第4章41 数字通信入门new

1、第第4章章 计算机网络与因特网计算机网络与因特网4.1 数字通信入门4.2 计算机网络基础4.3 因特网的组成4.4 因特网提供的服务4.5 网络信息安全4.1 数字通信入门数字通信入门 4.1.1 通信的基本原理通信的基本原理 通信系统模型通信系统模型 有线通信与无线通信有线通信与无线通信 调制解调技术调制解调技术 多路复用技术多路复用技术 4.1.2 交换技术交换技术什么是通信什么是通信(communication)？ 广而言之，通信就是信息的广而言之，通信就是信息的(远距离远距离)传递与交流传递与交流 现代通信现代通信使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信使用电波或光波传递信息的技术，

2、也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等等 通信的要求：远距离、高速度、低成本、安全、可靠、方便通信的要求：远距离、高速度、低成本、安全、可靠、方便 通信的发展历史：通信的发展历史：电电报报电电话话无线无线广播广播黑白黑白电视电视彩色彩色电视电视计算机计算机网络网络 1836 1876 20世纪初世纪初 1918 1938 1940s 1960s越洋越洋无线无线电报电报通信系统的模型通信系统的模型 通信的三要素：信信 道道信源信源(宿宿)信宿信宿(源源)信信号号信信号号模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号

3、通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号电信号(或光信号或光信号) 才能进行传输t数字信号数字信号信号信号强度强度模拟信号模拟信号信号信号强度强度tn 电信号电信号(或光信号或光信号) 有两种形式：有两种形式：n 模拟信号模拟信号形式形式: 通过连续变化的物理通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒经话筒(麦克风麦克风)转换得到的电信号；转换得到的电信号；n 数字信号数字信号形式形式: 使用有限个状态使用有限个状态(一般一般是是2个状态个状态)来表示（编码）信息，例来表示（编码）信

4、息，例如电报机、传真机和计算机发出的信如电报机、传真机和计算机发出的信号都是数字信号号都是数字信号 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1有线通信与无线通信有线通信与无线通信 需使用物理介质进行信号传输的是需使用物理介质进行信号传输的是有线通信有线通信，例，例如：如： 金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流信号信号 光导纤维（简称光纤），传输光信号光导纤维（简称光纤），传输光信号 在自由空间进行信号传输的是在自由空间进行信号传输的是无线通信无线通信，传输的，传输的是电磁波信号是电磁波信号传输介质的类型与特点传输介质的类型与特点介质类型介质类型特点特点应用应

5、用有有线线通通信信双绞线双绞线成本低，易受外部高频电磁波干扰，成本低，易受外部高频电磁波干扰，误码率较高；传输距离有限误码率较高；传输距离有限固定电话本地回路、固定电话本地回路、计算机局域网计算机局域网同轴电缆同轴电缆传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但传输干线长距离传输载波信号，但成本较高成本较高固定电话中继线路、固定电话中继线路、有线电视接入有线电视接入光缆光缆传输损耗小，通讯距离长，容量大，传输损耗小，通讯距离长，容量大，屏蔽特性好，不易被窃听，重量轻，屏蔽特性好，不易被窃听，重量轻，便于铺设。缺点是强度稍差，精确便于铺设。缺点是强度

6、稍差，精确连接两根光纤比较困难连接两根光纤比较困难电话、电视等通信电话、电视等通信系统的远程干线，系统的远程干线，计算机网络的干线计算机网络的干线无无线线通通信信自由空间自由空间使用微波、红外线、激光等，使用微波、红外线、激光等，建建设费用低，抗灾能力强，容量大，设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便无线接入使得通信更加方便. .但但易被窃听、易受干扰易被窃听、易受干扰广播，电视，移动广播，电视，移动通信系统，计算机通信系统，计算机无线局域网无线局域网双绞线和同轴电缆双绞线和同轴电缆 原理：利用电流(电压)传输信息 双绞线分类 3类线(10 Mb/s)；5类线(100Mb/s)

