计算机网络-第2章教材

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1、计算机网络 沈阳理工大学 信息科学与工程学院 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 2 物理层 n2.1 物理层的基本概念 n是为在物理媒体上传输原始数据的比特流而设立的。尽可能 屏 蔽传输媒体的差异，透明传送和接收位流 n2.1.1 物理层功能 物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性， 即： n机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和 排 列、固定和锁定装置等等。 n电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 n功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意 义。 n过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红

2、2.2 数据通信基本概念 数据终端设备 DTE与数据通信设备DCE连接 示意图 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 n2.2.1 基本概念 n信息:是人对现实世界事物存在方式或运动状态 的某种认识。 n数据:是一种承载信息的实体 。数据可分为模 拟 数据和数字数据两种形式。 n信号:是消息或者说是信息的携带者，即数据的 电气的或电磁的表现。是数据的具体表现形式。 信号可分为模拟信号和数字信号两种形式。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 n2信号分类 n信号根据载体的不同，可以是电、磁、声、光、热 等 的各种信号。 n n 模拟信号 数字信号 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 3、模拟传输与数字传

3、输 （1）模拟传输 因噪声变形继而被放大的模拟信号 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 （2） 数字传输 n 受噪声影响的数字信号被转发后波形图 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 n4基带与宽带 n基带传输：二进制数字序列最方便的电信号 形式是数字脉冲信号。把数字脉冲信号的固有 频 带称为基带。数字脉冲信号称为基带信号。在 数 字通信信道上，直接传输基带信号，称为基带 传 输（编码）。 n频带传输：为了利用电话交换网实现计算机 之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成 模 拟信号。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 n宽带传输 n所谓宽带，就是指比音频带宽还要宽，简单 地 说就是包括了大部分电磁

4、波频谱的频带。 na.宽带系统能同时接入几个信道，因而能够 比 基带系统传输更多的数据。宽带传输能将有线 电 视带入家庭。有线电视能够传输的数据量至少 是 一个典型基带系统（如Ethernet）传输数据量 的2 .5 倍。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 nb.在宽带系统中，信号仅仅只能进行单向传 输。因此，宽带电缆必须为数据的发送和接收 提 供独立的电缆。由于大部分有线电视电缆只提 供 一条电线，若不做任何修改，它将不能用于把 数 据从屋中向外传输。 nc.由于使用一些额外的硬件，宽带传输通常 比 基带传输昂贵得多。 nd.另一方面，宽带系统能够比基带系统跨越 更 长的距离。 课件制作人：

5、沈红课件制作人：沈红 nNote：在网络领域，一些术语根据上下文常有 多种意思。宽带即是这样的术语。这里描述的宽带 是指通过多个信道在同轴电缆上传输信号的传输系 统，例如有线电视所使用的系统。这种定义是宽带 的原始意义。 在高速数字网络中也用到了“宽带”，这时“宽带”是 指使用数字信号并且有非常高的传输速率的网络， 例如异步传输模式（ATM）网络。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 速率 n比特（bit）是计算机中数据量的单位， 也是信息论中使用的信息量的单位。 nBit 来源于 binary digit，意思是一个“二 进制数字”，因此一个比特就是二进制数 字中的一个 1 或 0。 n速率即

6、数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能 指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等 n速率往往是指额定速率或标称速率。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 2.2数据通信基本概念 2.2.2 信道特性 n1 信道带宽 n信道的带宽是指信道频率响应曲线上幅度是其频带中心处 n幅度值的1/2倍的两个频率之间的宽度 。 n如图所示，带宽W=f2-f1，其中f1是信道能通过的信号的最低 频率，f2是信道能通过的信号的最高频率 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 n例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽 是 3.lkHz，话音

7、的主要频率范围从 300Hz 到 3.4kHz。带 宽 的单位是赫 ( 或千赫、兆赫等 ) n数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字 信 号。信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的数字脉冲 序 列的最高速率。 数字信道传送数字信号的速率称为数据率或比特率。网 络 或通信链路上的带宽单位可记为 bit/s(更常用的带宽单位 是 千比特/每秒,即 kbit/s 、Mbit/s 、Gbit/s、Tbit/s)。 也 称为吞吐量(Thoughput) 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 数字信号流随时间的变化 n在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。 每秒 106 个比特 时间 1 0 1

8、0 1 1 1 s 带宽为 1 Mb/s 时间 每秒 4 106 个比特 0.25 s 带宽为 4 Mb/s 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 2 传输速率 传输速率是指单位时间内传输信息单元的数量。它是衡 量 数据通信系统传输能力的重要指标，有两种表示方法，即 数 据信号速率和码元速率。 1）数据信号速率 指单位时间内所传送的二进制代码的有效位数，以每秒 多 少比特数计，单位为bit/秒，记作b/s。 计算公式为 S=1/Tlog2N 式中 T：一个数字脉冲信号的时间宽度，单位为秒 （s）； N：一个码元所取的离散值个数。通常，N=2K ,K为二 进 制信息的位数，K=log2N， N=2时

