本章學習目標

本章主要講解Internet網絡實現通信所涉及的一些技術基礎知識，使大家了解在Internet網絡上信息是如何進行傳遞的。通過對這些基礎知識的學習，同學們應該掌握以下內容：

數據通信的基礎知識計算機網絡的類型、功能以及拓撲結構Internet網絡數據的交換方式Internet網絡所采用的協議Internet網絡的域名管理第2章Internet技術基礎

7/22/202312.1數據通信一.信息、數據和信號1、信息：信息是關于客觀事實的可通訊的知識。信息是客觀世界各種事物的特征的反映——提供有關現實世界事物的消息和知識信息是可以通訊的——信息是構成事物聯系的基礎信息形成知識——信息與人類的認知能力相結合，產生了知識。7/22/20232

2、信息的度量可以利用概率來度量信息例如，現在某甲到1000人的學校去找某乙，某乙所處的可能性空間是該學校的1000人。當傳達室告訴他：“這個人是管理系的”，而管理系有100人，那么，他獲得的信息為100/1000＝1/10，也就是可能性空間縮小到原來的1/10。通常，我們不直接用1/10來表示信息量，而用1/10的負對數來表示，即－log1/10＝log10。

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信息量的單位信息量的單位是比特（BIT，是二進位制數字Binarydigit的縮寫）。一比特的信息量是指含有兩個獨立均等概率狀態的事件所具有的不確定性能被全部消除所需要的信息。信息量的定義公式可寫成：

H(x)＝－∑P(Xi)log2P(Xi)i＝1,2,3….,n

這里:Xi代表第i個狀態（總共有n個狀態）

P(Xi)代表出現第i個狀態的概率

H(x)就是用以消除這個系統不確定性所需的信息量。7/22/20234

信息的度量

例如硬幣下落可能有正反兩種狀態，出現這兩種狀態的概率都是1/2，即:P(Xi)＝0.5

這時:H(x)＝–［P(X1)log2

P(X1)＋P(X1)log2

P(X1)］＝–(–0.5–0.5)＝1比特。7/22/202353、數據

數據（Data，又稱資料）是對客觀事物記錄下來的，可以鑒別的符號。這些符號不僅指數字，而且包括字符、文字、圖形等等。數據經過處理仍然是數據。只有經過解釋，數據才有意義，才成為信息。7/22/202364、信號信號是數據的電磁或電子編碼。信號在通信系統中可分為模擬信號和數字信號。由于數據信號分成模擬數據信號和數字數據信號，其中模擬信號是指一種連續變化的電信號，例如：電話線上傳送的按照話音強弱幅度連續變化的電波信號。數字信號是指一種離散變化的電信號，例如計算機產生的電信號就是“0”和“1”的電壓脈沖序列串。

7/22/202374.1信號的特性信號的特性表現在時間特性和頻率特性兩個方面。

4.2數據和信號

A數字數據，數字信號

B數字數據，模擬信號

C模擬數據，數字信號D模擬數據，模擬信號7/22/202385、信號傳輸速率（1）調制速率:信號調制過程中，單位時間內調制信號波形的變換次數，也就是單位時間內所能調制的調制次數，簡稱波特率，其單位是波特（Boud).（2）數據信號速率:表示單位時間內通過信道的信息量，單位是比特/秒（3）數據傳輸速率：單位時間內傳送的數據量，其單位可以是比特、字符、碼組等，時間單位可以是分、秒、小時等，通常用字符/分為單位。7/22/202396、數據傳輸中的檢錯與糾錯糾錯碼是指在發送每一組信息時發送足夠的附加位，接收端通過這些附加位在接收譯碼器的控制下不僅可以發現錯誤，而且還能自動地糾正錯誤。如果采用這種編碼，傳輸系統中不需反饋信道就可以實現一個對多個用戶的通信，但譯碼器設備比較復雜，且因所選用的糾錯碼與信道干擾情況有關。某些情況為了糾正差錯，要求附加的冗余碼較多，這將會降低傳輸的效率?，F在比較常見的糾錯編碼有：海明糾錯碼、正反糾錯碼等。1．糾錯碼7/22/202310代碼結構中的校驗位:有多種確定校驗位值的方法算術級數法原代碼1

