第12章 计算机通信(精简)

1、第第 6 部分部分 通信层通信层 通信层在计算机系统的位置通信层在计算机系统的位置 第第 12 章章 计算机通信计算机通信 本章讨论的主要问题是：本章讨论的主要问题是： 1. 信息在传送中是什么信息在传送中是什么样子样子？如何？如何表示表示要传送的信息？要传送的信息？ 2. 通信要将信息从源头传送到目的地，用什么样的通信要将信息从源头传送到目的地，用什么样的线路和传线路和传送方式送方式将信息从一个通信的节点传送到另一个节点？将信息从一个通信的节点传送到另一个节点？ 3. 信息应该怎样信息应该怎样寻找寻找有效的网络有效的网络路径路径，一步步到达目的地？，一步步到达目的地？情景问题情景问题通信系统

2、与物流系统通信系统与物流系统 物流系统与通信系统的类比：物流系统与通信系统的类比：货物货物信息信息交通工具交通工具信号信号道路道路传输线路和信道传输线路和信道道路的交叉点道路的交叉点交换机、路由器等中间设备交换机、路由器等中间设备通过调制信号，可以搭载信息。情景问题情景问题通信系统与物流系统通信系统与物流系统 在物流系统中，源头需将货物在物流系统中，源头需将货物拆分、打包拆分、打包，再选择合适的交，再选择合适的交通工具，通工具，比如大型货车、小型货车、冷藏车等，在目的地需在目的地需将货物将货物拆包、组装拆包、组装，这就是通信系统中的，这就是通信系统中的编码、解码编码、解码以及以及数数据分组格式

3、的选择据分组格式的选择。在运输过程中，有的包在运输过程中，有的包丢失丢失一个两个没有关系，有的包不允一个两个没有关系，有的包不允许有任何丢失，一旦丢失就需要许有任何丢失，一旦丢失就需要重新运输重新运输这个包，这个包，例如，如果运输的是一批煤，丢一包煤并不会影响其他煤的使用，如果运输的是一台数控机床，丢一个包就会造成整个机床无法使用，这就是通信系统中的，这就是通信系统中的监测监测和和重发重发机制。机制。情景问题情景问题通信系统与物流系统通信系统与物流系统 交通工具在道路上行驶必须遵守交通规则，这就是通信系统中的通信协议。通信协议。交通工具在行驶的过程中应该根据最新的路况信息来选择路径，这就是通信

4、系统中的流量分析、路由选择。流量分析、路由选择。通信领域的工作通信领域的工作1.对通信中的“道路道路”、“交通工具交通工具”、“交通规则交通规则” 的标准定义、设计、开发、制造、建设和维修维护2.向有运输需求的人提供有偿服务。12.1 概述概述 12.1.1通信的起源和发展通信的起源和发展 1. 面对面地说话；2. 用肢体语言表示。人与人之间人与人之间近距离近距离如何交流？如何交流？人与人之间人与人之间远距离远距离如何交流？如何交流？把要表达的内容转换为文字、声音、图像等形式，再通过某种装置从一个地方传送到另一个地方。从从“烽火台、信号灯、信鸽烽火台、信号灯、信鸽现代通信现代通信”12.1 概

5、述概述 12.1.1 通信的起源和发展通信的起源和发展 n19世纪世纪40年代，年代，电磁技术电磁技术开始应用于通信领域。开始应用于通信领域。n1844年，年，电报电报的发明使人类首次具有了远程快速传递信息的发明使人类首次具有了远程快速传递信息的能力。的能力。n1876年，年，电话电话的发明使人类的通信能力扩展到语音模式。的发明使人类的通信能力扩展到语音模式。 人们开始使用电话、电报、传真，到大规模地建设各种电信网络（如公众交换电话网PSTN），远程通信技术得到了长足的发展。n电子技术电子技术开始应用于通信领域，开启了现代通信的篇章，开始应用于通信领域，开启了现代通信的篇章， 12.1.2 计

6、算机通信系统模型计算机通信系统模型 n 信源信源：通信的源头。：通信的源头。n 信宿信宿：通信的目的地。：通信的目的地。n 信道信道：传送信号的通路，也就是传输介质。：传送信号的通路，也就是传输介质。 信息以电子、电磁、光等不同形式的信息以电子、电磁、光等不同形式的信号信号在信道上传在信道上传输。输。计算机通信系统模型如图12.1所示：邮件的传输过程？邮件的传输过程？12.1.3 通信协议通信协议 n通信协议：通信协议：节点间的通信要一种双方都能理解的通用语言，遵守一些事先约定好的规则，这种通用语言和规则就是。 任何情况下，直接连接两台通信设备是不现实的。信号要经过许多中间交换设备才能从源地改

