计算机网络(第05讲)

1、计算机网络计算机网络（第五讲）主讲：李 勇二零一四年九月2上次课主要内容o数据通信的基本概念数据通信的基本概念n通信线路通信线路n物理链路物理链路n信息、数据与信号信息、数据与信号n信道、带宽信道、带宽n模拟数据与数字数据模拟数据与数字数据n模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号n基带信号与宽带信号基带信号与宽带信号o数字数据用模拟信号编码数字数据用模拟信号编码n调制调制n解调解调o模拟数据用数字信号编码模拟数据用数字信号编码n采样采样n量化量化n编码编码32.4.2 信道极限容量信道极限容量o 寻找提高数据传输速率的途径一直是人们的寻找提高数据传输速率的途径一直是人们的努力方向。努力方向。 1

2、、数据以码元的形式在信道上传输；、数据以码元的形式在信道上传输；2、如果在接收端能识别出原来的信号，失真、如果在接收端能识别出原来的信号，失真对通信质量没有影响，否则则不然；对通信质量没有影响，否则则不然；3、事实上，码元传输的速率越高，或信号传、事实上，码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的失真越严重。体质量越差，在接收端的失真越严重。41、影响信道极限容量的因素、影响信道极限容量的因素o影响码元在信道上传输速率的因素影响码元在信道上传输速率的因素1、信道能够通过的频率范围、信道能够通过的频率范围（1）码

3、间串扰问题。）码间串扰问题。（2）在任何信道中，码元的传输速率都是有上限的，传输速率超过此上限，）在任何信道中，码元的传输速率都是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决成为不可能。就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决成为不可能。（3）带宽越大，传输速率越高。）带宽越大，传输速率越高。2、信噪比、信噪比 （1）信号的平均功率与噪声的平均功率之比，称为信噪比，常记为）信号的平均功率与噪声的平均功率之比，称为信噪比，常记为S/N。并用分贝作为度量单位。并用分贝作为度量单位。 （2）信噪比越高，信号相对噪声越强，传输速率越高。）信噪比越高，信号相对噪

4、声越强，传输速率越高。)(log1010dBdBNS）信噪比（52、评估信道极限容量的理论、评估信道极限容量的理论o 利用奈奎斯特准则和香农定理解决信道的极限容量利用奈奎斯特准则和香农定理解决信道的极限容量问题。问题。1、奈奎斯特准则、奈奎斯特准则2、香农定理、香农定理63、奈奎斯特准则、奈奎斯特准则o 奈奎斯特准则的提出。奈奎斯特准则的提出。1、1924年，年，AT&T工程师奈奎斯特推导出了奈氏准则；工程师奈奎斯特推导出了奈氏准则；2、针对理想信道。、针对理想信道。o 奈奎斯特准则的具体内容。奈奎斯特准则的具体内容。 如果一个任意的信号通过带宽为如果一个任意的信号通过带宽为W的低通滤

5、波器，那么每的低通滤波器，那么每秒采样秒采样2W次就能完整地重现通过这个滤波器的信号。次就能完整地重现通过这个滤波器的信号。 )(log22bpsWV最大数据传输率74、香农定理、香农定理o香农定理内容（香农定理内容（1948年）年）1、噪声存在于所有电子设备和通信信道中，噪声会使接收端对码元、噪声存在于所有电子设备和通信信道中，噪声会使接收端对码元的判决产生错误；的判决产生错误；2、针对有噪声的信道；、针对有噪声的信道；3、信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，用分贝作为、信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，用分贝作为单位。单位。)(log1010dBdBNS）信噪比（)/

6、(log)1(2sbWCNS最大数据传输速率85、香农定理的意义、香农定理的意义o 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。96、小结、小结o 信道的数据传输率是有上限的。信道的数据传输率是有上限的。o 可利用可利用奈奎斯特准则和香农定理来评估信道奈奎斯特准则和香农定理来评估信道的上限数据传输率的上限数据传输率1、理想信道采用、理想信道采用奈奎斯特准则确定信道极奈奎斯特准则确定信道极限容量限容量2、非理想信道采用香农定理确定信道极限容、非理想信道采用香农定理确定信

