計算機網(wǎng)絡-第2章課件

計算機網(wǎng)絡2物理層2.1物理層的基本概念是為在物理媒體上傳輸原始數(shù)據(jù)的比特流而設立的。盡可能屏蔽傳輸媒體的差異，透明傳送和接收位流2.1.1物理層功能

物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。過程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。2.2數(shù)據(jù)通信基本概念

數(shù)據(jù)終端設備DTE與數(shù)據(jù)通信設備DCE連接示意圖2.2.1基本概念信息:是人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認識。數(shù)據(jù):是一種承載信息的實體。數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)兩種形式。信號:是消息或者說是信息的攜帶者，即數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。是數(shù)據(jù)的具體表現(xiàn)形式。信號可分為模擬信號和數(shù)字信號兩種形式。2信號分類信號根據(jù)載體的不同，可以是電、磁、聲、光、熱等的各種信號。

模擬信號數(shù)字信號3、模擬傳輸與數(shù)字傳輸（1）模擬傳輸因噪聲變形繼而被放大的模擬信號

（2）數(shù)字傳輸

受噪聲影響的數(shù)字信號被轉(zhuǎn)發(fā)后波形圖

4基帶與寬帶．基帶傳輸：二進制數(shù)字序列最方便的電信號形式是數(shù)字脈沖信號。把數(shù)字脈沖信號的固有頻帶稱為基帶。數(shù)字脈沖信號稱為基帶信號。在數(shù)字通信信道上，直接傳輸基帶信號，稱為基帶傳輸（編碼）。．頻帶傳輸：為了利用電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的數(shù)字信號傳輸，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。

寬帶傳輸所謂寬帶，就是指比音頻帶寬還要寬，簡單地說就是包括了大部分電磁波頻譜的頻帶。a.寬帶系統(tǒng)能同時接入幾個信道，因而能夠比基帶系統(tǒng)傳輸更多的數(shù)據(jù)。寬帶傳輸能將有線電視帶入家庭。有線電視能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量至少是一個典型基帶系統(tǒng)（如Ethernet）傳輸數(shù)據(jù)量的2.5倍。

b.在寬帶系統(tǒng)中，信號僅僅只能進行單向傳輸。因此，寬帶電纜必須為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供獨立的電纜。由于大部分有線電視電纜只提供一條電線，若不做任何修改，它將不能用于把數(shù)據(jù)從屋中向外傳輸。c.由于使用一些額外的硬件，寬帶傳輸通常比基帶傳輸昂貴得多。d.另一方面，寬帶系統(tǒng)能夠比基帶系統(tǒng)跨越更長的距離。Note：在網(wǎng)絡領域，一些術(shù)語根據(jù)上下文常有多種意思。寬帶即是這樣的術(shù)語。這里描述的寬帶是指通過多個信道在同軸電纜上傳輸信號的傳輸系統(tǒng)，例如有線電視所使用的系統(tǒng)。這種定義是寬帶的原始意義。在高速數(shù)字網(wǎng)絡中也用到了“寬帶”，這時“寬帶”是指使用數(shù)字信號并且有非常高的傳輸速率的網(wǎng)絡，例如異步傳輸模式（ATM）網(wǎng)絡。速率比特（bit）是計算機中數(shù)據(jù)量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。Bit來源于binarydigit，意思是一個“二進制數(shù)字”，因此一個比特就是二進制數(shù)字中的一個1或0。速率即數(shù)據(jù)率(datarate)或比特率(bitrate)是計算機網(wǎng)絡中最重要的一個性能指標。速率的單位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等速率往往是指額定速率或標稱速率。2.2數(shù)據(jù)通信基本概念

2.2.2信道特性1信道帶寬信道的帶寬是指信道頻率響應曲線上幅度是其頻帶中心處幅度值的1/√2倍的兩個頻率之間的寬度。如圖所示，帶寬W=f2-f1，其中f1是信道能通過的信號的最低頻率，f2是信道能通過的信號的最高頻率

例如，在傳統(tǒng)的通信線路上傳送的電話信號的標準帶寬是3.lkHz，話音的主要頻率范圍從300Hz到3.4kHz。帶寬的單位是赫(或千赫、兆赫等)

數(shù)字信道是一種離散信道，它只能傳送取離散值的數(shù)字信號。信道的帶寬決定了信道中能不失真地傳輸?shù)臄?shù)字脈沖序列的最高速率。

數(shù)字信道傳送數(shù)字信號的速率稱為數(shù)據(jù)率或比特率。網(wǎng)絡或通信鏈路上的帶寬單位可記為bit/s(更常用的帶寬單位是千比特/每秒,即kbit/s、Mbit/s、Gbit/s、Tbit/s)。也稱為吞吐量(Thoughput)

