第3章 数据通信基础课件

第3章数据通信基础3.1数据通信系统模型3.2数据通信相关的基本概念3.3数据通信技术3.4传输媒体3.1数据通信系统模型计算机网络是通信技术与计算机技术结合的产物。

1、计算机网络是建立在数据通信系统之上的；

2、计算机网络充分调用了数据通信系统的功能，实现计算机之间的数据通讯。数据通信系统计算机网络信号传输数据传输21、数据通信数据通信是一门独立的学科，它涉及的范围较广。它的任务是利用通信媒体传输信息。

1.数据通信就是利用数据通信技术将信息在通信节点之间进行转移；

2.通信节点则可以简单理解为信息发出节点和接收接点。

3.通常将信息的发出节点称为信源；而将信息的接收节点称为信宿。

4.信息从信源传送到信宿，实现转移。信源与信宿

1.信源（Source）：在通信中，向另一部件（信宿）发出信息的部件。又称为源点或源站。

2.信宿（Sink）：在通信中，从另一部件（信源）接收信息的部件。又称为终点或目的站。32、数据通信系统的构成与功能信源、信宿、传输媒体和通信技术有机的结合，就构成了数据通信系统。其主要功能是将信息从信源转移到信宿。涉及了通信系统模型、编码与调制技术、信道极限容量、数据通信的基本方式、多路复用技术、数据交换方式和差错校验和控制等技术。数据通信系统构成与功能示意图43、数据通信系统的模型数据通信系统的模型

1、一个数据通信系统可以划分为三大部分：源系统、传输系统和目的系统；

2、源系统一般包括源点和发送器两部分；目的系统一般包括接收器和终点两部分。（1）发送器（Sender）：通常把将源点生成的数据比特流通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。（2）接收器（Receiver）：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。数据通信系统的模型

54、数据通信系统模型的另一种表述数据终端设备（DTE，DataTerminalEquipment）：数据终端设备包括所有具有作为二进制数字数据源点或终点能力的单元。数据电路终端设备（DCE，DataCircuitterminalEquipment）：任何能够通过网络发送和接收模拟或数字形式数据的功能单元。64、通信系统涉及的内容数据通信系统模型相关的基本概念数据通信技术

1、编码与调制

2、信道极限容量

3、数据通信的基本方式

4、数据交换方式

5、多路复用技术

6、差错校验和控制73.2数据通信相关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

81、通信线路为了不失一般性，可以简单地将两个通信节点（简称节点）之间用于通信的路径称为通信线路（communicationline）或通信路径。1.很显然，通信线路是由物理链路和交换设备构成。2.至于交换设备（switching）或交换节点则可以理解为一个具有n个输入，m个输出的物理设备，该设备可以在一条输入线路和一条输出线路之间创建一个临时连接，利用该连接实现信息交换，达到动态分配资源的目的。92、物理链路所谓链路（link）就是从一个节点到相邻节点的一段物理线路段，中间没有任何其他的交换设备，是一条无源的点到点的物理线路段，也称物理链路。1.在进行数据通信时，两个通信节点之间的通信线路往往要经过许多段这样的链路。2.两个通信节点间的通信线路往往是由许多的链路串接而成的。3.因此，链路只是一条通信线路的组成部分。103、物理链路、通信线路与交换设备信源和信宿通过通信线路传输信息

1.交换设备与物理链路组成通信线路；

2.交换设备、物理链路是一条通信线路的组成部分。物理链路、通信线路、交换设备关系示意图114、信息、数据与信号1.信息（Information）：一般认为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。

2.数据（Data）:是指用来描述客观事物的数字、字母和符号的集合。

3.信号（Signal）：通过编码技术将数据转换成电编码的形式。125、信息、数据和信号相互关系信息可以用数值、文字、图形、声音以及图像等不同的形式表现出来，是数据的一种表示形式，是信息的载体，信息则是数据的具体含义。利用编码技术将数据转换成信号在介质上传输，信号是数据的电磁能力变换的表示形式。136、模拟数据与数字数据从表示形式上，数据分为模拟数据和数字数据。

