計算機網(wǎng)絡chapter3網(wǎng)絡接口層

第3章網(wǎng)絡接口層

3.1通信發(fā)展的歷史

社會的人與人交換思想

?介質(zhì)空氣、書信、驛站

?電報1835,1837莫爾斯電磁電報

1892,馬可尼無線電報

?電話1876,貝爾電話機

1878,人工電話交換機

1892,史瑞喬自動電化交換機

電話電報開始了近代通信的歷史，幾百年；發(fā)揮了極其重要的作用；

20世紀30年代，信息論、調(diào)制論、預測論、統(tǒng)計論一系列的突破；

20世紀50年代，載波傳輸、電話、電報通信系統(tǒng)；

元件、光纖、收音機、電視機、計算機，廣播電視、數(shù)字通信業(yè)大

發(fā)展；

目前已形成數(shù)字傳輸、程控電話交換通信為主，其他非語音通信為

輔的綜合電信通信系統(tǒng)；并且日益與計算機、電視等其他技術融合。

中國1880年，由丹麥人在上海創(chuàng)辦第一個電話局。

3.2網(wǎng)絡通信的傳輸介質(zhì)

信道是指以傳輸介質(zhì)為為基礎的信號通路，它是傳輸數(shù)據(jù)的物理基礎。

有線傳輸介質(zhì)：包括雙絞線、同軸電纜和光纖。

無線傳輸介質(zhì)：包括無線電、微波、衛(wèi)星、移動通信等各種通信介質(zhì)。

3.2.1雙絞線(twistedpair)

每一對雙絞線由絞合在一起的相互絕緣的兩根銅線組成，每根銅線的直徑大約1mm。

減少電磁干擾，提高傳輸質(zhì)量。電話線就是雙絞線。

雙絞線可以用于傳輸模擬傳輸或數(shù)字傳輸。

計算機局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的雙絞線有屏蔽和非屏蔽之分。

屏蔽雙絞線(STP,ShieldedTwistedPair)：

抗干擾性好，性能高，用于遠程中繼線時，最大距離可以達到十幾公里。但成本也較高,

所以一直沒有廣泛使用。

非屏蔽雙絞線(UTP,UnshieldedTwistedPair)：

非屏蔽雙絞線的傳榆距離一般為100米由于它較好的性能價格比，目前被廣泛使用。

非屏蔽雙絞線有1、2、3、4、5五類，常用的是3類線和5類線，5類線既可支持

100Mbps的快速以太網(wǎng)連接，又可支持到150Mbps的ATM數(shù)據(jù)傳輸，是連接桌面設備的首

選傳輸介質(zhì)。

雙絞線

易受環(huán)境

最便宜的中電信號

傳輸媒介的干擾

通常用于較短

距離的連接

3.2.2同軸電纜(coaxialcable)

同軸電纜由同軸的內(nèi)外兩個導體組成，內(nèi)導體是一根金屬線，外導體是一根圓柱形的

套管，一般是細金屬線編制成的網(wǎng)狀結構，內(nèi)外導體之間有絕緣層。如圖。

另外，同軸電纜的兩端需要有終結器（用50歐姆或75歐姆的電阻連接內(nèi)外導體），中間

連接需要收發(fā)器、T形頭、筒形連接器等器件。

夕卜保護層（塑料

LM-<------夕卜導體（編織狀）

絕緣層

（），內(nèi)導體（車同芯）

「JV----夕卜導體（編織狀）

夕卜保護層（塑科

同軸電纜基本結構示意圖

同軸電纜支持點到點連接，也支持多點連接。分為基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜。

基帶同軸電纜一般用于二進制數(shù)據(jù)信號的傳輸，多用于計算機局域網(wǎng)；寬帶同軸電

纜主要用于高帶寬數(shù)據(jù)通信，支持多路復用。

基帶同軸電纜又分為粗纜和細纜。粗纜多用于局域網(wǎng)主干，支持2500米的傳輸距離，可以連接數(shù)

千臺設備，但其價格較高；細纜多用于與用戶桌面連接，級連使用可支持800米的傳輸距離，但一般

不超過180米，可以連接數(shù)千臺設備。

基帶同軸電纜的最大優(yōu)點是抗干擾性強，而且支持多點連接。缺點是物理可靠性不

好，在公用機房、教學樓等人員嘈雜的地方，極易出現(xiàn)故障，而且一點發(fā)生故障，整段

局域網(wǎng)都無法通信，所以基本已被非屏蔽雙絞線所取代。

同軸電纜

比較便宜絕緣層保護

外層絕緣層外導體

3.2.3光纜(opticalfiber)

光纖即光導纖維。利用光導纖維作為光的傳輸介質(zhì)，以光波為信號載體的光

纖通信，只20/30年的歷史。1960年，美MAINMAN,紅寶石激光器1966年，英

籍華人高餛(C。KoKAO)博士提出，Sio2石英玻璃制成光纖，低消耗1970年,

美國康寧公司制出了損耗為20分貝的光纖。

1、光纖通信的原理

見圖，入射角N1N2N3逐漸增大，是折射角，當入光纖通信的

原理，是基于光線由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)時，在入射角足夠大的情況下會發(fā)生

