計算機網絡技術及實訓張蒲生主編中國水利水電出版社計算機網絡技術及實訓張蒲生主編1第1章計算機網絡與通信基礎

1.1計算機網絡概述

1.2計算機網絡的功能、分類與應用

1.3計算機網絡的組成與拓撲結構1.4計算機數據通信基礎2第1章計算機網絡與通信基礎1.1計算機網絡概述1.21.1計算機網絡概述1.1.1計算機網絡的發展1.1.2計算機網絡的定義31.1計算機網絡概述1.1.1計算機網絡的發展331.1.1計算機網絡的發展1.發展的四個階段⑴第一階段20世紀50年代，人們開始將彼此獨立發展的計算機技術與通信技術結合起來，完成了數據通信技術與計算通信網絡的研究，為計算機網絡的產生做好了技術準備，并奠定了理論基礎。⑵第二階段從20世紀60年代美國的APPANET與分組交換技術開始。⑶第三個階段大致從20世紀70年代中期開始。⑷第四階段從20世紀90年代開始。下一代互聯網(Internet2)正在向我們走來，Internet2比現在的Internet先進的多，速度要快一百到一千倍，它能使醫療、音樂和娛樂在線互動化，它或許會改變我們的生活方式。41.1.1計算機網絡的發展1.發展的四個階段441.1.1計算機網絡的發展2.發展的三個時期追溯計算機網絡的發展歷史，它的形成可概括為面向終端的計算機網絡，計算機-計算機網絡和開放式標準化網絡三個時期。⑴面向終端的計算機網絡⑵計算機-計算機網絡⑶開放標準化網絡51.1.1計算機網絡的發展2.發展的三個時期551.1.2計算機網絡的定義1.計算機網絡定義的基本內容由資源共享觀點出發將計算機網絡定義為“以能夠相互共享資源的方式互連起來的自治計算機系統的集合”。資源共享觀點的定義符合目前計算機網絡的基本特征，其主要表現在：⑴計算機網絡建立的主要目的是實現計算機資源的共享。⑵互連的計算機是分布在不同地理位置的多臺獨立的“自治計算機”。⑶聯網計算機必須遵循全網統一的網絡協議。61.1.2計算機網絡的定義1.計算機網絡定義的基本內容661.1.2計算機網絡的定義2.計算機網絡與分布式系統的區別計算機網絡中“存在著一個能為用戶自動管理資源的網絡操作系統，由它調用完成用戶任務所需要的資源，而整個網絡像一個大的計算機系統一樣對用戶是透明的。”分布式系統一般具有以下特征：⑴系統擁有多種通用的邏輯資源，可以動態地給它們分配任務。⑵系統中分散的物理和邏輯資源通過計算機網絡實現信息交換。⑶系統存在一個以全局方式管理系統資源的分布式操作系統。⑷系統中聯網各計算機既合作又自治。⑸系統內部結構對用戶是完全透明的71.1.2計算機網絡的定義2.計算機網絡與分布式系統的區71.2計算機網絡的功能、分類與應用1.2.1計算機網絡的功能1.2.2計算機網絡的分類1.2.3計算機網絡的應用81.2計算機網絡的功能、分類與應用1.2.1計算機網絡的81.2.1計算機網絡的功能1.資源共享計算機資源主要指計算機硬件資源、軟件資源和數據資源，所以計算機網絡中的資源共享包括硬件資源共享、軟件資源共享和數據資源共享。2.通信功能用戶可以通過計算機網絡傳送電子郵件、發布新聞消息和進行電子商務活動。3.提高系統的可靠性在計算機網絡中，各臺計算機可彼此互為后備機，每一種資源都可以在兩臺或多臺計算機上進行備份。這樣當某臺計算機、某個部件或某個程序出現故障時，其任務就可以由其他計算機或其他備份的資源所代替，避免了系統癱瘓，提高了系統的可靠性。91.2.1計算機網絡的功能1.資源共享991.2.1計算機網絡的功能4.網絡分布式處理與均衡負載所謂網絡分布式處理，是指把同一任務分配到網絡中地理上分布的結點機上協同完成。通常，對于復雜的、綜合性的大型任務，可以采用合適的算法，將任務分散到網絡中不同的計算機上去執行。另一方面，當網絡中某臺計算機、某個部件或某個程序負擔過重時，通過網絡操作系統的合理調度，可將其任務的一部分轉交給其他較為空閑的計算機或資源去完成。5.分散數據的綜合處理網絡系統還可以有效地將分散在網絡各計算機中的數據資料信息收集起來，從而達到對分散的數據資料進行綜合分析處理，并把正確的分析結果反饋給各相關用戶的目的。101.2.1計算機網絡的功能4.網絡分布式處理與均衡負載1101.2.2計算機網絡的分類1.按照網絡的分布范圍不同進行分類按地理分布范圍分類，計算機網絡可以分為廣域網、局域網和城域網三種。⑴廣域網，其分布范圍可達數百至數千公里，可覆蓋一個國家或一個洲。⑵局域網，是將小區域內的各種通信設備互連在一起的網絡，其分布范圍局限在一幢大樓或一個校園內，大約在幾百米到幾公里的范圍，主要用于連接個人計算機、工作站和各種外圍設備以實現資源共享和信息交換。其傳輸速率比較高，通常在10Mbps以上。⑶城域網，其分布范圍介于局域網和廣域網之間，目的在大都市較大的地理區域內提供數據、聲音和圖像的傳輸。111.2.2計算機網絡的分類1.按照網絡的分布范圍不同進行111.2.2計算機網絡的分類2.按照網絡的交換方式不同進行分類⑴電路交換方式。它類似于傳統電話交換方式，用戶在開始通信前，必須申請建立一條從發送端到接收端的物理信道，而且在雙方通信期間始終占用該信道。⑵報文交換方式。其數據單元是要發送的一個完整報文，報文長度無限制。報文交換采用存儲-轉發原理，這好像古代的郵政通信那樣，郵件由途中的驛站逐個存儲和轉發。報文中含有目的地址，每個中間節點要為途經的報文選擇適當的路徑，使其能最終到達目的端。⑶分組交換方式。通信前，發送端將數據劃分為一個個等長的單位(即分組)，這些分組逐個由各中間節點采用存儲-轉發方式進行傳輸，最終到達目的端。121.2.2計算機網絡的分類2.按照網絡的交換方式不同進行121.2.3計算機網絡的應用計算機網絡在資源共享和信息交換方面所具有的功能，是其他系統不能替代的。它所具有的高可靠性、高性能價格比和易擴充性等優點，使得它在工業、農業、交通運輸、郵電通信、文化教育、商業、國防以及科學研究等各個領域、各個行業獲得了越來越廣泛的應用。辦公自動化電子數據交換遠程交換遠程教育電子銀行電子公告板電子郵件系統POS系統校園網聯機事務處理企業網絡智能大廈和結構化綜合布線系統131.2.3計算機網絡的應用計算機網絡在資源共享和信息交換方131.3計算機網絡的組成與拓撲結構1.3.1資源子網的概念1.3.2通信子網的概念1.3.3計算機網絡的拓撲結構141.3計算機網絡的組成與拓撲結構1.3.1資源子網的概念141.3.1資源子網的概念資源子網由主計算機系統、終端、終端控制器、聯網外設、各種軟件資源與信息資源組成。資源子網負責處理全網的數據處理業務，向網絡用戶提供各種網絡資源與網絡服務。151.3.1資源子網的概念資源子網由主計算機系統、終端、終端151.3.1資源子網的概念1.主機系統主計算機系統簡稱主機(Host)，它可以是大型機、中型機、小型機、工作站或微機。2.終端終端是用戶訪問網絡的界面。終端可以是簡單的輸入、輸出終端，也可以是帶有微處理的智能終端。智能終端除具有輸入、輸出信息的功能外，本身還具有存儲與處理信息的能力。終端可以通過主機連入網內，也可以通過終端控制器、報文分組組裝與拆裝裝置可通過處理機連入網內。161.3.1資源子網的概念1.主機系統16161.3.2通信子網的概念通信子網由通信控制處理機、通信線路與其他通信設備組成，完成網絡數據傳輸、轉發等通信處理任務1.通信控制處理機通信控制處理機在網絡拓撲結構中被稱為網絡節點。它一方面作為與資源子網的主機、終端連接的接口，將主機和終端連入網內；另一方面它又作為通信子網中的分組存儲轉發節點，完成分組的接收、校驗、存儲和轉發等功能，實現將原主機報文準確發送到目的主機的作用。2.通信線路通信線路為通信控制處理機與通信控制處理機、通信控制處理機與主機之間提供通信信道。計算機網絡采用多種通信線路，例如，電話線、雙絞線、同軸電纜、光纜、光纖、無線通信信道、微波與衛星通信信道等。171.3.2通信子網的概念通信子網由通信控制處理機、通信線路171.3.3計算機網絡的拓撲結構1.計算機網絡拓撲定義計算機網絡設計的第一步就是要解決在給定計算機的位置，并保證一定的網絡響應時間，吞吐量和可靠性的條件下，通過選擇適當的線路、線路容量與連接方式，使整個網絡結構合理與成本低廉。計算機網絡拓撲是通過網中節點或節點與通信線路之間的幾何關系表示網絡結構，反映同網絡中各實體的結構關系。181.3.3計算機網絡的拓撲結構1.計算機網絡拓撲定義18181.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類計算機網絡中常見的拓撲結構主要有：星形、總線形、環形、樹形、混合形及網形拓撲。⑴總線型拓撲結構191.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類1191.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑵環形拓撲結構201.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2201.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑶星形拓撲結構211.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2211.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑷網狀拓撲結構221.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2221.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑸樹形拓撲結構231.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2231.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑹混合拓撲結構241.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2241.3.3計算機網絡的拓撲結構3.計算機網絡拓撲結構的選擇不管是局域網或廣域網，其拓撲的選擇，需要考慮諸多因素：⑴網絡既要易于安裝，又要易于擴展。⑵網絡的可靠性是考慮選擇的重要因素。要易于故障診斷和隔離，以使網絡的主體在局部發生故障時仍能正常運行。⑶網絡拓撲的選擇還會影響傳輸媒體的選擇和媒體訪問控制方法的確定，這些因素又會影響各個站點的運行速度和網絡軟、硬件接口的復雜性251.3.3計算機網絡的拓撲結構3.計算機網絡拓撲結構的選251.4計算機數據通信基礎1.4.1數據通信的基本概念1.4.2數據傳輸方式1.4.3數據編碼技術和時鐘同步1.4.4數據交換技術1.4.5多路復用技術1.4.6差錯控制方法261.4計算機數據通信基礎1.4.1數據通信的基本概念2626