2

3

4

5各乘以權6

5

4

3

2乘積之和6+10+12+12+10=50以11為模去除乘積之和（若余數是10,則按0處理），把得出的余數作為校驗碼：50/11=4……6，因此代碼為123456。幾何級數法把所乘權數改為3216842等。質數法把所乘權數改為質數系列，如171311753等。注意:以11為模時，若余數是10，則按0處理。7/22/2023117、信道一般來說，一條通信線路至少包含兩條信道，一條用于發送的信道和一條用于接收的信道。和信號的分類相似，信道也可分為適合傳送模擬信號的模擬信道和適合傳送數字信號的數字信道兩大類。（1）模擬數據在模擬信道上傳輸(有線電話)

（2）數字數據在數字信道上傳輸（3）數字數據在模擬信道上傳輸(用電話線上網)

（4）模擬數據在數字信道上傳輸7/22/202312典型的例子是話音信號在普通的電話系統中傳輸。一般人的語音頻率范圍是300—3400Hz，為了進行傳輸，在線路上給它分配一定的帶寬，國際標準取4KHz為一個標準話路所占用的頻帶寬度。在這個傳輸過程中：語音信號以300—3400Hz頻率輸入，發送方的電話機把這個語音信號轉變成模擬信號，這個模擬信號經過一個頻分多路復用器進行變化，使得線路上可以同時傳輸多路模擬信號，當到達接收端以后再經過一個解頻的過程把它恢復到原來的頻率范圍的模擬信號，再由接收方電話機把模擬信號轉換成聲音信號。（1）．模擬數據在模擬信道上傳輸

7/22/202313（2）數字數據在模擬信道上傳輸

計算機和終端設備都是數字設備，它們只能接收和發送數字數據，而電話系統只能傳輸模擬信號，所以這個數字數據要進入到模擬信道以前要有一個變換器進行數字信號到模擬信號的轉換，以便它能在模擬信道上傳輸，這樣的一個變換過程叫調制（注意：這個調制過程并不改變數據的內容，僅是把數據的表示形式進行了改變）。這個變換器又叫做調制器。而當調制后的模擬信號傳到接收端以后，在接收端也有一個變換器再對這個信號進行反變換，即又把它變回數字信號，這樣的一個變換過程叫解調。這個變換器又叫解調器。由于計算機和終端設備之間的數據通信一般是雙向的，因此在數據通信的雙方既有用于發送信號的調制器又有用于接收信號的解調器，所以把這兩個設備合在一起形成我們通常所說的調制解調器（Modem）。調制解調器就是使用一條標準話路（3.1kHz的標準話路帶寬）提供全雙工的數字信道。7/22/202314

調制解調器最基本的調制方法有以下幾種（在圖2-1中給出了這幾種波形傳輸數據的波形的示意圖）：（1）調幅（AM）即載波的振幅隨基帶數字信號而變化。例如，0對應于無載波輸出，而1對應于有載波輸出。（2）調頻（FM）即載波的頻率隨基帶數字信號而變化。例如，0對應于頻率f1，而1對應于頻率f2。（3）調相（PM）即載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。例如，0對應于相位0度，而1對應于180度。7/22/202315（3）模擬數據在數字信道上傳輸用數字信道傳輸模擬數據時，需要對模擬數據進行脈沖編碼調制（PCM）。PCM最初并不是為傳送計算機數據所設計的，它的目的是為了能使電話局之間的一條中繼線不只傳送一路電話而是可以同時傳送幾十路電話所設計的。PCM是將模擬電話信號轉變為數字信號，所以首先要對電話信號進行取樣。根據取樣定理，只要取樣頻率不低于電話信號最高頻率的2倍，就可以從取樣的脈沖信號中無失真地恢復出原來的電話信號。標準的電話信號的最高頻率為3.4KHz，為方便起見，取最高頻率為4KHz，那么取樣頻率就是8KHz，相當于取樣周期為125μs，即每秒鐘采樣8000次。下一步是進行編碼。在我國使用的PCM體制中，電話信號是采用8bit編碼，也就是說，將取樣后的模擬電話信號量化為256個不同等級中的一個。7/22/202316（4）數字數據在數字信道上傳輸

