计算机网络-第2章课件

计算机网络2物理层2.1物理层的基本概念是为在物理媒体上传输原始数据的比特流而设立的。尽可能屏蔽传输媒体的差异，透明传送和接收位流2.1.1物理层功能

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。2.2数据通信基本概念

数据终端设备DTE与数据通信设备DCE连接示意图2.2.1基本概念信息:是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。数据:是一种承载信息的实体。数据可分为模拟数据和数字数据两种形式。信号:是消息或者说是信息的携带者，即数据的电气的或电磁的表现。是数据的具体表现形式。信号可分为模拟信号和数字信号两种形式。2信号分类信号根据载体的不同，可以是电、磁、声、光、热等的各种信号。

模拟信号数字信号3、模拟传输与数字传输（1）模拟传输因噪声变形继而被放大的模拟信号

（2）数字传输

受噪声影响的数字信号被转发后波形图

4基带与宽带．基带传输：二进制数字序列最方便的电信号形式是数字脉冲信号。把数字脉冲信号的固有频带称为基带。数字脉冲信号称为基带信号。在数字通信信道上，直接传输基带信号，称为基带传输（编码）。．频带传输：为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模拟信号。

宽带传输所谓宽带，就是指比音频带宽还要宽，简单地说就是包括了大部分电磁波频谱的频带。a.宽带系统能同时接入几个信道，因而能够比基带系统传输更多的数据。宽带传输能将有线电视带入家庭。有线电视能够传输的数据量至少是一个典型基带系统（如Ethernet）传输数据量的2.5倍。

b.在宽带系统中，信号仅仅只能进行单向传输。因此，宽带电缆必须为数据的发送和接收提供独立的电缆。由于大部分有线电视电缆只提供一条电线，若不做任何修改，它将不能用于把数据从屋中向外传输。c.由于使用一些额外的硬件，宽带传输通常比基带传输昂贵得多。d.另一方面，宽带系统能够比基带系统跨越更长的距离。Note：在网络领域，一些术语根据上下文常有多种意思。宽带即是这样的术语。这里描述的宽带是指通过多个信道在同轴电缆上传输信号的传输系统，例如有线电视所使用的系统。这种定义是宽带的原始意义。在高速数字网络中也用到了“宽带”，这时“宽带”是指使用数字信号并且有非常高的传输速率的网络，例如异步传输模式（ATM）网络。速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。Bit来源于binarydigit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。速率即数据率(datarate)或比特率(bitrate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等速率往往是指额定速率或标称速率。2.2数据通信基本概念

2.2.2信道特性1信道带宽信道的带宽是指信道频率响应曲线上幅度是其频带中心处幅度值的1/√2倍的两个频率之间的宽度。如图所示，带宽W=f2-f1，其中f1是信道能通过的信号的最低频率，f2是信道能通过的信号的最高频率

例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.lkHz，话音的主要频率范围从300Hz到3.4kHz。带宽的单位是赫(或千赫、兆赫等)

数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信号。信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的数字脉冲序列的最高速率。

数字信道传送数字信号的速率称为数据率或比特率。网络或通信链路上的带宽单位可记为bit/s(更常用的带宽单位是千比特/每秒,即kbit/s、Mbit/s、Gbit/s、Tbit/s)。也称为吞吐量(Thoughput)

数字信号流随时间的变化在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

每秒

106

个比特时间1

01

0

111s带宽为1Mb/s

时间每秒

4

106

个比特0.25s带宽为4Mb/s

2传输速率传输速率是指单位时间内传输信息单元的数量。它是衡量数据通信系统传输能力的重要指标，有两种表示方法，即数据信号速率和码元速率。1）数据信号速率指单位时间内所传送的二进制代码的有效位数，以每秒多少比特数计，单位为bit/秒，记作b/s。计算公式为 S=1/Tlog2N式中T：一个数字脉冲信号的时间宽度，单位为秒（s）；N：一个码元所取的离散值个数。通常，N=2K,K为二进制信息的位数，K=log2N，N=2时，S=1/T表示数据信号速率等于码元脉冲的重复频率。2）码元速率（调制速率）信号调制过程中，把一个数字脉冲称为一个码元，并用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。单位为波特，记作Baud。计算公式为B=1/T(Baud)式中T信号码元的宽度，单位为s。码元速率也称信号传输速率、调制速率、波特率或传码率。例：采用四相调制方式，即N=4，且T=833×10-6s，则 S=1/Tlog2N=1/833×10-6log24=2400b/s B=1/T=1/833×10-6=1200Baud

