计算机网络CH2网络通信基础.ppt
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1、计算机网络第2章网络通信基础1第2章网络通信基础2.1网络通信模型2.2传输介质2.2.1有线介质2.2.2无线介质2.3网络拓扑结构2.4多路复用2.4.1频分复用2.4.2时分复用2.4.3波分复用2.4.4码分复用2第2章物理层(续)2.5数据交换2.5.1电路交换2.5.2报文交换2.5.3分组交换32.1数据通信的基础知识2.1.1网络通信系统的模型传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机4几个术语n数据(data)运
2、送消息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。n“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。n“数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。n码元(code)在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。5数据的传输方式n单向通信(单工通信)只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信(半双工通信)通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信(全双工通信)通信的双方可以同时发送和接收信息。6并行传输与串行传输n并行传输数据的每一位各占一条信号线,所有的位并行传输。n串
3、行传输数据信号的若干位按位顺序串行排列成数据流,在一条信道上传输。7数据编码n数字数据编码为数字信号数字数据编码为数字信号n数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号n模拟数据编码为模拟信号模拟数据编码为模拟信号n模拟数据编码为数字信号模拟数据编码为数字信号81)数字数据编码为数字信号n1不归零NRZn2归零RZn3不归零反相编码不归零反相编码NRZI n4曼彻斯特n5差分曼彻斯特9不归零编码不归零编码(Non-Return to Zero,NRZ)(Non-Return to Zero,NRZ)n将数值将数值1映射为高信号,数值映射为高信号,数值0映射为低信号。映射为低信号。n优点优点 实
4、现起来简单而且费用低。实现起来简单而且费用低。n缺点缺点 1)连续连续“0”和连续和连续“1”问题问题 2)发送方和接收方的时钟不能精确同步发送方和接收方的时钟不能精确同步 比特 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0NRZ10 不归零反相编码不归零反相编码(Non-ReturntoZeroinverted,NRZI)n信号电平的一次信号电平的一次反转反转代表比特代表比特1,没有电平变化没有电平变化的信号代的信号代表比特表比特0。nNRZINRZI优于优于NRZNRZ编码编码:n由于每次遇到比特1都发生电平跳变,这能提供一种同步机制。数据流中的1都使接收方能根据信号的实
5、际到达来对本身时钟进行再同步。n一连串0仍会造成麻烦,但由于连续0出现不频繁,问题就小了许多。比特比特 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0NRZI11归零归零(Return to Zero,RZ)二进制“0”用低电平代表二进制“1”电平由高变低优缺点和NRZI基本相同12曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchestercoding)n曼彻斯特编码在每个比特间隔的中间引入跳变同时曼彻斯特编码在每个比特间隔的中间引入跳变同时用于同步和比特表示。用于同步和比特表示。n一个由低电平到高电平的跳变代表比特一个由低电平到高电平的跳变代表比特0,而高电而高电平到低电平的跳变代表比特
6、平到低电平的跳变代表比特1,反之亦可,反之亦可。n通过这种跳变的双重作用,达到了同步的效果通过这种跳变的双重作用,达到了同步的效果。比特 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 时钟Manchester13差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码n根据比特间隔的开始位置是否有跳变来表根据比特间隔的开始位置是否有跳变来表示不同的比特。示不同的比特。n开始位置有跳变代表开始位置有跳变代表“0”,无跳变代表,无跳变代表“1”,反之亦可。,反之亦可。比特 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 时钟差分Manchester14NZR,NZRI,Mancheste
7、r15NRZ、RZ、曼彻斯特、差分曼彻斯特16 曼彻斯特编码的效率曼彻斯特编码的效率nManchester编码可以保证在每个比特的正中间出现一编码可以保证在每个比特的正中间出现一个跳变,这对接收端提取比特同步信号是非常有利的个跳变,这对接收端提取比特同步信号是非常有利的n但从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点,这就是但从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点,这就是它所占的带宽比原始的基带信号增加了一倍,需要更它所占的带宽比原始的基带信号增加了一倍,需要更高频的电路设备,实际上是通过传输每位数中间的跳高频的电路设备,实际上是通过传输每位数中间的跳边方向来表示传输数据的值边方向来表示传输数据的值n
8、即它使链路上的信号跳变频率加倍,在相同条件下,即它使链路上的信号跳变频率加倍,在相同条件下,NRZ和和NRZI传输的比特是曼彻斯特编码的传输的比特是曼彻斯特编码的2倍,曼彻倍,曼彻斯特编码的编码效率仅为斯特编码的编码效率仅为50%。n曼彻斯特编码和差分曼彻斯特将数据和时钟都包含在曼彻斯特编码和差分曼彻斯特将数据和时钟都包含在编码中,所以二者都称为自同步编码。编码中,所以二者都称为自同步编码。17MB/NB 4B/5B 编码编码n每每4比特数据采用比特数据采用5比特的编码传给接收方。比特的编码传给接收方。n5比特代码是由以下方式选定的比特代码是由以下方式选定的:n 每个代码不会多于每个代码不会多
9、于1个的前导个的前导0并且末端也不会并且末端也不会多于两个多于两个0。n 得到的得到的5比特代码使用比特代码使用NRZI编码传输,编码传输,4B/5B编码的效率为编码的效率为80%184B/5B编码4比特数据比特数据 5比特编码比特编码 0000 11110 0001 01001 0010 10100 0011 10101 0100 01010 0101 01011 0110 01110 0111 01111 1000 10010 1001 10011 1010 10110 1011 10111 1100 11010 1101 11011 1110 11100 1111 1110119202)
