計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理(2)課件

NavalUniv.ofEngineeringDept.ofInformationSecurity計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教員：張志明Tel:44087-mail:z_zhiming@第2章數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)1.

基本概念2.

信道及其主要特性3.

傳輸介質(zhì)4.

數(shù)據(jù)編碼5.

多路復(fù)用技術(shù)6.

數(shù)據(jù)交換技術(shù)7.

差錯(cuò)控制本章主要內(nèi)容本章學(xué)習(xí)目標(biāo)理解信息、信號(hào)、信道、帶寬等基本概念。了解數(shù)字信道、模擬信道的一般概念及通信線路的連接方式和數(shù)據(jù)的傳輸方式。理解常見傳輸介質(zhì)的特性和應(yīng)用場(chǎng)合。理解各種數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，深刻理解PCM編碼的一般過程。理解各種多路復(fù)用技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)合。了解數(shù)據(jù)交換技術(shù)，理解分組交換和快速分組交換的原理。了解差錯(cuò)控制的一般概念。本課內(nèi)容2.1基本概念數(shù)據(jù)（Data）：傳遞（攜帶）信息的實(shí)體。信息（Information）：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。信號(hào)（Signal）：數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號(hào)的形式在介質(zhì)中傳播。信道（Channel）：傳送信息的線路（或通路）。比特（bit）：即一個(gè)二進(jìn)制位。比特率為每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)（即數(shù)據(jù)傳送速率）。碼元（Codecell）：時(shí)間軸上的一個(gè)信號(hào)編碼單元。1數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)通信術(shù)語(yǔ)2.1基本概念t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號(hào)同步脈沖t同步脈沖：用于碼元的同步定時(shí)，識(shí)別碼元從何時(shí)開始。2.1基本概念波特（Baud）：碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?。波特率為每秒傳送的碼元數(shù)（即信號(hào)傳送速率）。比特率、波特率和信號(hào)編碼級(jí)數(shù)的關(guān)系如下： Rbit=Rbaudlog2M上式中：M-信號(hào)的編碼級(jí)數(shù)，Rbit-比特率，Rbaud-波特率1數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)通信術(shù)語(yǔ)2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)通信術(shù)語(yǔ)誤碼率：信道傳輸可靠性指標(biāo)，是一個(gè)概率值。信息編碼：將信息用二進(jìn)制數(shù)表示的方法。數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII編碼為01000001，其數(shù)據(jù)編碼可能為01000001t2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)通信術(shù)語(yǔ)帶寬（Bandwidth，BW）信道傳輸能力的度量。在傳統(tǒng)的通信工程中：BW≈fmax－fmin單位：赫茲（Hz）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般用每秒允許傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)作為帶寬的計(jì)量單位。主要單位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)通信術(shù)語(yǔ)時(shí)延（Delay）：信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時(shí)間。時(shí)延=處理時(shí)延+排隊(duì)時(shí)延+發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延處理時(shí)延=對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和錯(cuò)誤校驗(yàn)所需的時(shí)間排隊(duì)時(shí)延=數(shù)據(jù)在中間結(jié)點(diǎn)等待轉(zhuǎn)發(fā)的延遲時(shí)間發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬傳播時(shí)延=d/s

