1、计算机网络技术(第二版）第1章 计算机网络概述&本章任务:计算机网络的产生与定义 计算机网络的组成 计算机网络的分类 计算机网络的功能和应用 1.1 计算机网络的产生与定义 计算机网络是通信技术和计算机技术相结合的产物，它是信息社会最重要的基础设施，并将构筑成人类社会的信息高速公路。1.1.1 计算机网络的产生与发展 计算机网络的产生和发展以通信技术的发展为基础，通信技术不断更新和快速发展为计算机网络的产生奠定了良好的基石。1通信技术的发展 通信技术的发展经历了一个漫长的过程，1835 年莫尔斯发明了电报，1876 年贝尔发明了电话，从此开辟了近代通信技术发展的历史。通信技术在人类生活和两次世
2、界大战中都发挥了极其重要的作用。2计算机网络的产生 1946 年诞生了世界上第一台电子数字计算机，从而开创了向信息社会迈进的新纪元。20 世纪50 年代，美国利用计算机技术建立了半自动化的地面防空系统（SAGE），它将雷达信息和其他信号经远程通信线路送至计算机进行处理，第一次利用计算机网络实现远程集中控制，这是计算机网络的雏形。1969 年美国国防部的高级研究计划局（DARPA）建立了世界上第一个分组交换网ARPANET，即Internet 的前身，这是一个只有4 个结点的存储转发方式的分组交换广域网，1972 年在首届国际计算机通信会议（ICCC）上首次公开展示了ARPANET 的远程分组交
3、换技术。3计算机网络的发展 计算机网络的发展过程大致可分为以下四个阶段：第一阶段：以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机通信网（20世纪50年代）第二阶段：多个自主功能的主机通过通信线路互联，形成资源共享的计算机网络（20世纪60年代末）第三阶段：形成具有统一的网络体系结构、遵循国际标准化协议的计算机网络（20世纪70年代末）第四阶段：向互连、高速、智能化方向发展的计算机网络（始于20世纪80年代末）(1)面向终端的计算机通信网 1946年世界上第一台电子计算机ENIAC在美国诞生时，计算机技术与通信技术并没有直接的联系。自50年代开始，人们及各种组织机构使用计算机来管理他们的
4、信息的速度迅速增长。20世纪50年代初，美国为了自身的安全，在美国本土北部和加拿大境内，建立了一个半自动地面防空系统SAGE（译成中文为赛其系统），进行了计算机技术与通信技术相结合的尝试。人们把这种以单个计算机为中心的联机系统称做面向终端的远程联机系统。上述单机系统有以下两个主要缺点：主机既要负责数据处理，又要管理与终端的通信，因此主机的负担很重。由于一个终端单独使用一根通信线路，造成通信线路利用率低。此外，每增加一个终端，线路控制器的软硬件都需要做出很大的改动。为减轻主机的负担，可在通信线路和计算机之间设置了一个前端处理设置一个前端处理机（FEP），FEP专门负责与终端之间的通信控制，而让主
5、机进行数据处理；为提高通信效率，减少通信费用，在远程终端比较密集的地方增加一个集中器，集中器的作用是把若干个终端经低速通信线路集中起来，连接到高速线路上。然后，经高速线路与前端处理机连接。前端处理机和集中器当时一般由小型计算机担当，因此，这种结构也称为具有通信功能的多机系统，如图1-1-3所示。图1-2 具有通信功能的多机系统示意(2)多个自主功能的主机通过通信线路互联的计算机网络（计算机-计算机网络）该阶段也被看作是以共享资源为主要目的计算机网络发展阶段，它是由若干台计算机相互连接起来的系统，即利用通信线路将多台计算机连接起来，实现了计算机与计算机之间的通信。随着计算机应用的发展，出现了多台
6、计算机互连的需求。这种需求主要来自军事、科学研究、地区与国家经济信息分析决策、大型企业经营管理。他们希望将分布在不同地点的计算机通过通信线路互连成为计算机-计算机网络。网络用户可以通过计算机使用本地计算机的软件、硬件与数据资源，也可以使用连网的其它地方计算机软件、硬件与数据资源，以达到计算机资源共享的目的。1969 年在美国建成的ARPANET 是这一阶段的代表。，20 世纪60 年代至70 年代，分组交换的概念首先被提了出来，与此同时美国和前苏联两个超级大国一直处于相互对立的冷战阶段，美国国防部为了保证不会因其军事指挥系统中的主计算机遭受来自前苏联的核打击而使整个系统瘫痪，委托其所属的高级研
