计算机网络通信技术第01章通信简介.ppt

1、第1章 通信简介,本章主要内容,数据通信的概念 串行通信的传送方式 异步通信和同步通信 波特率和接收发送时钟 允许的波特率误差 串行通信的过程及通信协议 通信介质的选择,第1章 通信概述,中国古代的通信方式 一、烽火传军情 “烽火”是我国古代用以传递边疆军事情报的一种通信方法，始于商周，延至明清，相习几千年之久，其中尤以汉代的烽火组织规模为大。在边防军事要塞或交通要冲的高处，每隔一定距离建筑一高台，俗称烽火台，亦称烽燧、墩堠、烟墩等。 高台上有驻军守候，发现敌人入侵，白天燃烧柴草以“燔烟”报警，夜间燃烧薪柴以“举烽”（火光）报警。 一台燃起烽烟，邻台见之也相继举火，逐台传递，须臾千里，以达到报

2、告敌情、调兵遣将、求得援兵、克敌制胜的目的。,二、鸿雁传书,“鸿雁传书”的典故，出自汉书苏武传中“苏武牧羊”的故事。 据载，汉武帝天汉元年（公元前100年），汉朝使臣中郎将苏武出使凶奴被鞮侯单于扣留，单于便将他流放到北海（今贝加尔湖）无人区牧羊。 19年后，汉昭帝继位，汉凶和好，结为姻亲。 在一天晚上秘密会见了汉使，把苏武的情况告诉了汉使，并想出一计，让汉使对单于讲：“汉朝天子在上林苑打猎时，射到一只大雁，足上系着一封写在帛上的信，上面写着苏武没死，而是在一个大泽中。”汉使听后非常高兴，就按照常惠的话来责备单于。单于听后大为惊奇，却又无法抵赖，只好把苏武放回。,三、鱼传尺素,这些鱼形铭文，用的

3、是“鱼传尺素”的说法来象征邮政通信。 在我国古诗文中，鱼被看作传递书信的使者，并用“鱼素”、“鱼书”、“鲤鱼”、“双鲤”等作为书信的代称。 唐代李商隐在寄令狐郎中一诗中写道：“嵩云秦树久离居，双鲤迢迢一纸书。”,四、青鸟传书 据我国上古奇书山海经记载，青鸟共有三只，名曰诏兰、紫燕（还有一只青鸟的名字笔者没有查阅到），是西王母的随从与使者，它们能够飞越千山万水传递信息，将吉祥、幸福、快乐的佳音传递给人间。 五、黄耳传书 信鸽传书，大家都比较熟悉，因为现在还有信鸽协会，并常常举办长距离的信鸽飞行比赛。信鸽在长途飞行中不会迷路，源于它所特有的一种功能，即可以通过感受磁力与纬度来辨别。早在唐代，信鸽传

4、书就已经很普遍了。,六、风筝通信,风筝，在古时候曾作为一种应急的通信工具，发挥过重要的作用。 传说早在春秋末期，鲁国巧匠公输盘（即鲁班）就曾仿照鸟的造型“削竹木以为鹊，成而飞之，三日不下”，这种以竹木为材制成的会飞的“木鹊”，就是风筝的前身。 最初的风筝是为了军事上的需要而制作的，它的主要用途是用作军事侦察，或是用来传递信息和军事情报。,七、竹筒传书,在我国历史上，还有用竹筒传书的故事。 竹筒传书的故事，得从隋文帝开皇十一年（590年）说起，那年十一月，南方各地纷纷发生叛乱，为了平定叛乱，稳定江山，隋文帝紧急下诏，任命杨素为行军总管，率军前去讨伐。 即派人截了一节竹子，把写好的战事报告装了进去

