計算機(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）。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)（Data）是指計算機(jī)中傳遞（攜帶）信息的實體，即在網(wǎng)絡(luò)中存儲、處理和傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)字編碼。信號（Signal）：數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電信號），數(shù)據(jù)以信號的形式在介質(zhì)中傳播。模擬信號是隨時間連續(xù)變化的信號，這種信號的某種參量，如幅度、頻率或相位等可以表示要傳送的信息。數(shù)字信號是離散信號，如計算機(jī)通信所用的二進(jìn)制代碼“0”和“1”組成的信號。模擬信號和數(shù)字信號的波形圖如圖

2、2.1所示。圖2.1 模擬信號與數(shù)字信號信道也可以分成傳送模擬信號的模擬信道和傳送數(shù)字信號的數(shù)字信道兩大類。但是應(yīng)注意，數(shù)字信號在經(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)行信號變換的設(shè)備，在實際的通信系統(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。當(dāng)傳輸?shù)氖悄M信號時，可以直接進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號時，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。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。當(dāng)傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字信號時，可以直接進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳輸?shù)氖悄M信號時，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。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、傅立葉分析及信號帶寬任何周期信號都可以表示為基波信號和各種高次諧波信號的合成。根據(jù)傅立葉分析法，可以把一個周期為的復(fù)雜函數(shù)表示為無限個正弦和余弦函數(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各次諧波的振幅按頻率的分布圖，雖然周期信號的頻譜理論上可以是無限的，但是一般高次諧波的分量會越來越小，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的頻帶寬度，簡稱帶寬，它表示實際信道所能傳輸信號的頻率范圍。圖2.9 信號的頻譜圖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數(shù)中只含有直流和余弦項，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)為信號的絕大部分能量集中在第一個零點(diǎn)的左側(cè)，第一個零點(diǎn)處于。定義周期性矩形脈沖信號的帶寬為：f=1/。注意：如果脈沖信號的脈沖寬度越小，其帶寬越大。注意：帶寬通常指信號所占據(jù)的頻帶寬度；以赫茲（Hz）為單位。對于數(shù)字信號而言，

5、帶寬和單位時間內(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間內(nèi)信號波形的變換次數(shù)，即通過信道傳輸?shù)拇a元個數(shù)。若信號碼元寬度為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)速率指單位時間內(nèi)信道上傳送的信息量（比特數(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，為信號的平均功率，為噪聲平均功率，叫信噪比。注意：實際使用中，與的比值太大，故常取分貝數(shù)。例如當(dāng)=1000時，信噪比為30dB（分貝）。8、信道延遲信號在信道中從源端到達(dá)宿端需要的時間即為信道延遲，它與信道的長度及信號傳播速度有關(guān)。9、基帶傳輸所謂基帶指的是基本頻帶，也就是數(shù)據(jù)編碼電信號所固有的頻帶，這種信號可稱為基帶信

7、號。10、調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制時，把正弦信號作為基準(zhǔn)信號或載波信號。調(diào)制即利用載波信號的一個或幾個參數(shù)的變化來表示數(shù)字信號（調(diào)制信號）的過程。基于載波信號的三個主要參數(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)制將模擬信號變換為數(shù)字信號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轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，必須對電話信號進(jìn)行取樣。即每隔一定的時間間隔，取模擬信號的當(dāng)前值作為樣本。該樣本代表了模擬信號在某一時刻的瞬時值。一系列連 續(xù)的樣本可用來代表模擬信號在某一區(qū)間隨時間變化的值。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。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為信號的最高頻率二標(biāo)準(zhǔn)電話信號的最高頻率為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，一個話路的模擬電話信號，經(jīng)模數(shù)變換后，就變成每秒8000個脈沖信號，每個脈沖信號再編為8位二進(jìn)制碼元。因此一個話路的PCM信號速率為64Kbps。為有效利用傳輸線路，通?？偸菍⒍鄠€話路的PCM信號用時分多路復(fù)用（見下一節(jié)）的方法裝成幀（即時分復(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的時分復(fù)用幀的構(gòu)成。圖2.15 E1的時分復(fù)用幀E1的一個時分復(fù)用幀（其長度T=125s）共分