7、究计划局完成将多个大学、公司和研究所的多台计算机互连的课题，并于1969 年通过直接对分组交换的研究和应用，成功研制了世界上第一个计算机网络ARPANET。1969年ARPR网是计算机网络技术发展的一个重要的里程碑，它对发展计算机网络技术的主要贡献表现在以下几个方面：完成了对计算机网络的定义、分类与子课题研究内容的描述；提出了资源子网、通信子网的两级网络结构的概念；研究了报文分组交换的数据交换方法；采用了层次结构的网络体系结构模型与协议体系。ARPR网络研究成果对推动计算机网络发展的意义是深远的。这一阶段网络结构上的主要特点是：以通信子网为中心，多主机多终端。这种以通信子网为中心的计算机互连网
8、络的典型结构如下图所示：资源子网由网络中的所有主机、终端、终端控制器、外设（如网络打印机、磁盘阵列等）和各种软件资源组成，负责全网的数据处理和向网络用户（工作站或终端）提供网络资源和服务。通信子网由各种通信设备和线路组成，承担资源子网的数据传输、转接和变换等通信处理工作。网络用户对网络的访问可分为两类：本地访问：对本地主机访问，不经过通信子网，只在资源子网内部进行。网络访问：通过通信子网访问远地主机上的资源。计算机互联网络的逻辑结构计算机网络的资源子网与通信子网的结构使网络的数据处理与数据通信有了清晰的功能界面。计算机网络可以分成资源子网与通信子网来组建。通信子网可以是专用的，也可以是公用的。
9、为每一个计算机网络都建立一个专用通信子网的方法显然是不可取的，因为专用通信子网造价很高、线路利用率低，重复组建通信子网投资很大，同时也没有必要。随着计算机网络与通信技术的发展，70年代中期世界上便出现了由国家邮电部门统一组建和管理的公用通信子网，即公用数据网PDN。早期的公用数据网采用模拟通信的电话通信网，新型的公用数据网采用数字传输技术和报文分组交换方法。典型的公用分组交换数据有美国的TELENET、加拿大的DATAPAC、法国的TRANSPAC、英国的PSS、日本的DDX等。公用分组交换网的组建为计算机网络的发展提供了良好的外部通信条件。(3)标准、开放的计算机网络阶段 经过20世纪60年
10、代和70年代前期的发展，人们对网络技术、方法和理论的研究日趋成熟。，最终促成国际标准的制定，遵循网络体系结构标准建成的网络称为第三代网络。70年代初，一些大学和研究所为实现实验室或校园内多台计算机共同完成科学计算和资源共享的目的，开始了局部计算机网络的研究。1972年美国加州大学研制了Newhall环网；1976年美国XEROX公司研究了总线拓朴的实验性 Ethernet 网；1974年英国剑桥大学研制了Cambridge ring环网。这些都为80年代多种局部网产品的出现提供了理论研究与实现技术的基础，对局部网络技术的发展起到了十分重要的作用。局域网是继远程网之后发展起来的小型计算机网络，它
11、继承了远程网的分组交换技术和计算机的I/O 总线结构技术，并具有结构简单、经济实用、功能强大和方便灵活等特点，是随着微型计算机的广泛应用而发展起来的。目前存在着两种占主导地位的网络体系结构：一种是国际标准化组织ISO提出的OSI RM（开放式系统互连参考模型）；另一种是Internet所使用的事实上的工业标准TCP/IP RM（TCP/IP参考模型）。对于这两种网络参考模型的详细内容我们将在后面的章节中加以详细的论述。(4)高速、智能的计算机网络阶段 从20世纪80年代末开始，计算机网络技术进入新的发展阶段，其特点是：互联、高速和智能化。表现在：近年来，随着通信技术，尤其是光纤通信技术的发展，
12、计算机网络技术得到了迅猛的发展。光纤作为一种高速率、高带宽、高可靠性的传输介质，在各国的信息基础建设中使用越来越广泛，这为建立高速的网络铺垫了基础。发展了以Internet为代表的互联网 Internet是覆盖全球的信息基础设施之一，对于用户来说，它像是一个庞大的远程计算机网络。用户可以利用Internet实现全球范围的电子邮件、电子传输、信息查询、语音与图像通信服务功能。发展高速网络 1993年美国政府公布了“国家信息基础设施”行动计划(NII-National Information Infrastructure)，即信息高速公路计划。这里的“信息高速公路”是指数字化大容量光纤通信网络，用
13、以把政府机构、企业、大学、科研机构和家庭的计算机联网。研究智能网络 随着网络规模的增大与网络服务功能的增多，各国正在开展智能网络IN(Intelligent Network)的研究，以提高通信网络开发业务的能力，并更加合理地进行网络各种业务的管理，真正以分布和开放的形式向用户提供服务。智能网的概念是美国于1984年提出的，智能网的定义中并没有人们通常理解的“智能”含义，它仅仅是一种“业务网”，目的是提高通信网络开发业务的能力。从计算机网络的产生我们可以清楚的看到，没有通信技术和计算机技术的发展作为基础，就没有计算机网络技术的产生和快速发展。计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物，这主要体
