1、复习：1. 我们要访问某个网站，必须打开浏览器，在地址栏中输入相关信息，这是由哪个层的哪个协议规定的？2. OSI 模型中，为传输层提供直接或间接服务的有哪几个层？3. 一个主机与一个中继系统能否称为一对对等实体？4. 只有两个端系统的通信系统中数据的封装与拆封过程如何？增加一个或多个中继系统之后呢？5. 每个中继系统都需要对数据进行拆封之后再封装，这句话如何理解？6. 会话层中设置的同步控制用于完成什么功能？7. 一次传输连接可以对应多个会话连接，这句话如何理解？反过来，一次会话连接也能对应多次传输连接，如何理解？1.http 协议2.网络层直接为传输层提供服务，数据链路层和物理层间接为传输
2、层提供服务3.不能，两者从网络体系结构上包含的层是不同的，完成的功能也完全不同4.数据在发送端由上到下进行封装，在接收端由下到上进行拆封；每个中继系统都会完成数据的自下而上的拆封和自上而下的封装5.中继系统中总是由一个端口接收数据，从物理接口接收开始向上逐层拆封，向外转发时则由上向下逐层封装，到物理接口发送6.当传输连接的意外中断引起会话过程的意外中断之后，只要新的传输连接建立起来，会话过程即可由断点之前最近的同步点处继续进行下去7.一次传输连接建立起来之后，完成一个会话连接后可以不断掉传输连接而继续进行下一次会话连接；从时间顺序上，多个会话连接必须是前后按顺序进行。一个会话连接可以因为传输连
3、接的中断而建立在多个传输连接的基础上来完成，也可以将一次会话内容分解到多个并行的传输连接中完成。第二章 数据通信基础数据通信基本知识传输媒体信号调制技术复用技术差错控制技术拥塞控制技术2.1 数据通信基本知识2.1.1 通信系统模型2.1.2 通信方式 数据通信中，按信号在传输介质中的传输方向，可分三种方式：单工、半双工、全双工。如图所示2.1.3 数字通信和模拟通信 数字通信：传输系统的物理链路上传输的是数字信号（数字信号是指离散的电信号，直接用两种不同的电压表示二进制的 0 和 1，又称基带信号） 模拟通信：传输系统的物理链路上传输的是模拟信号（模拟信号是指连续的载波信号）要表示路口红灯的
4、变化过程，要使用什么信号？要表示 24 小时天气温度的变化过程，要使用什么信号呢？信号传输过程的失真 由于物理链路存在电阻、电感和电抗，导致信号经过物理链路时会衰减，衰减程度与物理链路的长度成正比，衰减后的信号会产生失真，失真是指组成信号的不同频率的波形的不同程度的衰减所造成的信号形状发生变化，而不仅仅是指信号幅度等比例降低。如图所示失真基带信号的复原 基带信号只有两种幅度，通过设置一个阈值可以将失真后的信号恢复回两种幅度失真模拟信号的复原 模拟信号是幅度连续的信号，只能通过用放大电路放大信号的方法来弥补信号的衰减，但是正如我们听到的杂音很多的声音信号一样，若是为了听清楚原来的声音而采用扩音器
5、来放大，导致的结果是杂音一起放大，声音信号失真更严重，所以，用放大器放大信号后，会导致信号最终彻底失真数字通信与模拟通信对比分析 数字通信优于模拟通信 1、数字信号抗干扰能力强，容易再生（再生时能够将噪声彻底分离出去） ，能够实现跨多段物理链路的无失真传输 2、便于加密处理 数字通信的缺点 比模拟信号占据更宽的频带，例如一路模拟话音信号占用频段带宽为4kHz，而数字话音信号占用频段带宽为 2060kHz，在频率特性较差的物理链路上，如果中间没有再生电路，基带信号的传播距离比较短，若基带信号传输速率较大，问题则更严重。复习 数字信号在失真之后，如何根据阈值将信号的幅度恢复为原始的 1 或 0，恢
