《计算机网络教学资料》第2章数据通信a

第2章网络数据通信基础知识 2 1 1数据通信系统 1 数据通信系统的基本结构任何一个通信系统都可以看作是由发送设备 传输信道和接收设备三大部分组成 我们把产生和发送信息的一端称为信源 把接收信息的一端称为信宿 把信源传送到信宿的通信线路称为信道 在实际通信系统中 难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响 因此 数据通信系统的基本结构如图2 3所示 2 1数据通信的基本概念 2 1数据通信系统的模型 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 PC机 信源 把待传输的消息转换成原始电信号 如电话系统中电话机可看成是信源 发送设备 将信源和信道匹配起来 即将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号 信道 信号传输的通道 可以是简单的传输线路 也可以是复杂的网络系统 接收设备 任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来 信宿 将复原的原始电信号转换成相应的消息 2 1 1数据通信系统 2 数据通信类型在数据通信系统中 将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 将传输数字信号的系统称为数字通信系统 1 模拟通信系统 普通的电话 广播 电视等信号都属于模拟信号 由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统 模拟通信系统通常由信源 调制器 信道 解调器 信宿以及噪音源组成 其基本结构模型如图2 4所示 2 1 1数据通信系统 2 数字通信系统 计算机通信 数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号 由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统 数字通信系统通常由信源 编码器 信道 解码器 信宿以及噪音源组成 其基本结构模型如图2 5所示 图2 5数字通信系统基本结构 由于数字信号不适合远距离传输 所以在传输前将其变为模拟信号 因此 数字通信系统通常由信源 信源编码器 调制器 信道 解调器 信道译码器 信源译码器 信宿 噪音源组成 其结构模型如图2 6所示 2 1 1数据通信系统 图2 6数字通信系统结构模型 以上介绍了数据通信技术的基本概念 事实上 无论是实现模拟通信 还是实现数字通信 都涉及到一系列的技术问题 包括数据调制与编码技术 数据传输技术 多路复用技术 数据交换技术 数据传输的差错检测与控制技术等 模拟的和数字的数据 信号 模拟数据 模拟信号 放大器调制器 数字数据 模拟信号 调制器 2 1 2单向传输与双向传输 数据在通信线路上传输是有方向的 根据信号传送的方向与时间关系 数据通信可分为三种基本工作方式 单工通信 半双工通信与全双工通信 数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路 是数据通信中实际传送信息的载体 网络中常用的传输介质有 同轴电缆 双绞线 光纤 微波 卫星 红外线等 1 同轴电缆 CoaxialCable 同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介质 可以通过专用的中同轴电缆 俗称粗缆 或小同轴电缆 俗称细缆 来组网 并广泛应用于局域网中 同轴电缆由内导体 绝缘层 屏蔽层及外部保护层组成 其结构如图2 14所示 同轴电缆的最大优点是抗干扰性强 而且支持多点连接 缺点是物理可靠性不好 所以现在基本上已被双绞线所替代 2 2传输介质 按特性阻抗分类 基带同轴电缆 50 为数据通信传送基带数字信号局域网宽带同轴电缆 75 用于传送模拟信号有线电视系统 按电缆直径分类 粗同轴电缆适用于比较大型的局部网络 它的标准距离长 可靠性高 由于安装时不需要切断电缆 因此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置 但粗缆网络必须安装收发器电缆 安装难度大 所以总体造价高 细同轴电缆安装则比较简单 造价低 但由于安装过程要切断电缆 两头须装上基本网络连接头 BNC 然后接在T型连接器两端 所以当接头多时容易产生不良的隐患 这是目前运行中的以太网所发生的最常见故障之一 2 2传输介质 细缆 2 2传输介质 细缆 BNC桶型接头 用于连接两段细同轴电缆 如图所示 BNC连接器及插头 终端匹配器 2 2传输介质 粗缆 铜缆或铜线连接到以太网的示意图 主机箱 主机箱 主机箱 双绞线 集线器 BNCT型接头 收发器电缆 网卡 插入式分接头 MAU MDI 保护外层 外导体屏蔽层 内导体 收发器 DB 15连接器 BNC连接器插口 RJ 45插头 2 2数据传输介质 2 双绞线 TwistedPair 双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2根 4根或8根绝缘导线组成 一对线可以作为一条通信线路 各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小 双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体 