第1章数据通信与网络基础

1、1计算机网络实用教程计算机网络实用教程骆耀祖骆耀祖机械工业出版社机械工业出版社20042004年年第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础概概 述述本课件根据作者编著的计算机网络实用教程一书制作而成。以Linux网络操作系统的实际应用为主线，以常见的Redhat Linux 7.x和8.0为背景，较全面地介绍了TCP/IP网络基础的基本概念和基础知识。包括IPIPv6、ARPRARP、TCPUDP、HTTPHTTP-NG、SNMP等Internet主要协议、网络信息安全、网络Scoket编程及其应用等内容。 本课件内容系统，重点突出，逻辑性强，作者按教与学的普遍规律精心设计每一

2、章的内容，是计算机网络实用教程一书的配套教程，适合多媒体教学用。 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础第第 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础 学习要点学习要点计算机网络基础计算机网络基础数据通信基础数据通信基础 数据编码与差错检测数据编码与差错检测 数据交换方式数据交换方式 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.1.1 1.1.1 计算机网络的定义和发展计算机网络的定义和发展1.1.1 1.1.1 计算机网络的定义和发展计算机网络的定义和发展1.1.2 1.1.2 计算机网络的功能计算机网络的功能1.1.3 1.1.3 网络服务网络服务1

3、.1.4 1.1.4 计算机网络的逻辑构成计算机网络的逻辑构成1.1.5 1.1.5 计算机网络的分类计算机网络的分类第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1. 1. 计算机网络的定义计算机网络的定义 计算机网络就是把分布在不同地点的多个计算机计算机网络就是把分布在不同地点的多个计算机物理地连接起来，按照网络协议相互通信，以物理地连接起来，按照网络协议相互通信，以共享软件、硬件和数据资源为目标的系统。共享软件、硬件和数据资源为目标的系统。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础2. 计算机网络的产生和发展过程计算机网络的产生和发展过程 第一代：以单计算机为中心

4、的联机系统。第一代：以单计算机为中心的联机系统。 第二代：计算机第二代：计算机计算机网络。计算机网络。 第三代：遵循网络体系结构标准建成的网络。第三代：遵循网络体系结构标准建成的网络。 第四代：第四代：InternetInternet时代。时代。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础60-70年代年代:主机通讯为主主机通讯为主以主机以主机(大型机大型机)为中心为中心,非智能终端低速连接主机非智能终端低速连接主机.如如IBM系统采系统采用的用的SNA和和X.25公用数据网公用数据网主机完成一切控制与协调主机完成一切控制与协调,包括资源访问包括资源访问,程序运行程序运行,用户验证

5、等用户验证等,以主机为中心以主机为中心,易于管理和协调易于管理和协调.在真正的网络中即使只有两台计算机在真正的网络中即使只有两台计算机,其资源的协调也将变得十其资源的协调也将变得十分复杂分复杂,需要完成地址定位需要完成地址定位(addressing), 错误检测及恢复错误检测及恢复,数据数据同步及传输协调同步及传输协调.第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础70-80年代年代:网络初期网络初期PC机开始出现并逐渐联入机开始出现并逐渐联入LAN,LAN开始出现开始出现,以共享打印机及硬盘等昂以共享打印机及硬盘等昂贵的外设贵的外设各机构开始建立自己的局域网各机构开始建立自己的局域

6、网,相连的局域网提供了相连的局域网提供了EMAIL及文件传输及文件传输等企业网的基本应用等企业网的基本应用,LAN的出现刺激了网络市场的发展的出现刺激了网络市场的发展小型机小型机,共享共享WAN开始出现开始出现,小型机通常位于外围小型机通常位于外围(非中心点非中心点)以方便紧急以方便紧急情况的处理情况的处理,应用仍然相互独立应用仍然相互独立,彼此分离彼此分离. 典型情况如典型情况如DEC VAX及及DECnet.第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础80-90年代年代:互联网出现互联网出现网络互联开始出现网络互联开始出现,新旧技术混合新旧技术混合,各种网络结构并存各种网络结构

7、并存,应用逐渐转移到分布式服应用逐渐转移到分布式服务务,网络需求进一步发展网络需求进一步发展,传统的通讯方式开始改变传统的通讯方式开始改变各组织的计算机通讯随着新技术的出现而迅速变化各组织的计算机通讯随着新技术的出现而迅速变化,对网际网要求其灵活性对网际网要求其灵活性(flexible),可扩展性可扩展性(scalable),并能适应不同规模的计算机网络并能适应不同规模的计算机网络(分部分部,地区总地区总部部)网际网将网际网将LAN/WAN/计算机系统连接起来计算机系统连接起来,开成国际互联网的雏形开成国际互联网的雏形.第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础90年代年代:全球

