第2章 计算机网络

第2章计算机网络通信基础2.1数据通信基础知识1、信息信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。

2、数据数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。

⑴模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的,例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。

⑵数字数据：在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的,它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。2.1.1信息、数据、信号和信道3、信号信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号

⑴模拟信号：是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图（a）所示。

⑵数字信号：是离散的不连续的电信号,通常用“高”和“低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据,如图(b)所示。4、信道

信道是信息从发送端传输到接受端的一个通路。一般由传输介质和相应的传输设备组成。

2.1.2数据通信系统数据通信的目的是两个用户之间交换信息。数据通信系统是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据终端设备而完成数据通信的系统。数据通信系统一般由三部分组成：源系统、传输系统、目的系统。1、数据通信系统模型2.2.1数据通信系统的模型

传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机2、数据通信主要技术指标1)数据传输速率：也称比特速率，单位是位/秒，记为bit/s、b/s或bps2)信号传输速率：也称码元速率，单位波特，记为Baud,以B表示数据传输速率=信号传输速率xlog2N(bps)3)信道容量:表示信道传输数据的能力，4)误码率：衡量差错的指标。误码率=接收的错误的二进制比特数/传输的总的二进制比特数5)信道带宽：在给定的范围内可用于传输的最高频率与最低频率的差值6)信道延迟：指信号从发送方发出经信道到达接受方所需要的时间。3、奈奎斯特和香农公式

⑴奈奎斯特(Nyquist)定理：1942年,H.Nyquist证明，任何一个信号如果通过带宽为W（Hz）的理想低通滤波器，若每秒取样2W次，就可以完整地重现该滤波过后的信号。在理想条件下(无噪音有限带宽W的信道)，其最大的数据传输速率C（信道容量）为：式中：L为离散性信号或电平的个数##L（2）香农公式香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

S/N------信噪比，本身没单位，通常换算成10lgS/N表示，单位dB香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。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办法来实现无差错的传输。若信道带宽

W

或信噪比

S/N

没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率

C

也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。2.2数据传输介质传输介质也称传输媒体或传输媒介。一般来说，传输介质可分为两大类：（1）导向传输媒体（有线介质）（2）非导向传输媒体（无线介质）常见的有线介质有双绞线、同轴电缆和光纤常见的无线介质有无线电波、微波和红外线2.2.1双绞线双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这时就要使用中继器（Repeater）来放大信号和再生波形。双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）。2.2.2同轴电缆同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介质，可以通过专用的中同轴电缆(俗称粗缆)或小同轴电缆(俗称细缆)来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图所示。

同轴电缆的最大优点是抗干扰性强,而且支持多点连接。

缺点是物理可靠性不好，所以现在基本上已被双绞线所替代。保护层、屏蔽层、绝缘层、导体同轴电缆结构示意图各种电缆铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆2.2.3光纤光纤是光导纤维（FiberOptics）的简称，采用光导纤维作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、应用前途最广泛的一种。1、光纤的结构光纤有纤芯、封套和外套组成。中心一般是玻璃纤芯，光芯外包围着一层折射率比纤芯低的玻璃封套又叫包层。最外层是一层薄的塑料外壳。通常把多条光纤扎成束，再加上外壳构成光缆。2、光纤的系统光纤的系统由三部分组成：光发送器、光纤介质和光接收器。发送端的光发送器利用电信号对光源进行光强控制，从而将电信号转换成光信号；光信号进过光纤介质传输到光接收端；光接收器通过光电二极管再把光信号还原成电信号。3、光纤分类纤芯中光束的多少可分为单模光纤（8.3/125um）和多模光纤（50/125um，62.5/125um）两种。单模光纤多模光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤传输介质带宽速率/工作频带性能传输距离价格应用同双绞线宽带基带≤1Gb/s较好模拟：10km数字：500m低模拟/数字信号传输50Ω同轴电缆75Ω铜轴电缆基带10Mb/s较好＜3km低基带数字信号宽带≤450MHz较好100km中模拟、数据、音频光纤宽带49Gb/s很好2km以上高高4、光纤通信特点与双绞线和同轴电缆比较，光纤通信有很多优点。传输信号的频带宽，通信容量大；信号衰弱减小，传输距离长；抗干扰能力强，应用范围广；极高的数据传输率，极低的误码率2.2.4无线介质1.微波