它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输 最适合于较短距离的信息传输 当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变 这时就要使用中继器 Repeater 来放大信号和再生波形 双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的 并且安装简单 所以得到广泛的使用 在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体 双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 和屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 2 2传输介质 2 2传输介质 4 1991年 美国电子工业协会 EIA 颁布了EIA 568标准 即商业大楼的通信布线标准 EIA 568 A有三种UTP电缆 3类 UTP电缆及其端接设备的传输频率定义为16MHZ 4类 UTP电缆及其端接设备的传输频率定义为20MHZ 5类 UTP电缆及其端接设备的传输频率定义为100MHZ 3类UTP电缆对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆 在有限的距离内 经过适当的设计 数据速率可以达到16Mbps 5类是数字级电缆 现正成为新建大楼的预装设施 在一定的范围内 经过适当的设计 5类电缆可以达到100Mbps速率 3类和5类UTP的关键差别在于单位距离上的螺旋的数目 5类旋得较紧 一般为每英寸3 4转 而3类则一般是每英尺3 4转 旋得越紧 价格越贵 但性能也好得多 实际使用时 双绞线是由多对双绞线一起包在一个绝缘电缆套管里的 典型的双绞线有四对的 也有更多对双绞线放在一个电缆套管里的 这些我们称之为双绞线电缆 线缆的二头分别按一定的线序压在RJ45水晶头内 这也就是通常大家说的 网线 2 2数据传输介质 3 光纤 Fiber 光纤是光导纤维 FiberOptics 的简称 采用光导纤维作为传输介质 是网络传输介质领域中发展最快 性能最好 应用前途最广泛的一种 光纤分为单模 8 3 125um 和多模 50 125um 62 5 125um 两种 光传播特性 折射 临界角 反射 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 纤芯的折射率比包层稍高 损耗比包层更低 光能量主要在纤芯内传输 包层为光的传输提供反射面和光隔离 并起一定的机械保护作用 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2 光能量在光纤中传输的必要条件是n1 n2 必要条件 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 可见光部分波长范围是 390 760nm 纳米 大于760nm部分是红外光 小于390nm部分是紫外光 光纤中应用的是 850nm 1310nm 1550nm三种 光纤损耗一般是随波长加长而减小 2 2传输介质 b 光纤通信原理 光发射源LightEmittingDiode LED 发光二极管InjectionLaserDiode ILD 注入型激光二极管光接收端 光电二极管 光传输系统 c 根据光在光纤中传输方式的不同分为 单模光纤和多模光纤d 光纤通信的优点 轻便 低衰减 电磁隔离 所谓 模 是指以一定角速度进入光纤的一束光 多模光纤允许多束光在光纤中同时传播 从而形成模分散因为每一个 模 光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同 这种特征称为模分散 限制了多模光纤的带宽和距离成本比较低 一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境下多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折射率和渐变型折射率 传输模式 多模突变 Multimodestep indexfiber 发光管以大于临界角发射的所有光都在光缆包层接口进行反射 并通过多次内部反射沿纤心传播 折射率基本上是平均不变 而只有在包层 cladding 表面上才会突然降低 传输模式 多模渐变 芯的折射率 refractionindex 于芯的外围最小而逐渐向中心点不断增加 从而减少讯号的模式色散 光纤的散射通过使用具有可变折射率的纤心材料来减小 折射率随离开纤心的距离增加导致光沿纤心的传播好象是正弦波 Multimodegraded indexfiber 传输模式 单模 单模光纤 将纤芯直径减小到光波波长大小时 则只有轴向的光线能通过 Single modefiber 多模光纤与单模光纤 多模光纤 单模光纤只能允许一束光传播 所以单模光纤没有模分散特性单模光纤的纤芯相应较细 传输频带宽 容量大 传输距离长 但因其需要激光源 成本较高单模光纤接收的信号与输入的信号最接近 多模渐变型次之 多模突变型接收的信号散射最严重 因而它所获得的速率最低 单模光纤是当前计算机网络中研究和应用的重点 也是光纤通信与光波技术发展的必然趋势 高锟 获得2009年诺贝尔物理学奖的华裔科学家 10月6日 瑞典皇家科学院宣布 