第2章数据通信基础

第一部分Internet基础与应用第一讲Internet概述第二讲数据通信基础第三讲局域网与广域网技术第四讲Internet技术基础第五讲Internet地址和域名第六讲Internet的连入方法第七讲Internet应用（)第八讲Internet应用（E-mail&Usenet）第九讲Internet应用（Telnet&BBS）第十讲Internet的未来第2讲数据通信基础2.1通信发展的历史社会的人与人交换思想•介质空气、书信、驿站•电报1835，1837莫尔斯电磁电报1892，马可尼无线电报•电话1876，贝尔电话机1878，人工电话交换机1892，史瑞乔自动电化交换机电话电报开始了近代通信的历史，几百年；发挥了极其重要的作用；20世纪30年代，信息论、调制论、预测论、统计论一系列的突破；20世纪50年代，载波传输、电话、电报通信系统；元件、光纤、收音机、电视机、计算机，广播电视、数字通信业大发展；目前已形成数字传输、程控电话交换通信为主，其他非语音通信为辅的综合电信通信系统；并且日益与计算机、电视等其他技术融合。中国1880年，由丹麦人在上海创办第一个电话局。2.2数据通信的传输介质信道是指以传输介质为为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。2.2.1双绞线（twistedpair)每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm。减少电磁干扰，提高传输质量。电话线就是双绞线。双绞线可以用于传输模拟传输或数字传输。计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。屏蔽双绞线(STP，ShieldedTwistedPair)：抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高，所以一直没有广泛使用。非屏蔽双绞线(UTP，UnshieldedTwistedPair)：非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。非屏蔽双绞线有1、2、3、4、5五类，常用的是3类线和5类线，5类线既可支持100Mbps的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。双绞线最便宜的传输媒介易受环境中电信号的干扰通常用于较短距离的连接2.2.2同轴电缆(coaxialcable)同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编制成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。如图。另外，同轴电缆的两端需要有终结器(用50欧姆或75欧姆的电阻连接内外导体)，中间连接需要收发器、T形头、筒形连接器等器件。同轴电缆基本结构示意图同轴电缆支持点到点连接，也支持多点连接。分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带同轴电缆一般用于二进制数据信号的传输，多用于计算机局域网；宽带同轴电缆主要用于高带宽数据通信，支持多路复用。基带同轴电缆又分为粗缆和细缆。粗缆多用于局域网主干，支持2500米的传输距离，可以连接数千台设备，但其价格较高；细缆多用于与用户桌面连接，级连使用可支持800米的传输距离，但一般不超过180米，可以连接数千台设备。基带同轴电缆的最大优点是抗干扰性强，而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好，在公用机房、教学楼等人员嘈杂的地方，极易出现故障，而且一点发生故障，整段局域网都无法通信，所以基本已被非屏蔽双绞线所取代。绝缘层绝缘层内导体(铜芯)外导体(编织状)外保护层(塑料)外保护层(塑料)外导体(编织状)同轴电缆比较便宜绝缘层保护外层绝缘层外导体2.2.3光缆(opticalfiber)光纤即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信，只20/30年的历史。1960年，美MAINMAN，红宝石激光器1966年，英籍华人高锟（C。K。KAO）博士提出，Sio2石英玻璃制成光纤，低消耗1970年，美国康宁公司制出了损耗为20分贝的光纤。1、光纤通信的原理见图，入射角∠１∠２∠３逐渐增大，∠1’∠2’是折射角，光纤通信的原理，是基于光线由光密介质进入光疏介质时，在入射角足够大的情况下会发生全反射的特性射角达到∠3时，发生全反射，即光波能量几乎全部反射，这样才可以达到长距离高速传输的目的。