信息化导论第5讲通信与计算机网络A.ppt

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1、第5讲 通信与计算机网络,5.1 常用通信工具,人类文明源于人们之间的信息交流。在交流中，信息不断聚变、繁衍，知识不断增长、沉淀，社会不断繁荣、发展。与此同时，人类也为了追求时空限制的突破，进行更快捷的交流，不断研发新的通信技术。通信就是信息的传输、处理与交换过程。通信工具的发展和演变，反映了人类文明和社会进步的历程。,5.1.1 自然方式通信,5.1.1 自然方式通信,西安钟楼,巴黎圣母院：维克多.雨果：漂亮的吉普赛女人埃斯米莲达和在巴黎圣母院里驼背的敲钟人卡西莫多,苏州寒山寺,5.1.1 自然方式通信,信号弹,烽火台又称烽燧，俗称烽堠、烟墩,鸡鸣驿它是一个始建于元朝的驿站，中国古代的“邮政

2、”事业、来往商人都要依赖的休憩之地。它是成吉思汗西征路上的“站赤”，为大汗的战绩立下了汗马功劳。几百年过去，在1913年，北洋政府“裁汰驿站，开办邮政”的命令把它淘汰出历史舞台。如今，它是国内现存最大、功能最齐全，保存最完好的古代驿站。,跨越时间的通信,广西西南左江流域的宁明、龙洲等壮族聚居地区，已发现有多处花山崖壁画，据有关专家统计所有花山崖壁画的图案超过个，其中人像就有多个，已有多年的历史。,跨越时间的通信,楔形文字的指公元前年左右，由苏美尔创造的一种文字。这种文字多刻写在石头和泥版上。笔划呈楔状，颇像钉头或箭头。古代西亚的阿卡得人、巴比伦人、亚述人、波斯人等，都曾使用过这种文字。,距今5

3、000多年前，古埃及出现了象形文字，后来被欧洲人称作Hirpglyphe这是希腊语“神圣”与“铭刻”组成的复合词，即“神的文字”。古埃及人认为他们的文字是月神、计算与学问之神图特（Thoth）造的，和中国人“仓颉造字”的传说很相似。,甲骨文字,在长期的自然方式通信中，人们渴望的通信方式： 跨越时空 可控 远距离 一对多、多对多 安全保密 随着科学与技术的进步，人们的这些愿望逐渐得以实现,19世纪中叶以后，随着电报、电话的发有，电磁波的发现，人类通信领域产生了根本性的巨大变革，实现了利用金属导线来传递信息，甚至通过电磁波来进行无线通信，使神话中的“顺风耳”、“千里眼”变成了现实。从此，人类的信息

4、传递可以脱离常规的视听觉方式，用电信号作为新的载体，同此带来了一系列铁技术革新，开始了人类通信的新时代。,1864年，英国物理学家麦克斯韦（J.c.Maxwel）建立了一套电磁理论，预言了电磁波的存在，说明了电磁波与光具有相同的性质，两者都是以光速传播的。,5.1.2 电 报,1888年，德国青年物理学家海因里斯.赫兹（H.R.Hertz）用电波环进行了一系列实验，发现了电磁波的存在，他用实验证明了麦克斯韦的电磁理论。这个实验轰动了整个科学界，成为近代科学技术史上的一个重要里程碑，导致了无线电的诞生和电子技术的发展。,电磁波的发现产生了巨大影响。不到6年的时间，俄国的波波夫、意大利的马可尼分别

5、发明了无线电报，实现了信息的无线电传播，其他的无线电技术也如雨后春笋般涌现出来。,1901年12月，意大利发明家马可尼（1874.4,251937.7.20日）成功地用莫尔斯电码传输无线电信号，首次跨越了大西洋，距离远达3200公里。此事一经传开即引起轰动，马可尼一夜之间成为世界名人。,一九三三年，马可尼在中国,1837年，美国人塞缪乐.莫尔斯（Samuel Morse）成功地研制出世界上第一台电磁式电报机。他利用自己设计的电码，可将信息转换成一串或长或短的电脉冲传向目的地，再转换为原来的信息。1844年5月24日，莫乐斯在国会大厦联邦最高法院会议厅进行了“用莫尔斯电码”发出了人类历史上的第一