1.4.1數據通信的基本概念1.信號、數據與信息數據是對某一客觀現象的物理度量。信號是與實際對應的、以電磁形式表示的連續或者離散數據。信息應當是從一批數據中分析、統計得出的有用數據。27

1.4.1數據通信的基本概念1.信號、數據與信息27271.4.1數據通信的基本概念2.模擬數據通信和數字數據通信與連續數據對應變化的信號稱為模擬信號，如溫度、壓力、語音數據轉換為信號后都是典型的模擬信號。與離散數據對應變化的信號稱為數字信號，如對語音聲壓的一系列瞬間測量值、量化編碼后的信號，計算機中傳輸處理的二進制信號等。模擬信號可以用模擬線路直接傳輸，用放大器彌補傳輸一定距離后造成的信號衰減。模擬信號也可以先調制轉換成數字信號、用數字線路傳輸，到達目的地后解調還原成原來的模擬信號；在數字傳輸線路中，用中繼器對傳輸一定距離造成的信號衰減和波形畸變進行整形、放大--即信號的再生。數字信號可以用數字線路直接傳輸，用中繼器延伸傳輸距離。數字信號也可以先調制轉換成模擬信號，在模擬線路上傳輸，到達目的地后解調還原成數字信號。281.4.1數據通信的基本概念2.模擬數據通信和數字數據通281.4.1數據通信的基本概念3.數據通信中的主要技術指標數字通信中，傳送數據的最小單位是一個二進制“位”--比特(bit)。實際字符信息則由多個比特組成，如ASCII碼中字符“A”，則由“1000001”7個比特組成，數字“1”則由“0110001”組成等，實際信道上傳輸的就是這樣一連串的比特，簡稱比特流。⑴數據傳輸率單位時間傳送的比特數(bps)，用于描述數字信道的傳輸能力，即發送、接收雙方及中間交換的處理能力。⑵誤碼率Pb傳輸時出錯比特數與總傳送比特數之比。291.4.1數據通信的基本概念3.數據通信中的主要技術指標291.4.1數據通信的基本概念3.數據通信中的主要技術指標⑶信道容量物理信道的最大傳輸率還與線路所受電磁干擾強弱有關，實際信道數據傳輸率的上限值、即信道容量的香農(Shannon)公式為：

C=Blog2(1+S/N)式中：C--信道容量，即信道最大傳輸率bps。

B--信道頻帶Hz。

S--信道中信號功率。

N--信道中電磁噪聲功率。一般，信道中信噪比用分貝dB數表示，由分貝定義式dB=10log10S/N可知，當信噪比為30分貝時，S/N=1030/10。由香農公式計算得出的信道容量是信道傳輸速率的理論上限值，信道的實際數據速率小于信道容量。301.4.1數據通信的基本概念3.數據通信中的主要技術指標301.4.1數據通信的基本概念4.通信方式⑴并行通信并行通信是指同時有多條數據通道，可同時傳送多個比特。如圖所示。311.4.1數據通信的基本概念4.通信方式31311.4.1數據通信的基本概念4.通信方式⑵串行通信串行通信是指用一條數據線傳送比特流，一次只傳送一個比特，發送方計算機內的并行數據經并-串轉換后組成按序傳送的數據流，接收方計算機再進行串-并轉換還原成并行數據進行處理。如圖所示。321.4.1數據通信的基本概念4.通信方式32321.4.1數據通信的基本概念4.通信方式⑶單工、半雙工及全雙工通信在串行通信中，按數據傳輸方向又分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信。①單工通信只支持數據在一個方向上傳送，通信的一方只有發送設備，另一方只有接收設備。②半雙工通信支持數據輪流在兩個方向上傳輸，通信雙方均具有發送設備和接收設備，但只能輪流工作而不能同時發、收。③全雙工通信可同時收、發數據，通信雙方各有發送設備和接收設備并可同時工作，全雙工通信一般采用四線制，一對線用于發送數據，另一對線用于接收數據。顯然，全雙工通信方式效率較高。331.4.1數據通信的基本概念4.通信方式33331.4.2數據傳輸方式數據傳輸時，對線路頻帶資源的使用方式有兩種：基帶傳輸與寬帶傳輸。所謂基帶傳輸，就是數字信號直接傳輸，使用數字信號的原始頻帶，不用調制解調轉換，這是一種比較簡單的傳輸方法，信道資源利用率比較低，一條線路只能傳送一路信號。網絡中的數字信號傳輸就是采用基帶傳輸的。所謂寬帶傳輸，即是前面所述的數字信號模擬傳輸方法，對多路信號采用不同的載波頻率進行調制，每一路信號占用一定寬度的頻帶資源，在同一條通信線路上可同時傳送多路信號，這樣在遠距離通信時有利于節約線路資源。基帶傳輸時如何保持收發雙方同步，是一個基本問題，為此要了解基帶信號傳輸時的編碼方式。341.4.2數據傳輸方式數據傳輸時，對線路頻帶資源的使用方式341.4.2數據傳輸方式1.不歸零NRZ(None-returntozero)編碼不歸零碼亦稱全寬碼，即在數字信號“0”或“1”持續期間，信號電平一直不變，與代碼寬度相同。如圖所示。351.4.2數據傳輸方式1.不歸零NRZ(None-ret351.4.2數據傳輸方式2.歸零RZ(Returntozero)編碼歸零碼亦稱窄脈沖，數字信號脈沖寬度小于“0”、“1”信號持續時間，即小于代碼寬度，每一窄脈沖在數字代碼未變之前就已歸零。如圖所示。圖1-11(c)為數字信號取樣脈沖，數字信道上傳輸的就是代表“0”、“1”的脈沖；在實際信道上，為了減少數字信號的直流分量累積，采用的是交替雙極性脈沖，使正、負脈沖個數在總體上大致相同，直流分量趨于零。361.4.2數據傳輸方式2.歸零RZ(Returnto361.4.2數據傳輸方式

