《计算机网络 》课件第1章

第1章计算机网络概论1.1引言1.2传输介质1.3拓扑结构1.4数据传输技术1.5数据交换技术1.6网络体系结构与标准化1.1引

言

对于用户来说，计算机网络提供的是一种透明的传输机构，用户在访问网络共享资源时，可不必考虑这些资源所在的物理位置。为此，计算机网络通常是以网络服务的形式来提供网络功能和透明性访问的。主要的网络服务有：

(1)文件服务。它为用户提供各种文件的存储、访问及传输等功能。对于不同的文件，可以设置不同的访问权限，以维护网络的安全性。这是一项最重要的网络服务。

(2)打印服务。它为用户提供网络打印机的共享打印功能，使得网络用户能够共享由网络管理的打印机。例如，每个网络用户都需要使用激光打印机输出高质量的文档，但由于价格原因，不可能也不必每一台计算机都配备激光打印机，因此可以把一台激光打印机作为网络打印机，使每个用户都能共享这台激光打印机，执行打印输出任务。

(3)电子邮件服务。它为用户提供电子邮件(E-mail)的转发和投递功能。电子邮件是一种无纸化的电子信件，具有传递快捷、准确等优点，已成为一种现代化的个人通信手段。

(4)信息发布服务。它为用户提供公众信息的发布和检索功能。例如，时事新闻、天气预报、股票行情、企业产品宣传以及导游、导购等公众信息的发布与远程检索。网络服务还有很多种，如电视会议、电子报刊、新闻论坛、实时对话、布告栏等，并且新的网络服务还在不断地被开发出来，以满足人们对网络服务的不同需求。

一个计算机网络系统主要由以下几个部分组成：

(1)网络通信系统。它提供节点间的数据通信功能，这涉及到传输介质、拓扑结构以及网络访问控制等一系列核心技术，决定着网络的性能，是网络系统的核心和基础。

(2)网络操作系统。它对网络资源进行有效管理，提供基本的网络服务、网络操作界面、网络安全性和可靠性措施等，是实现用户透明性访问网络必不可少的人-机(网络)接口。

(3)网络应用系统。它是根据应用要求而开发的基于网络环境的应用系统。例如，在机关、学校、企业、商业、宾馆、银行等各行各业中所开发的办公自动化系统、生产自动化系统、企业管理信息系统、决策支持系统、医疗管理服务系统、电子银行服务系统、辅助教学系统、电子商务系统等。计算机网络按各个节点分布的地理范围分类，可分成局域网(LocalAreaNetwork，LAN)和广域网(WideAreaNetwork，WAN)，两者的主要差别在于通信距离和传输速率。

局域网的通信距离一般在几公里之内，传输速率为10Mb/s～1Gb/s，主要用来构造一个单位的内部网，例如学校的校园网、企业的企业网等。它们属于该单位所有，单位拥有自主管理权，并且以资源共享服务和网络接入服务为主要应用目的。广域网的通信距离可达几十公里、几百公里，甚至遍及世界，过去传输速率比较低，一般为64kb/s～2Mb/s，而现在以光纤为传输介质的新型高速广域网可以提供高达2.5～10Gb/s的传输速率。广域网主要是指公用数据通信网，一般由国家委托电信部门建造、管理和经营，以数据通信为主要应用目的。

1.2传

输

介

质

1.2.1有线介质

1．双绞线双绞线(TwistedPairLine)是一种最常用的传输介质，由呈螺线排列的两根绝缘导线组成，两根导线相互扭绞在一起，可使线对之间的电磁干扰减至最小。一根双绞线电缆由多个绞在一起的线对(如8条线组成4个线对)组成。

双绞线比较适合于短距离的信号传输，既可用于传输模拟信号，也可用于传输数字信号，信号传输速率取决于双绞线的芯线材料、传输距离、驱动器与接收器能力等诸多因素。通过适当的屏蔽和扭曲长度处理后，可提高双绞线的抗干扰性能，传输信号波长远大于扭曲长度时，其抗干扰性最好。因此，当传输低频信号时，抗干扰能力很强，传输距离较远；当传输高频信号时，抗干扰能力下降，传输距离变短。通常，一个网络系统的物理层规范规定了它所采用的传输介质、介质长度以及传输速率等。

双绞线有多种类型，不同类型的双绞线所提供的带宽各不相同。例如，在局域网中所使用的双绞线有无屏蔽双绞线(UnshieldedTwistedPair，UTP)和屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair，STP)两类。每一类中又分为若干等级，比如UTP分为3类UTP、4类UTP和5类UTP，它们的传输带宽分别为16MHz、20MHz和100MHz。因此，在基于双绞线的100Mb/s高速网络中，通常使用5类UTP或STP作为其传输介质。

2．同轴电缆同轴电缆(CoaxialCable)是局域网中应用较为广泛的一种传输介质。它由内、外两个导体组成，内导体是单股或多股线，呈圆柱形的外导体通常由编织线组成并围裹着内导体，内、外导体之间使用等间距的固体绝缘材料来分隔，外导体用塑料外罩保护起来。在网络系统中，主要使用两种同轴电缆：一种是50Ω电缆，它主要用于基带信号传输，其传输带宽为1～20Mb/s，如10Mb/sEthernet采用的就是50Ω同轴电缆；另一种是75Ω公用天线电视(CATV)电缆，它既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号。CATV电缆的传输频带比较宽，高达300～400MHz，可用于宽带信号的传输。在CATV电缆上，通常通过频分多路复用(FDM)技术实现多路信号的传输，它既能传输数据，也能传输话音和视频信号。所谓宽带(Broadband)信号传输，是利用FDM技术在宽带介质上所进行的多路模拟信号的传输，它是一种用于宽带网络的信号传输技术。近年来，随着光纤技术的发展，越来越多的宽带网络采用光导纤维(简称光纤)作为传输介质。

