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计算机网络技术与应用第2章数据通信原理 数据通信原理 v 数据通信是利用信号传输技术和计算机技术,依照通信协议 ,在两个终端之间传递数据的一种通信方式和通信业务。 v 数据通信系统指由数据传输电路将分布在不同地区的数据终 端设备(包括计算机系统)和相关通信设备连接起来,组成一 个具有数据传输、数据交换、数据处理和数据存储功能的计 算机系统。 2数据通信原理 v在数据通信系统中,用于发送和接收数据的设备称 为数据终端设备,简称为终端。数据终端设备泛指 各种类型的计算机系统或数据终端(如接收数据的打 印机等),是数据输入/输出的工具。v用于连接数据终端设备与传输信道的设备称为数据 电路终接设备,该设备是用户设备接入数据传输电 路的连接点。数据电路终接设备的功能是完成数据 信号的变换。 3本章主要内容数据通信的基本概念数据通信的基本概念 1传输介质及主要特性传输介质及主要特性 2数据编码技术与多路复用技术数据编码技术与多路复用技术34数据交换技术数据交换技术 5数据传输技术数据传输技术 4数据通信的基本概念 数据和信号数据和信号 1信道及其主要特性信道及其主要特性 2数据通信方式数据通信方式 3数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 45数据和信号 v数据的概念 数据(data)是实体特征(包括性质、形状、数 量等)的符号说明,泛指那些能被计算机接受、识别 、表示、处理、存储、传输和显示的符号。模拟数据在给定的定义域内表示为时间的连续 函数值,例如声音和视频数据。数字数据指时间离散、幅度量化的数值,可以 用二进制代码0或1的比特序列表示。 6数据和信号 v信号的概念 信号(signal)指传输数据的物理量,如电压、 电流、磁通、光波等物理量称为信号。 任一次通信,产生和发送信号的一端叫信源, 接收信号的一端叫信宿。 信号分为模拟信号与数字信号。 7数据和信号 v数据与信号的关系 模拟数据通过高频载波信号调制到一个指定频 率范围,形成模拟信号进行传输。模拟数据通过采样、量化和编码三个步骤转化 为数字信号,数字信号传输到目标节点后,使用解 码器解码,转化为模拟信号,通过驱动设备转换为 模拟数据。8数据和信号 v数据与信号的关系 数字数据通过编码转化为数字信号,经发送器 发送数字信号。常用的数字信号编码有不归零编码 、曼切斯特编码和差分曼切斯特编码等。数字信号通过解码器转换成计算机使用的数字 数据。数字数据使用调制器转化为模拟信号,相应的 数据编码方式称为模拟数据编码。调制方式有幅度 调制、频率调制和相位调制。模拟信号传输到目标 节点后,用解调器解调还原成数字数据。9数据和信号 v码元 码元(code cell)是网络中传输二进制数字的每 一位的通称,是传输信号的最小单元,又称为bit位 ,7位码元构成一个码字。用同步脉冲识别码元的开 始和结束,完成码元的同步定时。 10信道及其主要特性 v信道指从信源到信宿传输信号的通道,其传输介质是信 道的载体。 v根据传输介质的不同信道可以分为有线信道:明线、双绞线、同轴电缆及光缆等信道。无线信道:长波、中波、短波、超短波、微波以及人造卫星信道或各种散射等信道。 v根据传输信号的类型不同信道可以分为数字信道:指传输数字信号的信道,以数字脉冲形式传 输数据,相应的通信系统称为数字通信系统。模拟信道:指传输模拟信号的信道,以随时间连续变化 的模拟信号形式传输数据,相应的通信系统称为模拟通 信系统。11信道及其主要特性 v用模拟信号传输数字数据 12信道及其主要特性 v利用数字信道传输数据时,将模拟数据或数字数据 转化为数字信号后,再使用数字信道传输数据。 v数字传输最大的好处是对信号不失真地传输,这就 是在数字电视中看到的图像更清晰的原因。 v数字设备集成度高,比复杂的模拟设备便宜很多。 v而传输数字信号比模拟信号所要求的频带要宽得多 ,因而信道利用率较低。 v数字信号另一个特点是易于加密并且保密性好。