第1章 计算机网络概述

1、 第1章 计算机网络概述 计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物,它的诞生使计算机体系结构发生了 巨大变化。那么,计算机网络涉及到哪些基本概念、基本知识和基本技术呢？这就是本 章所要讨论的问题。 本章重点讨论计算机网络的基本概念、计算机网络的结构组成、计算机网络的分类、 计算机网络技术的发展趋势、标准化组织与机构等。 了解: 计算机网络的发展过程与发展趋势。 熟悉: 计算机网络的功能、定义、分类。 掌握: 计算机网络的拓扑结构、逻辑结构和组成结 构等。 1.1 计算机网络的基本概念 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，它的诞生使计算机的体系结 构发生了巨大变化。在当今社会发展中

2、，计算机网络起着非常重要的作用，并对人类社 会的进步做出了巨大贡献。 现在，计算机网络的应用遍布全世界及各个领域，并已成为人们社会生活中不 可缺少的重要组成部分。从某种意义上讲，计算机网络的发展水平不仅反映了一个国家 的计算机科学和通信技术的水平，也是衡量其国力及现代化程度的重要标志之一。 那么，计算机网络涉及到哪些基本概念、知识和技术呢？这就是本章所要讨论 的问题。1.1.1计算机网络的形成与发展计算机网络从20世纪60年代开始发展至今,经历了从简单到复杂、从单机到多机、由终端与计算机之间的通信演变到计算机与计算机之间的直接通信. 发展经历的4个阶段 远程联机阶段、多机互联网络阶段、标准化网

3、络阶段、互联与高速网络阶段。1、远程联机阶段为了共享主机资源和信息采集以及综合处理，用一台计算机与多台用户终端相连，用户通过终端命令以交互方式使用计算机，人们把它称为远程联机系统。 前端处理机结构：前端处理机（FEP）用来专门负责通信工作，实现数据处理与通信控制的分工，发挥了中心计算机的数据处理能力。前端处理机的结构如图1-1所示。 调制解调器：由于计算机和远程终端发出的信号都是数字信号，而公用电 话线路只能传输模拟信号，所以在传输钱必须把计算机或远程终端发出的数字信号转成 可在电话线上传送的模拟信号,传输后再将模拟信号转换成数字信号。利用调制解调器的 结构如下图所示。 集线器结构：把终端发来

4、的信息收集起来，并把用户的作业信息存人集中器中,然后 再用高速线路将数据信息传给前端处理机，最后提交给主机。 远程联机系统的特点是系统中只有一个计算机处理中心，各终端通过通信线路共 享主计算机的硬件和软件资源，因此，主计算机负担过重，终端独占线路，资源利用率 低。 2、多机互联网络阶段 计算机网络要完成数据处理与数据通信两大基 本功能，因此在逻辑结构上可以将其分 成两部分：资源子网和通信子网。 (1)资源子网：是计算机网络的外层，它由提供 资源的主机和请求资源的终端组成。 资源子网的任务是负责全网的信息处理。 (2)通信子网：是计算机网络的内层，它的主要 任务是将各种计算机互连起来完成数 据传

5、输、交换和通信处理。 3、标准化网络阶段 20世纪70年代，计算机网 1974年,IBM公司公布了它研制的 络大都采用直接通信方式。1972 系统网络体系结构。随后DGE公司 年后，以太网LAN、 宣布了自己的数字网络体系结构 MAN、WAN迅速发展，各个 ,1976年UNIVAC宣布了该公司的分 计算机生产商纷纷发展各自的网 布式通信体系结构。 络系统，制定自 己的网络技术 标准。 ISO于1977年成立了专门的机构来研究该问题，并且在1984年正式颁布了 “开放系统互联基本参考模型” 的国际标准OSI,这就产生了第三代计算机网络。 4、网络互联与高速网络阶段进入20世纪90年代,计算机技术

6、、通信技术以及建立在互联计算机网络技术基础上的计算机网络技术得到了迅猛的发展。特别是1993年美国宣布建立国家信息基础设施 （National Information Infrastructure，NII）后，全世界许多国家纷纷制订和建立本国 的NII,从而极大的推动了计算机网络技术的发展，使计算机网络进入一个崭新的阶段， 这就是计算机网络互联与高速网络阶段。目前，全球以Internet为核心的高速计算机互联网络已经形成，Internet已经成人类最重要的、最大的知识宝库。网络互联和高速计算机网络就成为第四代计算机网络。 到目前为止, 计算机网络并没有一个确切的定义。其实，我们可以简单地描述为

