计算机网络原理与应用-讲义.doc

计算机网络原理与应用课程定位n 掌握计算机网络的基本原理n 基本理论（计算机网络体系结构、物理层、数据链路层、局域网、网络层、传输层、应用层、网络安全、下一代因特网等）n 学会组建局域网、Internet接入的方法与步骤n 学会使用计算机网络进行工作和学习参考书目n 计算机网络(第4版)(中文版)-潘爱民 译清华大学n 计算机网络(第4版) 谢希仁电子工业出版社 n 计算机网络(第4版) 谢希仁大连理工大学出版社n 计算机网络(第5版) 谢希仁电子工业出版社n 数据通信与计算机网络(第2版)高传善等高教出版社n 计算机网络（第二版）冯博琴 高教出版社n 计算机网络教程(第4版) 吴功宜清华大学n 计算机网络（第2版）吴功宜清华大学n TCP/IP路由技术(第一卷)(第二版)葛建立等译人民邮电出版社 n 计算机网络实验教程钱德沛高教出版社n 计算机网络工程张卫等清华大学n 计算机网络技术应用基础黄健中国铁道出版社第一章 计算机网络概述1.1计算机网络的产生与发展n 计算机网络源于计算机与通信技术的结合，始于20世纪50年代。n 它的形成和发展大致分为四个阶段n 以单计算机为中心的联机终端系统（20世纪60年代中期以前）n 以通信子网为中心的主机互连（20世纪60年代中期到70年代中期）n 体系结构标准化网络（20世纪70年代中期到90年代初期）n Internet时代(20世纪90年代至今)n 未来的发展趋势：三网合一1.1.1以单机为中心的联机系统n 分时多用户系统（大型机） (50年代末期)多个用户利用多台终端共享单台计算机的资源n 远程访问系统：利用通信线路将远程终端连至主机1.1.2以通信子网为中心的主机互连n 多个终端联机系统互联，形成了多主机互联网络n 网络结构从“主机终端” 转变为“主机主机”主机主机网络的演变n 演变阶段1n 通信任务从主机中分离，由通信控制处理机（CCP）完成n CCP：处理主机之间通信任务的专用计算机n 由CCP组成的传输网络通信子网，提供信息传输服务n 建立在通信子网基础上的主机集合资源子网，提供计算资源n 在通信子网上可有多个资源子网，共享通信子网的服务n 演变阶段2n 通信子网规模逐渐扩大n 私有社会公用n 公用数据通信网n PSTNn X.25n 优点n 降低用户系统建设成本n 提高通信线路利用率n 兼容性好1.1.3体系结构标准化网络n 采用分层思想、标准化方法，以理论指导实践n 厂商标准：IBM-SNA(1974)，DEC-DNA等n 国际标准：ISO的OSI/RM(始于1977年)n 未能取得成功，但作用显著n 事实的工业标准：TCP/IP体系结构n 因特网的骨干协议n IEEE 802标准(1980年2月)n 一系列局域网标准出台促进了局域网的高速发展1.1.4 Internet时代n 20世纪80年代开始，Internet网成为最引人注目发展最快的计算机网络技术。1994年以来，Internet的商业化运作推动了Internet的普及。n Internet起源于美国的ARPANET网。1.2计算机网络的概念n 最简单的定义1(谢希仁)n 计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。n 最简单的定义2(Andrew S.Tanenbaum)n 由大量的独立的、但相互连接起来的一组自主计算机来共同完成计算任务的系统。n 通过同一种技术相互连接起来的一组自主计算机的集合。n 计算机网络与分布式系统n 分布式系统是建立在网络之上的软件系统。具有高度的聚性和透明性。 (Andrew S.Tanenbaum)n 分布式系统是在计算机操作系统支持下进行的分布式数据库处理和各计算机之间的并行计算工作，它是在计算机网络的基础上为用户提供透明的集成应用环境。(冯博琴)n /1.3 计算机网络的分类按地理范围分n 局域网(Local Area Network, LAN)n 局域网地理覆盖范围较小(15km)，如：房间、大楼、校园。n 数据传输速率较高(10Mbps 以上)，延迟小。以太网的速率为、100Mbps、1Gbps甚至10Gbps。n 传输距离短，具有较高的可靠性。n 支持多种传输介质，如同轴电缆、双绞线、光缆、无线电波及红外线等。n 支持简单的点对点或多点通信，允许低速或高速的外部设备和不同厂家的微机接入网络中。n 城域网(Metropolitan Area Network, MAN)n 城域网范围较大，通常可覆盖一个或几个城市，其内一般包含若干局域网。n 分布距离一般为5到50kmn 数据传输速率一般在几十Kbps到100Mbpsn 通信线路通常采用光纤或租用专线n 目前很多城域网采用的是以太网技术，有时也将其并入局域网的范围内进行讨论。n 广域网（Wide Area Network, WAN)n 广域网是指实现计算机远距离(几十到几百公里)连接的网络，通常是指国家的计算机网络。n 各结点之间的连接一般是使用高速链路，具有较大的通信容量。n 通信线路通常采用光纤或租用专线。n 信息传输一般采用点对点通信技术，而不采用广播。n 整个网络是一个网状结构。具有明显的资源子网与通信子网的界定。