无线微波通信在数据通信中占有重要地位。微波在空间主要是直线传播。传统的微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信2.扩频无线电3.红外线4.激光扩频无线电是一种新的民用无线通信技术，具有传输速率高、发射功率小、抗干扰能力强以及保密性好等特点。其方向性很强，不易受电磁波干扰。但红外线的穿透能力较差，易受障碍物的阻碍物的阻碍，所以一般做为近距离传输介质。其方向性很强，不易受电磁波干扰。2.3数据传输方式2.3.1模拟传输与数字传输2.3.2串行通信与并行通信2.3.3数据传输方向2.3.4同步传输与异步传输2.3.1模拟传输与数字传输1.模拟传输与模拟传输系统

一般来说，模拟数据是时间的连续函数，并且占有一定的频谱范围。模拟数据可以直接用占有相同频谱的电信号来表示。模拟传输系统中传输的信号既可以表示模拟数据，也可以表示数字数据。但无论传输哪种类型数据，在传输一定距离后，模拟信号都会衰减和畸变。为了实现长距离传输，模拟传输系统使用放大器来增强信号的能量，但同时也放大了信号中的噪声分量，结果会导致信号发生畸变，甚至造成数据传输错误。模拟数据传输系统的典型应用是模拟电话传输系统。2.数字传输与数字传输系统

数字数据是时间的离散函数。数字数据可以直接在数字信道上传输，模拟数据经过采样、量化和编码后也可以在数字信道上传输。长距离的传输也会导致信号的衰减和畸变，严重时影响到数据的完整性与正确性。为了延长传输距离，数字传输系统通常使用中继器来克服信号衰减和畸变。中继器将接收到的数字信号经过整形回复后，再将信号发送出去，从而克服信号的衰减和畸变。为了提高信号的干扰能力，并且便于接收端信号同步，数据必须经过适当的编码后才能传输。在数字传输系统中，每个端点必须通过编码解码器来实现数据编码与解码。2.3.2串行通信与并行通信1.串行通信

串行传输方式中，要把传输的数据变成数据流，在一条串行通信道上进行传输，一次只传输一个二进制位，接收方再将这一串二进制比特流转化为数据，从而实现串行通信。串行通信的数据传输的速度较并行传输慢，但是它只占用一条信道，通信成本较低，而且信号串扰较小，可用于长距离传输。源点终点2.3.2串行通信于并行通信2.并行通信

并行通信方式中，要把传输的数据以组为单位分为多组，每组信息的多位数据在多个并行信道上同时传输，如果需要还可以附加一位校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可以直接使用。并行通信特点如下：1.一位(比特）时间内可传输多个比特，传输时间快。2.每位数据传输要求一个单独的信道，通信成本高。3.由于信道之间的电容感应，远距离传输可靠性较低，一般适用于近距离传输。源点终点2.3.3数据传输方向

按照数据在信道上传输方向与时间的关系，可以把数据通信方式分为单工通信、半双工通信和全双工通信。单工半双工全双工ABABAB2.3.4同步传输与异步传输

在数据通信系统中，整个计算机通信系统能否正确有效地工作，在相当程度上依赖于是否能很好地实现同步。目前,串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即同步通信方式和异步通信方式。

1、同步传输（Synchronous）

⑴位同步：在数据通信过程中，接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率，这个过程就叫做位同步。实现位同步的方法主要有以下两种：

①外同步法。是在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。2.3.4同步传输与异步传输②内同步法。是从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法，曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟的编码方法。

⑵字符同步：为保证收发双方正确传输字符,将字符以组为单位传送，在每组字符之前加上一个用于同步控制的同步字符SYN，数据结束后加上后同步信号，接收端根据SYN与后同步信号确定数据字符的起始与终止。同步传输方式如图2-25所示。图2-25同步传输方式示意图1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字节数据帧同步字节2.3.4同步传输与异步传输2.异步传输（asynchronous）

