计算机网络课件(01-物理层)

发布于:2021-10-22 06:56:43

中科院大学计算机网络硕士课程

Internet

Ethernet

Intranet

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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主要课件
本课程以电子版课件为主,包括: 物理层,调*獾髌骱虯DSL, 点到点链路和多点链路,无线局域网, 网络层运行机制, IP网络,IPv6, 基于IP的多协议标记交换技术, 传输层,移动IP , 面向应用的协议和软件,以及以存储为中心的IT体系结构 等主题(部分内容可根据上课情况作必要的调整)。 主要辅助教材为: 计算机网络*题与解析 (第2版)。 网站地址: http://course.ucas.ac.cn/portal/site/93694/page/11f9fa45-effe488e-9996-937d83529345

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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主要参考书
以下列出的是本课程推荐的主要参考书籍:
(1)Andrew S. Tanenbaum and David J. Wetherall, Computer Networks (fifth edition), Prentice Hall, 2011.

(2)鲁士文,“计算机网络*题与解析 (第2版)”, 清华大学出版社,2005年
(3)鲁士文. 存储网络技术及应用,清华大学出版社,2010。 上课时间和地点:星期四晚上7:00—9:40 S306教室

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关于练*题
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交作业时间:布置后的下一周课前或课间休息 期间。

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抽查作业的同学名单:在预期交作业的那一周 的授课前或开始上课时公布。
返回作业时间:交作业后的下一周。 收集、批阅和返回作业工作由助教负责。 交作业和返回作业地点: 教室讲台上
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第1单元 物理层
1.1数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号 1.1.2 信道的最大数据传输率 1.2 传输介质 1.2.1 双绞线 1.2.3 光缆

1.2.2 同轴电缆 1.2.4 无线传输

1.3 数据编码技术 1.3.1 模拟信号传输模拟数据 1.3.3 数字信号传输数字数据

1.3.2 1.3.4

模拟信号传输数字数据 数字信号传输模拟数据

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授课教师:鲁士文

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第1单元 物理层
1.4 多路复用技术 1.4.1 频分多路复用 1.4.2 时分多路复用 1.4.3 波分多路复用 1.5 物理层协议示例(课后阅读材料)

1.5.1 RS-232C 1.5.2 T1/E1 1.5.3 SONET/SDH
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第1单元 物理层
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物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输介质上 传输数据的比特流。现有的计算机网络中的物理设备和传 输介质的种类非常繁多,而通信手段也有许多不同的方式。 物理层的作用正是要尽可能*帘蔚粽庑┎钜欤蛊渖厦 的数据链路层感觉不到这些差异。 在物理连接上的传输方式一般都是串行传输,即一个一个 比特按照时间顺序传输。当然在某些情况下也可以采用多 个比特的并行传输方式。出于经济上的考虑,现在计算机 网络上的数据传输通常都是串行传输。
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1.1 数据传输的基础知识
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数据传输总是通过某种传输介质在发送设备和接收设备之间进行。传 输介质可以划分为导线的或无导线的两类。无论属于哪一种类别,通 信都以电磁波的形式发生。使用导线介质,波的传播被限制到一条物 理通路;导线介质的例子有双绞线、同轴电缆和光导纤维。无导线介 质提供发射电磁波的手段,但不约束传播的通路;无导线传播的例子 有通过空气、真空和海水的通信。 术语直达链路用以指称在两个设备之间这样的一种通路,信号直接地 从发送设备传播到接收设备,在它们之间没有中介设备。如果一个传 输介质被说成是点到点的,那就意味着,第一,仅仅有两个设备共享 介质;第二,介质在两个设备之间提供了一条直达链路。在多点导线 配置中,有多于两个以上的设备共享同一个介质。
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1.1 数据传输的基础知识
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传输可以是单工、半双工或全双工的。在单工传输中,信号仅在一 个方向上传输;一个站是发送设备,另一个站是接收设备。在半双 工操作中,两个站都可发送,但在任一特定的时刻都只允许一个站 发送,另一个站则是在接收。在全双工操作中,两个站可以同时发 送。在后一种情况下,介质同时在两个方向上运载信号。 表示成时间的函数,电磁信号可以是连续的,也可以是离散的。连 续信号的强度随时间*滑变化,也就是说,在信号中无断裂或不连 续。离散信号的强度在某个时间段内维持一个常量级,然后改变到 另一个常量级。连续信号可以表示语音,离散信号可以表示二进制 的1和0。最简单的信号种类是周期信号,同样的信号模式随时间反 复出现。
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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号
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19世纪初叶,法国数学家吉·傅里叶证明:任何正常的周期为T的 函数g(t)都可以由无限个正弦和余弦函数合成:

(1-1) 这里f=1/T,T是g(t)的周期,an 和bn 是正弦和余弦函数n次谐波 的振幅。这种分解叫做傅里叶分析,等式右方的级数称为傅里叶级 数。g(t)应是一个正常的周期函数,是指它满足在每个周期的积分 和不连续点的数目都为有限这样一个不太严格的限制条件。通过傅 氏级数可以重新合成原函数,即已知周期T和谐波的振幅,通过式 (1-1)求和能够得到时间函数g(t)。
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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号
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通过数学变换和计算,可以从式1-1得到:

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一个持续时间有限的数据信号可以想象成它一遍又一遍地无限重 复整个模式,即假定从T到2T的区间模式等同于区间0到T,从2T 到3T的区间模式又等同于区间T到2T,如此等等。

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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号
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现在我们再回到一个持续时间有限的数据信号的条件。 假定传送一个8比特字节编码的ASCII字符“b“,待传 的位模式是01100010。图1-1(a)左边示出了计算机发 送该字符时的输出电压,对此信号对应的周期函数g(t) 进行傅氏变换可得到下列系数:

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1.1 数据传输的基础知识
1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号

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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号
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若干个低次谐波幅度的方均根值示于图1-1(a)的右部。计算这些 方均根值是因为它们的*方与相应频率的谐波所传送的能量成正 比。计算振幅的方均根值公式是:

例如,示图中的一次谐波振幅的方均根值为0.244,2次谐波振 幅的方均根值为0.503,3至8次谐波振幅的方均根值分别为0.197, 0.160,0.118,0.168,0.035和0。

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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号
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所有传输设施在传输信号过程中都将损失一些能量。如果所有傅里叶 分量被等量衰减,那么结果信号虽在振幅上有所衰减,但没有畸变, 在我们的示例中即可在接收端得到与图1-1(a)完全相同的标准方波。 然而,实际的传输设施对不同的傅里叶分量衰减程度不同,因而输出 信号发生畸变,通常频率0到fc(截止频率,以赫兹即Hz为单位)范围 内的谐波在传输过程中无衰减,而截止频率以上的所有谐波在传输过 程中衰减极大。这种现象既可由传输介质的物理特性引起,也可能是 由于人们有意在线路中安装了一个滤波器来限制每个用户使用的带宽。 现在让我们看一看如果带宽低到仅允许最低几次谐波通过,亦即式 ( 1-1)只取前几项*似值,图1-1(a)中的信号将是什么样子。图11(b)画出了信道仅允许1次谐波通过时的情形。类似地,图1-1(c)-(e)为信道带宽较宽时得到的频谱及合成函数。