全反射的特性射角達到N3時，發(fā)生全反射，即光波能量幾乎全部反射，這樣才可

以達到長距離高速傳輸?shù)哪康摹?/p>

光纖通信的原理

2.室外光纜和室內(nèi)光纖

光纖傳輸介質(zhì)有室外光纜和室內(nèi)光纖之分

室外光纜，主要用于室外環(huán)境，可以架空或走地下管道。由于室外光纜所處環(huán)境比較

惡劣，需要防水、防曬、防壓、防化學侵蝕等，所以需要有很好保護，其結構如圖所示。

夕卜鎧（塑料）、

鋼鎧

填充物

光纖（多根）

填充物

―鋼鎧

/室外光纜

外鎧（塑料）/

室內(nèi)光纖，主要用于室內(nèi)，單根光纖加上稍許保護材料。光波在纖芯上傳播。

纖芯是一種直徑50到100微米的柔軟的光導介質(zhì)，成分主要是二氧化硅。在折射率

較高的纖芯外面，由折射率較低的包層包裹著，以保證在界面上光波可以發(fā)生全反射。

保護層（塑料）

纖芯

（5O~1OO微米）

保護層（塑料）

光纖（單根）

3、單模和多模兩種

單模光纖指光纖做得極細，接近光波波長，光信號只能與光纖軸成單個可辨角度傳

輸。多模光纖的纖芯比單模的粗，光信號與光纖軸成多個可辨角度傳輸。單模光纖成本

較高，但性能很好，在幾十公里內(nèi)能以幾千兆bps的速率傳輸數(shù)據(jù)。多模光纖成本較低,

但性能比單模光纖差一些。

光纖

?昂貴的傳輸媒介

?不受電信號的干擾

?使用于長距離、高

速率的信號傳輸

3.24無線傳輸介質(zhì)

無線電、微波、衛(wèi)星、移動通信等，各種無線介質(zhì)傳輸介質(zhì)對應的電磁波譜范圍如圖所示。

(59Tofo10810910io10fo仇13101410101610

無線電微波紅外紫外線

雙絞線衛(wèi)星通信光纖

同軸電纜

地面微波

無線電AM無線電FM通信

電視

各通信類型使用的電磁波譜范圍

在計算機網(wǎng)絡領域，無線通信介質(zhì)主要是微波和衛(wèi)星。

?微波通信是指用頻率在100MHz到10GHz的微波信號進行通信。

特點是：

只能進行可視范圍內(nèi)的通信；

大氣對微波信號的吸收與散射影響較大。

微波通信主要用于幾公里范圍內(nèi)，不適合鋪設有線傳輸介質(zhì)的情況，而且只能用于點

到點的通信，速率也不高，一般為幾百Kbps。

?衛(wèi)星通信是指利用人造衛(wèi)星進行中轉(zhuǎn)的通信方式。商用的通信衛(wèi)星一

般被發(fā)射在赤道上方3.6萬公里的同步軌道上，另外也有中低軌道的小衛(wèi)星通信,

如Motorala公司的金衣星系統(tǒng)。

特點是：

適合與很長距離的傳輸，如國際之間、洲際之間；

傳輸延時較大，一般為500nls左右；

費用較高。

3.2.5幾種傳輸介質(zhì)的比較

下表列出了計算機通信中幾種傳輸介質(zhì)的比較。

我們在選擇通信介質(zhì)的時候，一定要從性能、價格和使用場合等各個角度綜合考慮,

一般來說，影響傳輸介質(zhì)選擇的因素包括：

?拓撲結構：(如星形結構不適合選用同軸電纜，可選擇雙絞線方等方式)

?容量：介質(zhì)提供的傳輸速率應能夠滿足要求

?可靠性(差錯率)：在可能的情況下，盡量選擇可靠性高的介質(zhì)

?應用環(huán)境：包括傳輸距離、環(huán)境惡劣程度、信號強度等等

常用傳輸介質(zhì)比較

非屏蔽雙絞線基帶同軸電纜光纖衛(wèi)星

分類3類5類粗纜細纜單模多模同步低軌

傳輸速率3類UTP最大16Mbps因種類、距離不同,幾千Mbps根據(jù)租用費用變化較大

5類UTP最大155Mbps變化較大(但總要

高于UTP)

地理范圍100米左右細纜小于800米幾公里到幾十公里很大

粗纜小于2500米

-T-9-10

差錯率一般(io?10)中等(10?10)最低(10)高

成本低中較高高

3.3網(wǎng)絡通信的基礎知識

1、信息和數(shù)據(jù)：

信息（Information）：從哲學的觀點看，信息是一種帶普遍性的關系屬性，是物質(zhì)存

在方式及其運動規(guī)律、特點的外在表現(xiàn)；

從通信的角度考慮，可以認為是生物體或具有一定功能的機器通過感覺器官或相應設

備同外界交換的內(nèi)容的總稱。信息的含義是信息科學、情報學等學科中廣泛討論的問題。

一般認為，信息是客觀世界內(nèi)同物質(zhì)、能源并列的三大基本要素之一。

香農(nóng)：I=10g2（1/P）I是消息的信息量P是事件發(fā)生的概率,不可能發(fā)生事件信息量=無窮

信息總是與一定的形式相聯(lián)系，這種形式可以是語音、圖像、文字等；信息是人們要

通過通信系統(tǒng)傳遞的內(nèi)容。

數(shù)據(jù)是任何描述物體概念、情況、形勢的事實、數(shù)字、字母和符號。可以說，數(shù)據(jù)是

傳遞信息的實體，而信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。

2、信號（Signal）:發(fā)送機將人或機器產(chǎn)生的信息轉(zhuǎn)換為適合在通信信道上傳輸

的電編碼、電磁編碼或光編碼。這種在信道上傳輸?shù)碾?光編碼叫做信號。

信號可以是模擬信號或數(shù)字信號。模擬信號是指表示信息的信號及其振幅、頻率、

相位等參數(shù)隨著信息連續(xù)變化，幅度必須是連續(xù)的，但在時間上可以是連續(xù)的或離散的。

3、信道：在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，信道是傳送信號的通路。信道本身可以是模擬的，