3）数据信号速率与调制速率的关系数据信号速率S与调制速率B有如下关系：S=Blog2N(b/s)或B=S/log2N(Baud)其中N为一个脉冲信号所表示的有效状态。在二进制中，脉冲只有两种状态0或1，即N=2，也就是说，数据信号速率S与调制速率B是一致的。当采用不同的调制方式时，N的取值是不同的，这时即使调制速率相同，得到的数据信号速率也是不同的，3、信道极限信道极限表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒（b/s），也就是信道传输信息的最大能力。(1)理想的信道极限奈奎斯特（Nyquist）无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系为：B=2×H（Baud）奈奎斯特公式—无噪信道传输速率极限值公式如下： C=2Hlog2V（bps）式中H：信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为赫（Hz）；V：一个码元所取的离散值个数(电平分级);例:普通电话线路带宽约3kHz，则码元数率极限值B=2×H=2×3k=6k（Baud），若码元的离散个数V=16，则最大数据传输数C=2×3k×log216=24k(b/s)（2）带噪声的信道极限主要结论是：对于任何带宽为H、信噪比为S/N的信道：(香农公式)带噪信道传输速率极限值公式如下:C=Hlog2（1+S/N）(bps)式中H：信道的带宽,单位为Hz；S：信号功率；N：噪声功率；S/N：信噪比，通常把信噪比表示成10lg（S/N）分贝（dB）。香农公示表明：

①信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输率就最高。

②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办法来实现无差错的传输。③若信道带宽H或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。④实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。⑤对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

例2-3已知信噪比为30dB，带宽为3KHz，求信道的最大数据传输速率。 ∵10lg(S/N)=30 ∴S/N=1030/10≈1000 ∴C=3000×log2(1+1000)≈30k(b/s)

4、误码率表示传输二进制位时出现差错的概率。5、信道延迟信号从源端到达宿端所需要的时间。

时延通常由四部分组成：

发送时延。发送时延是结点在发送数据时使数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延又称为传输时延，它的计算公式: 发送时延=

数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）传播时延

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关，也与具体信道中的信号传播速度有关。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。处理时延

交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。排队时延

结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和：

传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延四种时延所产生的地方

1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点

B结点

A在发送器产生传输时延(即发送时延)在结点A中产生处理时延和排队时延数据从结点A向结点B发送数据链路容易产生的错误概念

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高链路带宽减小了数据的发送时延。电磁波在自由空间的传播速率是3.0×105km/s，在铜线电缆中的传播速率是2.3×105km/s，在光纤中的传播速率是2.0×105km/s。6、时延带宽积与往返时延（传播）时延链路带宽时延带宽积=传播时延带宽链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

时延带宽积

往返时延RTT(Round-TripTime)是一个重要的性能指标,它可以表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后便立即发送确认),总共经历的时延。

往返时延带宽积的意义：就是当发送端连续发送数据时,在收到对方的确认之前,就已经将这样多的比特发送到链路上了。

2.2数据通信基本概念

2.2.3数据通信系统1通信系统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（1）、模拟通信系统（2）、数字通信系统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）接收信号波形数字通信系统相对模拟通信系统具有以下特点：①抗干扰能力强、无噪声积累。②便于加密处理。③便于存储、处理和交换。④设备便于集成化、微型化。⑤便于构成综合数字网和综合业务数字网。⑥数字通信占用信道频带较宽，信道利用率低。2、数据通信方式数据通信可以分为下列三种方式：单工(Simplex)、半双工(Half-duplex)和全双工(Full-duplex)，

