数据通信的基本原理与技术网络的功能是依靠数据的课件

第二章数据通信的基本原理与技术网络的功能是依靠数据的传输来实现的，本章将介绍数据通信的基础知识，包括数据编码与传输、数据的交换技术、多路复用技术、差错控制等内容。2.1数据传输基础2.1.1数据传输系统信息：是对客观事物全部或部分特性的描述。可以是事物的形态、大小、结构、性能，还可以是相互关系等的描述。存在形式有多种，如文字、声音、图象等。数据：数字化的信息称为数据。数据是信息的载体，信息是数据的内涵。1第二章数据通信的基本原理与技术1模拟数据：具有连续值的数据称为模拟数据。如声音的强度、灯光的强度等。数字数据：其值是离散的数据称为数字数据。如成绩、名次等。信号：是数据的电编码或电磁编码。模拟数据的编码是模拟信号，是连续变化的电磁波；数字数据的编码是数字信号，是一串电压脉冲序列。两种信号可以互相转换。信号可以在传输媒体（介质）上传输。如双绞线、同轴电缆、光缆等。目前构成计算机网络的计算机与终端设备都是数字式的，它们之间交换的信息均属于离2模拟数据：具有连续值的数据称为模拟数据。如声散的数字序列(例如0101101…)的形式。数据通信系统所要传输的数据信息(包括控制信息)就是这些二进制序列。而在通信线路上既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。数据传输系统的模型如图2.1.1所示。3散的数字序列(例如0101101…)的形式。数据通信系统所要两端的计算机（终端）是信息源或信息宿。编(译)码器是将计算机的并行数据转换成适合线路传送的串行数据序列，或将串行数据序列转换成并行数据。有时为了适应控制规程还需要加入其他代码。信号变换器是将编(译)码器输出的编码信号转换成适合于信道传输的模拟信号，或将信道传输的模拟信号变换为待译码信号，信号变换器通常为调制解调器。2.1.2信道信道(channel)：是通信中传输信息的通道，它由相应的发送信息和接受信息的设备以及传输介质组成。同一传输介质可有多个信道。4两端的计算机（终端）是信息源或信息宿。4信道分类：按信号类型可分为模拟信道、数字信道；按用途分可分为专用信道(租用)和公共信道；按传输介质可分为有线信道、无线信道。1．信道带宽(band)信道带宽是指信道上能传送信号的最大频率（每秒钟信号变化的周期数），单位以Hz（赫兹）表示。（注意：频率、周期、波长的关系）大家知道，电信号都是以光速传输，即3×108m／s。对于一个方波信号而言，如果其宽度为3×108m，那么每秒钟只能传输一个二进制比特。如果信号的宽度为100m，那么每秒钟能传输3×108／100=3×106个二进制比特。如果带宽为4000Hz，表示该信道最多5信道分类：按信号类型可分为模拟信道、数字信道可以以每秒4000次的速率发送信号，见图2.1.2。又如电话信道的带宽是300Hz－3400Hz。6可以以每秒4000次的速率发送信号，见图2.1.2。2．信道容量(Capacity)信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，单位用bps（或b/s）表示。噪声：干扰信号即为噪声。噪声有四种：(1)热噪声：在通信设备和介质中电子的热震动引起的噪声，也称为白色高斯噪声，其值为n0＝kT，k为玻耳兹曼常数≈1.3807×10-23焦/开，T为温度，开（开氏温标，绝对温标,0℃＝273.15开）。(2)内调制杂音：同一信道中，两个频率的信号和与第三个信号的频率相近或相同，将干扰第三个信号。(3)串扰：由电耦合产生。(4)脉冲噪声：意外的电磁干扰。72．信道容量(Capacity)7任何信道都存在噪声，因此信道带宽的增加，不能无限增加信道的容量。香农(Shannon)在1948年给出了著名的香农定理，指出了信道带宽与容量之间的关系。C＝Wlog2(1+S/N)(bps)C：信道容量，W：信道带宽，S／N：信噪比，S：信号功率，N：噪声功率。(1)信噪比S/N一般用分贝dB表示，dB＝l0logl0(S/N)。若信噪比为10dB，则l0log10(S/N)＝10，S/N＝10；若信噪比为20dB，则l0log10(S/N)＝20，S/N＝102；若信噪比为30dB，则l0log10(S/N)＝30，S/N＝103；8任何信道都存在噪声，因此信道带宽的增加，不提高信噪比能提高信道容量。(2)当噪声功率N→0时，信道容量→∝，此时每秒所能传输的最大比特数D由奈奎斯特(Nyquist)定理决定。D＝2Wlog2K(bps)K为传输系统所采用的逻辑值数，如使用二值逻辑(0，1)，K＝2，D＝2W。(3)在有噪声的情况下，增加信道带宽不能无限增大信道容量。当噪声为白色高斯噪声时，其噪声功率N＝Wn0(n0为单位功率密度，与温度有关)。从而使得limC＝limWlog2(1+S/(n0W))＝(S/n0)log2e＝1.44(S/n0)W→∝9提高信噪比能提高信道容量。9(4)信道容量一定时，提高信噪比与提高带宽具有等价意义。由香农定理，我们可以推知：(1)近距离传输时，如果噪声较小，信号功率损耗低，可以采用未经调制的信号直接传输。此时所传输的信息量只与信号带宽有关。(2)远距离传输时，必须提高信噪比。除了选择好的信号调制方式外，更重要的一点就是提高信号功率，例如使用中继器。(3)当信道容量一定时，如果信号频率过低，则造成信道浪费，可使不同的信息源共享信道，即信道复用。10(4)信道容量一定时，提高信噪比与提高带宽具[例1]一条带宽为3kHz，信噪比为30dB的信道，①其信道容量为多少?②如传输一幅画面，有2.25×106个像素、256种颜色的图片，需要传输多长时间?解：(1)根据香农定理C＝Wlog2(1+S／N)＝3×l03log2(1+1000)＝3×103×3.32log101001≈29.9×103bps(2)256色使用二进制数需要8位，因此一幅图片要传输的信息量为：2.25×106×8＝18×106比特传输时间为：需要传输的信息量／信道容量11[例1]一条带宽为3kHz，信噪比为318×106／(29.9×103)≈6.02×102秒≈10分2.1.3传输速率1．波特在数据系统中，每秒钟传送的脉冲数Nb即为波特，可用下式表示：Nb＝1／Ts(波特)式中，Ts表示脉冲宽度，单位为s。2．比特／秒(bps)比特／秒是信息系统每秒钟所传送的信息量，也称为数据传输速度或信息速度。若信息传送的是二进制码元，则波特与比特／秒是相同的。1218×106／(29.9×103)≈6.02.2数据传输方式数据是信息的载体。在通信中，数据需要变成可在传输介质上传输的信号来发送，信号是数据的电或电磁的编码，分模拟和数字两种。数据的传输可采用不同的形式，本节将对各种通信方式进行简要的介绍。2.2.1数字数据通信与模拟数据通信数字数据通信：以数字信号在信道中传输数据称为数字数据通信。一般以高电平代表1，以低电平代表0，是一串电压脉冲方波序列。模拟数据通信：以模拟信号在信道中传输数据称为模拟数据通信。