网络通信基础和模型分析

1、网络通信基础和模型分析网络通信系统的模型 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 机数据传输方式单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。 信道的极限容量 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信

2、号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 有失真，但可识别失真大，无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形 数据编码数字数据编码为数字信号数字数据编码为模拟信号模拟数据编码为模拟信号模拟数据编码为数字信号电话通信信道是典型的模拟通信信道。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输，必须将数字信号转换成模拟信号。数字数据编码成模拟信号将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制(modulation)，将调制设备称为调制器(mod

3、ulator)；将接收端把模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调(demodulation)，将解调设备称为解调器（demodulator）。同时具备调制与解调功能的设备，就被称为调制解调器(modem) 。在调制过程中，首先要选择音频范围内的某一角频率的正(余)弦信号作为载波，该正(余)弦信号可以写为：s(t)=Acos(2ft+)在载波中，有三个可以改变的电参量：振幅A、频率f与相位 。我们可以通过变化三个电参量，来实现模拟数据信号的编码。 振幅键控方法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A为表示数字1，用载波幅度为0表示数字0。振幅键控ASK信号实现

4、容易，技术简单，但抗干扰能力较差。振幅键控ASK（Amplitude-Shift Keying）移频键控FSK（Frequency-Shift Keying）移频键控方法是通过改变载波信号频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用频率f1表示数字1，用频率f2表示数字0。 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。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。移相键控（Phase-Shift Keying）PSK绝对调相在载波信号

5、中， 为载波信号的相位。最简单的情况是：我们用相位的绝对值来表示它所对应的数字信号。当表示数字1时，取 0；当表示数字0时，取 =。 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。相对调相用载波在两位数字信号的交接处产生的相位位移来表示载波所表示的数字信号。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。在实际使用中，移相键控方法可以方便地采用多相调制方法，以达到高速传输的目的。移相键控方法的抗干扰能力强，但实现技术较复杂。 相对调相数字数据编码为数字信号1不归零NRZ2不归零反相编码NRZI3曼彻斯特4差分曼彻斯特不归零编

6、码(Non-Return to Zero, NRZ)将数值1映射为高电平，数值0映射为低电平。优点 实现起来简单而且费用低。缺点 1) 连续“0”和连续“1”问题 2) 发送方和接收方的时钟不能精确同步比特 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0NRZ 不归零反相编码(Non-Return to Zero inverted)信号电平的一次反转代表比特1，没有电平变化的信号代表比特0。NRZI优于NRZ编码:由于每次遇到比特1都发生电平跳变,这能提供一种同步机制。数据流中的1能使接收方能根据信号的实际到达，对本身时钟进行再同步。一连串0仍会造成麻烦，但如果连续0出现不频繁

7、，问题就小许多。比特 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0NRZI曼彻斯特编码（Manchester coding）曼彻斯特编码在每个比特间隔的中间引入跳变，用于同步和比特表示。一个由低电平到高电平的跳变代表比特0 ，而高电平到低电平的跳变代表比特1 ，反之亦可。通过这种跳变的双重作用，达到了同步的效果。比特 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 时钟Manchester差分曼彻斯特编码根据比特间隔的开始位置是否有跳变来表示不同的比特。开始位置有跳变代表“0”，无跳变代表“1”，反之亦可。 比特 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0

8、 0 0 1 0 时钟差分Manchester 曼彻斯特编码的效率Manchester编码可以保证在每个比特的正中间出现一个跳变，这对接收端提取比特同步信号是非常有利的。但从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，这就是它所占的带宽比原始的基带信号增加了一倍，需要更高频的电路设备，实际上是通过传输每位数中间的跳变方向来表示传输数据的值。 曼彻斯特编码的效率这使得链路上的信号跳变频率加倍，在相同条件下，NRZ和NRZI传输的比特是曼彻斯特编码的2倍，曼彻斯特编码的编码效率仅为50%。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特将数据和时钟都包含在编码中，所以二者都称为为自同步编码。异步、同步传输在网络通信过程中，通信

