计算机网络(第05讲)

计算机网络

（第五讲）主讲：李勇二零一四年九月计算机网络讲义2上次课主要内容计算机网络的知识体系数据通信的基本概念通信线路物理链路信息、数据与信号信道、带宽模拟数据与数字数据模拟信号与数字信号基带信号与宽带信号2.4数据通信技术2.4.1编码与调制2.4.2信道极限容量2.4.3数据通信的基本方式2.4.4数据交换方式2.4.5多路复用技术2.4.6差错校验和控制2.4.1编码与调制无论是数字数据还是模拟数据均可用数字信号或模拟信号发送或传送。

1、数字数据用模拟信号编码

2、数字数据用数字信号编码

3、模拟数据用数字信号编码

4、模拟数据用模拟信号编码1、数字数据用数字信号编码将数字数据用信号的波形来表示称为编码

1、数字数据可以由许多不同形式的电信号的波形来表示；

2、电信号的波形可用电压或电流的脉冲序列来表示；

3、在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元；

4、每个基本波形的时间间隔是相同的，这个间隔被称为码元长度或码元时间间隔。码元与数据

1、一个码元可携带一位或多位数据；

2、码元时间内的电平级数（n，也称调制电平数）决定码元携带的数据位数（b）。

波特率与比特率码元的传输单位是波特（baud），每秒钟传输的码元数称为波特率（波特/秒）。数据的传输单位是位（bit），每秒钟传输的数据位数称为比特率（比特/秒），又称数据传输率。 比特率（C）=波特率（B）×每码元携带的比特数。n是每码元时间间隔内电平级数。误码率误码率是衡量信息传输可靠性的一个参数。

1、指二进制码元在传输系统中被传错的概率。

2、当所传输的数字序列足够长时，它近似等于被传错的二进制位数与所传总位数的比值。在计算机网络中误码率要求低于10-6～10-11。实际应用中，也可用误字率来表示。误字率指错误接收的字符数占传输总字符数的比例。信息传输的完整过程数据是信息的表达方式，信息是数据的内容；信息通过字符集形成数据，数据编码成信号，信号则以码元的形式表现。信息数据码元信号信源信息数据码元信号信宿自然语言比特流基本波形基本波形电磁能量比特流自然语言参数选择字符集编码编码字符集参数选择不同的编码方案表示不同数字数据的码元的形式不同，产生出不同的编码方案。

1、单极性遍码

2、双极性编码

3、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码单极性编码所谓单极性编码，是指在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制“1”，无电流发出表示二进制“0”。

1、如果整个码元时间内维持有效电平，则属于全宽码，称为单极性不归零型编码（NRZ）；

2、如果逻辑“1”只在该码元时间维持一段时间就变成0电平，称为单极性归零型编码（RZ）。单极性不归零编码

单极性归零编码

双极性编码所谓双极性编码，是指在每一个码元时间间隔内，发出正电流表示二进制“1”，发出负电流表示二进制“0”，正和负的幅值相等。

1、如果整个码元时间内维持有效电平，则属于全宽码，称为双极性不归零型编码（NRZ）；

2、如果逻辑“1”和逻辑”0”只在该码元时间维持一段时间就变成0电平，称为双极性归零型编码（RZ）。双极性不归零编码

双极性归零编码

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码所谓曼彻斯特编码，是指在每一个码元时间间隔内，每位中间有一个电平跳变，从高到低表示“1”，从低到高表示“0”。差分曼彻斯特编码中，每位中间也有一个跳变，每个码元开始有跳变表示“0”，没有跳变表示“1”。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码可进行同步，称为自同步编码。曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

关于曼彻斯特编码电平的解释雷振甲编写的<<网络工程师教程>>：从低电平到高电平的转换表示1，从高电平到低电平的转换表示0；电子工业出版社谢希仁《计算机网络（第4版）》：高电平到低电平的转换为1，低电平到高电平的转换为0。清华大学的《计算机通信与网络教程》：从高到低的跳变是1从低到高的跳变是0。在维基百科网站：从低到高是0，从高到低是1。国外的资料：网络应用中由低电平到高电平是“1”，由高电平到低电平是“0”。这种说法是网络应用中的通俗用法。本课程采用：高电平到低电平的转换为1，低电平到高电平的转换为0。2、数字数据用模拟信号编码在模拟线路上直接传送数字信号会失真。

