计算机网络(2)| 物理层

首先要知道的是，物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。因为现在的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常的多。而物理层的作用就是要尽可能地屏蔽掉这些不同的差异，从而使得物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以让数据链路层“安心”的完成自己的本职工作而不必考虑网络的具体传输媒体和通信手段是什么。

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体接口有关的一些特性，即以下几个方面：

（1） 机械特性 ：指明接口所用的接线器的形状与尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等等

（2） 电气特性 ：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

（3） 功能特性 ：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

（4） 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

因为物理连接的方式有很多，所以具体的物理协议的种类也有很多，从而传输媒体的种类也是非常之多，所以在介绍物理层时，我们应该先对“接口与通信”有一定的了解。

一个通信系统可以划分为三大部分，即 源系统 ， 传输系统 和 目的系统 。

首先介绍源系统，源系统一般包括以下两个部分：

源点： 源点设备产生要传输的数据，例如从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为 源站 或者 信源 。

发送器： 通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。最典型的发送器就是调制器，现在的很多计算器使用的都是内置的解调器（包括调制器和解调器）。

目的系统一般也包括以下两个部分：

接收器： 接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，

终点： 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。终点又称为 目的站 或者 信宿 。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

然后我们要来辨别一下下面的常用术语：

消息： 指语音，文字，图像等等。

数据： 指使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器处理或者产生。

信号： 指数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可以分为以下两大类：

（1）模拟信号： 代表消息的参数的取值是连续的。

（2）数字信号： 代表消息的参数的取值是离散的。

信道 是用来表示向某一个方向传送消息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

（1）单向通信： 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播就是这种类型。

（2）双向交替通信： 又称为半双工通信，即通信双方都可以发送消息，但不能双方同时发送（也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收。

（3）双向同时通信： 也称为全双工通信，即通信双方都可以同时发送和接收消息。

来自信源的信号称为 基带信号 。像计算机输出的代表各种文字或文件的数据信号都属于基带信号。由于基带信号往往包含有较多的低频成分和直流成分，但是许多信道并不能传输这种低频分量或是直流分量。所以为了解决这一问题，就必须对基带信号进行 调制 。

调制主要是分为两大类。一类是对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道的特征相适应，但是变换后的信号仍然是基带信号，这一类的调制称为 基带调制 ，这一过程也被称为编码。还有一类调制则是需要使用载波进行调制，将基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能更好的在模拟信道中传输，经过载波调制的信号称为带通信号，而使用载波的调制称为 带通调制 。

不归零制： 正电平代表1，负电平代表0。

归零制： 正脉冲代表1，负脉冲代表0。

曼彻斯特编码： 位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1，但是也可以反过来定义。

差分曼彻斯特编码： 在每一位的中心处始终有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

调幅（AM）： 即载波的振幅随着基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波的输出。

调频（FM）： 即载波的频率随着基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率的 f1 或 f2 。

调相（PM）： 即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

当然，有时为了达到更高的信息传输速率，也必须采用技术上更为复杂但传输效果更好的混合调制方法，例如正交振幅调制等等。

限制信息在信道上的传输速率的因素主要是以下两个。

（1）信道能够通过的范围频率

具体信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，就是因为它的频率超过了信道所能承受的最大频率，因此就会造成失真现象。

（2）信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，因此它的瞬时值有时会很大，所以噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，当信号较强时，噪声的影响就相对较小。所以我们就要了解到 信噪比 的概念。信噪比就是指信号的平均功率和噪声的平均功率之比，单位是分贝：

W是带宽，S是信道内所传信号的平均功率，N为信道内高斯噪声的功率。香农公式指出：信道的带宽或者信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

传输媒体也称传输介质或传输媒介。传输媒体大致可以分为两大类： 导引型传输媒体和非导引型传输媒体 。下面来具体介绍。

双绞线就是指将两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。电话系统是使用双绞线最多的地方，从用户电话机到交换机的双绞线称为 用户线 。

模拟传输和数字传输都会用到双绞线，其通信距离一般是为几到几十公里。

为了提高双绞线的对抗电磁干扰能力，可以在双绞线外面再加一层用金属丝编织而成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线。，简称为 STP 。

同轴电缆内由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。由于其特有的构造，所以同轴电缆有着良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。目前同轴电缆主要用在有线电视网的信号传输当中。它的带宽是取决于它的质量的。

光纤是光缆通信的传输媒体，由于可见光的频率非常之高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

当光纤从高折射率的传输媒体到低折射率的传输媒体时，其折射角就会大于入射角。因此如果当入射角足够大时，就会产生全反射，光也就能沿着光纤传输下去。

正是由于上面的原理，所以只要将入射角的角度把握好，就能够产生全反射来进行传输，这也就是光纤传输的原理。

光纤不仅具有通信容量大的特点，还有其他的一些特点：

1传输损耗小。

2抗雷电和电磁干扰性能好。

3无串音干扰，保密性很高。

4体积小，重量轻。

我们将自由空间称为非导引型传输媒体，简单来说就是指无线传输。无线传输可以使用的频段很广，人们已经利用了好几个波段来进行通信，但是紫外线以及更高的波段现在暂时还是不能用于通信。

短波通信（高频通信）主要是靠电离层的反射来进行传输。但是短波信道的通信质量较差，传输速率较低。

无线电微波通信在数据通信中占有重要的地位。微波在空间中主要是以直线传播。传统的微波通信主要有两种方式，即 地面微波接力通信和卫星通信 。

要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如ISM，各国的ISM标准可能略有差异。

复用是通信中的基本概念，它是指允许用户使用一个共享信道来进行通信，达到降低成本，提高利用率的效果。

先来介绍 频分复用FDM ，频分复用是指将带宽分为多份，用户在分到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用着这一条频带，也就是说频分复用的用户是在同样的时间占用不同的带宽资源。

然后是 时分复用TDM ，它是指将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。而每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

最后是 统计时分复用STDM ，它是有一点类似于TDM的，只是STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态的分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

波分复用WDM 就是光的频分复用，也就是使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

码分复用CDM 是另一种共享信道的方法。而人们更常使用码分多址CDMA来称呼它。这种复用方式的具体做法是可以让每一个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于各个用户使用经过特殊的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。而且通过这种方式发送的信号具有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不容易被他人发现。

码分复用的工作原理是将每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称之为码片。一般情况下m的值是64或128。

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。举例来说：

有时为了方便起见，我们会将码片中的0写为-1，1写为+1。

现假定S站要发送信息的数据率为b bits/s，由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种方式就是 扩频 的一种。扩频通信通常有两大类，一种是直接序列扩频DSSS，另一种是跳频扩频FHSS。

CDMA系统的重要特点是每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交，并且在实用的系统中是使用伪随机码序列。

在早期的电话网当中，从电话局到用户电话机的用户线采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式。由于数字通信与模拟通信相比，无论数传输质量上还是从经济上都有明显的优势，所以现在长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。

