计算机网络技术教案

计算机网络技术教案

任课教师：黄建雄

时一间：2015-2016学年上学期

使用教材：计算机网络技术吴旭

第一章计算机网络基本概念

教学目标：

计算机网络的形成与发展

计算机网络的定义与分类

计算机网络的组成和逻辑划分

计算机网络的拓朴结构

重点和难点（专业词汇）

计算机网络

通信子网与资源子网

LAN/WAN/MAN

网络拓朴结构总线型环型星型树型网状型

1.1计算机网络的定义

定义：将地理上位置不同且功能独立的多个计算机系统通过通信线路相互连在一起、由专门的

网络操作系统进行管理，以实现资源共享的系统。

功能独立的计算机系统（软、硬件）

通信线路（通信媒体、通信设备）

网络操作系统（单机OS功能+网络通信协议+网络资源管理+网络服务）

资源共享（硬件、软件，如程序、数据库、存储设备、打印机）

1.2计算机网络的形成与发展

-、计算机网络发展经历发四个阶段：

1.初级阶段

2.计算机网络阶段

3.标准或开放的计算机网络

4.高速、互连、智能化的计算机网络

1.2.1初级阶段

远程联机系统（20CEN,50-60年代）

Terminal

Terminal

aTerminal

远程联机系统的发展

典型：美国半自动地面防空系统SAGE

1.2.1计算机网络阶段

分布在不同地点的计算机通过通信线路互联成计算机-计算机的网络：ARPANET

资源子网与通信子网结构

ag

a

aa

3a

ga

S

1.2.2计算机网络通信

将应用与通信功能从逻辑上分离,应产生了通信子网与资源子网的概念

a

Host

g通信子网aJ

资源子网

~3

r3

3

网络逻辑划分：资源子网与通信子网

资源子网

提供用户访问网络和处理数据的能力。

包括加入网络的所有的计算机、终端外设及各种软件和数据资源

通信子网

提供网络的通信功能（数据的传输与转发）

1、网络接口功能：实现资源子网和通信子网的接口功能

2、存储/转发功能：对进入网络传输的数据信息提供转发功能

3、网络控制功能：为数据提供路径选择、流量控制等功能

包括通信处理机通信设备与通信线路

1.2.3开放的计算机网络

一、网络体系结构的标准化

IBM的SNA（系统网络结构）-1974

DEC的DNA（分布型网络的数字网络体系）-1975

ISO的OSIRM（开放系统互连参考模型）-1977/1983

IEEE的IEEE802标准-1980年,

二、网络的高速发展：

ETHERNET（以太网）

Internet

三、发展方向

高速：带宽的增加达到Gbps

互连：IntranetExtranetIntcmet/IntemetII

智能：服务（QoS）管理

1.3计算机网络的分类

一、计算机网络有多种分类标准，如按传输技术（广播、点对点）、通信介质（有线、无线）、

按数据交换方式（报文、分组、虚拟分组）、通信速率（宽带、窄带）和使用范围（私有、公有）

等。

最普遍的是按地理范围划分：

局域网（Localareanetworks，LANs）

广域网（Wideareanetworks,WANs）

城域网（Metropolitanareanetworks,MANs）

1、典型的局域网技术举例：

,Ethernet«Token-Ring,FDDI

LocalAreaiNotworlksandDevices

Ethernet

SwttctiSwitch

2、典型的广域网技术有：

Modems

ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork)

DSL(DigitalSubscriberLoop)•Framerelay

ATM(AsynchronousTransferMode)

T-CarrierSeries(Tl,T3,etc.)

SONET(SynchronousOpticalNetwork)

Wide-Ar—aZqtrwoand

1.4计算机网络的功能和应用

一、计算机网络的功能

1、资源共享：程序、打印机

2、快速传输信息:E-MAIL

3、数据信息的集中和综合处理：网络数据库应用系统

4、资源的可用性与可靠性：平衡负载、后备

5、任务的分布处理

二、计算机网络的应用

1、信息检索

2、现代化的通信方式

3、办公自动化

4、管理信息系统

5、电子商务

6,远程教育与E-Learning

7、远程医疗

8、生活娱乐

1.5计算机网络的组成与结构

见前面

重点反复强调

1.6计算机网络拓朴结构

一、数学中的图论

二、网络的拓朴结构：

将通信子网中的具体设备视为“点或线”采用拓朴学的方法抽象出的关于节点与链路的几何

构型

三、常见的网络拓朴结构

•总线型•星型•树型•环型•网状型

为什么要研究网络的拓朴结构

网络拓朴结构是决定网络性能的主要因素。

构造网络时，首先要选择采用何种网络拓朴结构来物理连接所有的节点与计算机。

1、线性总线

(Ethernet)