1.模拟数据：模拟数据是用连续的物理量来表示。如温度、压力的变化等；再如声音、电视图像等。

2.数字数据：数字数据是用离散的物理量来表示。用来反映在取值上为离散文字或符号的数据形式。147、模拟信号与数字信号当采用物理量参数的变化来表示信号时，可以采用连续的变化来表示，也可以采用离散的变化来表示。采用连续的变化来表示的信号称为模拟信号；采用离散的变化来表示的信号称为数字信号。

1、模拟信号：或称连续信号，代表数据的参数取值是连续的。

2、数字信号：或称离散信号，代表数据的参数取值是离散的。数字信号示意图

模拟信号示意图

158、信道信道（channel）是信息论中的一个主要概念。关于信道，有很多的解释。针对不同的侧重点，解释也不尽相同。不管哪种解释，究其根本，可以得出以下的事实：（1）信道是用来在通信节点之间传输信息的，是信号的通道；（2）信道是有方向的；（3）信道是建立在通信线路之上的，一条通信线路可包括多个不同方向的信道；（4）信道是一个逻辑的概念。168、信道（续）信道的分类：按传输媒体类型，可分为有线信道和无线信道；按传输信号类型可分为模拟信道和数字信道；按使用权可分为专用信道和公用信道。信号在信道上传输信号的方式可分为：单工、半双工和全双工。179、信道带宽一个具体的信道仅允许一定频率范围内的信号通过。

1.允许通过的所有频率称为频谱；

2.最高频率（f2）与最低频率（f1）之差称为带宽（f2-f1）。振幅频谱图1810、基带信号和宽带信号直接来自信源的、没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号称为基带信号，即基本频率信号。调制分为基带调制和带通调制。

1.仅对基带信号的波形进行交换，使它能够与信道特性相适应，变换后的信号还是基带信号，称为基带调制；

2.利用载波信号将基带信号搬移到较高频段进行传输，调制后的信号称为带通信号（也称宽带信号），这类调制称为带通调制。

3.基本的调制方法有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。193.3数据通信技术3.3.1编码与调制3.3.2信道极限容量3.3.3数据通信的基本方式3.3.4数据交换方式3.3.5多路复用技术3.3.6差错校验和控制203.3.1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211、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。码元与数据的关系

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）。

22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。23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。24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25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261.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

272.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

283.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

2930注：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》：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。312、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）。

32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。33调制解调器实现调制解调功能的设备称为调制解调器。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。343、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）

35脉冲编码调制PCM体制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。36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。371.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。382.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。393.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。40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。413.3.2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。421、影响信道极限容量的因素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。

432、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443、奈奎斯特准则1924年，AT&T工程师奈奎斯特针对理想信道推导出了奈氏准则；奈奎斯特准则的具体内容:形式1：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。

形式2：如果一个任意的信号通过带宽为W的带通滤波器，那么每秒采样W次就能完整地重现通过这个滤波器的信号。

454、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。465、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。473.3.3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48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。493.3.4数据交换方式电路交换分组交换报文交换501、电路交换电路交换是一种动态分配通信资源的技术，利用交换机和物理线路，在进行数据交换的结点机之间动态建立一条物理链路；电路交换具有如下特点：

1.电路交换是面向连接的；

2.存在建立请求的阻塞；

3.通信链路中一个结点出现了问题，通信失败。如需继续通信，必须重新建立链路。

4.无冗余路由，无路由选择机制，可靠性差；

5.在参与通信的双方之间有一条独占的物理链路；

6.通信期间，独占通信链路资源，无法动态重新分配物理链路，导致传输效率低（<=1%）；

7.传输的信息有上下文关系，数据以流的方式进行传输；

8.为提高链路利用效率，可多路复用。计算机网络讲义51交换机与电路交换网络交换机：一个具有n个输入，m个输出的物理设备，该设备可以在一条输入线路和一条输出线路之间创建一个临时连接，实现动态分配资源。因为资源紧缺，所以要实现动态分配。计算机网络讲义52电路交换示意图交换机一交换机二交换机三交换机四中继线中继线中继线用户线用户线电路交换组成示意图AB计算机网络讲义53电路交换延迟电路交换是面向连接的，在数据传输过程中需要经历电路建立阶段、数据传输阶段和电路拆除阶段。在这个过程中产生了三个时间量，分别为：

