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文檔簡(jiǎn)介
第1章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)1.1引言1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)定義和功能1.3計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義及分類(lèi)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(wú)線傳輸
1.1引言
當(dāng)前知識(shí)經(jīng)濟(jì)浪潮中的兩個(gè)重要特點(diǎn)就是信息化和全球化,而要實(shí)現(xiàn)信息化和全球化,就必須依靠先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一,它的產(chǎn)生標(biāo)志著人類(lèi)開(kāi)始邁向一個(gè)嶄新的信息社會(huì)。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(jì)算機(jī)正在迅速地融合;信息的獲取、存儲(chǔ)、傳輸和處理之間的孤島現(xiàn)象隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而逐漸消失;曾經(jīng)獨(dú)立發(fā)展的電信網(wǎng)、電視網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)將合而為一;新的信息產(chǎn)業(yè)正以強(qiáng)勁的勢(shì)頭迅速崛起。1993年9月,美國(guó)政府發(fā)布了一個(gè)在全世界引起巨大反響的行動(dòng)計(jì)劃,那就是“國(guó)家信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)NII”行動(dòng)綱要。NII是NationalInformationInfrastructure的縮寫(xiě),也可譯為國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施。
1.2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)定義和功能
1.數(shù)據(jù)通信利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(diǎn),比如它不像電話,需要通話者同時(shí)在場(chǎng),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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,有許多昂貴的資源,例如大型數(shù)據(jù)庫(kù)、巨型計(jì)算機(jī)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(jī)、大容量磁盤(pán)等。
3.增加可靠性在單個(gè)系統(tǒng)內(nèi),某個(gè)資源或計(jì)算機(jī)的暫時(shí)失效將導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓,當(dāng)然,可通過(guò)替換資源的辦法來(lái)維持系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行。4.提高系統(tǒng)處理能力單機(jī)系統(tǒng)的處理能力是有限的,且由于種種原因,各計(jì)算機(jī)的忙閑程度也不均勻。1.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展1.3.1面向終端的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)隨著遠(yuǎn)程終端數(shù)量的增多,為了避免一臺(tái)計(jì)算機(jī)使用多個(gè)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(gè)遠(yuǎn)程終端相連接(如圖1-1),構(gòu)成面向終端的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng),它是最原始的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(有人稱(chēng)其為第一代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))。圖1-1面向終端的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)計(jì)算機(jī)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(hào)模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)公共電話網(wǎng)圖1-2用前端處理機(jī)實(shí)現(xiàn)的聯(lián)機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器終端前端處理機(jī)公用電話網(wǎng)1.3.2基于交換的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)在面向終端的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中,用戶通過(guò)終端命令以交互方式使用計(jì)算機(jī),從而將單一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種資源共享給各個(gè)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(jì)算機(jī)的熱情,使計(jì)算機(jī)用戶的數(shù)量迅速增加。
電路交換技術(shù)本來(lái)是為電話通信而設(shè)計(jì)的,對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),建立通路的呼叫過(guò)程太長(zhǎng),必須尋找新的適合于計(jì)算機(jī)通信的交換技術(shù)。
ARPANET網(wǎng)的成功運(yùn)行使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念發(fā)生了根本變化。
