計算機網絡原理(2)課件

NavalUniv.ofEngineeringDept.ofInformationSecurity計算機網絡技術教員：張志明Tel:44087-mail:z_zhiming@第2章數據通信的基礎知識1.

基本概念2.

信道及其主要特性3.

傳輸介質4.

數據編碼5.

多路復用技術6.

數據交換技術7.

差錯控制本章主要內容本章學習目標理解信息、信號、信道、帶寬等基本概念。了解數字信道、模擬信道的一般概念及通信線路的連接方式和數據的傳輸方式。理解常見傳輸介質的特性和應用場合。理解各種數據編碼技術，深刻理解PCM編碼的一般過程。理解各種多路復用技術及其應用場合。了解數據交換技術，理解分組交換和快速分組交換的原理。了解差錯控制的一般概念。本課內容2.1基本概念數據（Data）：傳遞（攜帶）信息的實體。信息（Information）：是數據的內容或解釋。信號（Signal）：數據的物理量編碼（通常為電編碼），數據以信號的形式在介質中傳播。信道（Channel）：傳送信息的線路（或通路）。比特（bit）：即一個二進制位。比特率為每秒傳輸的比特數（即數據傳送速率）。碼元（Codecell）：時間軸上的一個信號編碼單元。1數據及計算機通信術語2.1基本概念t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號同步脈沖t同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始。2.1基本概念波特（Baud）：碼元傳輸的速率單位。波特率為每秒傳送的碼元數（即信號傳送速率）。比特率、波特率和信號編碼級數的關系如下： Rbit=Rbaudlog2M上式中：M-信號的編碼級數，Rbit-比特率，Rbaud-波特率1數據及計算機通信術語2.1基本概念1數據及計算機通信術語誤碼率：信道傳輸可靠性指標，是一個概率值。信息編碼：將信息用二進制數表示的方法。數據編碼：將數據用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII編碼為01000001，其數據編碼可能為01000001t2.1基本概念1數據及計算機通信術語帶寬（Bandwidth，BW）信道傳輸能力的度量。在傳統的通信工程中：BW≈fmax－fmin單位：赫茲（Hz）在計算機網絡中，一般用每秒允許傳輸的二進制位數作為帶寬的計量單位。主要單位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。2.1基本概念1數據及計算機通信術語時延（Delay）：信息從網絡的一端傳送到另一端所需的時間。時延=處理時延+排隊時延+發送時延+傳播時延處理時延=對數據進行處理和錯誤校驗所需的時間排隊時延=數據在中間結點等待轉發的延遲時間發送時延=數據位數/信道帶寬傳播時延=d/s

d:距離，s:介質中信號傳播速度(≈0.7c)2.1基本概念1數據及計算機通信術語時延帶寬乘積：某一信道所能容納的比特數。時延帶寬乘積=帶寬×傳播時延信道帶寬傳播時延管道體積=時延帶寬乘積例如，某信道的時延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個比特到達目的端時，源端已發送了100萬比特。2.1基本概念1數據及計算機通信術語往返時延（Round-TripTime，RTT）：從發送端發送數據開始，到發送端收到接收端的確認所經歷的時間RTT≈2×傳播時延傳輸可靠性兩個含義：數據能正確送達數據能有序送達（當采用分組交換時）2.1基本概念2數據通信的一般概念通信的三個要素：信源、信宿和信道噪聲信源發送器信道接收器信宿源系統目的系統2.1基本概念2數據通信的一般概念信息通過數據通信系統的傳輸過程信息→數據→信號→在信道上傳輸→信號→數據→信息數據編碼調制解調數據解碼01000001‘A’01000001‘A’信道信息編碼信息解碼2.1基本概念3數據通信系統的構成DCEDTEDTEDCE數據傳輸系統數據處理系統2.1基本概念4數據通信基本過程過程與打電話比較建立物理連接撥號，撥通對方建立邏輯連接互相確認身份數據傳輸互相通話斷開邏輯連接互相確認要結束通話斷開物理連接雙方掛機包含兩項內容：數據傳輸和通信控制2.2信道及其主要特征1數字信道和模擬信道數字信道：以數字脈沖形式（離散信號）傳輸數據的信道。模擬信道：以連續模擬信號形式傳輸數據的信道。數字信號模擬信號2.2信道及其主要特征1數字信道和模擬信道a）模擬信號b）數字信號tt2.2信道及其主要特征2數字通信和模擬通信數字通信在數字信道上實現模擬信息或數字信息的傳輸。模擬通信在模擬信道上實現模擬信息或數字信息的傳輸。2.2信道及其主要特征2數字通信和模擬通信數字通信的優點抗噪聲（干擾）能力強傳輸質量高便于用計算機進行處理保密性強通用、靈活2.2信道及其主要特征3信道的最大數據傳輸率Nyquist公式：用于無噪聲理想低通信道C=2Wlog2MC=數據傳輸率，單位b/sW=帶寬，單位HzM=信號編碼級數例如，話音級線路的帶寬約為3.1kHz，根據上式計算的信道最大數據傳輸率如右表所示。M最大數據率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/s2.2信道及其主要特征3信道的最大數據傳輸率Shannon公式：用于有噪聲干擾信道例：信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則 C=3100×log2（1+2000）≈34kb/s即該信道上的最大數據傳輸率不會大于34kb/s。C=Wlog2（1+S/N）

