计算机网络 第2章 数据通信基础.ppt

第2章数据通信基础 在网络中起主要作用的是数据通信 所谓数据通信是指两台或两台以上的计算机之间以二进制的形式进行信息传输与交换的过程 它的实质是相互传送数据 在学习计算机网络时就需要对有关的概念进行了解 2 1数据通信基本知识 2 1 1数据 信息 信号和信道 1 信息信息是对客观事物属性和特性的表征 它反映了客观事物的存在形式与运动状态 它可以是对物质的形态 大小 结构 性能等全部或部分特性的描述 也可以是物质与外部的联系 信息是字母 数字及符号的集合 其载体可以是数字 文字 语音 视频和图像等 2 数据数据是指数字化的信息 在数据通信过程中 被传输的二进制代码 或者说数字化的信息 称为数据 数据是传递信息的载体 它涉及事物的表现形式 数据与信息的区别 数据是装载信息的实体 信息则是数据的内在含义或解释 数据有两种类型 数字数据和模拟数据 前者的值是离散 如电话号码 邮政编码等 而后者的值则是连续变化的量 如身高 体重等 3 信号信号简单地说就是携带信息的传输介质 数据通信中信号是数据在传输过程中的电磁波的表示形式 根据信号参量取值不同 信号有两种表示形式 模拟信号 AnalogSignal 与数字信号 DigitalSignal 4 信道信道是信息从信息的发送地传输到信息接收地的一个通路 它一般由传输介质 线路 及相应的传输设备组成 同一传输介质上可以同时存在多条信号通路 即一条传输线路上可以有多条信道 按传输介质来划分 可分为有线信道和无线信道 按信号传输方向与时间关系来划分 可分为单工 半双工和全双工信道 按传输信号的类型划分 可分为模拟信道和数字信道 按数据的传输方式划分 可分为串行信道和并行信道按通信的使用方式划分 可分为专用信道和公共信道 2 1 2数据通信系统 一个数据通信系统可分为三个部分组成 为源系统 传输系统 目的系统 源系统一般包括有以下两个部分 源点 源点产生所需要传输的数据 如文本或图像等 发送器 通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输 目的系统一般也包括以下两个部分 接收器 接收传输系统传送过来的信号 并将其转换为能够被目的设备处理的信息 终点 终点设备从接收器获取传送来的信息 终点也称为目的站 传输系统包括以下两个部分 传输信道 它一般表示向某一方向传输的介质 一条信道可以看成一条电路的逻辑部件 一条物理信道 传输介质 上可以有多条逻辑信道 采用多路复用技术 噪声源 包括影响通信系统的所有噪声 如脉冲噪声和随机噪声 信道噪声 发送设备噪声 接收设备噪声 2 数据通信系统的主要技术指标对数据通信系统中的信号传输 主要从数据传输的数量和质量两方面考虑 数据传输的数量指标主要包括有两个方面 一是信道的传输能力 用信道容量来衡量 另一方面是信道上传输的信息的速度 用数据传输速度来表示 而通信质量的指信息传输的可靠性 一般使用误码率来衡量 数据传输速率数据传输速率是指传输线路上信号的传输速度 它有两种表示形式 信号速率和调制速率 1 信号速率信号速率又称为比特率 是指每秒传输二进制代码的比特位数 如9600比特 秒 33600比特 秒 分别表示每秒能传输9600 33600个比特位 其单位比特 秒常简写为b s或bps 在实际的应用中 除了采用bps作为数据传输速率的单位外 还经常采用单位时间内传输的字符数 分组数 报文数等来表示 2 调制速率调制速率又称为码元速率 所谓码元是承载信息的基本信号单位 码元速率是指单位时间内信号波形的变换次数 即通过信道传输的码元个数 若信号码元宽度为T 则码元速率B 1 T 码元速率也叫波特率 通常用来表示调制解调器之间传输信号的速率 R Blog2n b s 误码率通常把信号传输中的错误率称为误码率 它是衡量差错的标准 在二进制电平传输时 误码率等于二进制码元在传输中被误传的比率 