配套课件-计算机网络技术教程

1、 计算机网络技术基础 第一模块 计算机网络概述一、学习任务分析计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的系统，是存储、传播和共享信息的工具。经过几十年的发展，计算机网络已成为目前信息化社会中经济社会生活的必要工具，成为人们之间信息交流的最佳平台。计算机网络的应用影响和改变了人们的工作、学习和生活方式，网络发展水平成为衡量国家经济发展水平的重要标志之一。 现在人们的生活、工作、学习和交往都己离不开计算机网络。设想如果在某一天我们的计算机网络突然出现故障不能工作了，那时会出现什么结果呢?第一我们将无法购买飞机票或火车票，因为售票员无法知道还有多少票可供出售；也无法出售飞机票和火车票。第二我们也无法到

2、银行存钱或取钱，无法交纳水电和煤气费等；股市交易都将停止。第三在图书馆也无法检索需要的图书和资料。第四人们既不能上网查询有关的资料，也无法使用电子邮件和朋友及时交流信息。由此可以看出，人们的生活越是依赖于计算机网络，计算机网络对于人们的生活、工作、学习也就越重要。既然计算机网络对于人们如此重要，那么我们有必要学习、掌握计算机网络基本知识和基本理论，为进一步更好应用计算机网络打下良好基础，我们首先认识计算机网络，掌握它的发展、定义、组成、功能和特点，是我们的学习任务。二、学习任务分解本模块中，学习任务有这样几个方面，1、计算机网络的定义。2、计算机网络组成3、计算机网络功能和特点。4、计算机网络

3、分类和拓扑结构任务一 计算机网络的一般概念 计算机网络是由各种类型计算机、通信设备和通信线路、数据终端设备等网络硬件和网络软件组成的大的计算机系统。网络中的各个类型计算机系统包括巨型计算机、大型计算机、中型机、小型机、微型机，它们都具有独立输入输出、数据处理功能，在断开网络连接后，仍可单机使用。(1) 计算机网络的定义资源共享观点将计算机网络定义为“以能够共享资源的方式互联起来的相互独立的计算机系统的集合”。资源共享观点的定义符合目前计算机网络的基本特征，这主要表现在以下几个方面。(1)计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。(2)互联的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的计算机。(

4、3)联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。 计算机网络的定义 计算机网络是指将具有独立功能的许多个计算机连接起来，按照某种协议进行通信，并通过网络操作系统进行管理实现资源共享的系统。计算机网络中的计算机通常都处于不同的地理位置相互连接的计算机之间不存在互为依赖的关系。通信线路包括通信媒体、通信设备关系。网络操作系统（单机OS功能+网络通信协议+网络资源管理+网络服务）网络的根本目的是为了实现资源共享，资源包括硬件与软件，如程序、数据库、存储设备、打印机等。 利用通信线路和通信设备将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统按照一定的形式连接起来、以功能完善的网络软件实现资源共享和数据通信的复

5、合系统。这是目前比较完美的计算机网络定义。（二）网络定义含义从以上定义中可以看出。一个计算机网络系统的含义有如下几个主要部分：（1） 计算机网络组成，计算机网络是由三部分组成。多个主计算机系统，由各种为网络用户提供服务和进行管理的大型机、中型机、小型机及所要共享网络资源的个人计算机。通信系统,由各种通信设备和通信线路组成的通信子网；“通信线路和通信设备”是指通信媒体和相应的通信设备。通信媒体可以是光纤、双绞线、微波等多种形式，一个地域范围较大的网络中可能使用多种媒体。将计算机系统与媒体连接需要使用一些与媒体类型有关的接口设备以及信号转换设备。 网络软件，由各种为用户共享网络资源和信息传递提供管

6、理和服务的应用程序和软件。（2）网络上计算机必须具有独立功能，既连接上网可以完成资源共享和数据通信，断开网络连接同样可以具有进行数据输入和数据输出、数据处理功能。计算机没有对网络的依赖性。这里，“具有独立功能的计算机系统”是指入网的每一个计算机系统都有自己的软、硬件系统，都能完全独立地工作，各个计算机系统之间没有控制被控制的关系，网络中任一个计算机系统只在需要使用网络服务时才自愿登录上网，真正进入网络工作环境。 （3）计算机网络中的计算机接入网络必须有一定连接方式，不能随随便便接入。连接方式就是网络拓扑结构。既按照网络拓扑结构接入。（4）网络中的计算机都要遵守网络中的通信协议，使用支持网络通信

7、协议的网络通信软件；网络软件是必不可少的组件，而且是功能齐全才能实现网络功能。“网络操作系统和协议软件”是指在每个入网的计算机系统的系统软件之上增加的、用来实现网络通信、资源管理、实现网络服务的专门软件。（5）计算机网络组网的基本目的是实现资源共享和数据通信。“资源”是指网络中可共享的所有软、硬件，包括程序、数据库、存储设备、打印机、通信线路、通信设备等。任务二 网络组成 从定义来看，网络分为计算机系统、通信线路与通信设备、网络软件三大部分。这里从以下几个方面讨论。（一）从系统逻辑功能角度看计算机网络由资源子网和通信子网组成。资源子网中的设备通常又叫做数据终端设备DTE，通信子网中的设备通常又

