宽带网络技术之第1章数据通信基础

第1章数据通信基础第1章数据通信基础数据通信网的组成数据通信网传输技术数据通信网交换技术数据差错控制技术第1章数据通信基础重点数据通信系统的构成、特点和主要性能指标；数据通信网中常用的传输技术和交换技术；信道复用技术和数据的差错控制技术。难点分组交换技术和循环码第1章数据通信基础1.1.1数据通信的组成和分类1．数据通信网的组成数据通信网是一种使用转接交换设备和传输链路，将处于不同地理位置的数据终端设备互连起来，实现通信和信息交换的网络。如图所示。包括：转接交换设备传输链路用户终端设备第1章数据通信基础数据终端设备转接交换设备传输链路骨干网用户接入网数据通信网的组成第1章数据通信基础2．数据通信网的分类（1）按服务的对象分类①公用数据通信网：即公众网。它是向全社会开放的数据通信网，由国家电信部门经营，是国家电信网的主体。②专用数据通信网：它是为满足各专业性行业通信的需要而建设的专用数据通信网。如军队、铁路、石油、水利电力、煤炭等部门自建或向电信部门租用电路建设的专供本部门业务使用的数据通信网。专用数据通信网也是国家数据通信网的重要组成部分。第1章数据通信基础（2）按数据通信网的服务范围分类①局域网（LAN）：通信距离一般控制在几公里以内，覆盖范围一般是一个房间、一幢大楼、一个校园和一个企业。②广域网（WAN）：通信距离可达几十至几千公里，也叫远程网。它可以覆盖一个国家或地区，甚至横跨几个洲，形成国际性的远程网。Internet就是典型的广域网。③城域网（MAN）：通信距离介于局域网和广域网之间，约为几十公里。城域网的设计目标主要是满足一个城市范围内大量的企业、机关、学校等多个局域网互联的需求。第1章数据通信基础（3）按数据通信网的拓扑结构分类①总线网：总线拓扑结构采用一个信道（总线）作为传输介质，所有站点通过相应的接口直接连接到这一公共传输介质上。②星型网：星型拓扑结构是由中央结点和连接到中央结点的各个站点组成。③环型网：环型拓扑结构由站点和连接站点的链路组成一个闭合环。④网型网：网型拓扑结构中，在大多数情况下，一个结点至少和两个以上的结点相连。当所有结点之间均有直达通路连接时，就成为全连通的网络拓扑。⑤混合网：混合网一般由网型网和星型网组合而成。第1章数据通信基础数据通信网的拓扑结构分类(e)总线结构(a)星型结构(b)环型结构(c)网型结构(d)树形结构第1章数据通信基础3．数据通信网的发展趋势数字化就是在数据通信网上全面使用数字技术，包括信息的数字化以及传输和交换的数字化等。宽带化是适应人们对大量信息的需求而出现的，只有通过宽带高速信道才能传送质量达到演播室水平的话音信号、高清晰度视频信号和高速的数据信号。综合化包括两重含义，即业务综合和网络的融合。智能化是指数据通信网中引入更多的智能部件，构成智能网（IN），从而提高网络和业务的应变能力；它可以对网络资源进行动态分配，随时提供满足各类用户需要的业务。个人化即个人通信，指无论任何人在任何时候，位于任何地方都能自由地与世界上其他任何人进行通信。标准化是指数据通信网在发展中不断制定或修订全国乃至国际统一的数据通信网络标准。第1章数据通信基础1.1.2数据通信系统的构成数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。是组成数据通信网的基础。典型的数据通信系统主要由中央计算机系统、数据终端设备（DTE）、数据电路三部分构成。第1章数据通信基础数据输入输出设备传输控制器通信控制器主机数据电路终接设备数据电路终接设备传输信道数据通信系统组成第1章数据通信基础1．数据终端设备数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）由数据输入设备（产生数据的数据源）、数据输出设备（接收数据的数据宿）和传输控制器组成。2．数据电路数据电路由传输信道（传输线路）及其两端的数据电路终接设备（DataCircuitTerminatingEquipment，DCE）组成。