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1.1 数据传输的基础知识
1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号

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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号
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发送字符所需的时间T取决于编码方法和信号频率(每秒信

号值,比如电压,改变的次数)。每秒信号变化的次数以波
特(baud)度量(也称码元速率)。一个以b波特传送信号的线 路,其传送二进制数据的速率不一定是b比特/秒,因为每

个信号可以运载几个比特。例如,若使用0、1、2、3、4、
5、6和7共8个电*级,则每个信号值可代表3个比特,因而 这种条件下比特率将是波特数(码元速率,采样速率)的3 倍。
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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号
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让我们再回到以传送1个字符8位组时间长度为周期T(持续时间有限 的数据信号)的傅氏分析。假定比特率为d比特/秒,发送8比特信息 所需的时间T就是(8/d)秒,故单值函数g(t)的1次谐波的频率即 f=1/T是(d/8)赫兹(Hz)。普通的电话线路常称话音级线路,截止频 率大约为3000Hz,这就意味着允许通过的最高简单正弦或余弦周期 信号的频率是3000Hz,根据(2-1),角频率?=2?nf,现在nf=3000, f=d/8,因此,允许通过最高次谐波的次数大约是

使用电话线路,对于一些常用的数据传输的比特率、基本周期、1

次谐波频率和最高谐波次数之间的关系如表1-1所示。
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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号

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1.1 数据传输的基础知识 1.1.1 傅里叶分析和有限带宽信号
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从这些数字可以清楚地看出:如果在一条话音级线路上以9600bit/s 的速率传输数据,最高次谐波的次数仅为2,图1-1(a)所示的波形将 变为图1-1(c)所示波形,故不可能精确地收到原位串,显然,即使传 输设备完全没有噪声,数据传输高于38.4Kbit/s时也不可能得到二进 制信号。一般地讲,可以通过的最高次谐波的次数与带宽成正比,与 数据传输率成反比(截止频率nf/数据速率[d/8])。限制带宽就是限制

数据传输率,即使对理想的信道也是如此。不过,存在多电*(或更
一般地,多状态)的复杂编码法,用它可得到较高的数据传输率。

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1.1 数据传输的基础知识
1.1.2 信道的最大数据传输率
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早在1924年,奈魁斯特(Nyguist, H)就认识到信道对于数据传输率的 限制,并推导出了一个有限带宽无噪声信道的最大数据传输率表达式。 奈魁斯特证明,如果一个任意的信号通过带宽为H的低通滤波器,那 么每秒采样2H次就能完整地重现通过这个滤波器的信号。以每秒高于 2H次的速度对此线路采样是无意义的,因为高频的分量已被滤波器滤 掉,无法再恢复了。 如果被传信号电*分为V级,奈氏定理表明: 最大数据传输率=2Hlog2V(bit/s)。 例如,一个无噪声的3KHz信道不能以高于6000bit/s的速率传输二元 (即两级或两种状态)电*信号。

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1.1 数据传输的基础知识
1.1.2 信道的最大数据传输率
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到目前为止,我们仅考虑了无噪声信道。如果有噪 声存在,情形会急剧变坏。噪声通常以信号功率和 噪声功率之比来度量,这个比值叫做信噪比。如果 用S表示信号功率,N表示噪声功率,则信噪比为S/N。 通常,我们并不使用信噪比本身,而是使用10lg S/N,其单位为分贝(dB),如果S/N为10,则是10dB, S/N为100则是20dB,S/N为1000是30dB,依此类推。

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1.1 数据传输的基础知识 1.1.2 信道的最大数据传输率
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通信系统中所遇到的噪声可以分为两类:① 系统外的噪声;② 系 统内部产生的噪声。第①类噪声还可进一步分为人为和非人为干扰。 人为干扰可由电机的点火系统、换流器、开关接触不良、荧光灯等 引入。非人为干扰包括各种形式的大气噪声。雷电或来自银河系的 宇宙辐射是主要的大气噪声,后者又是射电天文学所研究的信号源。

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限制通信系统性能的基本因素是系统本身内部的噪声。这类噪声基 本上有两种成因,即任何温度在绝对零度以上的物体中的电子均有 随机的热运动。真空器件中的电流或半导体器件内的越结电流中均 有统计起伏的变化。

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1.1 数据传输的基础知识
1.1.2 信道的最大数据传输率
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1948年,仙农(Shannon, C. E)把奈魁斯特的结论进一步扩展到受 随机(热)噪声影响的信号。他的关于噪音信道的主要结论是:对 任何带宽为H 赫兹、信噪比为S/N的信道: 最大数据传输率(bps)=Hlog2(1+S/N)

仙农公式表明,信道的带宽越大或信道中的信噪比越大,则信息 的极限传输速率就越高。从仙农公式可看出,若信道带宽H或信噪 比S/N没有上限(实际的信道当然不可能是这样的),那么信道的 极限信息传输速率也就没有上限。仙农的结论是应用信息论原理 推导出来的,适用范围很广。要想超越这一结论可以认为想要发 明永动机。应该注意的是,这是一个上限。实际上要接*仙农极 限也是很困难的。
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1.1 数据传输的基础知识 1.1.2 信道的最大数据传输率
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自从仙农公式发表以后,各种新的信号处理和调制的方 法不断出现,其目的都是为了接*仙农公式所给出的传 输速率极限。在实际信道上能够达到的信息传输速率要 比仙农的极限传输速率低不少。这是因为在实际的信道 中,信号还要受到其他的一些损伤,如各种系统外的噪 声干扰以及在传输和处理中产生的其他失真等。这些因 素在仙农公式的推导过程中并未考虑。
由于波特率受奈氏准则的制约,所以要提高信息的传输 速率,就必须设法使每一个信号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。
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1.1 数据传输的基础知识
1.1.2 信道的最大数据传输率
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当采用16元制时,一个码元可携带4个比特的信息。一个标准电话话路 的频带为300?3400Hz,即带宽为3100Hz。在这频带中接*理想信道的也 就是靠中间的一段,其带宽约为2400Hz左右。如使信号的传输速率为 2400波特,通过4位/波特调制,则信息的传输速率可达到9600bit/s。 从仙农公式可以很容易地计算出在这种情况下所需信噪比的最低值。但

应注意,对于实际的信道所需的信噪比要比这个最低值还要高不少。
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对于3.1kHz带宽的标准电话信道,如果信噪比S/N=2500,那么由仙农公 式可以知道,无论采用何种先进的编码技术,信息的传输速率一定不可

能超过由仙农公式算出的极限数值,即35000bit/s左右。目前的编码技
术水*与此极限数值相比,差距已经很小了。
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1.2 传输介质
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传输介质是在数据传输系统中位于发送设备和接收设备之间的物理通路。

