城市轨道交通网络技术基础 （第2版）课件 张荐-项目1-4 网络基础知识- 局域网组建

项目一

网络基础知识

在当今数字化时代，网络早已如空气般融入我们生活的每一处缝隙。清晨，打开手机刷新闻，信息瞬间跨越千山万水跃入眼帘；工作时，依靠网络与异地团队协作，文档、数据实时共享；夜晚休闲，在线追剧、打游戏，畅享网络带来的乐趣。但你可曾细想，这无所不在的网络究竟如何运作？从家中的路由器，到城市里密密麻麻的基站，再到横跨大洋的海底光缆，它们怎样协同，让数据精准无误地穿梭？接下来，就让我们踏入网络基础知识的世界，探寻这神奇网络背后的奥秘。知识链接学练结合课后作业任务一

计算机网络认知Contents→工作情境地铁员工小李最近参与到地铁通信网络优化项目中。日常工作里，他发现部分通信设备老化，网络稳定性受影响。现在，小李需要重温计算机网络系统组成知识，了解不同硬件（像通信线路、信息变换设备）和软件（如操作系统、数据库系统）的作用。同时，依据城轨通信网络规划原则，评估现有公务电话、专用电话等系统架构，和团队协作探讨如何改进，从而保障地铁通信网络稳定运行，提升运营管理效率，为乘客提供更优质服务。技能目标：1.精准识别计算机网络软硬件构成，阐明各部分功能及协作关系，以此获得搭建与维护基础网络系统的实操能力。2.掌握城轨通信网络规划原则，能据此对网络整体设计予以分析评估，具备参与规划工作的初步技能。3.透彻理解城轨通信网络架构及作用，明晰各系统提升运营与助力智能发展的贡献，拥有优化改进网络的能力。素养目标：1.面对复杂网络知识，运用逻辑思维梳理内在联系，构建知识框架，培养系统性思考与归纳总结素养。2.在网络知识学习中，秉持严谨负责态度，遵循网络规划标准，重视可靠性，培育高质量工程素养。3.关注网络技术发展，认识创新对提升网络性能、推动城市智能化的作用，激发探索新技术的素养→学习目标知识目标：1.知悉计算机网络定义、组成结构，掌握软硬件各部分概念与功能，明确其在网络构建中的角色及作用。2.牢记城轨通信网络规划的先进性、可靠性等原则，理解各原则对保障轨道交通安全、高效运行的意义。3.熟知城轨通信网络主要架构，掌握各系统组网方式、功能特点，以及在运营管理和城市智能化中的作用机制。一、计算机网络基础知识——计算机网络的定义

计算机网络是将地理位置上分散的计算机、终端和外部设备通过通信线路互联在一起，并遵循共同的协议，从而实现信息互通和资源共享的系统。简而言之，计算机网络是通过电缆、电话线或无线通信将两台以上的计算机互连起来的集合。计算机网络的定义网络中的每台计算机或终端都是完整独立的设备，既可以独立完成本地工作，也可以联网工作。这些设备通过双绞线、光纤、同轴电缆、无线电波等有线或无线介质进行连接。网络协议是通信过程中必须遵循的统一规则，是确保正确通信和信息传输的基础。通过网络，用户可以共享硬件设备（如打印机、存储设备）、软件程序以及信息资源（如文件、数据库）。2.计算机网络系统的组成（1）硬件系统①计算机——俗称电脑，是一种用于高速计算的电子设备，能够进行数值计算、逻辑计算，并具有存储记忆功能。它可以按照程序运行，自动、高效地处理海量数据，是现代智能电子设备的代表。②网络工作站——通过网络接口卡连接到网络上的个人计算机。它既可以作为独立的计算机使用，也可以根据授予的权限访问服务器。在网络中，工作站是网络服务的用户，其主要功能是享受网络上提供的各种服务。计算机网络系统的组成③网络终端——是一种专用于网络计算环境的终端设备。与个人计算机（PC）不同，它没有硬盘、光驱等存储设备，所有资源、应用软件和数据都通过网络从服务器获取。④通信处理机——是网络中用于数据通信的计算机系统，包括前端处理机、远距离前端处理机、终端计算机等。前端处理机是主计算机与通信设备之间的接口设备，主要用于通信控制。计算机网络系统的组成⑤通信线路——是信息传递的物理通路。目前，长途干线主要采用大芯数光缆，同时也有卫星、微波等无线线路。省际及省内长途通信也以光缆为主，辅以微波和卫星电路。⑥信息变换设备——用于对信号进行变换，包括调制解调器、无线通信接收和发送器、光纤通信的编码解码器等。这些设备确保信号在不同介质中高效传输。计算机网络系统的组成（2）网络软件系统①操作系统——是管理计算机硬件与软件资源的程序，负责处理内存管理、资源分配、输入输出设备控制、网络操作和文件系统管理等基本事务。同时，它为用户提供与系统交互的操作界面。②语言处理系统——根据处理的语言、方法和过程的不同而有所差异。通常，它包含一个翻译程序，将一种语言程序（源语言和源程序）翻译成等价的另一种语言程序（目标语言和目标程序）。计算机网络系统的组成③数据库系统——是为满足数据处理需求而发展起来的一种理想数据处理系统。它是一个实际可运行的软件系统，为数据的存储、维护和应用提供支持，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。④分布式软件系统——是支持分布式处理的软件系统，运行在由通信网络互联的多处理机体系结构上。它包括分布式操作系统、分布式程序设计语言及其编译（解释）系统、分布式文件系统和分布式数据库系统等。计算机网络系统的组成⑤人机交互系统——是研究人与计算机之间通过相互理解的交流与通信，最大限度地完成信息管理、服务和处理的科学。它使计算机成为人们工作学习的和谐助手。二、城市轨道交通通信网络通信网络在城市轨道交通中发挥着至关重要的作用，在进行城市轨道交通通信网络规划的过程中必须遵循相应的原则，具体如图1-1所示。二、城市轨道交通通信网络先进性：通信网络规划应采用成熟的先进技术和设备，以确保城市轨道交通安全、可靠运行，并避免系统改造带来的成本增加。在资金允许的情况下，优先选择最先进的设备，因其具有良好的可持续性与拓展能力。可靠性：通信网络需在各类业务中保持安全稳定。若可靠性不足，网络故障可能导致整个协调指挥系统瘫痪。通过设置保护机制增强网络自愈能力，确保故障时能快速修复。二、城市轨道交通通信网络实用性：在确保准确性的前提下，操作应简便快捷，设备操作维修人员经简单培训即可上岗。软件规划应友好简略，最大限度满足用户需求，使通信网络规划更加人性化。开放性：网络规划需具备良好的系统兼容性和融入先进技术的能力。设备应符合国际标准，通信协议应选择成熟且广泛使用的标准协议，以确保网络的可靠控制与业务健康发展二、城市轨道交通通信网络城市轨道交通通信网络规划整体设计要满足通信网络规划的目标，在进行通信网络规划整体设计的过程中必须围绕资源共享与资源集中管理，构建完备的城市轨道交通通信网络体系。城市轨道交通通信网络系统构成如图1-2所示。二、城市轨道交通通信网络城市轨道交通通信网络中传输系统是核心，传输系统的可靠性关系到整个系统的稳定性及其子系统能够正常运行。从这个角度来讲，城市轨道交通通信网络要具有易维护、易扩展、技术先进等特点。（1）公务电话系统公务电话系统为城市轨道交通的各业务部门提供固定的通话服务，有时候也作为专用电话系统的应急通信。对公务电话子系统的规划应该从其业务功能出发，对管理功能进行规划，最终在网络层面实现互联互通。公务电话子系统的业务功能包括电话交换功能、计费功能、新业务功能等，管理功能的主要作用是维护整个系统的稳定性与可靠性，从而最大限度为系统业务功能提供保障。图1-3为公务电话系统组网架构由图可知，公务电话系统和专用电话系统使用的是相同的网络架构。另外，无线指挥系统的集群交换机也和公务电话的交换网连接在一起。通信网络公务电话系统所有的功能都将汇集于传输通道上，传输通道是整个公务电话系统的基础与核心。1.城市轨道交通通信网络主要架构（2）专用电话系统专用电话系统负责城市轨道交通的调度工作，包括行车调度、电力调度、维修调度等。作为专用调度电话系统，它要求直达、迅速，禁止无关用户接入。