計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)綜述

第一章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)綜述

?1.1引言

a1.1.1簡(jiǎn)要回顧

a1.1.2未來(lái)展望

?1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

?121計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

a122計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能

?123計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)

a1.2.4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

￥第一章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)綜述

?1.3數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

③1.3.1基本概念

?132數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論

■1.3.3傳輸介質(zhì)

?1.3.4多路復(fù)用

■135數(shù)據(jù)交換技術(shù)

④1.3.6調(diào)制解調(diào)器

1.1.1簡(jiǎn)要回顧

.原始的傳遞信息最基本的方式就是聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)。

?1837年，SamuelMorse發(fā)明了電報(bào)。

?1876年，AlexanderGrahamBell發(fā)明了電話（電

話交換經(jīng)歷了人工轉(zhuǎn)接到程控交換：步進(jìn)制、空

分、時(shí)分、程控交換、光交換）

?1945年，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC問(wèn)世,

它被設(shè)計(jì)用來(lái)在第二次世界大戰(zhàn)中計(jì)算彈道軌跡

1.1.1簡(jiǎn)要回顧

.1947年，電子晶體管問(wèn)世。這使得生產(chǎn)更

小更便宜的計(jì)算機(jī)成為可能，計(jì)算機(jī)與通信

技術(shù)也逐漸緊密地聯(lián)系起來(lái)

?1981年，第一臺(tái)PC機(jī)在IBM問(wèn)世

?20世紀(jì)90年代興起的Internet技術(shù)革命，徹

底地改變了人類(lèi)生活和工作的各個(gè)方面。通

信技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)滲透到人類(lèi)生存的每一方

面：從專(zhuān)業(yè)的、教育的用途到純粹的娛樂(lè)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要事件

1957：ARPA（AdvancedResearchProjectsAgency）組建

?1964：Baran提出“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”概念

?1966：NPL（英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室）的Davies提出“分組”

?1969：分組交換網(wǎng)ARPANET進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)研究（4結(jié)點(diǎn)）

?1971：ARPANET上連接了15個(gè)結(jié)點(diǎn)（23臺(tái)主機(jī)）

?1973：ARPANET首次進(jìn)行國(guó)際聯(lián)網(wǎng)

1973：Harvard大學(xué)BobMetcalfe的博士論文首先提出了

以太網(wǎng)的概念

1974：VintonCerf和BobKahn發(fā)表了論文“AProtocol

forPacketNetworkInterconnection”（TCP）

?1984：引入DNS

?1993：Mosaic旋風(fēng)

1995：Sun公司發(fā)布Java

1.1.2未來(lái)展望

計(jì)算機(jī)處理信息的能力不斷提高，尤其是計(jì)算機(jī)

的多媒體處理能力

a莫爾定律(1965)：每隔18個(gè)月，計(jì)算機(jī)的性能提高一

倍，而價(jià)格降低一倍

?2001年8月28日，Intel正式發(fā)布了2GHz奔騰4處理器(采用英

特爾0.18微米量產(chǎn)工藝，售價(jià)僅為562美元)。

。2001年7月，中芯微系統(tǒng)公司的“方舟-1”通過(guò)技術(shù)鑒定，進(jìn)

入量產(chǎn)階段。“方舟-1”采用了自行設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，具有

自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，它是國(guó)內(nèi)第一個(gè)0?25微米、32位的CPU產(chǎn)品，

在嵌入式RISCCPU領(lǐng)域達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平

1.1.2未來(lái)展望

,網(wǎng)絡(luò)帶寬日新月異

a局域網(wǎng)：10M-100M-1000M

③Internet

。中國(guó)電信骨干網(wǎng)速率已達(dá)40Gbit/§

o網(wǎng)通骨干網(wǎng)速率已達(dá)40Gbit/s

o接入網(wǎng)（最后1公里）開(kāi)始寬帶改造（ADSL、Cable

Modem、以太網(wǎng)）

1.1.2未來(lái)展望

?三網(wǎng)迅速融合，孤島現(xiàn)象逐漸消失

6曾經(jīng)獨(dú)立發(fā)展的電信網(wǎng)、閉路電視網(wǎng)和計(jì)

算機(jī)網(wǎng)將合而為一

?信息的獲取、存儲(chǔ)、傳輸和處理將更為方

便，有利于信息資源的共享

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義

?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是將地理位置不同、具有獨(dú)立

功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)通信設(shè)備和線

路（或其它無(wú)線介質(zhì)）連接起來(lái)、以功能

完善的網(wǎng)絡(luò)軟件（網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、信令、信息

交換方式以及網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理軟

件）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享的系統(tǒng)

