计算机网络与数据通信基础

第1章计算机网络与数据通信基础教学目标：1.了解计算机网络的形成与发展过程2.掌握计算机网络的定义、分类、功能和典型应用3.掌握计算机网络的组成结构4.了解计算机网络的基本拓扑结构类型5.了解数据通信的传输方式、交换技术、同步技术、差错控制技术等基础知识6.掌握数据传输的类型及相应的编码方法7.了解多路复用技术的分类和适用场合8.掌握网络系统的分层的体系结构和OSI七层参考模型9.了解ARPA的TCP/IP四层模型10.了解网络的3个著名标准化组织教学重点：1.了解计算机网络的基本拓扑结构类型2.了解数据通信的传输方式、交换技术、同步技术、差错控制技术3.掌握数据传输的类型及相应的编码方法4.掌握网络系统的分层的体系结构和OSI七层参考模型教学难点：1.了解数据通信的传输方式、交换技术、同步技术、差错控制技术2.掌握数据传输的类型及相应的编码方法教学方法：多媒体教学系统演示教学教学课时：6课时教学过程：第1章计算机网络与数据通信基础1.1计算机网络概述计算机网络是计算机和通信技术这两大现代技术密切结合的产物。它代表了当代计算机体系结构发展的一个极其重要的方向。第1代计算机网络，在20世纪50年代中期至20世纪60年代末期，计算机技术与通信技术初步结合，形成了计算机网络的雏形。2.初级计算机网络第2代计算机网络又称为计算机-计算机网络。此时的网络首先将一个计算机网络划分为“通信子网”和“资源子网”两大部分。3.开放式的标准化计算机网络第3代，在20世纪70年代初期至90年代中期这个阶段，计算机网络在解决了计算机连网和网络互连标准问题的基础上，提出了开放系统的互连参考模型与协议，促进了符合国际标准化的计算机网络技术的发展。4.新一代的计算机综合性、智能化、宽带高速网络第4代，在20世纪90年代中期至21世纪初期这个阶段，计算机网络与Internet（即因特网）向着全面互连、高速和智能化发展，并得到了广泛的应用。1.1.2计算机网络的定义为了实现计算机之间的通信交往、资源共享和协同工作，利用通信设备和线路将地理位置分散的、各自具备自主功能的一组计算机有机地联系起来，并且由功能完善的网络操作系统和通信协议进行管理的计算机复合系统就是计算机网络。计算机网络涉及以下3个要点：1.自主性2.通信手段有机连接3.网络组建的3个目的1.1.3计算机网络的功能和应用1.计算机网络的功能计算机网络应当具有以下3个基本功能：①计算机之间和计算机用户之间的相互通信交往。②资源共享，包含计算机硬件资源、软件资源和数据与信息资源共享。③计算机之间或计算机用户之间的协同工作。2.计算机网络的典型应用常用的计算机网络应用系统：（1）管理信息系统（managementinformationsystem，MIS）（2）办公自动化（officeautomation，OA）（3）信息检索系统（informationretrievesystem，IRS）（4）电子收款机系统（pointofsells，POS）（5）分布式控制系统（distributedcontrolsystem，DCS）（6）计算机集成与制造系统（computerintegratedmanufacturingsystem，CIMS）（7）电子数据交换系统（electronicdatainterchangesystem，EDI）（8）信息服务系统1.1.4计算机网络的分类按分布距离的长短将计算机网络分为三类。这就是，局域网LAN（LocalAreaNetwork）、城域网MAN（MetropolitanAreaNetwork）和广域网WAN（WideAreaNetwork）。它们所具有的特征参数见表1-1。总的规律是距离越长，速率越低。局域网距离最短，传输速率最高。1.1.5计算机网络组成计算机网络分为数据处理和数据通信两大部分1、计算机资源子网的组成与功能①、资源子网的组成和功能资源子网由拥有资源的主机系统、请求资源的用户终端、终端控制器、通信子网的接口设备、软件资源、硬件共享资源和数据资源等组成。②、资源子网的基本功能：资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络客户提供各种网络资源和网络服务。2.