计算机网络-第2章物理层

计算机网络

;沈阳理工大学

信息科学与工程学院

课件制作人：沈红

2物理层

2・1物理层的基本概念

是为在物理媒体上传输原始数据的比特流而设立的。尽可能屏

蔽传输媒体的差异，透明传送和接收位流

2.1.1物理层功能

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即:

机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排

列、固定和锁定装置等等。

电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意

义。

过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

课件制作人：沈红

2.2数据通信基本概念

数据终端设备DTE与数据通信设备DCE连接

小意图

课件制作人：沈红

2.2.1基本概念

-信息:是人对现实世界事物存在方式或运动状态

的某种认识。

-数据:是一种承载信息的实体。数据可分为模拟

数据和数字数据两种形式。

信号:是消息或者说是信息的携带者，即数据的

电气的或电磁的表现。是数据的具体表现形式。

信号可分为模拟信号和数字信号两种形式。

课件制作人：沈红

2信号分类

信号根据载体的不同，可以是电、磁、声、光、热等

的各种信号。

模拟信号数字信号

课件制作人：沈红

3、模拟传输与数字传输

（1）模拟传输

课件制作人：沈红

（2）数字传输

受噪声影响的数字信号被转发后波形图

课件制作人：沈红

4基带与宽带

-.基带传输：二进制数字序列最方便的电信号

形式是数字脉冲信号。把数字脉冲信号的固有频

带称为基带。数字脉冲信号称为基带信号。在数

字通信信道上，直接传输基带信号，称为基带传

输（编码）。

.频带传输：为了利用电话交换网实现计算机

之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模

拟信号。

课件制作人：沈红

■宽带传输

所谓宽带，就是指比音频带宽还要宽，简单地

说就是包括了大部分电磁波频谱的频带。

a.宽带系统能同时接入几个信道,因而能够比

基带系统传输更多的数据。宽带传输能将有线电

视带入家庭。有线电视能够传输的数据量至少是

一个典型基带系统（如Ethernet）传输数据量

的2.5倍。

课件制作人：沈红

b.在宽带系统中，信号仅仅只能进行单向传

输。因此，宽带电缆必须为数据的发送和接收提

供独立的电缆。由于大部分有线电视电缆只提供

一条电线，若不做任何修改，它将不能用于把数

据从屋中向外传输。

C.由于使用一些额外的硬件，宽带传输通常比

基带传输昂贵得多。

d.另一方面，宽带系统能够比基带系统跨越更

长的距离。

课件制作人：沈红

Nota在网络领域,一些术语根据上下文常有

多种意思。宽带即是这样的术语。这里描述的宽带

是指通过多个信道在同轴电缆上传输信号的传输系

"例如有线电视所使用的系统。这种定义是宽带‘

的原始意义。'

在高速数字网络中也用到了“宽带”，这时“宽带”

是

指使用数字信号并且有非常高的传输速率的网络，：

例如异步传输模式（ATM）网络。

课件制作人：沈红

速率

比特(bit)是计算机中数据量的单位，也

是信息论中使用的信息量的单位。

Bit来源于binarydigit,意思是一个“二

进制数字”，因此一个比特就是二进制数

字中的一个1或0。

速率即数据率(datarate)或比特率(bit

rate)是计算机网络中最重要的一个性能指

标。速率的单位是b/s,或kb/s,Mb/s,

Gb/s等

速率往往是指额定速率或标称速率O

课件制作人：沈红

2・2数据通信基本概念

2.2.2信道特性

1信道带宽

信道的带宽是指信道频率响应曲线上幅度是其频带中心处

幅度值的1/J2倍的两个频率之间的宽度。

如图所示，带宽其中fl是信道能通过的信号的最低

频率，f2是信道能通过的信号的最高频率

课件制作人：沈红

例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是

3.1kHz，话音的主要频率范围从300Hz到3.4kHz。带宽

的单位是赫（或千赫、兆赫等）

数字信道是一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信

号。信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的数字脉冲序

列的最高速率。

数字信道传送数字信号的速率称为数据率或比特率。网络

或通信链路上的带宽单位可记为bit/s（更常用的带宽单位是

千比特/每秒，即kbit/s、Mbit/s、Gbit/s、Tbit/s）。也

称为吞吐量（Thoughput）

课件制作人：沈红

数字信号流随时间的变化

在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

1|LlS

+H-rnJp%时间

rf?范为

1Mb/s

-------------每秒[()6个比特------------------]