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。

每秒

106

個比特時間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s

時間每秒

4

106

個比特0.25s帶寬為4Mb/s

2傳輸速率傳輸速率是指單位時間內(nèi)傳輸信息單元的數(shù)量。它是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸能力的重要指標，有兩種表示方法，即數(shù)據(jù)信號速率和碼元速率。1）數(shù)據(jù)信號速率指單位時間內(nèi)所傳送的二進制代碼的有效位數(shù)，以每秒多少比特數(shù)計，單位為bit/秒，記作b/s。計算公式為 S=1/Tlog2N式中T：一個數(shù)字脈沖信號的時間寬度，單位為秒（s）；N：一個碼元所取的離散值個數(shù)。通常，N=2K,K為二進制信息的位數(shù)，K=log2N，N=2時，S=1/T表示數(shù)據(jù)信號速率等于碼元脈沖的重復頻率。2）碼元速率（調(diào)制速率）信號調(diào)制過程中，把一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元，并用碼元速率表示單位時間內(nèi)信號波形的變換次數(shù)，即單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元個數(shù)。單位為波特，記作Baud。計算公式為B=1/T(Baud)式中T信號碼元的寬度，單位為s。碼元速率也稱信號傳輸速率、調(diào)制速率、波特率或傳碼率。例：采用四相調(diào)制方式，即N=4，且T=833×10-6s，則 S=1/Tlog2N=1/833×10-6log24=2400b/s B=1/T=1/833×10-6=1200Baud

3）數(shù)據(jù)信號速率與調(diào)制速率的關系數(shù)據(jù)信號速率S與調(diào)制速率B有如下關系：S=Blog2N(b/s)或B=S/log2N(Baud)其中N為一個脈沖信號所表示的有效狀態(tài)。在二進制中，脈沖只有兩種狀態(tài)0或1，即N=2，也就是說，數(shù)據(jù)信號速率S與調(diào)制速率B是一致的。當采用不同的調(diào)制方式時，N的取值是不同的，這時即使調(diào)制速率相同，得到的數(shù)據(jù)信號速率也是不同的，3、信道極限信道極限表示一個信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位：位/秒（b/s），也就是信道傳輸信息的最大能力。(1)理想的信道極限奈奎斯特（Nyquist）無噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關系為：B=2×H（Baud）奈奎斯特公式—無噪信道傳輸速率極限值公式如下： C=2Hlog2V（bps）式中H：信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差值，單位為赫（Hz）；V：一個碼元所取的離散值個數(shù)(電平分級);例:普通電話線路帶寬約3kHz，則碼元數(shù)率極限值B=2×H=2×3k=6k（Baud），若碼元的離散個數(shù)V=16，則最大數(shù)據(jù)傳輸數(shù)C=2×3k×log216=24k(b/s)（2）帶噪聲的信道極限主要結(jié)論是：對于任何帶寬為H、信噪比為S/N的信道：(香農(nóng)公式)帶噪信道傳輸速率極限值公式如下:C=Hlog2（1+S/N）(bps)式中H：信道的帶寬,單位為Hz；S：信號功率；N：噪聲功率；S/N：信噪比，通常把信噪比表示成10lg（S/N）分貝（dB）。香農(nóng)公示表明：

①信道的帶寬越大或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸率就最高。

②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。③若信道帶寬H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。④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。⑤對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。

例2-3已知信噪比為30dB，帶寬為3KHz，求信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。 ∵10lg(S/N)=30 ∴S/N=1030/10≈1000 ∴C=3000×log2(1+1000)≈30k(b/s)

4、誤碼率表示傳輸二進制位時出現(xiàn)差錯的概率。5、信道延遲信號從源端到達宿端所需要的時間。

時延通常由四部分組成：

發(fā)送時延。發(fā)送時延是結(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時使數(shù)據(jù)塊從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的時間，也就是從數(shù)據(jù)塊的第一個比特開始發(fā)送算起，到最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。發(fā)送時延又稱為傳輸時延，它的計算公式: 發(fā)送時延=

數(shù)據(jù)塊長度（比特）信道帶寬（比特/秒）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。這個時間與源端和宿端的距離有關，也與具體信道中的信號傳播速度有關。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。處理時延

