v异步通信方式：同步信息加在每一个字符的数据帧上。v同步通信方式：与异步通信不同，同步通信不是对每个字符单独同步，而是以数据块为传输单位并对其进行同步。异步通信方式同步通信方式1 1、信号的带宽、信号的带宽v由于信号中的大部分能量都集中在一个相对较窄的频带范围之内，因此我们将信号大部分能量集中的那段频带称为有效带宽，简称带宽，单位为“Hz”。v声音信号的频谱大致在20Hz20KHz的范围（低于20 Hz的信号为次声波，高于20KHz的信号为超声波）v用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，话音信号的标准频谱为300 Hz3400 Hz，其带宽为3 kHz。2.4 2.4 主要性能指标主要性能指标2.4.1 2.4.1 带带 宽宽2 2信道的带宽信道的带宽信道因受电器特性的限制，也有通频带宽。所谓通频带宽是指信道能够通过的频率范围。信道所能传送的频率范围称为信道的带宽。如果输入信号的带宽小于信道的带宽，则输入信号的全部频率分量都能通过信道，因而信道输出端得到的输出波形将是不失真的。但如果输入信号的带宽大于信道的带宽，则信号中某些频率分量就不能通过信道，这样输出得到的信号将与发送端发送的信号有些不同，即产生了失真。为了保证数据传输的正确性，必须限制信号的带宽。1 1、数据传输速率、数据传输速率数据传输速率指每秒传输多少二进制代码位数，又称为比特率，单位是比特/秒（b/s）或记作bps。v常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps与Tb/s，其中：1Kbps =1103 bps 1Mbps =1106 bps 1Gbps =1109 bps 1Tbps =11012 bps（在通信领域可以用1K1000）2.4.2 2.4.2 信道的主要技术指标信道的主要技术指标2 2、调制速率、调制速率调制速率是数字信号经过调制后的传输速率，表示每秒钟传输多少码元（电信号单元），其单位为波特（Baud），故也称为波特率。通常，对于0、1等概率出现的二进制数字信号，我们规定一个码元携带一比特的信息量，则二进制数字信号的码元速率和数据传输速率在数值上相等。在数字通信系统中有可能不采用二进制信号，而采用多进制（N进制）信号（通常N取2的各次幂，比如4、8、16等）进行传输，那么在传输多进制信号时就需要多种码元。例如八进制信号有8个不同的码元状态，每个码元状态都可用3位二进制信号表示。3 3信道容量信道容量信道容量是信道能够传送的最大数据传输速率。当信道的带宽一定时，输入信号的带宽越大，输出信号的失真就越大，因此当数据传输率提高到一定程度时（信号带宽增大到一定程度），在信道输出端上的信号接收器根本无法从已失真的输出信号中恢复出所发送的数字序列。早在1924年，H.Nyquist（奈奎斯特）就认识到这个基本限制的存在，并推导出有限带宽、无噪声信道（理想信道）的最大数据传输率的公式。v式中，B表示信道带宽；V为信号可取的离散值的个数。计算计算P34.3-6P34.3-6 bpsv1948年，C.Shannon（香农）进一步研究了信道受到随机噪声干扰的情况。v前面我们仅仅考虑了无噪声的理想信道。对于有噪声的信道，情况将会迅速变坏。v用S表示信号功率，用N表示噪声功率，信噪比表示为S/N。vShannon关于有噪声信道最大数据传输率的结论是：对于带宽为BHz，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输率Smax为：v人们通常不使用信噪比的绝对值，而是使用10lg(S/N)来表示，单位是分贝（dB）。对于S/N等于10的信道，则称其信噪比为10dB；同样的道理，如果信道的S/N等于100，则称其信噪比为20dB；以此类推。计算计算P34.3-7P34.3-7 bps4 4吞吐量吞吐量吞吐量是信道或网络性能的一个参数，数值上等于信道在单位时间内成功传输的总信息量，单位为bps。5 5差错率差错率差错率是衡量系统正常工作时，传输消息可靠程度的重要性能指标。差错率有两种表述方法：误码率及误信率。(1)误码率是指错误接收的码元数在传输总码元数中所占的比例，或者说误码率是码元在传输系统中被传错的概率。(2)误信率又称为误比特率，是指错误接收的信息量在传送信息总量中所占的比例，或者说它是码元的信息量在传输系统中被丢失的概率。1 1调制、解调的概念调制、解调的概念 通信的目的是为了把信息向远处传递（传播），在传播声音时，我们可以用电缆或无线电进行传输，但会出现两个问题：v一是铺设一条电缆只传一路声音信号，传输成本之高、线路利用率之低，人们是无法接受的；v二是利用无线电通信时，需满足一个基本条件，即欲发射信号的波长（两个相邻波峰或波谷之间的距离）必须能与发射天线的几何尺寸成一定的比例，该信号才能通过天线有效地发射出去（通常认为天线尺寸应大于波长的十分之一）。2.5 2.5 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输2.5.1 2.5.1 调制与解调调制与解调音频信号的频率范围是20Hz20kHz，最小的波长为：式中，为波长（m）；c为电磁波传播速度（光速）（m/s）；f为声音频率（Hz）。可见，要将音频信号直接用天线发射出去，天线几何尺寸按波长的十分之一取，则需要1500米高。因此，要想把音频信号通过可以接受的天线尺寸发射出去，就需要想办法提高欲发射信号的频率。第一个问题的解决方法是在一个物理信道中对多路信号进行频分复用（FDM，Frequency Division Multiplex）；第二个问题的解决方法是把欲发射的低频信号“搬移”到高频载波上去。两个方法有一个共同点就是要对信号进行调制处理。所谓调制，就是按调制信号（基带信号）的变化规律去改变载波的某些参数的过程。所谓解调则是将已调信号还原为基带信号的反调制的过程。2 2调制方式调制方式根据调制参数的不同，调制方式可分为幅移键控法ASK、频移键控法FSK和相移键控法PSK三类，我们经常把它们简称为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。在数字通信和数据通信的传输过程中都会用到数字信号，数字基带信号可以直接通过信道进行传输，这种传输方式称为基带传输。基带信号是原始编码的电脉冲序列，即用高电平表示1，低电平表示0（或者用高电平表示0，低电平表示1），这种编码通常称为不归零（NRZ，non-return to zero）编码。这种原始的数字信号并不适合于在信道中直接传输。2.5.2 2.5.2 数字信号的编码数字信号的编码1 1曼彻斯特编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码（Manchester encoding）编码的方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔，码元0由低电平跳变到高电平，码元1由高电平跳变到低电平。在曼彻斯特编码中，信号的跳变速率加倍，比特率是波特率的一半，所以认为编码的效率仅为50%。2 24B/5B4B/5B编码编码4B/5B编码在避免高、低信号持续的前提下，解决了曼彻斯特编码的低效率问题。4B/5B编码的思想是在比特流中插入额外的比特，来分隔一连串的0或1。也就是将每4bit数据编码在一个5bit的编码中传给接收方，因此称为