計算機網(wǎng)絡第2章

《計算機通信與網(wǎng)絡》

Review●計算機網(wǎng)絡定義，歷史及應用●計算機網(wǎng)絡軟、硬件●RefertenceModel●應用層協(xié)議第二章物理層物理層的概念:數(shù)據(jù)終端設備（DTE）與數(shù)字電路終接設備（DCE）的接口。DTE:希望通過網(wǎng)絡互連的設備（入網(wǎng)設備），包括計算機、終端等；DCE:網(wǎng)絡中含有的通信設備（網(wǎng)內(nèi)設備），包括通信處理機等，延伸DTE之間的距離；DTEDCEDCEDTE……傳輸介質(zhì)用戶環(huán)境用戶環(huán)境通信系統(tǒng)第二章物理層物理層服務：建立、維持和釋放物理連接（標識物理連接、選擇服務質(zhì)量：速率、延遲、傳輸誤碼率等），并在物理連接上透明傳輸比特流（包括排序和故障通知等）。物理層功能：通過規(guī)定物理設備和物理媒體之間的接口技術，實現(xiàn)物理設備之間的比特流透明傳輸（包括DTE－DCE和DCE－DCE之間的比特流傳輸）。第二章物理層物理層協(xié)議—接插件的標準化：從四個方面對物理設備和媒體之間的接口進行定義①機械特性：接口部件的尺寸、規(guī)格、插腳數(shù)和分布等；②電氣特性：接口部件的信號電平、阻抗、傳輸速率等；③功能特性：接口部件的信號線（數(shù)據(jù)線、控制線、定時線等）的用途；④規(guī)程特性：接口部件的信號線在建立、維持、釋放物理連接和傳輸比特流的時序。第二章物理層2.1數(shù)據(jù)通信理論2.2傳輸介質(zhì)2.5PSTNMaintopics:2.1數(shù)據(jù)通信理論●單向通信（單工通信）:只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。有關信號的幾個基本概念:●雙向交替通信（半雙工通信）:通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)?！耠p向同時通信（全雙工通信）:通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication●基帶信號: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?！駥拵盘?

則是將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復用模擬信號?！衲M信號：即連續(xù)的信號，如話音信號和目前的廣播電視信號?！駭?shù)字信號：即離散的信號，是一種電壓脈沖序列，如計算機通信所用的二進制代碼“1”和“0”組成的信號。2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標1.帶寬（bandwidth）:

信號占據(jù)的頻率范圍，稱為信號的帶寬。信道帶寬是指在該通信線路上能不失真地傳送信號的頻率范圍。2.信號傳輸速率:單位時間里傳送信號波形的個數(shù)，單位為波特。

B=2H（baud）

(最大采樣頻率為帶寬的2倍)2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication3.數(shù)據(jù)傳輸率：比特率，單位時間里傳送二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位b/s、Kb/s、Mb/s，簡寫為bps、Kbps、Mbps。4.信道容量:

表征一個信道傳輸數(shù)字信號的能力，它以數(shù)據(jù)傳輸速率作為指標，即信道所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。2.1TheTheoreticalBasisforDataCommunication●波特和比特的關系

波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?，它說明每秒傳多少個碼元。比特是信息量的單位，與碼元的傳輸速率“波特”是兩個完全不同的概念。若1個碼元只攜帶1bit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nbit的信息量，則MBaud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為M

nb/s。2.1.3TheMaximumDataRateofaChannel●Nyquist定理：理想信道、無噪聲信道

Cmax=2Hlog2N（bps）

H：帶寬（Hz）N：離散級數(shù)，有時寫成V例：話音級線路H＝3000HzN最大數(shù)據(jù)率(C)26000bps412000bps818000bps2.1.3TheMaximumDataRateofaChannel●Shannon定理：有噪聲信道C=Hlog2(1+S/N)（bps）

H:信道帶寬（Hz）S: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：信噪比（無量綱）（S/N）db=10log10（