即用接收错误的码元数除以被传输的码元总数所得的值就是误码率 信道容量信道是信息传递的必经之路 它有一定的容量 信道容量是指它传输信息的最大能力 通常用单位时间内可传输的最大比特数来表示 信道容量的大小由信道的频带F和可使用的时间T及能通过的信号功率与干扰功率之比决定 信道带宽信道的带宽在不同环境中有不同的定义 在通信系统中 带宽是指在给定的范围内可用于传输的最高频率与最低频率的差值 信道延迟信道延迟是指信号从信源发出经过信道到达信宿所需的时间 它与信源到信宿间的距离及信号在信道中的传播速度有关 在多数情况下 信号在不同的介质中速度略有不同 在具体的网络中 应该考虑该网络中相距最远的两个站点之间传输信号的延迟 并根据延迟的大小来决定采用什么样的网络技术 2 2数据传输介质 一般的 物理介质可大致分为有线介质 铜线和光纤 和无线介质 电波和光波 有线介质是最常用也最简便的通信介质 一直有大量的铜线和光纤应用于电话系统中 在广域网领域 利用现成的电话系统线路进行通信传输几乎是最实际也最简便的方式 而在局域网领域 利用改进的专用线缆进行通信传输也简便易行 常见的有线介质有双绞线 同轴电缆 光纤等 2 2 1双绞线 twistedpair 双绞线分为屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 和非屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 其中STP的内部与UTP相同 其外包有一层金属铝箔 以减小幅射 防止信息被窃听 抗干扰能力也较强 同时具有较高的数据传输速率 5类STP在100m内可达到155Mbit s 而UTP只能达到100Mbit s 但STP电缆的价格相对较高 安装时要比UTP电缆困难 在实际应用中 非屏蔽双绞 UTP 的使用率最高 一般来说如果没有特殊的需要 在应用中所指的双绞线一般是指UPT 它主要有以下几种 1 3类双绞线2 4类双绞线3 5类双绞线4 超5类双绞线5 6类双绞线6 7类双绞线其中非屏蔽双绞线中的超5类线 category5E 现在常用于快速以太网的组建 它与以前的3类线 category3 相比 增加缠绕密度 采用了高质量绝像材料 绝缘层效果更好 有着更长的传输距离和更高的传输质量 2 2 2同轴电缆 coaxialcable 同轴电缆在20世纪80年代初的局域网中使用最为广泛 因为那时集线器的价格很高 在一般中小型网络中几乎看不到 1 按直径的不同 可分为粗缆和细缆两种 2 根据传输频带的不同 可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种类型 3 按阻抗不同 可分为下列几种 RG 8或RG 11 50欧姆 RG 58 50欧姆 RG 59 75欧姆 RG 62 93欧姆 2 2 3光纤 fiber 光纤即光导纤维 是一种细小 柔韧并能传输光信号的介质 一根光缆中包含有多条光纤 20世纪80年代初期 光缆开始进入网络布线领域 与铜质介质相比 光纤具有一些明显的优势 因为光纤不会向外界辐射电子信号 所以使用光纤介质的网络无论是在安全性 可靠性 还是网络性能方面都有了很大的提高 光纤和同轴电缆外形相似只是没有网状屏蔽层 光纤由纤芯 封套及外套组成 纤芯由一玻璃或塑料组成 封套是玻璃的 使光信号可以反射回去 沿着光纤进行传输 外套则由塑料组成 用于防止外界的伤害和干扰 根据传输点模数的不同 光纤分为单模光纤 single modefiber 和多模光纤 multi modefiber 两种 模 是指以一定角速度进入光纤的一束光 单模光纤采用激光二极管LD作为光源 而多模光纤采用发光二极管LED为光源 光纤通信的特点 传输信号的频带宽 通信容量大 信号衰减小 传输距离长 抗干扰能力强 应用范围广 