但是早期的数字传输系统有着许多的缺点，其中最主要的是以下两个：

（1）速率标准不统一： 由于历史的原因，多路复用的速率体系有两个互不兼容的国际标准。所以国际范围的基于光纤高速数据传输就很难实现。

（2）不是同步传输： 在过去各国的数字网主要是采用准同步的方式，所以当数据传输速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

所以为了解决这些问题，美国推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET。整个的同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。同时，SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构：

宽带的接入技术主要包括有线宽带接入和无线宽带接入。在这里先来介绍有线宽带接入。

ADSL技术的全称是非对称数字用户线技术，具体指的是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。具体来说ADSL技术就是把0-4 kHZ这一段低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

ADSL的 传输距离 取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。而ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

ADSL在 数据率 方面由于用户在线的具体条件相差较大，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到干扰的情况以及在每一个频率上测试信号的传输质量。但是ADSL不能保证固定的数据率，所以对于用户线很差的甚至无法开通ADSL。

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器，用户线和用户家中的一些设施。

ADSL技术也在发展，现在已经有了更高速率的ADSL标准，称之为 第二代ADSL ，第二代ADSL改进的地方主要是：

1 通过提高调制效率得到了更高的数据率。

2 采用了无缝速率自适应技术SRA，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应的调整数据率。

3 改善了线路质量评测和故障定位功能。

HFC网是目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网，除了可以传送CATV外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

为了提高传输的质量，HFC网将原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，而光纤从头端连接到光纤结点，在光纤结点光信号被转换为电信号，最后信号被送到每一个用户的家庭。

FTTx是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带接入的方式。这里的x代表不同的光纤接入地点，例如FTTH光纤到户，FTTB光纤到大楼等等。

现在的长距离信号传输大都是采用光纤传输，只有在到了临近用户家中时，才将光纤转换为铜缆。但是一个用户是远用不了一根光纤的通信容量，因此我们在光纤干线和用户之间安装一种转换装置即 光配线网 ，使得许多用户能够共享一根光纤的通信容量。由于光配线网无需使用电源，因此我们将其称为无源光网络。

第一章 计算机网络概述

11 计算机网络的定义和发展历史

111 计算机网络的定义

计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物，是在地理上分散的通过通信线路连接起来的计算机集合，这些计算机遵守共同的协议，依据协议的规定进行相互通信，实现网络各种资源的共享。

网络资源：所谓的网络资源包括硬件资源（如大容量磁盘、打印机等）、软件资源（如工具软件、应用软件等）和数据资源（如数据库文件和数据库等）。

计算机网络也可以简单地定义为一个互连的、自主的计算机集合。所谓互连是指相互连接在一起，所谓自主是指网络中的每台计算机都是相对独立的，可以独立工作。

112 计算机网络的发展历史

课后小结：

1． 计算机网络的定义．

2． 网络资源的分类．

课后作业：预习P2－P8．

第二讲

教学类型：理论课

教学课题：1．2～1．3

教学目标：1．了解计算机网络的功能和应用；2 了解计算机网络的系统组成

教学重点、难点：计算机网络的功能和应用；网络的系统组成

教学方法：教师讲解、演示、提问；

教学工具：多媒体幻灯片演示

12 计算机网络的功能和应用

1 计算机网络的功能

（1）实现计算机系统的资源共享

（2）实现数据信息的快速传递

（3）提高可靠性

（4）提供负载均衡与分布式处理能力

（5）集中管理

（6）综合信息服务

2计算机网络的应用

计算机网络由于其强大的功能，已成为现代信息业的重要支柱，被广泛地应用于现代生活的各个领域，主要有：

（1）办公自动化

（2）管理信息系统

（3）过程控制

（4）互联网应用（如电子邮件、信息发布、电子商务、远程音频与视频应用）

13计算机网络的系统组成

131 网络节点和通信链路

从拓扑结构看，计算机网络就是由若干网络节点和连接这些网络节点的通信链路构成的。计算机网络中的节点又称网络单元，一般可分为三类：访问节点、转接节点和混合节点。

通信链路是指两个网络节点之间承载信息和数据的线路。链路可用各种传输介质实现，如双绞线、同轴电缆、光缆、卫星、微波等。

通信链路又分为物理链路和逻辑链路。

132 资源子网和通信子网

从逻辑功能上可把计算机网络分为两个子网：用户资源子网和通信子网。

资源子网包括各种计算机和相关的硬件、软件；

通信子网是连接这些计算机资源并提供通信服务的连接线路。正是在通信子网的支持下，用户才能利用网络上的各种资源，进行相互间的通信，实现计算机网络的功能。

通信子网有两种类型：

（1）公用型（如公用计算机互联网CHINANET）

（2）专用型（如各类银行网、证券网等）

133 网络硬件系统和网络软件系统

计算机网络系统是由计算机网络硬件系统和网络软件系统组成的。

网络硬件系统是指构成计算机网络的硬设备，包括各种计算机系统、终端及通信设备。

常见的网络硬件有：

（1）主机系统； （2）终端； （3）传输介质； （4）网卡；　（5）集线器； （6）交换机； （7）路由器

网络软件主要包括网络通信协议、网络 *** 作系统和各类网络应用系统。

（1）服务器 *** 作系统

常见的有：Novell公司的NetWare、微软公司的 Windows NT Server及 Unix系列。

（2）工作站 *** 作系统

常见的有： Windows 95、Windows 98及Windows 2000等。

（3）网络通信协议

（4）设备驱动程序

（5）网络管理系统软件

（6）网络安全软件

（7）网络应用软件

课后小结：

1． 计算机网络的功能和应用

2． 网络的系统组成

课后作业：预习P8－P10

第三讲

教学类型：理论课

教学课题：1．4　计算机网络的分类

教学目标：1．掌握计算机网络的分类；2 了解计算机网络的定义和发展；3． 了解计算机网络的功能和应用；4 了解计算机网络的系统组成

教学重点、难点：掌握计算机网络的分类

教学方法：教师讲解、演示、提问；

教学工具：多媒体幻灯片演示

14 计算机网络的分类

141 按计算机网络覆盖范围分类

由于网络覆盖范围和计算机之间互连距离不同，所采用的网络结构和传输技术也不同，因而形成不同的计算机网络。

一般可以分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）三类。

142按计算机网络拓扑结构分类

网络拓扑是指连接的形状，或者是网络在物理上的连通性。如果不考虑网络的的地理位置，而把连接在网络上的设备看作是一个节点，把连接计算机之间的通信线路看作一条链路，这样就可以抽象出网络的拓扑结构。