7、善到目的地。n 国际标准化组织的国际标准化组织的OSI；n 国际电信联合会的国际电信联合会的X系列、系列、V系列以及系列以及I系列建议书；系列建议书；n 美国电气电子工程师学会的美国电气电子工程师学会的IEEE 802 LAN协议标准；协议标准；n 美国电子工业协会的美国电子工业协会的RS系列标准等。系列标准等。通信协议通信协议有哪些？通信和数学的本质区别通信和数学的本质区别n数学是诠释大自然普通规律的一门科学，任何数学是诠释大自然普通规律的一门科学，任何定律，虽是人发现的，但无人的感情成分。定律，虽是人发现的，但无人的感情成分。n而通信则不同，通信中的大量协议是在基础上而通信则不同，通信中的

8、大量协议是在基础上人为定义的，所以出现了同一技术规范下，不人为定义的，所以出现了同一技术规范下，不同的标准化组织定义不同协议。同的标准化组织定义不同协议。n计算机通信是用电磁信号传递信息，那么通信计算机通信是用电磁信号传递信息，那么通信的第一个要解决的问题是：如何把文字、声明、的第一个要解决的问题是：如何把文字、声明、图像等变成电磁信号，即信息的图像等变成电磁信号，即信息的编码编码。12.2 信息的编码信息的编码 信息必须转换为信号才能在通信系统里传输。n 信号分类类：信号分类类：模拟信号模拟信号和和数字信号数字信号。12.2 信号信号 1.模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号模拟信号

9、是一种连续变化的波，模拟信号的基本特征是频率和振幅。数字信号数字信号是一系列的脉冲，脉冲的状态只有两种，是一系列的脉冲，脉冲的状态只有两种，例如高电平和低电平。因为不存在中间状态，脉冲在不断地跃变，因为不存在中间状态，脉冲在不断地跃变，因此数字信号是离散的。因此数字信号是离散的。 传送模拟信号传送模拟信号时，隔一定距离要用放大器增强信号。存在问题：存在问题： 由噪声引起的信号失真也随之放大。 传输距离增大时，多级放大器的串联会导致失真的叠加，从而使得信号的失真越来越大。 在传送数字信号传送数字信号时，每隔一定距离要用中继器等中间设备来增强信号的强度，并且修复信号的波形。特点：特点：重新产生的信

10、号完全消除了前一段传输过程中信号的衰减和畸变。所以，远距离通信通常采用数字信号。 2.信号的传送信号的传送 信号在传送过一段距离后都会有信号的衰减和畸变，强度会衰减，波形会走样。因此，需要有某种装置将失真失真的信号还原的信号还原。图12.5 数字信号在线路上的传输3.调制与解调调制与解调 在通信中，需在数字信号和模拟信号之间进行多次转换。n调制：调制：把数字信号转换为模拟信号。把数字信号转换为模拟信号。n解调：解调：把模拟信号还原为数字信号。把模拟信号还原为数字信号。n调制解调器（调制解调器（ Modem ）：）：完成调制和解调的设备。完成调制和解调的设备。（1）调制）调制调制是把信息“装载”

11、到载波上的过程。n有三种基本调制方法：有三种基本调制方法：调幅调幅 通过改变载波信号的振幅，假设现在要传送数字信息，通过改变载波信号的振幅，假设现在要传送数字信息，调幅是用振幅的变化来表示调幅是用振幅的变化来表示0和和1，例如，用振幅大的波表示1，用振幅小的波表示0。调频调频 通过改变载波信号的频率，用频率的变化来表示通过改变载波信号的频率，用频率的变化来表示0和和1，例如，用高频载波表示1，用低频载波表示0。 调相调相 通过改变载波信号的相位变化来表示通过改变载波信号的相位变化来表示0和和1，例如，如果载波一个周期的相位与前一个周期相比，相位发生发生了改变表示1，没有发生改变表示0。 相位：

12、描述信号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。在函数y=Acos(x+)中，x+称为相位 一分钟练习一分钟练习n把数字信号转换为模拟信号叫把数字信号转换为模拟信号叫_，把模，把模拟信号还原为数字信号叫拟信号还原为数字信号叫_ 。 调制调制解调解调12.2.2 信道信道传输介质传输介质 n传输介质：传输介质：即信道，是传送信号的通路。n模拟信道：模拟信道：传输模拟信号的信道n数字信道：数字信道：传送数字信号的信道。n不同的通信信道有不同的不同的通信信道有不同的带宽带宽和数据和数据传输速率传输速率n带宽带宽：通信信道能够通过信号的频率范围，其单位是：通信信道能够通过信号的频率范围，

