计算机网络原理(2)课件

NavalUniv.ofEngineeringDept.ofInformationSecurity计算机网络技术教员：张志明Tel:44087-mail:z_zhiming@第2章数据通信的基础知识1.

基本概念2.

信道及其主要特性3.

传输介质4.

数据编码5.

多路复用技术6.

数据交换技术7.

差错控制本章主要内容本章学习目标理解信息、信号、信道、带宽等基本概念。了解数字信道、模拟信道的一般概念及通信线路的连接方式和数据的传输方式。理解常见传输介质的特性和应用场合。理解各种数据编码技术，深刻理解PCM编码的一般过程。理解各种多路复用技术及其应用场合。了解数据交换技术，理解分组交换和快速分组交换的原理。了解差错控制的一般概念。本课内容2.1基本概念数据（Data）：传递（携带）信息的实体。信息（Information）：是数据的内容或解释。信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。码元（Codecell）：时间轴上的一个信号编码单元。1数据及计算机通信术语2.1基本概念t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲t同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始。2.1基本概念波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。比特率、波特率和信号编码级数的关系如下： Rbit=Rbaudlog2M上式中：M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率1数据及计算机通信术语2.1基本概念1数据及计算机通信术语误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。信息编码：将信息用二进制数表示的方法。数据编码：将数据用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t2.1基本概念1数据及计算机通信术语带宽（Bandwidth，BW）信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：BW≈fmax－fmin单位：赫兹（Hz）在计算机网络中，一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。2.1基本概念1数据及计算机通信术语时延（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)2.1基本概念1数据及计算机通信术语时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽×传播时延信道带宽传播时延管道体积=时延带宽乘积例如，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。2.1基本概念1数据及计算机通信术语往返时延（Round-TripTime，RTT）：从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认所经历的时间RTT≈2×传播时延传输可靠性两个含义：数据能正确送达数据能有序送达（当采用分组交换时）2.1基本概念2数据通信的一般概念通信的三个要素：信源、信宿和信道噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统2.1基本概念2数据通信的一般概念信息通过数据通信系统的传输过程信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息数据编码调制解调数据解码01000001‘A’01000001‘A’信道信息编码信息解码2.1基本概念3数据通信系统的构成DCEDTEDTEDCE数据传输系统数据处理系统2.1基本概念4数据通信基本过程过程与打电话比较建立物理连接拨号，拨通对方建立逻辑连接互相确认身份数据传输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包含两项内容：数据传输和通信控制2.2信道及其主要特征1数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。数字信号模拟信号2.2信道及其主要特征1数字信道和模拟信道a）模拟信号b）数字信号tt2.2信道及其主要特征2数字通信和模拟通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输。模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输。2.2信道及其主要特征2数字通信和模拟通信数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强传输质量高便于用计算机进行处理保密性强通用、灵活2.2信道及其主要特征3信道的最大数据传输率Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道C=2Wlog2MC=数据传输率，单位b/sW=带宽，单位HzM=信号编码级数例如，话音级线路的带宽约为3.1kHz，根据上式计算的信道最大数据传输率如右表所示。M最大数据率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/s2.2信道及其主要特征3信道的最大数据传输率Shannon公式：用于有噪声干扰信道例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则 C=3100×log2（1+2000）≈34kb/s即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。C=Wlog2（1+S/N）

C:传输率，单位b/sW:带宽，单位HzS/N:信噪比信噪比的单位也可用分贝(dB)表示：S/NdB=10log10S/N所以，若S/NdB=30dB，则S/N=1000。2.2信道及其主要特征Nyquist公式和Shannon公式的比较C=2Wlog2M用于理想信道数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）用于有噪声信道给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。2.2信道及其主要特征4信道的通信方式单/双工通信——单/双向传输单工：数据单向传输发送器接收器A站B站2.2信道及其主要特征4半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输发送器/接收器发送器/接收器不可同时A站B站信道的通信方式2.2信道及其主要特征4全双工：数据可以双向同时传输。发送器/接收器发送器/接收器可同时A站B站信道的通信方式2.2信道及其主要特征5数据的传输方式基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。2.2信道及其主要特征6数据同步方式目的是使接收端与发送端在时间基准上一致。数据同步可以从三个层次上来实现：位——位同步字符——字符同步帧(Frame)——帧同步2.2信道及其主要特征位同步：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。2.2信道及其主要特征自同步——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。Manchester101100110102.2信道及其主要特征字符同步：找到正确的字符边界。常用的为起止式（异步式）。起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符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8/11≈73％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”每个发送的字符前后各加入一位或多位信息以表示一个字符的开始和结束。2.2信道及其主要特征帧同步：识别一个帧的起始和结束。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–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH2.3传输介质内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套1双绞线2.3传输介质屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：3类（16Mb/s）和5类（155Mb/s）两种2.3传输介质双绞线的连接标准色彩标记和连接方法：交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)直连线：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕1234567812345678交叉线EIA-568B直连线EIA-568A12345678123456782.3传输介质依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传优缺点：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低，保密性好轻便价格较高需要光电转换2光纤2.3传输介质光纤传输原理——光的反射光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接放大器驱动器发光器件光检测器电信号电信号光信号光纤2.3传输介质多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播2.3传输介质典型的光缆单芯光缆多芯光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳2.3传输介质高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束2.3传输介质3同轴电缆计算机网络中使用基带同轴电缆阻抗50，有粗同轴和细同轴两种应用：总线局域网（以太网）性能：10Mb/s，500米/185米铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套2.3传输介质使用电磁波或光波携带信息优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔主要类型：无线电、地面微波通信卫星红外线3无线介质2.3传输介质无线电基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆盖的无线电区域BS基站

用户计算机和终端2.3传输介质地面微波通过地面站之间接力传送接力站之间距离：50-100km速率：每信道45Mb/s地球地面站之间的直视线路微波传送塔2.3传输介质地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（≈270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网35,784公里地球2.3传输介质常用传输介质的比较（p46表2.1）传输介质传输方式速率/工作频带传输距离性能价格应用双绞线宽带基带≤1Gb/s模拟:10km数字:500m较好低模拟/数字信号传输50Ω同轴电缆基带10Mb/s<3km较好较低基带数字信号75Ω同轴电缆宽带≤450MHz10