异步传输一次只传输一个字符,每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为“0”,占一位;停止位为“1”,占1-2位。在没有数据发送时发送方可发送连续的停止位，接收方根据“1”至“0”的跳变来判别一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。异步传输方式如图所示。11011010101001101100100010110101101100数据传输方向停止位数据位起始位2.4数据交换技术各种数据经过编码后在通信线路上进行传输，实现数据通信。数据通信最简单的方式是利用传输介质将两个端点直接相连，但每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的，通常通过一个由多个结点组成的中间网络，把数据从源结点转发到目的结点，实现相互通信。因此，数据交换是研究如何通过中间网络实现联网计算机之间的数据交换问题。目前，常用的网络数据交换方式可归结为以下3种:2.4.1★线路（电路）交换2.4.2★报文交换2.4.3★分组交换

2.4.1线路交换1.电路交换概念电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种直接交换方式。在数字通信中，电路交换传输主要是应用同步传输模式来实现的。电路交换的过程分为3个步骤：(1)电路建立(2)数据传输(3)电路拆除在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。

数据传输结束后，由某一方发出拆除请求然后逐节拆除到对方节点。2.4.1线路交换电路交换原理如下图所示源节点A目的节点B公用电话交换网123456源节点A交换节点1交换节点6呼叫请求呼叫应答数据数据释放请求释放应答目的节点B电路建立数据传输电路拆除2.4.1线路交换2、电路交换的优点(1)连接建立后,数据以固定的传输率传输,传输延迟小。(2)由于物理线路被单独占用,故不可能发生冲突;(3)适用于实时大批量连续的数据传输。3、电路交换的缺点(1)建立连接将跨多个设备或线缆，则会需要花费很长的时间。(2)连接建立后，由于线路是专用的，即使空闲，也不能被其它设备使用造成一定的浪费。(3)对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。2.4.2文报交换1、报文交换的工作原理

报文交换类似于发送信件，是以报文为单位发送信息，不管发送数据的长度是多少都把它当作一个逻辑单元，每个报文由报头、正文和报尾3部分组成，报头中包含发送计算机的地址和接收信息的计算机地址。通信子网根据报头目的地址选择路径在两个结点之间的一段链路上逐段传输，不需要在两个主机之间建立多个结点组成的通道,报文交换过程如图2-39所示。2.4.2文报交换如图所示主机A主机BCCCDCGCA通信子网CFCBCE图2-39报文交换过程2.4.2文报交换2、报文交换的优点

⑴电路利用率高。报文可以分时共享交换设备间的线路。

⑵在电路交换网络上，当通信量变得很大时,就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上,通信量大时仍然可以接收报文,不过传送延迟会增加。

⑶报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。

⑷报文交换网络可以进行速度和代码的转换。3、报文交换的缺点

⑴数据的传输延迟比较长，且延迟时间长短不一，因此不适用于实时或交互式的通信系统。

⑵

当报文传输错误时，必须重传整个报文。2.4.3分组交换分组交换是报文交换的改进，因而又称为报文分组交换。它将报文分成若干个分组,每个分组的长度有一个上限,有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，以提高交换速度。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。报文分组的结构如图2-40所示。1010010101…0110011010首部数据首部数据首部数据报文报文图2-40报文分组的组成2.3.4分组交换报文分组交换是在电路交换和报文交换的基础上发展起来的,因而结合了两者的优点,并且有数据报方式和虚电路方式。2.4.3分组交换1.分组交换过程

分组交换技术在文报交换的基础上，进行了一些改进。在发送端，把要发送的数据划分为长度固定的数据段，每一个数据段前面加上头部信息组成一个完整的“分组’’，每个分组独立进行寻找路径和传输，利用存储-转发方式，将各个分组传输到目的地。分组头部包含目的地址、源地址以及其他附加信息。当一次数据传输的所有分组都到达接受方时，接收方再将所有分组重组为原来的数据。2.4.3分组交换2.分组交换的特点1.分组具有统一的格式、长度较短并且长度限定在一定范围内。2.分组是暂时保存在节点的内存中，而不是被保存在节点的外存中，交换速率高。3.分组交换采用的是动态分配信道的策略，能充分利用链路的宽带。节点和链路的使用为共享方式，极大地提高了通信线路的利用率。2.4.3分组交换3.分组交换的两种工作方式

