計算機網(wǎng)絡原理

1、 Naval Univ. of EngineeringDept. of Information Security 計算機網(wǎng)絡技術計算機網(wǎng)絡技術教員：張教員：張 志志 明明Tel: 44087,-mail:z_1.1.基本概念基本概念2.2.信道及其主要特性信道及其主要特性3.3.傳輸介質傳輸介質4.4.數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)編碼5.5.多路復用技術多路復用技術6.6.數(shù)據(jù)交換技術數(shù)據(jù)交換技術7.7.差錯控制差錯控制 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容本章學習目標本章學習目標理解信息、信號、信道、帶寬等基本概念。理解信息、信號、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了

2、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 。理解常見傳輸介質的特性和應用場合。理解常見傳輸介質的特性和應用場合。 理解各種數(shù)據(jù)編碼技術，深刻理解理解各種數(shù)據(jù)編碼技術，深刻理解PCMPCM編碼的編碼的一般過程一般過程 。理解各種多路復用技術及其應用場合理解各種多路復用技術及其應用場合 。了解數(shù)據(jù)交換技術，理解分組交換和快速分了解數(shù)據(jù)交換技術，理解分組交換和快速分組交換的原理組交換的原理 。了解差錯控制的一般概念了解差錯控制的一般概念 。本本課課內(nèi)內(nèi)容容數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)（DataData）：傳遞（攜帶）信息的實體。：傳遞（攜帶）信息的實體。信息（信

3、息（InformationInformation）：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。信號（信號（SignalSignal）：數(shù)據(jù)的物理量編碼數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編（通常為電編碼）碼），數(shù)據(jù)以信號的形式在介質中傳播。，數(shù)據(jù)以信號的形式在介質中傳播。信道信道（ChannelChannel）：傳送信息的線路（或通路）。：傳送信息的線路（或通路）。比特（比特（bitbit）：即一個二進制位。比特率為每秒傳輸：即一個二進制位。比特率為每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)（即的比特數(shù)（即數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳送速率）。傳送速率）。碼元（碼元（Code cellCode cell）：時間軸上的一個信號編碼單元。：時間軸上的

4、一個信號編碼單元。1數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)及計算機通信術語t碼元碼元1碼元碼元2碼元碼元3碼元碼元4碼元碼元5信號信號同步脈沖同步脈沖t同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始。同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始。波特（波特（BaudBaud）：碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝弧２ㄌ芈蕿槊棵耄捍a元傳輸?shù)乃俾蕟挝?。波特率為每秒傳送的碼元數(shù)（即信號傳送速率）。傳送的碼元數(shù)（即信號傳送速率）。 比特率、波特率和信號編碼級數(shù)的關系如下：比特率、波特率和信號編碼級數(shù)的關系如下： R Rbitbit = R = Rbaudbaudloglog2 2M M 上式中：上式中： M-M-信號的編碼級數(shù)

5、，信號的編碼級數(shù)，R Rbitbit- -比特率，比特率，R Rbaudbaud- -波波特率特率1數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)及計算機通信術語1數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)及計算機通信術語誤碼率誤碼率：信道傳輸可靠性指標，是一個概率值。：信道傳輸可靠性指標，是一個概率值。信息編碼信息編碼：將信息用二進制數(shù)表示的方法。將信息用二進制數(shù)表示的方法。數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)用物理量表示的方法。：將數(shù)據(jù)用物理量表示的方法。 例如：字符例如：字符AA的的ASCIIASCII編碼為編碼為0100000101000001，其數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)編碼可能為編碼可能為01000001t1數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)及計算機通信術

