第七章通信与网络技术

第七章通信与网络技术【本章内容】7.1通信与网络技术的历史回顾7.2数据通信的基本原理7.3计算机网络7.4计算机局域网7.5Inernet基础7.6Internet的接入方式7.1通信与网络技术的历史回顾通信技术的发展(自学)无线与有线通信技术的发展（包括电报、电话、广播、电视等）卫星通信技术的发展计算机数据网络技术的发展(自学)包交换技术的发展ARPA网——Internet的前身7.2数据通信的基本原理1、通信系统模型信源：数据通信中产生或发送数据的一端信宿：数据通信中接受数据的一端信道（传输介质）：如双绞线、光纤等发送方通信信道编码/调制接收方解码/解调2、基带传输与频带传输基带描述的是信息可以以数字形式在单一信道中传输的通信系统，而这样的信道占有传输媒介的整个带宽。基带系统中的每个设备都共享相同的信道。基带传输占用的频率范围为信道提供的全部带宽。基带系统也可以以半双工方式支持双向信号流。频带（宽带）是指某种传输媒介的宽频带特性及其同时传输多种信号和业务的能力。传输媒介的带宽分割为多个子信道，每个子信道都可以独立地传输一路信号。宽带系统必须为数据的发送和接收提供独立的线路。3、数字通信系统中带宽的概念早期的电子通信系统都是模拟系统。带宽就是媒体能够传输的信号最高频率和最低频率的差值。数字通信系统中“带宽”的含义完全不同于模拟系统，它通常是指数字系统中数据的传输速率。数据传输速率是衡量系统传输数据能力的主要指标，数据传输率是指单位时间内传送的信息量，即每秒钟传送的二进制位比特数，单位为每秒位，记作bps或b/s。4、数字通信系统的性能指标与计算1）有效性指标①码元传输速率：即码元速率，表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。单位：波特。②信息传输速率：即比特率，表示信源在单位时间内传递的平均信息量。单位：bps或b/s。sbitsTxHR/)()(1BaudTRBB信息速率和码元速率之间的关系，其中N表示每个符号可能有N种状态③平均信息速率：若每秒输出n个信号，每个信号的平均信息量为H(x)，则平均信息速率为：或者，若已知码元传输速率RB，则平均信息速率)/(log2sbNRRB)/)((sbXHRRB)/)((sbxHnR2）可靠性①误码率（码元差错率）②误信率（信息差错率）传输的总码元数错误的码元数eP传输的总比特数错误的比特数bP例7-1：已知容量为4.7GB的DVD盘可存储133分钟的视频数据，试计算该数字信号的数据传输率。例7-2：若数字传输系统中传送二进制码元速率为2400B，求传送十六进制码元的信息速率。MbpssbitsR82.460133827.430bpsR960016log24002例7-3：设一信息源的输出由128个符号构成，其中16个出现的概率为1/32,其余112个出现的概率为1/224,信息源每秒发出1000个符号，每个符号彼此独立，计算信息源的平均信息速率。bpsppnXnHRniii6405log)(15、信道容量1）奈奎斯特定理奈奎斯特定理阐述了带宽与系统每秒能传输的最大位数之间的基本关系。它对数据传输的最大速率给出了一个理论上的上限。最大数据传输速率C=2Blog2N(bps)C：最大数据传输率，B：是信道带宽，N：传输系统采用N种电压。注意：奈奎斯特定理没有考虑信道中噪声的干扰。2）香农定理：最大数据传输速率C=Wlog2（1＋S/N）(bps)C：用每秒位数表示的线路容量的实际限制值，W：信道带宽，S：平均信号强度，N：平均噪声强度。S/N（信噪比）的单位分贝（dB），定义为：10log10S/N例如S/N（信噪比）100，等于20dB例7-5：电话信道信噪比30dB，带宽为3.4KHz，计算最高信息传输率。信噪比为30dB，即S/N=1000根据香农公式：bpsNSWC42104.3)/1(log例7-6：一帧电视信号由300000个像素构成，每个像素有10个亮度信号，每个亮度信号等概率出现，每秒发送30帧图像，信道的信噪比为1000，计算传输信号的最小带宽。根据香农公式，信号传输率≤信道容量CbpsR62109.2910log30000030MHzNSCW02.3)10001(log109.29)/1(log2626、通信系统中信道差错控制方法1）前向纠错方式（FEC）2）检错重发方式（ARQ）3）混合纠错方式（HEC）7、多路复用技术多路复用是指将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将各路信号分离出来，多路复用可以极大地提高通信线路的利用率。1）频分多路复用（FDM）在一条通信线路设计多路通信信道；每路信道的信号以不同的载波频率进行调制；各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。2）时分多路复用（TDM）时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；每个用户分得一个时间片；在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。3）波分多路复用（WDM）光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM;4）码分多路访问（CDMA）以不同频率，不同码址来区分同时通信的不同用户的无线通信技术。7.3计算机网络计算机网络是指把若干地理位置不同，且具有独立功能的计算机，用通信线路和通信设备互相连接起来，在网络软件的支持下实现彼此之间的数据通信和资源共享的系统。1、网络的形成于发展第一阶段：远程终端联机阶段第二阶段：计算机网络阶段第三阶段：计算机网络互联阶段第四阶段：信息高速公路阶段2、网络的功能（1）数据通信（2）资源共享（3）提高计算机的可靠性和可用性（4）分布式处理3、网络的基本组成计算机网络基本上都是分组交换网，分组交换网是由资源子网和通信子网构成：资源子网—负责数据处理的主计算机、终端、I/O设备、各种软件资源和数据库等组成；通信子网—负责数据通信处理的通信控制处理机与通信线路。