計算機網絡 CH2 網絡通信基礎課件

計算機網絡第2章網絡通信基礎1第2章網絡通信基礎2.1網絡通信模型2.2傳輸介質

2.2.1有線介質

2.2.2無線介質2.3網絡拓撲結構2.4多路復用

2.4.1頻分復用

2.4.2時分復用

2.4.3波分復用

2.4.4碼分復用2第2章物理層（續(xù)）2.5數據交換

2.5.1電路交換

2.5.2報文交換

2.5.3分組交換3幾個術語數據(data)——運送消息的實體。信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現?！澳M的”(analogous)——代表消息的參數的取值是連續(xù)的?！皵底值摹?digital)——代表消息的參數的取值是離散的。碼元(code)——在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。5數據的傳輸方式單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。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)。雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。6并行傳輸與串行傳輸

并行傳輸

數據的每一位各占一條信號線，所有的位并行傳輸。串行傳輸

數據信號的若干位按位順序串行排列成數據流，在一條信道上傳輸。71)數字數據編碼為數字信號1不歸零NRZ2歸零RZ3不歸零反相編碼NRZI

4曼徹斯特5差分曼徹斯特9不歸零編碼(Non-ReturntoZero,NRZ)將數值1映射為高信號，數值0映射為低信號。優(yōu)點實現起來簡單而且費用低。缺點1)連續(xù)“0”和連續(xù)“1”問題

2)發(fā)送方和接收方的時鐘不能精確同步

比特

0010111101000010NRZ10

不歸零反相編碼

(Non-ReturntoZeroinverted，NRZI)信號電平的一次反轉代表比特1，沒有電平變化的信號代表比特0。NRZI優(yōu)于NRZ編碼:由于每次遇到比特1都發(fā)生電平跳變,這能提供一種同步機制。數據流中的1都使接收方能根據信號的實際到達來對本身時鐘進行再同步。一連串0仍會造成麻煩，但由于連續(xù)0出現不頻繁，問題就小了許多。比特

0010111101000010NRZI11曼徹斯特編碼（Manchestercoding）曼徹斯特編碼在每個比特間隔的中間引入跳變同時用于同步和比特表示。一個由低電平到高電平的跳變代表比特0

，而高電平到低電平的跳變代表比特1

，反之亦可。通過這種跳變的雙重作用，達到了同步的效果。比特

0010111101000010

時鐘Manchester13差分曼徹斯特編碼根據比特間隔的開始位置是否有跳變來表示不同的比特。開始位置有跳變代表“0”，無跳變代表“1”，反之亦可。

比特

0010111101000010

時鐘差分Manchester14NZR,NZRI,Manchester15

曼徹斯特編碼的效率Manchester編碼可以保證在每個比特的正中間出現一個跳變，這對接收端提取比特同步信號是非常有利的．但從曼徹斯特編碼的波形圖不難看出其缺點，這就是它所占的帶寬比原始的基帶信號增加了一倍，需要更高頻的電路設備，實際上是通過傳輸每位數中間的跳邊方向來表示傳輸數據的值．即它使鏈路上的信號跳變頻率加倍，在相同條件下，NRZ和NRZI傳輸的比特是曼徹斯特編碼的2倍，曼徹斯特編碼的編碼效率僅為50%。曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特將數據和時鐘都包含在編碼中，所以二者都稱為自同步編碼。17MB/NB4B/5B編碼每4比特數據采用5比特的編碼傳給接收方。5比特代碼是由以下方式選定的:

每個代碼不會多于1個的前導0并且末端也不會多于兩個0。得到的5比特代碼使用NRZI編碼傳輸，4B/5B編碼的效率為80%184B/5B編碼4比特數據5比特編碼

0000111100001010010010101000011101010100010100101010110110011100111011111000100101001100111010101101011101111100110101101110111110111001111111011921基帶數字信號的三種調制方法010011100基帶信號振幅鍵控移頻鍵控移相鍵控3)模擬數據編碼為數字信號