5、，封好后放入水中，任其漂流而下。,通信概述,通信是信息的远距离传送，是人类生产和生活的主要支撑，我国古代即已有之。 我国古代劳动人民发明的通信工具，如:烽火台、消息树、鸡毛信、信鸽等。 近代人发明了电话、电报、广播、电视及传真等通信方法。 真正使通信面貌焕然一新的要首推计算机的出现。,通信发展史,1837年，Samuel Morse发明了电报。 这一发明使通过一根铜线上的电脉冲来传递信息。 报文的每一字符被转换为一串或长或短的电脉冲 （通俗地讲，就是点和划）传输出去。 这种字符和电脉冲的转换关系被称为莫尔斯码 （Morse Code）。 这种传递信息的能力不需明显的听觉或视觉作为媒体， 带来了

6、一系列的技术革新，改变了人们的通信方式。,电报机的工作原理,电报机如何操作呢？“点” 和“划”又表示什么呢？ 发一个“点”需要0.1秒，发一个“划”时需要0.3秒。 按键时有电流为传号，用 “1”表示；不按键时无电流，空号，用 “0”表示。 一个“点”就用“1、0”来表示， 一个“划”就用“1、1、1、0”来表示。 要传送的字母或数字用不同排列顺序的“点”和“划”来表示。 接收器接收到不同的“点”和“划”的组合，再经过译码，将这些组合的“点”和“划”译成字母、数字或文字。,通信发展史（1）,1876年，Alexander Graham Bell进一步发展了电报技术 消息能转换为电信号，声音也能

7、直接被转换为电信号 由一条电压连续变化的导线传输出去，在导线的另一端，电信号被重新转换为声音。 两点只要之间存在着物理连接，就能互相通话，就产生了电话。,通信发展史（2）,在接下来的70年里，电话系统不断发展，成了一种家庭常用设备。 1945年，世界上第一台电子计算机ENIAC问世 ENIAC与数据或计算机通信似乎没有直接关系，但是它表现出的计算和决策能力在当今的通信系统中至关重要。,通信发展史（3）,80年代成千上万的PC机进入 企业、公司、学校和组织机构 为很多家庭所拥有 现在这么多人有计算机 客观上要求计算机之间能够更简便地交换信息,通信发展史（4）,90年代诞生了因特网，使得世界各地的

8、信息都能够通过计算机轻易地得到。 计算机用户之间能方便地存取文件、程序、视频和声音数据。 诸如聊天室、电子公告牌、机票预定系统等都成为现实。,聊天地图,聊天,BB机,移动通信手机大哥大,现在手机,地图,数据通信的概念,什么是数据通信？ 计算机的CPU与外部设备之间要进行信息交换 一台计算机与其他计算机之间要交换信息 所有这些信息交换均可称为数据通信,数据通信方式,通信方式有两种 并行 串行 根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式 在PC机与外部设备通信时 如距离较小时，采用并行数据通信方式 当距离较大时，采用串行数据通信方式,并行数据通信,并行数据通信是指数据的各位同时进行传送的通信方式 优点

9、是传递速度快 缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线 单片机与打印机之间的数据传送就属于并行数据 通信,两种通信方式的连接,串行通信的传送方式,异步通信和同步通信,目前串行通信是占统治地位 串行通信有两种基本通信方式 同步通信 异步通信,同步通信中，在数据开始传送前用同步字符来指示（常约定12个），由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，下面就连续按顺序传送数据，直到通信告一段落。 同步传送时，字符与字符之间没有间隙，不用起始位和停止位，在数据块开始时用同步字符SYNC来指示，其数据格式如图所示。,同步通信（1）,同步通信（2）,同步字符可以分单同步字符方式或双同步字符方式，

10、然后是连续的数据块。 同步字符可以由用户约定，也可以采用ASC码中规定的SYN代码，即16H。 先发送同步字符，接收方检测到同步字符后，即准备接收数据。,同步通信（3）,在同步传送时，要求用时钟来实现发送端与接收端之间的同步。 为保证接收正确无误，发送方除了传送数据外，还要把时钟信号同时传送。 优点是可以提高传送速率（达56Kbs或更高） 硬件比较复杂,在异步通信中，数据是一帧一帧（包含一个字符代码或一字节数据）传送的，每一串行帧的数据格式如图所示。,异步通信（1）,异步通信（2）,一个字符由四个部分组成： 起始位 数据位 奇偶校验位 停止位。,首先是起始位“0”， 58位数据（低位在前） 奇