1）.单工操作模式在单工操作模式中，发送器和接收器之间只有一个单向的传输信道，数据传输是单向的，只能从发送器传送到接收器。2）.半双工操作模式在半双工操作模式中，传输信道是双向的，并且每个设备同时具有发送器和接收器功能，它们之间可以分时轮流进行双向数据传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输数据。3）.全双工操作模式在全双工操作模式中，传输信道是双向的，并且每个通信设备同时具有发送器和接收器功能，它们之间可以同时进行双向数据传输。

通信操作模式

3、数据同步方式数据通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步,一方面码元之间要保持同步,另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止时间上也要保持同步。实现字符或数据块之间在起止时间上同步的常用方法有异步传输和同步传输两种。1）异步传输

其原理是：每个字符都独立传输，接收设备每收到一个字符的开始位后进行同步。异步传输方式中,一次只传输一个字符(由7~8位数据组成)。每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为“0”,占一位时间；停止位为“1”，占1~2位的持续时间。在没有数据发送时,发送方可发送连续的停止位(称空闲位)。接收方根据“1”至“0”的跳变来判别一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。这种通信方式简单便宜,但每个字符有2~3位的额外开销。异步传输特点：在异步传输方式中由于不需要发送和接收设备之间另外传输定时信号，因而实现起来比较简单。其缺点是：（1）一方面，由于每个字符都要加上起始位和结束位，因而传输开销较大；（2）另一方面，由于发收双方时钟的差异（异步）使得传输速率不宜过高，因而传输效率低，常用于低速数据传输中。2）同步传输其的原理是：其信息格式是一组字符或一个二进制组成的数据块。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN或一个同步字节，用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字节或字符之后，可以连续发送多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。即：为使接收方能判定数据块的开始和结束,在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾,加有帧头、帧尾的数据称为帧(Frame)。同步传输但是，在同步通信中，要求收发双方之间的时钟严格同步，而使用同步字符或同步字节，只能用于同步接收数据帧，只有保证接收端接收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方才能正确的接收数据，这就要使用位同步方法。1）使用专用信道发送同步时钟保持双方的同步2）编码的方法（效率高，使用普遍）2.3数据的调制与编码

4种编码方式，即模拟信号传输模拟数据，数字信号传输模拟数据，模拟信号传输数字数据和数字信号传输数字信号。电话模拟数据,模拟信号话音模拟模拟模拟数据，数字信号CODEC数字数字数字Modem数字数据，模拟信号模拟数字数据，数字信号数字传输数字2.3.1数字数据的模拟信号编码有三种基本调制方式，是通过采用三种模拟信号的载波特性(振幅、频率和相位)之一来表示被调制的数字数据(1)幅移键控(ASK)法ASK(AmplitudeShiftKeying)是使用载波频率的两个不同振幅来表示两个二进制值。即载波的振幅随基带数字信号而变化。特点：ASK方式的编码效率较低，抗干扰性较差，在音频电话线路上一般只能达到1200b/s的传输速率。

(2)频移键控(FSK)法FSK(FrequencyShiftKeying)是使用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值。即载波的频率随基带数字信号而变化。

特点：FSK比ASK的编码效率高，不易受干扰的影响，抗干扰性较强，在音频电话线路上的传输速率可以大于1200b/s。(3)相移键控(PSK)法PSK(PhaseShiftKeying)是使用载波信号的相位偏移来表示二进制数据，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。在PSK方式中，信号相位与前面信号序列同相位的信号表示0，信号相位与前面信号序列反相位的信号表示1。特点：PSK方式具有很强的抗干扰能力，其编码效率比FSK还要高。在音频线路上，传输速率可达9600b/s。对基带数字信号的几种调制方法

010011100基带信号调幅调频调相多相调制PSK方式也可以用于多相的调制，例如在四相调制中可把每个信号序列编码为两位。多级调制方法数据率=nx信号速率000111100+90+180+270+90：010：00+270：11+180：104-PSK正交振幅调制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r(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。

举例2.3.2数字数据的数字信号编码

常用的数字信号编码有不归零NRZ(NonReturntoZero)码、差分不归零DNRZ(DifferentialNonReturntoZero)码、曼彻斯特(Manchester)码及差分曼彻斯特(DifferentialManchester)码等。

