数据通信原理概述

数据通信原理概述

华中科技大学计算机学院

李榕

数据通信的重要性

计算机之间的通信：数据通信

通信网的发展趋势：

电话网

计算机网

三网融合

宽带IP网

就是数据通信

（可见它的重要性）

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数据通信原理

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有线电视网

教学目的

数据通信原理是一门非常重要的专业课， 通过对本课程的学习，能使同学们对数据通信 的基本概念、数据通信网等有一个较全面的了 解，并能掌握一定的数据通信基本理论和有关

数据通信技术的一些应用技能。

学好这门课对学习后继课程打下一个良好 的基础，同时也会对从事通信和计算机等方面 的工作有所帮助。

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课程内容

数据通信系统构成及有关基本概念

数据信号传输的三种基本形式：数据信号的基带传输、数据信号频带传输、数字数据传输 差错控制的基本理论及应用

数据通信的交换方式：电路交换、报文交换、分 组交换和帧方式

通信协议的概念、模型

数据通信网的基本构成及应用：分组交换网、帧 中继网、数字数据网（DDN） Internet与宽带IP城域网

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教材、老师和考核



教材：数据通信原理 （第2版），毛京丽教

授著，北京邮电大学 授课老师：李榕

Email：

lr@hust.edu.cn 考核：



30%平时成绩——上课

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内容提要

本章介绍数据通信有关的重要概念和定义，

要求理解数据通信系统的构成、数据传输 速率、方式、质量和信道容量的基本内容。



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消息、信息、数据与信号

消息：指通信过程中传输的具体原始对象，

如电话中语音，电视中图像，电报中电文， 雷达中目标的距离、高度、方位，遥测系 统中测量的数据等。这些消息在物理特征 上各不相同，所以各种消息的组成亦不相 同。 消息的特点：



能够被通信双方理解 可以传递



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消息、信息、数据与信号

信息：是有秩序的量度（香农，信息论），

是人们对事物了解的不确定性的消除或减 少。信息是对组织程度的一种测度，信息 能使物质系统有序性增强，减少破坏、混 乱和噪音。 信息量：信息量与不确定性消除程度有关， 量度信息多少的测度就是信息量。 信息量的度量单位是：比特（bit）



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消息、信息、数据与信号

数据：就是赋予一定含义的数字、字母、

文字等符号及其组合，它是消息的一种表

现形式。





数据涉及到事物的形式，而信息涉及的是 这些数据的内容。

9

消息、信息、数据与信号

信号：把消息转换成适合于信道传输的物 理量，就是信号。信号携带着消息，它是 消息的运载工具。通信中的信号有电信号 和光信号两种。 信号可以分为模拟信号和数字信号。



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消息、信息、数据与信号



模拟信号：指信号的某一参量可以取无穷 多个值，并且与原始消息直接对应的信号，

如话音信号及其按照抽样定理所得的PAM 样值信号等

x(t) x(t) t

t

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(a) 时间连续的模拟信号

时间离散的模拟信号

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消息、信息、数据与信号



数字信号：指信号的某一参量只能取有限 多个值，且与原始消息不直接对应的信号，

如计算机终端输出的二进制信号及其经过 PSK、FSK等调制方式调制后所得的信号等

x(t) 1 0 1 1 0 0 1

x(t)

t

3 2 1 0

t

(a) 二进制数字信号

(b) 多进制数字信号

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消息、信息、数据与信号



模拟信号与数字信号之间的相互转换：模 拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模 拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制 值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为

2^8=256个量级，实用中常采取24位或30 位编码；数字信号一般通过对载波进行移 相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。 计

算机、计算机局域网与城域网中均使用二 进制数字信号。

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消息、信息、数据与信号

根据信道上传输的信号形式的不同，可以分 为两类通信方式。

模拟通信：以模拟信号的形式传递消息。采 用频分复用实线多路通信（频分复用是利用 各路信号在信道上占用不同的频率范围，同 在一条信道上传输，并且互不干扰）。 数字通信：以数字信号的形式传递消息。采 用时分复用实线多路通信（时分复用是利用 各路信号咋信道上占有不同的时间间隙，同 在一条信道上传输，并且互不干扰）。