6、份电报，从而实现了长途电报通信。,电报如何传输信息呢？ 莫尔斯在笔记本上记下了新的设计方案：“有火花出现可以看成是一种符号，没有火花出现是另一种符号，没有火花的时间长度又是一种符号。这三种符号组合起来可代表字母和数字，就可以通过导线来传递文字了。”于是，一种点、划和空白的组合来表示字母诞生了著名的“莫尔斯电报码”终于在1937年诞生了。这是电信史上最早的编码,5.1.3 电话,1. 电话的发明,1684年,英国科学家胡克就提出了远距离传送话音的建议。 19世纪50年代，一批科学家受电报发明的启发，开始了用电传送声音的研究。 1796年，休斯提出了用话筒接力传送语音信息的办法。虽然这种想法不太切

7、合实际，但他给这种通信方式起了一个一直沿用至今的名字telephone（中国人曾经将之直译为“德律凤”，后来使用了意译“电话”）。 1854年，法国人鲍萨尔按照电报机的原理设想了电话原理：将两块薄金属片用电线相连，一方发出声音时，金属片振动，变成电，传给对方。但是，这仅仅是一种设想,有关电话发明的4个人,美籍苏格兰人亚历山大格雷厄姆贝尔 (Alexander Graham Bell，18471922） 美国人艾利沙格雷（Elisha Grey，August 2, 1835.8.2 1901.1.21） 托马斯阿尔瓦爱迪生（Thomas Alva Edison，18471931） 美籍意大利人安

8、东尼奥梅乌奇（Antonio Meucci，18081889）,贝尔设想：如果人对着一块铁片说话，声音将引起铁片振动；若在铁片后面放上一块电磁铁的话，铁片的振动势必在电磁铁线圈中产生 时大时小的电流。这个波动电流沿电线传向远处，远处的类似装置上不就会发生同样的振动，发出同样的声音。这个试验在1875年6月2日取得成功。1876年2月14日贝尔到美国专利局申请了电话专利权。然而，就在他提出申请两小时之后，另一位美国发明家艾利沙格雷也申请了电话专利权。,格雷的设计原理与贝尔有所不同，是利用送话器内部液体的电阻变化，而受话器则与贝尔的完全相同。但由于在具体时间上比贝尔晚一点（只晚了2个小时左右），最

9、终败诉。1876年3月7日，贝尔获得发明电话专利，专利证号码NO:174655。,1877年，爱迪生取得了发明碳粒送话器的专利。同时，还有很多人对电话的工作方式进行了各种各样的改进。专利之争错综复杂，直到1892年才算告一段落。造成这种局面的一个原因是，当时美国最大的西部联合电报公司买下了格雷和爱迪生的专利权，与贝尔电话公司对抗。长时期专利之争的结果是双方达成一项协议，西部联合电报公司完全承认贝尔的专利权，从此不再染指电话业，交换条件是17年之内分享贝尔电话公司收入的20%,不过，这件事并没有最后了结。2002年6月16日，美国众议院通过表决，推翻了贝尔发明电话的历史，认定安东尼奥梅乌奇为电话

10、的发明者，梅乌奇因而被称为“电话之父” 梅乌奇是一位贫穷的佛罗伦萨移民。19世纪30年代，他移居古巴。在研究用电击法治病的过程中，他发现声音能以电脉冲的形式沿着铜线传播。他在1850年移居纽约后继续这项研究，并制作出电话的原型。1860年，他公开展示了这套装置。当时纽约的意大利文报纸报道了这一消息。,2. 电话网络,我国长途电话网的网络结构为分级汇接网，长途电话网的等级分为五级，C1为大区交换中心，C2为省交换中心，C3为地区交换中心，C4为县交换中心。到1992年底我国共有8个C1(北京、沈阳、天津、上海、南京、广州、西安、成都)，有3个国际局(北京、上海和广州)。本地电话网的网路结构一般设