3．光导纤维光导纤维(Fiber)是一种传送光信号的介质，它的内层是具有较高光波折射率的光导玻璃纤维，外层包裹着一层折射率较低的材料，利用光波的全反射原理来传送编码后的光信号。根据光波的传输模式，光纤主要分为两种：多模光纤和单模光纤。在多模光纤中，通过多角度反射光波实现光信号的传输。由于多模光纤中有多个传输路径，每个路径的长度不同，通过光纤的时间也不同，因此会导致光信号在时间上出现扩散和失真，从而限制了它的传输距离和传输速率。

在单模光纤中，只有一个轴向角度来传输光信号，或者说光波沿着轴向无反射地直线传输，光纤起着波导作用。由于单模光纤只有一个传输路径，不会出现信号传输失真现象，因此，在相同传输速率的情况下，单模光纤比多模光纤的传输距离长得多。通常，单模光纤传输系统的价格要高于多模光纤传输系统。光纤系统主要由三部分组成：光发送器、光纤介质和光接收器。发送端的光发送器利用电信号对光源进行光强控制，从而将电信号转换为光信号；光信号经过光纤介质传输到接收端；光接收器通过光电二极管再把光信号还原成电信号。

光纤是一种不易受电磁干扰和噪声影响的传输介质，具有传输速率高、传输距离远、抗干扰能力强、保密性好等特点，特别适合用来构造高速远程网或广域网。例如，现代广域网、城域网、园区网以及高速局域网(如千兆位以太网、万兆位以太网、高速ATM等)等就主要采用光纤作为传输介质。因此，光纤已经成为高速远程网首选的传输介质。由于光纤的衔接、分岔比较困难，因此一般只适用于点到点或环形结构的网络系统中。

1.2.2无线介质

1．微波微波(Microwave)是一种高频电磁波，其工作频率为109～1010Hz。微波通信系统可分成地面微波通信系统和卫星微波通信系统。地面微波通信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，能够实现视野范围内的微波通信。地面微波通信系统主要作为计算机网络的中继链路，实现两个或多个局域网的互连，扩大网络的覆盖范围。例如，两个相距较远大楼中的局域网可以采用地面微波通信系统互相连通，实现数据通信。在某些情况下，这种远程连接方式可能比有线远程连接的费用要低廉一些。

2．扩频无线电扩频(SpreadSpectrum)无线电是一种新的民用(不需要许可证)无线通信技术，它采用900MHz或2.4GHz的无线电频段作为传输信道，通过先进的直序扩展频谱或跳频方式发射信号，属于宽带调制发射，具有传输速率高、发射功率小、抗干扰能力强以及保密性好等特点。很多无线局域网技术都采用了扩频无线电通信方式，例如IEEE802.11无线局域网、无线家庭网以及蓝牙技术等。因此，扩频无线电通信已经成为无线局域网的主流技术。

3．红外线红外线(Infrared)的工作频率为1011～1014Hz，其方向性很强，不易受电磁波干扰。在视野范围内的两个互相对准的红外线收发器之间通过将电信号调制成非相干红外线而形成通信链路，可以准确地进行数据通信。由于红外线的穿透能力较差，易受障碍物的阻隔，因此在近距离的无线通信系统中，一般将红外线作为一种可选的传输介质。

4．激光激光(Laser)的工作频率为1014～1015Hz，其方向性很强，不易受电磁波干扰。但外界气候条件对激光通信的影响较大，如在空气污染、雨雾天气以及能见度较差情况下可能导致通信的中断。激光通信系统由视野范围内的两个互相对准的激光调制解调器组成，激光调制解调器通过对相干激光的调制和解调，来实现激光通信。

1.3拓

扑

结

构

网络拓扑结构是指一个网络中各个节点之间互连的几何构形，即指各个节点之间互相连接的方式。常见的网络拓扑结构有星形、环形、总线形等三种，参见图1.1。任何一种网络系统都规定了它们各自的网络拓扑结构。通过网络之间的相互连接，可以将不同拓扑结构的网络组合起来，组成一个集多种结构为一体的互连网络。

图1.1常见的网络拓扑结构(a)星形结构；(b)环形结构；(c)总线形结构

1.3.1星形结构在星形拓扑结构中，节点分成端节点和中间节点两种，每个端节点必须通过点到点链路连接到中间节点上，任何两个端节点之间都要通过中间节点实现数据交换和通信。在节点通信时，网络必须采用适当的访问控制策略和方法来解决节点之间的有序通信问题。在星形结构的网络系统中，可以采用集中式访问控制策略和分布式访问控制策略。在基于集中式访问控制策略的星形网络中，中间节点既是网络交换设备，又是网络控制器，由它控制各个节点的网络访问。一个端节点在传送数据之前，首先向中间节点发出传输请求，经过中间节点允许后才能传送数据。在这种网络系统中，中间节点具有很强的数据交换能力和网络控制功能，系统结构比较复杂；而端节点的功能和结构要简单得多。这种网络系统的典型代表是基于电路交换的电话交换网络和基于分组交换的100VG-AnyLAN网络。

在基于分布式访问控制策略的星形网络中，中间节点主要是网络交换设备，它采用存储-转发机制为网络节点提供传输路径和转发服务。另外，中间节点还可以根据需要将一个节点发来的数据同时转发给其他所有的节点，从而实现“广播式”传输。各个端节点根据网络状态自行控制对网络的访问。目前，大多数基于分组交换的局域网都采用这种网络结构，它已成为网络主流技术。