8、国际互联网全球国际互联网网络带宽要求更高网络带宽要求更高,此外网络还要满足低延时此外网络还要满足低延时,bandwidth on demand以及以及其他新服务其他新服务, 网络将提供更多的分布式功能并且必须提供语音网络将提供更多的分布式功能并且必须提供语音,数据以数据以及视频的同时传送及视频的同时传送,网络的典型应用如网络的典型应用如: 图象及图片的使用越来越多图象及图片的使用越来越多,大大文件及程序文件及程序,C/S计算及及突发的网络流量等计算及及突发的网络流量等.全求互联网对以上应用的提供了可能全求互联网对以上应用的提供了可能,随着多媒体应用的日益增长随着多媒体应用的日益增长,网络应网络

9、应用对网络带宽要求越来越高用对网络带宽要求越来越高.第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.1.2 计算机网络的功能计算机网络的功能 计算机网络主要有四种功能：计算机网络主要有四种功能： 1.1.数据传送数据传送 2.2.资源共享资源共享 3.3.提高计算机的可靠性和可用性提高计算机的可靠性和可用性 4.4.分布处理分布处理第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.1.3 1.1.3 网络服务网络服务网络提供的应用常被称为服务。例如，电子邮件网络提供的应用常被称为服务。例如，电子邮件就是最常见网络服务。网络打印、文件共享、就是最常见网络服务。网络打印、文件

10、共享、InternetInternet访问、远程拨入能力、主机通信等都是访问、远程拨入能力、主机通信等都是借助于网络实现的关键商业功能。借助于网络实现的关键商业功能。1. 1. 文件和打印服务文件和打印服务 2. 2. 通信服务通信服务3. 邮件服务邮件服务 4. Internet4. Internet服务服务 5. 5. 管理服务管理服务 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1. 文件和打印服务文件和打印服务文件服务指使用文件服务器提供数据文件、应用文件服务指使用文件服务器提供数据文件、应用（比如文字处理程序或电子表格）和磁盘空间共（比如文字处理程序或电子表格）和磁盘空间

11、共享的功能。文件服务是网络的最初应用，并且至享的功能。文件服务是网络的最初应用，并且至今仍是网络的应用基础。使用打印服务来共享网今仍是网络的应用基础。使用打印服务来共享网络上的打印机也会节省时间和资金。络上的打印机也会节省时间和资金。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础2. 通信服务通信服务借助于网络通信服务，远程用户可以通过电话线借助于网络通信服务，远程用户可以通过电话线和调制解调器连接到网络。通信服务器也被称为和调制解调器连接到网络。通信服务器也被称为“访问服务器访问服务器”。 用户可以从一个远程地点在共用户可以从一个远程地点在共享打印机上打印文件，登录到享打印机上打印

12、文件，登录到IBMIBM主机，从内部邮主机，从内部邮件系统接收邮件，或者对内部数据库进行查询。件系统接收邮件，或者对内部数据库进行查询。由于内部资源可以被局域网的用户访问，所以通由于内部资源可以被局域网的用户访问，所以通信服务器有必要进一步加强安全措施。信服务器有必要进一步加强安全措施。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础3. 邮件服务邮件服务对于用户来说，邮件服务是网络最常见的功能。对于用户来说，邮件服务是网络最常见的功能。邮件服务可以保证网络上的用户间电子邮件的保邮件服务可以保证网络上的用户间电子邮件的保存和传送。用户借助于电子邮件可以实现组织内存和传送。用户借助于电子

13、邮件可以实现组织内外的快捷方便的通信。由于邮件服务使用得很频外的快捷方便的通信。由于邮件服务使用得很频繁，因而需要保证有足够的技术支持和管理资源。繁，因而需要保证有足够的技术支持和管理资源。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础4. Internet服务服务InternetInternet服务包括服务包括WWWWWW服务器和浏览器、文件传输服务器和浏览器、文件传输功能、功能、InternetInternet编址方式、安全过滤，以及直接编址方式、安全过滤，以及直接登录到登录到InternetInternet上其他计算机的方法。上其他计算机的方法。InternetInternet

14、服务的概念包含很广泛的网络功能；其重要性日服务的概念包含很广泛的网络功能；其重要性日益增加。益增加。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础5. 管理服务管理服务随着网络变得越来越庞大和复杂，网络会变得很随着网络变得越来越庞大和复杂，网络会变得很难管理。为跟踪大型网络运行情况，有必要使用难管理。为跟踪大型网络运行情况，有必要使用特殊的网络管理服务。网络管理服务可以集中管特殊的网络管理服务。网络管理服务可以集中管理网络，简化网络复杂的管理任务。理网络，简化网络复杂的管理任务。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础 计算机网络从逻辑结构上可以分成两部分：负责数据处

15、理、向网络用户提供各种网络资源及网络服务的用户资源子网和负责数据转发的通信子网。如图1.1所示：图1.1 通信子网和资源子网 1.1.4 1.1.4 计算机网络的逻辑构成计算机网络的逻辑构成第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础2. 计算机网络的拓扑结构计算机网络的拓扑结构 拓扑学（拓扑学（TopologyTopology）是一种研究与大小形状无关的点、线、）是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的学科。从拓扑学的观点看计算机和网络系统，就面特点的学科。从拓扑学的观点看计算机和网络系统，就形成了连网的计算机形成了连网的计算机( (又称节点又称节点) )在地理分布和连接关系上

