计算机网络原理及应用 课件 模块3 构筑网络高速公路-数据通信基础

构筑网络高速公路-数据通信基础计算机网络原理及应用学习情境数据通信是计算机网络的一个主要功能，即主机之间通过网络接口发送和接收数据帧。物理层工作体现在对底层所使用的传输介质特性的规定上，关心的是数据用什么样的电信号来表示，以及如何去传输这些电信号，内容涉及通信的距离、速率、效率和可靠性等技术细节。数据链路层利用物理层提供的比特流透明传输服务，解决组帧、差错控制、流量控制和主机标识等问题，实现相邻节点间可靠的数据传输功能。学习路线通过一个模型，了解两个定理，掌握几个指标，弄清几个技术，把握系统全貌。课前回顾课前回顾寻找生活中的传输介质（网络通信的基石）课前回顾请你帮忙选择传输介质课前回顾1．计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。物理层定义了网络设备与传输介质之间的沟通方法，它所关注的内容与传输介质相关，但与看得见摸得着的传输介质和网络设备不是一回事。（1）物理层的协议数据单元是__________，不能直接在介质上传输，需将其__________或__________，变成适合介质传输的__________。课前回顾（2）物理层协议使用__________、__________、__________和__________等4个特性来描述，其中前两个特性从接口的大小、尺寸、引脚数量、功能等层面反映了网络基础设施的标准，后两个特性从发送信号的表示和先后顺序等层面反映了传输信号的物理标准。（3）物理层还考虑了通信设备之间的连接方式，如在广域网中采用_______连接方式，在局域网中采用__________连接方式。课前回顾2．下图中，（

）是信息，（）是数据，信号在（）。1处声音文字图片视频处理描述存储传递2处3处课前回顾3．请仔细观察下图，总结信息、数据和信号之间的关系。课前回顾（1）人与人之间交换的是信息，人们通过网络获取信息。（2）信号是传输介质上的电磁波。信号也可以分为模拟信号和数字信号，请指出图下中哪一个描述的是模拟信号？不同信号之间可以相互转化，如大家熟知的调制解调器就是实现数字信号和模拟信号相互转换的物理层设备。0V(t)t0V(t)t课前回顾（3）信息是通过解释数据而产生的，数据是通过信号进行传输的。数据可以分为模拟数据和数字数据，如人们说话的声音是__________，计算机处理的是__________。模拟数据数字数据信息information数据data信号signal文字音频图片视频携带信息的实体数据的电磁表现模拟信号数字信号学习目标知识目标本节目标1.了解并行通信与串行通信的特点。2.了解单工、半双工和全双工通信方式的特点。3.掌握异步传输和同步传输的概念。1.通过学习单工、半双工、全双工三种通信方式的特点，明确各自都有其存在的意义与应用价值，引导学生思考人生的价值，无论平凡伟大，都可以活出自己的精彩。2.由计算机内部采用并行传输，在通信线路上使用串行传输的选择依据，引导学生要以辩证的方式看待问题，条件不同则处理结果不同，具体问题具体分析。素质目标能力目标1.能够使用常见的网络仿真工具。主题1：数据通信方式并行通信与串行通信并行通信15

概念：并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，即有多个数据位同时在两个设备之间传输优点：速度快，处理简单缺点：费用高，仅适合于近距离和高速率的通信并行通信与串行通信串行通信概念：数据编码后形成的脉冲信号串行地在一条信道上传输优点：收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低；适合长距离，如广域网通信场合缺点：速率低16

通信双方的交互方向单工(Simplex)通信17

接收端发送端×单向信道单向传输不能反向传输数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收不能发送单工(Simplex)指的是通信信道是单向信道，任何时候都不能改变信号的传送方向通信双方的交互方向半双工(HalfSimplex)通信发送端/接收端发送端/接收端接收器信号传输接收器发送器发送器半双工信道可以反向传输，但同一时刻只能单向半双工通信中信号可以沿着两个方向传送，但同一时刻只限于一个方向传输，即两个方向的传输只能交替进行18

通信双方的交互方向全双工(FullSimplex)通信发送端/接收端发送端/接收端接收器信号传输接收器发送器发送器全双工信道可以同时双向传输指同时可以作双向的通信，通信的一方在发送信息的同时也能接收信息19

异步传输与同步传输同步的概念20

就是接收端要按照发送端发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据。分为同步传输和异步传输，主要解决串行数据传输中通信双方的码组或字符的同步问题如果收发双方的时钟不同步，即使只有较小的误差，随着时间的增加，误差不断的积累，也会使收发之间失步异步传输与同步传输异步传输（AsynchronousTransmission）21

优点：字符同步实现简单，收发双发的时钟信号不需严格同步又称起止式传输（字符同步），即指发送者和接收者之间不需要合作缺点：对每一个字符都需要加入“起”、“止”、“校验”码元，使传输效率变低，图中数据位占7位，控制位3位，其传输效率为7/(7+3)=70%异步传输用于低速线路中，如计算机与调制解调器构成的的电话通信中等异步传输与同步传输同步传输（SynchronousTransmission）22

又称帧同步，使接收端接收的每一个数据块或一组字符都要和发送端准确地保持同步。传输效率高，适合较高速率的数据通信系统假定传输的数据位为800位，同步字符占16位，校验位32位，则其数据传输效率为800/(800+16+16+32)=92.59%。一般用在高速传输数据的系统中，如计算机之间的数据通信。异步传输与同步传输同步传输与异步传输的区别23

异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。

异步传输的单位是字符，而同步传输的单位是帧。异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。异步传输相对于同步传输效率较低。课堂同步24

同步传输中，（

）用于数据帧接收同步，（

）用于收发双方时钟同步，（

）对同步时钟精度要求高，（

）传输效率高。动手实践25

网络模拟器的基础使用。课后作业26

1.在作业本上完成教材“课后检测”一~四的所有题目。2.预习教材模块3主题2内容。谢谢！构筑网络高速公路-数据通信基础计算机网络原理及应用课前评估在进行网络通信之前，必须在本地网络上建立一个物理连接。物理连接可以通过有线连接，也可以通过无线连接，如下图所示。请尽可能地列举图中所包含的有线连接和无线连接的传输介质。主题2：常见传输介质学习目标知识目标本节目标1.了解传输介质的特性。2.了解双绞线的分类、特性和网线的连接组件。掌握网线的制作标准和应用标准。了解同轴电缆的基本特点。5.了解光纤通信系统、光纤分类及其特性。传输介质的覆盖范围特性对数据的传输质量有决定性影响，引导学生从客观需求出发，兼顾各方，合理取舍，中庸行事，满足需求是第一要素和最后底线素质目标技能目标能够制作标准网线。能够使用网线正确连接网络设备。传输介质的分类32

传输介质是指计算机网络中用于连接相互通信的各个计算机的物理媒体有线介质（导引型）无线介质（非导引型）电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。无线（非导引型）传输介质就是指自由空间。电磁波的传输常称为无线传输。传输介质的特性33

传输特性是指对数据的传输质量（快、准、远）有决定性影响，通常是影响传输介质性能的重要指标物理特性：构成、几何、机械等传输特性：衰减、频率等（快）抗干扰特性：噪声会引发信号的变形，数据传输出现差错（准）地理范围：传输距离（远）相对价格：考虑技术上可行，工程上可能不行（性价比）双绞线34

双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成，典型的双绞线有一对的，有四对的把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，因此得名，并降低信号的干扰实际使用时，双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的双绞线是目前局域网中最常用的一种布线材料双绞线概述双绞线35

双绞线的分类双绞线按其是否有屏蔽，可分为屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)。二者的差异在于屏蔽双绞线在一对双绞线外面有金属筒缠绕双绞线36

按照TIA和EIA规定的频率划分绞合线类别带宽线缆特点典型应用316MHz2对4芯双绞线模拟电话；曾用于传统以太网（10Mbit/s）420MHz4对8芯双绞线曾用于令牌局域网5100MHz与4类相比增加了绞合度传输速率不超过100Mbit/s的应用5E（超5类）125MHz与5类相比衰减更小传输速率不超过1Gbit/s的应用6250MHz与5类相比改善了串扰等性能传输速率高于1Gbit/s的应用7600MHz使用屏蔽双绞线传输速率高于10Gbit/s的应用双绞线的分类双绞线37

大对数电缆：适合语音通信双绞线的分类双绞线双绞线的特性38

双绞线既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号数据传输速率与信号编码方式、距离有很大关系规定双绞线的最大距离为100m双绞线网线连接组件39

网线的连接组件是水晶头——RJ-45RJ45PatchPanel讨论：如何鉴别水晶头的质量？双绞线网线的制作标准40

有EIA/TIA568A和568B两种网线制作标准两种标准的线序需要牢记工程上通常使用568B标准，一个网络工程项目建议使用同线序12345678EIA/TIA568B白橙橙白绿蓝白蓝绿白棕棕EIA/TIA568A白绿绿白橙蓝白蓝橙白棕棕双绞线网线的制作标准41

讨论：如何避免购买一箱劣质网线？双绞线三种网线类型及其作用42

直连网线、交叉网线和全反线直连网线、交叉网线一般用于终端、网络设备之间的连接，用于数据通信双绞线三种网线类型及其作用43

直连网线和交叉网线连接规则：相同或同性设备相连，使用交叉线，否则使用直连线全反线应用于连接路由器的控制端口(ConsolePort)思考：计算机与路由器相连、交换机和交换机相连使用何种网线？实际网络工程中，使用直连网线连接相同或同性设备，网络能否正常工作？同轴电缆同轴电缆的结构与应用44

外层护套绝缘层内导体铝或铜网外导体50

同轴电缆：LAN/数字传输常用75

同轴电缆：有线电视/模拟传输常用BNC电缆连接头导线束型（RG-58A/U）光纤45

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，用于传输光信号光纤不受电磁或无线电频率干扰，所以传输速率较高、带宽较宽、传输距离也较远同时，光纤也比较轻便，容量较大，本身化学性稳定不易腐蚀，能适应恶劣环境全反射原理：当光纤从高折射率的纤芯射向低折射率的包层时，其折射角大于入射角，因此，当入射角足够大时，就会出现全反射概述光纤46

由于计算机只能接收电信号，光纤连接计算机时需要光电收发器进行光电转换光纤通信是指利用光纤传播光脉冲的通信过程。有光脉冲相当于数字信号“1”，没有光脉冲相当于数字信号“0”。光纤只能单向传输，双向传输，需要使用两根光纤光电转换LED：定向性差，寿命短，价格低ILD：定向性好，寿命长，价格高光纤光纤分类47

多束光以不同的反射角在多模光纤中传播。单束光在单模光纤中沿直线传播。传输距离不低于2km单模光纤多模光纤传输距离不大于2km采用激光光源采用LED光源带宽和成本高、黄色护套带宽和成本低、橙色护套光纤光纤特性48

纤芯由石英玻璃拉成细丝。多模光纤直径：50

m，62.5

m。单模光纤直径：9

m。包层折射率比纤芯低的玻璃封套，直径为125

m工作波长0.85

m，多模光纤，衰减大1.31

m，单模光纤，衰减小。1.55

m，单模光纤，衰减小。光纤光纤的连接组件49

光纤配线架与网络设备之间使用光纤跳线连接常用的光纤插头：SC型与ST型光纤光纤之父的故事50

高锟：诺贝尔物理奖获得者，光纤通信之父赵梓森：中国光纤之父有线传输介质的比较51

无线介质52

穿透和绕射力强远距离通信速率较低穿透和绕射力弱视距中继传输速率高穿透性差短距离通信无需授权分配频率长波、中波、短波红外线、激光微波课堂练习53

1．下列（）使用直通电缆

A通过控制台端口连接路由器时

B连接两台交换机时

C连接主机与交换机时 D一般使用激光作为光源2．在下列传输介质中，（）错误率最低。A同轴电缆

B光缆

C微波

D双绞线3

．局域网中常使用两类双绞线，其中STP和UTP分别代表（）。A屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线 B非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线C3类和5类屏蔽双绞线4

．目前光纤通信中，光纤中传输的是（）。A微波 B红外线 C激光 D紫外线传输介质54

考研考点：全国统考未涉及，院校自主命题有涉及1．在常用的传输介质中，（）的带宽最高，衰减最小，抗干扰能力最强。【2015浙江工业大学】A同轴电缆 B光纤 C微波 D双绞线2．（）不属于导向传输媒体介质。【】2012中国科技大学。A同轴电缆

B光缆

C卫星通信的无线介质

D5类双绞线3．无线电波分中波、短波、超短波和微波等，其中关于微波模式正确的是（）。【2019山东大学】A微波沿地面传播，绕射能力强，适合于广播和海上通信B微波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信C微波具有极高频率的电磁波，波长很短，主要是直线传播，也可以从物体上得到反射D微波通信可用于电话，但不宜传输电视图像动手实践55

制作标准网线。课后作业56

1.在作业本上完成教材“课后检测”一~四的所有题目。2.预习教材模块3主题3内容。谢谢！构筑网络高速公路-数据通信基础计算机网络原理及应用课前回顾课前评估在计算机网络中，计算机关心的是信息采用的数据形式；数据通信中则关注如何将表示数据的二进制比特序列转换成适合信道传送的信号，模拟、数字数据与模拟、数字信号之间的关系数据模拟数据数字数据信号模拟信号数字信号信道模拟信道数字信道基带传输频带传输课前评估波形变换的操作。如图所示，调制是将数字信号转换成能在电话网络上传输的模拟信号的过程，解调执行相反的过程；编码（是使用可以被通信设备理解和传输的电平信号来表示二进制的数值）是将数字信号变换成另一种类型的数字信号，解码执行相反过程。请思考计算机网络应用中，宽带接入非对称数字用户线路（ADSL，AsymmetricDigitalSubscriberLine）技术中使用了波形变换的__________操作，当前局域网中使用了波形变换的__________操作。为了便于讨论，将调制或编码前的数字信号称为基带信号，经过调制后的信号称为频带信号，经过编码操作后的信号仍然称为基带信号。基于这些认识后，可以将调制和编码分别理解为频带调制和基带编码。课前评估信道：向某一方向传输信号的媒介思考：对比左图，信道可否类比为公路？图中有2条单向公路，每条公路划分为3个车道，据此可将信道划分为哪两种信道？课前评估码元：是指使用波形（时间间隔相同）表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。当码元的离散状态有M个时（M>2），此时码元称为M进制码元。课前评估4进制码元举例如要告诉对方8位二进制比特串：00011011采用（码元）表示“0”，（码元）表示“1”，则传送上述二进制位串需要比划8次手势（发送8个码元）。如果规定：传送上述二进制位串需要比划4次手势（发送4个码元）。课前评估码元可以携带多个⽐特的信息量（一个码元用多少比特来表示）思考：图中的一个码元携带多少比特的信息量？

课前评估（参考动手实践部分）66

数据传输率是指单位时间内传输的信息量，可用“比特率”和“波特率”来表示比特率:

计算机每秒发送的二进制位数，单位为位/秒，记为bps或bit/s

波特率:线路上每秒传送的波形个数，也称为波形速率或码元速率，单位为波特，记作Baud波特率与比特率的对应关系:S=B×log2N（b/s）

或B=S/log2N

（Baud）波特率和比特率的作用范围

课前评估（参考动手实践部分）67

E1速率T1速率T1速率=传输数据/时间，24个子信道，每个子信道传送8bit数据，外加1个帧同步位，总时间为125μs

=(8×

24+1)bit÷125μs

=193bit×

8000/s

=1544000bps

=1.544MbpsE1速率=传输数据/时间，32个子信道，每个子信道传送8bit数据，总时间为125μs=(32×

8)bit÷125μs=(32×

8)×

8000bit/s=2048000bps=2.048Mbps数字电话系统中的速率

信号、码元、速率68

考研考点：全国统考和院校自主命题均有涉及1.若某通信链路的数据传输速率为2400bit/s。采用4相位调制，则该链路的通信速率为（

）。【2011全国统考】A．600Baud B．1200Baud C．4800Baud

D．9600Baud2.在相隔2000km的两地间通过电缆以4800bit/s的速率传输3000bit长的数据包，从开始发送到接收数据所需的时间是（

）。【2017杭州电子科技大学】A．480ms B．645ms C．630ms D．635ms3.设信号的波特率是600Baud，采用振幅调制技术，把码元的振幅划分为16个不同的级别来传输，则该信道的数据速率为（

）。【2019重庆邮电大学】A．600bit/s B．2400bit/s C．4800bit/s D．9600bit/s主题3：数据编码技术学习目标知识目标本节目标了解基带编码和频带编码的概念。掌握不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码的特点。掌握幅移键控、频移键控、相移键控和混合调制的特点。了解奈奎斯特定理和香农定理的应用。通过学习数据传输过程中采用不同的调制方式，理解方法论的内涵，引导学生从不同的角度对待和解决问题素质目标技能目标能够分析实际通信系统的速率指标编码71

原始比特流不能直接在信道上传输的原因（编码的原因）传输介质固有的衰减和外界干扰的影响解决采用什么样的电平来表示“0”或“1”的问题信息文字图片音频视频运送消息的实体（模拟数据与数字数据）数据的电磁表现（模拟信号与数字信号）数据信号计算机发出的数字信号数字基带信号数字信道模拟信道基带编码频带调制基带信号必须经过编码或调制后才能经信道传输基带编码（数字基带信号的编码）72

优点：数据传输速率高缺点：传输距离短，抗噪声能力弱，信道无法多路复用基带信号：没有进行频谱搬移和波信变换的信号，前者可称为模拟基带信号，后者称为数字基带信号基带编码：仅对基带信号的波形进行变换的过程叫做基带编码编(Coding)。NRZ全宽码曼彻斯特1111100000比特流差分曼彻斯特归零制不归零码（NRZ）73

是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内不会返回初始状态(零)方法：用幅度变化来表示数据，用高电平表示“1”，用低电平表示“0”，电压范围取决于所采用的特定物理层标准优点：实现简单缺点：抗噪声能力弱（含有直流分量），需要额外同步时钟，收发双方不能完全同步。判决门限接收端如何判断这是7个码元？曼彻斯特编码74

用跳变方式来表示数据。方法：将每比特的信号周期T分为前T/2和后T/2，用前T/2传比特的反(原)码，用后T/2传送该比特的原(反)码。在信号波形的中间位置进行跳变（表示时钟和数据）。优点：具备自同步能力；抗干扰能力强（周期时间内直流分量为0）。缺点：数据传输速率只有调制速率的1/2，时钟频率的提高很困难，增加了频带宽度/常用于以太网中。中间跳变，高跳至低表示1中间跳变，低跳至高表示0差分曼彻斯特编码75

方法：在信号波形的开始位置进行跳变，一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。码元中间时刻跳变仅表示时钟。优点：具备自同步能力；抗干扰能力更强，跳变（交替）更容易检测。缺点：需要较复杂的编码技术。常用于令牌环网中。●起始位置无跳变表示1●起始位置有跳变表示0课堂同步76

解析1.码元中间时刻的电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。2.数据的表示在于每一个码元开始处是否有电平跳变：无跳变表示1，有跳变表示0。下图所示为以太网网卡接收到的信号波形，则该网卡接收到的二进制位串是（）。码元码元码元码元码元码元码元码元1011001X频带调制（数字基带信号的调制）77

传统电话线路是为传输语音信号而设计的，不适合于直接传输基带信号要在模拟信道上传输数字信号，要将模拟信号作为载波运载要传送的数字数据传输距离远，信道可以复用，利用率高发送端调制解调器A调制解调器BPSTN公共交换电话网络接收端A/D转换D/A转换调制：将数字信号转换成模拟信号解调：将模拟信号转换成数字信号

频带调制78

载波是一个具有较高频率、待处理的无线电波，一般为正弦波调制往往需要载波（CarrierWave）的支持，实现频谱搬移，调制就是根据原始（基带）信号去改变载波某些参数，将要传送的数字数据“寄载”在载波上的过程时域频谱频谱搬移

频带调制79

振幅调制：用数字基带信号控制载波信号的振幅A，即幅移键控ASK(Amplitude-ShiftKeying)。应用在低速光纤通信中。基带信号振幅调制010011100用幅度0表示数字数据“0”用幅度1表示数字数据“1”高低不同

频带调制80

频率调制：用数字基带信号控制正弦波信号的频率F，即频移键控FSK(Frequency-ShiftKeying)。应用在无线电广播、遥控器等基带信号频率调制010011100频率f1频率f1频率f1频率f1频率f1频率f2频率f2频率f2频率f2快慢不同

频带调制81

基带信号载波信号绝对相位调制

绝对相位调制：用正弦波的不同相位直接表示数字，当传输的基带信号为1时，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为0；当传输的基带信号为0时，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为π。应用在Wi-Fi、蓝牙、卫星通信中。反相表示0同相表示1形状不同

频带调制82

相对相位调制：利用前后码元信号的相位差表示数字信息，当传输的基带信号为1时，相邻码元信号的相位差为π；当传输的基带信号为0时，相邻码元信号的相位差为0。基带信号相对相位调制遇0相位不变遇1相位偏差π

编码与调制83

考研考点：全国统考和院校自主命题均有涉及2.使用两种编码方案对比特流01100111进行编码的结果如下图所示，编码1和编码2分别是（

）。【2015全国统考】A．

NRZ和曼彻斯特编码B．

NRZ和差分曼彻斯特编码C．

NRZI和曼彻斯特编码D．

NRZI和差分曼彻斯特编码1.下列说法中，不正确的是（

）。【2012青岛大学】A．调制解调器仅用于把数字信号转化为模拟信号，并在线路中传输

B．调制解调器对传输信号进行A/D和D/A转换的，所以在模拟信道中传输数字信号时是必不可少的设备

C．调制解调器是一种数据通信设备

D．56kbit/s调制解调器的下传速率比上传速率大混合调制84

ASK、FSK、PSK本质上是2ASK、2FSK、2PSK数字基带信号2ASK2FSK2PSK有载波有载波有载波有载波无载波无载波无载波无载波频率f2频率f2频率f2频率f2频率f1频率f1频率f1频率f1相位0º相位0º相位0º相位0º相位180º相位180º相位180º相位180º使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。如何才能使1个码元包含更多的比特呢？混合调制85

多进制调制将2ASK、2FSK、2PSK扩展为MASK、MFSK、MPSK，其中M=2n，n为每个码元携带的比特数。2ASK调制速率为2400波特时，数据速率为2400bit/s；若采用8ASK调制速率为2400波特时，数据速率为：S=B×log2M=2400

×log223=2400

×3=7200(bit/s)这种方法将增加系统实现的复杂性和误码率M1=φ5

φ3

φ0

φ6

φ7

φ23bit/码元基带信号M=101011000110111010……

1bit/码元若以同样的速率发送码元，则同样时间所传送的信息量就提高到了3倍。将信号中的每3个比特编为1组：

101011000110111010……混合调制86

正交振幅调制（QAM，QuadratureAmplitudeModulation）通常的做法是将ASK和PSK2种调制技术结合起来，使得相位上有x种变化，振幅上有y种变化，于是总共有N（x和y的有效组合）

