《計算機網絡基礎》課件-第2章

第2章數據通信基礎知識2.1數據通信的基本概念2.2數據通信系統的主要性能指標2.3傳輸介質本章小結

2.1數據通信的基本概念

計算機網絡是計算機技術和通信技術的融合，計算機網絡的發(fā)展離不開通信技術。雖然本章的主要內容通常由硬件實現，程序員和用戶并不是必須了解這些技術細節(jié)，但萬丈高樓平地起，為了搭建網絡，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據通信理論。數據傳輸就是數據通信，這是計算機網絡最基本、最必要的功能，是實現計算機網絡其他功能的基礎。

一、信息、數據與信號

在數據通信領域，信息(Information)、數據(Data)和信號(Signal)是三個最基本和最常用的術語，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信息的交換與共享，信息表現為文字、數字、表格、圖形、圖像或語音等多媒體數據。

另一個常用的術語是消息(Message)，信息是一個泛指的、不可數的概念，當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、模擬信號與數字信號

無論是數據還是信號，都可以被分為兩種：模擬(Analogous)的和數字(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有限的點集(最常見的是兩個，因為計算機使用的數據是二進制)。

聲音、光等在介質中傳輸時都是以正弦載波(WaveCarrier)的形式前進，模擬信號就是類似的正弦波，如圖2.1所示。例如，當我們說話時，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該是模擬的。電話系統就是典型的模擬系統。數字信號一般使用有/無電平，或者正/負電平的不同來表示不同的數據，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，適用于傳送數字信號的信道被稱為數字信道。模擬信道與數字信道的并存也增加了物理層的復雜性。數字信號可以直接通過數字發(fā)送器進入數字信道傳輸，也可以通過調制器調制成模擬信號后使用模擬信道傳輸，一般來說，數字發(fā)送器比調制設備更簡單、更廉價。

四、通信類型

1.按照通信過程中雙方數據流動的方向分類

如果連接A、B兩臺機器的信道允許雙方同時向對方傳遞信息，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

如果傳輸的是模擬信號，則稱為模擬通信；如果傳輸的是數字信號，則稱為數字通信。信道也有模擬與數字之分。

3.按照通信時使用的信道數量分類

數據通信按照通信時使用的信道數量可以分為串行通信和并行通信。串行通信是指將數據按位依次在一個信道上傳輸；而并行傳輸是指數據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.按照傳輸技術分類

從廣義上講，有兩種類型的傳輸技術：廣播式和點—點式。廣播式網絡僅有一條通信信道，由網絡中的所有機器共享，網絡使用一對多的通信方式。也就是說，網絡中任何一個機器發(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，噪聲是影響通信質量最主要的損害。

2.2數據通信系統的主要性能指標

一、信噪比和誤碼率對于模擬信道，信道的傳輸質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。

對于數字系統，衡量其可靠性的指標叫作誤碼率，誤碼率是指在一個較長時間內的傳輸比特流中出現錯誤比特的概率。簡單地說，就是比特流在一定時間內的平均出錯概率，因此又叫作誤比特率。它在數值上近似等于出現錯誤的比特數和傳輸的比特總數的比值。

誤碼率反映了在數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。

對于數字信道，可以直接使用計算機將信號發(fā)送到網絡上的速度來衡量網絡帶寬，具體來說是指計算機在網絡中傳送數字信號的最高數據率或比特率，有時也稱為網絡的吞吐量，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絡(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入到傳輸介質所需要的時間，也就是從數據的第一個比特被輸入到傳輸介質開始，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

處理時延指的是數據在中間交換節(jié)點進行存儲轉發(fā)等必要處理所需要的時間。

數據從發(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，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。網絡提速提高的通常都是數據的發(fā)送速度而不是信號在介質上的傳播速度。

關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

任何信息從一臺機器傳輸到另一臺機器都需要借助物理上的傳輸介質，如借助電流通過導線傳送數據；借助無線電波在空中傳送數據。傳輸介質也被稱為傳輸媒體，是網絡中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實際傳送數據的載體。

一、有線傳輸介質

1.雙絞線

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

1)雙絞線分類

按結構分類，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接頭與網卡、交換機、路由器等網絡設備連接。目前工程中制作接頭時的線序標準有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，絕緣層外用由細銅絲編織成的網狀導體包裹，形成屏蔽層，屏蔽層外覆蓋一層塑料保護膜，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纜。粗纜的內導體直徑約為10mm，接口是AUI，傳輸距離約為500?m，適用于大型局域網。其優(yōu)點是傳輸距離遠，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

細纜的內導體直徑約為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，需要將細纜截斷，接入點越多，斷點就越多，越容易產生接觸不良。細纜安裝示意圖見圖2.7。圖2.7細纜與T型連接器的安裝

3.光纖

光纖即光導纖維，是一種能傳輸光信號的介質，通常由非常透明的石英玻璃構成，其結構由纖芯、包層和保護套組成，如圖2.8

所示。圖2.8光纖結構圖

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光波，包層有較低的折射率。當光線從纖芯射向包層時，如果折射角足夠大，就會出現全反射，不斷重復這個過程，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)光通信系統的組成

光纖通信系統一般由光發(fā)送機、光纖和光接收機3部分組成。光發(fā)送機將電信號轉換為光信號導入光纖，在接收端光接收機將光信號再還原為電信號。全光網絡中則不需要光電信號的轉換過程。

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種有線傳輸介質的傳輸特性不盡相同，應用場合也有區(qū)別。光纜常用于網絡的骨干線路，雙絞線多用于局域網設備之間的連接，而同軸電纜目前在計算機網絡中使用較少。表2.2

給出了這3

種介質在以太網中帶寬和傳輸距離等性能的對比。

二、無線傳輸介質

無線傳輸介質不需要架設或鋪埋纜線，因而在計算機網絡中占據了重要地位。無線傳輸介質所使用的頻段很廣。圖2.12表示出了電磁波的頻譜及其應用領域。圖2.12電磁波的頻譜及其應用領域

2.微波

微波(Microwave)可傳輸電話、電報、圖像、數據等信息。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。

為了實現遠距離通信，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，將信號經過放大后再轉發(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，所以傳播延遲大，大約在500ms至數秒之間。

3.紅外線

紅外線(Infrared)通常用于近距離、無障礙的數據傳輸。紅外技術采用光發(fā)射二極管(LED)、激光二極管(ILD)進行站與站之間的數據交換。最常見的紅外系統是遙控器。紅外線傳輸信號可以直接或經過墻面、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，Fee-SpaceOptics)通信技術是利用激光自身的優(yōu)點開發(fā)的一種無線通信技術，以自由空間作為傳輸介質，半導體振蕩器做光源，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、設備結構輕便經濟等優(yōu)點，但也有設備瞄準困難、容易受大氣干擾、只能進行直線視距傳輸、人體可能被激光傷害等缺點。激光通信的主要應用領域有地面間短距離通信和星際通信等。

本章小結數據通信技術是網絡技術發(fā)展的基礎，信息、數據、信號處于數據通信的不同層次。衡量一個網絡的主要指標有兩個：帶寬和時延。在設計一個通信系統時，應確定系統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。按照傳輸介質上傳輸的信號類型，信號可以分為模擬信號和數字信號兩類，相應的信道和數據通信系統也分為模擬的和數字的。實際通信需要在物理上使用通信介質將收發(fā)雙方相連，該介質可能是導向的有線形式，如光纖和雙絞線，也可能是非導向的，