371.4.2數據傳輸方式37371.4.2數據傳輸方式3.曼徹斯特編碼時鐘信號頻率為數字信號頻率的二倍，使數字信號每一位的中間有一個跳變，數字“1”變換成為“10”，數字“0”變換成為“01”，傳輸時，就不會有連續3個或以上的“1”或“0”出現，這樣可保證精確同步；接收方再將“10”還原成“1”，將“01”還原成“0”即可。4.差分曼徹斯特編碼每一位數字信號中間的跳變僅供接收方提取時鐘信號，根據數字信號的前沿有無跳變決定數字比特值為“1”或“0”，其前沿跳變規律是：“0”跳“1”不跳；接收方根據相鄰比特有無變化可知原信號數據值，有變化為“0”，無變化為“1”，后面跟一個時鐘脈沖。381.4.2數據傳輸方式3.曼徹斯特編碼38381.4.3數據編碼技術和時鐘同步1.數字信號模擬傳輸由于高頻信號抗干擾能力強，易于遠距離、高效率傳輸，因此在信號傳輸時，常將低頻信號搭載在高頻信號上傳輸，到達目的地后再將原始信號從高頻信號上取出來；起搭載作用的高頻信號稱為載波，猶如運輸貨物的車輛，原始信號猶如貨物；將原始信號搭載在高頻載波上的過程稱為調制--相當于貨物裝車；在接收端將原始信號從高頻信號上取出來的過程稱為解調制、簡稱解調--相當于貨物運到后卸貨。而用低頻信號控制高頻信號參數--調制后的波形稱為調制波。391.4.3數據編碼技術和時鐘同步1.數字信號模擬傳輸在接391.4.3數據編碼技術和時鐘同步將數字信號搭載在高頻載波信號上而形成調制波的設備稱為調制器，從調制波上分離出原始信號的設備稱為解調器，調制器、解調器實現的是一對相反的變換，實用中，將調制器與解調器合成一體，稱為調制解調器(Modem)，既能實現把數字信號調制為高頻模擬信號，又能實現從高頻模擬信號中分離出原始數字信號。網絡通信中，用調制解調器、模擬通信網絡(電話網)進行遠程通信的例子如圖所示。401.4.3數據編碼技術和時鐘同步將數字信號搭載在高頻載波信401.4.3數據編碼技術和時鐘同步2.模擬信號數字傳輸模擬信號直接用模擬信道傳輸、處理的主要缺點是：效率低、通信質量差。因此現代通信中，采用通信質量高、處理效率高、保密性好的數字通信網絡。模擬通信網絡在許多場合已被淘汰。在實際中，大多數數據都是連續的模擬數據，對應的是模擬信號，因此首先要轉換成為數字信號才能在數字通信網中傳輸處理。411.4.3數據編碼技術和時鐘同步2.模擬信號數字傳輸41411.4.3數據編碼技術和時鐘同步將模擬信號轉換成數字信號要經過采樣、量化，編碼三個步驟。⑴采樣每隔一定時間間隔取一個測量值。⑵量化將采樣最大值分為N個等級，所有采樣值按這N個等級量化處理，一般N取2的指數，2、4、8、16、……，PCM系統中，N=256。⑶編碼將量化后的每一個采樣值，編寫成為M位二進制比特，M=log2N。這樣，每一采樣值的M位比特構成一個進制數據流，運用數字網絡傳輸處理。421.4.3數據編碼技術和時鐘同步將模擬信號轉換成數字信號要421.4.3數據編碼技術和時鐘同步如圖所示，采樣頻率為10、量化等級為8，得到30比特編碼。431.4.3數據編碼技術和時鐘同步如圖所示，采樣頻率為10、431.4.3數據編碼技術和時鐘同步3.數字信號同步方式數據通信中，接收方收到的比特數目要與發送方發出的比特數目完全相同，才能滿足沒有比特丟失的最低要求，這就是通信雙方同步的涵義，如發送方發出100個“0”信號比特值，接收方如何知道這是100個“0”比特呢？這要靠雙方同步措施來保證；實現同步的技術有同步傳輸與異步傳輸兩種，具體內容如下：⑴同步傳輸通信期間，雙方一直保持有相同的時鐘，發送方發出多少比特，接收方根據每比特的周期可知接收了多少比特，這樣保證比特數目不會出現差錯。使通信雙方時鐘同步的方法有：用專門的時鐘通信線路使雙方時鐘校準，或先發一串同步比特校準時鐘后再發數據，或將同步信號疊加在所傳輸的數據信號中、接收方從接收數據中提取時鐘信號等多種方法實現。要使整個通信網絡所有站點完全同步，在技術上是比較困難的，實際中采用一些措施做到全網準同步就很不錯了。同步通信效率高，質量高，但實現技術復雜、成本也高。441.4.3數據編碼技術和時鐘同步3.數字信號同步方式44441.4.3數據編碼技術和時鐘同步⑵異步傳輸同步傳輸雖然質量、效率均高，但代價也大，在不發送數據期間還要保持同步也是一種資源上的浪費，如按一次一個字符(5~8比特)地發送數據，每一字符比特流的首尾附加起始位“0”、停止位“1”，在傳送字符數據期間要求同步，不傳送字符時則一直發送停止位“1”，此時不要求雙方同步，當有一個起始位比特“0”出現時，表明一個字符的傳輸開始了。這樣在傳送字符期間同步、不傳送字符時可以不同步的傳輸方式稱為異步通信。異步通信亦稱“群同步”或“起止式通信”。異步通信方式速率低，對高速通信不適用；但由于實現容易、成本低，在低速通信場合還有一定的應用。451.4.3數據編碼技術和時鐘同步⑵異步傳輸45451.4.4數據交換技術將數據編碼后在通信線路上進行傳輸的最簡單形式，是在兩個互連設備之間直接進行數據通信。但是，網絡中所有設備都直接兩兩相連是不現實的，即使能實現，也不必要。通常要經過中間節點將數據從信源逐步傳送到信宿，從而實現兩個互連設備之間的通信。這些中間節點并不關心所傳數據的內容，而只是提供一種交換功能，使數據從一個節點傳到另一個節點，直至達到目的地為止。通常把作為信源或信宿的一批設備稱為網絡站。而將提供中間通信的設備稱為節點。這些節點以某種方式用傳輸鏈路相互連接起來，每個站都連接到一個節點上，這些節點的集合便稱為通信網絡。如果所連接的設備是計算機和終端的話，那么節點集合加上一些站就構成計算機網絡。461.4.4數據交換技術將數據編碼后在通信線路上進行傳輸的最461.4.4數據交換技術

