網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)講義

1、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)講義目 錄目 錄- 1 -第一章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述- 4 -1.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在信息時(shí)代的作用- 4 -1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程- 4 -1.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類- 5 -1.3.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義- 5 -1.3.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類方法- 6 -1.4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)- 6 -1.4.1帶寬- 6 -1.4.2時(shí)延- 7 -1.4.3時(shí)延帶寬積和往返時(shí)延- 7 -1.5計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)- 7 -1.5.1協(xié)議與劃分層次- 7 -1.5.2從OSI體系結(jié)構(gòu)到原理體系結(jié)構(gòu)- 8 -1.5.3面向連接服務(wù)與無(wú)連接服務(wù)- 9 -1.5.4OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的比較- 9 -

2、第二章 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層- 11 -2.1物理層的基本概念和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)- 11 -2.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型- 11 -2.1.2有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念- 12 -2.1.3信道上的最高碼元傳輸速率- 12 -2.1.4信道的極限信息傳輸速率- 13 -2.2物理層的傳輸媒體- 13 -2.2.1導(dǎo)向傳輸媒體- 13 -2.2.2非導(dǎo)向傳輸媒體- 15 -2.3模擬傳輸與數(shù)字傳輸- 15 -2.3.1調(diào)制解調(diào)器- 15 -2.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換- 17 -2.3.3頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用- 17 -2.3.4波分復(fù)用- 18 -2.3.5碼分復(fù)用- 19 -2.4無(wú)線傳輸- 1

3、9 -2.4.1地面微波接力通信- 19 -2.4.2衛(wèi)星通信- 20 -2.4.3短波通信和短波電臺(tái)- 20 -2.4.4短波通信組網(wǎng)技術(shù)- 21 -2.4.5超短波通信和超短波電臺(tái)- 23 -2.5數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念和停止等待協(xié)議- 24 -2.5.1不需要數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸- 24 -2.5.2具有最簡(jiǎn)單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議- 24 -2.5.3實(shí)用的停止等待協(xié)議- 25 -2.5.4差錯(cuò)控制及循環(huán)冗余檢驗(yàn)- 26 -2.6局域網(wǎng)組網(wǎng)及其分類- 26 -2.6.1傳統(tǒng)以太網(wǎng)- 27 -2.6.2以太網(wǎng)MAC層的硬件地址- 30 -2.6.3擴(kuò)展的局域網(wǎng)- 31 -2.6.5高

4、速以太網(wǎng)- 33 -2.6.6無(wú)線局域網(wǎng)- 33 -第三章 網(wǎng)絡(luò)層和運(yùn)輸層- 35 -3.1網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)和分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制- 35 -3.1.1廣域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)- 35 -3.1.2網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)- 36 -3.1.3網(wǎng)絡(luò)層中的分組轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制- 36 -3.2網(wǎng)際協(xié)議IP和子網(wǎng)劃分- 39 -3.2.1 IP地址分類- 39 -3.2.2 IP地址與硬件地址- 41 -3.2.3子網(wǎng)劃分- 42 -3.3 因特網(wǎng)的路由選擇協(xié)議- 44 -3.3.1有關(guān)路由選擇協(xié)議的幾個(gè)基本概念- 44 -3.3.2 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議RIP- 44 -3.4 IP多播和IPv6- 44 -3.4.1 IP多播的基本概念- 4

5、4 -3.4.2 IPv6的地址空間- 45 -3.5 TCP/IP體系中的運(yùn)輸層- 46 -3.5.1運(yùn)輸層概述- 46 -3.5.2運(yùn)輸層中的兩個(gè)協(xié)議- 46 -3.5.3端口的概念- 47 -3.6 UDP和TCP- 48 -3.6.1用戶數(shù)據(jù)報(bào)的用途- 48 -3.6.2用戶數(shù)據(jù)報(bào)的格式- 48 -3.6.3傳輸控制協(xié)議TCP- 49 -第四章 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與安全- 50 -4.1域名系統(tǒng)DNS- 50 -4.1.1域名系統(tǒng)概述- 50 -4.1.2因特網(wǎng)的域名結(jié)構(gòu)- 51 -4.1.3用域名服務(wù)器進(jìn)行域名轉(zhuǎn)換- 51 -4.2文件傳送協(xié)議FTP- 52 -4.2.1概述- 52 -4.2

6、.2 FTP的主要工作原理- 53 -4.2.3 FTP的模式和優(yōu)缺點(diǎn)- 53 -4.3遠(yuǎn)程登錄TELNET- 53 -4.4電子郵件- 54 -4.4.1概述- 54 -4.4.2簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議SMTP- 54 -4.4.3郵件讀取協(xié)議POP3和IMAP- 55 -4.5萬(wàn)維網(wǎng)WWW- 55 -4.5.1概述- 55 -4.5.2統(tǒng)一資源定位符- 55 -4.5.3Web頁(yè)面和HTML- 56 -4.5.4超文本傳送協(xié)議HTTP- 56 -4.6網(wǎng)絡(luò)安全- 58 -4.6.1網(wǎng)絡(luò)安全的定義- 58 -4.6.2網(wǎng)絡(luò)面臨的主要威脅- 58 -4.6.3網(wǎng)絡(luò)安全體系結(jié)構(gòu)- 59 -4.6.4網(wǎng)

7、絡(luò)安全建設(shè)- 60 -第一章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述1.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在信息時(shí)代的作用進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，以Internet為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)得到了飛速的發(fā)展，已從最初的教育科研網(wǎng)逐步發(fā)展成為商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并已成為僅次于全球電話網(wǎng)的世界第二大網(wǎng)絡(luò)。不少人認(rèn)為現(xiàn)在已經(jīng)是Internet的時(shí)代，這是因?yàn)镮nternet正在改變著我們工作和生活的各個(gè)方面，它已經(jīng)給很多國(guó)家?guī)?lái)了巨大的好處，并加速了全球信息革命的進(jìn)程。可以毫不夸大地說(shuō)，Internet是自印刷術(shù)以來(lái)人類通信方面最大的變革。1993年9月15日，美國(guó)政府發(fā)布了一個(gè)在全世界引起很大反響的文件，其標(biāo)題是“國(guó)家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(NII)行動(dòng)計(jì)劃”。這個(gè)文