也可以是數(shù)字方式的。用以傳輸模擬信號的信道叫作模擬信道，用以傳輸數(shù)字信號的信道

叫作數(shù)字信道。信道：狹義（載波機）、廣義（調(diào)制）、廣義（編碼）

4、信道帶寬：信道上傳輸?shù)氖请姶挪ㄐ盘?，某個信道能夠傳送電磁波的有效頻率

范圍就是該信道的帶寬。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的信道傳輸?shù)氖请姶挪?包括無線電、微波、光波

等)，帶寬就是它所能傳輸電磁波的最大有效頻率與最小有效頻率之差。

5、信道容量：信道的傳輸能力是有一定限制的，某個信道傳輸數(shù)據(jù)的速率有

一個上限，叫作信道的最大傳輸速率，即信道容量。信道的最大傳輸速率是與信道帶寬有

直接聯(lián)系的。

6、奈奎斯特定理：1924年，奈奎斯特(Nyquist)就發(fā)現(xiàn)了信道傳輸速率有上限，

并且給出了有限帶寬、無噪聲信道的最大傳輸速率公式：

無噪聲信道最大傳輸速率=2Blog2V(bps)

B代表信道的帶寬。V是信號有效狀態(tài)的數(shù)量。

對于二進制的數(shù)據(jù)信號，信號僅有兩種有效狀態(tài)，分別代表“0〃和“1〃，所以V=2,

此

時，無噪聲信道的最大傳輸速率=2B(bps)o如果我們使用模擬電話系統(tǒng)傳輸二進制信號,

即使用話音級信道，帶寬3000Hz,那么最大傳輸速率為6000bps?，F(xiàn)在大多數(shù)電話撥號上

網(wǎng)用戶采用的就是模擬電話系統(tǒng)，即利用3000Hz的話音級信道，來傳輸計算機信息，實際

上現(xiàn)在一般撥號上網(wǎng)的速率都在14000bps以上，這又是怎么會事呢？這是因為采用了特殊

的編碼方法，將V的值增大，自然就提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。那么，是不是可以無限增大V的

值，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率呢？當然不是，下面介紹的香農(nóng)定理將會回答這個問題。

7、信道容量定理(香農(nóng)(Shannon)定理)

香農(nóng)在二十世紀四十年代初奠定了通信的數(shù)字理論基礎。他的“信道容量定理”指出，可以找到這

樣一種技術，當數(shù)據(jù)傳輸速率小于或等于某個最大傳榆速率(信道容量)時，通過它可以以任意小的錯

誤概率傳送信息。相反，如果大于這個上限，則不論采用什么編碼技術，錯誤概率都將無法忍受。

香農(nóng)給出了有噪聲信道的最大傳輸速率與帶寬的關系，因為實際信道不可能沒有噪聲，所以香農(nóng)定

理比奈奎斯特定理更進了一步。

C=Blog2(l+S/N)(B/s)

C表示信道容量(最大傳輸速率)，B代表信道的帶寬。

S是信號能量，N是噪聲能量

S/N是信噪比，用來描述信道的質(zhì)量，噪聲小的系統(tǒng)信噪比大，反之則小。

(1)信道傳輸速率RWC,一定存在一種編碼，使信息源能以任意小的差錯率通過信道

進行傳輸；反之是不可能的；

(2)對于給定的C,若減小B,則必須增大S/N,即提高信號強度；反之，若有較大的傳

輸帶寬，則可用較小的信噪比。

寬帶系統(tǒng)有較好的抗干擾性能。帶寬替換功率法。實踐中常用編碼和調(diào)制技術來解決。

(3)設單位頻帶內(nèi)噪聲功率為m時則N=n0B,Bfoo,C=lim[Blog2(1+S/noB)]sl.44S/n0

S和n。一定時，隨B增大，C也增大；但是，C不可能趨于無窮大。

(4)設C=I/T,I為傳輸?shù)男畔⒘浚琓為傳輸時間，B與T之間存在著某種互換關系。

則I=TBlog2(1+S/N)

信噪比也可以用以logioS/N來表示,單位分貝(dB)。

10dB的信道S/N為10,20dB的信道S/N為100,30dB的信道S/N為1000。

&并行傳輸(parallel)與串行傳輸(serial)

并行傳輸：局域網(wǎng)距離近，至少有8位數(shù)據(jù)同時傳輸，如圖⑸。計算機內(nèi)

部的數(shù)據(jù)多是并行傳輸。

串行傳輸：距離較遠的情況，每次由源到目的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只有一位，如圖

(b)o成本因素，遠距離通信一般采用串行傳輸技術。

(a)黃E＞皮弘々盒(b)?B曲弘々盒

9、數(shù)據(jù)傳輸方向

(1)單工(Simplex)

數(shù)據(jù)只能在一個方向上流動

⑵半雙工(HaIf-Duplex)

在一時刻向一個方向傳輸它實質(zhì)上是可切換方向的單工通信。

(3)全雙工(Full-Duplex)

通信允許數(shù)據(jù)在兩個方向上同時傳輸它在能力上相當于兩個單工通信方式的結合。

單工好象是單行線，半雙工就好比獨木橋，全雙工就是來回可對行的新干線

10.基帶傳輸與頻帶傳輸

基帶和頻帶的概念最早是在電話界出現(xiàn)的，在電話界，人們將4KHz帶寬以內(nèi)的信道叫

做基帶信道，而將任何高于4K帶寬的信道叫做寬帶信道。

計算機網(wǎng)絡中采用如下概念：

基帶傳輸(Baseband)

