计算机网络技术教程第2章

一、学习任务分析在计算机网络的普及应用和飞速发展的今天，人们的生活、工作、学习都离不开计算机网络。但是，计算机网络是由通信子网和资源子网两部分组成，通信子网既通信系统对于人类来说是须臾不可缺少的工具。人们在实现计算机网络带来极大的便利的同时，人们应用更多的是通信子网，全靠通信子网的支持才实现了网上各种服务。随着通信技术的发展，各种灵活方便通信手段的实现，使得人们在计算机网络上传输信息已近乎随心所欲，不再感到距离限制，使得整个社会变得越来越紧凑。通信子网可以成为整个社会的高级神经中枢，那么，对于网络技术和通信系统的融合，就是现在我们需要解决的主要问题。因而，对于通信系统是值得人们了解和知道的，特别是计算机网络技术不可缺少的基本知识和理论。所谓的通信系统就是实现数据传输所需的一切技术和设备，数据通信技术是网络技术发展的基础。计算机间的通信是实现资源共享的基础，计算机通信网络的核心是数据通信设施。网络中的信息交换和共享意味着一个计算机系统中的信号通过网络传输到另一个计算机系统中处理或使用。如何进行计算机系统中的信号传输，这是数据通信技术要解决的问题。二、学习任务分解本模块将对数据通信的基本概念、系统组成、技术指标、数据编码技术、数据传输技术、数据交换技术、多路复用技术、差错控制技术进行系统分析。为以后学习网络技术奠定基础。1）掌握数据通信的基本概念2）掌握数据通信系统主要技术指标3）掌握基带传输的基本概念4）掌握多路复用的分类与特点5）掌握数据交换技术的类型和原理6）掌握差错控制方法任务一、数据通信系统数据通信(DataCommunication)系统就是指以计算机为核心，用通信线路连接分布在各地的数据终端设备而完成数据通信功能的复合系统。重点介绍数据通信的基础知识，为计算机网络和网络工程设计相关课程的学习和实践打好基础。数据基本概念通信的目的是交换信息。信息的载体可以是多媒体，包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等。计算机的终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字或括号用二进制代码表示。美国信息交换标准代码(ASCII)目前已经被ISO与CCITT采纳并发展为国际通用的信息交换用标准代码。信号是数据的表示形式。数据以信号形式在信道上传输。信号也有模拟信号和数字信号两种形式。模拟信号是指时间上和空间上连续变化的信号；数字信号是指一系列在时间上离散的信号。基本概念信号与通信信号：以时间为自变量，以表示消息(或数据)的某个参量(振幅、频率或相位)为因变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号模拟信号：信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的；但其因变量一定是连续的数字信号：表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号通信：将表示消息的信号从发送方(信源)传递到接收方(信宿)。既然信号可分为模拟信号和数字信号，与之相对应的，通信也可分为模拟通信和数字通信ƒ(t)nTx(nT)10011011a)模拟信号b)数字信号基本概念模拟通信利用模拟信号来传递消息普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信信源调制器信道解调器信宿噪声源信道：用来传输表示消息的电信号的介质或通路。它可以是双绞线、同轴电缆、光缆、微波以及卫星链路等噪声源：包括了影响该系统的所有噪声，如脉冲噪声(工业噪声等)和随机噪声(信道噪声、发送设备噪声、接收设备噪声等)基本概念数字通信利用数字信号来传递消息计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信信源信源编码器信道编码器调制器信道信道译码器信源译码器信宿解调器噪声源发送端时钟接收端时钟A/D检错纠错编码信源、信宿和信道信源与信宿：通常将数据的发送方称为信源，而将数据的接收方称为信宿。信源和信宿一般是计算机或其它一些数据终端设备。信道：在信源和信宿之间所建立的用于传送信号的物理通道，被称为物理信道，简称信道。按传输介质的类型来划分，信道被分为有线信道和无线信道；按信道中所传输的信号类型来划分，信道可被分为模拟信道和数字信道。基本概念数字通信抗干扰能力强可实现高质量的远距离通信能适应各种通信业务，各种消息（电报、电话、图像和数据等）都可以被变换为统一的二进制数字信号进行传输能实现高保密通信通信设备的集成化和微型化数字通信的最大缺点是占用的频带宽。以电话为例，一路模拟电话占用4KHz信道带宽，而一路数字电话所需要的数据传输率是64Kbps，所需占用的带宽要远远大于4KHz数据通信基础理论信号的频谱与带宽信号具有时域和频域两种最基本的表现形式和特性时域特性反映信号随时间变化的情况。信号的时域特性表示出信号随时间变化的情况。