数据传输的特征和质量是由介质的特征和信号的特征两个方面决定的。
在导线介质的情况下,介质本身在确定传输限制方面起更重要的作用。 对于非导线介质,由发射天线产生的信号带宽在确定传输特征方面比介 质更为重要。由天线发射的信号的一个关键特性是方向性。一般说来, 低频信号是全向的,亦即从天线发出的信号在所有的方向上传播。在高 频的发射中,信号可以被集中到一个定向的射束。
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在现实的世界中,有多种物理介质可用于实际的传输,每一种物理介质 在带宽、延迟、成本和安装维护难度上都不相同。

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1.2 传输介质 1.2.1 双绞线
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无论是传输模拟数据还是传输数字数据,最普通的传输介 质是双绞线。双绞线由两条互相绝缘的铜线组成,其典型 粗细为直径1mm,这两条线像螺纹一样拧在一起,这样可以 减少邻*线路的电气干扰。双绞线最常见的应用是电话系 统。几乎所有的电话都通过双绞线连接到电话局。双绞线 传输信号可以几公里不需要放大,更远的距离就要使用中 继设备了。当有许多双绞线并行走线太长时,例如在一座 公寓里连往电话局的所有导线应扎成束,并包封在护套中。 在电话线架设在地面电线杆子上的地区,常常可以看到直 径为几厘米的线束。
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1.2 传输介质 1.2.1 双绞线
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双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输距离,但在许多情况下, 几公里范围内的传输速率可以达到几兆bps,由于其性能较好又价 格便宜,双绞线很有可能还要被持续使用多年。

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非屏蔽双绞线电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成。如图1-2所
示。非屏蔽双绞线(UTP)易受外部干扰,包括来自环境附*的双绞 线;但由于其价格低廉且易于安装和使用,所以应用非常广泛。

在建筑物内部,作为局域网传输介质而被普遍使用的UTP电缆的最
大长度一般限制在100米之内(速率范围是10Mbps~1000Mbps)。

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1.2 传输介质 1.2.1 双绞线

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1.2 传输介质 1.2.2 同轴电缆
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同轴电缆由绕同一轴线的两个导体所组成。如图1-3所示,它以硬 铜线为芯,外裹一层绝缘材料,这层绝缘体外面又被密集的网状导

体所环绕(可屏蔽干扰信号),网外又覆盖一个保护性塑料层。

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1.2 传输介质 1.2.2 同轴电缆
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同轴电缆的这种结构,使它具有比双绞线更好的抗干扰 性能。它可以传输比双绞线更长的距离,连接更多的工 作站。同轴电缆的带宽取决于电缆长度,1km的电缆可以 达到1Gb/s至2Gb/s的数据传输速率。同轴电缆曾在电路 系统中广泛使用,现在已大量被光纤所代替。但是,现 在同轴电缆仍被广泛地用于有线电视做宽带模拟传输。 “宽带”这个词来源于电话业,指比4KHz宽的频带;然 而在计算机网络中,“宽带电缆”是指使用模拟信号传 输数字数据的较宽频带的电缆。
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1.2 传输介质 1.2.2 同轴电缆
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宽带电缆CATV使用标准的有线电视技术,频带可高达300—450MHz,它 是一个单向的节目发放系统。由于使用模拟信号,传输距离可以达到 100公里。为了在模拟网上传输数字信号,需要在接口处安放一个电 子设备,用以把进入网络的比特流转换为模拟信号,并把网络输出的 信号再转换成比特流。取决于这些电子设备的类型,1bps占据大约 1Hz的带宽。使用先进的调制技术,可以达到每赫兹多个比特。宽带 系统又分为多个信道,电视广播通常占用6MHz信道。每个信道可用于

模拟电视、CD质量声音(1.4Mb/s)或3Mb/s的数字比特流。电视和数据
可在一条电缆上混合传输。
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1.2 传输介质 1.2.2 同轴电缆
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三种革新技术把CATV从一个视频发放系统转变成 一个可以提供交互式的集成服务的系统。 第一 种革新技术把CATV升级为一个双向通信系统。第 二种革新技术引入提供用户对于共享数据链路访 问的链路层功能。第三种革新技术由数字压缩机 制构成,使得视频信号可以用相对低的速率传输。 今天,CATV运营者可以提供三种服务,即 Internet访问、视频点播和电话。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 34

1.2 传输介质 1.2.2 同轴电缆
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图1-4示出了对升级后的CATV系统750MHz带宽分配的一种情 况。在图中所示的例子中,50MHz以下的频谱分配给上行返 回通路,该通路可以支持话音、视频和数据通道的上行传输,

其中的一些可以是控制信号。50MHz到550MHz之间的频谱分
配给 CATV和FM音频信号用于下行传输。这些信道可以是单 投点或广播的,也可以加密用于付费服务。高于550MHz的频 谱提供给支持话音、视频或数据服务的下行数据信号。

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授课教师:鲁士文

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1.2 传输介质 1.2.2 同轴电缆

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授课教师:鲁士文

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课间休息

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1.2 传输介质 1.2.3 光缆
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由于光技术的发展,我们已经可以利用光脉冲来传输数据。光脉冲的 出现表示其位为1,不出现表示为0。可见光的频率大约是1014Hz,因而 光传输系统可使用的带宽范围极大。 光导纤维是一种能够传导光信号的极细而柔软的通信介质,有许多种 玻璃和塑料可用来制造光导纤维。光导纤维的横截面为圆形,由纤芯 和包层两部分构成。二者由两种光学性能不同的介质构成。其中,纤 芯为光通路;包层由多层反射玻璃纤维构成,用来将光线反射到纤芯 上。实用的光缆外部还须有一个保护层,每一芯及包层或紧或松地被 外壳包裹着。外壳都是起着提供必要的光缆强度的作用,以防止光纤 受外界温度、弯曲、外拉、折断等影响。可将多股光纤捆在一起放在 光缆中心。光纤要比铜导线细得多,也轻得多,所以大型光缆能够比 同尺寸的铜电缆具有更高的吞吐率。这一特点使光纤在空间有限的环 境下使用更理想。
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1.2 传输介质 1.2.3 光缆
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光通过一种介质而进入另一种介质时,就会发生折射(弯 曲)。例如,在二氧化硅/空气界面上,光线以21?射入 (见图1-5(a)),以31?射出。折射量取决于两种介质的 特性(折射率)。如果入射角大于某一临界值,光线将完 全反射回二氧化硅,而不会漏射入空气中。因此,光的 入射角等于或大于临界值时,如图1-5(b)所示,光线将 完全被限制在光纤中,而无损耗地传播若干公里。

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授课教师:鲁士文

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1.2 传输介质
1.2.3 光缆

图1-5 光通过硅纤维传输的光学效应
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1.2 传输介质 1.2.3 光缆
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光纤正是利用全内反射来传输经信号编码的光束。全内反 射可出现在折射率大于周围介质的折射率的任意透明介质 中。图1-6进一步示出了光导纤维传输的模式。来自光源 的光进入圆柱形玻璃或塑料纤芯。大角度的入射光线被反 射并沿光纤传播,其余光线被周围介质所吸收。这种传播 方式因有多个反射角而被称为多模方式(参见图1-6(a))。 当纤芯半径减小时,被反射的角度亦加大。当将纤芯半径 降低到波长的量级时,只有单个角度即只有轴向光束能通 过,此时光纤如同一个波导,称为单模光纤 (参见图16(b))。
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1.2 传输介质
1.2.3 光缆

图1-6 光纤传输模式
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1.2 传输介质
1.2.3 光缆
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在多模传输时,存在多个传输路径,每一路径的长度不 同,因此越过光纤的时间不同。这使信号码元在时间上 出现扩散,限制了能准确接收的数据速率。由于单模传 输时只存在单个传输途径,因此不会出现这种失真。 单模光纤具有更大的容量,但是它的生产要比多模光纤 昂贵。光纤的类型由模、材料(玻璃或塑料纤维)及芯和 外层尺寸所决定,芯的尺寸及纯度决定了光的传输量。 当前最常使用的是62.5?m芯 /125?m外层的多模光纤,其 次是的8.3?m芯 /125?m外层的单模光纤。
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授课教师:鲁士文

1.2 传输介质 1.2.3 光缆
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光缆在普通计算机网络上的安装是从用户设备开始的。由于每根光纤在 任何时候都只能单向传输,因此,要实行双向通信,它必须成对出现, 一个用于输入,一个用于输出,光纤两端接到光学接口上。每一条光纤 线缆的连接都需要小心地磨光端头,通过电烧烤或化学环氯工艺与光学 接口连在一起。 光纤的传输距离仅受波长的影响,它的衰减率极低。同时为了更有效地 增大传输距离,可以采用1.55 ? m波长的光纤,同时利用掺饵光纤放大 器做为接收机的前置放大器或在光纤线路中作为中继器,可使光纤的传 输距离为几十公里,甚至*俟铩S捎诠庀瞬捎玫氖枪馄准际酰 有泄漏信号的现象,也不受电磁波和高频失真的影响,这些特点使它更 适合有危险的、高压的或者泄漏信号、干扰信号很强的环境。

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2013年2月28日

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1.2 传输介质 1.2.4 无线传输
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无线传输介质都不需要架设或铺埋电缆或光纤,而通过大气传输,人们现 在已经利用了无线电、微波、红外线和激光进行通信。 无线通信已广泛应用于电话领域,构成蜂窝式无线电话网。由于便携式 计算机的出现以及在军事、野外等特殊场合下移动式通信连网的需要促 进了数字化无线移动通信的发展。现在已经有了无线局域网产品,能在 一幢楼内提供快速、高性能的计算机连网技术。 微波通信的载波频率为2 — 40 GHz范围,因为频率很高,可同时传送大 量信息,如一个带宽为2MHz的频段可容纳500条话音线路,用来传输数字 信号,可达若干M bps。微波通信的工作频率很高,与通常的无线电波不 一样,是沿直线传播的,由于地球表面是曲面,微波在地面的传播距离 有限。直线传播的距离与天线的高度有关,天线越高距离越远,但超过 一定的距离后就要用中继站来接力。另外两种无线通信技术,红外通信 和激光通信也像微波通信一样,有很强的方向性,都是沿直线传播的。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 45

1.2 传输介质 1.2.4 无线传输
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最后对微波通信中的一种特殊形式——卫星通信作一介绍。卫星通 信利用地球同步卫星作中继来转发微波信号,卫星通信可以克服地 面微波通信距离的限制。一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以 上表面,三个这样的卫星可以覆盖地球上全部通信区域,这样,地 球上的各个地面站之间都可以互相通信了。由于卫星信道频带宽, 也可采用频分多路复用技术分为若干子信道,参见图1-7,有些用 于地面站向卫星发送(称为上行信道),有些用于由卫星向地面转发 (称为下行信道)。卫星通信的优点是容量大,距离远;缺点是传播 延迟时间长。从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间大约 为270ms,且这个传播延迟时间是和两站点间的距离无关的。这相 对于地面电缆传播延迟时间约6?s/km来说,特别对于*距离的站点, 要相差几个数量级。

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授课教师:鲁士文

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1.2 传输介质 1.2.4 无线传输

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授课教师:鲁士文

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1.3
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数据编码技术

数据和传送数据所采用的信号是两个完全不同的概 念。信号是数据的具体表示形式,它和数据有一定

关系,但又和数据不同。模拟数据可以用模拟信号
传输,也可以用数字信号传输;同样,数字数据可

以用数字信号传输,也可以用模拟信号传输。这样
就构成了四种方式。在每一种方式中,数据信息所 对应的具体传输信号状态称为数据信息编码。
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1.3 数据编码技术 1.3.1 模拟信号传输模拟数据
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在电话机和本地局交换机之间所传输的信号就是采用这种 编码方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传 输的。 无线语音广播是模拟信号传输模拟数据的另一个例子。有 效的传输需要比较高的频率。对于无导线传播,传送基带

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信号几乎是不可能的,因为那将需要直径为好几公里长的
天线。另外,调制有助于频分复用。

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授课教师:鲁士文

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1.3 数据编码技术 1.3.2 模拟信号传输数字数据
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我们在使用调*獾髌魍ü缁跋呗反浼扑慊菔保 所采用的就是这种编码方式。两端的计算机(数字设备) 只能输出和接收数字信号,而所连接的电话系统只能传输 模拟信号。模拟信号传输的基础是载波,是一个连续变化 的信号。用于远距离计算机通信的模拟线路一般为频带传 输线路,适于传输模拟信号而不能传输基带信号(原始的 电脉冲信号),即不能传输*似于零频率的分量(直流分 量)。因此必须将数字数据变换(调制过程)成模拟信号后 才能发送;在接收端须进行逆变换,从而恢复数字数据的 原形(解调过程)。
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1.3 数据编码技术 1.3.2 模拟信号传输数字数据
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正弦交流信号作为载波可用Acos(?t+?)来表示。其中A为振幅,?为 角频率,?为相位。我们可以改变正弦波的三个控制参数,使其出 现不同的波形,即可区别开“0”和“1”,故这三个参数又称为调 制参数。依信号调制的参数不同,可将调制分为基本的三种:幅度 调制,频率调制和相位调制。由于通信是双向的,故两端均有调制 与解调的问题,完成这一任务的硬件称为调*獾髌(MODEM)。 在实际的数据通信中还常使用联合调制的技术, 即对两个或两个以 上的参量同时进行调制。图1-8示出的是一个相幅联合调制的例子。 图1-8(a)中有8种相幅组合,每波特可以传输3比特。在图1-8(b) 中信号的相位可以取12个状态,其中的四个相位值又都可以取两个 幅度值,这样一共有16种电信号状态,每个电信号就能表示四位二 进制数据。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 51

1.3 数据编码技术 1.3.2 模拟信号传输数字数据

图1-8 相位幅度联合调制
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授课教师:鲁士文

1.3 数据编码技术 1.3.3 数字信号传输数字数据
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数字信号是一个离散的不连续的脉冲序列。每个脉冲都是一个信
号元素。二进制数据的传输是通过将每个数据位编码到信号元素 中而得以实现的。在最简单的情况下,在比特和信号元素之间有

一一对应的关系。
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在数字信号传输数字数据的编码方式中,通信的源端和目的端所 发出和接收的以及中间介质所传输的都是跳变的数字信号。具体