3．中央计算机系统中央计算机系统由通信控制器（或称前置处理机）、主机及外围设备组成，具有处理从数据终端设备输入的数据信息，并将处理结果向相应的数据终端设备输出的功能。第1章数据通信基础1.1.3数据通信的特点通信的对象有机器参与数据传输的可靠性要求高数据通信量的突发性较为严重数据通信网应提供足够灵活的接口能力数据通信的信息传输效率很高第1章数据通信基础1.1.4数据通信的主要性能指标1．有效性质量指标有效性质量指标是衡量系统传输能力的主要指标，通常从码元速率、信息速率、数据传送速率、功率利用率和频带利用率等方面来考虑。第1章数据通信基础（1）码元速率（或称调制速率）。每秒钟传输数据信号码元的数目称为码元速率。单位：波特（B），用符号RB表示。虽然数字信号有多进制与二进制之分，但码元速率与信号的进制无关，它只与码元宽度T有关。RB=1/T波特式中:T为码元宽度第1章数据通信基础（2）信息速率（或称数据传信速率）每秒钟传输的信息量称为信息速率。单位：比特/秒（bit/s），用符号Rb表示。比特是英文binarydigit的缩写，在信息论中作为信息量的度量单位。信息量是衡量各种不同消息中包含信息多少的标准。通常用符号I表示。第1章数据通信基础每个码元的信息量为:I=log21/P=log2N(bit)所以,信息速率为:Rb=I•RB=RB•log2N(bit)第1章数据通信基础（3）数据传送速率单位时间内在数据传输系统中的相应设备之间传送的比特、字符或码组平均数。单位：比特/秒（bit/s）、字符/秒或码组/秒。定义中的相应设备常指调制解调器、中间设备或数据源与数据宿。（4）功率利用率数据通信传输系统的功率利用率用系统信噪比来描述。在保证系统传输质量的条件下，系统所需要的最低归一化信噪比定义为系统的功率利用率。第1章数据通信基础（5）频带利用率频带利用率用系统单位频带内所实现的信息传输速率来衡量。表示为η=Rb/B=RB•log2N/B(bit/s/Hz)式中，B为系统所需的传输带宽，Rb为系统的信息速率。第1章数据通信基础2．可靠性质量指标数据通信系统的可靠性主要用差错率来表示。差错率可以有多种定义，在数据通信中，一般采用误码率、误比特率、误字符率或误码组率等指标来表示。第1章数据通信基础（1）误码率在系统传输的码元总数中发生差错的码元数所占的比例称误码率。记为式中，n是在一定时间内系统传输的码元总数；ne是在相同时间内传输中产生的错码数。nnpenelim第1章数据通信基础（2）误比特率系统在传输中发生差错的比特数占传输总比特数的比例称误比特率。记为式中，n是在一定时间内系统传输的比特总数；nb是在同一时间内传输中产生的错比特数。对于二进制数据信号，误码率和误比特率相等。而对于多进制数字信号，其误码率总是大于等于误比特率。nnpbnblim第1章数据通信基础（3）误字符率或误码组率系统在传输中发生差错的字符（码组）数占传输总字符数（码组）的比例称误字符（码组）率。记为误字符（码组）率＝×100%差错率是一个统计平均值，因此在测量和统计时，总的传输码元、比特、字符或码组数应达到一定数量，否则测出的结果将失去意义。数传输总的字符(码组)(码组)数传输中发生差错的字符第1章数据通信基础1.2.1传输介质1．双绞线双绞线是由按一定密度的螺旋结构排列的两根包有绝缘层的铜线，外部再包裹屏蔽层或橡塑外皮而构成。之所以要绞在一起，是因为两根平行的线会构成一个很好的天线。当两根线绞在一起后，不同线产生的干扰波会相互抵消，辐射会显著的减少。一般在一根电缆中包含多对双绞线，线对数量视用途在2对～1800对之间，连接计算机终端的双绞线通常包含4对双绞线。第1章数据通信基础双绞线电缆分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两大类。双绞线电缆按传输质量分为1类～6类，局域网中常用的为5类双绞线，其传输特性最高至100MHz，用于语音和最高传输速率为155Mbit/s的数据传输。