第2章 计算机网络

1、第2章 计算机网络通信基础2.1 数据通信基础知识 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。的某一特定事物的消息、情报或知识。 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的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。 模拟数据：模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的在时间和幅值取值上都是连

2、续变化的, 例如声音、语音、视频和动画例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。片等。模拟数据通常用传感器收集。 数字数据：数字数据：在时间上是离散的在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的在幅值上是经过量话的,它一般是由它一般是由0、1构成的二构成的二进制代码组成的数字序列。进制代码组成的数字序列。2.1.1 信息、数据、信号和信道信息、数据、信号和信道 信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述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。号两种。

3、模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号 模拟信号：模拟信号：是一种连续是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图随时间变化的函数曲线，如图（a a）所示。所示。 数字信号：数字信号：是离散的不是离散的不连续的电信号连续的电信号, 通常用通常用“高高”和和“低低”电平脉冲序列组成的编电平脉冲序列组成的编码来表示数据码来表示数据, 如图如图(b)(b)所示所示。 信道是信息从发送端传输到接受端的一个通路。一般由传输介质和信道是信息从发送端传输到接受

4、端的一个通路。一般由传输介质和相应的传输设备组成。相应的传输设备组成。2.1.2 数据通信系统数据通信系统数据通信的目的是两个用户之间交换信息。数据通信的目的是两个用户之间交换信息。数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据终端设数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据终端设备而完成数据通信的系统。备而完成数据通信的系统。数据通信系统一般由三部分组成：源系统、传输系统、目的系统。数据通信系统一般由三部分组成：源系统、传输系统、目的系统。1、数据通信系统模型、数据通信系统模型2.2.1 数据通信系统的模型 传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出

5、数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机2、数据通信主要技术指标、数据通信主要技术指标n1)数据传输速率：也称比特速率，单位是位/秒，记为bit/s、b/s或bpsn2)信号传输速率：也称码元速率，单位波特，记为Baud,以B表示n 数据传输速率=信号传输速率x log2 N(bps)n3)信道容量:表示信道传输数据的能力，n4)误码率：衡量差错的指标。n 误码率=接收的错误的二进制比特数/传输的总的二进制比特数n5)信道带宽：在给定的范围内可用于传输的最高频率与最低频

6、率的差值n6)信道延迟：指信号从发送方发出经信道到达接受方所需要的时间。3、奈奎斯特和香农公式、奈奎斯特和香农公式 奈奎斯特奈奎斯特( (Nyquist)Nyquist)定理：定理：19421942年年, ,H.NyquistH.Nyquist证明，任何一个信号如证明，任何一个信号如果通过带宽为果通过带宽为W W（HzHz）的理想低通滤波器，若每秒取样的理想低通滤波器，若每秒取样2 2W W次，就可以完整次，就可以完整地重现该滤波过后的信号。在理想条件下地重现该滤波过后的信号。在理想条件下( (无噪音有限带宽无噪音有限带宽W W的信道的信道) )，其，其最大的数据传输速率最大的数据传输速率C

7、C（信道容量）为：信道容量）为：NWC2log2式中：L为离散性信号或电平的个数# L（2 2） 香农公式香农公式n香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。 S/N-信噪比，本身没单位，通常换算成10 lgS/N表示，单位dB香农公式表明 n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 n只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率

8、，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 n若信道带宽 W 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。n实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。 2.2 数据传输介质n传输介质也称传输媒体或传输媒介。n一般来说，传输介质可分为两大类：（1）导向传输媒体（有线介质）（2）非导向传输媒体（无线介质）常见的有线介质有双绞线、同轴电缆和光纤常见的无线介质有无线电波、微波和红外线2.2.1 双绞线n双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2 2根、根、4 4根或根或8 8根绝缘导

9、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。为了使各线对之间的电磁干扰最小。n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，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（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（RepeaterRepeater）来放大信号和再生波形

10、。）来放大信号和再生波形。n双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为可分为非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted PairUnshielded Twisted Pair）和）和屏蔽双绞屏蔽双绞线线（Shielded Twisted PairShielded Twisted Pair）。）。2.2.2 同轴电缆n 同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输同轴电缆是局域网

11、中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介质，可以通过专用的中同轴电缆( (俗称粗缆俗称粗缆) )或小同轴电或小同轴电缆缆( (俗称细缆俗称细缆) )来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆来组网，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，其结构如由内导体、绝缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图所示。图所示。 同轴电缆的最大优点是抗干同轴电缆的最大优点是抗干扰性强扰性强, ,而且支持多点连接。而且支持多点连接。 缺点是物理可靠性不好，所缺点是物理可靠性不好，所以现在基本上已被双绞线所替以现在基本上已被双绞线所替代。代。保护层、屏蔽层、绝缘层