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消息、信息、数据与信号



数字数据既可以用模拟信号，也可以用数字 信号表示和传播。而模拟信号和数字信号都 可以在合适的传输介质上传输。通常,将传输 过程中使用模拟信号的传输方式称为模拟数 据传输(可能需要调制解调器)；将传输过程 中使用数字信号的传输方式称为数字数据传 输(可能需要编解码)。

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数据通信

数据通信：依照通信协议，利用数据传输 技术在两个功能单元之间来传递数据通信 信息（功能单元就是指数据终端）。它可 以实现计算机与计算机、计算机与终端或 者终端与终端之间的数据信息传递。 数据通信包含两方面的内容：数据的传输 和数据传输前后的处理，如数据的集中、 交换、控制等。



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通信协议

通信协议：通信双方事先约定好的双方都必 须遵守的通信规则，它实际上是一些通信规 则集。 通信协议一般由语法、语义和时序组成： （1）语法（Syntax）：数据与控制信息的格式、 数据编码等。

（2）语义（Semantics）：控制信息的内容， 需要做出的动作及响应。

（3）时序（Timing）：事件先后顺序和速度匹 配。



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数据通信的特点

（1）计算机终端等机器作为主体直接参与通信 （2）传输速率高，要求通信终端的响应速度快

（3）DTE发出的数据是离散信号（数字信号），既 可利用现有的PSTN，又可利用数据网络来完成。 （4）具有差错控制能力 （5）具有灵活的接口能力

（6）每次呼叫平均时间短，要求接续和传输响应时 间快

（7）抗干扰能力强

（8）容易加密，且加密技术、加密手段优于传统通 信方式

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数据通信系统



数据通信系统：通过数据电路将分布在远 端的数据终端设备与计算机系统连接起来，

实现数据传输、交换、存储和处理的系统。

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数据通信系统的组成

接口 接口 DTE DCE DCE DTE 数据 数据 输入 传输 数据 电路 通信 输出 控制 电路 终结 传输信道 控制 处理 终结 设备 器 设备 器 机 设备 数据电路 数据链路

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数据通信系统的组成

：数据终端设备，指计算机、用户电报终端、可视 图文终端、局域网设备等输入输出设备,其主要功能是 完成数据的采集、存储及处理等功能，并提供人机接 口，供操作人员访问通信系统或网络资源。

DCE：数据电路终接设备，是DTE和信道的接口，使信 道更有利于信道的传输。如调制解调器Modem。 传输信道：根据不同的规则有不同的分类方法，例如 可以分为模拟信道和数字信道、有线信道和无线信道、 交换信道和专用信道等。

数据电路：由DCE和传输线路构成.可视为广义信道。 数据链路：具有通信协议功能的数据，传输更可靠， 其误码率一般比数据电路下降10-4左右。

DTE

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数据通信的过程

在模拟信道中，DCE是MODEM，数据终端先产生了数 据，经过数据输入输出设备以后，用传输代码来表示 变成数据信号，经过传输控制器完成各种传输控制功 能，此时数据终端设备输出的是基带信号，发送方将 DTE送来的数据信号进行调制，将其频带搬移到话音频 带上，同时也将信号变成模拟信号，接收端则进行相 反的变换。

在数字信道中，DCE是数字适配器，数据终端先产生了 数据，经过数据输入输出设备以后，用传输代码来表 示变成数据信号，经过传输控制器完成各种传输控制 功能，此时数据终端设备输出的还是基带信号，数字 适配器执行码型和电平转换、定时、信号再生和同步 功能，信道服务单元主要是执行信道均衡、信号整形 等功能。接收端则进行相反的变换。



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传输代码

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

数据是由数字、字母的,要用许多不同形状的电压来表(符号)等组成 示它们是不现实的。解决办法是采 用代码。这里所说的代码就是二进 制的组合,即二进制代码。目前,常 用的二进制代码有国际5号码(IA5)、EBCDIC等。数字