1.建立电路时间（Tc）

2.发送延迟（Ts）

3.传播延迟（Td）

计算机网络讲义541.电路建立时间（Tc）通信的发起方主动连接通信的接收方并建立通信物理链路过程所需的时间。

(1)这个时间的大小受组成物理链路各元素的繁忙程度以及通信的接收方响应速度的影响，这里所说的物理链路各元素指物理线路和交换机；

(2)存在请求阻塞情况。计算机网络讲义552.发送时延（Ts）发送数据节点发送数据的第一位到达物理链路到发送数据的最后一位到达物理链路上所需的时间，该时间由发送节点发送数据的大小以及发送的速度决定,即Ts=L/C，其中L为发送数据的长度，C为发送的速度发送时延是发送节点发送数据所需要的时间，也称为传输时延。 计算机网络讲义563.传播时延（Td）信号在物理线路上传输所需要的时间，该时间由信号在物理线路上传播的速度和物理线路的长度决定，即Td=S/v，其中S为物理线路长度，v为信号在物理线路上传播的速度。

(1)是电磁波在物理线路传播一定的距离需要花费的时间；

(2)电磁波在自由空间传输速率：3.0X105km/s，电缆传输速率：2.3X105km/s，光纤传输速率：2.0X105km/s

。计算机网络讲义57发送时延与传播时延网络接口网络接口缓存缓存总线接口总线接口网络接口适配器网络接口适配器发送时延传播时延AB长度：S速率：v传播时延=S/v计算机网络讲义58电路交换延迟分析电路交换的延迟是指通信发起方开始建立物理链路开始到发送数据的最后一位到达接收方所需的时间，包括：

1、建立电路时间（Tc）

2、发送延迟（Ts）

3、传播延迟（Td） 电路交换延迟（Te）=Tc+Ts+Td。从电路交换的过程来看，只有数据发送阶段对数据传输是有效的，因此，电路交换的效率可以表示为：

Pe=Ts/Te=Ts/(Tc+Ts+Td)。

1、当Ts<<Tc+Ts+Td时，线路利用率非常低；

2、既传输少量、零星数据时，效率非常低。计算机网络讲义59电路交换延迟分析（续）要实现电路交换的高利用率

1、必须努力减少电路建立时间和传播延迟占电路交换延迟的比例；

2、当Ts>>Tc+Td时效率较高。

3、因此，电路交换适合大批量、稳定的数据传输任务，不适用于小批量、突法数据的传输。因此，电路交换对于传输突发流量效率低，导致线路的传输效率低（<=1%）。

计算机网络讲义60电路交换效率分析（续）电路交换无法动态重新分配物理链路的资源。

1、建立连接阶段确定通信资源，中间不能改变；

2、两个通信节点独占通信资源；

3、要改变通信资源，结束前一个连接，建立新的连接。计算机网络讲义61电路交换可靠性分析（续）可靠性差

1、物理链路中任一元素出现问题，通信失败；

2、如需继续通信，需要重新建立物理链路；

3、无冗余路由，无路由选择机制。计算机网络讲义62电路交换的结论综上所述，可以得出如下结论：

1、电路交换可靠性差；

2、电路交换效率低；

3、电路交换不适用突发数据流量的传输。而计算机之间的数据传输是突发数据流量的传输，所以电路交换不适用于计算机网络。计算机网络讲义63计算机网络讲义642、分组交换20世纪80年代冷战期间，美国为抵御以前苏联为首的华约组织的核攻击，计划建立一个专用于计算机之间通讯的网络，希望利用该网络可以快速、可靠的传递命令，以期进行反击。要达到上述目标，该网络要求具有如下特点：（1）与传统的电信网不同，用于计算机之间的通信；（2）能够连接不同类型的计算机；（3）所有的网络节点都同样重要；（4）必须有冗余的路由；（5）网络结构尽可能简单，能非常可靠的传送数据。很显然，基于电路交换的分时联机系统不符合要求，于是，产生了以分组交换为基础的基于交换的计算机通信网。计算机网络讲义64计算机网络讲义65分组交换几个基本的概念消息、报文、分组与数据包