n 互联网(internet)n 将不同的物理网络技术按某种协议统一起来而形成的一种高层技术。n 它通过某种高层协议把广域网与广域网、广域网与局域网、局域网与局域网互联起来，形成局部处理与远程处理、有限地域范围资源共享与广大地域范围资源共享相结合的互联网，所以又称”网络的网络“。n 世界上最大也是发展最快的因特网(Internet)是互联网一个典型实例。n 个人区域网PAN(Personal Area Network)n 在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术(如蓝牙)连接起来的网络，也称无线个人区域网(Wireless PAN)。n 范围一般在10m左右。按拓扑结构分n 从拓扑学来看网络可以看成是由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成的几何图形。n 网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机和路由器等。n 链路是两结点之间的连线。代表是各类传输介质。n 网络拓扑结构分为两个方面n 从物理连接形式考察，称为物理拓扑结构;n 从内部信号流动方式考察，称为逻辑拓扑结构。n 一般所讲的拓扑结构指的是物理拓扑结构。n 物理拓扑结构：指网络中各结点的相互连接的方法和形式。n 总线型(Bus)n 通过一条公共线路把各个节点连接起来，无中心节点，信息发送是广播式的。总线两端需安装端接器。n 优点：结构简单、经济、易于扩充、可靠性高n 缺点：传输距离有限、故障诊断与排除困难，不具有实时功能。站点必须是智能的，要有媒体访问控制功能。n 所有节点挂接到一条总线上，广播式通信n 总线上任何一个节点发出的信息都沿着总线传输，而其他节点都能接收到该信息，但在同一时间内，只允许一个节点发送数据。n 由于总线作为公共传输介质为多个节点共享，就有可能出现同一时刻有两个或两个以上节点利用总线发送数据的情况，因此会出现“冲突”n 解决多个节点访问总线的介质访问控制问题，可采用分布式控制，也可采用集中式控制。n 环型(Ring)n 环形结构的所有节点连接形成一个封闭的环。结点之间为点对点通信。使用环接口（转发器将站接入到环网中）。n 信号在环上以固定的方向的传输。n 由于环路公用，一个节点所发出的信号必须经过环中所有的环路接口。n 环中数据单向逐节点传输，信息流中的目的地址与环上某个节点地址相符时，信息被该节点环路接口所接收，然后信息继续向下一环路接口流动，一直回到发送该信息的环路接口点为止。n 环路的维护和控制一般采用某种分布式控制方法，环中每个节点都具有相应的控制功能。n 优点：电缆长度短、增减工作站只需简单连接、可用光纤、网络初始安装和控制简单。n 缺点：节点故障容易引起全网故障、故障难检测、媒体访问协议采用令牌传递方式，负载轻时信通利用率低。n 星型(Star)n 星形拓扑结构以一台设备作为中心节点，其他外围节点都与中心节点相连接。中心节点可以是中继器或集线器（交换式或非交换式）。目前局域网系统中多采用星型拓扑结构。n 优点n 控制简单、故障诊断与隔离容易、易于扩充、服务方便n 缺点n 电缆长度和安装工作量可观n 中央节点负担较重n 各站点分布处理能力较低n 树型(Tree)n 树型结构是总线型或星型结构的扩展，又叫层次结构。有一定容错能力，一般一个分支和节点的故障不影响另一分支节点的工作。信息广播式传送n 优点：易于扩充、故障隔离较容易n 缺点：节点对根依赖性太大，根发生故障，则全网瘫痪。n 网状型(Mesh)n 网络中的计算机之间是通过多条线路连接的。n 具有“强壮”的可靠性，一般用于骨干网。n 优点：健壮性n 缺点：结构复杂、协议复杂、成本高按通信介质划分n 有线网n 采用如同轴电缆、双绞线、光纤等传输介质的网络。n 无线网n 采用如红外线、微波、激光等传输介质的网络。n 目前无线局域网技术和蓝牙技术已经得到了广泛使用。按信息传播方式划分n 点对点通信n 目前Internet中两台远程主机的通信方式就是点对点通信n 广播式通信n 目前局域网中的通信多采用广播通信方式。1.4计算机网络的功能n 数据通信（最基本的功能）n 资源共享（主要目的、最突出的优点）n 提高可靠性与可用性 n 易于分布式处理1.5 计算机网络组成典型的计算机网络从逻辑功能上可以分为两个子网：资源子网和通信子网。硬件系统的组成n （网卡）网络适配器n 它的主要功能将计算机接入到网络，实现网络资源的共享与相互通信。n 调制解调器n 网桥&集线器&交换机n 路由器n 通信介质n 通信介质主要有有线介质和无线介质两类。有线介质如双绞线、同轴电缆和光纤等；无线介质如微波、卫星、激光和红外线等。软件系统组成n 网络操作系统n 对计算机网络进行管理的软件，它负责管理网络的所有硬件和软件资源，协调它们一致地工作。n 目前常用的操作系统有NOVELL的NetWare、 Microsoft的Windows、UNIX、Linux等Apple 的MAC OS。