1.3.2环形结构在环形拓扑结构中，各个节点通过收发器连入网络，收发器之间通过点到点链路连接成一个闭合的环形网络。发送节点所发送的数据帧沿着环路单向传递，每经过一个节点，该节点要判断这个数据帧是否是发送给本节点的，如果是发送给本节点的，则要将数据帧拷贝下来，然后再将数据帧传递到下游节点。当数据帧遍历各个节点后，由发送节点将数据帧从环路上取下。这样，通过数据帧遍历各个节点可以实现“广播式”传输。

由于多个节点要共享同一环路，因此必须采用适当的访问控制方法来控制各个节点对环路的有序访问。在环形网络中，常用的访问控制方法是基于令牌(Token)的访问控制。它是一种分布式访问控制技术，由令牌及其传递规则来控制各个节点的介质访问，并且将令牌控制机制分布在每个节点上，各个节点将根据令牌传递协议控制节点对网络的访问。因此，环形网络中的节点结构比较复杂。典型的环形网络有TokenRing(令牌环)和FDDI(光纤分布式数据接口)等。环形网络的优点是网络的覆盖面积较大，节点的连接能力较强。它的主要缺点是链路可靠性较差，一旦环路上某段链路断开或环路上某个收发器发生故障，都会导致环路的断路，甚至导致全网的瘫痪。一些网络系统，如FDDI采用双环结构来解决这个问题。此外，环形网络的维护工作也比较复杂。

1.3.3总线形结构在总线形拓扑结构中，网络中的所有节点都直接连接到同一条传输介质上，这条传输介质称为总线。各个节点将依据一定的访问规则分时地使用总线来传输数据，发送节点发送的数据帧沿着总线向两端传播，总线上的各个节点都能接收到这个数据帧，并判断是否是发送给本节点的。如果是发送给本节点的，则将该数据帧保留下来；否则将丢弃该数据帧。总线形网络的“广播式”传输是依赖于数据信号沿着总线向两端传播的基本特性实现的。

总线形拓扑结构的另一种形式是树形拓扑结构，其传输介质是不封闭或不闭合的分支电缆。和总线形结构一样，树形拓扑结构中任何一个节点发送的数据都能被其他节点接收。总线形网络中所有的节点共享一条总线，一次只允许一个节点发送数据，其他节点只能处于接收状态。为了使各个节点能够有序而合理地使用总线传输数据，必须采用一种适当的访问控制策略来控制各个节点对总线的访问。典型的总线形网络是以太网(Ethernet)。综上所述，任何一种网络系统都规定了其网络连接的拓扑结构，并通过相应的访问控制方法来控制各个节点有序地使用介质来传送数据。对于数据的接收，通常采用“地址匹配”规则。网络中的每个节点都分配有惟一的地址码。在每个数据帧中，包含有源地址码和目的地址码，以标识发送数据帧的源节点和接收数据帧的目的节点。当节点接收到一个数据帧后，要比较数据帧的目的地址是否与本节点地址相匹配。如果地址匹配，则将数据帧保留下来；否则将该数据帧丢弃。

网络拓扑结构对一个网络系统的覆盖范围、连接能力、可靠性及可扩充性等网络性能产生直接的影响，也关系到一个网络系统的价格。

从目前网络技术的发展和应用情况来看，总线形结构主要在早期的10Mb/sEthernet中使用；环形结构主要在TokenRing和FDDI网络中使用，比较适合构造大型的园区网；基于分组交换的星形网络将是今后网络系统的主流结构，大多数的高速网络都采用了通过交换机来连接各个节点的星形结构。交换机将数据转发和网络管理功能集成为一体，便于实现网络配置、故障检测以及性能优化等网络管理功能。并且星形结构还适合在建筑物中实施综合布线系统。在星形结构中，中间节点的可靠性显得尤其重要，它关系到整个网络系统的可靠性。这个问题主要采用硬件冗余方法和热插拔技术来解决。例如，在交换机中采用两个电源模块，平时两个电源模块分担负荷，当一个电源模块发生故障时，另一个电源模块将承担全部负荷。同时，每个硬件模块都可以带电插拔，在不停机的情况下，能够迅速地更换有故障的硬件模块。

1.4数据传输技术

1.4.1数据编码技术

1．数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码是指将数字数据调制成模拟信号进行传输。通常采用模拟信号的三种载波特性(振幅、频率和相位)之一来表示被调制的数字数据，并由此产生三种基本调制方式，参见图1.2。

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的，参见图1.2(a)。在一般情况下，用振幅恒定载波的存在与否来表示两个二进制值。ASK方式的编码效率较低，容易受增益变化的影响，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。

图1.2基本调制方式(a)ASK法；(b)FSK法；(c)PSK法

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的，参见图1.2(b)。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移动来表示两个二进制值的，参见图1.2(c)。在PSK方式中，信号相位与前面信号序列相同的表示0，信号相位与前面信号序列相反的表示1。PSK方式也可以用于多相调制，例如在四相调制中可把每个信号序列编码为两位。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。这些信号调制技术主要用于调制解调器(Modem)中。在实际的Modem中，一般将这些基本的调制技术组合起来使用，以增强抗干扰能力和编码效率。常见的组合是PSK和FSK方式的组合或者PSK和ASK方式的组合。

