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1、第2章 计算机网络基础知识,学习要点： 数据的传输方式 计算机网络的体系结构 网络传输介质的特性 计算机网络的拓扑结构,第2章 计算机网络基础知识,2.1 数据通信基础,2.2 数据交换,2.3 计算机网络的体系结构,2.4 数据的传输媒体,2.5 网络的拓扑结构,退出,2.1 数据通信基础,2.1.1 数据通信的基本概念,2.1.2 模拟数据与数字数据的传输形,2.1.3 数据传输中的检错与纠错,2.1.4 多路复用,返回,2.1.1 数据通信的基本概念,数据 数据是定义为有意义的实体，是表征事物的形式，例如文字、声音和图像等。数据可分为模拟数据和数字数据两类。模拟数据是指在某个区间连续变化
2、的物理量，例如声音的大小和温度的变化等。数字数据是指离散的不连续的量，例如文本信息和整数。 信号 信号是数据的电磁或电子编码。信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。其中模拟信号是指一种连续变化的电信号，例如：电话线上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波信号。数字信号是指一种离散变化的电信号，例如计算机产生的电信号就是“0”和“1”的电压脉冲序列串。 信道 信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一般来说，一条通信线路至少包含两条信道，一条用于发送的信道和一条用于接收的信道。和信号的分类相似，信道也可分为适合传送模拟信号的模拟信道和适合传送数字信号的数字信道两大类。,2.1.2 模拟数据与
3、数字数据的传输形式,典型的例子是话音信号在普通的电话系统中传输。一般人的语音频率范围是3003400Hz，为了进行传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。在这个传输过程中：语音信号以3003400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。,1模拟数据在模拟信道上传输,2数字数据在模拟信道上传输,计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数
4、字数据，而电话系统只能传输模拟信号，所以这个数字数据要进入到模拟信道以前要有一个变换器进行数字信号到模拟信号的转换，以便它能在模拟信道上传输，这样的一个变换过程叫调制（注意：这个调制过程并不改变数据的内容，仅是把数据的表示形式进行了改变）。这个变换器又叫做调制器。而当调制后的模拟信号传到接收端以后，在接收端也有一个变换器再对这个信号进行反变换，即又把它变回数字信号，这样的一个变换过程叫解调。这个变换器又叫解调器。由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，因此在数据通信的双方既有用于发送信号的调制器又有用于接收信号的解调器，所以把这两个设备合在一起形成我们通常所说的调制解调器（Modem）
5、。调制解调器就是使用一条标准话路（3.1kHz的标准话路带宽）提供全双工的数字信道。,调制解调器最基本的调制方法有以下几种（在图2-1中给出了这几种波形传输数据的波形的示意图）： （1）调幅（AM） 即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。 （2）调频（FM） 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。 （3）调相（PM） 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0对应于相位0度，而1对应于180度。,3模拟数据在数字信道上传输,用数字信道传输模拟数据时，需要对模拟数据进行脉冲编码调制（PCM）。PCM最初并不是
6、为传送计算机数据所设计的，它的目的是为了能使电话局之间的一条中继线不只传送一路电话而是可以同时传送几十路电话所设计的。PCM是将模拟电话信号转变为数字信号，所以首先要对电话信号进行取样。根据取样定理，只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从取样的脉冲信号中无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4KHz，为方便起见，取最高频率为4KHz，那么取样频率就是8KHz，相当于取样周期为125s，即每秒钟采样8000次。下一步是进行编码。在我国使用的PCM体制中，电话信号是采用8bit编码，也就是说，将取样后的模拟电话信号量化为256个不同等级中的一个。,4数字数据在数字
7、信道上传输,这种方式最典型的例子是在两个装有Windows 98操作系统的计算机上，利用Windows 98中自带的“直接电缆连接”功能把两个计算机通过串行口或并行口直接相连。在这种情况下通信的双方发出的数据和接收的数据以及在信道上所传输的全部都是数字信号。 对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。另外，使用负电压（低）表示0，使用正电压（高）表示1也是很普遍的。后一种技术称为不归零制NRZ（NonReturn to Zero）。,使用这种不归零制NRZ信号的最大问题
8、就是难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。曼彻斯特编码则可解决这一问题。它的编码方法是将每个码元再分成两个相等的间隔，码元1是由高至低电平转换，即其前半个码元的电平为高电平，后半个码元的电平为低电平。码元0则正好相反，从低电平到高电平的变换，即其前半个码元的电平为低电平，后半个码元的电平为高电平。这种编码的好处是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，即这个位中间跳变提供了时钟定时，这对接收端提取同步信号是非常有利的。但是从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。,