14、现在两个方面：一方面，通信技术为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段；另一方面，计算机技术的发展渗透到通信技术中，又提高了通信网络的各种性能。即使到了今天当光纤代替铜缆，个人电脑代替很多专用计算机，服务器代替一些大型计算机的时代，我们看到计算机网络已经有了一个非常繁荣的今天，并且即将迎来了一个更加光明的未来。1.1.2 计算机网络的定义 所谓计算机网络，是指利用通信设备和线路，将分布在不利用通信设备和线路，将分布在不同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以同地理位置的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式和功能完善的网络软件（即网
15、络通信协议、信息交换方式和网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。图1-3 计算机网络模式示意图 概括起来说，计算机网络的定义涉及到以下四个要点：1通信线路 2网络结点 3网络协议 4网络操作系统计算机网络方向通信线路网络综合布线工程网络结点无线接入技术、计算机技术、网络设备工程网络协议网络新技术协议统一与研究网络操作系统网页网站建设、网络程序开发、网络操作系统管理网络服务管理与配置图1-4计算机网络概念的理解与技术方向 我们可以把计算机网络理解为独立的计算机结构的延伸，如下图所示：EISA总线扩充总线接口Modem串行Cache
16、处理机存储器系统总线图形 HOST/PCI桥SCSI接口LANUSB主控器AGP总线PCI总线 计算机中设备构成的总线结构计算机构成的网络结构图1-5 计算机网络与计算机结构的类比1.2 计算机网络的组成1.2.1 计算机网络硬件 网络硬件是计算机网络系统的物质基础。要构成一个计算机网络系统，首先要将计算机及其附属硬件设备与网络中的其它计算机系统连接起来。1主机(Host)2终端(Terminal)3传输介质 4常见连网设备(1)网卡（NIC-Network Interface Card）网卡又称为网络适配器或网络接口卡，是一种插入主机扩展槽的扩充卡，如图1-2-1所示。PCI网卡和PCMCI
17、A网卡 (2)调制解调器（Modem）Modem是一种信号转换装置。其作用是：发送信息时，将计算机的数字信号转换成可以通过模拟通信线路传输的模拟信号，这就是“调制”；接收信息时，把模拟通信线路上传来的模拟信号转换成数字信号传送给计算机，这就是“解调”。(3)中继器(Repeater)与集线器(HUB)中继器是最简单的网络延伸设备，其作用就是放大通过网络传输的数据信号。图1-6 中继器连接示意图 图1-7 集线器连接示意图(4)网桥(Bridge)网桥的作用是扩展网络的距离，减轻网络的负载。由网桥隔开的网络段仍属于同一网络，有相同的网络地址，但分段地址不同。(5)路由器（Router）路由器用于
18、连接多个逻辑上分开的网络。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。(6)其它 除了上面提到的连网设备，在广域网中还用到以下设备：线路控制器：主计算机或终端设备与线路上调制解调器的接口设备。通信控制处理机：负责通信处理工作的计算机。有多种名称，如，通信控制机(CCP-Communication Controller Processor)、前端处理机(FEP-Front End Processor)、接口报文处理机(IMP-Interface Message Processor)等。集中器、多路选择器：通过通信线路分别和多个远程终端相连接的设备。1.2.2 计算机网络软件 网络软件
19、主要包括：1网络操作系统：网络操作系统是网络的心脏和灵魂，负责管理和调度网络上的所有硬件和软件资源，使各个部分能够协调一致的工作，为用户提供各种基本网络服务，并提供网络系统的安全性保障。常用的网络操作系统有Windows 2003 Server、Netware、Unix、Linux等。2网络通信协议：在网络中，为了使网络设备之间能成功地发送和接收信息，必须制定相互都能接受并遵守的语言和规范，这些规则的集合就称为网络通信协议，如TCP/IP、SPX/IPX、NetBEUI等。3网络数据库系统：网络数据库系统是建立在网络操作系统之上的一种数据库系统，可以集中驻留在一台主机上（集中式网络数据库系统）