7、； 6类线(200Mb/s) 无屏蔽双绞线 (UTP)；屏蔽双绞线 (STP)同轴电缆同轴电缆内层导线内层导线金属屏蔽金属屏蔽外绝缘层外绝缘层绝缘体绝缘体n 同轴电缆分类同轴电缆分类n 基带同轴电缆（基带同轴电缆（5050）n以前在以太网中使用以前在以太网中使用n 宽带同轴电缆（宽带同轴电缆（7575）n有线电视网使用有线电视网使用信号线信号线地线地线套管套管无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线光纤与光缆光纤与光缆 光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）多根光纤多根光纤保护层保护层防止光泄漏的吸收外壳防止光泄漏的吸收外壳起保护作用的防护层起保护作用的防护层外绝缘

8、层外绝缘层光波在光纤中的传播光波在光纤中的传播 纤芯纤芯 包层包层保护层保护层光波光波n 光缆光缆 (包含多根光纤包含多根光纤)光光 纤纤保护层保护层 光纤通信原理光纤通信原理光波光波n 优点：优点：n 通信容量大：一束光每秒能传输通信容量大：一束光每秒能传输2.5G或或10Gb信息！信息！n 传输距离远：无中继距离超过几十公里传输距离远：无中继距离超过几十公里n 保密性强，信息不易泄露保密性强，信息不易泄露电信号电信号驱动驱动电路电路光源光源中继器中继器输出输出电路电路电信号电信号发送单元发送单元(电电/光转换光转换)传输单元传输单元接收单元接收单元(光光/电转换电转换)光调光调制器制器光纤

9、光纤光纤光纤放大放大电路电路光检光检测器测器数字信号（电信号）驱动数字信号（电信号）驱动一个光源（半导体激光器一个光源（半导体激光器或发光二极管），发出光或发光二极管），发出光信号信号光信号经放大后由光检光信号经放大后由光检测器（半导体光电管）测器（半导体光电管）进行检测、解调，再转进行检测、解调，再转换成电信号之后输出换成电信号之后输出调制后的光信号通过光纤调制后的光信号通过光纤进行传输，为补偿光纤线进行传输，为补偿光纤线路的损耗，每隔一定距离路的损耗，每隔一定距离要接入中继器要接入中继器0/1信号对光波进行调制信号对光波进行调制光纤通信：光纤通信：利用光波携带信息利用光波携带信息在在光纤光

10、纤中中传输传输，达到通信目的达到通信目的 无线通信无线通信无线通信：利用电磁波携带信息在自由空间中传播，进行通信电磁波的种类与频率范围电磁波的种类与频率范围 无线电波无线电波: :10104 4 10101111 (Hz) (Hz) 中波：中波： 0.3 0.3 3 (MHz) 3 (MHz) 短波：短波： 3 3 30 (MHz) 30 (MHz) 超短波：超短波： 30 30 300 (MHz) 300 (MHz) 微波：微波： 0.3 0.3 300 (GHz) 300 (GHz) 红外线：红外线： 10101111 10101414 (Hz) (Hz) 可见光：可见光： 1010141

11、4 (Hz) (Hz) 紫外线：紫外线： 10101414 10101616 (Hz) (Hz) 无线广播无线广播电视电视通信通信1041051061071081091010101110121013101410151016 Hz双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆AM广播广播FM广播和广播和TV卫星卫星地面微波地面微波光纤光纤紫外线紫外线红外线红外线可见光可见光微波微波无线电波无线电波超短波超短波中波中波短波短波手机手机无线无线LAN手机：手机：900MHz，1.8GHZ，2.12.2GHz ; 无线无线LAN：2.4GHz，5.8GHz微波通信微波通信微波：300MHz300GHz范围内的电磁波，波

12、长为1 m1mmn特点：特点：n直线传直线传播播，不能沿地不能沿地球表面传播（无绕射球表面传播（无绕射性），需要每隔几十性），需要每隔几十公里设立一个中继站公里设立一个中继站n容量大、可靠性高容量大、可靠性高n建设费用低建设费用低n抗灾能力强抗灾能力强n应用：长途电话、蜂窝移应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度动电话、全数字高清晰度电视电视（HDTV）等等卫星通信卫星通信n 卫星通信卫星通信: : 中继站在人造地球卫星上的中继站在人造地球卫星上的一种微波通信一种微波通信n 优点：通信距离远、频带宽、容量大、优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定抗干扰强、通信稳定n 缺点：

