《計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)》課件-第2章

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)2.3傳輸介質(zhì)本章小結(jié)

2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)和通信技術(shù)的融合，計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開通信技術(shù)。雖然本章的主要內(nèi)容通常由硬件實現(xiàn)，程序員和用戶并不是必須了解這些技術(shù)細(xì)節(jié)，但萬丈高樓平地起，為了搭建網(wǎng)絡(luò)，以及能夠在上層處理這些底層硬件帶來的錯誤，也需要掌握一些基本的數(shù)據(jù)通信理論。數(shù)據(jù)傳輸就是數(shù)據(jù)通信，這是計算機網(wǎng)絡(luò)最基本、最必要的功能，是實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)其他功能的基礎(chǔ)。

一、信息、數(shù)據(jù)與信號

在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，信息(Information)、數(shù)據(jù)(Data)和信號(Signal)是三個最基本和最常用的術(shù)語，分別被用于通信的不同層次。

信息是最接近人的一層。通信的目的就是實現(xiàn)信息的交換與共享，信息表現(xiàn)為文字、數(shù)字、表格、圖形、圖像或語音等多媒體數(shù)據(jù)。

另一個常用的術(shù)語是消息(Message)，信息是一個泛指的、不可數(shù)的概念，當(dāng)指傳遞具體的某一條信息時，我們可以使用消息這個名詞。

二、模擬信號與數(shù)字信號

無論是數(shù)據(jù)還是信號，都可以被分為兩種：模擬(Analogous)的和數(shù)字(Digital)的。模擬的可以簡單理解為時間上連續(xù)變化的，無窮多個的值；數(shù)字的可以理解為時間上離散的點值，取值域一般是元素個數(shù)有限的點集(最常見的是兩個，因為計算機使用的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制)。

聲音、光等在介質(zhì)中傳輸時都是以正弦載波(WaveCarrier)的形式前進(jìn)，模擬信號就是類似的正弦波，如圖2.1所示。例如，當(dāng)我們說話時，聲音以聲波的形式傳播，聲音的大小是連續(xù)變化的，因此運送語音信息的信號就應(yīng)該是模擬的。電話系統(tǒng)就是典型的模擬系統(tǒng)。數(shù)字信號一般使用有/無電平，或者正/負(fù)電平的不同來表示不同的數(shù)據(jù)，它被表示為方波形，如圖2.2所示。圖2.1模擬信號波形圖圖2.2數(shù)字信號波形圖

三、信道

從通信信號形式來看，適用于傳送模擬信號的信道被稱為模擬信道，適用于傳送數(shù)字信號的信道被稱為數(shù)字信道。模擬信道與數(shù)字信道的并存也增加了物理層的復(fù)雜性。數(shù)字信號可以直接通過數(shù)字發(fā)送器進(jìn)入數(shù)字信道傳輸，也可以通過調(diào)制器調(diào)制成模擬信號后使用模擬信道傳輸，一般來說，數(shù)字發(fā)送器比調(diào)制設(shè)備更簡單、更廉價。

四、通信類型

1.按照通信過程中雙方數(shù)據(jù)流動的方向分類

如果連接A、B兩臺機器的信道允許雙方同時向?qū)Ψ絺鬟f信息，則稱該信道為全雙工信道，稱此通信方式為雙向同時通信或全雙工通信。

如果只允許單方向傳輸信息，如電視、廣播等，則稱該信道為單工信道，稱此通信方式為單向通信或單工通信。

如果雙方可以交替發(fā)送和接收信息，如對講機等，則稱該信道為半雙工信道，稱此通信方式為雙向交替通信或半雙工通信。

2.按照信號類型分類

如果傳輸?shù)氖悄M信號，則稱為模擬通信；如果傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，則稱為數(shù)字通信。信道也有模擬與數(shù)字之分。

3.按照通信時使用的信道數(shù)量分類

數(shù)據(jù)通信按照通信時使用的信道數(shù)量可以分為串行通信和并行通信。串行通信是指將數(shù)據(jù)按位依次在一個信道上傳輸；而并行傳輸是指數(shù)據(jù)同時在多個并行的信道上傳輸。串行通信與并行通信示意圖見圖2.3。圖2.3串行通信與并行通信示意圖