8、件提出高速信息網(wǎng)是國(guó)家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分。為了更加生動(dòng)而形象地說(shuō)明這個(gè)“NII行動(dòng)計(jì)劃”，人們常用“信息高速公路”這個(gè)名詞作為“國(guó)家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)”的通俗名稱。1994年9月美國(guó)又推出建立全球信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)GII的倡議。建議將各國(guó)的NII互連起來(lái)，組成世界范圍的信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的Internet就是這種全球性的信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的雛形?，F(xiàn)在全世界所有的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和很多的發(fā)展中國(guó)家都紛紛研究和制訂本國(guó)建設(shè)信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的計(jì)劃。這就使得計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的歷史階段，并變成了幾乎人人都知道而且都十分關(guān)心的一門學(xué)科。目前“三網(wǎng)合一”的呼聲很高。所謂“三網(wǎng)合一”是指只用一種網(wǎng)絡(luò)就可實(shí)現(xiàn)電信

9、網(wǎng)絡(luò)、有線電視網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)這三種網(wǎng)絡(luò)的功能。但“三網(wǎng)合一”還有不少技術(shù)上的困難，短期內(nèi)難以全部解決。1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)源于計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的結(jié)合，始于20世紀(jì)50年代，在近20年來(lái)得到迅猛發(fā)展。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段。1以單計(jì)算機(jī)為中心的聯(lián)機(jī)系統(tǒng) 圖1-1 單機(jī)處理聯(lián)機(jī)系統(tǒng)單機(jī)處理聯(lián)機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多處理機(jī)網(wǎng)路相比其缺點(diǎn)在于：主機(jī)負(fù)荷較重，既要承擔(dān)通信工作，又要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理工作，主機(jī)的效率較低；通信線路的利用率較低；屬于集中控制方式，可靠性低。為了提高通信線路的利用率并減輕主機(jī)的負(fù)擔(dān)，已經(jīng)使用了多點(diǎn)通信線路、集中器以及前端處理機(jī)。2通信子網(wǎng)的出現(xiàn)利用通信線路將主計(jì)算機(jī)

10、連接起來(lái)，把通信從主機(jī)分離出來(lái)，設(shè)置通信控制處理機(jī)CCP，主機(jī)的通信通過(guò)CCP的中繼功能如圖1-2所示。圖1-2 具有通信子網(wǎng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信控制處理機(jī)負(fù)責(zé)網(wǎng)上各主機(jī)間的通信控制和通信處理，由他們組成的通信子網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)層，或骨架層，是網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。網(wǎng)上主機(jī)（HOST）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源的擁有者，它們組成了網(wǎng)絡(luò)的資源。3統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)(Network Achitecture)：網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)模型及各層協(xié)議的集合。ISO組織(International Standard Organization) 于1987年制定了開放系統(tǒng)互連 OSI(Open Syst

11、em Interconnection) 七層模型，成為國(guó)際網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)。4因特網(wǎng)(Internet)Internet的應(yīng)用范圍由最早的軍事、國(guó)防，擴(kuò)展到美國(guó)國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而迅速覆蓋了全球的各個(gè)領(lǐng)域，運(yùn)營(yíng)性質(zhì)也由科研、教育為主逐漸轉(zhuǎn)向商業(yè)化。 它的原型是1969年美國(guó)國(guó)防部遠(yuǎn)景研究規(guī)劃局（Advanced Research Projects Agency）為軍事實(shí)驗(yàn)用而建立的網(wǎng)絡(luò)，名為ARPANET，初期只有四臺(tái)主機(jī)，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一部分因戰(zhàn)爭(zhēng)原因遭到破 壞時(shí)，其余部分仍能正常運(yùn)行；80年代初期ARPA和美國(guó)國(guó)防部通信局研制成功用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的 TCP/IP協(xié)議并投入使用；198

12、6年在美國(guó)國(guó)會(huì)科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation)的支持下，用高速通信線路把 分布在各地的一些超級(jí)計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，以NFSNET接替ARPANET；進(jìn)而又經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展形成Internet。其應(yīng)用范圍也由最早的軍事、國(guó)防，擴(kuò)展到美國(guó)國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而迅速覆蓋了全球的各個(gè)領(lǐng)域，運(yùn)營(yíng)性質(zhì)也由科研、教育為主逐漸轉(zhuǎn)向商業(yè)化。 1.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類1.3.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義所謂的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)指的就是由相互獨(dú)立自治的計(jì)算機(jī)按照一定的協(xié)議互相連接起來(lái)的一個(gè)集合。最簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就只有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)和連接它們的一條鏈路。最復(fù)雜的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是Internet。它由非常多的計(jì)算

13、機(jī)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)許多路由器互連而成。因此Internet也稱為“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”(network of networks)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)雖然有相同之處，但二者并不等同。分布式系統(tǒng)的最主要特點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)中的各計(jì)算機(jī)對(duì)用戶都是透明的。1.3.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類方法l 從網(wǎng)絡(luò)的交換功能可分為電路交換、報(bào)文交換、分組交換和混合交換。l 從網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為集中式網(wǎng)絡(luò)、分散式網(wǎng)絡(luò)和分布式網(wǎng)絡(luò)。圖1-3 幾種常見的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋖 從網(wǎng)絡(luò)的作用范圍可分為廣域網(wǎng)WAN (Wide Area Network)、局域網(wǎng)LAN (Local Area Network)和城域網(wǎng)MAN (Metropolitan

14、Area Network)。l 從網(wǎng)絡(luò)的使用范圍可分為公用網(wǎng)(public network)和專用網(wǎng)(private network)。1.4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)1.4.1帶寬“帶寬”本來(lái)的意思是指某個(gè)信號(hào)具有的頻帶寬度。對(duì)于數(shù)字信道，“帶寬”是指在信道上(或一段鏈路上)能夠傳送的數(shù)字信號(hào)的速率，即數(shù)據(jù)率或比特率。比特(bit)是計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)的最小單元，它也是信息量的度量單位。帶寬的單位就是比特每秒(bit/s)。帶寬有時(shí)也稱為吞吐量。如果我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)中某一個(gè)點(diǎn)上觀察數(shù)字信號(hào)流隨時(shí)間的變化，那么信號(hào)在時(shí)間軸上的寬度就隨著帶寬的增大而變窄。圖1-4是這一概念的示意圖。圖1-4 帶寬隨時(shí)間變化