模拟信号采用载波信号传输，一般采用正弦波。参见图2.2.1。132.2数据传输方式13图2.2.1数字信号和模拟信号14图2.2.1数字信号和模拟信号14信号在传输一定距离后，会由于波幅的衰减、噪声的介入而失真，需要每隔一定距离将信号中继放大，但同时噪声也得到了放大，引起误差，且误差是沿途累加的。对于模拟信号，这种失真是不可避免的。而数字信号只要在信号还能辨认时还原，放大后再传送，信号的正确性将不受影响。但数字信号比模拟信号易衰减，且数字信号不能用卫星系统或微波系统发送。模拟信号和数字信号可以互相转换，因而可以用两种信号来传输。利用调制解调器(Modem)，可以把数字数据转变成模拟信号来表示，调制解调器通过一个载波频率把一串二进制电压脉冲转换成模拟信号。大多数通用的调制解调器都用音频频谱来表示数字数据，因此能使15信号在传输一定距离后，会由于波幅的衰减、噪声那些数据在普通的电话线上传播。在线路的另一端，调制解调器再把信号解调为原来的数据。模拟数据也可以用数字信号来表示。与调制解调器的功能相反，对于声音数据来说，可用编码解码器(CODEC)来完成这种功能。实际上，编码解码器接收一个直接表示声音的模拟信号，然后用二进制位流近似地表示这个信号。在线路的另一端，二进制位流被重新构造成模拟数据。2.2.2串行传输和并行传输串行传输：一次传送一个二进制位(即一个比特)，按照字符所包含的比特的顺序，依次传送，到达终点后，再由通信接收装置将其还原成字符。16那些数据在普通的电话线上传播。在线路的另一端，调制解调器再把并行传输：一次传送一个字节(即8个数据位)。因而并行传输要比串行传输快得多。并行传输在单位时间内传送的信息量比串行速度提高了很多倍。计算机网络中大多采用的是串行传输。为什么要采用串行传输呢？这是因为并行数据传送要求在两台互相通信的设备之间安装一根至少含有8条数据线的电缆。在短距离的情况下，当速度要求高时，还可采用。对于长距离的数据传送来说，一般采用串行传输方式。串行传输时，计算机或终端的输出设备将8位的数据同时送到串行转换设备上，而这些数据位则被依次送到目的端点。因此，在发送端，并行数据位流必须经过变换变成串行数据位流，在接收端又通过变换变回到并行数据位流。通信链路需进行大量的工作，被17并行传输：一次传送一个字节(即8个数据位)。传送的数据在接收端才可以使用。串行数据线有以下三种不同配置：(1)单向(或单工)配置，只允许数据向一个方向流动；如图2.2.2所示。18传送的数据在接收端才可以使用。18(2)半双向(或半双工)配置，允许数据向两个方向的任一方向流动，但是，在每一时刻只能朝一个方向流动，如图2.2.3所示。19(2)半双向(或半双工)配置，允许数据向两个(3)全双向(或全双工)配置，它允许数据同时向两个方向传送，因此，全双向配置是一对单向配置，它要求两端的通信设备都具有完整和独立的发送和接收能力，如图2.2.4所示。20(3)全双向(或全双工)配置，它允许数据同时2.2.3异步传输与同步传输在串行数据传送中，接收方必须与发送方以相同的速率在相同的起止时间内接收数据，才能保证接收到的数据是准确的。相同的速率可以预先定义，相同的起止时间需要在发送时告知接收方，这样的措施称为同步。常用的同步方式有：异步方式和同步方式。1．异步传输异步传输：是一次传输一个字符(5—8位)，在每个字符前加一个起始位，在结尾加一个（1位或2位）停止位，用于对传输的字符进行同步。见图2.2.5（a）212.2.3异步传输与同步传输21起始码为一位，编码为1（高电平），停止码为一位或两位(取决于数据的传输速率)，编码为0（低电平）。平时，没有数据发时，线路一直处于停止位（低电平）状态，接收方根据从0到1的跳变来识别一个新字符的开始，并开始接收字符，按约定接收完规定位（5－8位）后，线路转为停止位状态，而后等待接收下一位。这种方式，每个字符所含位数是相同的，起始位22起始码为一位，编码为1（高电平），停止码为一和停止位对字符起了同步作用，但字符间的间隔没有规定，因此对字符间来说是不同步的，所以称为异步传输。为了防止发送方和接收方的时钟漂移，它们的时钟必须同步。一种方法是在发送方和接收方之间提供一条单独的时钟线。另一种方法是把时钟信息放入数据信号中，对于数字信号，可以用曼彻斯特编码完成，对于模拟信号，可以根据载波频率的相位与接收方同步。这种通信方式简单而费用低，但速率低。2．同步传输同步传输是在要传输的一组字符前和后加一个或23和停止位对字符起了同步作用，但字符间的间隔没有规定，因此对字两个字符（称为同步字符，SYN），这样的传输称为同步传输。在前后SYN之间可以发送任意个字符，但为了避免漂移，在传输一定数量的字符（如几千个）后，需要再进行一下同步。见图2.2.5（b）。同步传输的特点：①由于消除了每个字符所带的同步位，因而传输24两个字符（称为同步字符，SYN），这样的传输称为同步传输。在速度高；②允许用户传送非8位组成的数据；③能够与采用同步方式通信的大型机进行通信；④由于同步通信的软、硬件价格较高，所以目前只应用于商业上。同步传输与异步传输的区别：①异步传输是以一个字节为单位发送的，对字符是同步的，但字符间是不同步的；②同步传输则是以成块数据传送的，可以是多个字节，也可以是多个位，因此，可以传送文字、声音和图象。25速度高；252.2.4基带与宽带传输基带传输采用数字信号发送，传输介质的全部频带被单个信号占用，是一种双向传输，适用于总线拓扑结构，可达几公里长度。宽带传输采用模拟信号发送，需要无线电频率调制，可采用FDMA频分调制技术，得到多个数据通道及音频、视频通道，是一种单向传输，适用于总线或树型拓扑，可达几十公里长度。电视信号使用的就是宽带传输，见图2.2.6。计算机局域网可采用基带及宽带两种形式传输。基带传输系统结构简单，不需用调制解调器，价格便宜。宽带传输系统容量大，结构灵活，覆盖范围大，但安装复杂，需要调制解调器，价格高。262.2.4基带与宽带传输2627272.3基带传输与频带(宽带)传输原理2.3.1数字数据的传输1．基带传输数字数据从原来的“0”或“1”的形式在信道上传输需要对数字信号进行一定的编码才能实现，常用的编码技术有以下几种：(1)不归零编码NRE(Non-ReturntoZero)：用正电位表示“1”，用负电位表示“0”，在一个二进制位的宽度电平上的表示不变，即中间没有跳变，见图2.3.1(a)。这是最容易的办法。但难以决定一位的开始与结束，需要有某种方法来使发送器与接收器保持同步。282.3基带传输与频带(宽带)传输原理28如果传输中1或0占优势的话，将会有累积的直流分量，会使连接点产生电腐蚀。(2)曼彻斯特（Manchester）编码：该码的每一位中间（1/2周期）都有一次跳变，该跳变既代表时钟，也代表数字信号的取值，当该跳变是由低电平向高电平跳变时，代表0，当该跳变是由高电平向低电平跳变时，代表1。曼彻斯特编码在需要时（如连续多个0或1）将在某位的开始边界进行一次跳变，为传输下一为作准备，该跳变既不代表时钟，也不代表信号，见图2.3.1(b)。