計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第二章要點(diǎn)

1、第二章 數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)1、信息、數(shù)據(jù)、信號(hào)通信是為了交換信息。信息（Information）是數(shù)據(jù)中所包含的有效內(nèi)容或解釋。信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形和圖像，常稱它們?yōu)閿?shù)據(jù)（Data）。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)（Data）是指計(jì)算機(jī)中傳遞（攜帶）信息的實(shí)體，即在網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)字編碼。信號(hào)（Signal）：數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電信號(hào)），數(shù)據(jù)以信號(hào)的形式在介質(zhì)中傳播。模擬信號(hào)是隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)，這種信號(hào)的某種參量，如幅度、頻率或相位等可以表示要傳送的信息。數(shù)字信號(hào)是離散信號(hào)，如計(jì)算機(jī)通信所用的二進(jìn)制代碼“0”和“1”組成的信號(hào)。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的波形圖如圖

2、2.1所示。圖2.1 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)信道也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。但是應(yīng)注意，數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過數(shù)模變換后就可以在模擬信道上傳送，而模擬信號(hào)在經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后也可以在數(shù)字信道上傳送。2、通信系統(tǒng)模型圖2.2 通信系統(tǒng)的模型信源是產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端，信宿是接受信息的一端。變換器和反變換器均是進(jìn)行信號(hào)變換的設(shè)備，在實(shí)際的通信系統(tǒng)中有各種具體的設(shè)備名稱，例如調(diào)制器與解調(diào)器、編碼與解碼器。3、數(shù)據(jù)傳輸方式模擬傳輸模擬傳輸指信道中傳輸?shù)臑槟M信號(hào)。當(dāng)傳輸?shù)氖悄M信號(hào)時(shí)，可以直接進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)時(shí)，進(jìn)入信道前要經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器調(diào)制，變換為模擬信號(hào)。圖2.4

3、模擬傳輸數(shù)字傳輸數(shù)字傳輸指信道中傳輸?shù)臑閿?shù)字信號(hào)。當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)是數(shù)字信號(hào)時(shí)，可以直接進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳輸?shù)氖悄M信號(hào)時(shí)，進(jìn)入信道前要經(jīng)過編碼解碼器編碼，變換為數(shù)字信號(hào)。圖2.5 數(shù)字傳輸編碼：不歸零碼、曼切斯特碼、差分曼切斯特碼（要求掌握）4、傅立葉分析及信號(hào)帶寬任何周期信號(hào)都可以表示為基波信號(hào)和各種高次諧波信號(hào)的合成。根據(jù)傅立葉分析法，可以把一個(gè)周期為的復(fù)雜函數(shù)表示為無限個(gè)正弦和余弦函數(shù)之和其中代表直流分量，為基頻，、分別是次諧波振幅的正弦和余弦分量頻譜指組成周期信號(hào)各次諧波的振幅按頻率的分布圖，雖然周期信號(hào)的頻譜理論上可以是無限的，但是一般高次諧波的分量會(huì)越來越小，因此，一般將小于某一分量的諧

4、波略掉。如圖2.9所示，諧波的最高頻率與最低頻率之差稱作信號(hào)的頻帶寬度，簡稱帶寬，它表示實(shí)際信道所能傳輸信號(hào)的頻率范圍。圖2.9 信號(hào)的頻譜圖5、周期性矩形脈沖的帶寬如圖2.10（a）所示，其幅值為A，脈沖寬度為，周期為T，對(duì)稱于縱軸。圖2.10 周期性脈沖及其頻譜上述周期矩形脈沖的傅立葉級(jí)數(shù)中只含有直流和余弦項(xiàng)，令，我們有由圖可知，諧波分量的頻率越高，其幅值越小?？梢哉J(rèn)為信號(hào)的絕大部分能量集中在第一個(gè)零點(diǎn)的左側(cè)，第一個(gè)零點(diǎn)處于。定義周期性矩形脈沖信號(hào)的帶寬為：f=1/。注意：如果脈沖信號(hào)的脈沖寬度越小，其帶寬越大。注意：帶寬通常指信號(hào)所占據(jù)的頻帶寬度；以赫茲（Hz）為單位。對(duì)于數(shù)字信號(hào)而言，

5、帶寬和單位時(shí)間內(nèi)鏈路能夠通過的數(shù)據(jù)量成正比。所以帶寬是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語，單位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。6、波特率、數(shù)據(jù)速率和信道容量碼元速率表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即通過信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。若信號(hào)碼元寬度為T秒，則碼元速率B=1/T，單位叫波特，故碼元速率也稱為波特率1924年奈奎斯特推導(dǎo)出有限帶寬無噪聲信道的極限波特率，稱為奈氏定理。若信道帶寬為W，則奈氏定理的最大碼元速率為：B=2W （Baud）數(shù)據(jù)速率指單位時(shí)間內(nèi)信道上傳送的信息量（比特?cái)?shù)）。（bps）式中R表示數(shù)據(jù)速率，B、N、W的含義如上所述，單位為每秒比特（bits per se

6、cond），記為bps或b/s。理解：數(shù)據(jù)速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”是兩個(gè)不同的概念。兩者在數(shù)量上有上述公式所描述的關(guān)系。若1個(gè)碼元只攜帶1bit的信息量（2進(jìn)制），則兩者在數(shù)值上是相等的。即。7、香農(nóng)（shnnon）定律（有噪信道極限傳輸速率）式中，為信道帶寬，為信號(hào)的平均功率，為噪聲平均功率，叫信噪比。注意：實(shí)際使用中，與的比值太大，故常取分貝數(shù)。例如當(dāng)=1000時(shí)，信噪比為30dB（分貝）。8、信道延遲信號(hào)在信道中從源端到達(dá)宿端需要的時(shí)間即為信道延遲，它與信道的長度及信號(hào)傳播速度有關(guān)。9、基帶傳輸所謂基帶指的是基本頻帶，也就是數(shù)據(jù)編碼電信號(hào)所固有的頻帶，這種信號(hào)可稱為基帶信

7、號(hào)。10、調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制時(shí)，把正弦信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)或載波信號(hào)。調(diào)制即利用載波信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)的變化來表示數(shù)字信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）的過程?；谳d波信號(hào)的三個(gè)主要參數(shù)，可把調(diào)制方式分為三種：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制，可分別簡稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相，如圖2.12所示。圖2.12 三種模擬調(diào)制方式（1）調(diào)幅（AM，Amplitude Modulation）（2）調(diào)頻（FM，F(xiàn)requency Modulation）（3）調(diào)相（PM，Phase Modulation）11、脈碼調(diào)制將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的常用方法是脈碼調(diào)制PCM（Pulse Code Modulation）。由于歷史上的原因 ,P

8、CM有兩個(gè)互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的24路PCM（簡稱為T1）和歐洲的30路PCM（簡稱為 E1）。我國采用的是目標(biāo)準(zhǔn)。T1的速率是1.544Mbps,E1的速率是2.048Mbps。為了將模擬電話信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，必須對(duì)電話信號(hào)進(jìn)行取樣。即每隔一定的時(shí)間間隔，取模擬信號(hào)的當(dāng)前值作為樣本。該樣本代表了模擬信號(hào)在某一時(shí)刻的瞬時(shí)值。一系列連 續(xù)的樣本可用來代表模擬信號(hào)在某一區(qū)間隨時(shí)間變化的值。取樣的頻率可根據(jù)奈氏取樣定理 確定。奈氏取樣定理表述為，只要取樣頻率大于模擬信號(hào)最高頻率的2倍，則可以用得到的樣本空間恢復(fù)原來的模擬信號(hào)。即其中fl為取樣頻率,T1為取樣周期，即兩次取祥之間的間隔,f2m