15、示意圖1.4.2時(shí)延時(shí)延(delay或latency)是指一個(gè)報(bào)文或分組從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)(或一條鏈路)的一端傳送到另一端所需的時(shí)間。時(shí)延由傳播時(shí)延、發(fā)送時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延組成。l 傳播時(shí)延是電磁波在信道中傳播所需要的時(shí)間。傳播時(shí)延的計(jì)算公式是：傳播時(shí)延 = 信道長(zhǎng)度 電磁波在信道上的傳播速率。l 發(fā)送時(shí)延是發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。發(fā)送時(shí)延的計(jì)算公式是：發(fā)送時(shí)延 = 數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度 信道帶寬l 排隊(duì)時(shí)延是數(shù)據(jù)在交換結(jié)點(diǎn)等候發(fā)送在緩存的隊(duì)列中排隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)延。數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時(shí)延就是以上三種時(shí)延之和。圖1-5畫出了三種時(shí)延所產(chǎn)生的地方圖1-5 三種時(shí)延產(chǎn)生的地方1.4.3時(shí)延帶寬積和往返時(shí)延網(wǎng)絡(luò)性能的兩個(gè)度量傳播時(shí)延

16、和帶寬相乘，就得到另一個(gè)很有用的度量：傳播時(shí)延帶寬積，即(傳播時(shí)延)(帶寬)。鏈路的時(shí)延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長(zhǎng)度。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，往返時(shí)延RTT (Round-Trip Time)也是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它表示從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到來(lái)自接收端的確認(rèn)，總共經(jīng)歷的時(shí)延。1.5計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)為了使不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都能互連，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO于1977年成立了專門機(jī)構(gòu)研究該問(wèn)題。不久，他們就提出一個(gè)試圖使各種計(jì)算機(jī)在世界范圍內(nèi)互連成網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)框架，即著名的開放系統(tǒng)互連基本參考模型OSI/RM (Open Systems Interconnection Referenc

17、e Model)，簡(jiǎn)稱為OSI。1.5.1協(xié)議與劃分層次為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定即稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下三個(gè)要素組成：（1）語(yǔ)法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式；（2）語(yǔ)義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動(dòng)作以及做出何種響應(yīng)；（3）同步，即事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明。兩個(gè)計(jì)算機(jī)可將文件傳送模塊作為最高的一層(如圖1-6所示)。圖1-6 劃分層次的舉例計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(architecture)，也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)就是這個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義。體系結(jié)構(gòu)是抽象的，而實(shí)現(xiàn)則是具體的，是真正在運(yùn)行的計(jì)算機(jī)

18、硬件和軟件。1.5.2從OSI體系結(jié)構(gòu)到原理體系結(jié)構(gòu)OSI的七層協(xié)議體系結(jié)構(gòu)既復(fù)雜又不實(shí)用，但其概念清楚，體系價(jià)格低廉，理論較完整。TCP/IP的協(xié)議現(xiàn)在得到了全世界的承認(rèn)，但它實(shí)際上并沒有一個(gè)完整的體系結(jié)構(gòu)。TCP/IP是一個(gè)四層的體系結(jié)構(gòu)，它包含應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層。但從實(shí)質(zhì)上講，TCP/IP只有三層，即應(yīng)用層、運(yùn)輸層和網(wǎng)際層，因?yàn)樽钕旅娴木W(wǎng)絡(luò)接口層并沒有什么具體內(nèi)容。因此在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的原理時(shí)往往采取折衷的辦法，也就是綜合OSI和TCP/IP的優(yōu)點(diǎn)，采用一種原理體系結(jié)構(gòu)，它只有五層(如圖1-7所示)，這樣既簡(jiǎn)潔又能將概念闡述清楚。圖1-7 具有5層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)l 應(yīng)用層

19、(application layer)是原理體系結(jié)構(gòu)中的最高層。應(yīng)用層確定進(jìn)程之間通信性質(zhì)以滿足用戶的需要(這反映在用戶所產(chǎn)生的服務(wù)請(qǐng)求)。l 運(yùn)輸層(transport layer)的任務(wù)就是負(fù)責(zé)主機(jī)中兩個(gè)進(jìn)程之間的通信，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆?bào)文段(segment)。運(yùn)輸層具有復(fù)用(multiplexing)和分用(demultiplexing)的功能。因特網(wǎng)的運(yùn)輸層可使用兩種不同協(xié)議。即面向連接的傳輸控制協(xié)議TCP (Transmission Control Protocol)，和無(wú)連接的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP (User Datagram Protocol)。l 網(wǎng)絡(luò)層(network la

20、yer)負(fù)責(zé)為分組交換網(wǎng)上的不同主機(jī)提供通信。在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)的傳送單位是分組或包。在TCP/IP體系中，分組也叫作IP數(shù)據(jù)報(bào)，或簡(jiǎn)稱為數(shù)據(jù)報(bào)。l 數(shù)據(jù)鏈路層（data link layer）的任務(wù)是在兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)間的線路上無(wú)差錯(cuò)地傳送以幀(frame)為單位的數(shù)據(jù)。每一幀包括數(shù)據(jù)和必要的控制信息。數(shù)據(jù)鏈路層有時(shí)也常簡(jiǎn)稱為鏈路層。l 物理層（physical layer）的任務(wù)就是透明地傳送比特流。“透明”表示某一個(gè)實(shí)際存在的事物看起來(lái)卻好像不存在一樣。圖1-8說(shuō)明的是應(yīng)用進(jìn)程的數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過(guò)程中所經(jīng)歷的變化。這里為簡(jiǎn)單起見，假定兩個(gè)主機(jī)是直接相連的。5432154321H3物 理 傳

21、輸 媒 體數(shù) 據(jù) 部 分?jǐn)?shù) 據(jù) 部 分?jǐn)?shù) 據(jù) 部 分?jǐn)?shù) 據(jù) 部 分10100110100101 比 特 流 11 010111010T2計(jì)算機(jī) 1H5H4H2首部尾部AP2AP1應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù)計(jì)算機(jī) 2比特幀IP數(shù)據(jù)報(bào)IP分組TCP報(bào)文段UDP報(bào)文段圖1-8 數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過(guò)程1.5.3面向連接服務(wù)與無(wú)連接服務(wù)從通信的角度看，各層所提供的服務(wù)可分為兩大類，即面向連接的(connection-oriented)與無(wú)連接的(connectionless)。l 面向連接服務(wù)所謂連接，就是兩個(gè)對(duì)等實(shí)體為進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而進(jìn)行的一種結(jié)合。面向連接服務(wù)是在數(shù)據(jù)交換之前，必須先建立連接。當(dāng)數(shù)據(jù)交換