如圖所示是一個交換網絡的結構。按所用的數據傳送技術劃分，交換網絡又可分為電路交換網，報文交換網和分組交換網。471.4.4數據交換技術如圖所示是一個交換網絡的結構。按所471.4.4數據交換技術1.電路交換普遍使用的電話交換網絡是使用電話交換技術的典型例子。⑴電路建立如同打電話一樣，先要通過撥號在通話雙方間建立起一條通路，在傳輸數據之前，也要經過呼叫過程建立一條端到端的電路。⑵數據傳輸當電路ABC建立起來以后，數據就可以從A發送到B，再由B交換到C；C也可以經B向A發送數據。這種數據傳輸有最短的傳播延遲，并且沒有阻塞問題，除非有意外的線路或節點故障而使電路中斷。在整個數據傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態。481.4.4數據交換技術1.電路交換48481.4.4數據交換技術⑶電路拆除在數據傳輸結束后，由某一方A或C發出拆除請求，然后逐節拆除到對方節點。被拆除的信道空閑后，就可被其他通信使用。電路交換方式的優點是數據傳輸可靠、迅速及時，數據不會丟失，且保持原來的序列。缺點是信道長時間被占用，即使信道空閑時，他人也不能使用，造成信道利用率低；此外，在數據傳輸所花時間不太長的情況下，建立和拆除所用時間得不償失。因此，電路交換適用于系統間要求高質量的大量數據傳輸的情況。491.4.4數據交換技術⑶電路拆除49491.4.4數據交換技術2.報文交換⑴報文交換的工作過程報文交換方式的數據傳輸單位是報文，所謂報文就是站點一次性要發送的數據塊，其長度不限且可變。報文交換不需要在兩個站點之間建立專用通路，傳送方式采用“存儲-轉發”方式。當一個站點要發送報文時，它先將一個目的地址附加到報文上，網絡節點根據報文上的目的地址信息，把報文發送到下一個節點，一直逐個節點地轉送到目的的節點。每個節點在收下整個報文并檢測無誤后，就暫存這個報文，然后利用路由信息找出下一個節點的地址，再把整個報文傳送給下一個節點。501.4.4數據交換技術2.報文交換50501.4.4數據交換技術⑵報文交換與電路交換的比較與電路交換比較，報文交換的主要優點有：①電路利用率高。②在電路交換網路上，當通信量變得很大時，就不能接受新的呼叫，而在報文交換網絡上，通信量大時仍然可以接收報文，不過傳送延遲會增加。③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。④報文交換網絡可以進行速度和代碼的轉換。511.4.4數據交換技術⑵報文交換與電路交換的比較51511.4.4數據交換技術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，報文經過網絡的延遲時間長，而且不固定。因此，這種方式不能用于語音連接，也不適合交互式終端到計算機的連接。有時節點收到過多的報文而無空間存儲或不能及時轉發時，就不得不丟棄報文，而且發出的報文不按順序到達目的地。521.4.4數據交換技術報文交換的主要缺點是：它不能滿足實時521.4.4數據交換技術3.分組交換在實際應用中，為了使信道容量利用得更好，并降低節點中數據量的突發性，可以將報文交換改進為分組交換，將一個報文分成若干個分組，每個分組規定一個上限，典型的最大長度是數千位。⑴虛電路分組交換在虛電路VC(VirtualCircuit)中，為進行數據傳輸，網絡的源節點和目的節點之間先要建立一條邏輯通路。無論何時，一個站都能和任何站建立多個虛電路。這種傳輸數據的邏輯通路就是虛電路，它之所以是“虛”的，是因這條電路不是專用的。每條虛電路支持特定的兩個端點之間的數據傳輸；每個端點之間也可有多條虛電路為不同的進程服務，這些虛電路的實際路由可能相同，也可能不同。531.4.4數據交換技術3.分組交換53531.4.4數據交換技術⑵數據報方式分組交換在數據報方式中，每個分組的傳送是單獨處理的，就像報文交換中的報文一樣。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。一個節點接收到一個數據報后，根據數據報中的地址信息和節點所存儲的路由信息，找出一個合適的出路，把數據報原樣地發送到下一個節點。因此，當某一站點要發送一個報文時，先把報文拆成若干個帶有序號和地址信息的數據報，依次發送到網絡節點。此后，各數據報所走的路徑就可能不再相同，因為各個節點隨時根據網絡流量、故障等情況選擇路由，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途中丟失。整個過程中，設有虛電路建立，但要為每個數據報進行路由選擇。541.4.4數據交換技術⑵數據報方式分組交換54541.4.4數據交換技術虛電路和數據報操作方式的比較：虛電路分組交換適用于兩端之間的長時間數據交換，尤其是在交互式會話中每次傳送的數據很短的情況下，可免去每個分組要有地址信息的額外開銷。它提供了更可靠的通信功能，保證每個分組正確到達，且保持原來順序。還可對兩個數據端點的流量進行控制，接收方在來不及接收數據時，可以通知發送方暫緩發送分組。但虛電路也存在一些缺點：當某個節點或某條鏈路出現故障而徹底失效時，則所有經過故障點的虛電路將立即被破壞。數據報分組交換省去了呼叫建立階段，它傳輸少量分組時比虛電路方式簡便靈活。在數據報方式中，分組可以繞開故障區而到達目的地，因此，故障的影響面要比虛電路方式小得多，但數據報不保證分組的按順序到達，數據的丟失也不會立即被發現。551.4.4數據交換技術虛電路和數據報操作方式的比較：55551.4.4數據交換技術4.交換技術的比較不同的交換技術適用于不同的場合：對于較輕和間歇式負載來說，報文交換是最合適的，可以通過撥號線路來實行通信；對于較重和持續的負載來說，使用租用的線路以電路交換方式進行通信是合適的；對于必須交換中等到大量數據的情況，可用分組交換方法。561.4.4數據交換技術4.交換技術的比較56561.4.4數據交換技術⑴電路交換。在數據傳送開始之前必須先設置一條專用的通路。在線路釋放之前，該通路由一對用戶完全占有。