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基础理论
课程技术基础
信息源
信源是发出信息的源，其作用是把各种可能消息转换成原始电信号。
信源可分为模拟信源和数字信源。
模拟信源（如电话机、电视摄像机）输出连续幅度的模拟信号;数字信源（如电传机、计算机等各种数字终端设备）输出离散的数字信号。
变换器（本书：
发送器）
因语声、图像等原始的消息不能以电磁波来传送，所以需要通过变换器将原始的非电消息变换成电信号，并再对这种电信号进一步转换，使其变换成适合某种具体信道传输的电信号。
这种电信号同样载有原有的信息。
例如电话机的送话器，就是将语声变换成幅度连续变化的电话信号，再进一步转换后送到信道上去。
信道
信道是指传输信号的通道，可以是有线的，也可以是无线的，有线和无线均有多种传输媒质。
信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰和噪声。
传输媒质的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。
反变换器（本书：
接收器）
反变换器的基本功能是完成变换器的反变换，即进行解调、译码、解码等等。
它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信号来。
对于多路复用信号，接收设备还具有解除多路复用和实现正确分路的功能。
信宿
信宿是传输信息的归宿，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。
噪声源
噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。
图1-1-1通信系统的一般模型
发送设备：
例子：
无线短信猫，具有卓越性能的短消息发送设备，它内嵌Motorola32位微处理器及4M内存、外置独一无二的LAN口通信、短信猫最大可集成32路通道、软硬件容错能力更是达到电信级标准；系统最大消息量每小时23040条的发送速度。
（不一定能接收短信）
接收设备：
完成变换器的反变换，即进行解调、译码、解码等等，对于多路复用还包括解除多路复用。
模拟数据通信与数字数据通信
一、通信信道与信道容量（CommunicationChannel&ChannelCapacity）
通信信道（CommunicationChannel）是数据传输的通路，在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信道。
物理信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质与有关通信设备组成；逻辑信道指在物理信道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻辑联系"，由此为传输数据信号形成的逻辑通路。
逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。
物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道，也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道。
信道容量（ChannelCapacity）指信道传输信息的最大能力：
对于数字信道一般用单位时间可以传输的最大二进制位（比特bit）数来表示，对于模拟信道则由信道的带宽表示。
信道容量的大小还受信道质量和可使用时间的影响，当信道质量较差时，实际传输速率将降低。
二、模拟数据通信和数字数据通信（AnalogDataCommunication&DigitalDataCommunication）
1.模拟数据与数字数据
我们一般将数据分为模拟数据和数字数据两大类。
模拟数据（AnalogData）是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。
数字数据（DigitalData）则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。
目前，ASCII美国信息交换标准码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）已为ISO国际标准化组织和CCITT国际电报电话咨询委员会所采纳，成为国际通用的信息交换标准代码，使用7位二进制数来表示一个英文字母、数字、标点或控制符号；图形、音频与视频数据则可分别采用多种编码格式。
2.模拟信号与数字信号
（1）模拟信号与数字信号
不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：
模拟数据一般采用模拟信号（AnalogSignal），例如用一系列连续变化的电磁波（如无线电与电视广播中的电磁波），或电压信号（如电话传输中的音频电压信号）来表示；数字数据则采用数字信号（DigitalSignal），例如用一系列断续变化的电压脉冲（如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0），或光脉冲来表示。
当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路（例如电话网、有线电视网）来传输。
当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。
（2）模拟信号与数字信号之间的相互转换
模拟信号和数字信号之间可以相互转换：
模拟信号一般通过PCM脉码调制（PulseCodeModulation）方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；数字信号一般通过对载波进行移相（PhaseShift）的方法转换为模拟信号。
计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。
但是更具应用发展前景的是数字信号。
3.模拟数据通信与数字数据通信
（1）模拟数据通信
路来传输模拟数据或数字数据对应的模拟信号。
