计算机通信与网络_CH02_数据通信技术基础(08计本)

计算机通信与网络ComputerTelecommunications&Networks第2章数据通信技术基础数据传输是实现数据通信的基础。数据通信是为了实现计算机与计算机或计算机与终端之间信息交互而产生的一种通信技术，是计算机与通信相结合的产物。数据通信着重于数据的传输，不涉及数据所表示的原始信息，而计算机通信则着重于信息的交互。内容概要内容纲要数据通信的基本概念数据传输方式数据传送技术多路复用技术数据交换技术差错控制技术数据通信接口特征内容纲要数据通信的基本概念数据传输方式数据传送技术多路复用技术数据交换技术差错控制技术数据通信接口特性2.1数据通信的基本概念1、数据、信息和信号2、数据通信系统3、传输媒体4、数据通信系统的性能指标2.1数据通信的基本概念1、数据、信息和信号数据(data)——通常是指预先约定的具有某种含义的数字、符号和字母的组合。信号(signal)——数据在传输过程中的电磁波的表示形式。“模拟的”(analogous)——连续变化的。“数字的”(digital)——取值是离散的。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。信道——表示向某一方向传送数据的传输介质。2.1数据通信的基本概念数据和信号模拟数据数字数据信息数据模拟信号数字信号有意义的实体涉及数据的内容和解释在某个区间产生连续的值产生离散的值是数据的电磁(或电子)编码涉及到事物的形式是一种连续变化的电磁波是一系列的电压脉冲信号1、数据、信息和信号2.1数据通信的基本概念模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器1、数据、信息和信号2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统P22图2-2信道输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据信源信宿发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统信源和信宿：•信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；•信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。信号转换设备：将信源发出的信息转换成适合于在信道上传输的信号的设备。2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统数据通信系统举例电话网ModemModem(a)用户通过电话网拨号通信电话网ModemModem(a)用户通过电话网拨号通信因特网2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统数据通信系统举例(b)局域网用户通过Internet上网通信SiSiInternetSiSiToken-ring2.1数据通信的基本概念3、传输媒体影响选择媒体的因素：成本、数据速率&带宽、距离传输媒体导向传输媒体双绞线同轴电缆非导向传输媒体(就是指自由空间)光纤UTPSTP50Ω75Ω单模多模它的应用主要表现为无线电传输、微波传输、卫星通信、激光传输和红外线传输等几种不同的传输方式。导向传输媒体双绞线非屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP2.1数据通信的基本概念绞合的导线可以减少相邻线对的相互干扰。多对绞合导线构成了双绞线电缆。2.1数据通信的基本概念优点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）缺点：抗干扰性一般连接距离较短（a）3类线：带宽16MHz，适应于语音及10Mbps以下的数据传送，主要应用于10Mbps网卡中（b）5类线：带宽100MHz，适应于语音及100Mbps的高速数据传送，主要应用于100Mbps网卡中5类线与3类线相比：•5类线增加了每单位长度的绞合次数。•5类线在线对的绞合度、线对内两根导线的绞合度都经过精心设计，并在生成中严格控制。使干扰在一定程度上抵消，线路的传输特性得到提高。局域网中常用的双绞线导向传输媒体同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体2.1数据通信的基本概念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以及保护塑料外层组成。导向传输媒体由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较好的抗干扰特性（特别是高频段），适合高速数据传输。同轴电缆2.1数据通信的基本概念广泛使用的同轴电缆有两种：•阻抗为50Ω(欧姆)的基带同轴电缆（一般用于二进制数据信号的传输，多用于计算机局域网）•阻抗为75Ω的宽带同轴电缆（用于高带宽数据通信，支持多路复用,常见于有线电视系统的信号传输）导向传输媒体光缆远供电源光纤及包层填充物外护套包带层包层纤芯（a）光缆结构剖面图（b）光波在纤芯中传播2.1数据通信的基本概念光导纤维（简称光纤）：通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，外面加上包层制成。光纤通信：利用光纤传递光脉冲来进行通信。光缆：由于光纤非常细，连包层一起的直径也不到0.2mm，因此必须将光纤做成很结实的光缆。•依靠光波承载信息，用光脉冲的出现表示“1”，不出现表示“0”。•由于可见光的频率非常高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其它各种传输媒体的带宽。(通常25000~30000GHz)光缆导向传输媒体光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯2.1数据通信的基本概念导向传输媒体光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射2.1数据通信的基本概念输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤•纤芯直径较细时（8-10μm），光在光纤中只有一种传输模式，即传播时没有反射，而沿直线传播，这样的光纤称为单模光纤；•纤芯直径较粗时（50-100μm），光在光纤中可能有许多种沿不同途径同时传播的模式，这种光纤称为多模光纤。