(3)微分（差动）曼彻斯特编码：是改进的曼彻斯特编码，其特点是位中心的跳变仅提供时钟定时，用29如果传输中1或0占优势的话，将会有累积的直流分量，会使连接点每位开始时有无跳变表示数据，有跳变时表示“0”，无跳变时表示“1”，见图2.3.1(c)。微分曼彻斯特编码在每一位的中间必有一次跳变，该跳变仅代表时钟，不代表信号，而在位的开始是否有跳变才代表信号。上述两种编码的特点是：每一位时间间隔的中间有一次信号跳变。接收端可以利用这一跳变与发送端保持同步。由于时钟与数据均包含于信号数据流中，所以这种编码被称为自同步编码，。例如EIA电子业协会RS—232—C串口，用高电平表示0，低电平表示1，7个比特为一个字符。类似于NRZ码，其最大问题是当信号中出现一长串连续的1或连续的0信号时，接收方无法提取比特位同步信号。30每位开始时有无跳变表示数据，有跳变时表示“0”，无跳变时表示31312．频带传输为了将数字信号传输到较远的地方，必须对数字信号进行载波传输。否则信号功率将衰减，使得信号变弱，接收方无法接收。这个过程称为调制，可采用调幅、调频、调相三种方式。经过调制的数字信号传输到接收端后，还要通过滤波器滤掉相应的载波信号与干扰，从而恢复原基带信号。这一过程叫解调。调制解调器（Modem）是计算机网络的远程连接设备，采用正弦波作为载波信号。大家知道，正弦波由如下的数学表达式表示：

y=A*sin（2πft+ω0）322．频带传输32其中，A、f、ω0分别表示正弦波的振幅、频率和相位（初相），改变这三个参数的值，即形成了三个基本调制方式：调幅、调频和调相。(1)ASK(Amplitude—Shift－Keying)幅移键控法－调幅保持f、ω0不变，而改变A，即为调幅方式的调制解调。当信号为1时，保持A不变，当信号为0时，A改变为0（全调幅）或A/2（半调幅）。见图2.3.2(a)。33其中，A、f、ω0分别表示正弦波的振幅、频率这种调制方法可以把信号传输至几千甚至几万公里以外的地方。其实现起来成本低，因此在数字通信系统中大部分使用这种方法。(2)FSK(Frequency－Shift—Keying)频移键控法－调频保持A、ω0不变，而改变f，即为调频方式的调制解调。当信号为1时，选择频率为f1，当信号为0时，选择频率为f2。一般f1取信道带宽的高频部分，f2取低频部分。见图2.3.2(b)。34这种调制方法可以把信号传输至几千甚至几万公里以外的这种调制方法抗干扰能力强，但频带利用率低，用于较低速传送，在音频线路上为1200bps，在无线电传输中为3～30Mbps，也可用于高频同轴电缆局域网LAN中。(3)PSK(Phase—Shift—Keying)相移键控法－调相 保持A、f不变，而改变ω0，即正弦波在数字信号开始的边界改变初始相位，不同的初始相位代表不同的数字，此即调相方式的调制解调。根据ω0改变的大小，调相可分为： 2相制：ω0＝00，代表0，ω0＝1800，代表1；见图2.3.2(c)。35这种调制方法抗干扰能力强，但频带利用率低，用于较低 4相制：ω0＝00，代表00，ω0＝900，代表01，ω0＝1800，代表10，ω0＝2700，代表11。36 4相制：ω0＝00，代表00，ω0＝900，代表01，ω0 8相制：ω0＝00，代表000，ω0＝450，代表001，ω0＝900，代表010，ω0＝1350，代表011，ω0＝1800，代表100。ω0＝2250，代表101，ω0＝2700，代表110，ω0＝3150，代表111。 显然，4相制和8相制在不改变调制解调器速率的情况下，可以使传输速度提高2倍和4倍。PSK技术有较强的抗干扰能力，而且比FSK更有效。 此外，为了提高传输速率，充分利用带宽，多采用上述三种基本调制方式相组合的方式，如调相调幅（如8相4幅）的调制解调。37 8相制：ω0＝00，代表000，ω0＝450，代表001，2.3.2模拟数据的数字传输有些模拟数据，如声音，在接收端需转换为数字信号进行处理。有两种编码技术：脉冲码调制(PCMPulseCodeModulate)和增量调制(DMDeltaModulate)。目前大量采用的是PCM，尤其在现代电话系统中。PCM编码是以采样定理为基础的。采样定理指出：如果在规则的时间间隔内，以高于两倍最高有效信号频率的速率对信号进行采样的话，那么，这些采样值包含了原始信号的全部信息。声音数据限于4000Hz以下的频率，那么每秒8000次的采样可以完整地表示声音信号的特征。PCM包括三个步骤：采样、电平量化、编码，见图2.3.3382.3.2模拟数据的数字传输383939[例2]若用8位二进制量化，对4000Hz音频信号每秒采样8000次，则8000采样／每秒×8位＝64000位／每秒。即数据传输速率为64kbps，即一个话路PCM的信号速率。现在的数字传输系统都是采用PCM体制。由于历史上的原因，PCM有两种互不兼容的国际标准：北美的24路PCM(简称T1)标准与欧州的30路PCM(简称E1)标准。T1速率为1.544Mbps，E1速率为2.048Mbps。我国采用的是E1标准。为了有效地利用传输线路，通常将多个话路的PCM信号采用时分多路复用的方法合成一高速信号后再往线路上传输。E1是由30个用户话路及两个发送控制信息的话路合成的一次群。因此El的数据速率为32×64kbps＝2.048Mbps。40[例2]若用8位二进制量化，对4000Hz音当需要更高的数据率时，可以采用复用一次群的方法合成二次群。二次群有4个一次群合成时，其速率比4个一次群的总和要多些，因为复用后还需要一些控制信号。如果信道带宽允许，还可以再合成三次群、四次群等。表2.3.1给出了北美和欧洲数字传输系统的高次话路数和数据率。41当需要更高的数据率时，可以采用复用一次群的方表2．3．1数字传输系统高次群标准系统类型一次群二次群三次群四次群五次群北美体制符号T1T2T3T4话路数24966724032数据率1.5446.31243.736273.176欧洲体制符号E1E2E3E4E5话路数3012048019207680数据率2.0488.44833.368139.264565.148数据率单位：Mbps42表2．3．1数字传输系统高次群标准系统类型一次群二次群三次2.4数据交换技术图2.4.1给出了一个网络示例，其中方框部分是需要通信的设备，称为网络站(主机或终端)，圆圈部分是提供通信的设备，称为节点。这些中间节点并不关心数据内容，只是提供一个交换设备，通过交换设备把数据从一个节点传到另一个节点，直到目的地。数据交换通常使用四种技术：线路交换、报文交换、分组交换、信元交换。432.4数据交换技术4344442.4.1线路交换线路交换(circuitswitching)方式就是在需要通信的两个计算机之间实际建立一条物理通道，直接进行通信。这种交换方式和普通的电话系统是一样的。线路交换在通信时分三个阶段：链接，传输，拆除链接。特点：①交换机只负责各节点的链接，而不改变数据形式，也不存储，而直接传输。