04第4章计算机网络

第4章计算机网络与因特网4.1数字通信入门4.2计算机网络基础4.3因特网的组成4.4因特网提供的服务4.5网络信息安全24.1数字通信基础4.1.1通信系统模型4.1.2传输介质4.1.3数字调制技术4.1.4多路复用技术4.1.5交换技术4.1.6数字通信的主要技术指标3什么是通信(communication)？广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交换现代通信——使用电波或光波传且双向递信息的技术，也称为电信（telecommunication），如电报、电话、传真、电邮、QQ等，电视也可看作是一对多的单向通信通信的发展历史：1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)1876年，美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信1918年，出现收音机和无线电广播1938年，第一个电视台开始播出1940’s出现彩色电视1960’s出现计算机网络4模拟信号与数字信号通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号)才能进行传输t数字信号信号强度模拟信号信号强度t电信号(或光信号)有两种形式：模拟信号形式:通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号；数字信号形式:使用有限个状态(一般是2个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机和计算机发出信号都是数字信号00110100016数字调制数字解调编码器解码器电磁波电视信号发射器电视信号接收器载波载波电视图像及其伴音电视机人造卫星数字通信技术模拟信号模拟信号数字通信技术应用举例（1）卫星电视和数字有线电视：用数字通信技术传输模拟音视频信号数字信号经调制和复用后由天线发送至卫星，再由卫星进行转发，被卫星地面接收站所接收；或者经过光纤和同轴电缆进行传输电视台的节目在传输之前，先要把图像和伴音信号进行数字化，还要进行数据压缩地面站对接收到的信号进行解调、解码后（或同轴电缆送来的数字信号经机顶盒处理后）恢复为模拟信号，再送到用户电视机上播放74.1.1数字通信的基本模型8通信系统的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信号信号举例:信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输发送信息的设备接收信息的设备有线电话移动电话计算机通信信源/信宿电话座机手机计算机信号形式话音经电话机转换成为变化的电流信号话音经电话机转换成为压缩编码后的数字信号编码并打包后的数字信号信道构成电话线和中继器等传输设备无线电波、基站等双绞线、集线器、路由器、光纤等94.1.2传输介质10通信系统介质分类需使用物理介质进行信号传输的是有线通信，例如：金属导体（双绞线、同轴电缆），传输电流信号光导纤维（简称光纤），传输光信号在自由空间进行信号传输的是无线通信，传输的是电磁波信号11双绞线和同轴电缆原理：利用电流(电压)传输信息双绞线分类3类线(10Mb/s)；5类线(100Mb/s)；6类线(200Mb/s)无屏蔽双绞线(UTP)；屏蔽双绞线(STP)同轴电缆内层导线金属屏蔽外绝缘层绝缘体同轴电缆分类基带同轴电缆（50Ω）•以前在以太网中使用宽带同轴电缆（75Ω）•有线电视网使用信号线地线套管无屏蔽双绞线12光纤与光缆多根光纤保护层防止光泄漏的吸收外壳起保护作用的防护层外绝缘层光波在光纤中的传播光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）纤芯包层保护层光波光缆光纤保护层13无线通信原理：数字(或模拟)信号使用电磁波调制后进行传输1041051061071081091010101110121013101410151016Hz双绞线同轴电缆AM广播FM广播和TV卫星地面微波光纤紫外线红外线可见光微波无线电波超短波中波短波电磁波的种类与频率范围无线电波:104～1011(Hz)中波：0.3～3(MHz)短波：3～30(MHz)超短波：30～300(MHz)微波：0.3～300(GHz)红外线：1011～1014(Hz)可见光：1014(Hz)紫外线：1014～1016(Hz)无线广播电视、通信通信14微波通信微波：300MHz～300GHz范围内的电磁波，波长为1m～1mm特点：直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站容量大、可靠性高建设费用低抗灾能力强应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视等15个人移动通信处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息基站移动台（手机）移动电话交换中心公用电话网16蜂窝移动通信原理每10km～20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，通话时使用两个频率（一个上行频率，一个下行频率），同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信，相互不影响每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。相邻单元不允许使用相同的频率，不相邻单元的频率允许重用移动交换中心电话交换中心17选讲：第二代移动通信系统传输的是数字化的语音或文字信号使用频段：900MHz/1800MHz，属于微波通信我国使用两种标准：GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通)•已实现县以上城市的覆盖,接入号有139～135、130•采用频分多路复用技术(分为124个上下行信道)和时分多路复用(每个信道8个连接)，每个蜂窝理论上支持992个连接，实际可有200多个CDMA(码分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess)•所有手机都占用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传输,CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列(扩频码)，用它对承载信息的信号进行编码，实现相互间的区分•抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小，18第三代移动通信系统（3G）第2代移动通信的不足：（1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb/s），仅可传语音文字（2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。