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No text of specified style in document.第1章 計算機網絡概論大綱要求：l 數據通信基礎知識，包括數據信號、信道的基本概念，數據通信模型的構成，數據傳輸基礎，數據編碼的分類和基本原理，多路復用技術的基本原理和應用以及數據交換技術的基本原理和性能特點。l 計算機網絡基礎知識，包括計算機網絡的概念、分類和構成，協議的概念，開放系統互連參考模型的結構及各層的功能，TCP/IP協議的概念及IP數據報的格式、IP地址、子網掩碼和域名，雙絞線、同軸電纜、光纖和無線傳輸媒介的性能特點，中繼器、網橋、路由器、網關、集線器、交換機等網絡設備的主要功能與特點，PSTN、X.25、DDN、幀中繼、ATM、xDSL、HFC、Cable Modem。1.1 數據通信基礎1.1.1 考點輔導1.1.1.1 數據通信基本概念數據通信是指在兩點或多點之間通過通信系統以某種數據形式進行信息交換的過程，可以把信息從某一處安全可靠地傳送到另一處。它是依照一定的通信協議，利用數據傳輸技術在兩個終端之間傳遞數據信息的一種通信方式和通信業務，它可實現計算機和計算機、計算機和終端以及終端和終端之間數據信息的傳遞。1. 數據信號數據可分為模擬數據與數字數據兩種。在通信系統中，表示模擬數據的信號稱作模擬信號，表示數字數據的信號稱作數字信號，二者可以相互轉化。模擬信號在時間和幅度取值上都是連續的，其電平隨時間連續變化，如圖1.1(a)所示。例如，語音是典型的模擬信號，其他由模擬傳感器接收到的信號如溫度、壓力、流量等也是模擬信號。數字信號在時間上是離散的，在幅值上是經過量化的，它一般是由二進制代碼0、1組成的數字序列，如圖1.1(b)所示。例如，計算機中傳送的是典型的數字信號。1 0 1 1 0 0 1 (a) 模擬信號 (b) 數字信號圖1.1 模擬信號和數字信號傳統的電話通信信道是傳輸音頻的模擬信道，無法直接傳輸計算機中的數字信號。為了利用現有的模擬線路傳輸數字信號，必須將數字信號轉化為模擬信號，將這一過程稱作調制(Modulation)。在另一端，接收到的模擬信號要還原成數字信號，這個過程稱作解調(Demodulation)。通常由于數據的傳輸是雙向的，因此，每端都需要調制和解調，這種設備稱作調制解調器(Modem)。模擬信號的數字化需要三個步驟：采樣、量化和編碼。采樣是指用每隔一定時間的信號樣值序列來代替原來在時間上連續的信號，也就是在時間上將模擬信號離散化。量化是用有限個幅度值近似原來連續變化的幅度值，把模擬信號的連續幅度變為有限數量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規律，把量化后的值用二進制數字表示，然后轉換成二值或多值的數字信號流，這樣得到的數字信號可以通過電纜、光纖、微波干線、衛星通道等數字線路傳輸，在接收端則與上述模擬信號數字化過程相反，經過濾波又恢復成原來的模擬信號。上述數字化的過程又稱為脈沖編碼調制。2. 信道信息傳輸的必經之路稱為“信道”。信道包括有線信道和無線信道。信道可以分為物理信道和邏輯信道。物理信道是指用于發送信號或數據的物理通路，由傳輸介質及有關設備組成。邏輯信道是指在物理信道的基礎上，由節點內部或節點之間建立的連接來實現的通路。傳輸信道還可以從不同角度進行分類，如有模擬信道與數字信道之分，有專用線路和交換網線路之分，有有線信道和無線信道之分，有頻分信道和時分信道之分等。3. 數據通信模型數據通信模型由3部分組成，即數據終端設備(Data Terminal Equipment，DTE)、計算機系統和數據電路。數據終端設備通過數據電路與計算機系統相連。數據電路由傳輸信道和數據電路終接設備(Data Circuit Terminating Equipment，DCTE)組成。通信模型主要由信息源(信源)、信息傳輸媒體(信道)和信宿組成。在數據通信系統中信源與信宿均由數據終端設備和通信控制器組成，數據終端設備與計算機系統相連；信道由通信信道和數據通信設備(Data Communication Equipment，DCE)組成，如圖1.2所示。圖1.2 數據通信模型如果傳輸信道是模擬信道，DCTE的作用就是把DTE送來的數字信號變換為模擬信號再通過信道送往DTE，或者反過來，把信道送來的模擬信號變換成數字信號再通過信道送往DTE。如果信道是數字的，DCTE的作用就是實現信號碼型與電平的轉換、信道特性的均衡、收發時鐘的形成與供給以及線路接續控制等。4. 數據通信方式根據數據電路的傳輸能力，數據通信可以有單工、半雙工和全雙工3種通信方式。(1)單工通信數據只能沿一個固定方向傳輸，即傳輸是單向的。(2)半雙工通信允許數據在兩個方向上進行傳輸，但兩個方向的傳輸不能同時進行，即在某一時刻信息只能在一個方向上傳輸。 (3)全雙工通信允許數據在兩個方向上同時進行傳輸。這是計算機通信常用的方式，可大大提高數據傳輸效率。