這種方式最典型的例子是在兩個裝有Windows98操作系統的計算機上，利用Windows98中自帶的“直接電纜連接”功能把兩個計算機通過串行口或并行口直接相連。在這種情況下通信的雙方發出的數據和接收的數據以及在信道上所傳輸的全部都是數字信號。對于數字數據在數字信道上傳輸來說，最普遍而且最容易的辦法是用兩個不同的電壓電平來表示兩個二進制數字。例如，無電壓（也就是無電流）常用來表示0，而恒定的正電壓用來表示1。另外，使用負電壓（低）表示0，使用正電壓（高）表示1也是很普遍的。后一種技術稱為不歸零制NRZ（Non—ReturntoZero）。7/22/202317信道容量

對于一個給定的信道環境，在傳輸差錯率（誤碼率）任意趨近于零的情況下，單位時間內可以傳輸的信息量。換句話說，信道容量是信道在單位時間里所能傳輸信息的最大速率，其單位是比特/秒（b/s)7/22/202318二、通信系統的模型（香農模型）信息源編碼器信道譯碼器接收器

噪音干擾7/22/2023191、模擬通信系統模型

7/22/2023202、數字通信系統模型7/22/2023213、數據通信數據通信是指由信息源產生的數據，不管通過模擬傳輸還是數字傳輸的信道，按照一定的通信協議，形成數據流傳到受信者的過程。4、數據通信系統凡是將終端設備與計算機經由模擬或數字傳輸系統連接起來，并以收集、傳輸、分配和處理數據為目的的系統稱為數據通信系統，它是實現數據痛惜的功能性物理實體。從系統設備級的構成出發，由三部分組成：終端設備子系統、數據傳輸子系統及數據處理子系統。7/22/2023225、數據通信網數據通信網是由一些處于不同地理位置的數據傳輸設備、數據交換設備和通信線路等構成的系統，它的作用是使網上任兩點之間進行正確、快速地傳送數據和交換數據。數據通信系統中的數據傳輸子系統實際上是一個數據通信網。7/22/2023232.2計算機網絡一、計算機網絡的定義什么是計算機網絡？目前還沒有一個嚴格的定義，這里可以作如下理解：用通信介質把分布在不同地理位置上的具有獨立功能的多臺計算機、終端及其附屬設備在物理上互連，在網絡協議和軟件的支持下，實現信息互通和資源（硬件、軟件和數據資源）共享的系統稱作計算機網絡。

7/22/2023242.2.1傳輸介質

一、有向媒介1、雙絞線雙絞線分為屏蔽雙絞線（STP）和非屏蔽雙絞線（UTP）。

圖2-1屏蔽雙絞線7/22/2023252.2.1傳輸介質2、同軸電纜

同軸電纜的結構，它的中央是銅質的芯線（單股的實心線或多股絞合線），銅質的芯線外包著一層絕緣層，絕緣層外是一層網狀編織的金屬絲作外導體屏蔽層（可以是單股的），屏蔽層把電線很好地包起來，再往外就是外包皮的保護塑料外層了。

7/22/2023262.2.1傳輸介質3、光纖

光纖通信就是利用光導纖維（簡稱光纖）傳送光脈沖來進行通信。光纖不僅具有通信容量非常大的特點，而且還具有其他的一些特點：抗電磁干擾性能好保密性好，無串音干擾信號衰減小，傳輸距離長抗化學腐蝕能力強7/22/2023272.2.1傳輸介質二、無向媒介1、無線電波:無線電波的電磁波頻段唄分成8部分，稱作波段，這些波段級別分別為：甚低頻

