第4章4.1 數(shù)字通信入門new

第4章計算機網(wǎng)絡與因特網(wǎng)4.1

數(shù)字通信入門4.2

計算機網(wǎng)絡基礎4.3

因特網(wǎng)的組成4.4因特網(wǎng)提供的服務4.5網(wǎng)絡信息安全4.1數(shù)字通信入門

4.1.1通信的基本原理通信系統(tǒng)模型有線通信與無線通信調制解調技術多路復用技術

4.1.2交換技術什么是通信(communication)？廣而言之，通信就是信息的(遠距離)傳遞與交流現(xiàn)代通信——使用電波或光波傳遞信息的技術，也稱為電信（telecommunication），如電報、電話、傳真、電子郵件、BBS、QQ等通信的要求：遠距離、高速度、低成本、安全、可靠、方便通信的發(fā)展歷史：電報電話無線廣播黑白電視彩色電視計算機網(wǎng)絡1836187620世紀初191819381940’s1960’s越洋無線電報通信系統(tǒng)的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信號信號模擬信號與數(shù)字信號通信系統(tǒng)中被傳輸?shù)男畔⒈仨氜D換成某種電信號(或光信號)

才能進行傳輸t數(shù)字信號信號強度模擬信號信號強度t電信號(或光信號)有兩種形式：模擬信號形式:通過連續(xù)變化的物理量（如信號的幅度）來表示信息，例如人們打電話或者播音員播音時聲音經話筒(麥克風)轉換得到的電信號；數(shù)字信號形式:使用有限個狀態(tài)(一般是2個狀態(tài))來表示（編碼）信息，例如電報機、傳真機和計算機發(fā)出的信號都是數(shù)字信號00110

10

0

0

1有線通信與無線通信需使用物理介質進行信號傳輸?shù)氖怯芯€通信，例如：金屬導體（雙絞線、同軸電纜），傳輸電流信號光導纖維（簡稱光纖），傳輸光信號在自由空間進行信號傳輸?shù)氖菬o線通信，傳輸?shù)氖请姶挪ㄐ盘杺鬏斀橘|的類型與特點介質類型特點應用有線通信雙絞線成本低，易受外部高頻電磁波干擾，誤碼率較高；傳輸距離有限固定電話本地回路、計算機局域網(wǎng)同軸電纜傳輸特性和屏蔽特性良好，可作為傳輸干線長距離傳輸載波信號，但成本較高固定電話中繼線路、有線電視接入光纜傳輸損耗小，通訊距離長，容量大，屏蔽特性好，不易被竊聽，重量輕，便于鋪設。缺點是強度稍差，精確連接兩根光纖比較困難電話、電視等通信系統(tǒng)的遠程干線，計算機網(wǎng)絡的干線無線通信自由空間使用微波、紅外線、激光等，建設費用低，抗災能力強，容量大，無線接入使得通信更加方便.但易被竊聽、易受干擾廣播，電視，移動通信系統(tǒng)，計算機無線局域網(wǎng)雙絞線和同軸電纜原理：利用電流(電壓)傳輸信息雙絞線分類3類線(10Mb/s)；5類線(100Mb/s)；6類線(200Mb/s)無屏蔽雙絞線(UTP)；屏蔽雙絞線(STP)同軸電纜內層導線金屬屏蔽外絕緣層絕緣體同軸電纜分類基帶同軸電纜（50Ω）以前在以太網(wǎng)中使用寬帶同軸電纜（75Ω）有線電視網(wǎng)使用信號線地線套管無屏蔽雙絞線光纖與光纜光導纖維（光線的入射角足夠大時，就會出現(xiàn)全反射，重復此過程，光就沿著光纖傳播下去）多根光纖保護層防止光泄漏的吸收外殼起保護作用的防護層外絕緣層光波在光纖中的傳播纖芯

