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第4章 計算機網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng),4.1 數(shù)字通信入門 4.2 計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 4.3 因特網(wǎng)的組成 4.4 因特網(wǎng)提供的服務(wù) 4.5 網(wǎng)絡(luò)信息安全,4.1 數(shù)字通信入門,4.1.1 通信的基本原理 通信系統(tǒng)模型 有線通信與無線通信 調(diào)制解調(diào)技術(shù) 多路復(fù)用技術(shù) 4.1.2 交換技術(shù),4.1.1 數(shù)字通信的基本原理,(1) 通信的基本模型,什么是通信(communication)？,廣而言之，通信就是信息的(遠(yuǎn)距離)傳遞與交流 現(xiàn)代通信——使用電波或光波傳遞信息的技術(shù)，也稱為電信（telecommunication），如電報、電話、傳真、電子郵件、BBS、QQ等 通信的要求：遠(yuǎn)距離、高速度、低成本、安全、可靠、方便 通信的發(fā)展歷史：,通信系統(tǒng)的模型,通信的三要素：,舉例:,信道的任務(wù)是迅速、可靠而準(zhǔn)確地將信號從信源傳輸?shù)叫潘?被傳輸?shù)男畔⒍急仨氁阅撤N電(或光)信號的形式才能進行傳輸,發(fā)送信息的設(shè)備,接收信息的設(shè)備,模擬信號與數(shù)字信號,,通信系統(tǒng)中被傳輸?shù)男畔⒈仨氜D(zhuǎn)換成某種電信號(或光信號) 才能進行傳輸,電信號(或光信號) 有兩種形式： 模擬信號形式: 通過連續(xù)變化的物理量（如信號的幅度）來表示信息，例如人們打電話或者播音員播音時聲音經(jīng)話筒(麥克風(fēng))轉(zhuǎn)換得到的電信號； 數(shù)字信號形式: 使用有限個狀態(tài)(一般是2個狀態(tài))來表示（編碼）信息，例如電報機、傳真機和計算機發(fā)出的信號都是數(shù)字信號,0 0 1 1 0 1 0 0 0 1,(2) 有線通信與無線通信,需使用物理介質(zhì)進行信號傳輸?shù)氖怯芯€通信，例如： 金屬導(dǎo)體（雙絞線、同軸電纜），傳輸電流信號 光導(dǎo)纖維（簡稱光纖），傳輸光信號 在自由空間進行信號傳輸?shù)氖菬o線通信，傳輸?shù)氖请姶挪ㄐ盘?傳輸介質(zhì)的類型與特點,雙絞線和同軸電纜,原理：利用電流(電壓)傳輸信息 雙絞線分類 3類線(10 Mb/s)；5類線(100Mb/s)； 6類線(200Mb/s) 無屏蔽雙絞線 (UTP)；屏蔽雙絞線 (STP),同軸電纜分類 基帶同軸電纜（50Ω） 以前在以太網(wǎng)中使用 寬帶同軸電纜（75Ω） 有線電視網(wǎng)使用,光纖與光纜,光波在光纖中的傳播,光導(dǎo)纖維（光線的入射角足夠大時，就會出現(xiàn)全反射，重復(fù)此過程，光就沿著光纖傳播下去）,光波,光纜 (包含多根光纖),光纖通信原理,光波,優(yōu)點： 通信容量大：一束光每秒能傳輸2.5G或10Gb信息！ 傳輸距離遠(yuǎn)：無中繼距離超過幾十公里 保密性強，信息不易泄露,光纖通信：利用光波攜帶信息在光纖中傳輸，達到通信目的,無線通信,無線通信：利用電磁波攜帶信息在自由空間中傳播，進行通信,微波通信,微波：300MHz～300GHz范圍內(nèi)的電磁波，波長為1 m～1mm,特點： 直線傳播，不能沿地球表面?zhèn)鞑ィo繞射性），需要每隔幾十公里設(shè)立一個中繼站 容量大、可靠性高 建設(shè)費用低 抗災(zāi)能力強 應(yīng)用：長途電話、蜂窩移動電話、全數(shù)字高清晰度電視（HDTV）等,衛(wèi)星通信,衛(wèi)星通信: 中繼站在人造地球衛(wèi)星上的一種微波通信 優(yōu)點：通信距離遠(yuǎn)、頻帶寬、容量大、抗干擾強、通信穩(wěn)定 缺點：造價高、技術(shù)復(fù)雜、有較大延時、同步軌道衛(wèi)星數(shù)目僅180顆,赤道上方高度為35800公里的地方為地球同步軌道，衛(wèi)星的運行周期與地球自轉(zhuǎn)一圈的周期相同，在地面上看這種衛(wèi)星好似靜止不動。