12、、导体保护层、屏蔽层、绝缘层、导体 同轴电缆结构示意图同轴电缆结构示意图各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆2.2.3 光纤n光纤是光导纤维（光纤是光导纤维（Fiber OpticsFiber Optics）的简称，采用光导纤维）的简称，采用光导纤维作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、应用前途最广泛的一种。好、应用前途最广泛的一种。1、光纤的结构、光纤的结构光纤有纤芯、封套和外套组成。中心一般是玻璃纤芯，光芯外包围着一层折

13、射光纤有纤芯、封套和外套组成。中心一般是玻璃纤芯，光芯外包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套又叫包层。最外层是一层薄的塑料外壳。率比纤芯低的玻璃封套又叫包层。最外层是一层薄的塑料外壳。通常把多条光纤扎成束，再加上外壳构成光缆。通常把多条光纤扎成束，再加上外壳构成光缆。2、光纤的系统、光纤的系统光纤的系统由三部分组成：光发送器、光纤介质和光接收器。发送端的光发光纤的系统由三部分组成：光发送器、光纤介质和光接收器。发送端的光发送器利用电信号对光源进行光强控制，从而将电信号转换成光信号；光信号送器利用电信号对光源进行光强控制，从而将电信号转换成光信号；光信号进过光纤介质传输到光接收端；光接收器通过光电

14、二极管再把光信号还原成进过光纤介质传输到光接收端；光接收器通过光电二极管再把光信号还原成电信号。电信号。3、光纤分类、光纤分类纤芯中光束的多少可分为纤芯中光束的多少可分为单模光纤单模光纤（ 8.3/125um8.3/125um ）和）和多模光纤多模光纤（ 50/125um50/125um，62.5/125um62.5/125um）两种。）两种。单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤传输介质传输介质带宽带宽速率速率/ /工作工作频带频带性能性能传输距离传输距离 价格价格应用应用同双绞线同双绞线宽带宽带基带基带1Gb/s较好较好模拟：模拟

15、：10km数字：数字：500m低低模拟模拟/数字数字信号传输信号传输50同轴电缆同轴电缆75铜轴电缆铜轴电缆基带基带10Mb/s较好较好3km低低基带数字信号基带数字信号宽带宽带450MHz较好较好100km中中模拟、数据、音模拟、数据、音频频光光 纤纤宽带宽带49Gb/s很好很好2km以上以上高高高高4、光纤通信特点、光纤通信特点与双绞线和同轴电缆比较，光纤通信有很多优点。传输信号的频带宽，与双绞线和同轴电缆比较，光纤通信有很多优点。传输信号的频带宽，通信容量大；信号衰弱减小，传输距离长；抗干扰能力强，应用范围通信容量大；信号衰弱减小，传输距离长；抗干扰能力强，应用范围广；极高的数据传输率，

16、极低的误码率广；极高的数据传输率，极低的误码率2.2.4 无线介质 无线微波通信在数据通信中占有重要地位。微波在空间主要是直线传播。无线微波通信在数据通信中占有重要地位。微波在空间主要是直线传播。 传统的微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信传统的微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信2.扩频无线电扩频无线电3.红外线红外线4.激光激光扩频无线电是一种新的民用无线通信技术，具有传输速率高、发射功率扩频无线电是一种新的民用无线通信技术，具有传输速率高、发射功率小、抗干扰能力强以及保密性好等特点。小、抗干扰能力强以及保密性好等特点。其方向性很强，不易受电磁波干扰。但红外线的

17、穿透能力较差，易受其方向性很强，不易受电磁波干扰。但红外线的穿透能力较差，易受障碍物的阻碍物的阻碍，所以一般做为近距离传输介质。障碍物的阻碍物的阻碍，所以一般做为近距离传输介质。其方向性很强，不易受电磁波干扰。其方向性很强，不易受电磁波干扰。2.3 数据传输方式2.3.1 模拟传输与数字传输一般来说，模拟数据是时间的连续函数，并且一般来说，模拟数据是时间的连续函数，并且占有一定的频谱范围。模拟数据可以直接用占有占有一定的频谱范围。模拟数据可以直接用占有相同频谱的电信号来表示。模拟传输系统中传输相同频谱的电信号来表示。模拟传输系统中传输的信号既可以表示模拟数据，也可以表示数字数的信号既可以表示模

