第03章 網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)與數(shù)據(jù)通信

第3章

網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)與數(shù)據(jù)通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用1教學(xué)內(nèi)容3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)3.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第3章

網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)與數(shù)據(jù)通信23.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)為了使計(jì)算機(jī)能夠與其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，傳送已編碼的信息，它們之間必須建立物理連接，所有的連接材料都可以稱為網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，它決定著網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男阅?可靠性、數(shù)據(jù)傳輸率)。

網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)主要有兩類：

有線介質(zhì)(boundedmedia)：雙絞線、同軸電纜、光纖

無線介質(zhì)(unboundedmedia)：無線電波、微波、通信衛(wèi)星第3章

網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)與數(shù)據(jù)通信3

雙絞線由兩條互相絕緣的銅線組成，這兩條線像螺紋一樣扭絞在一起，兩條導(dǎo)線的信號(hào)相位相差180o，可以將外界的電磁干擾相互抵消。一、雙絞線3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)4一、雙絞線3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)雙絞線結(jié)構(gòu)示意圖雙絞線通常被捆扎起來，并裹上保護(hù)層。紐絞的螺旋數(shù)目越多，抗干擾能力越強(qiáng)。廣泛用于電話系統(tǒng)，也常用于計(jì)算機(jī)終端等低速設(shè)備連入高速網(wǎng)絡(luò)。5雙絞線的類型

非屏蔽雙絞線：UTP,UnshieldedTwistedPair

屏蔽雙絞線：STP,ShieldedTwistedPair一、雙絞線6非屏蔽雙絞線(UTP)UTP只依賴于扭絞的線對(duì)產(chǎn)生的相互抵消效應(yīng)來避免電磁和射頻干擾引起的信號(hào)惡化，扭絞數(shù)目遵循一定的規(guī)范。

優(yōu)點(diǎn)：細(xì)小；容易安裝；便宜。

缺點(diǎn)：容易受電子噪聲和干擾的影響。一、雙絞線7UTP一、雙絞線8UTP的分類3類：用于語音傳輸和最高傳輸速率10Mbps的網(wǎng)絡(luò)，目前已退出市場。

4類：用于語音傳輸和最高傳輸速率15Mbps的網(wǎng)絡(luò)，目前應(yīng)用很少。

5類：增加了繞線密度，外套一種高質(zhì)量的絕緣材料，用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的網(wǎng)絡(luò)。是目前網(wǎng)絡(luò)布線的主流。

超5類：與普通5類UTP比較，它的近端串?dāng)_、衰減和結(jié)構(gòu)回波等主要性能更佳，目前廣泛應(yīng)用于100Mbps的網(wǎng)絡(luò)。一、雙絞線9屏蔽雙絞線(STP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，能夠抵抗所有類型的外部干擾。但價(jià)格昂貴，且需要配有支持屏蔽功能的特殊連接器和相應(yīng)的安裝技術(shù)，主要用于IBM網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。一、雙絞線10二、同軸電纜無中繼，傳輸距離比雙絞線遠(yuǎn)，但安裝麻煩且成本高。分為基帶和寬帶兩種，前者可用于局域網(wǎng)(目前已不用)，后者用于有線電視的模擬信號(hào)傳輸。3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)11三、光纖一種能夠進(jìn)行調(diào)制的光信號(hào)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)，利用光脈沖的出現(xiàn)與不出現(xiàn)表示0和1。光纖不受電子噪聲的干擾，數(shù)據(jù)傳輸率高(理論上可以獲得超過5000Gbps的帶寬，實(shí)際使用為10Gbps是因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換速度限制)，直徑小(重量輕，可安裝在狹窄的地方)。3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)12光纖的結(jié)構(gòu)三、光纖13光纖的工作原理——全反射定理在折射率小于1時(shí)，當(dāng)光線在玻璃上的入射角大于某一臨界值時(shí)，光線將完全反射回玻璃，而不會(huì)漏入空氣，這樣可以保證光線在光纖中幾乎無損耗的傳播。三、光纖14光波的傳播過程在光纖的一端放置一個(gè)光源，如發(fā)光二極管(LED)或激光，產(chǎn)生一定頻率的光波脈沖。光波以各種不同的角度進(jìn)入光芯，根據(jù)全反射定理向前傳播。在光纖的另一端放置一個(gè)傳感器，通過檢測光波脈沖的出現(xiàn)/不出現(xiàn)來識(shí)別0/1。最后光波脈沖將被保護(hù)層吸收，以防止外泄而干擾臨近光纖。三、光纖15光纖的特點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)快。阻抗極低：傳輸距離遠(yuǎn)?？垢蓴_能力強(qiáng)：光波。對(duì)濕氣等環(huán)境因素具有很強(qiáng)的抵抗力。需進(jìn)行光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。安裝困難：分接和接合。三、光纖16四、無線電波

