第1章計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

第1章計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)1.1引言1.2計算機網(wǎng)絡(luò)定義和功能1.3計算機網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展1.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)1.5計算機網(wǎng)絡(luò)的定義及分類1.6數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1.7物理層接口1.8傳輸介質(zhì)1.9無線傳輸

1.1引言

當(dāng)前知識經(jīng)濟浪潮中的兩個重要特點就是信息化和全球化，而要實現(xiàn)信息化和全球化，就必須依靠先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

計算機是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，它的產(chǎn)生標(biāo)志著人類開始邁向一個嶄新的信息社會。在20世紀(jì)的最后10年中，人們驚喜地發(fā)現(xiàn)：電話、電視及計算機正在迅速地融合；信息的獲取、存儲、傳輸和處理之間的孤島現(xiàn)象隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而逐漸消失；曾經(jīng)獨立發(fā)展的電信網(wǎng)、電視網(wǎng)和計算機網(wǎng)將合而為一；新的信息產(chǎn)業(yè)正以強勁的勢頭迅速崛起。1993年9月，美國政府發(fā)布了一個在全世界引起巨大反響的行動計劃，那就是“國家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)NII”行動綱要。NII是NationalInformationInfrastructure的縮寫，也可譯為國家信息基礎(chǔ)設(shè)施。

1.2計算機網(wǎng)絡(luò)定義和功能

1.數(shù)據(jù)通信利用計算機網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)信息的傳遞是一種全新的電子傳遞方式，比現(xiàn)有的其他通信工具有更多的優(yōu)點，比如它不像電話，需要通話者同時在場，也不像廣播系統(tǒng)，只能是單方向傳遞信息。2.資源共享在計算機網(wǎng)絡(luò)中，有許多昂貴的資源，例如大型數(shù)據(jù)庫、巨型計算機等，用戶可以共享使用這些資源。共享資源包括硬件資源的共享，如打印機、大容量磁盤等。

3.增加可靠性在單個系統(tǒng)內(nèi)，某個資源或計算機的暫時失效將導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，當(dāng)然，可通過替換資源的辦法來維持系統(tǒng)的繼續(xù)運行。4.提高系統(tǒng)處理能力單機系統(tǒng)的處理能力是有限的，且由于種種原因，各計算機的忙閑程度也不均勻。1.3計算機網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展1.3.1面向終端的計算機通信網(wǎng)隨著遠(yuǎn)程終端數(shù)量的增多，為了避免一臺計算機使用多個線路控制器，在20世紀(jì)60年代初，出現(xiàn)了多重線路控制器（multilinecontroller），它可和多個遠(yuǎn)程終端相連接（如圖1-1），構(gòu)成面向終端的計算機通信網(wǎng)，它是最原始的計算機網(wǎng)絡(luò)（有人稱其為第一代計算機網(wǎng)絡(luò)）。圖1-1面向終端的計算機通信網(wǎng)計算機調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器多重線路控制器終端數(shù)字信號模擬信號數(shù)字信號公共電話網(wǎng)圖1-2用前端處理機實現(xiàn)的聯(lián)機系統(tǒng)計算機調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器終端前端處理機公用電話網(wǎng)1.3.2基于交換的計算機通信網(wǎng)在面向終端的計算機網(wǎng)絡(luò)中，用戶通過終端命令以交互方式使用計算機，從而將單一計算機系統(tǒng)的各種資源共享給各個用戶。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用極大地刺激了用戶使用計算機的熱情，使計算機用戶的數(shù)量迅速增加。

電路交換技術(shù)本來是為電話通信而設(shè)計的，對于計算機網(wǎng)絡(luò)來說，建立通路的呼叫過程太長，必須尋找新的適合于計算機通信的交換技術(shù)。

ARPANET網(wǎng)的成功運行使計算機網(wǎng)絡(luò)的概念發(fā)生了根本變化。

圖1-3從以單個主機為中心演變到以通信子網(wǎng)為中心通信子網(wǎng)（分組交換網(wǎng)）1.3.3計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成在網(wǎng)絡(luò)中，相互通信的計算機必須高度協(xié)調(diào)工作，而這種“協(xié)調(diào)”是相當(dāng)復(fù)雜的。為了降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，早在當(dāng)初設(shè)計ARPANET時專家就提出了層次模型思想。