10、為32個相等的時間間隙（簡稱時隙），每個時隙傳送8bits。因此，整個32個時隙共傳送256bits，即一個幀的信息量。每秒傳送8000個幀，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個話路。每個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原始信號寬得多的帶寬的情況下，我們就可將該物理信道的總 帶寬分割成若干個和傳輸?shù)膯蝹€信號帶寬相同（或略為寬一點(diǎn)）的子信道，每一個子信道傳 輸一路信號。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、時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用TDM（Time Division Multiplexing）是將一條物理線路按時間分成一個個的時間片，每個時間片常稱為一幀（Frame）, 每幀長125s, 再分為若干時隙，輪換地為多個信號所使用。（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傳播多個光波信號的技術(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，也可用來 防止外界電磁場干擾中心導(dǎo)體的信號，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，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，就會出現(xiàn)全反射，即光線碰到包層時就會折射回纖芯。這個過程不斷重復(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、交換對于交換網(wǎng)，數(shù)據(jù)交換方式按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)對途徑的數(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)部完成對通信線路（在空間上或時間上）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。包括三個階段：（1）線路建立階段：通過呼叫完成逐個結(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)是通信實時性強(qiáng)；通路一旦建立，便不會發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅 速，不丟失且保持傳輸?shù)捻樞颍痪€路傳輸時延小，唯一的時延是電磁信號的傳播時間。其主要缺點(diǎn)是線路利用率低，特別是對于計算機(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 較長的呼叫建立時延；系統(tǒng)無數(shù)據(jù)存儲及差錯控制能力，不能平滑通信量。因此，線路交換適于連接時間長、批量大的實時數(shù)據(jù)傳輸，例如數(shù)字話音、傳真等業(yè)務(wù)。報文交換報文交換屬存儲轉(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。在報文傳輸上，任何時刻一份報文只在一條結(jié)點(diǎn)到結(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上傳輸，每一條 鏈路傳輸過程都對報文的可靠性負(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，任何時刻一份 報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，而且許多報文可以分時共享一條鏈路，這就提高了網(wǎng)絡(luò)資源的共享性及線路的利用率；一個報文可以同時向多個目的站 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，就不能接受某 些呼叫。而在報文交換網(wǎng)中仍可以接收報文，但是傳輸延遲會增加。報文交換的主要缺點(diǎn)是，每一個結(jié)點(diǎn)對報文數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)時間較長，傳輸一份報文的 總時間并不比采用線路交換方式短，或許會更長。因此，報文交換不適于傳輸實時的或交互式業(yè)務(wù)，例如話音、傳真飛終端與主機(jī)之間的會話業(yè)務(wù)等。事實上，報文交換只是主要應(yīng)用于非計算機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) ( 如民用電報業(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)報傳輸分組交換交換網(wǎng)把對進(jìn)網(wǎng)的任一個分組都當(dāng)作單獨(dú)的“小報文”來處理，而不管它是屬于哪個報文的分組，就像在報文交換方式中把一份報文進(jìn)行單獨(dú)處理一樣。這種單獨(dú)處理和傳輸單元的“小報文”或“分組”,即稱為數(shù)據(jù)報（Datagram）。這種分組交換方式稱為數(shù)據(jù)報傳輸分組交換方式。2. 虛線路傳輸分組交換類似前述的線路交換方式，報文的源發(fā)站在發(fā)送報文之前，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，一個報文的所有分組都沿著這條通路進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，不允許結(jié)點(diǎn)對任一個分組做單獨(dú)的處理和另選路徑。要注意的是，虛線路與存儲轉(zhuǎn)發(fā)這一概念有關(guān)。當(dāng)我們在線路交換的電話網(wǎng)上打電話 時，我們在遇話期間的確是自始