②数据速度传送快，时间延迟小，一次链接可传输大量数据，适用于远程成批处理和发送大量数据的场合。452.4.1线路交换45③通信速度在一定范围内也可以是任选的。④一旦建立连接，信道就为收发双方独占，通道可能空闲，线路利用率低。在图2.4.1中，为了把数据从A站发送到D站，可以通过A→④→①→②→③→D这条路径来传输，也可以从A→④→⑤→③→D这条路径传输，最经济的路径是后者。从A点到节点交换机④，经过交换机④的内部交换，从节点④传送到节点⑤，经过交换机⑤的内部交换，然后从节点⑤传送到节点③，再经过节点③的内部交换，最后传送到目的站D。在线路交换的网络中，每个节点是一台机电或电子的交换设备。46③通信速度在一定范围内也可以是任选的。462.4.2报文交换报文交换(messageswitching)就是发送方把要发送的数据和接收方的地址（目的地址）等信息合并组成待发信息（称为报文，见图2.4.2）发送到下一个节点，下一个节点将接收全部报文，并等待链路空闲时，按照目的地址转发到下一个节点，直到传输到目的地址。这种方式称为报文交换，也称为存储转发。472.4.2报文交换47特点：①信道可以被许多报文同时共享，线路使用效率高；②在网络通信量较大时，报文不会被拒收，而且当原报文不能通过网络时，报文被复制、编辑及存档；③两个数据传输速率不同的站也可以通过节点连接起来；而且报文可以多址发送；④不适合实时或交互通信，网络传输延迟时间较长。报文交换节点通常是一台通用的小型计算机，它具有足够的存储容量来缓冲进入的报文。一个报文在每个节点的延迟时间等于接收报文所需的时间加上等待所需的排队时间。48特点：482.4.3分组交换分组交换是发送方将发送的一个报文分割成若干规定长度的信息组（称为数据包，见图2.4.3），再把每个数据包按报文交换方式分别发送出去。每个数据包中需要加入分隔信息，接收方收到这些数据包后再将它们重新装配成完整的报文。492.4.3分组交换49分组交换有两种方式：数据报，虚电路。1．数据报发送方按报文交换方式发送每个数据包，每个节点都将存储转发，并为每个数据包选择一次路径，即使多个数据包的目的地址相同，也将根据线路拥挤情况选择不同的路径。接收方接收到数据包的顺序也不一定与分隔时的顺序相同，需根据数据包中的分隔信息恢复原数据。2．虚电路虚电路传输也需要三个阶段：（1）建立虚链接：发送方先发送一个“请求包”，请求包到达接收方（需要路径选择）所经过的路径便构成双方在网络中的一个逻辑链接。50分组交换有两种方式：数据报，虚电路。50（2）发送：发送方在收到对方应答后，按上述链接路径顺序发出各个数据包，各节点存储转发，不再进行路径选择，各数据包顺序到达接收方。（3）拆除虚链接：双方完成数据交换后，再以请求包的形式拆除虚电路。分组交换方式对用户来说，是以报文形式出现的，也即在接收端及发送端的信息是报文形式；而分组是面向网络的，是为方便传输采取的措施，无论是什么用户，在同一计算机网络中，其分组的格式是相同的。由于将报文分成了小的信息数据组，各组同时可通过不同的节点分别发送，因此提高了发送的速率。它的主要应用领域是快速查询和应答，例如，信用核实、电子转账及显示股票牌价等。51（2）发送：发送方在收到对方应答后，按上述链接路2.4.4信元交换异步传输模式ATM采用信元交换。报文是一固定长度的分组，称为信元。长度为53个字节，其中信元头占5个字节，主要是信元网络路由，信息域占48个字节。关于信元交换以后将详细讨论。此外，还有帧中继。帧也是报文的一种，帧的长度是可变的，包含有帧标志、目的地址、源地址、数据、帧校验等。关于帧中继以后将详细讨论。实际上，信元交换、帧中继都是一种具体的报文，均采用虚电路方式传输数据。2.5多路复用技术为了充分利用传输系统，人们希望同时携带多个522.4.4信元交换52信号来高效率地使用传输介质，这就是多路复用(multiplexing)。它把许多单一的信号在一个信道上进行传输，其作用相当于把一个传输介质划分成多个信道，以实现通信信道的共享。目前有四种技术：频分多路复用(FDMA，frequencydivisionmultiplexingaccess)、时分多路复用(TDMA，timedivisionmultiplexingaccess)、码分多路复用(CDMA，codedivisionmultiplexingaccess)以及波分多路复用(WDMA，wavelengthdivisionmultiplexingaccess)。2.5.1频分多路复用频分多路复用技术是把信道的频谱分割成若干个互不重叠的小频段，每个小频段都可以看作是一个子信道，每个子信道传输一路信号。如图2.5.1所示。53信号来高效率地使用传输介质，这就是多路复用(multiple5454从图中看出，每个频段是互不重叠的，而且相邻各频带之间留有一空闲频段，以保证数据在各频段间相互隔离并可靠地传输。采用频分多路复用技术时，数据在各个子信道上是以并行的方式传输的，也就是说通信信道上可以在各个子信道上同时传输不同的信息。传输信号的带宽与分配给每个子信道的带宽之间的转换是通过调制技术进行的。一个频分多路复用系统是由若干个并行通路组成的，每个通路均由调制器与相应的滤波器组成。由于各个通道是独立的，所以一个通道发生故障不至于影响其他通道。各个子信道上的信号同时传送至通信信道上，从而实现多路信号共享一个公用的通信信道之目的。55从图中看出，每个频段是互不重叠的，而且相邻各频带之电话系统采用的载波通信是频率复用的典型的例子。电话传输的信号大多数是人的语音，其频谱主要集中在0.3～3.4kHz。这就是说，如果采用了3.4kHz的带宽，语音信号不会有明显的失真。在载波电话系统中，用载波调制的方法实现频率的迁移，可以把若干路语音信号放置在频带的不同区段，用一条通信媒体送出。国际电报电话咨询委员会CCITT规定：一条电话线提供12条载波电话，每个话路4kHz，间隔为fg（1kHz－5kHz），则总带宽为：f＝12×4kHz＋12×fg即60kHz－108kHz。2.5.2时分多路复用时分多路复用的原理是把通信媒体上传输信号的时56电话系统采用的载波通信是频率复用的典型的例子。电话域划分为许多等长的时间片。每一路信号每次占用一个时间片进行传输。使若干信号合用单一的通信媒体，而在时间域上互不重叠。在接收端就可根据信号在通信媒体上的传输时间作为分割信号的参量，把多路信号分割、复原，参见图2.5.2。57域划分为许多等长的时间片。每一路信号每次占用一个时间片进行传时分多路复用可分为同步时分多路复用(STDM)和异步时分多路复用(ATDM)两种。同步时分多路复用：就是按照固定的顺序把时间片分配给各路信号。比如，假定有n路信号，我们把第一个时间片分配给第一路信号，把第二个时间片分配给第二路，……，第n个时间片分配给第n路信号，然后又把第n+1个时间片分配给第l路信号，第n＋2个时间片分配给第2路信号，……如此循环不已。这样，在接收端只需采用严格同步的时间片分割、复原即可。