按计算机网络的拓扑结构可将网络分为：星型网、环型网、总线型网、树型网、网型网。

143 按网络的所有权划分

1公用网

由电信部门组建，由政府和电信部门管理和控制的网络。

2专用网

也称私用网，一般为某一单位或某一系统组建，该网一般不允许系统外的用户使用。

144 按照网络中计算机所处的地位划分

（1）对等局域网

（2）基于服务器的网络（也称为客户机/服务器网络）。

课后小结：

1 计算机网络的定义；2 计算机网络的功能和应用；3 计算机网络的分类

课后作业：(P10)1 、4、5、6

第四讲

教学类型：理论课

教学课题：1．1　计算机网络的定义和发展

教学目标：1 了解数据通信的基本概念；2 了解数据传输方式

教学重点、难点：数据传输方式

教学方法：教师讲解、演示、提问；

教学工具：多媒体幻灯片演示

教学内容与过程

导入：由现在的网络通讯中的一些普通关键词引入新课

讲授新课：（多媒体幻灯片演示或板书）

第二章 数据通信基础

2．1 数据通信的基本概念

211 信息和数据

1．信息

信息是对客观事物的反映,可以是对物质的形态、大小、结构、性能等全部或部分特性的描述，也可表示物质与外部的联系。信息有各种存在形式。

2．数据

信息可以用数字的形式来表示，数字化的信息称为数据。数据可以分成两类：模拟数据和数字数据。

212 信道和信道容量

1．信道

信道是传送信号的一条通道，可以分为物理信道和逻辑信道。

物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，由传输及其附属设备组成。

逻辑信道也是指传输信息的一条通路，但在信号的收、发节点之间并不一定存在与之对应的物理传输介质，而是在物理信道基础上，由节点设备内部的连接来实现。

2．信道的分类

信道按使用权限可分为专业信道和共用信道。

信道按传输介质可分为有线信道、无线信道和卫星信道。

信道按传输信号的种类可分为模拟信道和数字信道。

3．信道容量

信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用数据传输率来表示。即单位时间内传送的比特数越大，则信息的传输能力也就越大，表示信道容量大。

213 码元和码字

在数字传输中，有时把一个数字脉冲称为一个码元，是构成信息编码的最小单位。

计算机网络传送中的每一位二进制数字称为“码元”或“码位”，例如二进制数字10000001是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”。

214 数据通信系统主要技术指标

1．比特率：比特率是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数，单位用比特每秒（bps）或千比特每秒（Kbps）表示。

2．波特率：波特率是一种调制速率，也称波形速率。在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特（baud）。

3．误码率：误码率指信息传输的错误率，也称误码率，是数据通信系统在正常工作情况下，衡量传输可靠性的指标。

4．吞吐量：吞吐量是单位时间内整个网络能够处理的信息总量，单位是字节/秒或位/秒。在单信道总线型网络中，吞吐量=信道容量×传输效率。

5．通道的传播延迟：信号在信道中传播，从信源端到达信宿端需要一定的时间，这个时间叫做传播延迟（或时延）。

215 带宽与数据传输率

1信道带宽

信道带宽是指信道所能传送的信号频率宽度，它的值为信道上可传送信号的最高频率减去最低频率之差。

带宽越大，所能达到的传输速率就越大，所以通道的带宽是衡量传输系统的一个重要指标。

2数据传输率

数据传输率是指单位时间信道内传输的信息量，即比特率，单位为比特/秒。

一般来说，数据传输率的高低由传输每一位数据所占时间决定，如果每一位所占时间越小，则速率越高。

22 数据传输方式

221 数据通信系统模型

222 数据线路的通信方式

根据数据信息在传输线上的传送方向，数据通信方式有：

单工通信

半双工通信

双工通信

223 数据传输方式

数据传输方式依其数据在传输线原样不变地传输还是调制变样后再传输，可分为基带传输、频带传输和宽带传输等方式。

1基带传输

2频带传输

3宽带传输

课后小结：

1 什么是信息、数据？

2 什么是信道？常用的信道分类有几种？

3 什么是比特率？什么是波特率？

4 什么是带宽、数据传输率与信道容量？

课后作业：（P20）二1、2、3、4、5、6

第五讲

教学类型：理论课

教学课题：2．2～2．4　

教学目标：1．理解数据交换技术；2 理解差错检验与校正技术

教学重点、难点：数据交换技术、差错检验与校正技术

教学方法：教师讲解、演示、提问；

教学工具：多媒体幻灯片演示

教学内容与过程：

导入：由现在的网络通讯中的一些普通关键词引入新课

讲授新课：（多媒体幻灯片演示或板书）

23 数据交换技术

通常使用四种交换技术：

电路交换

报文交换

分组交换

信元交换。

231 电路交换

电路交换（也称线路交换）

在电路交换方式中，通过网络节点（交换设备）在工作站之间建立专用的通信通道，即在两个工作站之间建立实际的物理连接。一旦通信线路建立，这对端点就独占该条物理通道，直至通信线路被取消。

电路交换的主要优点是实时性好，由于信道专用，通信速率较高；缺点是线路利用率低，不能连接不同类型的线路组成链路，通信的双方必须同时工作。

电路交换必定是面向连接的，电话系统就是这种方式。

电路交换的三个阶段：

电路建立阶段

数据传输阶段

拆除电路阶段

232 报文交换

报文是一个带有目的端信息和控制信息的数据包。报文交换采取的是“存储—转发”（Store-and-Forward）方式，不需要在通信的两个节点之间建立专用的物理线路。

报文交换的主要缺点是网络的延时较长且变化比较大，因而不宜用于实时通信或交互式的应用场合。

在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。

报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在，报文交换已经很少有人使用了。

233 分组交换

分组交换也称包交换，它是报文交换的一种改进，也属于存储-转发交换方式，但它不是以报文为单位，而是以长度受到限制的报文分组（Packet）为单位进行传输交换的。分组也叫做信息包，分组交换有时也称为包交换。

分组在网络中传输，还可以分为两种不同的方式：数据报和虚电路。

分组交换的优点

高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

灵活 以分组为传送单位和查找路由。

迅速 必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽

可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性

234 信元交换技术

（ATM，Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）

ATM是一种面向连接的交换技术，它采用小的固定长度的信息交换单元（一个53Byte的信元），话音、视频和数据都可由信元的信息域传输。

它综合吸取了分组交换高效率和电路交换高速率的优点，针对分组交换速率低的弱点，利用电路交换完全与协议处理几乎无关的特点，通过高性能的硬件设备来提高处理速度，以实现高速化。

