计算机网络第2章

《计算机通信与网络》

Review●计算机网络定义，历史及应用●计算机网络软、硬件●RefertenceModel●应用层协议第二章物理层物理层的概念:数据终端设备（DTE）与数字电路终接设备（DCE）的接口。DTE:希望通过网络互连的设备（入网设备），包括计算机、终端等；DCE:网络中含有的通信设备（网内设备），包括通信处理机等，延伸DTE之间的距离；DTEDCEDCEDTE……传输介质用户环境用户环境通信系统第二章物理层物理层服务：建立、维持和释放物理连接（标识物理连接、选择服务质量：速率、延迟、传输误码率等），并在物理连接上透明传输比特流（包括排序和故障通知等）。物理层功能：通过规定物理设备和物理媒体之间的接口技术，实现物理设备之间的比特流透明传输（包括DTE－DCE和DCE－DCE之间的比特流传输）。第二章物理层物理层协议—接插件的标准化：从四个方面对物理设备和媒体之间的接口进行定义①机械特性：接口部件的尺寸、规格、插脚数和分布等；②电气特性：接口部件的信号电平、阻抗、传输速率等；③功能特性：接口部件的信号线（数据线、控制线、定时线等）的用途；④规程特性：接口部件的信号线在建立、维持、释放物理连接和传输比特流的时序。第二章物理层2.1数据通信理论2.2传输介质2.5PSTNMaintopics:2.1数据通信理论●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。有关信号的几个基本概念:●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。2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication●基带信号:将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。●宽带信号:

则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。●模拟信号：即连续的信号，如话音信号和目前的广播电视信号。●数字信号：即离散的信号，是一种电压脉冲序列，如计算机通信所用的二进制代码“1”和“0”组成的信号。2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication数据通信中的几个主要指标1.带宽（bandwidth）:

信号占据的频率范围，称为信号的带宽。信道带宽是指在该通信线路上能不失真地传送信号的频率范围。2.信号传输速率:单位时间里传送信号波形的个数，单位为波特。

B=2H（baud）

(最大采样频率为带宽的2倍)2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication3.数据传输率：比特率，单位时间里传送二进制数据的位数，单位b/s、Kb/s、Mb/s，简写为bps、Kbps、Mbps。4.信道容量:

表征一个信道传输数字信号的能力，它以数据传输速率作为指标，即信道所能支持的最大数据传输速率。2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication●波特和比特的关系

波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”是两个完全不同的概念。若1个码元只携带1bit的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M

nb/s。2.1.3TheMaximumDataRateofaChannel●Nyquist定理：理想信道、无噪声信道

Cmax=2Hlog2N（bps）

H：带宽（Hz）N：离散级数，有时写成V例：话音级线路H＝3000HzN最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps2.1.3TheMaximumDataRateofaChannel●Shannon定理：有噪声信道C=Hlog2(1+S/N)（bps）

H:信道带宽（Hz）S:信道内所传信号的平均功率

N:为信道内部的高斯噪声功率

S/N：信噪比（无量纲）（S/N）db=10log10（

S/N）●信噪比与分贝之间的换算关系2.1.3TheMaximumDataRateofaChannel例：假设信道的带宽为3kHz，信噪比为30db，求最大数据传输速率为多少？解：（S/N）db

＝10log10（

S/N）30＝10log10（

S/N）（

S/N）＝1000C＝Hlog2(1+S/N)＝3000log2(1+1000)≈30,000bps在50kHZ线路上使用T1载波需要多大的信噪比？解：香农定理：C=Hlog2(1+S/N)（bps）=1.544*10650*103*log2(1+S/N)=1.544*106

S/N=231-1

（S/N）db=10log10（S/N）=10log10（231-1)=93(dB)实例电视频道的带宽为6MHZ，如果使用4级数字信号，每秒能发送多少比特?假定为无噪声。解：尼氏定理：