16、在地理分布和连接关系上的几何构形，称为为计算机网络的拓扑结构。理论计算机的几何构形，称为为计算机网络的拓扑结构。理论计算机和信息研究工作者已提出许多评估网络性能的实际问题，和信息研究工作者已提出许多评估网络性能的实际问题，其中一些问题已归结为图论问题，可以借助图论中的理论其中一些问题已归结为图论问题，可以借助图论中的理论和方法对互连网络的拓扑结构进行设计、分析和性能评估。和方法对互连网络的拓扑结构进行设计、分析和性能评估。常见的网络拓扑结构有总线形、星形和环形。如图常见的网络拓扑结构有总线形、星形和环形。如图1.21.2所示。所示。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础图图1

17、.2 网络的拓扑结构网络的拓扑结构 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础计算机网络有多种分类标准： 一种最常用的分类标准是根据网络范围和计算机之间互连的距离来分类。按地域范围分，计算机网络可分为三类：局部地区网络LAN（局域网），广域网WAN和城域网MAN。若简单地分，计算机可分成远程网和局域网。 计算机网络还可按其他的角度分类：如按通信介质分为有线网和无线网；按速率分为低、中、高速；根据对信道的使用情况，可分点到点通信方式以及多点共享信道模型；按使用范围分为公用网和专用网；按网络控制方式分为集中式和分布式等等。 1.1.5 1.1.5 计算机网络的分类计算机网络的分类第第

18、 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.2 数据通信基础数据通信基础 1.2.1 1.2.1 信道和数据传输介质信道和数据传输介质1.2.2 1.2.2 模拟通信与数字通信模拟通信与数字通信1.2.3 1.2.3 数据传输方式数据传输方式1.2.4 1.2.4 信道的多路复用技术信道的多路复用技术1.2.5 1.2.5 数据通信系统的主要技术指标数据通信系统的主要技术指标 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.2.1 信道和数据传输介质信道和数据传输介质数据信号传输的必经之路称为数据信号传输的必经之路称为“信道信道”。 物理信道由传输介质及有关设备组成。如

19、双绞物理信道由传输介质及有关设备组成。如双绞线、铜轴电缆、光纤、电磁波等都是可传输物理线、铜轴电缆、光纤、电磁波等都是可传输物理信号的介质，它们都可以用于构成物理信道。信号的介质，它们都可以用于构成物理信道。 按传输介质的不同，物理信道可分为有线信按传输介质的不同，物理信道可分为有线信道、无线信道、卫星信道。按在信道上传输信号道、无线信道、卫星信道。按在信道上传输信号的不同，可分为传输正弦波模拟量的模拟信道和的不同，可分为传输正弦波模拟量的模拟信道和传输二进制脉冲电信号的数字信道。传输二进制脉冲电信号的数字信道。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础物理信道由传输媒体及有关设

20、备组成。如双绞线、铜轴电物理信道由传输媒体及有关设备组成。如双绞线、铜轴电缆、光纤、电磁波等都是可传输物理信号的媒体，它们都缆、光纤、电磁波等都是可传输物理信号的媒体，它们都可以用于构成物理信道。网络中两个节点之间的物理通道可以用于构成物理信道。网络中两个节点之间的物理通道常称为通信链路。逻辑信道是建立在物理信道上的一种抽常称为通信链路。逻辑信道是建立在物理信道上的一种抽象信道概念，在信号的发收点之间存在一条间接的连接。象信道概念，在信号的发收点之间存在一条间接的连接。这样的信道是抽象意义下的信道，所以称为逻辑信道。一这样的信道是抽象意义下的信道，所以称为逻辑信道。一条物理信道可被分为几条逻辑

21、信道，多条物理信道亦可合条物理信道可被分为几条逻辑信道，多条物理信道亦可合为一条逻辑信道。通常把逻辑信道称为为一条逻辑信道。通常把逻辑信道称为“连接连接”。按传输媒体的不同，物理信道可分为有线信道、无线信道、按传输媒体的不同，物理信道可分为有线信道、无线信道、卫星信道。按在信道上传输信号的不同，可分为传输正弦卫星信道。按在信道上传输信号的不同，可分为传输正弦波模拟量的模拟信道和传输二进制脉冲电信号的数字信道。波模拟量的模拟信道和传输二进制脉冲电信号的数字信道。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础常用的传输媒体常用的传输媒体（1）双绞线双绞线双绞线（双绞线（Twisted-P

22、airTwisted-Pair）把多个线对扭在一块可以减少各）把多个线对扭在一块可以减少各线对之间或其他电子噪声源的电磁干扰。双绞线主要分为线对之间或其他电子噪声源的电磁干扰。双绞线主要分为两类，即非屏蔽双绞线两类，即非屏蔽双绞线UTPUTP（Unshielded Twisted-PairUnshielded Twisted-Pair）和屏蔽双绞线和屏蔽双绞线STPSTP（Shielded Twisted-PairShielded Twisted-Pair）。）。EIA/TIAEIA/TIA为非屏蔽双绞线制定了布线标准，该标准包括为非屏蔽双绞线制定了布线标准，该标准包括5 5类类UTPUTP。