将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德 博伊尔和乔治 史密斯 高锟获奖 是因为他在 有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面 做出了突破性成就 高锟被誉为 光纤之父 早在 年 高锟就在一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理论 简单地说 就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤 取代铜导线作为长距离的通讯线路 这个理论引起了世界通信技术的一次革命 随着第一个光纤系统于 年成功问世 高锟 光纤之父 美誉传遍世界 由于他取得的成果 有超过10亿公里的光缆以闪电般的速度通过宽带互联网 为全球各地的办事处和家居提供数据 传输媒体小结 37 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况 数据 模拟数据 数字数据信号 模拟信号 数字信号信道 模拟信道 数字信道 2 3数据调制与编码 38 模拟传输和数字传输 39 用数字信号承载数字或模拟数据 编码用模拟信号承载数字或模拟数据 调制 编码 编码与调制的区别 1 解码 40 调制 编码与调制的区别 2 解调 2 3 1数字数据的数字编码 数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示 是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法 常用的编码方式主要有3种 不归零编码 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 1 不归零码 Non ReturntoZero NRZ 不归零码是一种全宽码 即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流 每一位码占全部码元的宽度 NRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束 收发双方不能保持同步 为保证收发双方的同步 必须在发送NRZ码的同时 用另一个信道同时传送同步信号 如果信号中 1 与 0 的个数不相等时 存在直流分量 42 曼彻斯特编码 ManchesterCode 用电压的变化表示0和1 规定在每个码元的中间发生跳变 高 低的跳变代表0 低 高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变 接收端可将此变化提取出来作为同步信号 这种编码也称为自同步码 差分曼彻斯特编码 DifferentialManchesterCode 每个码元的中间仍要发生跳变用码元开始处有无跳变来表示0和1 有跳变代表0 无跳变代表1 曼彻斯特编码的特点 43 三种数字编码的波形图 2 3 2数字数据的模拟调制 调制解调器 数据经过模拟传输系统后会出现差错 传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的 只适用于传输音频范围 300Hz 3400Hz 的模拟信号 无法直接传输计算机的数字信号 为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输 必须首先将数字信号转换成模拟信号 采用模拟信号传输数据时 往往只占用有限的频带 对应基带传输将其称为频带传输 将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制 将调制设备称为调制器 modulator 将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调 将解调设备称为解调器 demodulator 同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器 modem 47 数字数据的调制编码 常用的三种调制技术 幅移键控ASK AmplitudeShiftKeying 频移键控FSK FrequencyShiftKeying 相移键控PSK PhaseShiftKeying 基本原理 用数字信号对载波的不同参量进行调制载波S t Acos t S t 的参量包括 幅度A 频率 初相位 调制就是要使A 或 随数字基带信号的变化而变化 2 3 1数字数据的模拟调制 数字数据的调制基于调幅 调频 调相3种调制技术 分别称为振幅键控 移频键控和移相键控 图2 10显示了对数字数据 010010 进行不同调制方法的波形 图2 10数字数据的调制原理示意图 数字数据的模拟调制 1 振幅键控 Amplitude ShiftKeying ASK 振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1 0 例如 我们可以用载波幅度Um表示数字1 用载波幅度0表示数字0 ASK信号波形如图2 10 a 所示 其数学表达式为 2 移频键控 Frequency ShiftKeying FSK 移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1 0 例如 我们可以用角频率 1t表示数字l 用角频率 2t表示数字0 FSK信号波形如图2 10 b 所示 u t Um sin 1t 数字1 0数字0 u t 