1、数据报方式在数据报方式中子网接收主机A发送的报文经编址、拆卸后分成若干分组,设有3个分组P1、P2、P3。CA将根据子网当前的通路情况及通信量情况,将分组P1、P2、P3沿不同的子网路径发送出去,接收端将接收的分组重新组装成报文。这类服务没有建立链路和拆除链路的过程，如图2-42所示。2.4.3分组交换如图所示主机ACCCDCGCA通信子网CFCBCEP1P2P3P3P2P1P2P1P1P2P3P3P1P3主机B图2-42数据报方式交换过程2.4.3分组交换2、虚电路方式

虚电路方式是试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，发挥两种方法的优点,达到最佳的数据交换效果。与电路交换方式类似，虚电路方式在数据传输前也要建立一条传输通路，但这条通络是逻辑的而非物理的虚电路方式两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，用户不需要在发送和接收时清除连接。虚电路可以通过呼叫请求建立，并要赋予虚电路号。子网中的结点之间就是通过虚电路号将分组沿子网中的结点逐站传递。虚电路的工作方式如图2-43所示。2.4.3分组交换如图所示3LC32用户B1用户C1用户A1用户A2用户A3用户D1结点B结点C结点A结点D中继结点1中继结点2传输媒体411213LC1LC5LC2LC4图2-43虚电路的工作方式2.4.3分组交换A1一B1虚电路：VC1＝LCl(3)＋LC2(2)＋LC3(1)A2一C1虚电路：VC2＝LCl(2)＋LC2(1)＋LC4(3)A3一Dl虚电路：VC3＝LC1(1)＋LC5(4)用户A1与用户B1建立的虚电路为VCl＝LCl(3)+LC2(2)+LC3(1)用户A2与用户C1建立的虚电路为VC2＝LCl(2)+LC2(1)+LC4(3)用户A3与用户D1建立的虚电路为VC3＝LCl(1)＋LC5(4)2.4.3分组交换

由于虚电路方式具有电路交换与分组交换技术的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。虚电路服务与数据报服务的主要区别如下表：对比的内容虚电路数据报连接的建立必须有不要目的站地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路信号每个分组都有目的站的全地址路由选择在虚电路建立时进行，所有分组均按同一路由每个分组都有独立选择的路由路由器出现故障所有通过出故障的路由器的虚电路均不能工作出故障的路由器可能对丢失分组，一些路由会发生变化分组的顺序总是按发送顺序到达目的站到达目的站时可能不按发送顺序端到端的差错控制由通信子网负责由主机负责端到端的流量控制由通信子网负责由主机负责2.4.3分组交换4.分组交换技术实例（1）X.25分组交换网1）物理层2）链路层3）分组层（2）帧中继帧中继实质上是由X.25分组交换技术演化而来的。帧中继只有物理层和数据链路层两层。2.4.3分组交换（3）ATMATM是一种新的网络技术，在美国被称为异步时分复用技术，在欧洲被称为异步传输模式。ATM既是一种技术，也是一种业务（信元中继业务）。2.5.1数字信号模拟化时的编码方法计算机实现数字通信常常要借助模拟信道进行传输，我们将这种数字信号变换成模拟信号的过程成为调制。调制的方法主要有三种：调幅、调频、调相。调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。一般分为绝对调相和相对调相两种。（数字基带信号，是信源发出的、未经调制或频谱变换、直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的数字信号，是消息代码的电波形，是用不同的电平或脉冲来表示相应的消息代码。数字基带信号的类型很多，常见的有矩形脉冲，三角波、高斯脉冲和升余弦脉冲等。最常用的是矩形脉冲，因为矩形脉冲易于形成和变换。也是模数变换后的信号）2.5数据编码技术

数字数据的调制基于调幅、调频、调相3种调制技术，分别称为振幅键控、移频键控和移相键控。下图显示了对数字数据“010010”进行不同调制方法的波形。数字数据的调制原理示意图2.5.2模拟信号数字化时的编码方法模拟信号的数字化过程主要包括三个步骤：采样、量化和编码。采样指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来时间上连续的信号。也就是在时间上将模拟信号离散化。量化和编码是用有限个幅度值近似原来连续变化的幅度值，把模拟信号的连续幅度变为有限数量的有一定间隔的离散值。编码则是按照一定规律，把量化后的值用二进制数字表示，然后转换成二进制或多进制的数字信号流。这样得到的数字信号可以通过光纤、微波干线、卫星信道等数字线路传输。上述数字化的过程也被称为脉冲编码调制PCM。