8、叫做数据通信设备DCE。如图1-1所示 网络逻辑划分：资源子网与通信子网资源子网提供用户访问网络和处理数据的能力。包括加入网络的所有的计算机、终端外设及各种软件和数据资源 通信子网提供网络的通信功能（数据的传输与转发）包括通信处理机通信设备与通信线路 1、资源子网 由各计算机系统、中端控制器、终端设备、软件和可供共享的数据库等组成，资源子网负责全网面向应用的数据处理工作，向用户提供数据处理能力、数据存储能力、数据管理能力、数据输入和数据输出能力及其他数据资源。计算机资源子网1. 资源子网的组成 1)主计算机 2)终端 3)网络中的共享设备 2资源子网的基本功能 2、通信子网通信子网是由通信硬件

9、（通信设备和通信线路）和通信软件组成的，其功能是为网络中用户共享各种网络资源提供通信服务和通信手段。计算机通信子网 1通信子网的组成 1)通信控制处理机 2)通信线路 3)信号变换设备 2通信子网的基本功能通信子网提供网络通信功能，完成全网主机之间的数据传输、交换、控制和变换等通信任务。负责全网的数据传输、转发及通信处理等工作。（二）从系统组成的角度看计算机网络由硬件部分和软件部分组成。 计算机网络系统的组成硬件网络节点端节点：计算机中间节点：交换机、集中器、复用器、路由器、中继器通信链路：信息传输的通道物理：传输介质逻辑：信道类比CATV的电缆和频道之间的关系软件通信软件（网络协议软件）网络

10、操作系统网络管理/安全控制软件、网络应用软件1网络协议 (计算机“交谈”语言) 计算机网络中许多互相连接的结点之间有条不紊地进行数据交换，必须遵循一些事先约定好的规则。在交流过程中还必须切实遵守这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合，便称为网络协议。 网络协议的三要素语义（Semantics）：对协议中各协议元素的含义的解释，例如：在HDLC协议中，标志Flag(7EH)表示报文的开始和结束在BSC协议中，SOH(01H)表示报文的开始，STX(02H)表示报文正文的开始，ETX(03H)表示报文正文的结束语法（Syntax）：协议元素与数据的组合格式，即报文格式。例如：时序

11、（Timing）：通信过程中，通信双方操作的执行顺序和规则FlagAddressCtrlDataFCSSFlagSOHHEADSTXTEXTETXBCCBSCHDLC 任务三、计算机网络的功能计算机网络的功能可归纳为资源共享、提供人际通信手段、提高可靠性、节省费用、便于扩充、分组负荷及协同处理等方面。这些方面的功能本身也是相辅相成的。计算机网络的功能 数据通信:基本功能资源共享：程序、打印机远程传输集中管理实现分布式处理负荷均衡网络的特点1、可靠性2、独立性3、高效性4、可扩充性5、廉价性6、透明性7、易操作性任务四 网络的分类与拓扑结构1、计算机网络分类2、计算机网络的拓扑结构1、计算机网络

12、的分类1 、 按网络传输技术进行分类2 、按网络分布距离范围进行分类3 、按传输介质分类1.1 按网络传输技术进行分类1广播式网络在广播通信信道中，多个结点共享一个通信信道，一个结点广播信息，其他结点必须接收信息。 2点对点式网络 点对点通信信道中，一条通信线路只能连接一对结点，如果两个结点之间没有直接连接的线路，那么它们只能通过中间结点转接。 1.2、按网络分布距离范围进行分类1局域网(Local Area Network，LAN)2城域网(Metropolitan Area Network，MAN)3广域网(Wide Area Network，WAN)分类缩写分布距离(近似)所处的范围局域

13、网LAN10米房间100米楼宇10千米校园城域网MAN数千米城市广域网WAN几十到几千千米城市、国家、洲或全球因特网Internet1.3.1 局域网局域网LAN（Local Area Network）一般用微型计算机通过高速通信线路相连（速率通常在10Mbps以上），但在地理上则局限在较小的范围（如1km左右）内。它是由一个部门或单位组建的网络。局域网是在微型计算机大量应用后才逐渐发展起来的计算机网络。一方面，局域网容易管理与配置；另一方面，局域网容易构成简洁整齐的拓扑结构。局域网速率高，延迟时间短，因此，网络站点往往可以对等地参与对整个网络的使用与监控。再加上局域网具有成本低廉、应用广泛、

14、组网方便和使用灵活等特点，因此深受广大用户的欢迎。1局域网的典型应用场合同一房间内的所有计算机，覆盖范围一般不超过10m。同一楼宇内的所有计算机，覆盖范围一般不超过100m。同一校园、厂区、院落内的所有计算机，覆盖范围一般不超过10km。2局域网的基本特征（1）局域网是限定区域的网络。“限定区域”指Local Area，但其具体大小并无太大的意义，比较恰当的是将“限定区域”理解为一个在功能上相对独立、组织上相对封闭的空间，例如公司的大楼、学校园区等。（2）局域网的线路是专用的。“线路专用”是局域网的显著特点之一。局域网一般不使用公用通信线路，是用传输介质自行连接而成的网络。（3）局域网具有较高