11、置汇接局(Tm)和端局(C5)两个等级。Tm局可分为市话汇接局、效区汇接局、农话汇接局等，C5称五级交换中心，即本地电话网端局。,3. 电话交换机,最早采用的是磁石式电话交换机(magneto telephone exchange)，接着出现了共电式电话交换机(common battery telephone exchange)， 这些都是人工交换机，必须由接线员(operator)来完成使用者电话间的接线和拆线。,1. 人工交换,自动交换机是靠使用者发送号码(被叫使用者的位址编号)进行自动选线的。世界上第一部自动交换机是1898年由美国人A.B.史端乔(Almon B.Strowger，图5

12、.13)发明的。阿尔蒙.B.史端乔本是美国堪萨斯一家殡仪馆的老板。,1891年3月10日，史端乔获得了发明“步进制电话交换机”的专利权。1892年11月3日，史端乔发明的步进制电话交换机在美国印第安纳州的拉波特城投入使用，这便是世界上第一个自动电话局。,2. 步进交换（史端乔交换机）,当用户拨号时，交换机内相应的选择器就随着拨号时发出的脉冲电流一步一步地改变接续位置，将主叫和被叫用户间的电话线路自动接通。这个脉冲使接线器中的电磁铁吸动一次，接线器就向前动作一步。用户拨号码“2”，就发出两个脉冲，使电磁铁吸动两次，接线器就向前动作两步，由此类推。所以，这种交换机就叫做“步进制自动电话交换机”。,

13、步进制交换机的替代产品是纵横式交换机。1919年，瑞典的电话工程师帕尔姆格伦和贝塔兰德发明了一种自动交换机，叫做“纵横制交换机(crossbar telephone switching system)”并申请了专利。“纵横制”名称来自纵横接线器的构造。,现代电话交换机是存储程序控制电话交换机（stored program control telephone switching system，PBX），简称程控电话交换机，是利用电子计算机技术，用预先编好的程序来控制电话的接续工作。1965年5月，美国贝尔系统的1号电子交换机问世，它是世界上第一部开通使用的程控电话交换机。,1950年 时分多路通

14、信应用于电话系统 1951年 直拨长途电话开通 1956年 铺设越洋通信电缆 1969年 电视电话业务开通 20世纪70年代程控数字交换机、光纤通信系统投入使用 20世纪90年代 蜂窝电话系统开通，各种无线通信技术不断涌现。 1997年 68个国家签定国际协定，互相开放电信市场,5.1.4 移动通信,移动通信(Mobile communication)是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。,1. 移动通信的基本类型,（1）蜂窝移动通信。蜂窝移动通信也称小区制移动通信。它把整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设

15、置一个基站（BS），负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心（MSC）相互联系，并与市话局（PSTN）连接。利用超短波电波传播距离有限的特点，离开一定距离的小区可以重复使用频率，使频率资源可以充分利用。每个小区的用户数在1000以上，全部覆盖区的最终容量可达100万用户。,表5.2 宏蜂窝与微蜂窝的区别,表5.2 宏蜂窝与微蜂窝的区别,（2）集群移动通信。集群移动通信也称大区制移动通信。它的特点是只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30公里，发射机功率可高达200瓦。用户数约为几十至几百，可以是车载台，也可是以手持台。它们可以与基站通信，也可通过基站与其它移动台

16、及市话用户通信，基站与市站有线网连接。,（3）卫星移动通信。卫星移动通信是利用卫星转发信号实现移动通信的系统。卫星移动通信按照所运行的轨道一般可分为静止轨道、中轨道（MEO）以及低轨道（LEO）等3类；按覆盖区域可分为区域性卫星移动通信和全球卫星移动通信两大类。全球卫星移动通信系统可实现区域性卫星移动通信功能。,对地静止轨道是位于地球赤道平面上、距离地球的高度约为36 000km圆形轨道，并且卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行周期与地球自转一周的时间（24小时）相等。因此，卫星相对于地球是静止的。在地球同步轨道上部署3颗通讯卫星，即可实现除两极外的全球通讯。,中轨道高度约为10 000km