1、基带信号包含各种频率成分，不能全部通过线路；

2、即使能通过的那部分频率，衰减程度也不同；

3、电话线路中存在各种干扰信号；

4、传送的码元速率越高，信号的失真越严重。为能在模拟线路上传输数字信号，必须将数字信号转换成模拟信号。调制与解调

1、基于傅立叶变换，选择一个正弦波作为载波，利用数字信号的变化对载波的某些特性进行控制，从而达到编码的目的，使数字数据“寄载”到载波上的过程称为调制。

2、从载波上取出携带的数字数据过程称为解调。

3、基本的调制方法有：调辐（ASK）、调频（FSK）和调相（PSK）。

典型的模拟传输系统典型的模拟传输系统是传统的电话通信系统

1、电话网络分为5级（大区中心、省中心、地区中心、县中心和市话网）；

2、用户线采用二线制，通信距离为1-10km，长途采用频分复用；

3、目前，我国电话系统的中继线路已经数字化，只有用户线路还采用模拟线路。调制解调器调制解调器

1、实现调制解调功能的设备称为调制解调器。2、可按应用环境（音频、基带、无线）、传输速率（低速：600b/s以下/s、中速：1200b/s-9600b/s、高速：9600b以上）、调制方式（频移键控、相移键控、相位幅度调制）以及特性（人工拨号、自动拨号/应答、智能）对调制解调器进行分类。利用调制解调器变换基带信号，使数字信号变成模拟信号，调制的方式有3类：调幅、调频和调相。3、模拟数据用数字信号编码数字信号在传输过程中是用有限个离散值的信号来表达信息。

1、失真小

2、误码率低

3、费用低

4、传输速率高典型的模拟数据用数字信号编码的方法---脉冲编码调制（PCM）

脉冲编码调制PCM体制简介数字传输系统中的脉码调制PCM（PulseCodeModulation）是一种利用数字链路传输模拟信号的方法；现在的数字传输系统大多采用PCM调制方法；由于历史的原因，PCM有两个不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称T1）和欧洲的30路PCM（简称E1），我国采用的是欧洲的E1。T1的速率为1.544Mb/s，E1的速率为2.048Mb/s。脉码调制PCM体制基本思想PCM的理论基础是采样定理。采用PCM进行数字化变换的过程

1、采样：每隔一定的时间间隔，把模拟信号的值取出来，获得幅度采样脉冲，采样过程遵循采样定理。

2、量化：决定采样值属于哪个量级，并将其幅度按量化级取整，使每个采样值多近似地量化为对应等级值。

3、编码：确定码元，将采样值转换成二进制编码。采样采样定理 只有取样频率（fs）不低于模拟信号最高频率（fm）的2倍，才能从脉冲信号中无失真的恢复原来的模拟信号，采样周期为Ts。针对电话信号的采样

1、电话信号的最高频率为3.4kHz，为方便，取整为4kHz；

2、采用频率可定位8kHz，采用周期T=125us；

3、每秒为8000个离散脉冲信号，振幅对应于电话信号的数值。采样示意图量化量化后的采样值为离散的整数值，而不是连续值。

1、采样值是不规范的；

2、通过量化将不规范的数值规范化为要求的整数值。对于量化后的采样值划分多少个量化级，要根据对精度的要求来决定。

1、常用的有8级、16级；

2、当前声音数字化常分为128个量级。编码对量化的采样值进行编码

1、将每个采样值用相应的二进制编码来表示；

2、按照公式决定每个码元携带多少位数据。利用PCM发送和接收信息在发送端，PCM系统的步骤是抽样、量化和编码；在接收端，PCM系统的步骤是畸变信号的再生、量化样值的重构和译码；为有效地利用传输线路，通常总是将许多个话路的PCM信号用时分复用TDM的方式成帧，然后再送到线路上进行传输。2.4.2信道极限容量寻找提高数据传输速率的途径一直是人们的努力方向。

1、数据以码元的形式在信道上传输；

2、如果在接收端能识别出原来的信号，失真对通信质量没有影响，否则则不然；

3、事实上，码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的失真越严重。1、影响信道极限容量的因素影响码元在信道上传输速率的因素

1、信道能够通过的频率范围 （1）码间串扰问题。 （2）在任何信道中，码元的传输速率都是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决成为不可能。 （3）带宽越大，传输速率越高。

2、信噪比（1）信号的平均功率与噪声的平均功率之比，称为信噪比，常记为S/N。并用分贝作为度量单位。（2）信噪比越高，信号相对噪声越强，传输速率越高。

2、评估信道极限容量的理论利用奈奎斯特准则和香农定理解决信道的极限容量问题。

1、奈奎斯特准则

2、香农定理3、奈奎斯特准则奈奎斯特准则的提出。

1、1924年，AT&T工程师奈奎斯特推导出了奈氏准则；

2、针对理想信道。奈奎斯特准则的具体内容。如果一个任意的信号通过带宽为W的低通滤波器，那么每秒采样2W次就能完整地重现通过这个滤波器的信号。

4、香农定理香农定理内容（1948年）

1、噪声存在于所有电子设备和通信信道中，噪声会使接收端对码元的判决产生错误；

2、针对有噪声的信道；

3、信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，用分贝作为单位。5、香农定理的意义只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。6、小结信道的数据传输率是有上限的。可利用奈奎斯特准则和香农定理来评估信道的上限数据传输率

