計算機網(wǎng)絡(luò)02講.ppt

1、1,分組交換的優(yōu)點,高效 動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。 靈活 以分組為傳送單位和查找路由。 迅速 不必先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組；充分使用鏈路的帶寬。 可靠 完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；自適應的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。,2,分組交換帶來的問題,分組在各結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。,3,三種交換的比較,A B C D,A B C D,A B C D,報文交換,電路交換,分組交換,t,4,ARPANET的成功使計算機網(wǎng)絡(luò)的概念發(fā)生根本變化,早期的面向終端的計算機網(wǎng)絡(luò)是以單個主機為中心的星形網(wǎng) 各終

2、端通過通信線路共享昂貴的中心主機的硬件和軟件資源。 分組交換網(wǎng)則是以網(wǎng)絡(luò)為中心，主機都處在網(wǎng)絡(luò)的外圍。 用戶通過分組交換網(wǎng)可共享連接在網(wǎng)絡(luò)上的許多硬件和各種豐富的軟件資源。,5,從主機為中心到以網(wǎng)絡(luò)為中心,以主機為中心,以分組交換網(wǎng)為中心,6,1.2.2 因特網(wǎng)時代,因特網(wǎng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)大體上經(jīng)歷了三個階段的演進。 但這三個階段在時間劃分上并非截然分開而是有部分重疊的，這是因為網(wǎng)絡(luò)的演進是逐漸的而不是突然的。,7,因特網(wǎng)發(fā)展的第一階段,第一個分組交換網(wǎng) ARPANET 最初只是一個單個的分組交換網(wǎng)。 ARPA 研究多種網(wǎng)絡(luò)互連的技術(shù)。 1983 年 TCP/IP 協(xié)議成為標準協(xié)議。 同年，ARPA

3、NET分解成兩個網(wǎng)絡(luò)： ARPANET進行實驗研究用的科研網(wǎng) MILNET軍用計算機網(wǎng)絡(luò) 19831984 年，形成了因特網(wǎng) Internet。 1990 年 ARPANET 正式宣布關(guān)閉。,8,因特網(wǎng)發(fā)展的第二階段,1986 年，NSF 建立了國家科學基金網(wǎng)。 NSFNET。它是一個三級計算機網(wǎng)絡(luò)： 主干網(wǎng) 地區(qū)網(wǎng) 校園網(wǎng) 1991 年，美國政府決定將因特網(wǎng)的主干網(wǎng)轉(zhuǎn)交給私人公司來經(jīng)營，并開始對接入因特網(wǎng)的單位收費。 1993 年因特網(wǎng)主干網(wǎng)的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。,9,三級結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng),各網(wǎng)絡(luò)之間需要使用路由器來連接。 有時在結(jié)構(gòu)圖中可不畫出路由器。,校園網(wǎng),校園網(wǎng),校

4、園網(wǎng),校園網(wǎng),校園網(wǎng),校園網(wǎng),國家主干網(wǎng),10,三級結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng),主機到主機的通信可能要經(jīng)過多種網(wǎng)絡(luò)。,校園網(wǎng),校園網(wǎng),校園網(wǎng),校園網(wǎng),校園網(wǎng),校園網(wǎng),國家主干網(wǎng),11,因特網(wǎng)發(fā)展的第三階段,從1993年開始，由美國政府資助的 NSFNET逐漸被若干個商用的 ISP 網(wǎng)絡(luò)所代替。 1994 年開始創(chuàng)建了 4 個網(wǎng)絡(luò)接入點 NAP (Network Access Point)，分別由 4 個電信公司經(jīng)營。 NAP 就是用來交換因特網(wǎng)上流量的結(jié)點。在NAP 中安裝有性能很好的交換設(shè)施。到本世紀初，美國的 NAP 的數(shù)量已達到十幾個。 從 1994 年到現(xiàn)在，因特網(wǎng)逐漸演變成多級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。,12,多

5、級結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng),大公司,地區(qū) ISP,網(wǎng)絡(luò)接入點 NAP （對等點）,公司,主干服務 提供者,本地 ISP,地區(qū) ISP,地區(qū) ISP,地區(qū) ISP,本地 ISP,本地 ISP,大公司,大公司,網(wǎng)絡(luò)接入點 NAP （對等點）,主機到主機的通信可能經(jīng)過多種 ISP。,13,今日的多級結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng),大致上可將因特網(wǎng)分為以下五個接入級 網(wǎng)絡(luò)接入點 NAP 國家主干網(wǎng)（主干 ISP） 地區(qū) ISP 本地 ISP 校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)或 PC 機上網(wǎng)用戶,14,1.2.3 關(guān)于因特網(wǎng)的標準化工作,因特網(wǎng)協(xié)會 ISOC,因特網(wǎng)研究指導小組 IRSG,因特網(wǎng)研究部 IRTF,因特網(wǎng)工程部 IETF,因特網(wǎng)工程指導

