整理计算机网络第二章要点.docx

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整理计算机网络第二章要点

第二章数据通信技术基础

1、信息、数据、信号

通信是为了交换信息。

信息（Information）是数据中所包含的有效内容或解释。

信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像，常称它们为数据（Data）。

在计算机网络系统中，数据（Data）是指计算机中传递（携带）信息的实体，即在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。

信号（Signal）：

数据的物理量编码（通常为电信号），数据以信号的形式在介质中传播。

模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参量，如幅度、频率或相位等可以表示要传送的信息。

数字信号是离散信号，如计算机通信所用的二进制代码“0”和“1”组成的信号。

模拟信号和数字信号的波形图如图2.1所示。

图2.1模拟信号与数字信号

信道也可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。

但是应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，而模拟信号在经过模数转换后也可以在数字信道上传送。

2、通信系统模型

图2.2通信系统的模型

信源是产生和发送信息的一端，信宿是接受信息的一端。

变换器和反变换器均是进行信号变换的设备，在实际的通信系统中有各种具体的设备名称，例如调制器与解调器、编码与解码器。

3、数据传输方式

模拟传输

模拟传输指信道中传输的为模拟信号。

当传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。

当传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。

图2.4模拟传输

数字传输

数字传输指信道中传输的为数字信号。

当传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。

当传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器编码，变换为数字信号。

图2.5数字传输

编码：

不归零码、曼切斯特码、差分曼切斯特码（要求掌握）

4、傅立叶分析及信号带宽

任何周期信号都可以表示为基波信号和各种高次谐波信号的合成。

根据傅立叶分析法，可以把一个周期为

的复杂函数

表示为无限个正弦和余弦函数之和

其中

代表直流分量，

为基频，

、

分别是

次谐波振幅的正弦和余弦分量

频谱指组成周期信号各次谐波的振幅按频率的分布图，虽然周期信号的频谱理论上可以是无限的，但是一般高次谐波的分量会越来越小，因此，一般将小于某一分量的谐波略掉。

如图2.9所示，谐波的最高频率

与最低频率

之差

称作信号的频带宽度，简称带宽，它表示实际信道所能传输信号的频率范围。

图2.9信号的频谱图

5、周期性矩形脉冲的带宽

如图2.10（a）所示，其幅值为A，脉冲宽度为

，周期为T，对称于纵轴。

图2.10周期性脉冲及其频谱

上述周期矩形脉冲的傅立叶级数中只含有直流和余弦项，令

，我们有

由图可知，谐波分量的频率越高，其幅值越小。

可以认为信号的绝大部分能量集中在第一个零点的左侧，第一个零点处于

。

定义周期性矩形脉冲信号的带宽为：

f=1/

。

注意：

如果脉冲信号的脉冲宽度越小，其带宽越大。

注意：

带宽通常指信号所占据的频带宽度；以赫兹（Hz）为单位。

对于数字信号而言，带宽和单位时间内链路能够通过的数据量成正比。

所以带宽是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s（bit/s）。

6、波特率、数据速率和信道容量

码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。

若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T，单位叫波特，故码元速率也称为波特率

1924年奈奎斯特推导出有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为奈氏定理。

若信道带宽为W，则奈氏定理的最大码元速率为：

B=2W（Baud）

数据速率指单位时间内信道上传送的信息量（比特数）。

（bps）

式中R表示数据速率，B、N、W的含义如上所述，单位为每秒比特（bitspersecond），记为bps或b/s。

理解：

数据速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”是两个不同的概念。

两者在数量上有上述公式所描述的关系。

若1个码元只携带1bit的信息量（2进制），则两者在数值上是相等的。

即

。

7、香农（shnnon）定律（有噪信道极限传输速率）

式中，

为信道带宽，

为信号的平均功率，

为噪声平均功率，

叫信噪比。

注意：

实际使用中，

与

的比值太大，故常取分贝数。

例如当

=1000时，信噪比为30dB（分贝）。

8、信道延迟

信号在信道中从源端到达宿端需要的时间即为信道延迟，它与信道的长度及信号传播速度有关。

9、基带传输

所谓基带指的是基本频带，也就是数据编码电信号所固有的频带，这种信号可称为基带信号。

10、调制方式

进行调制时，把正弦信号作为基准信号或载波信号。

调制即利用载波信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号（调制信号）的过程。

基于载波信号的三个主要参数，可把调制方式分为三种：

振幅调制、频率调制、相位调制，可分别简称为调幅、调频、调相，如图2.12所示。

图2.12三种模拟调制方式

（1）调幅（AM，AmplitudeModulation）

（2）调频（FM，FrequencyModulation）

（3）调相（PM，PhaseModulation）

11、脉码调制

将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉码调制PCM（PulseCodeModulation）。