對于猝發式的通信，電路交換效率不高。⑵報文交換。報文從源點傳送到目的地采用“存儲-轉發”方式，在傳送報文時，一個時刻僅占用一段通道。在交換節點中需要緩沖存儲，報文需要排隊，故報文交換不能滿足實時通信的要求。⑶分組交換。交換方式和報文交換方式相類似，但報文被分成分組傳送，并規定了最大的分組長度。在數據報分組交換中，目的地需要重新組裝報文；在虛電路分組交換中，數據傳送之前必須通過虛呼叫設置一條虛電路。571.4.4數據交換技術⑴電路交換。在數據傳送開始之前必須571.4.4數據交換技術現有的公用數據網都采用分組交換技術，例如，我國的CNPAC，美國的TELENET，以及很多國家建立的公用數據網都屬于這一類型。目前廣泛采用的X.25協議就是由CCITT制定的分組交換協議。計算機網絡也都采用分組交換技術。由于在計算機網絡中，從源節點到目的節點之間只有一條單一的通路，因此，不需要像公用數據網中那樣的路由選擇和交換功能。計算機網絡中也廣泛采用電路交換技術，計算機控制的電話交換機CBX就是用電路交換技術構成的計算機網絡。由于報文交換技術不能滿足實時通信要求，因此，在計算機網絡中不采用報文交換技術。581.4.4數據交換技術現有的公用數據網都采用分組交換技術，581.4.5多路復用技術1.頻分多路復用將傳輸媒體(如銅導線、光纖、無線媒體等)的物理頻帶劃分為許多子頻帶，每一個子頻帶中傳輸一路信號，在同一媒體上同時傳送多路信號，這就是頻分多路復用。如圖所示。591.4.5多路復用技術1.頻分多路復用59591.4.5多路復用技術2.同步時分多路復用時分多路復用就是將物理信道的傳輸時間分成許多固定大小的時間片，每一個時間片內傳送一路信號。其工作過程猶如一個轉換開關，使各路信號輪流接通、傳輸，這種微觀上(微秒數量級)的輪流接通，在宏觀上(秒數量級)看起來就象多路信號同時通信。為每一路信號分配固定時間片的方式稱為同步時分多路復用。在寬帶網絡中，就是使用頻分多路復用與時分多路復用的混合技術，先將物理信道頻分復用成多個子信道，再用時分多路復用技術將每個子信道進一步復用為更多的時分子信道，從而極大地提高了物理線路的傳輸能力。601.4.5多路復用技術2.同步時分多路復用60601.4.5多路復用技術3.異步時分多路復用技術同步多路時分復用技術有一個明顯的不足，就是為每一路信號分配固定大小的時間片、而不管它是否需要傳輸信號及其需求量的大小，這樣必然造成一定的資源浪費。異步時分復用技術則是按需分配時間片的方式，對不傳輸信號的子信道不分配時間片，對傳輸數據量小的子信道分配較少的時間片，而對傳輸數據量大的子信道分配較多的時間片。當某一時間內多個子信道中只有一個信道傳輸數據時，可獲得物理信道的最大傳輸率。611.4.5多路復用技術3.異步時分多路復用技術61611.4.6差錯控制方法1.奇偶校驗碼最簡單、實用的差錯校驗編碼方法就是奇偶校驗碼，其基本思想是：在K(一般K=7或8，下面為簡單起見，一律按K=7敘述)比特數據后面附加R(R=1)位校驗碼，R位校驗碼由奇、偶校驗的方法和K位數據的半加和(二進制不進位加法)決定。⑴垂直奇偶校驗：發送K=7位數據的同時，在加法器中求K位數據的和，7位數據發完后，一位校驗碼附加在K位數據之后一并發出，接收方將7+1位傳輸代碼求和后，與最后一位校驗碼比較，相同則認為沒有出錯。621.4.6差錯控制方法1.奇偶校驗碼62621.4.6差錯控制方法⑵水平奇偶校驗：發送K=7位數據時，發送緩沖區中保留發送副本，發送7組數據后，對7組數據的每一行求和得出一個水平奇偶校驗碼。接收方按相同方法求水平校驗和，某一行校驗正確則表明該行傳輸沒有出錯。無論是垂直、還是水平奇偶校驗，校驗碼只有一位，“0”、“1”兩種取值，如果一列(或一行)傳輸代碼中有偶數位(2、4、或6)比特出錯，該列代碼求和仍與校驗碼相同，接收方視為傳輸正確，即奇偶校驗碼不能檢出偶數位出錯，只能檢測出奇數位(1、3、5或7)出錯，一般認為奇數位出錯的概率與偶數位出錯的概率相同，則奇偶校驗碼的漏檢率高達50%。631.4.6差錯控制方法⑵水平奇偶校驗：63631.4.6差錯控制方法⑶水平垂直奇偶校驗單獨使用垂直奇偶校驗或水平奇偶校驗，差錯漏檢率都是50%，水平校驗還要復雜一些，并無實際意義。但將兩種方法結合使用，則不但漏檢率會大為下降，有時還可以確定出錯比特的位置，從而糾正該錯誤。641.4.6差錯控制方法⑶水平垂直奇偶校驗64641.4.6差錯控制方法2.循環冗余校驗碼奇偶校驗單獨使用時不能檢測出偶數位出錯，結合使用時雖然漏檢率極低，但應用于較長的數據幀--1000比特以上時，其漏檢造成的差錯不可忽略，何況檢驗方法復雜，對發送緩沖區需求較大，實際中并不常用；在一些要求不高，數據幀大小為十個比特左右時，一般用垂直奇偶校驗方法既簡便又能滿足使用要求。對較長的數據幀則使用循環冗余CRC校驗方法，附加位數不會太多，而且檢錯能力強，其數字邏輯電路也易于實現，是現代網絡通信中進行數據幀校驗的主要方法。651.4.6差錯控制方法2.循環冗余校驗碼65651.4.6差錯控制方法3.差錯控制方法接收方用校驗碼檢測出錯誤后，如何糾正？有兩種方式：⑴自動重發請求收方收到錯誤的數據幀時，否定回答發送方，要求重發該幀數據，這即自動重發請求ARQ方式；發送方緩沖區中有已發送、但未確認的數據幀副本，接收方要求重發、或在指定時間內沒有回答，表明該幀數據出錯或丟失，則重發該數據幀，只有接收方對某幀數據確認正確接收時，發送方才從發送緩沖區中將該幀數據的副本撤消。661.4.6差錯控制方法3.差錯控制方法66661.4.6差錯控制方法⑵前向糾錯FEC方法的最大好處是不用重傳出錯的數據幀，而是利用校驗碼在檢測出錯誤的同時還能確定出錯比特的位置，將出錯比特取反即可糾正傳輸錯誤的比特；這從原理上比ARQ方法要優越一些，不用應答發送方，由接收方自動糾正錯誤，但在實際中卻無多大意義，這是因為：671.4.6差錯控制方法⑵前向糾錯6767計算機網絡技術及實訓張蒲生主編中國水利水電出版社計算機網絡技術及實訓張蒲生主編68第1章計算機網絡與通信基礎