交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。排隊時延

結(jié)點緩存隊列中分組排隊所經(jīng)歷的時延。排隊時延的長短往往取決于網(wǎng)絡中當時的通信量。數(shù)據(jù)經(jīng)歷的總時延就是發(fā)送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和：

傳播時延=信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）總時延=發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延四種時延所產(chǎn)生的地方

1011001…發(fā)送器隊列在鏈路上產(chǎn)生傳播時延結(jié)點

B結(jié)點

A在發(fā)送器產(chǎn)生傳輸時延(即發(fā)送時延)在結(jié)點A中產(chǎn)生處理時延和排隊時延數(shù)據(jù)從結(jié)點A向結(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路容易產(chǎn)生的錯誤概念

對于高速網(wǎng)絡鏈路，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)送時延。電磁波在自由空間的傳播速率是3.0×105km/s，在銅線電纜中的傳播速率是2.3×105km/s，在光纖中的傳播速率是2.0×105km/s。6、時延帶寬積與往返時延（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

往返時延RTT(Round-TripTime)是一個重要的性能指標,它可以表示從發(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)后便立即發(fā)送確認),總共經(jīng)歷的時延。

往返時延帶寬積的意義：就是當發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時,在收到對方的確認之前,就已經(jīng)將這樣多的比特發(fā)送到鏈路上了。

2.2數(shù)據(jù)通信基本概念

2.2.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)1通信系統(tǒng)模型傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機（1）、模擬通信系統(tǒng)（2）、數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字信號通過實際的信道

有失真，但可識別失真大，無法識別

實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形數(shù)字通信系統(tǒng)相對模擬通信系統(tǒng)具有以下特點：①抗干擾能力強、無噪聲積累。②便于加密處理。③便于存儲、處理和交換。④設備便于集成化、微型化。⑤便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)。⑥數(shù)字通信占用信道頻帶較寬，信道利用率低。2、數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)通信可以分為下列三種方式：單工(Simplex)、半雙工(Half-duplex)和全雙工(Full-duplex)，

1）.單工操作模式在單工操作模式中，發(fā)送器和接收器之間只有一個單向的傳輸信道，數(shù)據(jù)傳輸是單向的，只能從發(fā)送器傳送到接收器。2）.半雙工操作模式在半雙工操作模式中，傳輸信道是雙向的，并且每個設備同時具有發(fā)送器和接收器功能，它們之間可以分時輪流進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，但在某一時刻只能沿一個方向傳輸數(shù)據(jù)。3）.全雙工操作模式在全雙工操作模式中，傳輸信道是雙向的，并且每個通信設備同時具有發(fā)送器和接收器功能，它們之間可以同時進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

通信操作模式

3、數(shù)據(jù)同步方式數(shù)據(jù)通信過程中收、發(fā)雙方必須在時間上保持同步,一方面碼元之間要保持同步,另一方面由碼元組成的字符或數(shù)據(jù)塊之間在起止時間上也要保持同步。實現(xiàn)字符或數(shù)據(jù)塊之間在起止時間上同步的常用方法有異步傳輸和同步傳輸兩種。1）異步傳輸

其原理是：每個字符都獨立傳輸，接收設備每收到一個字符的開始位后進行同步。異步傳輸方式中,一次只傳輸一個字符(由7~8位數(shù)據(jù)組成)。每個字符用一位起始位引導、一位停止位結(jié)束。起始位為“0”,占一位時間；停止位為“1”，占1~2位的持續(xù)時間。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時,發(fā)送方可發(fā)送連續(xù)的停止位(稱空閑位)。接收方根據(jù)“1”至“0”的跳變來判別一個新字符的開始,然后接收字符中的所有位。這種通信方式簡單便宜,但每個字符有2~3位的額外開銷。異步傳輸特點：在異步傳輸方式中由于不需要發(fā)送和接收設備之間另外傳輸定時信號，因而實現(xiàn)起來比較簡單。其缺點是：（1）一方面，由于每個字符都要加上起始位和結(jié)束位，因而傳輸開銷較大；（2）另一方面，由于發(fā)收雙方時鐘的差異（異步）使得傳輸速率不宜過高，因而傳輸效率低，常用于低速數(shù)據(jù)傳輸中。2）同步傳輸其的原理是：其信息格式是一組字符或一個二進制組成的數(shù)據(jù)塊。對這些數(shù)據(jù)，不需要附加起始位和停止位，而是在一組字符或數(shù)據(jù)塊之前先發(fā)送一個同步字符SYN或一個同步字節(jié)，用于接收方進行同步檢測，從而使收發(fā)雙方進入同步狀態(tài)。在同步字節(jié)或字符之后，可以連續(xù)發(fā)送多個字符或數(shù)據(jù)塊，發(fā)送數(shù)據(jù)完畢后，再使用同步字符或字節(jié)來標識整個發(fā)送過程的結(jié)束。即：為使接收方能判定數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束,在每個數(shù)據(jù)塊的開始處和結(jié)束處各加一個幀頭和一個幀尾,加有幀頭、幀尾的數(shù)據(jù)稱為幀(Frame)。同步傳輸?shù)?，在同步通信中，要求收發(fā)雙方之間的時鐘嚴格同步，而使用同步字符或同步字節(jié)，只能用于同步接收數(shù)據(jù)幀，只有保證接收端接收的每一個比特都與發(fā)送端保持一致，接收方才能正確的接收數(shù)據(jù)，這就要使用位同步方法。1）使用專用信道發(fā)送同步時鐘保持雙方的同步2）編碼的方法（效率高，使用普遍）2.3數(shù)據(jù)的調(diào)制與編碼