ATM是一种广域网主干线的较好选择。

24 差错检验与校正

数据传输中出现差错有多种原因，一般分成内部因素和外部因素。

内部因素有噪音脉冲、脉动噪音、衰减、延迟失真等。

外部因素有电磁干扰、太阳噪音、工业噪音等。

为了确保无差错地传输，必须具有检错和纠错的功能。常用的校验方式有奇偶校验和循环冗余码校验。

241 奇偶校验

采用奇偶校验时，若其中两位同时发生错误，则会发生没有检测出错误的情况。

242 循环冗余码校验。

这种编码对随机差错和突发差错均能以较低的冗余充进行严格的检查。

课后小结：

1 数据通信的的一些基本知识

2 三种交换方式的基本工作原理

3 两种差错校验方法：奇偶校验和循环冗余校验

课后作业：（P20）二7、8、9

第六讲

教学类型：复习课

教学课题：第一章与第二章

教学目标：通过复习掌握第一、二章的重点

教学重点、难点：第一、二章的重点

教学方法：教师讲解、演示、提问；

教学工具：多媒体幻灯片演示

教学内容：第一、二章的内容

第七讲

教学类型：测验一

第八讲

教学类型：理论课

教学课题：第三章 计算机网络技术基础

教学目标：1 掌握几种常见网络拓扑结构的原理及其特点；2 掌握ISO/OSI网络参考模型及各层的主要功能

教学重点、难点：1 掌握几种常见网络拓扑结构的原理及其特点；2 掌握ISO/OSI网络参考模型及各层的主要功能

教学方法：教师讲解、演示、学生认真学习并思考、记忆；教师讲授与学生理解协调并重的教学法

教学工具：多媒体幻灯片演示

教学内容与过程

导入：提问学生对OSI的七层模型和TCP/IP四层模型的理解。

引导学生总结重要原理并认真加以研究。

教师总结归纳本章重要原理的应用，进入教学课题。

讲授新课：（多媒体幻灯片演示或板书）

第三章 计算机网络技术基础

31 计算机网络的拓扑结构

311 什么是计算机网络的拓扑结构

网络拓扑是指网络连接的形状，或者是网络在物理上的连通性。

网络拓扑结构能够反映各类结构的基本特征，即不考虑网络节点的具体组成，也不管它们之间通信线路的具体类型，把网络节点画作“点”，把它们之间的通信线路画作“线”，这样画出的图形就是网络的拓扑结构图。

不同的拓扑结构其信道访问技术、网络性能、设备开销等各不相同，分别适应于不同场合。它影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等方面，是研究计算机网络的主要环节之一。

计算机网络的拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构，常见的一般分为以下几种：

1总线型；2星型；3环型；4树型；5网状型

312 总线型拓扑结构

总线结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接。总线型结构简单、扩展容易。网络中任何节点的故障都不会造成全网的故障，可靠性较高。

总线型结构是从多机系统的总线互联结构演变而来的，又可分为单总线结构和多总线结构，常用CSMA/CD和令牌总线访问控制方式。

总线型结构的缺点：

（1）故障诊断困难；（2）故障隔离困难；（3）中继器等配置；（4）实时性不强

313 星型拓扑结构

星型的中心节点是主节点，它接收各分散节点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。星型网的结构简单，建网容易，但可靠性差，中心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。

星型拓扑结构的访问采用集中式控制策略，采用星型拓扑的交换方式有电路交换和报文交换。

星型拓扑结构的优点：

（1）方便服务；（2）每个连接只接一个设备；（3）集中控制和便于故障诊断；（4）简单的访问协议

星型拓扑结构的缺点：

（1）电缆长度和安装；（2）扩展困难；（3）依赖于中央节点

314 环型拓扑结构

网络中节点计算机连成环型就成为环型网络。环路上，信息单向从一个节点传送到另一个节点，传送路径固定，没有路径选择问题。环型网络实现简单，适应传输信息量不大的场合。任何节点的故障均导致环路不能正常工作，可靠性较差。

环型网络常使用令牌环来决定哪个节点可以访问通信系统。

环型拓扑结构的优点：

（1）电缆长度短；（2）适用于光纤；（3）网络的实时性好

环型拓扑结构的缺点：

（1）网络扩展配置困难；（2）节点故障引起全网故障；（3）故障诊断困难；（4）拓扑结构影响访问协议

315 其他类型拓扑结构

1树型拓扑结构

树型网络是分层结构，适用于分级管理和控制系统。网络中，除叶节点及其联机外，任一节点或联机的故障均只影响其所在支路网络的正常工作。

2星型环型拓扑结构

316 拓扑结构的选择原则

拓扑结构的选择往往和传输介质的选择和介质访问控制方法的确定紧密相关。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点：

（1）服务可靠性； （2）网络可扩充性； （3）组网费用高低（或性能价格比）。

32 ISO/OSI网络参考模型

建立分层结构的原因和意义：

建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共享，而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。对于网络的广泛实施，国际标准化组织ISO（International Standard Organization），经过多年研究，在1983年提出了开放系统互联参考模型OSI/RM（Reference Model of Open System Interconnection），这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构，给网络设计者提供了一个参考规范。

OSI参考模型的层次

OSI参考模型共有七层，由低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

1．OSI参考模型的特性

（1）是一种将异构系统互联的分层结构；

（2）提供了控制互联系统交互规则的标准骨架；

（3）定义了一种抽象结构，而并非具体实现的描述；

（4）不同系统上的相同层的实体称为同等层实体；

（5）同等层实体之间的通信由该层的协议管理；

（6）相邻层间的接口定义了原语 *** 作和低层向上层提供的服务；

（7）所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务；

（8）直接的数据传送仅在最低层实现；

（9）每层完成所定义的功能，修改本层的功能并不影响其它层。

2．有关OSI参考模型的技术术语

在OSI参考模型中，每一层的真正功能是为其上一层提供服务。在对这些功能或服务过程以及协议的描述中，经常使用如下一些技术术语：

（1）数据单元

服务数据单元SDU（Service Data Unit）

协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）

接口数据单元IDU（Interface Data Unit）

服务访问点SAP（Service Access Point）

服务原语（Primitive）

（2）面向连接和无连接的服务

下层能够向上层提供的服务有两种基本形式：面向连接和无连接的服务。

面向连接的服务是在数据传输之前先建立连接，主要过程是：建立连接、进行数据传送，拆除链路。面向连接的服务，又称为虚电路服务。

无连接服务没有建立和拆除链路的过程，一般也不采用可靠方式传送。不可靠（无确认）的无连接服务又称为数据报服务。

321 物理层

物理层是OSI模型的最低层，其任务是实现物理上互连系统间的信息传输。

1物理层必须具备以下功能

（1）物理连接的建立、维持与释放；2）物理层服务数据单元传输；（3）物理层管理。

2媒体和互联设备

物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等；

通信用的互联设备如各种插头、插座等；局域网中的各种粗、细同轴电缆，T型接/插头，接收器，发送器，中继器等都属物理层的媒体和连接器。

322 数据链路层

数据链路可以粗略地理解为数据信道。数据链路层的任务是以物理层为基础，为网络层提供透明的、正确的和有效的传输线路，通过数据链路协议，实施对二进制数据正确、可靠的传输。

数据链路的建立、拆除、对数据的检错、纠错是数据链路层的基本任务。

1链路层的主要功能

（1）链路管理；（2）帧的装配与分解；（3）帧的同步；（4）流量控制与顺序控制；（5）差错控制；（6）使接收端能区分数据和控制信息；（7）透明传输；（8）寻址

2数据链路层的主要协议

（1）ISO1745-1975；（2）ISO3309-1984；（3）ISO7776

3链路层产品

独立的链路产品中最常见的是网卡，网桥也是链路产品。

数据链路层将本质上不可靠的传输媒介变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE802．3情况下，数据链路层分成两个子层：一个是逻辑链路控制，另一个是媒体访问控制。

323 网络层

网络层是通信子网与资源子网之间的接口，也是高、低层协议之间的接口层。网络层的主要功能是路由选择、流量控制、传输确认、中断、差错及故障的恢复等。当本地端与目的端不处于同一网络中，网络层将处理这些差异。