S/N）●信噪比與分貝之間的換算關系2.1.3TheMaximumDataRateofaChannel例：假設信道的帶寬為3kHz，信噪比為30db，求最大數(shù)據(jù)傳輸速率為多少？解：（S/N）db

＝10log10（

S/N）30＝10log10（

S/N）（

S/N）＝1000C＝Hlog2(1+S/N)＝3000log2(1+1000)≈30,000bps在50kHZ線路上使用T1載波需要多大的信噪比？解：香農(nóng)定理：C=Hlog2(1+S/N)（bps）=1.544*10650*103*log2(1+S/N)=1.544*106

S/N=231-1

（S/N）db=10log10（S/N）=10log10（231-1)=93(dB)實例電視頻道的帶寬為6MHZ，如果使用4級數(shù)字信號，每秒能發(fā)送多少比特?假定為無噪聲。解：尼氏定理：

Cmax=2Hlog2N（bps）=6*2*2=24Mbps

一個用于發(fā)送二進制信號的3KHZ信道，其信噪比為20dB，其最大數(shù)據(jù)速率是多少？解：香農(nóng)定理：C=Hlog2(1+S/N)（bps）20=10log10（S/N）S/N=100

C=3*log2(1+100)=19.98Kbps2.2GuidedTransmissionMedia2.2.2TwistedPair2.2.4FiberOptics2.2.3CoaxialCable2.2.2TwistedPair內(nèi)導體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套2.2.2TwistedPair●既可用于模擬傳輸，也可用于數(shù)據(jù)傳輸；●帶寬依賴于線的粗細和傳輸距離；●常用有3類線和5類線

3類:目前在ANSI和EIA/TIA568標準中指定的電纜。傳輸頻率=16MHz,語音傳輸/數(shù)據(jù)傳輸最大速度=10Mbps，主要用于10base-T。

5類:增加了繞線密度,外套一種高質(zhì)量的絕緣材料,傳輸頻率=100MHz；語音傳輸/數(shù)據(jù)傳輸速率=100Mbps（100M內(nèi)）；主要用于100base-T和10base-T網(wǎng)絡，這是最常用的以太網(wǎng)電纜。2.2.2TwistedPair銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層1，非屏蔽雙絞線UTP（UnshieldedTwistedPair）2，屏蔽雙絞線STP

（ShieldedTwistedPair）UTPSTP2.2.2TwistedPairTheendofatwistedpairEthernetcablewithanRJ-45connector.具有以太網(wǎng)卡的計算機背面一個10/100M雙絞線以太網(wǎng)接口，指示燈的狀態(tài)顯示接口連接在一個10M以太網(wǎng)上2.2.3CoaxialCableFigure2-4.Acoaxialcable.2.2.3CoaxialCable●50-ohmcable：基帶同軸電纜，10Mb/s--1km數(shù)字信號，時分復用曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼●75-ohmcable：寬帶同軸電纜模擬信號，頻分復用有線電視電纜2.2.4FiberOptics折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?.2.4FiberOptics●依靠光波承載信息特點：●高傳送速率，通信容量大●傳輸損耗小，適合長距離傳輸●抗干擾性能好，保密性好●輕便2.2.4FiberOptics輸入脈沖輸出脈沖單模光纖：采用注入型激光二極管，產(chǎn)生一個窄帶的超輻射光束，激光，定向性好，可沿光導纖維傳播，減少了折射，效率高，傳輸距離更遠。輸入脈沖輸出脈沖多模光纖：采用發(fā)光二極管，電流通過則發(fā)光，是可見光，定向性差，不斷在光纖石英下玻璃介質(zhì)內(nèi)反射向前傳播的。Caption:OpticalfibercablesconnectedtoanATMswitch.接入ATM網(wǎng)絡接口的光纖光纖和連接器，黑色套子在連接器不用的時候保護連接器Problem●wheredothetwistedpair,coaxialcableandfiberapplyto?