所有节点直接连到一条物理链路上，除此之外节点间不存在任何其他连接。

每一个节点可以收到来自其他任何节点所发送的信息

优点：简单、易于实现

缺点：可靠性和灵活性差、传输延时不确定

2、环型结构

(Token-Ring)

节点与链路构成了一个闭合环，每个节点只与相邻的两个节点相连。

每个节点必须将信息转发给下一个相邻的节点。

优点：简单、易于实现，传输延时确定。

缺点：维护与管理复杂

双环

(FDDI)

两个非相连的独立同心环

主环+备用环(同一时刻只有一个环在使用)

优点：在单环之上增加了高度的可靠性。

缺点：维护与管理复杂，投资大

3、星型(Ethernet)

网络由各节点以中央节点为中心相连接，各节点与中央节点以点对点方式连接。

节点之间的数据通信要通过中央节点

优点：结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。

缺点：中心节点成为全网可靠性的关键

4、扩展星型

(campus-bascd)

星型结构的重复(中央星型拓朴上的节点是另一个星型拓朴的中心节点).

减少了链路与设备的投资

优点：在星型的优点之外，更富于层次，从而可隔离某些网络流量

5、层次结构(LAN/WAN)又称树型结构

数据流具有明显的层次性

6、网状结构(广域网)

又称无规则型。结点间的连接是任意的，不存在规律。是目前

数据的传输有赖于所采用的网络设备

优点：多条链路提供了冗余连接

缺点：结构复杂

7、完全网状结构

每一个节点均与其他每一个节点直接相连。

数据的传输有赖于所采用的网络设备

优点：多条链路提供了冗余连接

缺点：链路随着节点数目的增加呈指数增长。

Homework

复习本章内容pl71,2,3,4.3,4.4

预习下一章(计算机网络的体系结构)

为什么要分层？

体系结构中的相关术语和概念

OSI的各层及功能

TCP/IP及其与OSI的比较

第二章计算机网络体系结构

教学目标

计算机网络体系结构的概念

ISO/OSIModel

TCP/IP

ISO/OSIModel和TCP/IP的比较

重点与难点

计算机网络体系结构（层，服务，接口，协议）

ISO/OSI模型（物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层）

数据封装（APDU,PPDU,SPDU,分段，分组或包，帧，比特）

2.1计算机网络体系结构概述

一、网络通信的一般模型

计算机网络所采用的一般模型为层次模型.

LayerLayer

N-1N-1

二、为什么要分层？

以文件传输为例说明网络传输的复杂性

•线路质量问题

•寻址问题

•选路问题

•传输中错误问题

•拥塞问题

•速度匹配问题

•文件系统不同问题

•多用户问题

分层的目的是为了降低复杂性，提高灵活性--“分而治之，各个击破”

以邮件传递为例说明分层的好处：

YouYourfriend

PostofficeAPostrule

PostofficeB

Airportrule

WuhanAirportBeijingAirport

三、分层的原则

•分层是根据功能的抽象分层

•每个层次所要实现的功能或服务均有明确的规定

•不同的系统分成相同的层次，对等层次具有相同功能。

•每层功能的选择应有利于标准化

•高层使用下层提供的服务时，下层服务的实现是不可见的

•层次的数目要适当（太少功能不明确，太多体系结构过于庞大）

与层次模型相关的若干术语

1、源和目标

源：通信过程中，数据的发送方

目标：通信过程中，数据的接收方

2、实体与对等实体

Entity（实体）：每•层上的活动元素，包括实现该层功能的所有硬件与软件

Peer-peerentity（对等实体）：相互通信的两个不同机器上的同一层次

4、服务与接口

Service（服务）：每一层为上一层所提供的功能称为服务。N层使用N-1层所提供的服务，

向N+1层提供更高的服务。

Interface（接口）：定义下层向其相邻的上层提供的服务及原语操作，但服务的实现细节对

上层是透明的（不可见的）。

5、协议与协议数据单元

•协议（Protocols）和N层协议

•协议可以使通信更有效地进行。

•从源到目标还会出现数据传送的混乱

定义：为网络通信所制定的一组规则、约定和标准。

网络通信是一种层到层的对等通信，第N层上的通信规则或约定称为N层协议

6、协议的三大要素

语法：定义数据和控制信息的格式

语义：规定协议语法成分的含义

时序：协议语法成分的顺序和速度匹配关系

关于协议要素的比喻

例1：信封的格式由语法来定义，而格式的含义由语义来规定。

例2：老师讲课:

语法：中文语法规则

语意：有意义的中文，含有一定的信息量，言之有物

时序：老师先讲，同学提问

7、数据单元（PDU）

•按每层协议所采用的数据格式，被对等实体用于执行其相同的协议

•网络中所传送的数据的逻辑组成单元

•从高层到下层，存在数据的封装过程

•从下层到高层，存在数据的拆封过程

四、计算机网络的体系结构

1、定义：网络功能分层结构与各层协议的统称。

不同的网络体系结构中分层的数量、各层的名称、内容与功能会有所不同。

网络体系结构的例子：

IBM的SNA（系统网络结构）-1974

DEC的DNA（分布型网络的数字网络体系）-1975

2、网络体系结构的标准化

•Early1980's---Mid1980's

•计算机网络规模与数量的急剧增长

•许多不同规格与实现的网络产品之间难以进行互操作

•专用系统的严重阻碍了计算机网络的发展

3、专用技术与开放技术的对比

专用(Proprietary)：个别厂商开发、拥有并控制一个公司或一个公司集团掌握了整个技术

开放(Open):技术的免费使用是对公众开放的，不同厂商的网络产品可以互相兼容，进行互

操作.

五、ISO的计算机网络体系结构模型

1、通过对当时已有的计算机网络体系结构进行研究，借鉴其精华之处，于1984年公布了一个

标准(文件ISO7048)。

2、OSIRM(OpenSystemInterconnectingReferenceMode)1

一个概念模型，并未确切描述用于各层的协议和服务，所以并不是严格意义上的体系结构

目前在计算机网络通信中的主流模型

3、OSI模型的意义

WhyaLayeredNetworkModel?