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的目的在于實(shí)現(xiàn)資源共享，如分布式計(jì)

算、協(xié)同工作、多媒體傳輸?shù)?。共享資源有：

a硬件資源：磁盤(pán)陣列、打印機(jī)、掃描儀

a軟件資源：網(wǎng)絡(luò)版軟件、CSCW(Computer

SupportedCo-operativeWork)

?數(shù)據(jù)資源：遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

,第一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：以主機(jī)為中心（分時(shí)系統(tǒng)）

③計(jì)算機(jī)的數(shù)量少，非常昂貴。為了充分利用計(jì)算機(jī)資

源，用戶使用計(jì)算機(jī)首先要將程序和數(shù)據(jù)制成紙帶或

卡片，然后送到計(jì)算中心進(jìn)行處理，再等待結(jié)果這種

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的缺點(diǎn)：如果計(jì)算機(jī)的負(fù)荷較重，會(huì)導(dǎo)致系

統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；單機(jī)系統(tǒng)的可靠性一般較低，一旦

計(jì)算機(jī)發(fā)生故障，將導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓。

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

D

圖1-1多用戶分時(shí)系統(tǒng)

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

主機(jī)系統(tǒng)

圖1-2具有遠(yuǎn)程通信功能的單機(jī)系統(tǒng)

L2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

宣

國(guó)

巨

叁

■

■

TTYTTT

HEP耦處聊I

主機(jī)系第

圖1-3具有遠(yuǎn)程通信功能的多機(jī)系統(tǒng)

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

第二代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：發(fā)展歷程

④為了克服第一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可用

性，人們開(kāi)始研究將多臺(tái)計(jì)算機(jī)相互連接的方法

a如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)？

O借鑒電路交換的思想

O1964年8月，巴蘭(Baran)在美國(guó)蘭德(Rand)公司“論分布

式通信”的研究報(bào)告中提到了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文交換概念

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

③1962-1965年，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(Advanced

ResearchProjectsAgency,ARPA)和英國(guó)的國(guó)家物

理實(shí)驗(yàn)室(NationalPhysicsLaboratory,NPL)者B在

對(duì)新型的計(jì)算機(jī)通信技術(shù)進(jìn)行研究

?英國(guó)NPL的戴維斯(Davies)于1966年首次提出了

“分組”(Packet)的概念

3到1969年12月,DARPA(DefenseAdvanced

ResearchProjectsAgency,ARPA)的計(jì)算機(jī)分組交

換網(wǎng)ARPANET投入運(yùn)行(最早的Intemet),網(wǎng)絡(luò)在

戰(zhàn)時(shí)的安全性得以保證

1.2.1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展

?第二代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：以通信子網(wǎng)為中心

圖1-4以通信子網(wǎng)為中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

1.2.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能

?計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的其他應(yīng)用

a網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交談■網(wǎng)上協(xié)同工作

?VOD■遠(yuǎn)程醫(yī)療

?網(wǎng)絡(luò)游戲■網(wǎng)上證券交易

?遠(yuǎn)程教學(xué)■虛擬現(xiàn)實(shí)

③網(wǎng)上書(shū)店■電子商務(wù)

?網(wǎng)上購(gòu)物(BTOB、BTOC)

a網(wǎng)上訂票

1.2.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)

晉

計(jì)算機(jī)之間的距離（數(shù)量級(jí)）計(jì)算機(jī)所在地網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)

10m機(jī)房

100m建筑物局域網(wǎng)

1000m校園

10km城域網(wǎng)

100km國(guó)家廣域網(wǎng)

1000km洲或洲際互聯(lián)網(wǎng)

表1-1計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)

1.2.3.1局域網(wǎng)（LAN）

■范圍：一般用于1棟大樓、校園等幾公里以?xún)?nèi)

■傳輸技術(shù)：廣播方式

■拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線、環(huán)形等

□?---VMBfl?1I'***□

IEEE802.3令牌環(huán)

IEEE802.5

圖1-5局域網(wǎng)的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.3.1局域網(wǎng)（LAN）

圖1-6LAN（局域網(wǎng)）

1.2.3.2城域網(wǎng)(MAN)

■標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.6,DBDQ(DistributedQueueDual

Bus)

-工作范圍一般是160km,數(shù)據(jù)傳輸率為44.736Mps

總線A上的數(shù)據(jù)流向

總線B上的數(shù)據(jù)流向

圖1-7DQDB城域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

1.2.3.2城域網(wǎng)(MAN)

圖1-8MAN（城域網(wǎng)）

.1.2.3.3廣域網(wǎng)(WAN)

圖1-9WAN（廣域網(wǎng)）

41.2.3.3廣域網(wǎng)（WAN）

-范圍：跨省市、國(guó)家

-一般需借用公共通信線路，如PSTN、DDN、X.25等

圖1-10廣域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2.4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

晉

工.不.]

