计算机网络基础课件

2024年1月11日星期四20時19分21秒

電腦網絡技術實用教程

2024年1月11日星期四20時19分12秒第1章電腦網絡基礎本章基本要求：掌握電腦網絡的定義，瞭解電腦網絡的產生與發展，熟悉電腦網絡的組成和電腦網絡的分類，掌握電腦網絡的主要功能和電腦網絡的應用等內容。2024年1月11日星期四20時19分12秒第1章電腦網絡基礎1.1電腦網絡的定義1.2電腦網絡的產生與發展1.3電腦網絡的分類1.4電腦網絡的組成1.5電腦網絡的主要性能指標1.6電腦網絡的功能和應用習題2024年1月11日星期四20時19分12秒1.1電腦網絡的定義電腦網絡技術是電腦技術和通信技術這兩大技術相結合的產物，它代表著當前電腦系統結構發展的一個重要方向，它的出現引起了人們的高度重視和極大興趣。可以預言,未來的電腦就是網路化的電腦。1.1電腦網絡的定義所謂電腦網絡就是通過線路互連起來的，自治的電腦集合，確切地講，就是將分佈在不同地理位置上的具有獨立工作能力的電腦、終端及其附屬設備用通信設備和通信線路連接起來，並配置網路軟體，以實現電腦資源共用的系統。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.1電腦網絡的定義

概括起來說，一個電腦網絡必須具備以下3個基本要素：①至少有兩個具有獨立操作系統的電腦，且它們之間有相互共用某種資源的需求。②兩個獨立的電腦之間必須有某種通信手段將其連接。③網路中的各個獨立的電腦之間要能相互通信，必須制定相互可確認的規範標準或協議。以上三條是組成一個網路的必要條件，三者缺一不可。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展1.2.1電腦網絡的產生電腦網絡是通信技術和電腦技術相結合的產物，它是資訊社會最重要的基礎設施，並將構築成人類社會的資訊高速公路。電腦網絡是半導體技術、電腦技術、數據通信技術和網路技術相互滲透，相互促進的產物。數據通信的任務是利用通信介質傳輸資訊。通信網為電腦網絡提供了便利而廣泛的資訊傳輸通道，而電腦和電腦網絡技術的發展也促進了通信技術的發展。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展1.2.2電腦網絡的發展隨著電腦技術和通信技術的不斷發展，電腦網絡也經歷了從簡單到複雜，從單機到多機的發展過程，其發展過程大致可分為以下五個階段。1.具有通信功能的單機系統2.具有通信功能的多機系統3.以共用資源為主要目的電腦網絡階段（電腦―電腦網絡）4.標準、開放的電腦網絡階段5.高速、智能的電腦網絡階段2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展圖1.1終端－電腦網絡模型主機TTTT1.具有通信功能的單機系統該系統又稱終端—電腦網絡，是早期電腦網絡的主要形式。它是將一臺電腦經通信線路與若干終端直接相連，如圖1.1所示。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展2.具有通信功能的多機系統在簡單的“終端―通信線路―電腦”這樣的單機系統中，主電腦負擔較重，既要進行數據處理，又要承擔通信功能，為了減輕主電腦負擔，60年代出現了在主電腦和通信線路之間設置通信控制處理機（或稱為前端處理機，簡稱前端機）的方案，前端機專門負責通信控制的功能。此外，在終端聚集處設置多路器（或稱集中器），組成終端群―低速通信線路―集中器―高速通信線路―前端機―主電腦結構。如圖1.2所示。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展主電腦前端機集中器TTT圖1.2具有通信功能的多機系統模型2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展3.以共用資源為主要目的電腦網絡階段（電腦―電腦網絡）電腦―電腦網絡是60年代中期發展起來的，它是由若干臺電腦相互連接起來的系統，即利用通信線路將多臺電腦連接起來，實現了電腦―電腦之間的通信。如圖1.3所示。這一階段結構上的主要特點是：以通信子網為中心，多主機多終端。1969年在美國建成的ARPAnet是這一階段的代表。在ARPAnet上首先實現了以資源共用為目的不同電腦互連的網路，它奠定了電腦網絡技術的基礎，成為今天因特網的前身。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展主機TTT圖1.3電腦－電腦網絡模型主機TT主機主機T2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展4.標準、開放的電腦網絡階段局域網是繼遠程網之後發展起來的小型電腦網絡，具有結構簡單、經濟實用、功能強大且方便靈活等特點，是隨著微型電腦的廣泛應用而發展起來的。70年代末80年代初，微型電腦得到了廣泛的應用，各機關和企、事業單位為了適應辦公自動化的需要，迫切要求將自己擁有的為數眾多的微機、工作站、小型機等連接起來，以達到資源共用和相互傳遞資訊的目的，而且迫切要求降低聯網費用，提高數據傳輸效率。為此，有力地推動了電腦局域網的發展。另一方面，局域網的發展也導致了電腦模式的變革。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.2電腦網絡的產生與發展5.高速、智能的電腦網絡階段近年來，隨著通信技術，尤其是光纖通信技術的發展，電腦網絡技術得到了迅猛的發展。千兆乃至萬兆傳輸速率的以太網已經被越來越多地用於局域網和城域網中，而基於光纖的廣域網鏈路的主幹帶寬也已達到10G數量級。為了向用戶提供更高的網路服務品質，網路管理也逐漸進入了智能化階段，包括網路的配置管理、故障管理、計費管理、性能管理和安全管理等在內的網路管理任務都可以通過智能化程度很高的網路管理軟體來實現。電腦網絡已經進入了高速、智能的發展階段。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.3電腦網絡的分類1.按網路拓撲結構劃分電腦網絡的物理連接方式叫做網路的拓撲結構。按照網路的拓撲結構可分為：匯流排型、星型、環型、網狀、樹狀和星型環拓撲結構。2.按網路的覆蓋範圍劃分根據電腦網絡所覆蓋的地理範圍、資訊的傳遞速率及其應用目的，電腦網絡通常被分為接入網(AN)、局域網(LAN)、城域網(MAN)、廣域網(WAN)。這種分類方法也是目前較為流行的一種分類方法。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.3電腦網絡的分類⑴廣域網（WAN：WideAreaNetwork）廣域網指的是實現電腦遠距離連接的電腦網絡，可以把眾多的城域網、局域網連結起來，也可以把全球的區域網、局域網連接起來。廣域網涉轄的範圍較大，一般從幾百公里到幾萬公里，用於通信的傳輸裝置和介質一般由電信部門提供，能實現大範圍內的資源共用。⑵城域網（MAN：MetropolitanAreaNetwork）有時又稱之為城市網、區域網、都市網。城域網介於LAN和WAN之間，其覆蓋範圍通常為一個城市或地區，距離從幾十公里到上百公里。城域網通常採用光纖或微波作為網路的主幹通道。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.3電腦網絡的分類⑶局域網（LAN：LocalAreaNetwork）局域網也稱局部網，是指將有限的地理區域內的各種通信設備互連在一起的通信網絡。它具有很高的傳輸速率（幾十至千兆比特），其覆蓋範圍一般不超過幾十公里，通常將一座大樓或一個校園內分散的電腦連接起來構成LAN。⑷接入網（AN：Accessnetwork）又稱為本地接入網或居民接入網。它是近年來由於用戶對高速上網需求的增加而出現的一種網路技術。如圖1.4所示。接入網是局域網（或校園網）和城域網之間的橋接區。接入網提供多種高速接入技術，使用戶接入到Internet的瓶頸得到某種程度上的解決。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.3電腦網絡的分類廣域網城域網城域網接入網接入網接入網接入網圖1.4廣域網、城域網接入網和局域網的關係局域網接入網企業網2024年1月11日星期四20時19分12秒1.3電腦網絡的分類3.按數據傳輸方式分類根據數據傳輸方式的不同,電腦網絡又可以分為“廣播網絡”和“點對點網路”兩大類。廣播網絡（BroadcastingNetwork）中的電腦或設備使用一個共用的通信介質進行數據傳播，網路中的所有節點都能收到任何節點發出的數據資訊。廣播網絡中的傳輸方式目前有以下3種方式：單播（Unicast）發送的資訊中包含明確的目的地址，所有節點都檢查該地址。如果與自己的地址相同，則處理該資訊，如果不同，則忽略。組播（Multicast）將資訊傳送給網路中部分節點。廣播（Broadcast）在發送的資訊中使用一個指定的代碼標識目的地址，將資訊發送給所有的目標節點。當使用這個指定代碼傳輸資訊時，所有節點都接收並處理該資訊。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.3電腦網絡的分類點對點網路（PointtoPointNetwork）中的電腦或設備以點對點的方式進行數據傳輸，兩個節點間都可能有多條單獨的鏈路。這種傳播方式應用於廣域網中。以太網和令牌環網都屬於廣播網，而ATM和幀中繼網都屬於點對點網。4.按通信傳輸介質劃分可分為有線網路和無線網路。5.按使用網路的對象分類可分為專用網和公用網。6.按網路組件的關係分類按照網路中的各組件的功能來劃分，常見的有兩種類型的網路：對等網路和基於伺服器網路。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.4電腦網絡的組成從資源構成的角度講，電腦網絡是由硬體和軟體組成的。硬體包括各種主機、終端等用戶端設備，以及交換機、路由器等通信控制處理設備，而軟體則由各種系統程式和應用程式以及大量的數據資源組成。從功能上將電腦網絡邏輯劃分為資源子網和通信子網。如圖1.5所示給出了典型的電腦網絡結構。其中，資源子網負責全網的數據處理業務，並向網路用戶提供各種網路資源和網路服務。資源子網主要由主機、終端以及相應的I/O設備、各種軟體資源和數據資源構成。通信子網主要由通信控制處理機、通信鏈路及其他設備如數據機等組成。通信鏈路是用於傳輸資訊的物理通道以及為達到有效、可靠的傳輸品質所必需的通道設備的總稱。