n 智能手机操作系统：Linux、BlackBerry、Windows Mobile、 Palm、 Symbian、 Android、 iPhone OSn 网站2009年11月的统计数据显示，在该网站统计的近300个Linux的发行版中，一直以来受关注最高的排名前10位的主流发行版是：Ubuntu、openSUSE、Fedora、Debian GNU/Linux、Mandriva Linux、Linux Mint、PCLinuxOS、Slackware Linux、Gentoo Linux、FreeBSD。 n 网络通信软件n 负责管理各个计算机之间的信息传输，如网卡驱动程序。n 网络协议软件、网络数据库管理系统、网络应用软件1.6计算机网络的性能指标比特率n 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。n Bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。n 比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s(注意是千进制) 等带宽(信道容量)n “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。n 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高比特率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。 n 提高信道的带宽可以减小数据的发送时延。 时延(delay 或 latency)n 发送时延：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。 n 传播时延：信号在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 n 处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 n 排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。n 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。n 数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。1.7 因特网概述n 互联网是“网络的网络”(network of networks)，把许多网络连接在一起，起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网 。1.7.1因特网的发展简史n 20世纪60 年代初，美苏冷战，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。这个由美国军方建立的实验性网络即因特网的前身ARPANET。n 1969-1983连入300多台计算机，供研究机构和政府部门使用。n 1984年ARPANET网分解为两个网络：ARPANET民用科研网，军用计算机网络MILNET。n 1986年美国国家科学基金会在美国政府的资助下，租用电信公司的通信线路组建了-NSFNET，用以连接当时的六大超级计算机中心和美国大专院校及学术机构。n 1989年ARPANET解散，同时NSFNET对公众开放，从而成为Internet骨干网络。n 1992年Internet不再归美国政府管理，而成立了国际组织Internet协会(ISOC)负责对Internet进行全面管理，并以制定Internet相关标准和推广Internet为目标。n Internet的网络体系结构采用TCP/IP协议集。1.7.2 因特网发展的三个阶段n 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。 n 第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。 三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。 n 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。 n 因特网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。/ n 因特网的发展现状：/n 全球IPv4和IPv6地址分配最能反映世界因特网的发展现状其最新的统计数据，可通过以下途径获得：n .tw/ipstats/statsipv4.phpn /iso3166/v4cc.htmln /ipstats/1.7.3 因特网的标准化工作n 国际互联网协会 (ISOC) 是一个非营利组织，成立于1992年，为互联网的相关标准、教育和政策提供领导。/。下设技术组织IAB (Internet Architecture Board)，负责管理因特网有关协议的开发。因特网体系结构研究委员会IAB下设因特网研究部IRTF和因特网工程部IETF两个分支机构。