9、双方要交换数据，需要高度的协同工作。为了正确的解释信号，接收方必须确切地知道信号应当何时接收和处理，因此定时是至关重要的。同步是要接收方按照发送方发送的每个位的起止时刻和速率来接收数据，否则会产生误差。通常可以采用同步或异步的传输方式对位进行同步处理。 异步传输异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。如计算机键盘与主机的通信。按下一个字母键、数字键或特殊字符键，就发送一个8比特位的ASCII代码。键盘可以在任何时刻发送代码，这取决于用户的输入速度，内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符。

10、异步传输异步传输存在一个潜在的问题，即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。因此，每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。异步传输异步传输的实现比较容易，由于每个信息都加上了“同步”信息，因此计时的漂移不会产生大的积累，但却产生了较多的开销。如每8个比特要多传送两个比特，总的传输负载就增加25%。对于数据传输量很小的低速设备来说问题不大，但对于那些数据传输量很大的高速设备来说，25%的负载增值就相当严重了。因此，异步传输常用于

11、低速设备。同步传输同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。将这些组合称为数据帧，或简称为帧。 数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独特的比特组合，类似于前面提到的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。 帧的最后一部分是一个帧结束标记。同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符，它就在接下来的数据到达时接收它们。另外，同步传输的开销也比较少。例如，一个典型的帧可能有500字节（即400

12、0比特）的数据，其中可能只包含100比特的开销。增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%，这与异步传输中25 %的增值要小得多。随着数据帧中实际数据比特位的增加，开销比特所占的百分比将相应地减少。但是，数据比特位越长，缓存数据所需要的缓冲区也越大，这就限制了一个帧的大小。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。 同步与异步传输的区别异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。 异步传输通过字符起止的开始和停止码进行，而同步传输则是在数据中抽取同步信息。 异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通

13、过特定的时钟线路协调时序。 异步传输相对于同步传输效率较低。 传输介质定义：传输介质是数据传输系统当中发送装置、接收装置以及中继器之间的物理媒质。传输介质一般有两大类：硬介质（导向）：如双绞线、同轴电缆、光纤等；软介质（无导向）：如微波、红外等无线方式；作用：数据通信中，数据传输的特性和质量取决于信号的性质和介质性质，因此研究各种传输介质的特性对组建网络和数据通信具有重要的意义。传输结构：点对点、点对多点、多点对多点双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,每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。双绞线一般由两根2

14、226AWG（American Wire Gauge：美国线规：测量电缆直径，AWG值越小，导线越粗）绝缘铜导线相互缠绕而成。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。双绞线在双绞线电缆内,不同线对具有不同的扭绞长度,一般地说,扭绞长度在至14mm内,按逆时针方向扭绞。双绞线越密，效果越好，当然成本也就越高，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度等方面均受到一定限制,但价格较为低廉。 双绞线可以分为屏蔽双绞线（STP也称为特性阻抗为150的电缆）与非屏蔽双绞线（UTP也称特性阻抗为100的电缆）两大类。EIA/TIA568-A为UTP非屏蔽双绞线定义了不同

15、质量的型号。这几种型号如下：第一类：主要用于传输语音，不用于数据传输。第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输。第三类：指目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为16MHz,用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输。第四类：该类电缆的传输频率为20MHz,用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输。规格型号第五类：该类电缆增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率为100MHz,用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，这是最常用的以太网电缆。超5类非屏蔽双绞线标准，该标准在开发过程中被修改了

16、14次，主要支持千兆以太网，是对5类非屏蔽双绞线的改进型，在远端串音（NEXT:Near End-Cross Talk）、近端串音（PSELFEXT:Power Sum E-qual Far End Cross Talk）和损耗特性等方面都有很大的改进。超5类可达155Mb/s以上。此外还有Anixter公司自己的电缆分类，他的电缆分类方法是级，目前超5类电缆后的几个级别为6和7级，频率分别达到了350M和400M，被规范用于更高速率的传输。屏蔽双绞线是专为令牌环网络设计的。150屏蔽双绞线对用金属箔缠绕屏蔽后，被封装在金属丝编织的屏蔽罩内，因而EMI和串音均达到最小。屏蔽双绞线被EIA标准认