6、复之后，采用同步技术调整每个位的宽度，这里的同步指的是什么？ 通信系统模型中的三个要素分别是什么？为什么信源发出的信号要经过一些不同的变换过程才能送到信道上？ 衰减和失真是否是同一个概念？它们之间有怎样的关系？2.2 传输媒体 传输媒体又称传输介质，分有线介质和无线介质两种2.2.1 同轴电缆 同轴电缆由同心的内导体、电绝缘体、屏蔽层、保护外套组成。内导体是一根实心铜线，用于传输信号；外导体被织成网状，用于屏蔽电磁干扰和辐射。如图所示：同轴电缆分类根据同轴电缆的阻抗分类：50 和 75 两种 50 同轴电缆：用于传送基带数字信号，又称基带同轴电缆。根据直径的不同分为粗缆（抗干扰性能好，传输距离
7、远，无任何中继设备可达 500m，相应的标准为10Base5）和细缆（价格便宜但距离近，只能传输 185m，相应的标准为 10Base2 ） ，故实现远距离传输必须使用中继器。 75 同轴电缆：用于模拟信号的传输，传送的信号采用了频分复用的宽带信号，又称为宽带同轴电缆，是有线电视 CATV 中使用的标准同轴电缆。 2.2.2 双绞线 双绞线由两根绞合成有规则的螺旋形图样的绝缘铜线组成，线对纽绞在一起可以减少相互间的辐射电磁干扰。如图所示双绞线的分类 非屏蔽双绞线（UTP）：外皮为塑料，不具有屏蔽能力，又分为 16 类 UTP（包括超 5 类） ，类别值越高，缠绕密度越强，所使用的绝缘材料往往质
8、量也好，性能也好，其中超 5 类与 6 类在局域网中传输速率可达 1Gbps 屏蔽双绞线（STP）：外皮为金属，具有屏蔽能力，性能很好，但价格昂贵UTP 接头及特点 UTP 有两种接头：RJ45 头和 RJ11 头 RJ45 头以太网使用（8 芯） RJ11 头电话使用（2 芯） 根据 AT&T 接线标准，双绞线与 RJ45 接头的连接方法主要有两种标准： TIA-568-A 标准和 TIA-568-B 标准，它需要 4 根导线通信，两条用于发送数据，两条用于接收数据。 特点 结构简单，容易安装，普通 UTP 较便宜 信号衰减较大，传输距离有限（100m） 双绞线制作标准线序标准1 2 3 4
9、 5 6 7 8TIA-568-A白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕TIA-568-B白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕直通线缆与交叉线缆制作标准 直通线缆：水晶头两端都是遵循 568A 或 568B 标准，双绞线的每组绕线是一一对应的。颜色相同的为一组绕线。适用场合： 交换机端口与任何其他设备相连，一般都采用直通线缆 交叉线缆：水晶头一端遵循 568A，而另一端遵循 568B 标准。即两个水晶头的连线交叉连接，交叉线缆适用场合： 计算机网卡（终端）-计算机网卡（终端） 路由器端口-计算机网卡 端口不具有自适应能力的两个交换机之间问题说明-在 packet tracer 中进行如下连接
10、 主机与主机的对等连接（只能是交叉） 主机与路由器的连接（只能是交叉，分别使用交叉线缆和直通线缆连接后，在路由器配置中设置端口开启，观察效果） 端口具有自适应功能的交换机与其他设备连接 交换机与交换机的连接（随意） 交换机与主机的连接（随意） 交换机与路由器的连接（随意） 端口不具有自适应能力的交换机 交换机与交换机（只能是交叉） 交换机与主机（只能是直通） 交换机与路由器（只能是直通）总结：主机与路由器的端口结构相同；很多交换机的端口都是自适应的，即所有端口均支持自动翻转功能既可用作普通口,也可用作 Uplink 级联口 复习提问 TIA-568-A 接线标准中的线对顺序如何？B 标准呢，在
11、两种标准中，采用哪两对线缆传递信号？ 什么是直通线缆和交叉线缆？交换机与计算机的连接一般使用哪种？路由器与计算机的连接呢？端口具有自适应能力的交换机与任意其他交换机之间的连接？端口不具有自适应能力的两个交换机之间的连接？ 不使用中继设备的前提下，一根双绞线的最远传输距离是多少？使用中继设备后，双绞线连接的两个主机之间的最远传输距离是多少？2.2.3 光纤 光纤的结构及工作原理 光纤的全称为光导纤维（Optical Fiber） ，单根光纤主要是由纤芯和覆层构成的通信圆柱体。纤芯是光纤中心供光传输的通道，所有的光信号都通过纤芯传送，有光信号相当于“1” ，没有光信号相当于 “0”。纤芯主要是由二