OSI參考模型的推出使網(wǎng)絡(luò)發(fā)展道路走向標(biāo)準(zhǔn)化，而網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化的最大體現(xiàn)就是Internet的飛速發(fā)展。1.3.4局域網(wǎng)的形成在計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程中，另一個重要階段就是在20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的局域網(wǎng)。由于微型計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用的普及，人們迫切需要將眾多的微機組成網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)就是在一個有限區(qū)域范圍內(nèi)將眾多微型計算機連接在一起實現(xiàn)信息交換和信息共享。1.3.5Internet時代的到來進入20世紀(jì)80年代末期以來，在計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最引人注目的就是起源于美國的Internet的飛速發(fā)展。Internet的原意就是互聯(lián)網(wǎng)，全國自然科學(xué)名詞審定委員會推薦的譯名是“因特網(wǎng)”。NGI計劃要實現(xiàn)的一個目標(biāo)是：開發(fā)下一代網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以比現(xiàn)在的Internet高100倍的速率連接至少100個研究機構(gòu)，以比現(xiàn)在的Internet高1000倍的速率連接10個類似的網(wǎng)點；其端到端的傳輸速率要超過100Mb/s至10Gb/s。另一個目標(biāo)是使用更加先進的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)和開發(fā)許多帶有革命性的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、有關(guān)能源和地球系統(tǒng)的研究、高性能的全球通信、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、緊急情況處理等。1.3.6計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計算機網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過第一代、第二代和第三代的發(fā)展，表現(xiàn)出其巨大的使用價值和廣闊的應(yīng)用前景。高速網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)主要是圖像、多媒體、實時系統(tǒng)和分布計算。圖像應(yīng)用包括圖像文本管理、可視化工具、醫(yī)療圖像、出版、計算機輔助設(shè)計和輔助制造、建筑設(shè)計制圖和指紋驗證等。

1.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)

1.4.1分層次的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

1.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在計算機網(wǎng)絡(luò)中要做到有條不紊地交換數(shù)據(jù)，就必須遵守一些事先約定好的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下三個要素組成：

語法，即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)、格式和編碼。

語義，即需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種應(yīng)答。

同步，即事件實現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。2.協(xié)議分層為了減少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計的復(fù)雜性，協(xié)議的設(shè)計者并不是設(shè)計一個單一、巨大的協(xié)議來為所有形式的通信規(guī)定完整的細(xì)節(jié)，而是采用把復(fù)雜的通信問題按一定層次，劃分為許多相對獨立的子功能，然后為每一個子功能設(shè)計一個單獨的協(xié)議，即每層對應(yīng)一個協(xié)議。圖1-4郵政系統(tǒng)分層模型用戶（寫信人）用戶（收信人）郵政局郵政局運輸部門運輸部門用戶子系統(tǒng)郵政子系統(tǒng)運輸子系統(tǒng)用戶間約定郵局間約定運輸部門間約定用戶/郵局約定郵局/運輸部門約定甲地乙地3.網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中分層模型和各層協(xié)議的集合。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的描述必須包括足夠的信息，以方便為每一功能層進行硬件設(shè)計或編寫程序，并使之符合相關(guān)協(xié)議。1)物理層物理層的任務(wù)就是透明地傳送比特流。在物理層上所傳數(shù)據(jù)的單位是比特，它關(guān)心的問題是：使用什么樣的物理信號來表示數(shù)據(jù)“0”和“1”；“0”和“1”持續(xù)的時間多長；數(shù)據(jù)傳輸是否可同時在兩個方向上進行；最初的連接如何建立和完成通信后連接如何終止；物理接口（插頭和插座）有多少針以及各針的功能。圖1-5一個原理性的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層物理層543212)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)是在兩個相鄰節(jié)點間的線路上無差錯地傳送以幀（frame）為單位的數(shù)據(jù)。每一幀包括數(shù)據(jù)和必要的控制信息。在傳送數(shù)據(jù)時，若接收節(jié)點檢測到所收到的數(shù)據(jù)中有差錯，就要通知發(fā)方重發(fā)這一幀，直到這一幀正確無誤地到達接收節(jié)點為止。3)網(wǎng)絡(luò)層在計算機網(wǎng)絡(luò)中進行通信的兩個計算機之間可能要經(jīng)過許多個節(jié)點和鏈路，也可能還要經(jīng)過好幾個不同的通過路由器互連的通信子網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)的傳送單位是分組（或包），因此要將發(fā)送方主機送來的報文分割成若干個分組。4)傳輸層