振幅键控ASK信号实现容易 技术简单 但抗干扰能力较差 2 3 2数字数据的模拟调制 其数学表达式为 由于移频键控FSK信号实现容易 技术简单 抗干扰能力较强 是目前最常用的调制方法之一 3 移相键控 Phase ShiftKeying PSK 移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1 0 如果用相位的绝对值表示数字信号1 0 则称为绝对调相 如果用相位的相对偏移值表示数字信号1 0 则称为相对调相 Um sin 2t 数字0 Um sin 1t 数字1 u t 2 3 2数字数据的模拟调制 Um sin t 0 数字1 接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数字信号值 绝对调相波形如图2 10 c 所示 绝对调相 AbsolutePSK 在载波信号u t 中 为载波信号的相位 当表示数字1时 取 0 当表示数字0时 取 这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示 Um sin t 数字0 u t 相对调相 DifferentialPSK 是用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号 最简单的相对调相方法是 两比特信号交接处遇0 载波信号相位不变 两比特信号交接处遇1 载波信号相位偏移 相对调相波形如图2 10 d 所示 模拟信号PAM信号PAM信号数字信号 2 3 3模拟数据的数字编码 模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码方法 由于数字信号传输失真小 误码率低 传输速率高 便于计算机存储 所以将模拟数据数字化已成为必然趋势 模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制 PulseCodeModulation PCM PCM的工作过程包括3个步骤 采样 量化与编码 其相应的波形信号如图2 13所示 图2 13PCM脉冲编码调制过程示意图 2 2 3模拟数据的数字编码 1 采样 Sampling 采样是模拟信号数字化的第一步 模拟信号是电平连续变化的信号 采样是隔一定的时间间隔 将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本 让其表示原来的信号 采样频率f应为 f 2B或f l T 2 f式中 B为通信信道带宽 T为采样周期 f为信道允许通过的信号最高频率 2 量化 Quantizing 量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程 经量化后的样本幅度为离散的量化级值已不是连续值 量化的目的是为每一个PAM信号设定一个信号值 2 2 3模拟数据的数字编码 量化之前要将信号分为若干量化级 同时 要规定好每一级对应的幅度范围 若量化范围在0 127 则每个采样用7位二进制 27 128 来表示 量化速率需要56000bps 8000 7 若量化的范围在0 255 则每个采样用8位二进制 28 256 来表示 量化速率需要64000bps 8000 8 3 编码 Encoding 编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级 为了能精确地还原成原来的模拟信号 量化值编码在传送数字至数模转换器时 其速率必须和采样时一样 经过转换后 信号才会和原来模拟信号波形接近 例 声音的带宽为4000Hz 采用频率为8000次 s 用8位二进制编码 则信道的数据传输速率为 8 8000 64000bps 64kbps 55 PCM转换过程举例 采样 量化 编码 2 4数据通信方式 在设计一个数据通信系统时 还要回答以下三个问题 1 是采用串行通信方式 还是采用并行通信方式 2 是采用单工通信方式 还是采用半双工或全双工通信方式 3 是采用同步通信方式 还是采用异步通信方式 2 2 4串行传输与并行传输 1 并行传输 ParallelTransmission 并行传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上传输 将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去 这种工作方式称为并行通信 图并行传输示意图 优点 不需要额外措施即可实现收发双方的字符同步缺点 需要的传输信道多 设备复杂 成本高适用范围 用户计算机和其他高速数字系统 特别适于在设备之间距离较近时采用 较远的情况 2 4 1串行传输与并行传输 2 串行传输 SerialTransmission 串行传输是指数据以串行方式 在一条信道上传输 在计算机中 通常是用8位的二进制代码来表示一个字符 将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序 依次发送 图串行传输示意图 优点 易于实现 比较便宜 用在长距离连接中更加可靠 缺点 需外加同步措施来保证字符同步 速度慢 数据通信按照信号传送方向与时间的关系 可以分为三种 单工通信 半双工通信 全双工通信 在单工通信方式中 信号只能向一个方向传输 任何时候都不能改变信号的传送方向 只能向一个方向传送的通信信道 只能用于单工通信方式中 例 无线电广播 电视节目的传送 寻呼系统等 2 4 2数据传输方