全雙工通信是兩個單工通信方式的結合，它要求發送設備和接收設備都有獨立接收和發送的能力。1.1.1.2 數據傳輸基礎1. 數據傳輸方式按照不同的標準劃分，數據的傳輸方式可以分為并行與串行、異步與同步等。1)并行傳輸與串行傳輸并行傳輸指的是數據以并行方式在多條并行信道上同時進行傳輸。常用的就是將構成一個字符代碼的幾位二進制碼，分別在幾個并行信道上進行傳輸。例如，采用8單位代碼的字符，可以用8個信道并行傳輸。一次傳送一個字符，因此收、發雙方不存在字符的同步問題，不需要另加“起”、“止”信號或其他同步信號來實現收、發雙方的字符同步，這是并行傳輸的一個主要優點。但是，并行傳輸必須有并行信道，這往往帶來了設備上或實施條件上的限制，因此，實際應用受限。串行傳輸指的是數據流以串行方式，在一條信道上傳輸。一個字符的8個二進制代碼，由高位到低位順序排列，再接下一個字符的8位二進制碼，這樣串接起來形成串行數據流傳輸。串行傳輸只需要一條傳輸信道，易于實現，是目前主要采用的一種傳輸方式。但是串行傳輸存在一個收、發雙方如何保持碼組或字符同步的問題，這個問題不解決，接收方就不能從接收到的數據流中正確地區分出一個個字符來，因而傳輸將失去意義。如何解決碼組或字符的同步問題，目前有兩種不同的解決辦法，即異步傳輸方式和同步傳輸方式。2)異步傳輸與同步傳輸異步傳輸一般以字符為單位，不論所采用的字符代碼長度為多少位，在發送每個字符代碼時，字符代碼前面均加上一個“起”信號(其長度規定為1個碼元，極性為0，即空號的極性)；字符代碼后面均加上一個“止”信號(其長度為1個或2個碼元，極性皆為1，即與信號極性相同)。加上起、止信號的作用就是為了能區分串行傳輸的字符，也就是實現串行傳輸收、發雙方碼組或字符的同步。例如，用異步方式傳送一個字符R(編碼為1010010)的字碼結構如圖1.3所示。當不發送數據時，發送端連續地發送停止碼1，接收端一旦發現有從1到0的跳變，便知有新的字符開始發送。接收端利用這個電平從高到低的跳變，啟動定時機構按發送的速度順序接收字符，一個字符發送結束后，發送端即發送停止碼元，接收端一旦收到停止位，就將定時機構復位，準備接收下一個字符代碼。采用異步方式，每個字符都帶有開始和停止的同步信息，開銷大，效率低，速度慢，控制簡單，如果有錯，只需重發一個字符，常用于低速傳輸。同步傳輸是以同步的時鐘節拍來發送數據信號的，因此在一個串行的數據流中，各信號碼元之間的相對位置都是固定的(即同步的)。接收端為了從收到的數據流中正確地區分出一個個信號碼元，必須首先建立準確的時鐘信號。數據的發送一般以組(或稱幀)為單位，一組數據包含多個字符。收發之間的幀同步是通過傳輸特定的傳輸控制字符或同步序列來完成的，如圖1.4所示。圖1.3 異步傳輸圖1.4 同步傳輸同步傳輸開銷小，效率高，多用于字符信息塊的高速傳送。缺點是線路控制較復雜，如果數據中有一位錯，就必須重新傳輸整個數據。2. 數據傳輸形式按照傳輸技術的不同，數據傳輸形式可以分為基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸三種形式。1)基帶傳輸基帶是指電信號所固有的基本頻帶。數字信號的基本頻帶是從零至若干兆赫，主要由傳輸速率決定。在數字傳輸中，不經頻譜搬移直接傳送基帶信號時稱為基帶傳輸，這種數據傳輸系統就稱為基帶傳輸系統。2)頻帶傳輸所謂頻帶傳輸，就是把二進制信號經調制解調器調制交換成能在公用電話網中傳輸的音頻信號，將音頻信號在傳輸介質中傳送到接收端后，再由調制解調器將該音頻信號解調變換成原來的二進制電信號。這種頻帶傳輸不僅克服了目前許多長途電話線路不能直接傳輸基帶信號的缺點，而且能夠實現多路復用，從而提高了通信線路的利用率。3)寬帶傳輸將信道分成多個子信道，分別傳送音頻、視頻和數字信號，稱為寬帶傳輸。一般來說，寬帶傳輸與基帶傳輸相比具有以下優點。l 能在一個信道中傳輸聲音、圖像和數據信息，使系統具有多種用途。l 一條寬帶信道能劃分為多條邏輯基帶信道，實現多路復用，因此信道的容量大大增加。l 寬帶傳輸的距離比基帶遠，因基帶直接傳送數字信號，傳輸的速率愈高，傳輸的距離愈短。3. 數據傳輸速率數據傳輸速率主要涉及比特率、信道帶寬、波特率、尼奎斯特定理、香農定理、誤碼率等。1)比特率比特率指單位時間內所傳送的二進制碼元(碼元是對于網絡中傳送的二進制數字中每一位的通稱，也常稱作“位”或比特(bit)的有效位數，以每秒多少比特數計，即b/s(或bps)。計算公式：S=1/Tlog2N式中：T為一個數字脈沖信號的寬度或重復周期，單位為秒；N為一個碼元所取的離散值個數。通常N=2K，K為二進制信息的位數，K=log2N。N=2時，S=1/T，表示數據傳輸速率等于碼元脈沖的重復頻率。2)信道帶寬信道帶寬W=f2-f1，其中f1是信道能通過的最低頻率，f2是信道能通過的最高頻率，兩者都是由信道的物理特性決定的。為了使信號傳輸中的失真小些，信道要有足夠的帶寬。3)波特率波特率是指單位時間內傳輸的碼元位數，以波特為單位，即Baud，通常用于表示調制解調器之間傳輸信號的速率。