（脉冲编码调制是一种模拟信号的数字化方法。PCM将信号的强度依照同样的间距分成数段，然后用独特的数字记号（通常是二进制）来量化。PCM常被用于数字电信系统上，也是电脑和红皮书中的标准形式。在数字视频中它也是标准，例如使用

ITU-R

BT.601。但是PCM并不流行于诸如DVD或DVR的消费性商品上，因为它需要相当大的比特率（DVD格式虽然支持PCM，不过很少使用）；与之相较，压缩过的音频较符合效率。不过，许多蓝光光盘使用PCM作音频编码。非常频繁地，PCM编码以一种串行通信的形式，使数字传讯由一点至下一点变得更容易）1、采样

采样是模拟信号数字化的第一步。模拟信号是电平连续变化的信号,采样是隔一定的时间间隔,将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本,让其表示原来的信号。采样频率f应为：f≥2B或f＝l／T≥2·f式中：B为通信信道带宽；T为采样周期；f为信道允许通过的信号最高频率。

2、量化量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程，经量化后的样本幅度为离散的量化级值已不是连续值。量化的目的是为每一个PAM信号设定一个信号值。量化之前要将信号分为若干量化级,同时,要规定好每一级对应的幅度范围。若量化范围在0～127,则每个采样用7位二进制(27＝128)来表示,量化速率需要56000bps(8000×7)；若量化的范围在0～255,则每个采样用8位二进制（28＝256）来表示，量化速率需要64000bps（8000×8）。3、编码

编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。【例】声音的带宽为4000Hz，采用频率为8000次/s，用8位二进制编码，则信道的数据传输速率为：8×8000＝64000bps＝64kbps。2.5.3数字数据的数字编码数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。

基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形）的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率和系统效率。在基带传输数字数据信号的编码方式主要有以下几种方法：

1、不归零码（Non-ReturntoZero，NRZ）

不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归零码可分为单极性和双极性两种：

2、逢“1”变化的NRZ码DNRZ码是NRZ码的一种改进形式他是用信号的相位变化来表示二进制数据的，即在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。DNRZ码不仅保持了全宽码的优点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。

⑵双极性不归零码(DoublePolarityNRZ)：是以负电压表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。以上反之亦然，即负电压表示“1”，正电压表示“0”。⑴单极性不归零码(SinglePolarityNRZ)：是以无电压（无电流）表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。3、曼彻斯特编码

曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。

4、差分曼彻斯特编码

是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/2。差分曼彻斯特编码

01101001tO曼彻斯特编码

01101001tO两种曼彻斯特编码曼彻斯特编码规则是:在信号位中电平从低到高跳变表示0在信号位中电平从高到低跳变表示1差分曼彻斯特编码规则是:在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑“1”在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑“0”

2.6多路复用技术多路复用：多个信息源共享一个公共信道为何要复用？——提高线路利用率适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）多路复用至两个或多个用户共享公用信道的一种机制。通过多路复用技术，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的，多路复用有频分多路复用（FDMA）、时分多路复用（TDMA）、光波分多路复用（WDM）和码分多路复用（CDMA）几种。复用的基本思想：把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据。复用方法频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）按频率划分不同的信道，如CATV系统时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）按时间划分不同的信道，目前应用最广泛波分复用WDM（WaveDivisionMultiplexing）

按波长划分不同的信道，用于光纤传输码分复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）按地址码划分不同的信道，非常有发展前途2.6.1频分多路复用

1、频分多路复用的概念

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。频分多路复用的基本工作原理如图2-31所示。图2-31频分多路复用原理示意图信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f5信道（6）f6多路复用器多路复用器源1源2源3源4源5源6目标1目标2目标3目标4目标5目标6信道带宽Bm警戒频带Bg图2-32频分多路技术实现示意图104～108kHz108kHz0～4Hz60～64kHz64kHz0～4Hz100～104kHz104kHz0～4Hz0～4Hz108kHz104～108kHz0～4Hz104kHz100～104kHz电话机1电话机n电话机20～4Hz64kHz60～64kHz低通调制器带通多路复用器低通调制器带通调制器带通低通带通调制器低通带通调制器低通调制器低通带通多路复用器