13、其单位是Hzn速率速率：每秒钟传输的比特数，其单位是：每秒钟传输的比特数，其单位是bps。显然，。显然，带宽和速率成正比。带宽和速率成正比。对于模拟信号，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。例如模拟语音电话的信号带宽为3400Hz，一个PAL-D电视频道的带宽为8MHz。数字设备中，频宽通常以bps表示，即每秒可传输之位数。描述带宽时常常把“比特/秒”省略。例如，带宽是 10 M，实际上是 10 Mb/s。 传输介质的分类传输介质的分类n 传输介质分传输介质分有线介质有线介质和和无线介质无线介质两大类。两大类。n 常用的有线介质：常用的有线介质：（1）双绞线。（2）同轴电缆。（3）光纤。n

14、常用的无线介质：常用的无线介质：（1）微波。（2）卫星。 双绞线是由一对相互绝缘的金属导线绞合而成。一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰，而且可以降低自身信号的对外干扰。注意：注意：一般扭线的越密其抗干扰能力就越强，与其他传输介质相比，双绞线在传输距离，信道宽度和数据传输速率等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。 由一根空心的外圆柱体及其所包围的竟要导线组成，柱体和导线之间用绝缘材料填充。特点：特点：频率特性和屏蔽性能比双绞线好，能进行较高速率的传输。 光纤由一束光导纤维组成。特点：通信容量较大、传输距离较远，电磁绝缘性能较好、衰减较小

15、。 微波。使用高频率的无线电波以直线形式通过大气传播。传播距离短，对城市建筑物间和大型的校园中传输数据，是一个理想介质。卫星通信使用地球36000km的卫星作为微波转播站。卫星能发送大量数据，但易受天气的影响。12.3 数据交换数据交换 12.3.1 线路交换线路交换 n线路交换线路交换是在通信双方之间建立一条专用的通信线路。是在通信双方之间建立一条专用的通信线路。最典型的线路交换是电话系统， n 评价：评价： 就通信网络的公共资源利用率而言，线路交换方式的使用效率比较低使用效率比较低。 但是，一旦建立起通信线路，通信双方就能够以固定的传输率来传送数据，除了在线路和中间交换设备上必须消耗的时间

16、外，不会再有其他的延迟，因此，数据数据传输率比较高传输率比较高。数据交换是指信号在通信网络中的整个传输过程。数据交换的方式分为线路交换和存储转发交换。12.3.2 存储转发交换存储转发交换 n分组交换：分组交换：较常用，即把要传输的数据分割成比较小的一个个分组独立传送。n分组交换分为分组交换分为虚电路交换虚电路交换和和数据报交换数据报交换 虚电路交换首先建立一条连接源地和目的地的线路，每个数据分组都沿着这条线路传输，在中间交换设备不再进行路径选择。 数据报方式是一种无连接方式，各个数据分组可以沿着不同的传输路径到达目的地。 IP电话是哪种数据交换方式？电话是哪种数据交换方式？12.4 寻址寻址

17、 12.4.1 通信方向通信方向 n 寻址首先要寻找方向。所谓寻址首先要寻找方向。所谓通信方向通信方向是指两个网络节点设是指两个网络节点设备之间的数据流向。备之间的数据流向。通常有以下三种通信方向：通常有以下三种通信方向： （1）单工单工。信道上数据流向是单方向的，数据只能向一个。信道上数据流向是单方向的，数据只能向一个方向流动。通信时，一方只能发送，另一方只能接收。方向流动。通信时，一方只能发送，另一方只能接收。 如电视机信号（2）半双工半双工。在同一时刻，通信双方只能有单一方向的数。在同一时刻，通信双方只能有单一方向的数据流向，一方要么处于发送状态，要么处于接收状态，不能据流向，一方要么处

18、于发送状态，要么处于接收状态，不能同时又发又收。可以将半双工看成是可切换方向的单工通信，同时又发又收。可以将半双工看成是可切换方向的单工通信，从某一时刻看是单工的，从总体上看是双工的。从某一时刻看是单工的，从总体上看是双工的。 如对讲机（3）全双工全双工。在同一时刻，通信双方有两个方向相反的数。在同一时刻，通信双方有两个方向相反的数据流向，任何一方都可以一边发送数据一边接收数据，允许据流向，任何一方都可以一边发送数据一边接收数据，允许数据在两个方向上同时传输，在能力上相当于两个单工通信数据在两个方向上同时传输，在能力上相当于两个单工通信方式的结合。方式的结合。 如电话如电话12.4.2 地址标