1网络层的主要功能

（1）建立和拆除网络连接；

（2）分段和组块；

（3）有序传输和流量控制；

（4）网络连接多路复用；

（5）路由选择和中继；

（6）差错的检测和恢复；

（7）服务选择

2网络层提供的服务

OSI/RM中规定，网络层中提供无连接和面向连接两种类型的服务，也称为数据报服务和虚电路服务。

3路由选择

324 传输层

传输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁。传输层下面三层（属于通信子网）面向数据通信，上面三层（属于资源子网）面向数据处理。因此，传输层位于高层和低层中间，起承上启下的作用。它屏蔽了通信子网中的细节，实现通信子网中端到端的透明传输，完成资源子网中两节点间的逻辑通信。它是负责数据传输的最高一层，也是整个七层协议中最重要和最复杂的一层。

1传输层的特性

（1）连接与传输；（2）传输层服务

2传输层的主要功能

3传输层协议

325 会话层

会话层、表示层和应用层一起构成OSI/RM的高层，会话层位于OSI模型面向信息处理的高三层中的最下层，它利用传输层提供的端到端数据传输服务，具体实施服务请求者与服务提供者之间的通信，属于进程间通信的范畴。

会话层还对会话活动提供组织和同步所必须的手段，对数据传输提供控制和管理。

1会话层的主要功能；

（1）提供远程会话地址；

（2）会话建立后的管理；

（3）提供把报文分组重新组成报文的功能

2会话层提供的服务

（1）会话连接的建立和拆除；

（2）与会话管理有关的服务；

（3）隔离；

（4）出错和恢复控制

326 表示层

表示层为应用层服务，该服务层处理的是通信双方之间的数据表示问题。为使通信的双方能互相理解所传送信息的含义，表示层就需要把发送方具有的内部格式编码为适于传输的比特流，接收方再将其译码为所需要的表示形式。

数据传送包括语义和语法两个方面的问题。OSI模型中，有关语义的处理由应用层负责，表示层仅完成语法的处理。

1表示层的主要功能

（1）语法转换；（2）传送语法的选择；（3）常规功能

2表示层提供的服务

（1）数据转换和格式转换；

（2）语法选择；

（3）数据加密与解密；

（4）文本压缩

327 应用层

OSI的7层协议从功能划分来看，下面6层主要解决支持网络服务功能所需要的通信和表示问题，应用层则提供完成特定网络功能服务所需要的各种应用协议。

应用层是OSI的最高层，直接面向用户，是计算机网络与最终用户的接口。负责两个应用进程（应用程序或 *** 作员）之间的通信，为网络用户之间的通信提供专用程序。

课后小结：

1．计算机网络的拓扑结构的分类

2．OSI参考模型的层次

课后作业：预习P37~P39

第九讲

教学类型：理论课

教学课题：3．3～3．4

教学目标：

1 掌握共享介质方式的CSMA/CD和令牌传递两种数据传输控制方式的基本原理

2 了解几种常见的网络类型

教学重点、难点：理解数据传输控制方式

教学方法：教师讲解、演示、提问；

教学工具：多媒体幻灯片演示

教学内容与过程

导入：提问学生对OSI的七层模型和TCP/IP四层模型的理解。

引导学生总结重要原理并认真加以研究。

教师总结归纳本章重要原理的应用，进入教学课题。

讲授新课：（多媒体幻灯片演示或板书

33 数据传输控制方式

数据和信息在网络中是通过信道进行传输的，由于各计算机共享网络公共信道，因此如何进行信道分配，避免或解决通道争用就成为重要的问题，就要求网络必须具备网络的访问控制功能。介质访问控制（MAC）方法是在局域网中对数据传输介质进行访问管理的方法。

331 具有冲突检测的载波侦听多路访问

冲突检测/载波侦听（CSMA/CD法）

CSMA/CD是基于IEEE802．3标准的以太网中采用的MAC方法，也称为“先听后发、边发边听”。它的工作方式是要传输数据的节点先对通道进行侦听，以确定通道中是否有别的站在传输数据，若信道空闲，该节点就可以占用通道进行传输，反之，该节点将按一定算法等待一段时间后再试，并且在发送过程中进行冲突检测，一旦有冲突立即停止发送。通常采用的算法有三种：非坚持CSMA、1-坚持CSMA、P-坚持CSMA。

目前，常见的局域网，一般都是采用CSMA/CD访问控制方法的逻辑总线型网络。用户只要使用Ethernet网卡，就具备此种功能。

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方)、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统一般包括以下两个部分：

源点(source)：源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或 信源 。

发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是 调制器 。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器)，用户在计算机外面看不见调制解调器。

目的系统一般也包括以下两个部分：

接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是 解调器 ，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

终点(destination)：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或 信宿 。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

通信的目的是传送消息(message)。 如话音、文字、图像、视频等都是消息。 数据(data)是运送消息的实体。 根据RFC4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器（或人）处理或产生。 信号(signal)则是数据的电气或电磁的表现。 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

(1) 模拟信号，或连续信号一代表消息的参数的取值是连续的。 例如在上图中，用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。

(2) 数字信号，或离散信号一代表消息的参数的取值是离散的。 例如在上图中，用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为 码元① 。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

① 码元 是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。一个玛元所携带的信息量是不固定的，而是由调制方式和编码方式决定的。

信道按传输信号形式的不同，可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类；信道按传输介质的不同可分为无线信道和有线信道。

信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（称为基带传输）；宽带（带通）信号将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送利模拟信道上传输（称为宽带传输）。

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此， 一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道 。从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

(1) 单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。

(2) 双向交替通信 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。

(3) 双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条)。显然，双向同时通信的传输效率最高。

速率也称数据率，指的是数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

1)码元传输速率。又称波特率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Bud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。码元可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制数无关。

2)信息传输速率。又称信息速率、比特率等，它表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒(b/s)。

注意：波特和比特是两个不同的概念，码元传输速率也称调制速率、波形速率或符号速率。但码元传输速率与信息传输速率在数量上却又有一定的关系。若一个码元携带比特的信息量，则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为Mn比特/秒。

一、UPS及其工作原理简介

UPS是英文Uninterruptible Power Supply的缩写，意为“不间断供电电源”，是一种含有储能装置（常见的是蓄电池），以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，它可以解决现有电力的断电、低电压、高电压、突波、杂讯等现象，使计算机系统运行更加安全可靠。现在已经被广泛应用计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业，并且正在迅速地走入家庭。

下面，让我们先简单地了解一下UPS的工作原理。

当我们没有使用UPS的时候，PC机、打印机等终端设备是直接接入市电使用的，用了UPS，就将PC机、打印机等终端设备接到UPS上使用，而UPS再接入市电。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给终端设备(相对于UPS而言，我们将这些终端设备称为负载)使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向自己的内置电池充电；当市电中断(例如停电)时, UPS 立即将内置电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载的软、硬件系统不受损坏。