6、語帶寬（帶寬（Band widthBand width，BWBW） 信道傳輸能力的度量。在傳統(tǒng)的通信工程中：信道傳輸能力的度量。在傳統(tǒng)的通信工程中：BW BW f fmaxmax f fminmin 單位：赫茲（單位：赫茲（HzHz） 在計算機網(wǎng)絡中，一般用每秒允許傳輸?shù)亩M制位在計算機網(wǎng)絡中，一般用每秒允許傳輸?shù)亩M制位數(shù)作為帶寬的計量單位。主要單位：數(shù)作為帶寬的計量單位。主要單位： b/sb/s ，kb/skb/s，Mb/sMb/s，Gb/sGb/s。1數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)及計算機通信術語時延（時延（DelayDelay）：信息從網(wǎng)絡的一端傳送到另信息從網(wǎng)絡的一端傳送到另一端所需的時間

7、。一端所需的時間。 時延時延= =處理時延處理時延+ +排隊時延排隊時延 + +發(fā)送時延發(fā)送時延+ +傳播時延傳播時延處理時延處理時延=對數(shù)據(jù)進行處理和錯誤校驗所需的時間排隊時延排隊時延=數(shù)據(jù)在中間結點等待轉發(fā)的延遲時間發(fā)送時延發(fā)送時延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬傳播時延傳播時延=d/s d:距離，s:介質中信號傳播速度(0.7c)1數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)及計算機通信術語時延帶寬乘積：時延帶寬乘積：某一信道所能容納的比特數(shù)。某一信道所能容納的比特數(shù)。 時延帶寬乘積時延帶寬乘積= =帶寬帶寬傳播時延傳播時延信道信道帶寬帶寬傳播時延傳播時延管道體積管道體積= =時延帶寬乘積時延帶寬乘積 例如，某信道的時

8、延帶寬乘積為例如，某信道的時延帶寬乘積為100100萬比特，這意味著第一個萬比特，這意味著第一個 比特到達目的端時，源端已發(fā)送了比特到達目的端時，源端已發(fā)送了100100萬比特。萬比特。1數(shù)據(jù)及計算機通信術語數(shù)據(jù)及計算機通信術語往返時延（往返時延（Round-Trip TimeRound-Trip Time，RTTRTT）：從發(fā)送：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端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到接收端的確認所經(jīng)歷的時間所經(jīng)歷的時間 RTTRTT22傳播時延傳播時延傳輸可靠性傳輸可靠性 兩個含義：兩個含義：數(shù)據(jù)能正確送達數(shù)據(jù)能正確送達數(shù)據(jù)能有序送達（當采用分組交換時）數(shù)據(jù)能有序送達（當

9、采用分組交換時）2數(shù)據(jù)通信的一般概念數(shù)據(jù)通信的一般概念 通信的三個要素：通信的三個要素：信源信源、信宿信宿和和信信道道噪聲噪聲信源信源發(fā)送器發(fā)送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)目的系統(tǒng)2數(shù)據(jù)通信的一般概念數(shù)據(jù)通信的一般概念 信息通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸過程信息通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸過程信息信息數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信號信號在信道上傳輸在信道上傳輸信號信號數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信息信息數(shù)據(jù)編碼數(shù)據(jù)編碼調制調制解調解調數(shù)據(jù)解碼數(shù)據(jù)解碼01000001A01000001A信道信道信息編碼信息編碼信息解碼信息解碼3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構成DCEDTEDTEDCE數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)

10、處理系統(tǒng)4數(shù)據(jù)通信基本過程數(shù)據(jù)通信基本過程 過程過程 與打電話比較與打電話比較建立物理連接建立物理連接 撥號，撥通對方撥號，撥通對方 建立邏輯連接建立邏輯連接 互相確認身份互相確認身份數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸 互相通話互相通話斷開邏輯連接斷開邏輯連接 互相確認要結束通話互相確認要結束通話斷開物理連接斷開物理連接 雙方掛機雙方掛機 包含兩項內(nèi)容：包含兩項內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸和和通信控制通信控制1數(shù)字信道和模擬信道數(shù)字信道和模擬信道 數(shù)字信道數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式（離散信號）：以數(shù)字脈沖形式（離散信號）傳輸數(shù)據(jù)的信道。傳輸數(shù)據(jù)的信道。 模擬信道模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)：以連續(xù)模擬信號形式傳

