《计算机网络实用技术》-第2章 数据通信基础

第2章数据通信基础本章内容提要：数据通信的基本概念数据传输方式传输介质多路复用技术数据交换技术2.1数据通信的基本概念1．信息、数据和信号信息（Information）是反映了客观事物的存在形式和运动状态。信息的载体可以包含数据、文字、语音、图形和图像等多种媒体。数据（Data）是指在网络中存储、处理和传输的二进制代码，数据是传递信息的载体。信号（Signal）是数据在传输过程中的电磁波表示形式。根据信号的表示方式不同，信号又分为数字信号和模拟信号两种，数字信号是一种离散式的电脉冲信号，它在时间上是不连续的，是离散性的，一般是由脉冲电压0和1两种状态组成。模拟信号是一种连续变化的电磁波信号。2．码元和码字码元是指在计算机网络中传送的每一位二进制数字，也称为码位。由7个码元组成的二进制序列称为码字，3．报文报文（message）是指欲发送的整块数据。4.数据包5.数据帧6.数据单元2.2数据传输方式在进行数据传输时，有并行传输和串行传输两种方式。2.2.1并行传输并行传输可以一次同时传输若干比特的数据，从发送端到接收端必须建立多条并行的通信信道，常用的并行方式是将构成一个字符的代码的若干位分别通过同样多的并行信道同时传输。2.2.2串行传输串行通信是指通信时的数据流以串行方式在信道上传输。串行传输是一位一位地传送，即同时只传输一个比特位，从发送端到接收端只需一根传输线即可。串行数据通信有以下3种不同方式：单工通信、半双工通信和全双工通信。1．单工通信（双线制）单工通信指通信信道是单向信道，信号在信道中只能从发送端传送到接收端，即数据信号仅沿一个方向传输，发送端只能发送不能接收，而接收端只能接收而不能发送。2．半双工通信(双线制+开关)半双工通信是指数据信号有条件沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。3．全双工（四线制）全双工通信是指允许双方同时在两个方向进行数据传输，它相当于将两个方向相反的单工通信方式组合起来，一般采用四个通信信道，即四线制。2.2.3数据通信的同步技术在数据通信的过程中，接收端根据发送端的起止时间和重复频率校正自己的基准时间与重复频率的过程称为同步过程。这种使接收端与发送端动作保持统一，以及使通信双方在时间基准上保持一致的技术称为“同步技术”，常用的同步技术有“异步传输方式”和“同步传输方式”两种。1．异步传输方式在异步传输方式中，发送端可以在任意时刻发送字符，字符之间的间隔时间可以任意变化。该方法是将字符看作一个独立的传送单元，每传送1个字符（7或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始；在字符代码和校验码后面加1或两个停止位，表示字符结束2．同步传输方式在同步传输中，信息的格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块，每个字符不需添加附加起止位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收端进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。2.3传输介质传输介质是指通信网络中发送器与接收器之间的物理路径。2.3.1有线传输介质1．双绞线（TwistedPair,TP）双绞线是当前最用的一种传输介质，它由两根具有绝缘保护层的铜导线扭在一起而成，绝缘铜导线按一定的密度绞合在一起，可增强双绞线的抗干扰能力。双绞线既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号。价格便宜，且安装简单。双绞线可分为非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair,UTP）和屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair,STP）。①非屏蔽双绞线（UTP）非屏蔽双绞线是由不同颜色的（橙、绿、蓝、棕）4对双绞线组合在一起，并用塑料套装，组成双绞电缆。这种采用塑料套装的双绞线称为非屏蔽双绞线。UTP的优点是价格便宜，易于安装。