1、用户要传输的信息可以看作是消息；

2、消息中的成块数据可以看作是报文，大多数情况下，可以将报文看成是消息；

3、将报文分成更小的数据块称为分组，又称为数据包；

4、在讨论方便的前提下，报文或分组都可以称为数据包。

计算机网络讲义65计算机网络讲义66分组交换的基本思想

1、将较长的报文划分成等长的分组；

2、分组交换采用存储转发的技术；

3、在每个分组中添加标记；

4、每个分组可独立传送；

5、可采用面向连接和面向非连接。计算机网络讲义66计算机网络讲义67为什么要划分分组?为保证信息准确的传送，提高线路利用率。

1、信息的接收方，对收到的信息进行校验，如果出错，通知发送方重发；

2、报文成功发送了99%，仅在最后的1%出现了错误，也必须重发，极大浪费；将报文划分成等长的分组（packet），又称包，将包作为传输单位，即使出错，仅重传出错的包，提高性能。另外，将报文划分成分组，也可提高的线路的利用率。计算机网络讲义67计算机网络讲义68如何将报文划分为分组?分组通常由头部、分组体和尾部组成：

1.头部包含地址；

2.分组体包含要传输的数据；

3.尾部包含辅助信息。为讨论方便，分组也可只包含头部和分组体。由报文到分组需要一个分组拆分的过程，反之则需要一个分组组装的过程。计算机网络讲义68计算机网络讲义69将报文划分为分组的示例010110101010101001010001110101010101011首部数据首部数据首部数据报文分组1分组2分组3下层上层首部是由不同的层增加上去的，与报文内容无关。首部是无效的数据。计算机网络讲义69计算机网络讲义70为什么在每个分组中添加标记？由于分组交换采用分组作为数据传输的单位

1.各个分组独立传输；

2.每个分组需要携带源地址和目的地址以及序号；

3.源地址和目的地址以及其他控制信息既为标记，这些信息组成分组的头；

4.采用路由选择协议支持自动寻找路由，确定分组传输路径。交换机一交换机二交换机三交换机四主机A主机B报文(消息)分组1分组2分组3分组4分组1分组2分组3分组4分组1分组3分组2分组4报文(消息)分组1分组2分组3分组4计算机网络讲义70计算机网络讲义71存储转发交换机1、在交换机的不同端口之间建立连接；2、利用连接发送数据报文；3、拆除连接。1、交换机内置缓存，采用队列的方式组织缓存，可分为输入队列和输出队列；2、将数据包通过交换机的一个端口输入到交换机的缓存中；3、交换机确定将数据包转发到哪个端口；4、将数据包直接转发到确定的端口。计算机网络讲义71计算机网络讲义72分组交换的优点动态分配链路的使用，逐段占用链路（高效）。每个节点都可以为每个分组独立的选择转发路由（灵活）。以分组作为单位，可以不必预先建立连接（迅速）。采用路由选择协议，提高网络的可靠性（可靠）。计算机网络讲义72计算机网络讲义73分组交换带来的问题产生一定的传输时延，可能产生拥塞

1.分组交换可能产生分组丢失；

2.为弥补上述缺陷，开发了用于减少丢包概率的方法和技术，称为：服务质量和流量工程。增加传输的开销。分组交换网需要专门的控制和管理。计算机网络讲义73计算机网络讲义74分组交换可靠性分析可靠性高

1.通信链路中一个结点出现了问题，可通过改变路由利用其他的链路进行通信。 （1）分组独立传输； （2）有冗余路由； （3）提供路由选择协议。

2.支持面向连接和面向非连接的传输服务。分组交换可动态重新分配物理链路的带宽

1.采用存储转发；

2. 分段占用通讯资源；

3.通过重用技术动态分配链路的带宽。计算机网络讲义74计算机网络讲义75分组交换延迟分析分组交换的延迟是指报文的第一位从发送方发送开始到报文的最后一位到达接收方所需要的时间。在这段时间内，分组经过了发送、传输、接收、存储、排队、转发六个步骤，其延迟则包括发送延迟、传播延迟、排队延迟和处理延迟。

