NET02_数据通信基础 计算机网络课程教学课件 中北大学电子与计算机科学技术学院

第二章数据通信基础 2数据通信基础 本章内容数据通信的基本概念数据通信传输介质的分类带宽与传输速率数据交换与多路复用技术 2 1数据通信的基本概念 信息 是对事物运动状态和特征的描述数据 是载荷信息的物理符号信号 是数据的具体表现 具有确定性的物理描述 信息 数据和信号三者是紧密相关的 在计算机中 信息是用数据表示的并转换成信号进行传送 模拟信号和数字信号 模拟信号 是一个连续变化的物理量 即在时间特性上幅度 信号强度 的取值是连续的 一般用连续变化的电压表示 数字信号 是指信号在时间特性上幅度的取值是有限的离散值 一般用脉冲序列表示 数字信号通过实际的信道 失真不严重 失真严重 波形再生 信道 通俗的说 信道就是传输信号的通道 通常对信道由两种理解 一种是指信号的传输介质 如双绞线 光缆等 称为狭义信道 另一种是将传输介质和信号转换设备都归集在一起 则称这种扩大范围的信道为广义信道 习惯上 由把信道称为线路 链路等 信道的频带宽度是指信号能无失真的传送的频带范围 即该频带范围的最高值减最低值 简称为带宽 狭义信道的带宽由传输介质的物理特性决定 而广义信道的带宽还要受信号转换设备的限制 数据通信模型 信息是人类所创造的各种声 像 图 文形式的知识 数据是信息在计算机中的表现形式 数据传输过程是将信息从源站传到目标站 首先需要将信息用二进制代码来表示 其次还要将二进制代码以一定的信号方式 如电压 电流 脉冲等 来表示 然后将信号由信道进行传输 到达接受方后 再根据这些信号恢复为数据代码 从而使目标站得到源站发送端的信息 2 2数据通信的分类 数据通信按照所用传输媒介和相关技术分类 数据通信按照通信者的移动性分类固定通信移动通信 并行传输与串行传输 并行传输 parallel 与串行传输 serial 同步传输和异步传输 数据通信中 通信双方在收发数据序列时必须在时间上取得一致 才能保证接受的数据与发送的数据一致 这就是通信的同步 并行传输由于距离较短 仅用于通信设备和计算机设备内部 由增加控制线通过控制信号来实现通信同步 串行通信是目前最经济的长距离传输方式 现在有两种不同的方式来解决串行通信中的同步问题 同步传输与异步传输 同步传输 同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号 使接受端接受的每一位数据都要和发送端保持同步 中间没有间断时间 因此在一个串行的数据流当中 各信号码元的相对位置都是固定的 接受方为了从受到的数据流中正确的区分出一个个信号码元 首先必须建立正确的时钟信号 在近距离传输中可以增加时钟信号线 远距离时则必须在发送的数据流当中附加同步时钟信号 由接受方提取来完成位同步 同步传输 异步传输 异步传输一般以字符 或等长的信元 为单位 以面向字符发送为例 在发送每一个字符代码时 前面均加一个 起 信号 后面加一个 止 信号 一般起始位为0 结束位为1 一个个字符可以连续发送也可以独立发送 即中间可以有间隔时间 但在一个字符时间内 收发双方各数据位必须同步 起 止信号实际上起同步作用 以便能区分串行传输的字符 如下图所示 这种方式又称为起 止式同步方式 由此可见 在串行通信中的异步传输是相对的 异步传输 传输方式 单工通信 通信线路上的数据始终按照一个固定的方向传送 半双工通信 数据信息可沿信道的两个方向传送 但同一时刻只能沿一个方向传送 全双工通信 数据信息能同时沿相反两个方向传送 设计一个数据通信系统 必须先决定数据信息是沿一个方向传输 还是来回双向传输 要是来回双向传输 还要决定发送 接受设备是否同时进行发送和接受 即是否双向同时传输 单工通信 半双工通信和全双工通信 模拟传输和数字传输 模拟传输和数字传输 