2024年1月11日星期四20時19分12秒1.4電腦網絡的組成圖1.5電腦網絡的基本結構資源子網通信子網通信處理機2024年1月11日星期四20時19分12秒1.4電腦網絡的組成在現代的廣域網結構中，隨著使用主機系統用戶的減少，資源子網的概念已經有了變化。目前，通信子網由交換設備與通信線路組成，它負責完成網路中數據傳輸與轉發任務。交換設備主要是路由器與交換機。隨著微型電腦的廣泛應用，連入局域網的微型電腦數目日益增多，它們一般通過路由器將局域網與廣域網相連結。另外，從組網的層次角度看網路的組成結構，也不一定再是一種簡單的平面結構，而可能變成一種分層的層次結構。圖1.7所示的是一個典型的三層網路結構，最上層稱為核心層，中間層稱為分佈層，最下層稱為訪問層，為最終用戶接入網絡提供介面。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.4電腦網絡的組成核心層圖1.7典型的三層網路結構示意圖分佈層訪問層2024年1月11日星期四20時19分12秒1.5電腦網絡的主要性能指標影響網路性能的因素有很多，如傳輸的距離、使用的線路、傳輸技術、帶寬。對用戶而言，則主要體現在所獲得的網路速度不一樣。電腦網絡的主要性能指標是指帶寬、吞吐量和時延。1.帶寬在局域網和廣域網中,都使用帶寬（BandWidth）來描述它們的傳輸容量。帶寬本來是指某個信號具有的頻帶寬度。帶寬的單位為赫（或千赫、兆赫等）。在通信線路上傳輸模擬信號時，將通信線路允許通過的信號頻帶範圍稱為線路的帶寬（或通頻帶）。在通信線路上傳輸數字信號時，帶寬就等同於數字通道所能傳送的“最高數據率”。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.5電腦網絡的主要性能指標正是因為帶寬代表數字信號的發送速率，因此帶寬有時也稱為吞吐量（Throughput）。在實際應用中，吞吐量常用每秒發送的比特數（或位元組數、幀數）來表示。吞吐量（throughout）是指一組特定的數據在特定的時間段經過特定的路徑所傳輸的資訊量的實際測量值。由於諸多原因使得吞吐量常常是遠小於所用介質本身可以提供的最大數字帶寬。決定吞吐量的因素主要有：網路互聯設備。所傳輸的數據類型。網路的拓撲結構。網路上的併發用戶數量。用戶的電腦。伺服器。擁塞。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.5電腦網絡的主要性能指標3.時延時延（delay或Latency）是指一個報文或分組從一個網路（或一條鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。通常來講，時延是由以下幾個不同的部分組成的。（1）發送時延發送時延是節點在發送數據時使數據塊從節點進入傳輸介質所需要的時間，也就是從數據塊的第一個比特開始發送算起，到最後一個比特發送完畢所需的時間。又稱為傳輸時延。（2）傳播時延傳播時延是電磁波在通道上需要傳播一定的距離而花費的時間。（3）處理時延處理時延是指數據在交換節點為存儲轉發而進行一些必要的處理所花費的時間。2024年1月11日星期四20時19分12秒1.6電腦網絡的功能和應用1.6.1電腦網絡的功能電腦網絡技術使電腦的作用範圍和其自身的功能有了突破性的發展。電腦網絡雖有各種各樣，但作為電腦網絡都應具有如下功能：1.數據通信2.電腦系統的資源共用3.進行數據資訊的集中和綜合處理4.能均衡負載，相互協作

