计算机网络全套课件

全套课件计算机网络

上海交通大学计算机系

计算机网络

翁惠玉

hyweng@weng-hy@本课程教材ComputerNetwork(FourthEdition)AndrewS.TenenbaumPRENTICEHALL

本课程参考书目计算机网络（第三版）

AndrewS.Tenenbaum熊桂喜等译清华大学出版社计算机网络–自顶向下方法与Internet特色

JamesF.Kurose高等教育出版社数据通信与计算机网络

高传善等编高等教育出版社数据与计算机通信（第六版）

WilliamStallings王海等译电子工业出版社计算机网络与因特网

DouglasE.Comer徐良贤等译机械工业出版社计算机网络习题与解忻鲁士文编清华大学出版社课件J/jsjwl/weng-hy第1章概述计算机网络组成计算机网络分类计算机网络参考模型计算机网络是由不同通信媒体和中继设备连接的、物理上独立的多台计算机组成的、将需传输的数据分成不同长度的分组进行传输和处理的系统多台自主计算机的互联系统

必须指定网络中哪一台计算机来完成什么样的操作，即客户/服务器的工作方式计算机网络计算机网络图示R1RkRjRiR2H1H2H3HnHm┊计算机网络的组成计算机网络硬件软件：网络协议计算机通信媒体中继设备计算机传输的源点或目的点计算机网络的组成计算机网络硬件软件：网络协议计算机通信媒体中继设备通信媒体传输信息的通道，如双绞线、光纤等传输媒体上要解决的问题：比特串如何在媒体上传输？如何在一条媒体上传输多路信号？如何确定信道的传输能力？常用的术语信道：信息的通道。通常一条物理媒体上可以有多个信道数据：所要传输的信息，有数字数据和模拟数据信号：数据的载体，通常用数字信号或模拟信号数字传输和模拟传输带宽：有效的频率范围，即构成信号的最高频和最低频之差数据传输率：每秒能传输多少bit单工、半双工和全双工传输计算机网络的组成计算机网络硬件软件：网络协议计算机通信媒体中继设备中继设备帮计算机转发数据的设备，如路由器和交换机转发的方式称为交换方式电路交换存储转发虚电路交换电路交换（电话）在数据传输前，必须建立一条端到端的通路，称为连接，该连接可能穿越多个交换局，而每个交换局都必须为之提供连接一旦建立连接，整个通路将被独占，除信号传播的延时之外，数据传输无额外延时，数据中毋需包含目的地址线路的利用率较低建立连接时间长，连接建立时冲突概率高电路交换交换机

中继设备帮计算机转发数据的设备，如路由器和交换机转发的方式称为交换方式电路交换存储转发虚电路交换存储转发数据的传输毋需建立连接，数据的传输是一站一站往下送，无论数据传输过程要跨越多少个交换局（通常是路由器），只要下一站不忙，该数据即送至下一站数据中必须包含目的地址，并采用存储-转发（store-forward）机制线路的利用率较高由于采用store-forward机制，所以在数据传输过程中，除了信号传播的延时之外，还有存储和转发的延时，而且可能延时较大，且不可估计存储转发A3BCDEFRouterLANH1H2241A-BBCCDBECFCAABAC-DDEEFEACBDCCDDE-FFA的路由表E的路由表C的路由表存储转发存储转发分为两类：报文交换分组交换报文交换将要发送的数据打成一个包，按存储转发的模式发送缺点：包的长度变化很大，无法在内存预留空间，通常存储在外存储器上，影响了访问的速度存储转发存储转发分为两类：报文交换分组交换分组交换报文长度有个上限，每个报文称为一个分组当发送的信息很长时，将被分为若干个定长的分组每个分组中必须包含目的地址，并采用存储-转发机制每个中间站点必须有缓存，但由于报文大小固定，所以缓存通常在内存中设置接收分组和发送分组的顺序可能不一致，在目的站点需要将某一消息对应的所有分组重组起来恢复成发送的消息交换技术图示报文t电路交换报文交换分组交换ABCDABCDABCD建立连接阶段报文报文报文分组传输报文阶段报文交换vs分组交换报文交换中，报文存放在外存。分组交换中，分组存放在内存。所以分组转发的速度比报文转发要快。分组交换有重组的问题，报文交换无需考虑电路交换vs存储转发电路交换在数据传输前，必须建立端到端的连接一旦某个节点故障，必须重新建立连接连接建立后，数据的传输没有额外的延时，能保证服务质量数据中不必包含地址域，仅需较短的虚电路号数据按序传输，但信道的使用率较低适合长时间传输大批量的数据，如流数据电路交换vs存储转发（续）存储转发在数据传输前，不必建立端到端的连接只要下一个节点空闲，即可传输信道的使用率较高数据的传输采用存储转发，延时不可估计数据中必须包含地址域适合传输文本型数据中继设备帮计算机转发数据的设备，如路由器和交换机转发的方式称为交换方式电路交换存储转发虚电路交换

虚电路交换将电路交换和分组交换结合起来传输前先建立连接，即找好通路。信息还是以分组的形式传输。优点在分组传输时不需要找路径，提高传输速率分组传输时，占用线路。传输结束后可以供其它连接传输分组。线路利用率高，虚电路交换的过程虚电路连接的建立

传输方发起连接请求，中间节点根据路径信息建立交换表，在交换表内，节点为连接分配一个虚电路号，并与输出端口号相关联，表示用户信息从该端口输入，立即从相关联的输出端口输出到下一节点虚电路连接的传输