23、目前常用的是可用于。目前常用的是可用于100Mbit/s100Mbit/s的快速以太网的的快速以太网的5 5类类UTPUTP，里面包括，里面包括4 4对双绞线。双绞线使用对双绞线。双绞线使用RJ-45RJ-45接头连接计算接头连接计算机的网卡或集线器等通信设备。机的网卡或集线器等通信设备。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础双绞线双绞线第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础（2）同轴电缆）同轴电缆同轴电缆同轴电缆(Coaxial Cable)(Coaxial Cable)可以用于长距离的电话可以用于长距离的电话网络、有线电视信号的传输通道以及计算机局域网络

24、、有线电视信号的传输通道以及计算机局域网络。网络。5050的同轴电缆称为基带电缆，可用于数的同轴电缆称为基带电缆，可用于数字信号的直接发送；字信号的直接发送；7575的同轴电缆常用于频分的同轴电缆常用于频分多路转换的模拟信号发送，称为宽带电缆。多路转换的模拟信号发送，称为宽带电缆。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础同轴电缆同轴电缆第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础（3）光缆光缆光缆光缆(Fiber Optic Cable)(Fiber Optic Cable)实际上是用一些透明的光学材料（玻璃光纤实际上是用一些透明的光学材料（玻璃光纤和全塑光纤）拉成

25、细丝，利用光学上的全反射原理使光在这些细丝中和全塑光纤）拉成细丝，利用光学上的全反射原理使光在这些细丝中几乎无损耗地传输，而传输的光携带有信息，从而实现用光进行通信。几乎无损耗地传输，而传输的光携带有信息，从而实现用光进行通信。在光纤通信中，通常使用直接光强调制将二进制信号调成光信号，即在光纤通信中，通常使用直接光强调制将二进制信号调成光信号，即“1 1”对应有光，对应有光，“0 0”对应无光。对应无光。常见的光纤可分为多模光纤与单模光纤两大类。所谓光纤的常见的光纤可分为多模光纤与单模光纤两大类。所谓光纤的“模模”是是指在光纤上反射的一道光线。单模光纤只使用一个点光源，通常使用指在光纤上反射的

26、一道光线。单模光纤只使用一个点光源，通常使用激光，单模光纤传输距离较远激光，单模光纤传输距离较远(3000m)(3000m)。多模光纤连接处使用。多模光纤连接处使用LEDLED作为作为多个点光源。每条光线射入角有一些小的差别，因此光线会在不同的多个点光源。每条光线射入角有一些小的差别，因此光线会在不同的时间到达光纤的另一端，这就是散射。散射会使到达目的地的光信号时间到达光纤的另一端，这就是散射。散射会使到达目的地的光信号变形，削弱了信号强度，影响光信号的传输。因此，多模光纤传输距变形，削弱了信号强度，影响光信号的传输。因此，多模光纤传输距离较近离较近(2000m)(2000m)。第第 1 1

27、章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础光缆光缆第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础（4）无线传输媒体无线传输媒体通过大气传输电磁波的三种主要技术是：微波、通过大气传输电磁波的三种主要技术是：微波、红外线和激光。这三种技术都需要在发送方和接红外线和激光。这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线通路。由于这些设备工作在收方之间有一条视线通路。由于这些设备工作在高频范围内（微波工作在高频范围内（微波工作在10109 910101010HzHz，激光工作，激光工作在在1010141410101515HzHz），因此有可能实现很高的数据的），因此有可能实现很高的数据的传输率

28、。传输率。红外线和激光都对环境干扰特别敏感。微波对环红外线和激光都对环境干扰特别敏感。微波对环境干扰不敏感，对方向性要求不强，但存在着窃境干扰不敏感，对方向性要求不强，但存在着窃听、插入和干扰等一系列不安全问题。听、插入和干扰等一系列不安全问题。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础视距传播和电离层反射视距传播和电离层反射第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础在用无线电波进行通信时，对频率有很严格的限制，因在用无线电波进行通信时，对频率有很严格的限制，因为可以利用的频率资源（也就是频率范围）是有限的。为可以利用的频率资源（也就是频率范围）是有限的。如果对频率

29、的使用没有严格的审核和限制，就会发生通如果对频率的使用没有严格的审核和限制，就会发生通信一片混乱的情况。因此，国际上采用了比较统一的标信一片混乱的情况。因此，国际上采用了比较统一的标准，比如移动通信就划分了一定的频率范围，每一个准，比如移动通信就划分了一定的频率范围，每一个（连续的）频率范围称为频段。其他的频段用于卫星通（连续的）频率范围称为频段。其他的频段用于卫星通信，微波通信等等。信，微波通信等等。无线通信与移动通信虽然都是靠无线电波进行通信的，无线通信与移动通信虽然都是靠无线电波进行通信的，但却是两个概念，首先移动通信肯定是无线通信，但无但却是两个概念，首先移动通信肯定是无线通信，但无线

