网络技术基础(第一章)

计算机网络技术基础

莆田学院计算机教研室2003年2月莆田学院计算机教研室2003-2引言一、课程特点（实用性、专业性、知识性均很强）

知识性和实用性最强的技术课程之一。计算机课程中自学难度最大的之一。掌握计算机网络技术必须理论与实践并重。

网络工程师应掌握的知识和技术有：

◆网络规划与组网设计（网络协议/网络类型/网络结构/网络设备选择）

◆网站建立(服务器安装/网页制作)◆网络管理与维护（用户和文件系统管理/安全性）

◆网络施工技术（综合布线等）

◆网络数据库开发与维护（Web数据库技术）

网络技术专家=扎实的理论基础+踏实的工作实践莆田学院计算机教研室2003-2二、学习目标与学习内容

■学习目标从一个网络工程师的角度，了解现代计算机网络的基本技术理论，掌握基本结构、互联原理、组网技术、网络设备、网络管理与网站建设的基本知识，为今后深入学习网络技术和网络工程实践打基础。

■学习内容网络基础知识（参考：教材第1、2、3、7章）局域网技术（参考：教材第3、4章）

TCP/IP网络技术（参考：教材第5、8章）网络互连设备与技术（参考：教材第5、6章）网络系统集成（补充）网络安全与管理（参考：教材第10章）■学习特点教材内容偏旧偏空，所以大量讲课内容在教材之外。

要求：听课/笔记/预习教案/作业术语（中英文）多，概念多，技术性强莆田学院计算机教研室2003-2三、考核内容

笔试：基本知识/基本概念/基本协议/常用命令/常用英文术语教案下载

0/网络技术基础教案/03年2月新教案四、推荐参考书■入门⒈《最新计算机网络实用教程》（台湾）杨丰瑞杨丰任编著中国铁道出版社2001年7月⒉《计算机网络》陈文革程向前编（面向21世纪课程教材）高等教育出版社1999年6月■提高⒈《计算机网络》（第3版）美）AndrewS.Tanenbaum著熊桂喜/王小虎译清华大学出版社1998年7月⒉《TCP/IP协议族》（影印英文版）（美）BehrouzA.Forouzan/SophiaChungFegan著清华大学出版社2000年12月莆田学院计算机教研室2003-2第一章计算机网络概论

本章主要内容1.1计算机网络概述1.2数据通信的基本概念1.3差错控制技术1.4通信网络数据交换技术1.5外网接入1.6网络的四种基本系统结构1.7常用网络操作系统莆田学院计算机教研室2003-21.1计算机网络概述1.1.1什么是计算机网络(Network)a．计算机网络的基本要求

未连网前的计算机系统——“信息孤岛”。☆传输要求：必须将信息送到正确的目标设备。信息必须由且只能由指定设备（用户）接收。☆精度要求：必须保证信息传输的准确性。在传输后被改变、出现错误的信息是不可用的信息。☆时间要求：必须保证信息传输的时间性。迟到的信息是无用的信息。

对于视频、音频之类实时传输，还要求保证信息传输的顺序。莆田学院计算机教研室2003-2

b、计算机网络的基本组成一个用于计算机连网通信的系统一般由六个部分组成：信息（message）

文字、数值、图形、声音、图像等发送设备各种信息处理设备（计算机等）接收设备各种信息处理设备（计算机等）通信设备负责主机间的通信控制和通信处理传输媒介各种电缆、光缆、无线电波等通信协议通信规则（无协议的两台设备可以连接但无法通信，如同讲不同语言的两人无法对讲）

主机(host)莆田学院计算机教研室2003-2c、计算机网络的定义(参考)

计算机网络是计算机技术和数据通信技术紧密结合的产物。所谓“计算机网络”，通俗地讲，就是将地理位置不同的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，以功能完善的网络软件（“在协议控制下”）实现网络中资源共享和数据交换的系统。

未来通信和网络的目标——5W：

◆任何人（whoever）◆任何时间（whenever）◆任何地方（wherever）◆和任何人（whomever）◆任何信息（whatever）莆田学院计算机教研室2003-2参考:计算机网络的最新发展