UTP的最大缺点是绝缘性能不好，有信息辐射、容易被窃听。②．屏蔽双绞线（STP）屏蔽双绞线是由不同颜色的（橙、绿、蓝、棕）4对双绞线组合在一起，并用塑料套装，在双绞线和外层保护套中间增加了一层金属屏蔽保护膜，用以减少信号传送时所产生的电磁干扰，它具有减少辐射、防止信息被窃听的功能。如图2-10所示。屏蔽双绞线具有抗电磁干扰能力强、传输质量高等优点，但它也存在接地要求高、安装比较复杂、成本高的缺点，尤其安装不规范，通信效果会更差。2．同轴电缆（CoaxialCable）同轴电缆由4层组成。最里层是一根铜质芯线，这是同轴电缆的导体部分；外加绝缘层，以防止导体与第三层短路；第三层是紧紧缠绕在绝缘体上的金属网屏蔽层；最外一层是用作保护的塑橡外皮。它具有高带宽和极好的噪声抑制特性。同轴电缆有粗缆和细缆之分。根据同轴电缆的带宽不同，它可以分为两类：基带同轴电缆、宽带同轴电缆。基带同轴电缆一般仅用于数字信号的传输。宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法，使用各种调制方式，支持多路传输。粗同轴电缆适用于大型局域网，它的传输距离长，可靠性高，安装时不需要切断电缆，用夹板装置夹在计算机需要连接的位置。但粗缆必须安装外收发器，安装难度大，总体造价高。细缆则容易安装，造价低，但安装时要切断电缆，装上BNC接头，然后连接在T型连接器两端，容易产生接触不良或接头短路的隐患，这是以太网运行中常见的故障。3.光纤（OpticalFiber）光导纤维电缆，简称光纤、光纤电缆或光缆，它是一种传输光束的细而柔软的传输介质。光导纤维电缆通常由一捆纤维组成，因此得名“光缆”。光纤是由石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成的双层通信圆柱体，其结构一般是由双层的同心圆柱体组成，中心部分为纤芯。光纤通信系统由光纤、光发送机和光接收机等部分组成。各部分的主要作用如下：①光发送机主要由光源和驱动两部分组成。它能够产生光束、并将“0”和“1”组成的电信号转换成为光信号，进行光信号的编码，最后把光信号导入光纤。②光接收机主要由光检测和放大两部分组成。它负责接收从光纤上传输的光信号、将光信号转换为电信号、解码后转换成计算机可以处理的“0”和“1”组成的信号。根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源。其定向性较差。当光纤芯线的直径比光波波长大很多时，由于光束进入芯线中的角度不同，而传播路径也不同，这时，光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播。这种光纤称为多模光纤。单模光纤采用注入式激光二极管作为光源，激光的定向性较强。单模光纤的芯线直径一般为几个光波的波长，当激光束进入玻璃芯中的角度差别很小时，能以单一的模式无反射地沿轴向传播。光纤具有如下的特点:(1)优点①传输带宽高,通信容量大。②传输损耗小，中继距离长。③误码率低，传输可靠性高。④抗干扰能力强。⑤保密性好。⑥抗化学腐蚀能力强。（2）缺点①价格昂贵。②安装十分困难。③要配备光/电转换设备。④单向传输。⑤脆弱，易断裂。2.3.2无线传输介质无线传输介质简称为无线介质，或空间介质。无线传输介质是指在两个通信设备之间不使用不任何物理的连接器，通常这种传输介质通过空气进行信号传输。无线传输包括微波、卫星信道、红外线、无线电、移动通信等，下面主要介绍卫星信道和微波信道两种。1.卫星信道卫星通信就是利用静止的地球与同步卫星作为中继站的通信系统。地面系统通常采用定向抛物天线。2．微波信道微波通信（MicrowaveCommunication）是20世纪50年代的产物。如图2-20所示。2.4多路复用技术多路复用技术是指在同一传输介质上同时传送多路信号的技术。当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需的带宽，人们就通过在一条媒体上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率。多路复用技术的实质是共享物理信道，更加有效地利用通信线路。