2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork●數(shù)據(jù)（data）是運送信息的實體。●信號（signal）是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。●數(shù)據(jù)或信號可以是模擬的，也可以是數(shù)字的?！袼^“模擬的”就是連續(xù)變化的?！袼^“數(shù)字的”就是取值是離散的。●將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程叫做調(diào)制。Basicconcepts:2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork●傳輸方式:模擬傳輸：使用模擬信號進行傳輸數(shù)字傳輸：使用數(shù)字信號進行傳輸●傳輸?shù)臄?shù)據(jù):模擬數(shù)據(jù)：時間和取值是連續(xù)的數(shù)據(jù)數(shù)字數(shù)據(jù)：取值是離散的數(shù)據(jù)2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork話音電話模擬模擬數(shù)據(jù),模擬信號數(shù)字Modem模擬數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號數(shù)字數(shù)字傳輸數(shù)字數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號模擬CODEC數(shù)字模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號模擬傳輸和數(shù)字傳輸2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetworkEncoderDecoder數(shù)字或模擬數(shù)字信道g(t)x(t)tg(t)x(t)●編碼：用數(shù)字信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)ModulatorDemodulator模擬信道m(xù)(t)fcs(f)ffcm(t)s(t)數(shù)字或模擬●調(diào)制：用模擬信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork數(shù)據(jù)通信基本過程:包含數(shù)據(jù)傳輸和通信控制兩項內(nèi)容過程打電話建立物理連接撥號，撥通對方建立邏輯連接互相確認身份數(shù)據(jù)傳送互相通話斷開邏輯連接互相確認要結(jié)束通話斷開物理連接雙方掛機2.5ThePublicSwitchedTelephoneNetwork2.5.1StructureoftheTelephoneSystem

2.5.3TheLocalLoop:Modems,ADSL,andwireless

2.5.4TrunksandMultiplexing

2.5.5Switching

Maintopics:2.5.1StructureoftheTelephoneSystem(b)Centralizedswitch.(c)Two-levelhierarchy.(a)Fully-interconnectednetwork.2.5.1StructureoftheTelephoneSystemFigure2-21.Atypicalcircuitrouteforamedium-distancecall.Thetelephonesystemconsistsofthreemajorcomponents:2.5.1StructureoftheTelephoneSystem1.Localloops本地回路(analogtwistedpairsgoingintohousesandbusinesses).2.Trunks干線(digitalfiberopticsconnectingtheswitchingoffices).3.Switchingoffices交換局(wherecallsaremovedfromonetrunktoanother).2.5.3TheLocalLoop:Modems,ADSL,andWirelessFigure2-23.Theuseofbothanaloganddigitaltransmissionforacomputertocomputercall.Conversionisdonebythemodemsandcodecs.Transmissionlinessufferfromthreemajorproblems:●Attenuation(衰減)lossofenergydb/km●Delaydistortion(延遲畸變)Fouriercomponents●Noisethermalnoiseimpulsenoise2.5.3TheLocalLoop:Modems,ADSL,andWireless出現(xiàn)差錯010010100還原后的數(shù)據(jù)t接收到的失真信號010011100t發(fā)送的基帶信號2.5.3TheLocalLoop:Modems,ADSL,andWirelessMODEMMODEM的構成：●調(diào)制器(Modulator)：把要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍在300~3400Hz之間的模擬信號，以便在電話用戶線上傳送?！窠庹{(diào)器(Demodulator)：把電話用戶線上傳送來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。調(diào)制器的作用就是個波形變換器，它把基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ谓庹{(diào)器的作用就是個波形識別器，它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復成原來的數(shù)字信號。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。如，0對應于無載波輸出，而1對應于有載波輸出。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。如，0對應于頻率f1，而1對應于頻率f2。調(diào)相(PM):