n 因特网的正式标准要经过因特网草案(Internet Draft)、建议标准(Proposed Standard)、草案标准(Draft Standard)、因特网标准(Internet Standard) 四个阶段。 n RFC共有建议标准、草案标准、因特网标准、实验的RFC、提供信息的RFC和历史的RFC等六种。1.7.4 因特网的组成n ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化。早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网。分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。n 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：n 边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。n 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。n 因特网的边缘部分n 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。“主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信” 。n 因特网的边缘部分主机之间的两种通信方式n 客户服务器方式（C/S 方式）即Client/Server方式。客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。客户软件的特点：被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务），因此，客户程序必须知道服务器程序的地址；不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。服务器软件的特点： 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求；系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求，因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。n 对等方式（P2P 方式）即 Peer-to-Peer方式。是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。 对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。n 因特网的核心部分n 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。 n 电路交换的特点n 电路交换必定是面向连接的，其三个阶段包括：建立连接、数据传输、释放连接。可保证服务质量。因为计算机数据具有突发性，很多时候电路交换在计算机网络中通信线路的利用率很低。n 分组交换的主要特点 n 发送端先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，每一个数据段前面添加上首部构成分组（每一个分组的首部都含有地址等控制信息）；然后采用存储转发方式将分组送到接收端；接收端收到分组后剥去首部将其重组而还原成报文。n 优点是：高效、灵活、迅速、可靠。n 缺点是：分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延；分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。n 报文交换n 在 20 世纪 40 年代，基于存储转发原理的报文交换(message switching)在电报通信中被采用。报文交换的数据传输单位是报文（一次性发送且有完整消息含义的数据单元），采用存储转发的方式，每个报文中需要带目的地址，支持一对多的通信方式。n 优点：电路利用率高，多个报文可分时共享两个节点之间的通道。n 缺点：在交换节点中报文需要排队，时延较长，从几分钟到几小时不等，因此不适合实时通信；报文必须携带的地址也造成了一定的开销。n 主机和路由器的区别n 主机位于因特网的边缘部分，其用途是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。路由器位于因特网的核心部分，其用途则是用来转发分组的，即进行分组交换,最后把分组交付目的主机。 n 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。路由器处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。 1.7.5因特网在我国的发展n 两个阶级n 第一阶段是与Internet的E-mail连通，即1987年9月20日从中国学术网络（CANET，China Academic Network）向世界发送第一封E-mail，标志着我国开始进入Internet网。