系统需具备维护管理功能，支持故障管理、设备管理、安全管理等，且系统故障应集中显示在告警系统中。专用电话系统是实现轨道交通安全运行调度的关键通信系统，业务能力要求严格。1.城市轨道交通通信网络主要架构在规划时，应急指挥中心内部需设置总调度台，并对列车运行、设备监控等设置分类调度台。系统主要由调度交换机、各类调度分交换机、录音设备等组成，设备通过传输系统连接。为减少设备数量和管理成本，采用以调度交换分机为中心的辐射式组网架构。总调度台需实现与各部门的点对点无障碍通信，分类调度台则对各类运营业务实施分级调度。1.城市轨道交通通信网络主要架构（3）视频监控系统视频监控系统为城市轨道交通运营调度和管理人员提供视频传输与调看功能，帮助对重点区域和敏感区域进行远程监控管理。通过该系统，运营管理人员可第一时间了解现场情况，提升对现场状况的判断能力，从而更好地保障城市轨道交通的安全运营。视频监控系统的功能主要包括监视功能、控制功能、录像回放功能、维护管理功能等，其建立在不同业务线路基础之上。1.城市轨道交通通信网络主要架构摄像头安装在视频监控区域的现场，负责对现场视频图像的采集，是视频监控系统的前端输入设备。在视频监控系统中还包含网络控制器、视频切换器、视频放大器等设备，这些设备用于对视频图像进行切换、分割等功能，从而达到更好地的视频传输、观看效果。1.城市轨道交通通信网络主要架构（4）无线指挥系统城市轨道交通在实际运营过程中，应急指挥中心主要负责对整个运行状态进行监视，但无法直接进行控制。在正常运营情况下，应急指挥中心不与列车调度、维修人员等进行通信；然而，一旦运营过程中出现紧急情况或异常情况，指挥人员必须通过无线指挥系统与事故线路中的现场人员保持通信，以便及时、高效、准确地排除问题。1.城市轨道交通通信网络主要架构无线指挥系统应具备组呼、一对一选呼等功能，并在呼叫过程中支持优先级设置。其组成与移动通信网络类似，包括移动交换机（负责无线信道的分配与管理）、网管服务器（用于系统管理与监控）、归属用户数据库（记录无线通信用户信息，只有被记录的用户才能使用网络）以及访问用户数据库（支持漫游用户的正常通信）。图1-4为无线指挥系统组网架构。1.城市轨道交通通信网络主要架构1.城市轨道交通通信网络主要架构由图可知，当鉴权移动台呼出时，呼出的信令由基站传送到移动交换机，同时由移动交换机处理呼叫。当移动台被呼叫时，移动交换机将从归属用户数据库中去搜索移动台在基站中所属的位置，同时进行定位，在主叫用户和被叫用户之间建立通信连接。（1）提升城市轨道交通运营管理水平城市轨道交通通信网络通过采用先进的通信技术和设备，构建了现代化的网络系统，显著提高了运营和管理效率，同时优化了城市资源的利用。随着我国城市规模的不断扩大，城市病愈发突出，其中交通拥堵尤为明显。通信网络在提升城市轨道交通管理水平方面主要体现在以下两个方面。一、计算机网络的发展业务协同与高效运行：通信网络将城市轨道交通的所有业务系统连接起来，促进各业务之间的协调配合，确保轨道交通的高效、安全运行。信息共享与管理优化：轨道交通运营过程中产生的大量信息通过通信网络实现共享，打破部门间的信息孤岛，实现信息互通，从而提升整体管理水平。一、计算机网络的发展（2）促进城市智能化发展通信网络在城市轨道交通中的应用是城市智能化发展的关键，也是未来社会发展的必然趋势。城市智能化发展不仅提升了居民的生活质量，还满足了人们对科技含量更高的生活需求。通信网络促进城市智能化发展的主要体现在以下两个方面。互联互通与信息共享：科学合理的通信网络规划实现了通信全覆盖，使各种信息资源能够高度共享。例如，城市轨道交通通信网络的乘客导乘子系统和广播子系统，帮助乘客更方便、快捷地到达目的地，并及时了解轨道交通的实时运行信息，从而优化出行选择。贴心与人性化服务：通信网络规划提升了市民出行的科技含量，使市民能够借助高科技确保出行便捷，减少拥堵，推动社会智能化的快速发展。城市轨道交通通信网络不仅提高了轨道交通的运营管理水平，还为城市的智能化发展提供了有力支持。一、计算机网络的发展前沿技术随着城市轨道交通通信网络系统的不断发展和新技术的应用，传统故障诊断方法已难以对庞大的故障数据，进行精确的诊断。近年来人工智能等诊断方法得到越来越广泛的应用。例如AI网络运维等技术，对诊断数据进行状态识别、状态预测及推理，模拟专家的逻辑思维来解决问题，实现高效故障诊断。知识链接学练结合课后作业任务二

计算机网络的功能及分类Contents计算机网络的功能及分类→工作情境地铁员工小刘主要负责地铁通信网络的日常维护与优化工作。近期，随着地铁新线路的规划建设，通信网络也面临升级改造。小刘需要深入了解计算机网络的发展历程，从中借鉴先进的技术理念来规划新的网络架构。在日常维护中，他要依据网络功能知识，确保资源共享高效稳定，保障各部门间的通信顺畅。同时，根据不同的网络分类特点，合理选择适合地铁环境的网络拓扑结构和传输介质，以提升地铁通信网络的可靠性和稳定性，为地铁的安全运营提供有力支撑。计算机网络的功能及分类→工作情境地铁员工小刘主要负责地铁通信网络的日常维护与优化工作。近期，随着地铁新线路的规划建设，通信网络也面临升级改造。小刘需要深入了解计算机网络的发展历程，从中借鉴先进的技术理念来规划新的网络架构。在日常维护中，他要依据网络功能知识，确保资源共享高效稳定，保障各部门间的通信顺畅。同时，根据不同的网络分类特点，合理选择适合地铁环境的网络拓扑结构和传输介质，以提升地铁通信网络的可靠性和稳定性，为地铁的安全运营提供有力支撑。计算机网络的功能及分类技能目标：1.能够依据不同的网络需求场景，准确判断并选择合适的计算机网络拓扑结构、作用范围类型及传输介质。2.学会运用相关知识分析现有计算机网络在功能实现方面（如资源共享效率、网络通信稳定性）的优劣，并提出改进思路。3.可以对给定的计算机网络案例，按照不同分类标准进行清晰分类，并阐述分类依据。计算机网络的功能及分类素养目标：1.培养逻辑思维素养，在梳理计算机网络发展历程、功能及分类知识时，能构建条理清晰的知识体系，把握知识间的内在逻辑。2.树立创新与发展素养，关注计算机网络前沿技术，思考如何将新技术融入现有网络，推动网络技术的创新应用。3.提升问题解决素养，面对复杂的计算机网络实际问题，能够运用所学知识和技能，系统分析并提出切实可行的解决方案。一、计算机网络的发展计算机网络的发展历程可以分为多个阶段，每个阶段都伴随着技术的突破和应用场景的扩展。1.第一阶段：面向终端的计算机网络（20世纪50年代-60年代）在这一阶段，计算机网络以主机为中心，终端通过通信线路连接到主机，实现资源共享。典型的技术包括分时系统和远程终端访问。然而，这种架构存在明显的局限性，主机的负担较重，且扩展性较差，难以满足日益增长的需求。一、计算机网络的发展2.第二阶段：分组交换网络的诞生（20世纪60年代-70年代）随着分组交换技术的出现，计算机网络进入了一个新的发展阶段。数据被分割为多个分组进行传输，显著提高了网络的效率和可靠性。ARPANET作为互联网的前身，是这一阶段的代表性成果。此外，X.25协议也为分组交换网络的发展奠定了基础。这一阶段的技术为现代计算机网络的架构提供了重要支持。3.第三阶段：网络标准化与互联网的兴起（20世纪70年代-90年代）在这一阶段，网络协议的标准化成为关键。TCP/IP协议逐渐成为主流，互联网开始在全球范围内普及。DNS（域名系统）和电子邮件（E-mail）等应用的出现，极大地推动了网络的使用。这一阶段的标志性意义在于实现了全球范围内的网络互联，为信息时代的到来奠定了基础。一、计算机网络的发展4.第四阶段：高速网络与多媒体应用（20世纪90年代-21世纪初）随着光纤通信和宽带接入技术（如ADSL）的发展，网络带宽大幅提升，能够支持多媒体数据的传输，如视频和音频。ATM（异步传输模式）等技术也在这一阶段得到广泛应用。高速网络的普及推动了互联网应用的多样化，为人们的生活和工作带来了深远影响。一、计算机网络的发展5.第五阶段：移动互联网与物联网（21世纪初至今）移动设备的普及和无线网络技术的快速发展，标志着计算机网络进入了移动互联网时代。4G/5G移动通信、Wi-Fi等技术使得人们可以随时随地接入网络。与此同时，物联网（IoT）的兴起将网络连接扩展到物理设备，实现了万物互联。云计算和物联网协议（如MQTT）成为这一阶段的重要技术支撑。一、计算机网络的发展6.第六阶段：未来网络与智能化（当前及未来）当前，计算机网络正朝着智能化、自动化的方向发展。边缘计算、量子通信等新兴技术为网络提供了更高的性能和安全性。人工智能驱动的网络优化技术也在逐步成熟，为智慧城市、自动驾驶等新兴领域提供了强大的技术支持。未来，计算机网络将继续推动社会的数字化转型，成为智能化时代的重要基础设施。二、计算机网络的功能一个完整的计算机网络应具备以下几个基本功能，如图1-5所示。二、计算机网络的功能1.资源共享多个用户共享计算机系统中的硬件和软件资源，如处理机时间、存储空间、设备和数据资源等。资源共享是计算机网络的主要目标之一。2.网络通信通过物理链路连接孤立的工作站或主机，组成数据链路，实现资源共享和通信。网络通信包括人与人、人与计算机、计算机与计算机之间的信息交换。网络通信协议（如NETBEUI、IPX/SPX、TCP/IP）是实现通信的关键。二、计算机网络的功能3.集中管理集中式计算机网络由中央系统和终端组成，数据存储在中央系统并由数据库管理系统管理。所有处理由中央系统完成，终端仅用于输入和输出，确保数据集中存储和管理。4.均衡负荷通过分摊任务到多个操作单元（如Web服务器、FTP服务器等），均衡负荷扩展网络带宽、增加吞吐量、提高数据处理能力和系统可用性，确保网络高效运行。二、计算机网络的功能5.分布处理分布处理技术利用网络支持的服务，解决异构硬件平台、操作系统、网络通信系统以及应用系统集成等问题，是深化网络应用的关键技术。三、计算机网络的分类1.按拓扑结构分类（1）总线型拓扑结构：通过一根公共总线连接所有设备，信息沿总线双向传输，可被任一节点接收，通信方式为广播。其优点是结构简单、易于实现和扩展，可靠性较好。总线型局域网中，所有节点通过网卡连接到总线，通常采用双绞线或同轴电缆作为传输介质。同一时间内只允许一个节点发送数据，其他节点只能接收；若多个节点同时发送数据，则会发生冲突，导致传输失败。三、计算机网络的分类（2）星型拓扑结构：由一个中央节点和若干从节点组成，中央节点与从节点直接通信，从节点间通信需通过中央节点转发。其优点是结构简单、建网容易、传输速率高、扩展性好、配置灵活，站点增删改容易，网络易管理维护。每节点独占一条传输线路，避免数据堵塞。但网络可靠性依赖中央节点，中央节点故障将导致全网瘫痪。三、计算机网络的分类（3）树型拓扑结构：是一种分级结构，可视为多级星型结构的组合。越靠近树根的节点处理能力越强。其特点是扩展方便、建网费用低、故障隔离容易，适用于分主次或分等级的层次型管理系统。但由于采用分级集中控制，网络对根节点依赖较大，根节点故障会使全网瘫痪。三、计算机网络的分类（4）环型拓扑结构：将所有设备连接成环状，信息沿环单向传输。其传输路径固定，无路径选择问题，实现简单。但任一节点故障都会导致全网瘫痪，可靠性较差。网络管理复杂，投资费用高，扩展性和灵活性差，维护困难。三、计算机网络的分类2.按适用范围分类（1）局域网(LAN)：介于通常为几米至几千米，一般由一个单位或部门组建，局限在一座建筑物或园区内。局域网规模小、速度快，应用非常广泛。（2）城域网(MAN)：介于广域网和局域网之间，通常覆盖一个城市或地区，作用范围一般为几十千米。城域网及宽带城域网的建设是当前网络建设的热点。（3）广域网(WAN)：通常为几十到几千千米，能够跨越辽阔的地理区域进行长距离信息传输，覆盖范围通常是一个国家或洲。三、计算机网络的分类3.按传输介质分类（1）有线网：采用同轴电缆、双绞线、光纤等导向传输媒体来传输数据的网络。（2）无线网：采用无线电波、红外线、微波、卫星和激光，在局域网中，通常只使用无线电波和红外线作为传输介质，无线传输介质通常用于广域互联网的广域链路的连接。三、计算机网络的分类4.按数据传输速率分类（1）低速网：数据传输速率在200kb/s～1.5Mb/s之间的系统，这种系统通常是借助调制解调器利用电话网来实现的。（2）中速网：数据传输速率在1.6Mb/s～45Mb/s之间的系统，这种系统主要是传统的数字式公用数据网。（3）高速网：数据传输速率在50Mb/s～1000Mb/s之间的系统，目前的快速以太网和使用光纤的主干通信线路均属于高速网。三、计算机网络的分类5.按通信传播方式分类点对点传播方式网点对点传输网络中，数据以点到点的方式在计算机或通信设备中传输，星型网和环形网采用这种传输方式。点对点技术广泛应用于文件共享（如音频、视频、数据等）和实时数据传输（如IP电话、音视频通信）。部分网络（如Napster、OpenNAP）结合C/S结构和P2P结构处理任务，而Gnutella、Freenet等网络则完全采用P2P结构，被认为是真正的P2P网络。三、计算机网络的分类（2）广播式传播方式网广播式传输网络中，数据在共享介质中传输，无线网和总线型网络属于这种类型。所有站点共享一条信道，任意站点输出，其他站点均可接收。适用于范围较小或保密性要求低的网络。三、计算机网络的分类6.按使用范围分类（1）公用网：公用网又称为公众网，只要符合网络拥有者的要求就能使用这个网，因此它是为社会所有的人提供服务的网络。（2）专用网：专用网为一个或几个部门所拥有，它只为拥有者提供服务，不向拥有者以外的人提供服务。头脑风暴计算机网络领域涌现了多项突破性技术，深刻改变了网络架构、性能和应用场景。查一查，近年来计算机网络的发展有哪些新技术？相互交流，进行新技术的介绍。知识链接学练结合课后作业任务三

网络体系结构Contents网络体系结构→工作情境地铁员工小赵负责地铁通信网络的维护与升级工作。随着地铁运营线路的增多和智能化需求的提升，现有网络体系面临挑战。小赵需要深入研究计算机网络体系结构知识，分析当前地铁通信网络采用的类似TCP/IP模型的架构特点，判断在大量数据传输和实时调度场景下，各层是否能高效运行。当网络出现故障，如数据传输延迟时，小赵要运用所学，准确判断是物理层线路问题，还是传输层协议故障，从而快速解决问题，保障地铁通信网络稳定，为地铁安全高效运营提供有力支持。网络体系结构→学习目标知识目标：1.了解计算机网络体系结构的形成历程，理解分层优势，熟知常见网络标准的诞生背景。2.掌握计算机网络体系结构的定义，明确网络组织、配置与体系结构的区别，理解网络协议及层次模型的概念。3.熟知OSI模型和TCP/IP模型的层次结构、各层功能及对应关系，如OSI七层与TCP/IP四层的具体内容与联系。网络体系结构技能目标：1.能够根据实际网络需求，分析并选择合适的网络体系结构模型（OSI或TCP/IP），并阐述其优势。2.学会运用网络体系结构知识，判断网络故障可能发生的层次，并提出相应的排查与解决思路。3.可以对给定的网络通信场景，准确描述数据在OSI或TCP/IP模型各层的传输过程及处理方式。网络体系结构素养目标：1.培养逻辑思维素养，在学习网络体系结构复杂知识时，构建清晰的知识脉络，理解各部分逻辑关联。2.树立工程实践素养，在思考网络体系结构相关问题时，考虑实际应用中的可行性、稳定性与标准化。3.提升创新思维素养，关注网络体系结构的前沿发展，思考如何优化现有模型以适应新兴网络需求。一、计算机网络体系结构1.计算机网络体系结构的形成（1）早在最初的ARPANET设计时即提出了分层的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。