计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。计算机网络是信息收集、分配、存储、处理、消费的最重要的载体，是网络经济的核心，深刻地影响着经济、社会、文化、科技，是工作和生活的最重要工具之一。掌握网络的基本原理是进行网络规划与设计的基础。本章从网络概述、数据通信基础知识、网络体系结构、网络设备与网络软件、局域网、广域网与接入网、网络互联、Internet协议、网络管理、网络服务质量等方面介绍计算机网络的原理。
1.1 计算机网络概论
1.1.1 计算机网络概念
1．计算机网络的定义
计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享的系统。
对于这一说法，其中仍有一些不确定的地方，如完善的标准是什么？资源共享的内容、方式、程度是什么？资源共享是最终目标吗？鉴于这些不确定性，对计算机网络的理解主要有三种观点：
（1）广义观点。持此观点的人认为，只要是能实现远程信息处理的系统或进一步能达到资源共享的系统都可以成为计算机网络。
（2）资源共享观点。持此观点的人认为，计算机网络必须是由具有独立功能的计算机组成的、能够实现资源共享的系统。
（3）用户透明观点。持此观点的人认为，计算机网络就是一台超级计算机，资源丰富、功能强大，其使用方式对用户透明，用户使用网络就像使用单一计算机一样，无需了解网络的存在、资源的位置等信息。这是最高标准，目前还未实现，是网络未来发展追求的目标。
计算机网络的应用越来越广泛，深刻地影响着社会发展的进程。今天要列数哪里不需要计算机网络已经变得非常困难。在此我们只简单地说明计算机网络的几个应用方向。
对分散的信息进行集中、实时处理。比如航空订票系统、工业控制系统、军事系统等众多的系统，离开了计算机网络，将无法进行。
共享资源。实现对各类资源的共享，包括信息资源、硬件资源、软件资源。网格
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是计算机网络的高级形态，将使资源共享变得更加方便、透明。
电子化办公与服务。借助计算机网络，得以实现电子政务、电子商务、电子银行、电子海关等一系列借助计算机网络实现的现代化办公、商务应用。当今社会，就连到商场购物、餐馆吃饭这样的日常事务都离不开计算机网络。利用计算机网络进行网上购物，更加方便、廉价。
通信。电子邮件、即时通信系统等众多的通信功能，极大地方便了人与人之间的信息交往，既快速又廉价。
远程教育。利用网络可以提供远程教育平台，借助丰富的知识管理系统，学生可以更加方便地自学，提高学习效率。
娱乐。娱乐是人的天性，对于大多数人来说，工作之余都需要娱乐活动来丰富自己的生活。利用网络提供各种各样的娱乐内容，既满足了社会的需要，同时也具有巨大的经济效益。
2．计算机网络与通信、网络的关系
通信（communication）就是信息的传递，是指由一地向另一地进行信息的传输与交换，其目的是传输消息。实现通信功能的系统称为通信系统。
随着社会的发展，人们对传递消息的要求也越来越高。在各种各样的通信方式中，利用“电”来传递消息的通信方法称为电信（telecommunication），这种通信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。
以语音通信为主要目的建立的通信系统统称为电话网络或电信网络，包括固话网络、移动网络等。
以发送电视信号为目的建立的通信系统称为电视网络。
以数据通信为目的建立的网络称为数据通信网络。
计算机网络是计算机技术、通信技术相结合的产物，可实现数据的传输、收集、分配、处理、存储、消费。数据通信网络是计算机网络的基础或初级形式。
现在所说的网络，广义地泛指上述网络之一或全部，狭义地特指计算机网络。 随着技术的进步和应用的相互渗透，电信网络、电视网络、计算机网络将逐步实现三网融合，走向统一。
1.1.2 计算机网络组成
1.1.2.1 计算机网络物理组成
从物理构成上看，计算机网络包括硬件、软件、协议三大部分。
1．硬件
① 两台以上的计算机及终端设备，统称为主机（host），其中部分host充当服务器，
第1章 计算机网络原理
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部分host充当客户机。
② 前端处理机（FEP）或通信处理机或通信控制处理机（CCP），负责发送、接收数据，最简单的CCP是网卡。
③ 路由器、交换机等连接设备，交换机将计算机连接成网络，路由器将网络互联组成更大的网络。
④ 通信线路，具体完成将信号从一个地方传送到另一个地方，包括有线线路和无线线路。
2．软件
主要有实现资源共享的软件、方便用户使用的各种工具软件。 3．协议
协议由语法、语义和时序三部分构成。其中语法部分规定传输数据的格式，语义部分规定所要完成的功能，时序部分规定执行各种操作的条件、顺序关系等。协议是计算机网络的核心。一个完整的协议应完成线路管理、寻址、差错控制、流量控制、路由选择、同步控制、数据分段与装配、排序、数据转换、安全管理、计费管理等功能。 1.1.2.2 计算机网络功能组成