种可能的变化和对应每个变化的相应比特数。QAM是将信号加载到2个正交的载波上（通常是正弦和余弦），通过对这两个载波幅度调整并叠加，最终得到相位和幅度都调制过的信号。混合调制87

正交振幅调制（QAM，QuadratureAmplitudeModulation）星座图：表示QAM信号的相位和振幅，一个信号星点包含了信号的幅度信息和相位信息。星座图上信号星点的数量，决定了每个符号传输的比特数。例如：可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。总共有16种组合，即16个码元。由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。数据传输率可提高4倍。信道的极限容量88

提高数据速率的方法在给定频率条件下，改变信号的振幅和相位的组合关系，则数据传输速率R、波特率B和调制级别2n之间的关系为R=B×log22n。能否通过无限增加波特率（方法1）和调制级别（方法2）来得到无限高的数据传输速率呢？理想信道和实际信道最大数据传输速率都是有上限的。奈奎斯特推导出一个公式，用来推算无噪声的、有限带宽信道的最大数据速率。香农把奈奎斯特的工作进一步扩展到信道受到随机噪声干扰的情况。信息社会要求更高的信息传输速率信道的极限容量89

奈奎斯特定理理想低通信道下极限数据传输速率。设信道的带宽是W（Hz），则其最高波特率是2W。如果制定的码元状态数为M，则极限数据传输速率为奈奎斯特（1889-1976）信道的极限容量90

奈奎斯特定理理想带通信道下极限数据传输速率。设信道的带宽是W（Hz），则其最高波特率是W。如果制定的码元状态数为M，则极限数据传输速率为以上讨论可以看出：最大波特率受限于奈奎斯特定理，无限提高提高数据传输速率的方法（1）被否定了。奈奎斯特激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。信道的极限容量91

香农定理香农用信息论的理论推导出带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的无差错的极限数据传输速率。可以看出：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，那么数据传输速率也是有上限的。香农定理表明，通过方法（1）和方法（2）来无限制提高数据传输速率是不可行的。香农定理告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。其中：W信道的带宽(Hz)；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。信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)香农（1916-2001）信道的极限容量92

考研考点：全国统考和院校自主命题均有涉及1.在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率为（

）。【2009全国统考】A．600Baud B．1200Baud C．4800Baud

D．9600Baud2.若连接R2和R3的链路带宽为8kHz，信噪比为30dB，则该链路的实际数据传输速率为理论最大数据传输速率的50%，则该链路的实际数据速率约是（

）。【2016全国统考】A．8kbit/s B．20kbit/s C．40kbit/s D．80kbit/s3.若信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于信噪比为30dB条件下的极限数据传输速率，则信号状态数至少为（

）。【2017全国统考】A．4

B．8

C．16

D．324.彩色电视图像每帧包含108个像素，每个像素有256种等概率出现的颜色，若要求每帧秒传输30帧图像，设该信道的信噪比为30dB，则传输此电视信号所需的最小带宽约为（

）。【2014武汉大学】A．24MHz B．

48MHz

C．

768MHz D．

1536MHz数据速率计算小结93

带宽WW模拟通信=f2-f1W数字通信=最高速率奈奎斯特定理理想低通信道：B=2W理想带通信道：B=W码元速率混合调制调制级别NR=log2N数据速率R噪声信道香农定理C=log2(1+S/N)极限数据速率C科学精神94

科学精神是伴随着近代自然科学的诞生，在继承人类早期历史发展的思想遗产基础上，逐渐发展起来的科学理念和科学传统的积淀，是科学文化深层结构中蕴涵的价值和规范的综合，体现着科学的哲学和文化意蕴。当我们遇到问题时要以实事求是的态度、科学的精神分析问题、解决问题弘扬科学精神，坚定信念，至诚报国动手实践95

速率计算。课后作业96

1.在作业本上完成教材“课后检测”一~四的所有题目。2.预习教材模块3主题4内容。谢谢！构筑网络高速公路-数据通信基础计算机网络原理及应用课前回顾课前评估信道是信号在通信系统中传输的通道，由通信线路及通信设备组成。通信工程中用于架设通信线路的费用相当高，人们必须充分利用信道的容量；无论在广域网还是局域网中，实际传输速率要远远低于信道容量。因此，需要提高信道的__________。如何做到这一点呢？我们将通信信道和高速公路类比，如图所示，在一条物理信道上建立多条逻辑信道，而每一条逻辑信道上只允许一路信号通过。课前评估信道复用：把多个不同的信号同时在一条传输线路上进行传输的技术。实现信道复用会增加通信成本，如复用器、分用器以及费用较高的大容量信道，我们为什么还要使用信道复用技术呢？课前评估信道复用带来的好处。提高信道的数据传输率和频带利用率，提高系统的性价比；降低设备费用，节省传输线路；提高信息传输的效率，提高系统的工作效率。课前评估信道复用方法信道复用方法频分多路复用FDM：按频率划分不同的信道时分多路复用TDM：按时间划分不同的信道波分多路复用WDM：按波长划分不同的信道码分多路复用CDM：按地址码划分不同的信道主题4：信道复用技术学习目标知识目标本节目标1. 了解信道复用技术的作用。2. 理解频分多路复用技术的特点及应用场合。3. 掌握时分多路复用技术的特点及应用场合。了解波分多路复用技术的特点及应用场合。了解码分多路复用技术的特点及应用场合。通过光的波分复用技术的学习，结合现代社会分工越来越精细的现状，让学生明白很多事情都不可能一个人单独完成的道理，引导学生发扬“团结就是力量”精神。素质目标技能目标能够安装和使用网络模拟器频分多路复用106