17、，代表性的中轨道卫星移动通信系统主要有奥德赛和ICO系统。但这两种系统均未能投入使用。,低轨道高度一般为5002 000km。由于轨道很低，因而带来如下好处： 信号的路径衰耗极小，信号时延极短。 卫星研制周期短，费用低，能以“一箭多星”的方式发射。图5.18 全球星通信系统 可做到真正的全球覆盖。,全球星系统是由美国劳拉公司和高通公司于1991年发起创建的低轨卫星移动通信系统。如图5.18所示，该系统由均匀分布在8个轨道面上的48颗卫星组成，可在全球范围(不包括南北极)内向用户提供“无逢隙”覆盖的卫星移动通信。全球星系统设计简单，既没有星间链路,也没有星上处理和星上交换功能，仅仅作为地面蜂窝系

18、统的延伸和补充,从而扩大了移动通信系统的覆盖。,作为信息超远控制的遥控、遥测和遥感技术也是非常重要的技术。遥控是利用通信线路对远处被控对象进行控制的一种技术，用于电气事业、输油管道、化学工业、军事和航天事业；遥测是将远处需要测量的物理量如电压、电流、气压、温度、流量等变换成电量，利用通信线路传送到观察点的一种测量技术，用于气象、军事和航空航天业；遥感是一门综合性的测量技术，在高空或远处利用传感器接收物体辐射的电磁波信息，经过加工处理或能够识别的图像或电子计算机用的记录磁带，提示被测物体一性质、形状和变化动态，主要用于气象、军事和航空航天事业。,（4）无绳电话。对于室内外慢速移动的手持终端的通信

19、，则采用小功率、通信距离近的、轻便的无绳电话机。它们可以经过通信点与市话用户进行单向或双方向的通信。,2. 手机制式,（1）GSM。GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。包括GSM900MHz、GSM1800MHz及GSM1900MHz等几个频段。GSM系统的主要特点是，防盗拷能力佳、网络容量大、号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量底等。,（2）CDMA。CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）是在数字技术的分支扩频通信技术上发展起来的一

20、种崭新而成熟的无线通信技术。具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本。关于CDMA的原理，在第5.2.2节中将有一个初步介绍。,（3）3G。3G是第三代移动通信技术，是下一代移动通信系统的通称。与现有的技术相比较而言，3G技术的主要优点是能极大地增加系统容量、提高通信质量和数据传输速率。此外利用在不同网络间的无缝漫游技术，可将无线通信系统和Internet连接起来，从而可对移动终端用户提供更多更高级的服务。,5.1.5 电 视,1920年美国无线电专家康拉德在匹兹堡建立了世界上第一家商业无线电广播电台，从此广播事业在世界

21、各地蓬勃发展，收音机成为人们了解时事新闻的方便途径。1924年第一条短波通信线路在瑙恩和布宜诺斯艾利斯之间建立，1933年法国人克拉维尔建立了英法之间和第一第商用微波无线电线路，推动了无线电技术的进一步发展。,电磁波的发现也促使图像传播技术迅速发展起来。1922年16岁的美国中学生菲罗.法恩斯沃斯设计出第一幅电视传真原理图，1929年申请了发明专利，被裁定为发明电视机的第一人,2. 电视机的工作原理,电视信号从点到面的顺序取样、传送和复现是靠扫描来完成的。各国的电视扫描制式不尽相同，在中国是每秒25帧，每帧625行。每行从左到右扫描,每帧按隔行从上到下分奇数行、偶数行两场扫完，用以减少闪烁感觉

22、。扫描过程中传送图像信息。当扫描电子束从上一行正程结束返回到下一行起始点前的行逆程回扫线，以及每场从上到下扫完，回到上面的场逆程回扫线均应予以消隐。在行场消隐期间传送行场同步信号，使收、发的扫描同步，以准确地重现原始图像。,3. 彩色电视国际制式,目前，世界上有13种电视体制，三大彩电制式，兼容后组合成30多个不同的电视制式。但它们都是基于如下3种制式而形成的。,（1）NTSC（National Television System Committee，美国国家电视制式委员会）制式，简称为N制，也称正交平衡调幅制。美国、加拿大、墨西哥等大部分美洲国家以及台湾、日本、韩国、菲律宾等均采用这种制式。