Cmax=2Hlog2N（bps）=6*2*2=24Mbps

一个用于发送二进制信号的3KHZ信道，其信噪比为20dB，其最大数据速率是多少？解：香农定理：C=Hlog2(1+S/N)（bps）20=10log10（S/N）S/N=100

C=3*log2(1+100)=19.98Kbps2.2GuidedTransmissionMedia2.2.2TwistedPair2.2.4FiberOptics2.2.3CoaxialCable2.2.2TwistedPair内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套2.2.2TwistedPair●既可用于模拟传输，也可用于数据传输；●带宽依赖于线的粗细和传输距离；●常用有3类线和5类线

3类:目前在ANSI和EIA/TIA568标准中指定的电缆。传输频率=16MHz,语音传输/数据传输最大速度=10Mbps，主要用于10base-T。

5类:增加了绕线密度,外套一种高质量的绝缘材料,传输频率=100MHz；语音传输/数据传输速率=100Mbps（100M内）；主要用于100base-T和10base-T网络，这是最常用的以太网电缆。2.2.2TwistedPair铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层1，非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）2，屏蔽双绞线STP

（ShieldedTwistedPair）UTPSTP2.2.2TwistedPairTheendofatwistedpairEthernetcablewithanRJ-45connector.具有以太网卡的计算机背面一个10/100M双绞线以太网接口，指示灯的状态显示接口连接在一个10M以太网上2.2.3CoaxialCableFigure2-4.Acoaxialcable.2.2.3CoaxialCable●50-ohmcable：基带同轴电缆，10Mb/s--1km数字信号，时分复用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码●75-ohmcable：宽带同轴电缆模拟信号，频分复用有线电视电缆2.2.4FiberOptics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2.2.4FiberOptics●依靠光波承载信息特点：●高传送速率，通信容量大●传输损耗小，适合长距离传输●抗干扰性能好，保密性好●轻便2.2.4FiberOptics输入脉冲输出脉冲单模光纤：采用注入型激光二极管，产生一个窄带的超辐射光束，激光，定向性好，可沿光导纤维传播，减少了折射，效率高，传输距离更远。输入脉冲输出脉冲多模光纤：采用发光二极管，电流通过则发光，是可见光，定向性差，不断在光纤石英下玻璃介质内反射向前传播的。Caption:OpticalfibercablesconnectedtoanATMswitch.接入ATM网络接口的光纤光纤和连接器，黑色套子在连接器不用的时候保护连接器Problem●wheredothetwistedpair,coaxialcableandfiberapplyto?

2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork●数据（data）是运送信息的实体。●信号（signal）是数据的电气的或电磁的表现。●数据或信号可以是模拟的，也可以是数字的。●所谓“模拟的”就是连续变化的。●所谓“数字的”就是取值是离散的。●将数字数据转换成模拟信号的过程叫做调制。Basicconcepts:2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork●传输方式:模拟传输：使用模拟信号进行传输数字传输：使用数字信号进行传输●传输的数据:模拟数据：时间和取值是连续的数据数字数据：取值是离散的数据2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork话音电话模拟模拟数据,模拟信号数字Modem模拟数字数据，模拟信号数字数字传输数字数字数据，数字信号模拟CODEC数字模拟数据，数字信号模拟传输和数字传输2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetworkEncoderDecoder数字或模拟数字信道g(t)x(t)tg(t)x(t)●编码：用数字信号承载数字或模拟数据ModulatorDemodulator模拟信道m(t)fcs(f)ffcm(t)s(t)数字或模拟●调制：用模拟信号承载数字或模拟数据2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork数据通信基本过程:包含数据传输和通信控制两项内容过程打电话建立物理连接拨号，拨通对方建立逻辑连接互相确认身份数据传送互相通话断开逻辑连接互相确认要结束通话断开物理连接双方挂机2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork2.5.1StructureoftheTelephoneSystem

