计算机网络与互联网(讲稿).doc

Computer Networks and Internets序言1. 计算机网络讲授些什么？计算机技术通信技术计算机网络（1）计算机技术的高度发展与计算机的广泛应用；（2）通信技术的高度发展，全球范围内的电话通信系统、光纤与无线通信系统、卫星移动通信系统的建立与广泛应用；（3）计算机技术与通信技术相互渗透、密切结合的产物计算机网络的发展，Internet的广泛应用与全球信息高速公路建设热潮的兴起。2.课程结构（1）课堂内容：导论、数据传输、包传输、网络互联（2）上机实验： 网络应用3. 授课内容（1）以课本为主，兼以其它资料补充。（2）学习要求：了解、理解、掌握。4. 课程考核（1）平时成绩（包括：课堂测试、课下作业）：30%（2）闭卷考试：70%5. 参考资料数据通信与网络（第2版）（美）Behrouz A. Forouzan 著吴时霖、周正康、吴永辉等译 吴时霖校机械工业出版社（2002年1月第2版.2003年3月第7次印刷）68.00元第1章 导论本章学习要求l 了解：计算机网络的形成与发展l 掌握：计算机网络的定义1.1 计算机网络的形成与发展第一阶段：20世纪50年代数据通信技术的研究与发展1946年世界上第一台电子数字计算机ENIAC诞生，计算机与通信技术并没有直接的联系。20世纪50年代，人们开始彼此将独立发展的计算机技术与通信技术结合起来，完成了数据通信技术与计算机网络的研究，为计算机网络的出现做好了技术准备，奠定了理论基础。第二阶段：20世纪60年代ARPANET与分组交换技术的研究与发展ARPANET（Advanced Research Projects Agency Network）是计算机网络技术发展中的一个里程碑，它的研究成果对促进网络技术的发展起到了重要的作用，并为Internet的形成奠定了基础。ARPANET是美国国防部高级研究计划局建立的计算机网。这个国际网允许其成员使用其设备并对大批不同的计算机存取数据。最初的ARPANET的主要研究内容是分组交换设备、网络通信协议、网络通信与系统操作软件。1969年11月，实验性的ARPANET开通；1975年，ARPANET已经连入了100多台主机，并且结束了网络实验阶段，移交美国国防部国防通信局正式运行；1983年1月，ARPANET向TCP/IP的转换结束；80年代中期，ARPANET成为Internet的主干网；1990年，ARPANET退役。第三阶段：20世纪70年代广域网、局域网与公用分组交换网的研究与应用网络体系结构与协议标准化的研究70年代中期国际上各种广域网、局域网与公用分组交换网发展十分迅速，各个计算机生产商纷纷发展各自的计算机网络系统，但随之而来的是网络体系结构与网络协议的国际标准化问题。国际标准化组织（ISO, International Standards Organization）在推动开放系统参考模型与网络协议的研究方面做了大量的工作，对网络理论体系的形成与网络技术的发展产生了重要的作用，但它同时也面临着TCP/IP严峻的挑战。第四阶段：20世纪90年代Internet技术的广泛应用宽带城域网与接入网技术的研究与发展网络计算技术的研究与发展网络与信息安全技术的研究与发展20世纪90年代以来，Internet作为国际性的网际网与大型信息范围系统，在经济、文化、科学研究、教育与人类社会生活等方面发挥着越来越重要的作用。Internet是通过路由器实现多个广域网和局域网互连的大型网际网，它对推动世界科学、文化、经济和适合的发展有着不可估量的作用。对于广大用户来说，它好像是一个庞大的广域计算机网络。如果用户将自己的计算机连入Internet，便可以在这个信息资源宝库中漫游。Internet中信息资源涉及到商业、金融、政府、医疗卫生、信息服务、科研教育、休闲娱乐等多个方面。用户还可以使用Internet的WWW服务、电子邮件服务、IP电话服务。更高性能的Internet2正在发展之中。宽带网络技术的发展，为社会信息化提供了技术基础，网络与信息安全技术为网络应用提供了重要的安全保障。以高速Ethernet为代表的高速局域网技术发展迅速。目前，在传输速率为10Mbps的Ethernet网广泛应用的基础上，速率为100Mbps与1Gbps的Fast Ethernet、Gigabit Ethernet已开始进入实用阶段。传输速率为10Gbps的Ethernet网正在研究之中。同时，交换式局域网与虚拟网技术发展和应用十分迅速。宽带网络的建设正在全球范围内掀起一个高潮，很多国家的政府与企业投入巨额资金，把宽带网络作为战略产业发展。近年来世界各大电信运营商纷纷进行了大规模的战略重组，同时采用宽带网络技术建设了新的基础性电信网络，或是用宽带建设改造了现有的网络。