圖1-3從以單個(gè)主機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)的復(fù)雜性,早在當(dāng)初設(shè)計(jì)ARPANET時(shí)專(zhuān)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程中,另一個(gè)重要階段就是在20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的局域網(wǎng)。由于微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用的普及,人們迫切需要將眾多的微機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)就是在一個(gè)有限區(qū)域范圍內(nèi)將眾多微型計(jì)算機(jī)連接在一起實(shí)現(xiàn)信息交換和信息共享。1.3.5Internet時(shí)代的到來(lái)進(jìn)入20世紀(jì)80年代末期以來(lái),在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最引人注目的就是起源于美國(guó)的Internet的飛速發(fā)展。Internet的原意就是互聯(lián)網(wǎng),全國(guó)自然科學(xué)名詞審定委員會(huì)推薦的譯名是“因特網(wǎng)”。NGI計(jì)劃要實(shí)現(xiàn)的一個(gè)目標(biāo)是:開(kāi)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(gè)研究機(jī)構(gòu),以比現(xiàn)在的Internet高1000倍的速率連接10個(gè)類(lèi)似的網(wǎng)點(diǎn);其端到端的傳輸速率要超過(guò)100Mb/s至10Gb/s。另一個(gè)目標(biāo)是使用更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)和開(kāi)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(cè)和預(yù)報(bào)、緊急情況處理等。1.3.6計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)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(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。高速網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)主要是圖像、多媒體、實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分布計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助制造、建筑設(shè)計(jì)制圖和指紋驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要由以下三個(gè)要素組成:
語(yǔ)法,即數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)、格式和編碼。
語(yǔ)義,即需要發(fā)出何種控制信息,完成何種動(dòng)作以及做出何種應(yīng)答。
同步,即事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說(shuō)明。2.協(xié)議分層為了減少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,協(xié)議的設(shè)計(jì)者并不是設(shè)計(jì)一個(gè)單一、巨大的協(xié)議來(lái)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(wèn)題按一定層次,劃分為許多相對(duì)獨(dú)立的子功能,然后為每一個(gè)子功能設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的協(xié)議,即每層對(duì)應(yīng)一個(gè)協(xié)議。圖1-4郵政系統(tǒng)分層模型用戶(寫(xiě)信人)用戶(收信人)郵政局郵政局運(yùn)輸部門(mén)運(yùn)輸部門(mén)用戶子系統(tǒng)郵政子系統(tǒng)運(yùn)輸子系統(tǒng)用戶間約定郵局間約定運(yùn)輸部門(mén)間約定用戶/郵局約定郵局/運(yùn)輸部門(mén)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(jìn)行硬件設(shè)計(jì)或編寫(xiě)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(wèn)題是:使用什么樣的物理信號(hào)來(lái)表示數(shù)據(jù)“0”和“1”;“0”和“1”持續(xù)的時(shí)間多長(zhǎng);數(shù)據(jù)傳輸是否可同時(shí)在兩個(gè)方向上進(jìn)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(gè)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(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)間的線路上無(wú)差錯(cuò)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(shí),若接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到所收到的數(shù)據(jù)中有差錯(cuò),就要通知發(fā)方重發(fā)這一幀,直到這一幀正確無(wú)誤地到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)為止。3)網(wǎng)絡(luò)層在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間可能要經(jīng)過(guò)許多個(gè)節(jié)點(diǎn)和鏈路,也可能還要經(jīng)過(guò)好幾個(gè)不同的通過(guò)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(jī)送來(lái)的報(bào)文分割成若干個(gè)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(jì)的方式為兩端主機(jī)(也就是源站和目的站)的進(jìn)程之間建立一條傳輸連接,以透明地傳送報(bào)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(jìn)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(guò)程1.4.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與實(shí)體服務(wù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中是一個(gè)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(lài)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(jìn)行信息交換時(shí),用實(shí)體(entity)來(lái)表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件對(duì)象,每一層至少存在一個(gè)實(shí)體,在不同主機(jī)上,同一層內(nèi)的實(shí)體稱(chēng)為對(duì)等實(shí)體,N層實(shí)體實(shí)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(shí)體可以向N+1層提供幾類(lèi)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(yǔ)交換原語(yǔ)協(xié)議SAPSAPN+1層N層1.4.3服務(wù)原語(yǔ)“服務(wù)”在形式上是用一組原語(yǔ)來(lái)描述的,這些原語(yǔ)供用戶和其他實(shí)體訪問(wèn)該服務(wù),或者向用戶實(shí)體報(bào)告某事件的發(fā)生。服務(wù)原語(yǔ)可以劃分為如表1-1所示的4類(lèi)。表1-14類(lèi)服務(wù)原語(yǔ)原
