《計算機網(wǎng)絡 》課件第1章

第1章計算機網(wǎng)絡概論1.1引言1.2傳輸介質1.3拓撲結構1.4數(shù)據(jù)傳輸技術1.5數(shù)據(jù)交換技術1.6網(wǎng)絡體系結構與標準化1.1引

言

對于用戶來說，計算機網(wǎng)絡提供的是一種透明的傳輸機構，用戶在訪問網(wǎng)絡共享資源時，可不必考慮這些資源所在的物理位置。為此，計算機網(wǎng)絡通常是以網(wǎng)絡服務的形式來提供網(wǎng)絡功能和透明性訪問的。主要的網(wǎng)絡服務有：

(1)文件服務。它為用戶提供各種文件的存儲、訪問及傳輸?shù)裙δ堋τ诓煌奈募?，可以設置不同的訪問權限，以維護網(wǎng)絡的安全性。這是一項最重要的網(wǎng)絡服務。

(2)打印服務。它為用戶提供網(wǎng)絡打印機的共享打印功能，使得網(wǎng)絡用戶能夠共享由網(wǎng)絡管理的打印機。例如，每個網(wǎng)絡用戶都需要使用激光打印機輸出高質量的文檔，但由于價格原因，不可能也不必每一臺計算機都配備激光打印機，因此可以把一臺激光打印機作為網(wǎng)絡打印機，使每個用戶都能共享這臺激光打印機，執(zhí)行打印輸出任務。

(3)電子郵件服務。它為用戶提供電子郵件(E-mail)的轉發(fā)和投遞功能。電子郵件是一種無紙化的電子信件，具有傳遞快捷、準確等優(yōu)點，已成為一種現(xiàn)代化的個人通信手段。

(4)信息發(fā)布服務。它為用戶提供公眾信息的發(fā)布和檢索功能。例如，時事新聞、天氣預報、股票行情、企業(yè)產(chǎn)品宣傳以及導游、導購等公眾信息的發(fā)布與遠程檢索。網(wǎng)絡服務還有很多種，如電視會議、電子報刊、新聞論壇、實時對話、布告欄等，并且新的網(wǎng)絡服務還在不斷地被開發(fā)出來，以滿足人們對網(wǎng)絡服務的不同需求。

一個計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：

(1)網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。它提供節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信功能，這涉及到傳輸介質、拓撲結構以及網(wǎng)絡訪問控制等一系列核心技術，決定著網(wǎng)絡的性能，是網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心和基礎。

(2)網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。它對網(wǎng)絡資源進行有效管理，提供基本的網(wǎng)絡服務、網(wǎng)絡操作界面、網(wǎng)絡安全性和可靠性措施等，是實現(xiàn)用戶透明性訪問網(wǎng)絡必不可少的人-機(網(wǎng)絡)接口。

(3)網(wǎng)絡應用系統(tǒng)。它是根據(jù)應用要求而開發(fā)的基于網(wǎng)絡環(huán)境的應用系統(tǒng)。例如，在機關、學校、企業(yè)、商業(yè)、賓館、銀行等各行各業(yè)中所開發(fā)的辦公自動化系統(tǒng)、生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、企業(yè)管理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、醫(yī)療管理服務系統(tǒng)、電子銀行服務系統(tǒng)、輔助教學系統(tǒng)、電子商務系統(tǒng)等。計算機網(wǎng)絡按各個節(jié)點分布的地理范圍分類，可分成局域網(wǎng)(LocalAreaNetwork，LAN)和廣域網(wǎng)(WideAreaNetwork，WAN)，兩者的主要差別在于通信距離和傳輸速率。

局域網(wǎng)的通信距離一般在幾公里之內，傳輸速率為10Mb/s～1Gb/s，主要用來構造一個單位的內部網(wǎng)，例如學校的校園網(wǎng)、企業(yè)的企業(yè)網(wǎng)等。它們屬于該單位所有，單位擁有自主管理權，并且以資源共享服務和網(wǎng)絡接入服務為主要應用目的。廣域網(wǎng)的通信距離可達幾十公里、幾百公里，甚至遍及世界，過去傳輸速率比較低，一般為64kb/s～2Mb/s，而現(xiàn)在以光纖為傳輸介質的新型高速廣域網(wǎng)可以提供高達2.5～10Gb/s的傳輸速率。廣域網(wǎng)主要是指公用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，一般由國家委托電信部門建造、管理和經(jīng)營，以數(shù)據(jù)通信為主要應用目的。

1.2傳

輸

介

質

1.2.1有線介質

1．雙絞線雙絞線(TwistedPairLine)是一種最常用的傳輸介質，由呈螺線排列的兩根絕緣導線組成，兩根導線相互扭絞在一起，可使線對之間的電磁干擾減至最小。一根雙絞線電纜由多個絞在一起的線對(如8條線組成4個線對)組成。

雙絞線比較適合于短距離的信號傳輸，既可用于傳輸模擬信號，也可用于傳輸數(shù)字信號，信號傳輸速率取決于雙絞線的芯線材料、傳輸距離、驅動器與接收器能力等諸多因素。通過適當?shù)钠帘魏团でL度處理后，可提高雙絞線的抗干擾性能，傳輸信號波長遠大于扭曲長度時，其抗干擾性最好。因此，當傳輸?shù)皖l信號時，抗干擾能力很強，傳輸距離較遠；當傳輸高頻信號時，抗干擾能力下降，傳輸距離變短。通常，一個網(wǎng)絡系統(tǒng)的物理層規(guī)范規(guī)定了它所采用的傳輸介質、介質長度以及傳輸速率等。

雙絞線有多種類型，不同類型的雙絞線所提供的帶寬各不相同。例如，在局域網(wǎng)中所使用的雙絞線有無屏蔽雙絞線(UnshieldedTwistedPair，UTP)和屏蔽雙絞線(ShieldedTwistedPair，STP)兩類。每一類中又分為若干等級，比如UTP分為3類UTP、4類UTP和5類UTP，它們的傳輸帶寬分別為16MHz、20MHz和100MHz。因此，在基于雙絞線的100Mb/s高速網(wǎng)絡中，通常使用5類UTP或STP作為其傳輸介質。

2．同軸電纜同軸電纜(CoaxialCable)是局域網(wǎng)中應用較為廣泛的一種傳輸介質。它由內、外兩個導體組成，內導體是單股或多股線，呈圓柱形的外導體通常由編織線組成并圍裹著內導體，內、外導體之間使用等間距的固體絕緣材料來分隔，外導體用塑料外罩保護起來。在網(wǎng)絡系統(tǒng)中，主要使用兩種同軸電纜：一種是50Ω電纜，它主要用于基帶信號傳輸，其傳輸帶寬為1～20Mb/s，如10Mb/sEthernet采用的就是50Ω同軸電纜；另一種是75Ω公用天線電視(CATV)電纜，它既可用于傳輸模擬信號，又可用于傳輸數(shù)字信號。CATV電纜的傳輸頻帶比較寬，高達300～400MHz，可用于寬帶信號的傳輸。在CATV電纜上，通常通過頻分多路復用(FDM)技術實現(xiàn)多路信號的傳輸，它既能傳輸數(shù)據(jù)，也能傳輸話音和視頻信號。所謂寬帶(Broadband)信號傳輸，是利用FDM技術在寬帶介質上所進行的多路模擬信號的傳輸，它是一種用于寬帶網(wǎng)絡的信號傳輸技術。近年來，隨著光纖技術的發(fā)展，越來越多的寬帶網(wǎng)絡采用光導纖維(簡稱光纖)作為傳輸介質。