7、： 计算机网络是通过通信线路连接起来的自治的计算机集合。该描述包括了3个方面的含 义： 必须有两台或两台以上、具有独立功能的计算机系统相互连接起来，以达到 共享资源为目的； 计算机互相通信交换信息，必须有一条通道。这条通道的连接是物理的，由 物理介质来实现（例如铜线、光纤、微波、卫星等）； 计算机系统之间的信息交换，必须要遵守某种约定和规则。 以上从三个方面概括了计算机网络的基本内涵。因此，我们可以把计算机网络定 义为： 计算机网络是把分布在不同地点，并具有独立功能的多个计算机系统通过通 信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件和协议的管理下，以实现网络中资源共 享为目标的系统。 由多台计算

8、机组成的计算机网络系统模型如图1-4所示。 1、资源共享 硬件资源：包括各种类型的计算机、大容量存储设备、计算机外部设备， 如彩色打印机、静电绘图仪等。 软件资源：包括各种应用软件、工具软件、系统开发所用的支撑软件、语言处理程序、数据库管理系统等。 数据资源：包括数据库文件、数据库、办公文档资料、企业生产报表等。 信道资源：通信信道可以理解为电信号的传输介质。通信信道的共享是计算机网络中最重要的共享资源之一。 2、网络通信通信通道可以传输各种类型的信息,包括数据信息和图形、图像、声音、视频流等各种多媒体信息。3、分布处理 把要处理的任务分散到各个计算机上运行，而不是集中在一台大型计算机上。这样

9、，不仅可以降低软件设计的复杂性，而且还可以大大提高工作效率和降低成本。 4、集中管理 对地理位置分散的组织和部门,可通过计算机网络来实现集中管理,如数据库情报检索系统、交通运输部门的定票系统、军事指挥系统等。 5、均衡负荷 当网络中某台计算机的任务负荷太重时，通过网络和应用程序的控制和管理，将作业分散到网络中的其它计算机中，由多台计算机共同完成。1、可靠性 在一个网络系统中，当一台计算机出现故障时，可立即由系统中的另一台计算机来代替其完成所承担的任务。同样，当网络的一条链路出了故障时可选择其它的通信链路进行连接。 2、高效性 计算机网络系统摆脱了中心计算机控制结构数据传输的局限性，并且信息传递

10、迅速，系统实时性强。网络系统中各相连的计算机能够相互传送数据信息，使相距很远的用户之间能够即时、快速、高效、直接地交换数据。 3、独立性网络系统中各相连的计算机是相对独立的，它们之间的关系是既互相联系，又相互独立。 4、扩充性在计算机网络系统中,人们能够很方便、灵活地接入新的计算机，从而达到扩充网络系统功能的目的。 5、廉价性 计算机网络使微机用户也能够分享到大型机的功能特性,充分体现了网络系统的“群体”优势，能节省投资和降低成本。 6、分布性 计算机网络能将分布在不同地理位置的计算机进行互连，可将大型、复杂的综合性问题实行分布式处理。 7、易操作性 对计算机网络用户而言,掌握网络使用技术比掌

11、握大型机使用技术简单，实用性也很强。计算机网络技术的发展给传统的信息处理工作带来了革命性的变化，同时也给传统的管理带来了很大的冲击。目前，计算机网络的应用主要体现在以下几个方面： 4、远程教育 远程教育是利用Internet技术开发的现代在线服务系统，它充分发挥网络可以 跨越空间和时间的特点，在网络平台上向学生提供各种与教育相关的信息,做到“任何 人在任何时间、任何地点，可以学习任何课程”。 5、虚拟现实 虚拟现实是计算机软硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及心理学等 高速发展的结晶。虚拟现实与传统的仿真技术都是对现实世界的模拟,即两者都是基于 模型的活动， 而且都力图通过计算机及各类装