0.25|is

■+H-ri!p4

rf?范为"时间

4Mb/s

------------每秒4X1()6个比特----------------►

课件制作人：沈红

2传输速率

传输速率是指单位时间内传输信息单元的数量。它是衡量

数据通信系统传输能力的重要指标，有两种表示方法，即数

据信号速率和码元速率。

1)数据信号速率

指单位时向内所传送的二进制代码的有效位数，以每秒多

少比特数计，单位为bit/秒，记作b/s。

计算公式为

S=l/Tlog2N

式中T：一个数字脉冲信号的时间宽度，单位为秒

(s)；

N：一个码元所取的离散值个数。通常，N=2，K为二进

制信息的位数，K=log2N,

N=2时，S=l/T表示数据信号速率等于码元脉冲的重复

频率。

课件制作人：沈红

2）码元速率（调制速率）

信号调制过程中，把一个数字脉冲称为一个码元，并用码

元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内

通过信道传输的码元个数。单位为波特，记作Baud。

计算公式为

B=l/T（Baud）

式中T信号码元的宽度，单位为s。,

码元速率也称信号传输速率、调制速率、波特率或传码率。

例：采用四相调制方式，即N=4,>T=833X10'6s,贝I」

6

S=l/Tlog2N=l/833x10log24=2400b/s

B=1/T=1/833X10-6=IZOOBaud

课件制作人：沈红

3)数据信号速率与调制速率的关系

■数据信号速率S与调制速率B有如下关系：

S=Blog2N(b/s)

或B=S/log2N(Baud)

・其中N为一个脉冲信号所表示的有效状态。在二进制

中，脉冲只有两种状态。或1,即N=2,也就是说，数据信号

速率S与调制速率B是一致的。当采用不同的调制方式时，N

的取值是不同的，这时即使调制速率相同，得到的数据信号

速率也是不同的，

课件制作人：沈红

3、信道极限

信道极限表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/

秒(b/s),也就是信道传输信息的最大能力。

(1)理想的信道极限

奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信

道带宽H的关系为：

B=2XH(Baud)

奈奎斯特公式一无噪信道传输速率极限值公式如下：

C=2Hlog2V(bps)

式中H：信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差

值，单位为赫(Hz)；

V：一个码元所取的离散值个数(电平分级)；

例:普通电话线路带宽约3kHz,则码元数率极限值

B=2XH=2x3k=6k(Baud),若码元的离散个数

V=16,则最大数据传输数C=2X3kXlog216=24k(b/s)

课件制作人：沈红

(2)带噪声的信道极限

一主要结论是：对于任何带宽为H、信噪比为S/用的信道:

(香农公式)带噪信道传输速率极限值公式如下：

C=Hlog2(1+S/N)(bps)

式中H：信道的带宽,单位为Hz；

■S：信号功率；

N：噪声功率；

S/N:信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)

分贝(dB)o

香农公示表明：.

「①信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息

的极限传输率就最高。

课件制作人：沈红

②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。

③若信道带宽H或信噪比SZN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。

④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。

⑤对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且

码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速

率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

例2・3已知信噪比为30dB,带宽为3KHz,求信道的最大数据

传输速率。

10lg(S/N)=30

・•・S/N=1030/10»1000

・・

•C=3000xlog2(l+1000)«30k(b/s)

课件制作人：沈红

4、误码率

表示传输二进制位时出现差错的概率。

M（出错的位数）

「N（传送的总位数）

5、信道延迟

信号从源端到达宿端所需要的时间。

时延通常由四部分组成:

发送时延。发送时延是结点在发送数据时使数据块从结点进

入到传输媒体所需要的时间，也就是从数据块的第一个比特开始发

送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延又称为传

输时延，它的计算公式：

发送时延=数据块长度（比特）-

信道带宽（比特/秒）

课件制作人：沈红

传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费

的时间。这个时间与源端和宿端的距离有关，也与具体信

道中的信号传播速度有关。

信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率

是完全不同的概念。

传播时延=信号在信器罂番霹（米/秒）

处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理

所花费的时间。

排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延。

排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和

排”时杆^和-

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

课件制作人：沈红

四种时延所产生的地方

从结点A向结点B发送数据

在结点A中产生

处理时延和排队时延

在链路上产生

在发送器产生传输时延传播时延

（即发送时延）

数据

队列链路

结点A发送器结点B

课件制作人：沈红

容易产生的错误概念

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据•

的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。

提高链路带宽减小了数据的发送时延。

电磁波在自由空间的传播速率是3.0xi05km/s，

在铜线电缆中的传播速率是Z3xl05km/s,

在光纤中的传播速率是2.0x：L05km/so

课件制作人：沈红

6、时延带宽积与往返时延

■链路的时延带宽积又称为以比特为单位

的链路长度。

课件制作人：沈红

往返时延RTT（Round-TripTime）是一个重要的性能指标，它

可以表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确

认（接收端收到数据后便立即发送确认）,总共经历的时延。

往返时延带宽积的意义：就是当发送端连续发送数据时,在收到

对方的确认之前，就已经将这样多的比特发送到链路上了。

（传播）时延

-H4-j

市/.

链路

宽\

时延带宽积=传播时延x带宽

课件制作人：沈红

2・2数据通信基本概念

2.2.3数据通信系统

工通信系统模型

课件制作人：沈红

数据通信系统

输入数字比特流模拟信号模拟信号数字比特流显示

汉字

公用电话网———

PC机调制解调器调制解调器PC机

源系统传输系统目的系统

传输

点

送

终

发

足T

口

系

统4

输

源点攵

输

发

工

输

输

士

入

号

入

削

白

出

出

白_1_

百=

口

数

信

信

数

据

息

息

据

(1)、模拟通信系统

(2)、数字通信系统

课件制作人：沈红

数字信号通过实际的信道

有失真，但可识别

实际的信道

（带宽受限、有噪声、干扰和失真）

发送信号波形*接收信号波形

失真大，无法识别

I_II_I实际的信道

IIII（带宽受限、有噪声、干扰和失真）

发送信号波形•>

接收信号波形

课件制作人：沈红

数字通信系统相对模拟通信系统具有以下特点：

①抗干扰能力强、无噪声积累。

②便于加密处理。

③便于存储、处理和交换。

④设备便于集成化、微型化。•

⑤便于构成综合数字网和综合业务数字网。/

⑥数字通信占用信道频带较宽，信道利用率低。

2、数据通信方式

数据通信可以分为下列三种方式：单工(Simplex)、半

双工(Half-duplex)和全双工(Full-duplex),

课件制作人：沈红

工)■单工操作模式

在单工操作模式中，发送器和接收器之间只有一个单

向的传输信道，数据传输是单向的，只能从发送器传送到

接收器。

2).半双工操作模式

在半双工操作模式中，传输信道是双向的，并且每个

设备同时具有发送器和接收器功能，它们之间可以分时轮

流进行双向数据传输，但在某一时刻只能沿一个方向传输

数据。

3)・全双工操作模式

在全双工操作模式中，传输信道是双向的，并且每个

通信设备同时具有发送器和接收器功能，它们之间可以同

时进行双向数据传输。

课件制作人：沈红

通信操作模式

课件制作人：沈红

3、数据同步方式

数据通信过程中收、发双方必须在时间上保持同步，一方面码元

之间要保持同步,另一方面由码元组成的字符或数据块之间在起止

时间上也要保持同步。实现字符或数据块之间在起止时间上同步的

常用方法有异步传输和同步传输两种。

1）异步传输

其原理是：每个字符都独立传输，接收设备每收到一个字符的开

始位后进行同步。

异步传输方式中,一次只传输一个字符（由7~8位数据组成）。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