12、氧化硅和其他元素制成。纤芯的外层是覆盖层，也是由二氧化硅制成，但折射率比纤芯低得多。 当光信号从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，当入射角足够大时，就会出现全反射，即光信号碰到包层时会全部折射回纤芯，这个过程不断重复，使光信号沿着光纤传播下去，距离可达数千米包层的折射率远小于纤芯的折射率只要从纤芯中射到包层表明的光信号的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射多模光纤 若纤芯直径比较大，可以同时有多条不同入射角的光信号传播，称为多模光纤。常见的直径为 50um 和 62.5um 光源一般采用红外发光二极管，光脉冲在多模光纤中传播时会逐渐展宽，造成失真，适合近距离传输（2
13、km 以内）单模光纤 光纤直径小到只有光的波长，则只有轴向角度的光信号能进入光纤，且保证光信号一直向前传播，而不会产生多次反射，称为单模光纤。 直径为 810um 光源采用红外激光，传输过程中，光的损耗非常低，距离可达到 3km 以上光缆 套塑后的光纤还不能直接在工程中使用，必须把若干根光纤疏松地放在特殊的塑料或铝皮内，加上一些缓冲材料和保护外套后做成光缆，一根光缆可以包括一到数百根光纤，加上加强芯和填充物后就可以大大提高光缆的机械强度，最后加上包带层和保护外套即可使抗拉强度达到几公斤，可以满足工程施工的要求。光缆切面图光线膏：作用 1：增强防潮能力作用 2：缓冲震动和冲击PBT 膏：提供良好
14、的耐侧压和温度特性轧纹钢带：增强耐侧压的能力注意，一根光纤只能完成单向数据传送光缆外观图2.3 信号调制技术 网络中引入调制技术的原因调制与解调 调制技术是将数字信号转换成模拟信号的技术，解调技术则是将模拟信号转换成数字信号的过程。 数字信号具有两种不同的状态：0 和 1 用于调制数字信号的模拟信号是正弦波信号，它具有三个基本特征：幅值、频率和相位，每个基本特征都具有多个不同的取值，例如幅值有大小，频率有高低，常用的相位有 0、90 、180和 270，因此，可用波形某个特征中两个不同的取值表示数字信号的两种不同的状态，因而引出三种基本调制技术：调幅、调频和调相。2.3.1 移幅键控调制技术
15、通常用低幅度的波形表示 0，高幅度的波形表示 12.3.2 移频键控调制技术 数字信号 1 用高频率表示，数字信号 0 用低频率表示（例如，一个 1 用两个波形表示，一个 0 用一个波形表示）2.3.3 相移键控调制技术 正弦波形的相位表示每个角度载波开始的形状，如图所示移相键控分类 绝对移相键控 在某个调制波形中，数字信号 1 和 0 都采用自己固定的相位，例如，用180相位表示 1, 0相位表示 0 相对移相键控 在调制波形中，二进制 0 用和前面信号相同相位的波形表示，二进制 1 用和前面信号相反相位的波形表示，又称为差分移相键控 DPSK 这种方式下，相位值并不固定，而是根据前一位信号
16、的相位值来确定绝对移相和相对移相波形图复习 从直径、同时允许的光线的路数、光源和传输距离四个方面简述多模光纤和单模光纤的区别 什么是调制技术？网络传输中为什么要使用调制技术？ 三种基本的调制技术分别是什么？在这三种技术中，每个单位的特征值能代表几位二进制信息？ 相移键控技术包含哪两种类型？对于二进制 1 和 0 的相位分别是如何规定的？ 四位二进制数能够表示的数字有多少个？分别是什么？2.3.4 正交调制技术 在上述三种基本调制技术中，每改变一次信号特征值，只能表示一位二进制数，而数据传输系统中，信号特征值的一次变化代表一个码元，码元的变化次数在单位时间内是有限的，称为码元传输速率，又称为波特