6、小組 IESG,RG,WG,RG,領(lǐng)域,領(lǐng)域,因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 研究委員會 IAB,WG,WG,WG,15,制訂因特網(wǎng)的正式標準要經(jīng)過以下的四個階段,因特網(wǎng)草案(Internet Draft) 在這個階段還不是 RFC 文檔。 建議標準(Proposed Standard) 從這個階段開始就成為 RFC 文檔。 草案標準(Draft Standard) 因特網(wǎng)標準(Internet Standard),16,1.2.4 計算機網(wǎng)絡(luò)在我國的發(fā)展,(1) 中國公用計算機互聯(lián)網(wǎng) CHINANET (2) 中國教育和科研計算機網(wǎng) CERNET (3) 中國科學技術(shù)網(wǎng) CSTNET (4) 中國聯(lián)通互聯(lián)網(wǎng)

7、 UNINET (5) 中國網(wǎng)通公用互聯(lián)網(wǎng) CNCNET (6) 中國國際經(jīng)濟貿(mào)易互聯(lián)網(wǎng) CIETNET (7) 中國移動互聯(lián)網(wǎng) CMNET (8) 中國長城互聯(lián)網(wǎng) CGWNET（建設(shè)中） (9) 中國衛(wèi)星集團互聯(lián)網(wǎng) CSNET（建設(shè)中）,17,1.3 計算機網(wǎng)絡(luò)的分類,1.3.1 計算機網(wǎng)絡(luò)的不同定義 最簡單的定義：計算機網(wǎng)絡(luò)是一些互相連接的、自治的計算機的集合。 因特網(wǎng)(Internet)是“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”。 1.3.2 幾種不同的分類方法 從網(wǎng)絡(luò)的交換功能進行分類 從網(wǎng)絡(luò)的作用范圍進行分類 從網(wǎng)絡(luò)的使用者進行分類,18,1.3.2 幾種不同的分類方法（一）,從網(wǎng)絡(luò)的交換功能分類 電路交換

8、報文交換 分組交換 混合交換,19,1.3.2 幾種不同的分類方法（二）,從網(wǎng)絡(luò)的作用范圍進行分類 廣域網(wǎng) WAN (Wide Area Network) 局域網(wǎng) LAN (Local Area Network) 城域網(wǎng) MAN (Metropolitan Area Network) 接入網(wǎng) AN (Access Network),20,廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)以及局域網(wǎng)的關(guān)系,城域網(wǎng),城域網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),廣域網(wǎng),局域網(wǎng),局域網(wǎng),校園網(wǎng),企業(yè)網(wǎng),21,1.3.2 幾種不同的分類方法（三）,從網(wǎng)絡(luò)的使用者進行分類 公用網(wǎng) (public network) 專用網(wǎng)

9、 (private network),22,1.3.2 幾種不同的分類方法 （三）,從拓撲結(jié)構(gòu)劃分 計算機網(wǎng)絡(luò)按拓樸結(jié)構(gòu)分為：星型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)、總線型網(wǎng)絡(luò)、樹型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)。,23,1.4 計算機網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標1.4.1 帶寬,“帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 現(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語，單位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。,24,常用的帶寬單位,更常用的帶寬單位是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b

10、/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 請注意：在計算機界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。,25,數(shù)字信號流隨時間的變化,在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。,26,時延(delay 或 latency),發(fā)送時延（傳輸時延 ） 發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的時間。,27,時延(delay 或 latency),傳播時延 電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。 信號傳輸速率（即發(fā)送速率）和信號在信道上的傳播速率是完全不同的概念。,28,時延(delay 或 latency),處理時延 交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)

11、而進行一些必要的處理所花費的時間。 結(jié)點緩存隊列中分組排隊所經(jīng)歷的時延是處理時延中的重要組成部分。 處理時延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當時的通信量。 有時可用排隊時延作為處理時延。,29,時延(delay 或 latency),數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時延就是發(fā)送時延、傳播時延和處理時延之和：,總時延 = 發(fā)送時延 + 傳播時延 + 處理時延,30,三種時延所產(chǎn)生的地方,1 0 1 1 0 0 1,發(fā)送器,隊列,結(jié)點 B,結(jié)點 A,數(shù)據(jù),從結(jié)點 A 向結(jié)點 B 發(fā)送數(shù)據(jù),鏈路,31,容易產(chǎn)生的錯誤概念,對于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，我們提高的僅僅是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。 提高鏈路帶寬減小了數(shù)據(jù)的發(fā)送