(1)NRZ码（不归零编码）NRZ码是用信号的幅度来表示二进制数据的，通常用正电压表示数据“1”，用负电压表示数据“0”，并且在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零码。NRZ码的特点是一种全宽码，即一位码元占一个单位脉冲的宽度。不能保持同步，要采用其它方法。(2)DNRZ码（差分不归零编码）DNRZ码是一种NRZ码的改进形式，它是用信号的相位变化来表示二进制数据的，一个信号位的起始处有跳变表示数据“1”，无跳变表示数据“0”。(3)曼彻斯特码在曼彻斯特码中，用一个信号码元中间电压跳变的相位不同来区分数据“1”和“0”，它用从低到高电压跳变表示“0”；用从高到低电压跳变表示“1”。10Mb/s以太网(Ethernet)采用这种曼彻斯特码。

(4)差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码是一种曼彻斯特码的改进形式，其差别在于：每个码元的中间跳变只作为同步时钟信号，而数据“0”和“1”的取值是用信号位的起始处有无跳变来表示的：若有跳变则为“0”；若无跳变则为“1”。令牌环(Token-Ring)网采用这种差分曼彻斯特编码。特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。数字信号编码:2.3.3模拟数据的数字信号编码常用的编码技术是脉冲编码调制PCM(PulseCodeModulation)技术。PCM原理如图所示：在信号源端，模拟信号X(t)经过反混叠滤波器和采样器处理后变换成脉冲调幅信号X(n)，然后送入量化器进行均匀分层量化为Y(n)，再经过编码器将量化后的脉冲信号表示成一组二进制码C(n)，并输出。在接收端，PCM解码器将接收信号C1(n)解码成Y1(n)，经过逆量化器和平滑滤波器就可建立重建信号X1(t)，X1(t)和X(t)之差就是量化误差。

PCM原理框图采用PCM把模拟信号数字化的3个步骤如图所示：采样

量化编码2.4数据传输媒体

所谓的传输介质就是信号传输时借助的物质，分为两类：有线介质和无线介质2.4.1有线介质包括：双绞线、同轴电缆和光纤1、双绞线分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线

适用于短距离传输

无屏蔽双绞线电缆(UnshieldedTwistedPair,UTP)由不同颜色的(蓝/橙/绿/棕)4对双绞线组成

屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair,STP)电缆的外层由铝箔包裹

特点：传输速率快、价格便宜，安装容易，适用于结构化综合布线，使用广泛。适合模拟和数字传输。2、同轴电缆主要应用于有线电视网、电视天线馈线和局域网。同轴电缆的基本结构为：轴心为一根铜制导线，轴心被均匀的绝缘层包裹，在绝缘层外边包裹着外导体（通常为网状），最外边为塑料护套。标注方式有两种：以其特性阻抗分类可分为50Ω、75Ω；按直径分类可分为粗缆和细缆等。

50Ω电缆用于传输数字信号，75Ω电缆用于传输电视信号

基带一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带

一条电缆同时传输不同频率的几路模拟信号，75

，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器各种电缆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外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆3光纤光纤的分类：按传输光波模式的分类方法

（１）单模光纤：纤维直径很小传输频带很宽，传输容量大。输入设备复杂。因此只适合于大容量、长距离传输。

（２）多模光纤：同波长的光可以有多种模式在光纤中传输。传输的模式比较多，容易发生色散，所以这种光纤的传输频带较窄，传输容量小；设备简单，使用广泛。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）

包层纤芯光纤的工作原理高折射率(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输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤单模光纤（single-modefiber）使用激光源中继距离100公里内芯直径与光源波长相近直径为4～10μm多模光纤（multi-modefiber）使用普通发光二极管作为光源中继距离2公里多种模式，易发生色散内芯直径稍大直径为62.5μm单模光纤与多模光纤的比较光纤的特点优点高带宽、高数据传输率安全、可靠抗腐蚀、抗干扰性能好衰减小体积小，重量轻缺点单向传输光纤接口价格昂贵工艺复杂、安装技术复杂2.4.2无线介质