2．数字数据的数字信号编码对于传输数字信号来说，最简单的信号编码方法是用信号的两个不同电压值来表示两个二进制数据。例如，用无电压来表示0，用恒定的正电压表示1；也可用正电压表示1，而用负电压表示0。然而，为了提高信号抗干扰能力，并且便于信号接收同步，通常会采用更为有效的信号编码方法。常用的数字信号编码有不归零(NonReturntoZero，NRZ)码、差分不归零(DifferentialNonReturntoZero，DNRZ)码、曼彻斯特(Manchester)码及差分曼彻斯特(DifferentialManchester)码等，参见图1.3。

1)NRZ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码是一种全宽码，即一位码元占一个单位脉冲的宽度。全宽码的优点：一是每个脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大，这对于提高接收端的信噪比有利；二是脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系，即全宽码在信道上占用较窄的频带，并且在频谱中包含了码位的速度。

图1.3常用的数字信号编码

NRZ码的主要缺点是：当数据流中连续出现0或1时，接收端很难分辨一个信号位的开始或结束，而必须采用某种方法在发送端和接收端之间提供必要的信号定时同步。同时，这种编码还会产生直流分量的积累问题，这将导致信号的失真与畸变，使传输的可靠性降低，并且由于直流分量的存在，使得无法使用一些交流耦合的线路和设备。因此，一般的数据传输系统都不采用这种编码方式。

2)DNRZ码

DNRZ码是NRZ码的一种改进形式，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”，而无跳变表示数据“0”。DNRZ码不仅保持了全宽码的优点，同时还提高了信号的抗干扰性和易同步性。

越来越多的高速网络系统采用了DNRZ码，它成为主流的信号编码技术，例如在FDDI、100BASE-T及100VG-AnyLAN等高速网络中都采用了DNRZ编码。其原因是在高速网络中要求尽量降低信号的传输带宽，以利于提高传输的可靠性和降低对传输介质带宽的要求。而DNRZ编码中的码元速率与编码时钟速率相一致，具有很高的编码效率，符合高速网络对信号编码的要求。同时，为了解决数据流中连续出现0或1时所带来的信号编码问题，通常采用两级编码方案。第一级是预编码器，以对数据流进行预编码，使编码后的数据流不会出现连续0或连续1，常用的预编码方法有4B5B、5B6B等；第二级是DNRZ编码，可实现物理信号的传输。这种两级编码方案的编码效率可达到80%以上。例如，在4B5B编码中，每4位数据用5位编码来表示，即4位数据就会增加1位的编码开销，编码效率仍为80%。

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”，它用正的电压跳变表示“0”，用负的电压跳变表示“1”。因此，这种编码也是一种相位码。由于电压跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，因此这种编码也称为自同步码。

10Mb/s以太网(Ethernet)采用的就是曼彻斯特码。

4)差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码是曼彻斯特码的一种改进形式，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”。这种编码的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。这种编码也是一种自同步编码。令牌环(TokenRing)网采用的就是差分曼彻斯特码。

曼彻斯特码和差分曼彻斯特码主要用于中速网络(Ethernet为10Mb/s，TokenRing最高为16Mb/s)中，而高速网络并不采用曼彻斯特编码技术。其原因是它的信号速率为数据速率的两倍，即对于10Mb/s的数据速率，编码后的信号速率为20Mb/s，编码的有效率为50%。对于100Mb/s的高速网络来说，200Mb/s的信号速率无论对传输介质带宽的要求，还是对传输可靠性的控制都未免太高了，将会增加信号传输技术的复杂性和实现成本，因而难以推广应用。因此，高速网络主要采用两级的DNRZ编码方案，而中速网络采用曼彻斯特编码方案，尽管它增加了传输所需的带宽，但实现起来简单易行。

3．模拟数据的数字信号编码在数字化的电话交换和传输系统中，需要将模拟的话音数据编码成数字信号后再进行传输。这里常用的编码技术是脉冲编码调制(PulseCodeModulation，PCM)技术。PCM是以采样定理为基础的。根据采样定理，如果在规定的时间间隔内使用信号f(t)最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样，这些数字化的采样值中则包含了不混叠而又便于分离的全部原始信号特征，利用低通滤波器可以不失真地从这些采样值中重新恢复出信号f(t)。

PCM原理框图如图1.4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，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C′(n)解码成Y′(n)，经过逆量化器和平滑滤波器就可重建信号X′(t)，X′(t)和X(t)之差就是量化误差。

图1.4

PCM原理框图

通常，话音信号的最高频率为3400Hz。如果以8000Hz的采样频率对话音信号进行采样，则在采样值中包含了话音信号的完整特征，由此还原出的话音信号是完全可理解和可识别的。对于每一个采样值，还要用一个二进制码来表示，二进制码的位数代表了采样值的量化精度。话音信号通常采用

8位二进制码来表示一个采样值。这样，对话音信号进行PCM后所产生的数据传输速率为

8bit×8000次采样/秒

=64000b/s=64kb/s

PCM不仅可用于数字化话音数据，还可用于数字化图像等模拟数据。例如，彩色电视信号的带宽为4.6MHz，采样频率应为9.2MHz。如果采用

10位二进制编码来表示每个采样值，则可以满足图像质量的要求。这样，对电视图像信号进行PCM后所达到的数据速率为92Mb/s。

1.4.2数据传输方式

1．模拟传输系统一般来说，模拟数据是时间的连续函数，并且占有一定的频谱范围。这种数据可以直接用占有相同频谱范围的电信号来表示。模拟传输是一种不考虑信号内容的信号传输方法。信号可以模拟数据或数字数据。无论是何种情况，在传输一定的距离之后，模拟信号都会衰减和畸变。为了实现长距离的传输，模拟传输系统使用放大器来增强信号的能量，但同时也放大了信号中的噪声分量。其结果会导致信号发生畸变，严重时会造成传输错误。模拟传输系统典型的例子是模拟电话传输系统。