同步时分多路复用技术有一个缺点，就是把时间片轮流分配给各路信号，而不论该路信号是否有数据要发送，这样会造成信道资源的浪费。58时分多路复用可分为同步时分多路复用(STDM)和异异步时分多路复用：对于需求量大的终端可动态分配给多个时间片，是“按需分配”。异步时分多路复用就是当某一路信道有数据要发送时，才把时间片分配给它。这样就可以避免通信信道资源浪费。但是随之而来的问题是，当这些数据到达接收端时，它们不是以固定的顺序出现。接收端就不知道应该将哪一个时间片的数据送到哪一个信道去。为了解决这个问题，异步时分多路复用要求将发送站地址、接收端地址等作为附加信息随同数据一起发送，以便使接收站按地址分送数据，这是局域网中经常采用的技术。一个信道可分为多个信道，例如一个容量为2.048Mbps的传输信道，可分为32个(2048／64)个子信道。59异步时分多路复用：对于需求量大的终端可动态分配给多频分多路复用适合于传输模拟信号，而时分多路复用适合于传输数字信号。时分多路复用和频分多路复用相比，技术上比较复杂，但却有许多优点。比如，数字信号抗干扰能力强，而且逐级再生整形，可以避免干扰的积累；数字信号比较容易实现自动转换，易于集成化等，因此在计算机通信中广泛使用时分多路复用技术。2.5.3波分多路复用波分多路复用主要用于全光纤网组成的通信系统，尤其目前已开始应用密集波分多路复用(DWDM)作为Internet2主干网技术。它是未来主要发展方向。类似于FDMA，将波长划分为多个波段，见图2.5.3。60频分多路复用适合于传输模拟信号，而时分多路复6161在WDMA网络中，每个共享信道的主机都分配有两个信道：控制信道与数据信道。控制信道较窄，其他主机与本主机联系时用；数据信道则用于本主机向其他主机发送数据帧。每个主机有两个发送器和两个接收器。(1)固定波长接收器：监听自己的控制信道，是否有其他主机欲与本主机联系。(2)可调波长接收器：选择一个数据发送器进行监听，接收其他主机发来的数据。(3)可调波长发送器：输出给其他主机控制信号。(4)固定波长发送器：输出数据帧。62在WDMA网络中，每个共享信道的主机都分配有2.5.4码分多路复用频分多路复用FDMA与波分多路复用WDMA都是以独占频道而共享时间的方式，时分多路复用TDMA则是共享频道而独占时间。码分多路复用CDMA是移动通信系统使用的新技术。它的复用原理是以码型分割信道，每个用户分配一个地址码，这些码型互不重叠，其特点是频率、时间、资源均为共享，在频率与时间资源紧张的环境下，CDMA有很大优势。它在军事上已用几十年，在商业中刚开始使用。632.5.4码分多路复用632.6差错控制技术人们总是希望数据在通信线路中能够准确无误地传输，但由于来自信道内部和外部的干扰与噪声往往引起数据传输错误。噪声一般有：（1）热噪声：又称白噪声，是由分子热运动引起的，其特点是任何时刻都存在，而且强度分布在很宽的频谱范围内。热噪声引起的差错具有随机性，即某个码元出错与它相邻的码元是否出错无关。（2）冲击噪声：一般来自脉动的电磁干扰，如触点电弧、电力线上的浪涌，汽车发动机点火等。这类尖峰脉冲的持续时间约为10ms数量级。对于传输速率为9600bps的信道，这就意味着有96比特的数据将受到642.6差错控制技术64干扰，发生差错。通常把这种具有突发性质的差错称为突发差错。由热噪声引起的差错一般可用提高信噪比的方法(如每隔一段距离设置一个转换器)来解决。冲击噪声的误码可采用屏蔽措施和合理调制的方法来改善，但很难彻底消除。（3）衰减：因此经过一段距离的传输之后，信号(尤其是脉冲数字信号)的幅度会衰减，波形也会发生畸变，严重时会变得不可识别，引起差错。（4）串扰：例如两条相互靠得很近的传输线之间会产生“串音”干扰，载波的振幅、相位、频率发生抖动引起的干扰等，都是引起差错的原因。由此可见，在实际的物理信道中，存在着许多65干扰，发生差错。通常把这种具有突发性质的差错称为突发差错。由产生差错的因素，这些因素可以采用适当的措施加以改善，如选用通信质量比较好的媒体、选择调制方式、屏蔽、增设转发器等措施。但是要在物理传输层完全消除差错是不可能的。为了保证无差错的通信，需要由通信子网提供差错控制的手段。2.6.1差错控制机理常用的差错控制有两种方法。1．自动重发纠错ARQ(Automatic—Request)自动重发纠错的基本思想是：发送端根据—定编码规则对信号进行编码，将能够发现差错的编码通过信道进行传输，接收端根据制定的编码来判断传输中是否有错误产生，然后通过反馈信道把判定信号(承认66产生差错的因素，这些因素可以采用适当的措施加以改善，如选用通或否认)通知发送端。承认信号表示正确接收，通常用ACK表示；否认信号表示接收有错，通常用NAK表示。如发送端所接收到的判定信号是NAK，则将信息重新发送，直到接收端正确接收为止，如图2.6.1所示。67或否认)通知发送端。承认信号表示正确接收，通常用ACK表示；ARQ系统是目前经常采用的纠错方案。它必须具有一个反馈信道，反馈重发次数与信道干扰情况有关，如果干扰频繁；则系统重发次数也较频繁。2．前向纠错FEC(ForwardErrorControl)前向纠错原理是发送端根据一定的编码规则对信息进行编码，然后沿通信信道进行传输，接收端接收到这些信息后，通过译码器不仅能够发现错误，而且还能够自动纠正传输中的错误，并把纠正后的信息送至目的地。其原理如图26.2所示。68ARQ系统是目前经常采用的纠错方案。它必须6969FEC系统的优点是不需要反馈信道，但译码设备比较复杂，目前应用最广泛的仍是ARQ方式。2.6.2常用的抗干扰编码常用的抗干扰编码有检错码和纠错码两种，检错码只能检查数据传输过程中是否正确。纠错码除了检验数据传输错误外，还具有纠错功能。常用的检错码为：奇偶校验及循环冗余校验；纠错码为海明码。1．奇偶校验码奇偶校验码是一种最简单的检错码，其编码规则是先将所需传输的数据码元分组，并且在每一组数据70FEC系统的优点是不需要反馈信道，但译码设备后面附加一检验位，使得该组数据连同检验位在内的码中“1”的个数为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)。在接收端，则按照同样的规则检查，如发现不符，就说明有差错，但不能确定差错的位置。设b1，b2，…，bm-1是在同一组内的各数据码元，bm为检验位，则偶检验时，b1⊕b2⊕…⊕bm-1⊕bm＝0而奇校验时，b1⊕b2⊕…⊕bm-1⊕bm＝1式中⊕为模2加法，即“异或”运算符。在实际的数据传输中所有的奇偶检验码又可分为：71后面附加一检验位，使得该组数据连同检验位在内的码中“1”的个垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验三种。(1)垂直奇偶校验：编码规则是在发送的字符数据位后附加一位校验位，该位取值由采用的校验方法和原数据块中“1”的个数来决定。