1.1計算機網絡概述

1.2計算機網絡的功能、分類與應用

1.3計算機網絡的組成與拓撲結構1.4計算機數據通信基礎69第1章計算機網絡與通信基礎1.1計算機網絡概述1.691.1計算機網絡概述1.1.1計算機網絡的發展1.1.2計算機網絡的定義701.1計算機網絡概述1.1.1計算機網絡的發展3701.1.1計算機網絡的發展1.發展的四個階段⑴第一階段20世紀50年代，人們開始將彼此獨立發展的計算機技術與通信技術結合起來，完成了數據通信技術與計算通信網絡的研究，為計算機網絡的產生做好了技術準備，并奠定了理論基礎。⑵第二階段從20世紀60年代美國的APPANET與分組交換技術開始。⑶第三個階段大致從20世紀70年代中期開始。⑷第四階段從20世紀90年代開始。下一代互聯網(Internet2)正在向我們走來，Internet2比現在的Internet先進的多，速度要快一百到一千倍，它能使醫療、音樂和娛樂在線互動化，它或許會改變我們的生活方式。711.1.1計算機網絡的發展1.發展的四個階段4711.1.1計算機網絡的發展2.發展的三個時期追溯計算機網絡的發展歷史，它的形成可概括為面向終端的計算機網絡，計算機-計算機網絡和開放式標準化網絡三個時期。⑴面向終端的計算機網絡⑵計算機-計算機網絡⑶開放標準化網絡721.1.1計算機網絡的發展2.發展的三個時期5721.1.2計算機網絡的定義1.計算機網絡定義的基本內容由資源共享觀點出發將計算機網絡定義為“以能夠相互共享資源的方式互連起來的自治計算機系統的集合”。資源共享觀點的定義符合目前計算機網絡的基本特征，其主要表現在：⑴計算機網絡建立的主要目的是實現計算機資源的共享。⑵互連的計算機是分布在不同地理位置的多臺獨立的“自治計算機”。⑶聯網計算機必須遵循全網統一的網絡協議。731.1.2計算機網絡的定義1.計算機網絡定義的基本內容6731.1.2計算機網絡的定義2.計算機網絡與分布式系統的區別計算機網絡中“存在著一個能為用戶自動管理資源的網絡操作系統，由它調用完成用戶任務所需要的資源，而整個網絡像一個大的計算機系統一樣對用戶是透明的。”分布式系統一般具有以下特征：⑴系統擁有多種通用的邏輯資源，可以動態地給它們分配任務。⑵系統中分散的物理和邏輯資源通過計算機網絡實現信息交換。⑶系統存在一個以全局方式管理系統資源的分布式操作系統。⑷系統中聯網各計算機既合作又自治。⑸系統內部結構對用戶是完全透明的741.1.2計算機網絡的定義2.計算機網絡與分布式系統的區741.2計算機網絡的功能、分類與應用1.2.1計算機網絡的功能1.2.2計算機網絡的分類1.2.3計算機網絡的應用751.2計算機網絡的功能、分類與應用1.2.1計算機網絡的751.2.1計算機網絡的功能1.資源共享計算機資源主要指計算機硬件資源、軟件資源和數據資源，所以計算機網絡中的資源共享包括硬件資源共享、軟件資源共享和數據資源共享。2.通信功能用戶可以通過計算機網絡傳送電子郵件、發布新聞消息和進行電子商務活動。3.提高系統的可靠性在計算機網絡中，各臺計算機可彼此互為后備機，每一種資源都可以在兩臺或多臺計算機上進行備份。這樣當某臺計算機、某個部件或某個程序出現故障時，其任務就可以由其他計算機或其他備份的資源所代替，避免了系統癱瘓，提高了系統的可靠性。761.2.1計算機網絡的功能1.資源共享9761.2.1計算機網絡的功能4.網絡分布式處理與均衡負載所謂網絡分布式處理，是指把同一任務分配到網絡中地理上分布的結點機上協同完成。通常，對于復雜的、綜合性的大型任務，可以采用合適的算法，將任務分散到網絡中不同的計算機上去執行。另一方面，當網絡中某臺計算機、某個部件或某個程序負擔過重時，通過網絡操作系統的合理調度，可將其任務的一部分轉交給其他較為空閑的計算機或資源去完成。5.分散數據的綜合處理網絡系統還可以有效地將分散在網絡各計算機中的數據資料信息收集起來，從而達到對分散的數據資料進行綜合分析處理，并把正確的分析結果反饋給各相關用戶的目的。771.2.1計算機網絡的功能4.網絡分布式處理與均衡負載1771.2.2計算機網絡的分類1.按照網絡的分布范圍不同進行分類按地理分布范圍分類，計算機網絡可以分為廣域網、局域網和城域網三種。⑴廣域網，其分布范圍可達數百至數千公里，可覆蓋一個國家或一個洲。⑵局域網，是將小區域內的各種通信設備互連在一起的網絡，其分布范圍局限在一幢大樓或一個校園內，大約在幾百米到幾公里的范圍，主要用于連接個人計算機、工作站和各種外圍設備以實現資源共享和信息交換。其傳輸速率比較高，通常在10Mbps以上。⑶城域網，其分布范圍介于局域網和廣域網之間，目的在大都市較大的地理區域內提供數據、聲音和圖像的傳輸。781.2.2計算機網絡的分類1.按照網絡的分布范圍不同進行781.2.2計算機網絡的分類2.按照網絡的交換方式不同進行分類⑴電路交換方式。它類似于傳統電話交換方式，用戶在開始通信前，必須申請建立一條從發送端到接收端的物理信道，而且在雙方通信期間始終占用該信道。⑵報文交換方式。其數據單元是要發送的一個完整報文，報文長度無限制。報文交換采用存儲-轉發原理，這好像古代的郵政通信那樣，郵件由途中的驛站逐個存儲和轉發。報文中含有目的地址，每個中間節點要為途經的報文選擇適當的路徑，使其能最終到達目的端。⑶分組交換方式。通信前，發送端將數據劃分為一個個等長的單位(即分組)，這些分組逐個由各中間節點采用存儲-轉發方式進行傳輸，最終到達目的端。791.2.2計算機網絡的分類2.按照網絡的交換方式不同進行791.2.3計算機網絡的應用計算機網絡在資源共享和信息交換方面所具有的功能，是其他系統不能替代的。它所具有的高可靠性、高性能價格比和易擴充性等優點，使得它在工業、農業、交通運輸、郵電通信、文化教育、商業、國防以及科學研究等各個領域、各個行業獲得了越來越廣泛的應用。辦公自動化電子數據交換遠程交換遠程教育電子銀行電子公告板電子郵件系統POS系統校園網聯機事務處理企業網絡智能大廈和結構化綜合布線系統801.2.3計算機網絡的應用計算機網絡在資源共享和信息交換方801.3計算機網絡的組成與拓撲結構1.3.1資源子網的概念1.3.2通信子網的概念1.3.3計算機網絡的拓撲結構811.3計算機網絡的組成與拓撲結構1.3.1資源子網的概念811.3.1資源子網的概念資源子網由主計算機系統、終端、終端控制器、聯網外設、各種軟件資源與信息資源組成。資源子網負責處理全網的數據處理業務，向網絡用戶提供各種網絡資源與網絡服務。821.3.1資源子網的概念資源子網由主計算機系統、終端、終端821.3.1資源子網的概念1.主機系統主計算機系統簡稱主機(Host)，它可以是大型機、中型機、小型機、工作站或微機。2.終端終端是用戶訪問網絡的界面。終端可以是簡單的輸入、輸出終端，也可以是帶有微處理的智能終端。智能終端除具有輸入、輸出信息的功能外，本身還具有存儲與處理信息的能力。終端可以通過主機連入網內，也可以通過終端控制器、報文分組組裝與拆裝裝置可通過處理機連入網內。831.3.1資源子網的概念1.主機系統16831.3.2通信子網的概念通信子網由通信控制處理機、通信線路與其他通信設備組成，完成網絡數據傳輸、轉發等通信處理任務1.通信控制處理機通信控制處理機在網絡拓撲結構中被稱為網絡節點。它一方面作為與資源子網的主機、終端連接的接口，將主機和終端連入網內；另一方面它又作為通信子網中的分組存儲轉發節點，完成分組的接收、校驗、存儲和轉發等功能，實現將原主機報文準確發送到目的主機的作用。2.通信線路通信線路為通信控制處理機與通信控制處理機、通信控制處理機與主機之間提供通信信道。計算機網絡采用多種通信線路，例如，電話線、雙絞線、同軸電纜、光纜、光纖、無線通信信道、微波與衛星通信信道等。841.3.2通信子網的概念通信子網由通信控制處理機、通信線路841.3.3計算機網絡的拓撲結構1.計算機網絡拓撲定義計算機網絡設計的第一步就是要解決在給定計算機的位置，并保證一定的網絡響應時間，吞吐量和可靠性的條件下，通過選擇適當的線路、線路容量與連接方式，使整個網絡結構合理與成本低廉。計算機網絡拓撲是通過網中節點或節點與通信線路之間的幾何關系表示網絡結構，反映同網絡中各實體的結構關系。851.3.3計算機網絡的拓撲結構1.計算機網絡拓撲定義18851.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類計算機網絡中常見的拓撲結構主要有：星形、總線形、環形、樹形、混合形及網形拓撲。⑴總線型拓撲結構861.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類1861.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑵環形拓撲結構871.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2871.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑶星形拓撲結構881.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2881.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑷網狀拓撲結構891.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2891.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑸樹形拓撲結構901.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2901.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類⑹混合拓撲結構911.3.3計算機網絡的拓撲結構2.計算機網絡拓撲的分類2911.3.3計算機網絡的拓撲結構3.計算機網絡拓撲結構的選擇不管是局域網或廣域網，其拓撲的選擇，需要考慮諸多因素：⑴網絡既要易于安裝，又要易于擴展。⑵網絡的可靠性是考慮選擇的重要因素。要易于故障診斷和隔離，以使網絡的主體在局部發生故障時仍能正常運行。⑶網絡拓撲的選擇還會影響傳輸媒體的選擇和媒體訪問控制方法的確定，這些因素又會影響各個站點的運行速度和網絡軟、硬件接口的復雜性921.3.3計算機網絡的拓撲結構3.計算機網絡拓撲結構的選921.4計算機數據通信基礎1.4.1數據通信的基本概念1.4.2數據傳輸方式1.4.3數據編碼技術和時鐘同步1.4.4數據交換技術1.4.5多路復用技術1.4.6差錯控制方法931.4計算機數據通信基礎1.4.1數據通信的基本概念2693

1.4.1數據通信的基本概念1.信號、數據與信息數據是對某一客觀現象的物理度量。信號是與實際對應的、以電磁形式表示的連續或者離散數據。信息應當是從一批數據中分析、統計得出的有用數據。94