1.发送延迟（Ts）:Ts=L/C 2.传播延迟（Td）:Td=S/v 3.排队延迟（Tq）

4.处理延迟（Th）分组交换延迟（Tp）=Tq+Ts+Td+Th。

计算机网络讲义75计算机网络讲义76处理时延（Th）1.交换机在收到分组时花费的处理时间称为处理时延；2.处理包括：提取数据部分、进行差错校验、查找适当路由等。计算机网络讲义76计算机网络讲义77排队时延（Tq）1.分组在进入交换机的队列等待发送的时间称为排队时延；2.有输入队列和输出队列。分组1分组2分组3分组n分组j分组m交换机制输入输出交换机缓存排队时延计算机网络讲义77计算机网络讲义78分组交换延迟分析由于采用划分分组、独立传输和路由选择协议，因此，不需要建立连接的时间。由于采用存储转发，在不考虑流量控制的前提下，不存在请求阻塞，也不存在独占线路的情况。事实上，除排队延迟不可精确计算外，处理延迟和发送延迟都可通过硬件设备以及分组大小了控制，而传播延迟则是一个相对固定的值。因此，可以得出结论。1.排队延迟可通过流量控制、拥塞控制来解决；2.在不考虑排队延迟的情况下，分组交换延迟中主要因素是发送延迟；3.分组交换线路利用率Pe=Ts/Tp=Ts/(Tq+Ts+Td+Th)。在控制好的情况下，Tq=0,Th和Td相对Ts很小。计算机网络讲义78计算机网络讲义79分组交换效率分析分组交换线路利用率较高，但数据传输效率受影响。对于面向连接服务，在建立连接阶段确定路由；面向非连接服务，不需要事先确定路由。因此，不需要电路建立时间；通过流量控制、拥塞控制可最大限度减少排队延迟；处理延迟很小；因此，当选择了合适的分组大小时，分组交换链路利用率Pe=Ts/Tp=Ts/(Tq+Ts+Td+Th)较高；但由于增加了分组头、尾，影响了数据传输效率。计算机网络讲义79计算机网络讲义80分组交换示意图计算机网络讲义80计算机网络讲义81分组交换总结综上所述，相对电路交换，可以得出如下结论：

1、分组交换可靠性高；

2、分组交换效率较高；

3、分组交换适用于突发数据流量的传输。计算机之间的数据传输是突发数据流量的传输，所以分组交换适用于计算机网络。分组交换技术出现后，一般认为，计算机网络由通信子网和资源子网构成。

1、通信子网：一般是公用网，由集线器、交换机、路由器和通信线缆等网络设备构成。

2、资源子网：向网络用户提供可共享的硬件、软件和信息资源的计算机集合。计算机网络讲义81计算机网络讲义823、报文交换不采用将报文划分分组的思想，而将报文作为分组发送，其他则与分组交换相同，可理解为报文交换。

1.可靠性差；

2.效率低。计算机网络讲义82计算机网络讲义83报文交换示意图计算机网络讲义833.3.5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。841、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）85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。86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。87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、ADSL88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。89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。90时分复用分类1、同步时分复用（Synchronous

TDM）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（Asynchronous

TDM），又称为统计时分复用（Statistic

TDM）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。91时分复用示例ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户92统计时分复用示例用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用93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。942、其他的多路复用技术波分多路复用（WDM）码分多址技术（CDMA）95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。96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。97波分复用示例98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。99码分复用工作原理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mbit码片序列；3、要发送1则发送mbit码片序列，如果发送0则发送mbit码片序列的反码；4、按双极性码惯例，将0写成-1，1写成+1。5、如果一个站要发送的数据率b（b/s），由于一个比特要转换成m个比特码片，因此该站的实际发送的数据率为mb（b/s）；6、同时该站所占用的带宽也提高到原来的m倍，这种通信方式称为扩频；7、扩频分为直接序列扩频和跳频扩频。100码分复用的特点CDMA的一个重要特点是每个分站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且必须相互正交；

1、令向量S表示s站的码片序列向量，令T表示其他任何站的码片向量，则S和T的规格化内积都是0。

2、向量S和各站码片反码的向量内积也是0；

3、任何一个码片向量和该码片自己的规格化内积都是1；

4、任何一个码片向量和该码片反码的规格化内积都是-1。

101CDMA工作原理举例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102例题：P64：2-161033.3.6差错校验和控制数据通信要求信息传输具有高度的可靠性，即要求误码率足够低。