从功能上，计算机网络由资源子网和通信子网两部分组成。其中资源子网完成数据的处理、存储等功能，通信子网完成数据的传输功能。资源子网相当于计算机系统，通信子网是为了连网而附加上去的通信设备、通信线路等，如图1-1所示。
图1-1 资源子网与通信子网
从工作方式上看，也可以认为计算机网络由边缘部分和核心部分组成。其中边缘部分是用户直接使用的主机，核心部分由大量的网络及路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务，如图1-2所示。
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图1-2 网络的边缘部分与核心部分
1.1.2.3 计算机网络要素组成
从组成要素上看，计算机网络包括计算机、路由器、交换机、网卡、通信线路、调制解调器等基本要素组成。其中计算机包括客户机和服务器，网卡附在计算机里面（也有外接的如USB接口网卡），负责与通信线路相连，完成收发工作，交换机用于把小范围内的计算机连接成网络，路由器用于互联多个网络组成更大的网络。调制解调器并不是在任何网络中都需要，其作用是将孤立的计算机连接到网络上。调制解调器有音频调制解调器、ADSL调制解调器、卫星调制解调器等多种。
1.1.3 计算机网络分类
1．按分布范围分类
按分布范围可将计算机网络分为广域网、城域网、局域网和个域网。
广域网（WAN）一般分布在数十公里以上区域。
城域网（MAN）一般分布在一个城区，一般使用广域网的技术，可以看成是一个较小的广域网。
局域网（LAN）一般分布在几十米到几千米范围，传统上，局域网与广域网使用不同的技术，广域网使用交换技术，局域网使用广播技术，而这才是二者的根本区别。但从万兆以太网开始，这种区别已经消除了。
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个域网（PAN）一般指家庭内甚至是个人随身携带的网络，一般分布在几米范围内，用于将家用电器、消费电子设备、少量计算机设备连接成一个小型的网络，以采用无线通信方式为主。 2．按拓扑结构分类
按拓扑结构可将计算机网络分为总线型网络、星型网络、环型网络、树型网络、网格型网络等基本形式。
总线型网络：用单总线把各计算机连接起来，如图1-3所示。总线型网络的优点是建网容易，增减节点方便，节省线路。缺点是重负载时通信效率不高。
星型网络：每个终端或计算机都以单独（专用）的线路与一中央设备相连，如 图1-4所示。中央设备早期是计算机，现在一般是交换机或路由器。星型网络的优点是结构简单，建网容易，延迟小，便于管理。缺点是成本高，中心节点对故障敏感。
图1-3 总线型网络 图1-4 星型网络
环型网络：所有计算机环接口设备连接成一个环，可以是单环，也可以是双环。
环中信号是单向传输的。双环网络中两个环上信号的传输方向相反，具备自愈 功能。
树型网络：节点组织成数状结构，具有层次性。
网格型网络：一般情况下，每个节点至少有两条路径与其他节点相连。有规则型和非规则型两种。网格型网络的优点是可靠性高，缺点是控制复杂，线路成本高。 可以将这些基本型网络互联组织成更为复杂的网络。 3．按交换技术分类
按交换技术可将网络分为线路交换网络、报文交换网络、分组交换网络等类型。 线路交换网络：在源节点和目的节点之间建立一条专用的通路用于数据传送。包括建立连接、传输数据、断开连接三个阶段。最典型的线路交换网络就是电话网络。该类网络的优点数据直接传送延迟小。缺点是线路利用率低，不能充分利用线路容量，不便于进行差错控制。
报文交换网络：将用户数据加上源地址、目的地址、长度、校验码等辅助信息封
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装成报文，发送给下个节点。下个节点收到后先暂存报文，待输出线路空闲时再转发给下个节点，重复这一过程直到到达目的节点。每个报文可单独选择到达目的节点的路径。这类网络也称为存储-转发网络。其优点是：① 可以充分利用线路容量（可以利用多路复用技术，利用空闲时间）；② 可以实现不同链路之间不同数据率的转换；③ 可以实现一对多、多对一的访问，这是Internet的基础；④ 可以实现差错控制；⑤ 可以实现格式转换。缺点是：① 增加资源开销，例如辅助信息导致时间和存储资源开销；② 增加缓冲延迟；③ 多个报文的顺序可能发生错误，需要额外的顺序控制机制；④ 缓冲区难于管理，因为报文的大小不确定，接收方在接收到报文之前不能预知报文的大小。 分组交换网络：也称包交换网络，其原理是将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），按存储转发方式传输。除具备报文交换网络的优点外，还具有自身的优点：① 缓冲区易于管理；② 包的平均延迟更小，网络中占用的平均缓冲区更少；③ 更易标准化；④ 更适合应用。现在的主流网络基本上都可以看成是分组交换网络。 4．按采用协议分类