新一代因特网正在到来，WWW要变GGG

美国《福布斯》杂志的科技版《ForbesASAP》2001年9月10日发表一组文章，预测信息技术的下一波大浪潮将在2004～2005年度出现，这一波浪潮的本质特征就是万维网（WorldWideWeb）升华为网格（GreatGlobalGrid），2020年，由此产生的互联网将成长为一个20万亿美元产值的大产业。网格（grid）是借鉴电力网（powergrid）的概念提出来的，指使用者在任何地方，都能够实现对各种网络资源的“即插即用”，即只要你能够接触到网格，就可以根据自己的需要，“按需”从网格获取各种资源与服务，而不必关心资源与服务所在的具体位置。中国科学院计算所所长李国杰院士解释说，网格实际上是继传统因特网、万维网之后的第三代因特网应用。传统因特网实现了计算机硬件的联通，万维网实现了网页的联通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面联通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等等，最终实现网络虚拟环境上的资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。长期以来，很多专家都在批评因特网和万维网，说它们是垃圾山，人们不停地往里倒东西，结果使它们包含了很多重复、过时、零乱的数据。还有的说它们是低等生物，没有大脑，没有创造力。与因特网相比，网格是有大脑的，因为它能根据用户的需求自动地生产知识。中科院计算所副所长徐志伟博士给我们描述了网格的蓝图：你有一个外出旅游的计划，在万维网的条件下，你必须登陆不同的网页一步步实现订机票、订房间、确定路线。网格时代，你只需向网格发一个去某地旅游的指令，网格马上就会给你一个回复，提供机票、住宿、行程等全部资讯。选定你的需要后再告诉网格，很快网格就会完成一套为你量身订做的旅游服务。你所不知道的是，很短的时间里，网格在背后收集和传送了很多信息，做了十几笔交易。徐志伟说，电力网的模式是网格努力的方向。几乎不会有人在打开电灯的时候考虑电是从哪个电站来的。因特网的情形如何呢？人们获取信息并不直接从因特网本身获取，必须告诉电脑去访问某一个网站，这就好比我们在打开电灯的开关时必须告诉它我们需要某一电站来的电一样笨拙。网格的目标就是让人们使用网络资源像用电一样简单。Internet的作用是将各种计算机连结起来，而网格是将各种信息资源（内容）连结起来。在Internet/Web上，数据和信息资源零散地分布在各个网格站点。而在信息网格中，资源被统一管理和使用。用户可以通过网格门户透明地使用整个网络资源。他们看到的是一个逻辑门户上的若干与自己相关的频道，而不用在成千上万个网站中搜索自己想要的信息。打一个不太精确的比方，信息网格相当于中央电视台，而目前的Internet/Web相当于成千上万个独立的制作组，各制作组有自己的频道、互不共享资源，只提供原始数据。我国已经启动了网格技术研究，着手建立中国的国家高性能计算环境和国家信息网格系统。在今后5～10年内，我国的信息网格将初步建成。

莆田学院计算机教研室2003-2d．计算机网络的组成

网络=资源子网+通信子网

P8资源子网硬件资源（主机、终端、I/O设备等）、软件资源、数据资源等，负责全网数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务

通信子网传输介质（电缆、光纤、无线电波等）、通信设备（交换机等），承担全网的数据传输、转接、加工和变换等通信处理工作

通信子网资源子网莆田学院计算机教研室2003-21.1.2计算机网络的功能和应用

资源共享软、硬件资源共享（硬盘／打印机／软件包……）从成本上看数据交换即时（动态）数据交换（股市行情／军事／生产管理／订票系统／电子邮件……）从效率上看

网络＝桥梁

使世界变小可靠性和安全性如:通过网络备份存放提高信息可靠性使用网络访问权限控制提高信息安全性

……莆田学院计算机教研室2003-21.1.3计算机网络的分类

通常可以通过两个方式来分类：传输技术和网络规模。

1．按传输技术分广播式网络（broadcastnetwork）

一条共享通信信道；信息以广播形式送到所有站点，网络地址符合者接收之，不符者舍弃之。特例：多播（multicasting）点到点网络（point-to-pointnetwork）

信息从源主机到目标主机，通常要经过多个中间设备，且有多条路径。因此其路由算法十分重要。

一般来讲——

小的、本地性的网络采用广播方式大的、远程性的网络采用点到点方式莆田学院计算机教研室2003-22．按网络规模分

P27局域网（LAN,LocalAreaNetwork）

近距（一般10km以内，通常在一个机构或一组建筑物中)；一般使用专门敷设的线路；使用本地主机资源(主机/服务器为中心)，免费用或少费用。广域网（WAN,WideAreaNetwork）

远程（可达数千公里，可跨地区、国家，甚至全球联网)；一般通过租用的专线接入公共数据通信网实现远程连接；

·以路由器为技术基础（一般连接两个或两个以上局域网）。

WAN通信一般称为“服务”（service），因为网络提供商通常要对所提供的WAN服务收费。

城域网（MAN，MetropolitanAreaNetwork）分布范围在LAN和WAN之间(几十公里内),通常是一个城市内多数LAN的组合网。莆田学院计算机教研室2003-22．按网络规模分(续)介于局域网和广域网之间的网络（CAN,统称“区域网”）

①内部网（Intranet）

②园区网/校园网（Campusnetworks）

最大特点：大量使用外部信息资源（特别是Internet上的资源)。·服务基于Internet技术：通常提供WWW、E-mail、FTP、BBS、虚拟网等服务或功能，良好安全性，可连接Internet。·组网基于LAN技术：主机/服务器为中心，交换机为主要通信设备，独立的网络资源和管理系统，专门敷设的线路。·本身可由若干个LAN组成或是一个大型的LAN。·高带宽。

本课程中，将这类网络以下统称“区域网”，而将单个部门或单个建筑物内的网络称为“局域网”。莆田学院计算机教研室2003-22．按网络规模分(续)互连网络（Internet）

若干个网络连接起来构成一个更大的网络。

Internetisalargestinternet！远程连接（Remoteconnections）

将位于网络分布范围之外的部门办公室和单个用户连接到本地网或Internet上。普通客户一般通过Modem(调制解调器)和租用的公用电话线路实现远程连接。由于数字信号中高频谐波很多,在通过电话线之类所谓“模拟信道”传输时衰减很严重,会失去数字信号的特征,所以在传输前先把数字信号转换成模拟信号(“调制”)，反之接收时要进行“解调”。莆田学院计算机教研室2003-21.1.4通信网与计算机网络通信网由用户终端设备、交换设备和传输线路组成。交换设备间的传输线路称为“中继线”，用户终端设备与交换设备间的传输线路称为“用户线”。莆田学院计算机教研室2003-21.1.4通信网与计算机网络（续）常用通信网有电信网、广播电视网和计算机专用网。典型的电信网有：公用电话网（PSTN）、分组交换网（X.25）、数字数据网（DDN）、综合业务数字网（ISDN）。从整个电信网的角度来划分，电信网可以分为三个部分：长途网（长途端局以上的部分）、中继网（长途端局和市话局及市话局之间的部分）和用户接入网（从本地电话局到用户之间的部分）。典型的广播电视网有：无线广播电视网、卫星电视广播网、有线电视网典型的计算机专用网：局域网、区域网、广域网