15、的数据通信速率。由于覆盖范围有限，线路较短，所以构建局域网时可选用高性能的传输介质以获取较高的数据通信速率。如以太网的数据传输速率可达10M、100M甚至1000M。（4）局域网具有开放性。局域网的体系结构符合ISO的OSI标准，能与任何符合OSI标准的系统进行通信。1.3.2 城域网（MAN）城域网MAN（Metropolitan Area Network）的作用范围在广域网和局域网之间，因为随着局域网的广泛使用，人们逐渐要求扩大局域网的使用范围，或者要求将已经使用的局域网互相连接起来，使其成为能够覆盖一座城市的网络。因此，城域网的设计目标是满足几十千米范围内的大量机构中用户的联网需求，能够

16、满足大量用户传输多种信息的要求。例如作用范围是一个城市，其传送速率比局域网的更高，但作用距离约为550km。由于各种原因，城域网的特有技术没能顺利应用。在实践中，使用广域网技术构建与城域网目标范围和大小相当的网络，反而显得更加便捷实用。1.3.3 广域网 广域网WAN（Wide Area Network）的作用范围通常为几十到几千千米。广域网有时也称为远程网。WAN是与局域网相对而言的，一般用来连接广阔区域中的LAN网络。广域网通常是租用电话线或用专线建造的，它的覆盖范围可以遍布于城市、国家，甚至全球。广域网的基本特征如下：（1）信息的传输距离相对较长，一般都在几千米以上。（2）数据传输速率较

17、低，一般在2Mbps之内。但随着通信技术的迅速发展，国内使用的广域网的数据传输速率可望达到1Gbps。（3）网络的连接结构不很规范，有较大的随意性。1.3.4 因特网（Internet） 因特网（又称为国际互联网）是广域网与广域网、广域网与局域网、局域网与局域网进行互联而形成的网络。 与局域网、广域网和城域网不同，因特网不是一种具体的物理网络技术，而是将不同的物理网络技术按某种协议统一起来的一种高层技术。 目前，世界上发展最快、最热门的网络就是Internet，它是世界上最大、应用最广泛的计算机网络。1.3 、按传输介质分类 根据网络的传输介质，可以将网络分为有线网和无线网。有线网根据线路的不

18、同分为同轴电缆网、双绞线网和光纤网，还有最新的全光网络；无线网有卫星无线网和使用其他无线通信设备的网络。 1.3.5 从使用范围进行分类从网络的使用范围进行分类，可以划分为公用网和专用网。公用网（Public network）一般是国家的电信部门建造的网络。“公用”的意思就是所有愿意按电信部门规定交纳费用的人都可以使用。因此公用网也可称为公众网。专用网（Private network）是某个部门为本系统的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络一般不向本系统以外的人提供服务。例如，军队、铁路、电力等系统均有本系统的专用网。2、计算机网络的拓扑结构 1计算机网络拓扑的定义 1)拓扑结构与计算机网

19、络拓扑 2)网络拓扑的定义 3)网络拓扑的用途 2.1 计算机网络的拓扑结构2网络拓扑的分类与基本网络拓扑结构的类型 1)网络拓扑分类 广播式的通信子网 点对点式的通信子网 2)基本网络拓扑结构类型图例1.2.3计算机网络的拓扑结构(2)基本网络拓扑结构类型总线型网络拓扑结构 星型拓扑 环型拓扑 树型拓扑 网状型拓扑 卫星通信网络的拓扑构型 1.2 计算机网络拓扑结构 组建局域网时应根据网络安装的费用、网络的灵活性和可靠性来选择网络中各节点相互连接的结构类型，即网络的拓扑结构。组建局域网的拓扑结构有很多种，其中最常见的有星型（Star）网络拓扑结构、总线型（Bus）网络拓扑结构和环型（Ring

20、）网络拓扑结构。 1.2.1 总线型网络拓扑结构 总线结构是比较普遍采用的一种方式，它将所有的入网计算机均接入到一条通信线上，为防止信号反射，一般在总线两端连有终结器匹配线路阻抗。在图l-3所示的总线型网络拓扑结构中，文件服务器和所有工作站都连在一条主干电缆上。这种拓扑类型的典型例子是以太网。总线型网络拓扑结构的特点主要表现在以下几个方面。线路利用率高：由于多个节点共用一条传输线路，因此线路利用率较高。地理覆盖范围小：公用总线的长度受到一定的限制，通常小于几千米，节点至总线的连接线也较短，因此一般局限于某个单位。传输速率高：可利用高速信道来连接多个节点，其传输速率可达到100Mbps或更高。网

21、络建造容易：由于网络的物理结构简单，将节点连接到总线上也容易，相应的传输控制机构也简单，因此网络建造容易。1.2.2 星型网络拓扑结构 星型网络拓扑结构是以一个节点为中心的处理系统，各种类型的入网机器均与该中心节点有物理链路直接相连，节点间不能直接通信，需要通过该中心节点转发，因此中心节点必须有较强的功能和较高的可靠性。如图1-4所示 星型网络拓扑结构的特点主要表现在以下几个方面。功能高度集中：整个网络的处理和控制功能高度集中在中心节点。加长。单信息流通路径：每个终端通常只有一条信息流通路径到达中心节点，反之亦然，因此不存在路径选择问题。线路利用率低：每条通信线路只连接一个终端，使该线路利用率