語(yǔ)意
義請(qǐng)求(request)用戶實(shí)體要求服務(wù)做某項(xiàng)工作指示(indicate)用戶實(shí)體被告知某事件發(fā)生響應(yīng)(response)用戶實(shí)體表示對(duì)某事件的響應(yīng)確認(rèn)(confirm)用戶實(shí)體收到關(guān)于它的請(qǐng)求的答復(fù)
使用了下述8個(gè)服務(wù)原語(yǔ):
(1)連接請(qǐng)求:服務(wù)用戶請(qǐng)求建立一個(gè)連接。
(2)連接指示:服務(wù)提供者向被呼叫方示意有人請(qǐng)求建立連接。
(3)連接響應(yīng):被呼叫方用來(lái)表示接受建立連接的請(qǐng)求。
(4)連接確認(rèn):服務(wù)提供者通知呼叫方建立連接的請(qǐng)求已被接受。(5)數(shù)據(jù)請(qǐng)求:請(qǐng)求服務(wù)提供者把數(shù)據(jù)傳給對(duì)方。(6)數(shù)據(jù)指示:表示數(shù)據(jù)到達(dá)。(7)斷連請(qǐng)求:請(qǐng)求釋放連接。
(8)斷連指示:釋放連接請(qǐng)求到達(dá)對(duì)等端??疾橐幌翧打電話邀請(qǐng)B到家來(lái)喝茶的步驟:(l)連接請(qǐng)求:A撥B家的電話號(hào)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(tīng)到響鈴?fù)V埂?5)數(shù)據(jù)請(qǐng)求:A邀請(qǐng)B來(lái)喝茶。(6)數(shù)據(jù)指示:B聽(tīng)到了A的邀請(qǐng)。(7)數(shù)據(jù)請(qǐng)求:B說(shuō)她很高興來(lái)。(8)數(shù)據(jù)指示:A聽(tīng)到B接受邀請(qǐng)。(9)斷連請(qǐng)求:A掛斷電話。(10)斷連指示:B聽(tīng)到了,也掛斷電話。
圖1-8服務(wù)原語(yǔ)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(gè)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(gè)層次。這三個(gè)層次從上到下的名稱(chēng)是:應(yīng)用層、表示層和會(huì)話層。會(huì)話層不參與具體的數(shù)據(jù)傳輸,但它卻對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行管理。它在兩個(gè)互相通信的進(jìn)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(kāi)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(gè)重要協(xié)議,即TCP協(xié)議和IP協(xié)議而得名,實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)CP/IP協(xié)議集。
TCP/IP協(xié)議體系分為四個(gè)層次(見(jiàn)圖l-9)。圖1-9TCP/IP與ISO-OSI體系結(jié)果的對(duì)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(jī)到主機(jī)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(wú)連接的用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP-UserDataProtocol)。傳輸層傳送的數(shù)據(jù)單位是報(bào)文(message)或數(shù)據(jù)流(stream)。報(bào)文也常稱(chēng)為報(bào)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(wú)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(duì)比。值得注意的是,在一些問(wèn)題的處理上,TCP/IP與OSI有很大不同。
(1)?TCP/IP一開(kāi)始就考慮到多種異構(gòu)網(wǎng)的互連問(wèn)題,并將網(wǎng)際協(xié)議IP作為T(mén)CP/IP的重要組成部分。
(2)?TCP/IP一開(kāi)始就對(duì)面向連接服務(wù)和無(wú)連接服務(wù)并重,而OSI在開(kāi)始時(shí)只強(qiáng)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(lái)才開(kāi)始考慮這個(gè)問(wèn)題。
1.5計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義及分類(lèi)
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(jì)算機(jī)相互連接所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)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(diǎn)。新型局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)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(lèi)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(gè)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(gè)城市,每個(gè)站點(diǎn)都同時(shí)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(diǎn)計(jì)算機(jī)1.5.3廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)(WideAreaNetwork,WAN)通常跨接很大的物理范圍,如一個(gè)行業(yè)、一個(gè)國(guó)家。