傳輸層的任務(wù)是根據(jù)下面通信子網(wǎng)的特性最佳地利用網(wǎng)絡(luò)資源，并以可靠和經(jīng)濟的方式為兩端主機（也就是源站和目的站）的進程之間建立一條傳輸連接，以透明地傳送報文。

5)應(yīng)用層

應(yīng)用層在體系結(jié)構(gòu)中是最高層。它的任務(wù)是確定進程之間通信的性質(zhì)，以滿足用戶的需要。圖1-6數(shù)據(jù)在各層之間的傳遞過程1.4.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與實體服務(wù)在計算機網(wǎng)絡(luò)中是一個極其重要的概念。在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，所謂服務(wù)就是網(wǎng)絡(luò)中的各層向其相鄰上層提供一組操作，是相鄰兩層之間的界面。由于網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)中的單向依賴關(guān)系，使得網(wǎng)絡(luò)中相鄰層之間的界面也是單向的。

另一方面，在研究網(wǎng)絡(luò)進行信息交換時，用實體（entity）來表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件對象，每一層至少存在一個實體，在不同主機上，同一層內(nèi)的實體稱為對等實體，N層實體實現(xiàn)的服務(wù)為N+1層所利用，而N層則要利用N-1層所提供的服務(wù)。N層實體可以向N+1層提供幾類服務(wù)。

圖1-7相鄰兩層之間的關(guān)系服務(wù)用戶服務(wù)用戶服務(wù)提供者提供服務(wù)交換原語交換原語協(xié)議SAPSAPN+1層N層1.4.3服務(wù)原語“服務(wù)”在形式上是用一組原語來描述的，這些原語供用戶和其他實體訪問該服務(wù)，或者向用戶實體報告某事件的發(fā)生。服務(wù)原語可以劃分為如表1-1所示的4類。表1-14類服務(wù)原語原

語意

義請求(request)用戶實體要求服務(wù)做某項工作指示(indicate)用戶實體被告知某事件發(fā)生響應(yīng)(response)用戶實體表示對某事件的響應(yīng)確認(rèn)(confirm)用戶實體收到關(guān)于它的請求的答復(fù)

使用了下述8個服務(wù)原語：

(1)連接請求：服務(wù)用戶請求建立一個連接。

(2)連接指示：服務(wù)提供者向被呼叫方示意有人請求建立連接。

(3)連接響應(yīng)：被呼叫方用來表示接受建立連接的請求。

(4)連接確認(rèn)：服務(wù)提供者通知呼叫方建立連接的請求已被接受。(5)數(shù)據(jù)請求：請求服務(wù)提供者把數(shù)據(jù)傳給對方。(6)數(shù)據(jù)指示：表示數(shù)據(jù)到達。(7)斷連請求：請求釋放連接。

(8)斷連指示：釋放連接請求到達對等端?？疾橐幌翧打電話邀請B到家來喝茶的步驟：(l)連接請求：A撥B家的電話號碼。(2)連接指示：B家的電話鈴響了。(3)連接響應(yīng)：B拿起了電話。(4)連接確認(rèn)：A聽到響鈴?fù)Ｖ埂?5)數(shù)據(jù)請求：A邀請B來喝茶。(6)數(shù)據(jù)指示：B聽到了A的邀請。(7)數(shù)據(jù)請求：B說她很高興來。(8)數(shù)據(jù)指示：A聽到B接受邀請。(9)斷連請求：A掛斷電話。(10)斷連指示：B聽到了，也掛斷電話。

圖1-8服務(wù)原語的應(yīng)用tN+1層N層N層N+1層（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）系統(tǒng)A系統(tǒng)B1.4.4ISO-OSI的體系結(jié)構(gòu)

OSI參考模型中采用了7個層次的體系結(jié)構(gòu)，也就是將前面所講的原理性體系結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用層再劃分為三個層次。這三個層次從上到下的名稱是：應(yīng)用層、表示層和會話層。會話層不參與具體的數(shù)據(jù)傳輸，但它卻對數(shù)據(jù)傳輸進行管理。它在兩個互相通信的進程之間建立、組織和協(xié)調(diào)其交互。1.4.5TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)

TCP/IP最初是為ARPANET網(wǎng)開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)主要由兩個重要協(xié)議，即TCP協(xié)議和IP協(xié)議而得名，實際上，TCP/IP體系包含了大量的協(xié)議和應(yīng)用，它是由大量協(xié)議組成的集合，簡稱為TCP/IP協(xié)議集。

