计算机网络二

1、12 计计计计计计 算算算算算算 机机机机机机 网网网网网网 络络络络络络31 1 基本概念基本概念 2 2 数据通信基础理论数据通信基础理论3 3 传输介质传输介质4 4 编码和调制编码和调制5 5 多路复用多路复用重点：数据通信基础理论和编码调制重点：数据通信基础理论和编码调制 第二章第二章 数据通信基础数据通信基础主要内容主要内容42.1 基本概念1 1、数据、数据n 模拟数据模拟数据连续的数据，比如音频数据连续的数据，比如音频数据n 数字数据数字数据离散的数据，比如整数。通常说的离散的数据，比如整数。通常说的数字数据是可以用二进制整数表示的数据。数字数据是可以用二进制整数表示的数据。2

2、 2、信号、信号n 信号是数据的电压或电磁编码。信号是数据的电压或电磁编码。n 模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；波；n 数字信号则是一系列离散的电脉冲。数字信号则是一系列离散的电脉冲。53 3、物理信道、物理信道传输信号的介质（媒体）传输信号的介质（媒体） 逻辑信道逻辑信道建立在物理信道上的逻辑通信道路建立在物理信道上的逻辑通信道路64 4、传输（信号传递过程）、传输（信号传递过程）1 1）模拟传输）模拟传输传输的是模拟信号传输的是模拟信号特点：长距离传输信号会衰减，用中继器放大信号再传输特点：长距离传输信号会衰减，用中继器放大信号再传输

3、，噪声（干扰）信号也放大，导致信号严重失真。，噪声（干扰）信号也放大，导致信号严重失真。2 2）数字传输）数字传输传输的是数字信号传输的是数字信号特点：对衰减的信号用转接器转接，转接器重新判别和恢特点：对衰减的信号用转接器转接，转接器重新判别和恢复数字信号，继续传输，这样容易保真。复数字信号，继续传输，这样容易保真。3 3）数据传递方式）数据传递方式(1)(1)并行传输、串行传输并行传输、串行传输(2)(2)异步传输、同步传输异步传输、同步传输(3)(3)单工、半双工和全双工单工、半双工和全双工72.22.2通信基础理论通信基础理论t码元码元1 1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信

4、号1 1、码元（、码元（Code cellCode cell）：时间轴上一个信号的编码单元。：时间轴上一个信号的编码单元。T2 2、信号传输速率、信号传输速率B - B - 每秒传输的码元数，单位为波每秒传输的码元数，单位为波特，特， 记作记作 BaudBaud。计算公式计算公式: B=1/T (Baud): B=1/T (Baud) . . 式中式中 T T为信号码元的宽度，单位为秒为信号码元的宽度，单位为秒 信号传输速率也称波特率。信号传输速率也称波特率。83 3、数据传输率、数据传输率R R -每秒传输每秒传输二进制二进制信息的位数，单位信息的位数，单位为位为位/ /秒，记作秒，记作bp

5、sbps。计算公式计算公式: R=B: R=Bloglog2 2N N (bps) . (bps) . 式中式中 B B为信号的波特率，为信号的波特率，N N为不同码元的个数；为不同码元的个数； loglog2 2N N 为码元可以携带二进制数据的位数为码元可以携带二进制数据的位数 数据传输速率也称数据传输速率也称比特率比特率。解读：解读：loglog2 2N N 为码元可以携带二进制数据的位数，为什为码元可以携带二进制数据的位数，为什么？么？假设假设 M M1 1 M M2 2 M M3 3 M M4 4 是是(N=)4(N=)4个不同的码元个不同的码元 按二进制编号便是按二进制编号便是 M

6、 M0000 M M0101 M M1010 M M1111 用来编号的二进制数需要用来编号的二进制数需要2 2位位=log=log2 24 49同理：如果设同理：如果设N=8N=8个不同码元个不同码元则用二进制数表示它们便是则用二进制数表示它们便是M M000000 M M001001 M M010010 M M011011 M M100100 M M101101 M M110110 M M111111 需要编码的二进制数的位数需要编码的二进制数的位数=log=log2 28 8一般的，有一般的，有loglog2 2N N 表示编号表示编号N N个不同码元的二进制数的位数个不同码元的二进制数