10、数字数据编码为模拟信号(最基本的调制方法)n基带信号包含有低频成分,甚至直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制(modulation)。n最基本的二元制调制方法有以下几种:n振幅键控:载波的振幅随基带数字信号而变化。n移频键控:载波的频率随基带数字信号而变化。n移相键控:载波的初始相位随基带数字信号而变化。21基带数字信号的三种调制方法010011100基带信号振幅键控移频键控移相键控3)模拟数据编码为数字信号n脉冲编码法采样量化编码增量调制224)模拟数据编码为模拟信号n调幅n调频n调相23基带(baseband)和带通(bandpa
11、ss)信号n基带信号(即基本频带信号)信源信号。像计算机输出的各种文字或图像文件的数据信号都是基带信号。n基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。n带通信号把基带信号经过载波调制后,把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。2425信道的极限容量n实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。n码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,在信道的输出端的波形的失真就越严重。2526数字信号通过实际的信道n有失真,但可识别n失真
12、大,无法识别实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)接收信号波形2627信道能够通过的频率范围n1924年,奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下,为了避免码间串扰,码元的传输速率的上限值。n在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,否则就会出现码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。n如果信道的频带越宽,也就是能够通过的信号高频分量越多,那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。2728信噪比n香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高
13、斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。n信道的极限信息传输速率C 可表达为n C=Wlog2(1+S/N)b/snW 为信道的带宽(以Hz为单位);nS 为信道内所传信号的平均功率;nN 为信道内部的高斯噪声功率。2829香农公式表明n信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。n只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。n若信道带宽W 或信噪比S/N 没有上限(当然实际信道不可能是这样的),则信道的极限信息传输速率C 也就没有上限。n实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。2930请注意n对于频带宽度
14、已确定的信道,如果信噪比不能再提高了,并且码元传输速率也达到了上限值,那么还有办法提高信息的传输速率吗?n这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。异步、同步传输n异步传输以字符为单位进行传输,每个字符前加起始位,字符后加结束位。n同步传输帧同步帧起始同步字符和帧终止字符。位同步312.2物理层下面的传输介质无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 10
15、15 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱322.2.1有线介质n双绞线n屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)n无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光纤网络需要解决的最基本问题网络需要解决的最基本问题连通连通33连通什么?连通什么?网络基本需求:解决直连网络结点网络基本需求:解决直连网络结点间的通信间的通信网络由两类硬件构件:结点和网络由两类硬件构件:结点和链路链路结点:台
16、式机、服务器、工作站、结点:台式机、服务器、工作站、路由器、交换机。路由器、交换机。3435 UTP cable(photo)36屏蔽双绞线3738Cable specifications10BASE-T 10BASE5 10BASE2 39n10BASE-T,10BASE-5,10BASE-2,以太网的技术标准,10Base-2、10Base-5、10Base-T都是以太网的技术标准,传输速率为10Mbps,其中10Base-2技术以细同轴电缆为传输介质,10Base-5技术以粗同轴电缆为传输介质,10Base-T技术以非屏蔽双绞线为传输介质。n100Base-TX快速以太网标准支持平行/交
17、叉线自动识别功能。40nRJ-45有8根针,双绞线有8根线,实际通信中用到了1,2,3,6这四根线41双绞线的连接方法n双绞线的连接方法有两种:双绞线的连接方法有两种:Straight-through,直通线:,直通线:水晶头的两头按照相同的线序连接。水晶头的两头按照相同的线序连接。n Crossover交叉线:交叉线:1和和3,2和和6线序调换。线序调换。n Rollover:一头是:一头是1到到8,另外是,另外是8到到1,正好相反,用,正好相反,用于于pc到到router的的 Console端口端口n 网络设备(交换机,网络设备(交换机,hub、路由器)有的接口有、路由器)有的接口有X标标
18、记,有的没有记,有的没有X标记,如果连接线两端都有标记,如果连接线两端都有X标记或者标记或者都没有都没有X标记,我们称之为相同性质的端口,如果一头标记,我们称之为相同性质的端口,如果一头有有X标记,另一头没有标记,另一头没有X标记,称为不同性质的端口,标记,称为不同性质的端口,不同性质的端口之间用直通线,相同性质的端口之间用不同性质的端口之间用直通线,相同性质的端口之间用交叉线。交叉线。n相同性质的端口:相同性质的端口:Hub-Hub,Hub-Switch,Switch-Switch,Router-Router,Router-PC,PC-PCn不同性质的端口:不同性质的端口:PC-Hub,PC
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- 计算机网络 CH2 网络 通信 基础
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