23、香港部份电视公司也采用NTSC制式广播。 （2）PAL（phase alternation line，相位逐行交变）制式，也称正交平衡调幅逐行倒相制。中国、德国、英国、新加坡、澳大利亚和其它一些西北欧国家采用这种制式。 （3）SECAM（squential couleur mmoire，顺序传送彩色和存储）制式，也称行轮换调频制。法国、前苏联和东欧一些国家采用这种制式。,1928年美国西屋电器公司的兹沃尔金发明了光电显像管，并同工程师范瓦斯合作，实现了电子扫描方式的电视发送和传输。 1935年美国纽约帝国大厦设立了一座电视台，次年就成功地把电视节目发送到70公里以外的地方。 1938年兹沃尔金

24、又制造出第一台符合实用要求的电视摄像机。经过人们的不断探索和改进， 1945年在三基色工作原理的基础上美国无线电公司制成了世界上第一台全电子管彩色电视机。 1946年，美国人罗斯.威玛发明了高灵敏度摄像管，同年日本人八本教授解决了家用电视机接收天线问题，从此一些国家相继建立了超短波转播站，电视迅速普及开来。 20世纪60年代 彩色电视问世。,图像传真也是一项重要的通信。自从1925年美国无线电公司研制出第一部实用的传真机以后，传真技术不断革新。1972年以前，该技术主要用于新闻、出版、气象和广播行业；1972年至1980年间，传真技术已完成从模拟向数字、从机械扫描向电子扫描、从低速向高速的转变

25、，除代替电报和用于传送气象图、新闻稿、照片、卫星云图外，还在医疗、图书馆管理、情报咨询、金融数据、电子邮政等方面得到应用；1980年后，传真技术向综合处理终端设备过渡，除承担通信任务外，它还具备图像处理和数据处理的能力，成为综合性处理终端。静电复印机、磁性录音机、雷达、激光器等等都是信息技术史上的重要发明。,1957年 发射第一颗人造地球卫星 1958年 发射第一颗通信卫星,1962年 发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；,5.1.6 通信模型,观察通信的视角,从功能组成的角度,源站(Source)：源站设备产生传输的数据，例如电话机和个人电脑。 发送器( Transmitter)：通常

26、源系统生成的数据不会以它最初生成时的格式直接传输，而是通过一个发送器将这些信息转化并编码成为能够在各种传输系统中进行传输的电磁信号。例如，调制解调器从与之相连的设备上获得一个数字比特流(比如从个人电脑上)，并将此比特流转化成能够在电话网上传输的模拟信号。 传输系统(Transmission system)：它有可能是一根单独的传输线，也可能是连接在源设备和目的设备之间的复杂网络系统。 接收器(Receiver)：接收器接收来自传输系统的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。例如，调制解调器接收来自网络或传输线路上的模拟信号，并将其转换成数字比特流。 目的站Destination：目的站设

27、备从接收养获取传送来的信息。,5.1.7 计算机网络,计算机技术与通信技术的结合,1. 计算机网络的诞生,到计算机中心计算,20世纪40年代，计算机问世。在此后的二、三十年间，基本的应用特点是：体积庞大、价值连城、无法共享、应用率低、大部分时间要花费在路上。,多终端分时计算机系统,远程终端,早期，使用 “终端通信线路计算机”结构，由一台主机与若干台终端，通过通信装置连接到电话系统组成，通信装置是调制解调器，将计算机或终端发出的数字信号变换为可在电话交换系统中传输的模拟信号，或进行相反变换。,以后，为减轻主机负担，用一台计算机（称前端处理机）专门负责与终端的通信工作；为提高线路利用率，降低成本，

28、用低速线路把附近终端送来信息通过集中器（Concentrator）先汇总，再用高速线路把汇总的信息送入主机去处理。,早在1951年，美国麻省理工学院林肯实验室就开始为美国空军设计称为SAGE的自动化地面防空系统。该系统将17个防区内的机场、雷达观测站、高炮阵地、防空导弹和控制中心的两台计算机通过通信线路连接起来，由计算机对传来的数据进行处理，指挥员据此做出决策。该系统最终于1963年建成，被认为是计算机和通信技术结合的先驱。,在20世纪50年代初，美国航空公司与IBM公司开始联合研究计算机通信技术应用于民用系统方面的技术，并于60年代初投入使用飞机订票系统SABRE-I。该系统将遍布美国的20