包層保護層光波光纜(包含多根光纖)光纖保護層光纖通信原理光波優(yōu)點：通信容量大：一束光每秒能傳輸2.5G或10Gb信息！傳輸距離遠：無中繼距離超過幾十公里保密性強，信息不易泄露電信號驅動電路光源中繼器輸出電路電信號發(fā)送單元(電/光轉換)傳輸單元接收單元(光/電轉換)光調制器光纖光纖放大電路光檢測器數(shù)字信號（電信號）驅動一個光源（半導體激光器或發(fā)光二極管），發(fā)出光信號光信號經放大后由光檢測器（半導體光電管）進行檢測、解調，再轉換成電信號之后輸出調制后的光信號通過光纖進行傳輸，為補償光纖線路的損耗，每隔一定距離要接入中繼器0/1信號對光波進行調制光纖通信：利用光波攜帶信息在光纖中傳輸，達到通信目的無線通信無線通信：利用電磁波攜帶信息在自由空間中傳播，進行通信電磁波的種類與頻率范圍

無線電波: 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)

紅外線： 1011

～1014(Hz)

可見光： 1014(Hz)

紫外線： 1014

～1016(Hz)

無線廣播電視通信1041051061071081091010101110121013101410151016Hz雙絞線同軸電纜AM廣播FM廣播和TV衛(wèi)星地面微波光纖紫外線紅外線可見光微波無線電波超短波中波短波手機無線LAN手機：900MHz，1.8GHZ，2.1~2.2GHz;無線LAN：2.4GHz，5.8GHz微波通信微波：300MHz～300GHz范圍內的電磁波，波長為1m～1mm特點：直線傳播，不能沿地球表面?zhèn)鞑ィo繞射性），需要每隔幾十公里設立一個中繼站容量大、可靠性高建設費用低抗災能力強應用：長途電話、蜂窩移動電話、全數(shù)字高清晰度電視（HDTV）等衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信:中繼站在人造地球衛(wèi)星上的一種微波通信優(yōu)點：通信距離遠、頻帶寬、容量大、抗干擾強、通信穩(wěn)定缺點：造價高、技術復雜、有較大延時、同步軌道衛(wèi)星數(shù)目僅180顆通信衛(wèi)星地面站1地面站2地球衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星地球35800公里赤道上方高度為35800公里的地方為地球同步軌道，衛(wèi)星的運行周期與地球自轉一圈的周期相同，在地面上看這種衛(wèi)星好似靜止不動。一顆同步軌道衛(wèi)星覆蓋約120°，3顆同步定點軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的幾乎全部面積，進行二十四小時的全天候通信選講：

衛(wèi)星通信的重要應用——GPS例——美國研制GPS系統(tǒng)24顆衛(wèi)星在1.2萬公里高空以12小時的周期繞地球運行地面任意點在任何時刻都可同時觀測到4顆以上衛(wèi)星原理：由于衛(wèi)星的位置是精確可知的，通過地面接收機可測得與衛(wèi)星的距離，利用三維坐標中的距離計算公式，就可以推導出接收機的地理位置(經度、緯度和高程)定位精度：民用大約十米軍用可高得多個人移動通信移動對象相互間的通信，如手機、無繩電話、尋呼系統(tǒng)等基站移動臺（手機）移動電話交換中心公用電話網(wǎng)移動通信原理每10km～20km的區(qū)域稱為單元（形似蜂窩），每個單元中心高處建有一個基站，所有單元既相互分割，又彼此交疊，形成整個移動通信服務網(wǎng)位于某單元內的所有手機都向該基站發(fā)送信號，并接收基站發(fā)給它的信號移動交換中心電話交換中心所有基站都通過微波或光纜與移動交換中心通信手機每個時刻都處于某個特定單元的基站控制之下，同一單元內同一時刻的不同手機使用不同的頻率與基站進行通信，相互不影響第二代移動通信（2G）使用頻段：900MHz/1800MHz，傳輸?shù)氖菙?shù)字化的語音/文字信號我國使用的2種標準（制式）：GSM（歐洲移動通信系統(tǒng)，也稱全球通、全數(shù)字系統(tǒng))中國移動、中國聯(lián)通經營的GSM網(wǎng)已基本覆蓋縣級市移動的接入號段有：134～139、150～152、158、159聯(lián)通的接入號段有：130-132、155-156CDMA(碼分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess)抗干擾能力強，系統(tǒng)容量大，接通率高，噪聲小，中國電信,接入號為133、153不足：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率過低（9.6kb/s或57kb/s），僅適合傳輸語音和文字（2）容量有限，不能滿足發(fā)達地區(qū)手機用戶高度密集的要求第三代移動通信系統(tǒng)（3G）使用的頻段：1885MHz~2025MHz，2110MHz~2200MHz