22、不高。可扩充性差：星型网络由于受到硬件接口和软件功能的限制，因而可扩充性较差。响应时间与终端数目有关：当终端数目较少时，终端的请求能够获得及时响应，但随着终端数目的增多，响应时间也随之1.2.3 环型网络拓扑结构在如图1-5所示的环型网络拓扑结构中，信号沿一个方向在闭合环路电缆中传播。网上传输的数据中都赋有一个具体地址，该地址也是网上某站点的地址。环型网络拓扑结构的特点主要表现在以下几个方面。传输时延的确定性：从某源点发出的信息能在确定的时间内到达目标节点。基于这一特点，可构成实时性要求较高的网络。可靠性差：当环路上任何一个转发器或者两个转发器之间的连线发生故障时，将导致整个网络的瘫痪，因此，

23、基本环型网络是不可靠的。灵活性差：无论在增加或是减少网络节点时，都需要断开原有环路，并对介质访问控制进行调整。网络建造容易：由于网络中的每个转发器都只与相邻的两个转发器相连接，这使网络结构简单，且介质访问控制也不复杂，所以网络建造比较容易。1.2.4 网络型网络拓扑结构网络拓扑结构分为全连接网状型和不完全连接网状型两种形式。在全连接网状型中，每一个节点和网中其他节点均有链路连接。在不完全连接网型中，两节点之间不一定有直接链路连接，它们之间的通信，可以依靠其他节点转接。最能容错的网络拓扑结构是网络型拓扑结构，在这种拓扑结构中，网络中的每个节点都能连接到其他节点上，如图1-6所示。网络型拓朴结构的

24、最大优点是单一节点或者电缆区段的故障不会引起网络崩溃。当某个电缆区段出现故障时，数据能够通过其他节点重新确定线路，并到达最终的目的地。因而，这种拓扑结构具有较强的容错（Fault Tolerant）能力。但是，网络型拓扑实现起来成本非常高，布线也很麻烦。一般地，网络型拓扑仅用于大型系统，例如帧中继、ATM或者其他分组交换网络。在这些网络中，成本相对性能和容错退居到次要位置。1.2.5 混合型网络拓扑结构以上介绍的是最基本的网络拓扑结构，在组建局域网时常采用星型、环型、总线型和树型结构。树型和网络型结构在广域网中比较常见。但是在一个实际的网络中，可能是上述几种网络构型的混合。在选择拓扑结构时，主

25、要考虑的因素有：安装的相对难易程度、重新配置的难易程度、维护的相对难易程度、通信介质发生故障时受到影响的设备的情况等。1.5 计算机网络应用问题 计算机网络的广泛应用已经对经济、文化、教育、科学的发展及人类生活质量的提高产生了重要影响，同时也不可避免地带来一些新的社会、道德、政治与法律问题。 Intemet可以为科学研究人员、学生、企事业工作人员提供很多宝贵的信息，可以使得人与人的交流不受时间、地域的限制。 1.6 小结 本章主要讲述了以下一些内容。(1)计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物，网络技术对信息产业的发展有着深远的影响。(2)计算机网络发展的四个阶段分别是：面向终端的计算

26、机通信网络，初级计算机网络，开放式的标准化计算机网络，新一代的计算机综合性、智能化、宽带高速网络。(3)资源共享观点将计算机网络定义为“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。 (4)计算机网络的功能可归纳为资源共享、提供人际通信手段、提高可靠性、节省费用、便于扩充、分组负荷及协同处理等方面。 1.6 小结(5)按网络传输技术进行分类，可将网络分为：广播式网络和点对点式网络；按网络覆盖范围进行分类，可将网络分为：局域网、城域网、广域网；按网络应用管理范围进行分类，可将网络分为：Internet、Intranet和Extranet。 (6)从计算机网络组成的角度看，典型的计算机

27、网络按其逻辑功能可以分为“资源子网”和“通信子网”两部分；它们分别完成数据通信与数据处理两大功能。(7)采用广播信道通信子网的基本拓扑构型主要有4种：总线型、树型、环型、无线通信与卫星通信型。采用点对点线路的通信子网的基本拓扑构型有4类：星型、环型、树型与网状型。1.7 本章实训实训题目：利用Visio绘制网络拓扑结构图一、实训目的通过本次实训，让学生学会使用Visio绘图软件绘制网络拓扑结构图。二、知识要点 Visio系列软件是微软公司开发的高级绘图软件，可以绘制流程图、网络拓扑结构图等，功能强大，易于使用。三、实训任务(1)学会Visio软件的使用。(2)用Visio绘制网络拓扑结构图。(

28、3)分析网络拓扑结构图，确定拓扑类型、网络类型。1.7 本章实训四、实训环境准备安装了Visio 2007版本软件的计算机机房。熟悉Visio软件界面的基本操作。五、实训内容 1学会Visio 2007软件的使用步骤l单击“开始”，选择“程序，单击“Microsoft Visio”，启动Visio 软件。步骤2熟悉Visio软件界面的操作。 2用Visio软件绘制网络拓扑结构图步骤l启动Visio，选择“网络”子菜单下的“基本网络图”样板，进入网络拓扑图编辑状态，按图1-8所示绘制。 1.7 本章实训1.7 本章实训1.7 本章实训3分析网络拓扑结构图，确定拓扑类型、网络类型 根据所学的知识，