每层的协议都不同，因此按协议的分类应指明协议的区分方式。比如按网络层的关键协议来分类，可以分为IP网、IPX网等，无线网络可以分为Wi-Fi网络、蓝牙网络等。
5．按使用传输介质分类
按传输介质可以分为有线网络和无线网络两大类。有线网络又可以分为双绞线网络、同轴电缆网络、光纤网络、光纤同轴混合网络等。无线网络又可分为无线电、微波、红外等类型。
6．按用户与网络的关联程度分
按用户与网络的关联程度可以将计算机网络分为骨干网、接入网和驻地网。
1.1.4 网络体系结构
1.1.4.1 分层与体系结构
网络体系结构是指构成计算机网络的各组成部分及计算机网络本身所必须实现的
功能的精确定义。更直接地说，是计算机网络中的层次、各层的协议以及层间的接口的 集合。
网络非常复杂，为便于研究和实现，需要按体系结构的方式进行建模。而体系结构通常都具有可分层的特性，因此网络体系结构都分成层次结构。
分层的基本原则如下：
① 各层之间界面清晰自然，易于理解，相互交流尽可能少。
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② 各层功能的定义独立于具体实现的方法。
③ 保持下层对上层的独立性，单向使用下层提供的服务。
依据上述原则，将网络分成多个层次，从最低层到最高层依此称为第1层、第2层，„„，第n层，通常还为每层起一个特定的名称，如第1层的名称为物理层。
每层有完成给定功能的实体组成，第n层的实体可记为n-实体。 1.1.4.2 接口、协议与服务
接口是指同一系统内部两个相邻层次之间的交往规则。
协议是指通信双方实现相同功能的相应层之间的交往规则。协议由语法、语义和时序三部分构成。
协议与接口的关系如图1-5所示。
系统A 最高层 系统B n+1/n接口 n/n–1接口 n+1协议 n实体 n协议 n–1协议 n实体 n+1服务 n服务 n–1服务 最低层 物理传输介质
图1-5 接口与协议
服务是指为紧相邻的上层提供的功能调用，每层只能调用紧相邻的下层提供的服务。服务通过服务访问点（SAP）提供，如图1-6所示。
计算机网络提供的服务可分为三类。
图1-6 服务及服务访问点
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1．面向连接的服务与无连接的服务
面向连接的服务是指在通信之前，双方需先建立连接，然后才能开始传送数据，传送完成后需释放连接。建立连接时需要分配相应的资源如缓冲区，以保证通信能正常进行。比如打电话就是面向连接的服务。无连接的服务是指双方通信前不事先建立连接，需要发送数据时，直接发送。 比如平常写信交由邮局投递的过程就是无连接的服务。
2．有应答服务与无应答服务
有应答服务是指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答，该应答由传输系统内部自动实现，而不是用户实现。例如文件传输服务。
无应答服务是指接收方收到数据后不自动给出应答。若需应答，由高层实现。例如WWW服务，客户端收到服务器发送的页面文件后不给出应答。
3．可靠服务与不可靠服务
可靠服务是指网络具有检错、纠错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地。而不可靠服务是指网络不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，网络只是尽量正确、可靠，是一种尽力而为的服务。 1.1.4.3 数据传送单位
服务数据单元SDU：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。第N层的服务数据单元记为N-SDU。
协议控制信息PCI：控制协议操作的信息。第N层的协议控制信息记为N-PCI。 协议数据单元PDU：协议交换的数据单位。第N层的协议数据单元记为N-PDU。 三者之间的关系为：N-SDU+N-PCI=N-PDU=(N–1)SDU。其变换过程如图1-7所示。
图1-7 数据单元关系
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1.1.4.4 OSI/ISO与TCP/IP体系结构模型
1．OSI模型
国际标准化组织（International Standardization Organization，ISO）于1978年提出了
一个网络体系结构模型，称为开放系统互联参考模型（OSI）。OSI有7层，从低到高 依次称为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。如图1-8所示。
图1-8 OSI层次结构
OSI参考模型中各层的功能如下。
物理层：在链路上透明地传输位。需要完成的工作包括线路配置、确定数据传输模式、确定信号形式、对信号进行编码、连接传输介质。为此定义了建立、维护和拆除物理链路所具备的机械特性、电气特性、功能特性以及规程特性。