3．光導纖維光導纖維(Fiber)是一種傳送光信號的介質，它的內層是具有較高光波折射率的光導玻璃纖維，外層包裹著一層折射率較低的材料，利用光波的全反射原理來傳送編碼后的光信號。根據(jù)光波的傳輸模式，光纖主要分為兩種：多模光纖和單模光纖。在多模光纖中，通過多角度反射光波實現(xiàn)光信號的傳輸。由于多模光纖中有多個傳輸路徑，每個路徑的長度不同，通過光纖的時間也不同，因此會導致光信號在時間上出現(xiàn)擴散和失真，從而限制了它的傳輸距離和傳輸速率。

在單模光纖中，只有一個軸向角度來傳輸光信號，或者說光波沿著軸向無反射地直線傳輸，光纖起著波導作用。由于單模光纖只有一個傳輸路徑，不會出現(xiàn)信號傳輸失真現(xiàn)象，因此，在相同傳輸速率的情況下，單模光纖比多模光纖的傳輸距離長得多。通常，單模光纖傳輸系統(tǒng)的價格要高于多模光纖傳輸系統(tǒng)。光纖系統(tǒng)主要由三部分組成：光發(fā)送器、光纖介質和光接收器。發(fā)送端的光發(fā)送器利用電信號對光源進行光強控制，從而將電信號轉換為光信號；光信號經(jīng)過光纖介質傳輸?shù)浇邮斩?；光接收器通過光電二極管再把光信號還原成電信號。

光纖是一種不易受電磁干擾和噪聲影響的傳輸介質，具有傳輸速率高、傳輸距離遠、抗干擾能力強、保密性好等特點，特別適合用來構造高速遠程網(wǎng)或廣域網(wǎng)。例如，現(xiàn)代廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)以及高速局域網(wǎng)(如千兆位以太網(wǎng)、萬兆位以太網(wǎng)、高速ATM等)等就主要采用光纖作為傳輸介質。因此，光纖已經(jīng)成為高速遠程網(wǎng)首選的傳輸介質。由于光纖的銜接、分岔比較困難，因此一般只適用于點到點或環(huán)形結構的網(wǎng)絡系統(tǒng)中。

1.2.2無線介質

1．微波微波(Microwave)是一種高頻電磁波，其工作頻率為109～1010Hz。微波通信系統(tǒng)可分成地面微波通信系統(tǒng)和衛(wèi)星微波通信系統(tǒng)。地面微波通信系統(tǒng)由視野范圍內的兩個互相對準方向的拋物面天線組成，能夠實現(xiàn)視野范圍內的微波通信。地面微波通信系統(tǒng)主要作為計算機網(wǎng)絡的中繼鏈路，實現(xiàn)兩個或多個局域網(wǎng)的互連，擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。例如，兩個相距較遠大樓中的局域網(wǎng)可以采用地面微波通信系統(tǒng)互相連通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。在某些情況下，這種遠程連接方式可能比有線遠程連接的費用要低廉一些。

2．擴頻無線電擴頻(SpreadSpectrum)無線電是一種新的民用(不需要許可證)無線通信技術，它采用900MHz或2.4GHz的無線電頻段作為傳輸信道，通過先進的直序擴展頻譜或跳頻方式發(fā)射信號，屬于寬帶調制發(fā)射，具有傳輸速率高、發(fā)射功率小、抗干擾能力強以及保密性好等特點。很多無線局域網(wǎng)技術都采用了擴頻無線電通信方式，例如IEEE802.11無線局域網(wǎng)、無線家庭網(wǎng)以及藍牙技術等。因此，擴頻無線電通信已經(jīng)成為無線局域網(wǎng)的主流技術。

3．紅外線紅外線(Infrared)的工作頻率為1011～1014Hz，其方向性很強，不易受電磁波干擾。在視野范圍內的兩個互相對準的紅外線收發(fā)器之間通過將電信號調制成非相干紅外線而形成通信鏈路，可以準確地進行數(shù)據(jù)通信。由于紅外線的穿透能力較差，易受障礙物的阻隔，因此在近距離的無線通信系統(tǒng)中，一般將紅外線作為一種可選的傳輸介質。

4．激光激光(Laser)的工作頻率為1014～1015Hz，其方向性很強，不易受電磁波干擾。但外界氣候條件對激光通信的影響較大，如在空氣污染、雨霧天氣以及能見度較差情況下可能導致通信的中斷。激光通信系統(tǒng)由視野范圍內的兩個互相對準的激光調制解調器組成，激光調制解調器通過對相干激光的調制和解調，來實現(xiàn)激光通信。

1.3拓

撲

結

構

網(wǎng)絡拓撲結構是指一個網(wǎng)絡中各個節(jié)點之間互連的幾何構形，即指各個節(jié)點之間互相連接的方式。常見的網(wǎng)絡拓撲結構有星形、環(huán)形、總線形等三種，參見圖1.1。任何一種網(wǎng)絡系統(tǒng)都規(guī)定了它們各自的網(wǎng)絡拓撲結構。通過網(wǎng)絡之間的相互連接，可以將不同拓撲結構的網(wǎng)絡組合起來，組成一個集多種結構為一體的互連網(wǎng)絡。

圖1.1常見的網(wǎng)絡拓撲結構(a)星形結構；(b)環(huán)形結構；(c)總線形結構

1.3.1星形結構在星形拓撲結構中，節(jié)點分成端節(jié)點和中間節(jié)點兩種，每個端節(jié)點必須通過點到點鏈路連接到中間節(jié)點上，任何兩個端節(jié)點之間都要通過中間節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和通信。在節(jié)點通信時，網(wǎng)絡必須采用適當?shù)脑L問控制策略和方法來解決節(jié)點之間的有序通信問題。在星形結構的網(wǎng)絡系統(tǒng)中，可以采用集中式訪問控制策略和分布式訪問控制策略。在基于集中式訪問控制策略的星形網(wǎng)絡中，中間節(jié)點既是網(wǎng)絡交換設備，又是網(wǎng)絡控制器，由它控制各個節(jié)點的網(wǎng)絡訪問。一個端節(jié)點在傳送數(shù)據(jù)之前，首先向中間節(jié)點發(fā)出傳輸請求，經(jīng)過中間節(jié)點允許后才能傳送數(shù)據(jù)。在這種網(wǎng)絡系統(tǒng)中，中間節(jié)點具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和網(wǎng)絡控制功能，系統(tǒng)結構比較復雜；而端節(jié)點的功能和結構要簡單得多。這種網(wǎng)絡系統(tǒng)的典型代表是基于電路交換的電話交換網(wǎng)絡和基于分組交換的100VG-AnyLAN網(wǎng)絡。

在基于分布式訪問控制策略的星形網(wǎng)絡中，中間節(jié)點主要是網(wǎng)絡交換設備，它采用存儲-轉發(fā)機制為網(wǎng)絡節(jié)點提供傳輸路徑和轉發(fā)服務。另外，中間節(jié)點還可以根據(jù)需要將一個節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)同時轉發(fā)給其他所有的節(jié)點，從而實現(xiàn)“廣播式”傳輸。各個端節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)自行控制對網(wǎng)絡的訪問。目前，大多數(shù)基于分組交換的局域網(wǎng)都采用這種網(wǎng)絡結構，它已成為網(wǎng)絡主流技術。