二、市电对家用PC机及其终端设备的影响

如果我们的PC机、计算机网络等设备不使用UPS，又会受到哪些影响呢？不少人都有一个常见的错误概念，认为我们使用的市电，除了偶尔发生的停电事故外，都是连续而且恒定的。其实不然。市电系统作为公共电网，上面连接了成千上万各种各样的负载，其中一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅从电网中获得电能，还会反过来对电网本身造成影响，恶化电网或局部电网的供电品质，造成市电电压波形畸变或频率漂移。另外，意外的自然和人为事故，如雷击、输变电系统断路或短路、电源插头地错误拔插等，都会危害电力的正常供应，从而影响负载的正常工作。尤其需要特别指出的是，PC机、网络设备、通信系统、医疗设备等都属于非常精密的电子设备，对它们的影响表现得尤为突出。

对于PC机来说，显示器及主机工作都需要正常的电力供应。尤其是内存，对电源的要求更高，它是一种依赖电能的存储设备，需要不断的刷新动作来保持存储内容，一旦断电，所保存的内容立即消失。如果非正常断电，导致内存中的信息来不及保存到硬盘等存储设备上，就会造成信息因完全丢失或变得不完整而失去价值，从而浪费大量的工作精力和时间；而象UNIX、Linux这样的 *** 作系统（现在不少的电脑爱好者使用这种 *** 作系统），如果不正常关机，内存中的系统信息没有回写到硬盘上，还可能造成系统崩溃，无法再次启动；此外，电脑中的硬盘，虽然应用的是磁存储介质，不会因断电而损失信息，但突然的电力故障会使正在进行读写工作的硬盘物理磁头损坏，或者系统文件在维护文件系统时，造成文件分配表错误，从而使硬盘产生坏道，严重的，甚至还会造成整个硬盘的报废；另外，现在的 *** 作系统大都能设置虚拟内存，由于突然的断电，使系统来不及取消虚拟内存，从而造成硬盘中的“信息碎片”，不仅浪费了硬盘存储空间，还会导致机器运行缓慢；电脑电源是一种整流电源，过高的电压可能会造成整流器烧毁。而电压尖脉冲和暂态过电压以及电源杂讯等干扰都可能通过整流器进入主机板，影响机器的正常工作，甚至烧毁主机线路。

一般情况下，标准正弦波（220V，50Hz）是一种理想状态，但实际情况下，根据电力专家的测试，电网中经常发生并且对计算机或精密仪器产生干扰或造成损坏的情况主要有以下几种：电涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、电线噪声、频率漂移、持续低电压、市电中断等。

1 电涌（Power Surges）：指输出电压有效值高于额定值110％，而且持续时间达一个或数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时（例如常见的家用空调关机时），电网因突然卸载而产生的高压（我们都会有这样的切身体会：在晚上6:00至9:00左右的时间段，是用电的高峰期，市电电压普遍偏低，家里的照明灯比较暗，过了用电高峰期，比如说在晚上10:00左右，你会发现家里的照明灯突然一闪，并且亮了很多，这就是我们在日常生活中最常见到的一种电涌现象）。

2 高压尖脉冲（High Voltage Spikes）：指峰值达6000v，持续时间从万分之一秒至二分之一周期（10ms）的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关 *** 作而产生。

3 暂态过电压（Switching Transients）：指峰值电压高达 20000V，但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。

4 电压下陷(Power Sags)：指市电电压有效值介于额定值的80％至85％之间的低压状态，并且持续时间达一个到数个周期。大型设备开机，大型电动机启动，或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。

5 电线噪声（Electrical Line Noise）：系指射频干扰(RFI)和电磁干扰（EFI）以及其它各种高频干扰。马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等，都会引起线噪声干扰。

6 频率偏移（Frequency Variation）：系指市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。

7 持续低电压（Brownout）：指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。其产生原因包括：大型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载（我们国家的很多地区存在这个问题）。

8 市电中断(Power Fail)：即我们通常遇到的停电。其产生原因有：线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障。

三 UPS的分类

UPS已从60 年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路，并且还在继续发展。目前，UPS一般均指静止式UPS，按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类。

1 后备式UPS：在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电超出其工作范围或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，有切换时间，且输出波形一般为方波。原理图如下：

2 在线互动式UPS：在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电偏低或偏高时，通过UPS内部稳压线路稳压后输出，当市电异常或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是：有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等特点，但同样存在切换时间，但和一般后备UPS相比，这种机型保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波。原理图如下：

3 在线式UPS在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供交流电，在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。其特点是，有极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高。目前，功率大于3KVA的UPS几乎都是在线式UPS。原理图如下：

UPS按照输出容量大小划分为小容量3KVA以下，中小容量3KVA~10KVA，中大容量10KVA以上。

UPS按输入/输出方式可分为三类：单相输入/单相输出（简称单进单出）、三相输入/单相输出（简称三进单出）、三相输入/三相输出（简称三进三出）。

对于用户来说，三相供电其市电配电和负载配电容易，每一相都承当一部分负载电流，因而中、大功率UPS多采用三相输入/单相输出或三相输入/三相输出的供电方式。

后备式UPS主要是用来给单台PC机提供电源保护，具有体积小、价格低、 *** 作简单的特点，非常适合家庭使用，所以，当你为家用电脑购买UPS时，请选购后备式的。

在线式UPS几乎可以解决所有的常见电力问题，在有市电时，功能为稳压和防止电力波动干扰，因为其功能较完善，所以其成本也随着性能的增强而上升，价格较后备式UPS贵很多。在线式UPS主要用于对电源要求非常严格的一些计算机设备、医疗器械等，，一般与多个外置蓄电池串接使用以延长供电时间，多为单位配置。

智能型UPS是当今UPS的一大发展趋势，随着UPS在网络系统上应用，网络管理者强调整个网络系统为保护对象，希望整个网络系统在供电系统出现故障时，仍然可以继续工作而不中断。因此UPS内部配置微处理器使之智能化是UPS的新趋势，UPS内部硬件与软件的结合，大幅度提高了UPS的功能，可以监控UPS的运行工作状态，如：UPS输出电压频率，电网电压频率、电池状态以及故障记录等。还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电，以及遥控开关机等。网络管理者就可以根据信息资料分析供电质量，依据实际情况采取相应的措施。当UPS检测出供电电网中断时，UPS自动切换到电池供电，在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。智能型UPS通过接口与计算机进行通讯，从而使网络管理员能够监控UPS，因此其管理软件的功能就显得极其重要。

若HDLC帧的数据段中出现比特串“0111110011”，则比特填充后的输出为010111110001。

  HDLC有三种类型，信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）。

1、信息帧简称I帧，用于传输有效信息或数据，控制字段为第一位为“0”。

2、监控帧简称S帧，用于差错控制和流量控制，控制字段为第1、2位为“10”，如果判定一个帧为监控帧，接下来第三四位可以判断其类型。

扩展资料：

比特填充方式：

当同步数据信号与数据端局的时钟是异步关系时，可以用缓冲存储器使输入输出信号同步。其原理是首先将多路数据信号复用成一次群，然后以其脉冲速率将一次群输入数据信号寄入缓存器。