数据链路层：把不可靠的信道变为可靠的信道。为此将比特组成帧，在链路上提供点到点的帧传输，并进行差错控制、流量控制等。
网络层：在源节点-目的节点之间进行路由选择、拥塞控制、顺序控制、传送包，保证报文的正确性。网络层控制着通信子网的运行，因而它又称为通信子网层。
传输层：提供端-端间可靠的、透明的数据传输，保证报文顺序的正确性、数据的完整性。
会话层：建立通信进程的逻辑名字与物理名字之间的联系，提供进程之间建立、管理和终止会话的方法，处理同步与恢复问题。
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表示层：实现数据转换（包括格式转换、压缩、加密等），提供标准的应用接口、公用的通信服务、公共数据表示方法。
应用层：对用户不透明的各种服务，如E-mail。
OSI模型比较完整，但也非常复杂。除了低三层有实现外，其余层次没有实现，现在已基本不用。
2．TCP/IP模型
美国国防部高级研究计划局（DOD-ARPA）1969年在研究ARPANET时提出了TCP/IP模型，从低到高各层依次为网络接口层、互联网层、传输层、应用层，如图1-9所示。
图1-9 TCP/IP层次结构
应用层、传输层、互联网层都定义了相应的协议和功能，但网络接口层一直没有明确地定义其功能、协议和实现方式。
应用层的主要协议有DNS，HTTP，SMTP，POP3，FTP，TELNET，SNMP。 传输层的主要协议有TCP，UDP。
互联网层的主要协议有IP，ICMP，ARP，RARP。 TCP/IP模型与OSI模型的大致对应关系如表1-1所示。
由于TCP/IP有大量的协议和应用支持，现在已成为事实上的标准。
表1-1 OSI模型与TCP/IP模型对比
OSI模型 应用层 表示层 会话层 传输层 TCP/IP模型 应用层 不存在 传输层 OSI模型 网络层 数据链路层 物理层 网络接口层 TCP/IP模型 互联网层 第1章 计算机网络原理
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1.2 数据通信基础
1.2.1 数据通信概念
广义地讲，把由一地向另一地或多地进行消息的有效传递称为数据通信。例如两个人在一起聊天，是通过声音来传递消息的，聋哑人之间的手语，是通过手势来传递消息的，只不过通信距离较短；而打电话、发电子邮件等，则分别是通过电话系统和计算机网络来传递消息的，通信距离可以很长。自从19世纪末人们开始利用电信号传递消息以来，电信这种通信方法得到了深入研究和飞速发展，形成了一整套完备的理论、技术及相应的设备，成为当今社会最重要的通信手段。所以，从狭义的角度讲，把利用电磁波、电子技术、光电子等手段，借助电信号或光信号实现从一地向另一地或多地进行消息地有效传递和交换的过程称为数据通信。
通信的实质就是实现信息的有效传递，它不仅要将有用的信息进行无失真、高效率的传输，而且还要在传输的过程中减少或消除无用信息和有害信息。 1.2.1.1 基本概念
1．数据和信号
数据是运送信息的实体，而信号则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都既可以是模拟的也可以是数字的。所谓“模拟的”就是连续变化的，而“数字的”就表示取值仅允许为有限的几个离散数值。
2．信道
信道一般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看，可以有三种基本方式。
1）单工通信
单工通信只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道，无线电广播、电视广播就属于这种类型。
2）半双工通信
半双工通信即通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送。 3）全双工通信
全双工通信即通信的双方可以同时发送和接收信息，通常需要两条信道。 3．码元
数字通信中对数字信号的计量单位采用码元这个概念。一个码元指的是一个固定时长的数字信号波形，该时长称为码元宽度。
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4．传输速率
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数字通信系统的传输有效程度可以用码元传输速率和信息传输速率来描述。 1）码元传输速率
码元传输速率又可称为码元速率、信号速率、符号速率、波形速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（符号个数或脉冲个数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输1个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的。
2）信息传输速率
信息传输速率又可称为信息速率、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，单位是比特/秒（bps）。