例如，传输的数据信息为“1010001”，采用偶校验时，附加位为“1”，发送的数据信息为"10100011"；而采用奇校验时，附加位为“0”，发送的数据信息变为"10100010"。接收方只要根据校验方法即可知道接收的数据是否有错。(2)水平奇偶校验：将发送的数据块组成一个n列×k行的比特矩阵，并对每一列的奇偶位分别计算，形成一个校验行，附加在矩阵的最后(即第k+1行)，然后对矩阵进行发送。表2.6.1给出了水平偶校验的情形。72垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验三种。72当数据块到达时，接收方检测所有的奇偶位，其中任何一个有错，就要重传整个数据块。(3)水平垂直奇偶校验：把水平和垂直两个方向的奇偶校验结合起来，又称纵横奇偶校验。它可以查出除了互相补偿的偶数个数以外的所有差错。这里所渭73当数据块到达时，接收方检测所有的奇偶位，其中任何一个有错，就互相补偿的偶数个数是指有错的各行、各列中出错位数的情况。奇偶校验的方法简单，易于硬件实现。这种方法的缺点是校验能力低，它只能校验出“1”或“0”有奇数位出错。要检验出有几位出错可以采用CRC循环冗余码。2．校验和方法许多计算机网络在数据帧协议中都包含有校验和(Checksum)域以便在数据帧中设置校验位，从而使接收方能根据校验和做出正确的判断。其原理是：把数据帧中所包含的数据信息按校验和所设置的位数(16位、32位等)划分后按顺序相加，进位放在字符串后—起相加，相加结果放在数据帧中发送给接收方。接收74互相补偿的偶数个数是指有错的各行、各列中出错位数的情况。74方收到数据帧后再对数据编码做一次加法。如果与发送方传过来的校验和相同，则确认无误；如果与发送方传过来的不同，则确认出错。表2.6.2给出了字符串“HelloFriend．”这13个ASCII码的校验和方式传输实例。为了计算校验和，ASCII码用16进制数表示，发送者把两个字节合在一起共16位，然后从He开始顺序相加。本例中进位为2。75方收到数据帧后再对数据编码做一次加法。如果与发送方传过来的校使用校验和的优点是算法简单，传输校验和所占的校验位少，一般为16位或32位。但它的缺点是，如果两个数据出错，正好使校验和相同，则查不出错误。3．CRC循环冗余校验CRC循环冗余校验是目前通信系统中常用的一种编码法。代码格式如下：76使用校验和的优点是算法简单，传输校验和所占的CRC编码共有n位，其中k位为信息码（称为（n，k）码），校验码为n—k位。校验码是由信息码产生的，校验码位数越长则校验能力越强。校验码的生成方法如下：(1)信息码的权展开式(即以信息码为系数的多项式)乘以Xn-k，X为基数，用二进制表示时X＝2，该步执行也即信息码左移n—k位。(2)给定一多项式，称为生成项式，其最高幂次为校验位的位数，最低幂为0。(3)第(1)步得到的多项式除以生成多项式，除法为模2运算，即进行除法时，每一位减法按位运算0—1＝1，1—1＝0，即“异或”运算，所得余数为校验位的展开式，其系数即为CRC校验位。77CRC编码共有n位，其中k位为信息码（称为（注：做除法时，只写两多项式的系数即可。[例3]有一个(7，3)码，设生成多项式为x4+x3十x2十1，若信息码为10l，求校验位。解：(1)代码101左移7—3＝4位，得1010000；(2)写出生成多项式所对应的二进制数x4+x3十x2十1对应于11101(3)1010000除以1110178注：做除法时，只写两多项式的系数即可。787979得校验位为0011。则CRC码为1010011。以上算法可用软件方法实现，也可用硬件实现。用硬件实现时，信息位的权展开式是通过移位器移位来实现的，而除以生成多项式是靠除法电路实现的。校验方法：CRC码传到接收方后，接收方用CRC码除以生成多项式。若余数为0则传送正确，若不为0则传送错误。设p(x)为要发送的信息码的权展开式，q(x)为生成多项式，则p(x)×xn-k=m(x)×q(x)+r(x)其中，m(x)为商，r(x)为余。80得校验位为0011。则CRC码为1010011。80则CRC编码的权展开式h(x)为：h(x)＝p(x)×xn-k+r(x)＝(m(x)×q(x)+r(x))+r(x)＝m(x)×q(x)即h(x)能被q(x)整除。例如，例3的信息码为101，CRC编码为1010011，生成多项式对应的二进制数为11101，作除法为：81则CRC编码的权展开式h(x)为：81对生成多项式的要求：(1)当任意一位误传时，余数都不为0。(2)不同的位数发生错误，余数应各不相同。(3)对余数继续做模2除法，余数是循环的。82对生成多项式的要求：82目前常用的生成多项式长13位，17位或33位。下面的生成多项式检错率很高：CRC-12：x12+x11+x3+x2+x1+1CRC-16：x16+x15+x2+1CRC-ITU：x16+x12+x5+1CRC的特点为：①任何一个CRC码循环右移一位，仍是CRC码，因此称为循环冗余校验。如例3的CRC码为1010011，循环右移一位为1101001，仍是CRC码，信息位为110，校验位为1001。83目前常用的生成多项式长13位，17位或33位②任何两个CRC码按位异或，所得结果仍是CRC码。如CRC码1010011和1101001按位异或后为0111010，仍是CRC码，信息位为011，校验位为1010。4．海明校验码这是由RichardHamming1950年提出的、目前还被广泛采用的一种很有用的校验方法。它是只要增加少数几个检验位，就能检验出多位出错，并能自动校正1位或几位出错的有效的方法。海明码的实现原理是：在数据中加入几个校验位，将数据代码的码距(码距是指两个合法码之间有几个二进制位)比较均匀地拉大，并把数据的每一个二进制位分配在几个奇偶校验组中。当某一位出错后，就会84②任何两个CRC码按位异或，所得结果仍是CRC码引起有关的几个校验位的值发生变化。这不但可以发现错误，还能指出是哪一位出错。下面我们只介绍能检测与自动校正一位出错，并能发现2位出错的海明校验码的编码原理。此时校验位的位数k和数据位的位数n应满足下述关系：85引起有关的几个校验位的值发生变化。这不但可以发现错误，还能指这个公式的意义是：k－1个校验位的状态组合，应能表示n位数据位哪一位出错，k个数据位哪一位出错和无错共n+k+1种情况。若海明码的最高位号为m，最低位号为1，即HmHm-1…H2H1，检验位为PlP2…Pk，数据位为D1D2…Dn，则此海明码的编码规则通常是：(1)校验位与数据位之和为m，即k+n=m，每个校验位Pi在海明码中被分配在位号为2i-1的位置，其余各位为数据位Di，并按从低到高逐位依次排列的关系分配各数据位。(2)海明码的每一位Hi(包括数据位和校验位本身)，由多个校验位校验。其关系是：被校验的每一位位号86这个公式的意义是：k－1个校验位的状态组合，要等于校验它的各校验位位号之和。这样安排的目的是希望校验的结果能正确反映出出错位的位号。(3)在增加合法码的码距时，使所有码距尽可能均匀地增大，以保证对所有码的检错能力平均提高。