30、通信侧重于无线，移动通信更注重于其移动性。比如线通信侧重于无线，移动通信更注重于其移动性。比如一个在北京，一个在广州，通过无线电波进行通信，这一个在北京，一个在广州，通过无线电波进行通信，这就是无线通信。如果更强调通信中的移动性，就是移动就是无线通信。如果更强调通信中的移动性，就是移动通信。通信。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.2.2 1.2.2 模拟通信与数字通信模拟通信与数字通信1. 1. 模拟数据与数字数据模拟数据与数字数据2.2.模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号3.3.模拟数据通信与数字数据通信模拟数据通信与数字数据通信第第 1 1 章章 数据通信与网络

31、基础数据通信与网络基础1. 1. 模拟数据与数字数据模拟数据与数字数据 模拟数据模拟数据(Analog Data)是由传感器采集得是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。 数字数据数字数据(Digital Data)(Digital Data)则是模拟数据经则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。 第第 1 1 章章 数

32、据通信与网络基础数据通信与网络基础2.2.模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（模拟信号（analog signalanalog signal）的信号电平是连续变化的；）的信号电平是连续变化的；数字信号（数字信号（digital signaldigital signal）是用两种不同的电平去表示）是用两种不同的电平去表示0 0、1 1比特序列的电压脉冲信号表示；比特序列的电压脉冲信号表示； 按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统

33、两种。拟通信系统与数字通信系统两种。 模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波。 数字信号则是一系列离散的电脉冲或光脉冲。数字信号则是一系列离散的电脉冲或光脉冲。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础3.3.模拟数据通信与数字数据通信模拟数据通信与数字数据通信 模拟数据通信模拟数据通信 数字数据通信数字数据通信数字数据通信的优点数字数据通信的优点第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础（1）模拟数据通信）模拟数据

34、通信目前广泛使用公用电话线路来传输语音或计算机数字数目前广泛使用公用电话线路来传输语音或计算机数字数据对应的模拟信号，也可以使用有线电视网来传输视频据对应的模拟信号，也可以使用有线电视网来传输视频和计算机数字数据对应的模拟信号；而微波与卫星通信和计算机数字数据对应的模拟信号；而微波与卫星通信传输的也可以是模拟数据或数字数据对应的模拟信号。传输的也可以是模拟数据或数字数据对应的模拟信号。为了用模拟数据通信的方法实现模拟数据和数字数据的为了用模拟数据通信的方法实现模拟数据和数字数据的远距离传输，一般不直接传输模拟信号远距离传输，一般不直接传输模拟信号( (包括由数字信号包括由数字信号转换而来的模拟

35、信号转换而来的模拟信号) )，而是在发送方使用某一频率的电，而是在发送方使用某一频率的电磁波作为载波磁波作为载波(Carrier)(Carrier)，然后用模拟信号或数字信号对，然后用模拟信号或数字信号对其进行调制其进行调制(Modulation)(Modulation)，调制后的载波信号，调制后的载波信号( (为模拟信为模拟信号号) )占有以该载波频率为中心的一段频谱，并能在适于该占有以该载波频率为中心的一段频谱，并能在适于该载波频率的媒体上传输；而在接收方则通过解调载波频率的媒体上传输；而在接收方则通过解调(Demodulation)(Demodulation)还原叠加于载波上的模拟信号或

36、数字信还原叠加于载波上的模拟信号或数字信号。可完成调制和解调的装置称为调制解调器号。可完成调制和解调的装置称为调制解调器(Modem)(Modem)。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础（2）数字数据通信）数字数据通信数字数据通信指直接利用数字传输技术在数字设备之间传数字数据通信指直接利用数字传输技术在数字设备之间传输数字数据或模拟数据对应的数字信号。由于计算机使用输数字数据或模拟数据对应的数字信号。由于计算机使用二进制数字信号，因而计算机与其外部设备之间、局域网二进制数字信号，因而计算机与其外部设备之间、局域网和城域网大多直接采用数字数据通信。此外，目前北美采和城域网大多

37、直接采用数字数据通信。此外，目前北美采用的用的2424路路PCMPCM脉码调制脉码调制( (速率为速率为1.544Mpbs) 1.544Mpbs) 电话系统，欧洲电话系统，欧洲和 我 国 采 用 的 是 根 据 国 际 电 话 电 报 咨 询 委 员 会和 我 国 采 用 的 是 根 据 国 际 电 话 电 报 咨 询 委 员 会（Consultative Committee on International Consultative Committee on International Telephone and Telegraph, CCITTTelephone and Telegraph