TCP/IP協(xié)議體系分為四個層次（見圖l-9）。圖1-9TCP/IP與ISO-OSI體系結(jié)果的對比TCP/IP的最高層是應(yīng)用層。再往下的一層是TCP/IP的傳輸層，也叫做主機到主機層。這一層可使用兩種不同的協(xié)議：一種是面向連接的傳輸控制協(xié)議（TCP－TransmissionControlProtocol），另一種是無連接的用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP－UserDataProtocol）。傳輸層傳送的數(shù)據(jù)單位是報文（message）或數(shù)據(jù)流（stream）。報文也常稱為報文段（segment）。

傳輸層下面是TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)互連層，其主要的協(xié)議就是無連接的網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議（IP－InternetProtocol）。該層傳送的數(shù)據(jù)單位是分組（packet）。

圖l-9給出了TC/IP與ISO－OSI這兩種體系結(jié)構(gòu)的對比。值得注意的是，在一些問題的處理上，TCP/IP與OSI有很大不同。

(1)?TCP/IP一開始就考慮到多種異構(gòu)網(wǎng)的互連問題，并將網(wǎng)際協(xié)議IP作為TCP/IP的重要組成部分。

(2)?TCP/IP一開始就對面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)并重，而OSI在開始時只強調(diào)面向連接服務(wù)。

(3)?TCP/IP有較好的網(wǎng)絡(luò)管理功能，而OSI到后來才開始考慮這個問題。

1.5計算機網(wǎng)絡(luò)的定義及分類

1.5.1局域網(wǎng)局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）是指范圍在幾百米到十幾公里內(nèi)，辦公樓群或校園內(nèi)的計算機相互連接所構(gòu)成的計算機網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)局域網(wǎng)具有高數(shù)據(jù)傳輸率（10Mb/s或100Mb/s）、低延遲和低誤碼率的特點。新型局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率可達每秒千兆位甚至更高。局域網(wǎng)有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常用的有總線型、星形、環(huán)形等（如圖1-10）。圖1-10局域網(wǎng)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.5.2城域網(wǎng)城域網(wǎng)（MetroPolitanAreaNetwork，MAN）所采用的技術(shù)基本上與局域網(wǎng)相類似，只是規(guī)模上要大一些。城域網(wǎng)既可以覆蓋相距不遠(yuǎn)的幾棟辦公樓，也可以覆蓋一個城市。

DQDB采用兩條平行的單向總線（如圖1-11），這兩條平行的單向總線貫穿于整個城市，每個站點都同時與這兩條總線相連。

圖1-11DQDB城域網(wǎng)示意圖…123N總線A總線B總線A上的數(shù)據(jù)流向總線B上的數(shù)據(jù)流向端接點計算機1.5.3廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)（WideAreaNetwork，WAN）通?？缃雍艽蟮奈锢矸秶?，如一個行業(yè)、一個國家。廣域網(wǎng)包含很多用來運行用戶應(yīng)用程序的機器集合，通常把這些機器叫做主機（host）。圖1-12廣域網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)通信子網(wǎng)IMP1.5.4互聯(lián)網(wǎng)目前世界上有許多網(wǎng)絡(luò)，不同網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)、協(xié)議和所采用的標(biāo)準(zhǔn)是各不相同的。如果連接到不同網(wǎng)絡(luò)的用戶需要進行相互通信，就需要將這些不兼容的網(wǎng)絡(luò)通過稱為網(wǎng)關(guān)（gateway）的設(shè)備連接起來，并由網(wǎng)關(guān)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)換功能。由多個網(wǎng)絡(luò)相互連接構(gòu)成的集合稱為互聯(lián)網(wǎng)（internetworking）?；ヂ?lián)網(wǎng)的最常見形式是多個局域網(wǎng)通過廣域網(wǎng)連接起來。1.5.5無線網(wǎng)無線網(wǎng)特別是無線局域網(wǎng)有很多優(yōu)點，如易于安裝和使用。無線網(wǎng)是當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點，無線網(wǎng)的研究是由巨大的市場需求驅(qū)動的。無線網(wǎng)的特點是使用戶可以在任何時間、任何地點接入計算機網(wǎng)絡(luò)，而這一特性使其具有強大的應(yīng)用前景。當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了許多基于無線網(wǎng)的產(chǎn)品，如個人通信系統(tǒng)（PCS－PersonalCommunicationSystem）電話、無線數(shù)據(jù)終端、便攜式可視電話、個人數(shù)字助理等。