7

-Application

6•Reducescomplexity

-Presentation•Standardizesinterfaces

5•Facilitatesmodularengineering

-Session

•Ensuresinteroperabletechnology

4

Transport•Acceleratesevolution

3•Simplifiesteachingandlearning

Network

2

-DataLink

1

Physical

©CiscoSystefns.tnc.1999

Interoperable能共同操作的(0)能共同使用的

Facilitate促进

通信子网

因E

__«Application

Application,ApplicationAPDU

PresentationRepresentation-protocol_____resentationPPDU

Session--protocoL___

SessionSessionSPDU

_Jransport

TransportTransportSegmen

NetworkNetworkNetwork(NetworkNetwork

DataLinkDataLinkDataLinkDataLink|DataLinkFram

[Physical|1■

PhysicalPhysicalPhysicalBits

4、OSI中的数据传输

数据流从源的匕层逐层流向下层，在目的端则由下层逐层流向上层

源-数据封装：

APDU->PPDU->SPDU->Segments->Packet->Frame->Bits

目的-数据的拆封：

Bits->frame->Packet->Segment->SPDU->PPDU->APDU

数据封装的例子

DataEncapsulationExample

⑥Cr«ct>SyMams.tnc.T999

5、OSI模型各层的名称和功能

Layer7:应用层

Layer6:表示层

Layer5:会话层

Layer4:传输层

Layer3:网络层

Layer2:数据链路层

Layer1:物理层

1、物理层的功能

负责实际或原始的数据“位（BIT）”传送，通过传输介质将比特流由一个节点传向另一

个节点。

节点通常分为DTE与DCE两大类。DTE为用户端接设备，DCE为数据控制设备。

该层协议的功能是定义网络物理设备DTE/DCE的接口。物理层协议具有四个特性：

机械特性：设备接插件的规格、尺寸、引脚数量和排列等

电气特性：信号电平的高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制等

功能特性：物理接口上各信号线的功能

规程特性：利用各信号线传输二进制位流的一组操作规程，即各信号线工作的规则和先后

顺序。如何建立与拆除物理连接、全双工或半双工、同步还是异步传输。

2、数据链路层的功能

•实现两个相邻的机器间的无差错的传输。通过对物理层提供的原始比特流传输服务的

加强，向网络层提供服务

•成帧：规定数据链路层最小的数据传送逻辑单位——帧的类型和格式。将从网络层接

收的信息分组组成帧后传送给物理层，由物理层传送到对方的数据链路层。

•物理寻址和对网络拓朴的存取

•差错控制：在信息帧中带有校验字段，当接收方收到帧时，按照选定的差错控制方法

进行校验，在发现差错时进行差错处理。

•流量控制：协调发送方与接收方的数据流量，使发送速率不要超过接收方速率。

•共享介质环境中的介质访问控制

•链路管理：建立、维持与释放数据链路。

3、网络层的功能

•涉及将源端发出的数据（分组）经各种途径送到目的端，从源端到H的端可能要经过

许多的中间节点一互连和路径选择（源网络-目标网络）

•通信子网的最高层，但是处理端到端（主机一主机）数据传输的最低层。

•信息分组的类型和格式

•逻辑寻址

•路由和转发

•拥塞控制

4、传输层的功能

•为高层数据传输建立、维护与拆除传输连接，实现透明的端到端的传输（主机-主机）

•真正意义上的从源到目标的“端到端”层，源端的某程序与源端的“类似”程序进行

对等通信

•屏蔽了上三层（面向应用）和下三层（面向数据传输）之间的界限，弥补网络所提供

的服务质量的不足，提供可靠的网络服务

•信息的分段（源端）和合并（目标端）

•流量控制和差错恢复

•多路复用

5、会话层的功能

•建立、管理和终结不同机器上的应用程序或进程间的会话

•为表示层提供服务

•会话（Dialogue）的管理：令牌（Token）

•会话的同步检查点（Checkpoint）

6、表示层的功能

•表示层以卜.各层只关心可靠的数据传输，而表示层关心的是所传送数据的语法和语义。

完成语法格式的转换

•不同的计算机可能有不同的内部数据表示（抽象语法），表示层收到应用层传过来的某

种语法形式的数据后，将其转换成适合在网络实体间传送的公共语法（传送语法）表

示的数据。包括数据表示格式和转换、数据压缩、加密与解密、协议转换等

•与接收方协商所采用的公共语法类型

•表示层对等实体间连接的建立、数据传送与连接释放。

7、应用层的功能

•OSI的最高层，也是离用户最近的层，是计算机网络与用户之间的界面

•由若干的应用进程或程序组成。网络通过应用层为用户提供多种网络服务。

•常见应用层服务：

目录服务

电子邮件

文件传输

虚拟终端

前面我们说的通信子网指的就是1、2、3层。

2.3TCP/IP模型

一、TCP/IP与Internet

20世纪70年代中期：ARPA实现异种网互连，TCP/IP出现

1980年前后：ARPA将ARPA上的所有机器转向该协议，并资助开发用于UNIX的TCP/IP协

议

1985年：NFS涉及TCP/IP协议的研究与开发，其所资助的所有网络机构均采用该协议

NOW：若干协议组成的完整的协议簇/一个网络协议体系。

二、异种网络互连的唯一协议体系，适用于不同机型（从PC到巨型机）、不同类型的网络（从

局域网到广域网）。

TheTCP/IPModel

<§)Ci»cotnc.t

2.3.2TCP/IP模型中的各层主要协议

FTPtelnetHTTPSMTSNMPDNS其

TCPUDP

IP

ARP/RARPICMP

EthernetTokenRinsFDDIATM其他

1、主要协议的名称

FTP:filetransportprotocol

DNS:domainnameservice

HTTP:hypertexttransferprotocol

SMTP:simplemailtransportprotocol

TFTP:trivialfiletransportprotocol

TCP：transportcontrolprotocol

UDP:userdatagramprotocol

IP：internetprotocol

2、关于TCP/IP的说明

•TCP/IP是OSI模型之前的产物，所以两者间不存在严格的对应关系。

•不存在与OSI中的物理层与数据链路层相对应的部分。因为TCP/IP用于异构网络的互连,

支持各种网络拓朴结构，所以在该两层无限定。

•最主要的协议是TCP协议与1P协议。两者可联合使用，也可单独与其他协议配合使用。

3、两种模型的对比：

OSIModelTCP/IPModel

ApplicationApplication

Presentation

Session

TransportTransport

NetworkInternet

DatalinkNetwork

OSI与TCP/IP的比较

A、类似之处

•均为层次结构

•存在可比的传输层和网络层

•均有应用层，但其所提供的服务有所不同

•均是一种基于协议数据单元的包交换网络

•作为概念上的模型和事实上的标准，具有同等的重要性

B、不同之处

•TCP/IP将OSI中的上三层合并成了•个应用层

•TCP/IP将OSI中的下地层合并成了一个网络存取层

•TCP/IP由于层次更少显得比OSI更简洁

•TCP/IP作为从INTERNET上发展起来的协议，已成了网络互连的事实标准，但目前还没

有按OSI实现的网络产品。

•OSI仅作为理论的参考模型被广泛使用.