4種編碼方式，即模擬信號傳輸模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號傳輸模擬數(shù)據(jù)，模擬信號傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)和數(shù)字信號傳輸數(shù)字信號。電話模擬數(shù)據(jù),模擬信號話音模擬模擬模擬數(shù)據(jù)，數(shù)字信號CODEC數(shù)字數(shù)字數(shù)字Modem數(shù)字數(shù)據(jù)，模擬信號模擬數(shù)字數(shù)據(jù)，數(shù)字信號數(shù)字傳輸數(shù)字2.3.1數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼有三種基本調(diào)制方式，是通過采用三種模擬信號的載波特性(振幅、頻率和相位)之一來表示被調(diào)制的數(shù)字數(shù)據(jù)(1)幅移鍵控(ASK)法ASK(AmplitudeShiftKeying)是使用載波頻率的兩個不同振幅來表示兩個二進制值。即載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。特點：ASK方式的編碼效率較低，抗干擾性較差，在音頻電話線路上一般只能達到1200b/s的傳輸速率。

(2)頻移鍵控(FSK)法FSK(FrequencyShiftKeying)是使用載波頻率附近的兩個不同頻率來表示兩個二進制值。即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。

特點：FSK比ASK的編碼效率高，不易受干擾的影響，抗干擾性較強，在音頻電話線路上的傳輸速率可以大于1200b/s。(3)相移鍵控(PSK)法PSK(PhaseShiftKeying)是使用載波信號的相位偏移來表示二進制數(shù)據(jù)，即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。在PSK方式中，信號相位與前面信號序列同相位的信號表示0，信號相位與前面信號序列反相位的信號表示1。特點：PSK方式具有很強的抗干擾能力，其編碼效率比FSK還要高。在音頻線路上，傳輸速率可達9600b/s。對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法

010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相多相調(diào)制PSK方式也可以用于多相的調(diào)制，例如在四相調(diào)制中可把每個信號序列編碼為兩位。多級調(diào)制方法數(shù)據(jù)率=nx信號速率000111100+90+180+270+90：010：00+270：11+180：104-PSK正交振幅調(diào)制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r(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。由于4bit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。

舉例2.3.2數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼

常用的數(shù)字信號編碼有不歸零NRZ(NonReturntoZero)碼、差分不歸零DNRZ(DifferentialNonReturntoZero)碼、曼徹斯特(Manchester)碼及差分曼徹斯特(DifferentialManchester)碼等。

(1)NRZ碼（不歸零編碼）NRZ碼是用信號的幅度來表示二進制數(shù)據(jù)的，通常用正電壓表示數(shù)據(jù)“1”，用負電壓表示數(shù)據(jù)“0”，并且在表示一個碼元時，電壓均無需回到零，故稱不歸零碼。NRZ碼的特點是一種全寬碼，即一位碼元占一個單位脈沖的寬度。不能保持同步，要采用其它方法。(2)DNRZ碼（差分不歸零編碼）DNRZ碼是一種NRZ碼的改進形式，它是用信號的相位變化來表示二進制數(shù)據(jù)的，一個信號位的起始處有跳變表示數(shù)據(jù)“1”，無跳變表示數(shù)據(jù)“0”。(3)曼徹斯特碼在曼徹斯特碼中，用一個信號碼元中間電壓跳變的相位不同來區(qū)分數(shù)據(jù)“1”和“0”，它用從低到高電壓跳變表示“0”；用從高到低電壓跳變表示“1”。10Mb/s以太網(wǎng)(Ethernet)采用這種曼徹斯特碼。