n 邮件内容为“Across the Great Wall we can reach every corner in the world.（越过长城，走向世界）”n 第二阶段是与Internet实现全功能的TCP/IP连接：1994年4月20日我国正式加入了Internet。n 最新动态：n 我国目前有哪几个主要的互联网运营单位？n 中国公用计算机互联网 CHINANET，即中国电信网 n 中国科学技术网 CSTNETn 中国教育和科研计算机网 CERNETn 中国网通公用互联网 CNCNET，包含金桥网CHINAGBNn 中国联通互联网 UNINETn 中国移动互联网 CMNETn 中国国际经济贸易互联网 CIETNET，建设中。n 中国长城互联网 CGWNET第二章 数据通信基础2.1相关基本概念2.1.1信息、信号、数据n 数据：定义为有意义的实体，如描述事物的数字、字母或符号。n 信息：是数据的内容和解释。n 信号：数据的电气的或电磁的表现。是信息的物理表现、是信息的物理载体。2.1.2模拟信号、数字信号2.1.3信道与带宽n 信道是传输信号的通路，一条传输线路上可存在多个信道。n 信号带宽是信号的频率范围，信道带宽是指信道上能够传输信号的最大频率范围。2.1.4通信系统模型n 信源是信息的来源或发送者，信宿是信息的归宿或接收者。n 信道是传输信号的通路。n 噪声是信号在传输过程中所受到的干扰。按产生原因可分为内部噪声和外部噪声。n 内部噪声：如来自通信系统内部的随机热噪声。n 外部噪声：如来自系统外部的冲击噪声（电磁干扰、电火花等）。2.2数据通信中的主要技术指标2.2.1波特率n 波特率又称信号传输速率、码元速率、调制速率或波形速率，是指单位时间内（1秒）所传输的信号波形（码元）的个数。其单位为baud(波特)。n 所谓码元是指使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。一个波形对应一个码元。2.2.2比特率n 比特率（数据传输速率）：每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s 。n 计算公式：S=(1/T)*log2N(bps) n T为脉冲宽度或周期，单位为秒；N一个波形（脉冲）所代表的有效状态数;一个码元所取的离散值的个数。n 比特率直接与波形速率和一个波形所携带的信息量有关。一个波形所携带的信息量等效于该波形所代表码元的信息量（即该码元转化为二进制码元的数目）。2.2.3波特率与比特率关系2.2.4信道容量n 信道容量：是指信道所能承受的最大数据传输速率（受信道带宽的限制）。单位是bps或b/s。n 有限带宽无噪声信道：奈奎斯特公式n 奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：B=2Hn 奈奎斯特公式：C=2 log2N，C为信道容量（最大数据传输速率）；H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz；N为一个脉冲所代表的有效状态数。 n 有限带宽随机噪声信道：香农公式n C=Hlog2(1+S/N)(bps)，S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比n 通常把信噪比表示成10lg(S/N)分贝(dB) ：S/NdB = 10lgS/N2.2.5误码率n 误码(比特)率：指在信息传输过程中，接收到的出错的码元(比特)数与发送的总的码元(比特)数之间的比值。Pe=Ne/N。n 误码(比特)率，用于衡量信道传输数据的可靠性。误码(比特)率是某一段时间内的统计平均值。在实际应用中通常应低于10-6。2.3数据调制与编码2.3.1数字数据的数字信号编码n 研究如何用信号来表示相应的数据“0”和“1”。数字信号的编码工作由网络上的硬件来完成。n 不归零编码（No-Return to Zero)n 不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步 。n 计算机串口与调制解调器之间使用的就是不归零码。n 归零编码n 归零码是指它的有电脉冲宽度比码元宽度窄，每个脉冲都回到零电平，即还没有到一个码元终止时刻就回到零值的码型。n 在接收端根据接收波形归于零电平便可知道 1 比特信息已接收完毕，以便准备下一比特信息的接收。可以直接提取同步信号。n 自同步码n 自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。n 自同步码的典型代表是：曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码n Manchestern 每比特周期分为前T/2和后T/2两部分：前T/2传反码、后T/2传原码（从高电平到低电平的跳变代表“0”，反之代表“1”）；中间跳变既作时钟信号，又作数据信号。n 自含同步时钟，传输效率低。n Difference Manchestern 每比特跳变仅作同步之用。每比特值由临界是否发生跳变决定。