计算机网络和数据通信课件

1、计算机网络与数据通信第3章 数据传输技术 3.1 概 述通信的历史 电报和电话 数据通信 ARPANET 3.2 数据传输的电学基础模拟传输方式 优缺点数字传输方式 优缺点基带网与宽带网(模拟信号) 区别逻辑信道 信号要求 3.2 数据传输的电学基础基带传输与频带传输 区别基带直接传输 频带传输优点 模拟传输 3.2 数据传输的电学基础各电平标准的高低电平定义 TTLCMOS：对称性 RS-232C：噪声容限 RS-422A：没有参考地线 20mA电流环：电流标准 3.3 数据传输的基础知识 并行传输与串行传输3.3 数据传输的基础知识同步、同步过程串行、并行传输中的同步问题 同步技术并行传输

2、增加几条交互的控制信号线（握手信号） 。串行通信为了节省信道，不能外加控制信号，通过严密的通信协议来保证同步。 位同步、字节同步、帧同步3.3.3 单工通信与双工通信（串行）（1）单工（2）半双工方式（3）全双工方式3.3.4 同步传输与异步传输 （串行）异步传输 原理：字符独立传输、字符间间隔任意长、各比特固定时间以字符为单位传输数据在字符的开头加1位起始位,在末尾加1到2位的终止位,有时还可加1位校验位. 缺点辅助位收发双方时钟差异（低速传输）5-8 数据位起始位奇、偶或没用1-2位、时间停止10保持空闲或下一个起始位(a)字符格式1 1 1 1 0 0 0 11 1 0 1 0 0 1

3、1起始位停止位(b)8位异步字符流两个字符之间不可预测的时间间隔线路空闲状态起始位停止位接收器检测新字符的开始每位中心抽样接收端的同步是利用起始位的从1到0的固定跃变，启动内部的时钟电路，然后对各个位依次抽样判决而取得同步的。字符之间的不确定方式起始位停止位停止位停止位起始位起始位同步原理 优点 实现简单，无需预先建立系统的同步； 缺点 传输效率低3.3.4 同步传输与异步传输 （串行）同步传输 原理：固定的时钟节拍（帧同步字符）数据块为单位高速传输 防止发送器和接收器之间时间漂移方式同步传输大量的位以稳定流发送，没有起始位也没有停止位。发送器和接收器必须同步它们的时钟才能使接收器知道新字节的

4、开始。在发送器和接收器之间提供单独的时钟线将时钟信息嵌入到数据信号中 同步传输中的另一级同步 使接收器确定一块数据的开始和结束。同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符间无间隙。每个比特与时钟信号严格一一对应。preamblepostambledata 同步通信的分类面向字节协议采用ASCII字符(如SYN，SOH及ETX)来控制数据块的传输。面向比特协议以一个稳定的位流来传输数据。采用一个特殊的标志01111110来定界帧。数据块(帧)： 数据前后同步码控制信息首先，接收端要从接收到的数据流中正确区分每个比特，即位同步。然后，在位同步的基础上实现帧同步。发送器在每个字符块之前插入两个或多

5、个控制字符 面向字节协议数据块以字符方式(通常为ASCII)出现；帧中的所有附加信息也为字符形式。每一块用一起始标志来达到同步。主要用来同步字符块接收器通过检测SYN来识别一帧的开始同步空闲或SYN字符3.4 数据的调制与编码 编码信号编码：在长距离传输中，为减少在特定的介质中的传输损耗和干扰，需要将传输的信号进行转换，使之成为适于在该介质上传输的信号。数字数据数字信号编码方法减少损耗与干扰数字数据的模拟信号编码（调制）减少信号带宽 3.4 数据的调制与编码 调制定义：固定频率的正弦波3.4.3 常用码型单极性不归零码单极性归零码 3.4.3 常用码型双极性不归零码双极性归零码 3.4.3 常

6、用码型差分编码 曼彻斯特码3.4.3 常用码型交替反转码 3.5 多路复用技术 多路复用的目的：有效利用通信资源，实现信道共享。主要包括频分复用、时分复用和码分复用等技术。频分复用(FDM)用途：模拟信道原理：带宽分割，频谱迁移，隔离频带工作过程：分割频带，变频处理，频段分配3.5 多路复用技术 时分复用(TDM)用 途：数字信道原 理：将时间分成若干个时隙，每个时隙分配给不同的用户，在任意时刻整个通路上只有一个特定的用户信号。应 用：语音信号的传输包括同步时分复用和异步时分复用 3.5 多路复用技术ABCD待发数据t1 t2 t3A1B1C2B2周期1周期2异步TDM可用带宽A1B1C1D1