数字信号可以调制成模拟信号进行传输 例如 利用电话线拨号上网时 需要用调制解调器 Modem 将计算机中的数字信号转变成模拟信号进行传输 模拟信号 例如电话语音 也可以通过数字化处理变为数字信号进行传输 现在的数字化传输系统大多采用PCM调制方式 对模拟信号进行采样 量化和编码三个步骤 使之变换成数字信号 数字传输具有信号形式简单 抗干扰能力强 保密性好 多媒体信息传输以及与计算机配合等优点 因此全数字化的计算机通信网络以成为本世纪发展最迅速最重要通信工具 基带传输和频带传输 基带传输 Baseband 人们将数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输 基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号 具有速率高和误码率低等优点 在计算机网络通信中被广泛采用 频带传输 Broadband 利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽带传输 频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道 如模拟电话交换网 通信 价格便宜 容易实现 家庭用户拨号上网就属于这一类通信 它的缺点是速率低 误码率高 2 3带宽与传输速率 通信是在发送端将数据转换为利于传输的信号 在特定的介质中进行传输 在接收端将这种信号还原的过程 信号都是以波的形式表现和传输的 这些波的产生是由波源随时间振动的结果信号可以表示为振幅与时间的函数s t 并可以用二维座标来表示 这种用时间函数表示和研究信号的方法称为时域方法 时域概念 从时域的角度对信号进行分类 模拟信号又被称为连续信号 如我们熟知的电话中的语音信号 数字信号又称为离散信号 如计算机中的二进制 1 高电平或低电平 0 低电平或高电平 的电平波形 频域概念 1822年 法国数学家付里叶在研究热传导理论时 提出了将周期函数展开为正弦级数的原理 任何周期函数 当其满足狄里赫里条件时 都可分解为收敛的三角级数 狄里赫里条件是 函数在任何区间是连续的 且在一个周期内只有有限个极大极小值 在电子通信中遇到的周期信号都满足狄里赫里条件 傅立叶级数 傅立叶级数可书用时域函数写为 式中 f 1 T An和Bn是各次正弦波和余弦波的振幅 C为常数 三个频率成分的信号 对称方波的频谱分析 按照频谱分析的观点 无论模拟信号还是数字信号都可以展开为正弦级数 数字信号的对称方波的频率成分表达式如下 数字信号的频谱分析 数字信号及其频谱 数字信号的频谱分析 可以认为 数字信号波形具有无限个频率成分 并显然是无限带宽的 尽管如此 我们看到第k个频率成分k 1的振幅仅为1 k 所以波形的绝大多数能量集中在最前面的几个频率成分中 对于信号而言由于绝大部分能量集中在相当窄的频带内 0 4 T 这个频带被称之为有效带宽 这里我们要再提一下网络的传输媒体所实现的信道 虽然一个给定的信号波形所包含的频率范围可能非常宽 但要注意 不管使用什么传输介质 它只能容纳一个有限的频率范围 波特率 数字信道只传送离散值的数字信号 信道的带宽决定了信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率 信号的一个数字脉冲称为一个码元 我们用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数 即单位时间内通过信道传输的码元个数 若信号码元宽度为T秒 则码元速率为 码元速率的单位为波特 Baud 所以码元速率被称为波特率 比特率 网络连接的目的是实现数据传输 在数字通信中 把一个二进制位所携带的信息称为1比特 bit 的信息 将单位时间 秒 所传输的比特数 二进制位数 作为数据传输速率 