7、道极限容量量102.4.3 数据通信的基本方式数据通信的基本方式o 数据通信的操作方式数据通信的操作方式1、单工通信、单工通信2、半双工通信、半双工通信3、全双工通信、全双工通信o 数据传输模式数据传输模式1、同步传输、同步传输2、异步传输、异步传输11数据传输模式数据传输模式o 异步传输方式异步传输方式 每传送一个字符，都要在每个字符前加一个起始位，每传送一个字符，都要在每个字符前加一个起始位，而在每个字符后加停止位。这种方式的字符发送是独立而在每个字符后加停止位。这种方式的字符发送是独立的，所以又称为面向字符的异步传输方式。的，所以又称为面向字符的异步传输方式。o 同步传输方式同步传输方式

8、 不加起始位和停止位，而是在发送字符前发送一组同步不加起始位和停止位，而是在发送字符前发送一组同步字符（同步标识），使双方进入发送和接收的同步状态。字符（同步标识），使双方进入发送和接收的同步状态。同步传输方式将字符组作为发送单位，在数据传输过程同步传输方式将字符组作为发送单位，在数据传输过程中提供额外的时间链路或在数据中加入时间信息解决时中提供额外的时间链路或在数据中加入时间信息解决时间漂移（滑动）的问题。间漂移（滑动）的问题。122.4.4 数据交换方式数据交换方式o 电路交换电路交换o 分组交换分组交换o 报文交换报文交换132.4.5 多路复用技术多路复用技术o所谓的多路复用可以理解为

9、在同一条信道上传输多路信号。所谓的多路复用可以理解为在同一条信道上传输多路信号。1、多路：多个不同的信号源。、多路：多个不同的信号源。2、复用：同一信道上同时传输多个不同的信号。、复用：同一信道上同时传输多个不同的信号。o采用多路复用技术，在发送端，可用复用器（采用多路复用技术，在发送端，可用复用器（MUX）以将多路信号）以将多路信号组合在一条信道上进行传输，到接收端再用分用器（组合在一条信道上进行传输，到接收端再用分用器（DEMUX）将各）将各路信号分离开来。路信号分离开来。o多路复用极大地提高了信道的利用率。多路复用极大地提高了信道的利用率。o实现多路复用的前提是信道实际传输能力超过单个信

10、号所要求的的能实现多路复用的前提是信道实际传输能力超过单个信号所要求的的能力。力。141、常用多路复用技术、常用多路复用技术o 频分多路复用技术（频分多路复用技术（FDM）o 时分多路复用技术（时分多路复用技术（TDM）15频分复用基本思想频分复用基本思想o频分复用（频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）1、将信道有效带宽划分成不同的频段；、将信道有效带宽划分成不同的频段；2、在不同的频段上同时传输不同的频率的信号。、在不同的频段上同时传输不同的频率的信号。o频分复用是一种模拟信号技术，在信道有效带宽大于要传输的频分复用是一种模拟信号技术，在信道有效

11、带宽大于要传输的信号所需的带宽时使用。信号所需的带宽时使用。16频分复用的信道划分频分复用的信道划分o在频分复用中，各个频段都有一定的带宽称之为逻辑信道。在频分复用中，各个频段都有一定的带宽称之为逻辑信道。o为防止相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在相邻两个信号的为防止相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在相邻两个信号的频率段之间设立一定的保护带，保护带对应的频谱未被使用。频率段之间设立一定的保护带，保护带对应的频谱未被使用。17频分复用的应用频分复用的应用o 频分复用在模拟信号传输系统中使用，不同频分复用在模拟信号传输系统中使用，不同的信号同时占用不同的频率资源。一旦为某的信号同时占用不同的频率资