11、輸數(shù)據(jù)的信道。的信道。數(shù)字數(shù)字信號信號模擬模擬信號信號1數(shù)字信道和模擬信道數(shù)字信道和模擬信道a a）模擬信號模擬信號b b）數(shù)字信號數(shù)字信號tt2數(shù)字通信和模擬通信數(shù)字通信和模擬通信 數(shù)字通信數(shù)字通信在數(shù)字信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字在數(shù)字信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸。信息的傳輸。 模擬通信模擬通信在模擬信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字在模擬信道上實現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸。信息的傳輸。2數(shù)字通信和模擬通信數(shù)字通信和模擬通信 數(shù)字通信的優(yōu)點數(shù)字通信的優(yōu)點-抗噪聲（干擾）能力強抗噪聲（干擾）能力強-傳輸質量高傳輸質量高-便于用計算機進行處理便于用計算機進行處理-保密性強保密性強-通用、靈活通用、靈活

12、3信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率 NyquistNyquist公式公式：用于無噪聲理想低通信道用于無噪聲理想低通信道C=2Wlog2MC = 數(shù)據(jù)傳輸率，單位數(shù)據(jù)傳輸率，單位b/s W = 帶寬，單位帶寬，單位HzM = 信號編碼級數(shù)信號編碼級數(shù)例如，話音級線路的帶例如，話音級線路的帶寬約為寬約為3.1kHz3.1kHz，根據(jù)上，根據(jù)上式計算的信道最大數(shù)據(jù)式計算的信道最大數(shù)據(jù)傳輸率如右表所示。傳輸率如右表所示。M最大數(shù)據(jù)率最大數(shù)據(jù)率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s3信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率信道的最大數(shù)據(jù)

13、傳輸率 ShannonShannon公式公式：用于有噪聲干擾信道用于有噪聲干擾信道例：信道帶寬例：信道帶寬W=3.1kHzW=3.1kHz，S/N=2000S/N=2000，則，則 C = 3100log2（1+2000） 34kb/s 即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會大于即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會大于34kb/s34kb/s。C=Wlog2（1+S/N）C: 傳輸率，單位傳輸率，單位b/sW: 帶寬，單位帶寬，單位HzS/N: 信噪比信噪比信噪比的單位也可用分貝信噪比的單位也可用分貝(dB)(dB)表示：表示： S/NS/NdBdB=10log=10log10 10 S/NS/N所以，若所

14、以，若S/NS/NdBdB=30dB =30dB ，則，則S/NS/N=1000=1000。NyquistNyquist公式和公式和ShannonShannon公式的比較公式的比較 C=2Wlog2M 用于理想信道用于理想信道 數(shù)據(jù)傳輸率隨信號編碼級數(shù)增加而增加。數(shù)據(jù)傳輸率隨信號編碼級數(shù)增加而增加。 C=Wlog2（1+S/N） 用于有噪聲信道用于有噪聲信道 給出了有噪聲信道可能達到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率給出了有噪聲信道可能達到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率上限。上限。原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。4信道的通信方式信道的通信方式 單單/ /雙工通信雙工

15、通信單單/ /雙向傳輸雙向傳輸 單工：數(shù)據(jù)單向傳輸單工：數(shù)據(jù)單向傳輸發(fā)送器發(fā)送器接收器接收器A站站B站站4 半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同一時刻雙向傳輸一時刻雙向傳輸發(fā)送器發(fā)送器/接收器接收器發(fā)送器發(fā)送器/接收器接收器不可同時A站站B站站信道的通信方式信道的通信方式4 全雙工：數(shù)據(jù)可以雙向同時傳輸。全雙工：數(shù)據(jù)可以雙向同時傳輸。發(fā)送器發(fā)送器/接收器接收器發(fā)送器發(fā)送器/接收器接收器可同時A站站B站站信道的通信方式信道的通信方式5數(shù)據(jù)的傳輸方式數(shù)據(jù)的傳輸方式 基帶傳輸基帶傳輸：不需調制，編碼后的數(shù)字脈沖信：不需調制，編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上