Homework

复习本章内容

在常规的复习总结之外，分析考虑如下问题：OSI模型或TCP/IP模型如何与你所知道的

INTERNET上的数据传输联系起来？举例说明。

预习下一章的部分内容（数据通信基础）

有哪些相关的术语？

数据通信要解决什么问题？

有哪些数据编码方式？

第三章物理层

教学目标

数据通信的基础知识

传输介质

物理层的网络互连设备

物理接口

重点和难点

信息/数据/信号

模拟通信和数字通信信道，介质，）

基带传输/数字数据编码（NRZ,曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码）

频带传输/模拟数据编码（调制，解调，幅移键控，频移键控，相移键控）

信道带宽/数据传输速率

单工通信、半双工通信、全双工通信

串行通信/并行通信

3.1数据通信基础

一、基本概念

1、信息、数据和信号

•信息：不同形式表达的知识，通信的目的是交换信息

•数据：信息的载体，可以是数字、文字、声音、图形与图象等形式。在计算机中，以二进

制代码表示。同学们所熟悉的数据编码系统有EBCDIC和ASCII码

•信号：数据在传输过程中的电磁波表示形式

•三者关系：数据是信息的载体，信息涉及数据的内容和解释，信号则是数据在传输过程中

的电磁波表示形式

在计算机网络系统中，计算机系统关心的是信息所采用的编码体制（如用ASCII还是EBDIC

来表达字母和数字，采用GIF或BMP表达图像等）或数据形式；而数据通信系统则关注如何

将表示数据的二进制比特序列转换成适合于通信系统传送的信号，包括数据如何用电信号表示

以及如何传输信号。

例子:

信息：NETWORK

数据：（用ASCII码表示）

1001110100010110101001010111100111110100101001011

信号：

用脉冲信号表示的方波图

2、模拟信号和数字信号

•模拟信号：连续变化一是关于时间的连续函数

ACQQSignals

A—An>F>lrtc«c*eU・e，o・i<or

CuvWitvaMBaaw\ZC>N^»Q«>tufsr«">\z・，>

Cv»ri*>arvenrayxzz»K«e1-Merkocl(tarraetoco«Ti|Me*e

・"NA^Mzy"xz«»ltcu«9M-M<••«»•»<>CMMMMWW1w«v\/<*<ry<:!«»>

Ma・vV'on|>o-ssit>leF-f-re<i<»eri<Tv<cvctes|»er

TIM>rrx>9CtMASUI:^M.A.OU

Morecorvw>9xawalOQsiQrwal

•数字信号：离散的脉冲信号，关于时间的非连续函数

DigitalSignals

•Notcontinuous(discrete)pulses

•Canonlyhaveoneoftwovoltagelevels

•Voltagejumpsbetweenlevels

♦M-adeupofm^riyparticularsinewaves

A-Amplitude(tieigtitofputses>

T=Period

F=Frequency(pulsespersecond)=

<©CiscoSystems,tnc，999

3、通信系统

发送信号信道带宽接收信号

•介质与信道

1.传输介质：泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，特指用来连接各个通

信处理设备的物理介质。包括无线与有线两大类。

2.通信信道：传送信号的一条通道，其建立在传输介质之上，但包括了传输介质和通信

设备。同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过。

•信道的类型

1.模拟信道与数字信道

按相应的数据在传输过程中采用的信号方式划分。

2.信道与无线信道

按信道所基于实现的传输介质划分。

•数字通信系统

发送数字信号信道带宽接收数字信号

•模拟通信系统

计算机—►D/A转换—►模拟信道—AA/D转换—►计算机

发送模拟信号信道带宽接收模拟信号

问题一：

•数据如何用电信号表示？

•基带传输与数字数据编码

•频带传输与模拟数据编码

VocabularyandTerm

•模拟通信和数字通信（信道、介质）

•基带传输/数字数据编码（NRZ,曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码）

•频带传输/模拟数据编码(调制，解调，幅移键控，频移键控，相移键控)

3.2基带传输

•基带信号：矩形脉冲信号是二进制比特的典型表达方式，按傅利叶分析，其由直流、低频、

高频的多个成分组成。在其频谱中，从零开始的能量集中的一段频率范围称为基本频带，

简称基带。基频等于脉冲信号的固有频率。与基带对应的数字信号称为基带信号。

•基带传输：在数字信道上直接传送数据的基带信号

•特点：

1.抗噪声能力强，成本低，传输速率高

2.信号衰减严重，只能利用有线介质近距离传输

3.基带信号频带宽，传输时要占用整个传输介质的带宽

一、数字数据编码

数字数据编码的任务是如何将二进制比特转换成适合在数字信道上传送的数字信号：

•不归零(NRZ,Non-RctumtoZero)编码

•Manchester编码

•差分Manchester编码

A、NRZ编码：

规则：以高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”。

特点：由于不能判断位的开始与结束，收发双方不能保持同步，需要用另个信道同时传

送同步信号。

B、Manchester编码

规则：将每比特周期T分为前T/2和后T/2；前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特

的原码。

特点：任何两次电平跳变的时间间隔是T/2或T,提取电平跳变信号可作为收发双方的同

步信号，不需要另外的同步信号。即“自含时钟编码”。

C、差分Manchester编码

规则：对Manchester编码的改进，保留每比特中间的跳变作同步之用：每比特的值则根据其

开始处是否出现电平的跳变来决定，有跳变者为“0”，无跳变者为二进制“1”

特点：电路复杂，抗干扰能力强。

示例:见P36图3-4

二、目前常用的数字编码

ManchesterandNRZ编码在基于铜缆的网络中较为普遍arepopularoncopper-based

networks.

