第6章計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

第6章計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)本章從數(shù)據(jù)通信的基本理論知識入手，對數(shù)據(jù)通信基本技術(shù)進(jìn)行扼要講解，并介紹了常用的通信系統(tǒng)。1掌握數(shù)據(jù)通信的概念、通信信號的原理、通信模型、通信介質(zhì)了解通信信道的分類及通信的技術(shù)指標(biāo)掌握數(shù)據(jù)傳輸模式，了解數(shù)據(jù)交換方式、多路復(fù)用技術(shù)了解常用的通信系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標(biāo)2數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信技術(shù)常用通信系統(tǒng)學(xué)習(xí)綱要3通信信號與通信模型信道分類及通信主要指標(biāo)通信介質(zhì)數(shù)據(jù)通信的基本概念4所謂數(shù)據(jù)通信，是指依照通信協(xié)議、利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在兩個功能單元之間傳遞數(shù)據(jù)信息。它可實現(xiàn)計算機與計算機、計算機與終端以及終端與終端之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。數(shù)據(jù)通信的概念5通信信號與通信模型1．通信信號（1）信號（Signal）概念信號簡單地說是信息的表現(xiàn)形式，具有確定的物理描述。如電信號、光信號等。6（2）數(shù)字信號與模擬信號信號可以分為數(shù)字信號和模擬信號，從時間的角度來看，數(shù)字信號是一種離散信號，模擬信號是一段連續(xù)變化的信號。數(shù)據(jù)可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。模擬是與連續(xù)相對應(yīng)的。模擬數(shù)據(jù)是取某一區(qū)間的連續(xù)值，而模擬信號是一個連續(xù)變化的物理量，如下圖所示。（a）模擬信號（b）數(shù)字信號模擬信號和數(shù)字信號72．通信模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是指以計算機為中心，用通信線路與分布于遠(yuǎn)地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接起來，執(zhí)行數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)。發(fā)送端變換器信道反變換器信宿噪聲源發(fā)送端接收端通信系統(tǒng)模型8從計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組成部分來看，一個完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一般由以下幾個部分組成：數(shù)據(jù)終端設(shè)備、通信控制器、通信信道、信號變換器，如下圖所示。計算機網(wǎng)絡(luò)通信模型9一個計算機網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實例如下圖所示。通信系統(tǒng)實例10數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)要完成通信任務(wù)，必須考慮以下關(guān)鍵性問題。傳輸系統(tǒng)利用率：指有效地使用傳輸設(shè)備，這些設(shè)施通常是由很多的通信設(shè)備共享。因此要有效地分配傳輸介質(zhì)的容量，如采用多路復(fù)用技術(shù)等；要協(xié)調(diào)傳輸服務(wù)的要求以免系統(tǒng)過載，如采用擁塞控制技術(shù)等。接口規(guī)范：為了通信，設(shè)備必須和傳輸系統(tǒng)有接口，使發(fā)送端產(chǎn)生的信號特征（如信號的波形和信號強度）能適應(yīng)信道的傳輸，以及在接收端能對數(shù)據(jù)做正確解釋。11同步：接收端要按發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)頻率和起止時間來接收數(shù)據(jù)，使自己的時鐘與發(fā)送端一致，實現(xiàn)同步接收。交換管理：在兩個實體通信期間的各種協(xié)調(diào)管理。差錯檢測和校正：對通信中產(chǎn)生的差錯進(jìn)行檢測和校正，并通過流量控制防止反變換器來不及接收的信號。12尋址和路由：決定信號到達(dá)目標(biāo)的最優(yōu)路徑。恢復(fù)：不同于差錯檢測和校正，“恢復(fù)”指在系統(tǒng)由于某種原因被破壞或中斷后（包括自然災(zāi)害），對系統(tǒng)進(jìn)行必要的恢復(fù)。報文格式：兩個對話實體需要進(jìn)行協(xié)商，使報文格式一致。13安全：保證正確地、完整地、不被泄露地將數(shù)據(jù)從發(fā)送端傳輸至接收端。網(wǎng)絡(luò)管理：對復(fù)雜的通信系統(tǒng)進(jìn)行配置、故障、性能、安全、計費等管理。141.信道分類（1）廣義信道和狹義信道（2）有線信道和無線信道（3）模擬信道和數(shù)字信道信道分類及通信主要指標(biāo)152.數(shù)據(jù)通信中的幾個主要指標(biāo)