2、频分多路复用的技术实现

频分多路复用主要用于电话模拟信号的传输。频分多路复用技术用于模拟信号的频分传输，主要用于电话和电视系统。一根CATV电缆的带宽大约是500MHz，可传送80个频道的电视节目。每个频道6MHz的带宽中又进一步划分为声音子通道、视频子通道以及彩色子通道，并留有警戒频带。2.6.2时分多路复用

1、时分多路复用的概念时分多路复用（TDM）是将一条物理信道的传输时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内用户使用通信信道的全部带宽。如果与FDM相比较,由于FDM是以信道频带作为分割对象,通过为多个信道分配互不重叠的频率范围的方法来实现多路复用，因此频分多路复用更适于模拟数据信号的传输，而TDM则以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用，因此更适合于数字数据信号的传输。

2、时分多路复用的实现时分多路复用在技术实现上，可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种方式。

(1)同步时分：指发送端的多台计算机通过一条线路向接收端发送数据时进行分时处理，它们以固定的时隙进行分配。

(2)异步时分：又被称为统计时分复用技术，它能动态地按需分配时隙，以避免每个时隙段中出现空闲时隙。异步时分在分配时隙时是不固定的，而是只给想发送数据的发送端分配其时隙段，当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。要接收的数据AAAABBCDDDBCDABDADAAAAAABBCDDD复用器解复器要发送的数据时隙浪费,信道资源利用率底一个周期的数据块(帧)在不同时刻，开关切换到不同的输入设备时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2.6.3光波分多路复用

波分多路复用（WDM）

采用的是波长分隔多路复用技术,在同一传输信道内传输多路不同波长的光信号。WDM和FDM基本上都基于相同原理,所不同的是WDM应用于光纤信道上的光波传输过程,而FDM应用于电模拟传输。波分多路复用原理如图所示。波分多路复用原理2.6.4码分多路复用1、码分多路复用的概念码分多路复用(CDMA)是一种用于移动通信系统的新技术,笔记本电脑和掌上电脑等移动性计算机的连网通信将会大量使用码分多路复用技术。在CDMA系统中,所有用户占用相同的带宽，使用同一频率同时发送或接收信号，各个用户的信号用各自不同的地址码序列来区分。2、码分多路复用的基本原理

CDMA的理论基础是微波扩频通信，利用扩频通信中不同码型的扩频码之间的相关性，为每个用户分配一个扩频编码，以区别不同的用户信号,发送端可用不同的扩频编码分别向不同的接收端发送数据，接收端用不同的扩频编码进行解码,就可得到不同发送端送来的数据，实现多址通信。（1）码片在CDMA中，将每一个比特时间在划分为m个短的间隔，称为码片。使用CDMA的每一个通信站点被指派一个唯一的mbit码片序列（ChipSequence）。在实用的系统中是使用伪随机码序列。（2）CDMA数据通信过程示例假定在一个CDMA系统中有很三个站X、S、T在互相通信（图见书p046），并且所有的站利用全球定位系统对所发送的码片序列进行同步，即所有的码片序列都在同一个时刻开始。CDMA的码片序列信号S站的码片序列S110ttttttm

个码片tS站发送的信号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2.7

差错控制技术2.7.1差错的产生原因2.7.2差错控制方法2.7.3差错控制编码2.7.1差错产生的原因1.差错：通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象。2.差错：由通信信道的噪声产生。(b)实际环境(a)理想状态01011010010信源信宿0101101001001011010010信源信宿噪音干扰01010010110出错通信信道噪声热噪声

冲击噪声差错的类型

1）随机差错

2）突发差错热噪声：传输介质导体的电子热运动产生的。1）特点：属于随机噪声

时刻存在

幅度较小

强度与频率无关

频谱宽

随机差错

1）由热噪声引起的差错

2）特点：孤立的

冲击噪声：由外界特定的短暂原因所造成。

1）

特点：幅度较大

持续时间长

2）会引起相邻多个数据位出错

突发差错

1）冲击噪声引起的传输差错

2）特点：差错呈突发状

影响一批连续数据位

在计算机网络中，随机差错是极个别的，突发差错是主要差错。2.7.2差错控制方法差错控制：在数据通信过程中，能发现或纠正差错，并将差错限制在尽可能小的允许范围内。常用差错控制方法：