16、傳送。號直接在信道上傳送。 頻帶傳輸頻帶傳輸：數(shù)字信號調制成音頻模擬信號后：數(shù)字信號調制成音頻模擬信號后再傳送，接收方需要解調。再傳送，接收方需要解調。寬帶傳輸寬帶傳輸：把信號調制成頻帶為幾十：把信號調制成頻帶為幾十MHZMHZ到到幾幾百百MHZMHZ的模擬信號后再傳送，接收方需要解的模擬信號后再傳送，接收方需要解調。調。6數(shù)據(jù)同步方式數(shù)據(jù)同步方式目的目的是使接收端與發(fā)送端在時間基準上一致。是使接收端與發(fā)送端在時間基準上一致。數(shù)據(jù)同步可以從三個層次上來實現(xiàn)：數(shù)據(jù)同步可以從三個層次上來實現(xiàn)： 位位位同步位同步 字符字符字符同步字符同步 幀幀(Frame)(Frame)幀同步幀同步 位同步位同步：

17、目的是使接收端接收的每一位信息都與：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，發(fā)送端保持同步，2 2種同步方法：種同步方法：外同步外同步發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同步脈沖信號，發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同步脈沖信號，接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。發(fā)送站 同步信號數(shù)據(jù)接收的同步信號鎖定后的同步信號接收站接收站收到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 自同步自同步通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)編碼信號中包含同步信號，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號提取編碼信號中包含同步信號，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號提取同步信號來鎖定自己的時

18、鐘脈沖頻率。同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。10110011010 字符同步字符同步：找到正確的字符邊界。：找到正確的字符邊界。 常用的為起止式（異步式）。常用的為起止式（異步式）。 起止式的優(yōu)缺點：起止式的優(yōu)缺點： 頻率的漂移不會積累，每個字符開始時都會重新獲得同步；頻率的漂移不會積累，每個字符開始時都會重新獲得同步； 每兩個字符之間的間隔時間不固定；每兩個字符之間的間隔時間不固定； 增加了輔助位，所以傳輸效率低；增加了輔助位，所以傳輸效率低；例如，采用例如，采用1 1個起始位、個起始位、 8 8個數(shù)據(jù)位、個數(shù)據(jù)位、 2 2個停止位時，其傳輸效個停止位時，其傳輸效率為率為8/118/117

19、373起始位起始位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)位停止位停止位字符間隔不固定字符間隔不固定1個字符時間個字符時間邏輯邏輯“0”邏輯邏輯“1”每個發(fā)送的字符前后各加每個發(fā)送的字符前后各加入一位或多位信息以表示入一位或多位信息以表示一個字符的開始和結束。一個字符的開始和結束。 幀同步幀同步：識別一個幀的起始和結束。：識別一個幀的起始和結束。面向字符面向字符的的以同步字符（以同步字符（SYNSYN，16H16H）來標）來標識一個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀識一個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀面向比特的面向比特的以特殊位序列（以特殊位序列（7EH7EH，即，即0111111001111110）來標識一個幀的開始

20、，適用于任意）來標識一個幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀數(shù)據(jù)類型的幀幀起始幀起始控制信息控制信息數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)幀結束幀結束校驗和校驗和0 n bit8bit8bit8-32m7EH7EH內(nèi)導體芯線內(nèi)導體芯線絕緣絕緣內(nèi)屏蔽內(nèi)屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套1雙絞線雙絞線屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線(STP) (STP) 非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線(UTP)(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，應用較少擾和串音，應用較少雙絞線外無任何屏蔽雙絞線外無任何屏蔽層，應用廣泛層，應用廣泛常用的雙絞線：常用的雙絞線：3 3類（類（16Mb/s16Mb/s）和）和5 5類（類（155Mb/s155Mb/s）兩種）兩