例如目前我们广泛使用公用电话线路来传输语音或计算机数字数据对应的模拟信号，我们也可以使用公共有线电视网来传输视频和计算机数字数据对应的模拟信号；而微波与卫星通信传输的也可以是模拟数据或数字数据对应的模拟信号。
为了用模拟数据通信的方法实现模拟数据和数字数据的远距离传输，我们一般不直接传输模拟信号（包括由数字信号转换而来的模拟信号），而是在发送方使用某一频率的电磁波作为载波（Carrier），然后用模拟信号或数字信号对其进行调制（Modulation），调制后的载波信号（为模拟信号）占有以该载波频率为中心的一段频谱，并能在适于该载波频率的介质上传输；而在接收方则通过解调制（Demodulation）还原叠加于载波上的模拟信号或数字信号。
我们将可同时完成调制和解调的装置称为调制解调器（MODEM）。
（2）数字数据通信
数字数据通信（DigitalDataCommunication）指直接利用数字传输技术在数字设备之间传输数字数据，或模拟数据对应的数字信号。
由于计算机使用二进制数字信号，因而计算机与其外部设备之间，以及计算机局域网、城域网大多直接采用数字数据通信。
此外，目前北美采用的24路PCM脉码调制（速率为1.544Mpbs），以及欧洲和我国采用的30路PCM脉码调制（速率为2.048Mbps）电话系统均是数字数据通信系统。
由于数字数据通信传送的是离散的数字信号，即逐位传送二进制数字代码，因此要求系统应能确知传输线上正在传送的数位是0还是1。
（3）数字数据通信的优点
与模拟数据通信相比较，数字数据通信具有下列优点：
a.来自声音、视频和其他数据源的各类数据均可统一为数字信号的形式，并通过数字通信系统传输
b.以数据帧为单位传输数据，并通过检错编码和重发数据帧来发现与纠正通信错误，从而有效保证通信的可靠性
c.在长距离数字通信中可通过中继器放大和整形来保证数字信号的完整及不累积噪音
d.使用加密技术可有效增强通信的安全性
e.数字技术比模拟技术发展更快，数字设备很容易通过集成电路来实现，并与计算机相结合，而由于超大规模集成电路技术的迅速发展，数字设备的体积与成本的下降速度大大超过模拟设备，性能/价格比高
f.多路光纤技术的发展大大提高了数字通信的效率。
需要指出，鉴于传统公用电话网已在世界范围普及，目前家庭个人计算机用户大都通过电话线路与计算机网络相连；此外，随着卫星通信的发展，高容量、高宽带的多路复用传输也大大提高了模拟通信的传输效率。
但是，如果在两台计算机的通信线路之间，只有部分电路采用数字通信，则数字通信的优点并不能充分地得到发挥。
因此，为了提高通信效率，有条件的用户应安装数字数据通信专线，或直接接入局域网；此外，应大力发展陆上和海底的洲际光缆。
近20年来，数字数据通信技术已开始发展并得到广泛应用。
目前，数字通信已开始在长距离话音和数字数据领域逐渐替代传统的模拟通信。
计算机网络技术的应用发展，则大大推动了数字通信技术的迅速发展。
可以预言，数字数据通信最终将取代模拟数据通信。
1.单工（Simplex）方式：
通信双方设备中发送器与接收器分工明确，只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据。
采用单工通信的典型发送设备如早期计算机的读卡器，典型的接收设备如打印机。
2.半双工（HalfDuplex）方式：
通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以相互传送数据，但某一时刻则只能向一个方向传送数据。
例如，步话机是半双工设备，因为在一个时刻只能有一方说话。
3.全双工（FullDuplex）方式：
通信双方设备既是发送器，也是接收器，两台设备可以同时在两个方向上传送数据。
例如，电话是全双工设备，因为双方可同时说话。
传输速率：
比特率：
比特率表示单位时间（1秒）内传送的比特数bps（bitpersecond，位/秒）的速度。
通常我们使用kbps（通俗地讲就是每秒钟1000比特）作为单位。
cd中的数字音乐比特率为1411.2kbps（也就是记录1秒钟的cd音乐，需要1411.2×1000比特的数据），音乐文件的BITRATE高是意味着在单位时间（1秒）内需要处理的数据量（BIT）多，也就是音乐文件的音质好的意思。
音乐文件最常用的bitrate是128kbps，MP3文件可以使用的一般是8～320kbps，现场总线FF的为31.25kbps,数据量较小，难以传输图像，声音等信息。
波特率
数字通信中的数据传输速率与调制速率是两个容易混淆的概念。
数据传输速率（又称码率、比特率或数据带宽）描述通信中每秒传送数据代码的比特数，单位是bps。
当要将数据进行远距离传送时，往往是将数据通过调制解调技术进行传送的，即将数据信号先调制在载波上传送，如QPSK、各种QAM调制等，在接收端再通过解调得到数据信号。
数据信号在对载波调制过程中会使载波的各种参数产生变化（幅度变化、相位变化、频率变化、载波的有或无等，视调制方式而定），波特率是描述数据信号对模拟载波调制过程中，载波每秒中变化的数值，又称为调制速率，波特率又称符号率。
在数据调制中，数据是由符号组成的，随着采用的调制技术的不同，调制符号所映射的比特数也不同。
符号又称单位码元，它是一个单元传送周期内的数据信息。
如果一个单位码元对应二个比特数（一个二进制数有两种状态0和1，所以为二个比特）的数据信息，那么符号率等于比特率；如果一个单位码元对应多个比特数的数据信息（m个），则称单位码元为多进制码元。
2.2.1数字数据的模拟信号编码
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。
实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器（Modem）。
图2.6 远程系统中的调制解调器
模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：
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。
1.数字调制的基本形式
数字调制的三种基本形式：
移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。
图2.7 数字调制的三种基本形式
在ASK方式下，用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。
ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。
在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。
在FSK方式下，用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。
在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。
在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。
PSK可以使用二相或多于二相的相移，利用这种技术，可以对传输速率起到加倍的作用。
由PSK和ASK结合的相位幅度调制PAM，是解决相移数已达到上限但还要提高传输速率的有效方法。
2.公共电话交换网中使用调制解调器的必要性
公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号频带为300Hz～3400Hz，而数字信号频宽为0Hz～几千兆Hz。
若不加任何措施利用模拟信道来传输数字信号，必定出现极大的失真和差错。
所以，要在公共电话网上传输数字数据，必须将数字信号变换成电话网所允许的音频频带范围300Hz～3400Hz。
2.2.2数字数据的数字信号编码
数字信号可以直接采用基带传输。
基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，它是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。
基带传输时，需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。
1.数字数据的数字信号表示
对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。
a）单极性脉冲
b）双极性脉冲
c）单极性归零脉冲
d）双极性归零脉冲
e）交替双极性归零脉冲
图2.8 基脉冲编码方案
a）单极性不归零码，无电压表示"0"，恒定正电压表示"1"，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。
b）双极性不归零码，"1"码和"0"码都有电流，"1"为正电流，"0"为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。
c）单极性归零码，当发"1"码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发"0"码时，仍然不发送电流。
d）双极性归零码，其中"1"码发正的窄脉冲，"0"码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。
2.归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点
不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。
单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。
2.2.3模拟数据的数字信号编码
1.脉码调制PCM。
脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用≥有效信号最高频率或其带宽２倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号。
采样定理表达公式:
Fs（=1/Ts）≥2Fmax或Fs≥2Bs
式中 Ts为采样周期
Fs为采样频率
Fmax为原始信号的最高频率
Bs（=Fmax-Fmin）为原始信号的带宽
2.模拟信号数字化的三步骤
1）采样，以采样频率Fs把模拟信号的值采出；
2）量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；
3）编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。
图2.11 脉码调制（PCM）原理
2.2.4多路复用技术
多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。
频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。
1.频分多路复用FDM技术原理
在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是步分多路复用。
多路原始信号在步分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号要一个样以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。
为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。
（a）频分多路复用
（b）时分多路复用
图2.12 频分多路复用与时分多路复用
2.时分多路复用TDM技术原理
若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。
每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。
时分多路复用TDM不仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。
计算机网络的定义、演变和发展
1.1.1计算机网络的定义
计算机网络：
就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、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1.1一个典型的计算机网络示例
计算机网络：
资源子网＋通信子网
资源子网：
主机Host＋终端Ｔerminal
通信子网：
通信链路组成