13、造价高、技术复杂、有较大延时、缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅同步轨道卫星数目仅180180颗颗赤道上方高度为赤道上方高度为35800公里的地方为公里的地方为地球同地球同步轨道步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不，在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约动。一颗同步轨道卫星覆盖约120， 3颗同颗同步定点轨道卫星步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面可以覆盖地球的几乎全部面积，进行二十四小时的全天候通信积，进行二十四小时的全天候通信选讲：选讲： 卫星通信的重要应用卫星通信的重要应用

14、GPS 例美国研制GPS系统 24颗卫星在1.2万公里高空以12小时的周期绕地球运行 地面任意点在任何时刻都可同时观测到4颗以上卫星原理： 由于卫星的位置是精确可知的，通过地面接收机可测得与卫星的距离，利用三维坐标中的距离计算公式，就可以推导出接收机的地理位置(经度、纬度和高程)定位精度： 民用大约十米 军用可高得多个人移动通信个人移动通信 移动对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等基站基站移动台移动台（手机）（手机）移动电移动电话交换话交换中心中心公用电话网公用电话网移动通信原理移动通信原理每10km20km的区域称为单元（形似蜂窝），每个单元中心高处建有一个基站，所有单元既相互分割

15、，又彼此交叠，形成整个移动通信服务网位于某单元内的所有手机都向该基站发送信号，并接收基站发给它的信号移动移动交换交换中心中心电话交电话交换中心换中心n 所有基站都通过微波或光缆与所有基站都通过微波或光缆与移动交换中心移动交换中心通信通信n 手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，同一单元内手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率与基站进行通信，相互不影同一时刻的不同手机使用不同的频率与基站进行通信，相互不影响响第二代第二代移动通信移动通信（2G）使用频段：900MHz/1800MHz，传输的是数字化的语音/文字信号我国使用的2种标准（制式）

16、： GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统) 中国移动、中国联通经营的GSM网已基本覆盖县级市 移动的接入号段有：134139、150152、158、159 联通的接入号段有：130-132、155-156 CDMA (码分多址接入，Code Division Multiple Access) 抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小， 中国电信, 接入号为133、153不足：（1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s），仅适合传输语音和文字（2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求第三代第三代移动通信系统移动通信系统（3G）使用的频段：1885 MHz 20

17、25MHz，2110MHz2200MHz 传输速率：室内：13Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s我国采用的3种技术标准：中国移动中国移动TD-SCDMA (G3), 自主知识产权（自主知识产权（157、187、188、147）中国电信中国电信CDMA2000 (天翼天翼), （180、189）中国联通中国联通W-CDMA (沃沃-WO)（185、186）n 3G的优点：的优点：（1）提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信）提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信（2）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服

18、务n 不足：不足：发展慢、比例低发展慢、比例低(4.6%)，按流量收费费用高，按流量收费费用高4G移动通信：室内移动通信：室内: 1Gbps，高速移，高速移動動时时: 100Mbps 我国沿海我国沿海7个城市正在建设试验网（个城市正在建设试验网（TD-LTE）(3) 调制解调技术调制解调技术数字通信采用的技术数字通信采用的技术数字调制/解调技术（调幅；调频；调相）解决信号传得远的问题多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路）提高传输线路使用效率、降低传输成本交换技术（电路交换；分组交换）动态分配信道资源，提高传输效率和质量数字编码和数据压缩技术数字信号如何传输？数字信号如何传输？ 近距离传输

19、：直接(基带)传输 例如：USB移动硬盘 主机 ；以太网数据传输 远距离传输：载波传输 例如：数字有线电视；手机；ADSL上网 什么是载波？ 研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波，把数字信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输的距离远得多数字信号的三种调制方法数字信号的三种调制方法幅移键控幅移键控频移键控频移键控 调制信号调制信号 (两个状态两个状态)相移键控相移键控载波信号载波信号(高频正弦波高频正弦波)调制后的调制后的载波信号载波信号传输传输信号信号解调器解调器载波信号载波信号调制后的调制后的载波信号载波信