（1）比特率（2）波特率（3）帶寬（4）信道容量（5）誤碼率（6）吞吐量16

通信（傳輸）介質(zhì)是通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送方和接收方之間的物理通路。在計算機網(wǎng)絡(luò)通信中通常使用雙絞線、同軸電纜、光纖等有線傳輸介質(zhì)。另外，也經(jīng)常利用無線電短波、微波、紅外線、激光、衛(wèi)星通信等無線傳輸介質(zhì)。常用的傳輸介質(zhì)如下。通信介質(zhì)171．雙絞線雙絞線是兩根絕緣銅線相互纏繞而成的有規(guī)則的螺旋形介質(zhì)，由1對線作為一條通信線路，計算機網(wǎng)絡(luò)中常用的是由4對雙絞線構(gòu)成雙絞線電纜。雙絞線是一種廣泛使用的通信傳輸介質(zhì)，既可以傳輸模擬信號，也可以傳輸數(shù)字信號。雙絞線電纜的連接器一般使用RJ-45接頭，用來連接計算機的網(wǎng)卡或集線器等通信設(shè)備。雙絞線與RJ-45接頭連接方式如下圖所示。雙絞線與RJ-45接頭連接示意圖18雙絞線主要分為兩類，即非屏蔽雙絞線（UnshieldedTwisted-Pair，UTP）和屏蔽雙絞線（ShieldedTwisted-Pair，STP）。12345678計算機橙白橙綠白藍(lán)藍(lán)白綠棕白棕集線器橙白橙綠白藍(lán)藍(lán)白綠棕白棕計算機與集線器之間的雙絞線連接方法12345678計算機橙白橙綠白藍(lán)藍(lán)白綠棕白棕集線器橙白橙綠白藍(lán)藍(lán)白綠棕白棕計算機與計算機之間的雙絞線連接方法192．同軸電纜

同軸電纜是由一根空心的圓柱形導(dǎo)體圍繞著單根內(nèi)導(dǎo)體構(gòu)成的。內(nèi)導(dǎo)體為實芯或多芯硬質(zhì)銅線電纜，外導(dǎo)體為硬金屬或金屬網(wǎng)，內(nèi)、外導(dǎo)體之間有絕緣材料，如下圖所示。同軸電纜的連接器可以采用BNC或T連接器。外層絕緣蒙皮外導(dǎo)體

金屬屏蔽絕緣層內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線同軸電纜的結(jié)構(gòu)203．光纖光導(dǎo)纖維電纜，簡稱光纖。它是由纖芯、包層和護(hù)套組成，其中纖芯由玻璃或塑料制成，包層由玻璃制成，護(hù)套由塑料制成，四芯光纖及其剖面如下圖所示。外護(hù)套包帶層光纖及其包層填充物加強芯遠(yuǎn)供電源線四芯光纖及剖面示意圖214．無線傳輸介質(zhì)

在一些電纜光纖難于通過或施工困難的場合，例如高山、湖泊或島嶼等，特別是通信距離遠(yuǎn)，對通信安全性要求不高，敷設(shè)電纜或光纖成本過高時，可以利用無線電波等無線傳輸介質(zhì)在空間傳播，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。22數(shù)據(jù)通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸模式數(shù)據(jù)交換方式多路復(fù)用技術(shù)23

數(shù)據(jù)傳輸模式是指數(shù)據(jù)在通信信道上傳送所采取的方式。按數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)捻樞蚩煞譃椴⑿袀鬏敽痛袀鬏?；按?shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞娇煞譃橥絺鬏敽彤惒絺鬏?；按?shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚩煞譃閱喂ぁ㈦p工和全雙工數(shù)據(jù)傳輸；按被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號特點可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸241．串行和并行傳輸

串行傳輸是數(shù)據(jù)以串行方式在一條信道上傳輸。該方法易于實現(xiàn)，成本低，用于長距離傳輸，但速度慢。并行傳輸是將數(shù)據(jù)以成組的方式在兩條以上的并行信道上同時傳輸。并行傳輸速度快，不需要另外的措施實現(xiàn)同步，但設(shè)備復(fù)雜，成本高，適用于短距離傳輸。