分组中没有目的地址，只有虚电路号，接收分组时只检查其头部，一旦得到其虚电路号，则立即查交换表，转发至适当的端口虚电路连接的拆除删除中间节点的交换表中有关此链接的信息虚电路子网H1和H2已建立了1#连接H3要和H2建立连接只能是2#H11H31入口F1F2出口E1E2出口C1C2出口A的交换表A3BCDEFRouterLANH1H2ProcessP1ProcessP1241H3ProcessP3A1A2入口C的交换表C1C2入口E的交换表信元交换将分组分成固定长的单元—信元，并用虚电路方式交换ATM网用这种交换方式一个典型的企业网络硬件平台互联网路由器主交换机防火墙部门交换机路由器网管工作站服务器第1章概述计算机网络组成计算机网络分类计算机网络参考模型网络分类按拓扑结构分按技术分按规模分按传输介质分按使用范围分按拓扑结构分总线环形网状星形网络分类按拓扑结构分按技术分按规模分按传输介质分按使用范围分按技术分广播式网络点到点网络网络分类按拓扑结构分按技术分按规模分按传输介质分按使用范围分按规模分个域网PAN局域网LAN城域网MAN广域网WAN互联网InternetPAN提供短距离的的通信，包括蓝牙、红外、ISM无线蓝牙：小型外围设备与系统之间的通信。如手机与计算机、鼠标与主机红外：小型设备（手持控制器）与临近系统（计算机或娱乐设备）ISM无线：用工业标准频率进行通信，可能有干扰局域网

LAN

（LocalAreaNetwork）总线型

IEEE802.3（以太网）CSMA/CD10M总线型

IEEE802.4（令牌总线）10M环型

IEEE802.5（IBM令牌环）4M16M地域：覆盖范围较小传输技术：城域网

MAN

（MetropolitanAreaNetwork）私有网络──一个连锁超市，有十几个或几十个分布在市内公用网络──上海科技网

大型的LAN广域网

WAN

（WideAreaNetwork）跨越地域较大的网络主机（host）端点系统（endsystem）通信子网（communicationsubnet）简称子网资源子网（resourcesubnet）通信子网传输线交换单元 通常分组交换节点为路由器（router）通信子网负责计算机之间的数据通信，由传输线和交换单元组成资源子网由通信子网互连在一起的计算机构成资源子网中的计算机负责运行对信息进行处理的应用程序，他们是网络中信息流动的源与宿，向用户提供可供共享的硬件、软件和信息资源R1RkRjRiR2H1H2H3HnHm┊通信子网资源子网互联网通常由路由器联接的LAN或WAN组成通信子网通常由路由器组成路由器之间用点到点方式连接路由器的传输机理为分组交换互联网络硬件平台互联网局域网广域网局域网路由器网络分类按拓扑结构分按技术分按规模分按传输介质分按使用范围分按传输介质分有线网无线网网络分类按拓扑结构分按技术分按规模分按传输介质分按使用范围分按使用范围分专用网公共网第1章概述计算机网络组成计算机网络分类计算机网络参考模型计算机网络参考模型ISO/OSI参考模型TCP/IP参考模型本课程的网络模型ISO/OSI参考模型应用主机A层7654321应用协议表示协议会话协议传输协议表示网络传输物理数据链路会话交换单元名称APDUPPDUSPDUTPDU分组帧比特应用表示网络传输物理数据链路会话主机B网络物理物理网络数据链路数据链路路由器路由器通信子网协议物理层主机-路由器协议数据链路层主机-路由器协议网络层主机-路由器协议通信子网边界TnbmP39Fig.1-20OSI参考模型层、协议和接口第5层第4层第3层第2层第1层第2层第1层第3层第4层第5层物理介质4/5层接口3/4层接口2/3层接口1/2层接口主机1主机2第5层协议第4层协议第3层协议第2层协议第1层协议第四层服务访问点SAP第三层服务访问点SAPTnbmP27Fig.1-13层、协议和接口接口和服务每一层的功能都是为它的上一层服务的实体entity每层中活动的元素称为实体每一层和对方的同一层称为对等实体peerentity如第n层是服务提供者，则第n+1层为服务对象分层的好处通过每一层实现一种相对独立的功能来简化问题每一层的设计都是独立的，它不必关心下一层是如何实现的，只需知道下一层为我提供的服务，和我必须为上一层提供哪些服务当由于技术的变化使某层的实现需要变化时，不影响其他的层次物理层（physicallayer）与传输媒体的接口，完成传输媒体上的信号与二进制数据间的转换物理接口上发送或接收的是一串以某种规则表示的二进制的数据物理层定义的是接口的机械特性、电气特性、功能和过程特性等例如：插头、插座的几何尺寸，每根引脚的功能定义，逻辑[0]和[1]的电平定义，信号宽带定义数据链路层（datalinklayer）提供点到点的可靠传输，通常需把数据分成帧，并且保证帧的正确发送和接收识别帧的标志帧的发送和接收，需校验、确认发送方在超时或收到否定性确认后，要重发重复帧要丢弃

在共享网络中，需解决信道共享问题等网络层（networklayer）提供主机到主机的通路，其间可能存在多条通路，网络层将实现的功能包括：选择路由拥塞控制协议的转换分段和重组对用户的分组、字符等计数等等传输层（transportlayer）

提供端到端的通路，应用到应用的通路传输层将把高层要求传输的数据分成若干个报文报文与帧不一样，帧只有帧标志（起始标志、结束标志），而报文有信源和信宿的地址及端口、报文的顺序号、确认号等等低三层的通信对象通常是路由器，传输层是端到端的，必须考虑该报文怎样才能从源端正确地传输到目的端，而源端和目的端通常是主机会话层（sessionlayer）

建立有关会话的机制，或双向对话，或双向对话时要有切换等如：说的一方应说一段就听一下对方的反应，因为，可能线路已断表示层（presentationlayer）

表示层关心的是语法和语义对相关的数据的描述采用抽象的定义，如浮点数都用科学表示法相关数据的表示法转换抽象数据结构的转换应用层（applicationlayer）

包括所有应用方面的协议

如：全屏幕功能，不同的终端其控制字符不尽相同，应作相应的转换，通常定义一个网络虚拟终端

不同系统之间的文件传输的方式不同，但表示的形式必须一致OSI模型的数据传输应用协议表示协议会话协议传输协议网络协议发送进程实际数据传输路径应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层接收进程NH数据PH数据SH数据TH数据AH数据bitsDH数据DT应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层举例：某人给他的朋友写一封信邮政袋箱