每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。2.3.2数字数据的模拟信号编码n 为了在公共电话线路上传输数字信号，必须对其进行数字调制，转换成模拟信号。n 数字调制三种形式：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。2.3.3模拟数据的数字信号编码n 模拟数据的数字信号编码通常采用脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)。n PCM的典型应用就是语音数字化。PCM主要包括：采样、量化、编码。n 采样n 采样定理：若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的二倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。n Fs=1/Ts2Fmax或Fs 2B，Fs采样频率，Ts采样周期，Fmax最高频率，B带宽。n 量化：使连续模拟信号变为时间轴上的离散值 ，将采样样本按照量化级取值。n 编码：将离散值变成一定位数的二进制数码。 量化级越多，量化精度越高，需要的二进制位数越多。2.4数据传输与通信技术2.4.1基带传输与频带传输n 计算机所传输的二进制数字信号是典型的矩形电脉冲，这种矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带”，在信道中直接传输这种信号，称为基带传输。在基带传输中，信道只传输一路信号，信道利用率低。局域网中通常使用基带传输。在基带传输中通常要对数字信号进行编码。n 频带传输就是将基带信号变换成（调制）成便于在模拟信道中传输的，具有较宽的频率范围的模拟信号（称为频带信号），将这种频带信号在模拟信道中传输。计算机网络的远距离通信经常采用频带传输。基带信号与频带信号的变换是通过调制解调技术实现的。2.4.2并行与串行通信n 并行通信是指数据以成组的方式在多个并行的信道上同时发送，接收设备同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用 。并行通信主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。 n 串行通信是指数据一位一位地（串行方式）在通信线路上传输。串行通信主要用于较远距离的数据通信，它是数据通信中最常用的通信方式。2.4.3同步技术n 同步的概念 是指接收端要按照发送端所发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据。 收发两端在时间基准上必须保持一致。 在接收数据前，接收端首先要校准自己的时间和重复频率和发送端一致。 同步是数据通信中要解决的一个重要问题。同步不良会导致通信质量下降。n 比特同步(bit synchronization)n 比特同步又叫位同步，是数据通信中最基本的同步方式。比特同步是指接收端将时钟调整到和发送端完全一样，当接收到比特流后，在正确的时刻对收到的信号根据事先已约定好的规则进行判决，从而将发送端发送的每一个比特都正确地接收下来。n 正确时刻：通常就是在每一个比特的中间位置n 判决规则：如，电平若超过一定数值则为1，否则为0n 比特同步两种不同的同步方式n 全网同步：用一个非常精确的主时钟对全网所有结点上的时钟进行同步 。(如SDH/SONET网络 )n 准同步：各结点的时钟之间允许有微小的误差。接收端能从收到的比特流中将比特同步的时钟信息提取出来。如：曼彻斯特编码就能够使接收端很方便地从收到的比特流中将时钟信息提取出来，这样就能够很容易地实现比特同步。n 帧同步(frame synchronization)n 数据通常以帧为单位进行发送。因此，仅仅有比特同步是不够的，还需要帧同步。n 帧同步是指接收端应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束的位置。帧同步又叫帧定界。 2.4.4同步与异步通信n 同步通信：是每发送完一个帧进行一次同步。n 这个帧中通常含多个字符、多个字节或不定长的较多的比特，即同步通信中一次传输的数据量一般比较大。n 同步通信要求发送时钟与接收时钟应保持完全一致，以免发生太大时钟误差的积累，从而产生接收错误。n 由于帧定界符及校验位在帧中所占的比率很小，所以传输效率高。n 同步通信有面向字符和面向比特等方式。n 面向字符方式：SYN(0010110)为同步字符，SOH(0000001)标志帧起始，EOT(0000100)传输完毕。n 面向比特方式：用一组特定的比特模式（01111110）来标志一个帧的开始和结束。 n 异步通信：是每发送完一个字符或含有较少比特的帧就重新进行一次同步。n 异步通信可以是以字符或帧作为发送的单位。n 异步通信的同步实现简单，收发双方时钟无需严格同步，允许收发双方的时钟之间有一定的差异，因为在时钟误差允许的范围内不会导致接收错误。 n 发送端发送完一个字符或帧后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个，接收端要时刻做好接收的准备。