（2）1974年，IBM公司宣布了它研制的SNA（SystemNetworkArchitecture）。这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。不久以后，其他一些公司也相继推出本公司的一套体系结构，并都采用不同的名称。一、计算机网络体系结构（3）国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互联成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnectionReferenceModel），简称为OSI。在1983年形成了开放系统互联基本参考模型的正式文件，即著名的ISO7498国际标准。一、计算机网络体系结构（4）20世纪90年代初期，虽然整套的OSI国际标准都已经制定出来了，但由于互联网已抢先在全世界覆盖了相当大的范围，而与此同时却几乎找不到有什么厂家生产出符合OSI标准的商用产品。现今规模最大的、覆盖全世界的计算机网络互联网并未使用OSI标准，而是非国际标准TCP/IP。这样，TCP/IP就是事实上的国际标准。一、计算机网络体系结构2.计算机网络体系结构的定义计算机的网络结构可以从网络组织、网络配置和网络体系结构三个方面来描述。网络组织是从网络的物理结构和网络的实现两方面来描述计算机网络；网络配置是从网络应用方面来描述计算机网络的布局，硬件、软件和通信线路来描述计算机网络；网络体系结构是从功能上来描述计算机网络结构。一、计算机网络体系结构网络协议是计算机网络必不可少的，一个完整的计算机网络需要有一套复杂的协议集合，组织复杂的计算机网络协议的最好方式就是层次模型。而将计算机网络层次模型和各层协议的集合定义为计算机网络体系结构（NetworkArchitecture）。一、计算机网络体系结构网络协议明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题：（1）鉴于网络节点之间通信的复杂性，在制定协议时通常把复杂元素分解成一些简单元素，然后再将它们复合起来。运用层法，协议可以分割成如下性质的层次结构：（2）除了最高层，中间的每一层都向上一层提供服务，同时又是下一层的服务用户。（3）结构中的每一层都规定有明确的服务及接口标准。一、计算机网络体系结构计算机网络由多个互连的节点组成，节点之间要不断地交换数据和控制信息，要做到有条不紊地交换数据，每个节点必须遵守一整套合理而严谨的结构化管理体系。计算机网络就是按照高度结构化设计方法采用功能分层原理来实现的，即计算机网络体系结构的内容，如图1-6所示。一、计算机网络体系结构一、计算机网络体系结构通常所说的计算机网络体系结构，即在世界范围内统一协议，制定软件标准和硬件标准，并将计算机网络及其部件所应完成的功能精确定义，从而使不同的计算机能够在相同功能中进行信息对接。一、计算机网络体系结构3.计算机网络层次的划分计算机网络体系结构分为相对独立的七层，即应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。这样，一个复杂而庞大的问题就简化为了几个易研究、处理的相对独立的局部问题。下面简要介绍一下层次划分的重要性：（1）各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。这样，整个问题的复杂程度就下降了。（2）灵活性好。当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。（3）结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。（4）易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大又复杂的系统变得易于处理，因为整个系统已被分解为若干个相对独立的子系统。（5）能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了明确的说明。一、计算机网络体系结构计算机网络体系结构的分层思想主要遵循以下几点原则：（1）功能分工的原则。即每一层的划分都应有它自己明确的与其他层不同的基本功能。（2）隔离稳定的原则。即层与层的结构要相对独立和相互隔离，从而使某一层内容或结构的变化对其他层的影响小，各层的功能、结构相对稳定。（3）分支扩张的原则。即公共部分与可分支部分划分在不同层，这样有利于分支部分的灵活扩充和公共部分的相对稳定，减少结构上的重复。（4）方便实现的原则。即方便标准化的技术实现。二、OSI模型

在网络发展的早期时代，各个网络厂商均按照自己的标准生产网络设备，导致不同厂家的设备不能互相兼容，也不能互相通信。为了解决这一问题，20世纪80年代，国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization,ISO）制定并颁布了“开放式系统互联参考模型”（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel,OSI/RM），并很快成为计算机网络通信的基础模型，极大地促进了网络通信的发展。OSI参考模型采用层次化的结构模型，以实现网络的分层设计，从而将庞大而复杂的问题分解成若干较小且易于处理的子问题。OSI参考模型将网络自下而上分为七层，如图1-7所示，各层的主要功能分别介绍如下。二、OSI模型二、OSI模型物理层（或称物理层，PhysicalLayer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。局域网与广域网皆属第1、2层。二、OSI模型物理层要解决的主要问题：（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路。二、OSI模型物理层主要功能：为数据端设备提供传送数据通路、传输数据。（1）为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。二、OSI模型（2）传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（BIT）数），以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。（3）完成物理层的一些管理工作。二、OSI模型2.数据链路层数据链路层是OSI参考模型的第二层，其功能是在特定的传输介质或链路上传递数据。数据链路层负责链路的建立与拆除，并在传输过程中提供地址寻址、差错校验和流量控制等机制，将不可靠的物理链路改造成无差错的数据链路。数据链路层的数据单位称为“帧”（Frame）。为了在对网络层协议提供统接口的同时对下层的各种介质进行管理控制，局域网的数据链路层又被划分为逻辑链路控制（LogicLinkControl,LLC）子层和介质访问控制（MediaAccessControl,MAC）子层。数据链路层的典型设备是以太网交换机。二、OSI模型3.网络层网络层作为纽带连接着感知层和应用层，它由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成，相当于人的神经中枢系统，负责将感知层获取的信息，安全可靠地传输到应用层，然后根据不同的应用需求进行信息处理。网络层是OSI参考模型中的第三层，它的任务是选择合适的路径并转发数据包，使数据包能够正确地从发送端传递到接收端。网络层的数据单位称为“包”（Packet）。