第4章41数字通信入门new.ppt

第4章计算机网络与因特网 4 1数字通信入门4 2计算机网络基础4 3因特网的组成4 4因特网提供的服务4 5网络信息安全 4 1数字通信入门 4 1 1通信的基本原理通信系统模型有线通信与无线通信调制解调技术多路复用技术4 1 2交换技术 什么是通信 communication 广而言之 通信就是信息的 远距离 传递与交流现代通信 使用电波或光波传递信息的技术 也称为电信 telecommunication 如电报 电话 传真 电子邮件 BBS QQ等通信的要求 远距离 高速度 低成本 安全 可靠 方便通信的发展历史 通信系统的模型 通信的三要素 模拟信号与数字信号 通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号 或光信号 才能进行传输 电信号 或光信号 有两种形式 模拟信号形式 通过连续变化的物理量 如信号的幅度 来表示信息 例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒 麦克风 转换得到的电信号 数字信号形式 使用有限个状态 一般是2个状态 来表示 编码 信息 例如电报机 传真机和计算机发出的信号都是数字信号 0011010001 有线通信与无线通信 需使用物理介质进行信号传输的是有线通信 例如 金属导体 双绞线 同轴电缆 传输电流信号光导纤维 简称光纤 传输光信号在自由空间进行信号传输的是无线通信 传输的是电磁波信号 传输介质的类型与特点 双绞线和同轴电缆 原理 利用电流 电压 传输信息双绞线分类3类线 10Mb s 5类线 100Mb s 6类线 200Mb s 无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 同轴电缆分类基带同轴电缆 50 以前在以太网中使用宽带同轴电缆 75 有线电视网使用 光纤与光缆 光导纤维 光线的入射角足够大时 就会出现全反射 重复此过程 光就沿着光纤传播下去 光波在光纤中的传播 光波 光缆 包含多根光纤 光纤通信原理 光波 优点 通信容量大 一束光每秒能传输2 5G或10Gb信息 传输距离远 无中继距离超过几十公里保密性强 信息不易泄露 光纤通信 利用光波携带信息在光纤中传输 达到通信目的 无线通信 无线通信 利用电磁波携带信息在自由空间中传播 进行通信 微波通信 微波 300MHz 300GHz范围内的电磁波 波长为1m 1mm 特点 直线传播 不能沿地球表面传播 无绕射性 需要每隔几十公里设立一个中继站容量大 可靠性高建设费用低抗灾能力强应用 长途电话 蜂窝移动电话 全数字高清晰度电视 HDTV 等 卫星通信 卫星通信 中继站在人造地球卫星上的一种微波通信优点 通信距离远 频带宽 容量大 抗干扰强 通信稳定缺点 造价高 技术复杂 有较大延时 同步轨道卫星数目仅180颗 赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道 卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同 在地面上看这种卫星好似静止不动 一颗同步轨道卫星覆盖约120 3颗同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积 进行二十四小时的全天候通信 选讲 卫星通信的重要应用 GPS 例 美国研制GPS系统24颗卫星在1 2万公里高空以12小时的周期绕地球运行地面任意点在任何时刻都可同时观测到4颗以上卫星原理 由于卫星的位置是精确可知的 通过地面接收机可测得与卫星的距离 利用三维坐标中的距离计算公式 就可以推导出接收机的地理位置 经度 纬度和高程 定位精度 民用大约十米军用可高得多 个人移动通信 移动对象相互间的通信 如手机 无绳电话 寻呼系统等 基站 移动台 手机 移动电话交换中心 公用电话网 移动通信原理 每10km 20km的区域称为单元 形似蜂窝 每个单元中心高处建有一个基站 所有单元既相互分割 又彼此交叠 形成整个移动通信服务网位于某单元内的所有手机都向该基站发送信号 并接收基站发给它的信号 所有基站都通过微波或光缆与移动交换中心通信手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下 同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率与基站进行通信 相互不影响 第二代移动通信 2G 使用频段 900MHz 1800MHz 传输的是数字化的语音 文字信号我国使用的2种标准 制式 GSM 欧洲移动通信系统 也称全球通 全数字系统 中国移动 中国联通经营的GSM网已基本覆盖县级市移动的接入号段有 134 139 150 152 158 159联通的接入号段有 130 132 155 156CDMA 码分多址接入 CodeDivisionMultipleAccess 抗干扰能力强 系统容量大 接通率高 噪声小 中国电信 接入号为133 153不足 1 数据传输速率过低 9 6kb s或57kb s 仅适合传输语音和文字 2 容量有限 不能满足发达地区手机用户高度密集的要求 第三代移动通信系统 3G 使用的频段 1885MHz 2025MHz 2110MHz 2200MHz传输速率 室内 1 3Mb s 步行 384kb s 快速移动 114kb s我国采用的3种技术标准 3G的优点 1 提供高质量的语音通信 数据通信和高分辨率图像通信 2 提供足够的系统容量 具有高保密性和优质的服务不足 发展慢 比例低 4 6 按流量收费费用高 4G移动通信 室内 1Gbps 高速移動时 100Mbps我国沿海7个城市正在建设试验网 TD LTE 3 调制解调技术 数字通信采用的技术 数字调制 解调技术 调幅 调频 调相 解决信号传得远的问题多路复用技术 时分多路 频分多路 波分多路 提高传输线路使用效率 降低传输成本交换技术 电路交换 分组交换 动态分配信道资源 提高传输效率和质量数字编码和数据压缩技术 数字信号如何传输 近距离传输 直接 基带 传输例如 USB移动硬盘 主机 