1.2.4.1網(wǎng)狀拓?fù)?/p>

￥----------------------------------

?路徑尋優(yōu)和容錯(cuò)能力最強(qiáng)

?建網(wǎng)費(fèi)用高，布線困難

?主要用于WAN、MAN及INTERNET

1.2.4.1網(wǎng)狀拓?fù)?/p>

總鏈路數(shù)=n(n-l)/2

每個(gè)設(shè)備端口=n-l

圖1-11五個(gè)設(shè)備的全連接網(wǎng)狀拓?fù)?/p>

1.2.4.2星形拓?fù)?/p>

1二:控制方式

a物理布局為星形，邏輯上可以是總線網(wǎng)絡(luò)、令牌

環(huán)網(wǎng)

?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于管理，擴(kuò)充方便

圖1-12星形拓?fù)?/p>

1.2.4.3總線拓?fù)?/p>

a分布式控制方式，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線直接通

信

?“文雅的交談方式”：帶沖突檢測(cè)的載波

偵聽(tīng)多路訪問(wèn)CSMA/CD(CarrierSense

MultipleAccesswithCollisionDetection)

?在重負(fù)荷下效率明顯降低(主一從異步和

容錯(cuò)重發(fā)機(jī)制造成)

。安裝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，便于擴(kuò)充

1.2.4.3總線拓?fù)?/p>

T頭T頭T頭T頭

終結(jié)器終結(jié)器

圖1-13總線拓?fù)?/p>

1.2.4.4環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)

a各計(jì)算機(jī)形成一個(gè)邏輯環(huán)路，數(shù)據(jù)包在環(huán)路上以固定

方向流動(dòng)

③令牌控制：只有獲得了令牌的計(jì)算機(jī)才能發(fā)送數(shù)據(jù)

圖1-14環(huán)型拓?fù)?/p>

1.3.1信息、信號(hào)與信道

?信息：人類(lèi)對(duì)自然和社會(huì)認(rèn)知的量度

?信號(hào)：以時(shí)間為自變量，以表示消息

（或數(shù)據(jù)）的某個(gè)參量（振幅、

頻率或相位）為因變量。信號(hào)

按其因變量的取值是否連續(xù)可

分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，可

以以數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和圖片等形式

出現(xiàn)

1.3.1信息、信號(hào)與信道

?模擬信號(hào)：信號(hào)的因變量完全隨連續(xù)消息的變化而

變化的信號(hào)。模擬信號(hào)的自變量可以是

連續(xù)的，也可以是離散的；但其因變量

一定是連續(xù)的

?數(shù)字信號(hào)：表示消息的因變量是離散的，自變量時(shí)

間的取值也是離散的信號(hào)

?信道：將表示消息的信號(hào)從發(fā)送方（信源）傳

遞到接收方（信宿）。既然信號(hào)可分為

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，與之相對(duì)應(yīng)的，

通信也可分為模擬通信和數(shù)字通信

1.3.1信息、信號(hào)與信道

?基帶信號(hào)：將數(shù)字信號(hào)o和1直接用兩種電壓傳輸

?寬帶信號(hào)：將基帶信號(hào)頻分復(fù)用后的模擬信號(hào)

?帶寬：信道允許通過(guò)的信號(hào)頻帶范圍

?時(shí)延：報(bào)文從網(wǎng)絡(luò)（或鏈路）一端傳送到另一

端所需的時(shí)間

?發(fā)送時(shí)延：節(jié)點(diǎn)從發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)第一個(gè)比特算起，到

最后一個(gè)比特發(fā)送完畢所需的時(shí)間

?傳輸時(shí)延：電磁波在信道中需要傳播一定距離而花

費(fèi)的時(shí)間

?處理時(shí)延：數(shù)據(jù)在交換節(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)而進(jìn)行一些

必要的處理所花費(fèi)的時(shí)間

1.3.1信息、信號(hào)與信道

總時(shí)延=傳播時(shí)延+發(fā)送時(shí)延+處理時(shí)延

發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度/信道帶寬

傳播時(shí)延=信道長(zhǎng)度/電磁波在信道上傳播速率

?信號(hào)傳輸速率（即發(fā)送速率）和電磁波在信道

上的傳播速率是兩個(gè)完全不同的概念

a電磁波在光纖中的傳播速率約為200000km/s

1.3.1信息、信號(hào)與信道

值fi

a.模擬信號(hào)h教字信號(hào)

