§3 计算机网络的通信子网

1. §3 计算机网络的通信子网

2. 3.1 通信子网概述 通信子网（communication subnet）是由用作信息交换的节点计算机和通信线路组成的通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工的交换等通信处理工作。 计算机网络分为： • 通信子网 • 资源子网

3. 3.2 数据通信的基本概念 3.2.1 信道带宽与传输延迟 一、信道：由相应的发送信息和接收信息的设备以及与这些发送和接收信息的相关设备军品接在一起的传输介质组成（可以说由传输线路和传输设备构成）。

4. 1 1 2 2 共享信道 独占信道 3 3 信息源 信息源 独占信道和共享信道

5. 数据 A B 监视信号 数据 A B 监视信号 通信方式 从信息传送方向和时间的关系角度研究。 单工通信方式： 信息只能单向传输，监视信号可回送。 半双工通信方式 信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。

6. 数据 A B 监视信号 通信方式 全双工通信方式 信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。

7. 二、信道的带宽 • 带宽：信道两端的发送接收设备能够改变比特信号的最大速率。用Hz（赫兹）表示。 • 例如，某信道的带宽是3000Hz，则表示该信道最多可以以每秒3000次的速率发送信号。

8. 比特率和波特率 (1)比特率：即数据传输率，指每秒传输多少二进制代码位数，故又称数据率，单位用：位/秒或记作b/s或bps。 (2)波特率：又称调制速率或波形速率。 是指线路上每秒传送的波形个数。 通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。 波特率与比特率的关系取决于信号值与比特位的关系。 S=Blog2N 例：每个信号值可表示３位，则比特率是波特率的３倍； 每个信号值可表示１位，则比特率和波特率相同。

9. 3.2.1 信道容量和信道复用 一、信道容量： 信道容量是指物理信道能够传送的最大数据率。 • 带宽：指物理信道的频带宽度，即允许的最高频率和最低频率之差 • 数据传输率：在有效的带宽上单位时间内可靠传输的二进制位数 实际应用中数据传输率要小于信道容量。

10. 信道容量 带宽和数据传输率的关系 1924年，奈魁斯特（H. Nyquist）推导出无噪声有限带宽信道的最大数据传输率公式： 最大数据传输率 = 2Wlog2L (bps) 任意信号通过一个带宽为W的低通滤波器，则每秒采样２W次就能完整地重现该信号，信号电平分为L级。

11. 有噪声信道的数据传输率 1948年，香农（C. Shannon）把奈魁斯特的工作扩大到信道受到随机（热）噪声干扰的情况。热噪声出现的大小用信噪比（信号功率与噪声功率之比）来衡量。 香农的主要结论是：带宽为 W 赫兹，信噪比为S/N的任意信道的最大数据传输率为 最大数据传输率= Wlog2(1 + S/N) (bps) Ｓ：信号功率， Ｎ：噪声功率 10log10S/N 单位：分贝（db）

12. 1.6.1 数据通信的基本概念 带宽和数据传输率的关系（续） 例如：电话系统的典型信噪比为30db; 信道的带宽为 300Hz~3400Hz，即带宽 W=3KHz, 信噪比S/N=1000 根据香农公式得出电话线的极限数据传输率 S= 3000*log2(1 + 1000) ≈30K(bps) 此式是利用信息论得出的，具有普遍意义； 与信号电平级数、采样速度无关； 此式仅是上限，难以达到。

13. 香农定理的意义 • 提高信号与噪声之间的功率比能增加信道容量； • 当噪声功率→0时，信道容量→∞，即无干扰信道的容量为∞，这时信道的最大数据传输率完全由带宽决定； • 信道容量一定时，带宽与信噪比S/N之间可以互换，即提高信噪比与提高带宽具有等价意义。

14. 香农定理的应用 • 在近距离传输时，通常噪声较小，信号功率损耗低，可以用未经调制的电脉冲信号直接传输，此时传输的信息量只与信号的带宽有关（D=2W）。 • 如果远距离传输，则必须提高信噪比，除了选择好的信号调制方式外，增加信号的功率是很重要的手段。 • 当信道的容量一定，如果信号的频率过低，则造成信道浪费，可以让不同的信息源共享信道，即信道复用。

15. 二、信道复用 由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。 • 频分多路复用 FDM (Frequency Division Multiplexing) • 时分多路复用 TDM (Time Division Multiplexing) • 波分多路复用 WDM (Wavelenth Division Multiplexing) • 码分多路复用 CDMA (Code Division Multiplexing Access)

16. 1、频分多路复用 FDM 多路复用的通道 原带宽 带宽被提升

17. 2、时分多路复用 TDM

18. 时分复用示例 T1信道

19. 3、波分多路复用 WDM

20. 4、码分多路复用 CDMA • CDMA是基于码型分割信道，即每个用户分配给一个地址码，且这些码型互不重复。其特点是频率与时间均可共享。

21. 三、三种信道连接方式 • 点到点连接 • 共享信道 • 信道复用

22. 3.2.3 异步传输和基带传输 一、异步传输

23. 数据同步技术 • 在通信过程中，接收端根据发送端的起止时间和重复频率来校正自已的基准时间与重复频率的过程称为同步过程。 这种统一收端与发端的措施称为同步技术。 • 数据同步技术需解决的问题： • 何时开始发送数据 • 发送过程中的数据传输速率 • 持续时间的长短 • 发送时间的间隔大小