12、源。一旦为某个信号分配了频率资源，将不再改变。个信号分配了频率资源，将不再改变。o 频分复用技术成熟，但不够灵活。频分复用技术成熟，但不够灵活。o 常用的频分复用系统常用的频分复用系统1、电话系统、电话系统2、有线电视、有线电视3、ADSL18时分多路复用技术基本思想时分多路复用技术基本思想o时分复用（时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）是一种）是一种数字过程，当信道的最大数据传输率大于各路信号的数据传输数字过程，当信道的最大数据传输率大于各路信号的数据传输率的总和时采用。率的总和时采用。o时分复用将信道的使用时间划分成等长的时间片，每个信号轮时分复用将信道

13、的使用时间划分成等长的时间片，每个信号轮流使用时间片；所有信号使用一次时间片的和为一个周期。流使用时间片；所有信号使用一次时间片的和为一个周期。o每个周期内传输的数据可以看成一个时分复用帧。每个周期内传输的数据可以看成一个时分复用帧。19时分复用的帧构成时分复用的帧构成o一个时分复用帧中包含一个时分复用帧中包含N个信号的数据；个信号的数据；1、N个信号共享同一条信道；个信号共享同一条信道；2、在一定的时间内，可以看到、在一定的时间内，可以看到N个信号个信号“同时同时”使用同一条信道传输；使用同一条信道传输；3、在时刻、在时刻t0信道信道只接受一个信号的发送；只接受一个信号的发送；4、信号占用信

14、道的全部带宽，适合基带传输；、信号占用信道的全部带宽，适合基带传输；o一般来讲，几个低速设备以时分复用的方式共享一条高速信道。一般来讲，几个低速设备以时分复用的方式共享一条高速信道。20时分复用分类时分复用分类o时分复用分为两类时分复用分为两类 1、同步时分复用（、同步时分复用（Synchronous TDM） 采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定的长采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定的长度连续地划分成特定的时间段，再将每个时间段划分成等长的度连续地划分成特定的时间段，再将每个时间段划分成等长的多个时间片，每个时间片以固定的方式分配给各路数字信号。多个时间片，每个时间片以

15、固定的方式分配给各路数字信号。 2、异步时分复用（、异步时分复用（Asynchronous TDM），又称为统计时分），又称为统计时分复用（复用（Statistic TDM） 采用按需分配时间片的方式分配时间片，只有某路用户有采用按需分配时间片的方式分配时间片，只有某路用户有数据发送时才将时间片分配给该用户；当没有数据传输时，将数据发送时才将时间片分配给该用户；当没有数据传输时，将时间片动态分配给其他的用户；共享物理链路的用户数可以大时间片动态分配给其他的用户；共享物理链路的用户数可以大于统计时分复用帧中的时间片数。于统计时分复用帧中的时间片数。21时分复用示例时分复用示例ABCDaabbcd

16、b cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户22统计时分复用示例统计时分复用示例用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用23同步时分复用与统计时分复用总结同步时分复用与统计时分复用总结o 同步时分复用可能会造成线路资源的浪费。同步时分复用可能会造成线路资源的浪费。o 采用统计时分复用的方式对同步时分复用进采用统计时分复用的方式对同步时分复用进行改进，该方式可明显地提高信道利用率。行改进，该方式可明显地提高信道利用率。242、其他的多路复用技术、其他的多路复用技术o 波分多路复用（波分多路复用（WDM）o 码分多

17、址技术（码分多址技术（CDMA）252-1 波分复用基本思想波分复用基本思想o波分复用（波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）1、光在光纤中的传输已经达到了、光在光纤中的传输已经达到了10Gbit/s，几乎达到了单，几乎达到了单个光载波信号传输的极限，但远远没有达到光纤的带宽个光载波信号传输的极限，但远远没有达到光纤的带宽（25000GHz）极限。）极限。2、在借用了频分复用的概念之后，能作到在一个光纤上同时、在借用了频分复用的概念之后，能作到在一个光纤上同时传输多个频率很接近的光载波信号，使传输速率提高。传输多个频率很接近的光载波信号，使传输速率