廣域網(wǎng)包含很多用來(lái)運(yùn)行用戶應(yīng)用程序的機(jī)器集合,通常把這些機(jī)器叫做主機(jī)(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(jìn)行相互通信,就需要將這些不兼容的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)稱(chēng)為網(wǎng)關(guān)(gateway)的設(shè)備連接起來(lái),并由網(wǎng)關(guān)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)換功能。由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)相互連接構(gòu)成的集合稱(chēng)為互聯(lián)網(wǎng)(internetworking)。互聯(lián)網(wǎng)的最常見(jiàn)形式是多個(gè)局域網(wǎng)通過(guò)廣域網(wǎng)連接起來(lái)。1.5.5無(wú)線網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)特別是無(wú)線局域網(wǎng)有很多優(yōu)點(diǎn),如易于安裝和使用。無(wú)線網(wǎng)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn),無(wú)線網(wǎng)的研究是由巨大的市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)的。無(wú)線網(wǎng)的特點(diǎn)是使用戶可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),而這一特性使其具有強(qiáng)大的應(yīng)用前景。當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)了許多基于無(wú)線網(wǎng)的產(chǎn)品,如個(gè)人通信系統(tǒng)(PCS-PersonalCommunicationSystem)電話、無(wú)線數(shù)據(jù)終端、便攜式可視電話、個(gè)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(hào)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(shí)間間隔中具有連續(xù)的值,如音頻數(shù)據(jù))兩種類(lèi)型。在數(shù)據(jù)通信時(shí),要將數(shù)據(jù)編碼(變換)為電信號(hào)的形式從一點(diǎn)傳到另一點(diǎn)。
圖1-13信號(hào)的表示(a)數(shù)字信號(hào);(b)模擬信號(hào)周期幅度時(shí)間t0f1f2A(a)(b)
At1.6.2模擬通信利用模擬信號(hào)來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的過(guò)程稱(chēng)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(hào)來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的過(guò)程稱(chēng)為數(shù)字通信,計(jì)算機(jī)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(shí)鐘同步組成(如圖1-15)。發(fā)送端信源所產(chǎn)生的原始信號(hào)通常要經(jīng)過(guò)編碼器編碼后進(jìn)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(hào)和數(shù)字信號(hào)都可以在合適的信道上進(jìn)行傳輸,但模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間還是有區(qū)別的。
1.抗干擾能力強(qiáng)模擬通信系統(tǒng)在傳輸模擬信號(hào)過(guò)程中,噪聲將疊加在有用的模擬信號(hào)上,接收端很難將信號(hào)和噪聲分開(kāi),因而模擬通信系統(tǒng)的抗干擾能力比較差。2.實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的遠(yuǎn)距離通信由于模擬通信時(shí),噪聲是疊加在有用的模擬信號(hào)上,而通信系統(tǒng)中的模擬放大器無(wú)法將有用的信號(hào)與噪聲分開(kāi),因此只好將有用信號(hào)和噪聲同時(shí)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(bào)、電話、圖像和語(yǔ)音等)都可以被變換為統(tǒng)一的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)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(qiáng)由于數(shù)字通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào),因而在傳輸過(guò)程中,可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種數(shù)字處理:如存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、復(fù)制、加密、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)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(hào)由發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)信道傳輸。信號(hào)是時(shí)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(hào)分析理論,任何信號(hào)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(lái)說(shuō),假如某信號(hào)按傅立葉變換后為
s(t)=sin2πft+l/3sin3(2πft)+l/5sin5(2πft)(1-1)
圖1-16信號(hào)及其頻譜(a)?s(t)信號(hào)的頻譜圖;(b)非周期矩形脈沖數(shù)字信號(hào)及其頻譜-t/2t/2s(t)時(shí)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(hào)后才能傳輸。對(duì)于數(shù)字信號(hào)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(hào)s(t),s(t)的實(shí)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(hào)數(shù)字信號(hào)是一系列離散的不連續(xù)的電壓脈沖,每一脈沖稱(chēng)為一個(gè)信號(hào)碼元。編碼技術(shù)就是從數(shù)據(jù)比特到信號(hào)碼元的變換。NRZ編碼有缺點(diǎn),它難以決定一位的結(jié)束和另一位的開(kāi)始,需要有某種方法來(lái)使發(fā)送器和接收器進(jìn)行定時(shí)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(hào)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(hào)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)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(hào)實(shí)際上,將模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號(hào)稱(chēng)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(hào)后傳輸。