利用地面發(fā)射的無線電波通過電離層的反射而到達(dá)接收端的一種遠(yuǎn)距離通信方式。3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)17地球兩個(gè)地面站之間傳送距離：50-100km地面站之間的直視線路

微波傳送塔(精確對(duì)準(zhǔn))利用微波在對(duì)流層的視距范圍內(nèi)進(jìn)行信息傳輸。五、微波3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)18地球與地面站相對(duì)固定位置使用3個(gè)衛(wèi)星覆蓋全球(3星定位)六、地球同步衛(wèi)星3.1網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)193.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第3章

網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)與數(shù)據(jù)通信3.2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念3.2.2模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)3.2.3數(shù)據(jù)傳輸模式3.2.4信道復(fù)用技術(shù)3.2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)203.2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念一、信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)二、什么是數(shù)據(jù)通信三、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型3.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)21

信息(Information)：客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

數(shù)據(jù)(Data)：一般可以理解為“信息的數(shù)字化形式”或“數(shù)字化的信息形式”。狹義的“數(shù)據(jù)”是指具有一定數(shù)字特性的信息，如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)中區(qū)別于程序的計(jì)算數(shù)據(jù)等。但在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，“數(shù)據(jù)”通常被廣義地理解為在網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)字編碼。一、信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)3.2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念22

信號(hào)(Signal)：以其某種特性參數(shù)的變化來攜帶信息的物理量，是數(shù)據(jù)的具體物理表現(xiàn)，比如電磁波信號(hào)、脈沖信號(hào)、光信號(hào)等。信號(hào)一般以時(shí)間為自變量，以表示信息的某個(gè)參量為因變量。一、信息、數(shù)據(jù)與信號(hào)3.2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念23二、什么是數(shù)據(jù)通信

通信(Communication)的目的是交換信息，信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像的組合；為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像用二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)來表示；為了傳輸二進(jìn)制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用信號(hào)編碼的方式表示；

數(shù)據(jù)通信是指在不同計(jì)算機(jī)之間傳送表示字母、數(shù)字、符號(hào)的二進(jìn)制代碼(0/1比特序列)的信號(hào)的過程。3.2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念24三、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型3.2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

通信系統(tǒng)：為完成通信任務(wù)所需的一切設(shè)備和傳輸介質(zhì)的總和。

信源：產(chǎn)生要發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備。

信宿：接收數(shù)據(jù)的設(shè)備。

信道：傳輸信號(hào)的通道，通常指傳輸介質(zhì)。

變換器/反變換器：進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換和復(fù)原。25模擬信號(hào)(AnalogSignal)：一種連續(xù)變化的電磁波，如電視圖像信號(hào)，語音信號(hào)等；

數(shù)字信號(hào)(DigitalSignal)：一系列電壓脈沖，如計(jì)算機(jī)輸出的“0/1”的電壓脈沖信號(hào)。3.2.2模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)3.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

x(nT)(b)數(shù)字信號(hào)(a)模擬信號(hào)

1001100111

f(t)

tnT100110011126一、模擬數(shù)據(jù)的傳輸3.2.2模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬數(shù)據(jù)經(jīng)模擬信道傳輸時(shí)不需要變換，但通常要調(diào)制成高頻信號(hào)，可采用調(diào)頻或調(diào)幅技術(shù)。模擬數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字信道傳輸時(shí)要進(jìn)行數(shù)字化，一般在發(fā)送端放置一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(編碼器)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再發(fā)送；在接收端放置一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(解碼器)，將接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。通常采用PCM(PulseCodeModulation,脈沖編碼調(diào)制)技術(shù)進(jìn)行模-數(shù)信號(hào)間的轉(zhuǎn)換27一、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸3.2.2模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字信道傳輸時(shí)要進(jìn)行編碼，通常用不連續(xù)的電壓或電流的脈沖序列來表示0/1，每個(gè)脈沖代表一個(gè)信號(hào)單元，稱為碼元。常用的編碼方式有歸零制、曼徹斯特編碼等。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)模擬信道傳輸時(shí)要調(diào)制，通常采用輻移鍵控法(ASK)、頻移鍵控法(FSK)和相移鍵控法(PSK)。28信源調(diào)制器信道解調(diào)器信宿噪聲模擬通信：利用模擬信號(hào)來傳遞信息

