計算機網(wǎng)絡原理(2)課件

NavalUniv.ofEngineeringDept.ofInformationSecurity計算機網(wǎng)絡技術教員：張志明Tel:44087-mail:z_zhiming@第2章數(shù)據(jù)通信的基礎知識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.

多路復用技術6.

數(shù)據(jù)交換技術7.

差錯控制本章主要內(nèi)容本章學習目標理解信息、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)的特性和應用場合。理解各種數(shù)據(jù)編碼技術，深刻理解PCM編碼的一般過程。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組交換的原理。了解差錯控制的一般概念。本課內(nèi)容2.1基本概念數(shù)據(jù)（Data）：傳遞（攜帶）信息的實體。信息（Information）：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。信號（Signal）：數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號的形式在介質(zhì)中傳播。信道（Channel）：傳送信息的線路（或通路）。比特（bit）：即一個二進制位。比特率為每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)（即數(shù)據(jù)傳送速率）。碼元（Codecell）：時間軸上的一個信號編碼單元。1數(shù)據(jù)及計算機通信術語2.1基本概念t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號同步脈沖t同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始。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)（即信號傳送速率）。比特率、波特率和信號編碼級數(shù)的關系如下： Rbit=Rbaudlog2M上式中：M-信號的編碼級數(shù)，Rbit-比特率，Rbaud-波特率1數(shù)據(jù)及計算機通信術語2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計算機通信術語誤碼率：信道傳輸可靠性指標，是一個概率值。信息編碼：將信息用二進制數(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)及計算機通信術語帶寬（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：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計算機通信術語時延（Delay）：信息從網(wǎng)絡的一端傳送到另一端所需的時間。時延=處理時延+排隊時延+發(fā)送時延+傳播時延處理時延=對數(shù)據(jù)進行處理和錯誤校驗所需的時間排隊時延=數(shù)據(jù)在中間結(jié)點等待轉(zhuǎn)發(fā)的延遲時間發(fā)送時延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬傳播時延=d/s

d:距離，s:介質(zhì)中信號傳播速度(≈0.7c)2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計算機通信術語時延帶寬乘積：某一信道所能容納的比特數(shù)。時延帶寬乘積=帶寬×傳播時延信道帶寬傳播時延管道體積=時延帶寬乘積例如，某信道的時延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個比特到達目的端時，源端已發(fā)送了100萬比特。2.1基本概念1數(shù)據(jù)及計算機通信術語往返時延（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所經(jīng)歷的時間RTT≈2×傳播時延傳輸可靠性兩個含義：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）2.1基本概念2數(shù)據(jù)通信的一般概念通信的三個要素：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→在信道上傳輸→信號→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，撥通對方建立邏輯連接互相確認身份數(shù)據(jù)傳輸互相通話斷開邏輯連接互相確認要結(jié)束通話斷開物理連接雙方掛機包含兩項內(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）傳輸數(shù)據(jù)的信道。模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。數(shù)字信號模擬信號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b）數(shù)字信號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)點抗噪聲（干擾）能力強傳輸質(zhì)量高便于用計算機進行處理保密性強通用、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=信號編碼級數(shù)例如，話音級線路的帶寬約為3.1kHz，根據(jù)上式計算的信道最大數(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)傳輸率隨信號編碼級數(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數(shù)不可能無限增加。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?，但不能在同一時刻雙向傳輸發(fā)送器/接收器發(fā)送器/接收器不可同時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)可以雙向同時傳輸。發(fā)送器/接收器發(fā)送器/接收器可同時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)字脈沖信號直接在信道上傳送。頻帶傳輸：數(shù)字信號調(diào)制成音頻模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。寬帶傳輸：把信號調(diào)制成頻帶為幾十MHZ到幾百MHZ的模擬信號后再傳送，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)送端在時間基準上一致。數(shù)據(jù)同步可以從三個層次上來實現(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，接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。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：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；增加了輔助位，所以傳輸效率低；例如，采用1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、2個停止位時，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個字符時間邏輯“0”邏輯“1”每個發(fā)送的字符前后各加入一位或多位信息以表示一個字符的開始和結(jié)束。2.2信道及其主要特征幀同步：識別一個幀的起始和結(jié)束。面向字符的——以同步字符（SYN，16H）來標識一個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀面向比特的——以特殊位序列（7EH，即01111110）來標識一個幀的開始，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)束校驗和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH2.3傳輸介質(zhì)內(nèi)導體芯線絕緣內(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，應用較少雙絞線外無任何屏蔽層，應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：傳輸帶寬高：僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（＞100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好輕便價格較高需要光電轉(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)時會產(chǎn)生折射。亮度調(diào)制：有光脈沖-1，無光脈沖-0光傳輸系統(tǒng)：光源、介質(zhì)、光檢測應用領域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡、服務器連接放大器驅(qū)動器發(fā)光器件光檢測器電信號電信號光信號光纖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光波波長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)芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束2.3傳輸介質(zhì)3同軸電纜計算機網(wǎng)絡中使用基帶同軸電纜阻抗50，有粗同軸和細同軸兩種應用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）性能：10Mb/s，500米/185米銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套2.3傳輸介質(zhì)使用電磁波或光波攜帶信息優(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：無線電、地面微波通信衛(wèi)星紅外線3無線介質(zhì)2.3傳輸介質(zhì)無線電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)（WLAN）BS基站覆蓋的無線電區(qū)域BS基站

用戶計算機和終端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)星與地面站相對固定位置使用3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球傳輸延遲時間長（≈270ms）廣播式傳輸應用領域：電視傳輸長途電話專用網(wǎng)絡廣域網(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格應用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s模擬:10km數(shù)字:500m較好低模擬/數(shù)字信號傳輸50Ω同軸電纜基帶10Mb/s<3km較好較低基帶數(shù)字信號75Ω同軸電纜寬帶≤450MHz10