VLF

10~30KHZ

低

頻

LF

30~300KHZ

中

頻

MF

300~3000KHZ

高

頻

HF

3~30MHZ

甚高頻

VHF

30~300MHZ

超高頻

UHF

300~3000MHZ

過高頻

SHF3000~30000MHZ

極高頻EHF30~300GHz

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2、地面微波：微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。3、衛星通信：衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成。衛星在空中起中繼站的作用，即把地球站發上來的電磁波放大后再返送回另一地球站。地球站則是衛星系統與地面公眾網的接口，地面用戶通過地球站出入衛星系統形成鏈路。7/22/202329常見衛星通信（1）VSAT衛星通信系統（2）銥星系統（3）海事衛星通信系統（4）全球衛星導航與定位系統7/22/2023304、蜂窩電話：蜂窩電話是為在兩個移動設備，或是一個移動與固定單元之間建立穩定的通信連接而設計的。7/22/2023312.2.2協議及網絡軟件協議就是控制數據通信的一組規則。協議三要素：語法、語義、時序語法：數據的結構或格式，指數據表示的順序。語義：比特流每一部分的含義。時序：數據何時發送以及以多快的速率發送。網絡軟件包括網絡操作系統、網絡通信軟件、網絡管理及網絡應用軟件。7/22/2023322.2.3節點和鏈路節點：網絡中某分支的端點或網絡中若干條分支的公共交匯點。鏈路：設備之間的通信信道。7/22/202333二、通信設備之間的關系1、線路配置：兩個或兩個以上的通信設備連接到鏈路的方式。（1）點到點（2）多點連接7/22/2023342、拓撲結構網絡拓撲是所有鏈路和連接的所有設備相互之間的幾何表示，共有五種可能的基本網絡拓撲：網狀、星形、樹形、總線形、環形。7/22/202335（1）網狀網絡中任意兩站點間都有直接通路相連，所以任意兩站點間的通信無需路由，而且有專線相連沒有等待延遲故通信速度快，可靠性高。但是組建這樣網絡投資是非常巨大的，例如你在有4個站點的全互連拓撲網絡上增加一個站點，那么你就得在這個網絡上增加4根線使這4個站點的每一個站點都與新站點有一根線進行連接。由此也可看出這種全部互連型拓撲的靈活性差。但這種全部互連型拓撲結構適用于對可靠性有特殊要求的場合。7/22/202336星型拓撲結構是由中心結點和通過點對點鏈路連接到中心結點的各站點組成。星型拓撲結構的中心結點是主結點，它接收各分散站點的信息再轉發給相應的站點。目前這種星型拓撲結構幾乎是Ethernet雙絞線網絡專用的。這種星型拓撲結構的中心結點是由集線器或者是交換機來承擔的。星型拓撲結構有以下優點：

由于每個設備都用一根線路和中心結點相連，如果這根線路損壞，或與之相連的工作站出現故障時，在星型拓撲結構中，不會對整個網絡造成大的影響，而僅會影響該工作站。網絡的擴展容易?？刂坪驮\斷方便。訪問協議簡單。星型拓撲結構也存在著一定的缺點：過分依賴中心結點。成本高。（2）星形7/22/202337樹型拓撲是從總線拓撲演變過來的，形狀象一棵倒置的樹，頂端有一個帶有分支的根，每個分支還可延伸出子分支。樹型拓撲是一種分層的結構，適用于分級管理和控制系統。這種拓撲與其它拓撲的主要區別在于其根的存在。當下面的分支節點發送數據時，根接收該信號，然后再重新廣播發送到全網。這種結構不需要中繼器。與星型拓撲相比，由于通信線路總長度較短，故它的成本低，易推廣，但結構較星型復雜。