7、C2D2A2B2周期1周期2同步 TDM带宽浪费3.5 多路复用技术波分多路复用 光具有不同的波长的特征 3.5 多路复用技术多路复用特点：静态地分配 不足之处：信道的利用率不高 集中传输 思路：动态按需分配子信道 （地址信息 ） 设备要求：缓冲存储 3.6 传输介质-有线介质 双绞线 屏蔽线STP非屏蔽线UTP 也称双扭线 由两根互相绝缘的铜导线 用规则的方法扭绞起来构成 南京大学计算机科学与技术系2019年2月双绞线(Twisted-pair)扭曲长度 Twisted Pair - ApplicationsMost common mediumTelephone networkBetween

8、 house and local exchange (subscriber loop)Within buildingsTo private branch exchange (PBX)For local area networks (LAN)10Mbps or 100MbpsTwisted Pair - Pros and ConsCheapEasy to work withLow data rateShort rangeUnshielded and Shielded TPUnshielded Twisted Pair (UTP)Ordinary telephone wireCheapestEas

9、iest to installSuffers from external EM interferenceShielded Twisted Pair (STP)Metal braid or sheathing that reduces interferenceMore expensiveHarder to handle (thick, heavy)UTP(Unshielded Twisted-Pair )电缆南京大学计算机科学与技术系2019年2月Physical UTPSTP(Shielded Twisted-Pair)电缆南京大学计算机科学与技术系2019年2月STP Physical St

10、ructurePhysical STPANSI/TIA/EIA-568 为UTP规定的类别Anixter公司的UTP电缆等级10BASE-T Media Specification10BASE-TOther Media Specifications for Twisted-Pair 100BASE-TX 2对STP或5类UTP 100m100BASE-T4 4对3、4或5类UTP 100m1000BASE-T 4对5类UTP 25m1000BASE-CX 双向独立STP 25mAvaya Gigaspeed UTP Wires南京大学计算机科学与技术系2019年2月10BASE-T100BAS

11、E-TX/T41000BASE-TUTP 连接器南京大学计算机科学与技术系2019年2月RJ-11RJ-45RJ-12Avaya RJ-45 Jakes南京大学计算机科学与技术系2019年2月Avaya UTP Inside of RJ45 Jack南京大学计算机科学与技术系2019年2月4对线的UTP与RJ-45的连接 RJ-45 UTP线对引脚线 颜色 1 浅绿 2 绿 3 浅黄 4 蓝 5 浅蓝 6 黄 7 浅棕 8 棕T R T R T R T R1 2 3 4 5 6 7 8对3对4对2对14对线的UTP与RJ-45的另一种可选连接T R T R T R T R1 2 3 4 5 6

12、 7 8对2对4对3对1 RJ-45 UTP线对引脚线 颜色 1 浅黄 2 黄 3 浅绿 4 蓝 5 浅蓝 6 绿 7 浅棕 8 棕RJ-45周期方波信号的形成 周期方波信号的形成 3.6 传输介质-有线介质同轴电缆粗同轴电缆 简称粗缆，用于传送基带数字信号.细同轴电缆 简称细缆，也用于传送基带数字信号。 最大传输距离不及粗缆，但因比粗缆 便宜而被广泛使用。TV电缆 用于模拟传输系统，它是社区天线电 视系统(CATV)中的标准传输电缆。 采用的是频分复用的宽带信号。同轴电缆的种类 同轴电缆技术性能10BASE5 Media Specification Thick Coaxial Cable10

13、BASE5介质连接单元 连接单元接口 Transceiver10BASE2 Media SpecificationThin Coaxial Cable10BASE2铜轴电缆接插件TV Cable75 Ohm10Broad36 Media Procedure DPSK南京大学计算机科学与技术系2019年2月双绞线减少相邻导线间的串扰。主要缺点是存在较强的趋肤效应，随着传输速率的增加，导线中的电流趋向于在导体的外层流动，从而减少可使用的有效截面积，增大导线的电阻和信号的衰减。双裸线构成的线路的串扰现象非常严重。优缺点同轴电缆由于外导体的作用，外来的电磁干扰被有效地屏蔽了，因此具有很好的扰干扰特性，

14、并且因趋肤效应所引起的功率损失也大大减小。同时，与双绞线相比，同轴电缆具有更宽的带宽和更快的传输速率。南京大学计算机科学与技术系2019年2月3.6 传输介质-有线介质光纤Refraction南京大学计算机科学与技术系2019年2月折射角R比入射角I小 折射角R比入射角I大Critical Angle (全反射角)从高密度媒质进入到低密度媒质的光线，随着入射角增大，折射角也增大，并逐渐远离垂直轴而靠近水平轴入射角的变化使折射角增大到90度，折射光线完全成了沿媒质界面传播水平光线，此时的入射角称为临界角，或称全反射角南京大学计算机科学与技术系2019年2月Reflection (反射)对于从高密