人們將數(shù)據(jù)信道直接傳輸數(shù)字信號的傳輸方式叫做基帶傳輸。

基帶傳輸在基本不改變數(shù)字數(shù)據(jù)信號波形的情況下直接傳輸數(shù)字信號，具有速率高和

誤碼率低等優(yōu)點，在計算機網(wǎng)絡通信中被廣泛采用。

頻帶傳輸(Broadband)

利用模擬信道傳輸信號的傳輸方式叫做頻帶傳輸或?qū)拵鬏敗?/p>

頻帶傳輸?shù)膬?yōu)點是可以利于現(xiàn)有的大量模擬信道(如模擬電話交換網(wǎng))通信。價格便宜,

容易實現(xiàn)。家庭用戶撥號上網(wǎng)就屬于這一類通信。它的缺點是速率低，誤碼率高。

11、異步傳輸(asynchronous)

數(shù)據(jù)通信的一個基本要求是接收方必須知道它所接收的每一位的開始時間和持

續(xù)時間。滿足上述栗求的辦法有兩類：異步傳輸和同步傳輸。

異步傳輸?shù)墓ぷ髟硎牵好總€字節(jié)作為一個單元獨立傳輸，字節(jié)之間的傳輸間

隔任意。為了標志字節(jié)的開始和結尾，在每個字符的開始加一位起始位，結尾加1

位、1.5位或2位停止位，構成一個個的“字符”。這里的“字符”指異步傳輸?shù)?/p>

數(shù)據(jù)單元，不同于“字節(jié)”，一般略大于一個字節(jié)。如下圖所示：

任意間隔任意間隔任意間隔

12、同步傳輸(synchronous)

同步傳輸方式不是對每個字符單獨進行同步，而是對一組字符組成的數(shù)據(jù)塊

進行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在數(shù)據(jù)塊前面加特殊模式的位組

合(如01111110)或同步字符(SYN),并且通過位填充或字符填充技術保證數(shù)據(jù)塊中

的數(shù)據(jù)不會與同步字符混淆。

0111111001111110AB....................X01111110

同步位模式(一個或多個)可變長1復的位數(shù)據(jù)塊

SYNSYNAB....................XSYN

同步字符(一個或多個)可變長度的字符數(shù)據(jù)塊

13、調(diào)制速率與數(shù)據(jù)信號速率

調(diào)制速率：波形變換次數(shù)/單位時間

數(shù)據(jù)信號速率：比特數(shù)/單位時闡

波特率1200120012001200

調(diào)制相數(shù)24816

比特率1200240036004800

14、數(shù)據(jù)通信的主要技術指標

1.帶寬：信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍就是該信道的帶寬。有

時，也把信號所占據(jù)的頻率范圍叫做信號的帶寬。

2.信號傳播速度：信號在信道上每秒鐘傳送的距離，單位是米/秒。信

號傳播速度接近光在真空中的速度，基本上是20萬公里/秒。

3.數(shù)據(jù)傳輸速率:單位是比特/秒(bps)。如在100Mbps傳輸速率的情況

每比特傳輸時間為10ns;在10Mbps傳輸速率的情況下，每比特傳輸時

間為100ns。

4.最大傳輸速率:每個信道傳輸數(shù)據(jù)的速率有一個上限，叫做信道的最

大傳輸速率。

5.波特率(碼元速率):信號每秒鐘變化的次數(shù)叫做波特率(Baud)。

6.吞吐量:信道在單位時間內(nèi)成功傳輸?shù)男畔⒘?。單位一般為比?秒。

例如，某信道在10分鐘內(nèi)成功傳輸了8.4M比特的數(shù)據(jù)，那么它的吞吐

量就是8.4M比特/600秒=14Kbps。

7.利用率：是吞吐量和最大數(shù)據(jù)傳輸速率之比。

8.延遲：指從發(fā)送者發(fā)送第一位數(shù)據(jù)開始，到接收者成功的收到最后

一位數(shù)據(jù)為止，所經(jīng)歷的時間。

9.抖動（Jitter）:延遲不是固定不變的,它的實時變化叫做抖動。

抖動往往與機器處理能力、信道擁擠程度等有關。延遲敏感，如電話；

抖動敏感，如實時圖像傳輸。

10.差錯率（包括比特差錯率、碼元差錯率、分組差錯率）：

在計算機通信中最常用的是比特差錯率和分組差錯率。比特差錯率是

二進制比特錯傳的位數(shù)與傳輸總位數(shù)之比。碼元差錯率（對應于波特率）

指碼元被誤傳的概率。分組差錯率是指數(shù)據(jù)分組被誤傳的概率。

我們通過一個對線路的描述來說明上述概念：有一條帶寬3000Hz的

信道，最大傳輸速率可以達到30Kbps,實際使用的數(shù)據(jù)傳輸速率為

28.8Kbps,傳輸信號的波特率為2400bps,它的吞吐量為14Kbps,所

以利用率約等于50%,延遲約為100ms,由于環(huán)境穩(wěn)定，所以抖動很小,

忽略不計。

3.4網(wǎng)絡傳輸技術

3.4.1局域通信

計算機網(wǎng)絡技術中把數(shù)據(jù)信道直接傳輸數(shù)字信號的傳輸方式叫做基帶傳輸。

基帶傳輸中二進制數(shù)據(jù)信號的方法主要有以下三種：

⑴非歸零編碼(NRZ)

非歸粵編碼是用低電平表示邏輯“0”，用高電平表示邏輯“1”的編碼方式。非歸等編碼的缺點

是：為了保持收發(fā)雙方的時鐘同步，娜要額外傳輸同步時鐘信號。它的另一個缺點是當“0〃和"1”