22、結(jié)束后，則應(yīng)終止這個(gè)連接。面向連接服務(wù)具有連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放這三個(gè)階段。面向連接服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)層中又稱為虛電路服務(wù)。l 2無(wú)連接服務(wù)在無(wú)連接服務(wù)的情況下，兩個(gè)實(shí)體之間的通信不需要先建立好一個(gè)連接，因此其下層的有關(guān)資源不需要事先進(jìn)行預(yù)定保留。這些資源將在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行分配。無(wú)連接服務(wù)的另一特征就是它不需要通信的兩個(gè)實(shí)體同時(shí)是活躍的(即處于激活態(tài))。1.5.4OSI與TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的比較OSI參考模型中采用了七個(gè)層次的體系結(jié)構(gòu)，將原理體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層再劃分為應(yīng)用層、表示層和會(huì)話層。圖1-9畫出了TCP/IP與OSI這兩種體系結(jié)構(gòu)的對(duì)比。圖1-9 TCP/IP與OSI兩種體系結(jié)構(gòu)

23、比較在一些問(wèn)題的處理上，TCP/IP與OSI是很不相同的：（1）TCP/IP一開始就考慮到多種異構(gòu)網(wǎng)的互連問(wèn)題。（2）TCP/IP一開始就對(duì)面向連接服務(wù)和無(wú)連接服務(wù)并重。（3）TCP/IP有較好的網(wǎng)絡(luò)管理功能。在討論兩個(gè)主機(jī)通過(guò)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連在一起時(shí)，可以使用如圖1-10所示的層次關(guān)系。圖1-10 TCP/IP四層協(xié)議的表示方法舉例第二章 物理層和數(shù)據(jù)鏈路層物理層是OSI的分層模型中的最低層，是為其上層即數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)的。物理層的主要目的是實(shí)現(xiàn)比特流的透明傳輸，使數(shù)據(jù)鏈路層不必關(guān)心比特流是如何從一臺(tái)主機(jī)傳到另一臺(tái)主機(jī)的。數(shù)據(jù)鏈路層要討論是兩個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的通信主體如何進(jìn)行可靠、有效的通信。考慮到數(shù)

24、據(jù)在傳輸過(guò)程中，傳輸介質(zhì)的損耗特性和各種噪聲的干擾將伴隨著整個(gè)傳輸過(guò)程，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯(cuò)是可能的。所以，數(shù)據(jù)鏈路層必須面對(duì)所有可能的出錯(cuò)情況和所要求提供的服務(wù)給出相應(yīng)的策略。2.1物理層的基本概念和數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)用于物理層的協(xié)議也常稱為物理層規(guī)程(procedure)?？梢詫⑽锢韺拥闹饕蝿?wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即機(jī)械特性、電氣特性、功能特性和規(guī)程特性。在物理連接上的傳輸方式一般都是串行傳輸，即一個(gè)比特一個(gè)比特地按照時(shí)間順序傳輸。但是，有時(shí)也可以采用多個(gè)比特的并行傳輸方式。2.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型兩個(gè)PC機(jī)經(jīng)過(guò)普通電話機(jī)的連線，再經(jīng)過(guò)公用電話網(wǎng)進(jìn)行通信。如圖2-1所示，一

25、個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)(或發(fā)送端)、傳輸系統(tǒng)(或傳輸網(wǎng)絡(luò))和目的系統(tǒng)(或接收端)。圖2-1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)(data)是運(yùn)送信息的實(shí)體，而信號(hào)(signal)則是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。無(wú)論數(shù)據(jù)或信號(hào)，都可以是模擬的或數(shù)字的。所謂“模擬的”就是連續(xù)變化的，而“數(shù)字的”就表示取值是離散的。因此，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(digital data)就是用不連續(xù)形式表示的數(shù)據(jù)。將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的過(guò)程叫作調(diào)制。一般說(shuō)來(lái)，模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。因此我們有以下四種情況：（1）模擬數(shù)據(jù)、模擬信號(hào)。（2）模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字信號(hào)。（3）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、模擬信號(hào)。（4）數(shù)字?jǐn)?shù)

26、據(jù)、數(shù)字信號(hào)。圖2-2給出了模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號(hào)的示意圖。圖2-2 模擬數(shù)據(jù)、模擬信號(hào)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)字信號(hào)2.1.2有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念從通信的雙方信息交互的方式來(lái)看，可以有以下三種基本方式。（1）單向通信：又稱為單工通信，即只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。無(wú)線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。（2）雙向交替通信：又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收，過(guò)一段時(shí)間后再反過(guò)來(lái)。（3）雙向同時(shí)通信：又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。有時(shí)也常用“單工”這個(gè)名詞表示“雙向交

27、替通信”。信道可以分成傳送模擬信號(hào)的模擬信道和傳送數(shù)字信號(hào)的數(shù)字信道兩大類。但應(yīng)注意，數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過(guò)數(shù)模變換后就可以在模擬信道上傳送，模擬信號(hào)在經(jīng)過(guò)模數(shù)變換后也可在數(shù)字信道上傳送。信道上傳送的信號(hào)還有基帶(baseband)信號(hào)和寬帶(broadband)信號(hào)之分。2.1.3信道上的最高碼元傳輸速率圖2-3給出了一個(gè)數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道和質(zhì)量很差的信道時(shí)的輸出波形。圖2-3 數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道和質(zhì)量很差的信道時(shí)的輸出波形奈奎斯特(Nyquist)推導(dǎo)出在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式：理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud (2-1)這里W是理想低通信道的帶寬，單位為

28、赫(Hz)；Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個(gè)碼元。式(2-1)就是著名的奈氏準(zhǔn)則。奈氏準(zhǔn)則的另一種表達(dá)方法是：每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個(gè)碼元。對(duì)于具有理想帶通矩形特性的信道(帶寬為W)，奈氏準(zhǔn)則就變?yōu)椋豪硐霂ㄐ诺赖淖罡叽a元傳輸速率 = W Baud (2-2)即每赫帶寬的帶通信道的最高碼元傳輸速率為每秒1個(gè)碼元。強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)：（1）一個(gè)實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出的這個(gè)上限數(shù)值。（2）波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?，它說(shuō)明每秒傳多少個(gè)碼元。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量的單位，與碼元的傳輸

29、速率“波特”是兩個(gè)完全不同的概念。2.1.4信道的極限信息傳輸速率信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為C = W log2(1+S/N) bit/s (2-3)其中：W為信道的帶寬(以Hz為單位)；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。式(2-3)就是著名的香農(nóng)公式。香農(nóng)公式表明，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。由于碼元的傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的制約，所以要提高信息的傳輸速率，就必須設(shè)法使每一個(gè)碼元能攜帶更多個(gè)比特的信息量。這就需要采用多元制(又稱為多進(jìn)制)的調(diào)制方法。2.2物理層的傳輸媒體傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和