光纤有着非常高的数据传输率 Gb s 和极低的误码率 10 10 原材料资源丰富 抗化学腐蚀能力强 适用于一些特殊环境下的布线 2 2 4无线介质 无线介质可以不使用电或光导体进行电磁信号的传递工作 从理论上讲 地球上的大气层为大部分无线传输提供了物理数据通路 由于各种各样的电磁波都可用来传输信号 所以电磁波就被认为是一种介质 1 无线电频率电波电磁波频谱10KHz至1GHz之间为无线电频率 它包含的广播频道被称为 短波无线频带 甚高频 VHF 电视及调频无线电频带 超高频 UHF 无线电及电视频带 2 微波微波通信是无线数据通信的主要方式 由于微波可以穿透电离层进入宇宙空间 所以微波通信不能象无线电一样靠电离层反射来进行传播 只能靠微波接力或是卫星转播的方式进行微波接力 由于地球表面是球面的 因而微波在地球表面直线传播距离有限 一般在50km左右 要实现远距离传播 则必须在两个通信终端间建立若干中继站 中继站在收到前一站信号后经放大再发送到下一站 如此接续下去 微波数据通信系统主要分为地面系统与卫星系统两种 地面微波一般采用定向抛物面天线 这要求发送与接收方之间的通路没有大障碍或视线能及 地面微波信号一般在低GHz频率范围 由于微波连接不需要什么电缆 所以它比起基于电缆方式的连接 较适合跨跃荒凉或难以通过的地段 一般它经常用于连接两个分开的建筑物或在建筑群中构成一个完整网络 卫星微波是利用地面上的定向抛物天线 将视线指向地球同频卫星 卫星微波传输跨越陆地或海洋 所需要的时间与费用 与只传输几公里没有什么差别 由于信号传输的距离相当远 所以会有一段传播延迟 这段传播延迟时间小为500毫秒 大至数秒 3 红外系统还有一种无线传输介质是建立在红外线基础之上的 红外系统采用光发射二极管 LED 激光二极管 ILD 来进行站与站之间的数据交换 红外设备发出的光 非常纯净 一般只包含电磁波或小范围电磁频谱中的光子 传输信号可以直接或经过墙面 天花板反射后 被接收装置收到 红外信号没有能力穿透墙壁和一些其它固体 每一次反射都要衰减一半左右 同时红外线也容易被强光源给盖住 红外波的高频特性可以支持高速度的数据传输 它一般可分为点到点与广播式两类 点到点红外系统家用电器的遥控器就是点到点红外系统一个典型的例子 红外传输器使用光频 大约100GHz到1000THz 的最低部分 除高质量的大功率激光器较贵以外 一般用于数据传输的红外装置都非常便宜 然而它的安装必须精确到绝对点对点 目前它的传输率一般为几Kbps 根据发射光的强度 纯度和大气情况 衰减有较大的变化 一般距离为几米到几公里不等 聚焦传输具有极强的抗干扰性 广播式红外系统广播式红外系统是把集中的光束 以广播或扩散方式向四周散发 这种方法也常用于遥控和其它一些消费类的设备上 利用这种设备 一个收发设备可以与多个设备同时通信 2 3数据传输方式 2 3数据传输方式模拟通信系统通常有信源 调制器 信道 信宿与噪声源组成 信道上传输的信号是模拟信号 信源是信息产生的发源地 所产生的模拟信号一般要经过调幅 调频 调相等调制方式再通过信道进行传输 数字通信系统的组成与模拟通信系统相比 增加了信源编码器对模拟信号进行采样 量化和编码 使其变成数字信号 然后经过信道编码器进行逆过程 用于实现信道的编码 以降低信号的误码率 再经过调制器将其基带信号调制成宽带信号再进行传输 在信道上传输的信号是数字信号 数字通信系统与模拟通信系统相比有很多的优点 抗干扰能力强 无噪声积累 便于加密处理 便于存储 处理和交换 设备便于集成化 微型化 便于构成综合数字网和综合业务数字网 数字通信系统也存在着有占用信道频带较宽等缺点 一路模拟电话的频带为4kHz带宽 一路数字电话约占64kHz 这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因 但随着宽频带信道 光缆 数字微波 的大量利用 