這里碼元可以是二進制的，也可以是多進制的。計算公式：B=1/T式中：T為信號碼元的寬度，單位為秒。比特率和波特率的關系如下面公式所示：S=Blog2N或B=S/log2N4)尼奎斯特定理1924年，亨利尼奎斯特(Harry Nyquist)就推導出了有限帶寬無噪聲信道的極限波特率，稱為尼奎斯特(Nyquist)定理(也譯作奈奎斯特定理)。若信道帶寬為W，則最大碼元速率為：B=2W(Baud)尼奎斯特定理指定的信道容量也叫做尼奎斯特極限，這是由信道的物理特性決定的。超過尼奎斯特極限傳送脈沖信號是不可能的，所以要進一步提高波特率必須改善信道帶寬。 碼元攜帶的信息量由碼元取的離散值個數決定。一個碼元攜帶的信息量n(比特)與碼元的種類數N有如下關系：n=log2N即若碼元取兩個離散值，則一個碼元攜帶1比特信息；若碼元取4種離散值，則一個碼元攜帶2比特信息。在一定的波特率下提高速率的途徑是用一個碼元表示更多的比特數。如果把2比特編碼為一個碼元，則數據速率可成倍提高，即R=B log2N=2 Wlog2N (bps)式中：R表示數據速率，單位是位每秒(bit per second)，簡寫為bps或b/s。5)香農定理尼奎斯特定理是在無噪聲的理想情況下的極限值。實際信道會受到各種噪聲的干擾，因而遠遠達不到按尼奎斯特定理計算出的數據傳送速率。香農的研究表明，有噪聲信道的極限數據速率為C=W log2 (1+S/N)這個公式叫做香農(Shannon)定理，式中W為信道帶寬，S為信號的平均功率，N為噪聲平均功率，S/N叫做信噪比。由于在實際使用中S與N的比值太大，故常取其分貝數(dB)。分貝與信噪比的關系為dB=10 lgS/N例如當S/N=1000時，信噪比為30dB。這個公式與信號取的離散值個數無關，也就是說無論用什么方式調制，只要給定了信噪比，則單位時間內最大的信息傳輸量就確定了。例如，信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則最大數據速率為C=3000 log2(1+1000)30009.9730 000 bps這是極限值，只有理論上的意義。實際上在3000Hz帶寬的電話線上數據速率能達到9600bps就很不錯了。6)誤碼率誤碼率指信息傳輸的錯誤率，即已接收信息中錯誤比特數占總傳輸比特數的比例。它是衡量數據通信系統在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標。在計算機網絡中，一般要求誤碼率低于10-6。若誤碼率達不到這個指標，可通過差錯控制方法檢錯和糾錯。誤碼率公式為Pe=Ne/N式中：Ne為其中出錯的位數；N為傳輸的數據總數。1.1.1.3 數據編碼通信信道有兩種類型模擬信道和數字信道。計算機數據在不同的信道中傳輸，要采用不同的編碼方式。1. 數字數據的模擬信號編碼將計算機中的數字數據變換成網絡中的模擬信號，必須要進行調制，即進行頻譜變換。模擬信號傳輸的基礎是載波，載波具有三大要素：幅度、頻率和相位。數字數據可以針對載波的不同要素或它們的組合進行調制。將數字數據調制為模擬信號的基本方式有三種：調幅、調頻和調相，如圖1.5所示。1)調幅調幅(Amplitude Modulation，AM)即載波的振幅隨著基帶數字信號而變化，又稱幅移鍵控(ASK)。在調幅(幅移鍵控)方式中，用載波的兩個不同振幅來表示兩個二進制值。例如，用振幅恒定的載波的存在表示一個二進制數字1，載波不存在表示一個二進制數字0，如圖1.5(b)所示。其特點是實現容易，抗干擾能力差。2)調頻調頻(Frequency Modulation，FM)即載波的頻率隨著基帶數字信號而變化，又稱頻移鍵控(FSK)。例如，用頻率f1表示一個二進制數字1，頻率f2表示一個二進制數字0，如圖1.5(c)所示。其特點是實現容易，抗干擾能力強。3)調相調相(Phase Modulation，PM)即載波的初始相位隨著基帶數字信號而變化，又稱相移鍵控(PSK)。在調相方式(相移鍵控)中，數字0和1的載波起始相位不同。例如，可以用=0代表0，=180代表1，如圖1.5(d)所示，這種方法稱為兩相調制；如果以為0、90、180、270，分別表示二進制數00、01、10、11，這種方法稱為四相調制。每個調制時間間隔包含兩個比特的信息，因此，使信息傳輸速率增加一倍。其特點是實現復雜，抗干擾能力強。圖1.5 數字數據調制方式由PSK和ASK結合的相位幅度調制(PAM)，是解決相移數已達到上限但還要提高傳輸速率的有效方法。相位幅度調制，即采用相位調制和幅度調制結合的方法來提高傳輸速率(不提高調制速率)。它采用16個不同的相位和幅度電平，可以使1200b/s的Modem傳送19 200b/s的數據信號。2. 數字數據編碼在數字信道中傳輸計算機數據時，要對計算機中的數字信號重新編碼并進行基帶傳輸。對于數字信號來說，最常用的方法是用不同的電壓電平來表示兩個二進制數字，即數字信號由矩形脈沖組成。