20、，也可以分布在每台主机上（分布式网络数据库系统）4网络管理软件：用来对网络资源进行管理和对网络进行维护。5网络工具软件：用来扩充网络操作系统功能的软件，如，网络通信软件、网络浏览器、网络下载软件等。6网络应用软件：基于计算机网络应用而开发并为网络用户解决实际问题的软件。如，铁路联网售票系统、物流管理系统、连锁超市销售管理系统等。1.3 计算机网络的分类 1.3.1 按网络的拓扑结构分类 网络拓扑可反映网络中各实体之间的结构关系，有星型、总线型、环型、树型和网状型等，其中星型、总线型、环型是三种基本的网络拓扑结构。图1-8 计算机网络的几种拓扑结构 1星型结构 星型结构是局域网中最常用的物理拓扑
21、结构，它一种集中控制式的结构（如图1-8(a)所示）：以一台设备为中央结点，其它外围结点都通过一条点到点的链路单独与中心结点相连，各外围结点之间的通信必须通过中央结点进行。这种拓扑结构的优点是：结构简单，容易实现，在网络中增加新的结点也很方便，易于维护、管理及实现网络监控，某个结点与中央结点的链路故障不影响其它结点间的正常工作。缺点是：对中央结点的要求较高。如果中央结点发生故障，就会造成整个网络的瘫痪。2环型结构 环形结构如图1-8(b)所示，各结点通过链路连接，在网络中形成一个首尾相接的闭合环路，信息在环中作单向流动，通信线路共享。这种拓扑结构的优点是：结构简单，容易实现，信息的传输延迟时间
22、固定，且每个结点的通信机会相同。缺点是：网络建成后，增加新的结点较困难；此外，链路故障对网络的影响较大，只要有一个结点或一处链路发生故障，则会造成整个网络的瘫痪。3总线型结构 总线型结构如图1-8(c)所示，网络中的所有结点均连接到一条称为总线的公共线路上，即所有的结点共享同一条数据通道，结点间通过广播进行通信。这种拓扑结构的优点是：连接形式简单、易于实现、组网灵活方便、所用的线缆最短、增加和撤消结点比较灵活（不如星型结构），个别结点发生故障不影响网络中其它结点的正常工作。缺点是：传输能力低，易发生“瓶颈”现象；安全性低，链路故障对网络的影响大，总线的故障会导致网络瘫痪；此外结点数量的增多也影
23、响网络性能。4其它结构树型结构：该结构可以看作是星型结构的扩展，是一种分层结构，具有根结点和各分支结点，如图1-8(d)所示。除了叶结点之外，所有根结点和子结点都具有转发功能，其结构比星形结构复杂，数据在传输的过程中需要经过多条链路，时延较大，适用于分级管理和控制系统，是一种广域网常用的拓扑结构。网状型结构：该结构由分布在不同地点、各自独立的结点经链路连接而成，每一个结点至少有一条链路与其它结点相连，每两个结点间的通信链路可能不止一条，需进行路由选择，如图1-8(e)所示。其优点是：可靠性高、灵活性好、结点的独立处理能力强、信息传输容量大；缺点是：结构复杂、管理难度大、投资费用高。网状型结构是
24、一种广域网常用的拓扑结构，互联网大多也采用这种结构 1.3.2 按网络的地理覆盖范围分类 根据计算机网络所覆盖的地理范围、信息的传输速率及其应用目的，计算机网络通常被分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、接入网（AN）。1局域网（LAN,Local Area Network）局域网也称局部网，是在局部范围内构建的网络，是指将有限的地理区域内的各种通信设备互连在一起的通信网，其覆盖范围一般在几公里以内，通常不超过10公里，属于一个部门或单位组建的小范围网络。2广域网（WAN,Wide Area Network）广域网指的是实现计算机远距离连接的计算机网络，可以把众多的城域网、
25、局域网连接起来，也可以把全球的区域网、局域网连接起来。3城域网（MAN,Metropolitan Area Network）城域网有时又称之为城市网、区域网、都市网，其规模介于局域网与广域网之间，范围可覆盖一个城市或地区，一般距离从几十千米到上百千米。4接入网（AN,Access Network）接入网又称为本地接入网或居民接入网。它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术，如图1-9 所示。图1-9 广域网、城域网、接入网和局域网的关系 对于几种常用的网络，我们可以将它们的特点总结如下表1-1所示：覆盖覆盖范围范围传输速传输速度度数据数据稳定性稳定性使用方向使用方向LAN很小