宽带网络在基础设施、网络产品、信息范围等多个层面上提供了巨大的市场机会。宽带网络的发展还为新的网络服务运营商提供了发展的空间，从而也带动了网络产业的结构调整。宽带网络是相对于传统网络而言的，它是具备较高世界传输速率和数据吞吐量的新一代网络。宽带网络可分为宽带骨干网和宽带接入网两个部分，因此建设宽带网络的两个关键技术是骨干网技术和接入网技术。基于光纤通信技术的宽带城域网与接入网技术，以及移动计算网络、网络多媒体计算、网络并行计算、网格计算与存储区域网正在成为网络应用与研究的热点问题。“计算”这个词在不同的时代有不同的内涵。随着技术的进步，人们对计算能力的要求也越来越高，需求和计算机能力交替上升。每一次计算能力的重大进步都会对科学和人类带来重大的影响。今天的计算机网络正在改变人类的生活、工作和思维方式。尽管电子邮件、Web服务、电子商务与IP电话以及给我们的生活带来了很多变化，但这仅仅是开始。随着网络宽带的迅速增长，软件将会越来越丰富，网络用户数量也将与日俱增，人们的生活、学习和工作将离不开网络。“网络计算”有着更为广泛的内涵。网络将视为最强有力的超级计算环境，它包含了丰富的计算、数据、存储、传输等各类资源，用户可以在任何地方登录，处理以前不能完成的问题。目前的网络是开放的、自由和国际化的，如何保护机密信息不受黑客和间谍的入侵，已成为政府机构、企事业单位信息化监控发展所要考虑的重要事情之一。开放意味着网络技术是全开放的，任何个人或团体都可能获得。因而网络所面临的破坏和攻击可能是多方面的，例如：可能对网络传输线路攻击，也可能对网络通信协议及其实现攻击；可能对软件实施攻击，也可能对硬件实施攻击。一个现代信息系统若不包含有效的信息安全技术措施，就不能认为是完整和可信的。1.2 计算机网络的定义1.2.1 内容计算机网络是将分布在不同地理位置、具有独立功能的计算机系统通过通信线路进行连接，在网络协议和网络管理软件支持下，以相互通信和资源共享为目的的计算机群集系统。1.2.2 特点（1）网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享。计算机资源主要指计算机硬件、软件与数据。网络用户可以实用本地计算机资源，可以通过网络访问联网的远程计算机资源，也可以调用网中几台不同的计算机共同完成某项任务。（2）互连的计算机是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机系统”（autonomous computer）。它们之间可以没有明确的主从关系，可以联网工作，也可以脱网独立工作。联网计算机可以为本地用户提供服务，也可以为远程网络用户提供服务。（3）连网计算机在通信过程中必须遵循相同的网络协议。测试题 1.计算机网络是（ ）紧密结合的产物。A. 信息技术和通信技术B. 计算机技术和数学C. 信息技术D. 物理技术2. 计算机与通信的结合始于（ ）世纪（ ）年代。A20，40B. 20，50C. 20，60D. 20，703.计算机物理建立的主要目的是实现计算机资源的共享。计算机资源主要指计算机（ ）。A. 软件与数据库B. 服务器、工作站与软件C. 硬件、软件与数据D. 通信子网与资源子网第2章 传输介质本章学习要求l 理解：数据传输的本质l 了解：各种传输介质的特性l 应用：选择适当的传输介质进行数据传输一、 数据传输的本质在计算机信息系统中，数据是以二进制信息单元（即比特）的形式表示，并以0和1的方式实现。计算机以及其他通信设备利用信号来表示数据，这些信号以电磁波能量形式从一台设备传输到另一台设备。电磁波信号能够穿越真空、空气或者其他传输介质。电磁波能量是一种电场和磁场的组合形式，它包括能量、语音、无线电波、红外线、可见光、紫外线以及X射线、伽玛射线和宇宙射线。每一种形式都对应电磁频谱的一部分（参见图1-1）。但是并不是频谱的所有部分都在当前的远程通信技术中可以使用，可以使用这些频段的介质也只是有限的几类。语音频段的信号通常以电流形式通过诸如双绞线或同轴电缆传输。无线电波可以穿越空气或者空间，但是需要特殊的传输和接收机制。最后一个在当前通信领域可以采用的电磁波是可见光，它通过光缆传播。可见光430750THz能量，3KHz语音无线通信300GHz无线电波，微波，卫星红外线紫外线X射线、伽玛射线和宇宙射线0图1-1 电磁频谱二、传输介质的分类 双绞线电缆 铜缆 有向介质 同轴电缆 光缆传输介质 无线电波 无向介质 地表微波 卫星通信1. 有向介质：它提供了一种从一个设备到另一个设备的管道。通过这类介质传输的信号沿着介质的方向传播并被局限在介质的物理边界内。2. 无向介质：又称无线通信，不使用导体来传输电磁波，而是将信号通过空气广播出去，从而使任何一个具有接收设备都能接收它。