5.提高了系統的可靠性和可用性6.進行分佈式處理2024年1月11日星期四20時19分12秒1.6電腦網絡的功能和應用1.6.2電腦網絡的應用隨著現代資訊社會進程的推進，通信和電腦技術的迅猛發展，電腦網絡的應用日益多元化，打破了空間和時間的限制，幾乎深入到社會的各個領域。可以在一套系統上提供集成的資訊服務，包括來自政治、經濟等方面的資訊資源，同時還提供多媒體資訊，如圖像、語音、動畫等，在多元化發展的趨勢下，許多網路應用的新形式不斷出現，如電子郵件、IP-Phone、視頻點播、網上交易、視頻會議等。其應用可歸納為下列幾個方面：1.方便的資訊檢索2.現代化的通信方式3.辦公自動化4.電子商務與電子政務5.企業的資訊化6.遠程教育與E-learning7.豐富的娛樂和消遣8.軍事指揮自動化2024年1月11日星期四20時19分12秒2.1電腦網絡體系結構概述2.1.1建立電腦網絡體系結構的必要性為了能夠使不同地理分佈、且功能相對獨立的電腦之間組成網路實現資源共用，電腦網絡系統需要涉及和解決許多複雜的問題，包括信號傳輸、差錯控制、尋址、數據交換和提供用戶介面等一系列問題。電腦網絡體系結構是為簡化這些問題的研究、設計與實現而抽象出來的一種結構模型。電腦網絡系統，一般採用層次模型。在層次模型中，往往將系統所要實現的複雜功能分化為若干個相對簡單的細小功能，每一項分功能以相對獨立的方式去實現。這樣就有助於將複雜的問題簡化為若干個相對簡單的問題，從而達到分而治之、各個擊破的目的。

2024年1月11日星期四20時19分12秒2.1電腦網絡體系結構概述2.1.2電腦網絡的分層模型將上述分層的思想或方法運用於電腦網絡中，就產生了電腦網絡的分層模型。在實施網路分層時要依據以下原則：●根據功能進行抽象分層，每個層次所要實現的功能或服務均有明確的規定。●每層功能的選擇應有利於標準化。●不同的系統分成相同的層次，對等層次具有相同功能。●高層使用下層提供的服務時，下層服務的實現是不可見的●層的數目要適當。層次太少功能不明確，層次太多體系結構過於龐大。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.1電腦網絡體系結構概述圖2.1給出了電腦網絡分層模型的示意圖，該模型將電腦網絡中的每臺機器抽象為若干層(layer)，每層實現一種相對獨立的功能。分層模型涉及下麵一些重要的術語。1．實體與對等實體每一層中，用於實現該層功能的活動元素被稱為實體(entity)，包括該層上實際存在的所有硬體與軟體，如終端、電子郵件系統、應用程式、進程等。不同機器上位於同一層次、完成相同功能的實體被稱為對等(peertopeer)實體。2．協議為了使兩個對等實體之間能夠有效地通信，對等實體需要就交換什麼資訊、如何交換資訊等問題制定相應的規則或進行某種約定。這種對等實體之間交換數據或通信時所必須遵守的規則或標準的集合稱為協議(protocol)。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.1電腦網絡體系結構概述實體N+1層N+1層協議圖2.1網路分層模型的示意圖N+1層實體實體N層N層協議N層實體實體N-1層N-1層協議N-1層實體介面介面介面介面2024年1月11日星期四20時19分12秒2.1電腦網絡體系結構概述協議由語法、語義和語序三大要素構成。語法包括數據格式、信號電平等；語義指協議語法成分的含義，包括協調用的控制資訊和差錯管理；語序包括時序控制和速度匹配關係。3．服務與介面在網路分層結構模型中，每一層為相鄰的上一層所提供的功能稱為服務。N層使用N-1層所提供的服務，向N+1層提供功能更強大的服務。4.服務類型在電腦網絡協議的層次結構中，層與層之間具有服務與被服務的單向依賴關係，下層向上層提供服務，而上層調用下層的服務。因此可稱任意相鄰兩層的下層為服務提供者，上層為服務調用者。下層為上層提供的服務可分為兩類：面向連接服務（ConnectionOrientedService）和無連接服務（ConnectionlessService）。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.1電腦網絡體系結構概述5.服務原語相鄰層之間通過一組服務原語（ServicePrimitive）建立相互作用，完成服務與被服務的過程。這些原語供用戶和其他實體訪問該服務。這些原語通知服務提供者採取某些行動或報告某個對等實體的活動。服務原語可被劃分為四類，分別是請求（Request）、指示（Indication）、回應（Response）、確認（Confirm）。2.1.3電腦網絡體系結構網路體系結構是從體系結構的角度來研究和設計電腦網絡體系，其核心是網路系統的邏輯結構和功能分配定義，即描述實現不同電腦系統之間互連和通信的方法和結構，是層和協議的集合。通常採用結構化設計方法，將電腦網絡系統劃分成若干功能模組，形成層次分明的網路體系結構。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型國際標準化組織ISO在1977年建立了一個分委員會來專門研究體系結構，提出了開放系統互連參考模型（OSI：OpenSystemInterconnectionReferenceMode），這是一個定義連接異種電腦標準的主體結構，OSI被認為是解決了已有協議在廣域網和高通信負載方面存在的問題。“開放”表示能使任何兩個遵守參考模型和有關標準的系統進行連接。“互連”是指將不同的系統互相連接起來，以達到相互交換資訊，共用資源，分佈應用和分佈處理的目的。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型2.2.1OSI七層模型開放系統互連參考模型（OSI）採用分層的結構化技術，共分7層，從低到高為：物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。無論什麼樣的分層模型，都基於一個基本思想，遵守同樣的分層原則：即目標站第n層收到的對象應當與源站第n層發出的對象完全一致，如圖2.2所示。它由7個協議層組成，最低3層（1～3）是依賴網路的，實現通信子網的功能。高3層（5～7）是面向應用的，實現資源子網的功能。