1.3.2環(huán)形結構在環(huán)形拓撲結構中，各個節(jié)點通過收發(fā)器連入網(wǎng)絡，收發(fā)器之間通過點到點鏈路連接成一個閉合的環(huán)形網(wǎng)絡。發(fā)送節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀沿著環(huán)路單向傳遞，每經(jīng)過一個節(jié)點，該節(jié)點要判斷這個數(shù)據(jù)幀是否是發(fā)送給本節(jié)點的，如果是發(fā)送給本節(jié)點的，則要將數(shù)據(jù)幀拷貝下來，然后再將數(shù)據(jù)幀傳遞到下游節(jié)點。當數(shù)據(jù)幀遍歷各個節(jié)點后，由發(fā)送節(jié)點將數(shù)據(jù)幀從環(huán)路上取下。這樣，通過數(shù)據(jù)幀遍歷各個節(jié)點可以實現(xiàn)“廣播式”傳輸。

由于多個節(jié)點要共享同一環(huán)路，因此必須采用適當?shù)脑L問控制方法來控制各個節(jié)點對環(huán)路的有序訪問。在環(huán)形網(wǎng)絡中，常用的訪問控制方法是基于令牌(Token)的訪問控制。它是一種分布式訪問控制技術，由令牌及其傳遞規(guī)則來控制各個節(jié)點的介質訪問，并且將令牌控制機制分布在每個節(jié)點上，各個節(jié)點將根據(jù)令牌傳遞協(xié)議控制節(jié)點對網(wǎng)絡的訪問。因此，環(huán)形網(wǎng)絡中的節(jié)點結構比較復雜。典型的環(huán)形網(wǎng)絡有TokenRing(令牌環(huán))和FDDI(光纖分布式數(shù)據(jù)接口)等。環(huán)形網(wǎng)絡的優(yōu)點是網(wǎng)絡的覆蓋面積較大，節(jié)點的連接能力較強。它的主要缺點是鏈路可靠性較差，一旦環(huán)路上某段鏈路斷開或環(huán)路上某個收發(fā)器發(fā)生故障，都會導致環(huán)路的斷路，甚至導致全網(wǎng)的癱瘓。一些網(wǎng)絡系統(tǒng)，如FDDI采用雙環(huán)結構來解決這個問題。此外，環(huán)形網(wǎng)絡的維護工作也比較復雜。

1.3.3總線形結構在總線形拓撲結構中，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都直接連接到同一條傳輸介質上，這條傳輸介質稱為總線。各個節(jié)點將依據(jù)一定的訪問規(guī)則分時地使用總線來傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀沿著總線向兩端傳播，總線上的各個節(jié)點都能接收到這個數(shù)據(jù)幀，并判斷是否是發(fā)送給本節(jié)點的。如果是發(fā)送給本節(jié)點的，則將該數(shù)據(jù)幀保留下來；否則將丟棄該數(shù)據(jù)幀。總線形網(wǎng)絡的“廣播式”傳輸是依賴于數(shù)據(jù)信號沿著總線向兩端傳播的基本特性實現(xiàn)的。

總線形拓撲結構的另一種形式是樹形拓撲結構，其傳輸介質是不封閉或不閉合的分支電纜。和總線形結構一樣，樹形拓撲結構中任何一個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)都能被其他節(jié)點接收?？偩€形網(wǎng)絡中所有的節(jié)點共享一條總線，一次只允許一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點只能處于接收狀態(tài)。為了使各個節(jié)點能夠有序而合理地使用總線傳輸數(shù)據(jù)，必須采用一種適當?shù)脑L問控制策略來控制各個節(jié)點對總線的訪問。典型的總線形網(wǎng)絡是以太網(wǎng)(Ethernet)。綜上所述，任何一種網(wǎng)絡系統(tǒng)都規(guī)定了其網(wǎng)絡連接的拓撲結構，并通過相應的訪問控制方法來控制各個節(jié)點有序地使用介質來傳送數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)的接收，通常采用“地址匹配”規(guī)則。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都分配有惟一的地址碼。在每個數(shù)據(jù)幀中，包含有源地址碼和目的地址碼，以標識發(fā)送數(shù)據(jù)幀的源節(jié)點和接收數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點。當節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)幀后，要比較數(shù)據(jù)幀的目的地址是否與本節(jié)點地址相匹配。如果地址匹配，則將數(shù)據(jù)幀保留下來；否則將該數(shù)據(jù)幀丟棄。

網(wǎng)絡拓撲結構對一個網(wǎng)絡系統(tǒng)的覆蓋范圍、連接能力、可靠性及可擴充性等網(wǎng)絡性能產(chǎn)生直接的影響，也關系到一個網(wǎng)絡系統(tǒng)的價格。

從目前網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用情況來看，總線形結構主要在早期的10Mb/sEthernet中使用；環(huán)形結構主要在TokenRing和FDDI網(wǎng)絡中使用，比較適合構造大型的園區(qū)網(wǎng)；基于分組交換的星形網(wǎng)絡將是今后網(wǎng)絡系統(tǒng)的主流結構，大多數(shù)的高速網(wǎng)絡都采用了通過交換機來連接各個節(jié)點的星形結構。交換機將數(shù)據(jù)轉發(fā)和網(wǎng)絡管理功能集成為一體，便于實現(xiàn)網(wǎng)絡配置、故障檢測以及性能優(yōu)化等網(wǎng)絡管理功能。并且星形結構還適合在建筑物中實施綜合布線系統(tǒng)。在星形結構中，中間節(jié)點的可靠性顯得尤其重要，它關系到整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性。這個問題主要采用硬件冗余方法和熱插拔技術來解決。例如，在交換機中采用兩個電源模塊，平時兩個電源模塊分擔負荷，當一個電源模塊發(fā)生故障時，另一個電源模塊將承擔全部負荷。同時，每個硬件模塊都可以帶電插拔，在不停機的情況下，能夠迅速地更換有故障的硬件模塊。

1.4數(shù)據(jù)傳輸技術

1.4.1數(shù)據(jù)編碼技術

1．數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼是指將數(shù)字數(shù)據(jù)調制成模擬信號進行傳輸。通常采用模擬信號的三種載波特性(振幅、頻率和相位)之一來表示被調制的數(shù)字數(shù)據(jù)，并由此產(chǎn)生三種基本調制方式，參見圖1.2。

1)幅移鍵控(ASK)法

ASK(AmplitudeShiftKeying)是使用載波頻率的兩個不同振幅來表示兩個二進制值的，參見圖1.2(a)。在一般情況下，用振幅恒定載波的存在與否來表示兩個二進制值。ASK方式的編碼效率較低，容易受增益變化的影響，抗干擾性較差，在音頻電話線路上一般只能達到1200b/s的傳輸速率。

圖1.2基本調制方式(a)ASK法；(b)FSK法；(c)PSK法

2)頻移鍵控(FSK)法

FSK(FrequencyShiftKeying)是使用載波頻率附近的兩個不同頻率來表示兩個二進制值的，參見圖1.2(b)。FSK比ASK的編碼效率高，不易受干擾的影響，抗干擾性較強，在音頻電話線路上的傳輸速率可以大于1200b/s。

3)相移鍵控(PSK)法

PSK(PhaseShiftKeying)是使用載波信號的相位移動來表示兩個二進制值的，參見圖1.2(c)。在PSK方式中，信號相位與前面信號序列相同的表示0，信號相位與前面信號序列相反的表示1。PSK方式也可以用于多相調制，例如在四相調制中可把每個信號序列編碼為兩位。PSK方式具有很強的抗干擾能力，其編碼效率比FSK還要高，在音頻線路上傳輸速率可達9600b/s。這些信號調制技術主要用于調制解調器(Modem)中。在實際的Modem中，一般將這些基本的調制技術組合起來使用，以增強抗干擾能力和編碼效率。常見的組合是PSK和FSK方式的組合或者PSK和ASK方式的組合。