(4)差分曼徹斯特碼差分曼徹斯特碼是一種曼徹斯特碼的改進形式，其差別在于：每個碼元的中間跳變只作為同步時鐘信號，而數(shù)據(jù)“0”和“1”的取值是用信號位的起始處有無跳變來表示的：若有跳變則為“0”；若無跳變則為“1”。令牌環(huán)(Token-Ring)網(wǎng)采用這種差分曼徹斯特編碼。特點是每一位均用不同電平的兩個半位來表示，因而始終能保持直流的平衡。數(shù)字信號編碼:2.3.3模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼常用的編碼技術(shù)是脈沖編碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)技術(shù)。PCM原理如圖所示：在信號源端，模擬信號X(t)經(jīng)過反混疊濾波器和采樣器處理后變換成脈沖調(diào)幅信號X(n)，然后送入量化器進行均勻分層量化為Y(n)，再經(jīng)過編碼器將量化后的脈沖信號表示成一組二進制碼C(n)，并輸出。在接收端，PCM解碼器將接收信號C1(n)解碼成Y1(n)，經(jīng)過逆量化器和平滑濾波器就可建立重建信號X1(t)，X1(t)和X(t)之差就是量化誤差。

PCM原理框圖采用PCM把模擬信號數(shù)字化的3個步驟如圖所示：采樣

量化編碼2.4數(shù)據(jù)傳輸媒體

所謂的傳輸介質(zhì)就是信號傳輸時借助的物質(zhì)，分為兩類：有線介質(zhì)和無線介質(zhì)2.4.1有線介質(zhì)包括：雙絞線、同軸電纜和光纖1、雙絞線分為屏蔽雙絞線和無屏蔽雙絞線

適用于短距離傳輸

無屏蔽雙絞線電纜(UnshieldedTwistedPair,UTP)由不同顏色的(藍/橙/綠/棕)4對雙絞線組成

屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair,STP)電纜的外層由鋁箔包裹

特點：傳輸速率快、價格便宜，安裝容易，適用于結(jié)構(gòu)化綜合布線，使用廣泛。適合模擬和數(shù)字傳輸。2、同軸電纜主要應用于有線電視網(wǎng)、電視天線饋線和局域網(wǎng)。同軸電纜的基本結(jié)構(gòu)為：軸心為一根銅制導線，軸心被均勻的絕緣層包裹，在絕緣層外邊包裹著外導體（通常為網(wǎng)狀），最外邊為塑料護套。標注方式有兩種：以其特性阻抗分類可分為50Ω、75Ω；按直徑分類可分為粗纜和細纜等。

50Ω電纜用于傳輸數(shù)字信號，75Ω電纜用于傳輸電視信號

基帶一條電纜只用于一個信道，50，用于數(shù)字傳輸寬帶

一條電纜同時傳輸不同頻率的幾路模擬信號，75

，用于模擬傳輸，300—450MHz，100km，需要放大器各種電纜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外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內(nèi)導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜3光纖光纖的分類：按傳輸光波模式的分類方法

（１）單模光纖：纖維直徑很小傳輸頻帶很寬，傳輸容量大。輸入設備復雜。因此只適合于大容量、長距離傳輸。

（２）多模光纖：同波長的光可以有多種模式在光纖中傳輸。傳輸?shù)哪Ｊ奖容^多，容易發(fā)生色散，所以這種光纖的傳輸頻帶較窄，傳輸容量??；設備簡單，使用廣泛。光線在光纖中的折射

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）

包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖單模光纖（single-modefiber）使用激光源中繼距離100公里內(nèi)芯直徑與光源波長相近直徑為4～10μm多模光纖（multi-modefiber）使用普通發(fā)光二極管作為光源中繼距離2公里多種模式，易發(fā)生色散內(nèi)芯直徑稍大直徑為62.5μm單模光纖與多模光纖的比較光纖的特點優(yōu)點高帶寬、高數(shù)據(jù)傳輸率安全、可靠抗腐蝕、抗干擾性能好衰減小體積小，重量輕缺點單向傳輸光纖接口價格昂貴工藝復雜、安裝技術(shù)復雜2.4.2無線介質(zhì)