傳輸速率：室內：1~3Mb/s，步行：384kb/s，快速移動：114kb/s我國采用的3種技術標準：中國移動TD-SCDMA(G3),自主知識產權（157、187、188、147）中國電信CDMA2000(天翼),（180、189）中國聯(lián)通W-CDMA(沃-WO)（185、186）3G的優(yōu)點：（1）提供高質量的語音通信、數(shù)據(jù)通信和高分辨率圖像通信（2）提供足夠的系統(tǒng)容量，具有高保密性和優(yōu)質的服務不足：發(fā)展慢、比例低(4.6%)，按流量收費費用高4G移動通信：室內:1Gbps，高速移動時:100Mbps

我國沿海7個城市正在建設試驗網(wǎng)（TD-LTE）(3)調制解調技術數(shù)字通信采用的技術數(shù)字調制/解調技術（調幅；調頻；調相）解決信號傳得遠的問題多路復用技術（時分多路；頻分多路；波分多路）提高傳輸線路使用效率、降低傳輸成本交換技術（電路交換；分組交換）動態(tài)分配信道資源，提高傳輸效率和質量數(shù)字編碼和數(shù)據(jù)壓縮技術數(shù)字信號如何傳輸？近距離傳輸：直接(基帶)傳輸例如：USB移動硬盤－>主機；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸遠距離傳輸：載波傳輸例如：數(shù)字有線電視；手機；ADSL上網(wǎng)什么是載波？研究發(fā)現(xiàn)，高頻振蕩的正弦波信號在長距離通信中能夠比其他信號傳送得更遠。因此若把高頻振蕩的正弦波信號作為攜帶信息的載波，把數(shù)字信號放在(調制在)載波上傳輸，則可比直接傳輸?shù)木嚯x遠得多數(shù)字信號的三種調制方法(ASK)幅移鍵控(FSK)頻移鍵控00110100010調制信號(兩個狀態(tài))(PSK)相移鍵控載波信號(高頻正弦波)調制后的載波信號傳輸信號解調器載波信號調制后的載波信號傳輸信號調制器載波信號實現(xiàn)信號調制與解調的設備分別稱為“調制器”和“解調器”：信道信源(宿)信宿(源)調制后的載波

信號接收到的載波

信號調制(解調)器(調制)解調器載波載波小結1:遠距離通信必須使用MODEM通信一般是雙向進行的，收發(fā)雙方都需要調制器與解調器，它們通常做在一起，稱為調制解調器(MODEM)例：ADSL寬帶上網(wǎng)調制解調器把計算機送出的數(shù)字信號,采用數(shù)字調制的方法,調制成為適合于在用戶電話線上傳輸?shù)妮d波信號載波信號在電話網(wǎng)中經過交換機傳輸至目的地目的地計算機通過解調器從載波信號中恢復出數(shù)字信號傳送給計算機ADSLMODEMADSLMODEM(4)多路復用技術怎樣降低傳輸成本？分析：通信系統(tǒng)中，傳輸線路的建設和維護成本占整個系統(tǒng)成本的相當大的份額一條傳輸線路（銅線、光纖、無線電波）的容量通常遠遠超過傳輸1路用戶信號所需的能力降低成本采用的技術——多路復用技術(Multiplexing)多路信號使用同一條傳輸線同時進行傳輸方法：頻分多路復用（FDM）時分多路復用（TDM）波分多路復用（WDM）DEMUXMUX

共享的傳輸信道載波頻率f1調制調制載波頻率fn載波頻率f1解調解調載波頻率fnf頻分多路復用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)

思想：將每個通信終端發(fā)送的信號調制在不同頻率的載波上，通過頻分多路復用器(MUX)將它們復合成為一個信號，然后在同一傳輸線路上進行傳輸。抵達接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同頻率的載波分離出來，送到不同的接收設備工作原理：將不同頻率的載波信號合成在一起使用一組濾波器分解出不同頻率的載波信號頻分多路復用舉例1廣播電臺節(jié)目的發(fā)送與接收頻分多路復用分路器(帶通濾波器)信號發(fā)射信號接收常見廣播電臺使用的載波頻率中波900KHz(南京經濟臺)■