2．數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼對于傳輸數(shù)字信號來說，最簡單的信號編碼方法是用信號的兩個不同電壓值來表示兩個二進制數(shù)據(jù)。例如，用無電壓來表示0，用恒定的正電壓表示1；也可用正電壓表示1，而用負電壓表示0。然而，為了提高信號抗干擾能力，并且便于信號接收同步，通常會采用更為有效的信號編碼方法。常用的數(shù)字信號編碼有不歸零(NonReturntoZero，NRZ)碼、差分不歸零(DifferentialNonReturntoZero，DNRZ)碼、曼徹斯特(Manchester)碼及差分曼徹斯特(DifferentialManchester)碼等，參見圖1.3。

1)NRZ碼

NRZ碼是用信號的幅度來表示二進制數(shù)據(jù)的，通常用正電壓表示數(shù)據(jù)“1”，用負電壓表示數(shù)據(jù)“0”，并且在表示一個碼元時，電壓均無需回到零，故稱不歸零碼。NRZ碼是一種全寬碼，即一位碼元占一個單位脈沖的寬度。全寬碼的優(yōu)點：一是每個脈沖寬度越大，發(fā)送信號的能量就越大，這對于提高接收端的信噪比有利；二是脈沖時間寬度與傳輸帶寬成反比關系，即全寬碼在信道上占用較窄的頻帶，并且在頻譜中包含了碼位的速度。

圖1.3常用的數(shù)字信號編碼

NRZ碼的主要缺點是：當數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)0或1時，接收端很難分辨一個信號位的開始或結束，而必須采用某種方法在發(fā)送端和接收端之間提供必要的信號定時同步。同時，這種編碼還會產(chǎn)生直流分量的積累問題，這將導致信號的失真與畸變，使傳輸?shù)目煽啃越档?，并且由于直流分量的存在，使得無法使用一些交流耦合的線路和設備。因此，一般的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都不采用這種編碼方式。

2)DNRZ碼

DNRZ碼是NRZ碼的一種改進形式，它是用信號的相位變化來表示二進制數(shù)據(jù)的，一個信號位的起始處有跳變表示數(shù)據(jù)“1”，而無跳變表示數(shù)據(jù)“0”。DNRZ碼不僅保持了全寬碼的優(yōu)點，同時還提高了信號的抗干擾性和易同步性。

越來越多的高速網(wǎng)絡系統(tǒng)采用了DNRZ碼，它成為主流的信號編碼技術，例如在FDDI、100BASE-T及100VG-AnyLAN等高速網(wǎng)絡中都采用了DNRZ編碼。其原因是在高速網(wǎng)絡中要求盡量降低信號的傳輸帶寬，以利于提高傳輸?shù)目煽啃院徒档蛯鬏斀橘|帶寬的要求。而DNRZ編碼中的碼元速率與編碼時鐘速率相一致，具有很高的編碼效率，符合高速網(wǎng)絡對信號編碼的要求。同時，為了解決數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)0或1時所帶來的信號編碼問題，通常采用兩級編碼方案。第一級是預編碼器，以對數(shù)據(jù)流進行預編碼，使編碼后的數(shù)據(jù)流不會出現(xiàn)連續(xù)0或連續(xù)1，常用的預編碼方法有4B5B、5B6B等；第二級是DNRZ編碼，可實現(xiàn)物理信號的傳輸。這種兩級編碼方案的編碼效率可達到80%以上。例如，在4B5B編碼中，每4位數(shù)據(jù)用5位編碼來表示，即4位數(shù)據(jù)就會增加1位的編碼開銷，編碼效率仍為80%。

3)曼徹斯特碼在曼徹斯特碼中，用一個信號碼元中間電壓跳變的相位不同來區(qū)分數(shù)據(jù)“1”和“0”，它用正的電壓跳變表示“0”，用負的電壓跳變表示“1”。因此，這種編碼也是一種相位碼。由于電壓跳變都發(fā)生在每一個碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為位同步時鐘，因此這種編碼也稱為自同步碼。

10Mb/s以太網(wǎng)(Ethernet)采用的就是曼徹斯特碼。

4)差分曼徹斯特碼差分曼徹斯特碼是曼徹斯特碼的一種改進形式，其差別在于：每個碼元的中間跳變只作為同步時鐘信號，而數(shù)據(jù)“0”和“1”的取值是用信號位的起始處有無跳變來表示的，若有跳變則為“0”，若無跳變則為“1”。這種編碼的特點是每一位均用不同電平的兩個半位來表示，因而始終能保持直流的平衡。這種編碼也是一種自同步編碼。令牌環(huán)(TokenRing)網(wǎng)采用的就是差分曼徹斯特碼。

曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼主要用于中速網(wǎng)絡(Ethernet為10Mb/s，TokenRing最高為16Mb/s)中，而高速網(wǎng)絡并不采用曼徹斯特編碼技術。其原因是它的信號速率為數(shù)據(jù)速率的兩倍，即對于10Mb/s的數(shù)據(jù)速率，編碼后的信號速率為20Mb/s，編碼的有效率為50%。對于100Mb/s的高速網(wǎng)絡來說，200Mb/s的信號速率無論對傳輸介質帶寬的要求，還是對傳輸可靠性的控制都未免太高了，將會增加信號傳輸技術的復雜性和實現(xiàn)成本，因而難以推廣應用。因此，高速網(wǎng)絡主要采用兩級的DNRZ編碼方案，而中速網(wǎng)絡采用曼徹斯特編碼方案，盡管它增加了傳輸所需的帶寬，但實現(xiàn)起來簡單易行。

3．模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼在數(shù)字化的電話交換和傳輸系統(tǒng)中，需要將模擬的話音數(shù)據(jù)編碼成數(shù)字信號后再進行傳輸。這里常用的編碼技術是脈沖編碼調制(PulseCodeModulation，PCM)技術。PCM是以采樣定理為基礎的。根據(jù)采樣定理，如果在規(guī)定的時間間隔內使用信號f(t)最高頻率的兩倍或兩倍以上的速率對該信號進行采樣，這些數(shù)字化的采樣值中則包含了不混疊而又便于分離的全部原始信號特征，利用低通濾波器可以不失真地從這些采樣值中重新恢復出信號f(t)。

PCM原理框圖如圖1.4所示。在信號源端，模擬信號X(t)經(jīng)過反混疊濾波器和采樣器處理后變換成脈沖調幅信號X(n)，然后送入量化器進行均勻分層量化，再經(jīng)過編碼器將量化后的脈沖信號表示成一組二進制碼C(n)并輸出。在接收端，PCM解碼器將接收信號C′(n)解碼成Y′(n)，經(jīng)過逆量化器和平滑濾波器就可重建信號X′(t)，X′(t)和X(t)之差就是量化誤差。

圖1.4

PCM原理框圖

通常，話音信號的最高頻率為3400Hz。如果以8000Hz的采樣頻率對話音信號進行采樣，則在采樣值中包含了話音信號的完整特征，由此還原出的話音信號是完全可理解和可識別的。對于每一個采樣值，還要用一個二進制碼來表示，二進制碼的位數(shù)代表了采樣值的量化精度。話音信號通常采用

8位二進制碼來表示一個采樣值。這樣，對話音信號進行PCM后所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸速率為