脈沖編碼法

采樣

量化

編碼增量調制224)模擬數據編碼為模擬信號調幅調頻調相2325信道的極限容量實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。2526數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2627信道能夠通過的頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。2729香農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的極限傳輸速率低不少。2930請注意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嗎？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。異步、同步傳輸異步傳輸

以字符為單位進行傳輸，每個字符前加起始位，字符后加結束位。同步傳輸幀同步幀起始同步字符和幀終止字符。位同步312.2物理層下面的傳輸介質無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波

調幅無線電

調頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜322.2.1有線介質雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纖網絡需要解決的最基本問題……連通33連通什么？網絡基本需求：解決直連網絡結點間的通信網絡由兩類硬件構件：結點和鏈路結點：臺式機、服務器、工作站、路由器、交換機。3435UTPcable(photo)36屏蔽雙絞線3738Cablespecifications10BASE-T10BASE510BASE2

3910BASE-T，10BASE-5，10BASE-2，以太網的技術標準，10Base-2、10Base-5、10Base-T都是以太網的技術標準，傳輸速率為10Mbps，其中10Base-2技術以細同軸電纜為傳輸介質，10Base-5技術以粗同軸電纜為傳輸介質，10Base-T技術以非屏蔽雙絞線為傳輸介質。100Base-TX快速以太網標準支持平行/交叉線自動識別功能。

40RJ-45有8根針，雙絞線有8根線，實際通信中用到了1，2，3，6這四根線41雙絞線的連接方法雙絞線的連接方法有兩種：Straight-through，直通線：水晶頭的兩頭按照相同的線序連接。

Crossover交叉線：1和3，2和6線序調換。

Rollover：一頭是1到8，另外是8到1，正好相反，用于pc到router的Console端口網絡設備（交換機，hub、路由器）有的接口有X標記，有的沒有X標記，如果連接線兩端都有X標記或者都沒有X標記，我們稱之為相同性質的端口，如果一頭有X標記，另一頭沒有X標記，稱為不同性質的端口，不同性質的端口之間用直通線，相同性質的端口之間用交叉線。相同性質的端口：Hub-Hub，Hub-Switch，Switch-Switch，Router-Router，Router-PC，PC-PC不同性質的端口：PC-Hub，PC-Switch，Router-Hub，Router-Switch4243直通線44交叉線45交叉線46路由器的console口47配置端口連接方式

Console端口的連接方式

當使用計算機配置路由器時，必須使用翻轉線將路由器的Console口與計算機的串口/并口連接在一起，這種連接線一般來說需要特制。

4849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導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜50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51光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射52輸入脈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532.2.2無線介質無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛(wèi)星通信

54地面微波地球地面站之間的可視距離

天線55衛(wèi)星通信地球地面站地面站562.3網絡拓撲結構總線型環(huán)型星型混合型樹型（星型級聯，星型變體）星環(huán)型（星型+環(huán)型）網狀57基本要求：各種拓撲結構的定義優(yōu)點缺點58

總線型59

環(huán)型60

星型61共享信道2.4多路復用技術

2.4.1頻分復用復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術622.4.1頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)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據的發(fā)送速率）。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5632.4.2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（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。64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65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66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67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68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)傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發(fā)性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。69統(tǒng)計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用701550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.3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光調制器光解調器712.4.4碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經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。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

72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。發(fā)送比特1時，就發(fā)送序列，發(fā)送比特0時，就發(fā)送序列。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)73CDMA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。74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)格化內積(innerproduct)都是0：(2-3)75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。76任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內積值是–1。正交關系的另一個重要特性77CDMA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)格化內積S