12、時延。 例1：一個長度為100MB數(shù)據(jù)塊在帶寬為1Mb/s信道上，用光纖傳送到1000km和1km遠的目的計算機所需的時間。發(fā)送時延=100*220 *8/106=838.9s，1000km的傳播時延=1000/200000=0.005s=5ms，若傳播距離為1km，則傳播時延會減小到原來的千分之一,32,容易產(chǎn)生的錯誤概念,例2：在帶寬分別是1Mb/s和1Gb/s的情況下，用光纖傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)到1000km遠的目的計算機上所需的時間。在1Mb/s的信道上，發(fā)送時延=8/106=8us，傳播時延為5ms，總時延=5.008ms，即使將信道的帶寬提高到1Gb/s，總時延也不會減少多少，,33

13、,1.4.3 時延帶寬積和往返時延,（傳播）時延,鏈路,帶寬,時延帶寬積 = 傳播時延 帶寬,鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。,時延帶寬積,34,例：設(shè)某段鏈路的傳播時延為20ms，帶寬為10Mb/s，則時延帶寬積= 20*10-3*10*106=2*105bit。這表示，若發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則在發(fā)送的第一個比特即將到達終點時，發(fā)送端就已經(jīng)發(fā)送了20萬個比特，而這20萬個比特都正在鏈路上傳輸。,35,往返時延 RTT,往返時延 RTT (Round-Trip Time) 表示從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到來自接收端的確認（接收端收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送確認），總共經(jīng)歷的時延。,3

14、6,習題,1、試在下列條件下比較電路交換和分組交換。要傳送的報文共x（bit），從源站到目的站共經(jīng)過k段鏈路，每段鏈路的傳播時延為d（s），數(shù)據(jù)率為C（bit/s）。在電路交換時電路的建立時間為s（s）。在分組交換時分組長度為p（bit），且各結(jié)點的排隊等待時間可忽略不計。問在怎樣的條件下，分組交換的時延比電路交換的要?。?37,答案,對電路交換，當t=s時，鏈路建立； 當t=s+x/C，發(fā)送完最后一bit； 當t=s+x/C+kd，所有的信息到達目的地。 對分組交換，當t=x/C， 發(fā)送完最后一bit； 為到達目的地，最后一個分組需經(jīng)過k-1個分組交換機 轉(zhuǎn)發(fā)，每次轉(zhuǎn)發(fā)的時間為p/C，所以總

15、的延遲= x/C+(k-1)p/C+kd所以當分組交換的時延小于電路交換 x/C+(k-1)p/C+kds+x/C+kd時， (k-1)p/Cs,38,習題,2、試計算以下兩種情況的發(fā)送時延和傳播時延： 1）數(shù)據(jù)長度為107bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為100kbit/s，傳播距離為1000km，信號在媒體上的傳播速率為2108m/s。 2）數(shù)據(jù)長度為103bit，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為1Gbit/s，傳輸距離和信號在媒體上的傳播速率同上。,答案：（1）：發(fā)送延遲=107/（1001000）=100s 傳播延遲=10001000/（2108）=510-3s=5ms （2）：發(fā)送延遲=103/（109）=10-

16、6s=1us 傳播延遲=10001000/（2108）=510-3s=5ms,39,相關(guān)標準化組織,國際電信聯(lián)盟（ITU，International Telecommunication Union） 它的任務是國際電信的標準化。它的前身為CCITT。它的成員為政府部門和電信廠商。 國際標準化組織（ISO，International Standards Organization） 它的成員為國家標準化組織，如美國的ANSI 。它的標準化程序：從CD（Committee Draft）到DIS （Draft International Standard），再到IS（International Sta

17、ndard）。 Internet體系結(jié)構(gòu)委員會（IAB，Internet Architecture Board）它是一個非正式的標準化組織。它的標準化程序：草案標準（DS，Draft Standard）到RFC （Request For comments），再到IS（Internet Standards）。,40,1.5 計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),分層的好處 各層之間是獨立的。 靈活性好。 結(jié)構(gòu)上可分割開。 易于實現(xiàn)和維護。 能促進標準化工作。 分層注意事項 若層數(shù)太少，就會使每一層的協(xié)議太復雜。 層數(shù)太多又會在描述和綜合各層功能的系統(tǒng)工程任務時遇到較多的困難。 每一層的功能應當時非常明確的；層與