30、接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導(dǎo)向傳輸媒體和非導(dǎo)向傳輸媒體。在導(dǎo)向傳輸媒體中，電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體(銅線或光纖)傳播。2.2.1導(dǎo)向傳輸媒體1雙絞線把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合(twist)起來(lái)就構(gòu)成了雙絞線。從用戶電話機(jī)到交換機(jī)的這段線稱為用戶線或用戶環(huán)路。圖2-4是無(wú)屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的示意圖。圖2-4 雙絞線示意圖2同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實(shí)心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護(hù)塑料外層所組成(圖2-5)。圖2-5 同軸電纜示意圖通常按特性阻抗數(shù)值的不同，將同軸電纜分為兩類：50 W同

31、軸電纜，又稱為基帶同軸電纜；75 W同軸電纜，又稱為寬帶同軸電纜。 在計(jì)算機(jī)通信中，“寬帶系統(tǒng)”是指采用了頻分復(fù)用和模擬傳輸技術(shù)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。雙電纜系統(tǒng)的示意圖如圖2-6(a)所示。頭端(headend)的作用是將各計(jì)算機(jī)從發(fā)送電纜發(fā)過(guò)來(lái)的信息轉(zhuǎn)換到接收電纜，使得各計(jì)算機(jī)能從接收電纜上收到發(fā)送給它們的信息。圖2-6(b)為單電纜系統(tǒng)。圖2-6 寬帶網(wǎng)絡(luò)3光纜光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細(xì)，其直徑只有8-100 mm。正是這個(gè)纖芯用來(lái)傳導(dǎo)光波。包層較纖芯有較低的折射率。當(dāng)光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時(shí)，其折射角將大于入射角，圖2-7

32、畫出了光波在纖芯中傳播的示意圖。圖2-7 光波在纖芯中的傳播只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個(gè)臨界角度，就可產(chǎn)生全反射。因此，可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖(如圖2-8(a)所示)。若光纖的直徑減小到只有一個(gè)光的波長(zhǎng)，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會(huì)產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖(圖2-8(b)。圖2-8 多模光纖和單模光纖的比較光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其他的一些特點(diǎn)：（1）傳輸損耗小，中繼距離長(zhǎng)，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。（2）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。（

33、3）無(wú)串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。（4）體積小，重量輕。2.2.2非導(dǎo)向傳輸媒體非導(dǎo)向傳輸媒體即自由空間，在非導(dǎo)向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無(wú)線傳輸。圖2-9是電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜。圖2-9 電信領(lǐng)域使用的電磁頻譜2.3模擬傳輸與數(shù)字傳輸2.3.1調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器(modem)是由調(diào)制器(MOdulator)和解調(diào)器(DEModulator)這兩個(gè)字各取其字頭合并而成的。調(diào)制器的主要作用就是個(gè)波形變換器，解調(diào)器的作用就是個(gè)波形識(shí)別器。1常見的調(diào)制方式所謂調(diào)制就是進(jìn)行波形變換?；蛘吒鼑?yán)格些，是進(jìn)行頻譜變換，將基帶數(shù)字信號(hào)的頻譜變換成為適合于在模擬信道中傳輸?shù)念l譜。最基

34、本的二元制調(diào)制方法有以下幾種(如圖2-10所示)：調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。圖2-10 對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法上述的對(duì)數(shù)字信號(hào)的調(diào)頻和調(diào)相，分別稱為移頻鍵控FSK (Frequency Shift Keying)和移相鍵控PSK (Phase Shift Keying)。而對(duì)移相鍵控還可再分為絕對(duì)移相鍵控和相對(duì)移相鍵控(DPSK)。2調(diào)制解調(diào)器的速率圖2-11(a)表示兩個(gè)計(jì)算機(jī)用戶A和B通過(guò)V.34調(diào)制解調(diào)器(33.6 kbit/s)進(jìn)行通信。由于大部分的ISP(Internet服務(wù)提供商)都使用租用數(shù)字專線接入到電話交換機(jī)，因此用戶與ISP之間的通信信道是圖2-11(

35、b)所示的那樣。經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后到用戶環(huán)路，只有在模擬信號(hào)到達(dá)用戶的調(diào)制解調(diào)器后才進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，這時(shí)才產(chǎn)生量化噪聲。圖2-11 量化噪聲產(chǎn)生的地方3調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類。同步通信就是要求接收端的時(shí)鐘頻率和發(fā)送端的時(shí)鐘頻率相等(這常稱為收發(fā)雙方的時(shí)鐘是同步的)，以便使接收端對(duì)收到的比特流的采樣判決的時(shí)間是準(zhǔn)確的。準(zhǔn)同步方式是各有關(guān)信號(hào)使用一些獨(dú)立的、具有相同的頻率標(biāo)稱值的時(shí)鐘源，但這些頻率的實(shí)際數(shù)值允許有微小的誤差(在容許范圍之內(nèi))。異步通信則采用另一種方法。這就是在發(fā)送端將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)以字節(jié)(8個(gè)比特)為單位進(jìn)行逐個(gè)字節(jié)的封裝。異步通信是通過(guò)增加通信開銷

36、(每發(fā)送10個(gè)比特就有兩個(gè)比特的額外開銷，因而數(shù)據(jù)的有效傳輸速率就降低了)使接收端能夠使用廉價(jià)的、具有一般精度的時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。2.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，必須先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號(hào)最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號(hào)無(wú)失真地恢復(fù)出原來(lái)的電話信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的電話信號(hào)的最高頻率為3.4 kHz，為方便起見，采樣頻率就定為8 kHz，相當(dāng)于采樣周期為125 ms。圖2-12表示了上述的概念。圖2-12 PCM的基本原理2.3.3頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用的特點(diǎn)分別如圖2-13(a)和(b)所示。頻分復(fù)用是指所有用戶

37、在同樣的時(shí)間內(nèi)占用不同的帶寬資源(請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率)。時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。在進(jìn)行通信時(shí)，復(fù)用器(multiplexer)總是和分用器(demultiplexer)成對(duì)地使用。圖2-13 頻分復(fù)用和時(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM (Statistic TDM)是一種改進(jìn)的時(shí)分復(fù)用，它能明顯地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用這種統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用。統(tǒng)計(jì)復(fù)用又稱為異步時(shí)分復(fù)用，而普通的時(shí)分復(fù)用稱為同步時(shí)分復(fù)用。從平均的角度來(lái)看，這兩者是平衡的。圖2-14是統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用的原理圖。圖2-14 統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用的工作原理2.