載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。如，0對應于相位00，而1對應于1800。MODEMMODEMFigure2-24.(a)Abinarysignal.(b)AM.(c)FM.(d)PMMODEMFigure2-25.(a)QPSK.(b)QAM-16.(c)QAM-64.●mostmodemssample2400times/secandfocusongettingmorebitspersample.2400-baudMODEMr(r,)●可供選擇的相位有12種，而對于每一種相位有1或2種振幅可供選擇?！裼捎?bit編碼共有16種不同的組合，因此這16個點中的每個點可對應于一種4bit的編碼。若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。ModemV.32modemstandarduses32constellationpointstotransmit4databitsand1paritybitpersymbolat2400baudtoachieve9600bpswitherrorcorrection.V.32Figure2-26.(a)V.32for9600bps.V32bisModemItsconstellationpatternhas128pointswhenQAM-128isused,transmitting6databitsand1paritybitpersampleat2400baud.

Figure2-26.(b)V32bisfor14,400bps.V.34runsat28,800bpsat2400baudwith12databits/symbol.V.34bisuses14databits/symbolat2400baudtoachieve33,600bps.Thetelephonechannelisabout4000Hzwide(includingtheguardbands).Themaximumnumberofindependentsamplespersecondisthus8000.ThenumberofbitspersampleintheU.S.is8,oneofwhichisusedforcontrolpurposes,allowing56,000bit/secofuserdata.ModemV.90:33.6-kbpsupstreamchannel,56kbpsdownstreamchannelV.92:48-kbpsupstreamchannel,56kbpsdownstreamchannelDigitalSubscriberLines(數(shù)字用戶線)Thebandwidthofamediumistherangeoffrequenciesthatpassthroughitwithminimumattenuation.Serviceswithmorebandwidththanstandardtelephoneservicearesometimescalledbroadband.●thegoalsofxDSL1,workovertheexistingcategory3twistedpairlocalloops2,can’taffectcustomers'existingtelephonesandfaxmachines3,muchfasterthan56kbps4,monthlychargebutnoper-minutecharge●BandwidthandBroadband:ADSL什么是ADSL技術ADSL技術是一種不對稱數(shù)字用戶線實現(xiàn)寬帶接入互連網(wǎng)的技術，充分利用現(xiàn)有的銅線資源，在一對雙絞線上提供上行1Mbps,下行8Mbps的帶寬，從而克服了傳統(tǒng)用戶在"最后一公里"的"瓶頸"，實現(xiàn)了真正意義上的寬帶接入。上行數(shù)據(jù)流帶寬：26*4000*15＝1.44Mbps下行數(shù)據(jù)流帶寬：224*4000*15＝13.44MbpsADSLADSL的原理：傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)使用的是銅線的低頻部分（4kHz以下頻段）。而ADSL采用DMT（離散的多信道調(diào)制）技術，將原先電話線路0Hz到1.1MHz頻段劃分成256個頻寬為4.3kHz的子頻帶。其中，4kHz以下頻段仍用于傳送POTS（傳統(tǒng)電話業(yè)務），信道1－5沒有被使用，剩余250條信道用來傳送上行信號(upstream)和下行信號(downstream)。Figure2-28.OperationofADSLusingdiscretemultitonemodulation.ADSLADSL調(diào)制解調(diào)技術:●QAM調(diào)制技術(正交振幅調(diào)制)●CAP調(diào)制（CarrierlessAmplitude－phaseModulation無載波幅相調(diào)制）●DMT調(diào)制（DiscreteMulti-toneModulation離散多信道調(diào)制）ADSLFigure2-30.AtypicalADSLequipmentconfigureADSL&MODEMCOMPAREADSLMODEMMaxupstreambandwidth1M56KMaxdownstreambandwidth8M56KTerminalADSLModemandsplitterPlain56KModemTelephonedial-upNoYesDriverPPPoESpecialdriverfor56KModemTheLine’sBusyNoYesTelephonechargeNoYesChargePermonthPerminuteProvideStaticIPYesDifficultProblem調(diào)查：xDSL除了包括ADSL外，還有哪些？它們又有哪些特征？現(xiàn)在的寬帶服務采用的標準是什么？它的速度已經(jīng)達到多少？有哪些公司提供寬帶服務？裝寬帶需要哪些設備？2.5.4Trunks(干線)andMultiplexing●多路復用技術的條件○單條線路的信息傳輸能力遠大于單一信息源的信息傳輸?shù)囊蟆鹄樱弘娫捴鞲蛇_到幾十兆，而一路語音只占4kHz○一般主干鋪設一或幾根寬帶電纜，而不是幾萬根窄帶電纜●多路復用的定義○采用某種技術在一條線路上傳輸多個信號，且信號之間的傳輸相互不影響○一個物理信道被邏輯地分成幾個邏輯信道的技術●優(yōu)點：節(jié)約大量的建設資金2.5.4TrunksandMultiplexing●FDM:頻分多路復用技術●WDM:波分多路復用技術●TDM:時分多路復用技術●SONET/SDH:同步光纖技術/同步數(shù)字分級結(jié)構FDM頻分多路復用技術FDMCH2CH1CH3原始帶寬CH1CH2CH3頻分后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復用f