29、分析上述两个网络拓扑结构图，确定拓扑类型、网络类型(客户硼艮务器或者对等网络类型)，将结果记录在表1-1中。 第2章 数据通信基础学习任务与要求：通过本章的学习，可以掌握道带宽与传输速率之间的关系；常用传输介质的特性及应用；数据通信的基本概念、工作过程及数据通信系统的基本组成和应用等。除此以外还将了解数据通信的主要技术指标和通信方式；数据通信中的编码技术、调制解调技术、多路复用技术和同步技术的工作原理及应用；数据交换技术和差错控制技术的工作过程、工作原理与应用等。一、学习任务分析在计算机网络的普及应用和飞速发展的今天，人们的生活、工作、学习都离不开计算机网络。但是，计算机网络是由通信子网和资源

30、子网两部分组成，通信子网既通信系统对于人类来说是须臾不可缺少的工具。人们在实现计算机网络带来极大的便利的同时，人们应用更多的是通信子网，全靠通信子网的支持才实现了网上各种服务。随着通信技术的发展，各种灵活方便通信手段的实现，使得人们在计算机网络上传输信息已近乎随心所欲，不再感到距离限制，使得整个社会变得越来越紧凑。通信子网可以成为整个社会的高级神经中枢，那么，对于网络技术和通信系统的融合，就是现在我们需要解决的主要问题。因而，对于通信系统是值得人们了解和知道的，特别是计算机网络技术不可缺少的基本知识和理论。所谓的通信系统就是实现数据传输所需的一切技术和设备，数据通信技术是网络技术发展的基础。计

31、算机间的通信是实现资源共享的基础，计算机通信网络的核心是数据通信设施。网络中的信息交换和共享意味着一个计算机系统中的信号通过网络传输到另一个计算机系统中处理或使用。如何进行计算机系统中的信号传输，这是数据通信技术要解决的问题。二、学习任务分解 本模块将对数据通信的基本概念、系统组成、技术指标、数据编码技术、数据传输技术、数据交换技术、多路复用技术、差错控制技术进行系统分析。为以后学习网络技术奠定基础。 1）掌握数据通信的基本概念 2）掌握数据通信系统主要技术指标 3）掌握基带传输的基本概念 4）掌握多路复用的分类与特点 5）掌握数据交换技术的类型和原理 6）掌握差错控制方法任务一、 数据通信系

32、统数据通信(Data Communication)系统就是指以计算机为核心，用通信线路连接分布在各地的数据终端设备而完成数据通信功能的复合系统。重点介绍数据通信的基础知识，为计算机网络和网络工程设计相关课程的学习和实践打好基础。1.1 数据基本概念通信的目的是交换信息。信息的载体可以是多媒体，包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等。计算机的终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字或括号用二进制代码表示。美国信息交换标准代码(ASCII)目前已经被ISO与CCITT采纳并发展为国际通用的信息交换用标准代码。信号是数据的表示形式。数据以信号形式在信道上

33、传输。信号也有模拟信号和数字信号两种形式。模拟信号是指时间上和空间上连续变化的信号；数字信号是指一系列在时间上离散的信号。 2.1.1 基本概念 信号与通信信号：以时间为自变量，以表示消息(或数据)的某个参量(振幅、频率或相位)为因变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号模拟信号：信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的数字信号：表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号通信：将表示消息的信号从发送方(信源)传递到接收方(信宿)。既然信号可分为模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为

34、模拟通信和数字通信t(t)nTx(nT)1 0 0 1 1 0 1 1a) 模拟信号 b) 数字信号基本概念 模拟通信利用模拟信号来传递消息普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信信源调制器信道解调器信宿噪声源信道：用来传输表示消息的电信号的介质或通路。它可以是双绞线、同轴电缆、光缆、微波以及卫星链路等噪声源：包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声(工业噪声等)和随机噪声(信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等) 基本概念 数字通信利用数字信号来传递消息计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信信源信源编码器信道编码器调制器信道信道译码器信源译码器信宿解调器噪声源发送端时钟接收端时钟A/D检

35、错纠错编码信源、信宿和信道 信源与信宿： 通常将数据的发送方称为信源，而将数据的接收方称为信宿。信源和信宿一般是计算机或其它一些数据终端设备。信道： 在信源和信宿之间所建立的用于传送信号的物理通道，被称为物理信道，简称信道。 按传输介质的类型来划分，信道被分为有线信道和无线信道； 按信道中所传输的信号类型来划分，信道可被分为模拟信道和数字信道。基本概念 数字通信抗干扰能力强可实现高质量的远距离通信能适应各种通信业务，各种消息（电报、电话、图像和数据等）都可以被变换为统一的二进制数字信号进行传输能实现高保密通信通信设备的集成化和微型化数字通信的最大缺点是占用的频带宽。以电话为例，一路模拟电话占用

