計算機網絡ComputerNetworksComputerNetworks教學內容第1章引論第2章數據通信基礎知識第3章計算機網絡體系結構第4章計算機局域網絡第5章計算機廣域網技術第6章網絡操作系統第7章常用網絡設備第8章網絡互聯與因特網基礎第9章因特網的應用第10章網絡管理與網絡安全ComputerNetworks第2章數據通信的基礎知識本章內容信道傳輸介質數據編碼多路復用技術數據交換技術差錯控制及檢錯ComputerNetworks§2.1基本概念數據及計算機通信術語數據（Data）：傳遞（攜帶）信息的實體。信息（Information）：是數據的內容或解釋。信號（Signal）：數據的物理量編碼（通常為電編碼），數據以信號的形式在介質中傳播。模擬信號、數字信號基帶（Baseband）、寬帶（Broadband）信道（Channel）：傳送信息的線路（或通路）。比特（bit）：即一個二進制位。比特率為每秒傳輸的比特數（即數據傳送速率）。碼元（Codecell）：時間軸上的一個信號編碼單元。ComputerNetworks同步脈沖：用于碼元的同步定時，識別碼元從何時開始

●同步脈沖也可位于碼元的中部●一個碼元也可有多個同步脈沖相對應t碼元1碼元2碼元3碼元4碼元5信號同步脈沖tComputerNetworks波特（Baud）：碼元傳輸的速率單位。波特率為每秒傳送的碼元數（即信號傳送速率）。比特率、波特率和信號編碼級數的關系如下：

Rbit=Rbaudlog2M

上式中：M-信號的編碼級數，Rbit-比特率，Rbaud-波特率一個信號往往可以攜帶多個二進制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個碼元中可以傳送多個比特。例如：當波特率為9600時若M=2，數據傳輸率為9600b/s若M=16，數據傳輸率為38.4kb/sComputerNetworks誤碼率：信道傳輸可靠性指標，是一個概率值。信息編碼：將信息用二進制數表示的方法。例如：ASCII編碼、BCD編碼等數據編碼：將數據用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII編碼為01000001，其數據編碼可能為01000001tComputerNetworks帶寬（Bandwidth，BW）信道傳輸能力的度量。在傳統的通信工程中：BW≈fmax－fmin

單位：赫茲（Hz）在計算機網絡中，一般用每秒允許傳輸的二進制位數作為帶寬的計量單位。主要單位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。例如：傳統以太網理論上每秒可以傳輸1千萬比特，它的帶寬為10Mb/s。時延（Delay）：信息從網絡的一端傳送到另一端所需的時間。時延=處理時延+排隊時延+發送時延+傳播時延處理時延=對數據進行處理和錯誤校驗所需的時間排隊時延=數據在中間結點等待轉發的延遲時間發送時延=數據位數/信道帶寬傳播時延=d/s