17、率。 若单位时间内信号特征值只能变化 1200 次，则上述三种基本调制技术中，信息的传输速率只能达到 1200bps 为了提高信息的传输速率，可以采取“改变一次信号特征值，表示多位二进制数”的方案，即让一个码元承载多位二进制数，又称为多元调制技术 例如，相移键控使用的特征值不仅仅限于 0和 180两个相位值表示的二进制数0 和 1，而是采用 0、90、180和 270四个不同的相位表示四组不同的两位二进制组合 00、01 、10、11正交相位调制 QPSK 输入的二进制位流以 2 位为单位进行调制（即一个码元携带 2 位信息，四元调制） ，此处采用绝对调相调幅与调频多特征值应用 在调幅与调频过
18、程中，也可以采取幅度或频率的多个取值增加信息的传输速率，但是调频技术受到限制，经常会采用调幅的方法，如图所示，四种不同的振幅变化，每次变化为一个码元，携带 2 位信息 1 1 1 0 0 1 0 0 0 01 10 1 多幅度值调幅示例-2正交幅度调制 QAM 同时改变信号的相位和幅度，使每个单位的特征值能够表示更多的二进制位，这种调制方式称为正交幅度调制 QAM 若是将前面四种相位中的每一种分别与四种振幅中的每一种两两组合，可以有多少种不同的特征取值？即信道中有多少种不同的码元？每个码元携带的信息量是几位？此时的信息传输速率是波特率的几倍？、在给定的四个振幅和四个相位中进行连线，得到最后的取
19、值个数带宽与数据传输速率之间的关系 没有噪声的理想物理链路的传输速率为： C=2Wlog2L W 为物理链路的带宽 L 为信号的状态数信号特征值的取值个数 例如：对于无噪声的理想物理链路，如果带宽为 3kHz，采用 4 个相位，每个相位4 种幅值的 QAM 调制技术，物理链路中的最大数据传输速率是多少？2.4 复用技术 一根有线电视线缆可以同时为我们传送多家电视台的不同节目，这是如何做到的？宽带网络技术架设到一个小区的电缆通常用一根光缆即可，它又如何做到为多个用户传递不同的网络信息？在远程通信系统中，传输信道提供的传输容量通常会远远大于一路信号的需求，为了有效利用通信线路，提高信道利用率，在通
20、信过程中经常采用多路复用技术（Multiplexing）复用技术的分类 适合模拟信号传输的频分复用 FDM-Frequency Division Multiplexing 适合数字信号传输的时分复用 TDM-Time Division Multiplexing 在光纤中传输光信号的波分复用 WDM-Wavelength（由于光信号的波长确定光信号的频率，因此，波分复用技术实际上也是一种频分复用技术）2.4.1 频分复用技术 举例：一路模拟电视信号需要带宽 6MHz（该带宽并不是完全被信号所占用，其中会包含保护带保证各路信号的频带间不发生重叠，不会相互干扰） ，一根 75同轴电缆提供的带宽在 4
21、00MHz 左右先由复用器将两路信号的频段分别调至 6MHz12MHz 和 12MHz18MHz，即完成频谱搬移过程，然后将三路位于三个不同频段的信号复合在一起进行传输，在接收端由分用器将信号还原为 06MHz，并根据信号和频段间的固定对应关系确定每一路信号2.4.2 时分复用技术 问题：多路传输速率为 64kbps 的数字信号共同使用一条传输速率为 2.048Mbps 的线路，如何实现？（说明：基带信号和模拟信号不同，单路基带信号占用线路的全部带宽，因此无法将信道划分为多个并排的子通道） 解决方案：将线路的传输时间以 T 为周期进行划分 假定 T=125US，则每一周期内线路可以传输的字节数