36、4KHz 信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64 Kbps ，所需占用的带宽要远远大于4 KHz 2.1.2 数据通信基础理论 信号的频谱与带宽信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性时域特性反映信号随时间变化的情况。信号的时域特性表示出信号随时间变化的情况。如正弦信号就可以表示为：f(t) =ASin( 2ft + )其中：A：振幅f：频率：初始相位幅度、频率以及相位是周期信号f (t)的3个重要特性信号的频谱与带宽傅立叶变换：任何一个周期为T 的函数f (t)都是由无穷多个正弦函数和余弦函数合成：其中： 数据通信基础理论 信号的频谱与带宽频谱：f (t)各次谐波的振幅An 按

37、照频率高低依次排列起来所形成的谱状图形绝对带宽：信号频谱所覆盖的频率范围有效带宽(简称带宽)：信号的大部分能量都集中在一个较小的范围之内，这段频带称为带宽信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的速率就越高，要求传输介质的带宽也越大常见信号的频谱和带宽：声音信号的频谱大致在20 Hz 2000 kHz 的范围(低于20 Hz 的信号为次声波，高于2000 KHz的信号为超声波)，但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，因而话音信号的标准频谱为300 Hz 3400 Hz ，其带宽为3 kHz 。电视信号的频谱为0 4 MHz ，因此其带宽为4 MHz数据通信基础理论 信道的截止频率与带宽没有

38、任何信道能毫无损耗地通过所有频率分量所有的传输信道和设备对不同的频率分量的衰减程度是不同的截止频率反映了传输介质本身所固有的物理特性通常情况是频率为0 到f c 赫兹范围内的谐波在信道传输过程中不发生衰减(或其衰减是一个非常小的常量)，而在此f c 频率之上的所有谐波在传输过程中衰减很大截止频率：信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的0.707(即输出信号的功率降低了一半)时所对应的那个频率称为信道的截止频率(cut-off frequency )数据通信基础理论 信道的截止频率与带宽在线路中可安装滤波器以限制每个用户使用的带宽截止频率：fc带宽：f2 - f1fa) 单通滤波器 b)

39、 双通滤波器ffc f1 f20.7070.707AA时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/s d:距离，s:介质中信号传播速度(0.7c)时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽传播时延例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。信道带宽传播时延管道体积=时延带宽乘积数据通信基础理论 信道最大数据传输率数据传输率：单位时间内能

40、传输的二进制位数Nyquist(1924)定理：对于无噪声的理想信道，任意连续信号f (t)通过一个带宽为H的信道后，其输出信号为一个带宽为H的时间连续信号g (t)如果要输出数字信号，还必须以一定的速率对g (t)进行等间隔的抽样。抽样速度高于每秒2H 次是无意义的，因为信号中高于信道带宽H 以外的高频分量已被信道衰减掉。如果g (t)由L 个离散化的电平组成，即每次抽样的可能结果为L个离散化电平之一，则该信道的最大的数据传输率C为： C = 2Hlog2L(比特/秒)例如，一个无噪声带宽为3000Hz 的信道不能传送速率超过6000比特/秒的二进制数字信号调制速率：调制速率又称波特速率，也

41、就是信号经调制后的传输速率亦即每秒内调制信号波的变换次数，单位为波特。若一个单位调制信波的长度为T秒，则调制速率为：B1T（秒） （波特）数据信号速率：表示每秒能传输的代码位数，即数据信息的比特数，单位为bit秒（记作bps）。其定义为： S1T log2N （bit/s） 式中T是脉冲宽度， N为调制信号波的状态数，即一个脉冲所表示的有效状态，亦即调制电平数，其值为2的整数倍。 二进制（N=2）信号级下，波特速率=比特数率数据传输速率：单位时间内传送的数据量。数据量单位可以是比特、字符、码组等，时间单位可以是秒、分、时等，通常以字/分为单位。当数据单位为比特，时间单位为秒时，数据传输速率即是

42、数据信号速率。正因为如此，将数据信号速率就称为数据传输速率。其基本度量单位为比特每秒（bit per second，简写为bps），当数据传输速率较大时，可以采用Kbps、Mbps和Gbps来描述。单位时间内传送的信息量。用三种速率来表示传输速率 ：1.2 数据通信系统 在一次通信中，产生和发送信息的一端叫信源，接受信息的一端叫信宿。信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。用通信的术语来说，通信线路称为信道，所以信源和信宿之间的信息交换是通过信道进行的。 1.2 数据传输系统性能指标1.2.1 信道带宽和信道容量1.2.2 信道时延1.2.3 误码率2.2.1 信道带宽和信道容量 信道带宽或信

43、道容量是描述信道的主要指标之一，由信道的物理特性所决定。通信系统中传输信息的信道具有一定的频率范围(即频带宽度，单位是赫兹)，称为信道宽度。信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，它表征信道的传输能力。 1.2.1 信道带宽和信道容量一般情况下，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息量就越多，则信道容量就越大，传输效率也就越高。香农(Shannon)定理给出了信道带宽与信道容量之间的关系式中，C为信道容量，W为信道宽度，N为噪声功率，S为信号功率。当噪声功率趋于0时，信道容量趋于无穷大，即无干扰的信道容量为无穷大，信道传输的信息多少完全由带宽决定。此时，信道中每秒所能传输的最大比特数