d:距離，s:介質中信號傳播速度(≈0.7c)ComputerNetworks時延帶寬乘積：某一信道所能容納的比特數。時延帶寬乘積=帶寬×傳播時延例如，某信道的時延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個比特到達目的端時，源端已發送了100萬比特。信道帶寬傳播時延管道體積=時延帶寬乘積ComputerNetworks往返時延（Round-TripTime，RTT）：從發送端發送數據開始，到發送端收到接收端的確認所經歷的時間RTT≈2×傳播時延傳輸可靠性兩個含義：數據能正確送達數據能有序送達（當采用分組交換時）ComputerNetworks1.數據通信的一般概念通信的三個要素：信源、信宿和信道噪聲信源發送器信道接收器信宿源系統目的系統任何信道都不是完美無缺的，因此會對傳輸的信號產生干擾，稱為“噪聲”。外界：閃電、串擾、電氣設備內部：介質特性（衰減、延遲－與頻率有關）ComputerNetworks§2.2信道及其主要特征1.數字信道和模擬信道數字信道：以數字脈沖形式（離散信號）傳輸數據的信道。計算機網絡中主要采用數字信道進行數據傳輸ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域網模擬信道：以連續模擬信號形式傳輸數據的信道。CATV、無線電廣播、電話撥號線路ComputerNetworks模擬信號和數字信號模擬信號時間上連續，包含無窮多個信號值模擬信號能在數字信道上傳輸嗎？數字信號時間上離散，僅包含有限數目的信號值。最常見的是二值信號數字信號能在模擬信道上傳輸嗎？ta）模擬信號tb）數字信號ComputerNetworks周期信號和非周期信號周期信號信號由不斷重復的固定模式組成（如正弦波）非周期信號信號沒有固定的模式和波形循環（如語音的音波信號）。tTTTtTTT周期信號非周期信號ttComputerNetworks數字通信與模擬通信數字通信在數字信道上實現模擬信息或數字信息的傳輸模擬通信在模擬信道上實現模擬信息或數字信息的傳輸數字通信的優點抗噪聲（干擾）能力強可以控制差錯，提高了傳輸質量便于用計算機進行處理易于加密、保密性強可以傳輸語音、數據、影像，通用、靈活計算機通信僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信，如通過電話線撥號上網。ComputerNetworks2.信道的最大數據傳輸率Nyquist公式：用于無噪聲理想低通信道Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高數據傳輸速率提供了依據。例如，話音級線路的帶寬約為3.1kHz，根據上式計算的信道最大數據傳輸率如右表所示C=2Wlog2MC=數據傳輸率，單位b/sW=帶寬，單位HzM=信號編碼級數M最大數據率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/sComputerNetworks非理想信道實際的信道上存在損耗、延遲、噪聲。損耗引起信號強度減弱，導致信噪比S/N降低。延遲會使接收端的信號產生畸變。噪聲會破壞信號，產生誤碼。例如：數據傳輸速率為56kb/s時，持續時間0.01s的干擾會破壞約560個比特。ComputerNetworksNyquist公式和Shannon公式的比較C=2Wlog2M用于理想信道（這樣的信道存在嗎？）數據傳輸率隨信號編碼級數增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）用于有噪聲信道（實際的信道總是有噪聲！）無論信號編碼級數增加到多少，此公式給出了有噪聲信道可能達到的最大數據傳輸速率上限。原因：噪聲的存在將使編碼級數不可能無限增加。ComputerNetworks4.數據傳輸方式單/雙工通信——單/雙向傳輸單工：數據單向傳輸（例：無線電廣播）半雙工：數據可以雙向交替傳輸，但不能在同一時刻雙向傳輸（例：對講機）全雙工：數據可以雙向同時傳輸（例：電話）需要具有兩條物理上獨立的傳輸線路；或者需要具有一條物理線路上的兩個信道，分別用于不同方向的信號傳輸。ComputerNetworks基帶/頻帶/寬帶傳輸基帶傳輸：不需調制，編碼后的數字脈沖信號直接在信道上傳送。例如：以太網（局域網）頻帶傳輸：數字信號調制成音頻模擬信號后再傳送，接收方需要解調。例如：通過電話網絡傳輸數據寬帶傳輸：把信號調制成頻帶為幾十MHZ到幾百MHZ的模擬信號后再傳送，接收方需要解調。例如：閉路電視的信號傳輸ComputerNetworks數據同步方式目的是使接收端與發送端在時間基準上一致：同步脈沖頻率數據從什么時候開始，什么時候結束位邊界數據塊邊界數據通信中需要在三個層次上實現同步：位——位同步字符——字符同步幀(Frame)——幀同步ComputerNetworks位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都與發送端保持同步，2種同步方法：外同步——發送端發送數據之前發送同步脈沖信號，接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。自同步——通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數據編碼信號中包含同步信號，接收方從數據編碼信號提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。ComputerNetworks§2.3傳輸介質磁介質

高帶寬、低費用、高延時（小時）——在通信中很少使用

例：7GB/8mm磁帶，1000盤/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。總容量=7*1000*8Gbits，總時間=24*60*60=86400s傳送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s若讓劉翔來傳送1盤10GB的磁帶，在110米內其傳輸速率是多少？金屬導體雙絞線、同軸電纜(粗、細)光纖無線介質無線電、微波、衛星、紅外線ComputerNetworks屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，應用較少雙絞線外無任何屏蔽層，應用廣泛常用的雙絞線：3類（16Mb/s）