4.按照傳輸技術(shù)分類

從廣義上講，有兩種類型的傳輸技術(shù)：廣播式和點—點式。廣播式網(wǎng)絡(luò)僅有一條通信信道，由網(wǎng)絡(luò)中的所有機器共享，網(wǎng)絡(luò)使用一對多的通信方式。也就是說，網(wǎng)絡(luò)中任何一個機器發(fā)送的信號所有機器都能夠收到，因此需要有地址字段指明應(yīng)該由哪臺機器接收，也可以指明群發(fā)給某些或所有機器。

5.傳輸損耗

傳輸損耗又叫作失真，如果傳輸介質(zhì)是完美的，接收方會收到和發(fā)送方完全一樣的信號。但是，理想狀態(tài)是不存在的，實際的傳輸線路存在三個主要問題：衰減、延遲畸變和噪聲。通常，噪聲是影響通信質(zhì)量最主要的損害。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

一、信噪比和誤碼率對于模擬信道，信道的傳輸質(zhì)量一般通過輸出的信號功率與噪聲功率之比來度量，這個比值被稱為信噪比(SignaltoNoiseratio)，如果用S表示信號功率，N表示噪聲功率，則信噪比用S/N表示。

對于數(shù)字系統(tǒng)，衡量其可靠性的指標(biāo)叫作誤碼率，誤碼率是指在一個較長時間內(nèi)的傳輸比特流中出現(xiàn)錯誤比特的概率。簡單地說，就是比特流在一定時間內(nèi)的平均出錯概率，因此又叫作誤比特率。它在數(shù)值上近似等于出現(xiàn)錯誤的比特數(shù)和傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)的比值。

誤碼率反映了在數(shù)字傳輸過程中信息受到損害的程度，一般取決于信噪比的大小。誤碼率是隨時間變化的，在實際的物理線路傳輸過程中，需要進(jìn)行大量的測試，才能求出各種信道的平均誤碼率。

二、帶寬

帶寬，可以直接理解為頻帶寬度。對于模擬信道，帶寬是指該信道上傳遞的信號所能占據(jù)的最大頻率范圍，是信道頻率上界與下界之間的差，其單位有赫(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。

對于數(shù)字信道，可以直接使用計算機將信號發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的速度來衡量網(wǎng)絡(luò)帶寬，具體來說是指計算機在網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)字信號的最高數(shù)據(jù)率或比特率，有時也稱為網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，其單位為比特每秒(bit/s或b/s)。

三、時延

時延指的是一個分組從網(wǎng)絡(luò)(或一條鏈路)的一端(發(fā)送方)傳送到另一端(接收方)所需的時間。端到端的時延一般由以下三部分組成。

1.發(fā)送時延

發(fā)送時延也被稱為傳輸時延，是指一個分組從計算機進(jìn)入到傳輸介質(zhì)所需要的時間，也就是從數(shù)據(jù)的第一個比特被輸入到傳輸介質(zhì)開始，到最后一個比特輸入完畢所需要的時間。它的計算公式為

(2.1)

2.傳播時延

傳播時延是指信號在信道中傳播一定距離所花費的時間。它的計算公式為：

2.傳播時延

傳播時延是指信號在信道中傳播一定距離所花費的時間。它的計算公式為：

3.處理時延

處理時延指的是數(shù)據(jù)在中間交換節(jié)點進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)等必要處理所需要的時間。

數(shù)據(jù)從發(fā)送方開始傳送到接收方收到最后1bit所需要的總時延就是以上三種時延的和。它的計算公式為

注意，傳播速率與傳輸速率(發(fā)送速率)跟傳播時延與傳輸時延(發(fā)送時延)是完全不同的概念。對于相同頻率的信號，傳播速度是一直不變的。最終信號先后到達(dá)，是因為信號先后從“起點”“起跑”，而不是在“跑步”過程中拉開了差距。網(wǎng)絡(luò)提速提高的通常都是數(shù)據(jù)的發(fā)送速度而不是信號在介質(zhì)上的傳播速度。