实际上今天三网都已用于构筑计算机网络。电信网和广播电视网目前主要用于广域网和区域网。

网络技术的发展趋势是“三网合一”。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道a、信号（signal）P47

计算机内部的数据（文字/数值/图像/声音等）均要转换为通信线路上电信号或光信号才能传送。通信信号一般可分为两类：◆模拟信号（analogsignal）

连续变化值（如数学中之实数）。自然界产生的物理量一般均为模拟信号。◆数字信号（digitalsignal）

离散变化值（如数字中之整数）。计算机内部传输和处理的均为矩形脉冲形式的数字信号（1和0），又称为“基带信号”。

信号的特性有：振幅（变化的大小）、频率（变化的快慢）、相位（变化的时间）振幅越大、频率越高，信号传送的距离越远。（如高音喇叭）莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道b、带宽（bandwidth）

信号所占据的频率范围称为信号的带宽。信道能传送的频率范围称为信道的带宽。信道带宽必须大于被传送的信号的带宽，否则就会出现失真。对模拟信号，带宽为通信信道所能提供的频率宽度（范围）；对数字信号，带宽为通信信道每秒能传送的二进制位数（bps）。

一般认为具有8～10Mbps及以上数据传输速率的网络称为“宽带（wideband）网”。最新发展还有所谓“广带（broadband）无线接入技术，其传输速率≥10兆位/秒）高质量的欣赏型电影点播需要6M以上带宽。低质量的网络新闻型视频点播只需几十到几百bps。

莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道c、信道（channel）

所谓“信道”，顾名思义，就是通信信号传输的“通道”。信道与实际通信线路并不等同。一条通信线路往往包括一条发送信道和一条接收信道。信道一般也可分为两类：

◆模拟信道专用于传送模拟信号◆数字信道专用于传送数字信号

无论是模拟信号还是数字信号,在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式.

信源是模拟数据，在模拟信道上传输——模拟通信信源是模拟数据，在数字信道上传输——数字通信信源是数字数据，在模拟信道或数字信道上传输——数据通信莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道c、信道（channel）信道的主要技术指标：P49-50比特率R（数据率):每秒传输多少二进制代码位数，单位：bps或b/s。信道容量C：信道能够传送的最大数据率，单位：bps或b/s。

当信道上传送的数据率大于信道允许的数据率时，将因严重失真而失效。

奈奎斯特（H.Nyquist）公式（用于有限带宽无噪声的理想信道):

H-信道带宽（Hz)L-数字信号离散值数（电平数，物理状态数）

香农（C.Shannon）公式（用于受噪声干扰的信道，所求为上限值):

H-信道带宽（Hz)S-信号的平均功率，N-噪声的平均功率

S/N-信噪比（如果信噪比X单位为db，则式中X=10lgS/N,即S/N=10x/10）莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道c、信道（channel）信道的主要技术指标：P49-50波特率B（码元速率）：数字信号经调制后的传输速率（每秒传送的码元个数，即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数），单位：Baud。

B=1/T（T-调制周期）波特率B与数据率R在数值上不一定相等。

R=Blog2L(C=Rmax=Bmaxlog2L)

许多情况下，通常信号只取两种不同的状态（0和1），即L=2，此时R=B。信道的时延：信号从信道的一端传到另一端所需的时间（电信号在电缆中的传播速度约为光速的77%）吞吐量：信道在单位时间内成功传输的总信息量，bps出错率（误码率）：计算机网络中要求低于10-6，即平均每传送1兆位，才错1位。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道d、调制（modulation）通信信号在类型不匹配的信道上传输时，必须进行调制（Modulation）。

数—模模—数

通信线路PCModemModemPC

a.数字信号在模拟信道上传输时要进行调制(数模转换)，以解决失真等问题：调制机理：信号+载波◆幅移键控（ASK，调幅）用载波的不同振幅分别代表1和0◆频移键控（FSK，调频）用两个不同频率的载波分别代表1和0◆相移键控（PSK，调相）用载波的相位变化代表1和0莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道d、调制（modulation）P62-64b.模拟信号在数字信道上传输时,要先进行脉冲编码调制(PCM,PulseCodeModulation):◆取样：按信号最高频率fmax的两倍频率取样可精确还原（NyquistTheorem，奈奎斯特定理）◆量化：将取样获得的脉冲信号在振幅上进行数值分级（我国标准中量化分为256个等级）◆编码：将量化后的数值转换为对应的二进制编码莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道d、调制（modulation）P62-64奈奎斯特定理:◆奈奎斯特指出，如果媒体传输的最大频率为f

，那么接受方只要以每秒2f次的频率进行采样，就能完整地重现信号◆只要接受方以1/(2f)秒的时间间隔进行采样，或者每个周期采样两次（一周期=1/f

），就能重现信号。举例来说，若最大频率为4000Hz，则接受方每秒只需采样信号8000次。换句话说，只要每隔1/8000秒采样一次，就能完整地恢复信号。

模拟信号脉码调制：采样→量化→编码如果声音数据限于4000Hz以下的频率,那么每秒采样多少次可满足完整地表示声音信号的特征?如果使用7位二进制编码表示采样,允许有多少个量化级?这种情况下数据传输率是多少?答案:8000（Hz)