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行諸如差分曼徹斯特編碼后,進(jìn)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(jìn)行模擬傳輸。1)(PCM)
PCM技術(shù)基于取樣理論:“如果信號(hào)f?(t)以均勻時(shí)間間隔,高于最高的明顯信號(hào)頻率的兩倍速率取樣,那么樣本包含了原信號(hào)的所有信息。
在圖l-20(c)中,我們可以看到每一個(gè)PAM脈沖用一個(gè)3比特的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)近似表示,這樣就可以用8=23個(gè)電平值近似表示PAM脈沖。圖1-20PCM編碼(a)原始信號(hào);(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(duì)于模擬數(shù)據(jù),在每一個(gè)取樣時(shí)刻上移或下移一個(gè)量化電平(電平的一個(gè)數(shù)量單位),如圖1-21(a)所示,使得原信號(hào)由一階梯函數(shù)近似表示。在階梯函數(shù)中,若某取樣時(shí)刻是上移則產(chǎn)生一個(gè)1,若是下移則產(chǎn)生一個(gè)0,從而得到圖l-21(b)所示的DM輸出,即將模擬信號(hào)數(shù)字化為DM編碼。圖1-21DM編碼
(a)原信號(hào)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(hào)我們已經(jīng)知道調(diào)制就是將輸入信號(hào)與頻率為fc的載波結(jié)合起來(lái),以產(chǎn)生通常帶寬中心位于fc的信號(hào)的過(guò)程。對(duì)于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),當(dāng)只有模擬傳輸可用時(shí),需要將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變?yōu)槟M信號(hào)。若模擬數(shù)據(jù)不加變換地在原頻譜上經(jīng)信道傳輸(稱(chēng)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(duì)信號(hào)進(jìn)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(dòng)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(gè)字符(5位或8位)都在每個(gè)字符碼前加一個(gè)起始位,以表示字符代碼的開(kāi)始,在字符代碼和校驗(yàn)碼后面加一個(gè)停止位,表示字符結(jié)束。
2)同步方式同步方式的每個(gè)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(jìn)入同步。
2.差錯(cuò)控制常見(jiàn)的差錯(cuò)控制技術(shù)有:奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)、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(hào)共同使用一條線路進(jìn)行傳輸,即利用一個(gè)物理信道同時(shí)傳輸多個(gè)信號(hào),如圖1-22所示。圖1-22多路復(fù)用技術(shù)MUXDEMUXn個(gè)輸入n個(gè)輸出1條鏈路,n個(gè)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(wú)線電廣播、無(wú)線電視中將多個(gè)電臺(tái)或電視臺(tái)的多組節(jié)目對(duì)應(yīng)的聲音、圖像信號(hào)分別載在不同頻率的無(wú)線電波上,同時(shí)在同一無(wú)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(hào)收聽(tīng)或收看。2.時(shí)分復(fù)用(TDM)時(shí)分多路復(fù)用是將傳輸信號(hào)的時(shí)間進(jìn)行分割,使不同的信號(hào)在不同時(shí)間內(nèi)傳送,即將整個(gè)傳輸時(shí)間分為許多時(shí)間間隔(稱(chēng)為時(shí)隙、時(shí)間片等,slottime),每個(gè)時(shí)間片被一路信號(hào)占用。
圖1-23多路復(fù)用技術(shù)分類(lèi)(a)頻分多路復(fù)用;(b)時(shí)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(hào)源1信號(hào)源2信號(hào)源3信號(hào)源4信號(hào)源5信號(hào)源6多路復(fù)用器信號(hào)源1信號(hào)源2信號(hào)源3信號(hào)源4信號(hào)源5信號(hào)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(shí)分復(fù)
同步時(shí)分復(fù)用采用固定時(shí)間片分配方式,即將傳輸信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地劃分成特定時(shí)間段,再將每一時(shí)間段劃分成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)隙(時(shí)間片),每個(gè)時(shí)隙以固定的方式分配給各路數(shù)字信號(hào),各路數(shù)字信號(hào)在每一時(shí)間段都順序分配到一個(gè)時(shí)隙。
2)異步時(shí)分復(fù)異步時(shí)分復(fù)用技術(shù)又被稱(chēng)為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用(statisticaltimedivisionmultiplexing)或智能時(shí)分復(fù)用(ITDM),它能動(dòng)態(tài)地按需分配時(shí)隙,避免每個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。
1.6.9數(shù)據(jù)交換技術(shù)