12、置达到现实世界尽可能精确地再现。随着计算机科学技 术的飞速发展，虚拟现实技术与仿真技术必将在21世纪异彩纷呈，绚丽夺目。 6、电子商务 广义的电子商务包括各行各业的电子业务、电子政务、电子医务、电子军务、电 子教务、电子公务和电子家务等；狭义的电子商务指人们利用电子化网络化手段进行商 务活动。 7、办公自动化 办公自动化能实现办公活动的科学化、自动化，最大限度提高工作质量、工作效 率和改善工作环境。 8、企业管理与决策 随着计算机网络的广泛应用，各类企业采用管理科学与信息技术相结合的方式， 开发企业管理和决策信息系统，为企业管理和决策提供支持服务。目前，正在朝着开 发“智能化”的决策支持系统迅

13、速发展。一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的。网络硬件是计算机网络系统的物理实现,网络软件是网络系统中的技术支持。两者相互作用,共同完成网络功能。 计算机网络硬件系统是由计算机(主机、客户机、终端)、通信处理机(集线器、交 换机、路由器)、通信线路(同轴电缆、双绞线、光纤)、信息变换设备(Modem，编码解 码器)等构成。 1、主计算机 在一般的局域网中，主机通常被称为服务器，是为客户提供各种服务的计算机， 因此对其有一定的技术指标要求，特别是主、辅存储容量及其处理速度要求较高。根 据 服务器在网络中所提供的服务不同,可将其划分为文件服务器、打印服务器、通信服务器 等。 2、

14、网络工作站 除服务器外，网络上的其余计算机主要是通过执行应用程序来完成工作任务的， 我们把这种计算机称为网络工作站或网络客户机，它是网络数据主要的发生场所和使用 场所，用户主要是通过使用工作站来利用网络资源并完成自己作业的。 3、网络终端 是用户访问网络的界面，它可以通过主机联入网内，也可以通过通信控制处理机 联入网内。 4、通信处理机 一方面作为资源子网的主机、终端连接的接口，将主机和终端连入网内；另一方 面它又作为通信子网中分组存储转发结点，完成分组的接收、校验、存储和转发等功能。 5、通信线路 通信线路（链路）是为通信处理机与通信处理机、通信处理机与主机之间提供通 信信道。 6、信息变换

15、设备 对信号进行变换，包括：调制解调器、无线通信接收和发送器、用于光纤通信的 编码解码器等。 在计算机网络系统中，除了各种网络硬件设备外，还必须具有网络软件。 1、网络操作系统 网络操作系统是网络软件中最主要的软件,用于实现不同主机之间的用户通信， 以及全网硬件和软件资源的共享，并向用户提供统一的、方便的网络接口,便于用户使 用网络。目前网络操作系统有三大阵营：UNIX、NetWare和Windows。目前， 我国最 广泛使用的是Windows网络操作系统。 2、网络协议软件 网络协议是网络通信的数据传输规范，网络协议软件是用于实现网络协议功能的 软件。 目前, 典型的网络协议软件有TCP/I

16、P协议、IPX/SPX协议、IEEE802标准协议系 列等。其中, TCP/IP是当前异种网络互连应用最为广泛的网络协议软件。 3、网络管理软件 网络管理软件是用来对网络资源进行管理以及对网络进行维护的软件，如性能管 理、配置管理、故障管理、记费管理、安全管理、网络运行状态监视与统计等。 4、网络通信软件 是用于实现网络中各种设备之间进行通信的软件，使用户能够在不必详细了解通 信控制规程的情况下，控制应用程序与多个站进行通信,并对大量的通信数据进行加工和 管理。 5、网络应用软件 网络应用软件是为网络用户提供服务，最重要的特征是它研究的重点不是网络中 各个独立的计算机本身的功能，而是如何实现网

17、络特有的功能。 拓扑学是几何学的一个分支。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点, 将连接实体的线路抽象成线,进而研究点、线、面之间的关系,即拓扑结构 (Topology Structure)。在计算机网络中，抛开网络中的具体设备，把服务器、工作 站等网络单元抽象为“点”，把网络中的电缆、双绞线等传输介质抽象为“线”。计算机网络的拓扑结构就是指计算机网络中的通信线路和结点相互连接的几何排列方法和模式。拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等许多方面，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。1、总线型拓扑结构 总线型拓扑结构是指所有结点共享一根传输总线,所有的站点都通过硬件接口连