时间；停止位为“1”，占1~2位的持续时间。在没有数据发送时，

爱

送方可发送连续的停止位（称空闲位）。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。这种通信方

式闻编第宜推每个字符有2~3位的额外开销。

异步传输

10110010

I位起始位H-------------------8位数据-------------------------->1结束位

特点：

在异步传输方式中由于不需要发送和接收设备之间另外传输定时

信号，因而实现起来比较简单。其缺点是：

■(1)一方面，由于每个字符都要加上起始位和结束位，因而传

输开销较大；

(2)另一方面，由于发收双方时钟的差异(异步)使得传输速

率不宜过高，因而传输效率低，常用于低速数据传输中。

2)同步传输

其的原理是：其信息格式是一组字符或一个二进制组成

的数据块。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而

是在一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN或一

个同步字节，用于接收方进行同步检测，从而使收发双方

进入同步状态。在同步字节或字符之后，可以连续发送多

个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字

节来标识整个发送过程的结束。即：为使接收方能判定

数据块的开始和结束，在每个数据块的开始处和结束处各

加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为帧

(Frame)。

课件制作人：沈红

同步传输

传送的1帧数据

帧起始•帧终止

空白字符节字・空白字符

同步字符—:字1..字符

帧内容

课件制作人：沈红

但是，在同步通信中，要求收发双方之间的

时钟严格同步，而使用同步字符或同步字节，

只能用于同步接收数据帧，只有保证接收端接

收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方

才能正确的接收数据，这就要使用位同步方

法。

1）使用专用信道发送同步时钟保持双方的同步

2）编码的方法（效率高，使用普遍）

课件制作人：沈红

2.3数据的调制与编码

4种编码方式，即模拟信号传输模拟数据，数字信号

传输模拟数据，模拟信号传输数字数据和数字信号传输

数字信号。

模拟数据，模拟信号模拟数据，数字信号

话声电话模拟模拟CODEC数字

数字数据，模拟信号数字数据，数字信号

数字模拟数字数字

Modem数字传输

课件制作人：沈红

2.3.1数字数据的模拟信号编码

有三种基本调制方式，是通过采用三种模拟信号的载

波特性(振幅、频率和相位)之一来表示被调制的数字数据

(1)幅移键控(ASK)法

ASKfAmplitudeShiftKeying)是使用载波频率的

两个不同振幅来表示两个二进制值。即载波的振幅随基带

数字信号而变化。

特点：ASK方式的编码效率较低，抗干扰性较差，在音

频电话线路上一般只能达到

1200b/s的传输速率。

课件制作人：沈红

(2)频移键控(FSK)法

FSKfFrequencyShiftKeying)是使用载波频率附近的两个

不同频率来表示两个二进制值。即载波的频率随基带数字信号而变

化。

特点：FSK比ASK的编码效率高,不易受干扰的影响，抗干扰性

较强，在音频电话线路上的传输速率可以大于1200b/s。

(3)相移键控(PSK)法

PSK(PhaseShiftKeying)是使用载波信号的相位偏移来表

示二进制数据，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。在PSK

方式中，信号相位与前面信号序列同相位的信号表示0,信号相位

与前面信号序列反相位的信号表示1。

特点：PSK方式具有很强的抗干扰能力，其编码效率比FSK还要

高。在音频线路上，传输速率可达9600b/s。

课件制作人：沈红

对基带数字信号的几种调制方法

基带信号010011100

调幅

调频

调相WVWWWWVWA/

课件制作人：沈红

多相调制

PSK方式也可以用于多相的调制，例如在四相

调制中可把每个信号序列编码为两位。

多级调制方法

4-PSK

数据率=nx信号速率

课件制作人：沈红

正交振幅调制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

举例

□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。

口由于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。

□若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行

解调时要正确识别每一种状态就越困难。

课件制作人：沈红

2.3.2数字数据的数字信号编码

常用的数字信号编码有不归零NRZ(NonReturnto

Zero)码、差分不归零DNRZ(DifferentialNon

ReturntoZero)码、曼彻斯特(Manchester)码及差分

曼彻斯特(DifferentialManchester)码等。

课件制作人：沈红

(1)NRZ码(不归零编码)

NRZ码是用信号的幅度来表示二进制数据的，通

常用正电压表示数据“工”，用负电压表示数据“0”，并

且

在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零

码。NRZ码的特点是一种全宽码，即一位码元占一个单

位脉冲的宽度。不能保持同步，要采用其它方法。

(2)DNRZ码(差分不归零编码)

DNRZ码是一种NRZ码的改进形式，它是用信号

的相位变化来表示二进制数据的，一个信号位的起始处

有跳变表示数据“工”，无跳变表示数据“0”。

(3)曼彻斯特码

在曼彻斯特码中，用一个信号码元中间电压跳变的

相位不同来区分数据“工”和“0”，它用从低到高电压跳

变

表帝金就飞红用从高到低电压跳变表示10Mb/s

(4)差分曼彻斯特码

差分曼彻斯特码是一种曼彻斯特码的改进形

式，其差别在于：每个码元的中间跳变只作为同

步时钟信号，而数据“0”和“11”的取值是用信号

位

的起始处有无跳变来表示的：若有跳变则为“0”；

若无跳变则为“工”。令牌环(Token-Ring)网采用

这种差分曼彻斯特编码。特点是每一位均用不同

电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的

平衡。

课件制作人：沈红

数字信号编码:

1000100111:

(a)双极性不归零码

(b)曼彻斯特码1J1J1丁

—

(C)差分曼彻斯特码U11J1丁1

课件制作人：沈红

2.3.3模拟数据的数字信号编码

常用的编码技术是脉冲编码调制PCM（PulseCode

Modulation）技术。

PCM原理如图所示：在信号源端,模拟信号t）

经过反混叠滤波器和采样器处理后变换成脉冲调幅信号

然后送入量化器进行均匀分层量化为八力），再经

过编码器将量化后的脉冲信号表示成一组二进制码

cm并输出。在接收端，PCM解码器将接收信号61（刀）

解码成n（刀），经过逆量化器和平滑滤波器就可建立重

建信号用（力，-&）和乃（1）之差就是量化误差。

课件制作人：沈红

0110011(10III110(WOID101

量化

编码

课件制作人：沈红

2.4数据传输媒体

所谓的传输介质就是信号传输时借助的物质,

分为两类：有线介质和无线介质

2.4.1有线介质.——

包括：双绞线、同轴电缆和光纤-

1、双绞线

分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线

适用于短距离传输

课件制作人：沈红

无屏蔽双绞线电缆(UnshieldedTwistedPair,UTP)由

不同颜色的(蓝/橙/绿/棕)4对双绞线组成

屏蔽双绞线(ShieldedTwistedPair,STP)电缆的外层由铝箔包裹

课件制作人：沈红

特点：传输速率快、价格便宜，安装容易，适用于结

构化综合布线，使用广泛。适合模拟和数字传输。

2、同轴电缆

主要应用于有线电视网、电视天线馈线和局域网。同

轴电缆的基本结构为：轴心为一根铜制导线，轴心被均匀

的绝缘层包裹，在绝缘层外边包裹着外导体（通常为网

状），最外边为塑料护套。

标注方式有两种：

以其特性阻抗分类可分为50Q、75Q；

按直径分类可分为粗缆和细缆等。

50c电缆用于传输数字信号，75C电缆用于传输电

视信号

课件制作人：沈红

基带

一条电缆只用于一个信道，50。，用于数字传输电

宽带

一条电缆同时传输不同频率的几路模拟信号，75

用于模拟传输，300—450MHz,100km,需要放大器

课件制作人：沈红

各种电缆

无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP

聚氯乙烯绝缘层铜线聚氯乙烯屏蔽层以公=铜线

套层套层绝缘层

同轴电缆

绝缘保护套层外导体屏蔽层绝缘层

导体

课件制作人：沈红

3光纤

光纤的分类：按传输光波模式的分类方法

(1)单模光纤：

纤维直径很小传输频带很宽，传输容量大。输

入设备复杂。因此只适合于大容量、长距离传

输。

(2)多模光纤：

同波长的光可以有多种模式在光纤中传输。传输

的模式比较多，容易发生色散，所以这种光纤的

传输频带较窄，传输容量小；设备简单，使用广

泛。

课件制作人：沈红

光线在光纤中的折射

包层折射角包层

纤（低折射率的媒体）

-纤芯

一（高折射率的媒体）

入射

包层

u扇f射率的媒体）

课件制作人：沈红

光纤的工作原理

低折射率高折射率

（包层）（纤芯）

课件制作人：沈红

多模光纤与单模光纤

课件制作人：沈红

单模光纤(single-modefiber)

■使用激光源

■中继距离100公里

■内芯直径与光源波长相近’’

直径为4〜10/zm

多模光纤(multi-modefiber)

■使用普通发光二极管作为光源

■中继距离2公里

:■多种模式，易发生色散

,■内芯直径稍大」

直径为62・5〃m

课件制作人：沈红

单模光纤与多模光纤的比较

课件制作人：沈红

光纤的特点

优点

■高带宽、高数据传输率

■安全、可靠

■抗腐蚀、抗干扰性能好

■衰减小

■体积小，重量轻

缺点.