7、的位数另外，如果接收到码元就认为接收到编号，则信号通信就另外，如果接收到码元就认为接收到编号，则信号通信就转换成二进制数字通信了，不是吗？转换成二进制数字通信了，不是吗？因此，就有了前面的关系式因此，就有了前面的关系式 比特率比特率= =波特率波特率loglog2 2N .(2)N .(2)数据通信通过信号通信实现，实现方式为发送数据通信通过信号通信实现，实现方式为发送M0000即表示发即表示发送数据送数据0000。因此，发送一个码元即发送两位二进制数据。因此，发送一个码元即发送两位二进制数据。10例子：假设码元由载波例子：假设码元由载波 f(t)=Asin(Wt+Pf(t)=Asin(Wt+

8、P) )形式的波形式的波形构成，形构成，A A、W W、P P分别取两个不同的值，另某线路分别取两个不同的值，另某线路的信号传输率为的信号传输率为3k(1000)3k(1000)波特，问该线路的数据传波特，问该线路的数据传输率为多少？输率为多少？解：已知解：已知B=3k(baud),N=2B=3k(baud),N=22 22=82=8 由公式有由公式有 R=BR=Bloglog2 2N N=3k=3kloglog2 28=9k(bps)8=9k(bps)答：数据传输率为答：数据传输率为9kbps9kbps。11作业：作业：书书63页页 1、4、28网络阅读：网络阅读：信息与数据，信息熵与信息与

9、数据，信息熵与bps124、误码率、误码率误码率是衡量数据通信系统在正常情况下传输可靠性的指误码率是衡量数据通信系统在正常情况下传输可靠性的指标，它定义为标，它定义为NNePe）接收的总码元数（位数数）接收出错的码元数（位135 5、信道容量（信道最大数据传输速率）、信道容量（信道最大数据传输速率）1 1）信道容量：一个信道的最大数据传输速率，）信道容量：一个信道的最大数据传输速率，(bps)(bps)2 2）信道容量与数据传输速率的区别：）信道容量与数据传输速率的区别：u 信道容量表示信道的最大数据传输速率，是信道传信道容量表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限；输数据能力的极

10、限；u 数据传输速率是实际的数据传输速率。像公路上的数据传输速率是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。最大限速与汽车实际速度的关系一样。3 3）影响信道容量的主要因素是带宽和噪声。）影响信道容量的主要因素是带宽和噪声。144 4）NyquistNyquist定理：无噪声下的信道的最大信号传输速率定理：无噪声下的信道的最大信号传输速率RmaxRmax与信道带宽与信道带宽H H的关系如下：的关系如下：C=RmaxC=Rmax=2=2H Hloglog2 2N (bps)N (bps).(3).(3)式中式中H H为信道的带宽为信道的带宽, ,单位为单位为hz,Nhz,N

11、为不同码元的个数。为不同码元的个数。说明在无噪声的理想条件下，信道的容量与带宽成正比。说明在无噪声的理想条件下，信道的容量与带宽成正比。例子：普通电话线路带宽约例子：普通电话线路带宽约3khz3khz，若不同码元个数，若不同码元个数N=16N=16，求最大数据传输速率求最大数据传输速率( (信道容量信道容量) )。解：已知解：已知 H=3khz=3000hzH=3khz=3000hz，N=16N=16， 由由NyquistNyquist定理有定理有C=RmaxC=Rmax=2=23k3kloglog2 216=24kbps16=24kbps。答：最大数据传输率为答：最大数据传输率为24kbps

12、24kbps。152 2）ShannonShannon定理：对于带宽为定理：对于带宽为H H，信噪比为，信噪比为S/NS/N的有噪声信的有噪声信道，其最大数据传输率道，其最大数据传输率RmaxRmax为为 RmaxRmax = H = Hlog2(1+log2(1+S/NS/N) (bps) .(4) ) (bps) .(4) 其中其中S/NS/N为信号功率与噪声功率的比，称为信噪比为信号功率与噪声功率的比，称为信噪比一般使用数值一般使用数值1010lgS/N -lgS/N -分贝分贝(dB)(dB)来表示信噪比来表示信噪比。示例：已知信噪比为示例：已知信噪比为30dB30dB，带宽为，带宽为

13、3kHz3kHz，求信道容量。，求信道容量。解：已知解：已知 1010lgS/N=30,S/N=1000lgS/N=30,S/N=1000 由由shannonshannon定理有定理有 C=RmaxC=Rmax=3k=3klog2(1+1000)30kbpslog2(1+1000)30kbps答：信道容量为答：信道容量为30kbps30kbps。16通信基本参数小结通信基本参数小结1 1、信号传输率、信号传输率每秒钟发送几个码元（波特）每秒钟发送几个码元（波特）2 2、数据传输率、数据传输率每秒钟发送几位（每秒钟发送几位（bpsbps）3 3、误码率、误码率发送发送N N位数据有几位出错位数据