(奈氏定理)128个(27)56000bps(8000×7)L2HlogC2=莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道e、编码（coding）P67-68数字数据的数字信号表示：数字信号传输需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

a)单极性脉冲

b)双极性脉冲

c)单极性归零脉冲

d)双极性归零脉冲

e)交替双极性归零脉冲

基脉冲编码方案

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1.2.1信号与信道e、编码（coding）P67-68a)单极性不归零码，无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。

b)双极性不归零码，"1"码和"0"码都有电流，"1"为正电流，"0"为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。

c)单极性归零码，当发"1"码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发"0"码时，仍然不发送电流。

d)双极性归零码，其中"1"码发正的窄脉冲，"0"码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。

归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点

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；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。

单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。

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1.2.1信号与信道e、编码（coding）P67-68为了保证收发两端的信号同步，计算机内部的数据不宜直接送到信道上作信号传输，一般需要先进行编码转换，以保证数据传输的。常用编码方式有：◆不归零（NRZ，NonReturntoZero）编码◆曼彻斯特（Manchester）编码◆差分曼彻斯特(DifferentialManchester)编码◆4B/5B编码

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1.2.1信号与信道e、编码（coding）P67-68◆不归零（NRZ，NonReturntoZero）编码

用两个不为零的电压表示1和0（零电平表示无信号）缺点：接收方无法准确判断每个比特起始位置（不能保证同步）莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.1信号与信道e、编码（coding）请看下图——如何测量？测量准确么？当一台设备传送一个比特的数字信号时，它将在一定的周期内（假定为T）产生一个持续的信号。一个内置的时钟负责定时。接收设备必须知道信号的周期，这样它才能在每个T时间单元内对信号进行采样。它也有一个负责定时的内置时钟。剩下的就是确保收发两端的两个时钟使用同样的T。但两个时钟能完全一致么？莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.1信号与信道e、编码（coding）答案是否定的。任何物理设备都存在着设计上的局限性和缺陷。几乎可以肯定任何两个时钟都存在着微小的差别，这使得设备无法对传输信号作十分精确的采样。就象指挥家确保演奏者的同步一样，通信设备也需要某种机制以使它们的定时保持一致。不变的信号不具备同步机制。但如果信号改变的话，这种改变就可以用来保持设备的同步。有些强制信号改变的编码方案就是基于这个原因。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?四个大箱四箱小箱莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?？？大概是……莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.1信号与信道e、编码（coding）◆曼彻斯特编码（ManchesterCode）用信号的变化来保持发送设备和接收设备之间的同步。用电压的变化来分辨0和1，即从高电平到低电平的跳变代表0，而从低电平到高电平的跳变代表1。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念下图给出了比特串

10100110的曼彻斯特编码。如图所示，信号的保持不会超过一个比特位的时间间隔。即使是由若干个0或1组成的数字序列，信号也将在每个时间间隔的中间发生跳变。从而使接收设备的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码的一个缺点是需要双倍的带宽。也就是说，信号跳变的频率是NRZ编码的两倍。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念用户A用户B我发了几个大箱几个小箱?哈哈,我知道了!莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念◆差分曼彻斯特（DifferentialManchester）编码和曼彻斯特编码一样，在每个比特时间间隔的中间，信号都会发生跳变。区别在于每个时间间隔的开始处。0将使信号在时间间隔的开始处发生跳变。而1将使信号保持它在前一个时间间隔尾部的取值。因此，根据信号初始值的不同，0将使信号从高电平跳到低电平，或从低电平跳到高电平。接收端通过检查每个时间间隔开始处信号有无跳变来区分0和1。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念

1.2.1信号与信道e、编码（coding）◆4B/5B编码P68

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码每个比特需要多达两次信号状态跳变，这就意味10Mbps的数据速率将线路上的信号状态每秒变化20M次(20M波特)，编码效率只有50%（常用于LAN中）。

4B/5B编码以4个比特为一组进行编码，编码位数为5个。（从25=32个可能的编码中取出24=16个来表示0～F，使每组编码中0的个数不超过3个，1的个数不少于2个）。编码效率达80%（100Mbps→125M波特）。

4B/5B用于百兆位以太网，8B/10B用于千兆位以太网。

莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.2数据通信系统模型

【数据通信】数字计算机或其他数字终端装置之间的通信。其特点是：其信源和信宿产生和接收的都是数字信号。

数据通信系统模型莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念数据通信系统的组成：信源：产生要传输的电信号（这个信号称为基带信号）。发送设备（编码器+变换器）：将信源产生的信号变换为适合于信道传输的信号。最常见的变换方式是正弦调制。经正弦调制后的信号称为频带信号。信道：信号传输媒介的总称。信道有两种类型：有线信道（双绞线、光纤等）；无线信道（微波、红外等）。接收设备（反变换器+译码器）：将接收到的信号进行反变换，从存在干扰的信号中正确无误地恢复出原基带信号。信宿：信息传送的终点。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.2数据通信系统模型

DTE(DataTerminalEquipment，数据终端设备）如连网的微机（信源或信宿）DCE(DataCircuit-terminalEquipment，数据电路端接设备）如MODEM

数据通信系统的基本构成莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.3基带传输

所谓“基带传输”，是指信道上传输的是没有经过调制的数字信号。数据通信中，编码器输出的信号都是数字基带信号。

使用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占用了传输电缆所允许的整个频段（０至最高允许频率），所以同一时间同一电缆中只能传送一种信号（基带信号均为数字脉冲信号，不经调制直接输送）。基带传输需要解决两个问题：

·基带数字信号的编码

·收发两端之间的同步问题基带传输常用编码方法：曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码，后者技术复杂，但抗干扰性强。基带传输在局域网上用得较多,信号频率高,传输速度也大大快于频带传输(通常10～50Mbps)传输电缆：５０Ω同轴电缆或双绞线等莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.4频带传输