网络层可以实现异种网络的互联，其主要功能包括:编址、路由选择和拥塞控制等。网络层的典型设备是路由器和三层交换机。二、OSI模型4.传输层传输层也称之为运输层，其功能是为会话层提供无差错的传输链路，保证两台设备间传递信息的正确无误。传输层的数据单位称为“段”（Segment）。传输负责分段上层数据、建立主机之间的端到端的通信连接并提供可靠或不可靠的数据传输。它的功能主要包括:流量控制、多路复用、差错校验和数据重传等。传输层的主要协议包括TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。二、OSI模型传输层的服务一般要经历传输连接建立阶段，数据传送阶段，传输连接释放阶段3个阶段才算完成一个完整的服务过程。而在数据传送阶段又分为一般数据传送和加速数据传送两种形式。传输层中最为常见的两个协议分别是传输控制协议TCP（TransmissionControlProtocol）和用户数据报协议UDP（UserDatagramProtocol）。传输层提供逻辑连接的建立、传输层寻址、数据传输、传输连接释放、流量控制、拥塞控制、多路复用和解复用、崩溃恢复等服务二、OSI模型5.会话层会话层、表示层、应用层属于OSI参考模型的高层，它们向应用程序提供各种服务。会话层（对话层）负责建立、维持和协调主机之间的会话关系，确保会话过程畅通。它决定通信是否中断以及下次通信的起点，并提供差错恢复和通信重建功能。会话层不参与具体的数据传输，主要协调端到端通信的服务请求与应答。二、OSI模型6.表示层表示层定义应用层数据的格式与结构，确保对端设备能够正确识别和理解数据。它还负责数据的加密/解密、压缩/解压以及格式转换等功能。7.应用层应用层是OSI模型的最高层，直接与用户和应用程序交互，为操作系统或应用程序提供访问网络的接口。需要注意的是，应用层并不等同于具体的应用程序。三、TCP/IP模型OSI参考模型为网络的兼容与互联互通提供了统一标准，但该模型过于复杂，难以完全实现，再加上OSI参考模型提出来时，TCP/IP协议已经占据主导地位，因此到现在也没有一个完全遵循OSI参考模型的协议族流行开来。TCP/IP模型起源于美国国防部20世纪60年代的ARPAnet研究项目，现在已发展成为计算机之间最常用的网络协议，成为Internet的事实标准。TCP/IP模型得名于协议族中的两个最重要的协议:传输控制协议（TransmissionControlProtocol,TCP）和网际协议（InternetProtocol,IP）。三、TCP/IP模型TCP/IP模型与OSI参考模型一样，也采用层次化结构，每-负责不同的通信功能，但TCP/IP模型只有四层，包括应用层、传输层、网络层和网络接口层。【插入微课：OSI与TCPIP的对比】TCP/IP模型与0SI参考模型各层之间的大致对应关系如图1-8所示。各层的主要功能简述如下。三、TCP/IP模型三、TCP/IP模型1.网络接口层网络接口层对应OSI模型的物理层和数据链路层，定义了主机如何连接到网络，处理与传输介质相关的细节，并为上层提供统一的网络接口。它包括以太网、FDDI（光纤分布式数据接口）、令牌环等局域网技术，以及HDLC（高级数据链路控制）、PPP（点对点协议）等广域网技术。2.网络层网络层对应OSI模型的网络层，主要功能是网络互联和路由，确保数据包正确传送到目的地。核心协议包括IP（互联网协议）、ICMP（互联网控制消息协议）、IGMP（互联网组管理协议）和ARP（地址解析协议）。三、TCP/IP模型3.传输层传输层对应OSI模型的传输层，提供主机之间端到端的数据传输。为确保可靠性，传输层支持确认应答、流量控制、错误校验和排序等功能。主要协议包括TCP和UDP。TCP：面向连接的可靠传输协议，通过三次握手、完整性校验、确认应答等机制实现可靠数据传输，适用于FTP（文件传输协议）、Telnet（远程登录）、E-mail等应用。UDP：无连接的不可靠传输协议，系统开销小，适用于对延迟敏感的应用，如语音和视频传输。三、TCP/IP模型4.应用层应用层对应OSI模型的会话层、表示层和应用层，为应用程序提供网络服务接口。主要协议包括FTP、TFTP（简单文件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、SNMP（简单网络管理协议）等。课堂讨论总结OSI模型和TCP/IP模型的特点。以小组为单位，讨论总结OSI模型与TCPIP模型的区别与联系是什么？完成两个网络体系结构的对比分析。知识链接学练结合课后作业任务四网络的拓扑结构及应用Contents网络的拓扑结构及应用→工作情境地铁员工小李负责地铁通信网络的日常维护与优化。近期，地铁新线路开通，需要搭建新的通信网络拓扑结构。小李需要深入研究各类拓扑结构知识，考虑到地铁运营对通信可靠性和实时性的极高要求，分析哪种拓扑结构更适合。比如，星型拓扑的故障诊断和隔离优势有利于快速处理通信故障，但中央节点故障可能影响全网；而总线型拓扑布线简单，但故障诊断困难。小李要综合权衡，选择最能保障地铁通信网络稳定运行的拓扑结构，同时在日常维护中，依据拓扑结构特点及时排查和解决网络问题，确保地铁运营不受通信故障影响。网络的拓扑结构及应用知识目标：1.理解计算机网络拓扑结构的概念，掌握常见拓扑结构（总线型、星型、环型、树型、网状拓扑）的物理布局及工作原理。2.熟知每种拓扑结构的优缺点，如总线型的布线易与故障诊断难，星型的控制简单与中央节点瓶颈问题等。3.了解不同拓扑结构在实际应用中的特点及适用场景，例如环型拓扑适用于单向传输且对网络性能稳定性要求高的场景。网络的拓扑结构及应用技能目标：1.能够根据给定的网络需求和场景，准确判断并选择最合适的计算机网络拓扑结构，并说明理由。2.当网络出现故障时，能依据不同拓扑结构的特点，快速定位故障可能发生的区域，制定相应的排查方案。3.学会运用拓扑结构知识，对现有网络拓扑进行优化改进，提升网络性能，如在星型拓扑中合理配置中央节点以缓解瓶颈问题。网络的拓扑结构及应用素养目标：1.培养系统思维素养，在学习网络拓扑结构时，从整体上把握不同拓扑结构的构成、运行及相互关系，形成对网络架构的系统性认知。2.树立工程实践素养，在考虑网络拓扑选择与优化时，充分结合实际工程中的成本、可靠性、可维护性等因素，做出合理决策。3.提升创新思维素养，关注网络技术发展，思考如何创新拓扑结构或组合现有拓扑，以满足不断变化的网络应用需求，如在地铁通信网络中探索新的拓扑应用。网络的拓扑结构及应用→知识导入计算机网络的拓扑结构是指网络中通信线路互联各种设备的物理布局。常见的计算机网络拓扑结构有总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、网状拓扑等。一、总线型拓扑总线型拓扑结构是指采用单根数据传输线作为通信介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到通信介质，而且能被所有其他的站点接收，如图1-9所示。总线型网络拓扑结构中的用户节点为服务器或工作站，通信介质为同轴电缆。由于所有的节点共享一条公用的传输链路，所以一次只能由一个设备传输。一般情况下，总线型网络采用载波监听多路访问/冲突检测协议（CSMA/CD)作为控制策略。一、总线型拓扑一、总线型拓扑总线型拓扑结构在局域网中得到广泛的应用，其主要优点如下：（1）布线容易、电缆用量小。总线型网络中的节点都连接在一个公共的通信介质上，所以需要的电缆长度短，减少了安装费用，易于布线和维护。（2）可靠性高。总线结构简单，从硬件观点来看，十分可靠。（3）易于扩充。在总线型网络中，如果要增加长度，可通过中继器加上一个附加段；如果需要增加新节点，只需要在总线的任何点将其接入。