（3）不能实现覆盖全球的无缝连接3G的目标：（1）提供高质量的语音通信、数据通信和高分辨率图像通信（2）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务（3）地面移动通信与卫星移动通信相结合，实现全球漫游使用的频谱：1885MHz~2025MHz，2110MHz~2200MHz传输速率：室内：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s我国采用的3种技术标准：中国移动TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入)，自主知识产权中国电信CDMA2000中国联通W-CDMA19传输介质的类型与特点介质特点应用有线通信双绞线成本低，易受外部高频电磁波干扰，误码率较高；传输距离有限固定电话本地回路、计算机局域网同轴电缆传输特性和屏蔽特性良好，可作为传输干线长距离传输载波信号，但成本较高固定电话中继线路、有线电视接入光缆传输损耗小，通讯距离长，容量大，屏蔽特性非常好，不易被窃听，重量轻，便于运输和铺设。缺点是精确连接两根光纤很困难电话、电视等通信系统的远程干线，计算机网络的干线无线通信自由空间使用微波、红外线、激光等，建设费用低，抗灾能力强，容量大，无线接入使得通信更加方便.但易被窃听、易受干扰广播，电视，移动通信系统，计算机无线局域网20对通信系统的一般要求远距离：传输距离要远低成本：传输成本要低高速度：从发生到接收的延迟时间要短可靠：传输的信息不能有错误方便：任何时间和地点都能通信安全：传输的信息要保密，不能泄漏214.1.3调制解调技术22数字通信采用的技术数字调制/解调技术（调幅；调频；调相）解决信号传得远的问题多路复用技术（时分多路；频分多路；波分多路）提高传输线路使用效率、降低传输成本交换技术（电路交换；分组交换）动态分配信道资源，提高传输效率和质量模-数和数-模转换技术；数字编码和数据压缩技术23数字信号如何传输？近距离传输：直接(基带)传输例如：USB移动硬盘－主机；以太网数据传输远距离传输：载波传输例如：数字有线电视；电话拨号上网；ADSL上网什么是载波？研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波，把数字信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输的距离远得多24数字信号的三种调制方法(ASK)幅移键控(FSK)频移键控00110100010调制信号(两个状态)(PSK)相移键控载波信号(高频正弦波)25信道信源(宿)信宿(源)调制后的载波信号接收到的载波信号调制(解调)器(调制)解调器载波载波小结1:远距离通信必须使用MODEM•通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM)信源信号通过调制器调整载波的某个参数(幅度、频率或相位)到达目的地后，使用解调器把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式经过调制后的载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输264.1.4多路复用技术27怎样降低传输成本？分析：通信系统中，传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远远超过传输1路用户信号所需的能力降低成本采用的技术——多路复用技术多路信号使用同一条传输线同时进行传输方法：频分多路复用（FDM）时分多路复用（TDM）波分多路复用（WDM）28DEMUXMUX共享的传输信道载波频率f1调制调制载波频率fn载波频率f1解调解调载波频率fnf频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备工作原理：将不同频率的载波信号合成在一起使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号29频分多路复用举例1广播电台节目的发送与接收频分多路复用分路器(带通滤波器)信号发射信号接收常见广播电台使用的载波频率中波900KHz(南京经济台)■中波1008KHz(南京新闻台)短波15.28MHz(英国BBC)■短波15.29MHz(VOA美国之音)调频104.3MHz(南京体育台)■调频105.8MHz(南京音乐台)30时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)思想：各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输.HFGEDCBA传输线路时间片GC终端1终端2终端3终端4HDFBEA多路复用器43214321数据tMultiplexer多路分路器终端甲终端乙终端丙终端丁EAFBGCHDDemultiplexer应用：主要使用在数字通信领域，如电话中继通信、GSM手机、总线式以太网等31发送方：数据时间异步时分多路复用•数据发送方和接收方也可以异步地进行信息传输。即：发送方有数据且信道有空闲时就发送，没有数据时即使轮到它，也不占用信道。这样可以大大提高信道的利用率•实现方法：在被传输数据中必须附加上接收方的“地址”33小结2:多路复用可以降低通信成本通信系统的原理示意图复用（分路）信道信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器复用（分路）信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器信源（宿）调制解调器······多路复用技术使得成千上万路通信可以在同一条传输线上同时进行，大大节省了通信成本频分多路、时分多