基带传输必须使用有线信道,且传输距离有限。为了进行远距离传输，需要借助调频振荡信号（载波）来运载。利用调制来传输数字信号的方式称为“频带传输”（使用模拟信号传输数据时，往往只占用有限的频谱）。其传输信号可通过“多路复用技术”在同一电缆中形成多个传输频道，所以同一时间同一电缆可由不同频道分别传送数据、声音、图形、图像等不同信号，又称“宽带传输”。频带传输的优点是可在同一线路或信道上同时传送几路数据,使信道利用率提高。传输电缆：７５Ω同轴电缆、光缆等。

基带传输和宽带传输比较

基带传输宽带传输传输数字信号传输模拟信号占用整个频段可采用多路复用技术双向传输单向传输几千米范围几十千米范围传输速度快传输速度较慢适合于LAN适合于远程连接的各种网络莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.5数据传输的同步方式

比特的传送和接收是通过收发两端的定时时钟来控制的。发送端利用它的时钟来决定每个数据位的起始和结束。在接收端，时钟被用来确定对信号进行采样取值的位置和间隔时间。一般情况下，使两个独立的时钟精确同步是不太可能的，它们都产生自己的漂移，引起两个连接采样之间的间隔发生变化。由于接收时钟和发送时钟的差异，接收端可能对代表1位的信号采样两次，从而多产生1位，也可能跳过1位。如图所示，发送端发出的位串0010，因为时钟漂移，结果被接收端错误地认为是00110或010。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.5数据传输的同步方式

a.异步传输异步传输是基于这样的事实：在一定的比特数目内，时钟漂移的程度是有限的。它让接收端的时钟在某一时间点上跟一个发送端的时钟信号同步，并开始自己的独立走时，在误差积累到采样发生错误之前，可以保证正确接收到若干位。在异步传输中，数字以字符为单元发送。每个字符的长度一般为5～8位。在每个字符前设置1位起始位，在每个字符后设置1～2位停止位。同步仅在每个字符接收期间维持，接收端在每个新字符的开头都将开始重新进行同步（时钟校准）。异步传输中，任何两个字符之间的时间间隔可以是随机的、不同步的（故称“异步”）。异步方式实现简单，设备低廉，但传输效率低（每个字符须加2～3位作起止位），适用于低速（每秒10～1500个字符）的终端或电传打印设备，以及使用MODEN传送数字数据的拨号电话线路。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.5数据传输的同步方式

b、同步传输使接收端接收的每一位数据信息都与发送端准确保持同步，所以每次发送的数据块长度可以很大。实现的方法有：①自同步法在传输的信号中嵌入时钟信息，使接收端能从接收的信号波形中提取时钟信息（如采用曼彻斯特/差分曼彻斯特编码，每一位中间的波形跳变即为时钟信息)。②外同步法在发送端和接收端之间提供单独的时钟线路，或发送端在发送数据前先发一串同步时钟脉冲（同步字符串），接收端按这个时钟频率调整采样频率。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.6通信方式

按数据传输方向分：

【单工simplex】数据只能单向传送（如看电视，无法将信息反传给电视台），主要用于数据采集系统。

【半双工half-duplex】数据可以双向传送但无法同时传送(如对讲机),一般用于计算机网络非主干线路。

【全双工full-duplex】数据可以同时双向传送(如打电话双方可以同时对讲)，主要用于计算机间通信。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.6通信方式

按数据传输顺序分：

【并行通信】并行通信传输中有多个数据位同时在两个设备之间传输。并行方式适用于近距离通信，优点是传输速度快，处理简单。

【串行通信】串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由计算机内的发送设备，将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式。串行方式适用于远程通信，其速度要比并行传输慢得多，但传输线路费用低，且可利用现在的公用电话系统进行计算机连网通信。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.7多路复用技术(multiplexing)

多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。

SDM（空分复用技术）各子信道是一独立的物理链路（如一条电缆中包含成百对线路）FDM（频分多路复用技术）好比将本来一条公路的运输，变成又在公路上空分不同空域高度同时进行多层陆空运输（适用于模拟信号传输）——电台广播TDM（时分多路复用技术）好比将本来只专门为一个人提供服务变成分时为众人提供服务，之所以能够“复用”，是因为数据在接收后处理的过程往往远大于数据传输的过程——甚至接收后只是存储起来（适用于数字信号传输）WDM（波分复用技术）在一根光纤传输两个光波（通过波长为1310nm和1550nm），主要用于接入网，很少用于长距离传输。DWDM（密集波分复用技术）即能将几种不同波长的光信号组合起来（合波）通过光纤进行传输，又能将光纤中组合传输的光信号分开（分波）送入几个不同通信设备的一种光学技术。目前16波和32波DWDN技术已完全成熟并得到广泛应用，48波和96波也开始商用化，200波系统实例室研究也见诸报道。国内10GDWDM宽带光网已进入商业化阶段。莆田学院计算机教研室2003-21.2数据通信的基本概念1.2.7多路复用技术

频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。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(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是“频分多路复用”。

“时分多路复用”则是将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。时分多路复用技术不仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。

莆田学院计算机教研室2003-2

信号在物理信道中传输时，线路本身电器特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电器信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰以及各种外界因素（如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等）都会造成信号的失真。在数据通信中，将会使接收端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致，从而造成由“0”变成“1”或由“1”变成“0”的差错。1.3传输差错检测与校验技术P78-90