11、偶校验位 最后是停止位“1”。,帧格式,起始位“0”信号只占用一位，用来通知接收设备一个待接收的字符开始到来。 线路上在不传送字符时应保持为“1”。 若连续为“1”以后又测到一个“0”，知道发来一个新字符，应马上准备接收。 字符的起始位还用作同步接收端的时钟，保证以后的接收能正确进行。,其它位描述,起始位后面紧接着是数据位 可以是5位（D0D4） 6位、7位或8位（D0D7） 奇偶校验（D8）只占一位 在字符中可以规定不同奇偶校验位，这时这一位就可省去 用这一位（IO）来确定这一帧中的字符所代表信息的性质（地址数据等）,其它位描述,停止位用来表征字符的结束，它一定是高电位（逻辑“1”） 停止位

12、可以是1位、1.5位或2位 接收端收到停止位后，上一字符已传送完毕，也为接收下一个字符作好准备,串-并转换与设备同步,两个通信设备串行通信必须解决两个问题： 一是串并转换 如何把要发送的并行数据串行化 把接收的串行数据并行化 二是设备同步 同步发送设备和接收设备的工作节拍相同 确保发送数据在接收端被正确读出,要想保证通信成功通信双方必须有一系列的约定,作为发送方必须知道 什么时候发送信息 发什么 对方是否收到 收到的内容有没有错 要不要重发 怎样通知对方结束等；,作为接收方必须知道 对方是否发送了信息 发的是什么 收到的信息是否有错 如果有错怎样通知对方重发 怎样判断结束等。,通信规程或协议,

13、这种约定就叫做通信规程或协议，它必须在编程之前确定下来。 只有双方都正确地识别并遵守这些规定才能顺利地进行通信。,要想使通信双方能够正确地交换信息和数据， 在协议中 什么时候开始通信 什么时候结束通信 何时交换信息等问题 都必须作出明确的规定。,串行通信协议,起始位 数据位 奇偶校验位 停止位约定 波特率设置 软件挂钩（握手）信号约定,接收发送时钟,在串行通信过程中不论接收还是发送 都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。 接收发送时钟 就是用来控制接收发送字符数据速度 由微机内部时钟电路产生,在接收数据时 接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样 进行数据位检测 在发送数据时 发送器在发送时钟的

14、下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出。,接收发送时钟,在串行通信中二进制是数字信号，必须有时钟信号对传送的数据进行定位。 接收发送时钟就是用来控制通信设备接收发送字符数据速度的，在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测； 在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出。,接受时钟 发送时钟,允许的波特率误差,若发送和接收的波特率达到理想的一致，那么接收方时钟脉冲的出现时间对数据的采样都在每位数据的中点。 如接收方的波特率比发送方大或小5，对10位一帧的串行数据，会逐位偏移，当接收到第10位时，积累误差达50，采样的数据是第10位数据的临界状态，

15、可能发生错位，5是最大的波特率允许误差。,允许的波特率误差,接收发送时钟频率与波特率有如下关系,接收发送时钟的周期与发送 的数据位宽之间的关系是,（n1，16，64）,接发时钟,2020/11/12,计算机通信应用,计算机之间互传数据只是通信的一个方面。 1962年，一颗被用来在美国和欧洲之间传送电话及电视信号的通信卫星Telstar发射升空，标志着全球领域的通信技术又迈出了新的一步。 通信卫星使各大陆之间的信息传输在技术上和经济上成为可能。,电视信号接受系统,电视天线是接收信号的途径之一。 通过光纤和同轴电缆将电视信号带进家里。 通过自己的接收器，直接接收卫星信号。,网络通信,通信技术有局域