18、拟数据，也可以表示数字数据。但无论传输哪种类型数据，在传输一定距离据。但无论传输哪种类型数据，在传输一定距离后，模拟信号都会衰减和畸变。为了实现长距离后，模拟信号都会衰减和畸变。为了实现长距离传输，模拟传输系统使用放大器来增强信号的能传输，模拟传输系统使用放大器来增强信号的能量，但同时也放大了信号中的噪声分量，结果会量，但同时也放大了信号中的噪声分量，结果会导致信号发生畸变，甚至造成数据传输错误。模导致信号发生畸变，甚至造成数据传输错误。模拟数据传输系统的典型应用是模拟电话传输系统拟数据传输系统的典型应用是模拟电话传输系统。数字数据是时间的离散函数。数字数据可以直数字数据是时间的离散函数。数字

19、数据可以直接在数字信道上传输，模拟数据经过采样、量化接在数字信道上传输，模拟数据经过采样、量化 和编码后也可以在数字信道上传输。长距离的传和编码后也可以在数字信道上传输。长距离的传输也会导致信号的衰减和畸变，严重时影响到数输也会导致信号的衰减和畸变，严重时影响到数据的完整性与正确性。为了延长传输距离，数字据的完整性与正确性。为了延长传输距离，数字传输系统通常使用中继器来克服信号衰减和畸变传输系统通常使用中继器来克服信号衰减和畸变。中继器将接收到的数字信号经过整形回复后，。中继器将接收到的数字信号经过整形回复后，再将信号发送出去，从而克服信号的衰减和畸变再将信号发送出去，从而克服信号的衰减和畸变

20、。为了提高信号的干扰能力，并且便于接收端信。为了提高信号的干扰能力，并且便于接收端信号同步，数据必须经过适当的编码后才能传输。号同步，数据必须经过适当的编码后才能传输。在数字传输系统中，每个端点必须通过编码解码在数字传输系统中，每个端点必须通过编码解码器来实现数据编码与解码。器来实现数据编码与解码。2.3.2 串行通信与并行通信 串行传输方式中，要把传输的数据变成数据流，在一条串行通信道上进行传串行传输方式中，要把传输的数据变成数据流，在一条串行通信道上进行传输，一次只传输一个二进制位，接收方再将这一串二进制比特流转化为数据输，一次只传输一个二进制位，接收方再将这一串二进制比特流转化为数据，从

21、而实现串行通信。串行通信的数据传输的速度较并行传输慢，但是它只，从而实现串行通信。串行通信的数据传输的速度较并行传输慢，但是它只占用一条信道，通信成本较低，而且信号串扰较小，可用于长距离传输。占用一条信道，通信成本较低，而且信号串扰较小，可用于长距离传输。源点终点2.3.2 串行通信于并行通信 并行通信方式中，要把传输的数据以组为单位分为多组，每组信息的多位数据在多个并行通信方式中，要把传输的数据以组为单位分为多组，每组信息的多位数据在多个并行信道上同时传输，如果需要还可以附加一位校验位。接收设备可同时接收到这些并行信道上同时传输，如果需要还可以附加一位校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不

22、需要做任何变换就可以直接使用。并行通信特点如下：数据，不需要做任何变换就可以直接使用。并行通信特点如下： 1.一位一位(比特）时间内可传输多个比特，传输时间快。比特）时间内可传输多个比特，传输时间快。 2.每位数据传输要求一个单独的信道，通信成本高。每位数据传输要求一个单独的信道，通信成本高。 3.由于信道之间的电容感应，远距离传输可靠性较低，一般适用于近距离传输。由于信道之间的电容感应，远距离传输可靠性较低，一般适用于近距离传输。源点终点2.3.3 数据传输方向 ABABAB2.3.4 同步传输与异步传输 在数据通信系统中，整个计算机通信系统能否正确有效地工作，在相当程度上依赖于在数据通信系

23、统中，整个计算机通信系统能否正确有效地工作，在相当程度上依赖于是否能很好地实现同步。目前是否能很好地实现同步。目前,串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即同步通串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即同步通信方式和异步通信方式。信方式和异步通信方式。 位同步：位同步：在数据通信过程中，接收端根据发送端发送在数据通信过程中，接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率，这个过程就叫做位同步。实现位同步的方法主要有频率，这个过程就叫做位同步。实现位同步的方法主要有以下两种：以下两种： 外同步法。外同步法。是在发送

