潍坊学院 计算机工程学院 主讲人 连瑞梅

1. 潍坊学院 计算机工程学院主讲人 连瑞梅 计 算 机 应 用 基 础

2. 第5章 网络与通信 本章内容 通信基础 计算机网络基础 计算机网络技术 Internet在中国 通信与网络应用

3. 第7讲 网络与通信（1） 本讲内容 通信基础——发展历程、原理与技术 计算机网络基础——发展历程、分类与功能 重点：计算机网络拓扑结构与功能。 难点：通信原理与交换技术、差错控制技术。

4. 5.1 通信基础 • 5.1.1 通信发展历程 • 5.1.2 通信原理 • 5.1.3 通信技术 • 5.1.4 通信系统

5. 大学IT（第五版） 中国石油大学出版社 5.1.1 通信发展历程 通信技术的发展经历了若干个世界上第一，如摩尔斯研制出的电磁式电报机；贝尔（A.G.Bell）发明的电话机； 还有波波夫、马可尼分别发明了无线电报； 其它，诸如美国的第一家商业无线电广播电台、第一座电视台、第一部实用的传真机、第一台电子计算机ENIAC等等。 直到1969年：计算机网络出现，后来Internet在全球普及； 到了21世纪：出现了第三代移动通信技术3G。

6. 5.1.2 通信原理 1）通信: 从一地向另一地传递消息，即消息的传递过程（是一种协议）。 2）信道(Channel) 指的是信号传输的通道，这种有形或无形的用于传递信息的通道称为信道。 3）信号(Signal) 是数据的具体物理表现，如电压、电流的强度等。在通信系统中，信号就是数据传输过程中的电磁波表示形式。

7. 接收 设备 发送 设备 信源 信道 信宿 噪声源 通信系统模型 • 通信的目的是传输消息。 • 通信系统：实现消息传递所需的一切设备和传输媒介的总和。 • 基于点与点之间的通信系统的一般模型可用下图来描述。

8. 接收 设备 发送 设备 信源 信道 信宿 噪声源 信源 • 定义：产生消息的来源。 • 作用：把各种消息转换成原始电信号。 • 举例：电话机、摄像机、计算机等。 • 分类：模拟信源、数字信源

9. 接收 设备 发送 设备 信源 信道 信宿 噪声源 发送设备 • 功能：将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号,使信源和信道匹配。 • 发送设备的变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。 • 对数字通信系统，发送设备常常又包括编码器与调制器。

10. 接收 设备 发送 设备 信源 信道 信宿 噪声源 信道 • 定义：是指传输信号的物理媒介。 • 无线信道中，信道可以是大气（自由空间）。 • 有线信道中，信道可以是双绞线、同轴电缆或光纤。

11. 接收 设备 发送 设备 信源 信道 信宿 噪声源 接收设备 • 功能：完成发送设备的反变换，即进行解调、译码、解码等。 • 任务：从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。

12. 接收 设备 发送 设备 信源 信道 信宿 噪声源 信宿 • 信宿是传输信息的归宿点， 其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。

13. 接收 设备 发送 设备 信源 信道 信宿 噪声源 噪声源 • 噪声源是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，并且是人们所不希望的。 • 干扰的来源是多样的，它可分为内部干扰和外部干扰，而且外部干扰往往是从信道引入的，因此，为了分析方便，把干扰源视为各处干扰的集中表现而抽象加入到信道。

14. t t 模拟和数字 模拟——连续 数字——离散 • 模拟数据和数字数据 • 模拟数据是某个区间内产生的连续值。模拟数据的物理信号容易实现，但不精确且容易受干扰。 • 数字数据是某个区间内产生的有限个离散值。数字数据具有精确以及受扰动可以恢复的特性。

15. 模拟信道和数字信道 • 模拟信道 • 是用来传输连续的模拟信号(如正弦波信号)的信道；如果利用模拟信道传送数字信号，则必须经过数字与模拟信号之间的变换A/D变换器。 • 数字信道 • 是用来传输离散的数字信号(如脉冲信号)的信道。

16. 模拟传输与数字传输 • 模拟传输——使用模拟信号传输数据。 • 不考虑传输信号的内容。 • 为了实现长距离传输，使用放大器来增加信号中的能量。但放大器会使噪音分量增加。串联的放大器会导致信号畸变。 • 对于模拟数据来说，允许有许多位的畸变。但对于数字数据来说，串联的放大器会导致传输错误。 • 数字传输——使用数字信号传输数据。 • 与信号的内容有关，信号衰减会危及数据的完整性。 • 为了获得较大的传输距离，可以使用中继器。 • 接收端可检出传输错误，甚至可以纠错。

17. 模拟通信模型和数字通信模型 • 信源分为两大类： 连续信源、离散信源 • 连续信源消息是通过模拟信号来传递的；离散信源消息是通过数字信号来传递的。 • 传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统；传输数字信号的通信系统称为数字通信系统。

18. 现代通信网络的概念及构成要素 • 现代通信网络的提出 两个用户的通信可以在这两个用户之间架设通信线路加以解决。但是，一旦用户数增多，若还是在两两用户之间建立通信线路，则会造成巨大的浪费，也是不可能实现的（为什么？）。用户间的通信线路必须能够共享，这样就构成了现代通信网络。

19. 5.1.3通信技术___现代通信网络 概念：现代通信网络是由一定数量的节点（包括终端设备和交换设备）和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系。 构成要素： 硬件：终端设备、传输设备和交换设备，也是通信网的主体。 软件：信令、通信协议、网络结构、路由方案、编号方案、资费制度和质量标准 三个环节：信息的处理、传输和交换。

20. 现代通信网络的分类 1.按照业务种类分 • 电话网——传输电话业务，电路交换 • 电报网——传输电报业务（已淘汰） • 传真网——传输传真业务 • 广播电视网——传输广播电视业务 • 数据现代通信网络——传输数据业务，分组交换 2. 按照所传输的信号形式分 • 数字网——网中传输和交换的是数字信号 • 模拟网——网中传输和交换的是模拟信号

21. 现代通信网络的分类 3. 按照服务范围分 • 本地网、长途网和国际网 4. 按照运营方式分 • 公用现代通信网络——电信网 • 专用现代通信网络——银行、电力、国安、军事等 5. 按照所采用的传输媒介分 • 有线现代通信网络——双绞线、同轴电缆和光缆等传输信号的现代通信网络 • 无线现代通信网络——使用无线电波在空间传输信号的现代通信网络、移动现代通信网络和卫星现代通信网络。

22. 网形网与网孔形网示意图 现代通信网络的基本结构 • 按照拓扑结构分:有网形、星形、复合形、总线形、环形、和树形 • 1. 网形网 • 特点：网络中任意两个节点均有线路相连，n（n-1）/ 2； • 优点：冗余度大、稳定性好； • 缺点：线路利用率不高、经济性差。

23. 星形网示意图 2. 星形网 特点：以一个节点为中心，与其他节点都有直达线路，所有非中心节点的通信都要经过中心节点。 优点：传输链路少，线路利用率高； 缺点：稳定性差，中心节点是全网可靠性的瓶颈，中心节点一旦出现故障会造成全网的瘫痪。

24. 复合网示意图 3. 复合形网 是现代通信网络中常见的网络结构 特点：以星形网为基础，在业务量较大的转接交换中心区采用网形网结构，即将星形网的中心节点用网形网代替。 优点：综合了网形网和星形网的优点，经济性和稳定性都很好。

25. 总线形网示意图 4.总线形网 特点：所有节点都连接在一条公共的传输通道——总线上。 优点：所需的传输链路少，增减节点方便 缺点：稳定性差，网络的作用范围小。

26. 环形网示意图 5. 环形网 优点：结构简单、易于实现，可以采用自愈环对 网络进行保护，稳定性高。

27. 树形网示意图 6. 树形网 特点：是星形拓扑结构的扩展。在树形网中，节点按照层次进行连接，信息的交换主要是上下层节点间的。 用途：用户的接入网、主从同步的时钟分配网。

28. 5.1.3 通信技术___交换技术 • 交换方式： 电路交换、报文交换 和分组交换。

29. 交换技术___电路交换 电路交换(Circuit Switching)：交换系统按照用户的要求，在终端之间建立暂时的物理接续通路，类似于铁路的轨道叉接，直到该业务结束拆除线路连接后，该通路才能改作他用。

30. 2 A 1 6 B 3 4 5 电路交换 建立线路阶段 开始传输数据之前，首先在信源节点和信宿节点间，通过呼叫建立一条由各个中间交换节点的分段连接所组成的通信电路。 传输数据阶段 建立通信链路之后，就通过这条专用信道进行实时、双向的数据传输。 拆除线路阶段 完成数据传输之后，必须释放占用的线路，即拆除信源节点和信宿节点之间的物理连接。

31. 电路交换 • 特点：实时性强，时延小，交换设备的成本较低。但同时也带来线路利用率低，电路接续时间长，通信效率低，不同类型终端用户之间不能通信等缺点。 • 适用场合：电路交换比较适用于信息量大、长报文，经常使用的固定用户之间的通信。

32. 报文交换 • 在这种方式中，信源节点把要传输的数据分割成一份一份的报文，以报文为单位在网络中传输数据。在报文中包含收发节点的地址及控制信息。 • 报文首先发往本地的交换节点，存储在该节点的大容量存储器中，该节点根据地址确定输出端口和线路，排队等待线路空闲时再转发给下一节点，直至到达信宿所在的交换节点时，将报文按原来的顺序进行装配，而后将完整的数据传给信宿节点。 • 在每个节点中，要接收整个报文并进行短暂存储，经过路由选择，等待线路空闲时，再转发至下一个节点。

33. 报文交换 • 优点：中继电路利用率高，可以多个用户同时在一条线路上传送，可实现不同速率、不同规程的终端间互通。 • 缺点：显而易见的，以报文为单位进行存储转发，网络传输时延大，且占用大量的交换机内存和外存，不能满足对实时性要求高的用户。 • 适用场合：传输的报文较短、实时性要求较低的网络用户之间的通信，如公用电报网。

34. 分组交换 • 实质上是在“存储——转发”基础上发展起来的。它兼有电路交换和报文交换的优点。 • 分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据——分组。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，同时传送多个数据分组。把来自用户发送端的数据暂存在交换机的存储器内，接着在网内转发。到达接收端，再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。 • 分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好。

35. 分组交换 在网络中是通过虚电路和数据报来管理这些分组流的。 • 由于分组长度较短，因此出错率低；易检错；在传输出错时，重发时间较短（每组报文一般不超过10 ms）。有利于提高存储转发端的存储空间利用率和传输效率，因而它成为当今公用数据交换网中广泛应用的交换技术。 每个分组除了包含收发节点的地址及控制信息外，还包含了分组编号。

36. 5.1.3 通信技术___数字传输中的差错控制技术 1)差错原因与类型： 差错：指接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象。 原因：通信线路上噪声干扰的结果。 分类：随机错（热噪声）和突发错（冲击噪声）。引起突发差错的位长称为突发长度。 在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。（如图）

37. 5.1.3 通信技术___数字传输中的差错控制技术 • 传输差错产生过程

38. 5.1.3 通信技术___数字传输中的差错控制技术 衡量：数据传输中的差错用误码率来衡量，是指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于： Pe = Ne/N其中， Pe 是误码率，N为传输的二进制比特总数， Ne为被传错的比特数。 讨论： 1）误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数； 2）对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求； 3）实际应用中，还可能用到误字率、误句率或误组率。

39. 5.1.3 通信技术___数字传输中的差错控制技术 • 主要作用：通过发现数据传输中的错误，以便采取相应的措施减少数据传输错误。 • 核心：对传送的数据信息加上与其满足一定关系的冗余码（又叫校验码），形成一个加强的、符合一定规律的发送序列。 • 校验码传输的分组带上足够的冗余信息，使得接收端能发现并自动纠正传输差错。如海明编码。 • 检错码（计算机网络采用）分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，接收端能发现出错，但不能确定哪一比特是错的，并且自己不能纠正传输差错。如奇偶校验码和循环冗余校验码。

40. 5.1.3 通信技术___数字传输中的差错控制技术 • 奇偶校验是常用的检测码，是在传输数据后面附加一个校验信息，如果附加后码字中“1”的个数为奇数个，则为奇校验，如果为偶数个，则为偶校验，也叫一致校验码。 • 当码字中出现奇数个错误时，就可以很容易的检查出来，但是不具有定位功能，如果码字中出现了偶数个错误，那么奇偶校验就检查不出来码字中存在错误，所以它只可以检测出码字中的奇数个错误，校错效果并不是很好，更不具备纠错能力，只适合异步数据传输。

41. 5.1.4 典型的通信系统 • 1）短波与超短波通信系统 • 2）微波通信系统 • 3）卫星通信系统 • 4）光纤通信系统

42. 5.1.4 典型的通信系统 1） 短波与超短波通信系统 短波：指波长100-10m的电磁波。短波通信也称高频无线通信。有时把中波的高频段（1.5-3MHZ）归入短波波段。主要用来传递语言、文字、图像等信息。主要靠电离层反射（天波）方式传播。 超短波：是波长（10-1m）的电磁波。可进行电视、雷达和移动台通信。超短波更易受地形、建筑和环境干扰的影响。主要为直线视距传播。信号质量好，信道带宽大，更有利于传输综合业务信息（语音、数据、图像等）。

43. 5.1.4 典型的通信系统 2） 微波通信系统 波长为1 m～1 mm（频率为300 MHz～300 GHz）的电磁波称为微波。长距离的微波通信又称为微波中继通信。微波中继通信与卫星通信、光纤通信是当今三大传输手段。 3） 卫星通信系统 卫星通信指的是利用人造地球卫星中的通信卫星转发信号，在地球站之间传输信息的无线通信。卫星通信系统由通信卫星、跟踪遥测指令站、地球站以及地面传输线路组成，地面传输线路由电缆、光缆或微波接力组成。 4） 光纤通信系统 光纤通信是以光波作为信息载体，以光导纤维（简称光纤）为传输媒介的通信方式。优点：如通信容量大、传输损耗低、中继距离长、抗电磁干扰、轻便好用、保密性好、使用寿命长、成本低等，它也是世界上各个国家正在优先发展的通信系统。

44. 5.1.4 典型的通信系统 5） 移动通信系统 移动通信指的是通信双方至少有一方在移动中（或者临时停留在某一个非预定的位置）进行通信。目前广泛使用的有公用蜂窝移动通信系统、无绳电话、集群移动通信系统、移动卫星通信系统和主要应用于矿井下的泄漏电缆通信系统。

45. 5.1.4 典型的通信系统 蜂窝技术 蜂窝系统——“小区制”系统：将所要覆盖的区域分成若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1~10km左右。在每个小区有一个基站为本小区内的用户服务。 使用正六边形的原因：基站使用全向天线，覆盖范围是圆形；要无缝覆盖，则圆形有交叠，则真正的覆盖区域是圆内接正多边形。正六边形小区中间距最大，单位小区面积最大，交叠区宽度最小，交叠区面积最小，所需频谱最少。

46. 5.1.4 典型的通信系统 6）综合业务数字网（ISDN） 综合业务数字网是由电话综合数字网（IDN）发展演变而成的，它提供了端到端的数字连接，为用户进网提供了一组标准的多用途网络接口，其业务范围涵盖了现有通信网的全部业务和多种多样的新型业务，并继续向宽带化、高速化方向发展。 7）数据通信、计算机通信与信息网络 几乎目前所有的通信系统都是以数据通信系统为基础建立起来的。 随着通信技术和计算机网络技术的飞速发展，现在不仅可以享用传统的电信业务，如电话、传真等，而且可以享用多种信息服务，如电子邮件、网上浏览、信息搜索、电子商务、网上娱乐等等。

47. 5.2 计算机网络基础 5.2.1 计算机网络发展历程 5.2.2 计算机网络的分类 5.2.3 计算机的功能

48. 5.2.1 计算机网络基础发展历程 1）以数据通讯为主的第一代计算机网络 2）以资源共享为主的第二代计算机网络 3）体系结构标准化的第三代计算机网络 4）以Internet为核心的第四代计算机网络

49. 以数据通讯为主的第一代计算机网络 • 1954年，美国军方的半自动地面防空系统将远距离的雷达和测控仪器所探测到的信息，通过通信线路汇集到某个基地的一台IBM计算机上进行集中的信息处理，再将处理好的数据通过通信线路送回到各自的终端设备。 • 这种以单个计算机为中心、面向终端设备的网络结构，严格来讲，是一种联机系统，只是计算机网络的雏形，我们一般称之为第一代计算机网络。

50. 以资源共享为主的第二代计算机网络 • 美国国防部高级研究计划局（ARPA，Advanced Research Projects Agency）于1968年主持研制，次年将分散在不同地区的4台计算机连接起来，建成了ARPA网。 • 到了1972年，有50多家大学和研究所与ARPA网连接，1983年，入网计算机达到100多台。 • ARPA网的建成标志着计算机网络的发展进入了第二代，它也是Internet的前身。