18、提高。3、在一根光纤上复用两路以上光载波信号称为波分复用、在一根光纤上复用两路以上光载波信号称为波分复用（WDM）。）。 （1） 在光传输信号过程中，由于光的频率很高，表示不方在光传输信号过程中，由于光的频率很高，表示不方便，因此，常用光的波长来表示所使用的光信号，因此，光纤便，因此，常用光的波长来表示所使用的光信号，因此，光纤的复用又称为波分复用。的复用又称为波分复用。 （2）事实上，光信号的波分复用就是光的的频分复用。）事实上，光信号的波分复用就是光的的频分复用。262-2波分复用的发展波分复用的发展o随着技术的发展，在一根光纤上可以复用的路数越来越多，于随着技术的发展，在一根光纤上可以复

19、用的路数越来越多，于是产生了密集波分复用（是产生了密集波分复用（DWDM）技术。）技术。o波分复用的讨论波分复用的讨论 1、不同的信号具有不同的频率。、不同的信号具有不同的频率。 2、不同频率的信号对应光信号中不同的波长；、不同频率的信号对应光信号中不同的波长； 3、因此，可以将不同频率的信号对应到不同波长的光信号上；、因此，可以将不同频率的信号对应到不同波长的光信号上； 4、只要光纤可以传输不同波长的光信号，光的频分复用既波分、只要光纤可以传输不同波长的光信号，光的频分复用既波分复用就能够实现。复用就能够实现。272-3 波分复用示例波分复用示例282-4 码分复用基本思想码分复用基本思想o

20、 各通信用户使用经过特殊挑选的不同码型，各通信用户使用经过特殊挑选的不同码型，在同样的时间内使用同样的频带进行通讯，在同样的时间内使用同样的频带进行通讯，可以理解为码分复用。可以理解为码分复用。1、由于各通信用户使用经过特殊挑选的不、由于各通信用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。同码型，因此各用户之间不会造成干扰。2、事实上，码分复用（、事实上，码分复用（CDM）是另一种）是另一种信道复用技术，也称为码分多址信道复用技术，也称为码分多址（CDMA）。）。3、该方式具有很强的抗干扰能力。、该方式具有很强的抗干扰能力。292-5码分复用工作原理码分复用工作原理o工作原理工作

21、原理 1、在、在CDMA中，每个比特时间再划分为中，每个比特时间再划分为m个短的间隙，称为码片。个短的间隙，称为码片。通常通常m的值为的值为64或或128； 2、使用、使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列；码片序列； 3、要发送、要发送1则发送则发送m bit码片序列，如果发送码片序列，如果发送0则发送则发送m bit码片序码片序列的反码；列的反码； 4、按双极性码惯例，将、按双极性码惯例，将0写成写成-1，1写成写成+1。 5、如果一个站要发送的数据率、如果一个站要发送的数据率b （b/s），由于一个比特要转换成），由于一个比特要转换成m个比特码

22、片，因此该站的实际发送的数据率为个比特码片，因此该站的实际发送的数据率为mb （b/s）；）；6、同时该站所占用的带宽也提高到原来的、同时该站所占用的带宽也提高到原来的m倍，这种通信方式称为倍，这种通信方式称为扩频；扩频；7、扩频分为直接序列扩频和跳频扩频。、扩频分为直接序列扩频和跳频扩频。302-6 码分复用的特点码分复用的特点oCDMACDMA的一个重要特点是每个分站分配的码片序列不仅必须各不相同，并的一个重要特点是每个分站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且必须相互正交；且必须相互正交；1 1、令向量、令向量S S表示表示s s站的码片序列向量，令站的码片序列向量，令T T表示其他任何站

23、的码片向量，表示其他任何站的码片向量，则则S S和和T T的规格化内积都是的规格化内积都是0 0。2 2、向量、向量S S和各站码片反码的向量内积也是和各站码片反码的向量内积也是0 0；3 3、任何一个码片向量和该码片自己的规格化内积都是、任何一个码片向量和该码片自己的规格化内积都是1 1；4 4、任何一个码片向量和该码片反码的规格化内积都是、任何一个码片向量和该码片反码的规格化内积都是-1-1。 01 1miSiTimTSmimiimiiimSmSSmSS112211) 1(111312-7 CDMA工作原理举例工作原理举例S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号