2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型應用層會話層傳輸層網路層物理層應用層表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層介面介面介面介面介面介面報文（M）報文（M）報文（M）報文（M）報文分組（P）幀（F）位（bit）表示層協議會話層協議傳輸層協議資料鏈路層圖2.2OSI七層模型表示層網路層協議物理媒介資料鏈路層協議主機X主機Y應用層協議2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型2.2.2OSI參考模型各層的功能1．物理層(PhysicalLayer)物理層位於OSI參考模型的最低層，它直接面向原始比特流的傳輸。物理層必須解決好包括傳輸介質、通道類型、數據與信號之間的轉換、信號傳輸中的衰減和雜訊等在內的一系列問題。另外，物理層標準要給出關於物理介面的機械、電氣、功能和規程特性，以便於不同的製造廠家既能夠根據公認的標準各自獨立地製造設備，又能使各個廠家的產品能夠相互相容。2．資料鏈路層(DataLinkLayer)資料鏈路層涉及相鄰節點之間的可靠數據傳輸，為了能夠實現相鄰節點之間無差錯的數據傳送，資料鏈路層在數據傳輸過程中提供了確認、差錯控制和流量控制等機制。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型3．網路層(NetworkLayer)網路中的兩臺電腦進行通信時，中間可能要經過許多中間結點甚至不同的通信子網。網路層的任務就是在通信子網中選擇一條合適的路徑，使發送端傳輸層所傳下來的數據能夠通過所選擇的路徑到達目的端。4．傳輸層(TransportLayer)傳輸層是OSI七層模型中唯一負責端到端節點間數據傳輸和控制功能的層。傳輸層是OSI七層模型中承上啟下的層，它下麵的三層主要面向網路通信，以確保資訊被準確有效地傳輸；它上面的三個層次則面向用戶主機，為用戶提供各種服務。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型5．會話層(SessionLayer)會話層的主要功能是在兩個節點間建立、維護和釋放面向用戶的連接，並對會話進行管理和控制，保證會話數據可靠傳送。會話連接和傳輸連接之間有三種關係：一對一關係；一對多關係；多對一關係。會話過程中，會話層來需要決定使用全雙工通信還是半雙工通信。6．表示層(PresentationLayer)表示層專門負責有關網路中電腦資訊表示方式的問題。表示層負責在不同的數據格式之間進行轉換操作，以實現不同電腦系統間的資訊交換。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型7．應用層(ApplicationLayer)應用層是OSI參考模型中最靠近用戶的一層，負責為用戶的應用程式提供網路服務。與OSI參考模型的其他層不同的是，它不為任何其他OSI層提供服務，而只是為OSI模型以外的應用程式提供服務，如電子錶格程式和文字處理程式。包括為相互通信的應用程式或進程之間建立連接、進行同步，建立關於錯誤糾正和控制數據完整性過程的協商等。應用層還包含大量的應用協議，如虛擬終端協議（Telnet）、簡單郵件傳輸協議（SMTP）、簡單網路管理協議（SNMP）和超文本傳輸協議（HTTP）等。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型2.2.3OSI的層間通信在同一臺電腦的層間交互過程，以及在同一層上不同電腦之間的相互通信過程是相互關聯的。每一層向其協議規範中的上層提供服務。每層都與其他電腦中相同層的軟體和硬體交換一些資訊。1.同一臺電腦之間相鄰層的通信如圖2.4所示，是OSI類型通信的一個例子。主機A發送資訊給主機B。主機A的應用程式與主機B的應用層通信，主機A的應用層再與主機A的表示層通信，主機A的表示層再與主機A的會話層通信，等等，直到到達主機A的物理層。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型物理層把資訊放到網路物理介質上並把資訊從網路物理介質上送走。資訊在網路物理介質上傳送並被主機B接收後，會以相反的方向向上通過主機B的各層（先是物理層，然後是資料鏈路層，等等），直到最終到達主機B的應用層。從各層的觀點來看，在該層包頭之後的比特被認為是數據。例如，第4層認為第5層、第6層和第7層的包頭與原始的用戶數據一起是一個大的數據字段。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型①②應用層表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層圖2.4OSI模型相鄰層之間通信L7DataL6L5L4L3L2HL2TL7DataL6L5L4L3L7DataL6L5L4L7DataL6L5L7DataL6L7Data應用層表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層L7DataL6L5L4L3L2HL2TL7DataL6L5L4L3L7DataL6L5L4L7DataL6L5L7DataL6L7Data③L#－第＃層的頭L#H－第＃層的頭L#T－第＃層的尾主機A主機B④2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型當接收時（步驟3），主機B啟動其上的相鄰層協議進行通信，如圖2.4中的步驟4，指明了接收數據在協議棧中逐層向上遞交處理的過程。具體步驟如下：步驟A：物理層（第1層）保證比特的同步，並將接收的二進位數據放到緩存中。因此，第1層在媒體上已經提供了傳遞的比特流。步驟B：資料鏈路層（第2層）檢查幀尾的幀校驗序列（FCS），判斷傳輸過程中是否有錯誤發生（差錯控制）。如果有錯誤發生，丟棄此幀。檢查資料鏈路層的地址，使主機B決定是否需要進一步處理這些數據。如果這個地址是主機B的地址，那麼將在第2層的包頭和尾之間的數據傳遞給第3層的軟體。從而，資料鏈路層通過該鏈路實現了數據的傳輸。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型步驟C：檢查網路層（第3層）的目的地址。如果該地址是主機B的地址（邏輯地址），處理過程將會繼續進行，將在第3層包頭之後的數據傳遞給傳輸層（第4層）的軟體。從而，第3層實現了端到端的數據傳輸服務。步驟D：如果傳輸層（第4層）選擇了差錯恢復，標識這段數據的計數器與確認資訊（差錯恢復）一起在第4層的包頭中進行編碼。在差錯恢復和對輸入數據進行重新排序後，將這些數據傳遞給會話層。步驟E：會話層（第5層）可以用來保證一系列消息的完整性。如果沒有完成後續的通信，收到的數據可能沒有任何意義。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型步驟F：表示層（第6層）定義 並維護數據的格式。例如，如果數據是二進位數據而不是字元數據，包頭會指明這一點。接收方並不會用主機B中缺省的ASCII字元集轉換這些數據。通常，此類包頭只包括在初始流中，而不包含在每個被傳輸的流（數據格式）中。在完成了數據格式的轉換後，將數據傳遞給應用層的軟體。步驟G：應用層（第7層）處理最後的包頭，然後檢查真正的終端用戶數據。這個包頭指明了主機A與主機B已協商好的應用程式所使用的運行參數，該包頭用於交換所有參數值。因此，通常只在應用程式初始化時才發送和接收這個包頭。例如，在檔傳輸時，會相互傳遞所傳輸檔的長度和文件格式（應用參數）。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型2.不同電腦上同等層之間的通信第N層必須與另外一臺電腦上的第N層通信才能成功地實現該層的功能。為了與其他電腦上的同等層進行通信，每一層都定義了一個包頭，而且有時還定義了包尾。包頭和包尾是附加的數據位，由發送方電腦的軟體或硬體生成，放在由第N+1層傳給第N層的數據的前面或後面。這一層與其他電腦上同等層進行通信所需要的資訊就在這些包頭或包尾被編碼。接收方電腦的第N層軟體或硬體解釋由發送方電腦第N層所生成的包頭或包尾，從而得知此時第N層的過程應如何處理。每一層使用自己層的協議與其他系統的對等層相互通信。每一層的協議在與對等層之間交換的資訊稱為協議數據單元（PDU）。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型如圖2.5所示提供了同等層之間通信的概念模型。主機A的應用層與主機B的應用層通信。同樣，主機A的傳輸層、會話層和表示層也與主機B的對等層進行通信。OSI模型的下三層必須處理數據的傳輸，路由器C參與此過程。主機A的網路層、資料鏈路層和物理層與路由器C進行通信。同樣，路由器C與主機B的物理、資料鏈路層和網路層進行通信。OSI參考模型的分層禁止了不同主機間的對等層之間的直接通信。因此，主機A的每一層必須依靠主機A相鄰層提供的服務來與主機B的對應層通信。假定主機A的第4層必須與主機B的第4層通信。那麼，主機A的第4層就必須使用主機A的第3層提供的服務。第4層叫服務用戶，第3層叫服務提供者。第3層通過一個服務接入點（SAP）給第4層提供服務。這些服務接入點使得第4層能要求第3層提供服務。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型應用層表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層圖2.5OSI模型對等層通信主機A主機B應用層表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層網路層資料鏈路層物理層路由器C2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型3.封裝通常將數據放置在每一層的包頭後面（及包尾之前）的概念稱為封裝。如圖2.6所示，當每一層生成了包頭時，將由相鄰上一層傳遞來的數據放到該包頭的後面，這樣就封裝了高一層的數據。對數據鏈路層（第2層）協議而言，第3層的包頭和數據將放到第二層的包頭和尾之間。物理層並不使用封裝，因為它不使用包頭和尾。參考圖2.6中的步驟①，從用戶數據的生成到編碼物理信號（步驟2）的整個封裝過程如下所述：2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層圖2.6發送方的數據的封裝過程應用層上層數據數據數據數據01011101010010000010MAC頭LLC頭IP頭TCP頭PDU段包幀數據位FCSFCS上層數據2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型步驟1：應用程式已經生成了數據。應用層生成該層的包頭並將數據放在它的後面。這個數據並傳遞到表示層。步驟2：表示層生成該層的包頭並將數據放在它的後面。這個數據結構被傳遞到會話層。步驟3：會話層生成該層的包頭並將數據放在它的後面。這個數據結構被傳遞到傳輸層。步驟4：傳輸層生成該層的包頭並將數據放在它的後面。這個數據結構被傳遞到網路層。步驟5：網路層生成該層的包頭並將數據放在它的後面。這個數據結構被傳遞到資料鏈路層。步驟6：資料鏈路層生成該層的包頭並將數據放在它的後面。資料鏈路層把包尾放到此結構的後面，這個數據結構被傳遞到物理層。步驟7：物理層在媒體上對信號進行編碼，傳輸該數據位。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型4.解封裝（De-Encapsulation）當遠程設備順序接收到一串比特時，它會把它們傳送給資料鏈路層以組裝為幀。當資料鏈路層接收到該幀時，它會執行以下工作：讀取物理地址和由直接相連的對等資料鏈路層所提供的控制資訊。從該幀剝離該控制資訊並由此創建一個數據報。遵照在幀的控制部分中出現的內容而把數據報向上傳送到相鄰層。這個過程被稱為解封裝，每個後續層都會經歷一個類似過程。如圖2.7所示。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層應用層上層數據01011101010010000010LLC頭＋IP頭＋TCP頭＋數據MAC頭IP頭＋TCP頭＋數據LLC頭IP頭TCP頭TCP頭＋數據上層數據圖2.7接收方的數據的解封裝過程2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型5.OSI模型每一層數據的名稱為了使數據分組從源主機傳送到目的主機，如圖2.8中所示，源主機OSI模型的每一層要與目標主機的每一層進行通信。用Peer-to-peercommunications（對等實體間通信）表示源主機與目的主機對等層間的通信。在這一過程中，每一層的協議交換的資訊稱為協議數據單元（PDU）。位於源電腦上的每個通信層，使用針對該層的協議數據單元（PDU）與目標電腦上的對等層進行通信。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.2ISO/OSI開放系統互連參考模型數據段數據包數據幀比特應用層表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層圖2.8數據名稱主機A主機B應用層表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層數據2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型2.3.1TCP/IP模型TCP/IP模型是由美國國防部創建的，所以有時又稱DoD(DepartmentofDefense)模型。是發展至今最成功的通信協議，它被用於構築目前最大的、開放的互聯網路系統Internt。TCP/IP是一組通信協議的代名詞，這組協議使任何具有網路設備的用戶能訪問和共用Internet上的資訊，其中最重要的協議族是傳輸控制協議（TCP）和網際協議（IP）。TCP和IP是兩個獨立且緊密結合的協議，負責管理和引導數據報文在Internet上的傳輸。二者使用專門的報文頭定義每個報文的內容。TCP負責和遠程主機的連接，IP負責尋址，使報文被送到其該去的地方。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型TCP/IP也分為不同的層次開發，每一層負責不同的通信功能。但TCP/IP協議簡化了層次設備，只有四層，由下而上分別為網路介面層、網路層、傳輸層、應用層，如圖2.9所示。在TCP/IP模型中，網路介面層是TCP/IP模型的最低層，負責接收從網路層交來的IP數據報並將IP數據報通過底層物理網路發送出去，或者從底層物理網路上接收物理幀，抽出IP數據報，交給互聯網層。網路介面層使採用不同技術和網路硬體的網路之間能夠互聯，它包括屬於操作系統的設備驅動器和電腦網絡介面卡，以處理具體的硬體物理介面。