18、層的邊界應選擇的使通過這些邊界的信息量盡量少些，否則不方便,41,劃分層次的概念舉例,計算機 1 向計算機 2 通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送文件。 可以將要做的工作進行如下的劃分。 第一類工作與傳送文件直接有關(guān)。 確信對方已做好接收和存儲文件的準備。 雙方協(xié)調(diào)好一致的文件格式。 兩個計算機將文件傳送模塊作為最高的一層 。剩下的工作由下面的模塊負責。,42,再設(shè)計一個通信服務模塊,文件傳送模塊,計算機 1,計算機 2,文件傳送模塊,只看這兩個通信服務模塊 好像可直接把文件 可靠地傳送到對方,把文件交給下層模塊 進行發(fā)送,把收到的文件交給 上層模塊,通信服務模塊,通信服務模塊,43,再設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)接入模塊,文件傳

19、送模塊,計算機 1,計算機 2,文件傳送模塊,通信服務模塊,通信服務模塊,網(wǎng)絡(luò)接入模塊,網(wǎng)絡(luò)接入模塊,通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò) 接口,網(wǎng)絡(luò) 接口,網(wǎng)絡(luò)接入模塊負責做與網(wǎng)絡(luò)接口細節(jié)有關(guān)的工作 例如，規(guī)定傳輸?shù)膸袷?，幀的最大長度等。,44,1.5.1 ISO/OSI參考模型,OSI參考模型的由來: 1974年IBM公司的SNA、1975年DEC公司的DNA、HP公司的DSN日本富士通公司的FNA等。這些種類繁多的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),由于各自所定義的層數(shù)、每層所采用的協(xié)議常常不一樣,造成彼此之間不兼容,這些系統(tǒng)常被稱為“封閉”系統(tǒng)。 1978年,國際標準化組織ISO(International Organizat

20、ion for Standardization)的技術(shù)委員會TC97 建立了一個分委員會 SC16 專門研究開放系統(tǒng)互聯(lián) OSI (Open System Interconnection),并于1983年春季,使開放系統(tǒng)互聯(lián)基本參考模型OSI/RM成為正式的國際標準(ISO7498)開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI Reference Model:簡稱OSI/RM).,45,1.5.1 ISO/OSI參考模型,OSI參考模型的核心 1、服務：為上一層提供的服務 2、接口：上一層如何訪問 3、協(xié)議：每一層用到的對等協(xié)議 為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定即稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(network p

21、rotocol),簡稱協(xié)議。主要由以下三要素組成： 語法（“如何講”即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式） 語義（“講什么”即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應） 同步（“講話的次序”即事件實現(xiàn)順序的詳細說明）。,46,1.5.1 ISO/OSI參考模型,OSI 參考模型的層次結(jié)構(gòu),47,48,數(shù)據(jù)在各層傳遞的過程,主機A,主機B,數(shù)據(jù)鏈路層,應用層,數(shù)據(jù)鏈路層,物 理 傳 輸 媒 體,01100010 比 特 流 10011100,數(shù)據(jù)部分,首部,尾部,數(shù)據(jù)部分,首部,數(shù)據(jù)部分,首部,數(shù)據(jù)部分,首部,應用程序數(shù)據(jù),49,實體、協(xié)議、服務和服務訪問點,實體(entity) 表示任何可發(fā)

22、送或接收信息的硬件或軟件進程。 協(xié)議是控制兩個對等實體進行通信的規(guī)則的集合。 在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。 要實現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層所提供的服務。,50,本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協(xié)議。 下面的協(xié)議對上面的服務用戶是透明的。 協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。 服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。 同一系統(tǒng)相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱為服務訪問點 SAP (Service Access Point)。,實體、協(xié)議、服務和服務訪問點,51,實體、協(xié)議、服務和服務訪問點,服 務 用 戶,第 n