16、网和广域网，分近距离（LAN）或远距离（WAN）的不同计算机进行通信。 可以收发数据文件、进行远程登录、发送电子邮件 （E-mail），或是上网。 能够用电子邮件，在计算机之间收发私人信件和公文。,进行电信会议，首先在各地安装好摄影机和电视，各地的与会者能够看到、听到对方，不同地方的人就能一起参加会议了。需要展示的数字图表也可在会议上播放。 蜂窝式移动电话的发明，它通过无线电波与电话系统联系。有了它，只要附近有发送和接收塔，就可以在车里、野外、球场打电话。,蜂窝式移动电话,蜂窝电话是一种广泛应用的移动通信方式。 为实现这种通信方式，每个蜂窝服务区将被划分为很多小区域，这些小区域称为蜂窝单元。,

17、蓝牙技术,蓝牙技术的起名源于10世纪的挪威国王哈拉德蓝牙，他统一了丹麦和挪威。 1000年后，爱立信公司在研究短距无线连接技术标准时，选用了这个名字，这就是蓝牙技术名称的来源。,蓝牙技术是一种可用于电信和计算机的无线传输技术。 特点是： 短距离、低功率、低成本。 运用无线电波来传输的技术。通过这个标准，可以将所有信息设备连通。,计算机通信焦点问题,焦点问题之一 ： 连接连接介质 导线 电缆 光纤,计算机通信焦点问题,其它焦点问题： 标准性（防止信息发生冲突、解决冲突） 易用性 效率性 低成本 安全性 兼容性 开放性,通信信道,什么是物理信道？ 在发送机与接收机 之间提供的连接。,信道分： 有线

18、信道 无线信道 光纤信道 水声信道,错误概率由下列各种因素描述 1. 码特征传输信息的波形的类型 2. 发送功率 3. 信道的特征 4. 解调和译码的方法,通信信道,有线信道,双绞线、电话线 带宽为几百千赫（kHz） 同轴电缆 带宽是几兆赫（MHz） 波导和光纤 带宽是几吉赫（GHz）,光源： 发送机、调制器、发光二极管（LED）、激光。 信息传送方式： 通过数字信号改变（调制）光源的强度来发送。 光的传播： 像光波一样通过光纤传播，并沿着传输路径被周期性地放大。,光纤信道,光电耦合器,光纤信道,在接收机中：光电二极管检测光的强度，它的输出电信号的变化直接与照射到光电二极管上的光的功率成正比。

19、 噪声源：是光电二极管和电子放大器产生。,无线电磁信道 的频率范围,电磁能是通过作为辐射器的天线耦合到传播媒质的。 天线的物理尺寸和配置主要决定于运行的频率。 为获得有效的电磁能量的辐射，无线必须比波长的1/10长。,无线电磁信道,地波传播 天波传播,天波传播是电离层对发送信号的反射（弯曲或折射）形成的 电离层由位于地球表面之上高度 50400 km范围中的几层带电粒子组成,天波传播,天波传播,在白昼，太阳使较低大气层加热，在高度 120 km以下 形成电离层。 这些较低的层，吸收 2 MHz以下的频率，限制了AM无线电广播的天波传播。 在夜晚，较低层的电离层中的电子密度急剧下降，频率吸收现象

20、明显减少。 功率强大的AM无线电广播电台能够通过天波经位于地球表面之上140400 km范围之内的电离层传播的很远。,水声信道,电磁波在水下不能作长距离传播。（极低频率除外） 低频率的信号传输受到限制。（需要强大功率的发送机） 电磁波在水下的衰减可用表面深度表示。（信号衰减1e的距离） 海水，表面深度，其中f以Hz为单位，以m为单位。 在10 kHz上，表面深度是2. 5 m，声信号能传播几十甚至几百千米。,存储信道,发送数据： 在磁带或磁盘或光盘上存储数据的过程，等效于在电话或在无线信道上发送数据。,恢复信号： 回读过程以及在存储系统中恢复所存储的数据的信号处理，等效于在电话和无线通信系统中