5．抖动
所谓抖动，是指在噪声因素的影响下，数字信号的有效瞬间相对于应生成理想时间位置的短时偏离，是数字通信系统中数字信号传输的一种不稳定现象，也即数字信号在传输过程中，造成的脉冲信号在时间间隔上不再是等间隔的，而是随时间变化的。
抖动是由于噪声、定时恢复电路调谐不准、系统复用设备的复用和分路过程中引入的时间误差，以及传输信道质量变化等多种因素引起的。当有多个中继站时，抖动会产生累积，对数字传输系统产生影响，因此，一般都有规定的限度。抖动容限一般用峰-峰抖动来描述，它是指某个特定的抖动比特的时间位置相对于该比特抖动时的时间位置的最大部分偏离。设数字脉冲一比特宽度为T，偏离位置用表示，则
抖动容限 ×100%
T1.2.1.2 传输指标
通常需要对网络的效率和性能进行衡量，因此了解各种影响网络性能的传输指标是很重要的。
1．带宽
在过去，通信的主干线路都用来传送模拟信号，一个特定的信号通常是由许多不同的频率成分组成的，因此，一个信号的带宽是指该信号的各种不同频率成分所占据的频率范围，也就是说，带宽本来是指某个信号具有的频带宽度，单位是赫。
当通信线路用来传送数字信号时，数据率就应当成为数字信道最重要的指标。但习惯上，人们愿意将“带宽”作为数字信道所能传送的“最高数据率”的同义词。因此，网络的带宽是指在一段特定的时间内网络所能传送的比特数，单位是比特每秒。例如，一个网络带宽为10Mbps，意味着每秒能传送1千万个比特。
正因为带宽代表数字信号的发送速率，因此带宽有时也称为吞吐量（throughput）。实际应用中，吞吐量常用每秒发送的比特数（或字节数、帧数）来表示。
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2．时延
时延是指一个报文或分组从一个网络一端传到另一端所需的时间。通常，时延由三个部分组成。
1）发送时延
发送时延又称为传输时延，是节点在发送数据时使报文或分组从节点进入到传输媒体所需要的时间，也就是从报文或分组的第一个比特开始发送算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。它的计算公式是：
报文或分组长度文或分度 信道信道带宽 送延 发送时延
信道带宽是指数据在信道上的发送速率，也常称为数据在信道上的传输速率。 2）传播时延
传播时延是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间，其计算公式是： 信道长度信道度 播延 传播时延
磁波在信道上的播速率电磁波在信道上的传播速率 电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0×105km/s。电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些，在铜线中的传播速率约为2.3×105km/s，在光纤中的传播速率约为2.0×105km/s。
3）处理时延
处理时延是数据在交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。处理时延重要的组成部分是分组在节点缓存队列中排队所经历的排队时延，因此，处理时延的长短通常取决于网络中当时的通信量，当网络的通信量大时，还会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。
这样，数据经历的总时延就是以上三种时延之和：
总时延=传播时延+发送时延+处理时延
在计算机网络中，往返时延（Round-Trip Time，RTT）也是一个重要的性能指标，它表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时延。对于复杂的网络，往返时延要包括各中间节点的处理时延和转发数据时的发送时延。 当客户实现新的数字语音和视频应用时，可能更关心时延变化。时延变化通常与端到端或者往返时延一起，对应用的性能需求进行全面的描述。当用户对信息的两次获得的时间间隔较为敏感时，就需要用时延变化来描述性能。
3．时延带宽积
将网络性能的传播时延和带宽两个基本度量相乘，就得到另一个有用的度量：时延带宽积，即
时延带宽积=传播时延×带宽
直观地说，如果将一对进程之间的信道看成一条中空的管道，时延相当于管道的长
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度，带宽相当于管道的直径，如图1-10所示，那么时延带宽积就是管道的容积，即它所能容纳的比特数。
图1-10 将网络看作一个管道
构造高性能网络时知道时延带宽积是很重要的，因为它相当于第一个比特到达接收方之前，发送方最多发送的比特数。如果发送方希望接收方给出比特已经开始到达的信号，而且这个信号发回到发送方需要经过另一信道时延，那么发送方在接收到到达信号之前能够发完2倍时延带宽积的数据。另一方面，如果发送方没有填满管道，即它停下来等到达信号，那么发送方就不能充分利用网络。