23、 層,第 n + 1 層,服 務 用 戶,52,OSI 參考模型的缺點,糟糕的時機,53,OSI 參考模型的缺點,糟糕的技術(shù) 技術(shù)復雜 糟糕的實現(xiàn) 實現(xiàn)困難 糟糕的策略 非TCP/IP的開放式的系統(tǒng),54,兩種國際標準,法律上的(from the law)國際標準 OSI 并沒有得到市場的認可。 是非國際標準 TCP/IP 現(xiàn)在獲得了最廣泛的應用。 TCP/IP 常被稱為事實上的(from the fact) 國際標準。,55,1.5.2 TCP/IP體系機構(gòu),56,OSI模型與TCP/IP對應關(guān)系,應用層,表示層,會話層,運輸層,網(wǎng)絡(luò)層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,運輸層,網(wǎng)際層,應用層 （各種應用

24、層協(xié)議如FTP,TELNET,SMTP等）,網(wǎng)絡(luò)接口層,(a) OSI體系結(jié)構(gòu),(b) TCP/IP體系結(jié)構(gòu),57,應用層的客戶-服務器方式,在 TCP/IP 的應用層協(xié)議使用的是 客戶-服務器方式 客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所涉及的兩個應用進程。 客戶-服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務的關(guān)系。 客戶是服務請求方，服務器是服務提供方。,58,客戶軟件的特點,在進行通信時臨時成為客戶，但它也可在本地進行其他的計算。 被用戶調(diào)用并在用戶計算機上運行，在打算通信時主動向遠地服務器發(fā)起通信。 可與多個服務器進行通信。 不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統(tǒng)。,59,服

25、務器軟件的特點,專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。 在共享計算機上運行。當系統(tǒng)啟動時即自動調(diào)用并一直不斷地運行著。 被動等待并接受來自多個客戶的通信請求。 一般需要強大的硬件和高級的操作系統(tǒng)支持。,60,客戶進程和服務器進程-使用 TCP/IP 協(xié)議進行通信,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,運輸層,網(wǎng)絡(luò)層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,運輸層,網(wǎng)絡(luò)層,應用層,應用層,因特網(wǎng),以后就逐級使用下層 提供的服務 (使用 TCP 和 IP）,61,功能較強的計算機可同時運行多個服務器進程,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,運輸層,網(wǎng)絡(luò)層,應用層,計算機 3,因特網(wǎng),62,TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的缺點,沒有

26、區(qū)分服務、接口和協(xié)議 不是一個具有普遍性的模型 主機和網(wǎng)絡(luò)層之間必是一個真正的層，而是接口 TCP/IP沒有區(qū)分物理層和數(shù)據(jù)連路層 許多協(xié)議很難更新,63,1.5.2 五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu),因此往往采取折中的辦法，即綜合 OSI 和 TCP/IP 的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 。,64,五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu),應用層(application layer) 運輸層(transport layer) 網(wǎng)絡(luò)層(network layer) 數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer) 物理層(physical layer),數(shù)據(jù)鏈路層,5 應用層,4 運輸層,3 網(wǎng)絡(luò)層,2 數(shù)據(jù)鏈路層,1 物理

27、層,65,第2章 物理層,基本內(nèi)容：計算機網(wǎng)絡(luò)物理層的基本概念，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型、信道及其傳輸速率的計算，數(shù)字編碼技術(shù)、常用的傳輸媒體，信道復用技術(shù)。,計算機網(wǎng)絡(luò)物理層的基本概念 信道及其傳輸速率的計算 信道復用技術(shù) 常用物理傳輸介質(zhì),重點掌握：,66,2.1 物理層的基本概念,物理層考慮的是如何在傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是傳輸媒體或物理設(shè)備本身。網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備和傳輸媒體種類繁多，通信手段也有多種方式。物理層的作用正是要盡可能地屏蔽掉這些差異，使上一層感覺不到這些差異。物理層的主要任務是確定與傳輸媒體的接口的一些特性：,（1）機械特性 接口的形狀、尺寸、引線數(shù)目、排列順序等。 （2）

28、電氣特性 接口電纜上各線的電壓范圍。 （3）功能特性 指明某條線上某一電平的電壓代表何種意義。 （4）規(guī)程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。,67,2.2 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識,2.2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念,通信：將信息從一個地方傳送到另一個地方 。 數(shù)據(jù)（data）:運送信息的實體。 信號（signal）：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 模擬的（信號或數(shù)據(jù)）（analog)：連續(xù)變化的。 數(shù)字的（信號或數(shù)據(jù)）（digital)：取值僅允許為有限的幾個離散值。,t,t,t,U,U,U,0,0,0,（a）模擬信號,（b）數(shù)字信號1,（c）數(shù)字信號2,68,數(shù)字通信的特點,抗干擾能力強、無