和5類（155Mb/s）兩種ComputerNetworks光纖（OpticalFiber）依靠光波承載數據，光脈沖在玻璃纖維中傳播優缺點：傳輸帶寬高：僅受光電轉換器件的限制（＞100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好輕便價格較高需要光電轉換纖芯材料：塑料二氧化硅

（高純玻璃）ComputerNetworks光纖傳輸原理——光的反射光從折射率高的介質入射到折射率低的介質時會產生折射。折射量取決于兩種介質的折射率。當入射角≥臨界值時產生全反射，不會泄漏。纖芯-折射率高，玻璃包層-折射率低亮度調制：有光脈沖-1，無光脈沖-0光傳輸系統：光源、介質、光檢測光源：850nm/1300nm/1500nm，發光二極管/激光二極管光檢測器：光電二極管PIN/雪崩二極管APD單向傳輸，雙向需兩根光纖應用領域：局域網主干、電信網絡、服務器連接ComputerNetworks典型的光纜單芯光纜多芯光纜玻璃封套塑料外套玻璃內芯玻璃內芯塑料外套玻璃封套外殼常見規格：纖芯——50um緩變型-MMF62.5um緩變型/增強型-MMF8.3um突變型-SMF包層——125umComputerNetworks高密度多芯光纜剖面結構芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束ComputerNetworks無線電基站與終端之間通信采用無線鏈路應用領域：移動通信、無線局域網（WLAN）BS基站覆蓋的無線電區域BS基站用戶計算機和終端ComputerNetworks地球同步衛星與地面站相對固定位置使用3顆衛星即可覆蓋全球傳輸延遲時間長（≈270ms）廣播式傳輸應用領域：電視傳輸長途電話專用網絡廣域網35,784公里地球ComputerNetworks§2.4數據編碼不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種情況：數據：模擬數據數字數據信號：模擬信號數字信號信道：模擬信道數字信道ComputerNetworks1.數字數據的數字信號編碼使數字數據能在數字信道上傳輸把數字數據轉換成某種數字脈沖信號常見的有兩類：不歸零碼和曼徹斯特編碼不歸零碼（NRZ，Non-ReturntoZero）二進制數字0、1分別用兩種電平來表示；常用－5V表示1，＋5V表示0；缺點：存在直流分量，傳輸中不能有變壓器或電容；不具備自同步機制，傳輸時必須使用外同步。ComputerNetworks曼徹斯特編碼（ManchesterCoding）用電壓的變化表示0和1。規定在每個碼元的中間發生跳變：高→低的跳變代表0，低→高的跳變代表1每個碼元中間都要發生跳變，接收端可將此變化提取出來作為同步信號。這種編碼也稱為自同步碼（Self-SynchronizingCode）。缺點：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號速率是數據速率的2倍）。差分曼徹斯特編碼（Differential～）每個碼元的中間仍要發生跳變。用碼元開始處有無跳變來表示0和1

，有跳變代表0，無跳變代表1。ComputerNetworks2.數字數據的調制使數字數據能在模擬信道上傳輸三種常用的調制技術：幅移鍵控ASK（AmplitudeShiftKeying）頻移鍵控FSK（FrequencyShiftKeying）相移鍵控PSK（PhaseShiftKeying）原理：用數字信號對載波的不同參量進行調制。

載波信號S(t)=Acos(t+)

S(t)的參量包括：幅度A、頻率

、初相位調制就是要使A、或隨數字基帶信號的變化而變化ComputerNetworks3.模擬數據的數字信號編碼使模擬數據能在數字信道上傳輸采樣定理：如果模擬信號的最高頻率為F，若以≥2F的采樣頻率對其采樣，則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出原始信號。要轉換的模擬數據主要是電話語音信號模擬數據要在數字線路上傳輸，必須將其轉換成數字信號。三個步驟：采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣量化：把每個樣本舍入到最接近的量化級別上編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM信號（脈碼調制,PulseCodedModulation）。ComputerNetworks語音信號的數字化語音帶寬f<4kHz采樣時鐘頻率：8kHz（>2倍語音最大頻率）樣本量化級數：256級（8bit/每樣本）數據率：8000次/s*8bit=64kb/s每路PCM信號的速率=64kb/s模擬語音信號采樣時鐘PCM信號采樣電路量化和編碼數字化語音信號f<4kHzfs=8kHzComputerNetworksPCM編碼過程舉例