14、有几位出错4 4、信道容量、信道容量信道的极限传输能力信道的极限传输能力 NyquistNyquist： RmaxRmax=2=2H Hlog2N (bps)log2N (bps) 香农：香农： RmaxRmax = H = Hlog2(1+S/N)(bps)log2(1+S/N)(bps)5 5、带宽即速度、带宽即速度宽带即高速宽带即高速172.3 传输介质o 有线介质n 双绞线n 同轴电缆n 光纤o 无线介质n 无线电n 微波（大地微波、卫星微波）n 红外线（毫米波）n 激光18双绞线双绞线双绞线(TP)-由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。o屏蔽双绞线

15、屏蔽双绞线STP（IBM）nType 1或或Type 2o非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线UTP（ EIA/TIA）nCat 3 :四对线组成，用作四对线组成，用作10Mbps或或100Mbps以太以太网；网；nCat 5 :四对线组成，用作四对线组成，用作100Mbps以太网以太网；n特点特点o距离短：距离短：100m5000m，o传输容量：传输容量：100Mbps以内；以内；o价格便宜价格便宜; o低频低频(10kHz以下以下)抗干扰性能强于同轴电缆，抗干扰性能强于同轴电缆，o高频高频(10-100kHz)抗干扰性能弱于同轴电缆。抗干扰性能弱于同轴电缆。19 双绞线的连接标准n色彩标记和连接方法色

16、彩标记和连接方法：n直连线：568B568Bn交叉线：568A568B线对线对色彩码色彩码1白绿，绿白绿，绿2白橙，橙白橙，橙3白蓝，蓝白蓝，蓝4白棕，棕白棕，棕1122334412345678EIA-568A2211334412345678EIA-568B线对线对水晶头水晶头20从水晶头来看，从水晶头来看，A线和线和B线的区别线的区别21同轴电缆铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套o 基带电缆基带电缆n 粗缆粗缆o非中继传输距离非中继传输距离10kmoRmax=10 Mbpsn 细缆（便宜的同轴电缆）细缆（便宜的同轴电缆）o非中继传输距离非中继传输距离185米米oRmax

17、=10 Mbpso 宽带电缆宽带电缆n 非中继传输距离非中继传输距离100kmn Rmax= 900Mbpsn 传有线电视传有线电视22光纤光纤光纤-由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成的由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成的 。o 带宽带宽n 频率范围：频率范围：50 T Hzn 数据传输率数据传输率：100 Gbpso 实际使用：实际使用：10Gbps,原因：光原因：光/电、电电、电/光转换的速光转换的速度跟不上度跟不上;o 光电子技术光电子技术/光子技术光子技术o 通过光纤中光的波长通过光纤中光的波长n 0.85m / 1.3m / 1.55 m23光纤及光缆构成玻璃封套玻璃封套

18、塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆24单模光纤和多模光纤o 多模光纤（multi-mode fiber）n内芯直径稍大,其中有多个光沿不同的方向同时传播。o 直径为62.5mn使用普通发光二极管作为光源n波长为0.850.85mn中继距离2公里o 单模光纤（single-mode fiber）n内芯直径较小，与光的波长接近，光沿同一方向传播。o 直径为810mo 使用激光源,波长为1.55mn中继距离100公里激光器光检波器单束光线沿直单束光线沿直线传播线传播多束光线以不同的反射角传播多束光线以不同的反射角传

19、播激光器包层折射率低纤芯折射率高亮度调制光检波器25光纤的特点o 优点n 高带宽、高数据传输率n 抗电磁干扰强，数据传输安全、可靠n 抗腐蚀n 衰减小o 缺点n 单向传输n 光纤接口价格昂贵n 工艺复杂、安装技术复杂262.3.4 无线介质o 无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内一物理导体内o 无线介质主要包括无线介质主要包括n无线电波无线电波n微波（地面微波、卫星微波）微波（地面微波、卫星微波）n红外线、激光红外线、激光27（1）无线电波o无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。无线

20、电通信使用的频率一般在3MHz 至1GHz。o无线电波的传播特性与频率有关。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。28(2) 微波o 对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。o 微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在1GHz至20GHz左右。o 由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。o 中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于1