2.5.3TheLocalLoop:Modems,ADSL,andwireless

2.5.4TrunksandMultiplexing

2.5.5Switching

Maintopics:2.5.1StructureoftheTelephoneSystem(b)Centralizedswitch.(c)Two-levelhierarchy.(a)Fully-interconnectednetwork.2.5.1StructureoftheTelephoneSystemFigure2-21.Atypicalcircuitrouteforamedium-distancecall.Thetelephonesystemconsistsofthreemajorcomponents:2.5.1StructureoftheTelephoneSystem1.Localloops本地回路(analogtwistedpairsgoingintohousesandbusinesses).2.Trunks干线(digitalfiberopticsconnectingtheswitchingoffices).3.Switchingoffices交换局(wherecallsaremovedfromonetrunktoanother).2.5.3TheLocalLoop:Modems,ADSL,andWirelessFigure2-23.Theuseofbothanaloganddigitaltransmissionforacomputertocomputercall.Conversionisdonebythemodemsandcodecs.Transmissionlinessufferfromthreemajorproblems:●Attenuation(衰减)lossofenergydb/km●Delaydistortion(延迟畸变)Fouriercomponents●Noisethermalnoiseimpulsenoise2.5.3TheLocalLoop:Modems,ADSL,andWireless出现差错010010100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号2.5.3TheLocalLoop:Modems,ADSL,andWirelessMODEMMODEM的构成：●调制器(Modulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在300~3400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。●解调器(Demodulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。调制器的作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。如，0对应于频率f1，而1对应于频率f2。调相(PM):

载波的初始相位随基带数字信号而变化。如，0对应于相位00，而1对应于1800。MODEMMODEMFigure2-24.(a)Abinarysignal.(b)AM.(c)FM.(d)PMMODEMFigure2-25.(a)QPSK.(b)QAM-16.(c)QAM-64.●mostmodemssample2400times/secandfocusongettingmorebitspersample.2400-baudMODEMr(r,)●可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。●由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。ModemV.32modemstandarduses32constellationpointstotransmit4databitsand1paritybitpersymbolat2400baudtoachieve9600bpswitherrorcorrection.V.32Figure2-26.(a)V.32for9600bps.V32bisModemItsconstellationpatternhas128pointswhenQAM-128isused,transmitting6databitsand1paritybitpersampleat2400baud.

Figure2-26.(b)V32bisfor14,400bps.V.34runsat28,800bpsat2400baudwith12databits/symbol.V.34bisuses14databits/symbolat2400baudtoachieve33,600bps.Thetelephonechannelisabout4000Hzwide(includingtheguardbands).Themaximumnumberofindependentsamplespersecondisthus8000.ThenumberofbitspersampleintheU.S.is8,oneofwhichisusedforcontrolpurposes,allowing56,000bit/secofuserdata.ModemV.90:33.6-kbpsupstreamchannel,56kbpsdownstreamchannelV.92:48-kbpsupstreamchannel,56kbpsdownstreamchannelDigitalSubscriberLines(数字用户线)Thebandwidthofamediumistherangeoffrequenciesthatpassthroughitwithminimumattenuation.Serviceswithmorebandwidththanstandardtelephoneservicearesometimescalledbroadband.●thegoalsofxDSL1,workovertheexistingcategory3twistedpairlocalloops2,can’taffectcustomers'existingtelephonesandfaxmachines3,muchfasterthan56kbps4,monthlychargebutnoper-minutecharge●BandwidthandBroadband:ADSL什么是ADSL技术ADSL技术是一种不对称数字用户线实现宽带接入互连网的技术，充分利用现有的铜线资源，在一对双绞线上提供上行1Mbps,下行8Mbps的带宽，从而克服了传统用户在"最后一公里"的"瓶颈"，实现了真正意义上的宽带接入。上行数据流带宽：26*4000*15＝1.44Mbps下行数据流带宽：224*4000*15＝13.44MbpsADSLADSL的原理：传统的电话系统使用的是铜线的低频部分（4kHz以下频段）。而ADSL采用DMT（离散的多信道调制）技术，将原先电话线路0Hz到1.1MHz频段划分成256个频宽为4.3kHz的子频带。其中，4kHz以下频段仍用于传送POTS（传统电话业务），信道1－5没有被使用，剩余250条信道用来传送上行信号(upstream)和下行信号(downstream)。Figure2-28.OperationofADSLusingdiscretemultitonemodulation.ADSLADSL调制解调技术:●QAM调制技术(正交振幅调制)●CAP调制（CarrierlessAmplitude－phaseModulation无载波幅相调制）●DMT调制（DiscreteMulti-toneModulation离散多信道调制）ADSLFigure2-30.AtypicalADSLequipmentconfigureADSL&MODEMCOMPAREADSLMODEMMaxupstreambandwidth1M56KMaxdownstreambandwidth8M56KTerminalADSLModemandsplitterPlain56KModemTelephonedial-upNoYesDriverPPPoESpecialdriverfor56KModemTheLine’sBusyNoYesTelephonechargeNoYesChargePermonthPerminuteProvideStaticIPYesDifficultProblem调查：xDSL除了包括ADSL外，还有哪些？它们又有哪些特征？现在的宽带服务采用的标准是什么？它的速度已经达到多少？有哪些公司提供宽带服务？装宽带需要哪些设备？2.5.4Trunks(干线)andMultiplexing●多路复用技术的条件○单条线路的信息传输能力远大于单一信息源的信息传输的要求○例子：电话主干达到几十兆，而一路语音只占4kHz○一般主干铺设一或几根宽带电缆，而不是几万根窄带电缆●多路复用的定义○采用某种技术在一条线路上传输多个信号，且信号之间的传输相互不影响○一个物理信道被逻辑地分成几个逻辑信道的技术●优点：节约大量的建设资金2.5.4TrunksandMultiplexing●FDM:频分多路复用技术●WDM:波分多路复用技术●TDM:时分多路复用技术●SONET/SDH:同步光纤技术/同步数字分级结构FDM频分多路复用技术FDMCH2CH1CH3原始带宽CH1CH2CH3频分后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f