码和国际电报2号码(ITA2) 信号来传输它们\"0\"和\"1\"可以是数据,必须以电信号的,要以电 一定波形来表示。例如用一定时间 长度的正电压代表数字压代表数字\"0\"

\"1\用负电

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讨论

（1）数据电路与数据链路的关系——数据 链路由数据电路及两端的传输控制器组成，

对于只单独建立数据电路，是无法进行可 靠有效地通信。

（2）只有建立了数据链路通信双方才能有 效，可靠地进行数据通信。

（3）一个计算机系统，实际上也就是 数据终端设备DTE，是可以通过通信线路连

接多个数据终端，实现主机之间资源共享。

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信道类型



物理视线传输信道

双绞线 同轴电缆 光纤 无线信道



电话网传输信道 数字数据网传输信道



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噪声与信噪比



噪声的分类

工业噪声 天电噪声 内部噪声





信噪比：指某一点上的信号功率与噪声功 率之比，通常以dB来表示：





S 

P

10 log

S





201

0/10/N 19

dB

PN





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数据通信传输方式



基带传输与频带传输 并行传输与串行传输 异步传输与同步传输

单工、半双工与双工传输

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基带传输与频带传输

基带传输：将DTE经过码型变换、电平转 换等必要处理后直接在信道上传输，常用 于短距离的数据传输系统中。例如：USB 传输 频带传输：在数据传输之前首先经过调制 器，将基带信号变换成频带信号，然后在 信道中传输。例如：数字电视传输



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并行传输与串行传输

并行传输：将数据 符号编码后，在两 条以上的并行信道 上同时传输，一般 一次传输一个字符。 例如：SD卡的读 写 串行传输：将数据 编码按位或按码元 依次在一条信道上 传输。例如：USB 传输



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并行传输与串行传输

并行传输的特点

优点：对于每次只传输一个字符，因此它不需要额外的措施来实现收发双方 的字符同步

缺点：必须有多条并行信 道，成本比较高，不适宜 远距离传输

适应场合：计算机等设备 内部或两个设备之间距离比较近时的外线上采用

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串行传输的特点

优点：只需要一条传输信道，花费的成本低，易于实现

缺点：要采取措施实现字符同步

适用场合：目前外线上主要采用的一种传输方式， 通常用于远距离通信

数据通信原理

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异步传输与同步传输



异步传输：是指只要DTE有数据需要发送，就可以在任何时刻向 信道发送信号，而接收方通过检测信道上的电平变化与否就能自

主判断何时接收数据。异步传输方式一般以字符为单位传输，每个字符的起始时刻可以是任意的。

0 1 0 1 1 0 0 1 停止位 信息位 起始位

同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号的，所以在一个：必须建立准确的同步系统，因此它都是

串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定 的，也就是同步。

信息位 同步 信息位 同步 标志

标志

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异步传输与同步传输

异步传输

优点：收发双方的时钟信号不需要精确的同步，实现字符之间同步比较简单 缺点：对于每个字符都需 要加入起始位和终止位，因此信息传输效率低 适用场合：常用于中、低 速数据传输

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同步传输

优点：不需要每字节都加同步信息，故传输效率较高

缺点：必须建立准确的时钟同步，实现起来比较复杂

适用场合：常用于高速数据传输

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单工、半双工与双工传输



单工传输：指两站之间只能沿一个方向传 输数据，如数据由A站传到B站，称为正向 信道。（B站至A站只能传送联络信号，传 输效率较低，一般不超过75bit/s，称为反 向信道。通常用于远程数据收集系统，例 如气象数据的收集）如：计算机与监视器 及键盘、计算机之间的数据传输、遥测等

Õ ò Êý ¾Ý ÐÅ µÀ

AÕ ´ Ïò ÐÅ µÀ

BÕ

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单工、半双工与双工传输



半双工传输：指两个站之间可以在两个方 向上进行数据传输，但不能同时，只能轮 流进行传输。即传输信号时占用信道的整 个带宽。如：对讲机、使用同一载频工作 的无线电机等。