38、, CCITT）建议的一种）建议的一种3030路路PCMPCM脉码调制电话系统脉码调制电话系统( (速率为速率为2.048Mbps)2.048Mbps)都是数字数据通信系都是数字数据通信系统。统。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础（3）数字数据通信的优点）数字数据通信的优点 来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数字信号的形式，并通过数字通信系统传输。字信号的形式，并通过数字通信系统传输。 以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据帧来发现与纠正通信错误，有效保证

39、通信的可靠性。帧来发现与纠正通信错误，有效保证通信的可靠性。 在长距离数字通信中，可通过中继器放大和整形来保证在长距离数字通信中，可通过中继器放大和整形来保证数字信号的完整，不累积噪音。数字信号的完整，不累积噪音。 使用加密技术可有效增强通信的安全性。使用加密技术可有效增强通信的安全性。 数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现，并与计算机相结合，而由于超大规模集成成电路来实现，并与计算机相结合，而由于超大规模集成电路技术的迅速发展，数字设备的体积与成本的下降速度电路技术的迅速发展，数字设备的体积与成本的下降速度大大超过模拟设

40、备，性能大大超过模拟设备，性能/ /价格比高。价格比高。 多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率。多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率。 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础近近2020年来，数字数据通信技术已开始发展并得到年来，数字数据通信技术已开始发展并得到广泛应用。目前，数字通信已开始在长距离话音广泛应用。目前，数字通信已开始在长距离话音和数字数据领域逐渐替代传统的模拟通信。计算和数字数据领域逐渐替代传统的模拟通信。计算机网络技术的应用发展，则大大推动了数字通信机网络技术的应用发展，则大大推动了数字通信技术的迅速发展。可以预言，数字数据通信最终技术的迅速发展

41、。可以预言，数字数据通信最终将取代模拟数据通信。将取代模拟数据通信。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.2.3 1.2.3 数据传输方式数据传输方式 1. 1. 基带传输和宽带传输基带传输和宽带传输 2. 2. 并行与串行方式并行与串行方式 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础（1 1）基带信号与基带传输）基带信号与基带传输 基带信号基带信号(Baseband Signal)(Baseband Signal)直接用两种不同的电直接用两种不同的电压来表示数字信号压来表示数字信号1 1和和0 0，脉冲信号的基本频带可，脉冲信号的基本频带可以从直流成分到数

42、兆赫，频带较宽。因为将对应以从直流成分到数兆赫，频带较宽。因为将对应矩形电脉冲信号的固有频率称为矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带基带”，这些，这些二进制数字脉冲信号称为基带信号。二进制数字脉冲信号称为基带信号。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础（2 2）宽带信号与宽带传输）宽带信号与宽带传输 宽带信号宽带信号(Wideband Signal)(Wideband Signal)用多组基带信号用多组基带信号1 1和和0 0分别调制不同频率的载波，并由这些分别占用不分别调制不同频率的载波，并由这些分别占用不同频段的调制载波组成。同频段的调制载波组成。宽带传输以宽带同轴电缆作为

43、传输媒体，使用时宽带传输以宽带同轴电缆作为传输媒体，使用时将频带划分为几个子频带，分别使用这些频带来将频带划分为几个子频带，分别使用这些频带来传输音频信号、视频信号以及数字信号。宽带传传输音频信号、视频信号以及数字信号。宽带传输的技术要求高、设备多，因而成本较高。输的技术要求高、设备多，因而成本较高。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础基带传输和宽带传输最重要的区别是：基带传输采用的是基带传输和宽带传输最重要的区别是：基带传输采用的是“直接控制信号状态直接控制信号状态”的传输方式，而宽带传输采用的传输方式，而宽带传输采用“控控制载波（制载波（CarrierCarrier）信

44、号状态）信号状态”的传输技术。由于早期的载的传输技术。由于早期的载波传输都应用在模拟传输上，所以早期的教科书往往将宽波传输都应用在模拟传输上，所以早期的教科书往往将宽带传输、载波传输与模拟传输划上等号。但载波在数字传带传输、载波传输与模拟传输划上等号。但载波在数字传输上的应用越来越频繁，通信卫星的无线载波早已数字化，输上的应用越来越频繁，通信卫星的无线载波早已数字化，未来将普及的高清晰度电视的广播信号也采用数字载波信未来将普及的高清晰度电视的广播信号也采用数字载波信号传送电视节目。号传送电视节目。注意：在各种新闻媒体和广告中出现的注意：在各种新闻媒体和广告中出现的“宽带上网宽带上网”，是，是相

45、对传统的调制解调器连接（称为相对传统的调制解调器连接（称为“窄带连接窄带连接”）而言的。）而言的。表示线路的传输带宽很表示线路的传输带宽很“宽宽”，所以连接速度很快。此时，所以连接速度很快。此时说的说的“宽带宽带”与有无载波无关。这只是不同的事物使用了与有无载波无关。这只是不同的事物使用了同一个名称。同一个名称。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础2. 并行与串行方式并行与串行方式 根据一次传输数位的多少，可把基带传输分为并行根据一次传输数位的多少，可把基带传输分为并行(Parallel)(Parallel)方式和串行方式和串行(Serial)(Serial)方式，前者是通