2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型網路層負責獨立地將分組從源主機送往目標主機，涉及為分組提供最佳路徑的選擇和交換功能，並使這一過程與它們所經過的路徑和網路無關。傳輸層的作用是在源結點和目的結點的兩個對等實體間提供可靠的端到端的數據通信。為保證數據傳輸的可靠性，傳輸層協議也提供了確認、差錯控制和流量控制等機制。傳輸層從應用層接受數據，並且在必要的時候把它分成較小的單元，傳遞給網路層，並確保到達對方的各段資訊正確無誤。應用層涉及為用戶提供網路應用，並為這些應用提供網路支撐服務，把用戶的數據發送到低層，為應用程式提供網路介面。由於TCP/IP將所有與應用相關的內容都有歸為一層，所以在應用層要處理高層協議、數據表達和對話控制等任務。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型應用層表示層會話層傳輸層網路層資料鏈路層物理層圖2.109OSI模型和TCP/IP模型應用層數據流層應用層傳輸層網路層網路介面層協議網路TCP/IP模型OSI模型2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型2.3.2各層主要協議TCP/IP事實上是一個協議系列或協議簇，目前包含了100多個協議，用來將各種電腦和數據通信設備組成實際的TCP/IP電腦網絡。TCP/IP模型各層的一些重要協議如圖2.10所示。1.網路介面層協議TCP/IP的網路介面層中包括各種物理網協議，例如Ethernet、令牌環、幀中繼、ISDN和分組交換網X.25等。當各種物理網被用作傳送IP數據包的通道時，就可以認為是屬於這一層的內容。

2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型2.網路層協議網路層包括多個重要協議，主要協議有四個，即IP協議、ARP協議、RARP協議和ICMP協議。網際協議(Internetprotocol，簡稱IP)是其中的核心協議，IP協議規定網際層數據分組的格式。因特網控制消息協議(InternetControlmessageprotocol，簡稱ICMP)：提供網路控制和消息傳遞功能的。地址解釋協議(Addressresolutionprotocol，簡稱ARP)：用來將邏輯地址解析成物理地址。反向地址解釋協議(Reverseaddressresolutionprotocol，簡稱RARP)：通過RARP廣播，將物理地址解析成邏輯地址。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型3.傳輸層協議傳輸層的主要協議有TCP協議和UDP協議。傳輸控制協議(TransportControlProtocol，簡稱TCP)：是面向連接的協議，用三次握手和滑動窗口機制來保證傳輸的可靠性和進行流量控制。用戶數據報協議(Userdatagramprotocol簡稱UDP)是面向無連接的不可靠傳輸層協議。4.應用層協議應用層包括了眾多的應用與應用支撐協議。常見的應用協議有：檔傳輸協議FTP、超文本傳輸協議HTTP、簡單郵件傳輸協議SMTP、虛擬終端TELNET；常見的應用支撐協議包括功能變數名稱服務DNS和簡單網路管理協議SNMP等。