26、很快稳定局部资源共享，部分网络服务应用MAN小快稳定城市范围内的网络服务应用WAN大较快较稳定全世界范围内网络服务的广泛应用 1.3.3 按网络的管理方式分类 网络按照其管理方式可分为：客户机/服务器网络和对等网络。1客户机/服务器网络（Client/Server）在客户机/服务器网络中（以下简称C/S结构），有一台或多台高性能的计算机专门为其它计算机提供服务，这类计算机称之为服务器；而其它与之相连的用户计算机通过向服务器发出请求可获得相关服务，这类计算机称之为客户机。2对等网络 对等网络也称为点到点网络，指两台计算机之间通过一条物理线路连接。1.3.4 按网络的使用范围分类网络按照其使用范围
27、可分为公用网和专用网。1公用网公用网一般是由国家邮电或电信部门建设的通信网络，由政府电信部门管理和控制。按规定缴纳相关租用费用的部门和个人均可以使用公用网。例如公共电话交换网PSTN、数字数据网DDN、综合业务数字网ISDN等。2专用网 专用网是指单位自建的、满足本单位业务需求的网络。专用网不向本单位以外的人提供服务。如，金融、石油、军队、铁路、电力等系统均拥有本系统的专用网。随着信息时代的到来，各企业纷纷采用Internet技术建立内部专用网(Intranet)。它以TCP/IP协议作为基础，以Web为核心应用，构成统一和便利的信息交换平台。1.3.5 按计算机网络功能逻辑分类从功能上可以将
28、计算机网络逻辑划分为资源子网和通信子网。其中，资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络用户提供各种网络资源和网络服务。资源子网主要由主机、终端以及相应的I/O 设备、各种软件资源和数据资源构成。而通信子网的作用则是为资源子网提供传输、交换数据信息的能力。通信子网主要由通信控制处理机、通信链路及其他设备（如调制解调器等）组成。图1-11资源子网与通信子网1.4 计算机网络的功能和应用1.4.1 计算机网络的功能 1数据通信 数据通信是计算机网络最基本的功能之一，利用这一功能，分散在不同地理位置的计算机就可以相互传输信息。该功能是计算机网络实现其他功能的基础。2计算机系统的资源共享 对于用户所在站
29、点的计算机而言，无论硬件还是软件，性能总是有限的。一台个人电脑用户，可以通过使用网中的某一台高性能的计算机来处理自己提交的某个大型复杂的问题，用户还可以像使用自己的个人电脑一样，使用网上的一台高速打印机打印报表、文档等。3进行数据信息的集中和综合处理 将分散在各地计算机中的数据资料适时集中或分级管理，并经综合处理后形成各种报表，提供给管理者或决策者分析和参考，如自动订票系统、政府部门的计划统计系统、银行财政及各种金融系统、数据的收集和处理系统、地震资料收集与处理系统、地质资料采集与处理系统等。4均衡负载，相互协作 当某一个计算中心的任务很重时，可通过网络将此任务传递给空闲的计算机去处理，以调节
30、忙闲不均现象。5提高了系统的可靠性和可用性 当网中的某一处理机发生故障时，可由别的路径传输信息或转到别的系统中代为处理，以保证用户的正常操作，不因局部故障而导致系统的瘫痪。6进行分布式处理 对于综合性的大型问题可采用合适的算法，将任务分散到网中不同的计算机上进行分布式处理。以上只是列举了一些计算机网络的常用功能，随着计算机技术的不断发展，计算机网络的功能和提供的服务将会不断增加。1.4.2 计算机网络的应用 1方便的信息检索 计算机网络使我们的信息检索变得更加高效、快捷，通过网上搜索、WWW 浏览、FTP 下载，我们可以非常方便地从网络上获得所需的信息和资料。2现代化的通信方式 网络上使用最为
31、广泛的电子邮件目前已经成为一种最为快捷、廉价的通信手段。3办公自动化 通过将一个企业或机关的办公电脑及其外部设备连成网络，既可以节约购买多个外部设备的成本，又可以共享许多办公数据，并且可对信息进行计算机综合处理与统计，避免了许多单调重复性的劳动。4电子商务与电子政务 企业与企业之间、企业与个人之间可以通过网络来实现贸易、购物；政府部门则可以通过电子政务工程实施政务公开化，审批程序标准化，提高了政府的办事效率并使之更好地为企业或个人服务。5企业的信息化 通过在企业中实施基于网络的管理信息系统（MIS）和资源制造计划（ERP），可以实现企业的生产、销售、管理和服务的全面信息化，从而有效地提高生产率