1.3.1传输差错的产生莆田学院计算机教研室2003-2传输差错产生的原因：·信道本身的随机热噪声随机错误（某位错），可通过提高信道的信噪比等方法来抑制·外界原因引起的冲击噪声突发错误（一连串码元均出错）【突发长度】从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个码元间所有码元的个数1.3传输差错检测与校验技术

1.3.1传输差错的产生莆田学院计算机教研室2003-2一位差错：数据单元中仅某一位差错多位差错：数据单元中两位或两位以上差错突发差错：数据单元中连续两位或两位以上差错1.3传输差错检测与校验技术

1.3.1传输差错的产生莆田学院计算机教研室2003-2

发生差错的码元数

Pe=————————————

接收的总码元数在计算机网络中，误码率一般要求低于10-6。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.2误码率莆田学院计算机教研室2003-2最简单的差错控制方法是将每一个数据发送两遍。接收方将这两遍数据进行比较，如有任何不同，即可认定出错了。但这样做将使传输速率大大下降，因为不仅数据本身传输时间要加倍，而且逐位比较也要花费大量时间。差错控制最常用的技术是在每个数据单元中加入一些称为“冗余码”的附加数位（差错控制编码）。这种技术之所以被称为“冗余校验技术”，因为一旦传输被确认无误，那些附加的冗余数位便被自动丢弃了。信息位+冗余位=发送的码字（生活中，输入密码或告诉对方电话号码两遍，第二遍给出的即为“冗余位”）信息位——要发送的数据冗余位——差错控制编码差错控制编码分为：

·◆检错码（用于自动发现传输差错的编码）

·◆纠错码（不仅能自动发现而且能自动纠正传输差错的编码）编码效率：

kkR=———=———k+rn

式中k-码字中信息位数r-码字中冗余位数n-码字总位数差错控制的两大目标：尽量降低误码率，尽量提高编码效率1.3传输差错检测与校验技术

1.3.3差错控制编码莆田学院计算机教研室2003-2①自动请求重发ARQ（automaticrequestforrepeat）

——自动发现差错并要求对方重发②前向纠错FEC（ForwardErrorCorrection）

——自动发现并纠正错误

ARQ只需检错码，编码效率高，设备简单，但要求双向信道，发送方要有数据缓冲区。

FEC要用纠错码，编码效率低，设备复杂，但实时性好，只需单向信道。

数据通信中使用更多的还是ARQ差错控制方式。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.4差错控制方式莆田学院计算机教研室2003-2①奇偶校验码（paritycheck）

通过增加冗余位使码字中“1”的个数保持奇数或偶数的编码方法。简单经济，但漏检率较高。

■垂直奇偶校验

■水平奇偶校验

■水平垂直奇偶校验②循环冗余码（CRC,cyclicredundancy

code）

漏检率极低，也便于实现，在计算机网络和数据通信中应用极广。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码P80-83莆田学院计算机教研室2003-2垂直奇偶校验编码和校验实现最简单（图3.1）最常用而且最经济的检错技术。偶校验（even-paritycheck）

使码字中“1”的个数保持偶数奇校验（odd-paritycheck）

使码字中“1”的个数保持奇数1.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（奇偶校验）莆田学院计算机教研室2003-21.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（奇偶校验）莆田学院计算机教研室2003-2

垂直奇偶校验可以检测出所有的1位差错，但只能检测差错数为奇数的多位差错或突发差错。差错漏检率≈1/2。【例】原始数据000111011，采用偶校验。则发送端通过线路传输发出的码字为1000111011。若接收端接收到的是1111111011或0110111011

或1100010011，将均被拒收。但若接收端接收到的是1110111011或1100011011或1000011010，仍会通过验收（漏检）。编码效率：(设发送的信息块中有p个二进制位,发送时另加一个奇校验位或偶校验位)

pR=———p+11.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（奇偶校验）莆田学院计算机教研室2003-2水平奇偶校验

差错漏检率＜1/2

编码和校验实现复杂（图3.2）水平垂直奇偶校验

（图3.3）1.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（奇偶校验）莆田学院计算机教研室2003-2水平垂直奇偶校验

误码率可减少到原误码率1/100～1/10000，但如某个信息段中出现偶数个差错，而另一个信息段的对应位置处也正好都出现差错，这种差错无法检测出来。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（奇偶校验）莆田学院计算机教研室2003-21.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（CRC）一种最有效的冗余校验技术。与基于加法的奇偶校验不同，CRC基于二进制除法。在CRC中，不是把二进制数位相加来获得一个所需的奇偶数位，而是在数据单元（比如一个字节）的后面附加一个称为“循环冗余码”或“CRC余数”的冗余数位串，使该数据单元可被另一个预先给定的二进制数完全除尽。接收端将所接收的数据单元用同样的二进制数相除，如果无余数，则可认为所接收的数据单元正确无误，如果有余数，则认定该数据单元已有差错，CRC所用的冗余位串是通过将数据单元除以预先给定的除数获得。余数即为“循环冗余码”。一个有效的“循环冗余码”应具有两种品质：必须正好比给定的除数少一位，附加到数据串后必须使新形成的位串能被该除数完全除尽。CRC差错校验的理论和实现都很容易理解。唯一复杂的是如何获得“循环冗余码”。以下给出求“循环冗余码”三个基本步骤。莆田学院计算机教研室2003-2首先，将n位0附加到数据单元的后面。n比预定的除数（n+1位)少一位。其次，使用二进制除法将这个新加长的数据单元除以预定的除数。由此产生的余数即为所谓“循环冗余码”。最后，用上一步中获得的n位“循环冗余码”替换数据单元中附加的n位0。如果余数小于n位，可将其高位不足部分设为0。如果除后余数为0——即原来的数据单元本身可被除数除尽——则“循环冗余码”为n位0。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（CRC）莆田学院计算机教研室2003-2接收端先收到数据单元，然后又收到“循环冗余码”。接收端将由这两个部分组成的整个位串作为一个整体用相同的除数相除，以求出CRC余数。如果传送来的位串没有差错，CRC校验的结果是余数为0，该数据单元被接收。如果传输过程上位串被改变了，余数为非0，该数据单元被拒收。除了信息块在传送中产生的变化（差错）正好与除数值一模一样的情况，CRC将检测出所有可能的错误。即使使用上述四位除数，发生漏检的概率也是很低的。常用的CRC除数（使用13位、17位和33位），可将漏检的概率下降到接近为0。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（CRC）莆田学院计算机教研室2003-2“循环冗余码”的产生“循环冗余码”的产生使用所谓“模2”除法。右图为其过程示意。第一步，从被除数的高4位中减去4位的除数。从被除数相应的数位上减去除数的每一位而不影响高一位。本例中，除数是1101，从被除数的高4位（1001）中减去，得到100（余数中左边的0省略）。然后被除数中下一位被加入，使余数的位数等于被除数的位数。下一步，1000-1101，得101，以此类推。（按位作异或运算）