17、可的只有两种，分别有1A 类和6A 类。屏蔽双绞线不使用在以太网之中，因为制作比较麻烦，而且价钱较非屏蔽双绞线贵。性能指标对于双绞线,用户最关心的是表征其性能的几个指标。这些指标包括衰减、近端串扰、阻抗特性、分布电容、直流电阻等。安普：安普（AMP）这一品牌是我们见的最多，也是最常用的一个，它的最大特点就是质量好、价格便宜。它的假货也是最多的。西蒙：西蒙（Siemon）产品在综合布线系统中是经常可以见到的，相比安普品牌来说，档次要高许多，质量、技术特性都高出一个档次，当然其价格也高许多.主要的品牌：朗讯：朗讯（Lucent）这一品牌虽然听得较多，但是双绞线行业我们还是较少见到，特别是中、小型企

18、业中。朗讯以贝尔实验室为后盾，朗讯科技设计开发的端到端“六类”布线系统，对网络中连接主机及计算机布线统的每一元件都进行了革新，更加优化了布线系统的端到端性能。丽特IBM通常我们使用的双绞线，不同生产商的产品标志可能不同，但一般包括以下一些信息： 双绞线类型、NEC/UL防火测试和级别、CSA防火测试、长度标志、 生产日期、 双绞线的生产商和产品号码。由于双绞线记号标志没有统一标准，因此并不是所有的双绞线都会有相同的记号。 UTP cable (photo)屏蔽双绞线同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料。绝缘材料外层用密织的网状导体环绕，(起屏蔽作用,网编织的越密,屏蔽性越好)网外又覆盖一层保

19、护性材料。同轴电缆的这种结构，使它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。同轴电缆的带宽取决于电缆长度。基带同轴电缆的屏蔽线是用铜做成的网状的,特征阻抗为50(如RG-8（粗缆）、RG-58（细缆）等)；传输数字信号，主要用于以太网，现在基本被光纤取代；同轴电缆宽带同轴电缆的屏蔽层通常是用铝冲压成的,特征阻抗为75(如RG-59等)。传输模拟信号，主要用于有线电视网络。粗同轴电缆与细同轴电缆是指同轴电缆的直径大还是小。粗缆适用于比较大型的局部网络,它的标准距离长、可靠性高。安装难度大,所以总体造价高。细缆安装则比较简单,造价低, 当接头多时容易产生接触不良的隐患。 光缆的种类繁多，但基本都是由加强元、

20、光纤单元、外护套以及填充物组成的。光缆按其光纤单元装入的光纤光学特性可以简单地分为多模光缆和单模光缆两类。光纤不会向外界辐射电子信号，所以使用光纤介质的网络无论是在安全性，网络性能方面都有了很大的提高。光纤传输的带宽大大超出铜质线缆，而且光纤支持的最大连接距离达两公里以上，是组建较大规模网络的必然选择。光纤光纤是光导纤维的简称。它是一个由玻璃或塑料纤维制成的纤芯，它的光折射率较低；纤芯外面有个镀层叫做包层，它的光折射率比纤芯略高一些。纤芯和包层的折射率有差别，是为了光线在纤芯和包层之间产生全反射，使光线能封闭在纤芯之中通过全反射进行传播。光纤一般由纤芯区、包层区和外层护套所组成。纤芯区处于光纤

21、的中心区，功能是将光信号在本区内传输，因而是最重要的区域。包层区包裹着纤芯区，功能是保证纤芯区内的光信号“跑不出来”。外护套处于光纤的最外层，包围着包层区，功能是加强光纤的机械强度和保证外面的光不能进入光纤之中。光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射微波：微波的频率范围为300MHz-300GHz， 但主要是使用2-40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播，由于它能穿透电离层而进入宇宙空间，因此不象短波那样可以经电离层的反射传播到很远的地方。这样