32、。医院管理信息系统、民航及铁路的购票系统、学校的学生管理信息系统等都是管理信息系统的实例。6远程教育与E-learning 网络提供了新的实现自我教育和终身教育的渠道。基于网络的远程教育、网络学习使得我们可以突破时间、空间和身份的限制，方便地获取网络上的教育资源并接受教育。7丰富的娱乐和消遣 网络不仅改变了我们的工作与学习方式，也给我们带来了新的丰富多彩的娱乐和消遣方式，如网上聊天、网络游戏、网上电影院、视频点播等。8军事指挥自动化 基于C4I 的网络应用系统，把军事情报采集、目标定位、武器控制、战地通信和指挥员决策等环节在计算机网络基础上联系起来，形成各种高速高效的指挥自动化系统，是现代战争
33、和军队现代化不可缺少的技术支柱，这种系统在公安武警、交警、火警等指挥调度系统中也有广泛应用。第第2 2章章 数据通信技术基础数据通信技术基础&本章任务 数据通信的基本概念 数据的传输方式 2.1数据通信的基本概念 2.1.1 数据、信息、信号或信道 1数据 数据是指描述物体的数字、字母或符号，有模拟数据和数字数据之分。2信息 信息是人脑对客观物质的反映，既可以是对物质的形态、大小、结构、性能等特性的描述，也可以是物质与外部的联系。3信号 信号是数据在传输过程中的表示形式，是用于传输的电子、光或电磁编码，有模拟信号和数字信号之分。模拟信号（也称为连续信号）是随时间连续变化的电流、电压或电磁波。数
34、字信号（也称为离散信号）是一系列离散的电脉冲。模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表示：图2-1 模拟信号、数字信号的表示 4信道和带宽 信道是传输信号的通路，一条传输线路上可以存在多个信道。信号带宽指信号的频率范围，而信道带宽是信道上能够传输信号的最大频率范围。注意:信号带宽不能大于信道带宽，否则信号在信道上无法实现通信。2.1.2 数据的编码技术 1模拟数据和数字数据的表示 信息在信源/信宿处以模拟/数字数据形式存在，而在信道中以模拟/数字信号形式存在。模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输(如图2-2)；图2-2 模拟数据、数字数据的模拟信号、数字信号的传输表示(a)(c)
35、(b)(d)(1)模拟数据通信 模拟数据通信是用模拟信道传输数据，有以下两种形式：模拟信道传输模拟数据,如上图（b）模拟信道传输数字数据,如上图（b）(2)数字数据通信 数字数据通信是用数字信道传输数据，有以下两种形式：数字信道传输模拟数据,如上图（c）数字电话通信是它的一个应用模型，如下图所示。图2-3 数字信道传输模拟数据 数字数据可以用数字信号来表示。如上图（d）(3)两种数据通信的长距离传输及信号衰减的克服 模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是
36、使用中继器，把数字信号恢复为0、1的标准电平后继续传输。2数据的编码(1)数字数据的数字信号编码 数字信号编码的工作由网络上的硬件完成，常用的编码方法有以下三种：不归零码NRZ（non-return to zero）不归零码又可分为单极性不归零码和双极性不归零码。a)单极性不归零码与脉冲 b)双极性不归零码与脉冲 图2-4 不归零码 归零码 归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内会返回初始状态（零），如图2-5所示。归零码可分为单极性归零码和双极性归零码.c)单极性归零码与脉冲d)双极性归零码与脉冲 e)交替双极性归零码与脉冲图2-5 归零码 自同步码 自同步码是指编码在传输信
37、息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其它信道发送同步信号。局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如图2-6所示。图2-6 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 注：1、曼彻斯特编码在信号1/2处跳变时，从高到低跳变为“0”；从低到高跳变为“1”。2、查分曼彻斯特编码在信号开始时，有跳变为“0；无跳变为“1”。为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。图2-7 远程系统中的调制解调器 模拟信号传输的基础是载