当输入速率比缓冲存储器的读出速率稍慢时，会出现信号尚未到达就要读出的情况 ， 这时就要插入填充脉冲，并把填冲脉冲的信息传到接收端。

接收端收到填充指示信息就抹去该填电路交换，充脉冲，然后把脉冲展成一定间隔，从而恢复原始数据信号。这种方法只限于 传输同步数据信号。

[学习笔记]第02章_物理层-打印版pdf

本章最重要的内容是：

（1）物理层的任务。

（2）几种常用的信道复用技术。

（3）几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL和FTTx。

1、物理层简介

（1）物理层在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

（2）物理层的作用是尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异。

（3）用于物理层的协议常称为物理层规程（procedure），其实物理层规程就是物理层协议。

2、物理层的主要任务 ：确定与传输媒体的接口有关的一些特性。

（1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

3、物理层要完成传输方式的转换。

（1）数据在计算机内部多采用并行传输方式。

（2）数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输。

（3）物理连接的方式：点对点、多点连接或广播连接。

（4）传输媒体的种类：架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线信道等。

1、数据通信系统的组成

一个数据通信系统可划分为源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）三大部分。

（1）源系统：一般包括以下两个部分：

（2）目的系统：一般也包括以下两个部分：

（3）传输系统：可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

2、通信常用术语

（1）通信的目的是传送消息（message），数据（data）是运送消息的实体。

（2）数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。

（3）信息的表示可用计算机或其他机器（或人）处理或产生。

（4）信号（signal）则是数据的电气或电磁的表现。

3、信号的分类 ：根据信号中代表消息的参数的取值方式不同

（1）模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。

（2）数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。

1、信道

（1）信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

（2）一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

（3）单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。

2、通信的基本方式 ：

（1）单向通信又称为单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。如无线电广播、有线电广播、电视广播。

（2）双向交替通信又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送/接收。

（3）双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

3、调制 （modulation）

（1）基带信号：来自信源的信号，即基本频带信号。许多信道不能传输基带信号，必须对其进行调制。

（2）调制的分类

4、基带调制常用的编码方式 （如图2-2）

（1）不归零制：正电平代表1，负电平代表0。

（2）归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。

（3）曼彻斯特：编码位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。也可反过来定义。

（4）差分曼彻斯特：编码在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

5、带通调制的基本方法

（1）调幅（AM）即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。

（2）调频（FM）即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。

（3）调相（PM）即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

（4）多元制的振幅相位混合调制方法：正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

1、信号失真

（1）信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要从失真的波形中能够识别并恢复出原来的码元信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。

（2）码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

2、限制码元在信道上的传输速率的因素

（1）信道能够通过的频率范围

（2）信噪比

3、香农公式 （Shannon）

（1）香农公式（Shannon）：C = Wlog2(1+S/N) (bit/s)

（2）香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

（3）香农公式指出了信息传输速率的上限。

（4）香农公式的意义：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

（5）在实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少,是因为香农公式的推导过程中并未考虑如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真等信号损伤。

1、传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

2、传输媒体的分类

（1）导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（双绞线、同轴电缆或光纤）传播。

（2）非导引型传输媒体：是指自由空间，电磁波的传输常称为无线传输。

1、双绞线

（1）双绞线也称为双扭线， 即把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合（twist）起来。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。

（2）电缆：通常由一定数量的双绞线捆成，在其外面包上护套。

（3）屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）：在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，提高了双绞线抗电磁干扰的能力。价格比无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）要贵一些。

（4）模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。

（5）双绞线布线标准

（6）双绞线的使用

2、同轴电缆

（1）同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。

（2）由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

（3）同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。

（4）同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。

3、光缆

（1）光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲为1，没有光脉冲为0。

（2）光纤是光纤通信的传输媒体。

（3）多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，多模光纤只适合于近距离传输。

（4）单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。单模光纤的纤芯很细，其直径只有几个微米，制造起来成本较高。

（5）光纤通信中常用的三个波段中心：850nm，1300nm和1550nm。

（6）光缆：一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物，必要时还可放入远供电源线，最后加上包带层和外护套。

（7）光纤的优点

1、无线传输

（1）无线传输是利用无线信道进行信息的传输，可使用的频段很广。

（2）LF，MF和HF分别是低频（30kHz-300kHz）、中频（300kHz-3MH z）和高频（3MHz-30MHz）。

（3）V，U，S和E分别是甚高频（30MHz-300MHz）、特高频（300MHz-3GHz）、超高频（3GHz-30GHz）和极高频（30GHz-300GHz），最高的一个频段中的T是Tremendously。

2、短波通信： 即高频通信，主要是靠电离层的反射传播到地面上很远的地方，通信质量较差。

3、无线电微波通信

（1）微波的频率范围为300M Hz-300GHz（波长1m-1mm），但主要使用2~40GHz的频率范围。

（2）微波在空间中直线传播，会穿透电离层而进入宇宙空间，传播距离受到限制，一般只有50km左右。

（3）传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。

（4）微波接力通信：在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”，可传输电话、电报、图像、数据等信息。

（5）卫星通信：利用高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。

（6）无线局域网使用ISM无线电频段中的24GHz和58GHz频段。

（7）红外通信、激光通信也使用非导引型媒体，可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据。

1、复用（multiplexing）技术原理

（1）在发送端使用一个复用器，就可以使用一个共享信道进行通信。

（2）在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

（3）复用器和分用器总是成对使用，在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。

（4）分用器（demultiplexer）的作用：把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

2、最基本的复用

（1）频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）

（2）时分复用TDM（Time Division Multiplexing）：

3、统计时分复用STDM （Statistic TDM）

（1）统计时分复用STDM是一种改进的时分复用，能明显地提高信道的利用率。

（2）集中器（concentrator）：将多个用户的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。

（3）统计时分复用使用STDM帧来传送数据，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。

（4）STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，提高了线路的利用率。

（5）统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

（6）STDM帧中每个时隙必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销。

（7）TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中所划分的帧。和数据链路层的帧是完全不同的概念。

（8）使用统计时分复用的集中器也叫做智能复用器，能提供对整个报文的存储转发能力，通过排队方式使各用户更合理地共享信道。此外，许多集中器还可能具有路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。

1、波分复用WDM （Wavelength Division Multiplexing）

波分复用WDM是光的频分复用，在一根光纤上用波长来复用两路光载波信号。

2、密集波分复用DWDM （Dense Wavelength Division Multiplexing）

密集波分复用DWDM是在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。

1、码分复用CDM （Code Division Multiplexing）

（1）每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

（2）各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

（3）码分复用最初用于军事通信，现已广泛用于民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。

2、码分多址CDMA （Code Division Multiple Access）。

（1）在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。通常m的值是64或128。

（2）使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列（chip sequence）。

（3）一个站如果发送比特1，则发送m bit码片序列。如果发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

（4）发送信息的每一个比特要转换成m个比特的码片，这种通信方式是扩频通信中的直接序列扩频DSSS。

（5）CDMA系统给每一个站分配的码片序列必须各不相同，并且还互相正交（orthogonal）。

（6）CDMA的工作原理：现假定有一个X站要接收S站发送的数据。

（7）扩频通信（spread spectrum）分为直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）和跳频扩频FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）两大类。