即比特率 单位为b s 误码率 数据传输速率可以衡量数字通信系统的效率 在衡量系统的可靠性时 我们使用误码率 误码率是指数字信号在传输中出错的概率 设传输的二进制位的总数是n 其中出错的位数为ne 则误码率为 在计算机网络中 误码率一般要求要低于10 6 即平均每传送1兆位才允许错1位 在误码率低于一定的数值时 可以用差错控制的办法进行检查和纠正 四个彼此相关的概念 带宽 指在发送器和传输媒体的特性限制下的频带带宽 用赫兹 Hz 表示 波特率 信号码元速率 用波特 Baud 表示 比特率 数据传输速率 用b s表示 误码率 即差错发生率 应当引起我们注意的是 任何实际应用中的传输信道都是有限带宽的 这是由传输媒介的物理特性决定的 或是由发送器所限定的 对于数据传输而言 我们希望在给定的带宽条件下尽可能的提高数据率 同时又将误码率限定在某个范围内 信道容量 信道是以传输介质为基础的信号传输的通路 它实质上是指定的一段频带 允许信号通过 同时又给信号以限制和损害 信道容量是指信道的最高传输速率 它是表征信道传输数字信号能力的指标 任何实际信道都不是理想的 也就是说 信道带宽总是有限的 所能通过的信号频带也是有限的 信道的数据传输速率受信道带宽的限制 下面我们就讨论其中的关系 奈奎斯特定理 早在1924年 贝尔实验室的研究员亨利 奈奎斯特 HarryNyquist 就推导出了有限带宽无噪声信道的极限波特率 称为奈奎斯特定理 若信道带宽为W 则奈奎斯特定理指出最大码元速率为 奈奎斯特定理指定的信道容量也叫做奈奎斯特极限 这是由信道的物理特性决定的 超过奈奎斯特极限传送脉冲信号是不可能的 所以要进一步提高波特率必须改善信道带宽 奈奎斯特定理 码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定 若码元取两个离散值 电平级数 2 则一个码元携带1比特信息 若码元取4种离散值 电平级数 4 则一个码元携带2比特信息 一个码元携带的信息量N 比特 与码元的电平级数V有如下关系 在一定的波特率下提高传输速率的途径是用一个信号码元表示更多的比特数 如果把多个比特编码为一个码元 则数据传输速率可以成倍提高 我们有公式 Nyquist公式 用于理想低通信道 C 2Blog2V B 带宽V 信号电平级数 2BBaud 我们可以看到 比特率和波特率是两个不同的概念 仅当码元取2级电平时两者才相等 V最大数据率 C 26000bps412000bps818000bps1624000bps 普通电话线路 带宽为3000Hz 最高波特率为6000Baud 而最高数据速率则可随编码方式的不同而取不同的值 这些都是在无噪声的理想情况下的极限值 实际信道会受到各种噪声的干扰 因而远远达不到按奈奎斯特定理计算出的数据传输速率 Shannel公式 高斯噪声干扰信道 香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础 他的 信道容量定理 指出 可以找到这样一种技术 当数据传输速率小于或等于某个最大传输速率 信道容量 时 通过它可以以任意小的错误概率传送信息 相反 如果大于这个上限 则不论采用什么编码技术 错误概率都将无法忍受 香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系 因为实际信道不可能没有噪声 所以香农定理比奈奎斯特定理更进了一步 香农公式 在数据传输中 信号强度和噪声强度对传输影响很大 香农 Shannon 推导了噪声信道下数据最大传输速率与带宽之间的关系 这个公式称为香农定理 其中 W为信道带宽 S为信号的平均功率 N为噪声的平均功率 S N为信噪比 由于在实际使用中S和N的比值太大 故常取其分贝数 dB 分贝数与信噪比的关系为 示例 例如 