信信封邮政信袋应用层网络层数据链路层物理层传输层计算机网络参考模型ISO/OSI参考模型TCP/IP参考模型本课程的网络模型TCP/IP参考模型OSITCP/IP在模型中不存在7654321应用表示会话传输网络数据链路物理应用传输互联网主机至网络TnbmP43Fig.1-21TCP/IP参考模型互联网层（internetlayer）

这里的互联网是基于无连接的分组交换网络互联网层定义了正式的分组格式和协议，即IP协议（internetprotocol），每个IP包的路由问题是互联网层要解决的问题互联网层与OSI中的网络层相对应一个报文的各个不同的分组（称为IP包），可以通过不同的路径到达目的地，其到达顺序与发送顺序可能不一致传输层（transportlayer）

位于互联网层的上层，与OSI中的传输层相对应其功能是使源端和目的端主机的对等实体进行对话定义了两个端到端的协议：传输控制协议TCP（transmissioncontrolprotocol）用户数据报协议UDP（userdatagramprotocol）应用层（applicationlayer）

TCP/IP模型的应用层包括所有的高层协议（实际上，OSI模型中的会话层和表示层在很多应用中是没用的）

应用层常用协议：TELNET：标准终端仿真协议FTP（FileTransferProtocol）：文件传输协议SMTP（SimpleMailTransferProtocol）：电子邮件协议DNS（DomainNameService）：域名系统服务主机至网络层在互联网层以下，TCP/IP参考模型没有定义，认为互联网是网络的互联，至于主机如何接入网络不是TCP/IP模型所需要考虑的问题TCP/IP模型面向的是网络，而不是主机TCP/IP模型中的协议与网络(OSI)层名应用协议传输

网络网络数据链路+物理TELNETTCPDNSSMTPFTPSATNETARPANETIPUDPLAN分组无线网TnbmP43Fig.1-22TCP/IP模型中的协议和网络TCP/IP协议簇TCP/IP协议是一组协议的总称，包括：IP层（即互联网层）：IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF……TCP层（即传输层）：TCP、UDP应用层：FTP、SMTP、SNMP、TELNET、HTTP、DNS……计算机网络参考模型ISO/OSI参考模型TCP/IP参考模型本课程的网络模型本课程的网络模型结合ISO/OSI七层模型和TCP/IP四层模型的特点的五层网络模型OSITCP/IP7654321应用表示会话传输网络数据链路物理应用传输互联网主机至网络应用传输网络数据链路物理本课程模型第2章物理层传输介质比特与信号多路复用传输模式物理层的接口电话系统Internet的接入传输介质双绞线同轴电缆光缆无线传输卫星通信双绞线（twistedpair）由两根彼此绝缘的铜线按螺旋状绞合在一起。这一对线作为一条通信链路线间干扰较小、价格便宜、易于安装可传输模拟信号，也可传输数字信号无屏蔽和屏蔽双绞线：屏蔽双绞线就是在双绞线外加一层金属网罩或护皮，使之能抵抗环境的干扰EIA-568标准：3、4、5类双绞线类越高，绞合的越紧密双绞线续3类双绞线通常用于话音级电缆。如果传输距离不远，3类双绞线的数据传输率可达16Mbps5类双绞线是数据级电缆，传输速率可达100Mbps传输介质双绞线同轴电缆光缆无线传输卫星通信同轴电缆由一根空心的圆柱体的外导线和柱体内部的一根内导线组成比双绞线传输的距离长，传输率也更高用途：电视节目的传输长途电话的传输局域网同轴电缆50Ω同轴电缆50Ω同轴电缆用于数字信号传输，目前基本已被双绞线所替代75Ω同轴电缆75Ω同轴电缆用于模拟信号传输，目前主要用于电视信号的传输由于75Ω同轴电缆的带宽极宽，所以，也被用于城域网，如有线通常用的同轴电缆有两种：传输介质双绞线同轴电缆光缆无线传输卫星通信光缆由玻璃或塑料组成多模光缆：信号通过光的折射在光纤中传输，距离2km单模光缆：直线传输，距离10km光缆的特点应用特点传输速率更高体积更小、重量更轻衰减更小不受外部电磁场的干扰应用长途干线市区的干线局域网传输介质双绞线同轴电缆光缆无线传输卫星通信无线传输无线电传输微波传输红外线光波传输根据波长分成不同的波段，依次为无线电、微波、红外、可见光、紫外等用于通信的电磁波频段无线电波微波红外线可见光紫外线X射线γ射线f(Hz)10010210410610810101012101410161018102010221024f(Hz)1041051061071081091010101110121013101410151016双绞线TVFMAM同轴电缆微波通信卫星通信光通信波长30km