Õ ò Êý ¾Ý ÐÅ µÀ

AÕ ´ Ïò ÐÅ µÀ

BÕ 2010/10/19

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单工、半双工与双工传输

双工传输：指在两数据站之间，可以在两个方向

上同时进行传输。可以是四线或二线传输：四线 传输时有两条物理上的信道，一条发送一条 接收，两个方向的信号可以采用频分复用或时分 复用的方法将信道的带宽一分为二；二线传输可 以采用回波抵消技术使两个方向的数据共享信道 带宽。如普通电话。

适用于高速数据通信系统。

AÕ¾ BÕ¾

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单工、半双工与双工传输



双工传输往往采用四线线路来实现。单工 或半双工传输往往采用两线线路来实现。 两线线路也可实现双工传输，但此时往往 需要采用频率复用、时分复用或回波抵消 技术等较为复杂的技术。

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数据通信系统的质量标准

所谓质量指标是指用来衡量一个通信系统性能优

劣的技术指标，对于数据通信系统，其质量指标 有很多种，例如：



我们主要从数据传输的角度出发来讨论系统有效

标准性用来衡量描述系统结构、接口、协议等的标准 化程度

经济性用来描述系统的性能价格比

可维护性用来描述系统故障处理与系统维护的复杂程 度

可用度用来描述系统正常工作能力的高低 数据通信系统的有效性 数据通信系统的可靠性



性和可靠性

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数据通信系统的有效性

有效性是指给定信道内传输信息的多少，常通过

传输速率、频带利用率来描述

码元速率

（RB）

码元速率是指给定信道内单位时间传输码元的多 少。其单位是波特(Baud)。

码元：携带数据信息的波形或信号脉冲，如二电 平信号，一个码元有两种状态：0或1，四电平信 号，一个码元有四种状态：00、01、10、11。 任意的M进制有“0,1„,M-1”共M个码元。等概条 件下每个码元包含的信息量相等，例如此时M进制 的每个码元包含的信息量为Log2M

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+1 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T t -1

+3 11 11 +1 00 00 0 -1 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T t 10 10 -3 01 01 2010/10/19

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数据通信系统的有效性

调制速率 反映信号波形变换的频繁程度。又称码元 传输速率(码元速率)或传码率、波特率、符号速 率。

定义：每秒钟传输信号码元的个数。

单位：波特，常用“Bd”表示

标识符：RB

RB= 1/T，其中T为码元长度，即一个码元波形的

持续时间。

因此， RB与进制无关。

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数据通信系统的有效性

信息速率是指给定信道内单位时间传输信息 的多少,单位是比特/秒（bit/s）,信息速 率又称为传信率。

信息速率与码元速率有如下关系： 对于M进制，各码元等概出现时有

Rb=RBlog2M

若各码元不等概出现，则

Rb=RBH

其中H为平均信息量。

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数据通信系统的有效性

例1：某数据通信系统传输128个符号，其中有个 符号出现的概率分别为1/128，另外32个符号的出 现概率分别为1/，且每个符号的持续时间为 0.1ms，求此时系统的信息速率。 解：由题意可知系统的码元速率为 RB=1/Tb=100Baud

由于各符号出现概率不同，则平均信息量为 H= (1/256)*log2(256)+(32 (1/128)