信号通过空间传播，我们称之为无线介质。无线介质包括微波、激光、红外和短波

1、微波微波系统可分为地面微波系统和卫星微波系统。地面微波系统由视野范围内的两个互相对准方向的抛物面天线组成,长距离通信则需要多个中继站组成微波中继链路。通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。卫星上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域,在此区域中的卫星地面站之间就可互相通信。地面微波接力

两个地面站之间传送距离：50-100km地面站之间的直视线路

微波传送塔微波对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在300MHz至200GHz左右。主要使用：2至40GHz。由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。它具有带宽高,容量大的特点。由于使用了高频率,因此可使用小型天线,便于安装和移动。微波信号容易受到电磁干扰，地面微波通信会造成相互之间的干扰，大气层中的雨雪也会大量吸收微波信号，当长距离传输时会使得信号衰减以至无法接收；

卫星通信

方法：是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。

特点：是通信距离远,且通信费用与通信距离无关。频带很宽,通信容量很大,信号所受到的干扰也较小,通信比较稳定。具有较大的传播时延。

同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1万8千多公里。只要在地球赤道上空的同步轨道上,等距离地放置3颗相隔120度的卫星,就能基本上实现全球的通信。

从一个地球站经卫星到另一地球站的传播时延在250-300ms之间。一般可取为270ms。

卫星地球地面站地面站C波段4/6GHz上行5.925-6.425GHz下行3.7-4.2GHzKU波段12/14GHz

上行14-14.5GHz下行11.7-12.2GHz使用微波使用转发器接收和转发地球同步卫星22,300公里地球与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球2、激光在空间传播的激光束可以调制成光脉冲以传输数据，和地面微波一样，可以在视距范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收器进行通信。由于激光的频率比微波更高,因而可获得更高的带宽。

激光传输

特点：

频率比微波更高，因而可获得更高的带宽。激光束的方向性比微波束更好，不受电磁干扰的影响，保密性好。激光穿越大气时会衰减，易受天气的干扰。只能在短距离通信中使用。

3红外线红外传输系统(图2-24)可利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统，这种系统所用的红外光发射器和接收器与光纤通信中使用的类似，也常见于电视机的遥控装置中。红外传输

4、无线电短波无线电短波通信早已用在计算机网络中了,已经建成的无线通信局域网使用了甚高频VHF(30MHz～300MHz)和超高频(300MHz～3000MHz)的电视广播频段,这个频段的电磁波是以直线方式在视距范围内传播的,所以用作局部地区的通信是很适宜的。

短波通信设备比较便宜，便于移动，没有像地面微波站那样的方向性，加上中继站可以传送很远的距离。短波通信也容易受到电磁干扰和地形地貌的影响，而且带宽比微波通信要小。

2.5多路复用技术多路复用技术

原因：在数据通信系统或计算机网络系统中,传输媒体的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求。

目的：为了有效地利用通信线路,希望一个信道同时传输多路信号,这就是所谓的多路复用技术(MultiplexiI1g)。采用多路复用技术能把多个信号组合起来在一条物理信道上进行传输,在远距离传输时可大大节省电缆的安装和维护费用。

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术(见图2-25)，这种技术要用到两种设备：多路复用器(Multiplexer)和多路分配器(Demultiplexer)。多路复用器和多路分配器统称多路器，简写为MUX。

多路复用多路复用技术包括4类，共5种，分别为：频分复用、同步时分复用、异步时分复用，波分多路复用，码分多路复用共享信道复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术

频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)是在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输，这些载波可以进行任何方式的调制：ASK、FSK、PSK以及它们的组合。每一个载波信号形成了一个子信道，各个子信道的中心频率不相重合，子信道之间留有一定宽度的隔离频带。特点：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分多路技术可以用在宽带系统中，也可以用在频分多路下的某个子通道上。时分多路复用按照子通道动态利用情况又可再分为同步时分和统计时分两种

1、同步时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用

频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用

频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用可能会造成

线路资源的浪费

ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用STDM

(StatisticTDM)

（AsynchronousTDM）

用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm70

1550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm

2.4.2波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分复用就是光的频分复用。

82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器波分复用的技术特点与优势：可灵活增加光纤传输容量（利用低损耗波段）同时传输多路信号（非同步信号）成本低、维护方便可靠性高，应用广泛2.4.3码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。