語音信號011100011011001100

PCM輸出343314011100011011001100

PCM信號（有量化誤差）3.23.92.83.41.24.2

PAM信號ComputerNetworks§2.5多路復用技術多路復用：多個信息源共享一個公共信道為何要復用？——提高線路利用率適用場合：當信道的傳輸能力大于每個信源的平均傳輸需求時類比：公共運輸系統（鐵路、海運、航空）DEMUX復用器解復用器共享信道MUX信源信宿ComputerNetworks復用的基本思想：把公共共享信道用某種方法劃分成多個子信道，每個子信道傳輸一路數據。復用方法頻分復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）按頻率劃分不同的信道，如CATV系統波分復用WDM（WaveDivisionMultiplexing）

按波長劃分不同的信道，用于光纖傳輸時分復用TDM（TimeDivisionMultiplexing）按時間劃分不同的信道，目前應用最廣泛碼分復用CDM（CodeDivisionMultiplexing）按地址碼劃分不同的信道，非常有發展前途ComputerNetworks由于每路數據總是使用每個時間片的固定時隙，所以這種時分復用也稱為同步時分復用。一個時間片內傳輸的多路數據稱為幀。時分復用的典型例子：PCM信號的傳輸把多個話路的PCM語音數據用TDM的方法裝成幀（幀中還包括了幀同步信息和信令信息）每幀在一個時間片內發送每個時隙承載一路PCM信號ComputerNetworks統計（異步）TDM——STDMTDM的缺點：某用戶無數據發送，其他用戶也不能占用該時隙，將會造成帶寬浪費。STDM：用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數據放入。ABCD待發數據t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2時間片1時間片2同步TDM帶寬浪費A1B1B2時間片1時間片2統計TDM可用帶寬C2ComputerNetworks時分復用——數字載波復用標準T-標準（北美、日本）E-標準（歐洲、中國、南美）E1（一次群）標準每125us為一個時間片，每時間片分為32個通道（時隙）。每個時隙可容納8bit。通道0用于同步，通道16用于信令，其他30個通道用于傳輸30個PCM話音數據。E1速率=（32x8bit）/125us=2.048Mb/s對E1進一步復用，還可構成E2到E5等高次群。E5可承載7680個話路，數據率約為565Mb/s。新的TDM標準是同步光網絡（SONET）和ITU-T的同步數字系列（SDH）。常用的線路速率為（近似值）155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s和10Gb/s。ComputerNetworks碼分復用CDM原理：每個用戶把發送信號用接收方的地址碼序列編碼（任意兩個地址碼序列相互正交）。不同用戶發送的信號在接收端被疊加，然后接收者用同樣的地址碼序列解碼。由于地址碼的正交性，只有與自己地址碼相關的信號才能被檢出，由此恢復出原始數據。地址碼序列兩兩相互正交：碼序列A、B，應滿足AB=0，AB'=0，AA=1，AA'=-1其中為內積運算。在無線移動通信中應用廣泛。ComputerNetworks§2.6數據交換技術什么是交換？按某種方式動態地分配傳輸線路資源。例如，電話交換機在用戶呼叫時為用戶選擇一條可用的線路進行接續。用戶掛機后則斷開該線路，該線路又可分配給其它用戶。最初的交換：人工轉接交換為什么要采用交換技術？節省線路投資，提高線路利用率。實現交換的方法主要有：電路交換、報文交換和分組交換。ComputerNetworks電路交換在通信雙方之間建立一條臨時專用線路的過程。可以是真正的物理線路，也可以是一個復用信道。特點：數據傳輸前需要建立一條端到端的通路。