1、计算机网络中误码率要求低于10-6～10-11；

2、但数据信号在传输过程中不可避免地会产生差错；

3、产生差错的主要原因 （1）信道不理想造成的符号间干扰，可通过技术手段消除； （2）噪声对信号的干扰是产生差错的主要原因。差错校验和控制的主要内容

1、差错类型

2、差错控制

3、常用的差错检验方法1041、差错类型危害数据传输的噪声大体上分为随机噪声和脉冲噪声，对应引发的差错分为：

1.随机差错 由信道中的热噪声引起的，产生差错的码元与前后码元无关。如果传输信号的信噪比较高，这种差错是可以减少的。

2.突发差错前后码元发生的错误有相关性，一个错误的出现往往引起前后码元也出现错误。

1052、差错控制的主要方法1.差错检验2.反馈纠错3.前向纠错4.混合纠错106

3、常用的差错检验方法垂直冗余校验（VRC）水平冗余校验（LRC）水平垂直冗余校验（TRC）循环冗余校验（CRC）107垂直冗余校验（VRC）1、以字符为单位；2、若一个字符为8位，其中7位为信息位，最后1位为附加的冗余校验位；3、如果整个字符中1的个数为奇数，则该位为1，否则为0；4、该方法能检查出任意个奇数错误，但不能发现偶数个错误。XXXXXXX0/1108水平冗余校验（LRC）1、将要发送的数据以适当的长度划分成组；2、对组内所有字符的相同位置上的位进行奇偶校验；3、将得到的一组校验信息附加到信息后；4、这种方法能发现长度小于n（字符的长度）的突发错误和其他错误。XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1234XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1234校验码109水平垂直冗余校验（TRC）同时使用垂直冗余校验和水平冗余校验XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1234XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1234校验码1、水平垂直冗余校验同时使用水平校验和垂直校验；2、水平冗余校验检查不同分组相同位置上的错误；3、垂直冗余校验检查分组内的错误。110循环冗余校验（CRC）

1、采用在发送的信息后增加校验码的形式进行差错检测；

2、具体方法如下（1）假设要发送的消息为M，长度为k位，在M后附加差错检测用的n位冗余码作为差错校验码；（2）用二进制的模2运算计算进行2n乘M的运算，相当于在M后添加n个0，得到的（k+n）位的数除以事先选定的长度为（n+1）位的除数P，得到的商为Q，余数是R，余数R比除数P的长度少1位；（3）将得到的余数附加在M后，得到消息2nM+R发送出去；（4）接收端将2nM+R除以P（模2运算），得到余数为0，则没有错误，否则出现错误。

3、发送方和接收方必须有一个共同的多项式P；

4、除数比余数多1位。111循环冗余校验（CRC）除数P的选择

1、为保证检测错误的概率足够大，必须正确选择P；

2、它的最高位和最低位必须是1；

3、选择的P常用多项式表示（1）CRC-16=X16+X15+X2+1

（2）CRC-CCITT=X16+X12+X5+1(16位校验和）（3）CRC-32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1

1123.4传输媒体在网络体系结构中，传输媒体在物理层之外。传输媒体又称为媒体、传输介质或传输媒介。传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理线路。媒体分为导向媒体和非导向媒体。计算机网络讲义1133.4.1导向传输媒体所谓的导向传输媒体是指信号沿着媒体铺设的方向传播并被限制在媒体的物理边界内的媒体。

1、双绞线

2、同轴电缆

3、光缆计算机网络讲义1141、双绞线双绞线由两条包着绝缘材料的导体组成，这两条导体交叉缠绕在一起。

1.之所以采用双绞线是因为通过交叉可以抵消导线上的噪声，从而减少对双绞线中信号的影响。

2.根据是否提供对其他线路引起的干扰屏蔽功能，双绞线分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)。计算机网络讲义115屏蔽双绞线屏蔽双绞线（STP）是屏蔽的双绞线由8根4对外部包有绝缘材料的导体组成，在4对双绞线的外层加上一层金属箔或金属网格，然后再加一层聚氯乙烯外皮。

1、之所以加一层金属箔或金属网格，是用来屏蔽外来的干扰。

2、需要注意的是，如果使用屏蔽的双绞线进行布线，则屏蔽层必须接地。计算机网络讲义116非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线（UTP）

是经常使用的一种双绞线。与屏蔽双绞线唯一不同的是没有金属箔或金属网格。

1、抗干扰能力不如屏蔽双绞线序号电缆种类抗干扰能力1UTP电缆（无屏蔽层）40dB2STP电缆（铝箔屏蔽）85dB2、在非屏蔽双绞线中8根导体具有不同的颜色，通常是：（1）白橙、橙：缠绕在一起，成为一对；（2）白蓝、蓝：缠绕在一起，成为一对；（3）白绿、绿：缠绕在一起，成为一对；（4）白褐、褐：缠绕在一起，成为一对。计算机网络讲义117双绞线分类双绞线按质量划分为如下8种：