三、铜缆的特性1. 铜缆传输的优缺点优点：便宜且易于安装；缺点：易受干扰，包括：内部干扰和内外部干扰。表现在：1) 干扰来自导线中传输的电信号，导线就像一个微小的无线电台，发射出一个微小的电磁能，并在空中传播。当它遇到另一个导线，电磁波在导线中产生一个微小的电流。所产生电流的强度取决于电磁波的强度以及导线相互间的物理位置。两根导线相距远或者相距近但互相垂直，干扰都不成问题。若平行靠近，则一根导线中的一个信号将在另一导线中产生相似的信号。因为计算机并不能区分正确传输的信号与干扰信息，所产生的电流可以强到足以破坏或阻止正常的通信。2) 来自其他设备（例如马达）的电磁干扰会在导线中产生操作。如果两条导线是平行的，离噪声源近的导线中产生的噪声就会比另一条导线中更高，从而导致负载不平衡以及信号损益。发送方噪声影响12单元噪声影响16单元接收方1216总的影响是161442. 解决方案： 双绞线电缆n 绞在一起限制了发射能量；n 有助于阻止其他信号干扰这两根导线。 同轴电缆n 防止了外来电磁能量引起的干扰；n 阻止了内层导线中的信号辐射能量干扰其他导线。四、光纤1. 光纤与电缆在传输上的区别 电缆：以电流形式传送信号的（金属）导体。 光纤：由玻璃或塑料制成并以光波形式传输信号。2. 光纤传输的实现原理 折射LR较高密度介质（水或玻璃）较低密度介质（空气）LR较高密度介质（水或玻璃）较低密度介质（空气） 全反射角全反射角反射光纤利用全反射将光线在信道内定向传播。光线中心是玻璃或塑料的芯材，外面填充这密度相对较小的玻璃或塑料材料。两种材料的密度差异必须达到能够使芯材中的光线只能反射回来而不能折射入填充材料的程度。信息被编码成一束以一系列开关状态来表示0和1的光线形式。入射角反射角3. 光纤传输的实现形式l 信息被编码成一束以一系列开关状态来表示0和1的光线形式。l 光纤一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的接收装置使用光敏元件检测脉冲。l 将接收到的光脉冲解析为信息0或1。4. 光纤传输的优缺点 优点 n 不受电磁干扰；n 传输距离远；n 单位时间传输信息多；n 无须形成回路。 缺点n 安装复杂；n 修复困难。五、无线电波1. 与有向传输的区别 使用射频（Radio Frequency）进行传输，不需要在计算机之间的直接物理连接； 每台计算机带有一个天线，用来发送和接受RF。2. 无线电波的传输形式无线电波沿直线传播、不沿地球表面弯曲，故RF技术可以和卫星相结合以提供长距离通信。一颗卫星通常包含多个彼此相互独立的接收发射对，每个接收发送对使用不同的无线电频道以保证多个通信能同时进行。由于每个用户都被分配了一个频道，所以一颗卫星能同时为多个用户提供连接。卫星地面站六、微波1. 与无线电波的区别 与无线电波向各个方向传播不同，微波传送集中于某个方向，可以防止他人截取信号； 用微波传送能比RF传送承载更多的信号。2. 微波的传输形式l 微波在发送和接收端（天线）之间进行直接的无障碍通道传输；l 微波传输所覆盖的范围很大程度上依赖于天线的高度：天线越高，微波传输距离就越远。l 为延长微波传输的距离，每个天线上都安装一个转发器系统，天线接收的微波信号可以重新转换成可发送的形式并转发到下一个天线。七、红外线1. 特点 在小区域内传输 要求发送器指向接收器 价格便宜，无需天线2. 应用 电视等家电控制 便携式计算机八激光特点 在空中传输数据（与无线电相似） 通信连接通常由发送和接收装置构成，相互对齐（与微波相似） 发送器使用激光产生光束 受气象条件约束，在应用中受限制第3章 局域异步通信（RS-232）3.1 概述计算机采用二进制（位）表示数据，这样，从一台计算机通过网络向另一台计算机传送数据意味着通过传输介质发送位串。从物理上讲，通信系统使用电流、无线电波或光传送信息。本章阐述的内容：（1）短距离传送数字信息的通信方式异步通信。（2）简单的数据传输用电流发送位串。（3）用于传送字符的一个流行的工作机制RS232标准。（4）传输速率的表示比特率、波特率，传输错误的检测帧化差错。（5）RS232的应用形式全双工异步通信。（6）网络性能的量化表示带宽和延迟。3.2 异步通信的必要性广义上，若发送器与接收器之间在发送数据前无需协调（如发送器和接收器不同步），则这种通信称为异步（asynchronous）。这样，发送器在发送间歇可以等待任意长时间，并且数据准备好后即可以发送。接收器在数据到达时必须已经准备好接收数据。异步通信对像键盘那样并不总是有数据发送的设备是很有用处的。技术上，若发送的电信号中不包含接收器用来确定位串何时结束的信息，则该通信硬件归纳为异步的。