计算机网络技术与应用(清华)02

第2章数据通信基础本章主要介绍数据通信基础知识，常见的数据传输介质以及多路复用、数据交换等数据通信技术。2.1数据通信基础知识2.2多路复用技术2.3数据交换技术2.4传输介质[Return]2.1数据通信基础知识1.数据、信息和信号信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像，我们常称它们为数据。数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。信息是数据的集合、含义与解释。信号（Signal）是数据的电磁波表示形式。模拟信号是随时间连续变化的信号数字信号是离散信号图2-1【模拟信号与数字信号】2.通信系统模型图2-2【通信系统的模型】通信系统的三个基本要素：信源是产生和发送信息的一端信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体信宿是接受信息的一端3.数据传输方式（1）模拟传输模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。当传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。（a）信源为模拟数据（b）信源为数字数据其主要优点在于信道的利用率较高，但是其在传输过程中信号会衰减，会受到噪声干扰，且信号放大时噪声也会放大。（2）数字传输数字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。当传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器编码，变换为数字信号。（a）信源为模拟数据（b）信源为数字数据4.物理信道的连接方式（1）点到点连接方式终端（或计算机）与计算机之间可以直接地或者通过调制解调器，用线路（拨号线路或专用线路）进行连接。当两者之间的通信量较大时，可采用这种点到点的连接方式。（2）多点连接方式多点方式即多个终端（或计算机）通过一条公用总线直接或通过调制解调器与计算机相连。（3）集中式连接将多个相距不远的终端连接到多路复用器或集线器上，再用一条传输线路将复用器或集线器与计算机相连。（b）集中式连接5.串行通信与并行通信（1）并行通信在并行数据传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。图2-6【并行通信】（2）串行通信串行数据传输时，先由具有8位总线的计算机内的发送设备，将8位并行数据经并一串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以便的使用。图2-7【串行通信】6.数据通信方式（1）单工、半双工与全双工通信通信方式传输方向信道个数收发方的限制优缺点应用单工固定单向1一方只能发送，一方只能接收结构简单、效率低、只能单向传输信息广播、电视半双工限时双向2通信双方在不同时刻可分别发送或接收信息效率低对讲机等全双工双向2通信双方在同一时刻既可发送信息又可接收信息结构复杂、成本高、性能最好计算机之间（2）异步传输和同步传输图2-8【异步传输】图2-9【同步运输】传输方式传输单位优点缺点异步传输字符控制简单、成本低效率低、速度慢同步传输报文或分组传输效率高误码率较高、控制复杂7.数据通信的主要技术指标（1）信道带宽和信道容量通信系统中传输信息的信道具有一定的频率范围（即频带宽度），称为信道带宽。信道容量是指信道允许的最大数据传输速率，它与采用的传输介质、信号的调制解调方法、交换器的性能等密切相关，是描述信道的主要指标之一。（2）传输速率数据传输速率是指通信系统单位时间内传输的二进制代码的位（比特）数，通常使用“位/秒”（bps）、“千位/秒”（Kbps）、“兆位/秒”（Mbps）、“千兆位/秒”（Gbps）作为计量单位。（3）误码率误码率是衡量通信系统在正常的工作情况下传输可靠性的指标。误码率是指二进制码元在传输过程中被传错的概率。它等于错误接收的码元数在所传输的总码元中所占的比例。在实际的通信系统中，系统对误码率的要求应权衡通信的可靠性和有效性两个方面的因素，误码率越低，设备要求越高。（4）传输延迟信息传输的延迟指数据从信源（源计算机）到信宿（目的计算机）所花费的时间。信息传输的延迟时间主要与发送和接收处理时间、电信号响应时间、中间转发时间以及信道传输延迟时间有关。[Return]2.2多路复用技术计算机网络中，传输线路的成本占整个系统相当大的比例。为了提高传输线路的利用率，采用的方法是使多个数据通信合用一条传输线，这就是多路复用技术。1.频分多路复用频分多路复用（FDM）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。图2-10【频分多路复用FDM】2.时分多路复用时分多路复用TDM是将一条物理线路按时间分成一个个的时间片，每个时间片常称为一帧（Frame），每帧长125μs，再分为若干时隙，轮换地为多个信号所使用。图2-11【同步时分多路复用】图2-12【异步时分多路复用】表2-3频分多路复用和时分多路复用的比较分类特点（共享信道方式）优点缺点频分多路复用同一时间传送多路信号，采用带宽划分方法适用于传输模拟信号，无延时，费用低速率低时分多路复用多个信号分时使用一个信道，采用时间片轮转方法速率高，适用于传输数字信号传输效率高有一定的延时，费用较高3.光波分多路复用光波分多路复用WDM技术是在一根光纤中能同时传播多个光波信号的技术。光波分多路复用的原理如图2-13所示，在发送端将不同波长的光信号组合起来，复用到一根光纤上，在接受端又将组合的光信号分开（解复用），并送入不同的终端。图2-13【光波分多路复用单纤传输】[Return]2.3数据交换技术图2-17【交换通信子网】图2-17中，若H1与H5通信，则A与E分别称源结点与宿结点。通信子网必须能为所有进网的数据流提供从源结点到宿结点的通路，而实现这种数据通路的技术就称为数据交换技术，或数据交换方式。1.线路交换线路交换方式是把发送方和接收方用一系列链路直接连通。电话交换系统就是采用这种交换方式。经由线路交换而实现的通信包括以下三个阶段。（1）线路建立：通过呼叫完成逐个结点的接续过程，建立起一条端到端的直通线路。（2）数据传输：在端到端的直通线路上建立数据链路连接并传输数据。（3）线路拆除：数据传输完成后，拆除线路连接，释放结点和信道资源。