9、ax為信號(hào)的最高頻率二標(biāo)準(zhǔn)電話信號(hào)的最高頻率為3.4KHz,為方便起見，取樣頻率就定為8KHz,相當(dāng)于取樣周期為 125s（1/8000s）。圖2.14表示了上述概念。圖2.14 PCM的基本原理這樣，一個(gè)話路的模擬電話信號(hào)，經(jīng)模數(shù)變換后，就變成每秒8000個(gè)脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)再編為8位二進(jìn)制碼元。因此一個(gè)話路的PCM信號(hào)速率為64Kbps。為有效利用傳輸線路，通?？偸菍⒍鄠€(gè)話路的PCM信號(hào)用時(shí)分多路復(fù)用（見下一節(jié)）的方法裝成幀（即時(shí)分復(fù)用幀），然后再往線路上一幀接一幀地傳輸。圖2.15說明了E1的時(shí)分復(fù)用幀的構(gòu)成。圖2.15 E1的時(shí)分復(fù)用幀E1的一個(gè)時(shí)分復(fù)用幀（其長度T=125s）共分

10、為32個(gè)相等的時(shí)間間隙（簡稱時(shí)隙），每個(gè)時(shí)隙傳送8bits。因此，整個(gè)32個(gè)時(shí)隙共傳送256bits，即一個(gè)幀的信息量。每秒傳送8000個(gè)幀，故PCM一次群E1的數(shù)據(jù)率即為2.048Mbps北美使用的T1系統(tǒng)共24個(gè)話路。每個(gè)話路的取樣脈沖占用8bits。幀同步是在24路的編碼之后加上1bits，這樣每幀共193bit。因此T1一次群的數(shù)據(jù)率為1.544Mbps。12、頻分多路復(fù)用在物理信道能提供比單個(gè)原始信號(hào)寬得多的帶寬的情況下，我們就可將該物理信道的總 帶寬分割成若干個(gè)和傳輸?shù)膯蝹€(gè)信號(hào)帶寬相同（或略為寬一點(diǎn)）的子信道，每一個(gè)子信道傳 輸一路信號(hào)。這即頻分多路復(fù)用FDM（Frequency

11、Division Multiplexing）。圖2.17 頻分多路復(fù)用FDM13、時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用TDM（Time Division Multiplexing）是將一條物理線路按時(shí)間分成一個(gè)個(gè)的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片常稱為一幀（Frame）, 每幀長125s, 再分為若干時(shí)隙，輪換地為多個(gè)信號(hào)所使用。（見PCM）14、光波分多路復(fù)用光波分多路復(fù)用WDM（ Wavelength Division Multiplexing）技術(shù)是在一根光纖中能同時(shí)傳播多個(gè)光波信號(hào)的技術(shù)。光波分多路復(fù)用的原理如圖2.20所示，在發(fā)送端將不同波長的光信號(hào)組合起來，復(fù)用到一根光纖上，在接受端又將組合的光信號(hào)分開（解

12、復(fù)用），并送入不同的終端。圖2.20 光波分多路復(fù)用單纖傳輸15、傳輸介質(zhì)雙絞線把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線用規(guī)則的方法扭絞起來就構(gòu)成了雙絞線，如圖2.24所示?；ソg可以使線間及周圍的電磁干擾最小。電話系統(tǒng)中使用雙絞線較多，差不多所有的電話都用雙絞線連接到電話交換機(jī)。圖2.24 雙絞線雙絞線用于模擬傳輸或數(shù)字傳輸，其通信距離一般為幾千米到十幾千米。同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層以及保護(hù)塑料外層所組 成，如圖2.25所示。這種結(jié)構(gòu)中的金屬屏蔽網(wǎng)可防止中心導(dǎo)體向外輻射電磁場(chǎng)，也可用來 防止外界電磁場(chǎng)干擾中心導(dǎo)體的信號(hào)，因而具有很好的抗干擾特性，被廣泛用于較高速率的 數(shù)據(jù)