24、端发送一路数据信号的同时，另是在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟外发送一路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。 2.3.4 同步传输与异步传输 内同步法。内同步法。是从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟是从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法，曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟的方法，曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟的编码方法。的编码方法。 字符同步：字符同步：为保证收发双方正确传输字符为保证收发双方正确传输字符,

25、将字符以组将字符以组为单位传送，在每组字符之前加上一个用于同步控制的同为单位传送，在每组字符之前加上一个用于同步控制的同步字符步字符SYN，数据结束后加上后同步信号，接收端根据，数据结束后加上后同步信号，接收端根据SYN与后同步信号确定数据字符的起始与终止。与后同步信号确定数据字符的起始与终止。 同步传输方式如图同步传输方式如图2-25所示。所示。图图 2-25 2-25 同步传输方式示意图同步传输方式示意图1 10 01 11 10 01 10 01 10 01 11 10 01 11 10 00 0. . . .1 11 11 11 10 01 10 01 11 10 01 11 10 0

26、1 10 00 00 01 11 11 11 11 11 10 00 01 11 11 11 11 11 10 0同步字节同步字节 数据帧数据帧 同步字节同步字节2.3.4 同步传输与异步传输 异步传输一次只传输一个字符异步传输一次只传输一个字符,每个字符用一位起始位引每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为导、一位停止位结束。起始位为“0”,占一位占一位;停止位为停止位为“1”,占占1-2位。在没有数据发送时发送方可发送连续的位。在没有数据发送时发送方可发送连续的停止位，接收方根据停止位，接收方根据“1”至至“0”的跳变来判别一个新字的跳变来判别一个新字符的开始符的开始,然后接收字

27、符中的所有位。异步传输方式如图然后接收字符中的所有位。异步传输方式如图所示。所示。1 11 10 01 11 10 01 10 01 10 01 10 00 01 11 10 01 11 10 00 01 10 00 00 01 10 01 11 10 01 10 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 00 0数据传输方向停止位 数据位 起始位2.4 数据交换技术 各种数据经过编码后在通信线路上进行传输，实现数据通信。数据通各种数据经过编码后在通信线路上进行传输，实现数据通信。数据通信最简单的方式是利用传输介质将两个端点直接相连，但每个通信系信最简单的方式是利用传输介质将两个端点直接

28、相连，但每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的，通常通过一个由多统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的，通常通过一个由多个结点组成的中间网络，把数据从源结点转发到目的结点，实现相互个结点组成的中间网络，把数据从源结点转发到目的结点，实现相互通信。因此，数据交换是研究如何通过中间网络实现联网计算机之间通信。因此，数据交换是研究如何通过中间网络实现联网计算机之间的数据交换问题。的数据交换问题。 目前，常用的网络数据交换方式可归结为以下目前，常用的网络数据交换方式可归结为以下3种种:2.4.1 线路交换 电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种直接交换方电路交换是根据电话交换原理发

29、展起来的一种直接交换方式。在数字通信中，电路交换传输主要是应用同步传输模式。在数字通信中，电路交换传输主要是应用同步传输模式来实现的。电路交换的过程分为式来实现的。电路交换的过程分为3个步骤：个步骤：(1)(1)电路建立电路建立(2)(2)数据传输数据传输(3)(3)电路拆除电路拆除在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。建立一条端到端的电路。在整个数据传输过程中，所建立的电路在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。必须始终保持连接状态。 数据传输结束后，由某一方发出拆除请求数据传输结束后，由某一方发出拆除请求然后逐节拆除到

30、对方节点。然后逐节拆除到对方节点。2.4.1 线路交换电路交换原理如下图所示电路交换原理如下图所示源节点源节点 A A目的节点目的节点 B B公用电话交换网公用电话交换网123456源节点源节点A A交换节点交换节点1 1交换节点交换节点6 6呼叫请求呼叫请求呼叫应答呼叫应答数据数据数据数据释放请求释放请求释放应答释放应答目的节点目的节点B B电电路路建建立立数数据据传传输输电电路路拆拆除除2.4.1 线路交换 (1) 连接建立后连接建立后, 数据以固定的传输率传输数据以固定的传输率传输, 传输延迟小。传输延迟小。 (2) 由于物理线路被单独占用由于物理线路被单独占用,故不可能发生冲突故不可能

31、发生冲突; (3) 适用于实时大批量连续的数据传输。适用于实时大批量连续的数据传输。 (1) 建立连接将跨多个设备或线缆，则会需要花费很长的建立连接将跨多个设备或线缆，则会需要花费很长的 时间。时间。 (2) 连接建立后，由于线路是专用的，即使空闲，也不能连接建立后，由于线路是专用的，即使空闲，也不能 被其它设备使用造成一定的浪费。被其它设备使用造成一定的浪费。 (3) 对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。2.4.2 文报交换 报文交换类似于发送信件，是以