29、00多个售票终端联到一个中央处理机上。,1968年美国通用电气公司投入运行了最大的商用数据处理网络信息服务系统（GE Information Eervices），地理范围从美国到加拿大、欧洲、澳大利亚和日本。由于地理范围大，因此可以利用时差充分利用资源。,计算机主机互联,网络互联,在20世纪60年代，美国军方为寻求将其所属各军方网络互联的方法，由国防部下属的高级计划研究署（Advanced Research Project Agent，简称ARPA）出资赞助把在洛杉矶的加利福尼亚州大学洛杉矶分校、加州大学圣巴巴拉分校、斯坦福大学、犹他州大学四所大学的4台大型计算机通过专门的接口信号处理机(IM

30、P)和专门的通信线路相互连接，以便这些学校之间可以互相共享资，并将之称为ARPANET。 1966年12月，罗伯茨开始全面负责ARPA网的筹建。1968年，一套完整的设计方案正式启用。同年，首套ARPA网的硬件设备问世。1969年10月，罗伯茨完成了首个数据包通过ARPA网由UCLA（加州大学洛杉矶分校）出发，经过漫长的海岸线，完整无误地抵达斯坦福大学的实验。 1969年12月，Internet的前身美国的ARPA网投入运行，它标志着计算机网络的兴起，并为后来的计算机网络打下了坚实的基础。,1983年初，美国军方正式将其所有军事基地的各子网都联到了ARPANET上。这标志着Internet的正

31、式诞生。 ARPANET实际上是一个网际网（internet work），当时的研究人员简称为internet，并用Internet这一称呼来特指为研究建立的网络原型。这一称呼被沿袭至今。 Internet问世后，每年加入Internet的计算机成指数式增长。,计算机网络全球互联,2. 计算机网络的分类,（1）按地域分, 局域网 指分布于一个部门、校园或一个建筑物内的网络，其相距不超过十公里。通常是一个部门或者一个单位的网络，由于仅限于局部区域，简称为局域网（Local Area Network ，简写为LAN ）。通常采用同轴电缆（细缆，已淘汰）或双绞线为传输介质，速率为10Mbps、100

32、Mbps、1000Mbps几种。 城域网 范围局限于几十公里内的城市区域，主要用于城市内部的信息传输。主干网采用的传输介质为光纤，速率为几百Mbps至几个Gbps，它可提供数据、语音和电视等的传输功能。由于主要采用的是局域网的技术，所以也可看作是一种局域网。 广域网 其覆盖的地理范围十分广阔，可以跨越不同的国家或地区，采用的网络技术较局域网复杂得多，其主干网的传输介质多为光纤，速率从几百Mbps到几个Gbps。,（2）按拓扑结构分,3. 计算机网络的功能,（1）信息服务。计算机网络可以实现计算机之间的数据通信，包括语音等多媒体通信。目前广泛应用的基于计算机网络的通信方式有：文件传送（file

33、transfer protocol, FTP）、电子邮件（E-Mail）、IP电话、万维网（world wide web,WWW）、电子布告（bulletin board service,BBS）、网络聊天等。与此同时，还提供信息处理和存储等服务。 （2）资源共享。资源包括计算机硬件资源、软件资源和信息资源。“共享”是指可以互通有无和异地使用。例如，使用异地的大型计算机进行本地计算机无法进行的计算、从远地的计算机上获得自己计算机中没有的文件信息等。 （3）均衡负载，提高计算机系统的可靠性。在计算机网络中,各台计算机间可以互为后备，可以将重要信息保存在不同计算机上，或为一台计算机系统指定后备计算

34、机。这样，某台计算机负荷过重，可以转移到由比较空闲的计算机上进行，使负荷可以按照资源得到合理调整和配置；一旦某台计算机出现故障，可以从后备计算机中获得信息或得到工作支持，不仅使系统中的负荷均匀，还提高了计算机系统的可靠性。,5.2 通信关键技术,5.2.1 信号调制与编码,1. 模拟信号与数字信号,2. 数字信号的谐波分析和传输带宽要求,3. 数字信号的模拟调制,4. 模拟信号的数字编码脉冲编码调制技术,1937年，英国人里夫斯（A.H. Reeves）提出脉冲编码调制（PCM）技术，打开了人类进入数字通信的大门。其基本方法见第2.6节。,5. 数字信号的数字编码,极性 归零 携带时钟,5.2

