计算机网络全册配套完整课件3

计算机网络全册配套完整课件

（第6版）计算机网络（第

6

版）第

1

章概述1.1计算机网络在信息时代中的作用1.2因特网概述1.3因特网的组成1.4计算机网络在我国的发展1.5计算机网络的类别1.6计算机网络的性能1.7计算机网络的体系结构

1.1计算机网络

在信息时代的作用21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。计算机网络的组成计算机网络硬件计算机通信媒体中继设备软件网络协议是计算机技术、通信技术和网络技术相结合的产物计算机网络向用户提供的

最重要的功能连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。共享——即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。网络与因特网网络把许多计算机连接在一起。因特网则把许多网络连接在一起。(a)(b)网络互联网（网络的网络）结点链路主机因特网1.2.2因特网发展的三个阶段第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。新型的分组交换网必须满足以下的基本要求1.用于计算机之间的数据传送2.能够连接不同类型的计算机3.所有的网络结点都同等重要.4.必须有冗余的路由5网络的结构应当尽可能的简单，但能够非常可靠的传送数据1.2.2因特网发展的三个阶段第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。人们把1983年作为因特网的诞生时间。三级结构的因特网第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。多层次ISP结构的因特网第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。出现了因特网服务提供者ISP(InternetServiceProvider)。用户因特网ISP1ISP2因特网服务提供者用户通过ISP上网根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次。

大公司公司本地

ISPAB主机A→本地ISP→地区ISP→主干ISP→地区ISP→本地ISP→主机B本地

ISP主干

ISP本地

ISP本地

ISP地区

ISP主干

ISP主干

ISP地区

ISP地区

ISP地区

ISP

本地

ISP本地

ISPIXP

本地

ISP校园网校园网

下面是具有三层ISP结构的因特网的概念示意图到2012年3月，全球已经有91个国家拥有IXP，其中拥有10个以上IXP的国家仅有9个，而仅拥有一个IXP的有48个国家。因特网的发展情况概况

（统计到2005年）

网络数主机数用户数管理机构数1980101021021001990103105106101

2000105107108102

20051061081091031.2.3关于因特网的标准化工作因特网协会ISOC因特网研究指导小组IRSG因特网研究部IRTF因特网工程部IETF因特网工程指导小组IESG…RGWG……RG…领域领域因特网体系结构研究委员会IABWGWGWG1.3因特网的组成从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：(1)边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。(2)核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。因特网的核心部分因特网的边缘部分主机网络路由器因特网的边缘部分与核心部分两种通信方式在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：客户

服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式1.客户服务器方式客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户

服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。运行客户程序网络边缘网络核心运行服务器程序AB①请求服务②得到服务客户服务器客户A向服务器B发出请求服务，而服务器B向客户A提供服务。客户软件的特点被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。服务器软件的特点一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。2.对等连接方式对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。网络边缘网络核心运行P2P程序运行P2P程序DCEF运行P2P程序运行P2P程序1.3.2因特网的核心部分网络核心部分是因特网中最复杂的部分。网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packetswitching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。1.电路交换的主要特点两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

更多的电话机互相连通5部电话机两两相连，需10对电线。N部电话机两两相连，需N(N–1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。

使用交换机当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。…

交换机“交换”的含义在这里，“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。电路交换的特点电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接报文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收到的数据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。三种交换的比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放数据传送的特点比特流直达终点报文报文报文分组分组分组存储转发存储转发存储转发存储转发1.4计算机网络在我国的发展铁道部在1980年开始进行计算机联网实验。1989年11月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。1994年4月20日我国用64kb/s专线正式连入因特网。中国教育和科研计算机网CERNET(ChinaEducationandResearchNETwork)，简称为中国教育网，是由国家投资建设，教育部负责管理，清华大学等高等学校承担建设和管理运行的全国性学术计算机互联网络。中国互联网络信息中心CNNIC(NetworkInformationCenterofChina)每年两次公布的我国因特网的发展情况。1.5计算机网络的分类1.5.1计算机网络的不同定义最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。因特网(Internet)是“网络的网络”。1.5.2几种不同类别的网络1.从网络的作用范围进行分类广域网WAN(WideAreaNetwork)局域网LAN(LocalAreaNetwork)

城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)个人区域网PAN(PersonalAreaNetwork)

2.不同使用者的网络从网络的使用者进行分类公用网(publicnetwork)专用网(privatenetwork)

用来把用户

接入到因特网的网络接入网

AN(AccessNetwork)，它又称为本地接入网或居民接入网。由ISP提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。1.6计算机网络的性能

1.6.1计算机网络的性能指标1.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.带宽“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。常用的带宽单位更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。3.吞吐量吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。4.时延(delay或latency)发送时延发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延=数据帧长度（b）发送速率（b/s）时延(delay或latency)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。信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延(delay或latency)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。时延(delay或latency)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：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+处理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在发送器产生发送时延(即传输时延)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5.时延带宽积（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6.利用率信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。时延与网络利用率的关系根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。若令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示D和D0之间的关系：U是网络的利用率，数值在0到1之间。时延