Manchesterand4B/5B,甚至8B/10B编码则在基于光纤的网络中被广泛使用

3.3频带传输

•频带传输：由于基带传输的近距离限制，在远距离传输中通常采用模拟信道。利用模拟信

道，传输二进制数据的方法称为频带传输。

•关键技术问题：如何将计算机中的数字信号转化为适合模拟信道传输的模拟信号。

•解决方案

将要传送的数字数据“寄载”在载波上，利用数字数据对载波的某些特性(振幅、频率、

相位)进行控制，使载波特性发生了变化，然后将变化了的载波送往线路进行传输

•调制与解调

1.调制：在数据发送端，将数字数据寄载在载波上的过程称为调制(modulation)

2.解调：在接收端，当携带数据信号的载波到达时，将数字信号从中分离出来的过程称

为解调(demodulation)。

•三种基本调制方法

根据调制过程中所采用的载波的特性不同，分为三种基本调制方法：y=Asin((ot+(p)

1.幅移键控(ASK,Amplitude-ShiftKeying)：通过载波信号的振幅变化来表示二进制信

号“0”与

2.幅移键控(FSK,,Frequency-ShiftKeying)：改变载波信号的频率来表示二进制信号"0"

与“1”

3.相移键控(PSK,Phase-ShiftKeying)：通过改变载波信号的相位值表示二进制信号“0”

和“12按照使用相位的绝对值或相位的相对偏移两大表示分为绝对调相和相对调相：

按对一个完整周期的相位的划分方式分为二相制、四相制、八相制等。

•三种调制方式的比较

1.幅移键控：技术简单，抗干扰能力差

2.频移键控：技术简单，抗干扰能力强

3.相移键控：技术较复杂，抗干扰能力强，编码效率高

4.目前在网络中广为使用的调制方式为三种基本方式的变种。

问题2：信号如何传输？

1、对信道的要求

2、串行通信与并行通信

3、单工通信、半双工通信、全双工通信

4、多路复用技术

5、异步通信与同步通信

VocabularyandTerm

♦信道带宽/数据传输速率

♦单工通信、半双工通信、全双工通信

♦串行通信/并行通信

♦频分多路复用/时分多路复用/波分多路复用

♦同步传输和异步传输

数据通信的理论基础一Fourier分析

任何正常的周期函数，都可以由无限个正弦和余弦函数合成，这些函数为基频的n次谐波

(n=l,2,…8)

FourierSyrrttieslsofaSquareWave

1、信号传送与信道带宽

•信道带宽：信道中信号的频谱范围

•信道带宽与信号传送：信道的带宽至少要能保证基频信号(基次谐波)的通过；而且信道

带宽越宽，信道中所能通过的高次谐波的次数就越高，从而在接收端信号还原后的失真就

越小。

2、信道带宽与数据传输速率

•数据传输速率：数据传输中线路上每秒内传输的二进制数据位数，其单位为bps(bitper

second)

•由脉冲信号的Fourier分析可知：脉冲越窄，数据传输速率越高，但为了使信号不失真通过

通信信道所需要的信道带宽越高。

•信道带宽与数据传输速率：限制信道的带宽，就是限制数据传输速率；提高信道的带宽，

就是提高数据传输速率。

3、两个定理

•Nyquist定理Nyquist定理给出了有限带宽的无噪声信道的最大数据传输速率：

最大数据传输速率=2Hlog2V(b/s)

其中，H为信道带宽，V表示被传信号的电平级数。

例如：一个无噪声的带宽为3KHz的信道若用于传送二进制数(V=2),则最大数据传输速率

不可能高于6000bps.