■单向传输

■光纤接口价格昂贵

■工艺复杂、安装技术复杂

课件制作人：沈红

2.4.2无线介质

信号通过空间传播，我们称之为无线介质。无线介质

包括微波、激光、红外和短波

1＞微波

微波系统可分为地面微波系统和卫星微波系统。

地面微波系统由视野范围内的两个互相对准方向的抛

物面天线组成，长距离通信则需要多个中继站组成微波中

继链路。

通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站。卫星

上的转发器把它的波束对准地球上的一定区域，在此区域

中的卫星地面站之间就可互相通信。

课件制作人：沈红

微波

对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中

于一点并沿直线传播，这就是微波。

■.微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行

信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在

300MHz至200GHz左右。主要使用：2至40GHz。

由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收

天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继

站。

中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于

100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到

80kBi传人：沈红

它具有带宽高，容量大的特点。由于使用了高

频率，因此可使用小型天线，便于安装和移动。

,微波信号容易受到电磁干扰，地面微波通信会

造成相互之间的干扰，大气层中的雨雪也会大量

吸收微波信号，当长距离传输时会使得信号衰减

以至无法接收；

课件制作人：沈红

卫星通信

方法：是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空

的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。

特点：是通信距离远,且通信费用与通信距离无

关。频带很宽，通信容量很大,信号所受到的干扰也较小,

通信比较稳定。具有较大的传播时延。

同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆

盖区的跨度达1万8千多公里。只要在地球赤道上空的同

步轨道上,等距离地放置3颗相隔120度的卫星，就能基

本上实现全球的通信。

从一个地球站经卫星到另一地球站的传播时延在

250-300ms之间。一般可取为270ms。

课件制作人：沈红

卫星

使用微波

使用转发器接收和转发

c波段4/6GHz

上行5.925-6.425GHz

下行口.7・4.2GHz

KU波段12/14GHz

上行14.14.5GHz

下行1L7-12.2GHz

课件制作人：沈红

2、激光

在空间传播的激光束可以调制成光脉冲以传输数据，和地面微

波一样，可以在视距范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收

器进行通信。

由于激光的频率比微波更高，因而可获得更高的带宽。

激光传输

课件制作人：沈红

特点：

频率比微波更高，因而可获得更高的带宽。

激光束的方向性比微波束更好，不受电磁干扰

的影响，保密性好。

激光穿越大气时会衰减，易受天气的干扰。

只能在短距离通信中使用。

课件制作人：沈红

3红外线

红外传输系统（图2-24）可利用墙壁或屋顶反射红

外线从而形成整个房间内的广播通信系统，这种系统

所用的红外光发射器和接收器与光纤通信中使用的类

似，也常见于电视机的遥控装置中。

红外传输

课件制作人：沈红

4、无线电短波

无线电短波通信早已用在计算机网络中了，已经

建成的无线通信局域网使用了甚高频VHF(30MHz〜300

MHz)和超高频(300MHz-3000MHz)的电视广播频段,

这个频段的电磁波是以直线方式在视距范围内传播的,

所以用作局部地区的通信是很适宜的。

短波通信设备比较便宜，便于移动，没有像

地面微波站那样的方向性，加上中继站可以传

送很远的距离。

短波通信也容易受到电磁干扰和地形地貌的

影响，而且带宽比微波通信要小。

课件制作人：沈红

2.5多路复用技术

多路复用技术

原因口在数据通信系统或计算机网络系统中，传输

媒体的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求。

目的：为了有效地利用通信线路，希望一个信道同

时传输多路信号,这就是所谓的多路复用技术

(Multiplexing)o采用多路复用技术能把多个信号组合

起来在一条物理信道上进行传输，在远距离传输时可大大

节省电缆的安装和维护费用。

课件制作人：沈红

多路复用技术是把多个低速信道组合成一个高速信道

的技术(见图2-25),这种技术要用到两种设备：多路复用

器(Multiplexer)和多路分配器(Demultiplexer)。多路

复用器和多路分配器统称多路器，简写为MUX。

多路复用

多路复用技术包括4类，共5种，分别为：频分复用、

同步时分复用、异步时分复用，波分多路复用，码分多路

复用件制作人：沈红

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

信道

信道

BiB2

信道

C

(a)不使用复用技术(b)使用复用技术

课件制作人：沈红

频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)

是在一条传输介质上使用多个频率不同的模

拟载波信号进行多路传输，这些载波可以进行任

何方式的调制：ASK、FSK、PSK以及它们的组合。

每一个载波信号形成了一个子信道，各个子信道

的中心频率不相重合，子信道之间留有一定宽度

的隔离频带。

课件制作人：沈红

特点：

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都

占用这个频带。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源

（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送

速率）。

频率

I频率5|

频率4

频率3

频率2

频率1

时间

课件制作人：沈红

时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)

"时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分

复用帧(TDM帧)。每一个时分复用的用户

在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。.

