计算机网络原理课件网络通信基础

计算机网络第2章网络通信基础1第2章网络通信基础2.1网络通信模型2.2传输介质2.2.1有线介质2.2.2无线介质2.3网络拓扑结构2.4多路复用2.4.1频分复用2.4.2时分复用2.4.3波分复用2.4.4码分复用2第2章物理层（续）2.5数据交换2.5.1电路交换2.5.2报文交换2.5.3分组交换32.1网络通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机4几个术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。5数据的传输方式单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。6并行传输与串行传输并行传输数据的每一位各占一条信号线，所有的位并行传输。串行传输数据信号的若干位按位顺序串行排列成数据流，在一条信道上传输。72.2数据编码数字数据编码为数字信号数字数据编码为模拟信号模拟数据编码为模拟信号模拟数据编码为数字信号81)数字数据编码为数字信号1不归零NRZ2归零RZ3不归零反相编码NRZI4曼彻斯特5差分曼彻斯特9不归零编码(Non-ReturntoZero,NRZ)将数值1映射为高信号，数值0映射为低信号。优点实现起来简单而且费用低。缺点1)连续“0”和连续“1”问题2)发送方和接收方的时钟不能精确同步比特0010111101000010NRZ10不归零反相编码(Non-ReturntoZeroinverted，NRZI)信号电平的一次反转代表比特1，没有电平变化的信号代表比特0。NRZI优于NRZ编码:由于每次遇到比特1都发生电平跳变,这能提供一种同步机制。数据流中的1都使接收方能根据信号的实际到达来对本身时钟进行再同步。一连串0仍会造成麻烦，但由于连续0出现不频繁，问题就小了许多。比特0010111101000010NRZI11归零（ReturntoZero，RZ）二进制“0”用低电平代表二进制“1”电平由高变低优缺点和NRZI基本相同12曼彻斯特编码（Manchestercoding）曼彻斯特编码在每个比特间隔的中间引入跳变同时用于同步和比特表示。一个由低电平到高电平的跳变代表比特0，而高电平到低电平的跳变代表比特1，反之亦可。通过这种跳变的双重作用，达到了同步的效果。比特0010111101000010时钟Manchester13差分曼彻斯特编码根据比特间隔的开始位置是否有跳变来表示不同的比特。开始位置有跳变代表“0”，无跳变代表“1”，反之亦可。比特0010111101000010时钟差分Manchester14NZR,NZRI,ManchesterBitsNRZClockManchesterNRZI001011110100001015NRZ、RZ、曼彻斯特、差分曼彻斯特16曼彻斯特编码的效率Manchester编码可以保证在每个比特的正中间出现一个跳变，这对接收端提取比特同步信号是非常有利的．但从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，这就是它所占的带宽比原始的基带信号增加了一倍，需要更高频的电路设备，实际上是通过传输每位数中间的跳边方向来表示传输数据的值．即它使链路上的信号跳变频率加倍，在相同条件下，NRZ和NRZI传输的比特是曼彻斯特编码的2倍，曼彻斯特编码的编码效率仅为50%。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特将数据和时钟都包含在编码中，所以二者都称为自同步编码。17MB/NB4B/5B编码每4比特数据采用5比特的编码传给接收方。5比特代码是由以下方式选定的:每个代码不会多于1个的前导0并且末端也不会多于两个0。得到的5比特代码使用NRZI编码传输，4B/5B编码的效率为80%184B/5B编码4比特数据5比特编码00001111000010100100101010000111010101000101001010101101100111001110111110001001010011001110101011010111011111001101011011101111101110011111110119202）数字数据编码为模拟信号(最基本的调制方法)基带信号包含有低频成分，甚至直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。最基本的二元制调制方法有以下几种：振幅键控：载波的振幅随基带数字信号而变化。移频键控：载波的频率随基带数字信号而变化。移相键控：载波的初始相位随基带数字信号而变化。21基带数字信号的三种调制方法010011100基带信号振幅键控移频键控移相键控3)模拟数据编码为数字信号脉冲编码法采样量化编码增量调制224)模拟数据编码为模拟信号调幅调频调相23基带(baseband)和带通(bandpass)信号基带信号（即基本频带信号）——信源信号。像计算机输出的各种文字或图像文件的数据信号都是基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。2425信道的极限容量实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。2526数字信号通过实际的信道有失真，但可识别失真大，无法识别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形2627信道能够通过的频率范围1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。2728信噪比香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。2829香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。2930请注意对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率吗？这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。异步、同步传输同步：接收端和发送端在时间上协调一致，接收端按照发送端发送码元的起止时间和频率接收数据。异步传输以字符为单位进行传输，每个字符前加起始位，字符后加结束位。同步传输帧同步帧起始同步字符和帧终止字符。位同步312.3网络拓扑结构总线型环型星型混合型树型（星型级联，星型变体）星环型（星型+环型）网状32网络拓扑结构：网络中各个结点相互连接的方式，一般指通信子网的结构。2.3.1总线拓扑结构33组成：单根传输线作为传输介质，所有的站点通过相应硬件结构直接连接到传输介质。特点：所有的结点共享一根传输线。采用分布式控制策略。优点：电缆长度短、可靠性高、容易扩充；缺点：故障诊断难、终端必须是智能的。342.3.2星型拓扑352.3.2星型拓扑组成：由中央结点和各个站点组成，特点：中央结点执行集中式通信控制策略。中央结点一般为集线器、交换机。优点：访问协议简单、故障诊断容易、便于集中控制；缺点：过分依赖中央结点、需安装较多电缆、扩展难。362.3.3环型拓扑37组成：用一条传输线将一系列的结点连成一个环。即有中继器和连接中继器的链路组成。中继器：数据的转发设备特点：链路是单向的，只能按一个方向进行数据传输。分布式控制策略优点：电缆短、适合光纤；缺点：故障诊断难、网络重新配置不灵活。2.3.3环型拓扑382.3.4树型拓扑39组成：树形拓扑结构可以认为是多级星形结构组成的，呈三角形分布的。分支结点是由集线器和交换机组成。优点：扩展性好、故障隔离容易；缺点：对分支结点的依赖性大。2.3.4树型拓扑402.3.5总线-星型拓扑412.3.5总线-星型拓扑422.3.5网状拓扑组成：每一个结点与其他结点有链路连接。优点：可靠性高、可优化通信；缺点：结构复杂、路径选择和流量控制。共享信道2.4多路复用技术复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术4344多路复用技术分类：频分多路复用技术同步时分多路复用技术异步时分多路复用技术波分多路复用技术码分多址访问2.4.1频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率545462.4.1频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)特点：在某一瞬时线路上有多路信号在传输；保护带：信道之间的隔离带；FDM：适合模拟信号传输，用于电视信号、电话信号。2.4.2时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。47时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧48时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧49时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧50时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧51时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。52统计时分复用STDM(StatisticTDM)用户AB