4．误码率
在数字通信中是用脉冲信号携带信息，由于噪声、串音、码间干扰以及其他突发因素的影响，当干扰幅度超过脉冲信号再生判决的某一门限值时，将会造成误判而成为误码。误码用误码率来表征，它指在一定统计时间内，数字信号在传输过程中发生错误的位数与传输的总位数之比，用符号Pe表示： 位 错误位数Pelim n传输的总位数的位 1.2.1.3 数字传输与模拟传输
按承载消息的电信号形式的不同，通信可分为模拟传输和数字传输。
模拟传输是指以模拟信号来传输消息的通信方式。当信号的某一参量可以取无限多个数值，且直接与消息相对应时，称为模拟信号。
数字传输是指用数字信号来传送消息的通信方式。当信号的某一参量只能取有限个数值，且常常不直接与消息相对应时，称为数字信号，有时也称为离散信号。
不论是数字数据还是模拟数据，都可以采用两种传输方式之一进行传输。 数字数据（二进制序列）→编码为数字信号→数字传输
数字数据（二进制序列）→调制为模拟信号（MODEM）→模拟传输 模拟数据（连续值）→编码为数字信号（CODEC）→数字传输 模拟数据（二进制序列）→调制为模拟信号→模拟传输
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1.2.1.4 基带传输与频带传输
基带传输是指信号没有经过调制而直接送到信道中去传输的一种方式，采用这种信号传输技术的通信系统称为基带传输通信系统，简称基带系统。频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输的一种方式，接收端要进行相应的解调才能恢复原来的信号，采用这种信号传输技术的通信系统称为频带传输通信系统，简称频带系统。 1.2.1.5 传输损害
由于各种的传输损害，任何通信系统接收到的信号和发送的信号会有所不同。对模拟信号而言，这些损害导致了各种随机的改变而降低了信号的质量。对数字信号而言，则引起位串错误，比特1变为比特0或比特0变成比特1。最有影响的传输损害包括衰减、延迟变形和噪声。
1．衰减
在任何传输介质上信号强度将随着距离延伸而减弱。对有线类传输介质，强度减弱或衰减一般具有对数函数性，对无线类传输介质，衰减则是距离和大气组成所构成的复合函数。
不可避免的衰减主要提出了三个问题。第一个问题就是接收到的信号必须有足够的强度，只有这样，接收器里的电子电路才能辨别、解释信号。第二个问题就是信号需比接收到的噪声维持一个更高的电平，以避免出错。第三个问题是针对模拟信号的，衰减是频率的增量函数，所以接收的信号会扭曲。
对于第一个和第二个问题可以用增加信号强度、设置放大器或中继器来解决。就点对点链路而言，发送器的信号强度必须足以为接收方所辨认，但是不能强到使发送器的电路过载，否则会产生变形信号。在超过一定距离后，信号衰减将会加大，这时使用放大器或中继器使信号再生。这些问题在多点线路里会变得复杂，这时从发送器到接收器的距离是可变的。
对于第三个问题可以使用技术手段使在某个频带内的频率衰减趋于相等。对于语音级电话线来说，通常使用在线路上加载线圈以改变线路的电气属性，结果使衰减效果趋于平滑。另一种方法是使用高频放大器将高频放大。
2．延迟变形
延迟变形是有线传输介质独有的现象，这种变形是由有线介质上信号传播速率随着频率而变化所引起的。在一个有限的信号频带中，中心频率附近的信号速度最高，而频带两边的信号速度较低，这样，信号的各种频率成分将在不同的时间到达接收器。
由于信号中各种成分延迟使得接收到的信号变形的这种效果称为延迟变形。延迟变形尤其对数字信号来说影响重大，一个位元的信号成分可能溢出到其他的位元，引起信号内部的相互串扰，这将限制传输控制上的位速率。
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3．噪声
因传输系统造成的各种失真，以及在传输和接收之间的某处插入的不必要的信号产生了噪声。噪声可分为热噪声、内调制杂音、串扰、脉冲噪声4种。
热噪声是导体中电子的热振动引起的，它出现在所有电子设备和传输介质中，且是温度的函数。噪声值可以表示为N=kTW。其中k为常数（1.3803×10–23J/°K)，T为温度，W为带宽。热噪声是在所有频谱中以相同的形态分布，所以常称为白噪声，它是不能够消除的，因此对通信系统性能就构成了上限。
当不同频率的信号共享同一传输介质时，可能导致内调制杂音。内调制杂音的结果往往产生一些新的信号，它们的频率是某两个频率和、差或倍数，这些信号可能对正常信号产生印象。当发送器、接收器或介入的传输设备里有一些非线性问题时，将会产生内调制杂音。
串扰是信号通路之间产生了不必要的耦合，这一般在邻近的双绞线之间因电耦合而产生，在极少数情况下也可能在运载多个信号的同轴电缆中产生。
脉冲噪声是非连续的且不可预测的。在短时间里，它可具有不规则的脉冲或噪声峰值，并且振幅较大。它产生的原因包括各种意外的电磁干扰，如闪电，以及通信系统的故障。脉冲噪声对模拟信号一般仅是小麻烦，但对数字信号是出错的主要原因。
1.2.2 数据通信系统
1.2.2.1 数据通信系统模型