一对光缆可开通几千路电话 以及数字信号处理技术的发展 可将一路数字电话的数码率由64kb s压缩到32kb s甚至更低的数码率 数字电话的带宽问题已不再是主要问题了 2 3 2串行通信与并行通信 数据在信道上传输时 按使用信道的多少来划分 可以分为串行方式和并行方式 串行传输是指把要传输的数据编成数据流 在一条串行信道上进行传输 一次只传输一位二进制数 接收方再把数据流转换成数据 在串行传输方式下 只有解决同步问题 才能保证接收方正确地接收信息 串行传输的优点是只占用一条信道 易于实现 利用较为广泛 2 3 3数据传输方向 按数据在信道上传输方向与时间的关系 可以把数据通信方式分为单工通信 半双工通信和全双工通信 2 3 4同步传输与异步传输 按照通信双方协调方式的不同 数据传输方式可分为异步传输和同步传输两种方式 数据在传输线路上传输时 为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误地接收 就要求接收端要按照发送端所发送的每个码元的起止时间和重复频率来接收数据 即收发双方在时间上必须取得一致 否则即使微小的误差也会随着时间的增加而逐渐地积累起来 最终造成传输的数据出错 为保证数据在传输途中的完整 接收和发送双方须采用 同步 技术 该技术包含异步传输和同步传输两种 2 3 5基带传输与频带传输 按照在传输线路中数据是否经过了调制变形处理再进行传输的方式 数据传输可分为基带传输 频带传输和宽带传输 1 基带传输所谓基带传输 就是在数字通信信道上直接传送数据的基带信号称做基带传输 在计算机等数字设设备中 一般的电信号形式为方波 分别用高电平或低电平来表示 1 或 0 人们把方波固有的频带称为基带 方波电信号称为基带信号 在信道上直接传输未经调制的信号称为基带传输 基带传输所使用的信道称基带信道 2 频带传输 目前常采用的手段就是对信号进行调制 即使用基带数字信号对一个模拟信号的某些特征参数 如振幅 频率 相位等 进行控制 使模拟信号的这些参数随基带脉冲一起变化 然后把己调制的模拟信号通过线路发送给接收端 接收端再对信号进行解调 从而得到原始信号 3 宽带传输宽带传输就是通过多路复用的方法把较宽的传输介质的带宽 一般在300MHz 400MH左右 分割成几个子信道来达到同时传播声音 图像和数据等多种信息的传输模式 2 4数据编码技术 2 4 1数字信号模拟化时的编码方式数字信号模拟化时采用的方法是对信号进行调制 即使用数字信号对一个模拟信号的某些特征 如频率 振幅 相位等 进行控制 使模拟信号的这些参数随着数字信号的变化而改变 也称为载波 调制的信号通过线路发送到接收端 接收端再把数字信号从模拟信号中分离出来 恢复原来的信号 这一过程叫解调 负责调制的设备叫调制器 负责解调的设备叫解调器 同时既有调制功能 又有解调功能的设备 称为调制解调器 1 振幅调制 调幅 2 频率调制 调频 3 相位调制 调相 2 4 2 模拟信号数字化时的编码方式脉冲编码调制的操作过程分为采样 量化和编码三部分 1 采样采样是在一定的时间间隔T 取模拟信号的瞬间值为样本 这一系列连续的样本 用来代表模拟信号在某一区间随时间变化的值 在采样过程中 必须满足采样定理 所谓采样定理是指在一个连续变化的模拟信号 如果它的最高频率或带宽Fmax 对它发T为周期进行周期采样 刚采样的频率为F 1 T 若能满足F 1 T 2Fmax 即采样频率大于或等于模拟信号最高频率的2倍 那么采样后的离散序列就能无失真恢复出原始的连续模拟信号 2 量化量化是对采样后得到的连续值 对这些连续值进行判断 决定这个值是属于哪一量级 并将幅值按量化级取整转化为离散的值 经量化后的个数即量化的等级 如8级 16级 以及更多的量化等级 它决定了量化的精度 量化级越大 量化精度越高 反之 量化精度越低 3 编码编码是指用一定位数的二进制代码表示量