以太网数据传输远距离传输 载波传输例如 数字有线电视 手机 ADSL上网什么是载波 研究发现 高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远 因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波 把数字信号放在 调制在 载波上传输 则可比直接传输的距离远得多 数字信号的三种调制方法 实现信号调制与解调的设备分别称为 调制器 和 解调器 小结1 远距离通信必须使用MODEM 通信一般是双向进行的 收发双方都需要调制器与解调器 它们通常做在一起 称为调制解调器 MODEM 例 ADSL宽带上网 调制解调器把计算机送出的数字信号 采用数字调制的方法 调制成为适合于在用户电话线上传输的载波信号 载波信号在电话网中经过交换机传输至目的地 目的地计算机通过解调器从载波信号中恢复出数字信号传送给计算机 ADSLMODEM ADSLMODEM 4 多路复用技术 怎样降低传输成本 分析 通信系统中 传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额一条传输线路 铜线 光纤 无线电波 的容量通常远远超过传输1路用户信号所需的能力降低成本采用的技术 多路复用技术 Multiplexing 多路信号使用同一条传输线同时进行传输方法 频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM 波分多路复用 WDM 频分多路复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 思想 将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上 通过频分多路复用器 MUX 将它们复合成为一个信号 然后在同一传输线路上进行传输 抵达接收端之后 借助分路器 DEMUX 把不同频率的载波分离出来 送到不同的接收设备工作原理 将不同频率的载波信号合成在一起 使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号 频分多路复用举例1 广播电台节目的发送与接收 常见广播电台使用的载波频率中波900KHz 南京经济台 中波1008KHz 南京新闻台 短波15 28MHz 英国BBC 短波15 29MHz VOA美国之音 调频104 3MHz 南京体育台 调频105 8MHz 南京音乐台 频分多路复用举例2 电视节目的发送与接收 时分多路复用 TimeDivisionMultiplexing TDM 思想 各通信终端 计算机 电话 以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输工作原理 应用 主要使用在数字通信领域 如电话中继通信 GSM手机 总线式以太网等 波分多路复用 为提高传输效率 1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波 每种光波各自传输自己所携带的信息 速率可达到40G 100Gbit s原理 光纤 发送端有N个发送单元 它们各自发出不同波长的光波 通过复用器 称为合波器 合并起来 进入同一根光纤进行传输 接收端用分路器 称为分波器 将不同波长的光分开 分别送到各自的光电检测器恢复出原始信号 小结2 多路复用可以降低通信成本 通信系统的原理示意图 多路复用技术使得成千上万路通信可以在同一条传输线上同时进行 大大节省了通信成本 频分多路 时分多路和波分多路等技术可以同时使用 以提高复用效率 4 1 2分组交换原理 通信系统中 交换 的含义 交换 switching 的含义就是转接 把一条链路转接到另一条链路 使它们连通起来从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路常用的交换方式 电路交换分组交换 什么是电路交换 电路交换的过程 建立连接通信释放连接应用 电话通信 分析 通话全过程中用户始终占用端到端的传输信道由于计算机数据传输具有突发性 不适合计算机数据通信 什么是分组交换 PacketSwitching 分组交换的要点 被传输的数据必须划分为若干 分组 packet 简称 包 进行传输每个分组中必须包含收 发双方的地址每个分组的格式如下 分组交换示意 分组交换与存储转发的过程 计算机G收到所有数据包后 将包组装为一个文件 交换机每收到一个包 就根据包的目的地地址 选择一个输出端口 若目的地计算机就在交换机上 则交换机直接将包发给该计算机 A将文件拆分成若干个包 将包逐个地发给交换机 例 计算机A的文件 计算机G 分组交换机中的存储转发过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 交换机 主机 在交换机E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 在交换机C暂存查找转发表找到转发的端口 在交换机A暂存查找转发表找到转发的端口 分组交换网中传输路径的变化 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 交换机 主机 选讲 实现分组交换的关键设备 分组交换机 分组交换机的任务是 负责包 分组 的转发分组交换机的工作方式是 存储转发 路由选择分组交换机的工作过程 从输入端口收到一个包后 放入缓冲区检查数据包的目的地址 查转发表 决定该送哪个输出端口进行转发把包从输入缓冲器中取出 送到相应输出端口的缓冲区中排队输出端口每发送完一个包 就从自己的缓冲区中提取下一个包进行发送 分组交换技术的优点和问题 优点 高效动态分配传输带宽 对通信链路是逐段占用 灵活以分组为传送单位和查找路由 迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组 可靠保证可靠性的网络协议 分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性 分组交换的不足 分组在各结点存储转发时需要排队 这就会造成一