一顆同步軌道衛(wèi)星覆蓋約120， 3顆同步定點軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的幾乎全部面積，進行二十四小時的全天候通信,選講： 衛(wèi)星通信的重要應(yīng)用——GPS,例——美國研制GPS系統(tǒng) 24顆衛(wèi)星在1.2萬公里高空以12小時的周期繞地球運行 地面任意點在任何時刻都可同時觀測到4顆以上衛(wèi)星 原理： 由于衛(wèi)星的位置是精確可知的，通過地面接收機可測得與衛(wèi)星的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離計算公式，就可以推導(dǎo)出接收機的地理位置(經(jīng)度、緯度和高程) 定位精度： 民用大約十米 軍用可高得多,選講： GPS衛(wèi)星接收機,根據(jù)用途有：導(dǎo)航型、測地型、授時型等 產(chǎn)品形式：獨立的GPS導(dǎo)航儀，也可集成在電腦、手機、MP3(MP4)播放器、甚至手表中,個人移動通信,移動對象相互間的通信，如手機、無繩電話、尋呼系統(tǒng)等,基站,移動臺 （手機）,移動電話交換中心,公用電話網(wǎng),移動通信原理,每10km～20km的區(qū)域稱為單元（形似蜂窩），每個單元中心高處建有一個基站，所有單元既相互分割，又彼此交疊，形成整個移動通信服務(wù)網(wǎng) 位于某單元內(nèi)的所有手機都向該基站發(fā)送信號，并接收基站發(fā)給它的信號,所有基站都通過微波或光纜與移動交換中心通信 手機每個時刻都處于某個特定單元的基站控制之下，同一單元內(nèi)同一時刻的不同手機使用不同的頻率與基站進行通信，相互不影響,第二代移動通信（2G）,使用頻段：900MHz/1800MHz，傳輸?shù)氖菙?shù)字化的語音/文字信號 我國使用的2種標(biāo)準(zhǔn)（制式）： GSM（歐洲移動通信系統(tǒng)，也稱全球通、全數(shù)字系統(tǒng)) 中國移動、中國聯(lián)通經(jīng)營的GSM網(wǎng)已基本覆蓋縣級市 移動的接入號段有：134～139、150～152、158、159 聯(lián)通的接入號段有：130-132、155-156 CDMA (碼分多址接入，Code Division Multiple Access) 抗干擾能力強，系統(tǒng)容量大，接通率高，噪聲小， 中國電信, 接入號為133、153 不足： （1）數(shù)據(jù)傳輸速率過低（9.6kb/s或57kb/s），僅適合傳輸語音和文字 （2）容量有限，不能滿足發(fā)達地區(qū)手機用戶高度密集的要求,第三代移動通信系統(tǒng)（3G）,使用的頻段：1885 MHz ~2025MHz，2110MHz~2200MHz 傳輸速率：室內(nèi)：1~3Mb/s，步行：384kb/s，快速移動：114kb/s 我國采用的3種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：,3G的優(yōu)點： （1）提供高質(zhì)量的語音通信、數(shù)據(jù)通信和高分辨率圖像通信 （2）提供足夠的系統(tǒng)容量，具有高保密性和優(yōu)質(zhì)的服務(wù) 不足：發(fā)展慢、比例低(4.6%)，按流量收費費用高,4G移動通信：室內(nèi): 1Gbps，高速移動時: 100Mbps 我國沿海7個城市正在建設(shè)試驗網(wǎng)（TD-LTE）,(3) 調(diào)制解調(diào)技術(shù),數(shù)字通信采用的技術(shù),數(shù)字調(diào)制/解調(diào)技術(shù)（調(diào)幅；調(diào)頻；調(diào)相） 解決信號傳得遠(yuǎn)的問題 多路復(fù)用技術(shù)（時分多路；頻分多路；波分多路） 提高傳輸線路使用效率、降低傳輸成本 交換技術(shù)（電路交換；分組交換） 動態(tài)分配信道資源，提高傳輸效率和質(zhì)量 數(shù)字編碼和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),數(shù)字信號如何傳輸？,近距離傳輸：直接(基帶)傳輸 例如：USB移動硬盤 －主機 ；以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸 遠(yuǎn)距離傳輸：載波傳輸 例如：數(shù)字有線電視；手機；ADSL上網(wǎng) 什么是載波？ 研究發(fā)現(xiàn)，高頻振蕩的正弦波信號在長距離通信中能夠比其他信號傳送得更遠(yuǎn)。因此若把高頻振蕩的正弦波信號作為攜帶信息的載波，把數(shù)字信號放在(調(diào)制在)載波上傳輸，則可比直接傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)得多,數(shù)字信號的三種調(diào)制方法,實現(xiàn)信號調(diào)制與解調(diào)的設(shè)備分別稱為“調(diào)制器”和“解調(diào)器”：,小結(jié)1: 遠(yuǎn)距離通信必須使用MODEM,通信一般是雙向進行的，收發(fā)雙方都需要調(diào)制器與解調(diào)器，它們通常做在一起，稱為調(diào)制解調(diào)器(MODEM),信源信號通過調(diào)制器 調(diào)整載波的某個參數(shù)(幅度、頻率或相位),到達目的地后，使用解調(diào)器把載波所攜帶的信號檢測出來，恢復(fù)為原始信號的形式,經(jīng)過調(diào)制后的載波信號，攜帶著被傳輸?shù)男盘栐谛诺乐羞M行長距離傳輸,例：ADSL寬帶上網(wǎng),調(diào)制解調(diào)器把計算機送出的數(shù)字信號,采用數(shù)字調(diào)制的方法,調(diào)制成為適合于在用戶電話線上傳輸?shù)妮d波信號,載波信號在電話網(wǎng)中經(jīng)過交換機傳輸至目的地,目的地計算機通過解調(diào)器從載波信號中恢復(fù)出數(shù)字信號傳送給計算機,ADSL MODEM,ADSL MODEM,(4) 多路復(fù)用技術(shù),怎樣降低傳輸成本？,分析： 通信系統(tǒng)中，傳輸線路的建設(shè)和維護成本占整個系統(tǒng)成本的相當(dāng)大的份額 一條傳輸線路（銅線、光纖、無線電波）的容量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳輸1路用戶信號所需的能力 降低成本采用的技術(shù)——多路復(fù)用技術(shù)(Multiplexing) 多路信號使用同一條傳輸線同時進行傳輸 方法： 頻分多路復(fù)用（FDM） 時分多路復(fù)用（TDM） 波分多路復(fù)用（WDM）,頻分多路復(fù)用(Frequency Division Multiplexing, FDM),思想：將每個通信終端發(fā)送的信號調(diào)制在不同頻率的載波上，通過頻分多路復(fù)用器(MUX)將它們復(fù)合成為一個信號，然后在同一傳輸線路上進行傳輸。抵達接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同頻率的載波分離出來，送到不同的接收設(shè)備 工作原理：,將不同頻率的載波信號合成在一起,使用一組濾波器分解出不同頻率的載波信號,頻分多路復(fù)用舉例1,廣播電臺節(jié)目的發(fā)送與接收,常見廣播電臺使用的載波頻率 中波 900 KHz(南京經(jīng)濟臺) ■ 中波1008 KHz (南京新聞臺) 短波 15.28 MHz(英國BBC) ■ 短波 15.29 MHz(VOA美國之音) 調(diào)頻104.3MHz (南京體育臺) ■ 調(diào)頻105.8MHz(南京音樂臺),頻分多路復(fù)用舉例2,電視節(jié)目的發(fā)送與接收,時分多路復(fù)用(Time Division Multiplexing, TDM),思想：各通信終端（計算機、電話）以規(guī)定的順序和時間輪流使用同一傳輸線路進行數(shù)據(jù)傳輸 工作原理：,應(yīng)用：主要使用在數(shù)字通信領(lǐng)域，如電話中繼通信、GSM手機、總線式以太網(wǎng)等,異步時分多路復(fù)用,數(shù)據(jù)發(fā)送方和接收方也可以異步地進行信息傳輸。即：發(fā)送方有數(shù)據(jù)且信道有空閑時就發(fā)送，沒有數(shù)據(jù)時即使輪到它，也不占用信道。這樣可以大大提高信道的利用率,實現(xiàn)方法：在被傳輸數(shù)據(jù)中必須附加上接收方的“地址”,波分多路復(fù)用,為提高傳輸效率，1根光纖中可以同時傳輸幾種不同波長的光波，每種光波各自傳輸自己所攜帶的信息，速率可達到 40G-100Gbit/s 原理：,光纖,發(fā)送端有N個發(fā)送單元，它們各自發(fā)出不同波長的光波,通過復(fù)用器（稱為合波器）合并起來，進入同一根光纖進行傳輸,接收端用分路器(稱為分波器)將不同波長的光分開，分別送到各自的光電檢測器恢復(fù)出原始信號,小結(jié)2: 多路復(fù)用可以降低通信成本,通信系統(tǒng)的原理示意圖,多路復(fù)用技術(shù)使得成千上萬路通信可以在同一條傳輸線上同時進行，大大節(jié)省了通信成本,頻分多路、時分多路和波分多路等技術(shù)可以同時使用，以提高復(fù)用效率,4.1.2 分組交換原理,,通信系統(tǒng)中“交換”的含義,“交換”(switching)的含義就是轉(zhuǎn)接——把一條鏈路轉(zhuǎn)接到另一條鏈路，使它們連通起來 從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路 常用的交換方式： 電路交換 分組交換,什么是電路交換？,電路交換的過程： 建立連接 通信 釋放連接 應(yīng)用：電話通信,分析： 通話全過程中用戶始終占用端到端的傳輸信道 由于計算機數(shù)據(jù)傳輸具有突發(fā)性，不適合計算機數(shù)據(jù)通信,什么是分組交換(Packet Switching)?,分組交換的要點： 被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須劃分為若干“分組”(packet, 簡稱“包”)進行傳輸 每個分組中必須包含收、發(fā)雙方的地址 每個分組的格式如下：,分組交換示意：,分組交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)的過程,計算機G收到所有數(shù)據(jù)包后，將包組裝為一個文件,交換機每收到一個包，就根據(jù)包的目的地地址, 選擇一個輸出端口,若目的地計算機就在交換機上，則交換機直接將包發(fā)給該計算機,A將文件拆分成若干個包,將包逐個地發(fā)給交換機,,,,,,,,,例：計算機A的文件＝計算機G,分組交換機中的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程,,,,,,,,,,,,,H1,A,,,分組交換網(wǎng),B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,,H1 向 H5 發(fā)送分組,交換機,主機,,,,,在交換機 E 暫存 查找轉(zhuǎn)發(fā)表 找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口,,最后到達目的主機 H5,在交換機 C 暫存 查找轉(zhuǎn)發(fā)表 找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口,在交換機 A 暫存 查找轉(zhuǎn)發(fā)表 找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口,分組交換網(wǎng)中傳輸路徑的變化,,,,,,,,,,,,,H1,A,,,分組交換網(wǎng),B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,,,,H1 向 H5 發(fā)送分組,H2 向 H6 發(fā)送分組,,,,,注意分組路徑的變化！