2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型FTPHTTPSMTPDNS圖2.9TCP/IP協議圖TFTPDNSTelnetSMTPTCPDNSUDPIP互聯網您的局域網許多局域網和廣域網應用層協議傳輸層協議網路層協議網路接入層IPICMPIPARPIPRARP2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型2.3.3TCP/IP網路模型數據封裝在TCP／IP網路模型中，如圖2.11所示，網路必須執行以下5個轉換步驟以完成數據封裝的過程：1.生成數據當用戶發送一個電子郵件資訊時，它的字母或數字字元被轉換成可以通過互聯網路傳輸的數據。2.為端到端的傳輸將數據打包通過對數據打包來實現互聯網的傳輸。通過使用段傳輸功能確保在兩端的資訊主機的電子郵件系統之間進行可靠的通信。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型3.在報頭上附加目的網路地址數據被放置在一個分組或者數據報中，其中包含了帶有源和目的邏輯地址的網路報頭。這些地址有助於網路設備在動態選定的路徑上發送這些分組。

4.附加目的資料鏈路層地址（MAC地址）到資料鏈路報頭每一個網路設備必須將分組放置在幀中。該幀的報頭包括在路徑中下一臺直接相連設備的物理地址。

5.傳輸比特幀必須被轉換成一種1和0的模式，才能在介質上（通常為線纜）進行傳輸。時鐘功能（clockingfunction）使得設備可以區分這些在介質上傳輸的比特。物理互聯網路上的介質可能隨著使用的不同路徑而有所不同。例如，電子郵件資訊可以起源於一個局域網（LAN），通過校園骨幹網，然後到達廣域網（WAN）鏈路，直到它到達另一個遠端局域網（LAN）上的目的主機。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.3TCP/IP模型應用層傳輸層網路層網路介面層1.2.3.4.5.圖2.11TCP/IP模型數據封裝TCP數據IPLHLTTCP數據IPTCP數據數據2024年1月11日星期四20時19分12秒2.4OSI模型和TCP/IP模型的區別1.相似點ISO/OSI模型和TCP/IP模型有許多相似之處。具體表現在：兩者都均採用了層次結構並存在可比的傳輸層和網路層；兩者都有應用層，雖然所提供的服務有所不同；均是一種基於協議數據單元的包交換網絡，而且分別作為概念上的模型和事實上的標準，具有同等的重要性。2．不同點但是ISO/OSI模型和TCP/IP模型還是有許多不同之處。下麵我們討論為兩種模型的不同之處。（1）OSI模型包括了七層，而TCP/IP模型只有四層。雖然它們具有功能相當的網路層、傳輸層和應用層，但其他層並不相同。2024年1月11日星期四20時19分12秒2.4OSI模型和TCP/IP模型的區別TCP/IP模型中沒有專門的表示層和會話層，它將與這兩層相關的表達、編碼和會話控制等功能包含到了應用層中去完成。另外，TCP/IP模型還將OSI的資料鏈路層和物理層包括到了一個網路訪問層中。（2）OSI模型在網路層支持無連接和麵向連接的兩種服務，而在傳輸層僅支持面向連接的服務。TCP/IP模型在互聯網層則只支持無連接的一種服務，但在傳輸層支持面向連接和無連接兩種服務。（3）TCP/IP由於有較少的層次，因而顯得更簡單，TCP／IP一開始就考慮到多種異構網的互連問題，並將網際協議（IP）作為TCP/IP的重要組成部分，並且作為從因特網(INTERNET)上發展起來的協議，已經成了網路互連的事實標準。但是，目前還沒有實際網路是建立在OSI七層模型基礎上的，OSI僅僅作為理論的參考模型被廣泛使用。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.1.1數據通信的基本概念1．資訊、數據和信號資訊是指有用的知識或消息，電腦網絡通信的目的就是為了交換資訊。而數據則是是運送資訊的實體，是資訊的表達方式，其可以是數字、文字、聲音、圖形和圖象等多種不同形式。信號（Signal）是數據在傳輸過程中的電磁波表示形式。2．模擬信號與數字信號作為數據的電磁波表達形式，信號一般以時間為引數，以表示數據的某個參量如振幅、頻率或相位為因變數。並且按其因變數對時間的取值是否連續被分為模擬信號和數字信號。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎模擬信號是指信號的因變數隨時間連續變化的信號，如圖3.1所示。電視圖像信號、語音信號、溫度壓力感測器的輸出信號以及許多遙感遙測信號都是模擬信號。數字信號是指信號的因變數不隨時間連續變化的信號，通常表現為離散的脈衝形式，可表示為x（nT），如圖3.2所示。顯然，在數字信號中，因變數取值狀態是有限的。電腦數據、數字電話和數字電視等都可看成是數字信號。1011000