的個數(shù)不等時，會有宜流分置，這在數(shù)據(jù)傳輸中是不簫望出現(xiàn)的。

⑵曼徹斯特編碼(Manchester)

每比將的中間有一次跳交，它有兩個作用：一是作為位同步方式的內(nèi)帶時鐘；二是用于表示二

進制數(shù)據(jù)信號，我們可以把“0”定義為由離電平到假電平的跳變，“1〃定義為由低電平到高電平

的踐變。曼徹斯椅編碼的優(yōu)點：一是“自帶時鐘信號”，不逸另發(fā)同步時鐘信號，二是不含立流分

*o

⑶差分曼徹斯特編碼(DifferenceManchester)

每比特的中間有一次趺支，它只有一個作用，即作為位同步方式的內(nèi)帶時?鐘，不論由高電平到低

電平的跳支，還是由低電平到高電平的蹦變都與數(shù)據(jù)信號無關。“0〃希"1”丑根據(jù)兩比將之間有

沒有跳變來區(qū)分的。如果下一^v數(shù)據(jù)懸“0”的話，則在西比特中間有一次電平趺變；如果下一*t*

數(shù)據(jù)是“1〃的話，則在兩比椅中間沒有電平跳交。

曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的缺點都是效率較低，由于在每個比特中間都有一次跳變，

所以時鐘頻率是信號速率的2倍。例如為了達到10Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，要求時鐘頻率至少為20MHz。

上述編碼技術是在10M局域網(wǎng)中經(jīng)常采用，近年發(fā)展起來的快速以太網(wǎng)使用的是不同

的數(shù)字數(shù)據(jù)到數(shù)字信號的編碼技術，如100M局域網(wǎng)采用8B6T或4B5B等編碼技術.

數(shù)字數(shù)據(jù)到數(shù)字信號的編碼方法

數(shù)據(jù)D10010'11

同步時鐘

———-------1

1

1_____

1

(a)NZR1

1

1

?1

1

-------1------

11

(b)Manchester1

1

11

———1——

1

11

(c)Difference

Manchester

編碼

111

1111

數(shù)字數(shù)據(jù)信號編碼波形

RS-232簡介

機械特性指網(wǎng)絡接口形狀等。在RS-232c中，規(guī)定采用的連接器接

口有25根針，接口形狀為D形接口。

電氣特性包括信號電壓、持續(xù)時間等。目前計算機的二進制信號多

數(shù)是用電信號表示的，當然在用到光纖傳輸?shù)臅r候也有光信號和光電轉(zhuǎn)

換問題。RS-232c規(guī)定，對數(shù)據(jù)信號，以+12V或+8V表示“0”，-12V或-

8V

表示“1”，對控制信號，“0”表示“開”，“1”表示“斷”，數(shù)據(jù)速率

0-

20Kbps（比特每秒）。

功能特性描述物理設備的功能,如RS-232-C的第二根針是用于發(fā)送

數(shù)據(jù)的，第三根針是用于接收數(shù)據(jù)的，第四根針表示請求發(fā)送，第五根

針表示允許發(fā)送。

規(guī)程特性指事件發(fā)生的合法順序。例如，RS-232-C的一段規(guī)程為：

第四根針置位，請求發(fā)送令第五根針置位，允許發(fā)送今數(shù)據(jù)通過第二根

針發(fā)送。

3.42遠程通信

i.數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的編碼

首先要選擇某一頻率的正弦(函數(shù))作為載波，這一函數(shù)可以表示為：

U(t)=A(t)-sin(wt+(|))

其中A、3和。，分別代表函數(shù)的幅度、頻率和相位。

對這三個參量的調(diào)制產(chǎn)生了三種調(diào)制技術：

(1)調(diào)幅(ASK)

調(diào)幅就是通過改變載波信號的振幅來表示數(shù)字信號?；騆

這種調(diào)制方式簡單、容易實現(xiàn)，缺點是有直流分量，抗干擾能力差。

(2)調(diào)頻(FSK)

調(diào)頻就是通過改變載波信號的頻率來表示數(shù)字信號0或L

這種調(diào)制方式簡單、容易實現(xiàn)，抗干擾力較強。

(3)調(diào)相(PSK)

調(diào)相就是通過改變載波信號的相位來表示數(shù)字信號。或L

調(diào)相又分為絕對調(diào)相和相對調(diào)相。絕對調(diào)相是指用相位的絕對值來表示數(shù)字信號;

相對調(diào)相如圖所示，是指用相位的相對值來表示數(shù)字信號O

數(shù)據(jù)

(a)ASK

(b)PSK

(C)PSK

(絕對)

(D)PSK

(相對)

模擬信號編碼方式

可以有四相調(diào)制，取值有：+0、+兀/2、+71、+3TT/2;共四種狀態(tài)，可

以表示00、01、10、11四個值，這樣就可以一次傳輸兩位二進制數(shù)據(jù)。

在波特率不變的情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率可以提高到二相調(diào)制的2倍。

除了4相調(diào)制外，還有8相調(diào)制、16相調(diào)制等等，每次分別可以傳輸3個、4

個二進制數(shù)據(jù)。

四相相對調(diào)相PSK信號波形

2.調(diào)制解調(diào)器(MODEM)

(1)調(diào)制解調(diào)器定義

調(diào)制解調(diào)器是一種能將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號，又能將模擬

信號解調(diào)成數(shù)字數(shù)

字信號的裝置。(MODEM=MODulate-DEModulate)

電話線

調(diào)制解調(diào)器工作原理

⑵分類

按照功能分為：普通Modem,用于有線電視的CableModem

按照外形分為：外接式，插卡式(IDE、PCI),PCMCIA,無線

按照通信線路分為：撥號(異步)，專線(同步)