数据通信系统的基本组成一般包括发送端、接收端以及收发两端之间的信道三个部分，如图1-11所示。
图1-11 数据通信系统的模型
信息源是信息或信息序列的产生源，它泛指一切发信者，可以是人也可以是机器设备，能够产生诸如声音、数据、文字、图像、代码等电信号。信息源发出信息的形式可
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以是连续的，也可以是离散的。
发送设备把信息源发出的信息变换成便于传输的形式，使之适应于信道传输特性的要求并送入信道的各种设备。发送设备是一个整体概念，可能包括许多的电路、器件与系统，比如把声音转换为电信号的麦克风，把基带信号转换成频带信号的调制器等。
信道是指传输信号的通道。根据传输媒质的不同，可分为有线信道（明线、电缆、光纤等）和无线信道（微波、卫星等）。明线和电缆可用来传输速率低的数字信号，其他信道均要进行调制。只经信道编码而不经调制就可直接送到明线或电缆中去传输的数字信号称为数字基带信号，经调制后的信号称为频带信号。信道噪声，可能是进入信道的各种外部噪声，也可能是通信系统中各种电路、器件或设备自身产生的内部噪声。
接收设备接收从信道传输过来的信息，并转换成信息宿便于接收的形式，其功能与发送设备的功能刚好相反。接收设备也是一个整体概念，可能包括许多的电路、器件与系统，比如把频带信号转换为基带信号的解调器，把数字信号转换为模拟信号的数/模转换器等。
信息宿是接收发送端信息的对象，它可以是人，也可以是机器设备。
按照信道中所传输信号的形式不同，通信系统可以进一步分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信系统的模型如图1-12所示，它完成信号的产生、变换、传递及接收。
图1-12 数字通信系统的模型
信源编码的主要功能是把人的话音以及机器产生的如文字、图表及图像等模拟信号变换成数字信号，即所谓的模/数（A/D）变换。在数字系统中，信源编码一般包括模拟信号的数字化和压缩编码两个范畴，压缩编码对数字信号进行处理，去除或减少信号的冗余度。
信道编码是将数字信号变换成与调制方式和传输信道匹配的形式，从而降低传输误码率，提高传输的可靠性。
根据信道媒质特性，对编码后的数字信号还要经调制后再送入信道中，如光纤信道
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中的光调制，无线信道中的调频、调相、调幅等。
解调、信道解码和信源解码分别是调制、信道编码和信源解码的逆过程。 1.2.2.2 数据传输速率
为了提高数据的传输速率，我们总希望在一定时间内能够传输尽可能多的码元，然而任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
即使信道比较理想，码元的传输速率也不是不受限制的。早在1924年，奈奎斯特（Nyquist）就推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W
其中W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹（Hz）。单位是Baud（波特），1波特为每秒传送1个码元。码元传输速率也称为调制速率。
该公式就是著名的奈氏准则。若码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值，则将出现码元之间的相互干扰，以致在接收方无法正确判定在发送方所发送的码元是1还是0。
由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。
1948年，香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率。当用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。信道的极限数据传输速率C可表示为：
C=Wlog2（1+S/N）bps
其中W为信道的带宽，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
该公式亦称为香农公式，它表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信道的极限传输速率就越高。更重要的是，香农公式指出：只要数据传输速率低于信道的极限数据传输速率，就一定能找到某种办法来实现无差错的传输。 1.2.2.3 同步方式
在远距离传输数据时通常采用串行的方式，通信双方之间的数据信息沿着单根或几根通信线路传输，这时要考虑的问题之一就是同步。
1．同步控制的方法
同步控制的方法包括异步起止方式和同步方式。
在异步起止方式中，接收方和发送方各自内部有时钟发生器，但频率必须一致。通信双方进行异步串行通信必须遵守异步串行通信控制规程，其特点是通信双方以字符作为数据传输单位，且发送方传送字符的间隔时间是不定的。