46、过一组传方式，前者是通过一组传输线多位同时传输数字数据，后者是通过一对传输线逐位输线多位同时传输数字数据，后者是通过一对传输线逐位地传输数字代码。地传输数字代码。并行传输方式要求并行的各条线路同步，因此需要传输定并行传输方式要求并行的各条线路同步，因此需要传输定时和控制信号，而并行的各路信号在经过转发与放大处理时和控制信号，而并行的各路信号在经过转发与放大处理时，将引起不同的延迟与畸变，故并行同步较难实现。串时，将引起不同的延迟与畸变，故并行同步较难实现。串行通信双方常以行通信双方常以“数据帧数据帧”为单位传输信息，但由于串行为单位传输信息，但由于串行方式只能逐位传输数据，因此，在发送方需要进

47、行信号的方式只能逐位传输数据，因此，在发送方需要进行信号的并并/ /串转换，而接收方则需要进行信号的串串转换，而接收方则需要进行信号的串/ /并转换。并转换。 通常，计算机内部以及计算机与并行打印机之间采用并行通常，计算机内部以及计算机与并行打印机之间采用并行方式，而在远距离数字通信中多采用串行方式。方式，而在远距离数字通信中多采用串行方式。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础3. 串行数据的传输方式串行数据的传输方式 在串行数据传输中，信息以连续的数据位流形式在串行数据传输中，信息以连续的数据位流形式传输。串行数据通信的方向性结构有三种，即单传输。串行数据通信的方向性结构

48、有三种，即单工、半双工和全双工，如图工、半双工和全双工，如图1.2所示。所示。 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础图1.2 单工、半双工、全双工 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础4.4.异步传输与同步传输异步传输与同步传输 同步问题的重要性同步问题的重要性 在数字通信中，当发送器通过传输介质向接收器传在数字通信中，当发送器通过传输介质向接收器传输数据信息时，如每次发出一个字符输数据信息时，如每次发出一个字符(或一个数据帧或一个数据帧)的的数据信号，接收器必须识别出该字符数据信号，接收器必须识别出该字符(或该帧或该帧)数据信号数据信号的开始位和结束位

49、，以便在适当的时刻正确地读取该的开始位和结束位，以便在适当的时刻正确地读取该字符字符(或该帧或该帧)数据信号的每一位信息，这就是接收器与数据信号的每一位信息，这就是接收器与发送器之间的基本同步问题。发送器之间的基本同步问题。 (2)(2)异步传输与同步传输异步传输与同步传输 异步传输以字符为单位传输数据，采用位形式的字异步传输以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器任一方都不向对方提供符同步信号，发送器和接收器任一方都不向对方提供时钟同步信号。时钟同步信号。同步传输以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式同步传输以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号

50、。或位组合形式的帧同步信号。 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.4(a)频分多路复用 1.2.4 信道的多路复用技术信道的多路复用技术1.1.频分多路复用频分多路复用FDMFDM 频分多路复用如图频分多路复用如图1.4(a)所示。所示。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1.4(b)时分多路复用 2.2.时分多路复用时分多路复用TDMTDM 时分多路复用如图时分多路复用如图1.4(b)1.4(b)所示。所示。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础3.T13.T1载波与载波与E1E1载波载波(1)T1(1)T1载波载波 贝尔实验室系

51、统的贝尔实验室系统的T1T1载波利用脉码调制载波利用脉码调制PCMPCM和时分多路复用和时分多路复用TDMTDM技术，使技术，使2424路采样声音信号复用一个通道。每一个帧包路采样声音信号复用一个通道。每一个帧包含含 193193位，每一帧用位，每一帧用 125us125us时间传送。时间传送。T1T1系统的数据传输系统的数据传输速率为速率为1.544Mbps1.544Mbps。 （2 2）E1E1载波载波国际电话电报咨询委员会国际电话电报咨询委员会CCITTCCITT（Consultative Consultative Committee on International Telephone

52、 and TelegraphCommittee on International Telephone and Telegraph）建议了一种建议了一种2.048Mbps2.048Mbps速率的脉码调制速率的脉码调制PCMPCM载波标准，称为载波标准，称为E1E1载波载波( (欧洲和我国采用的标准欧洲和我国采用的标准) )。它每一帧开始处有。它每一帧开始处有8 8位同位同步作用，中间有步作用，中间有8 8位作用信令，组织位作用信令，组织3030路路8 8位数据，全帧包位数据，全帧包括括256256位，每一帧用位，每一帧用 125us125us时间传送。可计算出时间传送。可计算出E1E1系统的数系

53、统的数据传输速率为：据传输速率为：256256位位/125us=2.048Mbps/125us=2.048Mbps。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础图1.5 T1载波帧结构 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础4. 波分多路复用波分多路复用 在光纤信道上使用的波分多路复用在光纤信道上使用的波分多路复用(Wave Division (Wave Division MultiplexingMultiplexing，WDM)WDM)实际上是频分多路复用的一个变种。实际上是频分多路复用的一个变种。如图如图1.61.6所示。波分多路复用的本质是在一条光纤中用不同