3km

30m

3m

30mm

3mm

30µm

3µmTnbmP101Fig.2-11用于通信的电磁波频段无线通信频段通常用微波或红外线红外通常用于特定区域中（如一个房间）内的通信ISM频段：即工业，科学和医用频段。应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率，并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902-928MHz,2400-2483.5MHz,5725-5850MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网，蓝牙，ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。地面微波通信模型传输距离：天线的高度、类型和信号强度传输可靠性：障碍物传输正确性：气象条件用途：用于代替同轴电缆或光缆传输介质双绞线同轴电缆光缆无线传输卫星通信卫星通信将通信卫星作为一个微波中继站用途电视节目长途电话商业网络地面站地球同步卫星36000km端到端单程270ms往返540msVSAT模型VSAT：甚小孔径卫星终端verysmallaperturesatelliteterminals地球同步卫星VSAT中央站VSAT第2章物理层传输介质比特与信号多路复用传输模式物理层的接口电话系统Internet的接入比特与信号数字信号的傅里叶分析数据传输Nyquist定理香农定理数字数据最终都被表示成比特串，数字传输的本质就是把比特串变成信号数字信号的Fourier分析傅立叶级数：任何正常周期为T的函数g(t)，都可由（无限个）正弦和余弦函数合成：其中，f=1/T是基频，an和bn称为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅，c是常数任何信号的传输都可理解为以傅立叶级数的形式传递如每个傅立叶级数的信号分量被等量衰减，则合成后，振幅有所衰减，基本形状不变对任何已知的g(t)，可求得：谐波数越高，传输质量越好如传输ASCII字符b，即01100010，可求得：t/µst/µs更进一步的细化可见：/jsjwl对指定的最高频率，传输带宽是有限的假如，一个信号携带一个bit，信号的速率为b，则发送8bit(1B)需要T=8/b秒，因而基频f=1/T=b/8Hz如：截止频率为F则：最大的谐波次数n满足nf<=F，即：n<=F/f=8F/b每个信道能通过的频率范围都是有限的，要保证信号的正确传输，至少要能通过4个谐波，这就限制了数据传输速率当截止频率为F为3000HZ时数据传输速率(bps)发送的谐波数n30080600401200202400104800596002192001384000TnbmP89Fig.2-2传输速率与谐波的关系比特与信号数字信号的傅里叶分析数据传输Nyquist定理香农定理数字数据最终都被表示成比特串，数字传输的本质就是把比特串变成信号数据传输模拟传输：是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输时，采用信号放大器放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中的噪声数字传输：是指数字数据的传输，关心信号的内容，可以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，采用转发器，可消除噪声的累积长距离传输时，通常采用的是数字传输数据传输以信号为载体数据传输数字数据的模拟信号传输数字数据的数字信号传输模拟数据在数字信道上传输数字数据的模拟信号传输将数字数据调制成模拟信号进行传输，通常有三种基本的调制方式：1)调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)2)调频FSK(FrequencyShiftKeying)3)调相PSK(PhaseShiftKeying)

目前广泛应用的调制技术是正交调相：QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)调幅ASK

(AmplitudeShiftKeying)用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制值如用无信号表示0 有信号表示1

01ASK数字数据的模拟信号传输将数字数据调制成模拟信号进行传输，通常有三种基本方式：1)调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)2)调频FSK(FrequencyShiftKeying)3)调相PSK(PhaseShiftKeying)

目前广泛应用的调制技术是正交调相：QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)调频FSK

(FrequencyShiftKeying)

01FSK用载波附近的两个不同的频率来表示两个二进制值如用信号频率为f表示0 信号频率为2f表示1

数字数据的模拟信号传输将数字数据调制成模拟信号进行传输，通常有三种基本方式：1)调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)2)调频FSK(FrequencyShiftKeying)3)调相PSK(PhaseShiftKeying)

目前广泛应用的调制技术是正交调相：QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)调相PSK

(PhaseShiftKeying)

用载波的相位移动来表示两个二进制值如用信号相位角为0表示0 相位角为

表示1PSK01数字数据的调制举例基带信号调幅调频调相010011100数字数据的模拟信号传输将数字数据调制成模拟信号进行传输，通常有三种基本方式：1)调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)2)调频FSK(FrequencyShiftKeying)3)调相PSK(PhaseShiftKeying)

目前广泛应用的调制技术是正交调相：QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)正交调相QPSK

(QuadraturePhaseShiftKeying)QAM-646bit/采样QAM-164bit/采样QPSK2bit/采样TnbmP128Fig.2-25(a)(b)(c)数据传输数字数据的模拟信号传输数字数据的数字信号传输模拟数据在数字信道上传输数字数据的数字信号传输最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码4B/5B编码不归零编码

NRZ

（nonreturn-tozero

）正电平表示1，零电平表示0，并且在表示完一个码元后，电平毋需回到零缺点是存在发送方和接收方的同步问题10100110时钟脉冲二进制bit流不归零制编码其实，用不归零制编码时，一个时钟周期可表示两个bit所以，不归零制编码是效率最高的编码但它不能携带时钟信号，且无法表示没有数据传输数字数据的数字信号传输最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码4B/5B编码曼切斯特编码

（Manchesterencoding）bit中间有信号低-高跳变为001bit中间有信号高-低跳变为1采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输数字数据的数字信号传输最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码4B/5B编码差分曼彻斯特编码（differentialManchesterencoding）bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0bit中间有信号跳变，bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为11100特性与曼切斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼切斯特编码数字数据的数字信号传输最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码4B/5B编码4B/5B编码不归零制编码的一种变种数据流中每4个bit成一个组合，并对应为5个bit的编码5B编码中至少有两个1，即保证在传输中信号码元至少发生两次跳变，这是在接收端提取时钟信号所必须的16进制数的4B/5B编码对照表16进制数4bit码5bit码16进制数4bit码5bit码00000111108100010010100010100191001100112001010100A1010101103001110101B1011101114010001010C1100110105010101011D1101110116011001110E1110111007011101111F111111101发送端发送的每4个bit被用5个bit表示，接收端采样5次便可得到4个bit，由于每个5B编码中至少有两个1，所以接收端能提取时钟信号四种编码方式的比较不归零制编码的编码密度最高，接收端一次采样可得到一个bit，即波特率等于比特率，但不能携带时钟曼切斯特编码的编码密度最低，接收端二次采样才可得到一个bit，即波特率是比特率的两倍，但每个bit中都有信号跳变，即携带了时钟差方曼切斯特编码与曼切斯特编码基本相同4B/5B编码的编码密度略低于不归零制编码，但高于曼切斯特编码，即波特率是比特率的1.25倍，然而在接收端能提取时钟编码举例bit流二进制编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码bit与bit之间有跳变，下一个bit为0100001011110bit与bit之间无跳变，下一个bit为1数据传输数字数据的模拟信号传输数字数据的数字信号传输模拟数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息模拟数据在数字信道上的传输过程数字化传输还原采样、量化和编码ABCDEFGHt256192128640ABCDEFGH188244240144807212220010111100