44、由奈奎斯特(Nyquist)准则决定 数据通信基础理论 信道最大数据传输率Shannon定理：对于有噪声的信道，带宽为H(Hz) ，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输率C为：C= Hlog2(1+S/N )(比特/秒)其中，S 表示信号功率，N 表示噪声功率信号噪比通常使用10log10S/N 来表示，单位是分贝(dB)例如，对于一个带宽为3 kHz ，信噪比为35dB 的信道，无论其使用多少个量化电平，也不管采样速度多快，其数据传输率不可能大于35000比特/秒，计算过程如下：35 = 10 log10(S/N) S/N = 103.5 = 3162Rmax = 3000* Blog2(1

45、+S/N ) = 3000*log2 (1+3162) 3000*11.6334880bps香农定理应用于两个通过电话网络进行通信的模拟调制解调器之间56Kbps的调制解调器只有在与因特网服务商连接时才能达到这么高的速率，它利用了服务商端无须进行模拟数字转换这一事实1.2.2 信道时延 时延(delay)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延一般由以下几个不同的部分组成：1发送时延 2传播时延3 处理时延 1101101 在这里产生处理时延在这里产生发送时延(即传输时延)在这里产生传播时延队列链 路结点A结点B1.2.2 信道时延3 处理时延这是数据在交换

46、结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。在结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。因此，处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时，还会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。有时可用排队时延作为处理时延。这样，数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延=传输时延+发送时延+处理时延 1.2.3 误码率 误码率是衡量通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。误码率是指二进制码元在传输过程中被传错的概率。显然，它就是错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例。误码率的计算公式为：公式中，Pe为误码率，N e表示被传错的码元数，

47、N表示传输的二进制码元总数。上式只有N取值很大时才有效。 任务二、数据通信方式（一）串行通信和并行通信 1 并行与串行通信概念2 异步传输与同步传输 异步传输 同步传输 通信的双方按照同一时钟信号进行数据传输的方式 外同步与内同步 位同步与同步字符 HDLC同步字符与“零比特插入技术” （2） 单工通信、半双工通信、全双工通信数据传送只能在一个固定的方向上进行，任何时候都不能改变方向。例子： 广播、电视 发送单向通道接收单工通信数据通信：半双工通信信号可以双向进行，但不可同时进行，一个时间只能有一个方向的传送例子： 对讲机、计算机终端发送接收双向通道接收发送数据通信：双工通信信号可以同时进行双

48、向发送例子： 计算机计算机发送接收双向通道接收发送任务三、数据传输技术数据通信系统模型数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成。信源与信宿又被称为数据终端设备(Data Terminal Equipment)， 简称DTE。 DTE通常属于资源子网的设备，如资源子网中的计算机、数据输入/输出设备和通信处理机等。 信号变换器又称为数据线路端接设备(Data Circuit-terminating Equipment)，简称DCE。DCE为DTE提供了入网的连接点，通常被认为是通信子网中的设备。信号转换器通信信道发送信号接收信号信道带宽系统噪声信源信号转换器信宿数字通信系统和模拟通信系统在数字通信

49、系统中，信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数字数据的编码和解码；在模拟通信系统中，信号转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数/模（D/A)和模/数(A/D)转换功能。计算机模拟信道计算机发送模拟信号接收模拟信号信道带宽D/A转换A/D转换计算机数字信道计算机发送数字信号接收数字信号信道带宽编/解码器编/解码器数据通信系统要解决的关键问题信道的选择数据和信号之间的转换信道的构建：传输介质信号传输方式信号传输质量。 2. 数据编码不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：数据：模拟数据 数字数据信号：模拟信号 数字信号 信道：模拟信道 数字信道模拟传输和数字传输所使用的技术

50、话音移频,调制模拟数字模拟模拟PCM编码数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制基带信号在计算机系统中，通常用二进制比特来表示各类数据。矩形脉冲信号是二进制比特的典型表达方式按傅立叶分析，矩形脉冲信号由直流、低频、高频的多个成分组成。在其频谱中 ，从零开始的能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称基带。基频等于脉冲信号的固有频率。与基带对应的数字信号称为基带信号。矩形脉冲信号的Fourier分析(图示)基带传输基带传输 在数字信道上使用数字信号传输数据时，若将与脉冲信号有关的所有直流、基频、低频和高频分量全部放在数字信道上

51、传输，要占据很大的信道带宽。更合适的作法是将占据脉冲信号大部分能量的基带信号传送出去。 这种在数字信道中利用基带信号直接传输的方式被称为基带传输。特点：抗噪声能力强，成本低，传输速率高 信号衰减严重，只能利用有线介质近距离传输 基带信号频带宽，传输时要占用整个传输介质的带宽数字数据编码采用基带信号进行传输适用的是数字通信系统的模型。该系统要解决的关键问题是数字数据的编码和解码问题 在发送端，要解决如何将二进制数据序列通过某种编码（encoding）方式转化为可直接传送的数字信号； 在接收端，则要解决如何将收到的数字信号通过解码(Decoding)恢复为与发送端相同的二进制数据序列。三种常见的数