FDM，类似于高速公路被划分为多个车道一样，所有用户同时占用不同的频带资源并行通信。频分多路复用107

在FDM中，各路信号以不同的载波频率进行调制，各路信号所占用的频带不相互重叠，相邻信号之问有保护频道，以防止多路信号之间的互相干扰。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5频分多路复用108

请根据频分复用的原则，将下列3路电话信号进行复用，（）方法，实现在一条电话线路上同时进行3路电话用户。AB频分多路复用109

请根据下图，说一说频分复多路用的特点。频率时间频率1频率2频率3频率4

B用户

C用户

D用户

E用户频率5

A用户所有用户在相同（），占用（）频带资源。A.相同B.不同C.时间D.频带频分多路复用110

频分复用技术的应用。（1）无线广播（2）卫星通信（3）无线局域网时分多路复用111

TDM，所有用户在不同的时间占用同样的频带BDDDAABCCCBDATDM帧TDM帧TDM帧

TDM帧CB周期性出现TDM

帧频率时间A………时分多路复用112

根据下图，关于时分多路复用的说法，你认同的是（）。A.将信道用于传输的时间划分为若干个时间片。B.每个用户可分得一个时间片，轮流占用每个时间片。C.每个用户只在自己的时间片，占有信道的全部带宽。D.将信道用于传输的频率为若干个频段。频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分多路复用113

分类：同步时分多路复用STDM和异步时分多路复用ATDM

同步时分多路复用（SynchronousTDM，STDM）：将时间片预先分配给各个信道，并且时间片固定不变，因此各个信道的发送与接收必须是同步的。ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户同步时分复用可能会造成线路资源的浪费。时分多路复用114

分类：同步时分多路复用STDM和异步时分多路复用ATDM

异步时分多路复用（AsynchronousTDM，ATDM）：时间片是按需动态分配的，即在输入端有数据要发送时才分配时间片；并且传输介质的传输带宽只要不低于各个信道上信号的平均数据传输速率之和即可，这样就提高了传输介质的利用率。用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用时分多路复用115

应用（3）卫星通信（1）数字电话通信（2）2G移动通信时分多路复用116

例题[3-1]：10个用户使用TDM或FDM共享8Mbit/s的信道，使用TDM的每个用户以一个固定的顺序轮流使用整条信道的全部带宽1ms，当用户要传输一个3000B大小的数据时，使用哪种复用技术具有更低的时延？该时延是多少？分析：解决本题的关键是理解FDM采用并行传输；TDM采用轮询的方式传输。(1)采用TDM，信道带宽平均分配给10个用户，每个用户使用的带宽是0.8Mbit/s，传输完成3000B的数据需要的时延dTDM=3000B÷0.8Mbit/s=0.03s=30ms。(2)使用FDM，在1ms内，以8Mbit/s的速度数据，可以发送的数据为1ms×8Mbit/s=1000B。所以，需要3ms才能发送完3000B数据。如果传输数据时，刚好轮到自己传输数据，需要等待9×1ms=9ms，才第2次轮到自己发送数据，再等待9ms后，第3次轮到自己自己发送数据，故用户完成数据传输的总时延dFDM=3ms+2×9ms=21ms。由于dTDM=30ms>dFDM=21ms，所以FDM的时延更低。波分多路复用117

WDM是指在一根光纤上能同时传送多个不同波长的光载波复用技术。相当于光的FDM。光纤1中的光束波长λ1光纤2中的光束波长λ2光栅光栅合成光束共享光纤光纤1波谱波长λ1光纤2波谱波长λ2光纤1波谱波长λ1光纤2波谱波长λ2波分多路复用为什么光载波要使用C波段（波长范围是1.530～1.565μm）。其衰减小，可进行全光放大。物理带宽大。B=fmax–fmin

=(C÷λmin)-=(C÷λmax)=(3×108m/s÷(1.530μm))-(3×108m/s÷(1.565μm))=4.38THz波分多路复用目前可以在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为密集波分复用DWDM。课堂小结120

带宽受限时间受限是否存在同时共享带宽和时间的动态复用技术？码分多路复用121

码分复用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）是将多个数据信号组合在一起在公共频带上传输，它既共享信道的频率，也共享时间，是一种真正的动态复用技术。当CDM技术被不同地址的多个主机所使用时，就被称为码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰（抗干扰能力强）。CDMA让接入共享传输媒体的所有主机在同一时间使用传输媒体相同的频带码分多路复用122

CDM的工作原理码片是将每一个比特时间划分为m个更短的间隔。每个站被指派一个唯一的mbit码片序列供各用户使用。例如，7bit码片序列是1100100。按照惯例，将0记做-1，将1记做+1。

S站的码片序列为(+1+1-1-1+1-1-1)如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片的二进制反码。发送比特1时，就发送序列1100100，发送比特0时，就发送序列0011011。110ttm

个码片t码分多路复用123

CDM的特性两个不同站的码片序列正交。任何一个码片向量和码片向量自己的规格化内积为1。任何一个码片向量和该码片的反码向量的规格化内积为-1。

码分多路复用124

假设CDM系统中有3个工作站Sa、Sb、Sc，它们的码片序列分别为：+1-1+1-1、+1+1-1-1和+1-1-1+1。某个时刻，Sa、Sb、Sc

分别发送1、不发送和发送0。（1）此时的码分复用信号是什么？（2）接收端收到复用信号后，解复用验证3个工作站发送的原始比特是什么？

手机Sa手机Sb手机Sc基站知道各手机的码片序列给手机Sa发送比特1给手机Sc发送比特0

各手机用自己的码片向量与收到的叠加后的码片向量，做规格化內积运算：

运算结果为1，表明收到的是比特1运算结果为0，表明没有收到信息运算结果为-1，表明收到的是比特0码分多路复用125

假设CDM系统中有3个工作站Sa、Sb、Sc，它们的码片序列分别为：+1-1+1-1、+1+1-1-1和+1-1-1+1。某个时刻，Sa、Sb、Sc

分别发送1、不发送和发送0。（3）如果在某3个连续的比特时间收到的复用信号是00+2-20-2+20-1+1-1+1，则Sa发送的比特是什么?