优点：•通信容量非常大•传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济•抗雷电和电磁干扰性能好•无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据•体积小，重量轻缺点：•安装困难，将两根光纤精确地连接需要专用设备•目前光电接口价格高光纤的优缺点非导向传输媒体使用非导向传输媒体的原因：在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距离较远的情况下，使用无线传输方式，成本较低。信息技术的发展，人们要求在运动中进行电话通信或计算机通信。无线电波可以在自由空间各个方向传播，实现多种通信。这种通信不使用前述的各种导向传输媒体，故称为“非导向传输媒体”。2.1数据通信的基本概念非导向传输媒体无线电波是一个广义的概念，从含义上讲，无线电波是全向传播，而微波是定向传播。无线电波不同频段用于不同通信方式3~30MHz，用于短波通信；30~300MHz，用于数据通信；蜂窝无线电移动通信。P26无线电波2.1数据通信的基本概念非导向传输媒体微波通信微波在空间主要是直线传播。主要的工作频率范围为2GHz—40GHz。传统的微波通信分为：•地面微波接力通信：利用定向抛物线在较低的GHz范围内收发信号。•卫星微波通信：在定向抛物线和天线之间传输信号。2.1数据通信的基本概念非导向传输媒体地面微波的工作频率范围一般为1～20GHz，其特点是直线传播，因此只能在视距范围内进行传输。由于受到地形和天线高度的限制，两微波站间的通信距离一般为30～50km。地面微波2.1数据通信的基本概念非导向传输媒体卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达18000多公里。卫星微波•同步卫星的视角几乎是120度宽，原理上讲，只要地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。非导向传输媒体红外线技术已经在计算机通信中得到了应用，例如两台笔记本电脑对着红外接口，可传输文件。红外线链路只需一对收发器，可调制不相干的红外光，在视线距离的范围内传输，具有很强的方向性。红外线技术2.1数据通信的基本概念2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标传码速率：传码速率又称为调制速率、波特率，记作NBd，是指在数据通信系统中，每秒钟传输信号码元的个数，单位是波特（Baud）。传信速率：又称为比特率，记作Rb，是指在数据通信系统中，每秒钟传输二进制码元的个数，单位是比特/秒（bit/s,或kbit/s或Mbit/s）。数据传输速率2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标数据传输速率1001011t0+3VT2T3T4T5T6T7T-3V图2-10二电平信号00t0+3VT2T3T4T5T-3V图2-11四电平信号00110110-6V+6V••••2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标[例2-1]若信号码元持续时间为1×10-4秒，试问传送8电平信号，则传码速率和传信速率各是多少？解：由于T=1×10-4秒，所以传码速率NBd=1/T=10000波特由于传送的信号是8电平，所以，M=8。则传信速率Rb=NBdlog2M=30000bit/s。数据传输速率2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标信道带宽信号带宽：(bandwidth)是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。•在模拟信道中，表示通信线路允许通过的信号频带范围，称为线路带宽(通频带)。•在数字信道中，“带宽”是所能传送的“最高数据率”同义语，单位是“比特每秒”。2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标信道带宽常用的带宽单位是•千比每秒，即kb/s（103b/s）•兆比每秒，即Mb/s（106b/s）•吉比每秒，即Gb/s（109b/s）•太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，数据量的表示K=210,M=220,G=230,T=240。2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标误码率和误组率误码率：在一定时间内接收到出错的比特数e1与总的传输比特数e2之比。Pe＝（e1/e2)×100％由于实际的传输信道及通信设备存在随机差错与突发差错，而数据通信常采用数据块或帧为单位进行传输，使用误组率可以更好反映传输效率。误组率：在一定时间内接收出错的组数b1与总的传输组数b2之比。Pb＝（b1/b2)×100％2.1数据通信的基本概念发送时延（传输时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延4、数据通信系统的技术指标这里的信道带宽是数据在信道上的发送速率，常称为数据在信道上的传输速率。2.1数据通信的基本概念传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。注意：信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。•结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。•处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。•有时可用排队时延作为处理时延。时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念数据从源点经过网络传送，到达目的点所经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念时延1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点B结点A在发送器产生发送时延(即发送时延)在队列中产生处理时延数据从结点A向结点B发送数据链路4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念时延4、数据通信系统的技术指标[P30例2-3]若AB两台计算机之间的距离为1000km，假定在电缆内信号的传播速度是2×108m/s，试对下列类型的链路分别计算发送时延和传播时延。（1）数据块长度为108bit，数据发送速率为1Mb/s；（2）数据块长度为1000bit，数据发送速率为1Gbit/s2.1数据通信的基本