52、字数据编码 不归零（NRZ，Non-Return to Zero）编码 Manchester编码 差分Manchester编码NRZ 编码规则： 以高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”。 特点： 由于不能判断位的开始与结束，收发双方不能保持同步，需要用另一个信道同时传送同步信号。Manchester 编码规则： 将每比特周期T分为前T/2和后T/2；前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码。 特点： 任何两次电平跳变的时间间隔是T/2或T，提取电平跳变信号可作为收发双方的同步信号，不需要另外的同步信号。又被称为“自含时钟编码”。 差分Manchester 编码规则:对Manch

53、ester编码的改进,保留每比特中间的跳变作同步之用；每比特的值则根据其开始处是否出现电平的跳变来决定，有跳变者为“0”，无跳变者为二进制“1”频带传输频带传输 由于基带传输的近距离限制，在远距离传输中通常采用模拟信道。利用模拟信道，传输二进制数据的方法称为频带传输。其适用于模拟数据通信系统模型。关键技术问题： 如何将计算机中的数字信号转化为适合模拟信道传输的模拟信号。解决方案 将要传送的数字数据“寄载”在载波上，利用数字数据对载波的某些特性（振幅、频率、相位）进行控制，使载波特性发生了变化，然后将变化了的载波送往线路进行传输。调制与解调调制(modulation) ： 在数据发送端，将数字数

54、据寄载在载波上的过程称为调制。其目的在于将二进制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模拟信号。 解调(demodulation)： 在接收端，当携带数据信号的载波到达时，将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据的过程称为解调。Modem= modulation+demodulation三种基本调制方法根据调制过程中所采用的载波的特性不同，分为三种基本调制方法： y=A sin( t+) 幅移键控（ASK, Amplitude-Shift Keying）频移键控（FSK ,Frequency-Shift Keying） 相移键控（PSK ,Phase-Shift Keying）三种基本调

55、制方法（续）幅移键控ASK ： 通过载波信号的振幅变化来表示二进制 “0”与“1”；又称调幅(amplitude modulation)幅移键控FSK 改变载波信号的频率来表示二进制 “0”与“1” ；又称调频(frequency modulation) 相移键控PSK 通过改变载波信号的相位值表示二进制 “0”和“1”。，又称调相(phase modulation)按照使用相位的绝对值或相位的相对偏移两大表示分为绝对调相和相对调相；按对一个完整周期的相位的划分方式分为二相制、四相制、八相制等。 三种调制方式的比较幅移键控 ： 技术简单，抗干扰能力差 频移键控： 技术简单，抗干扰能力强 相移键

56、控： 技术较复杂，抗干扰能力强 ，编码效率高目前在网络中广为使用的调制方式是上述三种基本方式的变种。 最常见的方法是脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）。模拟数据数字化过程：（1）取样：每隔一定的时间间隔，把模拟信号的值取出来作为样本，以代表原信号（按取样定理，取样频率f1 2B ）。 （2）电平量化：决定取样值属于哪个量级。并将其幅度按量化级取整。经过量化后的取样值幅度是离散的整数值，而不是连续值。量化过程应先将信号分为若干个量化级，如分为8级（0.1、0.3、0.5等），规定好每一级对应的幅值范围。量化值是不等分的，PCM编码为非线性技术模拟数据进行数字信号编码

57、（3）编码：编码是用相应位数的二进制码来表示已经量化的取样值（如量化值0.1的二进制码为0001、量化值0.3的二进制码为0010等 ）。如果N个量化级，则二进制位的位数应为log2N。如量化级有8个，就需要三位编码。语音数字化系统中，常分为128量级，故需用7位编码。经过编码后，每个取样值就由相应的编码脉冲表示，并将该编码脉冲发送到信道上。如果某样值的编码为0011，则用4个脉冲表示两个幅值为零的脉冲，两个幅值为1的脉冲。 例题：对声音进行数字化时，将声音分成128个量化级，即采用7位二进制编码（ log2 128 =7 ）。由于采样频率为8KHz，所以数据速率为78000=56Kbps。即

58、声音信号的数据传输率要有56Kbps。PCM编码用于彩色电视信号时，由于彩色电视信号带宽为6MHz，故采样频率为12MHz，此时一个样本用10位（1024个量化级）二进制表示，所以数据速率为12M10=120Mbps。1. 数据传输异步传输(是最早使用也是最简单的一种方法 )每次传送一个字符（可由58位组成），在传送字符前，设置一个起始位，以示字符信息的开始，接着是字符代码，字符代码后面是一位的校验位，最后设置12位的终止位，表示传送的字符结束。 同步传输：在每个数据块的开始处加一个帧头，而在结束处加一个帧尾，加有帧头和帧尾的数据称为一帧（frame）。 在帧头和帧尾之间的每个比特都必须在收发

59、两端保持同步。而帧头和帧尾的特性，取决于传送的数据块是面向字符的还是面向位的。 数据传输位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。字符同步：找到正确的字符边界。常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停止位采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符

60、开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其传输效率为8/1173起始位数据位停止位字符间隔不固定1个字符时间逻辑“0”逻辑“1”帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧（Frame）：数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0 n bit8bit8bit8-32m7EH7EH(2). 数据编码技