22、为 125us10-62.048106/8=32 传输速率为 64kbps 的信号的字节数为125us10-664103/8=1 所以，将 125us 划分为 32 个时间片（也称时隙） ，每个时隙分配给一路传输速率为 64kbps 的数字信号，32 个时隙可以同时传输 32 路速率为 64kbps的信号，即为时分复用在动画 1 出来之后，先设定线路的传输周期，引导同学们一起思考不同速率信号在给定的周期内传输的字节数每个人做不同的工作，其实也是时分复用技术的体现，一个老师给不同班上课，是时分复用技术时分复用举例 4 路 64kbps 信号共用传输速率为 256kbps 的信道 每一路 64kb
23、ps 信号每 125us 传输 1 个字节 传输速率 256kbps 的线路中每 125us 传输 4 个字节 可以将速率为 256kbps 的线路每 125us 划分为四个时隙，每个时隙固定分配给传输速率为 64kbps 的一路信号复用器中需要有缓冲器，存放 4 路信号在 125us 内到达的四个字节数据，以便在下个125us 通过各自对应的时隙完成传输时分复用总结 在前面例中，125us 称为线路传输数据的基本时间单位，称为帧长，帧长中的时隙长短则由信道本身的传输速率和用户要传输信号的传输速率共同决定，帧长中的时隙一定是平均分配给每路信号的 线路帧长越短，数据在复用器缓冲器中等待的时间越短
24、，但每一帧包含的数据也就越少，因为网络传输中，每个帧中除了必须要传递的数据，还要增加一些其他开销，所以，帧太短时会降低线路的有效利用率2.4.3 波分复用2.4.4 码分复用技术 码分复用技术 CDMA (Code Division Multiple Access) 又称码分多址技术，应用在无线通讯中， 它为每一个移动站分配一个码片，实际应用中码片是 64 位或 128 位二进制数，这里为了讨论方便，采用码片长度为 8 位 码片的特点-1 不同移动站的码片两两正交，即它们的内积结果为 0（内积是指两个 8 位二进制数的对应位相乘之和除以 8） 两个相同码片的内积结果为 1 码片和其反码的内积结
25、果为-1（反码是指某码片每个位都取其相反值，即+1 变为-1 ，-1 变为+1） 在计算时，二进制数 1 作为 +1,0 则作为-1，例如 A、B、C、D 四个移动站码片分别为 00011011(-1-1-1+1+1-1+1+1)、00101110(-1-1+1-1+1+1+1-1)、01011100(-1+1-1+1+1+1-1-1)、 01000010(-1+1-1-1-1-1+1-1)内积是指两个 8 位二进制数的对应位相乘之和除以 8码片的应用方式 当某个移动站需要发送二进制 1 时，移动站发送码片，而要发送 0 时，则发送反码，假定所有移动站实现位同步，即需要发送数据的移动站实现码片
26、同步，则所有移动站都可以同时使用频段和基站通信，却不会互相干扰 若 A 站发送 101，B 站发送 011，C 站发送 110，发送的码片分别如下： A (-1-1-1+1+1-1+1+1)(+1+1+1-1-1+1-1-1)(-1-1-1+1+1-1+1+1) B (+1+1-1+1-1-1-1+1)(-1-1+1-1+1+1+1-1)(-1-1+1-1+1+ 1+1-1) C (-1+1-1+1+1+1-1-1)(-1+1-1+1+1+1-1-1)(+1-1+1-1-1-1+1+1) 累计结果(-1+1-3+3+1-1-1+1)(-1+1+1-1+1+3-1-3)(-1-3+1-1+1-1+3+1)基站的识别过程 当基站收到累计结果时，分别用移动站 ABC 的码片内积累计结果，得到相应计算结果，即可得到每个移动站发送的数据（每 8 位内积结果要么是 +1，要么是-1） ，若某个站点没有发送数据，则得到的内积结果一定为 0 计算累计结果与 A 站码片的内积，得到+1 ，-1，+1