樹型拓撲結構有以下的優點：易于擴展。從本質上看這種結構可以延伸出很多分支和子分支，因此新的節點和新的分支易于加入網內。故障隔離容易。如果某一分支的節點或線路發生故障，很容易將這分支和整個系統隔離開來樹型拓撲的缺點是對根的依賴性太大，如果根發生故障，則全網不能正常工作，因此這種結構的可靠性與星型結構相似。（3）樹形7/22/202338總線型拓撲結構采用單根傳輸線作為傳輸介質，所有的站點（包括工作站和文件服務器）均通過相應的硬件接口直接連接到傳輸介質或稱總線上，各工作站地位平等，無中心結點控制。

總線型拓撲結構的總線大都采用同軸電纜?？偩€上的信息多以基帶信號型式串行傳送。某個站點發送報文（把要發送的信息叫報文），其傳送的方向總是從發送站點開始向兩端擴散，如同廣播電臺發射的信息一樣，又稱為廣播式計算機網絡，在總線網絡上的所有站點都能接收到這個報文，但并不是所有的都接收，而是每個站點都會把自己的地址與這個報文的目的地址相比較,只有與這個報文的目的地址相同的工作站才會接收報文。（4）總線形7/22/202339在總線型拓撲結構中，由于各站點通過總線來傳輸信息，并且各站點對于總線的使用權是平等，因此就產生了如何合理分配信道問題，這種合理解決信道分配問題的控制方法叫介質訪問的控制方式。總線型拓撲結構的介質訪問控制方式是叫CSMA/CD（載波監聽多路訪問/沖突檢測）?？偩€型拓撲結構有以下的主要優點：l

從硬件觀點來看總線型拓撲結構可靠性高。因為總線型拓撲結構簡單，而且又是無源元件。l

易于擴充，增加新的站點容易。如要增加新站點，僅需在總線的相應接入點將工作站接入即可。l

使用電纜較少，且安裝容易。l

使用的設備相對簡單，可靠性高。7/22/202340環型拓撲結構是由網絡中若干中繼器通過點到點的鏈路首尾相連型成一個閉合的環。這種環型拓撲結構使公共使用電纜型成環型連接。每個中繼器與兩條鏈路相連，由于環型拓撲的數據在環路上沿著一個方向在各節點間傳輸，這樣中繼器能夠接收一條鏈路上來的數據，并以同樣的速度串行地把數據送到另一條鏈路上，而不在中繼器中緩沖。每個站對環的使用權是平等的，所以它也存在著一個對于環型線路的“爭用”和“沖突”的問題。在環路上發送和接收數據的過程大致如下：

發送報文的工作站（簡稱發送站）將報文分成報文分組，每個報文分組包括一段數據再加上某些控制信息，在控制信息中含有目的地址。發送站依次把每個報文分組送到環路上，然后通過其它中繼器進行循環，每個中繼器都對報文分組的目的地址進行判斷，看其是否與本地工作站的地址相同，僅有地址相同工作站才接收該報文分組，并將分組拷貝下來，當該報文分組在環路上繞行一周重新回到發送站時，由發送站把這些分組從環路上摘除。由此可看出環路上某一結點發生故障，它將不能正常地傳送信息。

（5）環形7/22/202341環型拓撲結構有以下優點：路由選擇控制簡單。因為信息流是沿著固定的一個方向流動的，兩個站點僅有一條通路。電纜長度短。環型拓撲所需電纜長度和總線拓撲結構相似，但比星型拓撲要短。適用于光纖。光纖傳輸速度高，而環型拓撲是單方向傳輸，十分適用于光纖這種傳輸介質。環型網絡的缺點：結點故障引起整個網絡癱瘓。在環路上數據傳輸是通過環上的每一個站點進行轉發的，如果環路上的一個站點出現故障，則該站點的中繼器不能進行轉發，相當于環在故障結點處斷掉，造成整個網絡都不能進行工作。診斷故障困難。因為某一結點故障會使整個網絡都不能工作，但具體確定是哪一個結點出現故障非常困難，需要對每個結點進行檢測。7/22/202342（6）混合形拓撲7/22/2023433、傳輸模式：對兩個相互連接的設備之間的信號流動的方向進行定義。（1）單工模式（2）半雙工模式（3）全雙工模式7/22/2023444、網絡類型（1）按網絡的拓撲結構分類（2）按網絡的交換功能分類（3）按網絡的覆蓋范圍分類局域網，城域網，廣域網（4）按網絡服務的對象分類7/22/2023455、網際互連（internet)