计算机通信子网的组成与功能通信子网的基本功能：通信子网提供网络通信功能，完成全网主机之间的数据传输、交换、控制和变换等通信任务。负责全网的数据传输、转发及通信处理等工作。1.2计算机网络拓扑结构1.2.1计算机网络拓扑的定义在计算机网络设计中，将通信子网中的通信处理机和其他通信设备抽象为与大小和形状无关的“点”，并将连接节点的通信线路抽象为“线”，而将这种点、线连接而成的几何图形称为网络拓扑结构。计算机网络拓扑主要指通信子网的拓扑构型。网络拓扑的用途人们在网络的设计中，第一，必须确定各计算机和其他网络设备在网络中的位置；第二，拓扑结构的造型将直接关系到网络的性能、系统可靠性、通信及投资费用等因素；第三，拓扑结构还是实现各种协议的基础。所以说，网络拓扑结构的设计和选型是计算机网络设计的第一步。1.2.2通信子网信道类型和网络拓扑结构的分类1.通信子网的分类（1）广播式的通信子网（2）点-点式的通信子网1.31.31.31.3数据通信基础知识1.3.1数据通信的基本概念1.信息信息的载体是数字、文字、语音、图形和图像等。2.常用的二进制代码目前最常用的二进制代码标准为美国标准信息交换码ASCII）3.数据和信号网络中传输的二进制代码被统称为数据，它是传递信息的载体。信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式。4.信道及信道的分类（1）信道“信道”是数据信号传输的必经之路，它一般由传输线路和传输设备组成。（2）物理信道和逻辑信道（3）有线信道和无线信道（4）模拟信道和数字信道（5）专用信道和公共交换信道5.码元和码字在数据通信中，时间轴上的一个信号编码单元被称为码元。6.数据包和数据帧在数据传输时，通常将较大的数据块分割成较小的数据段，这些数据段及其附加信息一起形成被称为“数据包”的逻辑数据单位。在实际传输时，还要将数据包进一步分割成更小的逻辑数据单位，这就是“数据帧”。1.3.2通信系统的主要技术指标1.数据传输速率S（比特率）比特率是指在有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位数。2.波形调制速率B（波特率）在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，单位波特。若以T（秒）表示每个波形的持续时间。3.带宽对于模拟信道，带宽是指物理信道的频带宽度，其本来的意思是指信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差,单位为赫兹（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）等。对于数字信道，“带宽”是指在信道上能够传送的数字信号的速率，即数据传输速率S。因此，此时带宽的单位就是比特每秒，通常表示为b/s或bps。4.信道容量信道容量是一个极限参数，它一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。5.带宽、数据传输速率和信道容量的关联由于带宽与数据传输速率这两个术语原来都是用来度量信号实际传输能力的指标。而现在，一个物理信道常常是既可以作为模拟信道又可以作为数字信道，香农的“信道容量”计算公式指出数据的最大传输速率与信道带宽之间存在着明显的关系，所以人们也常用“带宽”来描述网络中信号传输能力。6.误码率Pe（1）误码率Pe的定义误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率，也称“出错率”。（2）误码率的性质、获取与实用意义1.3.3数据传输方式1.串行传输如图a所示2.并行传输如图b所示在实际采用串行传输时，发送端需要使用并/串转换装置，将计算机输出的并行数据位流变为串行数据位流，然后，送到信道上传输。在接收端，则需要通过串/并转换装置将串行数据位流还原成并行数据位流。串行数据通信有以下3种不同方式：单工通信（双线制）半双工通信（双线制+开关）全双工通信（四线制）1.3.4数据传输类型及相应技术我们将“数据通信”定义为：在不同的计算机和数字设备之间传送二进制代码0、1的过程。这些二进制代码表示了各种字母、数字、符号和控制信息。计算机网络中的数据传输系统都是“数据通信”系统。1.3.4.1基带传输与数字信号的编码1.