1、理想信道采用奈奎斯特准则确定信道极限容量

2、非理想信道采用香农定理确定信道极限容量2.4.3数据通信的基本方式数据通信的操作方式

1、单工通信

2、半双工通信

3、全双工通信数据传输模式

1、同步传输

2、异步传输数据传输模式异步传输方式每传送一个字符，都要在每个字符前加一个起始位，而在每个字符后加停止位。这种方式的字符发送是独立的，所以又称为面向字符的异步传输方式。同步传输方式不加起始位和停止位，而是在发送字符前发送一组同步字符（同步标识），使双方进入发送和接收的同步状态。同步传输方式将字符组作为发送单位，在数据传输过程中提供额外的时间链路或在数据中加入时间信息解决时间漂移（滑动）的问题。2.4.4数据交换方式电路交换分组交换报文交换2.4.5多路复用技术所谓的多路复用可以理解为在同一条信道上传输多路信号。

1、多路：多个不同的信号源。

2、复用：同一信道上同时传输多个不同的信号。采用多路复用技术，在发送端，可用复用器（MUX）以将多路信号组合在一条信道上进行传输，到接收端再用分用器（DEMUX）将各路信号分离开来。多路复用极大地提高了信道的利用率。实现多路复用的前提是信道实际传输能力超过单个信号所要求的的能力。1、常用多路复用技术频分多路复用技术（FDM）时分多路复用技术（TDM）频分复用基本思想频分复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）

1、将信道有效带宽划分成不同的频段；

2、在不同的频段上同时传输不同的频率的信号。频分复用是一种模拟信号技术，在信道有效带宽大于要传输的信号所需的带宽时使用。频分复用的信道划分在频分复用中，各个频段都有一定的带宽称之为逻辑信道。为防止相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在相邻两个信号的频率段之间设立一定的保护带，保护带对应的频谱未被使用。频分复用的应用频分复用在模拟信号传输系统中使用，不同的信号同时占用不同的频率资源。一旦为某个信号分配了频率资源，将不再改变。频分复用技术成熟，但不够灵活。常用的频分复用系统

1、电话系统

2、有线电视

3、ADSL时分多路复用技术基本思想时分复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）是一种数字过程，当信道的最大数据传输率大于各路信号的数据传输率的总和时采用。时分复用将信道的使用时间划分成等长的时间片，每个信号轮流使用时间片；所有信号使用一次时间片的和为一个周期。每个周期内传输的数据可以看成一个时分复用帧。时分复用的帧构成一个时分复用帧中包含N个信号的数据；

1、N个信号共享同一条信道；

2、在一定的时间内，可以看到N个信号“同时”使用同一条信道传输；

3、在时刻t0信道只接受一个信号的发送；

4、信号占用信道的全部带宽，适合基带传输；一般来讲，几个低速设备以时分复用的方式共享一条高速信道。时分复用分类时分复用分为两类

1、同步时分复用（SynchronousTDM）采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定的长度连续地划分成特定的时间段，再将每个时间段划分成等长的多个时间片，每个时间片以固定的方式分配给各路数字信号。

2、异步时分复用（AsynchronousTDM），又称为统计时分复用（StatisticTDM）采用按需分配时间片的方式分配时间片，只有某路用户有数据发送时才将时间片分配给该用户；当没有数据传输时，将时间片动态分配给其他的用户；共享物理链路的用户数可以大于统计时分复用帧中的时间片数。时分复用示例ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户统计时分复用示例用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用同步时分复用与统计时分复用总结同步时分复用可能会造成线路资源的浪费。采用统计时分复用的方式对同步时分复用进行改进，该方式可明显地提高信道利用率。2、其他的多路复用技术波分多路复用（WDM）码分多址技术（CDMA）2-1波分复用基本思想波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）

1、光在光纤中的传输已经达到了10Gbit/s，几乎达到了单个光载波信号传输的极限，但远远没有达到光纤的带宽（25000GHz）极限。

2、在借用了频分复用的概念之后，能作到在一个光纤上同时传输多个频率很接近的光载波信号，使传输速率提高。

3、在一根光纤上复用两路以上光载波信号称为波分复用（WDM）。（1）在光传输信号过程中，由于光的频率很高，表示不方便，因此，常用光的波长来表示所使用的光信号，因此，光纤的复用又称为波分复用。（2）事实上，光信号的波分复用就是光的的频分复用。2-2波分复用的发展随着技术的发展，在一根光纤上可以复用的路数越来越多，于是产生了密集波分复用（DWDM）技术。波分复用的讨论

1、不同的信号具有不同的频率。

2、不同频率的信号对应光信号中不同的波长；

3、因此，可以将不同频率的信号对应到不同波长的光信号上；

4、只要光纤可以传输不同波长的光信号，光的频分复用既波分复用就能够实现。2-3波分复用示例2-4码分复用基本思想各通信用户使用经过特殊挑选的不同码型，在同样的时间内使用同样的频带进行通讯，可以理解为码分复用。

1、由于各通信用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

2、事实上，码分复用（CDM）是另一种信道复用技术，也称为码分多址（CDMA）。

3、该方式具有很强的抗干扰能力。2-5码分复用工作原理工作原理

1、在CDMA中，每个比特时间再划分为m个短的间隙，称为码片。通常m的值为64或128；

2、使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的mb