252．同步與異步傳輸（1）同步傳輸同步就是接收端按發(fā)送端發(fā)送的每個碼元的起止時間及重復(fù)頻率來接收數(shù)據(jù)，并且要校準(zhǔn)自己的時鐘以便與發(fā)送端的發(fā)送取得一致，實現(xiàn)同步接收。數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞揭话惴譃樽址胶臀煌?，字符同步通常是識別每一個字符或一幀數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束；位同步則識別每一位的開始和結(jié)束。字符同步傳輸如下圖所示。DCE…同步字符字符塊同步字符…DCE同步傳輸方式示意圖26（2）異步傳輸在異步傳輸中，發(fā)送端可以在任意時刻發(fā)送字符，字符（信息幀）之間的間隔時間可以任意變化。該方法是將字符看作一個獨立的傳送單元，在每個字符的前后各加入1～3位信息作為字符的開始和結(jié)束標(biāo)志位，以便在每一個字符開始時接收端和發(fā)送端同步一次，從而在一串比特流中可以將每個字符識別出來。異步傳輸實現(xiàn)字符同步比較簡單，收發(fā)雙方的時鐘信號不需要精確地同步，數(shù)據(jù)傳輸效率低于同步傳輸。異步傳輸1個字符的方式如下圖所示。DCE…同步字符字符塊同步字符…DCE異步傳輸方式示意圖273．單工、半雙工和全雙工通信（1）單工通信單工通信是指通信雙方傳送的數(shù)據(jù)是一個方向，不能反向傳送。如下圖所示，數(shù)據(jù)只能從A傳送至B，而不能由B傳送至A。單工通信在理論上只需一根線，而在實際中一般采用二線制，一根線正向傳送數(shù)據(jù)，一根線反向傳送控制信號。無線電廣播和電視信號傳播都是單工通信。單工通信28（2）半雙工通信半雙工通信是指通信雙方傳送的數(shù)據(jù)可以雙向傳輸，但不能同時進(jìn)行，發(fā)送和接收共用一個數(shù)據(jù)通路，若要改變數(shù)據(jù)的傳輸方向，需要利用開關(guān)進(jìn)行切換。由于通信需要切換傳輸方向，因此效率較低，但可以節(jié)省傳輸線路。如下圖所示，信息可以從A傳送至B，或從B傳送至A。對講機就是半雙工通信的一個例子。半雙工通信29（3）全雙工通信全雙工通信是指通信雙方可以同時雙向傳輸，如下圖所示。它相當(dāng)于兩個相反方向的單工通信的組合，因此可采用四線制。顯然，全雙工通信較前兩種方式效率高、控制簡單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。例如，電話是全雙工通信，雙方可以同時講話；計算機與計算機通信也可以是全雙工通信。全雙工通信304．基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸（1）基帶傳輸基帶傳輸是指計算機（或終端）輸出的二進(jìn)制“1”或“0”的電壓（或電流）直接送到電路的傳輸方式，即終端設(shè)備將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成脈沖電信號直接傳送?；鶐鬏斢糜诙叹嚯x的數(shù)據(jù)通信。（2）頻帶傳輸頻帶傳輸是指將代表二進(jìn)制“1”或“0”的信號，通過調(diào)制解調(diào)器轉(zhuǎn)化成具有一定頻帶范圍的模擬信號進(jìn)行傳輸。頻帶傳輸可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信。31（3）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式是利用數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)信號的一種方式。這種方式效率高，傳輸質(zhì)量好。32在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時的一個重要因素就是怎樣進(jìn)行信息交換。交換方式是指計算機之間、計算機與終端之間和各終端之間交換信息所用信息格式和交換裝置的方式。根據(jù)交換裝置和信息處理方法的不同，常用的交換方式有3種：

1．電路交換

2．報文交換

3．分組交換其他數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換方式33

多路復(fù)用是指在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，允許兩個或多個數(shù)據(jù)源共享同一個公共傳輸介質(zhì)，也就是將若干個彼此無關(guān)的信號合并為一個在一個共用信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。多路復(fù)用技術(shù)通常包括：

1．頻分多路復(fù)用

2．時分多路復(fù)用

3．波分多路復(fù)用多路復(fù)用技術(shù)34常用通信系統(tǒng)電話系統(tǒng)移動通信系統(tǒng)351．電話系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在電話系統(tǒng)中，為使任何兩個終端用戶之間能進(jìn)行通信，而且既要保證通信質(zhì)量，又要求經(jīng)濟合理，就需要根據(jù)通信的流量和終端所在范圍把整個電話網(wǎng)絡(luò)分成區(qū)域，再將各區(qū)域的通信流量匯聚起來，以此來提高網(wǎng)絡(luò)線路的利用率，更加有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。在我國，電話網(wǎng)分成長途網(wǎng)和本地網(wǎng)，如下圖所示。電話系統(tǒng)模擬電話系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)362．綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)

綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）是以綜合數(shù)字網(wǎng)（IDN）為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，它是支持語音和非語音等各類業(yè)務(wù)的綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)。ISDN具有通信業(yè)務(wù)的綜合化、高可靠性和高質(zhì)量的通信、使用方便等特點，用于數(shù)字電話、數(shù)字傳真、可視圖文、數(shù)據(jù)通信、視頻業(yè)務(wù)等