由于历史上的原因,PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。

我国采用的是目标准。

T1的速率是1.544Mbps,E1的速率是2.048Mbps。

为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须对电话信号进行取样。

即每隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本。

该样本代表了模拟信号在某一时刻的瞬时值。

一系列连续的样本可用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值。

取样的频率可根据奈氏取样定理确定。

奈氏取样定理表述为，只要取样频率大于模拟信号最高频率的2倍，则可以用得到的样本空间恢复原来的模拟信号。

即

其中fl为取样频率,T1为取样周期，即两次取祥之间的间隔,f2max为信号的最高频率二标准电话信号的最高频率为3.4KHz,为方便起见，取样频率就定为8KHz,相当于取样周期为125μs（1/8000s）。

图2.14表示了上述概念。

图2.14PCM的基本原理

这样，一个话路的模拟电话信号，经模数变换后，就变成每秒8000个脉冲信号，每个脉冲信号再编为8位二进制码元。

因此一个话路的PCM信号速率为64Kbps。

为有效利用传输线路，通常总是将多个话路的PCM信号用时分多路复用（见下一节）的方法装成帧（即时分复用帧），然后再往线路上一帧接一帧地传输。

图2.15说明了E1的时分复用帧的构成。

图2.15E1的时分复用帧

E1的一个时分复用帧（其长度T=125µs）共分为32个相等的时间间隙（简称时隙），每个时隙传送8bits。

因此，整个32个时隙共传送256bits，即一个帧的信息量。

每秒传送8000个帧，故PCM一次群E1的数据率即为2.048Mbps

北美使用的T1系统共24个话路。

每个话路的取样脉冲占用8bits。

帧同步是在24路的编码之后加上1bits，这样每帧共193bit。

因此T1一次群的数据率为1.544Mbps。

12、频分多路复用

在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下，我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同（或略为宽一点）的子信道，每一个子信道传输一路信号。

这即频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）。

图2.17频分多路复用FDM

13、时分多路复用

时分多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）是将一条物理线路按时间分成一个个的时间片，每个时间片常称为一帧（Frame）,每帧长125μs,再分为若干时隙，轮换地为多个信号所使用。

（见PCM）

14、光波分多路复用

光波分多路复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）技术是在一根光纤中能同时传播多个光波信号的技术。

光波分多路复用的原理如图2.20所示，在发送端将不同波长的光信号组合起来，复用到一根光纤上，在接受端又将组合的光信号分开（解复用），并送入不同的终端。

图2.20光波分多路复用单纤传输

15、传输介质

双绞线

把两根互相绝缘的铜导线用规则的方法扭绞起来就构成了双绞线，如图2.24所示。

互绞可以使线间及周围的电磁干扰最小。

电话系统中使用双绞线较多，差不多所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。

图2.24双绞线

双绞线用于模拟传输或数字传输，其通信距离一般为几千米到十几千米。

同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成，如图2.25所示。

这种结构中的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号，因而具有很好的抗干扰特性，被广泛用于较高速率的数据传输。

通常按特性阻抗数值的不同，将其分为基带同轴电缆（50Ω同轴电缆）和宽带同轴电缆（75Ω同轴电缆）。

图2.25同轴电缆

光缆

光导纤维电缆，简称光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途广泛的一种。

图2.26光纤剖面的示意图

光纤通常由极透明的石英玻璃拉成细丝作为纤芯，外面分别由包层、吸收外壳和防护层等构成，图2.26是一根光纤剖面的示意图。

包层较纤芯有较低的折射率。

当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，如图2.27（a）所示。

因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。

这个过程不断重复，光也就沿着光纤向前传输。

图2.27（b）画出了光波在纤芯中传输的示意图。

图2.27光线射入到光缆和包层界面时的情况

由于光纤非常细，连包层一起，其直径也不到0.2mm。

故常将一至数百根光纤，再加上加强芯和填充物等构成一条光缆，就可大大提高其机械强度。

必要时还可放入远供电源线。

最后加上包带层和外护套，即可满足工程施工的强度要求。

自由空间

无线传输介质指的是利用大气和外层空间作为传播电磁波的通路，但由于信号频谱和传输介质技术的不同，主要包括无线电、微波、卫星微波、红外等。

各种无线传输介质对应的电磁波谱范围如图2.29所示。

图2.29各种通信介质使用的电磁波谱范围

16、交换

对于交换网，数据交换方式按照网络结点对途径的数据流所转接的方法不同来分类。

目前广泛采用的交换方式有两大类：

（1）结合评价对象的特点，阐述编制安全预评价报告的目的。

①线路交换（CircuitSwitching）：

网络结点内部完成对通信线路（在空间上或时间上）的连通，为数据流提供专用的传输通路。

线路交换也称电路交换。

②存储转发交换（Store-and-forwardExchanging）：

网络结点运用程序先将途径的数据流按传输单元接收并存储下来，然后选择一条合适的链路将它转发出去，在逻辑上为数据流提供了传输通路。

线路交换

线路交换方式是把发送方和接收方用一系列链路直接连通。

电话交换系统就是采用这种交换方式。

包括三个阶段：

规划编制单位对可能造成不良环境影响并直接涉及公众环境权益的专项规划，应当在规划草案报送审批前，采取调查问卷、座谈会、论证会、听证会等形式，公开征求有关单位、专家和公众对环境影响报告书的意见。