n 每个字符或每个帧都需要加入起始、终止定界符，以及校验位等，导致传输效率较低。n 以字符为单位的异步通信中，由于每一个字符只有8个比特，因此只要收发双方的时钟频率相差不太大，在开始位的触发下，这8个比特的比特同步很容易做到，因此不需要采取其他措施来实现比特同步（但不等于说可以不要比特同步）。 n 在以帧为传送单位的异步通信中，接收端通常是采用从收到的比特流中提取时钟信息的方法来实现比特同步。 2.4.5单工、半双工、全双工通信2.4.6多路复用技术n 多路复用分为：频分、时分、波分、码分n 时分多路复用又分为：固定时分和统计时分多路复用。n 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)n 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。n 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 n 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。n 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。n 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。n 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 n 例如，S站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特1时，就发送序列 00011011，发送比特0时，就发送序列 11100100。S站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)。 n 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。 n 码片序列的正交关系 n 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0，即： ，例如令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。 n 向量 S与各站的码片反码的向量的规格化内积也是0。n 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。nn 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是1。 2.4.7差错控制技术n 差错控制方式n 自动反馈重发纠错(Automatic Repeat reQuest, ARQ)n 接收方如果检测出收到的帧中有差错，就让发送方重复发送这一帧，直到接收方正确收到这一帧为止。这种方法在计算机网络通信中是最常用的。n 前向纠错方式(Forward Error Correction, FEC)n 接收方收到有差错的数据帧时能自动将差错改正过来。这种方法的开销较大，目前计算机网络通信采用较少。 n 混合方式(Hybrid Error Correction, HEC)n 差错控制编码n FEC和ARQ的实现的核心是差错检测和纠正，纠错码（error-correcting code）和检错码（error-detecting code）是实现差错检测和纠正两种不同的差错控制编码技术或方案。n 纠错码方案：让每个被传输的数据块中包含足够的冗余信息，以便接收方可以推断出被发送的数据肯定有哪些内容，从而发现并自动纠正传输中的差错。n 检错码方案：让每个被传输的数据块中包含一定的冗余信息，这些信息只能让接收方推断出发生了差错，但不能确定错误的位置，然后接收方可请求重传，因而检错码只能发现但不能自动纠正传输中的差错。 n 纠错码和检错码的比较n 二者适用于不同的环境：在高度可靠的信道上，比如光纤，比较合适的做法是使用检错码，当偶尔有错误发生时，只需要重传整个数据块即可。而在差错率高的信道上，比如无线线路，最好的做法是使用纠错码，让接收方能发现并能自动纠正错误，而不是依靠重传来解决问题，因为重传的数据块也可能还是错误的。 n 二者各有长短：纠错码不需要反向信道来传递请求重发的信息，发送方也不需要存放用于重发数据的缓冲区，因而较检错码有优越之处，但一般来说纠错码比检错码使用更多的冗余信息，编码效率较低，而且设备实现复杂、费用高，因而主要用在单向传输或实时要求特别高的场合。检错码虽然需要通过重传机制来达到纠错，但工作原理简单，实现容易，编码与解码速度快，在网络中得到了泛的应用。n 常用差错控制编码技术n 常用的检错码主要有定比码、奇偶校验码和循环冗余校验码等。n 常用的纠错码主要有正反码、海明码等。n 奇偶冗余校验：计算数据中1的比特的个数，再增加一个附加比特位，使得1的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。附加比特位叫做奇偶校验位。 