在基帶傳輸中，數字信號的編碼方式有不歸零編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼，如圖1.6所示。1)不歸零編碼不歸零編碼(Non-Return-Zero，NRZ)，用低電平表示二進制0，用高電平表示二進制1。不歸零編碼有單極型不歸零編碼和雙極型不歸零編碼兩種。單極型不歸零編碼，無電壓表示0，恒定正電壓表示1，每個碼元時間的中間點是采樣時間，判決門限為半幅電平，如圖1.6(a)所示。雙極型不歸零編碼，1碼和0碼都有電壓，1為正電壓，0為負電壓，正負電壓的幅度相等，判決門限為零電平，如圖1.6(b)所示。2)曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼(Manchester Encoding)，用電平的跳變表示二進制，電平由從高到低的跳變表示二進制1，從低到高的跳變表示二進制0，如圖1.6(c)所示。3)差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼(Differential Manchester Encoding)，每比特的開始無跳變表示二進制1，有跳變表示二進制0，如圖1.6(d)所示。圖1.6 常用編碼方案兩種曼徹斯特編碼的最大優點是將時鐘和數據包含在信號數據流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起送給對方，所以這種編碼也稱為自同步碼。但缺點也很明顯，那就是編碼效率低。例如，要傳送10Mb/s的數據，需要20MHz的脈沖。曼徹斯特編碼常用在以太網中，而差分曼徹斯特編碼常用在令牌環網中。3. 模擬數據的數字信號編碼將模擬數據編碼為數字信號的最常見方法是脈沖編碼調制，簡稱脈碼調制(Pulse Code Modulation，PCM)。脈碼調制是以采樣定理為基礎的。從數學上說明采樣定理：若對連續變化的模擬信號進行周期性采樣，只要采樣頻率等于或大于有效信號最高頻率的兩倍，則采樣信息包含原信號的全部信息。再利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構造出原始信號。采樣定理表達公式：Fs2Fmax或Fs2Bs式中：Fs(即1/Ts)為采樣頻率；Fmax為原始信號的最高頻率；Bs(=Fmax-Fmin)為原始信號的帶寬。PCM編碼過程包括采樣、量化和編碼3個步驟，如圖1.7所示。1)采樣每隔一定的時間對連續模擬信號進行采樣，得到的信號就成為一組“離散”的脈沖信號序列，這種方式稱為脈沖幅值調制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)。圖1.7 PCM原理2)量化量化是一個分級過程，把采樣所得到的PAM脈沖按量級比較，并且“取整”，這樣脈沖序列就成為數字信號了。3)編碼表示采樣序列量化后的量化幅度，它用一定位數的二進制碼表示。如果有N個量化級，那么，就應當有log2N位二進制數碼。例如，聲音數據頻率一般在4000Hz以下，那么只要每秒8000次的采樣就可以完整地表示聲音信號的特征。目前，在語音數字化脈沖調制系統中，通常分為128個量級，即用7位二進制數碼表示。PCM編碼的數據率為80007=56kb/s。1.1.1.4 多路復用技術多路復用技術是把許多單個信號在一個信道上同時傳輸的技術。其主要目的是為了有效地利用帶寬。多路復用通常分為頻分多路復用、時分多路復用、波分多路復用、碼分多址復用和空分多址復用等技術。1. 頻分多路復用頻分多路復用(Frequency Division Multiplexing，FDM)是將可用的傳輸頻率范圍分為多個較細的頻帶，每個細分的頻帶作為一個獨立的信道分別分配給用戶形成數據傳輸子通路，如圖1.8(a)所示。頻分復用的特點是：每個用戶終端的數據通過專門分配給它的子通路傳輸，在用戶沒有數據傳輸時，別的用戶也不能使用，如圖1.8(b)所示。頻分多路復用適用于模擬信號的頻分傳輸，主要用于電話和有線電視(CATV)系統，在數據通信系統中應和調制解調技術結合使用。為了防止干擾，各信道之間由保護頻帶隔離開，保護頻帶是頻譜中不使用的部分。ADSL采用的就是頻分多路復用技術。圖1.8 頻分多路復用技術2. 時分多路復用時分多路復用(Time Division Multiplexing，TDM)是以信道傳輸時間為分割對象，通過為多個信道分配互相不重疊的時間片的方法來實現多路復用。時分多路復用將用于傳輸的時間劃分為若干個時間片，每個用戶分得一個時間片，如圖1.9所示。時分多路復用又分為同步時分復用(STDM)和異步時分復用(ATDM)。圖1.9 時分多路復用技術1)同步時分復用同步時分復用是固定分配信道，在通信信道上形成一種時間上的邏輯子信道的通信媒體共享方式。同步時分復用的特點是：對信道進行固定的時隙分配，也就是將一幀中的各時隙以固定的方式分配給各路數字信號。在STDM方式中，時隙是預先分配給各終端的，而且是固定的。