15、度媒质到低密度媒质的光线，当入射角大于全反射角时，就产生了反射光线再不会进入低密度媒质，此时反射光线与法线之间的夹角称为反射角在此情况下，入射角总是等于反射角南京大学计算机科学与技术系2019年2月光纤的导光原理光纤利用全反射将光线在信道内定向传输光纤中心是密度较高的石英玻璃（二氧化硅）或塑料的纤芯，外面覆盖着密度较小的石英玻璃或塑料的包层两种材料的密度差异必须保证能够使纤芯中的光线只能反射回来而不能折射入包层光纤南京大学计算机科学与技术系2019年2月3.6 传输介质-有线介质分类单模光纤：大容量，长距离多模光纤：损耗 吸收损耗 散射损耗光纤的传播模式多模传播多束光线从光源经由芯材通过不同的

16、光路传播；按折射率分布的不同分为两种类型阶跃模式 n1、n2都为常数且n1n2渐变模式 n2为常数且n1随r增加而有规律减小单模传播阶跃模式，因纤芯直径很小，入射角与反射角很大，几乎是沿轴线直线传播南京大学计算机科学与技术系2019年2月光纤的种类按照折射率分布的不同来分南京大学计算机科学与技术系2019年2月 如果光纤只能传输一个光线模式，这种光纤称为单模光纤（Single Mode fiber，简称SM）。 如果光纤允许光线中的多个模式传输，这种光纤称为多模光纤（Multi Mode fiber，简称MM）。 再根据光纤的折射率分布的不同，多模光纤又分为多模阶跃型光纤和多模渐变型光纤。南京

17、大学计算机科学与技术系2019年2月按照传输模式的多少来分Multimode Step-Index南京大学计算机科学与技术系2019年2月光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于近距离传输Multimode Graded-Index南京大学计算机科学与技术系2019年2月光线以曲线形状传输，脉冲信号畸变相对较小，比阶跃型传输距离更大，传输距离更长Single Mode南京大学计算机科学与技术系2019年2月光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距离高速传输，当前光纤发展的主流光纤的传输特性损耗特性 （类似于衰减）吸收损耗（材料中杂质吸收）散射损耗（材料、形状、折射率分布有缺陷或不均匀）主要是瑞

18、利散射：光纤材料折射率的随机性变化色散特性（类似于时延失真）材料色散（材料折射率随频率变化引起）波导色散（几何结构、形状不完善使光进入包层传播）模式色散（多模光纤的主要色散，单模光纤无）南京大学计算机科学与技术系2019年2月光纤的优点 1.传输的形式是光，所以光纤不会引起电磁干扰也不会被干扰。2.因为玻璃纤维可以被制成能反射光纤内绝大多数的光，所以光纤传输信号的距离比导线所能传输的距离要远得多。3.因为较之电信号，光可以对更多的信息进行编码，所以光纤可在单位时间内传输比导线更多的信息。4.与电流总是需要二根导线形成回路不同，光仅需一根光纤即可从一台计算机传输数据到另一台计算机。 3.6 传输

19、介质-无线介质 无线电波 微波和卫星（穿透性差、直线传播） 射线无线电微波红外线X射线f(Hz)10010210410610810101012101410161018102010221024紫外线可见光f(Hz)104105106107108109101110131014101610101012LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段1015(6)海事无线电(7)调幅无线电(8)调频无线电(9)电视(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(1)双绞线(2)卫星(3)光纤(4)同轴电缆(5)地面微波微波 超出无线电和电视所用的频率范围的微波也能用于传播信息，许多长途电话公司使

20、用微波传输电话通信。一些大公司也安装了微波通信系统作为公司网络的一部分。虽然微波就是频率较高的无线电波，但它们的性质并不相同。与无线电波向各个方向传播不同，微波传输集中于某个方向，可以防止他人截取信号。但是，微波不能穿透金属结构。微波传输在发送和接收器之间存在无障碍的通道时工作得很好，因此，绝大多数微波装置都设有高于周围建筑物和植被的高塔，并且其发送器都直接朝向对方高塔上的接收器 。卫星无线电波传播方式球面传播 长波通过紧靠地球表面的大气最低层传播对流层传播 中波对流层是离地面30英里的大气层(包括同温层)信号直线传播或通过对流层反射两种传播方式电离层传播 短波电离层是对流层之上太空之下的大气层信号通过电离层反射视线传播 地面微波天线与天线相向直线传播空间传播 空间微波采用卫星代替大气折射2019年2月南京大学计算机科学与技术系3.6 传输介质-无线介质 红外线 电视和立体声系统所使用的遥控器是用红外线（ Infrared）进行通信。红外线一般局限于一个很小的区域（例如，在一个房间内）并且通常要求发送器直接指向接收器。红外硬件与采用其他机制的设备比较相对便宜，且不需要天线。计算机网络可以使用红外技术进行数据通信。例如，为一