圖3.1模擬信號圖3.2數字信號t

(t)ntX(nt)2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.數據通信發送方將要發送的數據轉換成信號通過物理通道傳送到數據接收方的過程就稱為是數據通信。數據通信被分為模擬數據通信和數字數據通信。所謂模擬數據通信是指在模擬通道上以模擬信號形式來傳輸數據；而數字數據通信則是指利用數字通道以數字信號方式來傳遞數據。4.源點、終點和通道在數據通信中，通常將數據的發送方稱為源點，而將數據的接收方稱為終點。源點和終點一般是電腦或其他一些數據終端設備。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.1.2數據通信系統的模型數據通信系統是指通過通信線路和通信控制處理設備將分佈在各處的數據終端設備連接起來，執行數據傳輸功能的系統。圖3.3給出了數據通信系統的模型。一個數據通信系統由源系統（或發送端）、傳輸系統（或傳輸網絡）和目的系統（或接收端）三部分組成。源系統一般包括以下兩部分：源點：源點設備發送要傳輸的數據，又稱源站，發送輸出的數字比特流。發送器：通常源點發送的數據要通過發送器編碼後才能夠在傳輸系統中進行傳輸。把源點所要發送的數據轉換成適合於在通道上傳輸的信號。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎目的系統一般包括以下兩部分：接收器：接收傳輸系統傳送過來的信號，並將其轉換為能夠被目的設備處理的資訊。把從通道上接收的信號轉換成終點所能識別的數據。終點：終點設備從接收器獲取傳送來的數據，又稱目的站。源點和終點分別是數據的出發點和目的地，又被稱為數據終端設備(DataTerminalEquipment，簡稱DTE)。DTE通常屬於資源子網的設備，如資源子網中的電腦、數據輸入/輸出設備和通信處理機等。發送器和接收器又稱為數據線路端接設備(DataCircuit-terminatingEquipment，簡稱DCE)。DCE為DTE提供了入網的連接點，通常被認為是通信子網中的設備。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎輸出數據輸入數據發送器圖3.3數據通信系統的模型公用電話網數據通信系統數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號PC機PC機ModemModem源系統目的系統傳輸系統源點傳輸系統器接收器終點發送的信號接收的信號輸入資訊輸出資訊2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.1.3數據調製與編碼1.調製與編碼原理調製是載波信號的某些特性根據輸入信號而變化的過程。一般說來，有四種傳輸數據的方法：（1）模擬數據，模擬信號：採取電信號形式的模擬數據可以原封不動地傳輸出去，也可以在較高頻率下進行調製。（2）數字數據，模擬信號：利用調製器把數字數據變換成能在現有模擬線路上傳輸的模擬信號。（3）數字數據，數字信號：數字信號可以按照其原來形式通過數字通信線路進行傳輸，也可以編碼成不同類型的數字信號，即代表兩個不同二進位值的數字信號。（4）模擬數據，數字信號：為了使模擬信號能在數字通信線路上傳輸，將模擬數據變換成數字信號的方法，稱為編碼。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎2.模擬數據的模擬信號調製模擬數據經由模擬信號傳輸時不需進行變換，但是由於考慮到前面談到的天線尺寸問題，模擬形式的輸入數據要在甚高頻下進行調製。輸出信號是一種帶有輸入數據的頻率極高的模擬信號。最常用的兩種調製技術是幅度調製（AM）和頻率調製（FM）。(1)幅度調製幅度調製如圖3.4所示，它是一種載波的幅度會隨著原始模擬數據的幅度變化而變化的技術。載波的幅度會在整個調製過程中變動，而載波的頻率是不變的。將接收到的幅度調製信號進行解調，就可以恢復成原始的模擬數據。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎原始模擬信號載波信號V時間（s）時間（s）重疊的原始模擬信號幅度調製信號V時間（s）圖3.4幅度調製2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎(2)頻率調製頻率調製如圖3.5所示，它是一種高頻載波的頻率會隨著原始模擬信號的幅度變換而變化的技術。因此，載波頻率會在整個調製過程中波動，而載波的幅度是不變的。將接收到的頻率調製信號進行解調，就可以恢復成原始的模擬數據。

2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎（a）幅移鍵控法（b）頻移鍵控法（c）相移鍵控法圖3.6數字數據的模擬信號調製001101000100011010001000110100010

V時間（s）圖3.5頻率調製調頻信號2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.數字數據的模擬信號調製模擬信號發送的基礎是一種稱為載波信號的連續的頻率恒定的信號。通過以下三種載波特性之一來對數字數據進行調製：振幅、頻率和相位，或者這些特性的某種組合。對數字數據的模擬信號進行調製的三種基本形式：幅移鍵控法（ASK：amplitude-shiftkeying）。頻移鍵控法（FSK：frequency-shiftkeying）。相移鍵控法（PSK：phase-shiftkeying）。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎4.數字數據的數字信號編碼傳輸數字信號最普遍而且最容易的辦法是用兩個電壓電平來表示兩個二進位數字。例如，無電壓（也就是無電流）常用來表示0，而恒定的正電壓用來表示1。常用的數字數據的數字信號編碼有以下幾種：(1)單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼不歸零編碼(Non-ReturnZero，簡稱NRZ)分別採用兩種高低不同的電平來表示兩個二進位“0”和“1”。例如，用高電平表示“1”，低電平表示“0”。①單極性碼如圖3.7（a）表示單極性碼，在每一碼元時間間隔內，有電流發出表示二進位的1；無電流發出則表示二進位的0。

2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎每一個碼元時間的中心是採樣時間，判決門限為半幅度電平，即0.5。若接收信號的值在0.5與1.0之間，就判為1；若在0.5與0之間，就判為0。每秒鐘發送的二進位碼元數稱為碼速，其單位為波特（Baud）。在二進位情況下，1波特相當於資訊傳輸速率為1比特每秒（bps），此時碼元速率等於資訊速率。②雙極性碼如圖3.7（b）表示雙極性碼，在每一碼元時間間隔內，發正電流表示二進位的1；發負電流表示二進位的0。正的幅值和負的幅值相等，所以稱為雙極性碼。這種情況的判決門限定為零電平。接收信號的值如在零電平以上，判為1；如在零電平以下判為0。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎採樣時間判決門限1採樣時間判決門限1-1（a）單極性碼（b）雙極性碼圖3.7單極性碼和雙極性碼2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎(2)單極性歸零碼和雙極性歸零碼①單極性歸零碼:如圖3.8（a）表示單極性歸零碼，在每一碼元時間間隔內，當發1時，發出正電流，但是發電流的時間短於一個碼元的時間，就是說，發一個窄脈衝。當發0時，仍然完全不發送電流。這樣發1時有一部分時間不發電流，幅度降為回零電平。所以稱這種碼為歸零碼。②雙極性歸零碼:如圖3.8（b）表示雙極性歸零碼，在每一碼元時間間隔內，當發1時，發出正的窄脈衝；當發0時，發出負的窄脈衝。兩個碼元之間的間隔時間可以大於每一個窄脈衝的寬度。採樣時間總是對準中心。

圖3.8所示的兩種情形表示的二進位序列均為01101001。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎判決門限1（a）單極性碼採樣時間判決門限1（a）雙極性碼-1圖3.8單極性歸零碼和雙極性歸零碼採樣時間2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎(3)曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼如圖3.9（a）所示為曼徹斯特碼。曼徹斯特編碼將每比特信號週期T分為前T/2和後T/2，用前T/2傳送該比特的反（原）碼，用後T/2傳送該比特的原（反）碼。所以在這種編碼方式中，每一位電信號的中點(即T/2處)都存在一個電平跳變，如圖3.10（a）所示。如圖3.9（b）所示為差分曼徹斯特碼。差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的一種改進。其保留了Manchester編碼作為“自含時鐘編碼”的優點，仍將每比特中間的跳變作為同步之用，但是每比特的取值則根據其開始處是否出現電平的跳變來決定。通常規定有跳變者代表二進位“0”，無跳變者代表二進位“1”，如圖3.8（b）所示。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎（a）曼徹斯特碼（b）差分曼徹斯特碼0110100101101001圖3.9曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎5.模擬數據的數字信號編碼利用數字信號來對模擬數據進行編碼的最常見的例子是脈衝代碼調製（PCM：PulseCodeModulation），它常用於對聲音信號進行編碼。脈衝代碼調製是以採樣定理為基礎的，採樣定理指出：如果在規則的時間間隔內，以高於兩倍最高有效信號頻率的速率對信號