19、识地址标识 n 任何接入通信网络的终端任何接入通信网络的终端A，如果需要从通信网络的另一个，如果需要从通信网络的另一个终端终端B获取信息，必须知道获取信息，必须知道B所在的位置，这个位置就是地址。所在的位置，这个位置就是地址。n 在各种通信手段中，应用了各种各样的通信地址，相对应地在各种通信手段中，应用了各种各样的通信地址，相对应地就有各种各样的寻找地址的方法。就有各种各样的寻找地址的方法。 1. MAC地址地址 网络中的每一个主机都有一个物理地址，也称网络中的每一个主机都有一个物理地址，也称硬件地址硬件地址或或 MAC 地址（地址（Media Access Address，介质访问地址）。，

20、介质访问地址）。 MAC地址是一个全局地址，而且要保证世界范围内唯一。地址是一个全局地址，而且要保证世界范围内唯一。主机的主机的MAC地址实际上是其连网所用的网卡上的地址，通常地址实际上是其连网所用的网卡上的地址，通常每一块网卡都带有一个全球唯一的每一块网卡都带有一个全球唯一的 6 字节地址字节地址。 为保证唯一性，网卡的生产厂商要向为保证唯一性，网卡的生产厂商要向IEEE的注册管理委的注册管理委员会购买地址的前员会购买地址的前3个字节，作为生产厂商的唯一标识，后个字节，作为生产厂商的唯一标识，后3个字节由生产厂商自行分配，并在生产网卡时固化在个字节由生产厂商自行分配，并在生产网卡时固化在RO

21、M中。中。 2. IP地址地址 IP地址是在地址是在Internet上某台主机（包括路由器和交换机）上某台主机（包括路由器和交换机）的惟一标识，的惟一标识，IP地址的分配和管理由全球唯一的地址的分配和管理由全球唯一的IP网地址管网地址管理机构理机构互联网名称和数字地址分配机构（互联网名称和数字地址分配机构（ICANN）负责。）负责。 IP地址是一个地址是一个32位的二进制数字，用二进制直接表示位的二进制数字，用二进制直接表示IP地址非常繁琐和令人费解，于是，人们采用地址非常繁琐和令人费解，于是，人们采用4段数字，每一段段数字，每一段数字就是数字就是8位二进制数字，并且用十进制表示，就是位二进制

22、数字，并且用十进制表示，就是0255。一个一个IP地址可以表示为地址可以表示为211.99.34.33。分类分类IPIP地址地址传统的因特网采用传统的因特网采用分类地址分类地址。IP定义了五类定义了五类IP地址：地址：A类、类、B类、类、C类、类、D类和类和E类类。如图。如图3-3所示。所示。 A 类类： 图图 3-3 互互联联网网 IP 地地址址类类别别 0 B 类类： 10 C 类类： 110 D 类类： 1110 E 类类： 1111 第第一一字字节节 第第二二字字节节 第第三三字字节节 第第四四字字节节 0127 第第一一字字节节取取值值 128191 192223 224239 24

23、0255 网网络络号号 主主机机号号 1 字字节节 3 字字节节 2 字字节节 2 字字节节 3 字字节节 1 字字节节 各类网络所占地址空间的比例如图各类网络所占地址空间的比例如图3-4所示。所示。A、B和和C是是三个基本的类三个基本的类，分别代表不同规，分别代表不同规模的网络模的网络:A类地址类地址:1个字节的网络号个字节的网络号,3个字节的主机号，个字节的主机号，用于少量的大型网络。用于少量的大型网络。B类地址类地址:2个字节的网络号个字节的网络号,2个字节的主机号，个字节的主机号，用于中等规模的网络。用于中等规模的网络。C类地址类地址:3个字节的网络号个字节的网络号,1个字节的主机号，

24、个字节的主机号，用于小规模的网络。用于小规模的网络。一分钟练习一分钟练习n下列下列IP地址为地址为C类的是类的是_。( )nA12.34.23.01 B1921681522nC120.43.45.6 D168134168.01n下列下列IP地址为地址为C类的是类的是_。( )nA12.34.23.01 B1921681522nC120.43.45.6 D168134168.01 3. 域名地址域名地址 通过IP地址可以访问互联网上的任何主机，但记住这些数字串很令人头疼， DNS（域名解析体系）将IP地址翻译成域名。 域名类似于写信时写在信封上的地址，域名类似于写信时写在信封上的地址，如省名、城