38、3.4波分復(fù)用波分復(fù)用(WND)是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)（攜帶各種信息）在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)；在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長(zhǎng)的光載波分離，然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào)的技術(shù)。圖2-15表示8路傳輸速率均為2.5 Gbit/s的光載波(其波長(zhǎng)均為1310 nm)，經(jīng)光的調(diào)制后，分別將波長(zhǎng)變換到1550-1557 nm，每個(gè)光載波相隔1 nm (這里只是為了說(shuō)明問(wèn)題的方便，實(shí)際上光載波的間隔一般是0.8或1.6 nm)。圖2-15 波分復(fù)

39、用原理圖2.3.5碼分復(fù)用碼分復(fù)用CDM (Code Division Multiplexing)是另一種共享信道的方法。實(shí)際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA (Code Division Multiple Access)每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。由于各用戶使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此不會(huì)造成干擾。碼分復(fù)用最初是用于軍事通信，因?yàn)檫@種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。在CDMA中，每一個(gè)比特時(shí)間再劃分為m個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)。2.4無(wú)線傳輸無(wú)線傳輸?shù)姆绞街饕械孛嫖⒉ń恿νㄐ?、衛(wèi)星通信、短波通信和超短波通信，這里

40、主要介紹后兩種。2.4.1地面微波接力通信微波通信（Microwave Communication），是使用波長(zhǎng)在0.1毫米至1米之間的電磁波微波進(jìn)行的通信。微波通信不需要固體介質(zhì)，當(dāng)兩點(diǎn)間直線距離內(nèi)無(wú)障礙時(shí)就可以使用微波傳送。我國(guó)微波通信廣泛應(yīng)用L、S、C、X諸頻段，K頻段的應(yīng)用尚在開發(fā)之中。由于微波的頻率極高，波長(zhǎng)又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進(jìn)，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過(guò)視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。一般說(shuō)來(lái)，由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通信方式，稱為地面微波中繼通信

41、或地面微波接力通信。如圖2-16所示。圖2-16 地面微波接力通信示意地面微波接力通信的其主要特點(diǎn)是：微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大；因?yàn)楣I(yè)干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對(duì)微波通信的危害比對(duì)短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質(zhì)量較高；與相同容量和長(zhǎng)度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設(shè)投資少，見效快。微波接力通信的缺點(diǎn)：相鄰站之間必須直視，不能有障礙物，有時(shí)一個(gè)天線發(fā)射出的信號(hào)也會(huì)分成幾條略有差別的路徑到達(dá)接收天線，因而造成失真；微波的傳播有時(shí)也會(huì)受到惡劣氣候的影響；與電纜通信系統(tǒng)比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差；對(duì)大量中繼站的使用和維護(hù)要耗費(fèi)

42、一定的人力和物力。2.4.2衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信是指地面或低層大氣中的無(wú)線電通信站間利用通信衛(wèi)星作為中繼站而進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由通信衛(wèi)星和地球站兩部分組成。通信衛(wèi)星可分為地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星、中間地球軌道（MEO）衛(wèi)星和低地球軌道（LEO）衛(wèi)星。圖2-17為衛(wèi)星通信示意圖。圖2-17 衛(wèi)星通信原理示意圖衛(wèi)星通信的最大特點(diǎn)是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)。衛(wèi)星通信的另一特點(diǎn)就是具有較大的傳播時(shí)延。2.4.3短波通信和短波電臺(tái)短波通信(Short-wave Comunication)是無(wú)線電通信的一種。波長(zhǎng)在10米100米之間，頻率范圍3兆赫30兆赫。發(fā)射電波要經(jīng)電離層的反射才能到達(dá)

43、接收設(shè)備，通信距離較遠(yuǎn)，是遠(yuǎn)程通信的主要手段。由于電離層的高度和密度容易受晝夜、季節(jié)、氣候等因素的影響，所以短波通信的穩(wěn)定性較差，噪聲較大。目前，它廣泛應(yīng)用于電報(bào)、電話、低速傳真通信和廣播等方面。盡管當(dāng)前新型無(wú)線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，短波這一古老和傳統(tǒng)的通信方式仍然受到全世界普遍重視，不僅沒有被淘汰，還在快速發(fā)展。1短波傳播途徑短波的基本傳播途徑有兩個(gè)：一個(gè)是地波，一個(gè)是天波。短波地波信號(hào)可以沿海面?zhèn)鞑?000公里左右；沿地面最多只能傳播幾十公里。地波傳播不需要經(jīng)常改變工作頻率，但要考慮障礙物的阻擋，這與天波傳播是不同的。 短波的主要傳播途徑是天波。短波信號(hào)由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，又由

44、地面反射回電離層，可以反射多次，因而傳播距離很遠(yuǎn)（幾百至上萬(wàn)公里），而且不受地面障礙物阻擋。但天波是很不穩(wěn)定的。在天波傳播過(guò)程中，路徑衰耗、時(shí)間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)、電離層衰落等因素，都會(huì)造成信號(hào)的弱化和畸變，影響短波通信的效果。2短波通信優(yōu)點(diǎn)第一,短波是唯一不受網(wǎng)絡(luò)樞鈕和有源中繼體制約的遠(yuǎn)程通信手段，一但發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)或?yàn)?zāi)害，各種通信網(wǎng)絡(luò)都可能受到破壞，衛(wèi)星也可能受到攻擊。無(wú)論哪種通信方式，其抗毀能力和自主通信能力與短波無(wú)可相比 第二,在山區(qū)、戈壁、海洋等地區(qū)，超短波覆蓋不到，主要依靠短波 第三,與衛(wèi)星通信相比，短波通信不用支付話費(fèi)，運(yùn)行成本低。 近年來(lái)，短波通信技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步