（t）進行採樣的話，那麼，這些採樣值就包含了原始信號的全部資訊。利用低通濾波器可以從這些採樣中重新構造出函數

（t）。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.1.4基帶傳輸在電腦系統中，通常用二進位比特來表示各類數據。而脈衝信號是二進位比特的典型表達方式，按傅利葉分析，脈衝信號由直流、基頻、低頻和高頻等多個分量組成，隨著頻率的升高，其相應的幅度減小直至趨於零。在脈衝信號的整個頻譜中，從零開始有一段能量相對集中的頻率範圍被稱為基本頻帶(baseband)，簡稱基頻或基帶，基頻等於脈衝信號的固有頻率。與基頻對應的數字信號稱為基帶信號。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎源點編碼數字通道信號雜訊圖3.11數字數據通信系統基本模型終點解碼採用基帶信號進行傳輸的數字通信系統的模型如圖3.12所示。該系統要解決的關鍵問題是數字數據的編解碼問題。即在發送端，要解決如何將二進位數據序列通過某種編碼方式轉化為可直接傳送的基帶信號；而在接收端，則要解決如何將收到的基帶信號通過解碼恢復為與發送端相同的二進位數據序列。

2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.1.5頻帶傳輸利用模擬通道傳輸二進位數據的方式稱為頻帶傳輸。採用模擬信號傳輸的模擬數據通信系統的模型如圖3.5所示。頻帶傳輸的關鍵問題是如何將電腦中的二進位數據轉化為適合模擬通道傳輸的模擬信號。在發送端，需要將二進位數據變換成能在電話線或其他傳輸線路上傳輸的模擬信號，即所謂的調製（modulation）；而在接收端，則需要將收到的模擬信號重新還原成原來的二進位數據，即所謂的解調（demodulation）。通常將在發送端承擔調製功能的設備稱為調製器（modulator），而將在接收端承擔解調功能的設備稱為調製器（demodulator）。由於數據通信是雙向的，所以實際上在數據通信的任何一方都要同時具備調製和解調功能，我們將同時具備這兩種功能的設備稱為數據機（modem）。目前，數據機已逐漸被ADSL取代。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.1.6數據通信系統的主要品質指標數據通信的任務是傳輸數據，希望達到速度快、出錯率低、資訊量大、可靠性高，並且既經濟又便於使用維護。為了衡量通信系統的品質優劣，必須使用通信系統的性能指標，即品質指標。通信系統的性能指標涉及到通信的有效性、可靠性、適應性、標準性、經濟性及維護使用等等。但從研究資訊的傳輸來說，通信的有效性和可靠性是最重要的指標。有效性是指傳輸一定的資訊量所消耗的資訊資源（帶寬或時間），而可靠性是指接收資訊的準確程度。

2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎1.模擬通信系統的品質指標（1）有效性模擬通信系統的有效性是用有效傳輸帶寬來度量，同樣的資訊採用不同的調製方式，則需要不同的頻帶寬度。頻帶寬度越窄，有效性越好。（2）可靠性模擬通信系統的可靠性是用接收端最終的輸出信噪比來度量。信噪比越大，通信品質越高。如普通電話要求信噪比在20dB以上，電視圖像則要求信噪比在40dB以上。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎2.數字通信系統的品質指標數據通信系統中，有效性用傳輸速率來表示，可靠性用差錯率（誤碼率）來衡量。（1）數據傳輸速率數據傳輸速率有兩種度量單位：串列傳輸速率和比特率①串列傳輸速率串列傳輸速率又稱為波形速率或碼元速率。指數據通信系統中，線路上每秒傳送的波形個數。其單位是“波特”（Baud）。設一個波形的持續週期為T，則串列傳輸速率B可以由下式給出：B=1/T（波特）2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎②比特率比特率又稱為資訊速率，簡稱數據率，是指發送端和接收端之間單位時間內傳輸數據的平均比特數，其單位是每秒位（bps），或每秒千位（kbps），或每秒兆位（Mbps），其換算關係為1kbps=103bps，1Mbps=106bps(≠220bps。數據傳輸速率反映了終端設備之間的資訊處理能力，它是一段時間的平均值。通常用它來描述數據通信系統的性能。比特率直接與波形速率和一個波形所攜帶的資訊量有關，因此比特率S可以按下式計算：

S=Blog2n2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎（2）數據傳輸的品質衡量數據傳輸品質的指標是差錯率，通常用誤碼率來表示。誤碼率＝（接收方出現差錯的比特數（位數）/總的傳輸比特數（位數））×100％誤碼率是一個統計平均值，在統計和測試時應採用統計學的方法，在足夠時間和足夠統計的數量後方可正確得出。電腦網絡通信系統中，要求誤碼率低於10-6。如果實際傳輸的不是二進位碼元，需折合成二進位碼元計算。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎3.1.7多路複用技術為了提高通信線路傳送資訊的效率，通常採用在一條物理線路上建立多條通信通道的多路複用（Multiplexing）技術，多路複用技術使得在同一傳輸介質上可傳輸多個不同信源發出的信號，從而可充分利用通信線路的傳輸容量，提高傳輸介質的利用率。圖3.12給出了多路複用的數據傳輸系統的工作原理。在輸入端，多路複用器將若干個彼此無關的輸入信號合併為在一條物理線路上傳輸的複合信號，從而多個數據源共用同一個傳輸介質，就像每個數據源都有自己的通道一樣。而在輸出端，則由多路解複用器將複合信號按通道號分離出來。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎多路複用器多路複用器一條物理線路（多條通道）N個輸入N個輸出圖3.12多路複用原理2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎當前採用的多路複用方式有頻分多路複用（FrequencyDivisionMultiplexing，簡稱FDM）、時分多路複用（TimeDivisionMultiplexing，簡稱TDM）和波分複用(WavelengthDivisionMultiplexing，簡稱WDM)等。1.頻分多路複用技術當介質的有效帶寬超過被傳輸的信號帶寬時，可以把多個信號調製在不同的載波頻率上，從而在同一介質上實現同時傳送多路信號，即將通道的可用頻帶（帶寬）按照頻率不同，把傳輸頻帶分成若干個互不交疊的頻段，每個信號佔據其中一個頻段，從而形成許多個子通道，如圖3.13所示；在接收端用適當的濾波器將多路信號分開，分別進行解調和終端處理，這種技術稱為頻分多路複用技術（FDM：FrequencyDivisionMultiplexing）。2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎時間子通道D子通道C子通道B子通道A可用頻帶頻率圖3.13FDM子通道示意圖2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎FDM系統的原理示意圖如圖3.14所示，它假設有六個輸入源，分別輸入6路信號到頻分複用器（FDM-MUX），頻分複用器將每路信號調製在不同的載波頻率上（例如

1，

2，…

6），每路信號以其載波頻率為中心，佔用一定的帶寬，此帶寬範圍稱作一個通道，各通道之間通常用保護頻帶隔離，以保證各路信號的頻帶間不發生重疊。輸入信號可以是模擬的，也可以是數字的。

2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎圖3.14頻分多路複用示意圖2024年1月11日星期四3.1數據通信基礎2.時分多路複用技術如果傳輸介質能達到的傳輸速率超過單一信源要求的數據傳輸速率，可以採用時分多路複用技術（TDM：TimeDivisionMultiplexing）。這種多路複用技術的出發點是將一條線路按工作時間劃分週期T，每一週期再劃