信號通過空間傳播，我們稱之為無線介質(zhì)。無線介質(zhì)包括微波、激光、紅外和短波

1、微波微波系統(tǒng)可分為地面微波系統(tǒng)和衛(wèi)星微波系統(tǒng)。地面微波系統(tǒng)由視野范圍內(nèi)的兩個互相對準方向的拋物面天線組成,長距離通信則需要多個中繼站組成微波中繼鏈路。通信衛(wèi)星可看作是懸在太空中的微波中繼站。衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器把它的波束對準地球上的一定區(qū)域,在此區(qū)域中的衛(wèi)星地面站之間就可互相通信。地面微波接力

兩個地面站之間傳送距離：50-100km地面站之間的直視線路

微波傳送塔微波對于頻率在100MHz以上的無線電波，其能量將集中于一點并沿直線傳播，這就是微波。微波通信是利用無線電波在對流層的視距范圍內(nèi)進行信息傳輸?shù)囊环N通信方式，它使用的頻率范圍一般在300MHz至200GHz左右。主要使用：2至40GHz。由于微波只能沿直線傳播，所以微波的發(fā)射天線和接收天線必須精確對準，而且每隔一段距離就需要一個中繼站。中繼站之間的距離與微波塔的高度成正比例。對于100m高的微波塔，中繼站之間的距離可以達到80km。它具有帶寬高,容量大的特點。由于使用了高頻率,因此可使用小型天線,便于安裝和移動。微波信號容易受到電磁干擾，地面微波通信會造成相互之間的干擾，大氣層中的雨雪也會大量吸收微波信號，當長距離傳輸時會使得信號衰減以至無法接收；

衛(wèi)星通信

方法：是在地球站之間利用位于約3萬6千公里高空的人造同步地球衛(wèi)星作為中繼器的一種微波接力通信。

特點：是通信距離遠,且通信費用與通信距離無關。頻帶很寬,通信容量很大,信號所受到的干擾也較小,通信比較穩(wěn)定。具有較大的傳播時延。

同步衛(wèi)星發(fā)射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆蓋區(qū)的跨度達1萬8千多公里。只要在地球赤道上空的同步軌道上,等距離地放置3顆相隔120度的衛(wèi)星,就能基本上實現(xiàn)全球的通信。

從一個地球站經(jīng)衛(wèi)星到另一地球站的傳播時延在250-300ms之間。一般可取為270ms。

衛(wèi)星地球地面站地面站C波段4/6GHz上行5.925-6.425GHz下行3.7-4.2GHzKU波段12/14GHz

上行14-14.5GHz下行11.7-12.2GHz使用微波使用轉(zhuǎn)發(fā)器接收和轉(zhuǎn)發(fā)地球同步衛(wèi)星22,300公里地球與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星覆蓋全球2、激光在空間傳播的激光束可以調(diào)制成光脈沖以傳輸數(shù)據(jù)，和地面微波一樣，可以在視距范圍內(nèi)安裝兩個彼此相對的激光發(fā)射器和接收器進行通信。由于激光的頻率比微波更高,因而可獲得更高的帶寬。

激光傳輸

特點：

頻率比微波更高，因而可獲得更高的帶寬。激光束的方向性比微波束更好，不受電磁干擾的影響，保密性好。激光穿越大氣時會衰減，易受天氣的干擾。只能在短距離通信中使用。

3紅外線紅外傳輸系統(tǒng)(圖2-24)可利用墻壁或屋頂反射紅外線從而形成整個房間內(nèi)的廣播通信系統(tǒng)，這種系統(tǒng)所用的紅外光發(fā)射器和接收器與光纖通信中使用的類似，也常見于電視機的遙控裝置中。紅外傳輸

4、無線電短波無線電短波通信早已用在計算機網(wǎng)絡中了,已經(jīng)建成的無線通信局域網(wǎng)使用了甚高頻VHF(30MHz～300MHz)和超高頻(300MHz～3000MHz)的電視廣播頻段,這個頻段的電磁波是以直線方式在視距范圍內(nèi)傳播的,所以用作局部地區(qū)的通信是很適宜的。

短波通信設備比較便宜，便于移動，沒有像地面微波站那樣的方向性，加上中繼站可以傳送很遠的距離。短波通信也容易受到電磁干擾和地形地貌的影響，而且?guī)挶任⒉ㄍㄐ乓　?/p>

2.5多路復用技術(shù)多路復用技術(shù)

原因：在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)中,傳輸媒體的帶寬或容量往往超過傳輸單一信號的需求。