21、種 雙絞線的連接標準雙絞線的連接標準 色彩標記和連接方法：交叉線：交換機-交換機、PC-PC、HUB-HUB(標準端口)直連線：PC/路由器-交換機/HUB、HUB-HUB(級連端口)線對色彩碼1白藍，藍2白橙，橙3白綠，綠4白棕，棕1234567812345678交叉線交叉線EIA-568B直連線直連線EIA-568A1234567812345678 依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳 優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：傳輸帶寬高：僅受光電轉換器件的限制（傳輸帶寬高：僅受光電轉換器件的限制（100Gb/s100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸傳輸損耗小，適合長距離

22、傳輸抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好輕便輕便價格較高價格較高需要光電轉換需要光電轉換2光纖光纖 光纖傳輸原理光纖傳輸原理光的反射光的反射 光從折射率高的介質入射到折射率低的介質時會產(chǎn)生折光從折射率高的介質入射到折射率低的介質時會產(chǎn)生折射。射。亮度調制：有光脈沖亮度調制：有光脈沖-1-1，無光脈沖，無光脈沖-0-0光傳輸系統(tǒng)：光源、介質、光檢測光傳輸系統(tǒng)：光源、介質、光檢測 應用領域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡、服務器連接應用領域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡、服務器連接放大器放大器驅動器驅動器發(fā)光器件發(fā)光器件光檢測器光檢測器電信號電信號電信號電信號光信號光信號光纖光纖 多

23、模光纖多模光纖(MMF)(MMF) 單模光纖單模光纖(SMF)(SMF)：光纖的直徑接近一個光波波長光纖的直徑接近一個光波波長多束光線以不同的反射角傳播多束光線以不同的反射角傳播激光器包層，折射率低纖芯，折射率高亮度調制光檢波器激光器光檢波器單束光線沿直線傳播單束光線沿直線傳播單芯光纜單芯光纜多芯光纜多芯光纜玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外殼外殼 高密度多芯光纜剖面結構高密度多芯光纜剖面結構芯芯封套封套外套外套加強芯加強芯光纖光纖外鞘外鞘加強芯加強芯光纖束光纖束3同軸電纜同軸電纜計算機網(wǎng)絡中使用基帶同軸電纜計算機網(wǎng)絡中使用基帶同

24、軸電纜 阻抗阻抗5050 ，有粗同軸和細同軸兩種，有粗同軸和細同軸兩種應用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）應用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）性能：性能：10Mb/s10Mb/s，500500米米/185/185米米銅芯銅芯絕緣層絕緣層外導體外導體屏蔽層屏蔽層保護套保護套 使用電磁波或光波攜帶信息使用電磁波或光波攜帶信息 優(yōu)缺點：優(yōu)缺點： 無需物理連接 適用于長距離或不便布線的場合 易受干擾 反射，為障礙物所阻隔 主要類型主要類型： 無線電、地面微波 通信衛(wèi)星 紅外線3無線介質無線介質 無線電無線電基站與終端之間通信采用無線鏈路基站與終端之間通信采用無線鏈路應用領域：移動通信、無線局域網(wǎng)（應用領域：移動通信、無線局域網(wǎng)（WLANWLAN）BS基站覆蓋的無線電區(qū)域基站覆蓋的無線電區(qū)域BS基站基站 用戶計算機和終端用戶計算機和終端 地面微波地面微波通過地面站之間接力傳送通過地面站之間接力傳送接力站之間距離：接力站之間距離：50 -100 km50 -100 km速率：每信道速率：每信道 45 Mb/s45 Mb/s地面站之間的直視線路地面站之間的直視線路微波傳送塔微波傳送