將一條線路的頻帶邏輯地劃分成幾個信道，每個用戶獨立地擁有某些頻率段;頻率通道之間留有防護頻帶。FDM例子：廣播，ADSL相應的標準：CCITT,群(group),超群(Supergroup),主群(Mastergroup)FDM:所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5波分多路復用技術WDM

FDM應用于光纖信道的變例。不同的信源使用不同波長的光波來傳輸數(shù)據(jù)，各路光波經(jīng)過一個棱鏡或衍射光柵合成一個光束在光纖干道上傳輸，在接收端利用相同的設備將各路光波分開。F1F2F3共享光纖的光譜F2F1F3光譜棱柱/衍射光柵光纖2光纖3光纖1共享光纖采用無源設備，更可靠WDMTDM當信道能達到的數(shù)據(jù)傳輸率大于各路信號的數(shù)據(jù)傳輸率總和時，可以將使用信道的時間分成一個個的時間片，按一定規(guī)則將這些時間片分配給各路信號，每一路信號只能在自己的時間片內(nèi)獨占信道進行傳輸，A2A1A3原始信號D2D1D3數(shù)字化信號MUX復用后數(shù)據(jù)時隙1234D3D2D1頻率時間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀TDMTDMT-標準:T1電話系統(tǒng)，北美、日本●一路語音信號：PCM(4k,采樣頻率8000次/秒，T=125us,8位數(shù)字序列，64kbps）(pulsecodemodulation)●T1線路：24路語音信號通過時分復用技術復用到一條線路上●幀：193位●數(shù)據(jù)傳輸速率為:1.544Mbps(193/125us)

(數(shù)字信號)Figure2-33.TheT1carrier(1.544Mbps).TDME-標準：歐洲、中國、南美0121631125ms32時隙2.048Mbps幀同步信令信道30話音信道+2控制信道32*8*8000=2048000bpsTDMFigure2-35.MultiplexingT1streamsontohighercarriers.TDM與FDM的比較FDMTDM相同之處宏觀上并行，一條線路上同時傳輸著多路信號不同之處微觀上并行適合模擬傳輸微觀上串行適合數(shù)字傳輸SONET/SDH同步光纖技術/同步數(shù)字分級結(jié)構技術要點:●由標準的網(wǎng)絡單元組成●簡化了信號的互通、傳輸、復用、交叉連接和交換●標準的信息速率等級●標準的光接口●特殊的復用結(jié)構，B-ISDN信號都可以進入●環(huán)形網(wǎng)絡結(jié)構，可靠，路由靈活●幀中有大量開銷位，軟件進行網(wǎng)絡配置和控制●使用單個主時鐘來同步總速率：90*9*8000*8=51.84MbpsSPE數(shù)據(jù)傳輸率：87*9*8000*8＝50.112MbpsSONET基本幀結(jié)構1frame=810bytesin125

ms123456789STS-1/OC13byt