Sx規(guī)格化內積S

Tx數據碼元比特發(fā)送端接收端78碼分多址訪問（CDMA）實例:ABCA：01011100A：-1+1-1+1+1+1-1-1例1：--1S1=-1-1+1-1+1+1+1-1B：01000010B：-1+1-1-1-1-1+1-1例2：10-S2=000+2+2+2-20C：00101110C：-1-1+1-1+1+1+1-1例3：-10S3=0+2-20-2-200三站的碼片序列雙極型時隙序列三個實例Si為發(fā)送站的時隙序列之和對于實例1：

C站發(fā)送1，時隙序列為：-1-1+1-1+1+1+1-1疊加復合信號為：-1-1+1-1+1+1+1-1C站碼片序列為：-1-1+1-1+1+1+1-1S1與C站的對應內積為：（+1+1+1+1+1+1+1+1）/8=1即例1中C站發(fā)送的是179碼分多址訪問（CDMA）對于實例2：A站發(fā)送1，時隙序列為：-1+1-1+1+1+1-1-1B站發(fā)送0，時隙序列為：+1-1+1+1+1+1-1+1

疊加復合信號為：000+2+2+2-20C站碼片序列為：-1-1+1-1+1+1+1-1S2與C站的對應內積為：（000-2+2+2-20）/8=0即例2中C站保持沉默對于實例3：B站發(fā)送1，時隙序列為：-1+1-1-1-1-1+1-1C站發(fā)送0，時隙序列為：+1+1-1+1-1-1-1+1

疊加復合信號為：0+2-20-2-200C站碼片序列為：-1-1+1-1+1+1-1+1S3與C站的對應內積為：（0-2-20-2-200）/8=-1即例3中C站發(fā)送的是080碼分多址訪問（CDMA）CDMA的工作原理：各個站點相互通訊時，每個站做三個動作：（1）發(fā)送自己的碼片（2）發(fā)送自己碼片的反碼（3）不發(fā)送。發(fā)送站的碼片序列都是同步的，接收站事先知道其他站點的碼片序列，當收到碼片時，與其他站點的碼片進行內積運算，如果結果是“1”，說明碼片對應的站點發(fā)送了“１”，如果結果為“－１”，說明碼片對應的站點發(fā)送了“０”，如果結果是“０”，說明站點沒有發(fā)送。812.5數據交換電路交換報文交換分組交換821.電路交換的主要特點兩部電話機只需要用一對電線就能夠互相連接起來。

83更多的電話機互相連通5部電話機兩兩相連，需10對電線。N部電話機兩兩相連，需N(N–1)/2對電線。當電話機的數量很大時，這種連接方法需要的電線對的數量與電話機數的平方成正比。

84使用交換機當電話機的數量增多時，就要使用交換機來完成全網的交換任務?！?/p>

交換機85“交換”的含義在這里，“交換”(switching)的含義就是轉接——把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。86電路交換的特點電路交換必定是面向連接的。電路交換的三個階段：建立連接通信釋放連接87電路交換舉例A和B通話經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BDCA88電路交換舉例C和D通話只經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BDCA89電路交換傳送計算機數據效率低計算機數據具有突發(fā)性。這導致通信線路的利用率很低。90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、固定長度的數據段。1111010假定這個報文較長不便于傳輸91數據數據數據報文添加首部構成分組每一個數據段前面添加上首部構成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現在左邊是“前面”92分組交換的傳輸單元分組交換網以“分組”作為數據傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

393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。分組交換網中的結點交換機根據收到的分組的首部中的地址信息，把分組轉發(fā)到下一個結點交換機。用這樣的存儲轉發(fā)方式，最后分組就能到達最終目的地。94收到分組后剝去首部接收端收到分組后剝去首部還原成報文。數據首部分組

1數據首部分組

2數據首部分組

3收到的數據95數據數據數據最后還原成原來的報文最后，在接收端把收到的數據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差錯，在轉發(fā)時也沒有被丟棄。報文111101096因特網的核心部分因特網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起來的路由器組成，而主機處在因特網的邊緣部分。在因特網核心部分的路由器之間一般都用