圖1-15模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)比較

1.3.1信息、信號(hào)與信道

圖2-16最基本的周期信號(hào)一正弦波

1.3.1.2模擬通信

?利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞消息

?普通的電話、廣播、電視等都屬于模擬通信

噪聲源

_____________________2F__________________________________________________

信源一>調(diào)制器—>信道―,解調(diào)器—,信宿

圖1-17模擬通信系統(tǒng)模型

用來(lái)傳輸表示消息的電信號(hào)的介質(zhì)或通路。它可以是雙絞線、同

軸電纜、光纜、微波以及衛(wèi)星鏈路等

包括了影響該系統(tǒng)的所有噪聲，如脈沖噪聲（工業(yè)噪聲等）和隨機(jī)

噪聲（信道噪聲、發(fā)送設(shè)備噪聲、接收設(shè)備噪聲等）

1.3.1.2數(shù)字通信

③利用數(shù)字信號(hào)來(lái)傳遞消息

?計(jì)算機(jī)通信、數(shù)字電話以及數(shù)字電視都屬于數(shù)字通信

信

信

源

道

譯

譯信

碼

碼

宿

器

器

接收端時(shí)鐘

圖1-18數(shù)字通信系統(tǒng)模型

1.3.1.2數(shù)字通信

③抗干擾能力強(qiáng)

?？蓪?shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離通信

?能適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)，各種消息（電報(bào)、電話、圖像和數(shù)據(jù)

等）都可以被變換為統(tǒng)一的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸

＞能實(shí)現(xiàn)高保密通信

＞通信設(shè)備的集成化和微型化

?數(shù)字通信的最大缺點(diǎn)是：占用的頻帶寬。以電話為例，一路

模擬電話占用4KHz信道帶寬，而一路數(shù)字電話所需要的數(shù)

據(jù)傳輸率是64Kbps,所需占用的帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4KHz

1.3.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)理論

“信號(hào)具有時(shí)域和頻域兩種最基本的表現(xiàn)形式和特性

?信號(hào)的時(shí)域特性表示出信號(hào)隨時(shí)間變化的情況。如

正弦信號(hào)就可以表示為：

f(t)=Asin(2jift+0)

其中：A：振幅

f：頻率

e：初始相位

a幅度、頻率以及相位是周期信號(hào)/團(tuán)的3個(gè)重要特性

時(shí)域中快速變化的信號(hào)即頻域中的高頻信號(hào)

-----------------------------------------

時(shí)域

5-------------------------------------------------------------------5

???

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

-<----------------1-S---------------?時(shí)間°頻率

頻率為0的信號(hào)

時(shí)間頻率

1b.頻率為8的信號(hào)

5

頻率

1S

H-------------------------------H

c.頻率為16的信號(hào)

圖1?19時(shí)域和頻域

復(fù)合信號(hào)

?傅立葉分析：任何一個(gè)周期為T(mén)的函數(shù)/Y"

都是由無(wú)窮多個(gè)正弦函數(shù)和余弦函數(shù)合成:

00

/(，)=C/2+Z(〃sin(+bCOS(2^T2//))

其中：C=g/(。力

1.3.2.1信號(hào)的頻譜與帶寬

?頻譜：信號(hào)/■⑶所包含的所有頻率分量

的集合并且通過(guò)頻率圖表示

?帶寬：信號(hào)頻率分量覆蓋的范圍

9信號(hào)的帶寬越大，利用這種信號(hào)傳

送數(shù)據(jù)的速率就越高，要求傳輸介

質(zhì)的帶寬也越大

.1.3.2.1信號(hào)的頻譜與帶寬

r—

a常見(jiàn)信號(hào)的頻譜和帶寬：

聲音信號(hào)的頻譜大致在20Hz?20kHz的

范圍（低于20Hz的信號(hào)為次聲波，高于20

KHz的信號(hào)為超聲波），但用一個(gè)窄得多的帶

寬就能產(chǎn)生可接受話音的重現(xiàn)，因而話音信

號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)頻譜為300Hz?3400Hz,其帶寬為

3kHzo電視信號(hào)的頻譜為0?4MHz,因此

其帶寬為4MHz。

1.3.2.1信號(hào)的頻譜與帶寬

振幅

10005000.

頻K率

帶寬=5000-1000=4000Hz

圖1?20帶寬

1.3.2.1信號(hào)的頻譜與帶寬

振幅

0頻率

低通信道

振幅

頻率

帶通信道

注意:

數(shù)字傳輸需要低通信道;

模擬傳輸可以用帶通信道.