*log2(128)))+(32 (1/)*log2()) =6.25bit/符号

所以信息速率Rb=RBH =100 6.25=625bit/s

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数据通信系统的有效性

频带利用率是指单位频带内实现的传输速率，

单位为Baud/Hz，或者bit/s. Hz，这主要 取决于用哪种速率来计算。

R r 



B

/

（Baud

bit （

/( s

Hz)） Hz）

B R

b

r 

B

其中，B为系统带宽，单位为Hz。

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数据通信系统的可靠性

可靠性是指给定信道内传输信息的准确程 度，常通过误码率、误比特率等来描述。 误码率（Pe）



n

Pe



n

e

n 

其中n表示系统传输的总码元数，ne表示传 输出错的码元数目，也即误码率是指错误 码元在总码元数目中所占的比率。

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数据通信系统的可靠性



误比特率（Pb）

P

b



n

b

n 

n

其中nb表示系统传输的总比特数，nbe表示 传输出错的比特数目，也即误比特率是指 错误比特在传输的总比特数目中所占的比 率。

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数据通信系统的可靠性

例2：某数据通信系统调制速率为1200Bd， 采用8电平传输，假设100秒误了1个比特，

求误码率 。设系统的带宽为600Hz，求频 带利用率为多少bit/（s.Hz）。

解：由于各个码元出现的概率相同，则信息 速率Rb=RBlog2M=1200 log28=3600bit/s

误比特率Pb＝接收出现差错的比特数军/总 的发送比特数＝(1/100)/3600=2.8 10－6 频带利用率r=Rb/B=3600/600＝6bit/(s.Hz)

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计算机网络

通信子网 资源子网 CCP Host Terminal CCP CCP TC CCP CCP Terminal Host Terminal Host Terminal

Terminal Terminal printer Fax Scanner 资源子网由计算机系统、终端、各种外围设备以及各种信息

资源库等 组成，其作用是处理网内各种数据并向用户提供网 络服务

通信子网由通信控制处理机、通信线路等组成，主要完成网 络数据的传输与交换等通信处理功能。

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计算机网络的分类



按照拓扑结构分类



总线结构 环形结构 星型结构



按照网络覆盖的地理范围分类

局域网 城域网 广域网



按照所属权限分类



公用网 专用网

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数据通信网



数据通信网是在通信网络的基础上依靠分 布在各处的数据传输设备、数据交换设备 和通信线路所构成的网络，其根本任务是 在网络上透明、无错、快速地交换和传输 数据，即计算机网络中的通信子网，对其 基本要求有快速的交换与传输、高度的标 准化和完善的网络管理等。

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计算机网络的发展历程

计算机网络是计算机技术与通信技术结合的产物，

它的出现根源于社会的需求。 19世纪40年代～20世纪30年代

电磁技术广泛用于通信 20世纪30年代～60年代

电子技术广泛用于通信 60年代～80年代

计算机技术和通信技术相结合



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面向终端的计算机网

T 制 通 器 信 CPU 控 T 串行 M PSTN M T 接口 单机系统 速率慢

主机系统负荷过重 线路利用率低

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

两级结构的计算机网络

通信子网 H H 56.6kbp IMP H H IMPs IMP H H IMP IMP H H H H H H H

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两级结构的计算机网络特点

（1）通信子网

由56kbps的通信线路把分散在不同地点的通信处理机(IMP)连接起来构成的

传输线 +转发部件

负责全网的数据通信工作。

（2）资源子网

由主机系统的软硬件、数据库等各种资源组成。 承接各种数据收集、查询及处理业务。

（3）优点

提高通信线路的利用率 充分发挥主机系统的效率 减少传输线数目

便于扩展网络

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网络标准化时代

（1）1974年：IBM提出了系统网络体系结构 （SNA）。

（2）1975年：DEC公司提出了数字网络体系结 构（DNA）；UNIVAC公司提出了分布式通信体 系结 构DCA。

（3）1977年：国际标准化组织(ISO)成立了计 算机与信息处理标准化委员会(TC97)下属的 开放系统互连(OSI)分技术委员会(SC16)，并 开始着手制定OSI的一系列国际标准。

（4）1981年：ISO正式提出了“开放系统互连 (ISO)基本参考模型”的国际标准。

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局域网的发展

（1）1980年，Intel、DEC及Xerox三个公司 联合公布了Ethernet规范。

（2）1980年2月，IEEE(美国电气与电子工 程师协会)在旧会山成立了IEEE 802局域网 络标准委员会，并制定了一系列局域网络 标准，后来被国际标准化组织所采纳，成 为局域网的ISO-8802的公共标准。

（3）新一代光纤局域网络—光纤分布式数 据接口(FDDI)网络标准及产品也相继问世。

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互联网时代

LAN的扩展

WAN LAN 展 的扩 LAN WAN WAN LAN LAN LAN WAN LAN LAN LAN与WAN的结合

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