8bit×8000次采樣/秒

=64000b/s=64kb/s

PCM不僅可用于數(shù)字化話音數(shù)據(jù)，還可用于數(shù)字化圖像等模擬數(shù)據(jù)。例如，彩色電視信號的帶寬為4.6MHz，采樣頻率應為9.2MHz。如果采用

10位二進制編碼來表示每個采樣值，則可以滿足圖像質量的要求。這樣，對電視圖像信號進行PCM后所達到的數(shù)據(jù)速率為92Mb/s。

1.4.2數(shù)據(jù)傳輸方式

1．模擬傳輸系統(tǒng)一般來說，模擬數(shù)據(jù)是時間的連續(xù)函數(shù)，并且占有一定的頻譜范圍。這種數(shù)據(jù)可以直接用占有相同頻譜范圍的電信號來表示。模擬傳輸是一種不考慮信號內容的信號傳輸方法。信號可以模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字數(shù)據(jù)。無論是何種情況，在傳輸一定的距離之后，模擬信號都會衰減和畸變。為了實現(xiàn)長距離的傳輸，模擬傳輸系統(tǒng)使用放大器來增強信號的能量，但同時也放大了信號中的噪聲分量。其結果會導致信號發(fā)生畸變，嚴重時會造成傳輸錯誤。模擬傳輸系統(tǒng)典型的例子是模擬電話傳輸系統(tǒng)。

聲波的頻率范圍為20Hz～20kHz。然而，語音能量大部分集中在300～3400Hz頻率范圍內，在這個音頻范圍內，足以分辨清楚所傳輸?shù)穆曇?。因此，話音信號的標準頻譜是300～3400Hz。電話傳輸系統(tǒng)中的電話設備以及電話線路都是依據(jù)這一頻率范圍而設計的。人的聲音通過電話機產(chǎn)生頻率為300～3400Hz的電信號，經(jīng)過電話交換網(wǎng)傳輸?shù)搅硪欢说碾娫挋C，再把電信號還原成原來的聲音。數(shù)字數(shù)據(jù)也可以利用模擬信道進行傳輸，典型的例子是計算機利用電話交換網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。在這種情況下，計算機必須使用調制解調器(Modem)來連接電話交換網(wǎng)，在發(fā)送端，必須通過Modem將數(shù)字數(shù)據(jù)調制成與模擬信道特性相匹配的模擬信號才能傳輸；在接收端，再使用Modem把模擬信號解調還原成原來的數(shù)據(jù)。

2．數(shù)字傳輸系統(tǒng)數(shù)字傳輸與信號的內容有關。同樣，長距離的傳輸也會使信號衰減和畸變，從而嚴重地影響數(shù)據(jù)的完整性和正確性。因此，數(shù)字信號只能在一個有限的距離內進行傳輸。為了延長傳輸距離，數(shù)字傳輸系統(tǒng)通常使用中繼器(Repeater)來克服衰減和畸變。中繼器將接收到的數(shù)字信號，經(jīng)過整形恢復后，再發(fā)送出去，從而克服了信號的畸變和衰減。

為了提高信號的抗干擾能力，并且便于接收端信號同步，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過適當?shù)木幋a后才能傳輸。在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，每個端節(jié)點必須通過編碼解碼器(Codec)實現(xiàn)數(shù)據(jù)編碼。例如，在局域網(wǎng)中，任何一種網(wǎng)卡都包含有Codec部分，它按照規(guī)定的編碼方式對數(shù)字數(shù)據(jù)進行編碼或解碼。

在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中，通常使用傳輸速率來度量傳輸帶寬。傳輸速率是指每秒鐘所能傳輸?shù)奈粩?shù)，單位為b/s(位/秒)，它可按下式計算：

式中，T為脈沖寬度(全寬碼情況)或脈沖重復周期(歸零碼情況)；n為一個脈沖所表示的有效狀態(tài)，即調制電平數(shù)；lb是log2的符號表示。數(shù)字傳輸系統(tǒng)中普遍采用的是二進制脈沖，只有兩個有效狀態(tài)，即n=2。這時，其傳輸速率為該式表示每秒位數(shù)等于單位脈沖的重復頻率。

另一種度量傳輸帶寬的單位是波特，也稱調制速率。它反映了數(shù)據(jù)經(jīng)過調制后的傳輸速率，也就是數(shù)據(jù)在調制過程中調制狀態(tài)每秒轉換的次數(shù)。調制速率為

它與傳輸速率的關系為

S=Blbn

在二元制調制方式中，S=B=1/T，兩者可以通用。但在多元制調制方式中，兩者是有區(qū)別的。例如，對于2400b/s的四相調制解調器，采用T=833×10-6s的單位脈沖，該脈沖與兩位組合的雙位相對應，且狀態(tài)數(shù)n=4。因此用傳輸位數(shù)表示的數(shù)據(jù)傳輸速率為可見，在多相調制方式中，傳輸速率和調制速率是不相同的。

1.4.3多路復用技術

1．FDM

FDM的基本前提是：傳輸介質的可用帶寬要大于多路給定信號所需帶寬的總和。如果將這幾路信號中的每路信號以不同的載波頻率進行調制，則這些信號就可同時在單一介質上傳輸。為了保證各路信號帶寬不相互重疊，各路載波頻率之間應當留有一定的保護間隔，參見圖1.5(a)。在圖1.5(a)中，6路信號源輸入到一個多路復用器中，這個多路復用器使用不同的頻率來調制每一路信號，每一路信號具有一定的帶寬，f1～f6分別對應于6路信號帶寬，形成6個信道。為了防止各個信道之間的重疊干擾，相鄰的信道之間要用保護帶隔離開。保護帶是信號帶寬中不用的部分。f1～f6以及各個保護帶寬之和要小于或等于傳輸介質的可用帶寬。

圖1.5多路復用(a)FDM；(b)TDM圖1.5多路復用(a)FDM；(b)TDM例如，假設傳輸介質的可用帶寬為70MHz，每路信號帶寬為10MHz。如果采用FDM同時傳輸6路信號，則各路信號帶寬分配如下：f1=?0～10MHz，f2=?11～21MHz，f3=?22～32MHz，f4=?33～43MHz，f5?=?44～54MHz，f6=?55～65MHz，其中各路信道之間的保護帶寬為1MHz。攜帶多路信號的載波通過傳輸介質傳送到另一端的多路復用器后，再解調(還原)成各個單路信號，輸出到各自對應的輸出線上。

2．TDM

TDM的基本前提是：傳輸介質所能支持的位傳輸速率應大于多路數(shù)據(jù)傳輸所需的位傳輸速率的總和。如果每路信號按時間先后輪流交替地使用單一信道，那么在宏觀上多路數(shù)字信號便可以實現(xiàn)同時傳輸。各路信號可以位、字節(jié)、塊或幀等為單位交替地使用單一信道。在圖1.5(b)中，多路復用器有6路信號輸入，設每路信號的傳輸速率為10Mb/s，傳輸介質的傳輸帶寬大于60Mb/s，使用TDM技術同時傳輸這6路信號。具體的實現(xiàn)方法是：規(guī)定傳送一個數(shù)據(jù)單元所需要的時間為一個時間片，每個輸入端一次傳送一個數(shù)據(jù)單元，6個時間片便可將6個輸入端輪流輸入一次，這6個時間片便構成了一幀(Frame)。在一般情況下，幀長是固定的，即一個幀所擁有的時間片數(shù)等于信號輸入的個數(shù)。如果在某個時間片內對應的輸入端無數(shù)據(jù)發(fā)送，則在該時間片內填充空信號?？梢?，6路信號是平均分配和使用高速傳輸介質的。在TDM中，對應于某一路特定信號的時間片稱為該路特定信號的信道。