18、接在这根传输线上。 2、星型拓扑结构星型拓扑结构是符合令牌协议的高速局域网络。它是以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的幅射式互连结构。 优点：单点故障不影响全网，结构简单。增删节点及维护管理容 易；故障隔离和检测容易，延迟时间较短。 缺点：成本较高，资源利用率低；网络性能过于依赖中心节点。 3、树型拓扑结构 树型结构是星型结构的扩展，它由根结点和分支结点所构成，如图1-8所示。 优点：结构比较简单，成本低。扩充节点方便灵活。 缺点：对根的依赖性大。 4、 环型拓扑结构 环型拓扑结构将所有网络结点通过点到点通信线路连接成闭合环路,数据将 沿一个方向逐站传送，每个结点的地位和作用相同，且每个

19、结点都能获得执行控制权。 环型结构的显著特点是每个节点用户都与两个相邻节点用户相连。 优点：简化路径选择控制，传输延 迟固定,实时性强,可靠性高。 缺点：节点过多时,影响传输效率。 环某处断开会导致整个系统 的失效，节点的加入和撤出 过程复杂。 5、网状拓扑结构 网状拓扑结构中的所有结点之间的连接是任意的,没有规律。实际存在与使用的 广域网基本上都采用网状拓扑结构。 优点：具有较高的可靠 性。某一线路或 节点有故障时， 不会影响整个网 络的工作。 缺点：结构复杂，需要 路由选择和流控 制功能，网络控 制软件复杂，硬 件成本较高，不 易管理和维护。 由于计算机网络自身的特点，其分类方法有多种。根

20、据不同的分类原则，可以得到 不同类型的计算机网络。 根据网络连接的地理范围,可将计算机网络分成局域网、城域网、广域网三种类型。 1、 局域网（Local Area Network，LAN） 局域网的作用范围是几百到几千米，通常用于组建企业网和校园网，并分为局部区域网和高速区域网。 局部区域网：传输速率为120Mb/s,最大距离为25km,采用分组交换技术,入网最大设备数为几百到几千。 高速区域网：采用CATV电缆或光缆,传输速率一般50Mb/s，最大距离为1km,入网最大设备数为几十个。 2、 城域网（Wide Area Network，WAN） 城域网是局域网的延伸,用于局域网之间的连接,网

21、络规模局限在一座城市范 围内, 覆盖的地理范围从几十至几百公里。 3、广域网（Wide Area Network，WAN） 广域网又称远程网，是指在一个很大地理范围（从数百公里到数千公里，甚至上万公里）由许多局域网组成的网络。广域网是将远距离的网络和资源连接起来的任何系统，主要用在一个地区、行业甚至在全国范围内组网,达到资源共享的目的。广域网使用的主要技术为存储-转发技术。城域网与局域网之间的连接是通过接入网来实现的。接入网又称为本地接入网或居民接入网，它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术，是局域网与城域网之间的桥接区。、 如果按照传播方式不同，可将计算机网络分为“广播网

22、络”和“点-点网络”两大类。 1、广播式网络广播式网络是指网络中的计算机或者设备使用一个共享的通信介质进行 数据传播，网络中的所有结点都能收到任一结点发出的数据信息。 广播式网络的基本连接如图所示。 目前，在广播式网络中的传输方式有3种：单 播 采用一对一的发送形式将数据发送给网络所有目的节点。组 播 采用一对一组的发送形式,将数据发送给网络中的某一组主机。广 播 采用一对所有的发送形式，将数据发送给网络中所有目的节点。2、 点-点网络（Point-to-point Network） 点-点式网络是两个结点之间的通信方式是点对点的。如果两台计算机之间没有直 接连接的线路，那么它们之间的分组传输

23、就要通过中间结点的接收、存储、转发，直 至目的结点。点-点传播方式主要应用于WAN中，通常采用的拓扑结构有：星型、环 型、树型、网状型。 1、有线网（Wired Network） 双绞线：其特点是比较经济、安装方便、传输率和抗干扰能力一般，广泛应用于局域网中。 同轴电缆：俗称细缆，现在逐渐淘汰。 光纤电缆：特点是光纤传输距离长、传输效率高、抗干扰性强，是高安全性网络的理想选择。 2、 无线网（Wireless Network） 无线电话网：是一种很有发展前途的连网方式。 语音广播网：价格低廉、使用方便，但安全性差。 无线电视网：普及率高，但无法在一个频道上和用户进行实时交互。 微波通信网：通信