不論終端是否有數據要發送，都要占用一個時隙，而實際上不是所有終端在每個時隙都有數據輸出，所以，同步時分復用的時隙利用率較低。2)異步時分復用異步時分復用是只有當某一路用戶有數據要發送時才把時隙分配給它。當用戶暫時停止發送數據時，不給它分配線路資源，線路的傳輸能力可用于為其他用戶傳輸更多的數據。這種根據用戶實際需要分配線路資源的方法也稱為統計時分復用或智能時分復用。ATDM的每個用戶的數據傳輸速率可以高于平均速率，最高可達到線路總的傳輸能力。在ATDM中，由于數據不是以固定順序出現，所以接收端不知道應該將哪一個時隙內的數據送到哪一個用戶。為了解決這個問題，ATDM在發送數據中加入了用戶識別標記，以便使接收端的多路復用器按標記發送數據。異步時分復用克服了同步時分復用浪費時隙的缺點，能動態地按需分配時隙，避免出現空閑時隙。3. 波分多路復用波分多路復用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)就是在同一根光纖內傳輸多路不同波長的光信號，以提高單根光纖的傳輸能力。4. 碼分多址復用碼分多址復用(Code Division Multiple Access，CDMA)是采用地址碼、時間和頻率共同區分信道的方式。其特征是每個用戶具有特定的地址碼，而地址碼之間具有正交性，從而提高了資源的利用率。5. 空分多址復用空分多址復用(Space Division Multiple Access，SDMA)是將空間分割構成不同的信道，從而實現頻率的重復使用，以達到信道增容的目的。1.1.1.5 數據交換技術數據交換技術主要包括電路交換、報文交換、分組交換和信元交換。1. 電路交換當用戶要發送信息時，由源交換機根據信息要到達的目的地址，把線路連接到目的交換機，這個過程稱為線路接續。線路接續是由所謂的聯絡信號經存儲轉發方式完成的，即根據用戶號碼或地址，經局間中繼線傳送給被叫交換機并轉被叫用戶。線路接通后，就形成了一條端對端的信息通路，在這條通路上雙方即可進行通信。通信完畢后，由通信雙方的某一方，向自己所屬的交換機發出撤銷線路的請求，交換機收到此信號后就將此線路撤銷，以供別的用戶呼叫時使用。電路交換工作過程如圖1.10所示。圖1.10 電路交換由于電路交換的接續路徑是采用物理連接的，在傳輸電路接續后，控制電路就與信息傳輸無關，所以電路交換方式的主要優點是：數據傳輸可靠、迅速，不丟失且保持原來的序列。缺點是在有的環境下，電路空閑時的信道容量被浪費，而且數據傳輸階段的持續時間不長的話，電路建立和拆除所用的時間也得不償失。因此它適合于系統間要求高質量的大量數據傳輸的情況，其計費方法一般按照預定的帶寬、距離和時間來計算。目前電路交換方式的數據通信網是利用現有電話網實現的，所以數據終端的接續控制等信號要做到與電話網兼容。2. 報文交換報文交換采用了存儲轉發的交換方式，其基本原理是用戶之間進行數據傳輸時，主叫用戶不需要先建立呼叫，而是先進入本地交換機存儲器，等到連接該交換機的中繼線空閑時，再根據確定的路由轉發到目的交換機，如圖1.11所示。由于每份報文的頭部都含有被尋址用戶的完整地址，所以每條路由不是固定分配給某一個用戶，而是由多個用戶進行統計復用。這種方法比起電路交換來有許多優點，如下所示。(1)線路效率較高。這是因為許多報文可以分時共享一條節點的通道。對于同樣的通信容量來說，需要較少的傳輸能力。(2)不需要同時使用發送器和接收器來傳輸數據，網絡可以在接收器可用之前，暫時存儲這個報文。(3)在電路交換網絡上，當通信量變得很大時，就不能接收某些呼叫，而在報文交換網絡上，卻仍然可以接收報文，但傳送延遲會增加。(4)報文交換系統可以把一個報文發送到多個目的地，而電路交換網絡很難做到這一點。報文交換的主要缺點是，它不能滿足實時或交互式的通信要求，經過網絡的延遲相當長，而且有相當大的變化。因此，這種方式不能用于聲音連接，也不適合于交互式終端到計算機的連接。有時節點收到過多的數據而不得不丟棄報文，并阻止了其他報文的傳送，而且發出的報文不按順序到達目的地。另外，報文交換中，若報文較長，需要較大容量的存儲器，若將報文放到外存儲器中去時，會造成響應時間過長，增加了網絡延遲時間。圖1.11 報文交換3. 分組交換分組交換也稱為包交換，它也采用存儲轉發的交換方式，其工作原理是首先把來自用戶的信息電文暫存于存儲裝置中，并劃分為多個一定長度的分組，每個分組前邊都加上固定格式的分組標題，用于指明該分組的發端地址、收端地址及分組序號等。以報文分組作為存儲轉發的單位，由于以報文分組作為存儲轉發的單位，因而分組在各交換節點之間傳送比較靈活，交換節點不必等待整個報文的其他分組到齊，一個分組一個分組地轉發。這樣可以大大壓縮節點所需的存儲容量，也縮短了網絡延時。另外，較短的報文分組比較長的報文可大大減少差錯的產生，提高了傳輸的可靠性。分組交換適用于交互式通信，如終端與主機通信，它是計算機網絡中使用最廣泛的一種交換技術。分組交換目前通常有兩種方法：數據報(Datagram)方式和虛電路(Virtual Circuit)方式。1)數據報方式在數據報分組交換中，每個分組的傳送是被單獨處理的。