實(shí)質(zhì)上是一種信號(hào)變換器，由于信源產(chǎn)生的是模擬信號(hào)，所以調(diào)制器的功能是將其調(diào)制到某個(gè)頻段以便進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。用來傳輸表示消息的信號(hào)的介質(zhì)或通路，包括傳輸介質(zhì)和介質(zhì)兩端的傳輸設(shè)備。三、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型29

信源編碼器

噪聲

發(fā)送端時(shí)鐘

信

源

信道編碼器

信

宿

調(diào)

制

信

道

解

調(diào)

信道譯碼器

信源譯碼器

接收端時(shí)鐘

數(shù)字通信：利用數(shù)字信號(hào)來傳遞信息

對(duì)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行檢錯(cuò)或糾錯(cuò)編碼,以便接收方能進(jìn)行差錯(cuò)檢測和糾正。

信源編碼器的主要作用：一是進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換；二是降低信號(hào)的誤碼率。

使變換后的信號(hào)能在傳輸介質(zhì)中傳輸，或提高信道的傳輸效率。

發(fā)送端和接收端使用各自的時(shí)鐘；接收時(shí)鐘與發(fā)送時(shí)鐘必須保持同步三、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型303.2.3數(shù)據(jù)傳輸模式一、串行和并行傳輸二、同步和異步傳輸三、通信方式3.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)31一、串行和并行傳輸3.2.3數(shù)據(jù)傳輸模式

串行傳輸：使用一條線路，逐個(gè)傳送比特位。

并行傳輸：使用多條線路，同時(shí)傳送一組比特位。32串行傳輸和并行傳輸?shù)谋容^一、串行和并行傳輸

串行傳輸：傳輸速度相對(duì)較慢，但長距離傳輸時(shí)較可靠，發(fā)送方和接收方必須在數(shù)據(jù)的收發(fā)順序上達(dá)成一致。

并行傳輸：傳輸速度相對(duì)較快，但成本較高，特別是長距離傳輸時(shí)，可靠性較差，還會(huì)產(chǎn)生比特位到達(dá)順序不一致的問題。33在數(shù)據(jù)通信過程中，要求接收方知道它所接收的每一位的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，才能正確地接收數(shù)據(jù)。

異步傳輸(AsynchronousTransmission)

同步傳輸(SynchronousTransmission)二、同步和異步傳輸3.2.3數(shù)據(jù)傳輸模式34

異步傳輸以字符為單位傳送數(shù)據(jù)，把每個(gè)字符看作一個(gè)獨(dú)立的信息，用起始位和停止位作為字符開始和結(jié)束的標(biāo)志。二、同步和異步傳輸3.2.3數(shù)據(jù)傳輸模式35

同步傳輸以數(shù)據(jù)塊為數(shù)據(jù)傳送單位，多個(gè)字符組成的數(shù)據(jù)塊使用公共的同步位組合或同步字符，字符之間沒有間隙。二、同步和異步傳輸3.2.3數(shù)據(jù)傳輸模式36三、通信方式單工通信半雙工通信雙工通信3.2.3數(shù)據(jù)傳輸模式373.2.4信道復(fù)用技術(shù)信道的傳輸容量往往大于一路信號(hào)傳輸單一信息的需求。

問題：如何提高信道的利用率？

解決：在同一傳輸介質(zhì)上，同時(shí)傳輸多個(gè)有限帶寬信號(hào)——多路復(fù)用(Multiplexing)技術(shù)。3.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)38信道復(fù)用技術(shù)示意圖3.2.4信道復(fù)用技術(shù)39兩種典型的信道復(fù)用技術(shù)

頻分多路復(fù)用(FDM,FrequencyDivisionMultiplexing)：將一個(gè)信道可用帶寬的頻率劃分為多個(gè)更細(xì)的帶寬，每一分帶寬分給一個(gè)信號(hào)源。

時(shí)分多路復(fù)用(TDM,TimeDivisionMultiplexing)：將信道按時(shí)間段分配給各個(gè)信號(hào)源，通過多個(gè)信號(hào)源共享一條信道。3.2.4信道復(fù)用技術(shù)40頻分多路復(fù)用示意圖3.2.4信道復(fù)用技術(shù)41時(shí)分多路復(fù)用示意圖3.2.4信道復(fù)用技術(shù)423.2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)在從源地到目的地的數(shù)據(jù)通信過程中，往往需要經(jīng)過若干個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)接，這需要利用數(shù)據(jù)交換技術(shù)。

三種常用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)：

一、電路交換二、報(bào)文交換三、分組交換3.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)43一、電路交換傳輸雙方在傳輸之前通過呼叫建立一條物理線路，一直保持到雙方通話結(jié)束才釋放——電話系統(tǒng)。3.2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)44二、報(bào)文交換不事先建立物理電路，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，把要發(fā)送的數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備先