（4）易于安装。总线型网络的安装比较简单，对技术要求不是很高。一、总线型拓扑总线型拓扑结构的局限性如下：（1）故障诊断困难。虽然总线拓扑简单，可靠性高，但故障检测不容易。因为具有总线型拓扑结构的网络不是集中控制，故障检测需要在网上各个节点进行。（2）故障隔离困难。对于介质的故障，不能简单地撤销某工作站，这样会切断整段网络。（3）中继器配置。在总线的干线基础上扩充时，需要增加中继器，并重新设置，包括电缆长度的裁剪，终端匹配器的调整等。一、总线型拓扑（4）通信介质或中间某一接口点出现故障，会导致整个网络瘫痪。（5）终端必须是智能的。因为接在总线上的节点有介质访问控制功能，因此必须具有智能，从而增加了站点的硬件和软件费用。二、星型拓扑星型拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将要发送到数据发送中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求。如图1-10所示。中央节点可以与任意一个从节点直接通信，但从节点之间的通信必须经过中央节点转发。二、星型拓扑星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。因此，中央节点的主要功能有三项：当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接;在两台设备通信过程中要维持这一通路;当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。二、星型拓扑二、星型拓扑由于中央节点要与多机连接，线路较多，为便于集中连线，采用一种成为集线器（HUB）或交换设备的硬件作为中央节点。一般网络环境都被设计成星型拓扑结构。星型网是广泛而又首选使用的网络拓扑设计之一。二、星型拓扑星型拓扑存在如下优点：（1）控制简单。任何一站点只和中央节点相连接，因而介质访问控制方法简单，致使访问协议也十分简单。易于网络监控和管理。（2）故障诊断和隔离容易。中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。（3）方便服务。中央节点可以方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。二、星型拓扑星型拓扑的缺点如下：（1）需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量也骤增。（2）中央节点负担重，形成“瓶颈”，一旦发生故障，则全网受影响。（3）各站点的分布处理能力较弱。二、星型拓扑总的来说星型拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易，局域网普遍采用的一种拓扑结构。采用星型拓扑结构的局域网，一般使用双绞线或光纤作为传输介质，符合综合布线标准，能够满足多种宽带需求。三、环型拓扑环型拓扑结构是将各节点通过一条首尾相连的通信线路连接起来形成一个闭合环路，如图1-11所示。环型结构中各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环型通信线路中，环路中各节点地位相同，环路上任何节点均可请求发送信息，请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环型网中的数据按照设计主要是单向也可以双向传输(双向环)。由于环线公用，一个节点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流的目的地址与环上某节点地址相符时，信息被该节点的环路接口所接收，并继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口为止。三、环型拓扑三、环型拓扑环型拓扑结构的特点如下：（1）电缆长度短，只需要将各节点逐次相连。（2）可使用光纤。光纤的传输速率很高，十分适合于环形拓扑的单方面传输。（3）所有站点都能公平访问网络的其他部分，网络性能稳定。三、环型拓扑环形拓扑的结构缺点如下： （1）节点故障会引起全网故障，是因为数据传输需要通过环上的每一个节点，如某一节点故障，则引起全网故障。（2）节点的加入和撤出过程复杂。（3）介质访问控制协议采用令牌传递的方式，在负载很轻时信道利用率相对较低。环型拓扑结构是基本拓扑结构中最少见的一种，这类拓扑包括了环拓扑和双环拓扑。四、树型拓扑树型拓扑像-棵倒置的树，顶端是树根，树根以下是分支，每个分支还可以有子分支，如图1-12所示。计算机网络拓扑结构是指网络中各个站点相互连接的形式，在局域网中明确一点讲就是文件服务器、工作站和电缆等的连接形式。最主要的拓扑结构有总线型拓扑、星形拓扑、环形拓扑、树形拓扑（由总线型演变而来）以及它们的混合型。顾名思义，总线型其实就是将文件服务器和工作站都连在称为总线的一条公共电缆上，且总线两端必须有终结器；星形拓扑则是以一台设备作为中央连接点，各工作站都与它直接相连形成星型；而环形拓扑就是将所有站点彼此串行连接，像链子一样构成一个环形回路；把这三种最基本的拓扑结构混合起来运用自然就是混合型了。四、树型拓扑计算机网络的拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法，把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是计算机网络的拓扑结构。树型拓扑的优点是易于扩展、故障隔离比较容易；缺点是各个节点对根节点的依赖性很大，如果根节点发生故障，整个网络将无法正常工作。四、树型拓扑五、网状拓扑在网状拓扑结构中，每个节点都有多条线路与其他节点相连，这样使得节点之间存在多条路径可选，可以为数据流选择最佳路径，从而避开拥堵或故障线路，如图1-13所示。网状拓扑可靠性高，但结构复杂、成本高，不易管理和维护，所以在实际应用中常常采用部分网状拓扑代替全网状拓扑，即在重要节点间采用全网状结构，而非重要节点间则省略一些连接。五、网状拓扑视野拓展随着技术的发展，网络拓扑也在不断进化。例如：‌光纤和高速网络技术，使得长距离和高带宽传输成为可能，推动了环形和网状拓扑的应用。‌无线技术，如Wi-Fi和蜂窝网络，使得点对点和混合拓扑更加常见。‌云计算和大数据，推动了数据中心和网络架构的变革，树形和网状拓扑成为主流。未来网络拓扑将更加注重高效、灵活和可扩展性。随着5G和未来6G技术的发展，网络拓扑将更加复杂，以支持更高的数据传输速率和更低的延迟。CoursewareMakingTemplateofCCPressTHANKYOU仅供内部使用FOR

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项目2数据通信基础知识

数据，究竟是什么？它宛如隐匿于数字世界的神秘密码，驱动着现代生活的方方面面。从日常手机中的聊天记录、购物订单，到科研机构里复杂的实验数据，数据无处不在。那这些数据源自何方？是你指尖在屏幕上的每一次点击，是传感器对环境信息的实时捕捉，还是智能设备对生产流程的精准记录？而数据通信，又是凭借怎样的神奇魔力，让数据在不同设备间穿梭自如，实现跨越地域的信息交互？让我们带着这些饶有趣味的问题，一同深入数据通信技术的奇妙世界。在探索过程中，我们不仅能深度洞悉网络运行的底层逻辑，更能领略到我国在数据通信领域从追赶到超越的辉煌历程，从中升腾起强烈的民族自豪感。知识链接学练结合课后作业任务一