21、00m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。29地面微波地面微波-通过地面站之间接力传送通过地面站之间接力传送-接力站之间距离：接力站之间距离：50-100km-速率：每信道速率：每信道45Mb/s地面站之间的地面站之间的直视线路直视线路微波传微波传送塔送塔35,784公里公里地球地球地球同步卫星地球同步卫星-与地面站相对固定位置与地面站相对固定位置-使用使用3颗卫星即可覆盖全球颗卫星即可覆盖全球-传输延迟时间长（传输延迟时间长（270ms）-广播式传输广播式传输-应用领域：应用领域：电视传输、长途电话、专用网络、电视传输、长途电话、专用网络、广域网广域网302.4 编码与调制 计算机

22、中使用的都是二进制数据计算机中使用的都是二进制数据( (数字数据数字数据) )，为了利用线路传输数据，就必须将其变成信号。为了利用线路传输数据，就必须将其变成信号。1 1、数字数据、数字数据数字信号（编码）数字信号（编码）1 1）不归零编码不归零编码2 2）如何同步）如何同步3 3）曼彻斯特编码）曼彻斯特编码312 2、模拟数据、模拟数据数字数据调制数字数据调制NyquistNyquist抽样定理：抽样定理：设设f(tf(t) )最大频率为最大频率为fmfm，tm=1/fmtm=1/fm，用，用tm/2tm/2的时间间隔采样，的时间间隔采样，则采样的离散数据可以复原原来的则采样的离散数据可以复

23、原原来的f(tf(t) )。1)1)脉冲振幅调制（脉冲振幅调制（PAMPAM） 2)2)脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）3)3)差分脉冲编码调制（差分脉冲编码调制（DPCMDPCM） 4)4)增量调制（增量调制（MM）323 3、数字数据、数字数据模拟信号调制模拟信号调制原理：原理：采用载波采用载波 f(t)=Asin(Wt+Pf(t)=Asin(Wt+P) )来表示数字数据来表示数字数据1 1）移辐键控）移辐键控W W、P P不变，不变，A A的变化表示数字数据，比的变化表示数字数据，比如如 A=1A=1和和0 0表示数字表示数字1 1和和0 0。2 2）移频键控）移频键控A A、

24、P P不变，不变，W W的变化表示数字数据，如的变化表示数字数据，如果有果有K K个不同的频率个不同的频率W W，就可以每次携带，就可以每次携带loglog2 2K K位数字。位数字。3 3）移相键控）移相键控A A、W W不变，不变，P P的变化表示数字数据，如的变化表示数字数据，如果有果有L L个不同的频率个不同的频率P P，就可以每次携带，就可以每次携带loglog2 2L L位数字。位数字。4 4）正交调制）正交调制同时变化同时变化A A、W W、P P331 1、如果是模拟信号，则一定存在正整数、如果是模拟信号，则一定存在正整数N N， 当当n nN N时，时，a an n=b=bn

25、 n=0=0。 这样的信号称为频带信号，这样的信号称为频带信号，NN1 1就是其带宽。就是其带宽。2 2、如果是数字脉冲信号，则对于任何、如果是数字脉冲信号，则对于任何n n 都有都有 a an n00，b bn n 0 0。 这样的信号称为基带信号。这样的信号称为基带信号。傅立叶级数傅立叶级数:343 3、模拟传输、模拟传输模拟信道模拟信道( (模拟模拟) )频带信号频带信号4 4、数字传输、数字传输数字信道数字信道( (数字数字) )基带信号基带信号因此因此 模拟传输也称为频带传输模拟传输也称为频带传输传输频带信号传输频带信号 数字传输也称为基带传输数字传输也称为基带传输传输基带信号传输基

26、带信号2.6 2.6 多路复用多路复用 多路复用技术就是在一个信道上同时传输多路复用技术就是在一个信道上同时传输多个信号的技术。多个信号的技术。 35o 频分多路复用频分多路复用FDM(Frequency Division FDM(Frequency Division Multiplexing)Multiplexing)n 主干线路的频带被划分为若干主干线路的频带被划分为若干子子( (逻辑逻辑) )信道，每信道，每个用户独占某些频段；个用户独占某些频段；n 调频广播以及有线电视。调频广播以及有线电视。DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿36o 波分多路复