当S N 1000时 信噪比为30dB 这个公式与信号取的离散值的个数无关 也就是说无论用什么方法调制 或编码 只要给定了信噪比 则单位时间内最大的信息传输量就决定了 例如 信道带宽为3000Hz 信噪比为30dB 则最大数据传输速率为 2 4传输介质 要在网络站点之间传输比特 就必须先找到一个在站点之间传送信号的方法 也就是说必需建立有效的物理连接 传输介质提供了这种最基本的连接 计算机网络中采用的传输介质有有线和无线两大类 双绞线 同轴电缆和光纤是常见的三种有线传输介质 我们将讨论这几种建立物理连接的方法 同时还将介绍使用微波和卫星传送的无线通信技术 双绞线 双绞线是由螺旋状缠绕在一起的成对绝缘导线组成的 每对导线按照一定密度相互对绞 一根导线在传输信号时的电磁辐射会被另一根导线上的电磁辐射抵消 从而减少相互间的电磁干扰 由于双绞线的价格便宜 并且安装 维护方便 所以无论对于模拟信号还是数字信号 也无论对于广域网还是局域网 双绞线都是常用的一种网络传输介质 绞合技术 双绞线是由粗约1mm的相互绝缘的一对铜导线绞合组成的 对称均匀的绞扭可以减少线对之间的电磁干扰 绝缘材料使两根线中的金属导体不会因为互碰而导致电路短路 双绞线可以用每单位长度导线上螺旋的数目来作为这种电缆的一个衡量标准 螺旋的数目越多 就越有助于降低电容和减少串扰 串扰指相邻导线对之间的相互电磁干扰 双绞线的分类 双绞线通常被捆扎起来 并裹上保护层 按照保护层的区别 双绞线分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线 非屏蔽双绞线UTP 非屏蔽双绞线 UnshieldedTwistedPair UTP 通常由不同颜色的 橙 绿 蓝 棕 4对双绞线组成 使用RJ 45连接器 屏蔽双绞线STP 屏蔽双绞线 ShieldedTwistedPair STP 电缆外层由铝箔包裹 价格相对较高 并且需要支持屏蔽功能的特殊连接器和适当的安装技术 但是性能要高于相应的非屏蔽双绞线UTP 综合布线使用的双绞线 由于双绞线价格便宜 安装容易 适用于结构化综合布线 所以得到了广泛的使用 电子工业协会EIA定义了双绞线电缆各种不同的型号 同轴电缆 同轴电缆是另一种常用的金属导体传输介质 同轴电缆的结构由四个部分组成 同轴电缆的类型 同轴电缆的用途 同轴电缆通常采用基带模式或宽带模式传输信息 在基带模式中 电缆的带宽完全用于单一的一个数据流 如此高的带宽容量将允许电缆实现高数据速率的传输 基带技术广泛应用于局域网中 因为任何时刻局域网上都只有一个数据流 采用宽带模式时 带宽被划分为几个范围 通常每一个频率范围都携带着各自的编码信息 这样就可以在一根电缆上同时传输多个数据流 为了合并及分离信号 必须在源节点和目标节点处安装特殊的设备 有线电视就是在单一电缆上传输多个信号 每个频道一路信号 的一个例子 基带同轴电缆 粗缆以太网 10Base5 应用于最初的以太网 采用直径约1cm的硬同轴电缆 使用刺入式收发器和AUI电缆组成总线拓扑结构细缆以太网 10Base2 细缆是在20世纪80年代用于以太网的最流行的传输介质 BNC接头 连接在T型连接器的两端 在局域网中常用的基带同轴电缆的特性阻抗为50 有两类 RG 8或RG 11的粗缆和RG 58细缆 应用于最初的以太网物理层 BNC连接器 光缆 光缆是由能传送光波的超细光导纤维制成的 光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝 由纤芯和包层构成双层同心圆柱体 光纤信道 光纤信道中的光源可以是发光二极管LED LightEmittingDiode 或注入式激光二极管ILD InjectionLaserDiode 这两种器件都可以在有电流通过时发出光脉冲 光脉冲通过光导纤维传播到达接受端 