數(shù)據(jù)通信最簡(jiǎn)單的形式是在兩個(gè)用某種傳輸介質(zhì)直接連接的設(shè)備之間進(jìn)行通信,但這是不現(xiàn)實(shí)的,通常是要經(jīng)過(guò)有中間節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)把數(shù)據(jù)從源地發(fā)往目的地,以此實(shí)現(xiàn)通信。這些中間節(jié)點(diǎn)并不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容,其目的是提供一個(gè)交換設(shè)備,用它把數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)直至到達(dá)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(duì)需要進(jìn)行通信的站之間提供一條臨時(shí)的專(zhuān)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(shí)分或頻分復(fù)用技術(shù))。電路交換的通信包括三個(gè)階段,結(jié)合圖1-24解釋如下:①電路建立:通過(guò)源站點(diǎn)連接請(qǐng)求完成交換網(wǎng)中對(duì)應(yīng)的所需逐個(gè)節(jié)點(diǎn)的接續(xù)(連接)過(guò)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(hào)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(diǎn)相應(yīng)拆除該電路的對(duì)應(yīng)連接,釋放由該電路占用的節(jié)點(diǎn)和信道資源。
電路交換具有下列特點(diǎn):呼叫建立時(shí)間長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guò)傳輸鏈路的傳播延遲以外,沒(méi)有別的延遲。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲是可以忽略的,適用于實(shí)時(shí)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(zhuān)用的,再加上通信建立時(shí)間、拆除時(shí)間和呼損,其利用率較低。2.報(bào)文交換(messageswitching)在數(shù)據(jù)交換是相對(duì)較為連續(xù)的數(shù)據(jù)流時(shí)(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(bào)文交換,在報(bào)文交換網(wǎng)中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常為一臺(tái)專(zhuān)用計(jì)算機(jī),它有足夠的存儲(chǔ),以便在報(bào)文進(jìn)入時(shí),進(jìn)行緩沖存儲(chǔ)。3.分組交換(packetswitching)分組交換(即包交換)是針對(duì)報(bào)文交換的缺點(diǎn)而提出的一種改進(jìn)方式。分組交換屬于“存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)發(fā)”交換方式,但它不像報(bào)文交換那樣以報(bào)文為單位進(jìn)行交換、傳輸,而是以更短的、標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文“分組”(packet)為單位進(jìn)行交換傳輸。
如圖1-24,假如A站有一份比較長(zhǎng)的報(bào)文要發(fā)送給C站。則它首先將報(bào)文按規(guī)定長(zhǎng)度劃分成若干分組,每個(gè)分組附加上地址及糾錯(cuò)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(diǎn)4。分組交換又可采用兩種方式:數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換和虛電路傳輸分組交換。
1)數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備和傳輸介質(zhì)的種類(lèi)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(jī)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(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)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(gè)編號(hào)。圖1-26兩個(gè)DTE通過(guò)DCE進(jìn)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(diǎn)如下所述。機(jī)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(gè)較大的弱點(diǎn),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(zhǎng)度不超過(guò)
15m。
RS-449
規(guī)定接口的機(jī)械特性、功能特性和過(guò)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(duì)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(shuō)明傳輸介質(zhì)的特征。
(2)傳輸特性:使用模擬信號(hào)發(fā)送還是數(shù)字信號(hào)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(diǎn)到點(diǎn)或者多點(diǎn)連接。
(4)地理范圍:網(wǎng)上各節(jié)點(diǎn)間和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最大距離。
(5)抗干擾性:防止噪音對(duì)傳輸數(shù)據(jù)影響的能力。
(6)相對(duì)價(jià)格:以元件、安裝和維護(hù)的價(jià)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(lái)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(lèi)線和5類(lèi)線以及150Ω的STP的衰減比較。表1-2無(wú)屏蔽雙絞線與屏蔽雙絞線的衰減特性傳
輸
率/Mb/s每100m長(zhǎng)的衰減/dBUTP3類(lèi)UTP5類(lèi)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(shí)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(hù)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(hù)外層l.50Ω同軸電纜
50Ω同軸電纜也稱(chēng)為基帶電纜,用作數(shù)字通信,傳送基帶數(shù)字信號(hào)。
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(hào)采用了頻分
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