——稱為“面向連接的”（典型例子：電話）過程：建立連接→通信→釋放連接優缺點：建立連接的時間長；一旦建立連接就獨占線路，線路利用率低；無糾錯機制；建立連接后，傳輸延遲小。不適用于計算機通信：因為計算機數據具有突發性的特點，真正傳輸數據的時間不到10%。例如：建立連接的時間為0.5秒，計算機以1Mb/s的速率發送10k字節。線路利用率＝？ComputerNetworks電話網絡中的電路交換電路交換也能在多路復用信道上實現在物理線路的某個信道上建立連接ComputerNetworks報文交換以報文為單位進行“存儲-轉發”交換的技術。在交換過程中，交換設備將接收到的報文先存儲，待信道空閑時再轉發出去，一級一級中轉，直到目的地。這種數據傳輸技術稱為存儲-轉發。傳輸之前不需要建立端到端的連接，僅在相鄰結點傳輸報文時建立結點間的連接。——稱為“無連接的”（典型例子：電報）整個報文（Message）作為一個整體一起發送。優缺點：沒有建立和拆除連接所需的等待時間；線路利用率高；傳輸可靠性較高；報文大小不一，造成存儲管理復雜；大報文造成存儲轉發的延時過長，且對存儲容量要求較高；出錯后整個報文全部重發。比較：下載時若無斷點續傳功能，一旦出錯你會怎樣做？ComputerNetworks分組交換（包交換）將報文分割成若干個大小相等的分組（Packet）進行存儲轉發。數據傳輸前不需要建立一條端到端的通路——也是“無連接的”。有強大的糾錯機制、流量控制、擁塞控制和路由選擇功能。優缺點：對轉發結點的存儲要求較低，可以用內存來緩沖分組——速度快；轉發延時小——適用于交互式通信；某個分組出錯可以僅重發出錯的分組——效率高；各分組可通過不同路徑傳輸，容錯性好。需要分割報文和重組報文，增加了端站點的負擔。分組交換有兩種交換方式：數據報方式和虛電路方式ComputerNetworks虛電路方式（VirtualCircuit）通信前預先建立一條邏輯連接——虛電路虛電路是由其路徑上的所有交換機中的路由表定義的類比：鐵路系統（旅客/列車:分組，鐵路網:網絡，火車站:節點）“西安－北京”這條線路可以看成是一條虛路徑也需要三個過程：建立－數據傳輸－拆除建立虛電路時，交換機將預留傳輸時所需的所有資源虛電路的路由在建立時確定，傳輸數據時則不再需要數據傳輸時只需指定虛電路號，分組即可按虛電路的路由穿越網絡——“數字管道”提供的是“面向連接”的服務但卻沒有像電路交換那樣始終占用一條端到端的物理通道，只是斷續地依次占用傳輸路徑上各個鏈路段——與鐵路系統類比！可以看成是采用了電路交換思想的分組交換能夠保證分組按序到達永久虛電路PVC和交換虛電路SVCComputerNetworks§2.7差錯控制與檢錯什么是差錯控制？在通信過程中，發現、檢測差錯并進行糾正為何要進行差錯控制？不存在理想的信道→傳輸總會出錯與語音、圖像傳輸不同，計算機通信要求極低的差錯率。產生差錯的原因：信號衰減和熱噪聲信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變；信號反射，串擾；沖擊噪聲，閃電、大功率電機的啟停等。ComputerNetworks差錯控制的基本方法：接收方進行差錯檢測，并向發送方應答，告知是否正確接收。差錯控制技術自動請求重傳AutomaticRepeatRequest（ARQ）停等ARQ每發送一幀就需要一個應答幀只重傳剛才出錯的幀Go-back-NARQ每發送N幀需要一個應答幀需重傳前面（N-i+1）幀（0≤i≤N）選擇重傳ARQ每發送N幀需要一個應答幀只重傳出錯的幀ComputerNetworks差錯控制編碼：檢錯碼和糾錯碼糾錯碼在計算機通信中很少使用檢錯碼主要有兩種編碼方法：奇偶校驗（ParityChecking）可以在兩個級別上實現：在原始數據字節的最高位（或最低位）增加一個奇偶校驗位，使結果中1的個數為奇數（奇校驗）或偶數（偶校驗）。例如：1100010增加偶校驗位后為11100010若接收方收到的字節奇偶校驗結果不正確，就可以知道傳輸中發生了錯誤。在通信過程中實現：在發送時增加奇偶校驗位。只能用于面向字符的通信協議中。只能檢測出奇數個位錯，偶數個位