手机Sa手机Sb手机Sc基站知道各手机的码片序列给手机Sa发送比特110（

00+2-20-2+20-1+1-1+1）+1-1+1-1+1+1-1-1+1-1-1+1手机Sa收到基站发来的叠加后的信号，就用自己的码片向量与收到的叠加后的码片向量，做规格化内积运算：

根据运算结果可知：手机Sa收到基站发来的数据是比特串110。码分多路复用126

码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力曾经熟悉的名词CDMA，没有继续续写辉煌

多路复用技术127

考研考点：全国统考涉及，院校自主命题未涉及1．将物理信道的总频带宽分割成若干子信道，每个子信道传输一路信号，这种信道复用技术是( )。A.空分复用 B.时分复用 C.码分复用 D.频分复用2．

TDM所用传输介质的性质是( )。A.介质的带宽大于结合信号的位速率

B.介质的带宽小于单个信号的带宽C.介质的位速率小于最小信号的带宽 D.介质的位速率大于单个信号的位速率3

．从表面上看，FDM比TDM能更好地利用信道的传输能力，但现在计算机网络更多地使用TDM而非FDM，其原因是（

）。A.FDM实际能力更差

B.FDM技术不成熟C.TDM可用于数字传输而FDM不行

D.TDM能更充分地利用带宽4．在下列复用技术中，（

）具有动态分配时隙的功能。A.同步时分复用 B.统计时分复用 C.频分复用

D.码分复用信道复用技术总结128

请你用几个词语说一说，信道复用技术的特征？动手实践129

网络模拟器的高级使用。课后作业130

1.在作业本上完成教材“课后检测”一~四的所有题目。2.预习教材模块3主题5内容。谢谢！构筑网络高速公路-数据通信基础计算机网络原理及应用课前回顾课前评估图为广域网数据通信模型。请根据已学知识，指出图中（1）～（5）的名称，并进一步思考计算机A至（2）之间的信道类型是__________，传输的是__________信号。（2）和（3）之间的信道类型是__________，传输的是__________信号。课前评估计算机A通过线缆与（2）设备的

接口相连，（2）设备通过电话线与（4）设备的

接口相连。其中，用来发送和接收数据的计算机A和B称为数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）；用来实现信息的收集、处理和变换的设备称为数据电路端接设备（DataCircuit-terminatingEquipment，DCE），如（2）和（4）设备。下面将介绍计算机和（2）、（3）设备之间互连接口的相关内容。

课前评估将上图中计算机与调制解调器之间的连接方式改变为如同所示，请指出图中（1）与（5）处采用何种编码方式，（3）处采用何种调制方式，计算机A输出的数据速率最大为多少。思考：计算机A与宽带调制解调器之间使用何种接口和线缆相连后通过电话线接入Internet？主题5：网络互联实体学习目标知识目标本节目标掌握RS-232C接口的4个特性。了解组帧的4种方法。掌握HDLC、PPP、PPPoE的特点及应用。从当前主要物理层接口标准制定组织（以前主要为欧美制定）入手，结合当前中国科技领域的进步，培养爱国情怀，激发学生学习热情。素质目标技能目标能够描述通过RS-232C接口接入Internet的过程为什么要物理层标准139

物理层功能在传输介质上提供传送和接收比特流的能力分层的要求根据参考模型的要求，向上对数据链路层屏蔽掉物理传输介质、物理连接组件的差异兼容性要求提供不同厂家产品之间的互操作性和兼容性，以完成比特流的透明传输信道编/解码介质驱动物理接口信道编/解码介质驱动SAPSAP001110001110向上提供无结构的比特流

接口形状/尺寸/引脚等

0/1信号的表示各引脚的功能各引脚工作规则和顺序计算机和传输介质之间如何沟通物理层协议的主要任务140

机械特性

接口部件的尺寸、规格、插针数和插针分布等电气特性

接口部件的信号电平、阻抗、传输速率、编码方式等功能特性接口部件的信号线的划分、意义及用途（数据线、控制线、定时线）规程特性接口部件的各信号线的工作规则和先后顺序RS-232接口标准简介141

EIARS-232接口标准EIA：美国电子工业协会RS：推荐标准232：标识号码C：是标准RS-232以后的第三个修订版本RS-232C：是一个关于DTE和DCE的物理层标准RS-232CDTEDTERS-232接口标准简介142

机械特性决定了网络设备与通信线路在形状上的可连接性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列方式、接口机械固定方式等RS-232C的机械特性143

采用”负逻辑”表示：逻辑“1”的电平为-15～-5V，逻辑“0”的电平为+5～+15V抗干扰能力弱：信号电平可能在+5V～-5V之间，无法判断是“1”还是“0”传输距离短：最大支持15米的通信距离通信速率不高，为离散的几档，记住最低150b/s，后者是前者的2倍（连接演示）RS-232接口标准简介RS-232C的电气特性144

规定了应当连接到引脚中的哪一根以及该引脚的作用RS-232C中有信号线、数据线、控制线、定时信号线不要求记忆，使用的时候查询即可RS-232接口标准简介RS-232C的功能特性145

如当DTE进行通信时，将引脚20“DTE就绪”为“ON”，同时通过引脚2“发送数据”向DCE传送电话信号DCE检测到载波信号时，将引脚8“载波检测”和引脚6“DCE就绪”都置为“ON”，以便使DTE端知道通信线路已经建立当DTE端发送数据时，将其引脚4“请求发送”置为“ON”。DCE端响应将其引脚5“允许发送”置为“ON”，然后DTE通过引脚2“发送数据”规定了在DTE和DCE之间所发生事件的合法序列DTE计算机或终端DCE数据线路端接设备（1）保护地（2）发送数据（3）接收数据（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃提示RS-232接口标准简介RS-232C的规程特性课堂同步146