计算机网络由通信子网和资源子网组成4、计算机网络的分类按通信的距离进行分类，分为以下三类：局域网（localareanetwork，LAN）城域网（metropolitanareanetwork，MAN）广域网（wideareanetwork，WAN）按网络拓扑结构划分为：星型网、总线型网、环型网和网状网等；按信号频带的占用方式划分为：基带网和宽带网等等。5、传输介质有线传输介质同轴电缆双绞线光纤无线传输介质无线电波微波红外线激光卫星1)有线传输介质①有单模和多模之分；②细软，极宽的频带，传输率高(可达数千Mbps)，传输距离长(2公里以上)，不受电磁干扰或噪声影响；但价格昂贵。①分为基带同轴电缆(阻抗50Ω)和宽带同轴电缆(阻抗70Ω)；②粗硬，频带宽，传输率较高，传输距离较长，抗干扰性较强；但布线困难，价格比双绞线贵。光纤双绞线同轴电缆①有非屏蔽(UTP)和屏蔽(STP)两种；②细，传输率较低，传输距离较短，易受干扰(尤其是UTP)；但价格便宜，布线简单，性价比最好。2)无线传输介质特点使用电磁波无需物理连接适用于长距离6、网络通信协议网络协议是为网络数据交换而制定的规则、约定与标准；网络协议的三要素：语义、语法与定时；网络参考模型OSI：1983年ISO的OSI(OpenSystemInterconnection)模型正式成为国际标准，它定义了不同结构网络互联的标准框架。OSI七层协议1.物理层（ThePhysicalLayer）在物理线路上传输原始的二进制数据位（基本网络硬件）。2.数据链路层（TheDataLinkLayer）在有差错的物理线路上提供无差错的数据传输（Frame）。3.网络层（TheNetworkLayer）控制通信子网提供源点到目的点的数据传送（Packet）。4.运输层（TheTransportLayer）为用户提供端到端的数据传送服务。5.会话层（TheSessionLayer）为用户提供会话控制服务。6.表示层（ThePresentationLayer）为用户提供数据转换和表示服务。7.应用层（TheApplicationLayer）OSI参考模型及协议7.4计算机局域网局域网是在较小的地理区域内，利用通信线路将众多的计算机或数据终端设备连接起来的通信网络。1、计算机局域网有以下特点:以微机为主要建网对象；较小的地理覆盖范围；具有较高的带宽，一般为10～1000Mbps;拓扑结构简单；传输速率高，误码少。2、计算机网络的拓扑结构计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。拓扑结构主要有：总线结构、星型结构、环型结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构等。总线结构优点：结构简单，成本较低，可扩充性好，结点间响应速度快，使用的电缆少，采用广播式通信；缺点：总线长度不能太长，分支节点故障查找难，容易出现冲突（指两个结点同时发送数据）。星型结构优点：控制简单，网络故障易于发现；缺点：成本高、可靠性差、需要较多通信电缆。环型结构优点：通信线路短，增加和减少结点时仅需简单连接；缺点：数据传输速率较慢，可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪，对分支节点故障定位较难。3、局域网的工作模式客户机/服务器模式（C/S）——基于服务器的网络。浏览器/服务器模式（B/S）B/S模式应用系统由浏览器（Browser）和服务器（Web服务器／数据库服务器／中间件等）组成。以B/S模式开发的系统维护工作集中在服务器上，客户端不用维护，操作风格比较一致。对等（PeertoPeer）模式4、局域网的硬件组成网络服务器网络工作站网络接口卡（网卡）通信介质（双绞线等）补充：每条双绞线的两端都安装有水晶头（RJ45接口），通过水晶头将双绞线插入到网卡的端口中网卡端口水晶头同理，同轴电缆有BNC、AUI连接器接口，光纤有光纤接口5、局域网互联技术网络互联设备包括中继器、集线器、网桥、交换机和路由器。1）中继器：延伸网络的距离，对弱信号予以再生放大，工作于物理层。2）集线器（Hub）主要是对电信号进行放大整形、延伸网络覆盖范围，工作于数据链路层。3）网桥能够互连两个采用不同数据链路层协议、不同传输介质与不同传输速率的网络，网桥以存储转发的方式实现互连的网络之间的通信。4）交换机也是一种在数据链路层实现互联的存储转发设备。交换机——硬件设备网桥——软件实现与网桥相比，交换机具有转发延迟较小，拥有更多的端口等特点。交换机/网桥的工作过程共享式局域网与交换式局域网的比较：交换机把局域网分成了若干分段，是解决总线型局域网冲突问题的有效方法。VLAN（虚拟局域网）是网络设备（如交换机）上连接的不受物理位置限制的用户的一个逻辑组。5）路由器多端口设备，可以连接不同传输速率并运行于各种环境的局域网和广域网，也可以采用不同的协议，工作在网络层。6）网关（多协议路由器）通过相应的软件和硬件实现不同网络协议之间的转换功能。硬件提供不同网络的接口；软件实现不同互联网协议之间的转换功能，工作在传输层以上。7.5Internet基础我国从1994年4月起正式加入Internet，开通了Internet的全功能服务。1、Internet的通信协议——TCP/IP协议TCP/IP协议是一组通信协议的代名词，是由一系列协议组成的协议族；其中包括第三层IP（因特网际协议）和第四层TCP（传输控制协议），也包括一些应用层协议电子邮件、、文件传输等。TCP/IP分层模型与OSI参考模型的对应关系：2、IP地址与域名IP地址：每个使用TCP/IP协议组的节点有自己32比特的单一逻辑地址。节点包括每台机器和路由器接口。IP地址必须是唯一的。IP地址的结构：一个IP地址用0～