五类非屏蔽双绞线五类屏蔽双绞线第1章数据通信基础非屏蔽双绞线（UTP）电缆的优点：①物理特性：抗干扰能力强，传导率良好。②传输特性：可传输模拟信号也可传输数字信号。③连通性：可用于点到点的连接，也可用于多点的连接。④地理范围：在几公里以内传输较容易。⑤抗干扰性：低频传输时，双绞线抗干扰性优于同轴电缆。⑥使用安装：价格较便宜，非常容易安装。第1章数据通信基础2．电缆同轴电缆由两个导体组成，是一个空心圆柱形网状导体围裹着一个实心导体的结构。内部导体可以是单股的实心导线，也可以是多股的绞合线；外部导体可以是单股线，也可以是编制的网状线。内部导体用固体绝缘材料固定；外部导体用一个罩或者屏蔽层覆盖。第1章数据通信基础同轴电缆的优点：①物理特性：频率范围较宽。②传输特性：粗电缆的抗干扰性能好，传输距离远。细电缆的价格便宜，传输距离近。③连通性：适于点到点及点到多点的连接。④地理范围：距离大，几千米甚至几十千米。⑤价格：高于双绞线，低于光纤。第1章数据通信基础3．光缆光纤是一种能够传导光信号的介质。通常所用的光缆都是由若干根光纤组成。有许多种玻璃和塑料都可用来制造光纤。光纤由纤芯、包层两部分构成。二者由两种光学性能不同的介质构成。其中，纤芯为光通路；包层由多层反射玻璃纤维构成，用来将光线反射到纤芯上。实用的光缆外部还须有一个保护层。光纤可以分为单模和多模两种传输方式，单模提供单条光通路；多模光纤，即发散为多路光波，每一路光波走一条通路。单模光纤因为衰减小而具有更大的容量，但是它的生产要比多模光纤困难。第1章数据通信基础第1章数据通信基础光纤的特点：①物理特性：按波长范围可分成三种：0.85m，1.3m，1.55m。②传输特性：数据传输率可达几千Mbit/s，传输距离达几千米。③连通性：普遍用于点到点的链路。④地理范围：6km～8km的距离内不用中继器。⑤抗干扰性：不受电磁波干扰，不受噪声影响。⑥价格：光纤的价格在逐步降低，而且随着技术的改进，光纤的价格还会大幅下降。第1章数据通信基础4．无线介质利用无线信道进行信息的传输是在运动中通信的唯一手段。无线传输使用的频段很广，包括无线电、微波、红外线和可见光。无线电通信在数据通信中占有重要地位。在计算机通信中，用的最多的是微波。微波的频率范围300MHz~300GHz。微波在空间主要是直线传播，它有地面微波接力通信和卫星通信两种主要方式。第1章数据通信基础电磁波谱图第1章数据通信基础（1）微波中继（接力）通信微波中继通信是利用电磁波在对流层的视距范围内传输的一种通信方式，目前使用的频率一般在1GHz～20GHz之间。由于受地形和天线高度的限制，两站间的通信距离一般为30km～50km。因此，长距离传输时，必须建立多个中继站。微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。主要优点是：①通信信道容量大；②传输质量较高；③建设投资少，见效快。主要缺点是：①相邻站之间必须直视，不能有障碍物；②有时会受恶劣气候的影响；③隐蔽性和保密性较差；④使用和维护耗费较大。第1章数据通信基础（2）卫星通信卫星通信需要通信卫星。实际上，通信卫星就是一个挂在天空的微波中继器。它包含多个异频发射应答器，每一个异频发射应答器都在监听频谱的某一部分，对进来的信号进行放大，然后在另一个频率上将放大后的信号重新发射出去，这样做可以避免和进来的信号相互干扰。向下的波束可以很宽，从而覆盖地球表面相当大一部分。也可以很窄，从而仅覆盖几百公里直径的区域。第1章数据通信基础高度（km）类型时延（ms）需要的卫星数上范艾伦带下范艾伦带低地球轨道卫星中地球轨道卫星地球同步轨道卫星卫星通信的适合高度及特性第1章数据通信基础卫星通信系统是由空间分系统、地球站群、跟踪遥测及指令分系统和监控管理分系统四大部分组成的。第1章数据通信基础卫星通信特点：通信距离远，且通信费用与通信距离无关。尤其是当通信距离超过某一定范围，每话路的成本可低于地面微波通信；卫星通信的频带很宽