45、。這些技術(shù)成果理應(yīng)被中國(guó)這樣的短波通信大國(guó)所用。用現(xiàn)代化的短波設(shè)備改造和充實(shí)我國(guó)各個(gè)重要領(lǐng)域的無(wú)線通信網(wǎng)，使之更加先進(jìn)和有效，滿足新時(shí)代各項(xiàng)工作的需要，無(wú)疑是非常有意義的。 3短波電臺(tái)短波電臺(tái)是指工作波長(zhǎng)為10010米（頻率為330兆赫）的無(wú)線電通信設(shè)備。主要用于傳送話音、等幅報(bào)和移頻報(bào)。在傳送電話信號(hào)時(shí)，采用振幅調(diào)制和單邊帶調(diào)制。由發(fā)信機(jī)、收信機(jī)、天線、電源和終端設(shè)備等組成。軍用短波電臺(tái)按用途和使用條件，分為便攜式、車載（或艦載、機(jī)載）式和固定式電臺(tái)。便攜式電臺(tái)主要用于保障戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)的通信聯(lián)絡(luò)，具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，一般采用鞭形天線,利用地波進(jìn)行近距離通信,功率通常為數(shù)瓦至數(shù)十瓦。車載式電

46、臺(tái)用于組成指揮所通信樞紐或作移動(dòng)通信使用，其功率為數(shù)十瓦至數(shù)千瓦，一般使用鞭形天線和雙極天線。固定式電臺(tái)主要用于戰(zhàn)略通信，通常組成發(fā)信集中臺(tái)和收信集中臺(tái)，其功率為數(shù)百瓦至數(shù)千瓦，甚至到數(shù)十千瓦，一般使用性能較好的大型天線。為使用地波通信，便攜式和車載式電臺(tái)的頻率范圍已擴(kuò)展到中波波段，通常為1.630兆赫。2.4.4短波通信組網(wǎng)技術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)化是高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)條件下戰(zhàn)場(chǎng)電子信息分發(fā)的必然要求，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)通信保障的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于提高信息交互速度、電子對(duì)抗能力、充分發(fā)揮部隊(duì)的整體作戰(zhàn)效能有著重要的意義。作為一種不可或缺的應(yīng)急通信手段，短波通信的網(wǎng)絡(luò)化以及短波通信在不同層次的指揮網(wǎng)系中的嵌入應(yīng)用已經(jīng)成為短波

47、通信技術(shù)的研究重點(diǎn)。1短波通信組網(wǎng)的信道類別l 固定頻率通信網(wǎng)固定頻率通信網(wǎng)是傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式，目前軍隊(duì)還有較多使用。這種組網(wǎng)方式的通信穩(wěn)定性和抗干擾能力比較差， 其使用范圍正逐漸縮小。l 頻率自適應(yīng)通信網(wǎng)頻率自適應(yīng)通信網(wǎng)是指網(wǎng)內(nèi)自適應(yīng)電臺(tái)通過(guò)線路質(zhì)量分析、自動(dòng)選擇呼叫及預(yù)置信道掃描，能夠自動(dòng)在預(yù)先設(shè)置頻率點(diǎn)組中選擇最好的頻率建立起短波通信。由于其在保證信道質(zhì)量、占用頻率數(shù)量、建立通信鏈路、組網(wǎng)、系統(tǒng)設(shè)備的成熟性等綜合性能方面優(yōu)點(diǎn)突出，因此世界各國(guó)都廣泛使用。l 短波跳頻通信網(wǎng)短波跳頻通信是使通信信號(hào)的頻率在一定帶寬內(nèi)快速隨機(jī)跳變( 對(duì)外界來(lái)說(shuō)是隨機(jī)跳變，而實(shí)際上是按預(yù)先設(shè)置的“圖案”跳變)，使

48、敵方偵察和干擾跟不上這種變化，無(wú)法施放干擾而達(dá)到抗干擾的目的。所以，跳頻的性能好壞，取決于頻率點(diǎn)變化的多少(頻率點(diǎn)越多，意味著信號(hào)帶寬越寬) 和頻率點(diǎn)變化的快慢，即跳頻速率。跳頻帶寬越寬，跳速越高，則偵察和干擾越困難。目前，隨著自適應(yīng)跳頻通信技術(shù)的逐漸成熟， 短波跳頻通信網(wǎng)將成為短波通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。l 短波直接序列擴(kuò)頻通信網(wǎng)直接序列擴(kuò)頻通信是將原來(lái)集中在信息帶寬內(nèi)的能量分散在帶寬寬得多的擴(kuò)頻碼序列帶寬之內(nèi)，使能量密度下降成千上萬(wàn)倍甚至低于接收機(jī)的噪聲。而在通信的接收端，用解擴(kuò)的方法再將能量集中起來(lái)，實(shí)現(xiàn)正常的通信。因此它又有優(yōu)良的抗干擾性能和抗截獲性能。顯然，以這種傳輸方式組成的通信網(wǎng)

49、特別適用于戰(zhàn)時(shí)。但擴(kuò)頻通信技術(shù)要求很高，目前國(guó)際上的應(yīng)用也剛剛起步。2短波網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)短波通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形、樹形、網(wǎng)形。星形網(wǎng)傳送平均延時(shí)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建網(wǎng)容易，傳統(tǒng)的定頻無(wú)線電臺(tái)的組網(wǎng)，通常按指揮關(guān)系組成集中式的星形網(wǎng)。在一個(gè)頻率上，采用“按鍵講話”的單工方式，也就是各個(gè)設(shè)備經(jīng)常處在“ 接收” 狀態(tài)，而用本機(jī)的轉(zhuǎn)換開關(guān)來(lái)啟動(dòng)發(fā)射機(jī)。由于星形網(wǎng)絡(luò)可靠性差，中心節(jié)點(diǎn)易成為系統(tǒng)的“ 瓶頸”，且一旦發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓， 因此采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)， 不能將其作為唯一的結(jié)構(gòu)。樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)符合軍隊(duì)建制，是短波通信在軍事上應(yīng)用的一種常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，岸上戰(zhàn)區(qū)指揮所( 岸指)、海上編隊(duì)指揮所(

50、 編指) 及戰(zhàn)斗群指揮所( 群指) 按建制可組成樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，群指為該網(wǎng)的一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，如圖2-18 所示。圖2-18 短波樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，其任意兩點(diǎn)間可直接通信，通信速度快，網(wǎng)絡(luò)的可靠性最高（圖2-19）。短波通信干線網(wǎng)若其節(jié)點(diǎn)不是很多時(shí)應(yīng)采用全互聯(lián)形網(wǎng)形結(jié)構(gòu)；當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)較大時(shí)，短波網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不宜采用全互聯(lián)的形式，因?yàn)樾诺罃?shù)量較大時(shí)，不僅會(huì)降低對(duì)資源的利用，同時(shí)也會(huì)造成相互之間的干擾而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能下降。所以，對(duì)于網(wǎng)形結(jié)構(gòu)，需尋找經(jīng)濟(jì)性和可靠性之間的最佳平衡點(diǎn)。 圖2-19 短波網(wǎng)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)區(qū)組形是一種分布式無(wú)中心的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)被破壞，不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的總體性能產(chǎn)生