38、波 载波信号可以表示为正弦波形式：f(t)=Asin(t+)，其中幅度A、频率和相位的变化均影响信号波形，即载波的三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码。相应的调制方式分别称为幅度调制ASK、频率调制FSK和相位调制PSK。图2-8 数字调制的三种基本形式 幅度调制 幅度调制简称调幅，也称为幅移键控（ASK amplitude-shift keying）调制原理：用两个不同振幅的载波分别表示二进制值0和1。图2-9 幅度调制 频率调制 频率调制简称调频，也称为频移键控（FSK frequency-shift ke
39、ying）调制原理：用两个不同频率的载波分别表示二进制值0和1。图2-10 频移键控 相位调制 绝对相移键控 绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字“0”和“1”（见图2-11），用公式可表示为：U(t)=Um sin(t+)数字“1”=Um sin(t+0)数字“0”图2-11 绝对相移键控 相对相移键控法 相对相移键控用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。最简单的相对调相方法是：与前一个信号同相表示数字“0”，相位偏移180度表示“1”，如图2-12所示。这种方法具有较好的抗干扰性。图2-12 相对相移键控 (4)模拟数据的数字信号编码 模拟数据的数字信号
40、编码最常用的方法是脉冲编码调制（PCM pulse code modlation）理论基础（香农采样定理）若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。PCM工作步骤图2-13 原始模拟信号 采样：根据采样频率，隔一定的时间间隔采集模拟信号的值，得到一系列模拟值，如图2-14所示。量化：将采样得到的模拟值按一定的量化级（本例采用16级）进行取整，得到一系列离散值，如图2-15所示。图2-14 对采样值量化 编码：将量化后的离散值数字化，得到一系列二进制值；然后将二进
41、制值进行编码，得到数字信号,如图2-15。图2-15 将量化编码 经过上面的处理过程，原来的模拟信号经PCM编码后得到如图2-3-13所示的系列二进制数据。图2-16 模拟数据的PCM编码 2.1.3 数据的通信模型 数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种通信方式和通信业务，其基本作用是完成两个实体间数据的交换。如图2-17是通信系统的一个实例，工作站可以通过公共电话网与另一端的服务器通信，也可以在公共电话网间交换声音信号。图2-17 通信系统实例 一个简单的通信系统模型如图2-18所示。图2-18 通信系统模型 这个模型的主要组成部分是：1信源/信宿 信源指信息的来源或发送者，信宿指信息的
42、归宿或接收者。在计算机网络中，信源和信宿可以是计算机或终端等设备。2信道 信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组成。同一条传输线路上可以有多个信道。例如：一条光缆可以同时供几千人通话，有几千条电话信道。3噪声 噪声是指信号在传输过程中受到的干扰，按产生的原因可分为内部噪声和外部噪声。4变换器 变换器的主要功能是在信源或信宿与信道之间进行信号的变换。2.1.4 通信系统主要技术指标（传输率、误码率、信道容量）1数据传输速率 数据传输速率是指传输线路上传输信息的速度，有数据传输速率和信号传输速率两种表示方法。(1)数据传输速率 数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制位的个数
43、，单位为比特每秒，表示为bps或b/s。数据传输速率可用如下公式表示：其中，S 表示比特率 T 表示脉冲宽度 N 表示一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数，通常为2的整数倍。例如，一连续信号f=1200Hz，每个信号可表示4个不同的状态，则数据传输速率（比特率）为2400bps：(2)信号传输速率 信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数，单位为baud（波特），可用如下公式表示：B=1/T 其中，B 波特率，T 信号周期。例如，若一连续信号f=1200Hz，则B=1/T=1200（波特）2误码率 误码率表示二进制数据位在传输中出错的概率，可用如下公式表示：Pe=N