1.6數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

1.6.1信道與信號在通信系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)分為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（具有離散值，如字符串等）和模擬數(shù)據(jù)（在某時間間隔中具有連續(xù)的值，如音頻數(shù)據(jù)）兩種類型。在數(shù)據(jù)通信時，要將數(shù)據(jù)編碼（變換）為電信號的形式從一點傳到另一點。

圖1-13信號的表示(a)數(shù)字信號；(b)模擬信號周期幅度時間t0f1f2A(a)(b)

At1.6.2模擬通信利用模擬信號來傳遞數(shù)據(jù)的過程稱為模擬通信，普通電話、廣播、電視等都屬于模擬通信。

模擬通信系統(tǒng)一般由信源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器、信宿以及噪聲源組成（如圖1-14所示）。圖1-14模擬通信系統(tǒng)模型信源調(diào)制器信道解調(diào)器信宿噪聲源1.6.3數(shù)字通信利用數(shù)字信號來傳遞數(shù)據(jù)的過程稱為數(shù)字通信，計算機通信、數(shù)字電話、數(shù)字電視等都屬于數(shù)字通信。

數(shù)字通信系統(tǒng)一般由信源、編碼器、信道、解碼器、信宿以及發(fā)送端和接收端時鐘同步組成（如圖1-15）。發(fā)送端信源所產(chǎn)生的原始信號通常要經(jīng)過編碼器編碼后進入信道傳輸，在接收端經(jīng)解碼器解碼還原。圖1-15數(shù)字通信系統(tǒng)模型接收端信源編碼器信道解碼器信宿噪聲源發(fā)送端1.6.4傳輸特性與傳輸方式盡管模擬信號和數(shù)字信號都可以在合適的信道上進行傳輸，但模擬信號和數(shù)字信號之間還是有區(qū)別的。

1.抗干擾能力強模擬通信系統(tǒng)在傳輸模擬信號過程中，噪聲將疊加在有用的模擬信號上，接收端很難將信號和噪聲分開，因而模擬通信系統(tǒng)的抗干擾能力比較差。2.實現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離通信由于模擬通信時，噪聲是疊加在有用的模擬信號上，而通信系統(tǒng)中的模擬放大器無法將有用的信號與噪聲分開，因此只好將有用信號和噪聲同時放大。

3.適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)在數(shù)字通信系統(tǒng)中，各種數(shù)據(jù)（電報、電話、圖像和語音等）都可以被變換為統(tǒng)一的二進制數(shù)字信號進行傳輸，所以數(shù)字通信系統(tǒng)能靈活地適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)。4.保密性強由于數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因而在傳輸過程中，可以對信號進行各種數(shù)字處理：如存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、復(fù)制、加密、檢錯、糾錯等。1.6.5帶寬與數(shù)據(jù)傳輸率在通信模型中我們已經(jīng)看到，信號由發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)過信道傳輸。信號是時間的函數(shù)，但也可以表示為頻率的函數(shù)。根據(jù)傅立葉信號分析理論，任何信號都是由各種頻率的成分組成，其中每一成分都是正弦波（或余弦波）。舉例來說，假如某信號按傅立葉變換后為

s(t)＝sin2πft+l/3sin3(2πft)+l/5sin5(2πft)(1-1)

圖1-16信號及其頻譜(a)?s(t)信號的頻譜圖；(b)非周期矩形脈沖數(shù)字信號及其頻譜-t/2t/2s(t)時間1/T2/T3/T4/T

頻率S(f)(a)(b)

?f5f3f11/31/5頻率S(f)圖1-17信道截止頻率(a)單(代)通濾波器；(b)雙(帶)通濾波器??f2??f??f?fc??f10.707AA0.707(a)(b)1.6.6數(shù)據(jù)編碼前面提到，數(shù)據(jù)經(jīng)編碼成數(shù)字（或模擬）信號后才能傳輸。對于數(shù)字信號傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)源（可能是模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)）編碼成數(shù)字信號s(t)，s(t)的實際形式取決于編碼技術(shù)。

1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號數(shù)字信號是一系列離散的不連續(xù)的電壓脈沖，每一脈沖稱為一個信號碼元。編碼技術(shù)就是從數(shù)據(jù)比特到信號碼元的變換。NRZ編碼有缺點，它難以決定一位的結(jié)束和另一位的開始，需要有某種方法來使發(fā)送器和接收器進行定時或同步。另一種是差分曼徹斯特編碼，如圖1-18(c)所示圖1-18數(shù)字信號編碼(a)單極性不歸零制編碼(NRZ)；(b)曼徹斯特編碼；(c)差分曼徹斯特編碼位值001101(a)(b)(c)高H低L高H低L高H低L2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼成模擬信號將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的編碼（調(diào)制）技術(shù)有：調(diào)幅（ASK）、調(diào)頻（FSK）、調(diào)相（PSK）三種技術(shù)，如圖1-19所示。