数据通信概述Contents数据通信概述→工作情境地铁员工小王负责地铁通信系统的数据通信维护工作。随着地铁运营线路的扩展和智能化需求的提升，数据通信面临更高的要求。小王需要深入理解数据通信知识，在日常维护中，依据数据通信指标判断通信系统的性能。比如，当发现乘客信息显示屏数据更新延迟时，运用传输速率、延迟等知识排查是传输线路问题，还是通信方式的影响。在规划新线路通信系统时，要综合考虑地铁环境对通信可靠性、抗干扰性的特殊需求，选择合适的数据通信方式和传输媒体，如采用光纤通信满足大容量数据传输，保障地铁通信系统稳定运行，为地铁运营提供可靠支持。数据通信概述知识目标：1.理解数据通信的基本概念，包括信息、数据、信号的定义及相互关系，掌握信道、数据传输、多路复用等常用术语。2.熟知数据通信的主要指标，如传输速率、信道带宽、信道容量、误码率、吞吐量和延迟的含义及作用。3.掌握数据通信方式的分类，包括按传输方向（单工、半双工、全双工）和传输媒体（电缆、微波中继、光纤、卫星、移动通信）分类的各类方式特点。数据通信概述技能目标：1.能够根据实际需求，选择合适的数据通信方式和传输媒体，并阐述其选择依据。2.学会运用数据通信指标知识，分析和评估数据通信系统的性能，如判断网络传输速率是否满足业务需求。3.能识别和解决数据通信中的常见问题，例如依据误码率判断传输故障并采取相应措施。数据通信概述素养目标：1.培养逻辑思维素养，在学习数据通信知识时，梳理各概念、指标和通信方式之间的逻辑联系，构建系统的知识体系。2.树立工程实践素养，在考虑数据通信方案时，充分结合实际工程中的成本、可靠性、适用性等因素，做出合理决策。3.提升创新思维素养，关注数据通信技术的发展趋势，思考如何将新技术应用于实际场景，如在地铁通信中探索新的数据通信方式。数据通信概述→知识导入数据通信是通信技术与计算机技术相结合的产物，它通过数据电路将远程的数据终端设备与计算机系统相连，实现数据的传输、交换、存储和处理。在数据通信中，所有信息均以二进制形式呈现。【插入微课：数据通信基础】数据通信系统具体如图2-1所示。一、数据通信的常用术语1.信息、数据和信号信息是客观世界中事物的运动状态和变化的反映，是事物之间相互联系和作用的表征，体现了事物运动和变化的实质内容。数据是信息的载体，可以表现为数字、文字、图像、声音等多种形式。在计算机网络中，数据通常以二进制编码的形式在网络中存储、处理和传输。信号是数据的电子或电磁表现形式，可分为模拟信号和数字信号。模拟信号的参数是连续变化的，如电话、传真和电视信号；数字信号则是离散的，变化是瞬时的，如电报符号和数字数据。一、数据通信的常用术语2.通信信道信道是数据传输的通道，包括传输介质及相关通信设备。在计算机网络中，信道分为物理信道和逻辑信道。物理信道是传输数据信号的物理通路，由传输介质和通信设备组成。逻辑信道则是在物理信道基础上，通过节点内部连接实现的虚拟通路。信道通常表示单向传输信息的媒体，因此通信线路通常包含一条发送信道和一条接收信道。一、数据通信的常用术语信道类型有以下三种。（1）单向信道（单工通信），数据只能单向传输，无反向交互，如电台广播。（2）双向交替通信（半双工通信），双方均可发送和接收消息，但不能同时进行，如对讲机。（3）双向同时通信（全双工通信），双方可同时发送和接收数据，如打电话。信号的类型一般有以下两种。一、数据通信的常用术语（1）基带信号（即基本频带信号）——来自信源的原始信号如图2-2所示，直接表达要传输的信息。例如，计算机输出的文字或图像数据信号，以及人说话的声波。一、数据通信的常用术语（2）频带信号——也称为带通信号，是基带信号经过载波调制后，频率范围被搬移到较高频段，以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）如图2-3。一、数据通信的常用术语3.数据传输数据传输是数据从一个地方传送到另一个地方的过程。传输信道可以是专用通信信道，也可以通过数据交换网、电话交换网或其他交换网络实现。4.多路复用多路复用是在一个物理信道中利用特殊技术传输多路信号，即在一个物理信道中创建多个逻辑信道，每个逻辑信道传输一路信息。常用的复用技术包括频分多路复用、时分多路复用、码分多路复用和波分多路复用等。一、数据通信的常用术语5.基本的调制方法基本的调制方法有三种如图2-4所示。（1）调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化；（2）调频（FM）：载波频率随基带数字信号而变化；（3）调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。一、数据通信的常用术语二、数据通信的主要指标1.传输速率传输速率是指单位时间内传输的比特数，用于衡量数字信道的传输能力。在计算机网络中，传输速率的单位通常为比特每秒（bit/s），常见的单位有kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。2.信道带宽信道带宽是指信道中传输信号在不失真情况下的频率范围，是信道频率上界与下界之差，即信道的通频带。它是介质传输能力的度量，单位为赫兹（Hz）。信道带宽由信道的物理特性决定。二、数据通信的主要指标3.信道容量信道容量是指单位时间内信道上能传输的最大信息量，以比特率表示，单位为bit/s。信道容量通常与信道带宽成正比，带宽越大，容量越大。信道容量也常用信道带宽来表示。4.误码率误码率是指在传输过程中出现错误的比特数占总传输比特数的比例，用于衡量数据传输的可靠性。二、数据通信的主要指标5.吞吐量吞吐量表示网络或交换设备在单位时间内成功传输或交换的信息总量，单位为bit/s。它反映了网络的实际传输效率。6.延迟延迟（时延）是指数据从一个网络节点传送到另一个网络节点所需的时间。延迟受多种因素影响，包括网络设备、传输介质、网络协议等。硬件和软件都会对延迟产生制约，且延迟无法完全消除。三、数据通信方式分类1.按数据的传输方向分类（1）单工通信只支持数据在一个方向上传输，又称为单向通信。如无线电广播和电视广播都是单工通信，如图2-5所示。三、数据通信方式分类（2）半双工通信允许数据在两个方向上传输，但在同一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种可切换方向的单工通信。即通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。这种方式一般用于计算机网络的非主干线路中，如图2-6所示。三、数据通信方式分类（3）全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，又称为双向同时通信，即通信的双方可以同时发送和接收数据。如现代电话通信提供了全双工传送。这种通信方式主要用于计算机与计算机之间的通信，全双工通信如图2-7所示。三、数据通信方式分类2.按传输媒体分类（1）电缆通信。双绞线、同轴电缆等。调制方式：SSB/FDM。基于同轴的PCM时分多路数字基带传输技术。（2）微波中继通信。比较同轴电缆，易架设、投资小、周期短。模拟电话微波通信主要采用SSB/FM/FDM调制，通信容量6000路/频道。数字微波采用BPSK、QPSK及QAM调制技术。采用64QAM、256QAM等多电平调制技术提高微波通信容量，可在40M频道内传送1920~7680路PCM数字电话。三、数据通信方式分类（3）光纤通信是利用激光在光纤中长距离传输的特性进行的，具有通信容量大、通信距离长及抗干扰性强的特点。目前用于本地、长途、干线传输，并逐渐发展用户光纤通信网。（4）卫星通信。通信距离远、传输容量大、覆盖面积大、不受地域限制及高可靠性。目前，成熟技术使用模拟调制、频分多路及频分多址。数字卫星通信采用数字调制、时分多路及时分多址。（5）移动通信。移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。小组讨论：如果使用类比的方法，数据通信中的指标与概念，例如传输速率、信道容量、多路复用等，可以类比成哪些生活中可以常见到的事物？两人一组进行类比讨论。知识链接学练结合课后作业任务二