圖1?21低通和帶通

1.3.2.2信號(hào)的截止頻譜

a截止頻率：

信號(hào)在信道傳輸過(guò)程中某個(gè)分量的振幅

衰減到原來(lái)的0.707(即輸出信號(hào)的功率降低了

一半)時(shí)所對(duì)應(yīng)的那個(gè)頻率稱(chēng)為信道的截止頻

率(Cut-offFrequency)

1.3.2.2信號(hào)的截止頻譜

?在線路中可安裝濾波器以限制每個(gè)用戶使用的帶寬

?截止頻率fc

>帶寬:fi-fi

b）雙通濾波器

圖1-22信道截止頻率

1.3.2.3信道傳輸率

數(shù)據(jù)傳輸率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)能傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)

aNyquist（1924）定理對(duì)于無(wú)噪聲的理想信道,任意連續(xù)信號(hào)

/（0通過(guò)一個(gè)帶寬為B的信道后，其輸出信號(hào)為一個(gè)帶寬為B

的時(shí)間連續(xù)信號(hào)g⑺

a如果要輸出數(shù)字信號(hào)，還必須以一定的速率對(duì)g⑺進(jìn)行等間隔

的采樣。采樣速度高于每秒25次是無(wú)意義的，因?yàn)樾盘?hào)中高

于信道帶寬3以外的高頻分量已被信道衰減掉。如果g⑺由廠

個(gè)離散化的電平組成，即每次抽樣的可能結(jié)果為廠個(gè)離散化電

平之一，則該信道的最大的數(shù)據(jù)傳輸率Rmax為：

*Rmax=2Bk）g2V（比特/秒）

立例如，一個(gè)無(wú)噪聲帶寬為3000Hz的信道不能傳送速率超過(guò)6000

比特/秒的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)

1.3.2.3信道傳輸率

③Shannon定理：對(duì)于有噪聲的信道，帶寬為BHz,信噪

比為S/N的信道，其最大數(shù)據(jù)傳輸率Rmax為：

R^MBlogg+S/N)(比特/秒)

其中，S表示信號(hào)功率，N表示噪聲功率

a信號(hào)噪比通常使用lOlogioS/N來(lái)表示，單位為分貝(dB)

a例如，對(duì)于一個(gè)帶寬為3kHz,信噪比為30dB的信道，

無(wú)論其使用多少個(gè)量化電平，也不管采樣速度多快，其

數(shù)據(jù)傳輸率不可能大于30000比特/秒

圖1?23比特和波特

波特率=N,比特率=N

VWW]f

1碼元攜帶1比特叫0Hi0???0心0???0000

1111111i1Li1litiiiiiiiii

波特率=N,比特率=2N

1碼元攜帶2比特

波特率=N,比特率=3N

1碼元攜帶3比特oo14彳利o(T"尊子不111

波特率=N,比特率=4N

比特率(Bitrate)是每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù);波特率(Baudtate)是每秒傳輸?shù)拇a

元數(shù).波特率總是小于或者等于比特率.

1.3.2.3信道傳輸率

?考慮一無(wú)噪聲信道，其帶寬為3000Hz,用4個(gè)電平

傳輸(每個(gè)電平用2位表示)，信道的最大傳輸率為：

Rmax=2Blog2V=2x3000xlog24=12,000bps

?普通電話線的帶寬為3100Hz(300Hz到3400Hz),信

噪比通常為35dB,其最大傳輸率計(jì)算如下：

S/N=10A(35/10)=3162

Rmax=B10g2(l+S/N)

=3100xlog2(l+3162)=36,044bps

數(shù)據(jù)通信基本過(guò)程

?包含兩項(xiàng)內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸和通信控制

過(guò)程與打電話對(duì)比

?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)傳送互相通話

?斷開(kāi)邏輯連接互相確認(rèn)要結(jié)束通話

?斷開(kāi)物理連接雙方掛機(jī)

1.3.3傳輸介質(zhì)

1.3.3.1雙絞線(TwistedPair)

,由兩條相互絕緣的銅導(dǎo)線組成。

③優(yōu)點(diǎn)：使用廣泛，價(jià)格便宜，安裝容易

?缺點(diǎn)：對(duì)電磁干擾比較敏感，不適合傳輸高速數(shù)據(jù)

③EIA/TIA5類(lèi)UTP電纜規(guī)格：

。Catl：適用于電話傳輸

oCat2：適用于電話和低速數(shù)據(jù)傳輸（最高4Mbps）

。Cat3：適用于10Mbps的10Bas-T以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

。Cat4：適用于16Mbps的令牌環(huán)網(wǎng)

oCat5：適用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4快速

以太網(wǎng)

圖1-24雙絞線

內(nèi)導(dǎo)體芯線

絕緣

內(nèi)屏蔽

外屏蔽

外套

1.3.3.2同軸電纜(CoaxialCable)

a廣泛使用的同軸電纜有兩種。一種是阻抗為50歐姆的基

帶同軸電纜，另一種是阻抗為75歐姆的寬帶同軸電纜

電纜類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型電纜電阻/端接器(Q)

