1、第一讲 网络基本概念及数据通信知识,1.1 网络基本概念1.2 数据通信知识,教学目标1、回顾计算机网络相关概念及基本结构，为深入学习网络体系结构及网络规划作铺垫。2、回顾数据通信的相关概念及数据传输方式，为继续学习数据交换技术和信道复用技术打下基础。,重点： 1、计算机网络的定义及分类 2、计算机网络的功能与结构 3、数据通信的技术指标 4、信号传输方式 5、编码及调试技术 难点： 1、计算机网络的分类方式 2、计算机网络功能与结构的关系 3、Nyquist公式与Shannon公式 4、同步与异步的关系 5、数据编码技术,1.1 网络基本概念,一、计算机网络的形成与发展1、面向终端的通信网络
2、（20世纪5060年代）,主机,前端处理机（网卡）,modem,集中器,modem,终端,特点：采用多重线路控制器控制通信过程每个终端与主机通信时独占信道,2、计算机网络（ 20世纪6070年代）1969年，随着ARPANET的研制成功，计算机网络进入了新的时代。 特点：用资源子网和通信子网对网络进行划分提出分组交换技术采用层次模型与协议体系3、开放式标准化计算机网络（ 20世纪7090年代）随着计算机网络的快速发展，各种计算机网络在全世界逐步建立，需要有统一的标准将各种不同的异构网络连接起来。两种标准：1974年，文顿瑟夫提出TCP协议，后发展为TCP/IP协议，由开放式组织IAB管理。80
3、年代，ISO提出的OSI（开放式系统互联）体系结构4、宽带高速网络（90年代至今）1993年，美国克林顿政府提出“国家信息基础结构”（NII计划），用高速宽带网络将美国各地计算机连接起来，人们形象的称为“信息高速公路”。1994年，美国政府又提出GII计划，将全球网络通过IP协议无缝互联，形成全球互联网。,二、计算机网络定义利用通信设备和线路将自治的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件实现网络中资源共享和信息传递的系统。网络的主体：自治的计算机集合网络的目标：资源共享和信息传递,三、计算机网络的分类 计算机网络分类的方法有很多，常用的有： 1.按通信方式分 广播式网络点对点式网络2.按
4、覆盖范围分 局域网城域网广域网由于局域网应用广泛且伸缩性强，所以通常也按用途将局域网分为校园网、园区网、企业网等。3.按拓扑结构划分拓扑即抽象，将网络中的各结点抽象成点，线路抽象成线，整个网络就抽象成由点和线组成的几何图形。,按拓扑结构可分为：总线型 星 型环 型,优点：结构简单，成本低 缺点：广播式网络，效率低可靠性低，不易维护,优点：点对点，效率高易于维护 缺点：过于依赖中心结点,优点：可靠性高 缺点：造价高，不易维护,混合型：这里将树型和网状结构统一归为混合拓扑，在后面的课程中我们将详细讨论混合拓扑的结构及应用方法。,知识扩展：逻辑拓扑与物理拓扑网络拓扑也可分为逻辑拓扑和物理拓扑。逻辑拓
5、扑用于分析网络中各结点的通信控制方式、数据传输模式；而物理拓扑通常用于工程设计和施工图。逻辑拓扑和物理拓扑是研究同一网络拓扑的不同方面。例如：,在上图中，结点的连接方式即物理拓扑是星型，但从数据流向来看（虚线所示的逻辑拓扑），又是环型结构，我们将这种结构成为星型环（IEEE 802.5）。,四、计算机网络的组成结构 计算机网络的基本功能：数据处理、数据通信所以对应将网络分为 ：资源子网、通信子网,资源子网包括：主机（如：个人计算机、工作站、服务器）终端（有通信能力、无处理能力）网络共享设备（如：打印机、扫描仪）通信子网包括：通信控制处理机（网络结点，如交换机、路由器、经配置的主机）完成数据接收
6、、校验、存储转发功能通信线路（通信介质） 有线介质无线介质信号转换设备（如：调制解调器、光收发器）,1.2 数据通信知识,一、基本概念 1.数据（消息） 模拟数据：在某个区间连续变化的值，如声音、视频数字数据：在某个区间离散变化的值，如文本、整数 要将数据进行传播，必须将其转化为信号。2.信号：数据的编码，信号中包含了所要传递的数据。信号一般以时间为自变量，以数据的某个参量（特征，振幅、频率、相位）为从变量。信号可分为模拟信号和数字信号。3.通信系统根据传输的信号不同，可将通讯系统分为模拟通信系统和数字通信系统。与模拟通信系统相比，数字通讯系统抗干扰能力强，保密性高，利于通信设备的集成化和微型