13、傳輸。通常按特性阻抗數(shù)值的不同，將其分為基帶同軸電纜（50W同軸電纜）和寬帶同軸電纜（75W同軸電纜）。 圖2.25 同軸電纜光纜光導(dǎo)纖維電纜，簡稱光纜，是網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)中性能最好、應(yīng)用前途廣泛的一種。圖2.26 光纖剖面的示意圖光纖通常由極透明的石英玻璃拉成細(xì)絲作為纖芯，外面分別由包層、吸收外殼和防護(hù)層等構(gòu)成，圖2.26是一根光纖剖面的示意圖。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，如圖 2.27（a）所示。因此，如果入射角足夠大，就會(huì)出現(xiàn)全反射，即光線碰到包層時(shí)就會(huì)折射回纖芯。這個(gè)過程不斷重復(fù)，光也就沿著光纖向前傳輸。圖 2.27(b)畫出

14、了光波在纖芯中傳輸?shù)氖疽鈭D。圖2.27 光線射入到光纜和包層界面時(shí)的情況由于光纖非常細(xì)，連包層一起，其直徑也不到0.2mm。故常將一至數(shù)百根光纖，再加上加強(qiáng)芯和填充物等構(gòu)成一條光纜，就可大大提高其機(jī)械強(qiáng)度。必要時(shí)還可放入遠(yuǎn)供電源線。最后加上包帶層和外護(hù)套，即可滿足工程施工的強(qiáng)度要求。自由空間無線傳輸介質(zhì)指的是利用大氣和外層空間作為傳播電磁波的通路，但由于信號(hào)頻譜和傳輸介質(zhì)技術(shù)的不同，主要包括無線電、微波、衛(wèi)星微波、紅外等。各種無線傳輸介質(zhì)對(duì)應(yīng)的電磁波譜范圍如圖2.29所示。圖2.29 各種通信介質(zhì)使用的電磁波譜范圍16、交換對(duì)于交換網(wǎng)，數(shù)據(jù)交換方式按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)對(duì)途徑的數(shù)據(jù)流所轉(zhuǎn)接的方法不同來分

15、類。目前廣泛采用的交換方式有兩大類： 線路交換（Circuit Switching）：網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成對(duì)通信線路（在空間上或時(shí)間上）的連通，為數(shù)據(jù)流提供專用的傳輸通路。線路交換也稱電路交換。 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換（Store-and-forward Exchanging）：網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)運(yùn)用程序先將途徑的數(shù)據(jù)流按傳輸單元接收并存儲(chǔ)下來，然后選擇一條合適的鏈路將它轉(zhuǎn)發(fā)出去，在邏輯上為數(shù)據(jù)流提供了傳輸通路。線路交換線路交換方式是把發(fā)送方和接收方用一系列鏈路直接連通。電話交換系統(tǒng)就是采用這種 交換方式。包括三個(gè)階段：（1）線路建立階段：通過呼叫完成逐個(gè)結(jié)點(diǎn)的接續(xù)過程，建立起一條端到端的直通線路。（2）數(shù)據(jù)傳輸階段

16、：在端到端的直通線路上建立數(shù)據(jù)鏈路連接并傳輸數(shù)據(jù)。（3）線路拆除階段：數(shù)據(jù)傳輸完成后，拆除線路連接，釋放結(jié)點(diǎn)和信道資源。線路交換最重要的特點(diǎn)是在一對(duì)用戶之間建立起一條專用的數(shù)據(jù)通路。線路交換的優(yōu)點(diǎn)是通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)；通路一旦建立，便不會(huì)發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅 速，不丟失且保持傳輸?shù)捻樞?；線路傳輸時(shí)延小，唯一的時(shí)延是電磁信號(hào)的傳播時(shí)間。其主要缺點(diǎn)是線路利用率低，特別是對(duì)于計(jì)算機(jī)的突發(fā)性數(shù)據(jù)通信不適應(yīng)；通路建立之前有一段 較長的呼叫建立時(shí)延；系統(tǒng)無數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及差錯(cuò)控制能力，不能平滑通信量。因此，線路交換適于連接時(shí)間長、批量大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，例如數(shù)字話音、傳真等業(yè)務(wù)。報(bào)文交換報(bào)文交換屬存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式