13数据通信方式 v数据通信方式是由并行传输与串行传输、单工与双 工通信、同步与异步通信技术三个层面构成。(1)并行传输与串行传输14数据通信方式 (2)单工、半双工与全双工通信 单工通信15数据通信方式 (2)单工、半双工与全双工通信 半双工通信16数据通信方式 (2)单工、半双工与全双工通信 全双工通信17数据通信方式 (3)同步技术 v所谓同步,就是接收端要按照发送端所发送的每个 码元的频率以及起止时间来接收数据,使通信的收 发双方在时间基准上保持一致。 v同步分为码元同步、帧同步和字符同步。码元同步又称为位同步,要求接收端接收的每一 码元都要和发送端对应的码元准确地保持同步,即 在每一个二进制位保持同步。实现位同步的方法有外同步法和内同步法两种。 18数据通信方式 (3)同步技术字符同步分为异步式字符同步和同步式字符同步 两种。 v异步式字符同步简称异步传输,异步传输的数据以 字符为单位。19数据通信方式(3)同步技术字符同步分为异步式字符同步和同步式字符同步 两种。 v同步式字符同步简称同步传输,同步传输将字符组 织成数据块连续传送。20数据通信的主要技术指标 v带宽(bandwidth) 模拟信道中,信号或信道的通频带f的宽度称 为带宽,且f =f2f1。信道的带宽通常指信道内可以传输频率的范围 ,信道的带宽越宽,在单位时间内能够传输的信息 量就越大。带宽的单位是Hz。v数据传输率(data transmission rate)在数字信道中传送数字信号的速率称为数据传 输率,数据传输率分为比特率和波特率两种。 21数据通信的主要技术指标 v数据传输率(data transmission rate)比特率(S )指单位时间内传送二进制代码的有 效位数,单位为b/s或bps。对于二进制数据,比特 率为S = (1/T)log2n。波特率(B )指脉冲信号经过调制后的传输速率 ,又称对称调制速率、波形速率、码元速率,单位 为波特(baud)。由于B = 1/T,由此可见,比特率与波特率的关 系为S = Blog2n。注意:习惯上常常将数据传输率称为数字信道的带宽,单位仍用bps。 22数据通信的主要技术指标 v信道容量(channel capacity) 信道容量指信道的最大数据传输能力。通过信 道的数据传输速率一定要低于信道容量所规定的数 值。 v误码率(bit-error rate)误码率指信道中数据传输的错误率,即二进制 码元在数据传输系统中被传错的概率。误码率P= 错误的位数/传输的总位数。 v时延(delay)时延指信号从网络的一端传输到网络的另一端 所需的时间。23传输介质及主要特性 24传输介质及主要特性有线传输介质及其特性有线传输介质及其特性 1无线传输介质无线传输介质 225有线传输介质及其特性 v双绞线 双绞线RJ-4526有线传输介质及其特性 v双绞线 STP双绞线UTP双绞线27有线传输介质及其特性 v双绞线的主要特性如下: (1)物理特性:双绞线芯一般是铜质的材料制成的,具有良好 的导电性能。 (2)传输特性:双绞线可以传输模拟信号和数字信号,最常用 于声音的模拟传输。 (3)连通性:双绞线普遍用于点对点的连接,也可以用于点 对多点的连接。28有线传输介质及其特性 v双绞线的主要特性如下: (4)地理范围:局域网的双绞线在100 Kbps速率下传输距离可 达1 km,在10 Mbps或100 Mbps传输速率下传输距离 均不超过100 m。 (5)抗干扰性:在较低频率传输时,双绞线的抗干扰性相当于 或高于同轴电缆,随着频率的增加,双绞线抗干扰 能力逐步降低。 (6)价格:双绞线的价格低于其他传输介质。 29有线传输介质及其特性 v同轴电缆 30有线传输介质及其特性 v同轴电缆 10base5 粗同轴电缆10base2 细同轴电缆31有线传输介质及其特性 v同轴电缆 服务器客户机客户机客户机BNC T型连接器终端 电阻终端 电阻32有线传输介质及其特性 v同轴电缆的主要特性如下: (1)物理特性:同轴电缆可以在较宽的频率范围内工作。 (2)传输特性:基带同轴电缆仅用于数字传输,数据传输速率 最高可达10 Mbps。宽带同轴电缆既可传输模拟信号 又可传输数字信号。 (3)连通性:同轴电缆既可用于点对点的连接,也可以用于 多点的连接。33有线传输介质及其特性 v同轴电缆的主要特性如下: (4)地理范围:基带同轴电缆的最大传输距离限制在几千米, 而宽带同轴电缆的最大传输距离可达几十千米。 (5)抗干扰性:同轴电缆的抗干扰能力比双绞线强。 (6)价格:同轴电缆的价格比双绞线高,但比光纤低。34有线传输介质及其特性 v光纤 光纤的全名叫做光导纤维,是用特殊的工艺将 石英晶体拉成的细丝,称为纤芯。纤芯外加上包层,纤芯的折射率高于包层的折 射率,光线在纤芯和包层的分界面上几乎是全反射 ,光线遇到包层就会折射回纤芯,形成光波沿着纤 芯传输。35有线传输介质及其特性 v光纤 纤芯玻璃封套塑料外壳一束三根光纤的剖面图36有线传输介质及其特性 v光纤光纤分为单模光纤和多模光纤两大类。光纤传输具有通信容量大、传输损耗小、中继 距离长、抗雷击、抗电磁干扰、无串音干扰,保密 性好等优点。 37有线传输介质及其特性 v光纤的主要特性如下: (1)物理特性:在计算机网络中一般采用两根光纤组成传输系 统。 (2)传输特性:光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的 光信号,数据传输速率高,最低速率是100Mbps,一 般可达1Gbps。 (3)连通性:光纤普遍用于点对点的连接。38有线传输介质及其特性 v光纤的主要特性如下: (4)地理范围:光纤信号衰减极小,使用光纤传输,可以在6 8km的距离内不使用中继器实现高速率的数据传输。 (5)抗干扰性:光信号不受外界电磁干扰和噪声的影响,因此 光纤可以在长距离内传输数据,并且安全性和保密 性高。 (6)价格:光纤的价格比双绞线和同轴电缆高。 39无线传输介质 v无线电波 无线电波适合于数据通信的主要方式是微波, 微波的频率范围在300 MHz-300 GHz,主要使用2G- 40 GHz的频率范围。微波在空间以直线传播,并且穿透性强,能穿 透电离层直接进入宇宙空间。无线电波是全向性的传播,使用较低频率传输 信号,不同的无线电通信使用的频段不同。40无线传输介质 v微波 微波信号的频率在100MHz10GHz,单向沿直线传播 。微波传送有地面微波接力和卫星微波传送两种方式 。地面微波传送是指地球上两个微波站之间的微波传 送方式。特点是微波波段频率高,频率范围宽,通信信 道容量大,数据传输质量较高,对不适宜布光缆的地理 位置更适用。 卫星是一个微波转播台,用来连接两个以上微波收 发系统。卫星通信的优点是容量大,传输距离远,受干 扰影响较小,通信比较稳定;缺点是传播延迟时间长。 41无线传输介质 v红外线通信 红外线数据技术是一种利用红外线进行点对点通信 的技术,其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。数据传输所受到的干扰较少,数据传输率可达 16 Mbps。适用于近距离、高速率传输数据的移动通信设备, 扫描仪,数码相机和图形处理设备相互传送数据。红外线通信的方向性很强,且是沿直线传播的,但 必须把要传输的信号转换为红外光信号才能直接在空 间传播。 42数据编码技术与多路复用技术 数据编码技术数据编码技术 1多路复用技术多路复用技术 243数据编码技术 44数据编码技术 v数字数据的数字信号编码 (1)不归零码不归零码NRZ(non return to zero)是用两种不同 的电压电平的脉冲序列来表示数字信号的编码方式。为保证收发双方的同步,必须在发送NRZ的同时, 用另一个信道同时发送同步时钟脉冲。 45数据编码技术 v数字数据的数字信号编码 (2)曼彻斯特编码曼彻斯特编码的编码规则是:每个比特的中间 有一次电平跳变,从低电平到高电平的跳变表示二 进制“0”,从高电平到低电平的跳变表示二
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