下面通过一个例子来说明对一个字节的数据进行海明编码的实现过程。每个字节由8个二进制位组成，D1D2…D8，此处n＝8，则由上表得出k＝5，故海明码总位数为m＝13，表示为Hl3H12…H2Hl。按照第一条规定，5个校验位对应的海明码位号应分别为H13＝P5，H8＝P4，H4＝P3，H2＝P2，H1=P1，P5只能放在H13的位置上，因为这是海明码的最高位，87要等于校验它的各校验位位号之和。这样安排的目的是希望校验的结其余四位满足Pi的位号等于2i-1的关系，且其余为数据位Dj，因此海明码的排列关系为：P5D8D7D6D5P4D4D3D2P3D1P2Pl按照第二条规定，每个海明码的位号要参与校验它的几个校验位的位号之和，可以由表2.6.3看出其关系。88其余四位满足Pi的位号等于2i-1的关系，且其余为数据位Dj表2.6.3海明码的位号与校验位号的关系_____________________________________________海明码Hi数据位Di参与校验的校验位位号之和=校验位Pi校验位位号被校验的海明码位号_____________________________________________H1 P1 11＝1H2 P2 22＝2H3 Dl l，21+2＝3H4 P3 44=489表2.6.3海明码的位号与校验位号的关系89H5 D2 1，41+4＝5H6 D3 2，42+4＝6H7 D4 1，2，41+2+4=7H8 P4 88=8H9 D51，81+8＝9Hl0 D62，82+8＝10H11 D71，2，81+2+8=11H12 D84，84+8＝12H13 P51313=13_____________________________________________90H5 D2 1，4由表中可看出4个校验位各自与哪些数据位有关。如P1参与了数据位D1，D2，D4，D5，D7的校验；P2参与了数据位D1，D3，D4，D6，D7的校验；P3参与了数据位D2，D3，D4，D8的校验；P4参与了数据位D5，D6，D7，D8的校验。不同的数据位被校验的次数是不同的，D4和D7是3次，其余为两次。为了使其被校验的次数相等，为此补充了P5校验位，使P5参与数据位D1，D2，D3，D5，D6，D8的校验。91由表中可看出4个校验位各自与哪些数据位有关。如91校验方法为：以P1，P2，P3，P4，P5分别对其相应的数据位进行奇(或)偶校验，如果采用偶校验的话，若：①P1，

P2，

…，P5的校验结果均为偶数，则无错。②当P1，

P2，

…，P5校验结果有一组为奇数，表明是一位校验位出错或三位数据位同时出错，由于三位同时出错的可能性很小，因此认为是一位校验码出错。出错位即奇数对应的Pi位。③当P1，

P2，

…，P5的校验结果有两组为奇数，表明是两位海明码同时出错，此时只能发现这种错误而无法判断。92校验方法为：以P1，P2，P3，P4，P5分④当P1，

P2，

…，P5的校验结果有三组为奇数，则表明一位数据位出错，或三个校验位同时出错，因后者可能性很小，所以认为是前一种错误。出错的位号由P1，

P2，

…，P5校验中的编码值指出。例如，若P1，P3，P5的校验结果均出错，因P2没有出错，则D1D3D4D6D7这5位均为正确的，又P4没有出错，因此D5D8也没出错，所以肯定是D2出错。2．7网络传输介质任何信息传输和共享都需要有传输介质，计算机网络也不例外，目前使用的有双绞线、同轴电缆、光纤、空间传输。本节介绍计算机网络中用到的各种通信介质及其有关的通信特性。93④当P1，P2，…，P5的校验结果有2.7.1双绞线传统的计算机网络大都用导线连接，这是因为导线既便宜又易于安装和维护。在用来连接计算机网络的导线中，用的最多是铜质导线，这是因为铜电阻低、价格便宜。在铜导线中，用得最多的导线有两种：双绞线和同轴电缆。双绞线(TP，twistedpairwire)是最常用的一种传输介质，它由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，一根导线在传输带辐射的电波时会被另一根导线上发出的电波抵消，这样就降低了信号干扰的程度。双绞线一般由两根22～26号绝缘铜导线相互缠绕而成，如图2.7.1所示。942.7.1双绞线949595把一对或多对双绞线放在一个绝缘套中便成了双绞线电缆。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉，目前，双绞线可分为无屏蔽双绞线(UTP，unshieldedtwistedpair)和屏蔽双绞线(STP，shieldedtwistedpair)，STP分为第3类和第5类两种，而UTP分为第3类、第4类、第5类和超5类。第3类：该电缆的传输特性最高规格为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为l0Mbps的数据传输。第4类：该类电缆的传输特性最高规格为20MHz，用于语音传输和最高传输速率为16Mbps的数据传输。96把一对或多对双绞线放在一个绝缘套中便成了双绞线电缆第5类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输特性的最高规格为100－1000MHz，用于语音传输和最高传输速率为l00－1000Mbps的数据传输。双绞线主要用来传输模拟声音信息，但同样适用于数宇信号的传输，特别适用于较短距离的信息传输。在传输期间，信号的衰减比较大，并且会产生波形畸变。不过，在传输低频信号时，双绞线衰减相对较小；波形也不会发生大的畸变。非屏蔽双绞线电缆具有无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间；重量轻、易弯曲、易安装，将串扰减至最小或加以消除；具有阻燃性；具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。但是，利用非屏蔽双97第5类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高绞线传输信息时要向周围辐射，信息很容易被窃听，因此要花费额外的代价加以屏蔽。屏蔽双绞线价格相对较高，安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。类似于同轴电缆，它必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。用双绞线传输数据时距离通常是100米，数据误码率为10-5。2.7.2同轴电缆同轴电缆(coaxialcable)由一根空心的外圆柱导体及其所包围的单根导线组成，如图2.7.2所示。由于它的屏蔽性能好，抗干扰能力强，因此多用于基带传输。同轴电缆又分为粗缆与细缆。一般来说，粗缆传输距离较远，而细缆由于功损耗较大，一般只能用于传输距离为500米以内的数据。