29、噪聲積累 便于加密處理 便于存儲、處理和交換 設(shè)備便于集成化、微型化 占用信道頻帶較寬,69,2.2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)（發(fā)送端）、傳輸系統(tǒng)（傳輸網(wǎng)絡(luò)）和目的系統(tǒng)（接收端）。,70,調(diào)制與解調(diào),調(diào)制：將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程叫做調(diào)制。,解調(diào)：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程叫做解調(diào)。,在公共電話網(wǎng)上，有些地區(qū)是數(shù)數(shù)字網(wǎng)、有些地區(qū)是模擬網(wǎng)，也有的是數(shù)字、模擬共存的綜合業(yè)務網(wǎng)。,公用電話網(wǎng),71,基帶信號和寬帶信號,基帶信號 就是將數(shù)字信號 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 基帶傳輸 指通過有線信道直接傳輸基帶信號，

30、一般用于傳輸距離較近的數(shù)字通信系統(tǒng)，如基帶局域網(wǎng)系統(tǒng)。 寬帶信號 則是將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復用模擬信號。,72,2.2.3 信道及其傳輸速率,1、幾個概念,信 道（channel）,信道和電路并不等同，信道一般表示向某一個方向傳送信息的媒體。一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。 信道按所傳輸?shù)男盘柨煞譃槟M信道和數(shù)字信道，信道上傳輸?shù)男盘栠€有基帶信號和寬帶信號之分。,通信雙方的交互方式,單向通信（單工方式）：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。也稱單工通信。 雙向交替通信（Half Duplex 半雙工方式）：一方發(fā)送，另一方接收，過一段時間后再反過來。但不能雙方同時

31、發(fā)送，也不能同時接收。也稱半雙工通信。 雙向同時通信（Full Duplex 全雙工方式）：通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息，也稱全雙工通信。,73,信道的最高碼元傳輸速率,任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。,74,有限帶寬的信號分析,75,數(shù)字信號通過實際的信道,失真不嚴重 失真嚴重,實際的信道 （帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,輸入信號波形,輸出信號波形 (失真不嚴重),76,傳輸速率,77,示例,78,2、信道的最高碼元傳輸速率奈奎斯特(Nyquist)公式,每赫帶寬的理想

32、低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個碼元。 Baud 是波特，是碼元傳輸速率的單位，1 波特為每秒傳送 1 個碼元。,理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud,W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz),不能通過,能通過,0,頻率(Hz),W (Hz),79,另一種形式的奈氏準則,每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 1 個碼元。,理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud,W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz),80,即：奈奎斯特(Nyquist)公式,理想低通信道：,信道的最高碼元傳輸速率 2 W (Baud),理想帶通信道：,信道的最高碼元傳輸速率

33、W (Baud),信道的碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。單位為：碼元/秒，稱為：波特（Baud）。 對于模擬信號的傳輸，波特率是指調(diào)制解調(diào)器上輸出的調(diào)制信號每秒鐘調(diào)制載波狀態(tài)改變的次數(shù)。 對于數(shù)字信號傳輸，波特率是指線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)。,81,示例,82,對多值信令而言，奈氏公式變?yōu)椋?Nyquist Theorem: C=2Wlog2M 實際上，二進制傳輸: C=2W,83,要強調(diào)以下兩點,實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數(shù)值。 波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。 波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率

34、也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。 比特是信息量的單位。,84,“比特/秒”與“波特”,信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系。 若 1 個碼元只攜帶 1 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。 若 1 個碼元攜帶 n bit 的信息量，則 M Baud 的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為 M n b/s。,85,3、信道的極限信息傳輸速率香農(nóng)(Shannon)公式,香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。 信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為 C = W log2(1+S

35、/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）； S 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率； N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。S/N通常用dB表示，10lg(S/N),86,香農(nóng)公式表明,信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。 實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。,C = W log2(1+S/N),87,練習,1、允許雙向同時對話的連接方式被稱作： A：半雙工 B：全雙工 C：單工 D：數(shù)據(jù)報 2、對于帶寬為4kHz的信道，使用4電平的數(shù)字信號。問：無噪聲情況下信道容量是多少？ 答案：C = 2Wlog2M = 2*4000*log24 =16000b/s,88,練習,3、如果在一個3KHz的信道上發(fā)送一個二進制信號，該信道的信噪比為20dB,則最大可達到的數(shù)據(jù)傳輸率為多少？ 答案：1）20=10*lg(S/N),S/N=100 2）根據(jù)香農(nóng)公式： C=3000*log2(1+S/N)=19.975Kbp