接受端有一个光检测器 光电二极管 它遇光时产生电信号 这样就形成了一个单向的光传输系统 如果我们采用适当的方法 如使用一对光纤或建立环型结构 就可以达到信息点相互通信的目的 多模光纤和单模光纤 在光纤中 只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一个临界角度 就可以产生全反射 因此 许多条不同角度入射的光线可以在一条光纤中传输 不同的传播模式有不同的电磁场分布和不同的传播路径 这样的光纤被称为多模光纤 光波在光纤中以什么模数传播 这与光纤核心层和包层的折射率 芯线的直径以及工作波长有关 如果核心层芯线的直径小到光波波长大小 则光纤就成为波导 光在其中无反射地沿着芯线传播 这种光纤被称为单模光纤 多模光纤和单模光纤 多模光纤和单模光纤 按照核心层 包层直径的差别列举的一些常见规格 8 3 125 m单模62 5 125 m多模 局域网推荐 50 125 m多模100 140 m多模 光纤的结构 如图所示 光纤由纤芯 包层 一次涂敷层和套层组成 光纤的结构 纤芯 位于光纤中心 直径为5 75 m 作用是传输光波 包层 位于纤芯外层 直径为100 150 m 作用是将光波限制在纤芯中 一次涂敷层 是为了保护裸光纤 即纤芯和包层 而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层 厚度为30 150 m 套层 又称二次涂覆或被覆层 多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料 尼龙等材料 经过二次涂敷的裸光纤即构成光纤芯线 光纤的材料 按照组成材料的区别 光纤可以划分石英系列光纤 以SiO2为主要材料 多组分光纤 材料由多组成分组成 液芯光纤 纤芯呈液态 和塑料光纤 以塑料为材料 在目前 通信上应用最多的为石英光纤 光纤的分类 光纤通常按照应用来进行分类 主要有两种分类方法 按照传输模数分类和按照光纤纤芯折射率分布分类 我们已经知道 按照传输原理 光纤被分为单模光纤 SingleModefiber 和多模光纤 MultiModefiber 按照纤芯折射率分布划分 光纤被分为阶跃型光纤 SIF 渐变型光纤 GIF 和W型光纤 光纤纤芯折射率分布的分类 光缆的结构 由于目前通用的光纤是石英光纤 其质地脆 易断裂 不便于施工敷设 不适应各种场合的使用 为了使其具备一定的机械强度 在实际的通信线路中 将光纤制成各种结构形式的光缆 以适应各种环境的使用和保证传输性能可靠 稳定 光缆一般由缆芯 加强元件和护层三部分组成 光缆的结构 缆芯 由单根或多根光纤芯线组成 加强元件 通常用金属丝或非金属纤维组成 分布在光缆的中心或四周 用于增强光缆敷设时可承受的负荷 护层 一般可分为内护层和外包层 内护层由聚乙烯或聚氯乙烯等组成 外包层可根据敷设安装条件而定 通常要求用由铝带和聚乙稀组成的外护套加钢丝或钢带铠装 外护套 护层具有阻燃 防潮 耐压 耐腐蚀等特性 主要是对已成缆的光纤芯线进行保护 中心束管式多芯光缆的剖面结构示意 芯 封套 实际使用的光缆分类 光缆的传输性能是由光缆中光纤的质量来决定的 而光缆的物理性能和环境性能则是由护套层来决定的 光纤的物理特性 光纤的损耗特性和色散特性是光纤的主要特性 决定了光纤的最大传输距离和最大传输带宽 光纤的损耗特性光纤本身的损耗 吸收损耗和散射损耗光纤与光源耦合损耗光纤之间的连接损耗光纤的色散特性模式色散材料色散波导色散 多模光纤 单模光纤850nm 1300nm 1550nm发光二极管LED 注入式激光二极管ILD 光纤的使用 光纤的单向性要进行双向通信需要用双股光纤光纤的连接熔接不能拉得过紧 也不能形成直角 光纤通信的优点 首先光纤可提供更高的带宽 多模光纤的带宽可达7GHz 