RG-810Base5以太網(wǎng)50

RG-1110Base5以太網(wǎng)50

RG-58A/U10Base2以太網(wǎng)50

RG-59/UARCnet網(wǎng)，有線電視網(wǎng)75

RG-62A/UARCnet網(wǎng)93

表1-2銅軸電纜的類(lèi)型

圖1-25同軸電纜

銅芯

絕緣層

外導(dǎo)體

屏蔽層

保護(hù)套

1.3.3.3光纖

1

_______________________________________________________________________________________________________________________________________1

?用光脈沖的出現(xiàn)表示

項(xiàng)目光纖多模光纖

“1”，不出現(xiàn)表示■

“0”距離長(zhǎng)短

?光傳輸系統(tǒng)由三個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高低

組成：光纖傳輸介質(zhì)、光源激光發(fā)光二極管

光源和檢測(cè)器信號(hào)衰減小大

?多模光纖：纖芯的直徑端接較難較易

較粗，光纖中可能有許造價(jià)高低

多種沿不同途徑同時(shí)傳

播的模式表1?3單模光纖與多模光纖的比較

③單模光纖：光在光纖中

的傳播沒(méi)有反射，而沿

直線傳播

圖1?26多模光纖

(a)折射角大于入射角(b)光波在纖芯中傳播(c)62.5/125小漸變

增強(qiáng)型多模光纖

圖1?27光纖連接器

1c

SC連接器ST連接器

收Y__

?E_-1曰=

發(fā)一^

MT-RJ連接器

1.3.3.4無(wú)線電波

③無(wú)線電波：傳播距離遠(yuǎn)，容易穿過(guò)建筑物，全方向傳

播。無(wú)線通信使用的頻率在3MHz至1GHz

⑶無(wú)線電波沿地表傳播(b)無(wú)線電波被電離層反射

圖1-28無(wú)線電波的傳播

圖1?29傳播方式

電離層電離層電離層

地表傳播(<2MHz)對(duì)流層傳播(2-30MHz)視線傳播(>30MHz)

表1?4波段

VLF（甚低頻）3-30KHz地表長(zhǎng)距離無(wú)線電導(dǎo)航

LF（低頻）30-300KHz地表無(wú)線電航標(biāo)

300KHz-3

MF（中頻）對(duì)流層調(diào)幅無(wú)線電

MHz

HF（高頻）3-30MHz對(duì)流層民用波段，軍事通信

VHF電視，調(diào)頻無(wú)線電J

VHF（甚局頻）30-300MHz視線傳播

300MHz-3

UHF（超高頻）視線傳播UHF電視，蜂窩電話

GHz

SHF（特高頻）3-30GHz視線傳播衛(wèi)星通信

EHF（極高頻）30-300GHz視線傳播雷達(dá)導(dǎo)航

1.3.3.5微波

?微波：頻率在100MHz以上的無(wú)線

電波，其能量集中于一點(diǎn)并沿直線傳播。

典型的工作頻率為2GHz、4GHz、

8GHz、12GHz

表1-5無(wú)線電、微波和紅外應(yīng)用

類(lèi)型應(yīng)用

無(wú)線電點(diǎn)到對(duì)點(diǎn)，如廣播、電視和頁(yè)面調(diào)度系統(tǒng)

微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，如蜂窩電話，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線LAN

紅外短距離通信

表1-6傳輸介質(zhì)比較

信號(hào)衰電磁干

介質(zhì)費(fèi)用速度安全性

減擾

目、屏蔽雙絞線］低1-100Mbps高高低

k屏蔽雙絞線1一般1-150Mbps高一般低

b.軸電纜，一般lM-IGbps一般一般低

光纖高10M-2Gbps低低高

無(wú)線電一般1-10Mbps低-高高低

微波高IM-lOGbps可變高一般

衛(wèi)星高IM-lOGbps可變高一般

蠡注意:

以上是評(píng)價(jià)介質(zhì)的5個(gè)因素.

1.3.4多路復(fù)用

◎在同一介質(zhì)上，同時(shí)傳輸多個(gè)有限帶寬信號(hào)的

方法，被稱(chēng)為多路復(fù)用(Multiplexing)

1條線路多個(gè)信道

多

N多?N

路

路

個(gè)?

個(gè)

復(fù)

譯

信?

輸

用

碼

源?

