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1、Computer Networks,计算机网络 Computer Networks,Computer Networks,教学内容,第1章 引论 第2章 数据通信基础知识 第3章 计算机网络体系结构 第4章 计算机局域网络 第5章 计算机广域网技术 第6章 网络操作系统 第7章 常用网络设备 第8章 网络互联与因特网基础 第9章 因特网的应用 第10章 网络管理与网络安全,Computer Networks,第2章 数据通信的基础知识,本章内容 信道 传输介质 数据编码 多路复用技术 数据交换技术 差错控制及检错,Computer Networks,2.1 基本概念,数据及计算机通信术语 数据（
2、Data）：传递（携带）信息的实体。 信息（Information）：是数据的内容或解释。 信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。 模拟信号、数字信号 基带（Base band）、宽带（Broad band） 信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。 比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。 码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单元。,Computer Networks,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应,t,码
3、元1,码元2,码元3,码元4,码元5,信号,同步脉冲,t,Computer Networks,波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。 比特率、波特率和信号编码级数的关系如下： Rbit = Rbaud log2M 上式中： M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率 一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。 例如：当波特率为9600时 若M=2，数据传输率为9600b/s 若M=16，数据传输率为38.4kb/s,Computer Networks,误码率
4、：信道传输可靠性指标，是一个概率值。 信息编码：将信息用二进制数表示的方法。 例如：ASCII编码、BCD编码等 数据编码：将数据用物理量表示的方法。 例如：字符A的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,Computer Networks,带宽（Band width，BW） 信道传输能力的度量。在传统的通信工程中： BW fmax fmin 单位：赫兹（Hz） 在计算机网络中，一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位： b/s ，kb/s，Mb/s，Gb/s。 例如：传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽为10Mb/s。 时延（Delay）：信息从网络
5、的一端传送到另一端所需的时间。 时延=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延 处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间 排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间 发送时延=数据位数/信道带宽 传播时延=d/s d:距离，s:介质中信号传播速度(0.7c),Computer Networks,时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。 时延带宽乘积=带宽传播时延 例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。,管道体积=时延带宽乘积,Computer Networks,往返时延（Round-Trip Time，RTT）：从发送端发送数据
6、开始，到发送端收到接收端的确认所经历的时间 RTT2传播时延 传输可靠性 两个含义： 数据能正确送达 数据能有序送达（当采用分组交换时）,Computer Networks,1. 数据通信的一般概念,通信的三个要素：信源、信宿和信道,任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号产生干扰，称为“噪声”。 外界：闪电、串扰、电气设备 内部：介质特性（衰减、延迟与频率有关）,Computer Networks, 2.2 信道及其主要特征,1. 数字信道和模拟信道 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。 计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输 ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网
7、 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。 CATV、无线电广播、电话拨号线路,Computer Networks,模拟信号和数字信号 模拟信号 时间上连续，包含无穷多个信号值 模拟信号能在数字信道上传输吗？ 数字信号 时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号 数字信号能在模拟信道上传输吗？,t,a） 模拟信号,b） 数字信号,Computer Networks,周期信号和非周期信号 周期信号 信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波） 非周期信号 信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。,周期信号,非周期信号,Computer Networks,数字通信与模拟通信
8、数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。,Computer Networks,2. 信道的最大数据传输率,Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道 Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。 例如，话音级线路的带 宽约为3.1kHz，根据上 式计算的信道最大数据 传输率如右表所示,M 最大数
9、据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s 16 24800 b/s 32 31000 b/s,Computer Networks,非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。 损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。 延迟会使接收端的信号产生畸变。 噪声会破坏信号，产生误码。 例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。,Computer Networks,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C = 2W log2M 用于理想信道（这样的信道存在吗？） 数据传输率随信号编码级数增加而增加。 C = W lo
10、g2（1+S/N） 用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！） 无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。 原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,Computer Networks,4. 数据传输方式,单/双工通信单/双向传输 单工：数据单向传输（例：无线电广播） 半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机） 全双工：数据可以双向同时传输（例：电话） 需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。,Computer Networks,基带/频带/宽带传输 基带传输：不需
11、调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。 例如：以太网（局域网） 频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：通过电话网络传输数据 宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：闭路电视的信号传输,Computer Networks,数据同步方式 目的是使接收端与发送端在时间基准上一致： 同步脉冲频率 数据从什么时候开始，什么时候结束 位边界 数据块边界 数据通信中需要在三个层次上实现同步： 位位同步 字符字符同步 帧(Frame)帧同步,Computer Networks,位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与
12、发送端保持同步，2种同步方法： 外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,Computer Networks, 2.3 传输介质,磁介质 高带宽、低费用、高延时（小时） 在通信中很少使用 例：7GB/8mm磁带，1000盘/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。 总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s 传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 若让刘翔来传送1
13、盘10GB的磁带，在110米内其传输速率是多少？ 金属导体 双绞线、 同轴电缆(粗、细) 光纤 无线介质 无线电、微波、卫星、红外线,Computer Networks,屏蔽双绞线(STP) 非屏蔽双绞线(UTP),以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少,双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛,常用的双绞线：3类（16Mb/s） 和5类（155Mb/s）两种,Computer Networks,光纤（Optical Fiber） 依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播 优缺点： 传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（100Gb/s） 传输损耗小，适合长距离传输 抗干扰性能极好、误码率低，保密性好 轻便
14、价格较高 需要光电转换 纤芯材料： 塑料 二氧化硅 （高纯玻璃）,Computer Networks,光纤传输原理光的反射 光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。 纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低 亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测 光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管 光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD 单向传输，双向需两根光纤 应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接,Computer Networks,典型的光缆,单芯光缆,多芯
15、光缆,常见规格：纤芯50um缓变型-MMF 62.5um缓变型/增强型-MMF 8.3um突变型-SMF 包层125um,Computer Networks,高密度多芯光缆剖面结构,芯,封套,外套,加强芯,光纤,外鞘,加强芯,光纤束,Computer Networks,无线电 基站与终端之间通信采用无线链路 应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）,基站覆盖的无线电区域,基站,用户计算机和终端,Computer Networks,地球同步卫星 与地面站相对固定位置 使用3颗卫星即可覆盖全球 传输延迟时间长（270ms） 广播式传输 应用领域： 电视传输 长途电话 专用网络 广域网,35,78
16、4 公里,地球,Computer Networks, 2.4 数据编码,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：,Computer Networks,1. 数字数据的数字信号编码,使数字数据能在数字信道上传输 把数字数据转换成某种数字脉冲信号 常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码 不归零码（NRZ，Non-Return to Zero） 二进制数字0、1分别用两种电平来表示； 常用5V表示1，5V表示0； 缺点： 存在直流分量，传输中不能有变压器或电容； 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。,Computer Networks,曼彻斯特编码（Manchester Coding） 用电压的变化表示0和1。 规定在每个码元的中间发生跳变： 高低的跳变代表0，低高的跳变代表