35、.2 多路复用,多路复用（MUX）源于拉丁语multi（许多）和plex（混合）。它是在一个物理信道上同时传送多路信号或者说是把一个物理信道设法分成多个逻辑信道的技术，也是提高信道带宽的技术。,1. 频分多路复用,2. 时分多路复用,3. 光波分多路复用,4. 码分多路复, 发1，发送该站的码片序列的原码； 发0，发送该站的码片序列的反码。,5.2.3 差错控制,1. 纠错与检错码,2. 停等ARQ,3. 连续ARQ,5.2.4 流量控制滑动窗口协议, 窗口宽度的控制是预先固定，还是可适当调整； 窗口位置的移动控制是整体移动，还是顺次移动； 接收方的窗口宽度与发送方相同还是不同。 滑动窗口协议

36、不仅可以进行流量控制，也同时可以进行差错控制。,5.2.5 分组交换,1. 从电路交换到存储-转发交换 2. 从报文交换到分组交换 3. 虚电路服务和数据报服务,交换的概念,在电话问世以后，人们发现，要把所有的电话都两两相连是不现实的。对于有N个电话的网络，就需要N*(N1)/2对电话线，当N很大时，要建设这样的网络成本就太高了。于是人们研究出了电话交换机，每一部电话都连接到交换机上，通过交换机之间的级联把一方的信号发送到另一方的线路上。,电路交换,把要通信的两条线路（链路）直接联通，使其可以传输电气信号。它们都是空分的，用户在打电话时要占用一对线路，也就是要占用一个空间位置，一直到打完电话为

37、止。,电路交换与存储交换,4, 程控交换机 程控电话交换机，全称存储程序控制电话交换机（stored program control telephone switching system），简称PBX，是利用电子计算机技术，用预先编好的程序来控制电话的接续工作。1965年5月，美国贝尔系统的1号电子交换机问世，它是世界上第一部开通使用的程控电话交换机。 通常分为空分程控电话交换机和时分程控电话交换机。前者是通过交叉点的连通，将某条线上的空隙话音信息，传递到另一条线上，在；后者是将时分复用线上的某一时隙话音信息，传递到另一时分复用线上。时分程控交换机按其传递的话音信号形式，又分为传递脉幅调制信号

38、的模拟时分程控电话交换机和传递脉码调制信号或增量调制信号的数字时分程控电话交换机。,存储转发交换,存储转发交换（Store And Forward Switching）要求交换机中必须有存储器，当源端（接收端）有数据帧到达时，要先存储，然后在合适的时机把数据帧转发到合适的发送端口。与电路交换相比，存储转发交换的好处在于： （1）在通话的整个过程中，不需要固定地占用线路。 （2）可以动态地选择传输路径。,存储转发交换可以分为报文交换和分组交换。分组交换时延较短，并且对缓冲区的要求统一，处理过程简单；报文交换时延较长，并且因报文长短不一，对缓冲区的要求也不一致，导致处理过程复杂。,虚电路与数据报,

39、面向连接的传输 无连接的传输,路由节点上的交换,1. 路由节点 路由节点是联结不同网络的节点。在路由节点上工作的设备是路由器。由于路由器处于几个网络的边界，因此当数据分组传输到路由节点时，路由器首先要判断该数据分组的目的地是否与送来的节点在同一个网络称为本地：如果是，就本地提交；如果不是，就转发出去。,2. 路由表 路由器可能联结多个网络，因此转发时还要考虑哪一条路径转发出去最佳。为此，每个路由器中都要维护一个路由表（Routing Table），供路由选择时使用。路由表中记录着任意数据分组从源节点到目的节点在网络中的可能路径的详细信息，包括：目的地址，下一站地址，下一站网络接口号，距离等。以