每個分組稱為一個數據報，每個數據報自身攜帶足夠的地址信息。一個節點收到一個數據報后，根據數據報中的地址信息和節點所儲存的路由信息，找出一個合適的路由，把數據報按原樣發送到下一節點。由于各數據報所走的路徑不一定相同，因此不能保證各個數據報按順序到達目的地，有的數據報甚至會在中途丟失。以數據報方式進行傳送的整個過程中，不需要建立虛電路，但要為每個數據報做路由選擇，如圖1.12所示。圖1.12 分組交換的數據報方法2)虛電路方式在虛電路分組交換中，為了進行數據傳輸，網絡的源節點和目的節點之間要先建一條邏輯通路。每個分組除了包含數據之外，還包含一個虛電路標識符。在預先建立好的路徑上的每個節點都知道把這些分組引導到哪里去，不需要進行路由選擇。通信完畢后，由某一個站提交清除請求來結束這次連接。它之所以是“虛”的，是因為這條電路不是專用的，如圖1.13所示。圖1.13 分組交換的虛電路方法虛電路分組交換的主要特點是：在數據傳送之前必須通過虛呼叫設置一條虛電路，但不像電路交換那樣有一條專用通路。分組在每個節點上仍然需要緩沖，接著在線路上進行排隊，等待輸出。在分組交換方式中，由于能夠以分組方式進行數據的暫存交換，經交換機處理后，很容易地實現不同速率、不同規程的終端間通信。分組交換主要具有以下特點。(1)線路利用率高。分組交換以虛電路的形式進行信道的多路復用，實現資源共享，可在一條物理線路上提供多條邏輯信道，極大地提高了線路的利用率。(2)不同種類的終端可以相互通信。數據以分組為單位在網絡內存儲轉發，使不同速率終端、不同協議的設備經網絡提供的協議變換功能后實現互相通信。(3)信息傳輸可靠性高。每個分組在網絡中進行傳輸時，在節點交換機之間采用差錯校驗與重發的功能，因而在網絡中傳送的誤碼率大大降低。而且當網絡內發生故障時，網絡中的路由機制會使分組自動地選擇一條新的路由以避開故障點，不會造成通信中斷。(4)分組多路通信。由于每個分組都包含有控制信息，所以分組型終端可以同時與多個用戶終端進行通信，可把同一信息發送到不同用戶。4. 信元交換信元交換又稱為異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode，ATM)，它是在分組交換的基礎上發展起來的一種傳輸模式，結合了電路交換和分組交換的優點，是一種面向連接的快速分組交換技術。在這一模式中，信息被組織成信元。因為包含來自某用戶信息的各個信元不需要周期性出現(這是ATM區別于其他傳輸模式的一個基本特征)，所以把這種傳輸模式稱為異步傳輸。這里的“異步”不是指數字通信過程中的不同步，而是指不需要對發送方的信號按一定的步調(同步)進行發送。ATM信元是固定長度的分組，并使用空閑信元來填充信道，從而使信道被分為等長的時間小段。每個信元共有53個字節，分為兩個部分。前面5個字節為信頭，主要完成尋址功能；后面48個字節為信息段，用來裝載來自不同用戶、不同業務的信息。話音、數據、圖像等所有的數字信息都要經過切割，封裝成統一格式的信元后在網絡中傳遞，最后在接收端恢復成所需格式。信元交換的主要特點是：該技術簡化了交換過程，去除了不必要的數據校驗，采用了易于處理的固定信元格式，從而使傳輸時延減小，交換速率大大高于傳統的數據網，適用于高速數據交換業務。5. 電路交換、報文交換和分組交換的比較電路交換、報文交換和分組交換三種數據交換技術的總結如下。(1)電路交換：在數據傳送之前需要建立一條物理通路，在線路被釋放之前，該通路將一直被一對用戶完全占有，適用于連續傳送大量數據，如圖1.14(a)所示。(2)報文交換：報文從發送方傳送到接收方采用存儲轉發的方式。在傳送報文時，只占用一段通路；在交換節點中需要緩沖存儲，報文需要排隊。因此，這種方式不能滿足實時通信的要求，如圖1.14(b)所示。(3)分組交換：此方式與報文交換類似，但報文被分成組傳送，并規定了分組的最大長度，到達目的地后需將分組重新組裝成報文。這是網絡中采用最廣泛的一種交換技術，如圖1.14(c)所示。三種數據交換方式各有其特點，對于實時性強的交互式傳輸，電路交換最合適，不宜用報文交換；對于網絡中較輕的或間歇式負載，報文交換較合適；對于中等或稍重的負載，分組交換有較好的效果。圖1.14 三種交換方式的比較1.1.2 典型例題分析例1 在兩地之間通過衛星信道發送數據包，傳播延遲是270ms，數據速率是50kb/s，數據長度是3000b，從開始發送到接收完成需要的時間是 (19) 。(2009年11月真題19)A50ms B330ms C500ms D600ms分析：總時間=數據傳輸時間+傳輸延遲=(3 / 50) 1000 + 270 = 330。答案：B例2 設信道帶寬為3000Hz，信噪比為30dB，則可達到的最大數據速率約為 (20) 。(2009年11月真題20)A30b/s B300b/s C3kb/s D30kb/s分析：由香農公式可知，在有噪聲的情況下可達到的最大數據率為C=Wlog2(1+S/N)，其中W是信道帶寬，S為信號的平均功率，N為噪聲平均功率，S/N叫做信噪比。