7、化，但占用带宽过多，例如一路模拟电话仅占4khz带宽，而一路速率为64khz的数字电话带宽远高于4khz，可以说，数字通信的性能是以牺牲带宽为代价的。,4、信道：信息传输的通道，有以下几种划分方法：物理信道：物理通信的设备和线路。逻辑信道：抽象的、逻辑信息通道。有线信道：利用有线介质传送的信道。无线信道：利用无线介质传送的信道。模拟信道：传送模拟信号的信道。数字信道：传送数字信号的信道。专用信道：通过专线连接的信道。公共交换信道：通过公共交换机转接的信道。,二、数据通信指标1、数据传输率（比特率）s：每秒传输的有效二进制位的位数。单位：bps、Kbps、Mbps、Gbps、Tbps 等2、信号
8、传输率（波特率）B：每秒传输的码元个数。单位：Band波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数来表示 ， 波特率与比特率的关系为：比特率=波特率单个调制状态对应的二进制位数。（一个码元携带的二进制位数）例如：两相调制(单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应2个二进制位)的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍；依次类推。 3、带宽F：物理信道的频带宽度，即最高频率和最低频率之差。单位：Hz、KHz、MHz、GHz,4、信道容量：物理信道上能传输数据的最大能力。可用两种方法衡量。Nyq
9、uist公式：无噪声（理想）状态下码元最大传输率=2F Band（即带宽的两倍）Nyquist公式的另一种表示方式：每赫兹带宽的理想最高码元传输率为每秒2个码元。Shannon公式：在有高斯噪声干扰的情况下信道最大容量C=Flog2（1+s/n） bps其中F为带宽，s/n为信噪比注意： 用香农公式计算出的信道最大容量是理论极限值，只能无限接近，不能达到。,5、误码率：二进制码元在传送过程中出错的概率。6、吞吐量：单位时间内数据流入与流出量之间的比率。7、网络负荷：单位面积内网络中数据的分布量。网络负荷是否均匀是衡量网络拓扑结构是否合理、运行状态是否正常的重要标准。,三、数据传输方式 数据传输
10、的基本方式：串行传输和并行传输。 在计算机网络中常用串行传输（思考？）1、串行信道通信方式：单工通信： 数据在信道中只能单向流动半双工通信：数据在信道中不同时的双向流动全双工通信：数据在信道中同时的双向流动2、信号传送方式分类：根据信号源 基带传送：传送数字信号宽带传送：传送模拟信号根据同步方式 同步传送异步传送注意：同步不是同时。异步不是不同步，而是另一种同步方式。,3、同步技术：接收端和发送端在时间上保持一致。同步传输使用位同步法，即接收端和发送端在每一位上保持一致外同步法：接收端通过发送端发来的时钟与发送端保持一致自同步法：通过编码保持同步 不归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码异步传输使
11、用群同步法，即将信息分为若干“群”，每“群”保持同步，通常一个字符为一群。,四、编码和调制技术数据在信道上传输之前需根据不同的信道特征进行编码，下面回顾一下数据的编码方式。 数据传输有4种方式： 数字数据在数字信道上传输 数字数据在模拟信道上传输 模拟数据在模拟信道上传输 模拟数据在数字信道上传输 除了第种方式外，其余传输方式都涉及到编码和调制。,1.数字数据的模拟信号编码数字数据在模拟信道上传输 数字数据在模拟信道（例如电话线）上传输，需要将数字信号和模拟信号相互转换。 其中，将数字信号转换成模拟信号称为“调制”，将模拟信号转换为数字信号称为“解调”。用来进行调制和解调的设备称为“调制解调器
12、”（modem）。 基本的调制方法有3种：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM） 即移幅键控法、移频键控法、移相键控法。,2.数字数据的数字信号编码数字信号在数字信道上传输基本编码：单极不归零码、双极不归零码、单极归零码、双极归零码曼彻斯特编码用于以太网 用低电平到高电平的跳跃表示数据0； 用高电平到低电平的跳跃表示数据1；差分曼彻斯特编码用于令牌环网 用有电平变化表示数据0； 用无电平变化表示数据1；,3.模拟数据的数字信号编码模拟数据在数字信道上传输要将模拟数据转换成数字信号，需要通过采样和还原的方式进行。采样定理：Fs 2Bs 即采样频率应大于等于有效信号带宽的2倍。模/数转换步骤 （a）采样：以采样频率将模拟信号值读出； （b）量化：使连续的模拟信号变为时间轴上的离散值； （c）编码：将离散值转换成一定位数的二进制码；,