按照調(diào)制方式分為：調(diào)頻，調(diào)相，調(diào)幅，混合調(diào)制

3多路復用技術

當傳輸介質(zhì)的帶寬超過了傳輸單個信號所需的帶寬時，人們通常用在一條介質(zhì)上同時攜

帶多個傳輸信號的方法來提高傳輸系統(tǒng)的利用率，這就是所謂的多路復用（Multiplexing）,

多路復用分為兩大類：頻分多路復用（FDM）和時分多路復用（TDM）。

A.頻分多路復用（FDM）

在介質(zhì)上同時傳輸多路信號，每路信號以不同的載波頻率進行調(diào)制，而且各個載波頻率完全獨立，即載

波形成的信號不互相重疊，則各路信號可以成功地在介質(zhì)上傳輸。

圖3.20頻分多路復用原理示意圖

（a）原始信道（b）頻率提升（c）多路復用后的信道

原始信號帶寬為3KHz,后變成4KHz;因為每個信道的波形都不是直上直下的方波，復用后信道之間難免

有信號重疊，信號重疊過多就會發(fā)生錯誤，所以在信道之間要保留IKHz左右的“警戒頻帶”。當然，在接收

機一方，還要進行解復用（De-Multiplexing）,還原成原始信號才能被接收設備接收。

解復用就是去掉載波，將信號還原的過程。

B.波分多路復用(WDM)

有一類特殊的頻分多路復用技術叫做波分多路復用(WDM)o波分多路復用是根據(jù)光波

波長的不同分隔復用的方法。

我們知道，不同波長的光波在通過透鏡時會有不同的折射率，圖表示了WDM的原理。

其中，光纖1和光纖1，的波譜范圍相同，光纖2和光纖2,的波譜范圍相同，而光纖1和2的

波譜范圍不同且不重疊，共享光纖的波譜范圍則是光纖1和2的總和，這樣就達到了多路復

WDM示意圖

光也是一種電磁波，光的波長是頻率的倒數(shù)，所以說WDM本質(zhì)上也是頻分多路復用。隨

著光纖應用的普及，WDM得到了較為廣泛的應用。

C.時分多路復用(TDM)

時分多路復用(TimeDivisionMultiplexing)是把時間分為若干個時間槽(Slot),

每個用戶分得一個時間槽，在其占用的時間槽內(nèi)，該用戶可以獨享信道的全部帶寬。時間

槽的劃分有交替性和周期性。交替性是指不會有連續(xù)的時間槽被單個用戶連續(xù)占用，而是

大家輪流占用各個時間槽；周期性是指時間槽的分配要有一定周期性地重復出現(xiàn)。

我們來看一下作為PCM傳輸標準之一的T1信道是如何復用多路話音信號的。

T1是在北美和日本廣泛使用的標準，T1載波有24個信道組成，如圖3.22。每幀數(shù)據(jù)

有193個比特，傳輸一幀數(shù)據(jù)的時間位傳輸125微秒。每幀的第一個比特是幀開始位，用于

幀同步目的。另外有24個8比特的信道，每個信道有7位數(shù)據(jù)位和一位校驗位。

由于傳輸一路PCM編碼的數(shù)字化語音信號需要每125微秒傳輸8個比特，所以T1的24個

信道正好可以滿足24路PCM編碼的數(shù)字化語音信號的傳輸要求，也就是說可以復用24路PCM

編碼的數(shù)字化語音信號。

圖3-22的下半部是'一個例子：

信道一內(nèi)容為ABCD…，信道二：abed…，信道三:1234信道四：！端$…。

根據(jù)ASCII碼的編碼方式，每個字母/數(shù)字的編碼為7個比特，再加上一個比特的校驗位，

正好是8個比特。在第一幀數(shù)據(jù)里，信道一傳輸“A〃，信道二傳輸“a〃，信道三傳輸

“1〃..

…，經(jīng)過125微秒后，在第二幀數(shù)據(jù)里，信道一傳輸“B〃，信道二傳輸“b〃，信道三傳

輸

“2〃……，依此類推，隨著時間的流逝，每個信道的內(nèi)容都將成功地傳輸?shù)侥康牡亍?/p>

時分多路復用(T1)原理示意圖

舉例(信道內(nèi)信遒一內(nèi)容：ABCD...

容標記在信信道二內(nèi)容：abed…

道號下方)：信遒三內(nèi)容：1234.一

信道四內(nèi)容：！@#$...

D.統(tǒng)計時分多路復用

在傳統(tǒng)的時分多路復用系統(tǒng)中，每個低速信道固定地對應于高速信道（干線）的一個時

間槽（Slot）,高速信道速率等于各低速信道之和。不論每個低速信道是不是有數(shù)據(jù)要傳輸,

分給它的時間槽是固定不變的，當它沒有數(shù)據(jù)通信時，高速信道分給它的時間槽就浪費掉

了。這就好比“大鍋飯”一樣，顯然不利于提高通信干線的利用效率。

統(tǒng)計時分多路復用掂動態(tài)地分配時間槽，只把確實晏傳送數(shù)據(jù)的終端接入健路，這樣,

只有工作的終端才能婚分到帶寬，充分提高了總帶寬的利用率。

E.時分多路復用設備

（1）多路復用器

多路復用器是按照預先定義好的固定次序劃分時間槽，每個用戶終端都機會均等地、

固定地獲得各自的時間槽的一種設備。被復用的信道速率等于各信道速率的總和，反過來

說就是，每條用戶線路的數(shù)據(jù)傳輸速率最高不能超過總速率的l/N.N是使用復用線路的用

戶總數(shù)。前面提到的Tl、E1等都使用多路復用器。

（2）集中器（又叫統(tǒng)計多路復用器）

集中器是另一種多路復用器，它主要是針對統(tǒng)計多路復用技術而出現(xiàn)的，所以又叫統(tǒng)