由于在實際使用中S與N的比值太大，故常取其分貝數(dB)。分貝與信噪比的關系為dB=10 log10S/N。題中信噪比為30dB，則S/N為1000。分別將W和S/N代入香農公式，可得C=3000 log2(1+1000)30009.9730 000 bps=30kb/s。答案：D例3 語音信道帶寬為4000Hz，調制為4種碼元，根據奈奎斯特定理，信道波特率為 (22) ，數據速率為 (23) 。(2009年5月真題22、23)(22) A4kBaud B8kBaud C16kBaud D32kBaud(23) A4kb/s B16kb/s C32kb/s D64kb/s分析：若信道帶寬為W，則奈奎斯特定理指出，最大波特率(碼元速率)為B=2W(Baud)。由題目知，語音信道帶寬為4000Hz，則波特率為B=24k=8kBaud。設碼元的種類數為N，則數據速率R=Blog2N=8klog24=16kb/s。答案：(22)B(23)B例4 空分多址技術將空間分割成不同的信道，從而實現頻率重復使用。在下列通信實例中，使用空分多址技術的是 (24) 。(2009年5月真題24)A有線電話 B衛星通道 C局域網通信 D有線電視廣播分析：空分多址技術將空間分割成不同的信道，從而實現頻率重復使用，達到信道增容的目的。空分多址技術用于無線通信領域。有線電視廣播采用的是頻分多路復用技術。而通過有線電話使用ADSL上網，利用的仍然是頻分多路復用技術。局域網通信則可以采用多種方式。答案：B例5 信元交換是ATM通信中使用的交換方式，下面有關信元交換的敘述中，錯誤的是 (33) 。(2009年5月真題33)A信元交換是一種無連接的通信方式B信元交換采用固定長度的數據包作為交換的基本單位C信元交換可以采用硬件電路進行數據轉發D信元交換是一種采用統計時分多路復用技術進行數據傳輸的方式分析：信元交換又叫異步傳輸模式(ATM)，是一種面向連接的快速分組交換技術，它是通過建立虛電路來進行數據傳輸的。ATM作為B-ISDN的核心技術，特別適合高帶寬和低時延應用。ATM技術的重要特征有信元傳輸、面向連接、統計時分多路復用和服務質量。ATM的基本傳輸單位是信元，信元是具有固定長度的分組。ATM提供的服務是面向連接的，通過虛電路傳送數據。ATM采用統計時分多路復用方式將來自不同信息源的信元匯集到一起，采用統計時分多路復用方式有很大的靈活性。答案：A例6 通過CATV電纜聯網，采用的傳輸技術是 (19) 技術。(2008年11月真題19)A時分多路復用 B頻分多路復用C碼分多路復用 D空分多路復用分析：CATV(有線電視網)采用電纜調制解調技術，這是一種頻分多路復用技術，它將同軸電纜的整個頻段劃分為3個部分，分別用于數字信號的上傳、下載和電視節目下傳。數字信號上傳使用的頻帶為542MHz，電視節目下載使用的頻帶為50550MHz，數字信號下載使用的頻帶為550750MHz。答案：B例7 語音信道的頻率范圍為3003400Hz，如果采用PCM編碼技術，則采樣頻率必須大于 (22) 。(2008年11月真題22)A300Hz B3400Hz C4000Hz D6800Hz分析：根據尼奎斯特定理，如果采樣頻率大于模擬信號最高頻率的2倍，則可以用得到的樣本空間恢復原來的模擬信號。在題目中，最大的頻率為3400Hz，則采樣頻率必須大于6800Hz。答案：D例8 設信道帶寬為4000Hz，兩側為256種不同的碼元，根據Nyquist定理，理想信道的數據頻率為 (23) 。(2008年11月真題23)A3kb/s B16kb/s C32kb/s D64kb/s分析：信道每一側有256種碼元，由數據傳輸速率C和碼元速率B的關系為可知，理想信道的數據頻率為24000log2256=240008=64000b/s=64kb/s。答案：D例9 在異步通信中，每個字符包括1位起始位、7位數據位、1位奇偶校驗位和2位終止位，每秒鐘傳送100個字符，則數據速率為 (24) 。(2008年11月真題24 )A500b/s B700b/s C1000b/s D1100b/s分析：數據速率是指每秒鐘能傳輸的二進制數據位數。由題意知，每秒可以傳送100個字符，而每個字符包括11位，則每秒傳送11100=1100位。因此數據傳輸速率為1100b/s。答案：D例10 如圖1.15所示(此處所加的圖號是為了使全書體例一致而加的，可能與真題中的表述不完全一致，但不影響讀者學習。以后不再一一說明)的兩種編碼方案分別是 (19) 。(2008年5月真題19)圖1.15 兩種編碼方案示意圖A曼徹斯特編碼，雙相碼BRZ編碼，曼徹斯特編碼CNRZ-I編碼，差分曼徹斯特編碼D極性碼，雙極性碼分析：不歸零(NRZ)用低電平表示二進制0，用高電平表示二進制1，每個比特的中間沒有跳變。但NRZ編碼不能使收發雙方保持同步。NRZ-I編碼是一種改進的編碼，每個0比特的前沿沒有電平跳變，每個1比特的前沿有電平跳變，如圖1.15中的所示。