24. 1 0 1 1 0 1 1 字符编码 起始位 终止位 奇偶校验 1、异步传输方式 • 异步传输方式的特点 • 各个位以串行方式发送，并附有起止位识别符 • 字符之间通过“空号”来间隔，效率低、速度慢

25. SYN SYN 信 息SYN SYN 6、同步传输方式 • 同步传输方式的特点： • 在同步方式中，信息不是以字符而是以数据块方式传输 • 在位流中采用同步字符来保证定时 • 同步信号的位数较异步方式少，效率较高 • 传输的信息中不能有同步字符出现，透明性较差

26. 数据传输类型 • 基带传输 在线路上直接传输数字二制信号 • 频带传输 利用模拟信道实现数字信号的传输 发送端要对数字信号进行调制（转换成模拟信号），在接收端要对模拟信号进行解调（转换成数字信号），可利用调制解调器实现转换。

27. 基带传输 基带数字信号的常用的几种编码方式： 1）不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero） 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。 缺点： a ) 难以分辨一位的结束和另一位的开始； b ) 发送方和接收方必须有时钟同步； c ) 若信号中“0”或“1”连续出现，信号直流分量将累加。 结论：容易产生传播错误。 2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。 优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。

28. 基带数字信号的常用的几种编码方式 3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester） 原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。 优点：时钟、数据分离，便于提取。 4）逢“1”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。 5）逢“0”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。

29. 基带数字信号的常用的几种编码方式 3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester） 原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。 优点：时钟、数据分离，便于提取。 4）逢“1”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。 5）逢“0”变化的NRZ码 原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。

30. 基带数字信号的常用的几种编码方式 NRZ 曼彻斯特 差分曼彻斯特 逢“1”变化NRZ 逢“0”变化NRZ

31. 频带传输 频带传输是将数字信号调制成模拟信号后进行传输， 根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术： • 幅移键控法 Amplitude-shift keying (ASK) • 频移键控法 Frequency-shift keying (FSK) • 相移键控法 Phase-shift keying (PSK)

32. 频带传输调制方式 1）幅移键控法（调幅） 幅移就是把频率 、 相位作为常量，而把振幅A作为变量，即： (t)= 0； (t)= 0； A(t)=A1,A2,…,An A(t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如：A(t) 取A1，A2，A1表示“0”，A2表示“1”。

33. 频带传输调制方式 2）频移键控法（调频） 频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即： (t)= 1, 2 ,…,n ； (t)= 0； A(t)=A0； (t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如： (t) 取1， 2， 1表示“0”， 2表示“1”

34. 频带传输调制方式 3）相移键控法（调相） 相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位作为变量，即： (t)= 0 ； (t)= 1, 2,…, n ； A(t)=A0； (t) 取不同的值表示不同的信息码。 例如： (t) 取1，2， 1表示“0”， 2表示“1”。

35. 频带传输调制方式

36. 3.2.5 调制解调器（Modem） • 为了在模拟信道上传输数字信号，需要将数字信号转换成模拟信号后传输，实现这种传换的设备称为调制器（Modulator）; • 在接收端，要从信号中过滤出数字信号，实现这种传换的设备称为解调器（demodulator）; • 为了实现全双工通信，每一个站都需要发送和接收数据，于是将调制器和解调器合在一起，做成单个设备，称为调制解调器（Modem）。

37. 3.2.6 集线器（HUB） • 集线器(HUB)是局域网LAN中重要的部件之一，它是网络连线的连接点。集线器有多个用户端口连接计算机和服务器之类的外围设备。一个以太网数据包从一个站发送到集线器上，然后它就被广播到集线器中的其它所有端口，所以基于集线器的网络仍然是一个 共享介质带宽的LAN，一定会发生冲突(Collision)。智能集线器的每一个端口都可以由网络操作员从集线器管理控制台上来配置、监视、连通或解释。集线器网络管理还可收集各种各样网络参数的有关信息，诸如通过集线器和它每一个端口的数据包数目、它们是什么类型的包、数据包是否包含错误，以及发生过多少次冲突等等。