24、保密性和安全性较好。 卫星通信网：能进行远距离通信，但价格昂贵。计算机网络数据依靠各种通信技术进行传输，根据网络传输技术分类，计算机网络可分为以下5种类型： 1、普通电信网 普通电话线网，综合数字电话网，综合业务数字网。 2、数字数据网 利用数字信道提供的永久或半永久性电路以传输数据信号为主的数字传输网络。3、虚拟专用网 指客户基于DDN智能化的特点，利用DDN的部分网络资源所形成的一种虚拟网络。 4、微波扩频通信网 是电视传播和企事业单位组建企业内部网和接入Internet的一种方法，在移动通信中十分重要。5、 卫星通信网 是近年发展起来的空中通信网络。与地面通信网络相比，卫星通信网具有许多

25、独特的优点。事实上，网络类型的划分在实际组网中并不重要，重要的是组建的网络系统从功能、速 度、操作系统、应用软件等方面能否满足实际工作的需要；是否能在较长时间内保持相对的先进性；能否为该部门（系统）带来全新的管理理念、管理方法、社会效益和经济效益等。 计算机网络的两个重要的支撑技术就是微电子技术和光电子技术。这两个重要支撑技术具体体现在网络存储和光交换与智能光网络技术上。 1、网络存储技术 随着信息时代的到来，人们对数据的依赖性也越来越强.因此, 数据的存储及安全性已经提到了一个非常重要的地位， 目前，在各类网络中普遍采用的数据存储模式有3种形式：直连存储、网络附加存储和存储区域网。 2、光交

26、换与智能光网络技术 目前组网技术正从具有上下光路复用(OADM)和光交叉连接(OXC)功能的光联网向由光交换机构成的智能光网络发展；从环形网向网状网发展，从光一电一光交换向全光交换发展。计算机网络架构的发展方向将是IP技术和光网络,光网络将会演进为全光网络。1.4.3计算机网络的研究热点 在以上技术的带动下，计算机通信网将是一个包括地下的光缆、地面的微波和蜂窝移动通信，地面以上数百至数千公里的低轨道卫星通信，1万公里左右的中轨道卫星通信，以及3.6万公里高的静止轨道通信卫星系统组成的一个混合系统。 1.5 标准化组织与机构 随着计算机通信、计算机网络和分布式处理系统的激增，协议和接口的不断进化

27、, 迫切要求不同公司制造的计算机之间以及计算机与通信设备之间方便地互连和相互通信。因此, 接 口、协议、计算机网络体系结构都应有共同遵守的标准。 目前，世界范围内的标准化组织与机构有：1、 国际组织与机构2、 美国组织与机构3、 欧洲组织与机构4、 中国国家标准局1.5.1国际组织与机构 美国国家标准局 是美国商业部的一个部门。NBS的研究范围较广，包括ISO和CCITT的有关标准,研究目标是力争与国际标准一致。美国电子工业协会 美国电子工业协会是美国电子工业界的协会，它主要从事与OSI模型中物理层有关的标准制定。美国国家标准学会 是制造商、用户通信公司组成的非政府组织，美国的自发标准技术情报

28、交换机构，协调在美国实现标准化的工作。1.5.3欧洲组织与机构1、欧洲计算机制造商协会 欧洲计算机制造商协会（ECMA）是一个由在欧洲销售计算机的厂商（包括在欧洲的一些美国公司）所组成的标准化和技术评议机构，致力于计算机和通信技术标准的协调和开发。 ECMA虽是CCITT和ISO的无表决权成员，但一些分委员会积极地参与了ISO和原CCITT的工作，并且发布了它自己的标准，对ISO工作有着重大影响。 2、欧洲电信标准机构 欧洲电信标准机构（ETSI）是由一些从事电信的厂家和研究所参加的一个从研究开发到标准制定的机构。中国国家标准局是我国有关工程和技术标准的法律制定机构，它负责有关标准的颁布。 由