圖1-19三種調(diào)制技術(shù)(a)ASK；(b)FSK；(c)PSK3.模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號實際上，將模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號稱為模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)更為確切，即模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化。一旦模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以按以下三種方式傳輸：

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以用NRZ編碼成數(shù)字信號后傳輸。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進行諸如差分曼徹斯特編碼后，進行數(shù)字傳輸。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采用ASK、PSK、FSK調(diào)制技術(shù)編碼后，進行模擬傳輸。1)(PCM）

PCM技術(shù)基于取樣理論：“如果信號f?(t)以均勻時間間隔，高于最高的明顯信號頻率的兩倍速率取樣，那么樣本包含了原信號的所有信息。

在圖l-20(c)中，我們可以看到每一個PAM脈沖用一個3比特的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來近似表示，這樣就可以用8＝23個電平值近似表示PAM脈沖。圖1-20PCM編碼(a)原始信號；(b)PAM脈沖；(c)PCM脈沖；(d)PCM輸出(d)0110011100010111101003.01.46.21.32.85.9431613640002)(DM）在DM中，對于模擬數(shù)據(jù)，在每一個取樣時刻上移或下移一個量化電平（電平的一個數(shù)量單位），如圖1-21(a)所示，使得原信號由一階梯函數(shù)近似表示。在階梯函數(shù)中，若某取樣時刻是上移則產(chǎn)生一個1，若是下移則產(chǎn)生一個0，從而得到圖l-21（b）所示的DM輸出，即將模擬信號數(shù)字化為DM編碼。圖1-21DM編碼

(a)原信號及階梯函數(shù)；(b)?DM編碼(a)(b)4.模擬數(shù)據(jù)編碼為模擬信號我們已經(jīng)知道調(diào)制就是將輸入信號與頻率為fc的載波結(jié)合起來，以產(chǎn)生通常帶寬中心位于fc的信號的過程。對于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，當(dāng)只有模擬傳輸可用時，需要將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變?yōu)槟M信號。若模擬數(shù)據(jù)不加變換地在原頻譜上經(jīng)信道傳輸（稱為模擬基帶傳輸），有很多局限性（基帶傳輸占有信道的全部帶寬）。為有效地傳輸，就要對信號進行一些處理，即調(diào)制，變?yōu)轭l帶傳輸。1.6.7數(shù)據(jù)通信方式

1.數(shù)據(jù)同步傳輸數(shù)據(jù)通信中，通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要有高度的協(xié)同動作。通常，數(shù)據(jù)經(jīng)信道一次一比特的傳播。

1)異步方式

在這種方式中，每傳送一個字符（5位或8位）都在每個字符碼前加一個起始位，以表示字符代碼的開始，在字符代碼和校驗碼后面加一個停止位，表示字符結(jié)束。

2)同步方式同步方式的每個字符前后并不附加起止位作為字符的邊界，而是在發(fā)送字符之前先發(fā)送一組同步字符，通常為8位或16位，使收發(fā)雙方進入同步。

2.差錯控制常見的差錯控制技術(shù)有：奇偶校驗、循環(huán)冗余校驗、海明碼等。1.6.8多路復(fù)用技術(shù)

在通信系統(tǒng)中，一些高容量的同軸電纜、地面微波、衛(wèi)星設(shè)施以及光纜，其可傳輸?shù)念l率帶寬很寬，為了高效合理地利用資源，通常采用多路復(fù)用技術(shù)，使多路數(shù)據(jù)信號共同使用一條線路進行傳輸，即利用一個物理信道同時傳輸多個信號，如圖1-22所示。圖1-22多路復(fù)用技術(shù)MUXDEMUXn個輸入n個輸出1條鏈路，n個信道1.頻分多路復(fù)用（FDM）頻分復(fù)用的典型例子有許多，如無線電廣播、無線電視中將多個電臺或電視臺的多組節(jié)目對應(yīng)的聲音、圖像信號分別載在不同頻率的無線電波上，同時在同一無線空間中傳播，接收者根據(jù)需要接收特定的某種頻率的信號收聽或收看。2.時分復(fù)用（TDM）時分多路復(fù)用是將傳輸信號的時間進行分割，使不同的信號在不同時間內(nèi)傳送，即將整個傳輸時間分為許多時間間隔（稱為時隙、時間片等，slottime），每個時間片被一路信號占用。