39. 集线器的种类 一、独立型集线器　　独立型是带有许多端口的单个盒子式的产品。独立型集线器间或者是用一段10Base-2 同轴电缆把它们连接在一起，或者是在每个集线器上的独立端口之间用双绞线把它们连接起来。独立型集线器通常是最便宜的集线器，常常是不加管理的。它们最适合于小型独立的 工作小组、部门或者办公室。二、模块化集线器　　模块化集线器在网络中是很流行的，因为它们扩充方便且备有管理选件。模块化集线器配有机架或卡箱，带多个卡槽，每个槽可放一块通信卡。每个卡的作用就相当于一个独立型集线器。当通信卡安放在机架内卡槽中时，它们就被连接到通信底板上，这样，底板上的两个通信卡的端口间就可以方便地进行通信。模块化集线器的大小范围可从4到14个槽， 故网络可以方便地进行扩充。　三、堆叠式集线器　　第三种类型集线器是堆叠式集线器。除了多个集线器可以“堆叠”或者用短的电缆线连在一起之外，其外形和功能均和独立型集线器相似。当它们连接在一起时，其作用就像一个模块化集线器一样，可以当作一个单元设备来进行管理。在堆叠中使用的一个可管理集线器提供了对此堆叠中其它集线器的管理。当一个机构想以少量的投资开始而又满足未来的增长时，这种集线器是最理想的。

40. 3.2.7 交换机 • 交换机可以根据数据路层信息做出帧转发决策，同时构造自己的转发表；交换机运行在数据链路层，可以访问MAC地址，并将帧转发至该地址；交换机可以检查每一个收到的数据包，并对数据包进行相应的处理 ；可以过滤数据包或者重新生成并转发新包 。交换机的产生，导致了带宽的增加，可以有效增加网络容量，提升网络速度。目前，ATM交换机的价格居高不下，并且主要应用在大型网络的骨干网或者广域网中。

42. 一、三种方式的数据交换 1、Cut through（直通式交换技术）：封装数据包进入交换引擎后，在规定时间内丢到背板总线上，再送到目的端口，使用直通(开通)式交换技术的交换机转发数据包时只是简单地查看数据包中包含的接收方地址 ，这种交换方式交换速度快，但容易出现丢包现象；2、Store＆Forward（存储转发交换技术 ）：封装数据包进入交换引擎后被存在一个缓冲区，由交换引擎转发到背板总线上。存储转发交换机在转发数据时需要接收并分析整个数据包的内容，虽然检查整个数据包需要花费更多的时间，但是存储转发交换机可以及时捕获并过滤掉网络中的误包或错包，有效的改善网络性能。 这种交换方式克服了丢包现象，但降低了交换速度；3、Fragment Free：介于上述两者之间的一种解决方案。可以根据网络的运行情况，自动选择不同交换技术的混合型交换机。

43. 二、背板带宽与端口速率 • 　　交换机将每一个端口都挂在一条带宽很高的背板总线（CoreBus）上，背板总线即背板带宽。端口速率即端口每秒吞吐多少数据包。

44. 三、模块化与固定配置 交换机从设计理念上讲只有两种：一种是机箱式交换机（也称为模块化交换机），另一种是独立式固定配置交换机。1、机箱式交换机最大的特色就是具有很强的可扩展性，它能提供一系列扩展模块，诸如千兆以太网模块、FDDI模块、ATM模块、快速以太网模块、令牌环模块等等，所以能够将具有不同协议、不同拓扑结构的网络连接起来。它最大的缺点就是价格昂贵。机箱式交换机一般作为骨干交换机来使用。2、独立式固定配置交换机，一般具有固定端口的配置，这种交换机的可扩充性不如机箱式交换机灵活，但是生产成本却要低得多，价格也相对便宜很多。

45. 交换机与集线器的区别（1） 首先，从OSI/RM体系结构来看，集线器属于OSI的第一层物理层设备，而交换机属于OSI的第二层数据链路层设备，这就意味着集线器只是对数据的传输起到同步，放大和整形的作用，对数据传输中的短帧、碎片等无法进行有效的处理，不能保证数据传输的完整性和正确性；而交换机还可以过滤短帧、碎片等。

46. 交换机与集线器的区别（2） 其次，从工作方式来看，集线器是一种广播模式，也就是说集线器的某个端口工作的时候，其他所有端口都能够收听到信息，容易产生广播风暴，当网络较大时网络性能会受到很大的影响，而当交换机工作的时候，只有发出请求的端口和目的端口之间相互响应而不影响其他端口，因此交换机就能够隔离冲突域和有效的抑制广播风暴的产生。

47. 交换机与集线器的区别（3） 最后，从带宽来看，集线器不管有多少个端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有二个端口传送数据，其他端口只能等待，同时集线器只能工作在半双工模式下；而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，当二个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下而且可以工作在全双工模式下。

48. 交换机与集线器的区别总结 综上所述，集线器的功能只是一个多端口的转发器，无论从哪个端口传出来的讯号都会整形再生放大后向所有的端口广播出去，并且所有的端口都会挤用同一个共享信带的带宽，造成数据量大时所有端口的带宽大幅减少；而交换机相当于多端口桥，它为用户提供的是独占的点对点的连接，数据包只发向目的端口而不会向所有端口发送，这样减少了信号在网络发生碰撞，而且交换机上的所有端口均有独享的信道带宽，从这之中我们可看出用户采用交换机所独具的优点。

49. 工作组应用