D利用率

U10D0时延急剧增大1.6.2计算机网络的非性能特征费用质量标准化可靠性可扩展性和可升级性易于管理和维护1.7计算机网络的体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。1.7.2协议与划分层次计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。网络协议(networkprotocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。网络协议的组成要素语法数据与控制信息的结构或格式。语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。同步事件实现顺序的详细说明。划分层次的概念举例主机

1

向主机

2

通过网络发送文件。可以将要做的工作进行如下的划分。第一类工作与传送文件直接有关。确信对方已做好接收和存储文件的准备。双方协调好一致的文件格式。两个主机将文件传送模块作为最高的一层。剩下的工作由下面的模块负责。两个主机交换文件文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块只看这两个文件传送模块好像文件及文件传送命令是按照水平方向的虚线传送的把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块再设计一个通信服务模块文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块只看这两个通信服务模块好像可直接把文件可靠地传送到对方把文件交给下层模块进行发送把收到的文件交给上层模块通信服务模块通信服务模块再设计一个网络接入模块文件传送模块主机

1主机

2文件传送模块通信服务模块通信服务模块网络接入模块网络接入模块通信网络网络接口网络接口网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。分层的好处各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。层数多少要适当若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。78计算机网络的体系结构计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。两个标准：法律上的国际标准OSI并没有得到市场的认可。非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的国际标准。具有五层协议的体系结构结合ISO/OSI七层模型和TCP/IP四层模型的特点的五层网络模型OSI七层模型TCP/IP四层模型7654321应用表示会话传输网络数据链路物理应用传输网际层网络接口层应用传输网络数据链路物理五层网络模型五层协议的体系结构应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层

PDU主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层PDU再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机

1

向主机

2

发送数据应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体主机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机

2主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应用程序数据H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应用程序数据H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！1.7.4实体、协议、服务

和服务访问点实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。实体、协议、服务

和服务访问点（续）本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的服务用户是透明的。协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)。协议很复杂协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。著名的协议举例

【例1-1】占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战则可战胜白军。现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100%而不是99.999…%）取得胜利？

明日正午进攻，如何？同意收到“同意”收到：收到“同意”………………这样的协议无法实现！结论这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。没有一种协议能够蓝军能100%获胜。1.7.5TCP/IP的体系结构应用层运输层网际层网络接口层主机A主机B路由器网络

2网络

1应用层运输层网际层网络接口层网际层网络接口层4321路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。沙漏计时器形状的

TCP/IP协议族HTTPSMTPDNSRTPTCPUDPIP网际层网络接口层运输层应用层………网络接口

1网络接口

2网络接口

3EverythingoverIPIP

可为各式各样的应用程序提供服务IPoverEverythingIP

可应用到各式各样的网络上【例1-2】客户进程和服务器进程

使用

TCP/IP

协议进行通信数据链路层物理层运输层网络层数据链路层物理层运输层网络层①

客户发起连接建立请求②

服务器接受连接建立请求应用层应用层因特网客户服务器以后就逐级使用下层提供的服务(使用TCP和IP）功能较强的计算机

可同时运行多个服务器进程数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机3服务器1服务器2数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机1客户1数据链路层物理层运输层网络层应用层计算机2客户2因特网计算机网络（第6版）第2章物理层第2章物理层2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.3物理层下面的传输媒体2.4信道复用技术2.5数字传输系统2.6宽带接入技术2.1物理层的基本概念

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数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

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PC2.2.2有关信号的几个基本概念单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。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。基带(baseband)信号和

带通(bandpass)信号基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。基带调制、带通调制几种最基本的编码方法式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。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

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2.2.3信道的极限容量任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。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）接收信号波形信道能够通过的频率范围1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。(2)信噪比香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为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。

香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。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。若信道带宽

W

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。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。例如：当采用16元制调制方法时，一个码元可携带4bit的信息。一个标准电话话路的频带为300-3400HZ，即带宽为3100HZ，在这频带中接近于理想信道也就是靠中间的一段，其宽度约为2400HZ要使信息的传出速率C大于等于9600b/s，必须S/N>=15c>=2400*log2(1+15)c>=9600b/s请注意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。2.3物理层下面的传输媒体无线电微波红外线可见光紫外线X射线

射线双绞线同轴电缆卫星地面微波

调幅无线电

调频无线电

海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱2.3.1导引型传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆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COMPUTERNETWORKSFZR@CMU128双绞线之普通网线现在超五类双绞线(CAT5E)和六类双绞线(CAT6)是主流。

STP外面包有一层屏蔽用的金属膜，它的抗干扰性能好些。但它要求整个系统全部是屏蔽器件，包括电缆、插座、水晶头和配线架等，同时建筑物需要有良好的地线系统。在实际施工时，因很难全部完美接地，屏蔽层本身成为最大的干扰源，导致性能甚至远不如UTP。所以，除非有特殊需要，通常在综合布线系统中只采用UTP。COMPUTERNETWORKSFZR@CMU129同轴电缆有线电视视频线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2.3.2非导引型传输媒体无线传输所使用的频段很广。无线传输：无线电、微博、红外线以及可见光。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信