d:距離，s:介質(zhì)中信號(hào)傳播速度(≈0.7c)2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)通信術(shù)語(yǔ)時(shí)延帶寬乘積：某一信道所能容納的比特?cái)?shù)。時(shí)延帶寬乘積=帶寬×傳播時(shí)延信道帶寬傳播時(shí)延管道體積=時(shí)延帶寬乘積例如，某信道的時(shí)延帶寬乘積為100萬(wàn)比特，這意味著第一個(gè)比特到達(dá)目的端時(shí)，源端已發(fā)送了100萬(wàn)比特。2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)通信術(shù)語(yǔ)往返時(shí)延（Round-TripTime，RTT）：從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到接收端的確認(rèn)所經(jīng)歷的時(shí)間RTT≈2×傳播時(shí)延傳輸可靠性兩個(gè)含義：數(shù)據(jù)能正確送達(dá)數(shù)據(jù)能有序送達(dá)（當(dāng)采用分組交換時(shí)）2.1基本概念2數(shù)據(jù)通信的一般概念通信的三個(gè)要素：信源、信宿和信道噪聲信源發(fā)送器信道接收器信宿源系統(tǒng)目的系統(tǒng)2.1基本概念2數(shù)據(jù)通信的一般概念信息通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸過程信息→數(shù)據(jù)→信號(hào)→在信道上傳輸→信號(hào)→數(shù)據(jù)→信息數(shù)據(jù)編碼調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)解碼01000001‘A’01000001‘A’信道信息編碼信息解碼2.1基本概念3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成DCEDTEDTEDCE數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2.1基本概念4數(shù)據(jù)通信基本過程過程與打電話比較建立物理連接撥號(hào)，撥通對(duì)方建立邏輯連接互相確認(rèn)身份數(shù)據(jù)傳輸互相通話斷開邏輯連接互相確認(rèn)要結(jié)束通話斷開物理連接雙方掛機(jī)包含兩項(xiàng)內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸和通信控制2.2信道及其主要特征1數(shù)字信道和模擬信道數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式（離散信號(hào)）傳輸數(shù)據(jù)的信道。模擬信道：以連續(xù)模擬信號(hào)形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)2.2信道及其主要特征1數(shù)字信道和模擬信道a）模擬信號(hào)b）數(shù)字信號(hào)tt2.2信道及其主要特征2數(shù)字通信和模擬通信數(shù)字通信在數(shù)字信道上實(shí)現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸。模擬通信在模擬信道上實(shí)現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸。2.2信道及其主要特征2數(shù)字通信和模擬通信數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)抗噪聲（干擾）能力強(qiáng)傳輸質(zhì)量高便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理保密性強(qiáng)通用、靈活2.2信道及其主要特征3信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率Nyquist公式：用于無(wú)噪聲理想低通信道C=2Wlog2MC=數(shù)據(jù)傳輸率，單位b/sW=帶寬，單位HzM=信號(hào)編碼級(jí)數(shù)例如，話音級(jí)線路的帶寬約為3.1kHz，根據(jù)上式計(jì)算的信道最大數(shù)據(jù)傳輸率如右表所示。M最大數(shù)據(jù)率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/s2.2信道及其主要特征3信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率Shannon公式：用于有噪聲干擾信道例：信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則 C=3100×log2（1+2000）≈34kb/s即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會(huì)大于34kb/s。C=Wlog2（1+S/N）