基带、基带信号和基带传输我们把数字信号频谱中，从直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带（或固有频带），简称为“基带”。在线路上直接传输基带信号的方法称为“基带传输”。2.数字基带信号的编码在基带传输中，用不同电压极性或电平值代表数字信号0和1的过程，称为基带信号的编码，其反过程称为解码。在基带传输中，常采用以下3种编码方法：（1）非归零编码1）编码规则非归零编码NRZ（Non-ReturntoZero）。NRZ码规定：用负电压代表“0”，正电压代表“1”。2）NRZ非归零编码的特点与同步信号u优点：是简单、容易实现。u缺点：是接收方和发送方无法保持同步。3）非归零编码的应用（2）曼彻斯特编码1）编码规则u每比特的周期T分为前后两个相等的部分。u前半周期传送该码元值的“反码”，后半周期传送该码元值的“原码”。用负电压代表“0”，正电压代表“1”。u中间的电平跳变，可作为双方的同步信号。如图1-8（b）所示。2）曼彻斯特编码的特点和同步信号曼彻斯特编码的特点如下：优点：是收发信号的双方可以根据自带的“时钟”信号来保持同步，无需专门传递同步信号的线路，因此成本较低。缺点：是效率较低。3）曼彻斯特编码的应用（3）差分曼彻斯特编码1）编码规则u若本码元值为“0”，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。若本码元值为“1”，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同。2）曼彻斯特编码的特点和同步信号u优点：是“自含时钟”和“同步信号”的编码技术、抗干扰性能较好。u缺点：是实现技术复杂。1.3.4.2频带传输与模拟信号的调制1.调制、解调与频带传输在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为“调制”，相应的调制设备称为“调制器”；在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程称为“解调”，相应的设备称为“解调器”。同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器”。2.模拟信号的调制在调制过程中，选用的载波信号可以表示为：振幅A、角频率ω、相位ψ是载波信号的3个可变电参量，当改变这三个参量实现对模拟数据信号编码时，相应的调制方式分别为“幅度调制”、“频率调制”和“相位调制”。（1）幅度调制ASK1）ASK调制规则在幅度调制中，频率和相位都是常数，振幅为变量，即载波的幅度随发送的数字信号的值而变化。（2）频率调制FSK1）FSK调制规则在频率调制中，把振幅和相位定为常量，频率为变量。)sin()()(ψω+=ttAtu（3）相位调制PSKPSK（phase-shiftkeying），相位调制又称为“移相键控”。在相位调制中，把振幅和频率定为常量，初始相位为变量。在二元制情况下，可以分别用不同初始相位的载波信号波形表示二进制数字0和1。相位调制可以分为绝对调相、相对调相和多相调相等。1）PSK绝对调相的调制规则在二元制中，用相位的绝对值表示数字信号0、1，其数学表达式为：3)PSK多相调相在模拟信号的通信系统中，人们经常采用一种多相调制的方法，以便达到提高数据传输速率的目的。与两相调制类似的是，多相调制也有“相对调相”和“绝对调相”两种。1.3.5数据传输中的同步技术同步技术需要解决的主要问题如下：1.何时开始发送数据？2.发送过程中双方的数据传输速率是否一致？3.持续时间的长短是多少？4.发送时间间隔的大小是多少？1.3.5.1异步传输方式1.什么是异步传输方式？如图所示，其中的DCE表示数据通信设备。2.异步传输的工作特点异步传输是指发送信息的一端可以在任何时刻向信道发送信息，而不管接收方是否准备好。u各个位以串行方式发送，附有“起止位”作为识别符。字符之间通过“空号”来分割。3.异步传输的应用特点优点：设备简单，技术容易，费用低。缺点：开销大，浪费了传输时间。4.异步传输的应用场合异步传输适用于低速（如10-1500字符/每秒）的通信场合。1.3.5.2同步传输方式1.什么是同步传