用什么样的数字信号表示0以及用什么样的数字信号表示1就是所
谓的编码。编码的规则可以有多种,原则上只要能有效地把1和0 区分开就行。图1-9示出了不归零制、曼彻斯特编码和差分曼彻斯

特编码等常用的数字信号编码方案。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 53

1.3 数据编码技术 1.3.3 数字信号传输数字数据

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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1.3 数据编码技术 1.3.3 数字信号传输数字数据
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不归零(NRZ)码是发送数字信号最常用和最简单的方法,它

用负电压表示一种二进制值,正电压表示另一种二进制值
(图1-9(a)),又称不归零电*(NRZ-L)编码。NRZ码的一种 变形是NRZI码,即“1”反相的不归零码。与NRZ-L相同,

NRZI在比特时间内为一恒定电压脉冲。数据本身按1个比特
时间的开始有无信号变迁来编码。有变迁(低到高或高到低) 表示该1比特时间为二进制“1”,无变迁表示二进制 “0”(参见图1-9(b))。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 55

1.3 数据编码技术 1.3.3 数字信号传输数字数据
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在曼彻斯特编码中,每比*诩渲醒胗幸槐淝ā 这一比特中间的变迁可用作时钟,也可用于表示 数据:高到低的变迁表示“1”,低到高的变迁 表示“0”(见图1-9(c))。在差分曼彻斯特编码 中(见图1-9(d)),这种比特中间的变迁仅用来提 供时钟,“0”和“1”的编码则由比特开始有、 无变迁来表示。差分曼彻斯特编码除具有上述编 码的优点外,还具有差分编码的优点。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 56

1.3 数据编码技术 1.3.3 数字信号传输数字数据
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4B/5B编码

用5比特的码组来编码4比特的输入数据。这种编码方式要求每个5比 特码组中不含多于3个“0”,或者不会少于2个“1”。将5比特码组转 换成电信号的波形采用了NRZI,即不归零制,且在每个比特“1”的持 续期间的开始处都有电*跳变。由于NRZI实际上也是一种差分方式, 所以4B/5B编码具有较好的抗干扰性,增加了接收的可靠性;由于5比 特码组中至少有两个“1”,这就又保证在5比特码组的持续期间内至 少有两次电*跳变,可供接收端用来检测出位同步信号。4B/5B编码 效率比较高,若要达到100Mbps的数据速率,只须在线路上有125M的 波特率。作为例子,该编码方法已广泛用于100Mbps以太网和FDDI环 形网(令牌环的光纤版本,其速率为100Mbps)。
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1.3 模拟传输与数字传输 1.3.4 数字信号传输模拟数据
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使用数字信号编码模拟数据最常见的例子是用于音频信号的脉码调 制(PCM)。它主要包括三个步骤,即抽样、量化和编码。抽样是指 在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值,作为从这一次 抽样到下一次抽样之间该模拟数据的代表值。根据抽样定理,当抽 样的频率大于或等于模拟数据的频带宽度(最高变化频率)的两倍时, 所得的离散信号可以无失真地代表被抽样的模拟数据。量化则是把 抽样取得的电*幅值按照一定的分级标度转换为对应的数字值,并 取整数。这样,把连续的电*幅值转换为离散的数字量。 编码把量化的结果转换为对应的二进制编码。图1-10画出了将一个 模拟数据转换为具有16个量化级的数字信号的步骤。在网络系统中, 把模拟数据编码成数字信号发送;或者反过来,把接收到的数字信 号解码,还原成模拟数据的装置称为编码解码器(CODEC)。
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1.3 数据编码技术 1.3.4 数字信号传输模拟数据

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1.3 数据编码技术
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多年来, 大多数用户都是通过模拟话音Modem从居家得到

Internet访问,这种Modem在模拟本地回路上传输他们的
数据。该回路的带宽被限制到3kHz。在用户端,Modem把 二进制数据转换成模拟信号。在本地中心局,该模拟信号

被采样,并被编码成64kb/s的数字信号。本地中心局产生
的64kb/s的数字信号通过电话网络发送,再转换成模拟信 号在另一个本地回路上发送,被服务器Modem接收,原先 的二进制数据流被恢复。图1-11示出了这一过程。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 60

1.3 数据编码技术

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授课教师:鲁士文

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1.4 多路复用技术
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在实际的计算机网络系统中,传输介质的能力往往超过 来自单一信息源的需求,为了有效地利用通信线路,希 望一个信道能够同时传输多路信号。多路复用技术就是 把许多信号在单一的传输线路上用单一的传输设备进行 传输的技术。采用多路复用技术把多个信号组合在一条 物理线缆上传输,在远距离传输时可大大节省线缆的安 装和维护费用。 两种最常使用的多路复用技术是频分多路复用和时分多 路复用。其中时分多路复用又可分为同步时分和异步时 分两种。
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1.4.1
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频分多路复用

在物理信道能提供比单路原始信号宽得多的带宽的情况 下,我们就可以把该物理信道的总带宽分割成若干个和 传输的单路信号带宽相同(或稍微宽一点)的子信道,每 个子信道传输一路信号。这就是频分多路复用。多路的 原始信号在频分复用前,首先要通过频谱搬移把各路信 号的频谱搬移到物理信道的不同频谱段上,这可以通过 在频率调制时采用不同的载波来实现。图1-12给出了三 路音频原始信号频分多路复用一个带宽为12KHZ(从60KHZ

至72KHZ)的物理信道的示例。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 63

1.4.1 频分多路复用

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1.4.2
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时分多路复用

若介质能达到的位传输速率超过单一信号源所要求的数据传输率, 就可采用时分多路复用(TDM)技术,就是将一条物理信道按时间分 成若干时间片轮流地给多个信号源使用,每一时间片由复用的一个 信号源占用,而不象频分多路复用(FDM)那样同一时间同时发送多 路信号。

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同步时分多路复用是指时分方案中的时间片是分配好的,而且是固 定不变的,轮流占用,而不管某个信息源是否真有信息要发送。这 样,时间片与信息源是固定对应的,或者说,各种信息源的传输定 时是同步的,故称为同步TDM。在接收端,根据时间片序号便可判 断是哪一路信息,因而便可送往相应的目的地。

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1.4.2 时分多路复用
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异步时分多路复用允许动态地分配传输介质的时
间片。这样便可大大减少时间片的浪费。当然, 实现起来要比同步TDM困难一些。在接收端无法 根据时间片的序号来断定接收的是哪一路信息源 的信息,因此,需要在所传输的信息中带有相应

的信息。图1-13(a)和(b)分别给出了同步时分和
异步时分的示例。

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授课教师:鲁士文

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1.4.2 时分多路复用

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授课教师:鲁士文

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1.4.2 时分多路复用
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时分多路复用TDM并不局限于传输数字信号,也 可以用来分时传输模拟信号。另外对于模拟信号, 有时可把TDM和FDM结合起来一起使用,即:一个 传输系统中,可以频分成许多子信道,每个子信 道再利用时分多路复用来细分。在宽带局域网中 可以用此技术,而对于数字信号,一般不用FDM, 因为数字信号占用的频带很宽。