22、，微波通信就有两种主要的方式：即地面微波接力通信和卫星通信。无线传输介质地面微波通信由于高频的微波一个重要特性是沿直线传播，而不会向各方向扩散，因此需要视线传播的传送和接收设备。视线传播的信号所覆盖的范围很大程度依赖于天线的高度：天线越高、信号传播距离越远。微波通信一次只能向一个方向传播，因此对于类似电话交谈这种双向传输来说就需要两种频率。每种频率用于一个方向上的传输。每种频率的信号都要有自己的发送器和接收器。为延长地面微波传输的距离，每个天线上都可以安装一个转发器系统。天线接收的信号可以重新转换成可发送的形式并转发到下一个天线。根据信号频率的不同和天线安装环境的不同，转发器之间的距离要求也不

23、同。地面微波主要是频段向上扩展，但高频段传输条件差，受自然界干扰（如雨、雾等）影响严重，因此大量使用还有困难，特别是难以用在长距离上。卫星通信实质上是微波通信的一种。卫星接收地球站发来的无线电通信信号,加以放大、变频,然后转发给另一地球站。卫星通信是把地面微波中继站搬到了赤道上空的地球静止卫星轨道上,使地面微波视距一下扩大到18000公里,从而一颗卫星即可覆盖地球表面积的40%左右。卫星通信具有通信容量大覆盖区域广通信质量高经济效益好的特点。卫星通信由于地球同步卫星的覆盖范围大，所以只需要少数几个卫星就可达到全球覆盖。然而地球同步系统在双向通信上存在缺点。因为需要很大的功率才能将信号送达卫星，

24、所以手持设备一般都体积较大。此外，在同卫星的双向语音通信中，会产生较大的传播往返延迟。经过静止轨道上卫星的通信信号,来回一次传播约8万公里,时间延迟近秒,使通信双方对话时产生一点不自然的感觉。因此需要用回音抑制器来消除时延引起的“回音”。红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在um至25um之间。红外数据协会（IRDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。 红外由于红外线的波长较短，对

25、障碍物的衍射能力差，不能穿透墙体，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等。广播无线电波与微波之间的主要区别是前者是全向性的，而后者是方向性的。无线广播电波的频段范围再30M1G之间，这个范围不仅覆盖了广播FM的频段，而且还覆盖了UFH合VHF电视频段，一些联网应用也使用了这个频段。广播无线电波多路复用技术多路复用技术的形成的原因主要有两点：一是通信工程中用于通信线路架设的费用相当高，人们需要充

26、分利用通信线路的容量；二是无论在广域网还是局域网中，传输介质的传输容量往往都超过了单一信道传输的通信量。多路复用的实质是：将一个区域的多个用户信息通过多路复用器进行汇集，将汇集后的信息群通过一条物理线路传送到接收设备；接收设备通过多路复用器将信息群分离成各个单独的信息，再分发到多个用户。这样就可以用一对多路复用器、一条通信线路，来代替多套发送、接收设备与多条通信线路。多路复用的三种基本形式频分多路复用(FDM)波分多路复用(WDM)时分多路复用(TDM)通信线路的可用带宽超过了给定信号的带宽。频分多路复用就是采纳了这一优点。频分多路复用的基本原理是：如果每路信号以不同的载波频率进行调制，而且各

27、个载波频率是完全独立的，即各个信道所占用的频带不相互重叠。相邻信道之间用“警戒频带”隔离。那么，各个信道就能独立地传输一路信号。频分多路复用更适于模拟数据信号的传输。频分多路复用时分多路复用则是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重复的时间片的方法来实现多路复用，因此，时分多路复用更适合于数字数据信号的传输。时分多路复用TDM是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。目前广泛应用的时分多路复用的方法是贝尔系统的T1载波。T1载波系统将24路音频信道复用在一条通信线路上。时分多路复用TDMT1载波时分多路复用时