27、用波分多路复用WDM(Wave Division Multiplexing)WDM(Wave Division Multiplexing)n FDMFDM在光纤介质中的应用；在光纤介质中的应用；o 时分多路复用时分多路复用TDM(Time Division MultiplexingTDM(Time Division Multiplexing）n 每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；每个用户轮流瞬间地占有主干线路的整个带宽；n 在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能在数字通信系统中，对主干线路的多路复用只能采用采用TDMTDM，因为数字信号的频谱有可能占居整个，因为数字信号的频谱有可能

28、占居整个信道带宽。信道带宽。372-82-8物理层接口物理层接口任务：在两个相邻的节点间传送比特流。任务：在两个相邻的节点间传送比特流。协议协议( (标准标准) )：规定了物理接口的各种特性：规定了物理接口的各种特性：机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格；机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格；电气特性：信号的表示方式，脉冲宽度和频率电气特性：信号的表示方式，脉冲宽度和频率功能特性：接口引（线）脚的功能和作用；功能特性：接口引（线）脚的功能和作用；过程特性：信号时序，应答关系，操作过程。过程特性：信号时序，应答关系，操作过程。功能：建立和拆除物理连接、位流传输、管理功能：建立和拆除物理连接、

29、位流传输、管理38物理层接口示例物理层接口示例1 1） RS-232-CRS-232-C是美国电子工业协会是美国电子工业协会(EIA)(EIA)于于19731973年提年提出的串行通信接口（出的串行通信接口（comcom）标准；）标准； 计算机A 计算机B 调制解调器A 调制解调器B 公用电话网 RS-232-C RS-232-C 计算机通过串口（计算机通过串口（com）与调制解调器连接。）与调制解调器连接。一般有一般有9芯和芯和25芯两种。芯两种。39（1）RS-232-C机械特性12345678910111213141516171819202122232425RS-232-C 25根引脚编

30、号图（插孔）RS-232-C (9)40信号电平使用负逻辑信号电平使用负逻辑l逻辑逻辑1 用负电平（用负电平（-5-15V）表示；）表示；l逻辑逻辑0用正电平（用正电平（+5+15V）表示）表示数据传输率支持数据传输率支持100、300、600、1200、2400、4800、9600、19.2K、33.6K、56K l1200 bps， 传输距离传输距离 = 100m，l9600bps，传输距离，传输距离=19.2kbps,传输距离传输距离=15m。(2) RS-232-C电气特性41（3）RS-232-C功能特性25芯引脚号线的编号接口电路名称 DTE -DCE数据控制定时地线1AA屏蔽地

31、PG7AB信号地 GND2BA发送数据 TxD3BB接收数据 RxD4CA请求发送 RTS 5CB允许发送 CTS6CC数据设备准备好 DSR20 CD数据终端准备好 DTR8CF载波检测 CD4221CG信号质量检查 SQD23CH数据信号速率选择(DTE)18CI数据信号速率选择(DCE)24DA发送信号码元定时(DTE) TxC15DB接收信号码元定时(DCE) TxC17DD接收信号码元定时(DCE) RxC14SBA备用信道发送数据16SBB备用信道接收数据19SCA备用信道请求发送13SCB备用信道允许发送12SCF备用信道载波检测22CE呼叫指示器RS-232-C功能特性（功能特

32、性（conti.)43交叉电缆 (b) 复 杂 型 DTE DTE T xD 2 RxD 3 RT S 4 CT S 5 CD 8 Gnd 7 DT R 20 DSR 6 2 T xD 3 RxD 4 RTS 5 CTS 8 CD 7 Gnd 20 DT R 6 DSR (a) 简 单 型 DTE T xD 2 RxD 3 Gnd 7 DTE 2 T xD 3 RxD 7 Gnd 44作业：作业：书书64页页 13 153、已知数据、已知数据1100101，分别画出按曼，分别画出按曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的信号图。彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的信号图。4501011110返回返回46曼彻

33、斯特编码曼彻斯特编码 0 1 1 0 0 1差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码返回返回47信息编码信息编码48 =香农香农（1948）证明：平均码长）证明：平均码长信息熵信息熵49上节课两个重要定理上节课两个重要定理Harry NyquistHarry Nyquist：19241924年年RmaxRmax=2=2H Hloglog2 2N (bps)N (bps)Claude Elwood ShannonClaude Elwood Shannon:1949:1949年年RmaxRmax = H = Hloglog2 2(1+S/N)(bps)(1+S/N)(bps)50实验课小结实验课小结IP对应主机（网络层地址）对应主机（网络层地址）端口对应应用程序（传输层地址）端口对应应用程序（传输层地址）51书书253253页页525354 a tourist visiting Englands Eton College askd gardener how he got th