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其

周期就是TDM帧的长度)。;

TDM信号也称为等时(isochronous)信号。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用回挂

的频带宽度。

课件制作人：沈红

时分多路技术可以用在宽带系统中，也可以用在频分

多路下的某个子通道上。时分多路复用按照子通道动

态利用情况又可再分为同步时分和统计时分两种

1、同步时分复用

频率

课件制作人：沈红

时分复用

频率

课件制作人：沈红

时分复用

课件制作人：沈红

时分复用

频率

课件制作人：沈红

时分复用可能会造成

线路资源的浪费

使用时分复用系统传送计算机数据时,

由于计算机数据的突发性质，用户对

分配到的子信道的利用率一般是不高的。

用户

时分复用

课件制作人：沈红

统计时分复用STDM

(StatisticTDM)(AsynchronousTDM)

用户

课件制作人：沈红

2.4.2波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分复用就是光的频分复用。

光调制器8x2.5Gb/s光解调器

1310nm

0..1550nm1550nm0

1551nmT

2^^1552mri1552nm

分

3------1553nm1553nm

用

4^_^!554nm器1554nm

5।------^1555nm1555nm

6-----1556nm120km1556nm

7^=Z1557nm1557nm

课件制作人：沈红

波分复用的技术特点与优势：

可灵活增加光纤传输容量（利用低损耗波

■段）,

同时传输多路信号（非同步信号）

■成本低、维护方便

可靠性高，应用广泛

课件制作人：沈红

2.4.3码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名词是码分多址CDMA

(CodeDivisionMultipleAccess)。

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。

■这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其

频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。.

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为

■码片(chip)o

课件制作人：沈红

码片序列(chipsequence)

每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。

■如发送比特1,则发送自己的勿bit码片序列

■如发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码

例如，s站的8bit码片序列是ooonon。

■发送比特1时，就发送序列00011011

■发送比特0时，就发送序列11100100

S站的码片序列：(-1-1-1+1+1-1

+1+1)

课件制作人：沈红

CDMA的重要特点

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,

并且还必须互相正交(orthogonal)。

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

课件制作人：沈红

码片序列的正交关系

令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他

任何站的码片向量。

两个不同站的码片序列正交，就是向量s和T的

规格化内积(innerproduct)都是0：

(2-3)

课件制作人：沈红

码片序列的正交关系举例

令向量S为(-1-1-1+1+1-1+1+1),向

量T为(-1-1+1-1+1+1+1-1)o

把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出

这两个码片序列是正交的。

课件制作人：沈红

正交关系的另一个重要特性

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格

化内积都是1。

课件制作人：沈红

CDMA的工作原理

数据码元比特0

k-m个码格

S站的码片序列S)

发

I

送s站发送的信号sj

端

T站发送的信号

总的发送信号Sx+T

接

收

端

规格化内积S・Tx」

课件制作人：沈红

2.6数据交换技术

在网络中，两个端点之间通常需要通过中间节点实现

数据通信，这些中间节点并不关心数据内容，而是提供一

个交换设备，把数据从一个节点转发到另一个节点，直至

达到目的端。

数据交换技术主要是指网络中间节点所提供的数据交

换功能。

在交换型通信网络中，从一个站进入网络的数据通过

从节点到节点的交换，被选径送往目的地。

交换：按照某种方式动态地分配传输线路的资源

课高利客承技术：电路交换、报文交换和分组交换

2.6.1电路交换

电路交换(CircuitSwitching)是指数据传输期

间，在源站点与目的站点之间建立专用电路链接，

在数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被

其他结点所使用。电路交换必定是面向连接的。用

电路交换完成的数据传输要经历以下三个阶段。

■建立连接

■通信

■释放连接

课件制作人：沈红

电路交换举例

A和B通话经过四个交换机

通话在A到B的连接上进行

中继线父换机

用户线\

/交换机\

3

3

3

3用户线

课件制作人：沈红

电路交换举例

C和D通话只经过一个本地交换机

课件制作人：沈红

电路交换传送计算机数据效率低

优点是：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且

保持原来的序列。

缺点是：电路持续时间长；线路的利用率很低；

低效；当用户终端或网络节点负荷过重时，可能

出现呼叫不通的情况，即不能建立电路连接。

电路交换适用于数据传输要求质量高且批量大的

情况。

课件制作人：沈红

2.6.2报文交换

报文交换(MessageSwitching)方式不需在

两个站点之间建立一条专用电路，数据传输单位

是报文，所谓报文就是站点一次性要发送的数据

块，其长度不限并且可变。

课件制作人：沈勿

1、报文交换的优点

电路利用率高。

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。

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。

报文交换网络可以进行速度和代码的转换。

2、报文交换的缺点

不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络

的延迟时间长而且不定。

有时结点收到过多的数据而无空间存储或不能及时

转发时，就不得不丢弃报文。

课件制作人：沈红

2,分组交换的主要特点

在发送端，先把较长的报文划分成较短

的、固定长度的数据段。

报文

1101000110101010110101011100010011010010

假定这个报文较长

不便于传输

课件制作人：沈红

添加首部构成分组

每一个数据段前面添加上首部构成分组。

分组3

_____________________________人___________

请注意：现在左边是“前面”