28、分多路复用又可分为以下两类：同步时分多路复用和异步时分多路复用同步时分多路复用将时间片预先分配给各个信道，并且时间片固定不变，因此各个信道的发送与接收必须是同步的。异步时分多路复用的方法，也叫做统计时分多路复用。该方法允许动态地分配时间片。有M条信道复用一条通信线路，把通信线路的传输时间分成时间片。假定n=10，传输时间周期T定为1秒，那么每个时间片为秒。在第一个周期内，我们将第1个时间片分配给第1路信号，将第2个时间片分配给第2路信号，将第10个时间片分配给第10路信号。在第二个周期开始后，我们再将第1个时间片分配给第1路，将第2个时间片分配给第2路信号，按此规律循环下去。同步时分多路复用的

29、工作原理同步时分多路复用采用了将时间片固定分配给各个信道的方法，而不考虑这些信道是否有数据要发送，这种方法造成信道资源的浪费。假设复用的信道数为m，每个周期T分为n个时间片。由于考虑到m个信道并不总是同时工作的，为了提高通信线路的利用率，允许m n。每个周期内的各个时间片只分配给那些需要发送数据的信道。在第一个周期内，我们可以将第1个时间片分配给第2路信号，将第2个时间片分配给第3路信号，将第3个时间片分配给第8路信号，将第n个时间片分配给第m-1路信号。在第二个周期到来后我们可以将第1个时间片分配给第1路信号，将第2个时间片分配给第5路信号，将第3个时间片分配给第6路信号，将第n个时间片分配

30、给第m路信号。并且继续循环下去。统计时分多路复用的工作原理在统计时分多路复用中，时间片序号与信道号之间不再存在固定的对应关系。这种方法可以避免通信线路资源的浪费，但由于信道号与时间片序号无固定对应关系，因此接收端无法确定应将哪个时间片的信号传送到哪个信道。为了解决这个问题，动态时分多路复用就需要发送端在传送数据的同时，传送发送信道与接收信道的序号。光纤通信技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分多路复用。实际上，波分复用也是频分多路复用的方法。波分多路复用两束波长不同光波通过棱镜(或光栅)之后，使用一条共享的光纤传输，它们到达目的节点后，再经过棱镜(或光栅)重新分成两束光波。与电信号的频分多

31、路复用不同之处在于，波分多路复用是在光学系统中利用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。拓扑结构定义：网络中各个节点相互连接的方法和形式叫网络的拓扑结构。拓扑结构的选择的选择往往和传输介质的选择、介质访问控制方法的确定等紧密相关。选择拓扑结构时，主要决定因素有：费用。不论选用什么样的拓扑结构都需进行安装，如电缆布线等。 要降低安装费用，就需要对拓扑结构、传输介质、传输距离等相关因素进行分析，选择合理的方案。灵活性。在设计网络时，考虑到设备和用户需求的变迁，拓扑结构 必须具有一定的灵活性，能被容易地重新配置。此外，还要考虑原有站点的删除、新站点的加入等问题。可靠性。在LAN中有两类故障

32、：一类是网中个别结点损坏，这只影响局部；另一类是网络本身无法运行。拓扑结构的选择要使故障的检测和隔离较为方便。常用的拓扑结构在局域网中常用的拓扑结构有：星形结构、环形结构、总线型结构、树型结构、星环型结构等。星形网通过点到点链路接到中央结点的各站点组成的。通过中心设备实现许多点到点连接。在数据网络中，这种设备是主机或集线器。星型拓扑的优点是：在星形网中，可以在不影响系统其他设备工作的情况下，非常容易地增加和减少设备。利用中央结点可方便地提供服务和重新配置网络；单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网； 容易检测和隔离故障，便于维护；任何一个连接只涉及到中央结点和一个站点，因此控制介质访问的方法很简单，从而访问协议也十分简单。星形拓扑结构星型拓扑的缺点是:每个站点直接与中央结点相连，需要大量电缆,因此费用较高；如果中央结点产生故障，则全网不能工作，所以对中央结点的可靠性和