32、报文为单位发送信息，报文交换类似于发送信件，是以报文为单位发送信息，不管发送数据的长度是多少都把它当作一个逻辑单元，每不管发送数据的长度是多少都把它当作一个逻辑单元，每个报文由报头、正文和报尾个报文由报头、正文和报尾3部分组成，报头中包含发送部分组成，报头中包含发送计算机的地址和接收信息的计算机地址。通信子网根据报计算机的地址和接收信息的计算机地址。通信子网根据报头目的地址选择路径在两个结点之间的一段链路上逐段传头目的地址选择路径在两个结点之间的一段链路上逐段传输，不需要在两个主机之间建立多个结点组成的通道输，不需要在两个主机之间建立多个结点组成的通道,报报文交换过程如图文交换过程如图2-39

33、所示。所示。2.4.2 文报交换如图所示主机主机A主机主机BCCCDCGCA通信子网通信子网CFCBCE图图 2-39 2-39 报文交换过程报文交换过程2.4.2 文报交换 电路利用率高。报文可以分时共享交换设备间的线路。电路利用率高。报文可以分时共享交换设备间的线路。 在电路交换网络上，当通信量变得很大时在电路交换网络上，当通信量变得很大时,就不能接受新的呼叫。而就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上在报文交换网络上,通信量大时仍然可以接收报文通信量大时仍然可以接收报文,不过传送延迟会增不过传送延迟会增加。加。 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络报文交换系统可以把一

34、个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。很难做到这一点。 报文交换网络可以进行速度和代码的转换。报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 数据的传输延迟比较长，且延迟时间长短不一，因此不适用于实时数据的传输延迟比较长，且延迟时间长短不一，因此不适用于实时或交互式的通信系统。或交互式的通信系统。 当报文传输错误时，必须重传整个报文。当报文传输错误时，必须重传整个报文。2.4.3 分组交换 分组交换是报文交换的改进，因而又称为报文分组交换。它将报文分分组交换是报文交换的改进，因而又称为报文分组交换。它将报文分成若干个分组成若干个分组,每个分组的长度有一个上限每个分组的长度有一个上限,有

35、限长度的分组使得每个有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，以提高交换速度。分组交换适用于交互节点所需的存储能力降低了，以提高交换速度。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。报文分组的结构如图式通信，如终端与主机通信。报文分组的结构如图2-40所示。所示。1010010101 0110011010首部首部 数据数据首部首部 数据数据首部 数据报文报文报文报文图图 2-40 2-40 报文分组的组成报文分组的组成2.3.4 分组交换 报文分组交换是在电路交换和报文交换的基础上发展起来的报文分组交换是在电路交换和报文交换的基础上发展起来的,因而结因而结合了两者的优点合了两者的优点,并

36、且有数据报方式和虚电路方式。并且有数据报方式和虚电路方式。 2.4.3 分组交换分组交换技术在文报交换的基础上，进行了一些改进。在发送端，把分组交换技术在文报交换的基础上，进行了一些改进。在发送端，把要发送的数据划分为长度固定的数据段，每一个数据段前面加上头部要发送的数据划分为长度固定的数据段，每一个数据段前面加上头部信息组成一个完整的信息组成一个完整的“分组分组，每个分组独立进行寻找路径和传输，每个分组独立进行寻找路径和传输，利用存储，利用存储-转发方式，将各个分组传输到目的地。分组头部包含目转发方式，将各个分组传输到目的地。分组头部包含目的地址、源地址以及其他附加信息。当一次数据传输的所有

37、分组都到的地址、源地址以及其他附加信息。当一次数据传输的所有分组都到达接受方时，接收方再将所有分组重组为原来的数据。达接受方时，接收方再将所有分组重组为原来的数据。2.4.3 分组交换1.分组具有统一的格式、长度较短并且长度限定在一定范围内。分组具有统一的格式、长度较短并且长度限定在一定范围内。2.分组是暂时保存在节点的内存中，而不是被保存在节点的外存中，交分组是暂时保存在节点的内存中，而不是被保存在节点的外存中，交换速率高。换速率高。3.分组交换采用的是动态分配信道的策略，能充分利用链路的宽带。节分组交换采用的是动态分配信道的策略，能充分利用链路的宽带。节点和链路的使用为共享方式，极大地提高