课件制作人：沈红

分组交换的传输单元

分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依

次把各分组发送到接收端（假定接收端在左

边）。

分组1

_____________________________人__________

课件制作人：沈红

分组首部的重要性

♦每一个分组的首部都含有地址等控制信

息。.

-分组交换网中的结点交换机根据收到的

分组的首部中的地址信息，把分组转发到

下一个结点交换机。

用这样的存储转发方式，最后分组就能

到达最终目的地。

课件制作人：沈红

收到分组后剥去首部

接收端收到分组后剥去首部还原成报文。

分组1

______________________八_______________________

课件制作人：沈红

最后还原成原来的报文

最后，在接收端把收到的数据恢复成为

原来的报文。

-------------------报文------------------

1101000110101010110101011100010011010010

这里我们假定分组在传输过程中没有出

现差错，在转发时也没有被丢弃。

课件制作人：沈红

因特网的核心部分

因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起

来的路由器组成,而主机处在因特网的边缘部分。

■在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链

路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则

通常以相对较低速率的链路相连接。

主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和

其他主机通过网络交换信息。的用途则是

用来转发分组的，即进行分组交换的。

课件制作人：沈红

课件制作人：沈红

_网络核心部分

HM\，

路由器2

D\

H

4

—

课件制作人：沈红

分组交换网的示意图

注意分组路径的变化!

D

路由器

主机

H2向H6发送分组

儿向H5发送分组

互联网

课件制作人：沈红

注意分组的存储转发过程

路

也向也发送分组

路由器

在路由器中的输入和输出端口之间没有直

接连线。,

路由器处理分组的过程是：

■把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；

■查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端

口转发；

■把分组送到适当的端口转发出去。

课件制作人：沈红

主机和路由器的作用不同

主机是为用户进行信息处理的，并向网络

发送分组，从网络接收分组。

路由器对分组进行存储转发，最后把分组

交付目的主机。

课件制作人：沈红

分组交换的优点

J高效动态分配传输带宽，对通信链路

是逐段占用。

-灵活以分组为传送单位和查找路由。

迅速不必先建立连接就能向其他主机

发送分组。

■可靠保证可靠性的网络协议；分布式

的路由选择协议使网络有很好的生存性。

课件制作人：沈红

分组交换带来的问题

分组在各结点存储转发时需要排队，这

就会造成一定的时延。

分组必须携带的首部（里面有必不可少

的控制信息）也造成了一定的开销。

课件制作人：沈红

存储转发原理

并非完全新的概念

在20世纪40年代，电报通信也采用了基于

存储转发原理的报文交换(message

switching)o

■报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不

等。现在报文交换已经很少有人使用了。

课件制作人：沈红

分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交

换两种

(1)数据报分组交换

数据报分组交换是将每个分组被称为一个数

据报(datagram),若干个数据报构成一次

要传送的报文或数据块。每个数据报在传输的

过程中，都要进行路径选择，各个数据报可以

按照不同的路径到达目的地。各数据报不能保

证按发送的顺序到达目的结点，有些数据报甚

至还可能在途中丢失。在接收端，再按分组的

J喇蠡将这些数据报组重新合成一个完整的报文。

数据报服务

应用层为IP数据报/“I应用层

运输层运输层

网络层,网络层

数据链路数据链路层

物理层物理层

丢失

乩发送给H2的分组可能沿着不同路径传送

课件制作人：沈红

ACK

数据报分组交换示意图

课件制作人：沈红

数据报分组交换的特点：

每个分组都必须带有数据、源地址和目的地

址，其长度受到限制，一般为2000比特以内，，

典型长度为128个字节。

同一报文的分组可以由不同的传输路径通过通

.信子网，到达目的结点时可能出现乱序、重复

或丢失现象。

-传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于

长报文、会话式通信。

课件制作人：沈红

(2)虚电路分组交换

■虚电路方式结合了数据报方式与线路交换方式的

优点，达到最佳的数据交换效果。

两个用户结点在开始互相发送