98绞线传输信息时要向周围辐射，信息很容易被窃听，因此要花费额外9999同轴电缆有两种基本类型，基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前基带常用的电缆，其屏蔽线用铜做成网状，特征阻抗为50Ω(如RG—8、RG—58等)；宽带同轴电缆的屏蔽层通常是用冲压成的，特征阻抗为75Ω(如RG—59等)。细缆安装则比较简单，造价低，但由于安装过程要切断电缆，两头需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接触不良的隐患，这是目前运行中以太网的最常见故障之一。为了保持同轴电缆的正确电器特征，电缆屏蔽层必须接地。同时两头要用终结器来消弱信号反射作用。无论是粗缆还是细缆均为总线拓扑结构，即一根电缆100同轴电缆有两种基本类型，基带同轴电缆和宽带同轴电缆上接多部机器，这种拓扑适用于机器密集的环境。但是当一触点发生故障时，故障会串联影响到整根电缆上的所有机器，故障的诊断和修复都很麻烦，因此，同轴电缆将逐步被非屏蔽双绞线或光缆取代。2.7.3光纤光导纤维(opticalfiber)是一种传输光束的细微而柔韧的介质，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通信圆柱体。纤芯用来传输光波。包层有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果折射角足够大，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，光也就沿着光纤传输下去，如图2.7.3所示。101上接多部机器，这种拓扑适用于机器密集的环境。101102102现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光线在纤芯中传输好几公里而基本上没有什么损耗，这乃是光纤通信得到飞速发展的最关键因素。在光纤中，只要射到光纤表面的光线的入射角大于一个临界角度，就可以产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤。但是，若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导一样，可使得光线一直向前传播，而不会有多次反射，这样的光纤就称为单模光纤。光纤的类型由模材料(玻璃或塑料纤维)及芯和外层尺寸决定，芯的尺寸大小决定光的传输质量。常用的光纤有：8.3μm芯、125μm外层、单模；62．5μm芯、125μm外层、多模；50μm芯、125μm外层、多模。103现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤，即做到光线光导纤维电缆由一捆纤维组成，简称为光缆。光缆是数据传输中最有效的一种传输介质，它有以下几个优点：(1)频带宽(单模可达3.3GHz)；(2)衰减较小，可以说在较长距离和范围内信号是一个常数； (3)不受电源冲击、电磁干扰和电源故障的影响，电磁绝缘性能好；(4)细、重量轻；(5)无光泄漏，抽头很难，因而保密性能好；104光导纤维电缆由一捆纤维组成，简称为光缆。光缆(6)中继器的间隔较大，因此可以减少整个通道中中继器的数目，以降低成本。根据贝尔实验室的测试，当数据的传输速率为420Mbps且距离为ll9km无中继时，其误码为10-8。而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。当然，光纤也有缺点。首先，抽头困难，因为割开的光缆需要再生和重发信号，光纤接口也比较昂贵；其次，由于光传输是单向的，要实现双向传输则需要有两种光纤或一根光纤上有两个频段。2.7.4无线传输前面所讲述的三种介质都属于有线传输，但有线传输并不是在任何时候都能实现的。例如，通信线路要通过一些高山或岛屿，有时就很难施工。当通信105(6)中继器的间隔较大，因此可以减少整个通道距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。而且，我们的社会正处于一个信息时代，人们无论何时何地都需要及时的信息，这就不可避免地要用到无线传输。1．无线电短波通信利用无线电短波电台进行数据通信是可行的。一般来说，短波的信号是指波长为100～10m(频率为3～30MHz)，它主要靠电离层的反射来实现通信，而电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应使得短波信道的通信质量较差。因此，使用短波无线电台传输数据时，一般都是低速传输，速率为一个模拟话路每秒传输几十至几百个比特。只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千bps。106距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。而且，我们的社会正处于一个2．微波通信微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz～300GHz，但主要使用2～4GHz的频率范围。由于微波在空间主要是直线传播，且会穿透电离层进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。这样，微波通信就有两种主要的方式：地面微波接力通信和卫星通信。由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km左右。但若采用100m的天线塔，则距离可增大至100km。为了实现远距离通信，必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干中继站(见图2.7.4)。1072．微波通信107108108中继站把前一站送来的信号经过放大后再送到下一站。微波通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点是：①微波波段频率高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；②因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波通信小得多，因而微波传播质量较高；③微波接力信道能够通过有线线路难于通过或不易架设的山区(如高山、水面等)，故有较大的机动灵活性，抗自然灾害的能力也较强，因而可靠性较高；④相邻站之间必须直视，不能有障碍物；⑤隐蔽性和保密性较差。109中继站把前一站送来的信号经过放大后再送到下一站。微3．卫星通信卫星通信是在地球站之间利用位于36000km高空的人造同步卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星发出的电磁波覆盖范围广