1、1类双绞线750kHZ

在电话系统中使用的双绞线，这种类别的双绞线只适合传输语音信号和低速的数据信号。

2、2类双绞线1MHz

适用于传输语音信号和4Mbps的数字数据传输。

3、3类双绞线16MHz

绞合长度为2.5—3.3cm，适用于语音传输和最大10Mbps的数字数据传输。

4、4类双绞线20MHz

绞合长度小于2.5cm，加上其他条件使线路适用于语音传输和最大16Mbps的数字数据传输。

5、5类双绞线100MHz

绞合长度为0.6—0.85cm,适用于语音传输和最大100Mbps的数字数据传输。

6、超5类双绞线100MHz

适用于语音传输和最大155Mbps的数字数据传输。

7、6类双绞线250MHz

适用于语音传输和最大1000Mbps的数字数据传输。

8、7类双绞线600MHz

在10G以太网中使用。计算机网络讲义118双绞线接线标准1991年，针对在工程中如何使用双绞线，美国电子工业协会EIA和电信工业协会TIA联合发布了一个标准，EIA/TIA-586。1995更新为EIA/TIA-568A，随后又产生了EIA/TIA-568B。EIA/TIA-568B是工程中经常采用的标准，该标准规定了在工程如何进行双绞线的连接。计算机网络讲义119EIA/TIA-568B标准内容—线序表EIA/TIA-568B标准铰接线的线序序号颜色色标对应于RJ45序号1橙白12橙23绿白34蓝45蓝白56绿67棕白78棕8EIA/TIA-568B标准接线示意图EIA/TIA-568B标准RJ45接线示意图计算机网络讲义120EIA/TIA-568B标准内容-接线方法Tx+1Tx-2Rx+3Rx-6Tx+1Tx-2Rx+3Rx-6EIA/TIA-568B标准定义普通线的连接示意图

Tx+1Tx-2Rx+3Rx-6Tx+1Tx-2Rx+3Rx-6EIA/TIA-568B标准定义铰接线的连接示意图计算机网络讲义1212、同轴电缆同轴电缆分为50Ω和75Ω两种。

1.同轴电缆比双绞线屏蔽性好，因此可以以更高的速度传输得更远；

2.同轴电缆的连接采用T型头和BNC头；

3.50Ω的同轴电缆采用基带传输，75Ω采用宽带传输。宽带电缆系统分为双电缆系统和单电缆系统。计算机网络讲义1223、光缆光缆主要使用其中的光纤传输光信号，光纤通常由纤芯和包层构成。

1.非常透明的石英玻璃拉成细丝，称为纤芯，然后和包层一起构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8至100um。光波通过纤芯进行传导；

2.光线在光纤中利用全反射进行传播，之所以产生全反射是因为光在不同密度的介质中的传输速度不一致，具体体现在折射率上；

3.由于包层和纤芯具有不同的折射率，当光线从高折射率射向低折射率时，其折射角大于入射角，如果入射角足够大，就会出现全反射。计算机网络讲义123光缆构成光缆由光纤及其辅助材料组成。外护套远供电源线光纤及其包层填充物加强芯外径内径光纤示意图4芯光缆构成示意图光缆通信至少需要收发两条光纤。光缆可以有2芯、4芯等。光缆可以分为室外光缆和室内光缆。计算机网络讲义124光纤中的光信号与光传播系统光的全反射，解决了光信号在介质中传播的问题，为光信号在光纤中的传输奠定了基础。光信号利用光传播系统传输数据。光传播系统包括光源、传输介质和检测器；在光传播系统中利用光脉冲表示数据，一个光脉冲表示1，无光脉冲表示0。

1、主要使用的波段为0.85um、1.30um和1.55um，0.85um衰减较大；

2、每个波段具有25000-30000GHz的带宽。光通讯系统的模型应用示例如下：光电转换器光电转换器电信号光信号电信号电介质光介质电介质计算机网络讲义125多模光纤与单模光纤根据传播机制