n 垂直奇偶冗余校验n 垂直奇偶校验是将整个发送的数据块分为定长p位的若干段(比如q段)，每段后面按“1”的个数为奇或偶数的规律加上一位校验位 。n 在编码和校验的过程中，发送端可以边发送边产生校验位，并插入发送，接收端则可以边接收边进行校验并拿去校验位。因此用硬件或软件的方法实现垂直校验都不是很困难的。这种方法的编码效率为R=p/(p+1)。 n 垂直奇偶校验能检测出每列中的所有奇数位的错，但检测不出偶数位的错。对于突发错误来说，奇数位的错和偶数位的错的概率接近于相等，因而对差错的漏检率接近于1/2。n 水平奇偶冗余校验n 为了降低对突发错误的漏检率，我们可以使用水平奇偶校验。它是对各个定长数据块的相应位进行横向编码，产生一个校验位 。n 水平奇偶校验不仅可以检测出各段同一位上（同一行）的奇数位错，而且可以检测出突发长度为p（一列）的突发错误，因为按照图中所示的发送顺序发送数据位，则突发长度p的突发错误必然分布在不同的行中，每行一位，所以可以检测出来。它的漏检率比垂直奇偶校验要低。n 水平奇偶校验不能边发送边产生校验位，并插入发送，必须先要借助较大的存储器先缓存要发送的完整的数据块后，再产生校验位。因此无论是用硬件还是软件方法它的编码与检测都要复杂一些。水平奇偶校验的编码效率R=q/(q+1)。n 水平垂直冗余校验n 同时进行水平和垂直奇偶冗余校验就得到水平垂直冗余校验。水平垂直奇偶校验的编码效率R=pq/(p+1)(q+1)。 n 水平垂直奇偶校验能检测所有3位或3位以下的错误(因为此时至少在某一行或某一列上为1位错)、奇数位错、突发长度p+1的突发错误以及很大一部分偶数位错。n 一些试验测量表明水平垂直奇偶校验能使误码率降至原误码率的百分之一到万分之一。水平垂直奇偶校验除了检错，还有纠正部分差错的能力，例如，仅在某一列有奇数位错时，通过垂直校验和水平校验综合观察就能确定错码的位置在该列和某些行的交叉处n 海明码n 海明码是由RHamming在1950年提出的，是一种可以纠正一比特错的编码。n 原理：n位二进制数能代表2n次方个不同的数字。n 在偶校验中：S=an-1+an-2+a1+a0。接收方S=0示无错，S=1表示有错。n 上式称为监督关系式，S称为校正因子n 海明码基本思想n 在k比特信息上附加r比特冗余信息（也称校验比特），构成nk+r比特的码字，其中每个校验比特和某几个特定的信息比特构成偶校验的关系。n 接收端对这r个奇偶关系进行校验，即将每个校验比特和与它关联的信息比特进行相加（异或），相加的结果称为校正因子。如果没有错误的话，这r个校正因子都为0；如果有一个错误，则校正因子不会全为0，根据校正因子的不同取值，可以知道错误发生在码字的哪一个位置。n 为了利用r个校正因子来区分无错和在码字中的n个不同位置的一比特错（共n+1种不同组合），校验比特数r必须满足以下条件：2rn+1，即2rk+r+1 n 海明码产生方案一n 假设码字a6a5a4a3a2a1a0中，a2a1a0为冗余位。n S0 = a6+a4 + a3 + a0 （督关系式）n S1 = a6+a5+ a3 + a1（督关系式）n S2 = a6+a5+ a4 + a2（督关系式）校正因子S2S1S0000001010100011101110111错码位置无错a0a1a2a3a4a5a6n 设信息位为k位，冗余位为r位，则要满足下式n 第一步：2r=k+r+1，将r位冗余位顺序放在k位信息的后面n 第二步：确定监督关系式n 第三步：计算冗余位n 0=a2+a4+a5+a6 即：a2=a4+a5+a6n 0=a1+a3+a5+a6 即：a1=a3+a5+a6n 0=a0+a3+a4+a6 即：a0=a3+a4+a6n 海明码产生方案二n 设信息位为k位，冗余位为r位，则要满足下式n 第一步：2r=k+r+1，由信息位和冗余位组成一个码字（要求冗余位所在的位数为202r-1位,其余由信息位填充）n 第二步：确定监督关系式n 第三步：计算冗余位n 按方案二求信息码1011 的海明码。n 解：k=4 由 2r=k+r+1得：r=3，现取r=3a3a2a1r2a0r1r0101?1?创建如下表所示的校正因子取值与错码的位置关系S2S1S0000001010011100101110111错码位置无错r0r1a0r2a1a2a3根据上表确定如下三个监督关系式，并令S0 = S1 = S2 = 0S0 = r0+a0 + a1 + a3S1 = r1+a0 + a2 + a3S2 = r2+a1 + a2 + a3得到：r0=1 r1 =0 r2=0，所以发送端产生的海明码为1010101。n 接收端按发送端同样的监督式对收到的码字进行计算，然后根据校正因子S2S1S0的取值查表便可对收到的信息进行纠正。n 循环冗余码(CRC) n 一种通过多项式除法检测错误的方法。n 编码思想：将位串看成系数为0或1的多项式n 检错思想：收发双方约定一个生成多项式G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1），发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接