計多路復用器。集中器按動態(tài)方式分配時間槽的，即有傳輸請求的用戶終端才獲得時間槽。

采用集中器的高速干線總?cè)萘靠梢孕∮诟鹘尤刖€路容量之和，它們的關系由統(tǒng)計平均值決

定。如果干線總?cè)萘肯鄬^大，勢必降低帶寬利用率，反之會使個別用戶因無法及時得到

信道而影響通信。不論如何，只要是統(tǒng)計多路復用，就以避免用戶帶寬需求超過干線總帶

寬的情況發(fā)生。為了解決這一問題，在集中器里設置了先進先出的緩存器，來不及分配時

間槽的用戶終端數(shù)據(jù)可以先在緩存器里過渡一下，這樣就在很大程度上避免了數(shù)據(jù)丟失。

3.5差錯控制技術

人們總是希望數(shù)據(jù)在通信線路中正確無誤地傳輸。但是，信道內(nèi)外的干擾

與噪聲又是不可避免的。

傳輸出錯：外來干擾隨機錯（信號前后無關）突發(fā)錯（出錯位相關）

糾正方法：電器性能，差錯控制

差錯控制：檢測，糾正，處理

方法：時間冗余，設備冗余，數(shù)據(jù)冗余

差錯控制技術：奇偶校驗、海明校驗、循環(huán)碼冗余校驗等。

3.5.1奇偶校驗（垂直冗余校驗WRC）

奇偶校驗以字符為單位校驗，一個字符由8位組成，低7位為信息字符的ASCH代碼,

最高位為“奇偶校驗位”。

B?B6BsB4B3B2BiBo

原理：接收端、發(fā)送端“字符”中T'的個數(shù)；"奇”或“偶”

315.2方塊校驗（水平垂直冗余校驗LRC）

在垂直冗余校驗WBC的基礎上，在一批字符傳輸之后，另加一個稱為“方塊校驗

字符”的校驗位字符。

奇偶校驗位（VRC）

字符110011000

字符210000101

字符310100100

字符410010001

字符510100001

字符610000011

方塊校驗字符（mc）i111010

上例是奇校驗。

采用這種方法，若二進制傳輸錯，不僅從橫行中WRC反映出來，也可以從縱行中IRC）

得到反映。有較強的校錯能力，不僅能發(fā)現(xiàn)一位、二位或三位錯，且可以自動糾正，使

誤碼率降低2T個數(shù)量級。

廣泛應用于通信和計算機外設中。

315-3循環(huán)冗余校驗*

1、線性碼

由k個信息碼元和r個校驗碼五構成的碼組，其中每一個校驗碼元是該碼組中某些信息碼元的模2

和，具有這種結構格式的碼組稱為線性碼。習慣上用(n,k)表示碼長為n,信息碼元為k的線性碼。

線性碼具有封閉性，即線性碼的任何兩個碼組對應位按模2相加所得到的新碼組仍然是該線性碼

的一個碼組。

(7,3)

C3=C6+C4

C2=C6+C5+C4

C1=C6+C5

C0=C5+C4

信息碼元碼組

C6C5C4C6C5C4C3C2C1co

0000000000

0010011101

0100100111

0110111010

1001001110

1011010011

1101101001

1111110100

2、循環(huán)碼

對于碼長為n、有k個信息碼元的線性碼，若它具有如下性質(zhì)：任一碼組的每一次循環(huán)右移或左移

所得到的是碼中另一碼組。即若后iCt…Co）是（11,卜）碼的碼組，則（Co，c1…C）或

……C°，Ci）也是（“k）碼的碼組。我們把具有這種循環(huán)移位不變性的線形碼稱為

循環(huán)碼。

用代數(shù)的方法研究，將碼元對應多項式的系數(shù)。o=（C〃_i，C〃_2…Ci，Co）

C（X）=CL『+C-2V+…+CX+G

這樣，每個碼組都與一個不大于（n-l）次的多項式對應。

左移一位，

C\=（U,T，。_3…u。,Ui）

C（x）=x?c（x）=C,iT'+C_2丫「'+…+CT+C三CTX'+CTX'"+…+C>x+Ci（modX'-i）

仍然是一個（n-l）次多項式（右移modx"+l）

多項式性質(zhì)：

在一個（n,k）循環(huán)碼中，有且僅有一個（n-k）次的生成多項式

"）=尸+酊/'山+??+當工2+&萬+i

此循環(huán)碼中的每個碼多項式c（X）都是g（X）的倍式.反之，能被G（X）除盡的次數(shù)不大于

（n-1）的多項式，也必定是碼多項式。

3、循環(huán)碼原理

假設待編碼k位信息的碼組是

M=(m1，m”…m2,mvm3

對應的多項式是

12++++

M(X)=mk-\T'+mk-2X-miX~miXmQ

按模2運算規(guī)則(加與減相同)后可得：

?'rrfl-k+2，*一4+1、下|Lk

?++

M(X)=相1XT+X-mA+m】X\+mJL=?》一.