（1）线路建立阶段：

通过呼叫完成逐个结点的接续过程，建立起一条端到端的直通线路。

（1）资质等级。

评价机构的环评资质分为甲、乙两个等级。

环评证书在全国范围内使用，有效期为4年。

（2）数据传输阶段：

在端到端的直通线路上建立数据链路连接并传输数据。

（3）线路拆除阶段：

数据传输完成后，拆除线路连接，释放结点和信道资源。

线路交换最重要的特点是在一对用户之间建立起一条专用的数据通路。

线路交换的优点是通信实时性强；通路一旦建立，便不会发生冲突，数据传输可靠、迅速，不丢失且保持传输的顺序；线路传输时延小，唯一的时延是电磁信号的传播时间。

（一）安全预评价依据其主要缺点是线路利用率低，特别是对于计算机的突发性数据通信不适应；通路建立之前有一段较长的呼叫建立时延；系统无数据存储及差错控制能力，不能平滑通信量。

填报内容包括四个表：

因此，线路交换适于连接时间长、批量大的实时数据传输，例如数字话音、传真等业务。

（3）旅行费用法报文交换

报文交换属存储转发交换方式，不要求交换网为通信双方预先建立一条专用数据通路，也就不存在建立线路和拆除线路的过程。

在报文传输上，任何时刻一份报文只在一条结点到结点间的点到点链路上传输，每一条链路传输过程都对报文的可靠性负责。

这样比起线路交换来有许多优点：

不必要求每条链路的数据速率相同，因而也就不必要求收、发两端工作于相同的速率；传输中的差错控制可在多条链路上进行，不必由收、发两端介入，简化了端设备；由于接力式工作，任何时刻一份报文只占用一条链路的资源，不必占有通路上的所有链路资源，而且许多报文可以分时共享一条链路，这就提高了网络资源的共享性及线路的利用率；一个报文可以同时向多个目的站发送，而线路交换网络难于做到；在线路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受某些呼叫。

而在报文交换网中仍可以接收报文，但是传输延迟会增加。

报文交换的主要缺点是，每一个结点对报文数据的存储转发时间较长，传输一份报文的总时间并不比采用线路交换方式短，或许会更长。

因此，报文交换不适于传输实时的或交互式业务，例如话音、传真飞终端与主机之间的会话业务等。

事实上，报文交换只是主要应用于非计算机数据业务（如民用电报业务）的通信网中，以及公共数据网发展的初期。

只有到出现了分组交换方式之后，公共数据网才真正进入到成熟阶段。

分组交换

（1）规划环境影响评价的分析、预测和评估内容。

1.数据报传输分组交换

交换网把对进网的任一个分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它是属于哪个报文的分组，就像在报文交换方式中把一份报文进行单独处理一样。

这种单独处理和传输单元的“小报文”或“分组”,即称为数据报（Datagram）。

这种分组交换方式称为数据报传输分组交换方式。

2.虚线路传输分组交换

表四：

项目排污情况及环境措施简述。

类似前述的线路交换方式，报文的源发站在发送报文之前，通范类似于呼叫的过程使交、换网建立一条通往目的站的逻辑通路。

然后，一个报文的所有分组都沿着这条通路进行存储转发，不允许结点对任一个分组做单独的处理和另选路径。

要注意的是，虚线路与存储转发这一概念有关。

当我们在线路交换的电话网上打电话时，我们在遇话期间的确是自始至终地占用一条端到端的物理信道。

当我们占用一条虚线路进行计算机通信时，由于采用的是存储转发的分组交换，所以只是断续地占用一段又一段的链路，分组在每个结点仍然需要存储，并在线路上进行输出排队，但不需要为每个分组作路径判定。

虽然我们感觉好像（而并没有真正地）占用了一条端到端的物理线路，但这与线路交换有本质的区别。

虚线路的标识号只是对逻辑信道的一种编号，并不指某一条物理线路本身。

一条物理线路可能被标识为许多逻辑信道编号，这点正体现了信道资源的共享性。

表2-3数据报与虚线路的比较

数据报

虚线路

端到端的连接

不要

（2）建设项目周围环境的现状。

必须有

目的站地址

每个分组均有目的站的全地址

除了房地产市场外，在不同职业和地点的工资差别中也可以发现类似的情形。

仅在连接建立阶段使用

分组的顺序

到达目的站是可能不按发送顺序

总是按发送顺序到达目的站

端到端的差错控制

由用户端主机负责

由通信子网负责

端到端的流量控制

由用户端主机负责

由通信子网负责

17、流量控制技术

停止-等待控制

停止-等待控制方法是最简单的一种流量控制技术，它采用单工或半双工通信方式。

当发送方发送完一数据帧后，便等待接收方发回的反馈信号。

若受到的是肯定（ACK）信息，则接着发送下一帧；若受到的是否定（NAK）信息超时而没有受到反馈信号，则重发刚刚发过的数据帧。

图2.35停止-等待方式

停止-等待流量控制的优点是控制简单，但也造成传输过程中吞吐量的降低，从而使得传输线路的是使用率不高。

18、差错检验与校正

奇偶校验

循环冗余校验CRC（CycleRedundancyCheck）

（要求会计算）