如正弦信号就可以表示为：f(t)=ASin(2лft+θ)其中：A：振幅f：频率θ：初始相位幅度、频率以及相位是周期信号f(t)的3个重要特性信号的频谱与带宽傅立叶变换：任何一个周期为T的函数f(t)都是由无穷多个正弦函数和余弦函数合成：其中：数据通信基础理论信号的频谱与带宽频谱：f(t)各次谐波的振幅An按照频率高低依次排列起来所形成的谱状图形绝对带宽：信号频谱所覆盖的频率范围有效带宽(简称带宽)：信号的大部分能量都集中在一个较小的范围之内，这段频带称为带宽信号的带宽越大，利用这种信号传送数据的速率就越高，要求传输介质的带宽也越大常见信号的频谱和带宽：声音信号的频谱大致在20Hz～2000kHz的范围(低于20Hz的信号为次声波，高于2000KHz的信号为超声波)，但用一个窄得多的带宽就能产生可接受话音的重现，因而话音信号的标准频谱为300Hz～3400Hz，其带宽为3kHz。电视信号的频谱为0～4MHz，因此其带宽为4MHz数据通信基础理论信道的截止频率与带宽没有任何信道能毫无损耗地通过所有频率分量所有的传输信道和设备对不同的频率分量的衰减程度是不同的截止频率反映了传输介质本身所固有的物理特性通常情况是频率为0到fc赫兹范围内的谐波在信道传输过程中不发生衰减(或其衰减是一个非常小的常量)，而在此fc频率之上的所有谐波在传输过程中衰减很大截止频率：信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的0.707(即输出信号的功率降低了一半)时所对应的那个频率称为信道的截止频率(cut-offfrequency)数据通信基础理论信道的截止频率与带宽在线路中可安装滤波器以限制每个用户使用的带宽截止频率：fc带宽：f2-f1fa)单通滤波器b)双通滤波器ffcf1f20.7070.707AA时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+排队时延+发送时延+传播时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/sd:距离，s:介质中信号传播速度(≈0.7c)时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽×传播时延例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。信道带宽传播时延管道体积=时延带宽乘积数据通信基础理论信道最大数据传输率数据传输率：单位时间内能传输的二进制位数Nyquist(1924)定理：对于无噪声的理想信道，任意连续信号f(t)通过一个带宽为H的信道后，其输出信号为一个带宽为H的时间连续信号g(t)如果要输出数字信号，还必须以一定的速率对g(t)进行等间隔的抽样。抽样速度高于每秒2H次是无意义的，因为信号中高于信道带宽H以外的高频分量已被信道衰减掉。如果g(t)由L个离散化的电平组成，即每次抽样的可能结果为L个离散化电平之一，则该信道的最大的数据传输率C为：C=2H×log2L(比特/秒)例如，一个无噪声带宽为3000Hz的信道不能传送速率超过6000比特/秒的二进制数字信号调制速率：调制速率又称波特速率，也就是信号经调制后的传输速率亦即每秒内调制信号波的变换次数，单位为波特。若一个单位调制信波的长度为T秒，则调制速率为：B＝1／T（秒）（波特）数据信号速率：表示每秒能传输的代码位数，即数据信息的比特数，单位为bit／秒（记作bps）。其定义为：S＝1／Tlog2N（bit/s）式中T是脉冲宽度，N为调制信号波的状态数，即一个脉冲所表示的有效状态，亦即调制电平数，其值为2的整数倍。二进制（N=2）信号级下，波特速率=比特数率数据传输速率：单位时间内传送的数据量。数据量单位可以是比特、字符、码组等，时间单位可以是秒、分、时等，通常以字/分为单位。当数据单位为比特，时间单位为秒时，数据传输速率即是数据信号速率。正因为如此，将数据信号速率就称为数据传输速率。其基本度量单位为比特每秒（bitpersecond，简写为bps），当数据传输速率较大时，可以采用Kbps、Mbps和Gbps来描述。单位时间内传送的信息量。用三种速率来表示传输速率：数据通信系统在一次通信中，产生和发送信息的一端叫信源，接受信息的一端叫信宿。信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。用通信的术语来说，通信线路称为信道，所以信源和信宿之间的信息交换是通过信道进行的。数据传输系统性能指标1.2.1信道带宽和信道容量1.2.2信道时延1.2.3误码率信道带宽和信道容量信道带宽或信道容量是描述信道的主要指标之一，由信道的物理特性所决定。通信系统中传输信息的信道具有一定的频率范围(即频带宽度，单位是赫兹)，称为信道宽度。信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，它表征信道的传输能力。信道带宽和信道容量一般情况下，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息量就越多，则信道容量就越大，传输效率也就越高。香农(Shannon)定理给出了信道带宽与信道容量之间的关系式中，C为信道容量，W为信道宽度，N为噪声功率，S为信号功率。当噪声功率趋于0时，信道容量趋于无穷大，即无干扰的信道容量为无穷大，信道传输的信息多少完全由带宽决定。此时，信道中每秒所能传输的最大比特数由奈奎斯特(Nyquist)准则决定NSWC1log2LWR2maxlog2数据通信基础理论信道最大数据传输率Shannon定理：对于有噪声的信道，带宽为H(Hz)，信噪比为S/N的信道，其最大数据传输率C为：C=H×log2(1+S/N)(比特/秒)其中，