20、号传输传输信号信号调制器调制器载波信号载波信号实现信号调制与解调的设备分别称为实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器调制器”和和“解调器解调器”：信信 道道信源信源(宿宿)信宿信宿(源源)调制后调制后的载波的载波 信号信号接收到接收到的载波的载波 信号信号调制调制(解调解调)器器(调制调制)解调器解调器载波载波载波载波小结小结1: 远距离通信必须使用远距离通信必须使用MODEM 通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM)例：例：ADSL宽带上网宽带上网调

21、制解调器把计算机送出的数字调制解调器把计算机送出的数字信号信号, ,采用数字调制的方法采用数字调制的方法, ,调制调制成为适合于在用户电话线上传输成为适合于在用户电话线上传输的载波信号的载波信号载波信号在电话网中经过载波信号在电话网中经过交换机传输至目的地交换机传输至目的地目的地计算机通过解调器从目的地计算机通过解调器从载波信号中恢复出数字信号载波信号中恢复出数字信号传送给计算机传送给计算机ADSL MODEMADSL MODEM(4) 多路复用技术多路复用技术怎样降低传输成本？怎样降低传输成本？ 分析： 通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额 一条传输线路（铜线、光

22、纤、无线电波）的容量通常远远超过传输1路用户信号所需的能力降低成本采用的技术多路复用技术(Multiplexing) 多路信号使用同一条传输线同时进行传输方法： 频分多路复用（FDM） 时分多路复用（TDM） 波分多路复用（WDM） DEMUX MUX 共享的传输信道共享的传输信道载波频率载波频率f1调制调制调制调制载波频率载波频率fn载波频率载波频率f1解调解调解调解调载波频率载波频率fnf频分多路复用频分多路复用(Frequency Division Multiplexing, FDM) 思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信

23、号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备工作原理：将不同频率将不同频率的载波信号的载波信号合成在一起合成在一起使用一组滤波器使用一组滤波器分解出不同频率分解出不同频率的载波信号的载波信号频分多路复用举例频分多路复用举例1 广播电台节目的发送与接收频分多路复用频分多路复用分路器分路器(带通滤波器带通滤波器)信号信号发射发射信号信号接收接收n 常见广播电台使用的载波频率常见广播电台使用的载波频率n 中波中波 900 KHz(南京经济台南京经济台) 中波中波1008 KHz (南京新闻台南京新闻台)n 短波短波 15.28

24、 MHz(英国英国BBC) 短波短波 15.29 MHz(VOA美国之音美国之音)n 调频调频104.3MHz (南京体育台南京体育台) 调频调频105.8MHz(南京音乐台南京音乐台)频分多路复用举例频分多路复用举例2n 电视节目的发送与接收电视节目的发送与接收频道频道 载波频率载波频率(MHz)(MHz)频道频道载波频率载波频率(MHz)(MHz)频道频道载波频率载波频率(MHz)(MHz)1 187.7587.755 5123.25123.259 9230.25230.252 295.7595.75 6 6206.25206.251010238.25238.253 3103.75103.

25、757 7214.25214.251111246.25246.254 4115.25115.258 8222.25222.251212254.25254.25多多路路复复用用器器解调器解调器在天空中传输的在天空中传输的电磁波器电磁波器电视信号电视信号发射器发射器电视信号电视信号接收器接收器电视节目电视节目调制器调制器载波载波1电视图像电视图像及其伴音及其伴音调制器调制器载波载波2电视图像电视图像及其伴音及其伴音调制器调制器载波载波n电视图像电视图像及其伴音及其伴音电电视视调调谐谐器器(分路器分路器)时分多路复用时分多路复用(Time Division Multiplexing, TDM) 思想

26、：各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输 工作原理： H F G E D C B A传输线路传输线路时间片时间片 G C终端终端 1终端终端 2终端终端 3终端终端 4 H D F B E A多路复用器多路复用器 4 3 2 1 4 3 2 1数据数据tMultiplexer多路分路器多路分路器终端甲终端甲终端乙终端乙终端丙终端丙终端丁终端丁 E A F B G C H DDemultiplexern 应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、GSM手机、总线式以太网等手机、总线式以太网等 波分多路复用波分