關(guān)于時延還有一個有用的概念叫作往返時延，顧名思義，就是信號從源站點出發(fā)，到達(dá)目的站點，再返回到出發(fā)點所用的時間之和。

2.3傳輸介質(zhì)

任何信息從一臺機器傳輸?shù)搅硪慌_機器都需要借助物理上的傳輸介質(zhì)，如借助電流通過導(dǎo)線傳送數(shù)據(jù)；借助無線電波在空中傳送數(shù)據(jù)。傳輸介質(zhì)也被稱為傳輸媒體，是網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送數(shù)據(jù)的載體。

一、有線傳輸介質(zhì)

1.雙絞線

雙絞線由相互絕緣的一對銅導(dǎo)線絞扭在一起組成，如圖2.4所示。圖2.4非屏蔽雙絞線

1)雙絞線分類

按結(jié)構(gòu)分類，雙絞線可分為屏蔽雙絞線STP(ShieldeTwistedPair)和非屏蔽雙絞線UTP(UnshieldeTwistedPair)。屏蔽雙絞線將絞扭后的導(dǎo)線用鋁箔包裹，以提高抗電磁干擾的能力。

2)直通線與交叉線

雙絞線通過RJ-45接頭與網(wǎng)卡、交換機、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接。目前工程中制作接頭時的線序標(biāo)準(zhǔn)有EIA/TIA的T568A和T568B兩種，如表2.1所示。

2.同軸電纜

同軸電纜以硬銅線為芯，外包一層絕緣材料，絕緣層外用由細(xì)銅絲編織成的網(wǎng)狀導(dǎo)體包裹，形成屏蔽層，屏蔽層外覆蓋一層塑料保護(hù)膜，如圖2.5所示。圖2.5同軸電纜

基帶同軸電纜又可分為粗纜和細(xì)纜。粗纜的內(nèi)導(dǎo)體直徑約為10mm，接口是AUI，傳輸距離約為500?m，適用于大型局域網(wǎng)。其優(yōu)點是傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性高；缺點是必須使用收發(fā)器，電纜粗硬，安裝難度大，總體造價高。粗纜安裝如圖2.6所示。圖2.6收發(fā)器和粗纜的安裝

細(xì)纜的內(nèi)導(dǎo)體直徑約為5mm，接口是BNC，傳輸距離約為185m，一般用于與用戶桌面連接。其優(yōu)點是安裝容易，造價低；缺點是安裝需要T型連接器，需要將細(xì)纜截斷，接入點越多，斷點就越多，越容易產(chǎn)生接觸不良。細(xì)纜安裝示意圖見圖2.7。圖2.7細(xì)纜與T型連接器的安裝

3.光纖

光纖即光導(dǎo)纖維，是一種能傳輸光信號的介質(zhì)，通常由非常透明的石英玻璃構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)由纖芯、包層和保護(hù)套組成，如圖2.8

所示。圖2.8光纖結(jié)構(gòu)圖

1)光纖的分類

光纖可以分為多模光纖和單模光纖。

光纖的纖芯用來傳導(dǎo)光波，包層有較低的折射率。當(dāng)光線從纖芯射向包層時，如果折射角足夠大，就會出現(xiàn)全反射，不斷重復(fù)這個過程，光就沿著光纖傳輸下去，如圖2.9所示。如果一條光纖允許多條不同角度射入的光線同時傳輸，這種光纖稱為多模光纖，如圖2.10所示。圖2.9光纖的工作原理圖2.10多模光纖圖2.11單模光纖

2)光通信系統(tǒng)的組成

光纖通信系統(tǒng)一般由光發(fā)送機、光纖和光接收機3部分組成。光發(fā)送機將電信號轉(zhuǎn)換為光信號導(dǎo)入光纖，在接收端光接收機將光信號再還原為電信號。全光網(wǎng)絡(luò)中則不需要光電信號的轉(zhuǎn)換過程。

3)光纖連接方式

光纖有耦合連接、機械連接和熔接連接3種連接方式。

綜上所述，雙絞線、同軸電纜和光纖這3種有線傳輸介質(zhì)的傳輸特性不盡相同，應(yīng)用場合也有區(qū)別。光纜常用于網(wǎng)絡(luò)的骨干線路，雙絞線多用于局域網(wǎng)設(shè)備之間的連接，而同軸電纜目前在計算機網(wǎng)絡(luò)中使用較少。表2.2

給出了這3

種介質(zhì)在以太網(wǎng)中帶寬和傳輸距離等性能的對比。

二、無線傳輸介質(zhì)

無線傳輸介質(zhì)不需要架設(shè)或鋪埋纜線，因而在計算機網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)了重要地位。無線傳輸介質(zhì)所使用的頻段很廣。圖2.12表示出了電磁波的頻譜及其應(yīng)用領(lǐng)域。圖2.12電磁波的頻譜及其應(yīng)用領(lǐng)域

2.微波

微波(Microwave)可傳輸電話、電報、圖像、數(shù)據(jù)等信息。其波段頻率高，頻率范圍寬，信道容量大；且因為工業(yè)干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，因而微波傳輸受到的干擾小，質(zhì)量高。微波是直線傳播，沒有繞射功能，因此，傳播路徑上不能有障礙物。

1)地面微波通信

地面微波通信一般采用定向拋物面天線，要求發(fā)送方與接收方之間的通路沒有障礙物，視線能及。

為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，必須在兩個終端之間建立若干中繼站、樞紐站和分路站，如圖2.13所示。圖2.13地面微波通信

2)衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信(SatelliteCommunications)是利用衛(wèi)星上的微波天線接收地球發(fā)送站發(fā)送的信號，將信號經(jīng)過放大后再轉(zhuǎn)發(fā)回地球接收站的一種微波接力通信。國際上為衛(wèi)星劃分的頻段主要有以下3個。

●C波段：上行3.7～4.2GHz，下行5.925～6.425GHz。

●Ku波段：上行11.7～12.2GHz，下行14～14.5GHz。

●Ka波段：上行17.7～21.7GHz，下行27.5～30.5GHz。

衛(wèi)星通信的主要缺點是由于傳輸距離遠(yuǎn)，所以傳播延遲大，大約在500ms至數(shù)秒之間。

3.紅外線

紅外線(Infrared)通常用于近距離、無障礙的數(shù)據(jù)傳輸。紅外技術(shù)采用光發(fā)射二極管(LED)、激光二極管(ILD)進(jìn)行站與站之間的數(shù)據(jù)交換。最常見的紅外系統(tǒng)是遙控器。紅外線傳輸信號可以直接或經(jīng)過墻面、天花板反射后，被接收裝置收到。

4.激光

激光(Laser)是一種方向性極好的單色相干光。光空間(FSO，F(xiàn)ee-SpaceOptics)通信技術(shù)是利用激光自身的優(yōu)點開發(fā)的一種無線通信技術(shù)，以自由空間作為傳輸介質(zhì)，半導(dǎo)體振蕩器做光源，以激光束的形式在空間傳輸信息。FSO通信具有通信容量大、保密性強、設(shè)備結(jié)構(gòu)輕便經(jīng)濟等優(yōu)點，但也有設(shè)備瞄準(zhǔn)困難、容易受大氣干擾、只能進(jìn)行直線視距傳輸、人體可能被激光傷害等缺點。激光通信的主要應(yīng)用領(lǐng)域有地面間短距離通信和星際通信等。

本章小結(jié)數(shù)據(jù)通信技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，信息、數(shù)據(jù)、信號處于數(shù)據(jù)通信的不同層次。衡量一個網(wǎng)絡(luò)的主要指標(biāo)有兩個：帶寬和時延。在設(shè)計一個通信系統(tǒng)時，應(yīng)確定系統(tǒng)采用串行還是并行的通信方式，信號傳送是單工、半雙工還是全雙工的。按照傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栴愋?，信號可以分為模擬信號和數(shù)字信號兩類，相應(yīng)的信道和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)也分為模擬的和數(shù)字的。實際通信需要在物理上使用通信介質(zhì)將收發(fā)雙方相連，該介質(zhì)可能是導(dǎo)向的有線形式，如光纖和雙絞線，也可能是非導(dǎo)向的，