声波的频率范围为20Hz～20kHz。然而，语音能量大部分集中在300～3400Hz频率范围内，在这个音频范围内，足以分辨清楚所传输的声音。因此，话音信号的标准频谱是300～3400Hz。电话传输系统中的电话设备以及电话线路都是依据这一频率范围而设计的。人的声音通过电话机产生频率为300～3400Hz的电信号，经过电话交换网传输到另一端的电话机，再把电信号还原成原来的声音。数字数据也可以利用模拟信道进行传输，典型的例子是计算机利用电话交换网进行数据交换。在这种情况下，计算机必须使用调制解调器(Modem)来连接电话交换网，在发送端，必须通过Modem将数字数据调制成与模拟信道特性相匹配的模拟信号才能传输；在接收端，再使用Modem把模拟信号解调还原成原来的数据。

2．数字传输系统数字传输与信号的内容有关。同样，长距离的传输也会使信号衰减和畸变，从而严重地影响数据的完整性和正确性。因此，数字信号只能在一个有限的距离内进行传输。为了延长传输距离，数字传输系统通常使用中继器(Repeater)来克服衰减和畸变。中继器将接收到的数字信号，经过整形恢复后，再发送出去，从而克服了信号的畸变和衰减。

为了提高信号的抗干扰能力，并且便于接收端信号同步，数据必须经过适当的编码后才能传输。在数字传输系统中，每个端节点必须通过编码解码器(Codec)实现数据编码。例如，在局域网中，任何一种网卡都包含有Codec部分，它按照规定的编码方式对数字数据进行编码或解码。

在数字传输系统中，通常使用传输速率来度量传输带宽。传输速率是指每秒钟所能传输的位数，单位为b/s(位/秒)，它可按下式计算：

式中，T为脉冲宽度(全宽码情况)或脉冲重复周期(归零码情况)；n为一个脉冲所表示的有效状态，即调制电平数；lb是log2的符号表示。数字传输系统中普遍采用的是二进制脉冲，只有两个有效状态，即n=2。这时，其传输速率为该式表示每秒位数等于单位脉冲的重复频率。

另一种度量传输带宽的单位是波特，也称调制速率。它反映了数据经过调制后的传输速率，也就是数据在调制过程中调制状态每秒转换的次数。调制速率为

它与传输速率的关系为

S=Blbn

在二元制调制方式中，S=B=1/T，两者可以通用。但在多元制调制方式中，两者是有区别的。例如，对于2400b/s的四相调制解调器，采用T=833×10-6s的单位脉冲，该脉冲与两位组合的双位相对应，且状态数n=4。因此用传输位数表示的数据传输速率为可见，在多相调制方式中，传输速率和调制速率是不相同的。

1.4.3多路复用技术

1．FDM

FDM的基本前提是：传输介质的可用带宽要大于多路给定信号所需带宽的总和。如果将这几路信号中的每路信号以不同的载波频率进行调制，则这些信号就可同时在单一介质上传输。为了保证各路信号带宽不相互重叠，各路载波频率之间应当留有一定的保护间隔，参见图1.5(a)。在图1.5(a)中，6路信号源输入到一个多路复用器中，这个多路复用器使用不同的频率来调制每一路信号，每一路信号具有一定的带宽，f1～f6分别对应于6路信号带宽，形成6个信道。为了防止各个信道之间的重叠干扰，相邻的信道之间要用保护带隔离开。保护带是信号带宽中不用的部分。f1～f6以及各个保护带宽之和要小于或等于传输介质的可用带宽。

图1.5多路复用(a)FDM；(b)TDM图1.5多路复用(a)FDM；(b)TDM例如，假设传输介质的可用带宽为70MHz，每路信号带宽为10MHz。如果采用FDM同时传输6路信号，则各路信号带宽分配如下：f1= 0～10MHz，f2= 11～21MHz，f3= 22～32MHz，f4= 33～43MHz，f5 = 44～54MHz，f6= 55～65MHz，其中各路信道之间的保护带宽为1MHz。携带多路信号的载波通过传输介质传送到另一端的多路复用器后，再解调(还原)成各个单路信号，输出到各自对应的输出线上。

2．TDM

TDM的基本前提是：传输介质所能支持的位传输速率应大于多路数据传输所需的位传输速率的总和。如果每路信号按时间先后轮流交替地使用单一信道，那么在宏观上多路数字信号便可以实现同时传输。各路信号可以位、字节、块或帧等为单位交替地使用单一信道。在图1.5(b)中，多路复用器有6路信号输入，设每路信号的传输速率为10Mb/s，传输介质的传输带宽大于60Mb/s，使用TDM技术同时传输这6路信号。具体的实现方法是：规定传送一个数据单元所需要的时间为一个时间片，每个输入端一次传送一个数据单元，6个时间片便可将6个输入端轮流输入一次，这6个时间片便构成了一帧(Frame)。在一般情况下，帧长是固定的，即一个帧所拥有的时间片数等于信号输入的个数。如果在某个时间片内对应的输入端无数据发送，则在该时间片内填充空信号。可见，6路信号是平均分配和使用高速传输介质的。在TDM中，对应于某一路特定信号的时间片称为该路特定信号的信道。