圖1-23多路復(fù)用技術(shù)分類(a)頻分多路復(fù)用；(b)時分多路復(fù)用信道1（f1）信道2（f2）信道3（f3）信道4（f4）信道5（f5）信道6（f6）多路復(fù)用器信號源1信號源2信號源3信號源4信號源5信號源6多路復(fù)用器信號源1信號源2信號源3信號源4信號源5信號源61??23?4?5?6?12?3?4?5?6(a)(b)123456123456多路復(fù)用器多路復(fù)用器

1)同步時分復(fù)

同步時分復(fù)用采用固定時間片分配方式，即將傳輸信號的時間按特定長度連續(xù)地劃分成特定時間段，再將每一時間段劃分成等長度的多個時隙（時間片），每個時隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號，各路數(shù)字信號在每一時間段都順序分配到一個時隙。

2)異步時分復(fù)異步時分復(fù)用技術(shù)又被稱為統(tǒng)計時分復(fù)用（statisticaltimedivisionmultiplexing）或智能時分復(fù)用（ITDM），它能動態(tài)地按需分配時隙，避免每個時間段中出現(xiàn)空閑時隙。

1.6.9數(shù)據(jù)交換技術(shù)

數(shù)據(jù)通信最簡單的形式是在兩個用某種傳輸介質(zhì)直接連接的設(shè)備之間進行通信，但這是不現(xiàn)實的，通常是要經(jīng)過有中間節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)來把數(shù)據(jù)從源地發(fā)往目的地，以此實現(xiàn)通信。這些中間節(jié)點并不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容，其目的是提供一個交換設(shè)備，用它把數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點直至到達目的地，如圖1-24所示1.電路交換（circuitswitching）電路交換是一種直接的交換方式，它為一對需要進行通信的站之間提供一條臨時的專用傳輸鏈路，它既可以是物理鏈路又可以是邏輯鏈路（使用時分或頻分復(fù)用技術(shù)）。電路交換的通信包括三個階段，結(jié)合圖1-24解釋如下：①電路建立：通過源站點連接請求完成交換網(wǎng)中對應(yīng)的所需逐個節(jié)點的接續(xù)（連接）過程，以建立起一條由源站到目的站的傳輸鏈路。②

數(shù)據(jù)傳輸：現(xiàn)在信號可以從A經(jīng)建立的鏈路傳送到D，通常為全雙工傳輸。③

電路拆除：在完成數(shù)據(jù)傳輸后，由源站或目的站提出終止通信要求，各節(jié)點相應(yīng)拆除該電路的對應(yīng)連接，釋放由該電路占用的節(jié)點和信道資源。

電路交換具有下列特點：呼叫建立時間長且存在呼損。

電路連通后提供給用戶的是“透明通路”，即交換網(wǎng)對用戶信息的編碼方法、信息格式以及傳輸控制程序等都不加以限制，但對通信雙方而言，必須做到雙方的收發(fā)速度、編碼方法、信息格式、傳輸控制等一致才能完成通信。

一旦電路建立后，數(shù)據(jù)以固定的數(shù)據(jù)率傳輸，除通過傳輸鏈路的傳播延遲以外，沒有別的延遲。在每個節(jié)點的延遲是可以忽略的，適用于實時大批量連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。

線路利用率低。電路建立、數(shù)據(jù)傳輸，直至通信鏈路拆除為止，鏈路是專用的，再加上通信建立時間、拆除時間和呼損，其利用率較低。2.報文交換（messageswitching）在數(shù)據(jù)交換是相對較為連續(xù)的數(shù)據(jù)流時（如話音），電路交換是一種適宜的、易于使用的技術(shù)。數(shù)據(jù)通信還使用一種報文交換，在報文交換網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常為一臺專用計算機，它有足夠的存儲，以便在報文進入時，進行緩沖存儲。3.分組交換（packetswitching）分組交換（即包交換）是針對報文交換的缺點而提出的一種改進方式。分組交換屬于“存儲/轉(zhuǎn)發(fā)”交換方式，但它不像報文交換那樣以報文為單位進行交換、傳輸，而是以更短的、標(biāo)準(zhǔn)的報文“分組”（packet）為單位進行交換傳輸。