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1.4.3
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波分多路复用

波分多路复用 实质上是在光信道上采用的一种频分多路复用的变种, 只不过光复用采用的技术与设备不同于电复用。不同光 纤上的光波信号通过无源的棱柱或衍射光栅复用到一根 长距离传输的光纤上。无源的设备通常运行得更可靠。 由于光波处于频谱的高频段,有很高的带宽,因而可以 实现非常多路的波分复用。此外,利用光耦合器和可调 的光滤波器还可以实现光交换,或将在一根光纤上输入 的光信号向多根输出光纤上转发。目前的技术已可使输 出光纤的条数达到*俚氖考丁

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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1.5 物理层协议示例(阅读材料)
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物理层是OSI 模型的最低层,涉及网络物理设备之间的接 口,其目的是向高层提供透明的二进制位流传输。物理接 口的设计涉及信号电*、信号宽度、传送方式(半双工或 全双工)、物理连接的建立和拆除、接插件引脚的规格和 作用等。常用的物理层协议有EIA RS-232-C、T1/ E1、 SONET/SDH、 ADSL等。 本单元简要地介绍EIA RS-232-C、T1/ E1和SONET/SDH, 下一单元将专门介绍在当前广泛使用的ADSL接入网络标准。

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授课教师:鲁士文

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1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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作为物理层协议的一个实例,RS-232-C是由美国电子工业协会1969 年发布的一个计算机或终端与调*獾髌髦涞慕涌诒曜肌S是 Recommended Standard的缩写,232是标准的标识号码,C表示对 RS-232标准的修改版本号。该标准的全称是EIA RS-232-C。相应的 国际标准是CCITT(国际电报和电话咨询委员会)推荐的标准V.24, 它与RS-232-C相似,只是在某些很少使用的电路上稍有不同。在这 个标准中,终端或计算机被正式地叫做数据终端设备(DTE),调制 解调器被正式地叫做数据电路端接设备(DCE),有时也简称为数据 装置(DATA SET)。RS-232-C规定了DTE与DCE间的机械、电气、功能 和过程性接口,其最高速率为19.2 Kbps,最大距离为15m。图1-14 示出了连接到通信电路的DCE和DTE。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 71

1.5.1 RS-232C (阅读材料)

图1-14 在通信电路中使用的DCE和DTE
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 72

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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EIA RS-232-C关于机械特性的要求,规定使用DB-25插

针和插孔(现在也使用DB-15和DB-9等类型的插针和插 孔),插孔用于DCE方面,插针用于DTE方面。RS-232-C 关于电气信号特性的要求,规定逻辑“1”的电*为低 于-3V,而逻辑“0”的电*为高于+3V,在RS-232-C连 接器任一针上的信号可为下列状态中的任一状态:
*空(SPACE) / 标记(MARK)

* 开(ON) / 关(OFF)
* 逻辑0 / 逻辑1
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 73

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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值得注意的是RS-232-C采用负逻辑,即负电压 表示逻辑1、MARK和OFF,正电压表示0、SPACE 和ON,信号电压是相对于信号地电路测量的,3V到+3V电压范围是不确定的过渡区域。为了表 示一个逻辑1或MARK条件,驱动器必须提供-5~15V之间的电压。为了表示一个逻辑0或SPACE条 件,驱动器必须给出+5至+15V之间的电压。这 就说明,标准留出了2V的余地,以防噪声和传 输衰减。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 74

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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对于RS-232-C驱动电路来说,当与电缆中任一其它导线 短路时,不会实质上破坏它自己或任何相关的设备。这 里所说的相关设备包括终端、调*獾髌鳌⒓扑慊鶬/O 端口以及可能连接到RS-232-C电缆的其它设备。这就是 说,按照标准,如果有两个针无意中被短路,也不应导 致设备损坏。RS-232-C的功能性指标规定了25针各与哪 些电路连接,以及每个信号的含义。图1-15画出了其中 10针的情况,这10针几乎总是要用到,而其余的针通常 不用。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 75

1.5.1 RS-232C (阅读材料)

图1-15 RS-232-C的一些主要电路(括号中的数字为针号)
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 76

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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下面描述这10条电路的功能,其中针的命名是从DTE角度给予的。 针2:发送数据 (TD) 信号从DTE发给DCE。不发送数据时,串 行口维持该电路在MARK状态 (逻辑1电*,等同于停止位)。在 所有遵从RS-232标准的系统中,DTE只有在下列4个电路都处于 逻辑0 (控制功能为ON) 的条件下才可能发送数据: * 请求发送RTS (针4) * 清送CTS (针5) * 数据端接装置就绪DSR (针6) * 数据终端就绪DTR (针20) 针3:接收数据 (RD)在该电路上的信号从DCE发往DTE,DTE 用它从DCE接收数据。当没有数据传送发生时,该电路也维持在 逻辑1(MARK)状态。

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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针4:请求发送 (RTS) 该电路用来发信号给DCE,请求在针2上 发送数据。该信号和针5上的CTS信号控制DTE和DCE之间的数据流 动。 对于单工(只能在一个方向上通信)和全双工(可以同时在两个 方向上通信)通道,RTS线路上的逻辑0信号维持本地DCE处在发送 方式。如果DCE是一个调*獾髌鳎⑺头绞揭馕蹲诺髦*獾髌 将把它从DTE接收到的数据传送到电话网络。相反,如果RTS信号 是逻辑1(即OFF),本地DCE则维持在非发送方式,DCE将不把它从 DTE接收到的数据传送到通信网络。对于半双工(在两个方向上都 能通信,但不可同时进行)通道,ON条件将本地DCE维持在发送方 式,而OFF条件将本地DCE维持在接收方式。这里的接收方式意指 DCE将会从通信网络接收数据,并将数据继续传递给它的本地DTE。

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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RTS从OFF变成ON会触发本地DCE进入传送方式,并执行 建立通信所需的操作,比如使用一个自动拨号装置连 接一台远程计算机等。一旦通信建立动作(不管什么样 的动作)成功地完成,DCE就将CTS电路置成ON,告诉本 地DTE数据可以在TD电路上通过接口点传送了。RTS从 ON到OFF的转变指示本地DCE完成对以前在TD电路上通 过接口点传送的所有数据的发送(传到通信链路上), 然后被看成是非发送方式(在全双工或单工中)或接收 方式(在半双工中)。本地DCE对此信号的响应是当它准 备好对随后的RTS电路的ON条件进行响应时,将CTS置 成OFF。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 79

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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依赖于DTE和DCE通信软件的具体配置情况,前面描述的RTS-CTS 握手过程可以逐个字符地进行,也可以逐个数据块地进行。一个 更高层协议(与物理层协议相比)决定怎样组成一个字符或一块数 据。如果10位组成一个字符,那么基于字符的握手过程每发送10 位都需要DTE声明一次RTS信号,并从DCE接收一个CTS信号。对于 逐块发送的握手过程,DTE在传递每块数据的末尾,都要发送一 个特别的传送结束(end of transmission)字符,并关闭 (OFF)RTS。 在具体的通信实现中,下列几个条件必须同时具备,即DTR和DSR 必须已被声言,RTS必须已被置成ON,以声言CTS为形式的应答必 须已经被收到,DTE才可以在TD电路上发送数据。当CTS处于OFF 状态时,任何时候都可以将RTS置成ON,而不管其它接口电路条 件如何。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 80