其中，2g(X)是生成多項0式，Q(X)是商多項式

X"'k?"(X)=g(X)0(X)+R(X)X"?M(X)+R(X)=g(X)0(X)

k+++k++

X"?+R(X)=mkXx"'mk-2X"'-m2X"?機X"'mnX""

+r?-k-\Xi+r?-k-i+…+%X，+為X,+-o

相應的碼組是

)

(加I，mk-2，…加2，加，加o，rn-k-x，rn-k-2，…/2，乃，r0

4、常用的生成多項式有:

CRC-12:g(x)=x0+x”+x"+x+i

CRC-16:g(x)=X+M+X，

CRC-CCITT:g(x)=x16+Y2+x5+i

5、實例

步驟：

(1)分析給定條件，一般給定信息碼和生成多項式，確定N、K:

k是信息碼長度(位數(shù))

r=n?k是生成多項式的最高賽次

(2)用二進數(shù)表示m,g;

后補r位0(即左移n-k位)

(3)做除法(左移n-k位的M除以生成多項式G),求余數(shù)。

(4)做除法時，按異或規(guī)則：

被除數(shù)相應位是1,則商1,否則商0;

被除數(shù)減去除數(shù)，按位相減或相加(異或)；

余數(shù)不超過r位。

(5)寫出碼組，即左移n-k位的M+R。

例如：g(x)=(11101)生成(7,3)碼，信息碼M(x)=(110)

m/g=(1100000)/(11101)

r=(1001)

則碼組為：

1101001

2.6.1數(shù)據(jù)鏈路層的模型

數(shù)據(jù)實通路數(shù)據(jù)實通路

數(shù)據(jù)鏈路/邏輯鏈路=（物理）鏈路+通信規(guī)程

數(shù)據(jù)鏈路層提供的物理層提供的無源數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

數(shù)字信道點到點物理線路段

2.6.2數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡層提供的服務

?基本服務：將源結點的網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜彽?/p>

目的結點的網(wǎng)絡層

?三種服務：

L無確認的無連接服務：目的結點不作確認，差錯由上層負責

2.有確認的無連接服務：目的結點對收到的幀要作確認，發(fā)送

結點可以知道已發(fā)出的幀是否安全到達目的結點；誤幀重傳

3.面向連接服務：可靠地傳送數(shù)據(jù)的服務，即提供在網(wǎng)絡實體間

建立、維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的功能

服務原語：

連接建立階段：DL-CONNECT.request,DISCONNECT.indication,

DL-CONNECT.response,DL-CONNECT.confirm

維持階段：DL-DATA.request,DL-DATA.indication

釋放階段：DL-DISCONNECT.request,

DL-DISCONNECT.indication?

網(wǎng)絡層實體的通信過程示例

2.6.3數(shù)據(jù)鏈路層的功能

?數(shù)據(jù)鏈路管理

?成幀：同步、定界及透明傳輸

?流量控制

?差錯控制

?尋址

2.6.4控制信息的形成方法（成幀）

?字符計數(shù)法：幀頭中使用一個字符來表示幀內(nèi)的字符數(shù)

缺點：計數(shù)字段一旦出錯，將無法再同步

?帶填充字符的首尾界符法：以特定的字符序列為控制字

段

缺點：依賴于字符集，不通用，也無法擴展

?帶填充位的首尾標志法：采用統(tǒng)一的幀格式，以特定的

位序列進行幀同步和定界

?物理層編碼違例法：IEEE802協(xié)議

只適用于在物理媒體的編碼策略中采用了冗余技術的

網(wǎng)絡，優(yōu)點：無需填充

帶填充字符的首尾界符法（面向字符）：

同步字符幀首數(shù)據(jù)幀尾

SYNSYNDLESTXADLEDLEBDLEDLECDLEETX

填充字符

帶填充位的首尾標志法（面向位）：HDLC

幀首數(shù)據(jù)幀尾

011111100111110110111110001111110

填充位

面向字符協(xié)議的不足:

?采用停等協(xié)議，半雙工通信，通信線路利用率低;

?所有通信設備必須使用同樣的字符代碼

?只對數(shù)據(jù)部分進行差錯控制，可靠性差

?依賴于字符集，不易擴展

?面向位協(xié)議

IBMSNA的SDLC（同步數(shù)據(jù)鏈路控制）

ANSI的ADDCP（先進的數(shù)據(jù)通信控制規(guī)程）

ISO的HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）

CCITT的LAP（鏈路接入規(guī)程）

X.25采用LAPB（鏈路接入規(guī)程一一平衡型）

2.6.4差錯控制

。目的：確保幀可靠地交付接收方

?；痉椒ǎ航邮辗较虬l(fā)送方應答，告知是否正確收到幀

o差錯檢測和糾正

檢錯碼、糾錯碼

漢明距離：兩個碼字中不同位的個數(shù)

糾正單比特差錯所需的最少校驗位數(shù)公式：

(m+r+1)<2rn位碼元，其中m位數(shù)據(jù)，r位

校驗

漢明糾錯法：糾正單比特錯

CRC碼：可檢測出所有奇數(shù)位錯及長度vr的并發(fā)錯誤

2?6?5發(fā)送方式（流控制技術）

?理想化的數(shù)據(jù)傳輸無需數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

假定1：鏈路是理想的傳輸信道，數(shù)據(jù)既不會出錯也不會丟失

假定2：不管發(fā)送方的速率多快，接收方總能接收到并上交

?等待發(fā)送（停止等待協(xié)議）

發(fā)送方發(fā)出一幀后，要停下來等待接收方的應答，收到確認后

才能發(fā)送下一幀

?連續(xù)發(fā)送（連續(xù)ARQ協(xié)議/流水線協(xié)議）

發(fā)送方可以連續(xù)發(fā)送若干幀，如果在此過程中收到接收方的肯

定應答，可以繼續(xù)發(fā)送；若收到對其中某一幀的否認幀，則從

該幀開始