将一条线路的频带逻辑地划分成几个信道，每个用户独立地拥有某些频率段;频率通道之间留有防护频带。FDM例子：广播，ADSL相应的标准：CCITT,群(group),超群(Supergroup),主群(Mastergroup)FDM:所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5波分多路复用技术WDM

FDM应用于光纤信道的变例。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜或衍射光栅合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。F1F2F3共享光纤的光谱F2F1F3光谱棱柱/衍射光栅光纤2光纤3光纤1共享光纤采用无源设备，更可靠WDMTDM当信道能达到的数据传输率大于各路信号的数据传输率总和时，可以将使用信道的时间分成一个个的时间片，按一定规则将这些时间片分配给各路信号，每一路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输，A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧TDMTDMT-标准:T1电话系统，北美、日本●一路语音信号：PCM(4k,采样频率8000次/秒，T=125us,8位数字序列，64kbps）(pulsecodemodulation)●T1线路：24路语音信号通过时分复用技术复用到一条线路上●帧：193位●数据传输速率为:1.544Mbps(193/125us)

(数字信号)Figure2-33.TheT1carrier(1.544Mbps).TDME-标准：欧洲、中国、南美0121631125ms32时隙2.048Mbps帧同步信令信道30话音信道+2控制信道32*8*8000=2048000bpsTDMFigure2-35.MultiplexingT1streamsontohighercarriers.TDM与FDM的比较FDMTDM相同之处宏观上并行，一条线路上同时传输着多路信号不同之处微观上并行适合模拟传输微观上串行适合数字传输SONET/SDH同步光纤技术/同步数字分级结构技术要点:●由标准的网络单元组成●简化了信号的互通、传输、复用、交叉连接和交换●标准的信息速率等级●标准的光接口●特殊的复用结构，B-ISDN信号都可以进入●环形网络结构，可靠，路由灵活●帧中有大量开销位，软件进行网络配置和控制●使用单个主时钟来同步总速率：90*9*8000*8=51.84MbpsSPE数据传输率：87*9*8000*8＝50.112MbpsSONET基本帧结构1frame=810bytesin125

ms123456789STS-1/OC13byt