在异步通信中，接收硬件必须具备接收并解释发送硬件本身产生的信号的能力。异步通信用电流发送位串RS-232异步字符传输3.3 用电流发送位串最简单的电子通信系统通过在介质链路上（通常是电缆或导线）发送电压脉冲来工作。编码单极性编码（一个电压值，正电压和零电压）极化编码（两个电压值：正负电压）双极性编码（三个电平值：正、零和负）图3.1属于极化编码中非归零编码，信号的电平由它所代表的比特位决定，一个正电压值代表比特0，而一个负电压值代表比特1。图3-1显示了导线上的电压作为发送设备发送的位串如何随时间变化。波形图形象说明了电信号如何随时间发生变化。Vt图3-1 正负电压用于在导线上发送位串。本例中发送器用负电压表示1，正电压表示03.4 通信标准用电压传输数据是一种可能的方式，但仍有若干问题未解决：（1）电压保持时间：发送装置应该保持多长时间的电压用于传送一位数据？虽然发送装置必须等待足够长的时间以便接收硬件检测出发送的电压，但如果等待的时间比所需更长则是一种浪费。（2）电压变化速率：硬件电压变化的最大速率是多少？（3）硬件的协调性：用户怎样才能知道从一个销售商处购得的发送硬件能够与从另一个销售商处购得的接收硬件协调工作？（4）数据的传输速率：能否在同样的时间内传送更多的数据？为保证不同销售商生成的通信硬件能协同工作，有必要对通信系统的规格进行标准化。像国际电信联盟-电信标准化部（ITU-T, International Telecommunications Union Telecommunication Standards Sector），电子工业协会（EIA, Electronic Industries Association）以及电子电气工程师协会（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）等组织出版了作为工业标准的通信设备规格的标准文本，回答了一些特定通信技术的有关问题（包括机械特性、电气特性、控制和时序、功能特性）。如果两个销售商遵守同一标准，则他们的设备就能协调工作。3.5 RS-232异步字符传输制定者：电子工业协会EIA，RS-232又称为EIA-232。内容：定义了数据终端设备（DTE，Data Terminal Equipment）和数据电路终接设备（DCE，Data Circuit-terminating Equipment）之间接口的机械、电气以及功能特性。网络 DTEDCEDCEDTERS-232标准图3-2 DTE和DCE版本：从最早在1962年以RS-232（推荐标准）名字发布以来，RS-232标准经历了若干次的修订。最新的一个版本，即RS-232-D，不仅定义了使用的连接头的类型，还定义了具体的电缆和插头以及每一个针脚的功能。应用：用于在计算机与调制解调器、键盘或终端之类的设备之间传输字符。1) 机械特性RS-232标准的机械规范规定的接口是两端分别有一个阳性和阴性的DB-25针脚连接头的25线电缆。电缆倡导不可超过50英尺（大约15米）。一个DB-25连接头是一个带有25根针或孔的插头，每个针/孔都与一根有特定功能的导线相连。通过这种设计方式，EIA建立了DTE设备与DCE设备之间25种独立交换操作的可能性。在实际应用中只用了很少一部分，但是该标准使将来引入新功能成为可能。RS-232标准规定25线电缆的一端是阳性连接头，另一端是阴性连接头。阳性连接头是指电缆中每根导线都与插头中的一根针相连的连接头。阴性连接头是指电缆中每根导线都与插头中的一个金属管或鞘相连的金属头。在DB-25连接头中，这些针或孔被排成两排，上面13个下面12个。2) 电气特性标准的电气规范规定了在DTE设备和DCE设备之间任何一个方向上传输数据所采用的电压值和信号类型。发送数据 图3-3说明了发送数据的电气规范。RS-232标准指出了所有数据必须以逻辑1和逻辑0（称为传号和空白）形式传输，采用非归零（NRZ-L）编码，其中0对应正电压而1对应负电压。与简单地通过定义一个最高电平和一个最低电平来确定一个范围不同，RS-232标准定义了两个不同的电压范围，一个在正电压区，另一个在负电压区。接收方接收所有落在这两个范围内的电压值，对位于两个范围外的电压值予以忽略。要被当做数据识别出来，对应的电压值必须在315V或-3-15V之间。通过让有效信号落在两个12V的区间内，RS-232标准使得噪声造成的信号衰减对数据识别的影响减弱到很小。换一种说法，只要脉冲值是位于一个可接受的区域，脉冲的确切值就并不重要。电压+15+3允许区域未定义区域未定义区域允许区域时间1 0 1 0NRZ-L编码图3-3显示了一个因为噪声而衰减为一条曲线的方波。第四个比特的振幅比预期的要低，而且不是稳定在一个电压上，而是跨越了一段电压值。