11110100

11110000

10010000

01010000

01001000

01111100

11001000

话音信道话音信道允许的最高频率通常为3500Hz如果以8000Hz的采样频率对话音信号进行采样的话，则在采样值中包含了话音信号的完整特征，由此而还原出的话音是完全可理解的和可识别的话音信道的数据传输速率对于每一个采样值还需要用一个（一位或多位的）二进制代码来表示，二进制代码的位数代表了采样值的量化精度，在主干上，对每一路话音信号通常采用8位二进制代码来表示一个采样值，那么，对话音信号进行PCM编码后所得到的数据传输速率为：8bit×8000次采样/秒＝64kb/s比特与信号数字信号的傅里叶分析数据传输Nyquist定理香农定理数字数据最终都被表示成比特串，数字传输的本质就是把比特串变成信号波特率波特率：每秒内信号能改变的速率。显然，波特率越高，传输速率也越高波特率不能无限提高，它受限于信号频率Nyquist采样定理：最大的信号频率为H，则波特率为2H比特率比特率：数据传输速率bps波特率与比特率如果传输的信号是二值的，每次采样可以得到一个比特，那么波特率等与比特率如果能将信号分成更多的等级，如4级，那么每个信号可以携带2个比特，每次采样就能得到2个比特，则比特率等于2倍的波特率波特率和比特率两者数值上的差别在于每次采样的量化值011000101110001000011010001101100000001110110010Nyquist定理在无噪声信道中，当带宽为HHz，信号电平为V级，则： 数据传输速率=2Hlog2Vb/s（V：信号电平的级数，在二进制中，仅为0、1两级）

比特与信号数字信号的傅里叶分析数据传输Nyquist定理香农定理数字数据最终都被表示成比特串，数字传输的本质就是把比特串变成信号噪声对传输的影响按照Nyquist定理，在硬件环境给定后，我们可以通过增加信号的等级来无限制地提高传输速率线路是有噪声的，噪声会干扰信号。0001101000110110000000111011001010还是11？Shannon定理在噪声信道中，当带宽为HHz，信噪比为S/N，则： 最大数据传输速率(b/s)=Hlog2(1+S/N)

很多情况下信噪比用分贝（dB）表示 信噪比（dB）=10log10S/N如：信噪比为30dB，则S/N=1000举例：噪声信道中的传输速率在噪声信道（话音信道）中，当带宽为3500Hz，信噪比为30dB（较为典型的电话信道），则：最大数据传输速率(b/s)=Hlog2(1+S/N) =3500log2(1+1000)

35000(b/s)最大数据传输速率为35kbps，这是在噪声信道中的传输速率极限，实际上是不可能达到的第2章物理层传输介质比特与信号多路复用传输模式物理层的接口电话系统Internet的接入多路复用无论是广域网还是局域网，都存在这样一个事实，即传输介质的带宽大于传输单一信号所需的带宽，为了有效地利用传输系统，通常采用多路复用（Multiplexing）技术以同时携带多路信号来高效率地使用传输介质，多路复用主要有两种：频分多路复用FDM

（FrequencyDivisionMultiplexing）时分多路复用TDM

（TimedivisionMultiplexing）频分多路复用将每路信号调制到不同的载波频率上，保证这些载波频率的间距足够大，使各路信号不会重丢媒体上传输的混合信号是模拟信号通常信道之间有隔离频带FDM的常用实例是广播和有线电视FDM图示音频信号调制基频调制后信号信号的频分多路复用FDM图示（续）通道1通道260646872频率（kHz）通道33003100Hz通道1通道2通道3频率（kHz）60646872TnbmP138Fig.2-31(a)、(b)、(c)多路复用无论是广域网还是局域网，都存在这样一个事实，即传输介质的带宽大于传输单一信号所需的带宽，为了有效地利用传输系统，通常采用多路复用（Multiplexing）技术以同时携带多路信号来高效率地使用传输介质，多路复用主要有两种：频分多路复用FDM

