第2章计算机网络基础知识.

制作:铁新城湛江师院1第2章计算机网络基础知识制作:铁新城湛江师院22.1数据通信技术•2.1.1模拟通信和数字通信基本术语:数据:有意义的实体。分为模拟数据与数字数据两类。前者在某区间内是连续的，后者是离散的。信号:数据的电子或电磁编码。也分为模拟与离散两种，前者是随时间变化的电流等，后者是离散电脉冲。信息:数据的内容和解释。信源:通信过程中产生和发送信息的设备或计算机信宿:通信过程中接收和处理信息的设备或计算机信道:是信源和信宿之间的通信线路。制作:铁新城湛江师院32.1.1模拟通信和数字通信•模拟数据是时间的函数，占有一定的频率范围(频带)。可直接用相同频带的模拟信号表示。•数字数据也可用模拟信号表示，但需使用Modem将数字数据转换为模拟信号。•模拟数据也可用数字信号来表示。如编码解码器(CODEC)将模拟的声音数据转换为数字数据。10timetimedatasignal制作:铁新城湛江师院42.模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号制作:铁新城湛江师院52.1.1模拟通信和数字通信信息编码：将信息用二进制数表示的方法。数据编码：将数据用物理量表示的规则。例如：字母‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t制作:铁新城湛江师院6通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据适合传输的信号——便于识别、纠错调制器：信号适合传输的形式——按频率、幅度、相位解码器：传输信号原始数据解调器：接收波形数字信号序列通信系统模型制作:铁新城湛江师院7信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息通信系统的任务把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。信息通过通信系统传输制作:铁新城湛江师院8◆数据传输系统：1）传输线路（包括传输介质和中继设备）2）传输设备：调制解调器、多路复用器、交换机、路由器等◆数据处理系统：主要是指计算机。●通信基本过程—包含两项内容：数据传输和通信控制建立物理连接→建立逻辑连接→数据传送→断开逻辑连接→断开物理连接（对比：打电话的过程）通信系统的构成制作:铁新城湛江师院92.1.2数据通信中的主要技术指标•数据传输速率–指每秒能传输的二进制信息位数，单位为位/秒(bps,b/s)–式中Ｔ为数字脉冲信号的宽度或重复周期。–一个数字脉冲也称为一个码元。N为一个码元所取的有效离散值的个数，一般为2的整数次方值。–一个码元可取N种离散值，则该码元便能携带log2N位二进制信息。–当N=2时，S=(1/T)1S=——log2N(bps)T制作:铁新城湛江师院102.1.2数据通信中的主要技术指标•调制速率(或称码元速率，波特率)的定义–单位时间内通过信道传输的码元个数，即信号经调制后的传输速率。1B=——(Baud)T–其中T为信号码元的宽度。•调制速率与数据传输速率的关系S=B·log2N(bps)B=S/log2N(Baud)制作:铁新城湛江师院112.1.2数据通信中的主要技术指标•信道容量–表征信道传输数据的能力。单位为位/秒(bps)。–信道容量表示信道的最大传输速率，而数据传输速率表示实际的数据传输速率。–无噪声时码元速率的极限限值与信道带宽的关系B=2·H(Baud)–其中H是信道的带宽。–Nyquist公式(表征信道的数据传输能力)C=2·H·log2N(bps)–C为信道最大的数据传输能力。制作:铁新城湛江师院12香农(Shannon)公式：高斯噪声干扰信道C=Hlog2(1+SN)C=传输率，单位b/sH=带宽，单位HzS/NdB信噪比（dB分贝）的定义S/NdB=10log10(S/N)例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsSC=Hlog2(1+—)NS—=10N(S/NdB)/10即:制作:铁新城湛江师院132.1.2数据通信中的主要技术指标•误码率Pe–衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠靠性的指标。定义为二进制数据位传输时出错的概率。–设传输的二进制数据总数为N，其中出错的位数为Ne，则误码率表示为NePe=——N–实际通信中要求误码率低于10-6。制作:铁新城湛江师院142.1.3通信方式•并行传输：–发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备,还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何转换就可直接使用。并行的数据传送线也叫总线。–并行线可有8位、16位、32位等多种，功能都是一样的。–并行线主要用于近距离的传送，如局域网。计算机内部的数据多是并行传输。•串行传输：–每次由源到目的传输的数据只有1位，传输速度慢。–在发送方需将数据作并—串转换，接收方则作串—并转换后才能使用。它适用于距离较远的情况。–成本因素，远距离通信一般采用串行传输技术制作:铁新城湛江师院152.1.3通信方式12367458校验发送设备接收设备数据线数据位87632541发送设备接收设备87632541串行到并行的转换并行到串行的转换并行数据传输串行数据传输制作:铁新城湛江师院162.1.3.3串行通信的方向性结构•单工、半双工和全双工。发方收方A方A方B方B方单工半双工全双工制作:铁新城湛江师院172.2数据编码技术和时钟同步•数字数据的模拟信号编码•数字数据的数字信号编码•模拟数据的数字信号编码•多路复用技术•异步传输和同步传输制作:铁新城湛江师院182.2.1数字数据的模拟信号编码话音模拟传输模拟数字Modem模拟模拟CODEC数字数字数字编码数字模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010制作:铁新城湛江师院19EncoderDecoder数字或模拟数字信号g(t)x(t)g(t)数字或模拟编码ModulatorDemodulator数字或模拟模拟信号m(t)ps(t)m(t)数字或模拟P—调制参数调制用数字信号承载数字或模拟数据——编码用模拟信号承载数字或模拟数据——调制编码和调制制作:铁新城湛江师院20三种常用的调制技术：1.幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅2.频移键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频3.相移键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化制作:铁新城湛江师院21ASK：用载波的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v)FSK：用载波的两个不同频率表示0(1.2KHz)和1(2.4KHz)PSK：用载波的起始相位的变化表示0(同相)和1(反相)00110100010ASK调幅FSK调频PSK调相00110100010制作:铁新城湛江师院220110000+90+180+27011•数据率=信号速率×log2MM：调制级数+900010000+270011+1800104-PSK多级调制方法1-单参量多级调制制作:铁新城湛江师院2316-QAM(正交振幅调制):使用振幅和相位的16种组合04516-QAM的星座图90180270135315225多级调制方法2–多参量多级调制制作:铁新城湛江师院242.2.2数字数据的数字信号编码•不归零制(NRZ，Non-ReturntoZero)–二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常用－5V表示1，＋5V表示0。–缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；–不具备自同步机制，必须使用外同步。•曼彻斯特编码(Manchestercode)–用电压的变化表示0和1。制作:铁新城湛江师院25规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变——0，低→高的跳变——1∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。曼彻斯特编码制作:铁新城湛江师院26与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1：码元开始处有跳变——0码元开始处无跳变——1差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)制作:铁新城湛江师院27时钟NRZManchester差分Manchester01001100011三种数字编码的波形图制作:铁新城湛江师院28奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样2）量化——对每个样本舍入到量化级别上3）编码——对每个舍入后的样本进行编码3.模拟数据的数字信号编码制作:铁新城湛江师院29模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化声音--话音信道带宽4KHz--采样时钟频率：8KHz(2倍话音最大频率)--量化级数：256级(8位二进制码表示)--数据率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信号的速率=64000bps编码后的信号称为PCM（PulseCodedModulation）信号（脉码调制信号）制作:铁新城湛江师院303.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100原始信号PAM脉冲PCM脉冲(有量化误差)011100011011001100PCM输出PCM转换过程举例制作:铁新城湛江师院31ABCDBACD模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码数字化声音PCM转换波形图制作:铁新城湛江师院32公用电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)-端到端的数据传输率：104b/s-干线的数据传输率：1010b/s-总体误码率：10-5-通信干线采用光纤或微波数字传输系统。优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低、维护容易通信系统的例子——电话系统制作:铁新城湛江师院332.2.4多路复用技术•复用——多个信息源共享一个公共信道为何要复用？线路成本DEMUX复用器解复用器共享信道MUX•FDM(频分复用)WDM(波分复用)TDM(时分复用)复用类型制作:铁新城湛江师院34CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。适用于模拟信号传输1.频分复用FrequencyDivisionMultiplexing制作:铁新城湛江师院35F2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤采用无源设备，更可靠棱柱/衍射光栅原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。2.波分复用WaveDivisionMultiplexing制作:铁新城湛江师院36原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道(时隙)，每个用户占用一个通道传输数据。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输时间片3.时分复用TimeDivisionMultiplexing制作:铁新城湛江师院37ABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽TDM的缺点：某