第4章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)4.1數(shù)字通信入門4.2計(jì)算機(jī)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)通信的基本模型通信系統(tǒng)的模型通信的三要素：信道信源(宿)信宿(源)信號信號舉例: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)叫潘薇粋鬏數(shù)男畔⒍急仨氁阅撤N電(或光)信號的形式才能進(jìn)行傳輸發(fā)送信息的設(shè)備接收信息的設(shè)備有線電話移動電話計(jì)算機(jī)通信信源/信宿電話座機(jī)手機(jī)計(jì)算機(jī)信號形式話音經(jīng)電話機(jī)轉(zhuǎn)換成為變化的電流信號話音經(jīng)電話機(jī)轉(zhuǎn)換成為壓縮編碼后的數(shù)字信號編碼并打包后的數(shù)字信號信道構(gòu)成電話線和中繼器等傳輸設(shè)備無線電波、基站等雙絞線、集線器、路由器、光纖等模擬信號與數(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(jìn)行傳輸t數(shù)字信號信號強(qiáng)度模擬信號信號強(qiáng)度t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(shí)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(gè)狀態(tài)(一般是2個(gè)狀態(tài))來表示（編碼）信息，例如電報(bào)機(jī)、傳真機(jī)和計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號都是數(shù)字信號00110

10

0

0

1(2)有線通信與無線通信需使用物理介質(zhì)進(jìn)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(jìn)行信號傳輸?shù)氖菬o線通信，傳輸?shù)氖请姶挪ㄐ盘栯p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(10Mb/s)；5類線(100Mb/s)；6類線(200Mb/s)無屏蔽雙絞線(UTP)；屏蔽雙絞線(STP)同軸電纜內(nèi)層導(dǎo)線金屬屏蔽外絕緣層絕緣體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)使用信號線地線套管無屏蔽雙絞線光纖與光纜多根光纖保護(hù)層防止光泄漏的吸收外殼起保護(hù)作用的防護(hù)層外絕緣層光波在光纖中的傳播光導(dǎo)纖維（光線的入射角足夠大時(shí)，就會出現(xiàn)全反射，重復(fù)此過程，光就沿著光纖傳播下去）纖芯

包層保護(hù)層光波光纜(包含多根光纖)光纖保護(hù)層光纖通信原理光波優(yōu)點(diǎn)：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(qiáng)，信息不易泄露電信號驅(qū)動電路光源中繼器輸出電路電信號發(fā)送單元(電/光轉(zhuǎn)換)傳輸單元接收單元(光/電轉(zhuǎn)換)光調(diào)制器光纖光纖放大電路光檢測器數(shù)字信號（電信號）驅(qū)動一個(gè)光源（半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管），發(fā)出光信號光信號經(jīng)放大后由光檢測器（半導(dǎo)體光電管）進(jìn)行檢測、解調(diào)，再轉(zhuǎn)換成電信號之后輸出調(diào)制后的光信號通過光纖進(jìn)行傳輸，為補(bǔ)償光纖線路的損耗，每隔一定距離要接入中繼器0/1信號對光波進(jìn)行調(diào)制光纖通信：利用光波攜帶信息在光纖中傳輸，達(dá)到通信目的微波通信微波：300MHz～300GHz范圍內(nèi)的電磁波，波長為1m～1mm特點(diǎn)：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(gè)中繼站容量大、可靠性高建設(shè)費(fèi)用低抗災(zāi)能力強(qiáng)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(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)、頻帶寬、容量大、抗干擾強(qiáng)、通信穩(wěn)定缺點(diǎn)：造價(jià)高、技術(shù)復(fù)雜、有較大延時(shí)、同步軌道衛(wèi)星數(shù)目僅180顆通信衛(wèi)星地面站1地面站2地球衛(wèi)星衛(wèi)星衛(wèi)星地球35800公里赤道上方高度為35800公里的地方為地球同步軌道，衛(wèi)星的運(yùn)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(diǎn)軌道衛(wèi)星可以覆蓋地球的幾乎全部面積，進(jìn)行二十四小時(shí)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(shí)的周期繞地球運(yùn)行地面任意點(diǎn)在任何時(shí)刻都可同時(shí)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(jī)可測得與衛(wèi)星的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離計(jì)算公式，就可以推導(dǎo)出接收機(jī)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個(gè)人移動通信移動對象相互間的通信，如手機(jī)、無繩電話、尋呼系統(tǒng)等基站移動臺（手機(jī)）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(gè)單元中心高處建有一個(gè)基站，所有單元既相互分割，又彼此交疊，形成整個(gè)移動通信服務(wù)網(wǎng)位于某單元內(nèi)的所有手機(jī)都向該基站發(fā)送信號，并接收基站發(fā)給它的信號移動交換中心電話交換中心所有基站都通過微波或光纜與移動交換中心通信手機(jī)每個(gè)時(shí)刻都處于某個(gè)特定單元的基站控制之下，同一單元內(nèi)同一時(shí)刻的不同手機(jī)使用不同的頻率與基站進(jìn)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、155-156CDMA(碼分多址接入，CodeDivisionMultipleAccess)抗干擾能力強(qiáng)，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(dá)地區(qū)手機(jī)用戶高度密集的要求(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(shí)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(jī)；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(jī)；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)得多信道信源(宿)信宿(源)調(diào)制后的載波

信號接收到的載波

信號調(diào)制(解調(diào))器(調(diào)制)解調(diào)器載波載波小結(jié)1:遠(yuǎn)距離通信必須使用MODEM通信一般是雙向進(jìn)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(gè)參數(shù)(幅度、頻率或相位)到達(dá)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(jìn)行長距離傳輸例：ADSL寬帶上網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器把計(jì)算機(jī)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(jī)傳輸至目的地目的地計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)ADSLMODEMADSLMODEMDEMUXMUX

共享的傳輸信道載波頻率f1調(diào)制調(diào)制載波頻率fn載波頻率f1解調(diào)解調(diào)載波頻率fnf頻分多路復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing,FDM)

思想：將每個(gè)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(gè)信號，然后在同一傳輸線路上進(jìn)行傳輸。抵達(dá)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)送與接收頻分多路復(fù)用分路器(帶通濾波器)信號發(fā)射信號接收常見廣播電臺使用的載波頻率中波900KHz(南京經(jīng)濟(jì)臺)■

中波1008KHz(南京新聞臺)短波15.28MHz(英國BBC)■

短波15.29MHz(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)送與接收頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)頻道載波頻率(MHz)187.755123.259230.25295.75

6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路復(fù)用器解調(diào)器在天空中傳輸?shù)碾姶挪ㄆ麟娨曅盘柊l(fā)射器電視信號接收器電視節(jié)目調(diào)制器載波1電視圖像及其伴音調(diào)制器載波2電視圖像及其伴音調(diào)制器載波n電視圖像及其伴音電視調(diào)諧器(分路器)時(shí)分多路復(fù)用(TimeDivisionMultiplexing,TDM)

思想：各通信終端（計(jì)算機(jī)、電話）以規(guī)定的順序和時(shí)間輪流使用同一傳輸線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作原理：HFGEDCBA傳輸線路時(shí)間片GC終端1終端2終端3終端4HDFBEA多路復(fù)用器43214321數(shù)據(jù)tMultiplexer多路分路器終端甲終端乙終端丙終端丁EAFBGCHDDemultiplexer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(jī)、總線式以太網(wǎng)等發(fā)送方：數(shù)據(jù)時(shí)間異步時(shí)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(jìn)行信息傳輸。即：發(fā)送方有數(shù)據(jù)且信道有空閑時(shí)就發(fā)送，沒有數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)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(shí)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(dá)到40G-100Gbit/s原理：光纖發(fā)送端有N個(gè)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(jìn)入同一根光纖進(jìn)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)出原始信號示意圖復(fù)合光小結(jié)2:多路復(fù)用可以降低通信成本通信系統(tǒng)的原理示意圖復(fù)用（分路）信道信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器復(fù)用（分路）信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器信源（宿）調(diào)制解調(diào)器······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(shí)進(jìn)行，大大節(jié)省了通信成本頻分多路、時(shí)分多路和波分多路等技術(shù)可以同時(shí)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…交換機(jī)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((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸具有突發(fā)性，不適合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信什么是分組交換(PacketSwitching)?分組交換的要點(diǎn)：被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須劃分為若干“分組”(packet,簡稱“包”)進(jìn)行傳輸每個(gè)分組中必須包含收、發(fā)雙方的地址每個(gè)分組的格式如下：有效載荷(傳輸?shù)臄?shù)據(jù))校驗(yàn)信息發(fā)送計(jì)算機(jī)地址目的計(jì)算機(jī)地址編號分組交換示意：321（c）132（b）不同的包在不同鏈路上進(jìn)行傳輸123321（d）到接收方后，再將收到的包按順序組合在一起321321（a）發(fā)送方將數(shù)據(jù)分成3個(gè)包表示分組交換機(jī)分組交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)的過程高速數(shù)字通信線路計(jì)算機(jī)ABCDEFGH1234123412341234端口目的地端口－3E,F,GC,DHA,B33目的地端口33E,F,GC,DHA,B4－目的地端口2－E,F,GC,DHA,B43目的地端口11E,F,GC,DHA,B－4分組交換機(jī)1分組交換機(jī)2分組交換機(jī)3分組交換機(jī)4計(jì)算機(jī)G收到所有數(shù)據(jù)包后，將包組裝為一個(gè)文件交換機(jī)每收到一個(gè)包，就根據(jù)包的目的地地址,選擇一個(gè)輸出端口若目的地計(jì)算機(jī)就在交換機(jī)上，則交換機(jī)直接將包發(fā)給該計(jì)算機(jī)A將文件拆分成若干個(gè)包,將包逐個(gè)地發(fā)給交換機(jī)例：計(jì)算機(jī)A的文件＝>計(jì)算機(jī)G分組交換機(jī)中的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組交換機(jī)主機(jī)在交換機(jī)

E

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達(dá)目的主機(jī)

H5在交換機(jī)

C

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在交換機(jī)

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H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1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(jī)主機(jī)選講：實(shí)現(xiàn)分組交換的關(guān)鍵設(shè)備：

——分組交換機(jī)分組交換機(jī)的任務(wù)是：負(fù)責(zé)包（分組）的轉(zhuǎn)發(fā)分組交換機(jī)的工作方式是：存儲轉(zhuǎn)發(fā)+路由選擇分組交換機(jī)的工作過程：從輸入端口收到一個(gè)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(gè)輸出端口進(jìn)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(duì)輸出端口每發(fā)送完一個(gè)包，就從自己的緩沖區(qū)中提取下一個(gè)包進(jìn)行發(fā)送…輸入分組輸出分組路由表及路由選擇協(xié)議33輸入端口…1122交換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)表分組處理…輸出端口…113322分組交換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和問題優(yōu)點(diǎn)：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(jī)發(fā)送分組?？煽勘ＷC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(diǎn)存儲轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)需要排隊(duì)，這就會造成一定的時(shí)延。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控