44、e/N 其中，Pe 误码率，Ne 出错的位数，N 传输的总位数。例如，若数据传输10000个bit，接收经检查发现有一个bit错了，则误码率 Pe=10-5 误码率主要用于衡量数据传输的质量 3信道容量 信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率，单位为bps或b/s。4三个指标之间的关系 数据速率用于衡量信道传输数据的快慢，是信道的实际数据传输速率；信道容量用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率；误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。2.2 数据的传输方式 2.2.1 基带传输与频带传输 1基带传输 在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基
45、带。因此，数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。在基带传输中，整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。2频带传输 远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号
46、在模拟信道中传输。计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。2.2.2 并行传输与串行传输 1并行通信方式 并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单。图2-20 并行数据传输 串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成
47、串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用 图2-21 串行数据传输 2.2.3 单工、双工与半双工 串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，注：在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力，2.2.4 异步传输与同步传输 1异步传输 在数据通信中，异步传输又称群同步，是指传输的信息
48、被分成若干“群”。(1)异步传输分组的组成 在异步传输中，数据被划分成字符分组独立进行传输。该小组包含起始位、数据位、校验位（可选项）和停止位，具体如下：1 bit起始位：表示字符的开始 58bit数据位：表示要传输的字符内容 1bit校验位：用于进行奇校验或偶校验 12bit终止位：表示接收字符结束 2同步传输 同步传输又称位同步，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。2.2.5 多路复用技术 多路复用是指在一条物理信道上同时传输多路信息。工作原理见下图：图2-27 多路复用原理 优点：(1)仅需一条传输线路，可节省成本、安装与维护费用(
49、2)传输线路的容量得到充分的利用 2.2.6 数据交换技术 数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。图2-31为一个交换网络的拓扑结构 图2-31 交换网络的拓扑结构 (1)电路交换的三个过程 电路建立：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。如图2.14所示 数据传输：电路ABC建立以后，数据就可以从A发送到B，再由B交换到C；C也可以经B向A发送数据。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。电路拆除：数据传输结束后，由某一方（A或C）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。(2)电路交换技术的
50、优缺点及其特点 优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费：在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。特点：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。图2-32 电路交换和报文交换 2报文交换的工作原理 (1)报文交换原理 报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址