•Shannon定理给出了有限带宽的噪声信道的最大数据传输速率：

最大数据传输速率=Hlog2(l+S/N)

其中，H为信道带宽，S/N为信道的信噪比。

例如：一个信噪比为30db、带宽为3KHz的信道若用于传送数据，则不管使用多少级的信号电

平，其最大数据传输速率绝不可能高于30001og2(l+1000)bps.(分贝数=10xbgi0(S/N)

4、通信方式

•单工通信：数据传送只能在一个固定的方向上进行，任何时候都不能改变方向。

例子：广播、电视

•半双工通信：信号可以双向进行，但不可同时进行，一个时间只能有一个方向的传送

例子：对讲机、计算机一终端

•双工通信：信号可以同时进行双向发送

例子：计算机一计算机

•串行通信：数据流以串行方式在一条信道上传输。存在字符同步问题

例子：电话线路传送数据信号

•并行通信：数据以成组方式在多个并行信道上同时传输。在并行传输中，一次传送一个字

符，所以不存在字符同步问题。

例子：计算机中的总线

•串行通信与并行通信的比较

1.在相同的发送时钟下，并行通信的数据传输速率将大于串行通信。

2.并行通信需要多个并行信道，实现昂贵。

3.并行通信方式适合于近距离通信(如计算机中)而在远程通信中一般采用串行通信方式

♦串/并与并/串转换

当计算机通过串行信道相互通信时，在发送方要进行并/串转换，而在接收端要进行串/并转换

并行传输串行传输并行传输

5、多路复用技术

•多路复用：在•条物理线路上建立多条通信信道的技术

•意义：多路复用使得在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号。可充分利用通信

线路的传输容量，提高传输介质的利用率

•常用多路复用技术：

频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing)

时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)

波分多路复用(Wave-lengthDivisionMultiplexing)

•多路复用系统的结构

s多多

路路

复高速通信线路复♦

用用口

A、频分多路复用(FDM)

•工作原理：将一个具有较大带宽的线路划分为若干个具有较小带宽的信道，各条信道的中

心频率互不重合，相互间留出一个适当的频率范围作保护频带用以减少干扰。然后将多路

信号分别调制到各个信道中，在线路上同时进行传输

•用途：主要用于传送模拟信号。频带传输因此也被称为宽带传输。

•例如：在公用电话网络上，12条语音信道复用在60-108KHZ或12-60KHZ的频带上。

示例:见书P46图3.16

B、忖分多路复用(TDM)

•工作原理：将一条信道的工作时间划分为若干个时间片(timeslot),每个时间片供一路信

号传输信号用，多路信号按时间片轮流使用通信线路的全部带宽。

•用途：既可用于传输数字信号，也可用于传输模拟信号。

举例：T1载波(Carrier)或E1载波(Carrier)。示例：见书P47图3.17

时分多路复用示例一T1

•由Bell公司制订

•利用TDM和PCM技术提供24路语音信号在一条通信线路上的复用标准。

•每路语音信号首先要经脉冲编码调制(PCM)进行数字化。PCM的编码解码器每秒采样

8000次，即采样一次的时间为125Ps

•然后24路信号用TDM技术组成1帧信号，即每个语音信道依次在其使用的时间片内插入

8比特(7位数据，I位控制)。帧由1位帧标识位来标识

•PCM的编码解码器每秒采样8000次，相当于T1我波每秒发送8000帧或每125口s产生一

个193(8*24+1)比特的帧

•每信道的数据传输速率：8000*7=56Kbps

•T1的总数据传输速率可以达到:24*8000*7=1.544Mbps

193位帧（125MS）

**—信道1—A<—信道2—A<—信道3—A<一信道4—►＜一信道24f

IIIIIIIIILIU

第1位为第8位为

每信道每样本

帧标识码信号位

7个数据位

B1、脉冲编码调制(PCM)

•PCM(PulsecodeModulation)：将模拟信号转换成数字信号的一种基本方法

•典型应用：语音数字化

•工作原理：采样一量化一编码(三部曲)