將2個甚至多個計算機網絡互連起來，構成一個互聯網（internet)的環境。7/22/202346三、計算機網絡的功能和應用數據通信資源共享

計算機系統可靠性和可用性的提高

易于進行分布處理

7/22/202347四、數據通信的應用和發展前景1、遠程信息業務2、消息處理系統3、分組無線電網PRNET和分組衛星網PSNET4、綜合業務數字網ISDN5、利用各種通信網絡的消息系統6、應用于計算機綜合制造（CIM）7/22/202348五、交換分組技術數據交換是網絡中節點之間進行數據傳輸的基礎，數據交換方式有多種，如線路交換、報文交換和分組交換，其中分組交換是Internet采用的一種數據交換方式。7/22/202349使用線路交換方式，就是通過網絡中的結點在兩個站之間建立一條專用的通信線路。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。最普通的線路交換例子是電話系統。在通話之前，通過用戶的呼叫（即撥號），如果呼叫成功，則從主叫端到被叫端就建立了一條物理通路，這樣雙方就能進行通話了，當通話結束后雙方掛機，這時為進行通話所建立起來的物理通路就自動拆除了。其實，線路交換方式的通信也應包括這三種狀態，即線路建立、數據傳送和線路拆除。1、線路交換7/22/202350在數據交換中，對一些實時性要求不高的信息，可以采用另一種數據交換的方法叫報文交換。報文交換方式傳輸的單位是報文，在報文中包括要發送的正文信息和指明收發站的地址及其它控制信息。在這種報文交換方式中，不需要在兩個站之間建立一條專用通路。相反，如果一個站想要發送一個報文給另一站，它只要把一個目的地址附加在報文上，然后發送整個報文即可。報文從發送站到接收站，中間要經過多個結點，在這每個中間結點中，都要接收整個報文，暫存這個報文，然后轉發到下一個結點。2、報文交換7/22/202351報文分組交換是國際上計算機網絡普遍采用的數據交換方式。報文分組交換試圖綜合報文交換和線路交換的優點。報文分組交換原理是把一個要傳送的報文分成若干段，每一段都作為報文分組的數據部分，由于報文分組交換允許每個報文分組走不同的路徑，所以一個完整的報文分組還必須包括地址、分組編號、校驗碼等傳輸控制信息，并按規定的格式排列每個分組。報文分組交換的工作方式非常象報文交換，形式上的主要差別在于：在分組交換網絡中，要限制所傳輸的數據單位的長度。典型的最大長度是1000位到幾千位。3、分組交換7/22/202352分組交換適用于計算機網絡，在實際應用中有兩種類型：虛電路方式和數據報方式。

(1)數據報方式的工作原理

7/22/202353(2)虛電路方式

7/22/202354六、復用技術多路復用是指兩個或多個用戶共享公用信道的一種機制。通過多路復用技術，多個終端能共享一條高速信道，從而達到節省信道資源的目的，多路復用有頻分多路復用（FDMA），時分多路復用（TDMA），碼分多路復用（CDMA）幾種。

7/22/2023551、頻分復用頻分復用(FDM，FrequencyDivisionMultiplexing)就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶(或稱子信道)，每一個子信道傳輸1路信號。頻分復用要求總頻率寬度大于各個子信道頻率之和，同時為了保證各子信道中所傳輸的信號互不干擾，應在各子信道之間設立隔離帶，這樣就保證了各路信號互不干擾(條件之一)。頻分復用技術的特點是所有子信道傳輸的信號以并行的方式工作，每一路信號傳輸時可不考慮傳輸時延，因而頻分復用技術取得了非常廣泛的應用。頻分復用技術除傳統意義上的頻分復用(FDM)外，還有一種是正交頻分復用(OFDM)。7/22/2023567/22/2023572