17、，不要求交換網(wǎng)為通信雙方預(yù)先建立一條專用數(shù)據(jù)通路，也就不存在建立線路和拆除線路的過程。在報(bào)文傳輸上，任何時(shí)刻一份報(bào)文只在一條結(jié)點(diǎn)到結(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上傳輸，每一條 鏈路傳輸過程都對(duì)報(bào)文的可靠性負(fù)責(zé)。這樣比起線路交換來有許多優(yōu)點(diǎn)：不必要求每條鏈路 的數(shù)據(jù)速率相同，因而也就不必要求收、發(fā)兩端工作于相同的速率；傳輸中的差錯(cuò)控制可在 多條鏈路上進(jìn)行，不必由收、發(fā)兩端介入，簡化了端設(shè)備；由于接力式工作，任何時(shí)刻一份 報(bào)文只占用一條鏈路的資源，不必占有通路上的所有鏈路資源，而且許多報(bào)文可以分時(shí)共享一條鏈路，這就提高了網(wǎng)絡(luò)資源的共享性及線路的利用率；一個(gè)報(bào)文可以同時(shí)向多個(gè)目的站 發(fā)送，而線路交換網(wǎng)絡(luò)難于做到

18、；在線路交換網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)通信量變得很大時(shí)，就不能接受某 些呼叫。而在報(bào)文交換網(wǎng)中仍可以接收?qǐng)?bào)文，但是傳輸延遲會(huì)增加。報(bào)文交換的主要缺點(diǎn)是，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間較長，傳輸一份報(bào)文的 總時(shí)間并不比采用線路交換方式短，或許會(huì)更長。因此，報(bào)文交換不適于傳輸實(shí)時(shí)的或交互式業(yè)務(wù)，例如話音、傳真飛終端與主機(jī)之間的會(huì)話業(yè)務(wù)等。事實(shí)上，報(bào)文交換只是主要應(yīng)用于非計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) ( 如民用電報(bào)業(yè)務(wù) ) 的通信網(wǎng)中，以及公共數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)展的初期。只有到出現(xiàn)了分組交換方式之后，公共數(shù)據(jù)網(wǎng)才真正進(jìn)入到成熟階段。分組交換1. 數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換交換網(wǎng)把對(duì)進(jìn)網(wǎng)的任一個(gè)分組都當(dāng)作單獨(dú)的“小報(bào)文”來處理，而不管它是屬于哪個(gè)報(bào)文的分組，就像在報(bào)文交換方式中把一份報(bào)文進(jìn)行單獨(dú)處理一樣。這種單獨(dú)處理和傳輸單元的“小報(bào)文”或“分組”,即稱為數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）。這種分組交換方式稱為數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換方式。2. 虛線路傳輸分組交換類似前述的線路交換方式，報(bào)文的源發(fā)站在發(fā)送報(bào)文之前，通范類似于呼叫的過程使交、換網(wǎng)建立一條通往目的站的邏輯通路。然后，一個(gè)報(bào)文的所有分組都沿著這條通路進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，不允許結(jié)點(diǎn)對(duì)任一個(gè)分組做單獨(dú)的處理和另選路徑。要注意的是，虛線路與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)這一概念有關(guān)。當(dāng)我們?cè)诰€路交換的電話網(wǎng)上打電話 時(shí)，我們?cè)谟鲈捚陂g的確是自始