9、，S=1/T表示数据信号速率等于码元脉冲的重 复 频率。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 2）码元速率（调制速率） 信号调制过程中，把一个数字脉冲称为一个码元，并用 码 元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间 内 通过信道传输的码元个数。单位为波特，记作Baud。 计算公式为 B=1/T (Baud) 式中 T 信号码元的宽度，单位为s。 码元速率也称信号传输速率、调制速率、波特率或传码率 。 例： 采用四相调制方式，即N=4，且T=83310-6s，则 S=1/Tlog2N=1/83310-6log24=2400b/s nB=1/T=1/83310-6=1200Baud 课件制

10、作人：沈红课件制作人：沈红 3）数据信号速率与调制速率的关系 n数据信号速率S与调制速率B有如下关系： nS=B log2N (b/s) n或 B=S/log2N (Baud) n其中N为一个脉冲信号所表示的有效状态。在二进制 中，脉冲只有两种状态0或1，即N=2，也就是说，数据信 号 速率S与调制速率B是一致的。当采用不同的调制方式时， N 的取值是不同的，这时即使调制速率相同，得到的数据信 号 速率也是不同的， 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 3 、 信道极限 信道极限表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/ 秒（b/s），也就是信道传输信息的最大能力。 (1)理想的信道极限 奈奎斯特

11、（Nyquist）无噪声下的码元速率极限值B与信 道带宽H的关系为： B=2H（Baud） 奈奎斯特公式 无噪信道传输速率极限值公式如下： C=2Hlog2V（bps） 式中 H：信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差 值，单位为赫（Hz）； V：一个码元所取的离散值个数(电平分级); 例:普通电话线路带宽约3 kHz ，则码元数率极限值 B=2H=23k =6k（Baud），若码元的离散个数 V=16，则最大数据传输数C=23klog216=24k(b/s) 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 （2）带噪声的信道极限 主要结论是：对于任何带宽为H、信噪比为S/N的信 道： (香农公式) 带噪信

12、道传输速率极限值公式如下: n C = Hlog2（1+ S/N）(bps) n式中 H：信道的带宽,单位为Hz； n S：信号功率； n N：噪声功率； n S/N ：信噪比，通常把信噪比表示成10lg（S/N ） 分贝（dB）。 香农公示表明： 信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信 息 的极限传输率就最高。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可 以 找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽H或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可 能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香

13、农的极限传输速 率 低不少。 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并 且 码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速 率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 例2-3 已知信噪比为30dB，带宽为3KHz ，求信道的最大数 据 传输速率。 10lg(S/N)=30 S/N=1030/10 1000 C=3000log2(1+1000)30k(b/s) 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 4、误码率 表示传输二进制位时出现差错的概率。 5、信道延迟 信号从源端到达宿端所需要的时间。 时延通常由四部分组成： 发送时延。发送时延是结点在发送数据时使数据块从

14、结点进 入到传输媒体所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始 发 送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延又称为 传 输时延，它的计算公式: 发送时延 = 数据块长度（比特） 信道带宽（比特/秒） 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费 的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关，也与具体 信 道中的信号传播速度有关。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速 率 是完全不同的概念。 处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理 所花费的时间。 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。 排队时延的长短往往取决于网络中当时的

15、通信量。 数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延 和 排队时延之和： 传播时延 = 信道长度（米） 信号在信道上的传播速率（米/秒） 总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 四种时延所产生的地方 1 0 1 1 0 0 1 发送器 队列 在链路上产生 传播时延 结点 B 结点 A 在发送器产生传输时延 (即发送时延) 在结点 A 中产生 处理时延和排队时延 数据 从结点 A 向结点 B 发送数据 链路 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 容易产生的错误概念 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据 的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。 提

16、高链路带宽减小了数据的发送时延。 电磁波在自由空间的传播速率是3.0105km/s ，在铜线电缆中的传播速率是2.3105km/s ，在光纤中的传播速率是2.0105km/s 。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 6、 时延带宽积与往返时延 （传播）时延 链路 带宽 时延带宽积 = 传播时延 带宽 n链路的时延带宽积又称为以比特为单位 的链路长度。 时延带宽积 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 往返时延 RTT(Round-Trip Time)是一个重要的性能指标 , 它 可以表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的 确 认 ( 接收端收到数据后便立即 发送确认 ), 总共经历的时延。 往返时延带宽积的意义：就是当发送端连续发送数据时,在收 到 对方的确认之前,就已经将这样多的比特发送到链路上了。 课件制作人：沈红课件制作人：沈红 2.2数据通信基本概念 2.2.3 数