TDM又分為同步TDM和異步TDM。在同步TDM中，每個時間片是預先分配好的，并且是固定不變的，如果某個時間片所對應的輸入端無數(shù)據(jù)發(fā)送，則該時間片便空閑不用，又因為傳輸介質的傳輸帶寬不能低于各個輸入信號的數(shù)據(jù)速率之和，所以必然造成信道容量的浪費。圖1.5(b)所示的TDM是一種同步TDM。

在異步TDM中，每個時間片是按需動態(tài)分配的。對于一個給定的輸入端，只有當前有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，才分配相應的時間片，如果無數(shù)據(jù)發(fā)送，則不分配時間片。并且傳輸介質的傳輸帶寬只要不低于各路輸入信號的平均數(shù)據(jù)速率即可，從而提高了傳輸介質的利用率。另外，異步TDM中的時間片與輸入端之間沒有一一對應的關系，任何一個時間片都可以用來傳輸任何一路輸入信號。因此，在所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元中必須包含有地址信息，以便尋址目的節(jié)點。這樣，在每個時間片里會增加一些額外的傳輸開銷。異步TDM又稱為統(tǒng)計TDM(STDM)。

TDM并不僅僅局限于傳輸數(shù)字信號，也可以在時間上交替地傳輸模擬信號。對于模擬信號傳輸，可以將TDM和FDM組合起來使用。一個傳輸系統(tǒng)可先頻分成許多FDM信道，每個信道再按TDM進行時分復用。在有些寬帶局域網(wǎng)中就使用了這種技術。從多路復用的角度來看，傳輸介質與信道屬于不同范疇的兩個概念，它們之間有聯(lián)系又有區(qū)別。傳輸介質是指傳送信號的物理實體；而信道則提供了傳送某種信號所需的帶寬，著重體現(xiàn)介質的邏輯功能。一個傳輸介質可能同時提供多個信道，一個信道也可能由多個傳輸介質級聯(lián)而成。

1.4.4通信操作模式一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)至少由三部分組成：發(fā)送器、傳輸信道和接收器。發(fā)送器產(chǎn)生數(shù)據(jù)，經(jīng)傳輸信道傳送給接收器，從而完成一次數(shù)據(jù)傳輸過程。根據(jù)傳輸方向與時間特性，數(shù)據(jù)通信可以分為三種通信操作模式：單工(Simplex)、半雙工(Half-duplex)和全雙工(Full-duplex)，參見圖1.6。一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)至少由三部分組成：發(fā)送器、傳輸信道和接收器。發(fā)送器產(chǎn)生數(shù)據(jù)，經(jīng)傳輸信道傳送給接收器，從而完成一次數(shù)據(jù)傳輸過程。根據(jù)傳輸方向與時間特性，數(shù)據(jù)通信可以分為三種通信操作模式：單工(Simplex)、半雙工(Half-duplex)和全雙工(Full-duplex)，參見圖1.6。

圖1.6通信操作模式(a)單工操作模式；(b)半雙工操作模式；(c)全雙工操作模式

1．單工操作模式在單工操作模式中，發(fā)送器和接收器之間只有一個單向的傳輸信道，數(shù)據(jù)傳輸是單向的，只能從發(fā)送器傳送到接收器。例如，收音機、電視機、計算機輸出設備(打印機或顯示器)等采用的就是單工操作模式。

2．半雙工操作模式在半雙工操作模式中，傳輸信道是雙向的，并且每個設備同時具有發(fā)送器和接收器的功能，它們之間可以分時輪流進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，但在某一時刻只能沿一個方向傳輸數(shù)據(jù)。半雙工操作模式一般用于通信設備或傳輸信道沒有足夠的帶寬去支持同時雙向通信的場合，或者通信雙方的通信順序需要交替進行的場合。例如，對講機、共享式局域網(wǎng)等采用的就是半雙工操作模式。

3．全雙工操作模式在全雙工操作模式中，傳輸信道是雙向的，并且每個通信設備同時具有發(fā)送器和接收器的功能，它們之間可以同時進行雙向數(shù)據(jù)傳輸。這種通信操作模式的優(yōu)點是吞吐量大，但要求傳輸信道能提供足夠的帶寬支持。例如，交換式網(wǎng)絡等采用的就是全雙工操作模式。

1.4.5通信同步方式

1．異步傳輸通常，異步傳輸是以字符為傳輸單位的，其數(shù)據(jù)格式如圖1.7(a)所示。每個字符都要附加1位起始位和1位停止位，以標記一個字符的開始和結束，并以此實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸同步。所謂異步傳輸，是指字符與字符(一個字符結束到下一個字符開始)之間的時間間隔是可變的，并不需要嚴格地限制它們的時間關系。

圖1.7異步傳輸和同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式(a)異步傳輸；(b)同步傳輸

起始位對應于二進制值0，以低電平表示，占用1位寬度。停止位對應于二進制值1，以高電平表示，占用1～2位寬度。一個字符占用5～8位，具體取決于數(shù)據(jù)所采用的字符集。例如，電報碼字符為5位，ASCII碼字符為7位，漢字碼則為8位。此外，還要附加1位奇偶校驗位，可以選擇奇校驗或偶校驗方式對該字符實施簡單的差錯控制。

發(fā)送端與接收端除了采用相同的數(shù)據(jù)格式(字符的位數(shù)、停止位的位數(shù)、有無校驗位及校驗方式等)外，還應當采用相同的傳輸速率，典型的速率有9600b/s、19.2kb/s、56kb/s等。異步傳輸又稱為起止式異步通信方式，其優(yōu)點是簡單、可靠，適用于面向字符的、低速的異步通信場合。例如，計算機與Modem之間的通信就采用這種方式。異步傳輸方式的缺點是通信開銷大，每傳輸一個字符都要額外附加2～3位，通信效率比較低。例如，在使用Modem上網(wǎng)時，普遍感覺速度很慢，這除了與傳輸速率低有關外，與通信開銷大、通信效率低也密切相關。

2．同步傳輸通常，同步傳輸是以數(shù)據(jù)塊為傳輸單位的。每個數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部都要附加一個特殊的字符或比特序列，以標記一個數(shù)據(jù)塊的開始和結束，一般還要附加一個校驗序列(如16位或32位CRC校驗碼)，以便對數(shù)據(jù)塊進行差錯控制。同步傳輸?shù)囊话銛?shù)據(jù)格式如圖1.7(b)所示。所謂同步傳輸，是指數(shù)據(jù)塊與數(shù)據(jù)塊之間的時間間隔是固定的，必須嚴格地規(guī)定它們的時間關系。根據(jù)同步通信規(guī)程，同步傳輸又分為面向字符的同步傳輸和面向位流的同步傳輸。

1)面向字符的同步傳輸在面向字符的同步傳輸中，每個數(shù)據(jù)塊的頭部用一個或多個同步字符SYN來標記數(shù)據(jù)塊的開始；尾部用另一個惟一的字符ETX來標記數(shù)據(jù)塊的結束。這些特殊字符的位模式與傳輸?shù)娜魏纹胀ㄗ址加酗@著的差別。典型的面向字符的同步通信規(guī)程是IBM公司的二進制同步通信規(guī)程BISYNC。

2)面向位流的同步傳輸在面向位流的同步傳輸中，每個數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部用一個特殊的比特序列(如