38、了通信线路的利用率。点和链路的使用为共享方式，极大地提高了通信线路的利用率。2.4.3 分组交换 在数据报方式中子网接收主机在数据报方式中子网接收主机A发送的报文经编发送的报文经编址、拆卸后分成若干分组址、拆卸后分成若干分组, 设有设有3个分组个分组P1、P2、P3。CA将根据子网当前的通路情况及通信量情将根据子网当前的通路情况及通信量情况况,将分组将分组P1、P2、P3沿不同的子网路径发送出沿不同的子网路径发送出去去,接收端将接收的分组重新组装成报文。这类服接收端将接收的分组重新组装成报文。这类服务没有建立链路和拆除链路的过程，如图务没有建立链路和拆除链路的过程，如图2-42所所示。示。2.

39、4.3 分组交换如图所示主机主机A ACCCDCGCA通信子网通信子网CFCBCEP P1 1P P2 2P P3 3P P3 3P P2 2P P1 1P P2 2P P1 1P P1 1P P2 2P P3 3P P3 3P P1 1P P3 3主机主机B B图图 2-42 2-42 数据报方式交换过程数据报方式交换过程2.4.3 分组交换 虚电路方式是试图将数据报方式与电路交换方式结合虚电路方式是试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，发挥两种方法的优点起来，发挥两种方法的优点,达到最佳的数据交换效果。达到最佳的数据交换效果。与电路交换方式类似，虚电路方式在数据传输前也要建立与电路交换方

40、式类似，虚电路方式在数据传输前也要建立一条传输通路，但这条通络是逻辑的而非物理的一条传输通路，但这条通络是逻辑的而非物理的 虚电路方式两个用户的终端设备在开始互相发送和接虚电路方式两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，用户不收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，用户不需要在发送和接收时清除连接。虚电路可以通过呼叫请求需要在发送和接收时清除连接。虚电路可以通过呼叫请求建立，并要赋予虚电路号。子网中的结点之间就是通过虚建立，并要赋予虚电路号。子网中的结点之间就是通过虚电路号将分组沿子网中的结点逐站传递。虚电路的工作方电路号将分组沿子网中的结点逐站传递

41、。虚电路的工作方式如图式如图2-43所示。所示。2.4.3 分组交换如图所示3LC32用户用户B1B1用户用户C1C1用户用户A1A1用户用户A2A2用户用户A3A3用户用户D1D1结点结点B B结点结点C C结点结点A A结点结点D D中继结点中继结点1 1中继结点中继结点2 2传输媒体传输媒体4 411213 3LC1LC5LC2LC4图图 2-43 2-43 虚电路的工作方式虚电路的工作方式2.4.3 分组交换A1一一B1虚电路：虚电路：VC1LCl(3)LC2(2)LC3(1)A2一一C1虚电路：虚电路：VC2LCl(2)LC2(1)LC4(3)A3一一Dl虚电路：虚电路：VC3LC1

42、(1)LC5(4)用户用户A1与用户与用户B1建立的虚电路为建立的虚电路为VClLCl(3)+LC2(2)+LC3(1)用户用户A2与用户与用户C1建立的虚电路为建立的虚电路为VC2LCl(2)+LC2(1)+LC4(3)用户用户A3与用户与用户D1建立的虚电路为建立的虚电路为VC3LCl(1)LC5(4)2.4.3 分组交换 由于虚电路方式具有电路交换与分组交换技术由于虚电路方式具有电路交换与分组交换技术的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。虚电路服务与数据报服务的主要区别应用。虚电路服务与数据报服务的主要区别如下表：如下表：对比的内容对比的内容虚

43、电路虚电路数据报数据报连接的建立连接的建立必须有必须有不要不要目的站地址目的站地址仅在连接建立阶段使用，每个分组仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路信号使用短的虚电路信号每个分组都有目的站每个分组都有目的站的全地址的全地址路由选择路由选择在虚电路建立时进行，所有分组均在虚电路建立时进行，所有分组均按同一路由按同一路由每个分组都有独立选择每个分组都有独立选择的路由的路由路由器出现故路由器出现故障障所有通过出故障的路由器的虚电路所有通过出故障的路由器的虚电路均不能工作均不能工作出故障的路由器可能对丢失出故障的路由器可能对丢失分组，一些路由会发生变化分组，一些路由会发生变化分组的顺序分组的顺