COMPUTERNETWORKSFZR@CMU134卫星通信将通信卫星作为一个微波中继站用途电视节目长途电话商业网络地球站地球同步卫星36000km端到端单程270ms往返540ms

无线局域网使用的ISM频段2683.5125频带MHzMHzMHz频率9029282.42.48355.7255.850MHzMHzGHzGHzGHzGHz

+()2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a)使用单独的信道(b)使用共享信道复用分用频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)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）。频率时间频带1频带2频带3

频带n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。时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAATDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧周期性出现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)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分复用就是光的频分复用。8

2.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器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11100100。S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2.5数字传输系统脉码调制PCM(PulseCodeModulation)。64Kb/s由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。PCM以采样定理为基础

E1的分时复用帧2.6宽带接入技术

2.6.1ADSL技术ADSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。ADSL技术就把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。DSL就是数字用户线(DigitalSubscriberLine)的缩写。DSL的几种类型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线DSL：ISDN用户线。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率）。ADSL的极限传输距离ADSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。例如，0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mb/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公里。如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里ADSL的特点上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。DMT技术DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。每个子信道占据4kHz带宽（严格讲是4.3125kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。DMT技术的频谱分布…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)~40~138~1100ADSL的数据率由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。通常下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s之间，而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线

电话分离器

区域宽带网至ISP居民家庭基于ADSL的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表远端Remote）电话分离器PS(POTSSplitter)

第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）

ADSL2+（G.992.5）通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2要求至少应支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz，下行速率可达16Mb/s（最大传输速率可达25Mb/s），而上行速率可达800kb/s。采用了无缝速率自适应技术

SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。2.6.2光纤同轴混合网

HFC(HybridFiberCoax)HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造，HFC的主要特点(1)HFC网的主干线路采用光纤HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fibernode)，即光分配结点ODN(OpticalDistributionNode)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。(2)HFC网采用结点体系结构同轴电缆光纤光纤结点头端高带宽光纤同轴电缆光纤(3)HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能下行信道上行信道565871000调频广播、模拟和数字电视、数据业务频率(MHz)(4)每个家庭要安装一个用户接口盒用户接口盒

UIB(UserInterfaceBox)要提供三种连接，即：使用同轴电缆连接到机顶盒(set-topbox)，然后再连接到用户的电视机。使用双绞线连接到用户的电话机。使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。电缆调制解调器(cablemodem)电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在3

10Mb/s之间，最高可达30Mb/s，而上行速率一般为0.2

2Mb/s，最高可达10Mb/s。电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。2.6.3FTTx技术FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可代表不同意思。例如：光纤到户

FTTH(FiberToTheHome)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。光纤到大楼

FTTB(FiberToTheBuilding)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。光纤到路边

FTTC(FiberToTheCurb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。头端1:NONUONUOLT光纤干线

光分路器光网络单元ONU★●

★●

●★●

★●

★头端1:NONUONUOLT光纤干线

ONU★●

●●★

★发往特定ONU的数据特定ONU发来的数据下行上行局端用户端光配线网(ODN)无源光配线网的组成计算机网络（第6版）第3章数据链路层第3章数据链路层3.1使用点对点信道的数据链路层3.2点对点协议PPP3.3使用广播信道的数据链路层3.4使用广播信道的以太网3.5扩展的以太网3.6高速以太网

数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发数据链路层的简单模型局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网主机

H1

向

H2

发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动数据链路层的简单模型(续）局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网主机

H1

向

H2

发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动3.1使用点对点信道的数据链路层

3.1.1数据链路和帧

链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(datalink)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

IP数据报1010……0110帧取出数据链路层网络层链路结点A结点B物理层数据链路层结点A结点B帧(a)(b)发送帧接收链路IP数据报1010……0110帧装入数据链路层传送的是帧数据链路层像个数字管道常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。结点结点帧帧3.1.2三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制1.封装成帧封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部

MTU数据链路层的帧长开始发送帧开始用控制字符进行帧定界的方法举例SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT2.透明传输SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前解决透明传输问题发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。字节填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符用字节填充法解决透明传输的问题SOH3.差错检测在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率

BER(BitErrorRate)。误码率与信噪比有很大的关系。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。循环冗余检验的原理在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。在发送端，先把数据划分为组。假定每组k个比特。假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M的后面再添加供差错检测用的n

位冗余码一起发送。冗余码的计算用二进制的模

2

运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数

P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n

位。冗余码的计算举例现在

k=6,M=101001。设

n=3,除数

P=1101，被除数是2nM=101001000。模2运算的结果是：商

Q=110101，

余数

R=001。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。

110101

←

Q

(商)P(除数)→

1101101001000

←

2nM(被除数)

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余数)，作为FCS

循环冗余检验的原理说明帧检验序列FCS在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列

FCS(FrameCheckSequence)。循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。CRC是一种常用的