如果接收方只查找一个电压值，那么这个脉冲的衰减将使该比特不可恢复。如果接收方在整个比特间隙中只接收一个电压值，那么该比特仍将不能恢复。0-3-15图3-3 在RS-232标准中发送数据的电气规范RS-232允许发送器在任何时刻发送一个字符，并可在发送一个字符前延迟任意长的时间。不仅如此，一个给定字符的发送也是异步的。因为发送器与接收器之间在传输前并不协调彼此的行动。但是，一旦开始传输一个字符，发送硬件依次将所有的位全部送出，在位与位之间没有延迟。更重要的是，RS-232硬件并不在导线上存在零伏状态，当发送器不再发送时，它使导线处于一个负电压状态，而这代表1。起始位、终止位因为导线在各位的间隙上并不回到零伏，接收器并不能从电压的消失来标记一位的结束和另一位的开始。发送器和接收器必须使每一位电压维持的时间保持完全一致。当字符的第一位到达时，接收器启动一个记时器，并且使用该记时器定时测量每一个后续位的电压。因为接收器并不能对线路的空闲状态（处于1）和一位真正的1做出，RS-232标准要求发送器在传输字符的各位之前先传输一位额外的0，这一附加位就是起始位（start bit）。虽然在一个字符结束与下一个字符开始之间的空闲时间可以持续任意长，但RS-232要求发送器必须使线路保持空闲状态至少达到某一最小时间，通常所选定的最小时间就是传输一位所需时间。这样，人们可以认为在字符后面跟有一个假想的1位。在RS-232术语中，这一假想的位称为终止位（stop bit）。图3-4中的波形图说明了在用RS-232传输一个字符时导线上的电压是如何变化的。虽然例子中所显示的字符仅包含7位，由于RS-232在传输中增加了起始位和终止位，这样整个传输需要9位。电压（伏）+150-15空闲 开始 1 0 1 1 0 1 0 停止 空闲时间图3-4 用RS-232传输字符时导线上的电压变化。起始位通知接收器传输字符开始，并且每一位持续同样的时间3) 控制和时序在RS-232接口中的25根可用的导线中只有4根用于数据功能，余下的21根都用于诸如控制、时序、接地以及测试等功能。这些导线的电气规范类似于控制数据传输的导线，但是要简单些。这些导线上传输的电压超过+3V称为“开”状态，低于-3V称为“关”状态。RS-232标准的电气规范规定数据之外的信号必须采用以下形式发送：低于-3V为“关”，高于+3V为“开”。图3-5显示了其中一个信号。控制信号的规范在概念上与数据传输正好相反。正电压表示开，负电压表示关。注意，关仍然是以特定电压值代表的一个信号值。在系统运行中这些控制线上没有电压意味着某些设备没有正常工作，而不是这条线路关闭了。时间电压0+3+15-3-15开关允许区间未定义区间未定义区间允许区间图3-5 在RS-232标准中控制信号的电气规范最后一个重要的电气规范是比特率。RS-232允许的最大比特率是20Kbps，尽管在时间中常常超过这个值。（比特率：每秒传输的比特数）4) 功能特性RS-232有两种不同的实现方法：DB-25和DB-9。（1）DB-25实现。RS-232对DB-25连接头上每一根针的功能都进行了定义。图3-6显示了一个阳性连接头每根针脚的序号和功能。因为阴性连接头就是阳性连接头的镜像，所以阳性连接头上1号针的功能就是阴性连接头上1号插孔的功能，依次类推。为实现全双工传输，每个传输功能在反方向上必然存在一个镜像或是回应功能。比如，针脚2用于传输数据，则针脚3就用于接收数据。通过这种方式，两部分都能同时传输数据。如图3-6所示，并不是每一根针都确定了一个具体的功能。9号针和10号针被保留做未来扩充。11号针仍未赋予任何作用。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 11 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 接地 保护 发送的数据 接收的数据 发送请求 清除发送 DCE设备 就绪 信号地线 接收线 信号检 测器 保留（测 试） 保留（测 试） 未定义 辅助接收 信号检测 器 辅助清除发送 辅助数据传输 DCE设备到DTE设备发送方信号基准时钟 辅助数据接收 本地回馈 DCE设备到DTE 设备接收方信号基 准时钟 辅助发送请求 DTE设备就绪 振铃指示 远程回馈和信号质量检测 数据信号速率选择DTE设备到DCE设备发送方信号基准时钟 测试模式 图3-6在RS-232的DB-25标准中各针脚的功能（2）DB-9实现。在个别异步连接中，DB-25实现的许多针脚是不必要的。RS-232的一个更简单9针脚版本称为DB-9，如图3-7所示。注意，两种实现中不存在针脚的对应关系。