RS-232C标准适合串行通信，所使用的同步技术是（）。设置RS-232C接口的参数：串口1传输的比特率设置为2400bit/s，串口2的比特率应设置为（）。A．1200bit/s B．1800bit/sC．2400bit/s D．4800bit/s技术标准的意义147

体现了一个国家的高科技水平可转化为经济利益Whoisleadingthe5Gpatentrace?数据链路层的基本功能148

为网络层下传的分组添加首部和尾部，标识一帧的开始和结束。封装成帧01具备发现差错的能力，使差错被控制在所允许的范围内。差错控制02确保实体发送的数据不会覆盖掉接收实体已接收的数据。流量控制03组帧（封装成帧）149

数据链路层需要将物理层上接收的比特流变成有意义的数据如下图队列的学生由不同年级不同班级组成，有哪些方法加以区分呢？网络中组帧的方法有哪些呢？组帧（封装成帧）150

字符计数法组帧（封装成帧）151

带字节填充的首位标识法克服字节计数法固有的出错无法恢复的缺陷但是这种方法使用起来比较麻烦所有的特定字符依赖于所采用的字符编码集，兼容性比较差组帧（封装成帧）152

带比特填充的首位标识法（特殊位串界定法）操作方法：发送端，只要发现有5个连续1，其后立即填入一个0接收端，每当发现5个连续1时，把这5个连续1后的一个0删除01001111110001010会被误认为是标志字段F组帧（封装成帧）153

在某个数据链路层协议中使用下列字符编码其中，FLAG作为帧定界符，ESC作为转义字符。假设帧的数据载荷为4个字符A、B、ESC以及FLAG，请分别使用字符填充法和零比特填充法将其封装成帧。A：01000111B：11100011ESC：11100000FLAG：01111110字符填充法封装成帧帧定界符帧的数据载荷帧定界符FLAGAB转义ESCESC转义ESCFLAGFLAG0111111001000111111000111110000011100000111000000111111001111110零比特填充法封装成帧帧定界符帧的数据载荷帧定界符FLAGABESCFLAGFLAG011111100100011111010001111100000001111101001111110组帧（封装成帧）154

违例编码法数据比特“1”编码成“高-低”电平对将数据比特“0”编码成“低-高”电平对。“高-高”电平对和“低-低”电平对在数据比特中是违例的借用这些违例编码序列来定界帧的起始与终止高级数据链路控制155

在通信线路质量较差的年代，高级数据链路控制（High-levelDataLinkControl，HDLC）成为了当时比较流行的数据链路层协议。HDLC是一个比较复杂的面向比特的同步传输协议，使用半双工或全双工通信方式，支持点对点和点对多点两种连接方式。定义了3种类型的站、2种链路配置和3种数据传输方式（参见教材）高级数据链路控制156

HDLC帧格式。信息帧(I)第1位为0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认;监督帧(S)10，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能;无编号帧(U)11，用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。高级数据链路控制157

例题：HDLC协议对0111110001111110组帧后对应的比特串为（）。A.

011111000011111010B.

011111000111110101111110C.

01111100011111010D.

011111000111111001111101点对点协议158

PPP协议的经典应用。用于用户通过调制解调器拨号接入ISP，以建立用户至ISP间点对点的通信链路具有差错检测、数据压缩、身份认证和数据加密等功能点对点协议159

PPP是一个协议集链路控制协议（LinkControlProtocol，LCP）网络控制协议（NetworkControlProtocol，NCP）压缩控制协议（CompressionControlProtocol，CCP）加密控制协议（EncryptionControlProtocol，ECP）具有很多优点支持同步传输和异步传输通过扩展，可以太网上承载PPP通过LCP协商链路层参数通过NCP，支持多种网络协议支持CHAP和PAP协议，保证网络安全点对点协议160

PPP帧格式面向字节的异步传输

•字节填充法，插入转义字符

实现透明传输的方法

面向比特的同步传输

•比特填充法点对点协议161

PPP的工作原理点对点协议162

PPP用在异步传输时采用字符填充法将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。通过电话线路接入Internet使用该传输模式点对点协议163

PPP用在同步传输时采用比特填充法在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除。广域网上两个路由器点对点连接的链路使用异步传输模式以太网上的点对点协议164

在PPP链路上，PPP自带认证功能，可以完美地解决访问控制、身份认证等问题。但PPP链路无法满足多用户上网的需求。为了解决以太网中多用户上网行为管理和收费的问题，提出了PPPoE，将PPP数据帧封装在以太网数据顿中，从而在以太网网络中传输。动手实践165

实现电话拨号上网。课后作业166

1.在作业本上完成教材“课后检测”一~四的所有题目。2.预习教材模块3主题6内容。谢谢！构筑网络高速公路-数据通信基础计算机网络原理及应用课前回顾课前评估

判断下列连接图中哪一个是正确的，请说明原因。（1）（2）课前评估从实现接入技术的角度看，现实生活中常见的宽带接入技术有__________、__________、__________和__________等，分别使用__________、__________、__________和__________传输介质。ADSL是家庭接入Internet的一种宽带接入技术，其连接方式如图所示。请根据连接情况，指出（1）、（2）和（3）使用何种传输介质，在传输介质（3）上，使用何种信道复用技术。主题6：宽带接入技术学习目标知识目标本节目标了解传统电话接入技术的特点。理解ADSL的工作原理。了解混合光纤同轴接入技术、光纤接入技术、以太网接入技术、无线接入技术的特点。。从互联网接入技术的演进过程着手，对比不同接入技术之间的优缺点，引导学生建立终身学习的理念。素质目标技能目标能够使用ADSL技术接入Internet。宽带接入技术概述174

宽带：标准在不断提高。美国联邦通信委员会FCC定义：宽带接入技术主要解决信息高速公路“最后一英里”问题宽带下行速率达