曼徹斯特編碼中每個比特的中間都有一個跳變，電平從低到高的跳變表示二進制0，電平從高到低的跳變表示二進制1。差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進，每比特的值根據其開始邊界是否發生跳變來決定。每比特的開始無跳變表示二進制1，有跳變表示二進制0，如圖1.15中的所示。答案：C例11 假設模擬信號的最高頻率為10MHz，采樣頻率必須大于 (22) ，得到的樣本信號才能不失真。(2008年5月真題22)A5MHz B10MHz C15MHz D20MHz分析：根據尼奎斯特采樣定理，要想恢復原來的模擬信號，采樣頻率必須大于模擬信號最高頻率的兩倍。題目中模擬信號的最高頻率為10MHz時，則采樣頻率必須大于20MHz。答案：D例12 非對稱數字用戶線(ADSL)采用的多路復用技術是 (23) 。(2008年5月真題23)AFDM BWDM CTDM DCDM 分析：頻分多路復用將信號劃分成若干通道，每個通道互補重疊，獨立進行數據傳遞。ADSL采用頻分多路復用方法，在PSTN使用的雙絞線上劃分出3個頻段：04kHz用來傳送傳統的語音信號；2050kHz用來傳送計算機上傳的數據信息；150500kHz或1401100kHz用來傳送從服務器上下載的信息。答案：A例13 設信道帶寬為4000Hz，調制為4種不同的碼元，根據Nyquist定理，理想信道的數據速率為 (24) 。(2008年5月真題24)A4kb/s B8kb/s C16kb/s D24kb/s分析：根據Nyquist定理，最大碼元速率(波特率)為B=2W(Baud)，一個碼元攜帶的信息量n(比特)與碼元的種類數N有如下關系：n=log2N。數據速率R的計算公式為R=B log2N=2W log2N=24000log24=80002 b/s=16kb/s。答案：C 例14 如圖1.16所示的4種編碼方式中，屬于不歸零編碼的是 (19) 。(2007年11月真題19)圖1.16 4種編碼方式示意圖分析：不歸零碼用低電平表示二進制0，用高電平表示二進制1，圖中A是不歸零碼，B是差分曼徹斯特編碼，D是曼徹斯特編碼。答案：A例15 T1載波采用 (21) 技術將 (22) 路話音信道復用在一條通信線路上。(2007年11月真題21、22)(21)A時分多路復用B空分多路復用 C頻分多路復用D碼分多址(22)A12B24C32D64分析：T1載波是目前應用最為廣泛的時分多路復用。T1載波將24路音頻信道復用在一條通信線路上，每路音頻信號到達多路復用器之前，要經過一個脈沖調制編碼器進行取樣編碼。每一路輪流將一個字節插入到幀中，每個字節的長度為8位，用7位表示語音編碼，外加一位用于信道控制。答案：(21)A (22)B 例16 以下關于曼徹斯特編碼的描述中，錯誤的是 (19) 。(2007年5月真題19)A無須另外傳輸同步信號B每個比特都由兩個碼元組成C用電平跳變來區分0和1D用電平的高低來區分0和1分析：曼徹斯特編碼不用電平的高低，而是采用電平的跳變來表示二進制1和0。曼徹斯特編碼用高電平到低電平的跳變表示數據0，用低電平到高電平的跳變表示數據1。答案：D例17 (21) 采用不同頻率的信號在同一信道上傳輸數據。(2007年5月真題21)A空分多路復用 B時分多路復用C頻分多路復用 D碼分多址分析：頻分多路復用是在一條傳輸介質上使用多個不同頻率的模擬載波信號進行多路傳輸，各個載波是完全獨立的，每個子信道所占用的頻帶互不重疊。時分多路復用將用于傳輸的時間劃分為若干個時間片，通過為多個信道分配互不重疊的時間片的方法實現多路復用。空分多路復用是在同一根光纖內傳輸多路不同波長的光信號，其原理與頻分多路復用有相似之處。碼分多址采用地址碼、時間、頻率共同區分信道的方式。答案：C例18 下面關于曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的描述中，正確的是 (19) 。(2006年11月真題19)A曼徹斯特編碼以電平的高低區分1和0B差分曼徹斯特編碼以比特前沿是否有電平跳變來區分1和0C曼徹斯特編碼需要附加外同步信息D在同樣波特頻率的情況下，差分曼徹斯特編碼的數據速率比曼徹斯特編碼高分析：曼徹斯特編碼用電平的跳變表示二進制數，從高電平到低電平的跳變表示1，從低電平到高電平的跳變表示0；差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進，每比特的值根據開始邊界是否發生跳變來決定，無跳變表示二進制1，有跳變表示0。曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的每一比特中都有電平跳變，電平跳變用于比特同步，因而不需要附加外同步信息。在同樣波特率的情況下，兩種編碼的數據速率是相同的。答案：B例19 下面關于信元交換(Cell Switch)的描述中，不正確的是 (20) 。(2006年11月真題20)A信元的大小為固定長度B信元交換采用了統計時分復用的傳輸方式C信元交換時實時性比較