01111110)來標記數(shù)據(jù)塊的開始和結束。數(shù)據(jù)塊將作為位流來處理，而不是作為字符流來處理。為了避免在數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)標記塊開始和結束的特殊位模式，通常采用位插入的方法，即發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)流時，每當出現(xiàn)連續(xù)的五個1后便插入一個0。接收端在接收數(shù)據(jù)流時，如果檢測到連續(xù)五個1的序列，就要檢查其后的一位數(shù)據(jù)，若該位是0，則刪除它；若該位為1，則表示數(shù)據(jù)塊的結束，轉入結束處理。典型的面向位流的同步通信規(guī)程是高級數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)規(guī)程和同步數(shù)據(jù)鏈路控制(SDLC)規(guī)程。

1.4.6差錯處理技術數(shù)字通信系統(tǒng)的基本任務是高效率而無差錯地傳送數(shù)據(jù)，但在任何一種通信線路上都不可避免地存在一定程度的噪聲。信道噪聲所造成的后果是使得接收端接收到的數(shù)據(jù)和發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，造成傳輸差錯。信道中的噪聲可以分為兩種：一種是白噪聲；另一種是沖擊噪聲。白噪聲長久地存在于信道之中，在任意傳輸速率上強度都相同，而且白噪聲的幅值比較小。在信道中應保證有較大的信號/白噪聲比值(簡稱信噪比)，這樣白噪聲所引起的差錯將是很小的。

沖擊噪聲是由特定的短暫原因而引起的。產(chǎn)生沖擊噪聲的原因各種各樣，而且其幅值可能相當大。因此，沖擊噪聲是造成傳輸差錯的主要因素。由于這種差錯呈突發(fā)狀，故又稱突發(fā)錯誤。在實際中，傳輸線路上產(chǎn)生的差錯是突發(fā)錯誤和隨機差錯的混合，而經(jīng)常發(fā)生的是突發(fā)錯誤。各種噪聲源可以來自信道的內部，也可以來自信道的外部。雖然可以采用屏蔽、改善線路質量、選擇有效的編碼方式等措施來減少噪聲，但還不能完全消除噪聲的影響。也就是說，在傳輸數(shù)據(jù)時，或多或少總會出現(xiàn)差錯。通常，使用誤碼率Pe來度量信道的傳輸質量，即

假設接收到10000個碼元，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)有一個碼元出錯，其誤碼率為10－4。為了減少傳輸差錯，通常采用兩種基本的差錯控制方法：改善線路質量和差錯的檢測與糾正。

(1)改善線路質量。加強線路本身的抗干擾能力，這是減少差錯的最根本途徑。例如，現(xiàn)在的網(wǎng)絡系統(tǒng)中越來越多地使用光纖傳輸系統(tǒng)，其誤碼率已低于10－9，這就從根本上提高了信道的傳輸質量。但是，這種改善是以較大的投入為代價的。

(2)差錯的檢測與糾正。這是一種主動式的差錯控制措施。它的主要思想是：對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行抗干擾編碼，并以此來檢測和校正傳輸中的錯誤。在發(fā)送端，采用某種校驗碼為數(shù)據(jù)單元附加一個冗余碼，使數(shù)據(jù)單元與冗余碼之間建立一定的數(shù)學關系(即編碼過程)，然后把它們作為一個數(shù)據(jù)塊一起傳送給接收端；當接收端接收到數(shù)據(jù)塊后，使用相同的校驗碼計算數(shù)據(jù)單元的冗余碼，并與數(shù)據(jù)塊中附加的冗余碼相比較，以檢驗它們之間的數(shù)學關系(解碼過程)是否正確。如果不正確，就說明傳輸有錯誤，則需要采用某種手段來糾正錯誤。

糾正錯誤的方法有兩種：一種是反饋重發(fā)糾錯法，即接收端將傳輸是否正確的信息作為應答反饋給發(fā)送端，對于傳輸有誤的數(shù)據(jù)，發(fā)送端要重新傳送，直至傳送正確為止，這樣就糾正了錯誤；另一種是前向糾錯(FEC)法，即接收端發(fā)現(xiàn)錯誤后，不是通過發(fā)送端的重傳來糾正，而是由接收端通過糾錯碼和適當?shù)乃惴ㄟM行糾正。由于這種糾錯方法比較復雜，所需的冗余碼元較多，實現(xiàn)比較困難，故很少使用。目前，絕大多數(shù)的通信系統(tǒng)都采用反饋重發(fā)糾錯法來糾正差錯。

1.5數(shù)據(jù)交換技術

在網(wǎng)絡中，兩個端節(jié)點之間通常需要通過中間節(jié)點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。這些中間節(jié)點并不關心數(shù)據(jù)內容，而是提供一個交換設備，把數(shù)據(jù)從一個節(jié)點轉發(fā)到另一個節(jié)點，直至達到目的端。數(shù)據(jù)交換技術主要是指網(wǎng)絡中間節(jié)點所提供的數(shù)據(jù)交換功能。在網(wǎng)絡系統(tǒng)中，主要使用三種數(shù)據(jù)交換技術：電路交換、報文交換和分組交換(虛電路交換和數(shù)據(jù)報交換)，參見圖1.8。

圖1.8數(shù)據(jù)交換方式(a)電路交換；(b)報文交換；(c)虛電路交換；(d)數(shù)據(jù)報交換

圖1.8數(shù)據(jù)交換方式(a)電路交換；(b)報文交換；(c)虛電路交換；(d)數(shù)據(jù)報交換

1.5.1電路交換

1)電路建立階段開始傳送數(shù)據(jù)之前，必須建立端到端的電路。首先，源端節(jié)點向一個交換節(jié)點發(fā)送呼叫請求信號，請求與目的端節(jié)點建立連接。交換節(jié)點在通向目的端節(jié)點的路由選擇表中找出下一個路由，并為該條電路分配一個未用信道，然后把連接請求信號傳送到下一個節(jié)點。這樣，通過各個中間交換節(jié)點的分段連接，使源端節(jié)點和目的端節(jié)點之間建立起了一條實際的物理連接。

2)數(shù)據(jù)傳輸階段電路連接建立起來后，就可以通過這條專用的電路來傳輸數(shù)據(jù)了。數(shù)據(jù)可以是數(shù)字的(如來自終端或主機)，也可以是模擬的(如聲音)。傳輸?shù)男盘栃问娇梢圆捎脭?shù)字信號，也可以采用模擬信號。這種連接通常是全雙工操作模式，即可以雙向傳輸數(shù)據(jù)。

3)電路拆除階段當數(shù)據(jù)傳輸結束后，應拆除連接，以釋放該連接所占用的專用資源。兩個端節(jié)點中的任一個端節(jié)點都可以發(fā)出拆除連接的請求信號。

1.5.2報文交換報文交換(MessageSwitching)是一種完全不同于電路交換的通信方法。在這種交換方式中，兩個端節(jié)點之間無需事先建立專用的信道，如果一個端節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)，則首先將數(shù)據(jù)封裝成報文(Message)，然后將報文發(fā)送出去即可。報文是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝?，它由報頭和報體組成，報頭中包含目的端地址、源端地址以及其他附加信息，報體就是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在網(wǎng)絡中，報文從一個節(jié)點被傳送到下一個節(jié)點。在每個節(jié)點上，必須接收整個報文并暫時存儲，然后根據(jù)目的端地址選擇適當?shù)穆酚稍侔l(fā)送到下一個節(jié)點。這種方式也稱為存儲-轉發(fā)(StoreandForward)報文方式。