出

器

器

二

圖1?30多路復(fù)用原理

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

.為何要復(fù)用？——提高線路利用率

?適用場(chǎng)合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個(gè)信源的

平均傳輸需求

復(fù)用器解復(fù)用器

134.1頻分多路復(fù)用(FDM)

■，頻分復(fù)用是一種模擬技術(shù)

?所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源

?鏈路帶寬要大于傳輸?shù)乃行盘?hào)帶寬之和

?,信道劃分通過(guò)頻率而不是空間

134.1頻分多路復(fù)用(FDM)

a按照ITU的建議，每12個(gè)電話話路構(gòu)成一個(gè)基群

(Group),占用60?108KHz的頻帶；每5個(gè)基群在

一起構(gòu)成一個(gè)60路的超群(Super-Group),占用312

?552KHz的頻帶；5個(gè)超群構(gòu)成一個(gè)300路的主群

(Master-Group),占用812?2044KHz的頻帶；3個(gè)

主群構(gòu)成一個(gè)900路的超主群(Super-Master

Group),占用8516?12388KHZ的頻帶；4個(gè)超主群

構(gòu)成一個(gè)3600路的巨群(Giant-Group),占用42612

59684KHz的頻帶

圖1?32模擬的分級(jí)結(jié)構(gòu)

48kHz

12個(gè)語(yǔ)音信道

240kHz

頻60個(gè)語(yǔ)音信道

群

分

復(fù)

用2.52MHz

600個(gè)語(yǔ)音信道

5

頻

超群

個(gè)

分

群

*復(fù)

用16.984MHz

>■>3600個(gè)語(yǔ)音信道

頻

10分

個(gè)

復(fù)

超

用

群

巨群

圖1-15頻分多路復(fù)用的電話系統(tǒng)

CH1CH1

復(fù)用器帶寬復(fù)用信號(hào)

原帶寬移頻后帶寬

圖1?33FDM復(fù)用過(guò)程，時(shí)域圖

圖1?34FDM解復(fù)用過(guò)程，時(shí)域圖

圖1-35FDM復(fù)用與解復(fù)用過(guò)程，頻率圖

復(fù)用器

復(fù)合信號(hào)的帶寬要大于每個(gè)信號(hào)的帶寬

之和,額外的帶寬用于警戒頻帶.

1.3.4.2波分復(fù)用(WDM)

?波分復(fù)用即為光的頻分復(fù)用

?習(xí)慣上用波長(zhǎng)而不是頻率來(lái)表示光載波

?密集波分復(fù)用(DWDM)：在一根光纖上

復(fù)用多路光載波信號(hào)

?兩個(gè)光纖放大器之間的最大距離為

120km

?最大可達(dá)600km(中間加入4個(gè)光纖放大器)

?1.342波分多路復(fù)用(WDM)

?在光纖信道上使用的頻分多路復(fù)用的一個(gè)變種

?由于受到目前電/光和光/電轉(zhuǎn)換的速度的限制，對(duì)于帶寬可達(dá)

的光纖來(lái)說(shuō)，目前一般可以利用的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)

lOGbpSo如采用波分多路復(fù)用技術(shù)，在一根光纖上發(fā)送8個(gè)波

長(zhǎng)的光波，假設(shè)每個(gè)波長(zhǎng)可以支持lOGbps的數(shù)據(jù)傳輸率，則

一根光纖所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸率將達(dá)到80Gbps

光纖1光譜光纖2光譜共享光纖上的光譜

臺(tái)匕

目匕里

圖1-16波分多路復(fù)用

1

F1

共享光纖

共享光纖的光譜

光譜

圖1-36波分復(fù)用

1.3.4.3時(shí)分復(fù)用(TDM)

?時(shí)分復(fù)用是一種數(shù)字技術(shù)

?所有用戶在不同時(shí)間輪流占用同樣的帶寬

?要求傳輸介質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸速率大于發(fā)送和接收

設(shè)備所需要的數(shù)據(jù)速率

?鏈路從時(shí)間上進(jìn)行分割，而不是從頻率上

?同步時(shí)分復(fù)用：為每個(gè)設(shè)備分配完全一樣的時(shí)間片

?異步時(shí)分復(fù)用（統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM）：每幀的時(shí)間

片小于輸入線路

?1.3.4.3時(shí)分多路復(fù)用(TDM)

?將物理信道按時(shí)間分成時(shí)間片，輪流分配給多個(gè)信源使用

服數(shù)據(jù)迫同步位?E1（歐洲）：8*32bit/12511s=

2.048Mbps

圖1/7T1數(shù)字電話系統(tǒng)的基群采樣周期

?1.3.4.3時(shí)分多路復(fù)用(TDM)

時(shí)間片1時(shí)間片2

12312—時(shí)隙號(hào)