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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针5:清送 (CTS) 这是一个控制信号,由DCE发往DTE, 表明DCE准备好接受从DTE发来的数据。当CTS处于OFF 状态时,表明DCE没有准备好,因此DTE不应该试图发 送数据。CTS的ON状态是对RTS和DSR同时都为ON的响 应。当CTS为ON,并且RTS、DSR和DTR都为ON时,就向 DTE表明,由DTE发送过来的数据将被DCE传送到通信 通道中去。 针6:数据装置就绪 (DSR) 该控制信号由DCE发往DTE, 它表明本地数据装置的状态。如果DSR信号是ON,就 意味着DCE已连接到通信通道。在自动呼叫的情况下, 这就说明DCE已拨完号码,完成了呼叫建立,并进入 了数据传输(而不是话音传输)方式。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 81

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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针20:数据终端就绪 (DTR) 这是一个控制电路,控制 信号由DTE发往DCE,当DTE准备好与DCE通信时,它就将 该电路置成ON。只有DTR(Data Terminal Ready)电路处 于ON状态时,DCE才能将DSR置成ON状态。当DCE连接成 功并且正在发送数据时,DTR从ON状态变成OFF状态会引 起DCE从通信通道上断连。 针22:响铃指示 (RI) 这是一个控制电路,控制信号由 DCE送往DTE。当RI(Ring Indicator)置成ON状态时,表 明DCE正在接收一个响铃信号。该信号主要用于自动应 答的调*獾髌髋渲茫诿看蜗炝迨保缏反τ贠N状态, 其它时间电路都处于OFF状态(表示DCE现在未接收响铃 信号)。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 82

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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针8:载波收到 (CD) 这是一个控制电路,控制信号 由DCE发往DTE。当DCE向DTE发送ON条件时,表 明它正在从远方调*獾髌鹘邮赵夭ㄐ藕拧T诘髦* 调器上,这个电路通常连到面板上的LED指示器(标明 为Carrier),有信号时二极管发光,说明检测到了载 波(Carrier Detect)。 针7:信号地 (SG) 这是一个必要的公共地回路,它 是除保护地之外的所有其它RS-232-C电路的测量参 照点,是一个公共返回通路。 针1:保护地 (PG) 保护地线(Protective Ground), 是可选的,通常不用,如用则接到设备的外壳。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 83

1.5.1 RS-232C (阅读材料)
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其余的电路用于选择数据传输速率,测试调*獾髌鳎荻 时以及在第二辅助通道上沿相反的方向发送数据,在实际工作中, 这些电路几乎从未使用过。 RS-232-C的过程性说明就是指协议, 即事件的合法顺序。协议是 基于“行为—反馈”关系对的。例如,当终端请求发送时,如果 调*獾髌髂芄唤邮帐荩蛩蜕柚迷市矸⑺(清送) 标志。 在其它的电路之间也存在着类似的行为—反馈关系。 在此需要再次强调的过程特征是,RS-232-C的操作过程是在各条 控制线的有序的ON和OFF状态的配合下进行的。只有当DTR和DSR 均为ON状态时,才具备操作的基本条件。若DTE要发送数据,则 首先将RTS置为ON状态,等待CTS应答信号为ON状态后,才能在TD 上发送数据。
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1.5.2
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T1/E1(阅读材料)

随着数字计算机和集成电路芯片价格的不断下降,数字传输以及相应 的交换设备比模拟传输便宜得多。当连接到数字端局的一个电话用户 打电话时,从他的本地回路出现的信号是普通的模拟信号,这个模拟 信号在端局被编码器数字化,产生7比特或8比特组成的数码。从某种 意义上说,编码解码器的编码器和调*獾髌鞯牡髦破飨喾矗汉笳呓 数字位串转换为被调制的模拟信号;前者将连续的模拟信号转化为数 字位串。编码器每秒进行8 000次抽样(125?s/样本),根据奈魁斯特 原理,这个抽样速率足以从4 KHZ的带宽中捕获所有的信息。这个技 术叫脉码调制(PCM: Pulse Code Modulation)。

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授课教师:鲁士文

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1.5.2
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T1/E1 (阅读材料)

贝尔系统的T1载波能处理复用在一起的24条话音信道。轮流对各信道 的模拟信号进行周期性采样,模拟信号串就被输入到1个(而不是24个) 编码解码器进行数字化,再将数字输出合成一串。24条信道轮流将其 采样的8位数字插入输出串,其中7位是数据,1位是控制信号,从而 每条信道获得7?8000即56 kbps的数据传输和1?8000即8K的控制信号 传输。1帧包含24?8=192比特和1个附加的帧位,这样每125?s193比 特,总的数据率为1.544 Mbps,第193位用于帧同步,其出现模式为 0101010101?。通常,接收器不断检查此位以保证没有失步,如果失 步,接收器能够扫寻这一模式重新获得同步。模拟用户根本不会产生 这个位模式,因为这相当于一个4000 HZ的正弦波,它会被滤掉。当 然数字用户能够产生这个模式,但是出现的概率极小。

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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1.5.2
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T1/E1 (阅读材料)

CCITT有一个2.048 Mbps脉码调制载波的推荐标准,称为E1 。这个载 波将32个8位数据样本组成1个125?s的基本帧,30个信道用于传信息, 2个信道用于传控制信号。每4帧为一组。提供64个控制信息位,一半 用于与信道有关的控制信号,另一半用于帧同步或留给各国自己安排。
除北美和日本外,2.048 Mbps的载波得到广泛的使用。 虽然PCM广泛用于电话网的局间干线,但计算机却不能直接利用它的 优越性。使用电话网通信的计算机必须将所有的数据以调制的模拟正 弦波的形式送到端局。如果本地回路也是数字信号,计算机就可以用 1.544或2.048Mbps的速率直接把数字数据送上本地回路。很可惜,本 地回路不能够以这样高的速率传输这么远的距离。

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2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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1.5.2
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T1/E1 (阅读材料)

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时分复用允许许多个T1载波复用到更高级别的载波,例如4个T1通道 复用到一个T2通道。前面介绍的T1复用是以字节为单位进行的,24个 语音通道组成一个T1帧。T2和比T2更高层次的复用则以位为单位进行。 4个速率都是1.544 Mbps的T1流应该产生6.176 Mbps,但T2实际上是 6.312 Mbps,多余的位用于成帧和恢复功能。 在下一级别的复用中,6个T2流结合形成一个T3流。然后,7个T3流又 一起加入一个T4流。在每一步复用中,都有少量开销用于成帧和恢复。 Ti载波有时也称为Dsi,如DS1,DS2,DS3 。 与基本载波情况一样,在怎样把基本载波复用到更宽频带的载波方面, 同样没有达成协议。贝尔系统T2、T3和T4标准的传输率分别为6.312、 44.736和274.176 Mbps,而CCITT的推荐标准是8.848、34.304、 139.264和565.148 Mbps。