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 载波检测 发送数据 接收数据 DTE设备 就绪 信号地线 DCE设备就绪 发送请求 清除发送 振铃指示 图3-7在RS-232的DB-9标准中各针脚的功能5) 主要性能归纳RS-232是在计算机与调制解调器或ASCII终端之间实现短距离异步串行通信的一个流行标准。RS-232在每一字符前用一个起始位作前导，在每个字符后跟随至少一位的空闲周期，并且传输每一位都使用相同的时间。字符之间可以相隔若干空闲周期。3.6硬件带宽3.6.1 硬件限制对于硬件能在导线上以多快的速率传输实际，图3-4是一种理性的情况。实际上，没有一种电子设备能在瞬间将一个电压转换为另一个电压，而且没有一种导线能从容地传导电流。因此，电压的升降都需要一小段时间。例如，图3-8表示了一位数据出现时，其相应的电压在实际通信时的变化情况。图3-8 实际的传输设备在传输一位时所发生的电压变化。实际上的电压变化经常要比本例更糟糕和大多数通信技术一样，RS-232认识到了实际硬件的缺陷，在标准中说明了发送器必须发出与标准波相差多少的波形，接收器必须具备多少容差才算符合标准。例如，标准并未指定接收器必须在每一位的最开始处测量电压，而是推荐在每一位的时间中部采样。这样，接收器将认可图3-8所示的信号。3.6.2 带宽受传输介质固有的物理特性限制，每一条线路都有它能通过的频率范围。如果信号频率太慢，它就不能通过线路的电容。但如果太快了，就会被线路的电感所妨碍。所以，可以说每条线路都有它可以接受的最高频率和最低频率。这个限制范围称为带宽。每条线路对于可以承载的信号的频率都有一个上限和一个下限，这个限定范围就称之为带宽。传统电话线可以承载3003300 Hz范围的频率，也就是给出了一个3000 Hz的带宽。这个范围内的所有频率都用来传输语音，此时即使有大量的干扰和扭曲也可以不失清晰性。但是，为保证完整正确，数据信号需要更高的精确性。因此，为安全起见，这个频率范围的边缘并不被用作数据传输。总的来说，可以说信号带宽总是小于电缆带宽。数据传输中电话线的有效带宽是2400 Hz，从600 Hz到3000 Hz。注意，现在有许多电话线能处理的带宽比传统的电话线的更大。但是，调制解调器的设计仍然是基于传统性能的（参见图3-9）。300 600 3000 3300 2400 Hz用于数据传输 3000 Hz用于语音传输用于语音传输 用于数据传输 图3-9 电话线带宽3.7 数据传输速率与帧化差错3.7.1 数据传输速率1.比特率（Bit Rate）比特率是每秒钟传输构成数据代码的二进制数(比特数)，单位为比特/秒（bit/second或bit per second），记作b/s或bps。对于二进制数据，数据传输速率为：D =1/T其中，T为发送每一比特所需时间。例如，如果在通信信道上发送1比特0、1信号所需时间是0.001ms，那么信道的数据传输速率为1,000,000bps。在实际应用中，常用的数据传输速率单位有Kbps、Mbps、Gbps。其中：1 Kbps = 103 bps1 Mbps = 106 bps1 Gbps = 109 bps例3.1 早期的RS-232通常以每秒300位的速率工作，而现在每秒9600位和每秒19200位的速率更为常见。试用比特率给予描述。比特率 300bps；9600bps；19200bps。2.波特率（Baud Rate）波特率表示传输硬件的工作效率，即每秒传输的信号单元数，其中信号单元由一些比特组成。3.比特率和波特率在讨论计算机的效率的时，比特率更为重要我们想要知道处理每段报文要花费多长时间。但在数据传输方面，我们更关注在两地之间移动的效率，不管是一段段移还是一块块移。需要的信号单元越少，系统效率就越高，传输更多比特所需的带宽就更少；因此我们更重视波特率。波特率决定了发送信号所需的带宽。比特率等于波特率乘以每个信号单元表示的比特数，波特率等于比特率除以每个信号移位表示的比特数。比特率总是大于或等于波特率。可以用类比来区分波特和比特概念。如在运输中，波特类似轿车，比特类似乘客。一辆轿车可载运一个或多个乘客。如果1000辆轿车每辆仅载运一个乘客（司机）从一个地方到另一个地方，则运输1000个乘客。然而，如果每辆车载4个乘客，则运输4000个乘客。注意，是轿车的辆数而不是乘客人数决定了交替情况，所以它更宽的高速公路。类似地，波特率数而不是比特数确定所要求宽带。例3.2 对简单的RS-232模式来说，每个信号表示一位二进制，因此波特率就等于每秒中的信号数，等于每秒钟传输的二进制位数。这样，9600波特率意味着每秒传输9600位。例3.3 对每个信号携带4比特的一个模拟信号来说如果每秒发送1000个信号单元，求出波特率与波特率？