数据传输技术Contents→工作情境

随着地铁线路的增多和智能化程度的提高，数据传输量急剧增加，现有通信系统面临挑战。小张需要深入了解数据传输技术，评估当前地铁数据传输网络结构是否合理，例如判断当前采用的总线型网络结构在大量数据传输时是否存在瓶颈。同时，小张要研究多路复用技术，鉴于地铁不同业务（如列车运行监控、乘客信息服务）的数据传输特点，选择合适的复用技术来优化通信系统。比如，考虑到列车运行监控数据的实时性要求，判断时分多路复用是否能更好地满足需求；对于乘客信息服务中的多媒体数据传输，分析频分多路复用是否能提升传输效率。在日常维护中，若遇到数据传输中断或信号干扰等问题，小张要运用所学知识迅速排查故障，保障地铁通信系统稳定运行，为地铁安全高效运营提供有力支持。数据传输技术知识目标：1.掌握数据传输的基本概念，包括数据传输系统的组成、网络结构分类等。2.理解多路复用技术的定义、常用设备，并熟知频分多路复用、等技术分类及其基本原理。3.了解不同数据传输技术和多路复用技术在实际应用中的特点和场景。数据传输技术技能目标：1.能够根据实际需求，分析并选择合适的数据传输网络结构和通信协议，以确保数据在网络中的正确传输和交换。2.学会运用多路复用技术知识，根据具体场景选择合适的复用技术，如在地铁通信中，依据数据流量、传输距离等因素，判断是采用时分多路复用还是频分多路复用更合适，并能阐述理由。3.能识别和解决数据传输和多路复用过程中的常见问题，例如当多路复用后的数据出现干扰或传输速率不达标时，能够运用所学知识排查原因并提出解决方案。数据传输技术素养目标：1.培养逻辑思维素养，学习数据传输及多路复用技术时，梳理知识逻辑，构建体系，理解两者内在联系。2.树立工程实践素养，制定数据传输与多路复用方案，结合成本、可靠性等因素，平衡技术与成本投入。3.提升创新思维素养，关注技术前沿，思考将新技术用于现有场景，探索在地铁通信中创新应用的可能一、数据传输概述数据传输技术主要用于计算机与计算机或计算机数据库之间、计算机与终端之间、终端与终端之间的信息通信或情报检索。典型的数据传输系统由主计算机(host)或数据终端设备(DTE-dataterminialequipment)、数据电路终端设备及数据传输信道(专线或交换网)组成。数据的传输过程是DTE把人们要传送的文字、图像或语言信息经机电转换、光电转换或声电转换的人机接口变成设备内的电信号，再通过DCE变成适合信道传输的信号送到数据传输信道。接收端的DCE将线终信号还原后输入计算机，最后还原成文字、图像或语言信息。数据终端设备隶属于通信网用来发送或接收数据或收发两用的设备。它的分类，按人机联系方式可分接触(如键盘)、语音或图像终端；按传输方式可分同步、异步终端，并可按传输速率分类。在情报数据传输中，常用的DTE有视觉显示器、电传打字机和传真机。国外还推出智能用户电报终端(TTX-Teletex)。一、数据传输概述1.数据传输网络是由数据终端设备、数据电路终端设备、数据交换设备和传输信道组成的传输系统，以某种拓扑形式通过各种接口电路相互连接而成的一种网络。数据在网络中的传输必须遵循某一共同的通信协议。网络的功能是保证网络内各终端间数据的正确传输和交换。典型的数据传输网络除采用专线组成的专用网外，还采用公共通信网，主要有公众电话交换网(PSTN)和公众数据网(PDN)。国外已在发展综合业务数字网(ISDN)。数据传输网络示意图如图2-8所示。一、数据传输概述一、数据传输概述.网络结构可按几个方面进行分类：按传输距离可分局部网和广域网；按拓扑形式可分总线网、星形网、环形网、树状网和网状网；按交换方式可分信息交换、电路交换和分组交换。通信协议是网络涉及的各通信设备在通信传输中必须共同遵循的一种规程，它的功能是保证数据在传输前最佳路由的选择、信道或链路的建立和建立后信道的同步和维持以及数据在转移过程中格式和顺序的正确、流量的控制、差错的检出和纠正等。不同的通信网络均有各自不同的通信协议，在计算机通信中不同型号的计算机也采用各自的通信协议。同步串行链路协议有:美国IBM的二进制同步通信(BSC)和同步数据链路控制(SDLC)、DEC的数字数据通信电文协议(DDCMP)、UNIVAC公司数据链路控制(UDLC)、BURROUGH公司数据链路控制(BDLC)、美国国家标准ANSI的先进数据通信控制协议(ADCCP)等。异步串行链路协议是一种由起单元、信息单元和止单元组成的起止方式。其中除起单元占1个单元外,信息单元根据不同电码从5单位至8单位而不同,止单元占1或1.5或2个单元可选用。异步方式主要用在终端与计算机或终端与终端之间的通信。同步方式则用在计算机与计算机之间的通信。国际上常用的同步协议有国际标准化组织(ISO)的开放系统互联(OSI)、高级数据链路控制(HDLC)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)的CCITTX.25协议等。一、数据传输概述3.接口电路数据传输网络中的接口电路是指该网上各种硬件设备相互连接的界面，它的功能是完成相互连接设备在通信时要求实现的相互控制、信号转换和阻抗匹配，诸如操作顺序控制、启停控制、电号转换、码型转换、速率转换和规程转换等。典型的电路如DTE与DCE间不同标准的CCITTV.10、V.11、V.24和V.28等。DCE与信道间不同调制速率和调制方法的CCITTV.21、V.22、V.23、V.25、V.26、V.27、V.29、V.32、V.33及X.20、X.21等。二、多路复用技术1.定义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，它可以有效地提高数据链路的利用率，从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务，也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。多路复用技术是为了充分利用传输媒体，人们研究了在一条物理线路上建立多个通信信道的技术。多路复用技术的实质是，将一个区域的多个用户数据通过发送多路复用器进行汇集，然后将汇集后的数据通过一个物理线路进行传送，接收多路复用器再对数据进行分离，分发到多个用户。二、多路复用技术2.常用设备（1）多路复用器多路复用器是一种设备，能接收多个输入信号，按每个输入信号可恢复方式合成单个输出信号。复用器是一种综合系统，通常包含一定数目的数据输入，有一个单独的输出。电子学中，多路复用器（multiplexer或mux）能从多个模拟或数字输入信号中选择某个信号并将其转发，将不同的被选信号输出到同一个输出线路中。常见的多路复用器如图2-9所示。二、多路复用技术二、多路复用技术复用技术可能遵循以下原则之一，如：TDM、FDM、CDM或WDM。复用技术也应用于软件操作上，如：同时将多线程信息流传送到设备或程序中。使用多路复用器的目的是充分利用通信信道的容量，大大降低系统的成本。例如，对于一对电话线来说，它的通信频带一般在100kHz以上，而每一路电话信号的频带一般限制在4kHz以下。此时，信道的容量远大于一路电话的信息传送量。二、多路复用技术采用多路复用器，可使多路数据信息共享一路信道。当复用线路上的数据流连续时，这种共享方式可取得良好效果。显然，这样做比每台终端各用一根通信线路传送也更为经济。多路复用器总是成对使用的。一个连续终端，另一个在主机附近，它的作用是将接收的复合数据流，依照