9、曼彻斯特编码还有一个变种叫做差分曼彻斯特编码，这种差分曼彻斯特编码与上面讲的曼彻斯特编码有着共同的特点，即在每一个码元的正中间有一次电平的变换，这种编码在表示码元1时，其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样（见图中的实心箭头）；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反（见图）中的空心箭头），即用每位开始时有无电平的跳变来表示0（1）的编码。不论码元是1或0，在每个码元的正中间的时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。,2.1.3 数据传输中的检错与纠错,纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接
10、收端通过这些附加位在接收译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。如果采用这种编码，传输系统中不需反馈信道就可以实现一个对多个用户的通信，但译码器设备比较复杂，且因所选用的纠错码与信道干扰情况有关。某些情况为了纠正差错，要求附加的冗余码较多，这将会降低传输的效率。现在比较常见的纠错编码有：海明纠错码、正反纠错码等。,1纠错码,2检错码,检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确，如果存在错误，它不能纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。
11、最简单的检错码为奇偶校验。它是在一个二进制数据字上加上一位，以便检测差错。例如，在偶校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，使该字符中“1”的个数为偶数。在奇校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，使该字符中“1”的个数为奇数。接收端检测该校验位以确定是否有差错发生。奇偶校验并不是一种十分安全可靠的检错方法，如果有偶数个数据位在传输中同时出错，接收端无法检测出差错的数据，所以其检错概率为50%。对于低速传输来说，奇偶校验是一种令人满意的检错法。通常偶校验常用于异步传输或低速传输，而奇校验常用于同步传输。,循环冗余校验码是基于将位串看成是系数为0或1的多项式，一个k位帧可以看成是从xk-1到x0
12、的k次多项式的系数序列，这个多项式的阶数为k-1。高位（最左边）是xk-1项系数，下一位是xk-2的系数，以此类推。例如，110001有6位，表示成多项式是x5+x4+x0。它的6个多项式系数分别是1，1，0，0，0，和1。 多项式的运算法则是模2运算。按照它的运算法则，加法不进位，减法不借位。加法和减法两者都与异或运算相同。 如果采用多项式编码的方法，发送方和接收方必须事先商定一个生成多项式G（x），生成多项式的最高位和最低位必须是1。要计算m位的帧M（x）的校验和，生成多项式必须比该校验和的多项式短。基本思想是：将校验和加在帧的末尾，使这个带校验和的帧的多项式能被G（x）除尽。当接收方收到
13、带有校验和的帧时，用G(x)去除它，如果有余数，则传输出错。,循环冗余校验（CRC）码,计算校验和的算法如下： 设生成多项式G(x)为n阶，在帧的末尾附加n个零，使帧为m +n 位，则相应的多项式是2n M(x)。 按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于2n M(x)的位串。 按模2减法从对应于2n M(x)的位串中减去余数。结果就是要传送带校验和的帧，叫多项式T(x)。 图2-4表示帧1101011011和G(x)=x4+x+1的算法。 很清楚，T(x)能被G(x)除尽。在任何除法问题中，如果用被除数减去余数，则剩下的部分是肯定能够被除数除尽。例如，如果你用100除以7，余数为2；如果先
14、用100减去2 ，剩下的98就能被7除尽。可以认为这种方法除了是G(x)整数倍数据的多项式差错检测不到外，其他错误均能捕捉到，由此可看出它的检错率是非常高的。 目前，常见的生成多项式G(x)国际标准有以下几种： CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1 CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1 CRC-CCITT G(x)=x16+x12+x5+1,循环冗余校验（CRC）码,循环冗余校验（CRC）码,2.1.4 多路复用,频分多路复用FDM是利用传输介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽这一优点。频分多路复用FDM是把每个要传输的信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载
15、波频率是完全独立的，即信号的带宽不会相互重叠，然后在传输介质上进行传输，这样在传输介质上就可以同时传输许多路信号。,1频分多路复用（FDM）,时分多路复用TDM正是利用了这一优点。利用每个信号在时间上交叉，可以在一个传输通路上传输多个数字信号，这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大量的信息。与频分多路复用类似，专门用于一个信号源的时间片序列被称为是一条通道时间片的一个周期（每个信号源一个），称之为一帧。时分多路复用TDM不仅局限于传输数字信号，模拟信号也可以同时交叉传输。另外，对于模拟信号，时分多路复用TDM和频分多路复用FDM结合起来使用也是可能的。一个传输系统可以频分许多条通
16、道，每条通道再用时分多路复用来细分。,2时分多路复用（TDM）,2.2 数据交换,2.2.1 线路交换,2.2.3 报文分组交换,2.2.2 报文交换,返回,使用线路交换方式，就是通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的通信线路。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。最普通的线路交换例子是电话系统。在通话之前，通过用户的呼叫（即拨号），如果呼叫成功，则从主叫端到被叫端就建立了一条物理通路，这样双方就能进行通话了，当通话结束后双方挂机，这时为进行通话所建立起来的物理通路就自动拆除了。其实，线路交换方式的通信也应包括这三种状态，即线路建立、数据传送和线路拆除。,2.2.1 线路交换,例如：假设A站准备与B站建立一个连接，典型的做法是：,在数据交换中，对一些实时性要求不高的信息，可以采用另一种数据交换的方法叫报文交换。报文交换方式传输的单位是报文，在报文中包括要发送的正文信息和指明收发站的地址及其它控制信息。在这种报文交换方式中，不需要在两个站之间建立一条专用通路。相反