如圖1-24，假如A站有一份比較長的報文要發(fā)送給C站。則它首先將報文按規(guī)定長度劃分成若干分組，每個分組附加上地址及糾錯等其他信息，然后將這些分組順序發(fā)送到交換網(wǎng)的節(jié)點4。分組交換又可采用兩種方式：數(shù)據(jù)報傳輸分組交換和虛電路傳輸分組交換。

1)數(shù)據(jù)報傳輸分組交換

2)虛電路傳輸分組交換

圖1-25三種交換的比較(a)電路交換；(b)報文交換；(c)分組交換

1.7物理層接口

1.7.1物理層的基本概念物理層的任務(wù)是保證在各種計算機的傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的比特流。大家知道，現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備和傳輸介質(zhì)的種類非常繁多，而通信手段也有許多不同的方式。

物理層規(guī)程主要是描述和確定與傳輸介質(zhì)有關(guān)的接口的一些特性，即:①機械特性②電氣特性③功能特性④規(guī)程特性1.7.2RS-232-C接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA制訂的著名物理層標(biāo)準(zhǔn)。它最早是1962年制訂的標(biāo)準(zhǔn)RS-232。這里，RS表示EIA的一種“推薦標(biāo)準(zhǔn)”，232是個編號。圖1-26兩個DTE通過DCE進行通信用戶環(huán)境用戶環(huán)境網(wǎng)絡(luò)DTE-ADTE-BDCE-ADCE-B用戶設(shè)施用戶設(shè)施通信環(huán)境通信設(shè)施串行比特傳輸RS-232接口RS-232接口RS-232標(biāo)準(zhǔn)的一些主要特點如下所述。機械特性方面：RS-232使用ISO2110關(guān)于插頭座的標(biāo)準(zhǔn)，它使用25根引腳的DB-25插頭座。電氣性能方面：RS-232采用負(fù)邏輯。功能特性方面：它規(guī)定了什么電路應(yīng)當(dāng)連接到25根引腳中的哪一根以及該引腳的作用。規(guī)程特性方面：規(guī)定了在DTE與DCE之間所發(fā)生的事件的合法序列。規(guī)程特性方面：規(guī)定了在DTE與DCE之間所發(fā)生的事件的合法序列。1.7.3RS-449接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)有兩個較大的弱點，即：

(1)數(shù)據(jù)的傳輸速率最高為20kb/s；(2)連接電纜的最大長度不超過

15m。

RS-449

規(guī)定接口的機械特性、功能特性和過程特性。

RS-423-A

RS-422-A

1.8傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)是通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送方和接收方之間的物理通路。傳輸介質(zhì)的特性對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信質(zhì)量有很大影響。這些特性包括：

(1)物理描述：說明傳輸介質(zhì)的特征。

(2)傳輸特性：使用模擬信號發(fā)送還是數(shù)字信號發(fā)送，調(diào)制技術(shù)、傳輸容量及傳輸?shù)念l率范圍等。

(3)連通性：點到點或者多點連接。

(4)地理范圍：網(wǎng)上各節(jié)點間和整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最大距離。

(5)抗干擾性：防止噪音對傳輸數(shù)據(jù)影響的能力。

(6)相對價格：以元件、安裝和維護的價格為基礎(chǔ)。1.8.1雙絞線雙絞線是最古老但又最常用的傳輸介質(zhì)。把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合起來就構(gòu)成了雙絞線。模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里。表1-2是特性阻抗為100Ω的UTP中的3類線和5類線以及150Ω的STP的衰減比較。表1-2無屏蔽雙絞線與屏蔽雙絞線的衰減特性傳

輸

率/Mb/s每100m長的衰減/dBUTP3類UTP5類150ΩSTP12.62.01.145.64.12.21613.18.24.425–10.46.2100–22.012.3300––21.41.8.2同軸電纜

同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層（也可以是單股的）以及塑料保護外層所組成（圖1-28）。由于外導(dǎo)體屏蔽層的作用，同軸電纜具有很好的抗干擾特性，因此被廣泛用于較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。圖1-28同軸電纜的結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體銅芯線外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層塑料保護外層l.50Ω同軸電纜

50Ω同軸電纜也稱為基帶電纜，用作數(shù)字通信，傳送基帶數(shù)字信號。

2.75Ω同軸電纜這種同軸電纜主要用作模擬傳輸系統(tǒng)，它是有線電視系統(tǒng)CATV中標(biāo)準(zhǔn)的傳輸電纜。在這種電纜上傳送的信號采用了頻分