29、于我国决定在计算机与通信等领域采用相应的国际标准，所以国家标准局的主要工作是将有关国际标准采纳为国家标准，其标准代号均为GB一，每个表示一位十进制数字，前4位是标准号，后两位表示颁布的年份。 1983年成立了“中国计算机和信息处理标准化技术委员会”，与ISO/TC97对口，有关OSI国家标准的制定由其下属“开放系统互连”和“数据通信”两个分技术委员会负责。 1 2计算机网络是用通信线路和通信设 计算机网络的发展经历了远程联机阶段、备将分布在不同地点的具有独立功 互联网络阶段、标准化阶段、网络互联与能的多个计算机系统互相连接起来， 高速网络等四个阶段。典型的计 算机网在网络软件的支持下实现彼此之

30、间 络从逻辑功能上可以分为资源子网和通信 的数据通信和资源共享的系统。 子网两部分。 3 4 计算机网络拓扑是通过网中结点与通 计算机网络的分类有多种，通常以覆盖面信线路之间的几何关系表示网络结构， 积来将其分为：广域网、城域网、局域网它反映出网络中各实体间的结构关系。 和接入网。计算机网络技术发展迅速，目网络拓扑对网络性能、系统可靠性与通 前比较关键的技术主要有软交换技术、信费用都有重大影响。 IPv6技术、宽带接入技术、3G以上的 移动通信系统技术等。 第2章 网络数据通信问题原由 数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何

31、实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。教学重点 本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、数据调制与编码技术、 数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术和差错控制等技术。 能力要求 掌握: 数据通信的基本概念,数据传输与编码技术. 了解：数据传输技术的发展趋势。 熟悉: 多路复用技术、数据交换技术、差错控制技术等。 知识结构 2.1数据通信的基本概念 2.1.1 信息、数据与信号1、信息 信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。 2、数据 数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理

32、的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。 模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的, 例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。 数字数据：在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的,它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。3、信号 信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。 模拟信号：是一种连续 变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图2-2（a）所示。 数字信号：是离散的不连续的电信号, 通常用“高”和“低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据, 如图2-2

33、(b)所示。2.1.2数据通信系统1、数据通信系统的基本结构 任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线路称为信道。 在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如图2-3所示。2、数据通信类型 在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。 (1) 模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号,由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调

34、器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-4所示。(2) 数字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号， 由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统。数字通信系统通常由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-5所示。 由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组成，其结构模型如图2-6所示。 在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号；解调器用于 将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调制与解调功能的设备称为调

35、制解调器，它在 数据通信系统中的连接如图2-7所示。 以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信,还是实现数字 通信,都涉及到一系列的技术问题，包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复 用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。 2.2数据调制与编码 在计算机中的数据是用二进制0、1比特序列表示的，在物理上是用低电平和高电平 来呈现的。由于在线路上传输的数据有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道 有模拟信道与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适应不同的传输特 性),在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码。在通信系统中,数据的调制和编码可

36、分 为4种基本形式： 1.数字数据的模拟调制 3.数字数据的数字编码 2.模拟数据的模拟调制 4.模拟数据的数字编码 2.2.1数字数据的模拟调制 数字数据的调制基于调幅、调频、调相3种调制技术，分别称为振幅键控、移频键 控和移相键控。图2-10显示了对数字数据“”进行不同调制方法的波形。 2.2.1数字数据的模拟调制 1、振幅键控（Amplitude-Shift Keying，ASK）振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。例如，我们可以用载波幅度Um表示数字1，用载波幅度0表示数字0。ASK信号波形如图2-10（a）所示。其数学表达式为： 振幅键控ASK信号实现容易,技术简单,

37、但抗干扰能力较差。2、移频键控（Frequency-Shift Keying，FSK） 移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用角频率1t表示数字l，用角频率2t表示数字0。FSK信号波形如图2-10（b）所示。其数学表达式为： 由于移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。3、移相键控（Phase-Shift Keying，PSK） 移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1、0。如果用相位的绝对值表示数字信号1、0，则称为绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1、0，则称为相对调相。 绝对调相（Ab