與電路交換方式相比，報文交換方式具有如下優(yōu)點：

(1)線路利用率高。由于節(jié)點之間的信道是共享的，因此在同一線路容量條件下，可以承載更大的網(wǎng)絡流量，從而大大提高了線路利用率。

(2)接收端和發(fā)送端無需同步工作。當接收端處于忙碌狀態(tài)時，中間節(jié)點可將報文暫時存儲起來，等到接收端空閑時再傳送給它。

(3)當流量增大時，在電路交換網(wǎng)絡中，可能導致一些呼叫請求被阻塞；在報文交換網(wǎng)絡中，報文仍然可以接收，但會增加傳輸延遲。

(4)報文交換系統(tǒng)可同時向多個目的端發(fā)送同一報文，實現(xiàn)多播(Multicast)功能，而在電路交換系統(tǒng)中很難實現(xiàn)多播功能。

(5)可以在報頭中設置報文優(yōu)先級，中間節(jié)點可根據(jù)報文優(yōu)先級高低提供不同質量的轉發(fā)服務。

(6)可以在網(wǎng)絡上分段實施差錯控制和糾錯處理功能。

(7)可以提供傳輸速率和數(shù)據(jù)格式的轉換，使不同傳輸速率和數(shù)據(jù)格式的端節(jié)點之間能夠相互通信。

1.5.3分組交換

1．數(shù)據(jù)報交換數(shù)據(jù)報(Datagram)交換與報文交換相類似，在數(shù)據(jù)傳輸前不需要預先建立連接，當發(fā)送端有一個較長的報文要發(fā)送時，首先將報文分解成若干個較小的數(shù)據(jù)單元，每個數(shù)據(jù)單元都要附加一個分組頭并封裝成分組(或稱數(shù)據(jù)報)，然后將各個分組發(fā)送出去。每個分組都被獨立地傳輸，中間節(jié)點可能為每個分組選擇不同的路由，這些分組到達目的端的順序可能與發(fā)送的順序不同，因此目的端必須重新排序分組，將其組裝成一個完整的原始報文。

2．虛電路交換

1)建立連接階段發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前，首先使用一個特定的建立連接請求分組，建立一條邏輯連接，網(wǎng)絡中間節(jié)點將根據(jù)該請求在發(fā)送端和目的端之間預先選擇一條傳輸路徑。由于該路徑上的各段線路是共享的，并非獨占的，因此，這種邏輯連接稱為虛電路。

2)數(shù)據(jù)傳輸階段當虛電路建立起來后，發(fā)送端和目的端之間便可以在這條虛電路上交換數(shù)據(jù)了，并且每個數(shù)據(jù)分組中都必須包含一個虛電路標識符，用于標識這個虛電路。由于虛電路的傳輸路徑是預先選擇好的，因此，每個中間節(jié)點只要根據(jù)虛電路標識符，就能查找到相應的路徑來傳輸這些數(shù)據(jù)分組，而無需重新選擇路由。

3)拆除連接階段當數(shù)據(jù)傳輸完畢后，任一個端點都可以發(fā)出一個拆除連接請求分組，來終止這個虛電路，并釋放該虛電路所占用的系統(tǒng)資源。可見，虛電路是一種面向連接的數(shù)據(jù)交換方式，它既不像電路交換那樣需要獨占線路，而是采用共享線路方式來建立連接，通過存儲-轉發(fā)方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；又不同于數(shù)據(jù)報方式，它只在建立虛電路時選擇一次路由，后續(xù)的各個分組只要使用該路由傳送即可，而無需重新選擇路由。

1.5.4數(shù)據(jù)交換技術小結下面簡單小結一下三種數(shù)據(jù)交換技術的主要特點：

(1)電路交換。在數(shù)據(jù)傳送開始前必須建立一條端到端的物理連接，這種物理連接需要獨占電路資源，在釋放連接前只能由兩個端節(jié)點所使用。因此，電路利用率低，通信費用高。

(2)報文交換。數(shù)據(jù)傳輸采用存儲-轉發(fā)方式，不需要建立連接，在傳送報文時，可以共享線路資源。中間節(jié)點根據(jù)報文中的目的端地址選擇適當路由來轉發(fā)報文。在轉發(fā)報文過程中，產(chǎn)生較大的網(wǎng)絡延遲，引起網(wǎng)絡性能的下降。因此，

報文交換不能滿足實時通信和交互式通信的要求。

(3)分組交換。報文被分成若干分組進行傳輸，并規(guī)定了最大分組長度。在數(shù)據(jù)報方式中，中間節(jié)點必須為每個分組選擇路由，目的端需要重新組裝報文；在虛電路方式中，中間節(jié)點只在建立虛電路時選擇一次路由，在數(shù)據(jù)傳輸時將沿著該路由轉發(fā)各個分組，而無需再為每個分組選擇路由。分組交換技術是一種廣泛應用于網(wǎng)絡中的交換技術?，F(xiàn)有的公共數(shù)據(jù)交換網(wǎng)都采用分組交換技術，如X.25網(wǎng)絡等。局域網(wǎng)也采用分組交換技術。電路交換技術主要用于電話交換網(wǎng)和ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork，綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng))中。

1.6網(wǎng)絡體系結構與標準化

通常，計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)是由各個節(jié)點相互連接而成的，每個節(jié)點都是具有通信功能的計算機系統(tǒng)，并且是按照層次結構來構造的。不同系統(tǒng)的各個層次實體之間應能夠相互通信。這里的實體是指各種應用程序，如文件傳送軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、電子郵件系統(tǒng)及各種終端等；而系統(tǒng)是指計算機、終端和各種通信設備等。一般說來，實體是指能發(fā)送和接收信息的任何實體；而系統(tǒng)是物理上明顯的物體，它包含一個或多個實體。兩個實體要想實現(xiàn)通信，則必須使用相同的語言以及遵從雙方都能接受的規(guī)則，以解決彼此之間交流什么、怎樣交流以及何時交流等問題。

這些在兩個實體間控制數(shù)據(jù)交換的規(guī)則的集合稱為協(xié)議(Protocol)。協(xié)議的關鍵成分有：

(1)語法：包括數(shù)據(jù)格式、編碼和信號電平等。

(2)語義：包括用于協(xié)調同步和差錯處理的控制信息。

(3)定時：包括速度匹配和排序等。

1.6.1ISO/OSI參考模型國際標準化組織(InternationalStandardOrganization，ISO)在1977年成立了一個分委員會來專門研究網(wǎng)絡通信的體系結構問題，并提出了開放系統(tǒng)互連(OpenSystemInterconnection，OSI)參考模型，它是一個異構計算機系統(tǒng)互連標準的框架結構。OSI為面向分布式應用的“開放”系統(tǒng)提供了基礎。所謂“開放”，是指任何兩個系統(tǒng)只要遵守參考模型和有關標準就都能實現(xiàn)互連。OSI參考模型采用了層次化結構，共分成七層，參見圖1.9。

圖1.9ISO/OSI參考模型

OSI參考模型具有以下特性：

(1)異構系統(tǒng)互連的體系結構，提供了互連系統(tǒng)通信規(guī)則的標準框架；

(2)定義了一種抽象結構，而并非具體實現(xiàn)的描述；

(3)不同系統(tǒng)上的相同層的實體稱為同等層實體，同等層實體之間的通信由該層協(xié)議來管理；

(4)同一系統(tǒng)上相鄰層之間的接口定義了原語操作和低層向高層提供的服務；

(5)定義了面向連接的和無連接的數(shù)據(jù)交換服務；

(6)