C:傳輸率，單位b/sW:帶寬，單位HzS/N:信噪比信噪比的單位也可用分貝(dB)表示：S/NdB=10log10S/N所以，若S/NdB=30dB，則S/N=1000。2.2信道及其主要特征Nyquist公式和Shannon公式的比較C=2Wlog2M用于理想信道數據傳輸率隨信號編碼級數增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）用于有噪聲信道給出了有噪聲信道可能達到的最大數據傳輸速率上限。原因：噪聲的存在將使編碼級數不可能無限增加。2.2信道及其主要特征4信道的通信方式單/雙工通信——單/雙向傳輸單工：數據單向傳輸發送器接收器A站B站2.2信道及其主要特征4半雙工：數據可以雙向交替傳輸，但不能在同一時刻雙向傳輸發送器/接收器發送器/接收器不可同時A站B站信道的通信方式2.2信道及其主要特征4全雙工：數據可以雙向同時傳輸。發送器/接收器發送器/接收器可同時A站B站信道的通信方式2.2信道及其主要特征5數據的傳輸方式基帶傳輸：不需調制，編碼后的數字脈沖信號直接在信道上傳送。頻帶傳輸：數字信號調制成音頻模擬信號后再傳送，接收方需要解調。寬帶傳輸：把信號調制成頻帶為幾十MHZ到幾百MHZ的模擬信號后再傳送，接收方需要解調。2.2信道及其主要特征6數據同步方式目的是使接收端與發送端在時間基準上一致。數據同步可以從三個層次上來實現：位——位同步字符——字符同步幀(Frame)——幀同步2.2信道及其主要特征位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都與發送端保持同步，2種同步方法：外同步——發送端發送數據之前發送同步脈沖信號，接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。2.2信道及其主要特征自同步——通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數據編碼信號中包含同步信號，接收方從數據編碼信號提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。Manchester101100110102.2信道及其主要特征字符同步：找到正確的字符邊界。常用的為起止式（異步式）。起止式的優缺點：頻率的漂移不會積累，每個字符開始時都會重新獲得同步；每兩個字符之間的間隔時間不固定；增加了輔助位，所以傳輸效率低；例如，采用1個起始位、8個數據位、2個停止位時，其傳輸效率為8/11≈73％起始位數據位停止位字符間隔不固定1個字符時間邏輯“0”邏輯“1”每個發送的字符前后各加入一位或多位信息以表示一個字符的開始和結束。2.2信道及其主要特征幀同步：識別一個幀的起始和結束。面向字符的——以同步字符（SYN，16H）來標識一個幀的開始，適用于數據為字符類型的幀面向比特的——以特殊位序列（7EH，即01111110）來標識一個幀的開始，適用于任意數據類型的幀幀起始控制信息數據幀結束校驗和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH2.3傳輸介質內導體芯線絕緣內屏蔽外屏蔽外套1雙絞線2.3傳輸介質屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，應用較少雙絞線外無任何屏蔽層，應用廣泛常用的雙絞線：3類（16Mb/s）和5類（155Mb/s）兩種2.3傳輸介質雙絞線的連接標準色彩標記和連接方法：交叉線：交換機-交換機、PC-PC、HUB-HUB(標準端口)直連線：PC/路由器-交換機/HUB、HUB-HUB(級連端口)線對色彩碼1白藍，藍2白橙，橙3白綠，綠4白棕，棕1234567812345678交叉線EIA-568B直連線EIA-568A12345678123456782.3傳輸介質依靠光波承載數據，光脈沖在玻璃纖維中傳優缺點：傳輸帶寬高：僅受光電轉換器件的限制（＞100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好輕便價格較高需要光電轉換2光纖2.3傳輸介質光纖傳輸原理——光的反射光從折射率高的介質入射到折射率低的介質時會產生折射。亮度調制：有光脈沖-1，無光脈沖-0光傳輸系統：光源、介質、光檢測應用領域：局域網主干、電信網絡、服務器連接放大器驅動器發光器件光檢測器電信號電信號光信號光纖2.3傳輸介質多模光纖(MMF)單模光纖(SMF)：光纖的直徑接近一個光波波長多束光線以不同的反射角傳播激光器包層，折射率低纖芯，折射率高亮度調制光檢波器激光器光檢波器單束光線沿直線傳播2.3傳輸介質典型的光纜單芯光纜多芯光纜玻璃封套塑料外套玻璃內芯玻璃內芯塑料外套玻璃封套外殼2.3傳輸介質高密度多芯光纜剖面結構芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束2.3傳輸介質3同軸電纜計算機網絡中使用基帶同軸電纜阻抗50，有粗同軸和細同軸兩種應用：總線局域網（以太網）性能：10Mb/s，500米/185米銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套2.3傳輸介質使用電磁波或光波攜帶信息優缺點：無需物理連接適用于長距離或不便布線的場合易受干擾反射，為障礙物所阻隔主要類型：無線電、地面微波通信衛星紅外線3無線介質2.3傳輸介質無線電基站與終端之間通信采用無線鏈路應用領域：移動通信、無線局域網（WLAN）BS基站覆蓋的無線電區域BS基站

用戶計算機和終端2.3傳輸介質地面微波通過地面站之間接力傳送接力站之間距離：50-100km速率：每信道45Mb/s地球地面站之間的直視線路微波傳送塔2.3傳輸介質地球同步衛星與地面站相對固定位置使用3顆衛星即可覆蓋全球傳輸延遲時間長（≈270ms）廣播式傳輸應用領域：電視傳輸長途電話專用網絡廣域網35,784公里地球2.3傳輸介質常用傳輸介質的比較（p46表2.1）傳輸介質傳輸方式速率/工作頻帶傳輸距離性能價格應用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s模擬:10km數字:500m較好低模擬/數字信號傳輸50Ω同軸電纜基帶10Mb/s<3km較好較低基帶數字信號75Ω同軸電纜寬帶≤450MHz10