目的：為了有效地利用通信線路,希望一個信道同時傳輸多路信號,這就是所謂的多路復用技術(shù)(MultiplexiI1g)。采用多路復用技術(shù)能把多個信號組合起來在一條物理信道上進行傳輸,在遠距離傳輸時可大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用。

多路復用技術(shù)是把多個低速信道組合成一個高速信道的技術(shù)(見圖2-25)，這種技術(shù)要用到兩種設備：多路復用器(Multiplexer)和多路分配器(Demultiplexer)。多路復用器和多路分配器統(tǒng)稱多路器，簡寫為MUX。

多路復用多路復用技術(shù)包括4類，共5種，分別為：頻分復用、同步時分復用、異步時分復用，波分多路復用，碼分多路復用共享信道復用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。

信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(shù)(b)使用復用技術(shù)

頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)是在一條傳輸介質(zhì)上使用多個頻率不同的模擬載波信號進行多路傳輸，這些載波可以進行任何方式的調(diào)制：ASK、FSK、PSK以及它們的組合。每一個載波信號形成了一個子信道，各個子信道的中心頻率不相重合，子信道之間留有一定寬度的隔離頻帶。特點：用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)

時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。時分多路技術(shù)可以用在寬帶系統(tǒng)中，也可以用在頻分多路下的某個子通道上。時分多路復用按照子通道動態(tài)利用情況又可再分為同步時分和統(tǒng)計時分兩種

1、同步時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用

頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用

頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用可能會造成

線路資源的浪費

ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。

統(tǒng)計時分復用STDM

(StatisticTDM)

（AsynchronousTDM）

用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm70

1550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm

2.4.2波分復用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。

82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器波分復用的技術(shù)特點與優(yōu)勢：可靈活增加光纖傳輸容量（利用低損耗波段）同時傳輸多路信號（非同步信號）成本低、維護方便可靠性高，應用廣泛2.4.3碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

碼片序列(chipsequence)

每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列00011011發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列11100100S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。碼片序列的正交關系

令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(2-3)碼片序列的正交關系舉例

令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是–1。正交關系的另一個重要特性

CDMA的工作原理

S站的碼片序列S110ttttttm個碼片tS站發(fā)送的信號SxT站發(fā)送的信號Tx總的發(fā)送信號Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端2.6數(shù)據(jù)交換技術(shù)

在網(wǎng)絡中，兩個端點之間通常需要通過中間節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這些中間節(jié)點并不關心數(shù)據(jù)內(nèi)容，而是提供一個交換設備，把數(shù)據(jù)從一個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到另一個節(jié)點，直至達到目的端。數(shù)據(jù)交換技術(shù)主要是指網(wǎng)絡中間節(jié)點所提供的數(shù)據(jù)交換功能。在交換型通信網(wǎng)絡中，從一個站進入網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通過從節(jié)點到節(jié)點的交換，被選徑送往目的地。

交換：按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源三種交換技術(shù)：電路交換、報文交換和分組交換

2.6.1電路交換

電路交換（CircuitSwitching）是指數(shù)據(jù)傳輸期間，在源站點與目的站點之間建立專用電路鏈接，在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之前，電路一直被占用，而不能被其他結(jié)點所使用。電路交換必定是面向連接的。用電路交換完成的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷以下三個階段。建立連接通信釋放連接電路交換舉例A和B通話經(jīng)過四個交換機通話在A到B的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換舉例C和D通話只經(jīng)過一個本地交換機通話在C到D的連接上進行((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA電路交換傳送計算機數(shù)據(jù)效率低優(yōu)點是：數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，數(shù)據(jù)不會丟失且保持原來的序列。缺點是：電路持續(xù)時間長；線路的利用率很低；低效；當用戶終端或網(wǎng)絡節(jié)點負荷過重時，可能出現(xiàn)呼叫不通的情況，即不能建立電路連接。電路交換適用于數(shù)據(jù)傳輸要求質(zhì)量高且批量大的情況。2.6.2報文交換

報文交換（MessageSwitching）方式不需在兩個站點之間建立一條專用電路，數(shù)據(jù)傳輸單位是報文，所謂報文就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限并且可變。1、報文交換的優(yōu)點電路利用率高。報文交換網(wǎng)絡上，通信量大時仍然可以接收報文，不過傳送延遲會增加。報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地，而電路交換網(wǎng)絡很難做到這一點。報文交換網(wǎng)絡可以進行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。2、報文交換的缺點不能滿足實時或交互式的通信要求，報文經(jīng)過網(wǎng)絡的延遲時間長而且不定。有時結(jié)點收到過多的數(shù)據(jù)而無空間存儲或不能及時轉(zhuǎn)發(fā)時，就不得不丟棄報文。報文2.分組交換的主要特點