解答波特率 信号单元的个数 每秒1000波特比特率 波特率 每个信号单元的比特数 1000 4 4000bps例3.4 一个信号的比特率是3000，如果每个信号单元携带6比特，问波特率是多少？解答波特率 比特率/每个信号单元的比特数 3000/6 每秒500波特3.7.2 带宽与数据传输速率在以上讨论中，已经看到了硬件带宽对信号传输的影响，但带宽与数据传输速率到底有什么关系，这个问题可以用奈奎斯特采样定理（Nyquist Sampling Theorem）与香农定理（Shannon Theorem）来回答。这两个定律从定量的角度描述了“带宽”与“速率”的关系。1. 奈奎斯特采样定理任何通信信道都不是理想的，也就是说，信道带宽总是有限的。由于信道带宽的限制、信道干扰的存在，信道的数据传输速率总会有一个上限。早在1924年，奈奎斯特就推导出理想低通矩形特性的信道，在无噪声情况下的最高速率与带宽关系的公式，这就是奈奎斯特采样定律，它确定了带宽与系统每秒能传输的最大位数之间的基本关系。奈奎斯特定理指出：在带宽为B的传输系统上，所能达到的最大数据传输速率以每秒位数表示时可达到2B。更为一般地，如果传输系统使用K种不同电压而不是两种，奈奎斯特定理指出，以每秒位数表示的最大数据速率D为：D 2Blog2kD的单位为bps，带宽B单位为Hz。例3.5 根据奈奎斯特定理，计算RS-232模式下采样两种电压编码数据的传输速率。D 2Blog2k 2Blog22 2B2. 香农定理奈奎斯特定理给出了一个实际无法达到的绝对最大值。实际通信总是被一些称为噪声（noise）的背景干扰所限制，而这些噪声使得数据传输不可能达到理论极限。1948年，Claude Shannon推广了Nyquist的结果，指出了在噪声影响下传输系统所能达到的最大数据传输速率。这样，就能通过传输系统的带宽和噪声来决定系统可能达到的最大数据传输速率。香农定理指出：在有随机热噪声（电子在线路中随机运动所产生的额外信号而不是由发送器发送的原始信号）的信道上传输数据信号时，数据传输速率D与信道带宽B、信号与噪声功率比S/N关系为：D = Blog2(1+S/N)其中，B是信道的带宽，S/N是信噪比，而D是用bps表示的数据传输速度（信道容量，香农容量）。例3.6 考虑一个极端的噪声信道，其中信噪比近似于零，换言之，噪声很强使得信号很微弱。对于该信道，计算它的香农容量如下D = Blog2(1+S/N) = Blog2（10）= Blog2(1) = B0 = 0这就是说，该信道传输速率（信道容量）是零，与带宽无关。换言之，在该信道上不能发送任何数据。例3.7 计算常规电话线理论上的最高比特率。电话线通常的带宽是3000 Hz（3003300 Hz）。信噪比通常是3162（35dB）。对于该信道，计算容量如下D = Blog2(1+S/N) = 3000log2（13162）= 3000log2(3163) = 300011.62 = 34,860bps这就是说，电话线上的最高比特率是34,860 bps （ 33.6 Kbps）。如果要想更快地发送数据，则应该增加线路的带宽或改进信噪比。3.7.3 误码率误码率：指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数。注意：1) 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一2) 对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求3) 对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算4) 差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值3.7.4 帧化差错为使RS-232硬件适应性更强，制造商通常将每一元件都设计成能在各种波特率下工作。波特率既能手工设置（如在安装计算机时设置硬件底板上的数字开关），也能在由程序自动设置（如由计算机中的驱动软件设置）。如果发送和接收装置未能设置成使用同样的波特率，接收装置中的记时器就不会对每一位等待正确的时间长度，因此将会发生错误。为检测错误，接收器多次测量同一位电压，并比较测量结果。若电压彼此不一致，或停止位并不在期待的时刻出现，记时器将报告错误，这类错误称为帧化差错（framing error），因为这一特性就像一幅奇怪尺寸的画无法何时地放入标准的画框（frame）中一样。RS-232硬件有时也利用帧化差错。具体说来，ASCII键盘通常包括一个BREAK键，但BREAK键并不产生一个ASCII字符。