（FrequencyDivisionMultiplexing）时分多路复用TDM

（TimedivisionMultiplexing）时分多路复用TDM每个信号按时间先后轮流交替地使用单一信道，那么，多个数字信号在宏观上可认为是同时进行传输，对单一信道的交替使用可以按位、字节或块等为单位来进行TDM图示多路复用部件通道D多路复用部件物理主干通道C通道B通道AD9D8D7D6C9C8C7C6B9B8B7B6A9A8A7A6D5C5B5A5D4C4B4A4ti+7ti+6ti+5ti+4ti+3ti+2ti+1tiD3D2D1D0C3C2C1C0B3B2B1B0A3A2A1A0帧帧TDM的同步和异步时间片与输入装置一一对应，即同步如某个时间片对应的输入装置无数据发送，则该时间片空闲（浪费）传输介质的传输速率不能低于各个输入信号的数据速率之和同步TDM同步TDM图示通道D物理主干…A3D2C2D1A2C1B1A1…A4A3A2A1通道C通道B通道A…B2B1…C3C2C1…D3D2D1…ADCBADCBADCBA帧TDM的同步和异步时间片是按需动态分配的时间片与输入装置之间没有对应关系，任何一个时间片都可以被用于传输任何一路输入信号在传输的数据单元中必须包含地址信息，以便寻址目的节点传输介质的传输速率只要不低于各个输入信号的平均数据速率即可异步TDM又称为统计TDM（STDM）异步（统计）TDM异步TDM图示通道D物理主干……D3A4C3B2A3D2C2D1A2C1B1A1…A4A3A2A1通道C通道B通道A…B2B1…C3C2C1…D3D2D1由于每个时间片传输的数据中必须包含地址域，所以在提高传输介质利用率的同时，也降低了有效数据的传输率第2章物理层传输介质比特与信号多路复用传输模式物理层的接口电话系统Internet的接入传输模式串行传输和并行传输基带传输和宽带传输异步传输和同步传输串行通信和并行通信串行通信：只有一条数据传输线路，数据按位为单位，依次传输并行通信：有多条数据线，数据按字符为单位，依次传输计算机网络采用串行传输传输模式串行传输和并行传输基带传输和宽带传输异步传输和同步传输基带传输信号源产生的原始电信号称为基带信号，即：将数字数据0、1直接用两种不同的电压表示，然后送到线路上去传输用于数字传输：局域网，50Ω，通常传输距离为185M（细缆）、500M（粗缆）宽带传输将基带信号进行调制后形成模拟信号，然后采用频分复用技术实现宽带传输有线电视网：带宽可达750MHz，由于以模拟信号传输，所以传输距离可达100km宽带系统可分为多个信道，所以模拟和数字数据可混合使用，但通常需解决数据双向传输的问题在混合光纤电缆HFC（HybridFiberCoax）中，频段54~550MHz是电视信号，550-750MHz是数字数据传输模式串行传输和并行传输基带传输和宽带传输异步传输和同步传输异步传输与同步传输在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间以某种方式保持同步发送端什么时候开始发送数据，按照什么速率发送，这些信息要通知接收端。这就是同步。在数据通信中，通常采用异步传输和同步传输两种方式异步传输异步传输是指发送方和接收方的采样时钟不是同一个异步传输以字符为传输单位每个字符传输前都要和接收方同步一次同步是用起始位和停止位实现。每个字符都要附加1位起始位和1位停止位，以标记字符的开始和结束此外，为防止传输错误，通常还要附加1位奇偶校验位波特率字符长度奇偶校验停止位长度异步通信必须指定的四个参数：同步传输同步传输是指发送方和接收方的采样时钟是同一个同步传输以数据块为单位，每个数据块同步一次通常发送方将时钟在发送数据的编码中，而接收方则从数据流中提取时钟用以采样，所以说双方所用的时钟是同一个同步传输的主要问题是如何实现同步同步传输分类面向字符的同步传输：数据块中的信息是一个个字符面向位流的同步传输：数据块中的信息是一个任意的二进制比特串面向字符的同步传输在面向字符的同步传输中，字符集可用ASCII或EBCDIC，数据块由字符组成，数据块前加一个或两个同步字符SYN用于数据块的同步每个字符毋需起始位和停止位面向bit流的同步通信在面向bit流的同步通信中，每个数据块的头部和尾部用一个或多个特殊的比特序列(如01111110)来标记数据块的开始和结束，数据块将作为bit流来处理，而不是作为字符流来处理典型的面向位流的同步通信规程是高级数据链路控制（HDLC）规程和同步数据链路控制（SDLC）规程，面向bit流的透明传输在面向bit流的同步通信中，为了避免在数据块的数据中出现标记数据块开始和结束的特殊位模式(如01111110)，通常采用位插入法，即发送端总是检测所发送的数据流，每当出现连续的五个1后便自动插入一个0，接收端在接收数据流时，如果检测到连续五个1的序列，就检查其后的一个bit，若该bit是0，则删除，若该bit为1，则表示数据块的结束，转入结束处理Cont.第2章物理层传输介质比特与信号多路复用传输模式物理层的接口电话系统Internet的接入物理层的接口异步串行口RS-232常用的并行口RJ45物理层的协议体现在物理接口上典型的串行接口RS-232CRS-232-C是用于计算机或终端与Modem间的物理层协议，所谓物理层协议是定义接口的机械、电气、功能和过程特性计算机或终端设备：

DTE（dataterminalequipment）调制解调器：

DCE（datacircuit-terminatingequipment）

RS-232C标准机械特性：25针D型插座及相关的长、宽、高

25PIN9PINDTE端为MaleDCE端为Female电气特性：逻辑0：+12V

逻辑1：-12V最长传输距离15m最大传输速率<20kb/s常用的串行接口常用的串行接口有25pin和9pin两种25pin9pin功能简称1FrameGroundFG23TransmitDataTxD32ReceiveDataRxD47RequestToSendRTS58ClearToSendCTS66DataSetReadyDSR75SignalGroundGND81CarrierDetectCD204DataTerminalReadyDTR计算机或终端通过

RS-232-C接口与调制解调器连接12345678201234567820FrameGroundTransmitDataReceiveDataRequestToSendClearToSendDataSetReadySignalGroundCarrierDetectDataTerminalReady调制解调器DCE计算机或终端DTE计算机或终端通过