在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)報文添加首部構(gòu)成分組每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”分組交換的傳輸單元分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3分組首部的重要性每一個分組的首部都含有地址等控制信息。分組交換網(wǎng)中的結(jié)點交換機根據(jù)收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個結(jié)點交換機。用這樣的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。收到分組后剝?nèi)ナ撞拷邮斩耸盏椒纸M后剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)最后還原成原來的報文最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉(zhuǎn)發(fā)時也沒有被丟棄。報文1101000110101010110101011100010011010010因特網(wǎng)的核心部分因特網(wǎng)的核心部分是由許多網(wǎng)絡和把它們互連起來的路由器組成，而主機處在因特網(wǎng)的邊緣部分。在因特網(wǎng)核心部分的路由器之間一般都用高速鏈路相連接，而在網(wǎng)絡邊緣的主機接入到核心部分則通常以相對較低速率的鏈路相連接。主機的用途是為用戶進行信息處理的，并且可以和其他主機通過網(wǎng)絡交換信息。路由器的用途則是用來轉(zhuǎn)發(fā)分組的，即進行分組交換的。H1H5H2H4H3H6路由器網(wǎng)絡網(wǎng)絡核心部分主機H1H5H2H4H3H6發(fā)送的分組路由器AEDBC網(wǎng)絡核心部分主機分組交換網(wǎng)的示意圖H1A互聯(lián)網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1向H5發(fā)送分組H2向H6發(fā)送分組注意分組路徑的變化！路由器主機注意分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A互聯(lián)網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組路由器主機在路由器

E

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達目的主機

H5在路由器

C

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在路由器

A

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口路由器在路由器中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。路由器處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個目的地址應從哪個端口轉(zhuǎn)發(fā)；把分組送到適當?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。

主機和路由器的作用不同主機是為用戶進行信息處理的，并向網(wǎng)絡發(fā)送分組，從網(wǎng)絡接收分組。路由器對分組進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，最后把分組交付目的主機。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。可靠保證可靠性的網(wǎng)絡協(xié)議；分布式的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡有很好的生存性。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。存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理

并非完全新的概念

在20世紀40年代，電報通信也采用了基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理的報文交換(messageswitching)。報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等?，F(xiàn)在報文交換已經(jīng)很少有人使用了。

分組交換有虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報分組交換兩種（1）數(shù)據(jù)報分組交換數(shù)據(jù)報分組交換是將每個分組被稱為一個數(shù)據(jù)報（datagram），若干個數(shù)據(jù)報構(gòu)成一次要傳送的報文或數(shù)據(jù)塊。每個數(shù)據(jù)報在傳輸?shù)倪^程中，都要進行路徑選擇，各個數(shù)據(jù)報可以按照不同的路徑到達目的地。各數(shù)據(jù)報不能保證按發(fā)送的順序到達目的結(jié)點，有些數(shù)據(jù)報甚至還可能在途中丟失。在接收端，再按分組的順序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)報組重新合成一個完整的報文。應用層運輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應用層運輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層數(shù)據(jù)報服務H1

H2IP數(shù)據(jù)報丟失H1發(fā)送給H2的分組可能沿著不同路徑傳送數(shù)據(jù)報分組交換示意圖數(shù)據(jù)報分組交換的特點：每個分組都必須帶有數(shù)據(jù)、源地址和目的地址，其長度受到限制，一般為2000比特以內(nèi)，典型長度為128個字節(jié)。同一報文的分組可以由不同的傳輸路徑通過通信子網(wǎng)，到達目的結(jié)點時可能出現(xiàn)亂序、重復或丟失現(xiàn)象。傳輸延遲較大，適用于突發(fā)性通信，不適用于長報文、會話式通信。（2）虛電路分組交換

虛電路方式結(jié)合了數(shù)據(jù)報方式與線路交換方式的優(yōu)點，達到最佳的數(shù)據(jù)交換效果。兩個用戶結(jié)點在開始互相發(fā)送和接收數(shù)據(jù)之前需要通過通信網(wǎng)絡建立的一條邏輯上的連接，所有分組都必須沿著事先建立的這條虛電路傳輸，用戶在不需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時清除該連接。整個通信過程分為三個階段：虛電路的建立、數(shù)據(jù)傳輸、虛電路的釋放三個步驟。

應用層運輸層網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應用層