54、所示。波分多路复用的本质是在一条光纤中用不同颜色的光波进行传输信号，而不同的色光在光纤中传输彼颜色的光波进行传输信号，而不同的色光在光纤中传输彼此不干涉。所以，一条光纤就变成了几条光纤的容量，光此不干涉。所以，一条光纤就变成了几条光纤的容量，光纤中单色光传输信号的频率达到几纤中单色光传输信号的频率达到几GHzGHz，而使用波分复用后，而使用波分复用后一根光纤的总带宽大约是一根光纤的总带宽大约是25000GHz25000GHz，因此可以将很多信道，因此可以将很多信道复用到长距离光纤上，但需要解决光入和光出的合并分离复用到长距离光纤上，但需要解决光入和光出的合并分离问题。许多国家已经采用波分复用技

55、术对已铺设的光纤线问题。许多国家已经采用波分复用技术对已铺设的光纤线路进行扩容。然而，在通信网络节点仍需光电、电光路进行扩容。然而，在通信网络节点仍需光电、电光转换和电信号处理，克服电子转换和电信号处理，克服电子“瓶颈瓶颈”的办法是建设全光的办法是建设全光通信网。光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，通信网。光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，支持支持ATMATM和和IPIP的光分组交换，是下一代全光网络技术。的光分组交换，是下一代全光网络技术。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础图图1.6 波分多路复用波分多路复用 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信

56、与网络基础1.2.5 1.2.5 数据通信系统的主要技术指标数据通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标是有效性和可靠性。数通信系统的主要技术指标是有效性和可靠性。数字通信系统的有效性是指数据传输的最大速度，字通信系统的有效性是指数据传输的最大速度，也就是数字信道的容量；可靠性指误码率，即也就是数字信道的容量；可靠性指误码率，即传输中出错码与传输总码数之比。传输中出错码与传输总码数之比。 1. 1. 带宽带宽 2. 2. 信道容量信道容量 3. 3. 比特率比特率 4. 4. 波特率波特率 5. 5. 误码率误码率 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础1. 带宽带宽在模

57、拟信道中，常用带宽表示信道传输信息的能在模拟信道中，常用带宽表示信道传输信息的能力。带宽即传输信号的最高频率与最低频率之差，力。带宽即传输信号的最高频率与最低频率之差，即信号的频谱范围。理论分析表明，模拟信道的即信号的频谱范围。理论分析表明，模拟信道的带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率也越高。带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率也越高。这也是为什么总是努力提高通信信道带宽的原因。这也是为什么总是努力提高通信信道带宽的原因。 第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础2. 信道容量信道容量对于数字通信系统，有时用信道的容量，即用单位时间内对于数字通信系统，有时用信道的容量，即用单

58、位时间内最大可传输信息的位数，作为信道传输信息的最大能力的最大可传输信息的位数，作为信道传输信息的最大能力的指标。信道容量与信道频带、可用时间及能通过的信号功指标。信道容量与信道频带、可用时间及能通过的信号功率与干扰功率比值有关。无噪音理想信道信道容量与信道率与干扰功率比值有关。无噪音理想信道信道容量与信道的带宽的关系如下：的带宽的关系如下：C=2HC=2H* *loglog2 2n n （1.11.1）其中：其中：C C为信道容量，为信道容量，H H为信道带宽（信道能够传输信号的为信道带宽（信道能够传输信号的最大频率范围），最大频率范围），n n为传输时为一个码元所取的离散值个数。为传输时为

59、一个码元所取的离散值个数。本公式也称为奈奎斯特公式或无噪信道传输能力公式。本公式也称为奈奎斯特公式或无噪信道传输能力公式。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础【例【例1-11-1】普通电话线路带宽约】普通电话线路带宽约3kHz3kHz，则码元速率，则码元速率极限值极限值B=2B=2* *H=2H=2* *3k=6kBaud 3k=6kBaud ；若码元的离散值个数若码元的离散值个数N=16N=16，则最大数据传输速率，则最大数据传输速率C=2C=2* *3k3k* *loglog2 216=24kbps16=24kbps。对有噪音的实际信道，其关系如下：对有噪音的实际信道，

60、其关系如下：C=HC=H* *loglog2 2 (1+S/N) (1+S/N) （1.21.2其中：其中：S/N S/N 为接收端的信噪比。为接收端的信噪比。本公式也称为香农公式。本公式也称为香农公式。第第 1 1 章章 数据通信与网络基础数据通信与网络基础【例【例1-21-2】已知信噪比为】已知信噪比为30dB30dB，带宽为，带宽为3kHz3kHz，求信，求信道的最大数据传输速率。道的最大数据传输速率。 10lg(S/N)=30 S/N=10 10lg(S/N)=30 S/N=1030/1030/10=1000=1000 C=3klog C=3klog2 2(1+1000)30k bps