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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SONET/SDH (阅读材料)

T1/E1系统曾经很好地服务于工业界。然而,它们提供的管理服务相当 有限。而且,这些老的技术使用落后的多路复用机制。由于它们采用的 是准同步方式(每台机器运行它自己的时钟,而不是让在网络中的所有 机器都使用一个中心时钟),在机器之间的定时差异要靠在交通流中定 期地填充附加的位(位填充)来排解。当这种交通从较高速率分离成较 低位速率时,这些附加位去除不了。实际上,为了使得载荷可被访问和 作进一步处理,这些交通必须在复用器或交换机处被完全解复用。

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SONET是一个ANSI标准(SDH是一个ITU标准)。它把位流编码成在光导 纤维上传播的光信号。SONET的高速度和帧结构允许它支持一组非常灵 活的承载服务。该标准规定了帧结构,也规定了光信号的特征。该标准 最重要的特征是网络中所有的时钟都锁定到一个共同的主时钟,以便可 以使用简单的时分多路复用(TDM)方案。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 89

1.5.3
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SONET/SDH (阅读材料)

SONET是一个同步的光纤网络。这里“同步”的含义是指用以结合许多 通道到一个SONET网络的复用方法。取得同步复用的方法是确保在复用 器的输入端的所有时钟都在一个确定的容差之内,这个容差的要求比对 T1网络的要求高得多。这种时钟允许SONET在整个体系结构中都采用字 节复用。已有的T1载波网络就不是这样,它仅在T1级执行字节复用,T3 级复用则是位复用,也就是说,取来自一个输入流的单个位跟来自另一 输入流的单个位交错在一起。SONET最重要的一点是输出流准确地等于 输入流的n倍,例如,51.84×3=155.52 Mbps。这在一般情况下对于整 个SONET都是成立的;较高层次对输入流没有附加开销。而T载波系统则 显然不是如此。表2-1示出了SONET的数字体系结构。

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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SONET/SDH (阅读材料)

2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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SONET/SDH (阅读材料)

同步传输信号第1级(STS-1)是SONET体系结构的基本建筑块。在该体 系中更高层次上的信号通过字节交织来自较低层次的成分信号取得。 每个STS-n电信号都有一个对应的光载体n级(OC-n)信号。除了在光信 号中使用扰码外,STS-n和OC-n信号的位格式是相同的。扰码把长串 的1或0映射成比较均匀的1和0,以方便位定时的恢复。 SONET的多路复用是以字节交织方式操作的。如果N个输入流中的每一 个都有同样的速率R,那么复用后的流具有速率NR。因为各个源是同 步的,每个输入线路的缓冲区将是很小的,它们仅需调节抖动效应。 SONET通过让插分复用器(ADM)不用扰动中转的支流就能够插入和抽出 支流,从而显著地减少了成本,SONET通过使用指针标识支流在一个 帧内的位置完成这一过程。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 92

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SONET/SDH (阅读材料)

一个SONET系统被划分成3层:段、线路和通路。段指的是在诸如两个 中继器这样的两个相邻设备之间跨越的光纤。段层处理通过物理媒体 STS-n信号的传输。段可以始于中继器,也可以结束于中继器,中继 器仅放大和再生输入的位,但对它们不加改变或处理。线路层用于把 多个称作支流的数据流复用到单个线路上,并且在另一端把它们分离 开来。线路位于两个相邻的多路复用器之间,因此在一般情况下都包 括多个段。对于线路层,中继器是透明的。当一个复用器把位流输出 到光纤上时,它期待位流不做改变地到达另一个复用器,而不管在两 个复用器之间有多少个中继器。因此,线路层的协议是在两个多路复 用器之间,处理像是怎样把若干个输入复用到一起这样的事情。通路 层则处理在两个SONET终端之间的端到端传输。通路可以包括一个或 多个线路。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 93

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SONET/SDH (阅读材料)

基本SONET帧是每125?s产生810字节。由于SONET是同步的, 因此不论是否有数据,帧都被发送出去。每秒8 000帧与 数字电话系统中使用的PCM信道的采样频率完全一样。810 字节的SONET帧通常用90列乘以9行的矩形来描述,每秒传 送8×810×8 000=51 840 000 bps,即51.84 Mbps。这 就是基本SONET信道,它被称作同步传输信号STS-1,所有 的SONET干线都是由多条STS-1构成的。 每一帧的前3列被留作系统管理信息使用,前3行包含段开 销,后6行包含线路开销,剩下的87列包含数据,被称作同 步载荷信封。同步载荷信封(SPE)的第1列是通路开销。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 94

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SONET/SDH (阅读材料)

现在考虑如何把n个STS-1信号复用进一个STS-n信号。首先把每个 STS-1信号同步到多路复用器的本地STS-1时钟。输入的STS-1信号的 段开销和线路开销终止,它的载荷(SPE)映射到一个新的同步到本地

时钟的STS-1帧。必要时,还调节新的STS-1帧中的指针,且映射需在
快速渡越的过程中被执行。这一步骤保证了所有输入的STS-1帧都被 映射到互相同步的STS-1帧。STS-n帧通过交织n个同步的STS-1帧的字

节产生,实际上是产生一个具有9行、3n个段和线路开销列和87n个载
荷列的帧。为了把k个STS-n信号复用进一个STS-kn信号,首先要把输 入信号交织成STS-1信号,然后再应用上述步骤把这些STS-1信号复用 进STS-kn信号。
2013年2月28日 授课教师:鲁士文 95

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SONET/SDH (阅读材料)

人们还开发了一种映射,使得单个SPE信号可以处理一个DS3信号。 可以把多个STS-1帧串接起来,以提供具有单个STS-1不能够处理的 位速率的信号。当使用串接提供一个高于STS-1的位速率的信号时, 在信号名称后面附加字母c,因此,一个STS-3c信号被用来提供一 个CEPT-4 139.264 Mbps信号。串接的STS帧仅运载1列通路开销, 例如,在一个STS-3帧中的SPE具有86×3 = 258列用户数据,而在 一个STS-3c帧中的SPE运载87×3-1 = 260列用户数据 在北美和日本,基本的SONET信号是STS-1(同步传输信号-1)。它 有一个51.84 Mbps的位速率,更高速率的信号是这个速率的整数倍。 在欧洲,基本的速率是STS-3,即155.52 Mbps,并且把这种起始于 155.52 Mbps的STS等级结构称作SDH(同步数字体系)。所有上述 标准从速率155 Mbps处开始往上都变成兼容的了。

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授课教师:鲁士文

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中科院大学计算机网络硕士课程
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今日课后学*和理解课后阅读材料“1.5 物理 层协议示例”,做第1次练*题,3月7日课前 抽查对该练*题的解答。
3月7日讲课内容为: 第2单元 调*獾髌骱虯DSL

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2013年2月28日

授课教师:鲁士文

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中科院大学计算机网络硕士课程

Thanks!谢 谢

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授课教师:鲁士文

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