TDM又分为同步TDM和异步TDM。在同步TDM中，每个时间片是预先分配好的，并且是固定不变的，如果某个时间片所对应的输入端无数据发送，则该时间片便空闲不用，又因为传输介质的传输带宽不能低于各个输入信号的数据速率之和，所以必然造成信道容量的浪费。图1.5(b)所示的TDM是一种同步TDM。

在异步TDM中，每个时间片是按需动态分配的。对于一个给定的输入端，只有当前有数据要发送时，才分配相应的时间片，如果无数据发送，则不分配时间片。并且传输介质的传输带宽只要不低于各路输入信号的平均数据速率即可，从而提高了传输介质的利用率。另外，异步TDM中的时间片与输入端之间没有一一对应的关系，任何一个时间片都可以用来传输任何一路输入信号。因此，在所传输的数据单元中必须包含有地址信息，以便寻址目的节点。这样，在每个时间片里会增加一些额外的传输开销。异步TDM又称为统计TDM(STDM)。

TDM并不仅仅局限于传输数字信号，也可以在时间上交替地传输模拟信号。对于模拟信号传输，可以将TDM和FDM组合起来使用。一个传输系统可先频分成许多FDM信道，每个信道再按TDM进行时分复用。在有些宽带局域网中就使用了这种技术。从多路复用的角度来看，传输介质与信道属于不同范畴的两个概念，它们之间有联系又有区别。传输介质是指传送信号的物理实体；而信道则提供了传送某种信号所需的带宽，着重体现介质的逻辑功能。一个传输介质可能同时提供多个信道，一个信道也可能由多个传输介质级联而成。

1.4.4通信操作模式一个数据通信系统至少由三部分组成：发送器、传输信道和接收器。发送器产生数据，经传输信道传送给接收器，从而完成一次数据传输过程。根据传输方向与时间特性，数据通信可以分为三种通信操作模式：单工(Simplex)、半双工(Half-duplex)和全双工(Full-duplex)，参见图1.6。一个数据通信系统至少由三部分组成：发送器、传输信道和接收器。发送器产生数据，经传输信道传送给接收器，从而完成一次数据传输过程。根据传输方向与时间特性，数据通信可以分为三种通信操作模式：单工(Simplex)、半双工(Half-duplex)和全双工(Full-duplex)，参见图1.6。

图1.6通信操作模式(a)单工操作模式；(b)半双工操作模式；(c)全双工操作模式

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。例如，收音机、电视机、计算机输出设备(打印机或显示器)等采用的就是单工操作模式。

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的功能，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。半双工操作模式一般用于通信设备或传输信道没有足够的带宽去支持同时双向通信的场合，或者通信双方的通信顺序需要交替进行的场合。例如，对讲机、共享式局域网等采用的就是半双工操作模式。

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的功能，它们之间可以同时进行双向数据传输。这种通信操作模式的优点是吞吐量大，但要求传输信道能提供足够的带宽支持。例如，交换式网络等采用的就是全双工操作模式。

1.4.5通信同步方式

1．异步传输通常，异步传输是以字符为传输单位的，其数据格式如图1.7(a)所示。每个字符都要附加1位起始位和1位停止位，以标记一个字符的开始和结束，并以此实现数据传输同步。所谓异步传输，是指字符与字符(一个字符结束到下一个字符开始)之间的时间间隔是可变的，并不需要严格地限制它们的时间关系。

图1.7异步传输和同步传输的数据格式(a)异步传输；(b)同步传输

起始位对应于二进制值0，以低电平表示，占用1位宽度。停止位对应于二进制值1，以高电平表示，占用1～2位宽度。一个字符占用5～8位，具体取决于数据所采用的字符集。例如，电报码字符为5位，ASCII码字符为7位，汉字码则为8位。此外，还要附加1位奇偶校验位，可以选择奇校验或偶校验方式对该字符实施简单的差错控制。

发送端与接收端除了采用相同的数据格式(字符的位数、停止位的位数、有无校验位及校验方式等)外，还应当采用相同的传输速率，典型的速率有9600b/s、19.2kb/s、56kb/s等。异步传输又称为起止式异步通信方式，其优点是简单、可靠，适用于面向字符的、低速的异步通信场合。例如，计算机与Modem之间的通信就采用这种方式。异步传输方式的缺点是通信开销大，每传输一个字符都要额外附加2～3位，通信效率比较低。例如，在使用Modem上网时，普遍感觉速度很慢，这除了与传输速率低有关外，与通信开销大、通信效率低也密切相关。

2．同步传输通常，同步传输是以数据块为传输单位的。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，以标记一个数据块的开始和结束，一般还要附加一个校验序列(如16位或32位CRC校验码)，以便对数据块进行差错控制。同步传输的一般数据格式如图1.7(b)所示。所谓同步传输，是指数据块与数据块之间的时间间隔是固定的，必须严格地规定它们的时间关系。根据同步通信规程，同步传输又分为面向字符的同步传输和面向位流的同步传输。

1)面向字符的同步传输在面向字符的同步传输中，每个数据块的头部用一个或多个同步字符SYN来标记数据块的开始；尾部用另一个惟一的字符ETX来标记数据块的结束。这些特殊字符的位模式与传输的任何普通字符都有显著的差别。典型的面向字符的同步通信规程是IBM公司的二进制同步通信规程BISYNC。

2)面向位流的同步传输在面向位流的同步传输中，每个数据块的头部和尾部用一个特殊的比特序列(如

01111110)来标记数据块的开始和结束。数据块将作为位流来处理，而不是作为字符流来处理。为了避免在数据流中出现标记块开始和结束的特殊位模式，通常采用位插入的方法，即发送端在发送数据流时，每当出现连续的五个1后便插入一个0。接收端在接收数据流时，如果检测到连续五个1的序列，就要检查其后的一位数据，若该位是0，则删除它；若该位为1，则表示数据块的结束，转入结束处理。典型的面向位流的同步通信规程是高级数据链路控制(HDLC)规程和同步数据链路控制(SDLC)规程。