中波1008KHz(南京新聞臺)短波15.28MHz(英國BBC)■

短波15.29MHz(VOA美國之音)調頻104.3MHz(南京體育臺)■

調頻105.8MHz(南京音樂臺)頻分多路復用舉例2電視節(jié)目的發(fā)送與接收頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)187.755123.259230.25295.75

6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路復用器解調器在天空中傳輸?shù)碾姶挪ㄆ麟娨曅盘柊l(fā)射器電視信號接收器電視節(jié)目調制器載波1電視圖像及其伴音調制器載波2電視圖像及其伴音調制器載波n電視圖像及其伴音電視調諧器(分路器)時分多路復用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)

思想：各通信終端（計算機、電話）以規(guī)定的順序和時間輪流使用同一傳輸線路進行數(shù)據(jù)傳輸工作原理：HFGEDCBA傳輸線路時間片GC終端1終端2終端3終端4HDFBEA多路復用器43214321數(shù)據(jù)tMultiplexer多路分路器終端甲終端乙終端丙終端丁EAFBGCHDDemultiplexer應用：主要使用在數(shù)字通信領域，如電話中繼通信、GSM手機、總線式以太網(wǎng)等波分多路復用為提高傳輸效率，1根光纖中可以同時傳輸幾種不同波長的光波，每種光波各自傳輸自己所攜帶的信息，速率可達到40G-100Gbit/s原理：光纖發(fā)送端有N個發(fā)送單元，它們各自發(fā)出不同波長的光波通過復用器（稱為合波器）合并起來，進入同一根光纖進行傳輸接收端用分路器(稱為分波器)將不同波長的光分開，分別送到各自的光電檢測器恢復出原始信號示意圖復合光小結2:多路復用可以降低通信成本通信系統(tǒng)的原理示意圖復用（分路）信道信源（宿）調制解調器信源（宿）調制解調器信源（宿）調制解調器復用（分路）信源（宿）調制解調器信源（宿）調制解調器信源（宿）調制解調器······多路復用技術使得成千上萬路通信可以在同一條傳輸線上同時進行，大大節(jié)省了通信成本頻分多路、時分多路和波分多路等技術可以同時使用，以提高復用效率4.1.2分組交換原理通信系統(tǒng)中“交換”的含義“交換”(switching)的含義就是轉接——把一條鏈路轉接到另一條鏈路，使它們連通起來從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路常用的交換方式：電路交換分組交換…交換機什么是電路交換？電路交換的過程：建立連接通信釋放連接應用：電話通信((((交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA分析：通話全過程中用戶始終占用端到端的傳輸信道由于計算機數(shù)據(jù)傳輸具有突發(fā)性，不適合計算機數(shù)據(jù)通信什么是分組交換(PacketSwitching)?分組交換的要點：被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須劃分為若干“分組”(packet,簡稱“包”)進行傳輸每個分組中必須包含收、發(fā)雙方的地址每個分組的格式如下：有效載荷(傳輸?shù)臄?shù)據(jù))校驗信息發(fā)送計算機地址目的計算機地址編號分組交換示意：321（c）132（b）不同的包在不同鏈路上進行傳輸123321（d）到接收方后，再將收到的包按順序組合在一起321321（a）發(fā)送方將數(shù)據(jù)分成3個包表示分組交換機分組交換與存儲轉發(fā)的過程高速數(shù)字通信線路計算機ABCDEFGH1234123412341234端口目的地端口－3E,F,GC,DHA,B33目的地端口33E,F,GC,DHA,B4－目的地端口2－E,F,GC,DHA,B43目的地端口11E,F,GC,DHA,B－4分組交換機1分組交換機2分組交換機3分組交換機4計算機G收到所有數(shù)據(jù)包后，將包組裝為一個文件交換機每收到一個包，就根據(jù)包的目的地地址,選擇一個輸出端口若目的地計算機就在交換機上，則交換機直接將包發(fā)給該計算機A將文件拆分成若干個包,將包逐個地發(fā)給交換機例：計算機A的文件＝>計算機G分組交換機中的存儲轉發(fā)過程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組交換機主機在交換機

E

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口最后到達目的主機

H5在交換機

C

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)的端口在交換機

A

暫存查找轉發(fā)表找到轉發(fā)