当用户按下BREAK键时，键盘使发送线在一个较长的时间内保持零状态，这一时间大约为2s，远比传输一个字符所需的时间长。当检测到线路变为零状态时，接收器任务一个字符开始到达了，并开始抽取其后续的各位。但当字符的所有位都接收到时，接收器将期待线路回到1状态（期待一个停止位）。当未能发现停止位时，接收器将报告帧化差错。这一点可被接收系统所利用。例如，某些应用程序使用BREAK键作为终止程序的一种手段，每当用户按下BREAK键，系将将向使用键盘的程序报告一个帧化差错，应用程序则将该差错解释成要求终止进程。3.8 传输模式传输模式：用来定义两个互相连接设备之间信号流动的方向。共有三种传输模式：单工、半双工和全双工。3.8.1 单工模式在单工模式中，通信是单向进行的，就像是单行道。一条链路的两个站点中只有一个可以进行发送，另一个只能接收（见图3-10）。显示器主机 数据流向 图3-10 单工模式键盘和传统的监视器都是单工设备的例子。键盘只能发送信号，监视器只能接收信号。3.8.2 半双工模式在半双工模式中，每个站点都可以发送和接收，但是不能同时发送和接收。当其中一个设备在发送时，另一个只能接收。反之亦然（见图3-11）。工作站 工作站 第二次数据流向 第一次数据流向 图3-11 半双工模式半双工模式相只有一个车道的双向交通。当车辆正在向一个方向行驰时，向另一个方向行驰的车辆必须等待。在半双工模式中，无论哪一方正在传输，都使用信道的整个带宽。对讲机和民用无线电设备都是半双工系统。3.8.3 全双工模式在全双工模式（也叫双工模式）中，两个站点同时都可以进行发送和接收（见图3-12）。工作站 工作站 数据流向 图3-12 全双工模式全双工模式像同时允许两个方向的车辆通行的双车道。在全双工模式中，两个方向的信号共享链路带宽。这种共享可以用两种方式进行：要么链路具有两条物理上独立的传输路径，一条发送，另一条接收；要么为传输两个方向的信号而将信道的带宽一分为二。全双工通信一个常见的例子是电话网络。当两个人通过电话线进行通话时，可同时进行讲与听。3.8.4 全双工异步通信虽然我们描述了电流在一根导线中流动的情形，但所有的电流都要求两根导线，即电流在一根导线上流出，在另一根导线上返回。第二根导线通常称为接地线（ground）。这样，当RS-232使用双绞线连接时，一根导线用于传输信号，另一根作为接地线提供返回路径。在许多RS-232应用中，数据必须同时双向流动。例如，当RS-232用于连接一个ASCII终端和一台计算机时，字符从终端的键盘传向计算机的同时，也从计算机传向终端的显示器。在两个方向上的同时传输就是我们所说的全双工传输（full duplex transmission）。为实现全双工传输，RS232要求一根导线用于一个方向上的数据传输，另一根导线用于在相反方向上的数据传输，而一根接地线用于在两个方向上完成回路。事实上，RS-232已定义了一个25针的连接器（学名DB-25），并说明了硬件如何将这25根线用于控制或数据传输。例如，只有能够接收字符，接收器将向其中一根控制线提供电压，而这根线在发送器将被解释为清除发送（clear to send）。为降低成本，RS-232硬件可配置成忽略控制线并假定另一端处于工作状态。忽略控制信号的全双工连接通常称为三线回路（three wire circuits），因为它们只需要三根导线传输数据。图3-13显示了三线回路。 T R G T R G 数据 数据 图3-13 RS-232全双工通信所需的最少连线虽然两条线路独立传输数据，但它们共用一跟接地线如图3-13所示，接地线直接从一个设备的接地端连向另一设备的接地端。但是，另两个导线相互交叉：一台设备的数据发送端连向另一台设备的接收端。为使连线简单，设计者决定计算机与调制解调器在25针上采用相反的引脚发送与接收调制解调器用引脚2发送，引脚3接收；而计算机用引脚3发送，引脚2接收（接地线用引脚7）。这样，计算机与调制解调器直接的连接包括一根引脚2到引脚2的连接和一根引脚3到引脚3的连线。但是，连接两台计算机的连接必须使用两根引脚2到引脚3互连的连线，称为2-3交换。3.8.5 实例图3-14所示，描述了采用RS-232标准使用主通信信道在租用线路上进行全双工传输的情形。这里的DCE设备是调制解调器，DTE设备是计算机。从准备到清除共有五个步骤。本例采用全双工模式，所以每一对计算机/调制解调器都能同时传输数据。但是造RS的术语中，仍然将其中一个称为发起方，另一个称为响应方。步骤1显示传输之前接口的准备工作。两个接地线，针脚1（屏蔽）和针脚7（接地信号）在计算机/调制解调器对之间发送和接收数据时都是活跃的。步骤2保证所以四个设备都已就绪，可以传输。首先，发送方的DTE设备激活资金的针脚20并将一个DTE设备就绪信号发送给它连接的D