44、序总是按发送顺序到达目的站总是按发送顺序到达目的站到达目的站时可能不按到达目的站时可能不按发送顺序发送顺序端到端的差错端到端的差错控制控制由通信子网负责由通信子网负责由主机负责由主机负责端到端的流量端到端的流量控制控制由通信子网负责由通信子网负责由主机负责由主机负责2.4.3 分组交换（1）X.25分组交换网分组交换网 1）物理层）物理层 2）链路层）链路层 3）分组层）分组层 帧中继实质上是由帧中继实质上是由X.25分组交换技术演化而来的。帧中继分组交换技术演化而来的。帧中继只有物理层和数据链路层两层。只有物理层和数据链路层两层。2.4.3 分组交换ATM是一种新的网络技术，在美国被称为异步

45、时分是一种新的网络技术，在美国被称为异步时分复用技术，在欧洲被称为异步传输模式。复用技术，在欧洲被称为异步传输模式。ATM既既是一种技术，也是一种业务（信元中继业务）。是一种技术，也是一种业务（信元中继业务）。2.5.1 数字信号模拟化时的编码方法n计算机实现数字通信常常要借助模拟信道进行传输，我们将这种数字计算机实现数字通信常常要借助模拟信道进行传输，我们将这种数字信号变换成模拟信号的过程成为调制。调制的方法主要有三种：调幅、信号变换成模拟信号的过程成为调制。调制的方法主要有三种：调幅、调频、调相。调频、调相。n调幅（调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。）：载波的振幅随基带数字信号

46、而变化。n调频（调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。）：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相（调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。一般分为绝）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。一般分为绝对调相和相对调相两种。对调相和相对调相两种。 （数字基带信号，（数字基带信号， 是信源发出的、未经调制或频谱变换、直接在有效是信源发出的、未经调制或频谱变换、直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号，是消息代码的电波频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号，是消息代码的电波形，是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号的形，是用不同的电平或脉冲来表示相应的

47、消息代码。数字基带信号的类型很多，常见的有矩形脉冲，三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。类型很多，常见的有矩形脉冲，三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。也是模数变换最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。也是模数变换后的信号）后的信号）2.5 数据编码技术数据编码技术 数字数据的调制基于调幅、调频、调相数字数据的调制基于调幅、调频、调相3 3种调制技术，分种调制技术，分别称为振幅键控、移频键控和移相键控。下图显示了对数字别称为振幅键控、移频键控和移相键控。下图显示了对数字数据数据“010010010010”进行不同调制方法的波形。进行不同调制方法

48、的波形。 数字数据的调制原理示意图数字数据的调制原理示意图2.5.2 模拟信号数字化时的编码方法n模拟信号的数字化过程主要包括三个步骤：采样、量化和编码。模拟信号的数字化过程主要包括三个步骤：采样、量化和编码。n采样指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来时间上连续的信号。采样指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来时间上连续的信号。也就是在时间上将模拟信号离散化。量化和编码是用有限个幅度值近似也就是在时间上将模拟信号离散化。量化和编码是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编

49、码则是按照一定规律，把量化后的值用二进制数字表间隔的离散值。编码则是按照一定规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二进制或多进制的数字信号流。这样得到的数字信号可示，然后转换成二进制或多进制的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过光纤、微波干线、卫星信道等数字线路传输。上述数字化的过程以通过光纤、微波干线、卫星信道等数字线路传输。上述数字化的过程也被称为脉冲编码调制也被称为脉冲编码调制PCM。 （脉冲编码调制是一种（脉冲编码调制是一种模拟模拟信号的信号的数字数字化方法。化方法。PCM将信号的强度依照同将信号的强度依照同样的间距分成数段，然后用独特的数字记号（通常是样的间距分成数段，然后

50、用独特的数字记号（通常是二进制二进制）来）来量化量化。PCM常被用于数字常被用于数字电信电信系统上，也是系统上，也是电脑电脑和和红皮书红皮书中的标准形式。在数中的标准形式。在数字视频中它也是标准，例如使用字视频中它也是标准，例如使用 ITU-R BT.601。但是。但是PCM并不流行于诸并不流行于诸如如DVD或或DVR的消费性商品上，因为它需要相当大的的消费性商品上，因为它需要相当大的比特率比特率（DVD格式格式虽然支持虽然支持PCM，不过很少使用）；与之相较，压缩过的音频较符合效率。，不过很少使用）；与之相较，压缩过的音频较符合效率。不过，许多不过，许多蓝光光盘蓝光光盘使用使用PCM作音频编