在同步串行通信方式中，以某种方式将发送方的时钟信号也发送过去，接收方用这个统一的时钟信号来选通数据信号，以此得到和发送完全一致的结果。由于同步串行通
第1章 计算机网络原理
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信发送端和接收端具有统一的时钟信号，发送和接收的每一位信号都受同步信号的调整，因此，同步串行通信一次传送的信息量比异步串行通信大得多，但是付出的代价是设备复杂。
2．同步的实现
同步的实现包括位同步、字符同步、帧同步几个方面。 1）位同步
位同步是接收器从接收到的信号中正确地恢复原来数据信号的基础。实现位同步的方法有插入导频法和自同步法两种。插入导频法是在发送端发送的信号中插入专门的位同步导频信号，接收端把这个专门的导频信号检测出来作为位同步信号，如FM制编码、MFM制编码等。自同步法是发送端不发送专门的位同步导频信号，只是控制连续0的个数不要太多，接收端设法从收到的数字信号中提取同步信息，如HDB3编码。
2）字符同步
字符同步以字符为传输单位，其传输格式如图1-13所示。一个字符单位除表示信息
的数据位外，还有若干个附加位：1位起始位，恒为0；可选的1位奇偶位；可选的停 止位，可为1位、1.5位或2位，恒为1。传送一个字符，必须以起始位开始，以停止位结束。
图1-13 字符同步传输格式
3）帧同步
最初解决帧同步的方法是在帧之间插入时间间隔，依赖计时技术识别帧的开始和结束。但是，这种方法在网络上很难保证准确计时，所以又提出了其他方法。 （1）字符计数法。
字符计数法用一个特殊的字符表示一帧的开始，然后用一个字段标明该帧包含的字节数，当接收方收到该帧时，根据此字段提供的字节数，便可知道该帧的结束位和下一帧的开始位。
该种方法的主要问题是：如果计数字段在传输中出错，接收方就无法判断所传输帧的结束位，当然也无法知道下一帧的开始位，使发送方和接收方无法同步。即使接收方通过差错控制得知传输出错，也不知道应该让发送方跳回多少字符开始重传。
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（2）带字符填充的首尾界符法。
带字符填充的首尾界符法在每一帧的头部用帧开始字符标记，在帧的尾部用帧结束字符标记。但是，在数据传输中，如果帧的首尾定界符出现在信息字段中，将会造成对数据的错误接收。为避免这种现象出现，采用在信息位中出现的定界符前填充转义字符的方法来区别。
（3）带位填充的首尾标志法。
带位填充的首尾标志法使用特定的位模式01111110作为帧的开始和结束标志。为了不使信息字段中出现的比特流01111110被误判为帧的首尾标志，发送方在信息位中每遇到5个连续的比特1时，将自动在其后插入一个比特0，在接收方收到连续的5个比特1时，则自动删除后面紧跟的一个比特0。
（4）物理编码违例法。
物理编码违例法将数据位“1”编码成高-低电平对，数据位“0”编码成低-高电平对。这样每一个数据位在中间都有一次跳变，使接收方容易将帧的边界定位。
1.2.3 数据调制与编码
虽然数字化已成为当今的趋势，但并不是使用数字数据和数字信号就一定是“先进的”，使用模拟数据和模拟信号就一定是“落后的”。数据究竟应当是数字的还是模拟的，是由所产生的数据的性质决定的。例如，运送话音信息的声波就是模拟数据，但数据必须转换成信号才能在网络媒体上传输。一般来说，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。
1.2.3.1 数字数据编码为数字信号
对于数字数据，最普遍而且是最容易的编码方法就是用两个电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压表示数字0，有电压表示数字1，不归零制就是这种编码方式。
但是不归零制传输也有若干缺点。它难以决定一位的结束和另一位的开始，需要有某种方法使发送器和接收器进行定时。如果传输1或0过多，在单位时间内将有累积的直流分量。而且没有检错功能。为了克服上述缺点，编码方案有曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码、双极性半空占码（AMI）、双极性8零替换码（B8ZS）、三阶高密度双极性码（HDB3）、nB/mB码等。
1．曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码
曼彻斯特编码方法是将每一个码元再分成两个相等间隔，码元1是前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平，码元0则刚好相反。这种编码的好处就是可以保证在每一个码元的正中间时间出现一次电平的转换，利于接收方提取位同步信号，但是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。差分曼彻斯特编码规则是：若码元为1则其前
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