参见P871.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（CRC）生成的码字：100100001莆田学院计算机教研室2003-2多项式

产生“循环冗余码”的除数通常不是用0和1二进制位串表示，而是用一个代数多项式（称为“生成多项式”）表示。使用生成多项式的原因有两个：简短，且可从数学角度验证有关概念。（进行多项式除法时，只要对其相应系数相除即可）生成多项式示例：

x3+x2+1

（4位除数：1101）通常，其他有关部分亦可用多项式表示（P87）。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（CRC）G(x)=x3+x2+1Q(x)E(x)接收端R(x)=1X3·K(x)=x8+x5生成的码字：100100001莆田学院计算机教研室2003-2常用的“循环冗余码”生成多项式已有三个国际标准：

CRC-12=x12+x11+x3+x2+x+1

（13位除数：1100000001111）

CRC-16=x16+x15+x2+1

（17位除数：11000000000000101）

CRC-ITU=x16+x12+x5+1

（ITU-国际电信联盟）

（17位除数：10001000000100001）另外还有（在若干网络协议中被规定为选件）：

CRC-32=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1（32位除数：100000100110000010001110110110111）1.3传输差错检测与校验技术

1.3.5常用检错码（CRC）莆田学院计算机教研室2003-2理论上，自动纠正每一个二进制代码的传输差错是可以做到的。但纠错码比检错码复杂得多，而且需要更多的冗余位。用于多位或突发差错纠错的位数太大的，以致大部分情况下，将使编码效率低到不可接受的程度。为此，大部分纠错码只限于处理1位、2位或3位差错。在数据通信中，最常用的纠错码是所谓“海明码”(HammingCode），是R.W.Hamming于1950年提出的，主要用来纠正1位差错。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.6常用纠错码莆田学院计算机教研室2003-21位差错的纠错奇偶校验可以检测出1位差错的情况，方法是加上一个冗余的奇校验位或偶校验位。纠错则需确定其中哪位有差错。如果要确定一个ASCII字符（7位）中的某位差错，此时需要区别8种情况：没差错，第1位错，第2位错，…，第7位错。于是，需要3个冗余位来表示8种不同的状态（000-111）。实际上，3位冗余是不够的。因为，冗余位本身也可能出现差错！如何计算数据位为m时纠错所需的冗余位数r呢？此时数据传输的位数总和是m+r，且要求r必须能够至少表示m+r+1种状态。其中，一种状态表示无差错，m+r种状态分别表示m+r位出现差错。由于r位二进制数可以表示2r种不同的状态。所以，要求2r大于或等于m+r+1。

2r≥m+r+1

由此可计算出所需的r值。如果m=7（ASCII代码），则能满足上式的最小r值是4。因为：

24≥7+4+11.3传输差错检测与校验技术

1.3.6常用纠错码数据位数（m）冗余位数（r）总位数（m+r）12345672333444356791011部分m值与r值对照表

莆田学院计算机教研室2003-2海明码

了解了如何计算1位差错纠错时所需的冗余位数，但又如何利用这些冗余位来确定具体哪位差错呢？1950年，R.W.Hamming提出了一种实用的解决方法。冗余位的定位海明码可用于任何长度的数据块，并利用了上面讨论的数据位数和冗余位数的关系。例如，一个7位ASCII码要求4个冗余位，它们可以附加在数据位的后面，亦可散布在数据位之中。下图中，各冗余位处于第1、2、4、8位（2的n次方处），分别用r1，r2，r3，r4表示。

1110987654321

表中：r-冗余位在海明码中，每一个r位都是一组数据位的奇偶校验码。用于计算7数据位4个r值（奇偶校验码）的方案是：

r1

1，3，5，7，9，11位

r2

2，3，6，7，10，11位

r3

4，5，6，7位

r4

8，9，10，11位1.3传输差错检测与校验技术

1.3.6常用纠错码dddrdddrdrr莆田学院计算机教研室2003-21.3传输差错检测与校验技术

1.3.6常用纠错码为了搞清楚这种技术后面的窍门，不妨看看每一数位的位置号（用二进制表示）。r1位使用的是所有位置号右侧为1开头的数位。r2使用的是所有位置号第2位为1的数位，以此类推。（右图）莆田学院计算机教研室2003-2各r位值的计算