時(shí)隙

DlD2D3DlD2

復(fù)用器復(fù)用后的數(shù)據(jù)流

原始信號(hào)數(shù)字化信號(hào)

--

??1.3.4.3時(shí)分多路復(fù)用(TDM)

?4個(gè)T1信道被復(fù)用到T2信道上

?6個(gè)T2流按比特復(fù)用成T3線路

?7個(gè)T3流復(fù)用成T4線路

?每一次向上的復(fù)用都要附帶一些開(kāi)銷(xiāo)用于幀定界和時(shí)鐘同步

.544MbpsT2:6.312Mbps14:44.736MbpsT4:274,176Mbps

圖1-18在更高級(jí)的線路上多路復(fù)用的T1流

圖1-37時(shí)分復(fù)用

數(shù)據(jù)流

424

1.3.4.4非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶線(ADSL)

?數(shù)字用戶線(DSL)使用現(xiàn)有的銅線資源完成數(shù)據(jù)、

語(yǔ)音和視頻的高速傳遞

?ADSL的具有非對(duì)稱(chēng)性，其下行速率比上行速率

高

?將雙絞線的帶寬LIMHz劃分成3個(gè)頻段，分別用戶

話音、上行和下行

。它是為用戶接入Internet而設(shè)計(jì)的，不適合商業(yè)應(yīng)用

③ADSL的極限傳輸距離為4?6?5.5km

圖1?38ADSL帶寬分配

將雙絞線1.104MHz帶寬劃分為256個(gè)4.312kHz通道

1.3.4.5非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶線(ADSL)

ADSL速率

?ANSI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每條4.312kHz信道速率60Kbp

?理論速率

③上行25信道，比特率25x60=1.5Mbps

③下行200信道，比特率200x60=12Mbps

?實(shí)際速率(噪聲影響)

?上行64Kbps?1Mbps

③下行500Kbps?8Mbps

1.3.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)

翁什么是交換？

?交換就是按某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線

路資源

?例如，電話交換機(jī)在用戶呼叫時(shí)為用戶

選擇一條可用的線路進(jìn)行接續(xù)。用戶掛

機(jī)后則斷開(kāi)該線路，該線路又可分配給

其它用戶。

?為什么要采用交換技術(shù)？

?節(jié)省線路投資，提高線路利用率

圖1-39交換方法

1.3.5.1電路交換(circuitswitching)

?由交換機(jī)在兩個(gè)通信結(jié)點(diǎn)之間建立一條物理專(zhuān)

用線路

?優(yōu)點(diǎn)

?傳輸延遲小，唯一的延遲是物理信號(hào)的傳播延遲

?不會(huì)發(fā)生沖突

?缺點(diǎn)

a建立物理線路所需的時(shí)間比較長(zhǎng)

4圖1-40電路交換網(wǎng)絡(luò)

電路交換在兩個(gè)設(shè)備之間創(chuàng)建一條物理連接.

圖1-41電路交換

1.3.5.2報(bào)文父換(messageswitching)

報(bào)文交換屬于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換

a一般不限制報(bào)文的大小，這就要求各個(gè)中間結(jié)點(diǎn)必

須使用磁盤(pán)等外設(shè)來(lái)緩存較大的數(shù)據(jù)塊

?某一塊數(shù)據(jù)可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用線路，導(dǎo)致報(bào)文在中

間結(jié)點(diǎn)的延遲非常大，這使得報(bào)文交換不適合交互

式數(shù)據(jù)通信

圖1-42報(bào)文交換

Ml

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)

1.3.5.3分組交換(packetswitching)

?分組交換是報(bào)文交換的改進(jìn)

?在分組交換網(wǎng)中，用戶的數(shù)據(jù)被劃分成一個(gè)個(gè)

分組(packet),而且分組的大小有嚴(yán)格的上限

?分組可以被緩存在交換設(shè)備的內(nèi)存而不是磁盤(pán)中，縮短

了傳輸時(shí)延

?每個(gè)分組信息可選擇最佳路由，提高通信效率和可靠性

,由于分組交換網(wǎng)能夠保證任何用戶都不能長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)占某

傳輸線路，因而它非常適合于交互式通信

.圖1-43分組交換

r

—*■?九**

圖1-44數(shù)據(jù)報(bào)

晉

1.3.5.3分組交換(packetswitching)

?交換虛電路（SVC）是通過(guò)連接建立

虛電路。

?虛擬呼叫可分三個(gè)階段：連接建立，

用戶機(jī)器在所建立的虛擬電路上交換

數(shù)據(jù)和連接斷開(kāi)。

圖1-45SVC——連接建立

輸入輸出輸入輸出

端口VCI端口VCI端口VCI端口VCI

11432223

1________.3