1.4.6差错处理技术数字通信系统的基本任务是高效率而无差错地传送数据，但在任何一种通信线路上都不可避免地存在一定程度的噪声。信道噪声所造成的后果是使得接收端接收到的数据和发送端发送的数据不一致，造成传输差错。信道中的噪声可以分为两种：一种是白噪声；另一种是冲击噪声。白噪声长久地存在于信道之中，在任意传输速率上强度都相同，而且白噪声的幅值比较小。在信道中应保证有较大的信号/白噪声比值(简称信噪比)，这样白噪声所引起的差错将是很小的。

冲击噪声是由特定的短暂原因而引起的。产生冲击噪声的原因各种各样，而且其幅值可能相当大。因此，冲击噪声是造成传输差错的主要因素。由于这种差错呈突发状，故又称突发错误。在实际中，传输线路上产生的差错是突发错误和随机差错的混合，而经常发生的是突发错误。各种噪声源可以来自信道的内部，也可以来自信道的外部。虽然可以采用屏蔽、改善线路质量、选择有效的编码方式等措施来减少噪声，但还不能完全消除噪声的影响。也就是说，在传输数据时，或多或少总会出现差错。通常，使用误码率Pe来度量信道的传输质量，即

假设接收到10000个码元，经检查后发现有一个码元出错，其误码率为10－4。为了减少传输差错，通常采用两种基本的差错控制方法：改善线路质量和差错的检测与纠正。

(1)改善线路质量。加强线路本身的抗干扰能力，这是减少差错的最根本途径。例如，现在的网络系统中越来越多地使用光纤传输系统，其误码率已低于10－9，这就从根本上提高了信道的传输质量。但是，这种改善是以较大的投入为代价的。

(2)差错的检测与纠正。这是一种主动式的差错控制措施。它的主要思想是：对所传输的数据进行抗干扰编码，并以此来检测和校正传输中的错误。在发送端，采用某种校验码为数据单元附加一个冗余码，使数据单元与冗余码之间建立一定的数学关系(即编码过程)，然后把它们作为一个数据块一起传送给接收端；当接收端接收到数据块后，使用相同的校验码计算数据单元的冗余码，并与数据块中附加的冗余码相比较，以检验它们之间的数学关系(解码过程)是否正确。如果不正确，就说明传输有错误，则需要采用某种手段来纠正错误。

纠正错误的方法有两种：一种是反馈重发纠错法，即接收端将传输是否正确的信息作为应答反馈给发送端，对于传输有误的数据，发送端要重新传送，直至传送正确为止，这样就纠正了错误；另一种是前向纠错(FEC)法，即接收端发现错误后，不是通过发送端的重传来纠正，而是由接收端通过纠错码和适当的算法进行纠正。由于这种纠错方法比较复杂，所需的冗余码元较多，实现比较困难，故很少使用。目前，绝大多数的通信系统都采用反馈重发纠错法来纠正差错。

1.5数据交换技术

在网络中，两个端节点之间通常需要通过中间节点来实现数据通信。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。在网络系统中，主要使用三种数据交换技术：电路交换、报文交换和分组交换(虚电路交换和数据报交换)，参见图1.8。

图1.8数据交换方式(a)电路交换；(b)报文交换；(c)虚电路交换；(d)数据报交换

图1.8数据交换方式(a)电路交换；(b)报文交换；(c)虚电路交换；(d)数据报交换

1.5.1电路交换

1)电路建立阶段开始传送数据之前，必须建立端到端的电路。首先，源端节点向一个交换节点发送呼叫请求信号，请求与目的端节点建立连接。交换节点在通向目的端节点的路由选择表中找出下一个路由，并为该条电路分配一个未用信道，然后把连接请求信号传送到下一个节点。这样，通过各个中间交换节点的分段连接，使源端节点和目的端节点之间建立起了一条实际的物理连接。

2)数据传输阶段电路连接建立起来后，就可以通过这条专用的电路来传输数据了。数据可以是数字的(如来自终端或主机)，也可以是模拟的(如声音)。传输的信号形式可以采用数字信号，也可以采用模拟信号。这种连接通常是全双工操作模式，即可以双向传输数据。

3)电路拆除阶段当数据传输结束后，应拆除连接，以释放该连接所占用的专用资源。两个端节点中的任一个端节点都可以发出拆除连接的请求信号。

1.5.2报文交换报文交换(MessageSwitching)是一种完全不同于电路交换的通信方法。在这种交换方式中，两个端节点之间无需事先建立专用的信道，如果一个端节点要发送数据，则首先将数据封装成报文(Message)，然后将报文发送出去即可。报文是数据传输的基本单位，它由报头和报体组成，报头中包含目的端地址、源端地址以及其他附加信息，报体就是要传输的数据。在网络中，报文从一个节点被传送到下一个节点。在每个节点上，必须接收整个报文并暂时存储，然后根据目的端地址选择适当的路由再发送到下一个节点。这种方式也称为存储-转发(StoreandForward)报文方式。