1）反馈检测

2）自动请求重发

3）前向纠错反馈检测方法

1）又称回送校验法

2）特点：优点：原理简单

实现容易

可靠性强

缺点：开销大

信道利用率低信源校验码编辑器发送装置存储器反馈信号控制器接收装置信宿传输信道发送端接收端反馈信号控制器校验码编辑器自动请求重发方法

1）较常采用的差错控制方法

2）ARQ的原理：发送方将要发送的数据附加上一定的冗余检错码一并发送，接收方则根据检错码对数据进行差错检测，如发现差错，则接收方返回请求重发的信息，发送方在收到请求重发的信息后，重新传送数据；如没有差错，则发送下一个数据。特点：使用检错码，双向信道，发送方需设置缓冲器前向纠错（

FEC）1）原理：由发送数据端发出能纠错的编码，接收端收到这些编码后便进行检测，当检测出差错后自动纠正差错。FEC原理如图2-55所示。信源纠错码编码器发送器接收器纠错码编码器信宿噪音源前向信道2）特点：使用纠错码单向信道发送方无须设置缓冲器2.7.3差错控制编码在计算机通信中，检测接收到的数据是否受到噪声影响而发生了差错的方法是利用检错码来判断。差错控制编码原理：发送方对准备传输的数据进行干扰编码，接收方收到数据后进行校验。计算机网络常用的差错控制编码有：1）奇偶校验码2）循环冗余码3）海明校验码

奇偶校验码

奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“１”的个数为奇数或偶数的编码方法，它是一种检错码。位＼数字０１２３４５６７８９偶校验C１０１０１０１０１０１１C２００１１００１１０００C３００００１１１１０００C４００００００００１１０C５１１１１１１１１１１１C６１１１１１１１１１１１C７０００００００００００奇偶校验码1）垂直奇偶校验2）水平奇偶校验3）水平垂直奇偶校验垂直奇偶校验原理：将要发送的整个数据分为定长p位的q段，每段的后面按“1”的个数为奇数或偶数的规律加上一位奇偶位。编码效率：R=P/(P+1)检错能力：能检出每列中的所有奇数个数，但检不出偶数个数，对突发错，漏检率约为50%。水平奇偶校验原理：将要发送的整个数据分为定长p位的q段，对各个数据段的相应横向进行编码，产生一个奇偶校验冗余位。编码效率：R=Q/(Q+1)检错能力：能检出每行中的所有奇数个数，但检不出偶数个数，对突发常对小于或等于p的突发错都能检出。水平垂直奇偶校验原理：能同时进行水平和垂直奇偶校验。编码效率：R=PQ/(P+1)(Q+1)检错能力：能检出所有3位或3位以下的错误，能检出所有奇数个数和很大一部分偶数个数，并对突发长度小于或等于P+1的突出错都能检出。

垂直奇偶检验

水平奇偶校验水平垂直奇偶校验原理加上一个奇偶位横向进行编码同时进行水平和垂直编码效率R=P/(P+1)R=Q/(Q+1)R=PQ/(P+1)(Q+1)检错能力1.所有奇数个数2.漏检率约为50%。1.所有奇数个数2.突发常对小于或等于p1.所有3位或3位以下2.所有奇数个数和很大一部分偶数个数3.突发长度小于或等于P+1循环冗余码（CRC）简称循环码；在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，需重发。检错能力强，易实现，使用最广泛的方法之一在计算机网络和磁盘数据存储中，被广泛应用CRC码生成和校验基本分为三步：第一步：在数据单元(k位）的末尾加上r个0。r是一个比预定除数的比特位数(r十1)少1的数。第二步：采用二进制除法将新的加长的数据单元（k+r位)除以除数。由此除法产生的余数就是循环冗余码校验码。第三步：用从第二步得到的r个比特的CRC码替换数据单元末尾附加的r个0。如果余数位数小于r，最左的缺省位数为0。如果除法过程根本未产生余数（也就是说，原始的数据单元本身就可以被除数整除）那么以r个0作为CRC码替换余数所在的位置。产生的比特模式正好能被除数整除。111010100011010CRC校验码信息码

CRC冗余校验码CRC校验码的生成器和校验器r个比特0数据g(x)CRC校验码r+1r余