RS-232-C接口与计算机连接FrameGroundTransmitDataReceiveDataRequestToSendClearToSendDataSetReadySignalGroundCarrierDetectDataTerminalReady12345678201234567820计算机或终端DTE计算机DTE物理层的接口异步串行口RS-232常用的并行口RJ45物理层的协议体现在物理接口上并行接口打印机是常用的并行接口Pin信号Pin信号1-STROBE10-ACK2DATA011BUSY3DATA112PaperEmpty4DATA213Select5DATA314-AutoFeed6DATA415-ERROR7DATA516-INIT8DATA617-SELECTIN9DATA718-25GROUND物理层的接口异步串行口RS-232常用的并行口RJ45物理层的协议体现在物理接口上RJ-45接口接线标准T-568BRJ-45是最常用的网络接口RJ-45的电缆采用8芯5类线缆87654321RJ-45插座brown8whitebrown7RecvData-green6whiteblue5blue4RecvData+whitegreen3TxData-orange2TxData+whiteorange1namecolorPin10Base-T直通线缆用于连接交换机（或HUB）的RJ-45端口与主机网卡的RJ-45端口的连接电缆1Tx+2Tx-3Rx+456Rx-78Tx+1Tx-2Rx+345Rx-67810Base-TX交叉线缆交换机（或HUB）的RJ-45端口连交换机（或HUB）的RJ-45端口主机的RJ-45端口连主机的RJ-45端口1Tx+2Tx-3Rx+456Rx-78Tx+1Tx-2Rx+345Rx-678第2章物理层传输介质比特与信号多路复用传输模式物理层的接口电话系统Internet的接入电话系统（PSTN）公用电话交换网，简称：PSTNPublicSwitchedTelephoneNetwork通常的计算机通过MODEM拨号上网，就是通过电话系统进行数据传输计算机系统的误码率为10-12

，而电话系统的误码率为10-5，是计算机系统的107倍综合比较，相差11个数量级电话系统的树状结构每部电话完全互联是不可能的，所以一般为树状结构一级中心：国家级中心二级中心：省、直辖市中心三级中心：区、县级中心四级中心：区内（本地）交换局电话系统的数字化趋势与模拟传输相比，数字传输具有明显的优势，所以电话系统数字化是发展趋势电话系统由三部分组成：本地回路：双绞线，模拟传输，1km~10km主干线：交换局间的光缆，数字传输交换局：交换设备，交换技术本地回路电话系统中的电话局间都已采用光缆连接，并大多已实现数字传输本地回路要实现光纤到户成本太高且无必要，因为家庭电话毋需复用，也不允许复用Internet是OVER在电话系统上的，所以必须实现远距离数字数据的传输，并且应用对带宽的需求必将对本地回路的信道复用提出要求Internet可通过本地回路的接入方法接入电话系统的数字化趋势与模拟传输相比，数字传输具有明显的优势，所以电话系统数字化是发展趋势电话系统由三部分组成：本地回路：双绞线，模拟传输，1km~10km主干线：交换局间的光缆，数字传输交换局：交换设备，交换技术主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH主干线常采用多路复用技术以提高线路的利用率PCM（PulseCodeModulation）脉冲编码调制PCM由于数字传输的明显优势，所以，主干线都采用数字传输，于是终端用户（如电话的语音信号）的模拟数据到达本地局后，都必须转换成数字数据，以适合主干线的传输PCM以采样定理为基础采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率采样和量化采样速率：8000次/秒电话系统的历史及其对整个世界的覆盖决定了计算机网络必须OVER在电话系统的承载网上根据人的听觉功能，电话系统中每个信道的频宽为4000Hz，根据Nyquist定理，对于4000Hz的信号，多于8000次/秒的采样是无意义的采样值的量化一次采样值分成多少个等级，将决定量化后的数据量，如等分成256个等级，则必须用8bit表示采样和量化举例ABCDEFGHt256192128640ABCDEFGH188244240144807212220010111100

11110100

11110000

10010000

01010000

01001000

01111100

11001000

主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率T1线路1.544Mb/sT1线路由24个多路复用信道组成每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为7bit每个信道每次采样生成7bit数据位加1bit控制位，即7b+1b即每个信道每秒生成56K+8K的传输速率24个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：8bitx24=192bit，每帧间加一个bit，所以每帧为193bit193bitx8000次采样/秒=1544000bit/s=1.544Mb/s北美、日本使用T1线路主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率E1线路2.048Mb/sE1线路由32个多路复用信道组成每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8bit，其中包括用于信令的bit32个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：8bitx32个信道=256bit256bitx8000次采样/秒=2.048Mb/s欧洲、中国使用E1线路多个T1或E1线路的复用一次群：T1=1.544Mb/sE1=2.048Mb/s二次群：T2=T1x4+…=6.312Mb/sE2=E1x4+…=8.848Mb/s三次群：T3=T2x6+…=44.736Mb/sE3=E2x4+…=34.304Mb/s四次群：T4=T3x7+…=274.176Mb/sE4=E3x4+…=139.264Mb/s主干线PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH主干线常采用时分多路复用技术以提高线路的利用率SONET/SDHSONET（SynchronousOpticalNetwork） 同步光纤网美国标准ANSIT1.105~106STS-1（SynchronousTransportSignal）同步传送信号（电信号）OC-1（OpticalCarrier）光载波（光信号）

采用每125

s送出一帧，每帧810B，即810路电话。因此基本速率为8bx810Bx8000次采样/秒

=51.84Mb/sSDH（SynchronousDigitalHierarchy） 同步数字体系

CCITT推荐的标准STM-1（SynchronousTransportModule）同步传送模块

基本速率为155.52Mb/sSONET的OC级和STS级与SDH的STM级的比较在40Mb/s以下，北美的T1~T3和欧洲的E1~E3不同在更高速率的标准上，SONET和SDH基本相同线路速率(Mb/s)SONET（美）SDH（欧）OC级STS级STM级51.84OC-1STS-1155.52OC-3STS-3STM-1466.56OC-9STS-9STM-3622.08OC-12STS-12STM-4933.12OC-18STS-18STM-61244.16OC-24STS-24STM-81866.24OC-36STS-36STM-122488.32OC-48STS-48STM-169953.28OC-192STS-192STM-64TnbmP146