码片序列(chipsequence)

每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码例如，S站的8bit码片序列是00011011。发送比特1时，就发送序列00011011发送比特0时，就发送序列11100100S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。码片序列的正交关系

令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是0：(2-3)码片序列的正交关系举例

令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T为(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。正交关系的另一个重要特性

CDMA的工作原理

S站的码片序列S110ttttttm个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积S

Sx规格化内积S

Tx数据码元比特发送端接收端2.6数据交换技术

在网络中，两个端点之间通常需要通过中间节点实现数据通信，这些中间节点并不关心数据内容，而是提供一个交换设备，把数据从一个节点转发到另一个节点，直至达到目的端。数据交换技术主要是指网络中间节点所提供的数据交换功能。在交换型通信网络中，从一个站进入网络的数据通过从节点到节点的交换，被选径送往目的地。

交换：按照某种方式动态地分配传输线路的资源三种交换技术：电路交换、报文交换和分组交换

2.6.1电路交换

电路交换（CircuitSwitching）是指数据传输期间，在源站点与目的站点之间建立专用电路链接，在数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被其他结点所使用。电路交换必定是面向连接的。用电路交换完成的数据传输要经历以下三个阶段。建立连接通信释放连接电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换举例C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低优点是：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。缺点是：电路持续时间长；线路的利用率很低；低效；当用户终端或网络节点负荷过重时，可能出现呼叫不通的情况，即不能建立电路连接。电路交换适用于数据传输要求质量高且批量大的情况。2.6.2报文交换

报文交换（MessageSwitching）方式不需在两个站点之间建立一条专用电路，数据传输单位是报文，所谓报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限并且可变。1、报文交换的优点电路利用率高。报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。报文交换网络可以进行速度和代码的转换。2、报文交换的缺点不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长而且不定。有时结点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文。报文2.分组交换的主要特点

在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数据数据数据报文添加首部构成分组每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组

1分组

2分组

3请注意：现在左边是“前面”分组交换的传输单元分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3分组首部的重要性每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。收到分组后剥去首部接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3数据数据数据最后还原成原来的报文最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010因特网的核心部分因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。H1H5H2H4H3H6路由器网络网络核心部分主机H1H5H2H4H3H6发送的分组路由器AEDBC网络核心部分主机分组交换网的示意图H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组H2向H6发送分组注意分组路径的变化！路由器主机注意分组的存储转发过程H1A互联网BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

发送分组路由器主机在路由器

E

暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机

H5在路由器

C

暂存查找转发表找到转发的端口在路由器

A

暂存查找转发表找到转发的端口路由器在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。路由器处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。

主机和路由器的作用不同主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。分组交换的优点高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组。可靠保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。分组交换带来的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。存储转发原理

并非完全新的概念

在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。

分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种（1）数据报分组交换数据报分组交换是将每个分组被称为一个数据报（datagram），若干个数据报构成一次要传送的报文或数据块。每个数据报在传输的过程中，都要进行路径选择，各个数据报可以按照不同的路径到达目的地。各数据报不能保证按发送的顺序到达目的结点，有些数据报甚至还可能在途中丢失。在接收端，再按分组的顺序将这些数据报组重新合成一个完整的报文。应用层运输层网络层数据链路层物理层应用层运输层网络层数据链路层物理层数据报服务H1

H2IP数据报丢失H1发送给H2的分组可能沿着不同路径传送数据报分组交换示意图数据报分组交换的特点：每个分组都必须带有数据、源地址和目的地址，其长度受到限制，一般为2000比特以内，典型长度为128个字节。同一报文的分组可以由不同的传输路径通过通信子网，到达目的结点时可能出现乱序、重复或丢失现象。传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。（2）虚电路分组交换

虚电路方式结合了数据报方式与线路交换方式的优点，达到最佳的数据交换效果。两个用户结点在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立的一条逻辑上的连接，所有分组都必须沿着事先建立的这条虚电路传输，用户在不需要发送和接收数据时清除该连接。整个通信过程分为三个阶段：虚电路的建立、数据传输、虚电路的释放三个步骤。

应用层运输层网络层数据链路层物理层应用层