51、码。非常频繁地，作音频编码。非常频繁地，PCM编码以一编码以一种种串行串行通信的形式，使数字传讯由一点至下一点变得更容易通信的形式，使数字传讯由一点至下一点变得更容易 ） 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,采样是隔采样是隔一定的时间间隔一定的时间间隔,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,让其表示原来的让其表示原来的信号。采样频率信号。采样频率f应为：应为： f2B 或或 flT2f 式中：式中：B为通信信道带宽；为通信信道带宽；T为采样周期；为采样周期；f为信道允许通过的信

52、号最高频率。为信道允许通过的信号最高频率。 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信号设定一个信号信号设定一个信号值。值。 量化之前要将信号分为若干量化级量化之前要将信号分为若干量化级,同时同时,要规定好每一级对应的幅度范围。若要规定好每一级对应的幅度范围。若量化范围在量化范围在0127,则每个采样用则每个采样用7位二进制位二进制(27128)来表示来表示,量化速率需要量化速率需要56000bps(800

53、07)；若量化的范围在；若量化的范围在0255,则每个采样用则每个采样用8位二进制（位二进制（28256）来表示，量化速率需要）来表示，量化速率需要64000bps（80008）。）。 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时，其速率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。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。 【例例】声音的带宽为】声

54、音的带宽为4000Hz，采用频率为，采用频率为8000次次/s，用，用8位二进制编码，则位二进制编码，则信道的数据传输速率为：信道的数据传输速率为： 8800064000bps64kbps。2.5.3数字数据的数字编码数字数据的数字编码n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。形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。n 基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很波形）的情况下直接传输数字信号，可以

55、达到很高的数据传输速率和系统效率。在基带传输数字高的数据传输速率和系统效率。在基带传输数字数据信号的编码方式主要有以下几种方法：数据信号的编码方式主要有以下几种方法： n n 不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：双极性两种： nDNRZ码是码是NRZ码的一种改进形式他是用信号的相位变化来表示二进制数码的一种改进形式他是用信号的相位变化来表示二进制数据的，即在每位开始时，逢据的，即在每位

56、开始时，逢“1”电平跳变，逢电平跳变，逢“0”电平不跳变。电平不跳变。DNRZ码不仅保持了全宽码的优点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步码不仅保持了全宽码的优点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。性。 双极性不归零码双极性不归零码(Double Polarity NRZ)：是以负电压表示是以负电压表示“0”，而用恒，而用恒定的正电压表示定的正电压表示“1”。 以上反之亦然，即负电压表示以上反之亦然，即负电压表示“1”，正电压表示，正电压表示“0”。 单极性不归零码单极性不归零码(Single Polarity NRZ)：是以无电压（无电流）表示是以无电压（无电流）表示“0”，而用恒定的正电压

57、表示，而用恒定的正电压表示“1”。 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：每个比特的周期比特的周期T分为前分为前T/2与后与后T/2两部分；通过前两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通传送该比特的反码，通过后过后T/2传送该比特的原码。传送该比特的原码。 是对曼彻斯特编码的改进是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信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

58、率只有调制速率的据传输速率只有调制速率的1/2。差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 0 1 1 0 1 0 0 1tO曼彻斯特编码曼彻斯特编码 0 1 1 0 1 0 0 1tO两种曼彻斯特编码n曼彻斯特编码规则是:在信号位中电平从低到高跳变表示0在信号位中电平从高到低跳变表示1n差分曼彻斯特编码规则是:在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑“1”在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑“0” 2.6 多路复用技术多路复用技术n多路复用多路复用：多个信息源共享一个公共信道：多个信息源共享一个公共信道n为何要复用？为何要复用？提高线路利用率提高线路利用率适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传适

59、用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时输需求时n类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）多路复用至两个或多个用户共享公用信道的一种多路复用至两个或多个用户共享公用信道的一种机制。通过多路复用技术，多个终端能共享一条机制。通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的，多路高速信道，从而达到节省信道资源的目的，多路复用有频分多路复用（复用有频分多路复用（FDMA）、时分多路复用）、时分多路复用（TDMA）、光波分多路复用（）、光波分多路复用（WDM）和码分多）和码分多路复用（路复用（CDMA）几种。）几种。n复用的基本思

60、想：复用的基本思想：把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据每个子信道传输一路数据。n复用方法复用方法频分复用频分复用FDM （Frequency Division Multiplexing）n按频率划分不同的信道，如按频率划分不同的信道，如CATV系统系统时分复用时分复用TDM （Time Division Multiplexing）n按时间划分不同的信道，目前应用最广泛按时间划分不同的信道，目前应用最广泛波分复用波分复用WDM （Wave Division Multiplexing） n按波长划分不同的信道，用于光纤传输按波