早起电话机用户使用双绞线电缆。长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输方式，现在大都采用时分复用PCM的数字传输方式。现代电信网，在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。

1、早期的数字传输系统最主要的缺点：

（1）速率标准不统一。互不兼容的国际标准使国际范围的基于光纤的高速数据传输就很难实现。

（2）不是同步传输。为了节约经费，各国的数字网主要采用准同步方式。

2、数字传输标准

（1）同步光纤网SONET（Synchronous Optical Network）

（2）同步数字系列SDH（Synchronous Digital Hierarchy）

（3）SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1550nm的激光源。在物理层定义了帧结构。

（4）SDH/SONET标准的制定，使北美、日本和欧洲三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一，第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。

互联网的发展初期，用户利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP，速率最高只能达到56kbit/s。

从宽带接入的媒体来看，宽带接入技术可以分为有线宽带接入和无线宽带接入两大类。

1、非对称数字用户线ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line）

（1）ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。

（2）ADSL技术把0-4kHz低端频谱留给传统电话使用，把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

（3）ADSL的ITU的标准是G9921（或称Gdmt，表示它使用DMT技术）。

（4）“非对称”是指ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽。

（5）ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。

（6）ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

2、ADSL调制解调器的实现方案 ：离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术

（1）ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。

（2）“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

（3）DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz-11MHz的高端频谱划分为许多子信道。

（4）当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。

（5）ADSL能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率，但不能保证固定的数据率。

3、数字用户线接入复用器DSLAM （DSL Access Multiplexer）

（1）数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器。

（2）ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU（Access Termination Unit）。

（3）ADSL调制解调器必须成对使用，因此把在电话端局记为ATU-C，用户家中记为ATU-R。

（4）ADSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线。

（5）ADSL调制解调器有两个插口：

（6）一个DSLAM可支持多达500-1000个用户。

4、第二代ADSL

（1）ITU-T已颁布了G系列标准，被称为第二代ADSL，ADSL2。

（1）第二代ADSL通过提高调制效率得到了更高的数据率。

（2）第二代ADSL采用了无缝速率自适应技术SRA（Seamless Rate Adaptation），可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时状况，自适应地调整数据率。

（3）第二代ADSL改善了线路质量评测和故障定位功能。

5、ADSL技术的变型 ：xDSL

ADSL并不适合于企业，为了满足企业的需要，产生了ADSL技术的变型：xDSL。

（1）对称DSL（Symmetric DSL，SDSL）：把带宽平均分配到下行和上行两个方向，每个方向的速度分别为384kbit/s或15Mbit/s，距离分别为55km或3km。

（2）HDSL（High speed DSL）：使用一对线或两对线的对称DSL，是用来取代T1线路的高速数字用户线，数据速率可达768KBit/s或15Mbit/s，距离为27-36km。

（3）VDSL（Very high speed DSL）：比ADSL更快的、用于短距离传送（300-1800m），即甚高速数字用户线，是ADSL的快速版本。

1、光纤同轴混合网HFC （Hybrid Fiber Coax）

（1）光纤同轴混合网HFC是在有线电视网的基础上改造开发的一种居民宽带接入网。

（2）光纤同轴混合网HFC可传送电视节目，能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

（3）有线电视网最早是树形拓扑结构的同轴电缆网络，采用模拟技术的频分复用进行单向广播传输。

2、光纤同轴混合网HFC的主要特点：

（1）HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，光纤从头端连接到光纤结点（fiber node）。

（2）在光纤结点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。

（3）HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带。

（4）连接到一个光纤结点的典型用户数是500左右，但不超过2000。

3、电缆调制解调器 （cable modem）

（1）模拟电视机接收数字电视信号需要把机顶盒（set-top box）的设备连接在同轴电缆和电视机之间。

（2）电缆调制解调器：用于用户接入互联网，以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息。

（3）电缆调制解调器可以做成一个单独的设备，也可以做成内置式的，安装在电视机的机顶盒里面。

（4）电缆调制解调器不需要成对使用，而只需安装在用户端。

（5）电缆调制解调器必须解决共享信道中可能出现的冲突问题，比ADSL调制解调器复杂得多。

信号在陆地上长距离的传输，已经基本实现了光纤化。远距离的传输媒体使用光缆。只是到了临近用户家庭的地方，才转为铜缆（电话的用户线和同轴电缆）。

1、多种宽带光纤接入方式FTTx

（1）多种宽带光纤接入方式FTTx，x可代表不同的光纤接入地点，即光电转换的地方。

（2）光纤到户FTTH（Fiber To The Home）：把光纤一直铺设到用户家庭，在光纤进入用户后，把光信号转换为电信号，可以使用户获得最高的上网速率。

（3）光纤到路边FTTC（C表示Curb）

（4）光纤到小区FTTZ（Z表示Zone）

（5）光纤到大楼FTTB（B表示Building）

（6）光纤到楼层FTTF（F表示Floor）

（7）光纤到办公室FTTO（O表示Office）

（8）光纤到桌面FTTD（D表示Desk）

2、无源光网络PON （Passive Optical Network）

（1）光配线网ODN（Optical Distribution Network）：在光纤干线和广大用户之间，铺设的转换装置，使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。

（2）无源光网络PON（Passive Optical Network），即无源的光配线网。

（3） 无源：表明在光配线网中无须配备电源，因此基本上不用维护，其长期运营成本和管理成本都很低。

（4）光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。

（5）光线路终端OLT（ Optical Line Terminal）是连接到光纤干线的终端设备。

（6）无源光网络PON下行数据传输

（7）无源光网络PON上行数据传输

当ONU发送上行数据时，先把电信号转换为光信号，光分路器把各ONU发来的上行数据汇总后，以TDMA方式发往OLT，而发送时间和长度都由OLT集中控制，以便有序地共享光纤主干。

（8）从ONU到用户的个人电脑一般使用以太网连接，使用5类线作为传输媒体。

（9）从总的趋势来看，光网络单元ONU越来越靠近用户的家庭，即“光进铜退”。

3、无源光网络PON的种类

（1）以太网无源光网络EPON（Ethernet PON）

（2）吉比特无源光网络GPON（Gigabit PON）

学《计算机网络》需要掌握以下定量的计算：1 带宽：带宽指数据传输的速率，通常以每秒传输的位数（bps）或字节数（Bps）来衡量。2 时延：时延包括传输时延、排队时延、处理时延和传播时延等，需要计算出总时延。3 吞吐量：吞吐量指单位时间内传输的数据量，通常以每秒传输的位数（bps）或字节数（Bps）来衡量。4 网络传输效率：网络传输效率指实际传输的数据量占总数据量的比例，通常以百分比来衡量。5 可靠性：可靠性指数据传输的正确性和完整性，可以通过计算数据丢失率和重传率等指标来评估。 6 网络拓扑结构：需要了解不同网络拓扑结构之间的传输速率以及环路检测的方式。7 IP地址与子网掩码的网络划分：需要了解如何划分IP地址和子网掩码，分配给不同的设备使用，以实现有效的网络管理。8 路由算法：路由算法是决定数据包传输路径的关键因素，需要了解不同的路由算法及其适用场景。