24、SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端32例题：o P62:2-16332.4.6 差错校验和控制差错校验和控制o数据通信要求信息传输具有高度的可靠性，即要求误码率足够低。数据通信要求信息传输具有高度的可靠性，即要求误码率足够低。1、计算机网络中误码率要求低于计算机网络中误码率要求低于10-610-11；2、但数据信号在传输过程中不可避免地会产生差错；、但数据信号在传输过程中不可避免地会产生差错；3、产生差错的主要原因、产生差错的主要原因（1）信道不理想造成的符号间干扰，可通过技术手段消除；）信道不理想造成的符号间

25、干扰，可通过技术手段消除；（2）噪声对信号的干扰是产生差错的主要原因。）噪声对信号的干扰是产生差错的主要原因。o差错校验和控制的主要内容差错校验和控制的主要内容1、差错类型差错类型2、差错控制、差错控制3、常用的检错纠错码、常用的检错纠错码34差错类型差错类型o危害数据传输的噪声大体上分为随机噪声和脉冲噪声，对应引发危害数据传输的噪声大体上分为随机噪声和脉冲噪声，对应引发的差错分为：的差错分为：1 1、随机差错、随机差错 由信道中的热噪声引起的，产生差错的码元与前后码元无关。由信道中的热噪声引起的，产生差错的码元与前后码元无关。如果传输信号的信噪比较高，这种差错是可以减少的。如果传输信号的信噪

26、比较高，这种差错是可以减少的。2 2、突发差错、突发差错 前后码元发生的错误有相关性，一个错误的出现往往引起前后前后码元发生的错误有相关性，一个错误的出现往往引起前后码元也出现错误。码元也出现错误。 35差错控制差错控制o 差错控制的主要方法差错控制的主要方法1、差错检验、差错检验2、反馈纠错、反馈纠错3、前向纠错、前向纠错4、混合纠错、混合纠错36常用的差错检验方法常用的差错检验方法o 垂直冗余校验（垂直冗余校验（VRC）o 水平冗余校验（水平冗余校验（LRC）o 水平垂直冗余校验（水平垂直冗余校验（TRC）o 循环冗余校验（循环冗余校验（CRC）37垂直冗余校验（垂直冗余校验（VRC）1、

27、以字符为单位；、以字符为单位；2、若一个字符为、若一个字符为8位，其中位，其中7位为信位为信息位，最后息位，最后1位为附加的冗余校验位为附加的冗余校验位；位；3、如果整个字符中、如果整个字符中1的个数为奇数，的个数为奇数，则该位为则该位为1，否则为，否则为0；4、该方法能检查出任意个奇数错误，、该方法能检查出任意个奇数错误，但不能发现偶数个错误。但不能发现偶数个错误。XXXXXXX0/138水平冗余校验（水平冗余校验（LRC）1、将要发送的数据以适当的长度划分成组；、将要发送的数据以适当的长度划分成组；2、对组内所有字符的相同位置上的位进行奇偶校验；、对组内所有字符的相同位置上的位进行奇偶校验

28、；3、将得到的一组校验信息附加到信息后；、将得到的一组校验信息附加到信息后；4、这种方法能发现长度小于、这种方法能发现长度小于n（字符的长度）的突发错误和其他错误。（字符的长度）的突发错误和其他错误。XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1234XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1234校验码校验码39水平垂直冗余校验（水平垂直冗余校验（TRC）同时使用垂直冗余校验和水平冗余校验同时使用垂直冗余校验和水平冗余校验XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1234XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1234校验码校验码1、水平垂直冗余校验同时使用水平校验、水平垂直冗余校验同时使用水平校验和垂直校验；和垂直校验；2、水平冗余校验检查不同分组相同位置、水平冗余校验检查不同分组相同位置上的错误；上的错误；3、垂直冗余校验检查分组内的错误。、垂直冗余校验检查分组内的错误。40循环冗余校验（循环冗余