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2.14为一个交换网络的拓扑结构
图2.14交换网络的拓扑结构
2.3.1电路交换的工作原理
1.电路交换的三个过程
1）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,若H1站要与H3站连接，典型的做法是，H1站先向与其相连的A节点提出请求，然后A节点在通向C节点的路径中找到下一个支路。
比如A节点选择经B节点的电路，在此电路上分配一个未用的通道，并告诉B它还要连接C节点；B再呼叫C，建立电路BC，最后，节点C完成到H3站的连接。
这样A与C之间就有一条专用电路ABC，用于H1站与H3站之间的数据传输。
2）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。
3）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.电路交换技术的优缺点及其特点
1）优点：
数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。
2）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。
3）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。
2.3.2报文交换的工作原理
问题的提出：
当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。
采用报文交换则不存在这种问题。
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。
当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。
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，再把整个报文传送给下一个节点。
因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。
一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。
2.报文交换的特点
1）报文从源点传送到目的地采用"存储--转发"方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。
2）在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。
3.报文交换的优点
1）电路利用率高。
由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。
2）在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。
而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。
3）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。
4）报文交换网络可以进行速度和代码的转换。
4.报文交换的缺点
1）不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。
2）有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。
2.3.3分组交换的工作原理
分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。
它适用于交互式通信，如终端与主机通信。
分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。
它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。
分组交换网是继电路交换网和报文交换网之后一种新型交换网络，它主要用于数据通信。
分组交换是一种存储转发的交换方式，它将用户的报文划分成一定长度的分组，以分组为存储转发，因此，它比电路交换的利用率高，比报文交换的时延要小，而具有实时通信的能力。
分组交换利用统计时分复用原理，将一条数据链路复用成多个逻辑信道，最终构成一条主叫、被叫用户之间的信息传送通路，称之为虚电路（V.C）实现数据的分组传送。
分组交换网具有如下特点：
（1）分组交换具有多逻辑信道的能力，故中继线的电路利用率高；
（2）可实现分组交换网上的不同码型、速率和规程之间的终端互通；（3）由于分组交换具有差错检测和纠正的能力，故电路传送的误码率极小；（4）分组交换的网络管理功能强。
分组交换的基本业务有交换虚电路（SVC）和永久虚电路（PVC）两种。
交换虚电路如同电话电路一样，即两个数据终端要通信时先用呼叫程序建立电路（即虚电路），然后发送数据，通信结束后用拆线程序拆除虚电路。
永久虚电路如同专线一样，在分组网内两个终端之间在申请合同期间提供永久逻辑连接，无需呼叫建立与拆线程序，在数据传输阶段，与交换虚电路相同。
分组交换数据网是由分组交换机、网路管理中心、远程集中器、分组装拆设备以及传输设备等组成。
（1）分组交换机实现数据终端与交换机之间的接口协议（X·25），交换机之间的信令协议（如X·75或内部协议），并以分组方式的存储转发、提供分组网服务的支持，与网路管理中心协同完成路由选择、监测、计费、控制等。
根据分组交换机在网络中的地位，分为转接交换机和本地交换机两种；
（2）网路管理中心（NMC）与分组交换机共同协作保证网路正常运行。
其主要功能有网路管理、用户管理、测量管理、计费管理、运行及维护管理、路由管理、搜集网路统计信息以及必要的控制功能等等，是全网管理的核心；（3）分组装拆设备（PAD）的主要功能是把普通字符终端的非分组格式转换成分组格式，并把各终端的数据流组成分组，在集合信道上以分组交织复用，对方再将收到的分组格式作相反方向的转换。
（4）远程集中器的功能类似于分组交换机，通常含有PAD的功
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