其工作原理是将一个区域的多个用户信息，通过多路复用器（MUX）汇集到一起，然后，将汇集起来的信息群通过同一条物理线路传送到接收设备的复用器，最后，接收设备端的MUX再将信息群分离成单个的信息，并将其一一发送给多个用户。多路复用技术的优点是：①仅需一条传输线路②降低了设备费用③多路复用系统对用户是透明的，提高了工作效率。常用的多路复用技术有3种：频分多路复用（frequencydivisionmultiplexing,FDM）、时分多路复用（timedivisionmultiplexing,TDM）和波分多路复用（wavelengthdivisionmultiplexing,WDM）。1.频分多路复用频分多路复用是将具有一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。接收时用适当的滤波器分离出不同的信号，分别进行解调接收。如图2-21所示。图2-21频分多路复用的原理图2．时分多路复用时分多路复用是将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片轮流地给多个信号源使用，每个时间片被复用的一路信号占用。图2-22异步时分多路复用的原理图3．波分多路复用波分多路复用在概念上与频分多路复用相似，因此也称其为光的频分复用。所不同的是波分多路复用技术应用于全光纤组成的网络中。所谓波分多路复用是指在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波的复用技术。通过波分多路复用技术，可使原来在一根光纤上只能传输一个光载波的单一光信道，变为可传输多个不同波长光载波的光信道，使得光纤的传输能力成倍增加，也可以利用不同波长沿不同方向传输来实现单根光纤的双向传输。图2-23显示的是一种在光纤上获得波分复用的简单方法图2-23波分多路复用2.5数据交换技术一般来说，通信子网根据网络结构的不同可以分为交换通信子网和广播通信子网。广播通信网络中通信方式是广播式，所有网络节点共享通信媒体，不需要中间节点的介入。广域网通常采用交换网，它是由若干个网络节点按照某一拓扑结构相互连接而成的。数据的传送从源节点开始，经过若干中间节点的转发（交换），最终到达目的节点，如图2-24所示。通常将数据在通信子网中节点间的数据传输过程统称为数据交换。其对应的技术称为数据交换技术。在传统的广域网的通信子网中，使用的数据交换技术可分为两大类：线路交换技术和存储转发交换技术。存储转发交换技术又可分：报文交换技术和分组交换技术。图2-24一般的数据交换网络⑴线路交换线路交换（circuitswitching）也叫电路交换，是通信领域最早使用的交换方式。通过电路交换进行通信，就是要通过中间交换节点在两个站点之间建立一条专用的通信线路，在该通信线路间可能经过许多中间节点，连接两个相邻节点的物理链路可能有多条逻辑信道，其中某一条逻辑信道专供这条连接使用，在两个节点的数据传输完成之后释放该连接，该连接中所分配的逻辑信道也得以释放。①建立电路在传输任何数据之前，必须建立端到端（站到站）的物理连接，如图2-25所示。图2-25线路交换的工作原理②传输数据电路建立完成后，就可以在这条临时的专用电路上传输数据，通常为全双工传输③拆除电路数据传输结束后，源节点发出释放请求信息，请求终止通信，要释放(拆除)该物理链路。⑵存储转发交换由于线路交换技术存在线路利用率低，不适宜计算机网络之间的通信，因此，必须研究其他合适的交换技术，才能符合计算机网络的发展。1964年8月，巴兰(Baran)首先提出了使用存储转发技术的分组交换的概念。1969年12月美国的分组交换网络ARPANet投入运行，从此计算机网络技术的发展进入了一个新的时代，并标志着现代电信时代的开始。存储交换(storeandforwardswitching)也叫存储转发．其原理如图2-26所示。图2-26存储转发交换方式存储交换又可分为报文交换（messageswitching）和分组交换(packetswitching)两种方式。①报文交换报文交换是基于存储转发原理的一种交换技术。它不要求在两个通信结点之间建立专用通路。当发送方有数据块要发送时，它把数据块（不管尺寸的大小）加上目的地址、源地址与控制信息作为一个整体，按一定格式打包组成报文（mes