1.4.1數據通信的基本概念1.信號、數據與信息27941.4.1數據通信的基本概念2.模擬數據通信和數字數據通信與連續數據對應變化的信號稱為模擬信號，如溫度、壓力、語音數據轉換為信號后都是典型的模擬信號。與離散數據對應變化的信號稱為數字信號，如對語音聲壓的一系列瞬間測量值、量化編碼后的信號，計算機中傳輸處理的二進制信號等。模擬信號可以用模擬線路直接傳輸，用放大器彌補傳輸一定距離后造成的信號衰減。模擬信號也可以先調制轉換成數字信號、用數字線路傳輸，到達目的地后解調還原成原來的模擬信號；在數字傳輸線路中，用中繼器對傳輸一定距離造成的信號衰減和波形畸變進行整形、放大--即信號的再生。數字信號可以用數字線路直接傳輸，用中繼器延伸傳輸距離。數字信號也可以先調制轉換成模擬信號，在模擬線路上傳輸，到達目的地后解調還原成數字信號。951.4.1數據通信的基本概念2.模擬數據通信和數字數據通951.4.1數據通信的基本概念3.數據通信中的主要技術指標數字通信中，傳送數據的最小單位是一個二進制“位”--比特(bit)。實際字符信息則由多個比特組成，如ASCII碼中字符“A”，則由“1000001”7個比特組成，數字“1”則由“0110001”組成等，實際信道上傳輸的就是這樣一連串的比特，簡稱比特流。⑴數據傳輸率單位時間傳送的比特數(bps)，用于描述數字信道的傳輸能力，即發送、接收雙方及中間交換的處理能力。⑵誤碼率Pb傳輸時出錯比特數與總傳送比特數之比。961.4.1數據通信的基本概念3.數據通信中的主要技術指標961.4.1數據通信的基本概念3.數據通信中的主要技術指標⑶信道容量物理信道的最大傳輸率還與線路所受電磁干擾強弱有關，實際信道數據傳輸率的上限值、即信道容量的香農(Shannon)公式為：

C=Blog2(1+S/N)式中：C--信道容量，即信道最大傳輸率bps。

B--信道頻帶Hz。

S--信道中信號功率。

N--信道中電磁噪聲功率。一般，信道中信噪比用分貝dB數表示，由分貝定義式dB=10log10S/N可知，當信噪比為30分貝時，S/N=1030/10。由香農公式計算得出的信道容量是信道傳輸速率的理論上限值，信道的實際數據速率小于信道容量。971.4.1數據通信的基本概念3.數據通信中的主要技術指標971.4.1數據通信的基本概念4.通信方式⑴并行通信并行通信是指同時有多條數據通道，可同時傳送多個比特。如圖所示。981.4.1數據通信的基本概念4.通信方式31981.4.1數據通信的基本概念4.通信方式⑵串行通信串行通信是指用一條數據線傳送比特流，一次只傳送一個比特，發送方計算機內的并行數據經并-串轉換后組成按序傳送的數據流，接收方計算機再進行串-并轉換還原成并行數據進行處理。如圖所示。991.4.1數據通信的基本概念4.通信方式32991.4.1數據通信的基本概念4.通信方式⑶單工、半雙工及全雙工通信在串行通信中，按數據傳輸方向又分為單工通信、半雙工通信、全雙工通信。①單工通信只支持數據在一個方向上傳送，通信的一方只有發送設備，另一方只有接收設備。②半雙工通信支持數據輪流在兩個方向上傳輸，通信雙方均具有發送設備和接收設備，但只能輪流工作而不能同時發、收。③全雙工通信可同時收、發數據，通信雙方各有發送設備和接收設備并可同時工作，全雙工通信一般采用四線制，一對線用于發送數據，另一對線用于接收數據。顯然，全雙工通信方式效率較高。1001.4.1數據通信的基本概念4.通信方式331001.4.2數據傳輸方式數據傳輸時，對線路頻帶資源的使用方式有兩種：基帶傳輸與寬帶傳輸。所謂基帶傳輸，就是數字信號直接傳輸，使用數字信號的原始頻帶，不用調制解調轉換，這是一種比較簡單的傳輸方法，信道資源利用率比較低，一條線路只能傳送一路信號。網絡中的數字信號傳輸就是采用基帶傳輸的。所謂寬帶傳輸，即是前面所述的數字信號模擬傳輸方法，對多路信號采用不同的載波頻率進行調制，每一路信號占用一定寬度的頻帶資源，在同一條通信線路上可同時傳送多路信號，這樣在遠距離通信時有利于節約線路資源。基帶傳輸時如何保持收發雙方同步，是一個基本問題，為此要了解基帶信號傳輸時的編碼方式。1011.4.2數據傳輸方式數據傳輸時，對線路頻帶資源的使用方式1011.4.2數據傳輸方式1.不歸零NRZ(None-returntozero)編碼不歸零碼亦稱全寬碼，即在數字信號“0”或“1”持續期間，信號電平一直不變，與代碼寬度相同。如圖所示。1021.4.2數據傳輸方式1.不歸零NRZ(None-ret1021.4.2數據傳輸方式2.歸零RZ(Returntozero)編碼歸零碼亦稱窄脈沖，數字信號脈沖寬度小于“0”、“1”信號持續時間，即小于代碼寬度，每一窄脈沖在數字代碼未變之前就已歸零。如圖所示。圖1-11(c)為數字信號取樣脈沖，數字信道上傳輸的就是代表“0”、“1”的脈沖；在實際信道上，為了減少數字信號的直流分量累積，采用的是交替雙極性脈沖，使正、負脈沖個數在總體上大致相同，直流分量趨于零。1031.4.2數據傳輸方式2.歸零RZ(Returnto1031.4.2數據傳輸方式