语音数字化的示例

模拟信源

模拟信号数字信号模拟信号

•PCM的采样

模拟信号数字化的第一步

按一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出来作为样本，让其表示原始信号。

采样定理：若以至少两倍于最高有效信号频率的速率对模拟信号进行采样，则其样本包含足以

重构原模拟信号的所有信息。（fsN2fo）

•PCM的量化

模拟信号数字化的第二步-将采样样本按量化级进行离散化的过程。

通过将采样所得样本与预先规定的量化级进行比较，进行取整定级。

量化级的多少取决于量化的精度。级数越高，量化精度越高，但所需的编码位数相应越多。

•PCM的编码

模拟信号数字化的第三步。

用相应位数的二进制代码表示采样样本的量化级。

量化级数越多，所需的编码位数相应志越多。

e.g.：8级一3位，16级一4位T1（128级）一7位

C、统计时分多路复用（STDM）

•工作原理：将普通时分复用中时间片的固定分配方式为动态分配方式，即若规定时间片内

相应的信道无信号发送或信号提前发送完毕，则后续的信道可提前使用自己的时间片。

•用途：解决带宽的浪费问题，提高信道带宽的利用率

•举例：ATM（异步传输模式）

D、波分多路复用

•光纤上进行信道复用的技术

•一根光纤的带宽可达25000GHZ,而通常•路光信号的带宽只有儿GHZ

•频分多路复用技术的变种

•不同频率或波长的光在经过相同的光折射介质后，其光路将会不同一折射率与光的频率或

波长有关

示例见书P48图3.19

6、同步技术

•同步：接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时刻和重复频率来接收数据，通信双方

在时间基准上保持一致。

•同步过程：在通信过程中，接收端按照发送端所发送的每个码元的起止时刻和重复频率来

校正自己的时间基准和重复频率的过程，

•常用的同步方法：位同步、字符同步

A、位同步：使接收端接收的每一位都和发送端发送端发送的每一位保持准确的同步。

位同步的类型：

外同步：根据发送端所在发送的同步时钟作为接收端同步标准的方法。如NRZ编码所采用

的方法。

内同步：从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。如Manchester编码和差分

Manchester编码。

B、字符同步：以字符或字符组为单位所采用的同步技术。

类型：

起止式或异步式

同步式

7、异步传输

•每个字符作为一个独立的整体进行传送，字符之间的时间间隔是任意的。

为了进行字符的同步，在每个字符的第一位前加1位起始位，在其最后一位加1、1.5或2位的

终止位。

8、同步传输

•将字符以成组的形式连续传送，取消了每个字的同步位，而在每组字符前（和后）加上同

步标志。根据该标志来实现比特同步利确定字符的起始。

类型：

1.面向字符的同步（标志采用同步字符）

2.面向位的同步（标志采用同步位串）

9、同步传输和异步传输的比较

A、异步传输：

开销大，效率低；控制简单，若传输有错，只需重传出错的字符。

B、同步传输

开销小，传输效率大；当所传输的数据块中出现与同步字符或同步标志位相同比特序

列时，需提供解决方案（如转义字符，位填充技术）；一次传输出错，需重传整个数据

块。适用于高速传输。

三、传输介质

•传输介质：泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，主要指用来连接各个通信

处理设备的物理介质。

•类型：有线介质和无线介质

•性能指标：物理特性、传输特性、地理范围、抗干扰性、价格（包括安装与维护费用）

1、无屏蔽双绞线（UTPUnshieldedTwistedPair）

•由四对直径为22或的铜缆组成。每两条线互绞成一对。

•阻抗：100ohms.

•外径:.43cm

•信号的最大传输距离：100M

•传输速率：10M-1000Mbps

•易于安装，价格低廉

•基于铜介质提供了最快的数据传输速率。

•信号衰减大，抗干扰和噪声差。

问题：双绞线为什么要绞在一起

2、屏蔽双绞线（STP）

•与无扉蔽双绞线有较多的相同点。

•阻抗：150Ohm

•集成了屏蔽与抵消技术，抗干扰性强。

•价格较无屏蔽双绞线高，安装也较无屏蔽双绞线复杂。

3、同轴电缆

•按传输特性分为两大类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆

•阻抗：基带同轴电缆50Ohm/宽带同轴电缆75Ohm

•基带同轴电缆又分为粗缆和细缆：粗缆传输距离：500m/细缆传输距离：185m

•具有较高的噪声抑制特性，抗干扰能力强。

•价格居中，安装难度居中。

•目前已不再推荐使用

4、光纤

•基于光的全反射原理制造的光传输介质。在折射率较高的光传输层之外加上折射率较

低的包裹层。

•直径：Um数量级

•不受外界电磁波和噪声的干扰，传输质量高；

•安全性与保密性好

•数据传输速率高达Gbps数量级

•类型：单模（注入式激光二极管ILED/3km）与多模光纤（发光二极管/2km）

5、无线传输

•无线传输的信号可以是电磁波的任意形式：无线电波，微波，红外线等

•不存在有形的物理介质

•常见形式：无线通信微波通信红外通信

•用途：

移动通信

无线局域网（WLANs）theIEEE802.11standards.

6、传输介质的选择

•传输介质的选择要考虑多种技术和非技术的因素：

•网络技术（拓朴结构/连接方式）

•网络的通信流量（传输容量）

•可靠性和安全性

•地理和环境因素（介质形式和传输距离）

•价格（建设与维护成本）

四、信号在介质中传输存在的问题

•信号在介质中传输会不可避免地存在噪声。

•噪声与信号的叠加会引起数据传输的错误

•信道中噪声的大小由信噪比S/N来度量，提高介质性能的一个主要目标是提高其信噪比。

•噪声的类型

1.热噪声：介质中的电子热运动引起，时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱

较宽。具有随机性。

2.冲击噪声：外界电磁干扰引起，幅度较大，呈突发性。

3.近端串扰：可通过绞线或良好的端接来解决

4.接地噪声：非良好接地引发的交流噪声。

5.信号反射：