51、太大的影響，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信不會(huì)因此中斷，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能， 因此這種結(jié)構(gòu)在軍事通信上必將有更廣泛的應(yīng)用前景。3短波電臺(tái)的組網(wǎng)應(yīng)用在數(shù)字化部隊(duì)的建設(shè)上，對(duì)無(wú)線組網(wǎng)的要求是穩(wěn)定、可靠、自動(dòng)、智能。因此必須確保短波通信鏈路的質(zhì)量，使各級(jí)指揮所的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)人員數(shù)字終端始終工作在暢通的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上。下面以一個(gè)實(shí)際的短波數(shù)據(jù)、話音通信系統(tǒng)為例，闡述短波跳頻電臺(tái)的組網(wǎng)應(yīng)用以及如何實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖像、數(shù)據(jù)、話音等業(yè)務(wù)的遠(yuǎn)距離傳輸。該短波通信阿為星形結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-20所示整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)固定的短波中心站和四個(gè)可移動(dòng)的短波遠(yuǎn)端站組成。中心站為整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制中心，配有兩套短波通信設(shè)備，負(fù)責(zé)

52、管理和調(diào)度整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源配置和利用。中心站透過(guò)中心計(jì)算機(jī)接入所在局域網(wǎng)中，作為局域網(wǎng)的一個(gè)工作站。在網(wǎng)絡(luò)控制上，中心站主要完成網(wǎng)絡(luò)地址的分配與選擇、通信鏈路的控制、通信終端的工作狀態(tài)、業(yè)務(wù)類型的區(qū)分等任務(wù)。短波遠(yuǎn)端站可由派出部隊(duì)車載或背負(fù)傘降攜行。該網(wǎng)絡(luò)的主要功能有：可聯(lián)機(jī)傳遞自動(dòng)化指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息；可實(shí)現(xiàn)交換電話業(yè)務(wù)；能實(shí)時(shí)傳遞GPS定位信息和短報(bào)文信息；中心站能夠全方位地實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端站近程和遠(yuǎn)程通信。該網(wǎng)以傳遞數(shù)據(jù)為主，數(shù)話兼?zhèn)?，指揮電話優(yōu)先。圖2-20 調(diào)頻短波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2.4.5超短波通信和超短波電臺(tái)超短波也稱“米波”。指波長(zhǎng)從1米到10米(相應(yīng)的頻率從300MHz到30MHz)的無(wú)

53、線電波段，整個(gè)超短波的頻帶寬度有 270MHz，是短波頻帶寬度的10倍。因而被廣泛應(yīng)用于送電視、調(diào)頻廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、移動(dòng)通信等業(yè)務(wù)。超短波在傳輸特性上與短波有很大差別。由于頻率較高，超短波對(duì)電離層的穿透力強(qiáng)，主要以直線方式傳播。陸地通信時(shí)，考慮地球的曲率的影響，其直線傳播距離等于視距，視距約為50 km。地面對(duì)超短波的吸收系數(shù)較大，在天線高度受限的條件下，地面吸收較強(qiáng)，以接力方式傳輸時(shí)，中繼距離受限。超短波具有相當(dāng)強(qiáng)的繞射能力，加之大氣的折射系數(shù)通常呈隨高度遞減梯度，使電波向下彎曲，可形成“超視距”通信。超短波也適用于對(duì)流層中大氣湍流氣團(tuán)的散射通信，通信距離可達(dá)數(shù)百公里。超短波適于使用高增益

54、的線天線，而不適于使用面天線。超短波的波長(zhǎng)較短，因而收發(fā)天線尺寸可以較小，減小通信設(shè)備體積，且具有較寬的頻譜，可提供比短波更大的通信容量，可廣泛應(yīng)用于固定通信和移動(dòng)通信。超短波固定通信系統(tǒng)的應(yīng)用有：接力通信系統(tǒng)、一點(diǎn)多址通信系統(tǒng)、散射通信系統(tǒng)和電視廣播等。其中，接力通信系統(tǒng)利用超短波傳播，采用中繼轉(zhuǎn)發(fā)（接力）的方法，可提供4路、12路、24路的話路容量，通信距離為數(shù)百公里，多作為軍用或輔助通信手段。超短波電臺(tái)通常指的是以地波或空間波視距傳輸?shù)牟秸剻C(jī)、便攜式、車載(或機(jī)載、艦載)式電臺(tái)。它主要由收發(fā)信機(jī)、天線和電源等部分組成。超短波電臺(tái)可采用調(diào)幅、調(diào)頻、單邊帶等調(diào)制制度，通常以調(diào)頻制為主，其抗干

55、擾性能優(yōu)于調(diào)幅制和單邊帶制。 陸軍超短波電臺(tái)主要用于戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)進(jìn)行近距離通信。根據(jù)電臺(tái)的發(fā)射功率、天線形式和地形的不同，通信距離一般為數(shù)公里至數(shù)十公里。便攜式超短波電臺(tái)主要采用鞭形天線，發(fā)信機(jī)功率一般為數(shù)十毫瓦至二十瓦。車（含坦克）載移動(dòng)通信時(shí)，通常需配數(shù)十瓦至上百瓦的功率放大器,才能達(dá)到原來(lái)的通信距離。固定使用時(shí),可采用定向天線來(lái)增大通信距離。超短波電臺(tái)與短波電臺(tái)相比，具有通信頻帶寬、容量大、信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是近距離無(wú)線電通信廣泛使用的主要裝備。 2.5數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念和停止等待協(xié)議鏈路(link)就是一條無(wú)源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)鏈路(data link)

56、則是另一個(gè)概念。這是因?yàn)楫?dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要通信協(xié)議來(lái)控制這些數(shù)據(jù)的傳輸(這將在后面討論)。數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能歸納如下：鏈路管理，即數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放；幀同步；流量控制(flow control)；差錯(cuò)控制；將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開；透明傳輸和尋址。停止等待(stop-and-wait)協(xié)議是最簡(jiǎn)單但也是最基本的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。2.5.1不需要數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸圖2-21所示的簡(jiǎn)化模型對(duì)于一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中任意一條鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸情況都是適用的。圖2-21 兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)一條數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行通信的簡(jiǎn)化模型2.5.2具有最簡(jiǎn)單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議由接收方控制發(fā)送方的數(shù)據(jù)流，乃