与电路交换方式相比，报文交换方式具有如下优点：

(1)线路利用率高。由于节点之间的信道是共享的，因此在同一线路容量条件下，可以承载更大的网络流量，从而大大提高了线路利用率。

(2)接收端和发送端无需同步工作。当接收端处于忙碌状态时，中间节点可将报文暂时存储起来，等到接收端空闲时再传送给它。

(3)当流量增大时，在电路交换网络中，可能导致一些呼叫请求被阻塞；在报文交换网络中，报文仍然可以接收，但会增加传输延迟。

(4)报文交换系统可同时向多个目的端发送同一报文，实现多播(Multicast)功能，而在电路交换系统中很难实现多播功能。

(5)可以在报头中设置报文优先级，中间节点可根据报文优先级高低提供不同质量的转发服务。

(6)可以在网络上分段实施差错控制和纠错处理功能。

(7)可以提供传输速率和数据格式的转换，使不同传输速率和数据格式的端节点之间能够相互通信。

1.5.3分组交换

1．数据报交换数据报(Datagram)交换与报文交换相类似，在数据传输前不需要预先建立连接，当发送端有一个较长的报文要发送时，首先将报文分解成若干个较小的数据单元，每个数据单元都要附加一个分组头并封装成分组(或称数据报)，然后将各个分组发送出去。每个分组都被独立地传输，中间节点可能为每个分组选择不同的路由，这些分组到达目的端的顺序可能与发送的顺序不同，因此目的端必须重新排序分组，将其组装成一个完整的原始报文。

2．虚电路交换

1)建立连接阶段发送端在发送数据分组之前，首先使用一个特定的建立连接请求分组，建立一条逻辑连接，网络中间节点将根据该请求在发送端和目的端之间预先选择一条传输路径。由于该路径上的各段线路是共享的，并非独占的，因此，这种逻辑连接称为虚电路。

2)数据传输阶段当虚电路建立起来后，发送端和目的端之间便可以在这条虚电路上交换数据了，并且每个数据分组中都必须包含一个虚电路标识符，用于标识这个虚电路。由于虚电路的传输路径是预先选择好的，因此，每个中间节点只要根据虚电路标识符，就能查找到相应的路径来传输这些数据分组，而无需重新选择路由。

3)拆除连接阶段当数据传输完毕后，任一个端点都可以发出一个拆除连接请求分组，来终止这个虚电路，并释放该虚电路所占用的系统资源。可见，虚电路是一种面向连接的数据交换方式，它既不像电路交换那样需要独占线路，而是采用共享线路方式来建立连接，通过存储-转发方法实现数据交换；又不同于数据报方式，它只在建立虚电路时选择一次路由，后续的各个分组只要使用该路由传送即可，而无需重新选择路由。

1.5.4数据交换技术小结下面简单小结一下三种数据交换技术的主要特点：

(1)电路交换。在数据传送开始前必须建立一条端到端的物理连接，这种物理连接需要独占电路资源，在释放连接前只能由两个端节点所使用。因此，电路利用率低，通信费用高。

(2)报文交换。数据传输采用存储-转发方式，不需要建立连接，在传送报文时，可以共享线路资源。中间节点根据报文中的目的端地址选择适当路由来转发报文。在转发报文过程中，产生较大的网络延迟，引起网络性能的下降。因此，

报文交换不能满足实时通信和交互式通信的要求。

(3)分组交换。报文被分成若干分组进行传输，并规定了最大分组长度。在数据报方式中，中间节点必须为每个分组选择路由，目的端需要重新组装报文；在虚电路方式中，中间节点只在建立虚电路时选择一次路由，在数据传输时将沿着该路由转发各个分组，而无需再为每个分组选择路由。分组交换技术是一种广泛应用于网络中的交换技术。现有的公共数据交换网都采用分组交换技术，如X.25网络等。局域网也采用分组交换技术。电路交换技术主要用于电话交换网和ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork，综合业务数字网)中。

1.6网络体系结构与标准化

通常，计算机网络系统是由各个节点相互连接而成的，每个节点都是具有通信功能的计算机系统，并且是按照层次结构来构造的。不同系统的各个层次实体之间应能够相互通信。这里的实体是指各种应用程序，如文件传送软件、数据库管理系统、电子邮件系统及各种终端等；而系统是指计算机、终端和各种通信设备等。一般说来，实体是指能发送和接收信息的任何实体；而系统是物理上明显的物体，它包含一个或多个实体。两个实体要想实现通信，则必须使用相同的语言以及遵从双方都能接受的规则，以解决彼此之间交流什么、怎样交流以及何时交流等问题。

这些在两个实体间控制数据交换的规则的集合称为协议(Protocol)。协议的关键成分有：

(1)语法：包括数据格式、编码和信号电平等。

(2)语义：包括用于协调同步和差错处理的控制信息。

(3)定时：包括速度匹配和排序等。

1.6.1ISO/OSI参考模型国际标准化组织(InternationalStandardOrganization，ISO)在1977年成立了一个分委员会来专门研究网络通信的体系结构问题，并提出了开放系统互连(OpenSystemInterconnection，OSI)参考模型，它是一个异构计算机系统互连标准的框架结构。OSI为面向分布式应用的“开放”系统提供了基础。所谓“开放”，是指任何两个系统只要遵守参考模型和有关标准就都能实现互连。OSI参考模型采用了层次化结构，共分成七层，参见图1.9。

图1.9ISO/OSI参考模型

OSI参考模型具有以下特性：

(1)异构系统互连的体系结构，提供了互连系统通信规则的标准框架；

(2)定义了一种抽象结构，而并非具体实现的描述；

(3)不同系统上的相同层的实体称为同等层实体，同等层实体之间的通信由该层协议来管理；

(4)同一系统上相邻层之间的接口定义了原语操作和低层向高层提供的服务；

(5)定义了面向连接的和无连接的数据交换服务；

(6)