40、目的地址作为关键字，就可以从路由表中查出下一站路由器的地址以及它所在的接口。因此，路由表就成为路由器的中枢，它决定了每个数据包的转发方向。所以路由表的建立和维护就成为路由器技术的关键。,路由表的作用 路由指示 屏蔽一些帧黑名单、白名单,4.4 链路上的通信技术,4.4.1 传输介质,双绞线 双绞线是由相互绝缘的铜导线对组成，每一铜线对中，铜线互相缠绕。双绞线对中的一跟用于信号传输，另外一根接地并吸收干扰。早期的双绞线由两对电线对组成。一组收数据，一组发数据。现在通常把多对双绞线对并在一起，,双绞线可以分为屏蔽双绞线（STP）和无屏蔽双绞线（UTP）。,1991年美国电子工业协会EIA和电信工业

41、协会TIA联合发布了一个双绞线标准EIA/TIA568。1995年更新为EIA/TIA568A，规定了5个种类的UTP标准。现在已经到了7种。,2. 光纤 光纤通信利用光导纤维（光纤）传递光脉冲进行通信。有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。光纤是一种非常细的玻璃纤维，由纤芯和包层构成。,光纤的纤芯具有比包层更高的折射率，因此当光脉冲的入射角大于某一临界值时，会发生全反射现象。光波在纤芯中不断的发生全反射，从而光纤能够在光纤中不断传播下去。这种光纤被成为多模光纤。若光纤的直径减少到一个光波的波长，那么光波将在光纤中直线传播，没有全反射现象发生。这种光纤被成为单模光纤。,4.4.2 串行传输与并

42、行传输,4.4.3 接收端与发送端的同步,1. 位同步技术 （1）传递时钟信号 （2）利用前导比特串初始化接收方时钟,2. 同步传输 基于位同步的帧同步,3. 字节（字符）同步异步传输,4.4.4 通信工作方式,4.4.5 多路复用,1. 1. TDM 时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing）是一种非同时发送的多路复用技术，它将一个传送周期划分为多个时隙，让多路信号分别在不同的时隙内传送，形成每一路信号在连续的传送周期内轮流发送的情形。,2. FDM频分多路复用 （Frequency Division Multiplexing）是模拟传输中常用的一种多路复用

43、技术。它把一个物理信道划分为多个逻辑信道，各个逻辑信道占用互不重叠的频带，相邻信道之间用“警戒频带”隔离，以便将不同路的信号调制（滤波）分别限制在不同的频带内，在接收端再用滤波器将它们分离，就好像在大气中传播的无线电信号一样，虽同时传送多个频率信号，但互不重叠，可以分辨。,码分多路复用 码分多路复用（code division multiplexing，CDM）也称码分多址（code division multiple access，CDMA）。它是一种在同一频道上传输多路数据、具有很强的抗干扰能力的多路复用技术。,4. WDM 光波分多路复用（wavelength division mult

44、iplexing，WDM）技术是是在一根光纤中能同时传输多个光波信号的技术，它能大幅度地提高光纤的利用率。,4.4.6 差错控制,差错检测与纠正冗余码 传-重传（auto repeat request，ARQ） （1）停等ARQ,这里还有两个问题要解决： 当A发出的数据帧丢失，B收不到时不会发任何应答帧。这时A一直等待，当等待时间超过一个限度tout时，就将数据帧重新发送一次。 B虽然收到了A发来的数据帧，也发出了应答帧（可能是ACK，也可能是NAK），A却没有收到。这种情况下，A等待超过一定时限时，也要将数据帧重新发送一次。 停等ARQ协议简单，但系统效率较低。,（2）连续ARQ 连续ARQ

45、是在发完一个数据帧后，不再等待，而是连续地发送若干个数据帧，具体实现方式有拉回(back to N)方式和选择重发（selective repeat）方式。,4.4.6 流量控制,1. 拥塞与死锁 在公路上，车流量超过一定限度，大家的速度就不得不减慢；再超过一定的限度，就会出现谁也走不动的现象。计算机网络也是如此，无论是计算机装置还是通信设备，对数据的处理能力总是有限的。当网上传输的数据量增加到一定程度时，网络的吞吐量下降，这种现象称为“拥塞”（congestion）。传输数据量急剧增加时，丢弃的数据帧不断增加，从而引起更多的重发；重发数据所占用的缓冲区得不到释放，又引起更多的数据帧丢失；这种连锁反应将很快波及全网，使通信无法进行，网络处于“死锁”（deadlock）状态，陷于瘫痪。,2. 滑动窗口协议,