C:傳輸率，單位b/sW:帶寬，單位HzS/N:信噪比信噪比的單位也可用分貝(dB)表示：S/NdB=10log10S/N所以，若S/NdB=30dB，則S/N=1000。2.2信道及其主要特征Nyquist公式和Shannon公式的比較C=2Wlog2M用于理想信道數(shù)據(jù)傳輸率隨信號(hào)編碼級(jí)數(shù)增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）用于有噪聲信道給出了有噪聲信道可能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率上限。原因：噪聲的存在將使編碼級(jí)數(shù)不可能無(wú)限增加。2.2信道及其主要特征4信道的通信方式單/雙工通信——單/雙向傳輸單工：數(shù)據(jù)單向傳輸發(fā)送器接收器A站B站2.2信道及其主要特征4半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同一時(shí)刻雙向傳輸發(fā)送器/接收器發(fā)送器/接收器不可同時(shí)A站B站信道的通信方式2.2信道及其主要特征4全雙工：數(shù)據(jù)可以雙向同時(shí)傳輸。發(fā)送器/接收器發(fā)送器/接收器可同時(shí)A站B站信道的通信方式2.2信道及其主要特征5數(shù)據(jù)的傳輸方式基帶傳輸：不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號(hào)直接在信道上傳送。頻帶傳輸：數(shù)字信號(hào)調(diào)制成音頻模擬信號(hào)后再傳送，接收方需要解調(diào)。寬帶傳輸：把信號(hào)調(diào)制成頻帶為幾十MHZ到幾百M(fèi)HZ的模擬信號(hào)后再傳送，接收方需要解調(diào)。2.2信道及其主要特征6數(shù)據(jù)同步方式目的是使接收端與發(fā)送端在時(shí)間基準(zhǔn)上一致。數(shù)據(jù)同步可以從三個(gè)層次上來實(shí)現(xiàn)：位——位同步字符——字符同步幀(Frame)——幀同步2.2信道及其主要特征位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步，2種同步方法：外同步——發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同步脈沖信號(hào)，接收方用接收到的同步信號(hào)來鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。2.2信道及其主要特征自同步——通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)編碼信號(hào)中包含同步信號(hào)，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號(hào)提取同步信號(hào)來鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。Manchester101100110102.2信道及其主要特征字符同步：找到正確的字符邊界。常用的為起止式（異步式）。起止式的優(yōu)缺點(diǎn)：頻率的漂移不會(huì)積累，每個(gè)字符開始時(shí)都會(huì)重新獲得同步；每?jī)蓚€(gè)字符之間的間隔時(shí)間不固定；增加了輔助位，所以傳輸效率低；例如，采用1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、2個(gè)停止位時(shí)，其傳輸效率為8/11≈73％起始位數(shù)據(jù)位停止位字符間隔不固定1個(gè)字符時(shí)間邏輯“0”邏輯“1”每個(gè)發(fā)送的字符前后各加入一位或多位信息以表示一個(gè)字符的開始和結(jié)束。2.2信道及其主要特征幀同步：識(shí)別一個(gè)幀的起始和結(jié)束。面向字符的——以同步字符（SYN，16H）來標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀面向比特的——以特殊位序列（7EH，即01111110）來標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀幀起始控制信息數(shù)據(jù)幀結(jié)束校驗(yàn)和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH2.3傳輸介質(zhì)內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣內(nèi)屏蔽外屏蔽外套1雙絞線2.3傳輸介質(zhì)屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，應(yīng)用較少雙絞線外無(wú)任何屏蔽層，應(yīng)用廣泛常用的雙絞線：3類（16Mb/s）和5類（155Mb/s）兩種2.3傳輸介質(zhì)雙絞線的連接標(biāo)準(zhǔn)色彩標(biāo)記和連接方法：交叉線：交換機(jī)-交換機(jī)、PC-PC、HUB-HUB(標(biāo)準(zhǔn)端口)直連線：PC/路由器-交換機(jī)/HUB、HUB-HUB(級(jí)連端口)線對(duì)色彩碼1白藍(lán)，藍(lán)2白橙，橙3白綠，綠4白棕，棕1234567812345678交叉線EIA-568B直連線EIA-568A12345678123456782.3傳輸介質(zhì)依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳優(yōu)缺點(diǎn)：傳輸帶寬高：僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（＞100Gb/s）傳輸損耗小，適合長(zhǎng)距離傳輸抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好輕便價(jià)格較高需要光電轉(zhuǎn)換2光纖2.3傳輸介質(zhì)光纖傳輸原理——光的反射光從折射率高的介質(zhì)入射到折射率低的介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射。亮度調(diào)制：有光脈沖-1，無(wú)光脈沖-0光傳輸系統(tǒng)：光源、介質(zhì)、光檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器連接放大器驅(qū)動(dòng)器發(fā)光器件光檢測(cè)器電信號(hào)電信號(hào)光信號(hào)光纖2.3傳輸介質(zhì)多模光纖(MMF)單模光纖(SMF)：光纖的直徑接近一個(gè)光波波長(zhǎng)多束光線以不同的反射角傳播激光器包層，折射率低纖芯，折射率高亮度調(diào)制光檢波器激光器光檢波器單束光線沿直線傳播2.3傳輸介質(zhì)典型的光纜單芯光纜多芯光纜玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼2.3傳輸介質(zhì)高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu)芯封套外套加強(qiáng)芯光纖外鞘加強(qiáng)芯光纖束2.3傳輸介質(zhì)3同軸電纜計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用基帶同軸電纜阻抗50，有粗同軸和細(xì)同軸兩種應(yīng)用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）性能：10Mb/s，500米/185米銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護(hù)套2.3傳輸介質(zhì)使用電磁波或光波攜帶信息優(yōu)缺點(diǎn)：無(wú)需物理連接適用于長(zhǎng)距離或不便布線的場(chǎng)合易受干擾反射，為障礙物所阻隔主要類型：無(wú)線電、地面微波通信衛(wèi)星紅外線3無(wú)線介質(zhì)2.3傳輸介質(zhì)無(wú)線電基站與終端之間通信采用無(wú)線鏈路應(yīng)用領(lǐng)域：移動(dòng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）BS基站覆蓋的無(wú)線電區(qū)域BS基站

用戶計(jì)算機(jī)和終端2.3傳輸介質(zhì)地面微波通過地面站之間接力傳送接力站之間距離：50-100km速率：每信道45Mb/s地球地面站之間的直視線路微波傳送塔2.3傳輸介質(zhì)地球同步衛(wèi)星與地面站相對(duì)固定位置使用3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)（≈270ms）廣播式傳輸應(yīng)用領(lǐng)域：電視傳輸長(zhǎng)途電話專用網(wǎng)絡(luò)廣域網(wǎng)35,784公里地球2.3傳輸介質(zhì)常用傳輸介質(zhì)的比較（p46表2.1）傳輸介質(zhì)傳輸方式速率/工作頻帶傳輸距離性能價(jià)格應(yīng)用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s模擬:10km數(shù)字:500m較好低模擬/數(shù)字信號(hào)傳輸50Ω同軸電纜基帶10Mb/s<3km較好較低基帶數(shù)字信號(hào)75Ω同軸電纜寬帶≤450MHz10