（设各r位要求偶校验）每一个数据位都可能包括在多个奇偶校验码计算中。例如，本例中每个数据位至少包括在两组计算中，而各r位均只被包括一次。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.6常用纠错码莆田学院计算机教研室2003-2差错检测假设上述数据发送后，接收端收到的是:10010100101（第7位差错）。此时接收端取出接收结果，并使用与发送端相同的方法计算出一组新的奇偶校验码。然后将这些奇偶校验码按r的顺序（r8,r4,r2,r1）组成一个二进制数。本例中，组成的二进制数是0111（十进制数7），这就是准确的差错位置。纠错一旦找出差错位，接收端即可将该位的值反转，以纠正差错。1.3传输差错检测与校验技术

1.3.6常用纠错码莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术

参考教材P173-179最简单数据通信：两站点直接用线路连接。一般通信网络，则根据网络结构的不同可以分为交换通信网络和广播通信网络。广播通信网络中的通信方式是广播式，所有网络节点共享通信媒介，不需要中间节点的介入。LAN一般为广播通信网络。交换通信网络是由若干个网络节点按照某一拓扑结构相互连接而成的。数据的传送从源节点开始，需经过若干中间节点转发（交换），才能最终到达目的节点。限于经济性或连接的非永久性，WAN一般为交换通信网络。

【名词】站节点（结点）

广播通信网络交换通信网络莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术一般来说，对数据交换有下面五个基本要求：要满足多种多样的用户对各种不同速率的数据通信的需求在交换的连接过程中的速度要快高的传输准确性适应用户的实时性要求，网络时延要小能满足用户各种数据通信业务的需要

常用数据交换技术有:

电路交换报文交换分组交换虚电路分组交换数据报分组交换信元交换莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术1．电路交换(circuitswitching)P174

通信时需在两站间通过交换结点（交换机）先建立一条独享的通信“线路”,即所谓“通信通道”。通信过程——三次握手（handshake）：建立连接（hello）—电路建立源端向网络系统发送一个带目标端地址的请求联接信号（呼叫），中间结点按一定路由算法分配一条可能达到目标的信道，在这个请求呼叫的联接过程中，各中间结点“记住”了联接中的输入输出对应关系，相当于在源端和目标端间临时分配了一条直达通路，直至取消（例：打电话前先摘机拨号）。数据传送（talk）数字或模拟数据一般为全双工(即可同时在两个方向传输数据)(ACK，确认）取消连接（bye）

—电路释放(电路拆除）

莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术1．电路交换(circuitswitching)

电路交换是由传统的电话通讯方式发展起来的一种交换方式。特点：①通信通道利用率很低（连接期间专用该通道，空闲照样付费）数据通信时真正占用线路的时间一般不超过10%甚至只有1%（语音通信最高可达80%）。而且建立电路和电路释放时间较长，小数据量传送不经济。②实时性好（连接期间无延迟）③带宽固定（不适合猝发性大通信流量），整个线路要求单一速率，无差错控制功能④只能一对一通信⑤交换设备简单（纯硬件），收发速度快

莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术2．报文交换(messageswitching)

采用存储转发（store-and-forward）技术实现数据传输，即A站发出的数据被整个地作为一个“报文”（对报文大小没有限制），而且传送在每个中间节点处都要先存储一下再转发给下一节点。它是由传统的邮递通讯方式发展起来的一种交换方式，这种方式直接以一次传送的信息包（报文）为单位组织通信，如一封信、一个文件或一个电子邮件等，信息包的长度不定，自带目标用户地址。它没有连接和取消连接的过程，每个信息包在传输过程中只是一段一段地占用信道，而不是占用整个链路。

莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术2．报文交换(messageswitching)

特点：①通道可复用（连接期间无需独占通道，多个报文可分时共享同一通道）②带宽可调变（对猝发性通信流量十分适合）③实时性差（存储转发过程引起通信延迟），不适用于语音和视频之类实时或交互式的通信要求④可实现一对多通信⑤交换设备（节点）需用大容量存储器的电脑设备莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术3.分组交换（packetswitching）类似于报文交换技术，但所传输的数据被分割成一个个不等长的“分组”（packet，包）进行传送。由于每个分组数据包很小（一般为几千个二进制位），传送设备只需将它们保存在主存中再转发，而无需存储在物理存储设备中，所以速度、效率和实时性均优于报文交换。

报文交换分组交换莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术3.分组交换（packetswitching）

分组交换的方法有两种：数据报(datagram)

分割后的各个数据包（带有目的地址）通过网络单独发送到目的站再装配复原——“无连接”方法。虚电路（virtualcircuit）

传送方式类似电路交换（建立连接—数据传送—取消连接），但连接是“虚拟”的，数据包在每个节点处仍需存储转发，并不独占线路，所以可进行多路通信。——“面向连接”方法。数据报交换虚电路交换莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术3.分组交换（packetswitching）比较:数据报(datagram)

无需呼叫建立连接阶段,所以传输少量数据时比虚电路快。分组可绕过故障节点到达目的地，但不保证分组能按序到达，数据丢失也不知晓。虚电路（virtualcircuit）

传输前需先建立连接，所以适用于两端之间大数据量交换。能保证每个分组按序正确到达。但构成虚电路的某个节点或链路出故障时，虚电路完全失效。数据报交换虚电路交换莆田学院计算机教研室2003-21.4通信网络数据交换技术

三种交换技术小结:电路交换

在数据传输之前必须先通过呼叫设置一条完全的通路。在线路拆除(释放)之前，该通路由一对用户完全占用。电路交换效率不高，适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信。LAN中广泛使用。