单模光纤的带宽可达200GHz 一对单模光纤在理论上可以提供几亿路电话的容量 远远高于铜质线缆 光纤具有很高的数据传输速率 极宽的频带 低误码率和低延迟 其次 光传输不受电磁干扰 光纤埋在铁路路基上 甚至与高压线同杆并行架设也不会受到干扰 光传输不可能被偷听 因此它的安全性和保密性好 最后 光纤重量轻 体积小 耐腐蚀 铺设容易 埋入地下或海底可以长时间不被腐蚀 常见光纤接头 FC PC型光尾纤接头外形图 SC PC型光尾纤接头外形图 ST PC型光尾纤接头外形图 FC PC SC PC型光尾纤外形图 网络连接介质 无线信道 无线传输介质一般不是人为架设的介质 而是自然界所存在的介质 这种介质就是广义的无线介质 在这些无线介质中完成通信称为无线通信 有许多无线介质可以替换电缆 无线电波 红外线信号以及微波等 因此 在使用电缆非常困难或者说根本不可能时 无线通信可以出色地代替电缆 但是使用无线通信时有一个非常重要的限制 同一介质的其他信号 太阳黑子的运动 电离层变化和其他大气干扰都会对通信信号形成干扰 从而会产生许多问题 无线电技术 自然界的声 热 光 电 磁都可以在空间传播 至今人类所认识的红外线 可见光 紫外线 x射线和 射线 本质上都是电磁波 只是其频率和波长不同而已 这就是电磁波谱 人类可见光的频率在4 1014Hz到7 1014Hz之间 其电磁波谱只占很小的一段频域 较低频域为红外线 更高的频域为紫外线 X射线 射线 无线电波段划分 部分 无线电 微波技术 微波通信系统可分为地面微波中继系统和卫星微波系统 两者之间的功能相似 但通信能力有很大区别 地面微波系统 地面微波系统由视距范围内的两个相互对准方向的抛物面天线组成 由于微波在空间是直线传输 而地球表面是个曲面 因此地面传输的距离受到限制 一般 在50km左右 若采用100m的天线塔 则距离可增加到100km 地面微波中继 为实现远距离通信 必须在一条无线通信信道的两个终端之间建立若干个中继站 中继站把前一站送来的信号经过放大后再传送到下一站 这种传递不断持续下去就可以实现视线被地表切断的两个站点间的传输 地面站之间的直视线路 微波传送塔 卫星通信 卫星通信是利用卫星上的微波天线接收地面发送站发送的信号 经过放大后再转发给地面接收站 通信卫星可看作是悬在太空中的微波中继站 地球同步卫星 与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球 红外线技术和激光技术 红外线传输用于短距离通信 如电视 录象机等的遥控也可用于无线LAN缺点 不能穿透固体 激光传输应用 在屋顶用激光连接两个建筑物的LAN缺点 不能穿透雨和浓雾 易受天气影响 移动通信手段 无线通信系统 微波通信系统 频率在100MHz 10GHz的信号叫做微波信号 它们对应的信号波长为3m 3cm 蜂窝移动通信系统 多址接入方法主要是有 频分多址接入FDMA 时分多址接入TDMA与码分多址接入CDMA 卫星移动通信系统 商用通信卫星一般是被发射在赤道上方35900km的同步轨道上 常用无线技术 IEEE802 11系列标准微波 IrDA红外线接口蓝牙 Bluetooth IEEE802 15 HomeRFIEEE802 11与DECT的结合DECT DigitalEnhanceCordlessTelephone 主要传输介质的比较 主要传输介质的比较 通信介质的选择 保证最好的价格速率比 参考标准 费用距离传输速率 带宽 信号干扰施工布线安全 建筑规则 消防规则 2 5数据交换技术 数据交换技术是指数据通信过程中 对数据表示格式 传输方式的选择和优化的技术 在数据通信中常用的交换技术有三种 电路交换 报文交换 分组交换 电路交换 包含三个阶段 电路建立阶段传输数据阶段电路拆除阶段建立 专线 存在呼叫 拨号 线路利用率低 报文