21、恢复发送信号。,用来存储数据的磁盘、光盘、只读光盘 都是数据存储系统，可以表征为通信信道。,通信系统的分类,通信系统的多层次覆盖,数字通信发展的回顾与展望（1）,最早的电通信形式是电报，是一个数字通信系统。 电报由S莫尔斯研制，在 1837年进行了演示试验。 莫尔斯设计出一种可变长度的二进制码，其中英文字母用点划线的序列（码字）表示。 在这种码中，用的较多字母用短码字表示，不常用的字母用较长的码字表示。,莫尔斯在研制第一个电的数字通信系统（电报）中起了重要的作用 现代数字通信系统起源于奈奎斯特（1924年）的研究。 研究了在给定带宽的电报信道上，无符号间干扰的最大信号传输速率。 奈奎斯特用公式

22、表达电报系统的模型，其中发送信号的一般形式为,数字通信发展的回顾与展望（2）,脉冲形状也允许在抽样时刻，对无符号间干扰的数据进行恢复。 奈奎斯特的研究成果等价于带限信号抽样定理的一种形式，后来（1948年）香农准确地阐述了该定理。 香农抽样定理指出：带宽为W的信号可以由它以奈奎斯特速率2W样值/s抽样的样值通过下列插值公式重构,数字通信发展的回顾与展望（3）,数字通信发展的回顾与展望（4）,带宽限制和加性噪声的影响可以和信道联系起来，合并成一个单一的参数，称为信道容量。 在加性高斯白（平坦频谱）噪声干扰情况下，一个带宽为W的理想带信道的容量为,数字通信发展的回顾与展望（5）,在香农的研究成果公

23、布之后，接着就是汉明（Hamming，1950年）的纠错和纠错码的经典研究工作，用来克服信道噪声的不利影响。 在随后的多年中，汉明的研究成果激发了许多研究工作者，发现了种种新的功能强的码，其中许多码用于当今现代通信系统中。,数字通信发展的回顾与展望（6）,对数据传输需求的增长，更复杂的集成电路的开发，导致了更可靠的数字通信系统的发展。 香农关于信道最大传输极限及所达到的性能界限的最初结论及其推广已作为通信系统设计的基准。 由香农和其他研究人员导出的理论极限对信息论的发展做出了贡献。,1.4 计算机网络的发展历程及趋势,计算机网络的定义 计算机网络是通信技术与计算机技术密切结合的产物。 它最简单

24、的定义是：以实现远程通信为目的，一些互连的、独立自治的计算机的集合。 （“互连”是指各计算机之间通过有线或无线通信信道彼此交换信息。,计算机网络的发展历程,1. 计算机网络在全球的发展历程 计算机网络已经历了由单一网络向互联网发展的过程，计算机网络的发展分为以下几个阶段。 第一阶段 诞生阶段（计算机终端网络） 20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统。 第二阶段 形成阶段（计算机通信网络） 20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互联起来，为用户提供服务，兴起于60年代后期，这个时期，网络概念为“以能够相互共享资源”。,计算机

25、网络的发展历程,第三阶段 互联互通阶段（开放式的标准化计算机网络） 20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络具有统一的网络体系结构并遵守国际标准的开放式和标准化的网络。 第四阶段 高速网络技术阶段（新一代计算机网络） 20世纪90年代至今的第四代计算机网络，由于局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术，多媒体网络，智能网络，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以Internet为代表的互联网。,2. 计算机网络在我国的发展历程,我国计算机网络起步于20世纪80年代。 1980年进行联网试验。并组建各单位的局域网。 1989年11月，第一个公用分组交换网建成运行。 1993年建成新公用分组交换网CHIN