27、多路复用为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到 40G-100Gbit/s原理：光纤光纤发送端有发送端有N个个发送单元，它发送单元，它们各自发出不们各自发出不同波长的光波同波长的光波通过复用器（称通过复用器（称为合波器）合并为合波器）合并起来，进入同一起来，进入同一根光纤进行传输根光纤进行传输接收端用分路器接收端用分路器(称为称为分波器分波器)将不同波长的将不同波长的光分开，分别送到各光分开，分别送到各自的光电检测器恢复自的光电检测器恢复出原始信号出原始信号示意图示意图复合光复合光小结小结2: 多路复用可以降低通信成本多路复用可以

28、降低通信成本 通信系统的原理示意图复用复用（分路（分路信道信道信源信源（宿）（宿）调制解调器调制解调器信源信源（宿）（宿）调制解调器调制解调器信源信源（宿）（宿）调制解调器调制解调器复用复用（分路（分路信源信源（宿）（宿）调制解调器调制解调器信源信源（宿）（宿）调制解调器调制解调器信源信源（宿）（宿）调制解调器调制解调器多路复用技术使得成千上多路复用技术使得成千上万路通信可以在同一条传万路通信可以在同一条传输线上同时进行，大大节输线上同时进行，大大节省了通信成本省了通信成本频分多路、时分多路和波频分多路、时分多路和波分多路等技术可以同时使分多路等技术可以同时使用，以提高复用效率用，以提高复用效

29、率4.1.2 分组交换原理分组交换原理通信系统中通信系统中“交换交换”的含义的含义 “交换”(switching)的含义就是转接把一条链路转接到另一条链路，使它们连通起来 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 常用的交换方式：电路交换分组交换交换机交换机什么是电路交换？什么是电路交换？ 电路交换的过程： 建立连接 通信 释放连接 应用：电话通信(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCAn 分析：分析：n 通话全过程中用户始终占用端到通话全过程中用户始终占用端到端的传输信道端的传输信道n 由于计算机数据传输具有突发性，由于计算机数据传输具有突发性，

30、不适合计算机数据通信不适合计算机数据通信什么是分组交换什么是分组交换(Packet Switching)? 分组交换的要点： 被传输的数据必须划分为若干“分组”(packet, 简称“包”)进行传输 每个分组中必须包含收、发双方的地址 每个分组的格式如下： 有效载荷有效载荷(传输的数据传输的数据)校验校验信息信息发送计算机发送计算机地址地址目的计算机目的计算机地址地址编号编号n 分组交换示意：分组交换示意：321（c）132（b）不同的包在不同链不同的包在不同链路上进行传输路上进行传输1233 2 1（d）到接收方到接收方后，再将后，再将收到的包收到的包按顺序组按顺序组合在一起合在一起3213

31、 2 1（a）发送方将发送方将数据分成数据分成3个包个包表示分组交换机表示分组交换机分组交换与存储转发的过程分组交换与存储转发的过程高速数字通信线路高速数字通信线路计算机计算机 A BCDEFGH1 2 3 41 2 3 412341234 端口端口目的地目的地端口端口3E,F,GC,DHA,B33目的地目的地端口端口33E,F,GC,DHA,B4目的地目的地端口端口2E,F,GC,DHA,B43目的地目的地端口端口11E,F,GC,DHA,B4分组交换机分组交换机1分组交换机分组交换机2 分组分组 交换机交换机3分组分组交换机交换机4计算机计算机G收到所有数据包后，收到所有数据包后，将包组装为一个文件将包组装为一个文件交换机每收到一个交换机每收到一个包，就根据包的目包，就根据包的目的地地址的地地址, , 选择一选择一个输出端口个输出端口若目的地计算机就若目的地计算机就在交换机上，则交在交换机上，则交换机直接将包发给换机直接将包发给该计算机该计算机A将文件拆分将文件拆分成若干个包成若干个包,将包逐个地将包逐个地发给交换机发给交换机例：计算机例：计算机A的文件的文件计算机计算机G分组交换机中的分组交换机中的