Fig.2-37SONET和SDH复用率电话系统的数字化趋势与模拟传输相比，数字传输具有明显的优势，所以电话系统数字化是发展趋势电话系统由三部分组成：本地回路：双绞线，模拟传输，1km~10km主干线：交换局间的光缆，数字传输交换局：交换设备，交换技术交换设备交叉点交换机空间分隔交换机时分交换机交叉点交换机纵横制交换机（crossbar）0123456701234567交换设备交叉点交换机空间分隔交换机时分交换机空间分隔交换机可以理解为组交换nxknxknxknxkkxnkxnkxnkxnNNnnXNNnnXN/n个交叉条N/n个交叉条k个交叉条交换设备交叉点交换机空间分隔交换机时分交换机时分交换机核心是时隙互换器（timeslotinterchanger）计数器n个输入时隙n条输出线n条输入线n个输出时隙输入帧输出帧n个词映射表n个k位的RAM缓冲时隙互换器71625540332617040123456747630521第2章物理层传输介质比特与信号多路复用传输模式物理层的接口电话系统Internet的接入Internet的本地接入拨号接入ADSL接入InternetoverCable拨号接入家庭主机拨号上网示意图MODEM

调制解调器通过电话线路访问远程服务器使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号必须在某ISP注册成为合法用户服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时的IP地址家庭主机拨号上网示意图家庭主机通过拨号对远程服务器的访问不归零制编码的数字数据（数字信号）：A、G经MODEM调制后的数字数据（模拟信号）：B、F经Codec编码解码后的数字数据（数字/模拟信号）：C、D、E、HISP1MODEMpoolMMMMMPCMTollofficeTollofficeTollofficeEndofficeLocalloop(Analog)(Twistedpair)Medium-bandwidthtrunk(Digital,fiber)CodecCodecHigh-bandwidthtrunk(digital,fiber)ISP2DigitallineTnbmP124Fig.2-23BCEAGHFD数据传输需考虑的问题任何传输介质在传输信号时都伴随着干扰（噪声）和衰减噪声有热噪声和随机冲击噪声两种衰减与信号的频率有关，频率越高衰减程度越大由于数字信号中包含着大量的高次谐波，所以基带信号不适合作长距离和高速的传输尤其应关注在电话系统中使用的是频分多路复用，人为地限制了每个信道的带宽为4kHz拨号接入家庭主机拨号上网示意图MODEM

调制解调器通过电话线路访问远程服务器使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号必须在某ISP注册成为合法用户服务器端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时的IP地址MODEM

调制解调器MODEM包括调制和解调两个功能调制方式有：调幅

调频

调相或是上述的组合常用的调制解调器接口有RS-232、RS-449调制解调器，简称：MODEMMOdulationandDEModulationMODEM

调制解调器（续）载波：1000–2000Hz的正弦波使用某种技术，让载波携带数字数据调幅、调频、调相，或其组合常用的协议V.32： 6(1)bx2400=14.4kbpsP129Fig.2-26(b)V.34： 12x2400=28.8kbps 14x2400=33.6kbpsV.90： 当ISP为数字接入时，终端用户上行速率为 33.6kbps，ISP的下行速率为56kbpsInternet的本地接入拨号接入ADSL接入InternetoverCableADSL接入DSL数字用户线路ADSL的接入模型DMT离散多音调调制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineDSL数字用户线路对称线路：HDSL： 1.544~2.048Mbps，2/4对双绞线，3~4kmSDSL： 1.544~2.048Mbps，1对双绞线，3km非对称线路：VDSL： 上行13~52Mbps，下行1.5~2.3Mbps 1对双绞线，0.xxkmADSL： 上行64k~1Mbps，下行512k~8Mbps 1对双绞线，3~5kmDSL：digitalsubscriberline使用常规的电话线路，本地局端的滤波器将限制带宽为4kHz，但本地回路通常采用的是3类UTP，其实际带宽远远大于4kHz如局端滤波器的限制策略为按需可调，则给定的带宽可增加根据对上行、下行线路不同的带宽需求有多种不同的标准ADSL接入DSL数字用户线路ADSL的接入模型DMT离散多音调调制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineADSL的接入模型

Internet用户侧本地局Ethernet端口PC机滤波器用户配线架局端滤波器交换机配线架程控交换机ADSLmodemATU-RATU-C：ADSLTransmissionUnit－CentralATU-R：ADSLTransmissionUnit－Remote

ADSLmodemATU-CABFGEDC采用曼切斯特编码、携带了数字数据的数字信号：A携带了语音数据的模拟信号：C、E、F经ADSLmodem调制后的、携带了数字数据的模拟信号：B、D、G多个信道，频分多路复用ADSL接入DSL数字用户线路ADSL的接入模型DMT离散多音调调制ADSL：AsymmetricDigitalSubscriberLineDMT离散多音调调制DMT：DiscreteMultiTonemodulation将本地回路的可用带宽（约1.1MHz)分成256个4312.5Hz的独立信道，信道0给传统的电话，1~5保留，剩下的250个信道中一个给上行控制，一个给下行控制，其余全部用于数据传输，由提供者分配哪些给上行，哪些给下行TnbmP132Fig.2-28采用DMT调制的ADSL0123456789251252253254255VoiceUpstreamDownstream…………4312.5Hz常用的ADSL带宽分配因为用户对Internet的访问是不对称的，所以一般总是将80–90%的信道分配给下行，每个信道都是独立调制的voice4k4k…4kUpstream64k256k…1MDownstream512k1M…8MInternet的本地接入拨号接入ADSL接入InternetoverCableInternetoverCable社区电视系统HFC混合光纤电缆系统HFC中的频谱分配CableMODEMADSL与HFC的比较InternetoverCable基于社区电视系统社区电视系统社区电视系统的特点覆盖面很大，系统之间用光缆连接传播单向电视信号的一个共享系统用同轴电缆作为传输介质，带宽可达750MHz作为Internet接入的可能性数据的双向传输用户端的CableMODEMInternetoverCable社区电视系统HFC混合光纤电缆系统HFC中的频谱分配CableMODEMADSL与HFC的比较InternetoverCable基于社区电视系统HFC混合光纤电缆系统HFC：HybridFiberCoaxCoaxialcableTaphouseFiber