,交換機,主機,,,選講：實現(xiàn)分組交換的關(guān)鍵設(shè)備： ——分組交換機,分組交換機的任務(wù)是：負(fù)責(zé)包（分組）的轉(zhuǎn)發(fā) 分組交換機的工作方式是：存儲轉(zhuǎn)發(fā) + 路由選擇 分組交換機的工作過程： 從輸入端口收到一個包后，放入緩沖區(qū) 檢查數(shù)據(jù)包的目的地址，查轉(zhuǎn)發(fā)表，決定該送哪個輸出端口進行轉(zhuǎn)發(fā) 把包從輸入緩沖器中取出，送到相應(yīng)輸出端口的緩沖區(qū)中排隊 輸出端口每發(fā)送完一個包，就從自己的緩沖區(qū)中提取下一個包進行發(fā)送,分組交換技術(shù)的優(yōu)點和問題,優(yōu)點： 高效 動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。 靈活 以分組為傳送單位和查找路由。 迅速 不必先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組。 可靠 保證可靠性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；分布式的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。 分組交換的不足： 分組在各結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。,分組交換技術(shù)的應(yīng)用,幾乎所有數(shù)據(jù)通信網(wǎng)都采用分組交換技術(shù)： 交換式以太局域網(wǎng) 公用數(shù)據(jù)網(wǎng)（傳統(tǒng)的廣域網(wǎng)） 因特網(wǎng)（Internet） 移動通信網(wǎng)（手機）,◇ 不同的分組交換網(wǎng)，基于不同的技術(shù)，采用不同的協(xié)議，因而性能與應(yīng)用各不相同！ ◇ 協(xié)議(protocol)是通信各方協(xié)商一致并必須嚴(yán)格遵守的規(guī)則和約定，例如： 通信對象如何識別？數(shù)據(jù)如何表示？命令(信令)如何表示？收到命令后完成何種動作，做出何種響應(yīng)？發(fā)生錯誤如何處理？等等,選講： 分組交換網(wǎng)的2種通信方式,無連接服務(wù) 通信過程中，雙方不需要預(yù)先建立連接，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包未必都經(jīng)過相同的路徑進行傳輸 優(yōu)點：靈活方便，比較迅速 缺點：不能防止包的丟失、重復(fù)或失序 面向連接服務(wù)（虛電路方式） 先建立連接，再進行數(shù)據(jù)傳輸，全部傳輸完畢后再釋放連接 所有包都經(jīng)同一路徑順序傳送，每個包的頭部只需標(biāo)明使用哪一條“連接”進行傳送，不需要再包含目的計算機的地址 優(yōu)點：提高可靠性,注：虛電路只是一條邏輯上的連接，并不是真正建立了一條物理連接,“4.1 數(shù)字通信” 小結(jié),什么是通信？ 使用電波或光波傳遞信息 對通信系統(tǒng)的要求： 遠(yuǎn)距離——調(diào)制解調(diào)技術(shù)(MODEM) 高效率——多路復(fù)用技術(shù)(Multiplexer)+交換技術(shù)(Switching) 高速度——光纖通信技術(shù) 可靠——信號不失真、無差錯、保證通信暢通 方便——移動通信技術(shù)（無線通信） 安全——加密、身份認(rèn)證（4.5節(jié)） 目前許多通信系統(tǒng)既采用模擬通信技術(shù)，也采用數(shù)字通信技術(shù)，總的趨勢是數(shù)字化、光纖化、智能化！,