38、solute PSK）：在载波信号u(t)中,为载波信号的相位。当表示数字1时,取0；当表示数字0时,取。这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数字信号值。绝对调相波形如图2-10（c）所示。 相对调相（Differential PSK）：是用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇0，载波信号相位不变；两比特信号交接处遇1，载波信号相位偏移。相对调相波形如图2-10（d）所示。4、多相调制（Multiple Phase Modulation，MPM） 在模拟数据通信中，为了提高数据

39、传输速率，人们常采用多相调制方法，将待发送的数字信号按两个比特一组的方式组织，两位二进制比特可以有4种组合，即 00、01、10、11 每组是一个双比特码元，我们可以用4个不同的相位值去表示这4组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相方法称为4相调制。 同理，如果将发送的数据每3个比特组成一个3比特码元组，3位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不同的相位值去表示，我们把这种调相方法称为八相调制。1、振幅键控（Amplitude-Shift Keying，ASK） 振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。例如，我们可以用载波幅

40、度Um表示数字1，用载波幅度0表示数字0。ASK信号波形如图2-10（a）所示。 其数学表达式为：振幅键控ASK信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。2、移频键控（Frequency-Shift Keying，FSK） 移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用角频率1t表示数字l，用角频率2t表示数字0。FSK信号波形如图2-10（b）所示。2.2.2模拟数据的模拟调制对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调频和调相3种方法来实现，如图2

41、-11所示。1、振幅调制（Amplitude modulation，AM） 振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对载波的幅值按调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位不变,幅值随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(a)所示。 2、频率调制（Frequency modulation，FM） 频率调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的频率按调制信号的频率进行调制,调制后载波信号的相位和幅值不变，频率随调制信号的幅值变化而变化，如图2-11(b)所示。 3、相位调制（Phase modulation，PM） 相位调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的相位按调制信号的相位进行调制

42、，调制后载波信号的频率和幅值不变,相位随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(c)所示。2.2.3数字数据的数字编码数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。 常用的编码方式主要有3种：不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。 1、不归零码（Non-Return to Zero，NRZ） 不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归零码可分为单极性和双极性两种： 单极性不归零码(Single Polarity NRZ)：是以无电压（无电流）表示“0”，而用恒定的正电压表示“1

43、”。 双极性不归零码(Double Polarity NRZ)：是以负电压表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。 以上反之亦然，即负电压表示“1”，正电压表示“0”。2、曼彻斯特编码 曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。 3、差分曼彻斯特编码 是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/2。 2.2.4模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为

44、数字信号的编码方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、传输速率高、便于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。 模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM),PCM的工作过程包括3个步骤：采样、量化与编码，其相应的波形信号如图2-13所示。 1、采样（Sampling） 采样是模拟信号数字化的第一步。模拟信号是电平连续变化的信号,采样是隔一定的时间间隔,将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本,让其表示原来的信号。采样频率f应为：f2B 或 flT2f式中：B为通信信道带宽；T为采样周期；f为信道允许通过的信号最高频率。 2、量化（Qua

45、ntizing） 量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程，经量化后的样本幅度为离散的量化级值已不是连续值。量化的目的是为每一个PAM信号设定一个信号值。量化之前要将信号分为若干量化级,同时,要规定好每一级对应的幅度范围。若量化范围在0127,则每个采样用7位二进制(27128)来表示,量化速率需要56000bps(80007)；若量化的范围在0255,则每个采样用8位二进制（28256）来表示，量化速率需要64000bps（80008）。 3、编码（Encoding） 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码在传送数字至数模转换器

46、时，其速率必须和采样时一样。经过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。【例2-2】声音的带宽为4000Hz，采用频率为8000次/s，用8位二进制编码，则信道的数据传输速率为： 8800064000bps64kbps。 2.3网络数据传输 数据传输是网络通信的物质基础。数据传输技术涉及的内容很多，包括数据传输媒介、数据传输带宽、数据传输方式和数据传输质量参数等。 2.3.1数据传输介质数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。 1、同轴电缆（Coaxial Cable） 同轴电缆是局域网中

47、最早使用而且应用十分广泛的传输介质，可以通过专用的中同轴电缆(俗称粗缆)或小同轴电缆(俗称细缆)来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图2-14所示。 同轴电缆的最大优点是抗干扰性强, 而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好，所以现在基本上已被双绞线所替代。2、双绞线（Twisted Pair） 双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这时就要使用中继器（Repeater）来放大信号和再