利用图2-17来说明线路交换方式下通信三阶段的工作过程。假设用户H1要求连接到H5进行一次数据通信。2.报文交换报文交换属存储转发交换方式，不要求交换网为通信双方预先建立一条专用数据通路，也就不存在建立线路和拆除线路的过程。在这种交换网中，配有大容量存储设备的计算机。通信用的主机把需要传输的数据组成一定大小的报文，并附有目的地址，以报文为单位经过公共交换网传送。交换网中的结点计算机再接收和存储各个结点发来的报文，待该报文的目的地址线路有空闲时，再将报文转发出去。一个报文可能要通过多个中间结点（交换分局）存储转发后才能达到目的站。交换网络有路径选择功能。利用图2-17来说明用户H1要求连接到H5进行一次数据通信过程。3.分组交换交换网把对进网的任一个分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它是属于哪个报文的分组，就像在报文交换方式中把一份报文进行单独处理一样。这种单独处理和传输单元的“小报文”或“分组”，即称为数据报。这种分组交换方式称为数据报传输分组交换方式。（1）数据报传输分组交换（2）虚线路传输分组交换类似前述的线路交换方式，报文的源发站在发送报文之前，通过类似于呼叫的过程使交换网建立一条通往目的站的逻辑通路。然后，一个报文的所有分组都沿着这条通路进行存储转发，不允许结点对任一个分组做单独的处理和另选路径。图2-18【虚电路传输分组交换】上述这种分组交换方式称为虚线路传输分组交换方式。为建立虚线路的呼叫过程称为虚呼叫，通过虚呼叫建立起来的逻辑通路称为虚拟线路，简称虚线路或虚通路。表2-4数据报与虚线路的比较数据报虚线路端到端的连接不要必须有目的站地址每个分组均有目的站的全地址仅在连接建立阶段使用分组的顺序到达目的站是可能不按发送顺序总是按发送顺序到达目的站端到端的差错控制由用户端主机负责由通信子网负责端到端的流量控制由用户端主机负责由通信子网负责[Return]2.4传输介质传输介质是网络中传输信息的物理通道，它的性能对网络的通信、速度、距离、价格以及网络中的节点数和可靠性都有很大影响。因此，必须根据网络的具体要求，选择适当的传输介质。常见的网络传输介质有很多种，可分为两大类：1、一类是有线传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤；2、另一类是无线传输介质，如微波和卫星通信等。1.双绞线双绞线由两根相互绝缘的导线绞合成匀称的螺纹状，作为一条通信线路。将两条、四条或更多这样的双绞线捆在一起，外面包上护套，就构成双绞线电缆。图2-19【双绞线】屏蔽双绞线是在一对双绞线外面有金属筒缠绕，用作屏蔽，最外层再包上一层具有保护性的聚乙烯塑料。与无屏蔽双绞线相比，其误码率明显下降，约为10-6～10-8，价格较贵。无屏蔽双绞线除少了屏蔽层外，其余均与屏蔽双绞线相同，抗干扰能力较差，误码率高达10-5～10-6，但因其价格便宜而且安装方便，故广泛用于电话系统和局域网中。（1）屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线（2）双绞线还可以按其电气特性进行分级或分类局域网中常用第5类和第6类双绞线，它们都为无屏蔽双绞线，均由4对双绞线构成一条电缆。5类双绞线传输速率可达100Mbps，常用于局域网100Base-T的数据传输或用作话音传输等。6类双绞线比5类双绞线有更好的传输特性，传输速率可达1000Mbps，可用于100Base-T、1000Base-T等局域网中。7类双绞线也可用于1000Base-T、千兆以太网中。2.同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成，如图2-20所示。图2-20【同轴电缆】（1）基带同轴电缆基带同轴电缆的特性阻抗为50，仅用于传输数字信号，并使用曼彻斯特编码方式和基带传输方式，即直接把数字信号送到传输介质上，无需经过调制，故把这种电缆称为基带同轴电缆。（2）宽带同轴电缆宽带同轴电缆的特性阻抗为75，宽可达300～500MHz，用于传输模拟信号。它是公用天线电视系统CATV中的标准传输电缆，目前在有线电视中广为采用。在这种电缆上传送的信号采用了频分多路复用的宽带信号，故75同轴电缆又称为宽带同轴电缆。3.光纤光导纤维电缆，简称光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途广泛的一种。以金属导体为核心的传输介质，其所能传输的数字信号或模拟信号，都是电信号。而光纤则只能用光脉冲形成的数字信号进行通信。有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0。图2-21【光纤剖面的示意图】当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，如图2-22（a）所示。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤向前传输。图2-20（b）画出了光波在纤芯中传输的示意图。（a）折射角大于入射角（b）光波在纤芯中传播图2-22【光线射入到光缆和包层界面时的情况】典型的光纤传输系统的结构如图2-23所示。光纤发送端采用发光二极管（LED，LightEmittingDiode）或注入型激光二极管（ILD，InjectionLaserDiode）两种光源。在接收端将光信号转换成电信号时使用光电二极管PIN检波器或APD检波器。这样即构成了一个单向传输系统。光载波调制方法采用振幅键控ASK调制方法，即亮度调制（IntensityModulation）。图2-23【光缆传输系统结构示意图】4.无线传输介质（1）微波信道微波通信是把微波信号作为载波信号，用被传输的模拟信号或数字信号来调制它，故微波通信是模拟传输。为实现远距离传输，则每隔几十公里便需要建立中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为微波接力通信。（2）卫星信道为了增加微波的传输距离，应提高微波收发器或中继站的高度。当将微波中继站放在人造卫星上时，便形成了卫星通信系统，也即利用位于36000km高的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波通信。通信卫星则是在太空的无人值守的微波通信的中继站。卫星上的中继站接收从地面发来的信号后，