1041.4.2數據傳輸方式371041.4.2數據傳輸方式3.曼徹斯特編碼時鐘信號頻率為數字信號頻率的二倍，使數字信號每一位的中間有一個跳變，數字“1”變換成為“10”，數字“0”變換成為“01”，傳輸時，就不會有連續3個或以上的“1”或“0”出現，這樣可保證精確同步；接收方再將“10”還原成“1”，將“01”還原成“0”即可。4.差分曼徹斯特編碼每一位數字信號中間的跳變僅供接收方提取時鐘信號，根據數字信號的前沿有無跳變決定數字比特值為“1”或“0”，其前沿跳變規律是：“0”跳“1”不跳；接收方根據相鄰比特有無變化可知原信號數據值，有變化為“0”，無變化為“1”，后面跟一個時鐘脈沖。1051.4.2數據傳輸方式3.曼徹斯特編碼381051.4.3數據編碼技術和時鐘同步1.數字信號模擬傳輸由于高頻信號抗干擾能力強，易于遠距離、高效率傳輸，因此在信號傳輸時，常將低頻信號搭載在高頻信號上傳輸，到達目的地后再將原始信號從高頻信號上取出來；起搭載作用的高頻信號稱為載波，猶如運輸貨物的車輛，原始信號猶如貨物；將原始信號搭載在高頻載波上的過程稱為調制--相當于貨物裝車；在接收端將原始信號從高頻信號上取出來的過程稱為解調制、簡稱解調--相當于貨物運到后卸貨。而用低頻信號控制高頻信號參數--調制后的波形稱為調制波。1061.4.3數據編碼技術和時鐘同步1.數字信號模擬傳輸在接1061.4.3數據編碼技術和時鐘同步將數字信號搭載在高頻載波信號上而形成調制波的設備稱為調制器，從調制波上分離出原始信號的設備稱為解調器，調制器、解調器實現的是一對相反的變換，實用中，將調制器與解調器合成一體，稱為調制解調器(Modem)，既能實現把數字信號調制為高頻模擬信號，又能實現從高頻模擬信號中分離出原始數字信號。網絡通信中，用調制解調器、模擬通信網絡(電話網)進行遠程通信的例子如圖所示。1071.4.3數據編碼技術和時鐘同步將數字信號搭載在高頻載波信1071.4.3數據編碼技術和時鐘同步2.模擬信號數字傳輸模擬信號直接用模擬信道傳輸、處理的主要缺點是：效率低、通信質量差。因此現代通信中，采用通信質量高、處理效率高、保密性好的數字通信網絡。模擬通信網絡在許多場合已被淘汰。在實際中，大多數數據都是連續的模擬數據，對應的是模擬信號，因此首先要轉換成為數字信號才能在數字通信網中傳輸處理。1081.4.3數據編碼技術和時鐘同步2.模擬信號數字傳輸411081.4.3數據編碼技術和時鐘同步將模擬信號轉換成數字信號要經過采樣、量化，編碼三個步驟。⑴采樣每隔一定時間間隔取一個測量值。⑵量化將采樣最大值分為N個等級，所有采樣值按這N個等級量化處理，一般N取2的指數，2、4、8、16、……，PCM系統中，N=256。⑶編碼將量化后的每一個采樣值，編寫成為M位二進制比特，M=log2N。這樣，每一采樣值的M位比特構成一個進制數據流，運用數字網絡傳輸處理。1091.4.3數據編碼技術和時鐘同步將模擬信號轉換成數字信號要1091.4.3數據編碼技術和時鐘同步如圖所示，采樣頻率為10、量化等級為8，得到30比特編碼。1101.4.3數據編碼技術和時鐘同步如圖所示，采樣頻率為10、1101.4.3數據編碼技術和時鐘同步3.數字信號同步方式數據通信中，接收方收到的比特數目要與發送方發出的比特數目完全相同，才能滿足沒有比特丟失的最低要求，這就是通信雙方同步的涵義，如發送方發出100個“0”信號比特值，接收方如何知道這是100個“0”比特呢？這要靠雙方同步措施來保證；實現同步的技術有同步傳輸與異步傳輸兩種，具體內容如下：⑴同步傳輸通信期間，雙方一直保持有相同的時鐘，發送方發出多少比特，接收方根據每比特的周期可知接收了多少比特，這樣保證比特數目不會出現差錯。使通信雙方時鐘同步的方法有：用專門的時鐘通信線路使雙方時鐘校準，或先發一串同步比特校準時鐘后再發數據，或將同步信號疊加在所傳輸的數據信號中、接收方從接收數據中提取時鐘信號等多種方法實現。要使整個通信網絡所有站點完全同步，在技術上是比較困難的，實際中采用一些措施做到全網準同步就很不錯了。同步通信效率高，質量高，但實現技術復雜、成本也高。1111.4.3數據編碼技術和時鐘同步3.數字信號同步方式441111.4.3數據編碼技術和時鐘同步⑵異步傳輸同步傳輸雖然質量、效率均高，但代價也大，在不發送數據期間還要保持同步也是一種資源上的浪費，如按一次一個字符(5~8比特)地發送數據，每一字符比特流的首尾附加起始位“0”、停止位“1”，在傳送字符數據期間要求同步，不傳送字符時則一直發送停止位“1”，此時不要求雙方同步，當有一個起始位比特“0”出現時，表明一個字符的傳輸開始了。這樣在傳送字符期間同步、不傳送字符時可以不同步的傳輸方式稱為異步通信。異步通信亦稱“群同步”或“起止式通信”。異步通信方式速率低，對高速通信不適用；但由于實現容易、成本低，在低速通信場合還有一定的應用。1121.4.3數據編碼技術和時鐘同步⑵異步傳輸451121.4.4數據交換技術將數據編碼后在通信線路上進行傳輸的最簡單形式，是在兩個互連設備之間直接進行數據通信。但是，網絡中所有設備都直接兩兩相連是不現實的，即使能實現，也不必要。通常要經過中間節點將數據從信源逐步傳送到信宿，從而實現兩個互連設備之間的通信。這些中間節點并不關心所傳數據的內容，而只是提供一種交換功能，使數據從一個節點傳到另一個節點，直至達到目的地為止。通常把作為信源或信宿的一批設備稱為網絡站。而將提供中間通信的設備稱為節點。這些節點以某種方式用傳輸鏈路相互連接起來，每個站都連接到一個節點上，這些節點的集合便稱為通信網絡。如果所連接的設備是計算機和終端的話，那么節點集合加上一些站就構成計算機網絡。1131.4.4數據交換技術將數據編碼后在通信線路上進行傳輸的最1131.4.4數據交換技術

如圖所示是一個交換網絡的結構。按所用的數據傳送技術劃分，交換網絡又可分為電路交換網，報文交換網和分組交換網。1141.4.4數據交換技術如圖所示是一個交換網絡的結構。按所1141.4.4數據交換技術1.電路交換普遍使用的電話交換網絡是使用電話交換技術的典型例子。⑴電路建立如同打電話一樣，先要通過撥號在通話雙方間建立起一條通路，在傳輸數據之前，也要經過呼叫過程建立一條端到端的電路。⑵數據傳輸當電路ABC建立起來以后，數據就可以從A發送到B，再由B交換到C；C也可以經B向A發送數據。這種數據傳輸有最短的傳播延遲，并且沒有阻塞問題，除非有意外的線路或節點故障而使電路中斷。在整個數據傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態。1151.4.4數據交換技術1.電路交換481151.4.4數據交換技術⑶電路拆除在數據傳輸結束后，由某一方A或C發出拆除請求，然后逐節拆除到對方節點。被拆除的信道空閑后，就可被其他通信使用。電路交換方式的優點是數據傳輸可靠、迅速及時，數據不會丟失，且保持原來的序列。缺點是信道長時間被占用，即使信道空閑時，他人也不能使用，造成信道利用率低；此外，在數據傳輸所花時間不太長的情況下，建立和拆除所用時間得不償失。因此，電路交換適用于系統間要求高質量的大量數據傳輸的情況。1161.4.4數據交換技術⑶電路拆除491161.4.4數據交換技術2.報文交換⑴報文交換的工作過程報文交換方式的數據傳輸單位是報文，所謂報文就是站點一次性要發送的數據塊，其長度不限且可變。報文交換不需要在兩個站點之間建立專用通路，傳送方式采用“存儲-轉發”方式。當一個站點要發送報文時，它先將一個目的地址附加到報文上，網絡節點根據報文上的目的地址信息，把報文發送到下一個節點，一直逐個節點地轉送到目的的節點。每個節點在收下整個報文并檢測無誤后，就暫存這個報文，然后利用路由信息找出下一個節點的地址，再把整個報文傳送給下一個節點。1171.4.4數據交換技術2.報文交換501171.4.4數據交換技術⑵報文交換與電路交換的比較與電路交換比較，報文交換的主要優點有：①電路利用率高。②在電路交換網路上，當通信量變得很大時，就不能接受新的呼叫，而在報文交換網絡上，通信量大時仍然可以接收報文，不過傳送延遲會增加。③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。④報文交換網絡可以進行速度和代碼的轉換。1181.4.4數據交換技術⑵報文交換與電路交換的比較511181.4.4數據交換技術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，報文經過網絡的延遲時間長，而且不固定。因此，這種方式不能用于語音連接，也不適合交互式終端到計算機的連接。有時節點收到過多的報文而無空間存儲或不能及時轉發時，就不得不丟棄報文，而且發出的報文不按順序到達目的地。1191.4.4數據交換技術報文交換的主要缺點是：它不能滿足實時1191.4.4數據交換技術3.分組交換在實際應用中，為了使信道容量利用得更好，并降低節點中數據量的突發性，可以將報文交換改進為分組交換，將一個報文分成若干個分組，每個分組規定一個上限，典型的最大長度是數千位。⑴虛電路分組交換在虛電路VC(VirtualCircuit)中，為進行數據傳輸，網絡的源節點和目的節點之間先要建立一條邏輯通路。無論何時，一個站都能和任何站建立多個虛電路。這種傳輸數據的邏輯通路就是虛電路，它之所以是“虛”的，是因這條電路不是專用的。每條虛電路支持特定的兩個端點之間的數據傳輸；每個端點之間也可有多條虛電路為不同的進程服務，這些虛電路的實際路由可能相同，也可能不同。1201.4.4數據交換技術3.分組交換531201.4.4數據交換技術⑵數據報方式分組交換在數據報方式中，每個分組的傳送是單獨處理的，就像報文交換中的報文一樣。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。一個節點接收到一個數據報后，根據數據報中的地址信息和節點所存儲的路由信息，找出一