入射光11'22'折射光折射光反射光3光密介质光疏介质光纤通信的原理2.室外光缆和室内光纤光纤传输介质有室外光缆和室内光纤之分室外光缆，主要用于室外环境，可以架空或走地下管道。由于室外光缆所处环境比较恶劣，需要防水、防晒、防压、防化学侵蚀等，所以需要有很好保护，其结构如图所示。室外光缆室内光纤，主要用于室内，单根光纤加上稍许保护材料。光波在纤芯上传播。纤芯是一种直径50到100微米的柔软的光导介质，成分主要是二氧化硅。在折射率较高的纤芯外面，由折射率较低的包层包裹着，以保证在界面上光波可以发生全反射。光纤(单根)3、单模和多模两种单模光纤指光纤做得极细，接近光波波长，光信号只能与光纤轴成单个可辨角度传输。多模光纤的纤芯比单模的粗，光信号与光纤轴成多个可辨角度传输。单模光纤成本较高，但性能很好，在几十公里内能以几千兆bps的速率传输数据。多模光纤成本较低，但性能比单模光纤差一些。填充物填充物光纤(多根)钢铠外铠(塑料)外铠(塑料)钢铠填充物填充物纤芯(50～100微米)保护层(塑料)保护层(塑料)光纤•昂贵的传输媒介•不受电信号的干扰•使用于长距离、高速率的信号传输2.2.4无线传输介质无线电、微波、卫星、移动通信等，各种无线介质传输介质对应的电磁波谱范围如图所示。1010101010101010101010101045678910111213141516频率(Hz)无线电微波红外紫外线双绞线卫星通信光纤同轴电缆无线电AM无线电FM地面微波通信电视各通信类型使用的电磁波谱范围在计算机网络领域，无线通信介质主要是微波和卫星。微波通信是指用频率在100MHz到10GHz的微波信号进行通信。特点是：只能进行可视范围内的通信；大气对微波信号的吸收与散射影响较大。微波通信主要用于几公里范围内，不适合铺设有线传输介质的情况，而且只能用于点到点的通信，速率也不高，一般为几百Kbps。卫星通信是指利用人造卫星进行中转的通信方式。商用的通信卫星一般被发射在赤道上方3.6万公里的同步轨道上，另外也有中低轨道的小卫星通信，如Motorala公司的铱星系统。特点是：适合与很长距离的传输，如国际之间、洲际之间；传输延时较大，一般为500ms左右；费用较高。2.2.5几种传输介质的比较下表列出了计算机通信中几种传输介质的比较。我们在选择通信介质的时候，一定要从性能、价格和使用场合等各个角度综合考虑，一般来说，影响传输介质选择的因素包括：•拓扑结构：(如星形结构不适合选用同轴电缆，可选择双绞线方等方式)•容量：介质提供的传输速率应能够满足要求•可靠性(差错率)：在可能的情况下，尽量选择可靠性高的介质•应用环境：包括传输距离、环境恶劣程度、信号强度等等常用传输介质比较非屏蔽双绞线基带同轴电缆光纤卫星分类3类5类粗缆细缆单模多模同步低轨传输速率3类UTP最大16Mbps因种类、距离不同，几千Mbps根据租用费用变化较大5类UTP最大155Mbps变化较大(但总要高于UTP)地理范围100米左右细缆小于800米几公里到几十公里很大粗缆小于2500米差错率一般(10~10)中等(10~10)最低(10)高成本低中较高高－５－６－７－９－１０卫星因其自身的优势，必然成为宽带业务的重要手段。空中的卫星可以避免陆地光纤的各种瓶颈问题，直接将信号传达到用户，特别是对不易铺设光纤的边远地区来说，卫星宽带成了救星。2.3数据通信的基础知识1、信息和数据信息(Information)：从哲学的观点看，信息是一种带普遍性的关系属性，是物质存在方式及其运动规律、特点的外在表现；从通信的角度考虑，可以认为是生物体或具有一定功能的机器通过感觉器官或相应设备同外界交换的内容的总称。信息的含义是信息科学、情报学等学科中广泛讨论的问题。一般认为，信息是客观世界内同物质、能源并列的三大基本要素之一。香农：I=log2（1/P）I是消息的信息量P是事件发生的概率不可能发生事件信息量=无穷信息总是与一定的形式相联系，这种形式可以是语音、图像、文字等；信息是人们要通过通信系统传递的内容。数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。可以说，数据是传递信息的实体，而信息是数据的内容或解释。2、信号(Signal)：发送机将人或机器产生的信息转换为适合在通信信道上传输的电编码、电磁编码或光编码。这种在信道上传输的电/光编码叫做信号。信号可以是模拟信号或数字信号。模拟信号是指表示信息的信号及其振幅、频率、相位等参数随着信息连续变化，幅度必须是连续的，但在时间上可以是连续的或离散的。3、信道：在数据通信系统中，信道是传送信号的通路。信道本身可以是模拟的，也可以是数字方式的。用以传输模拟信号的信道叫作模拟信道，用以传输数字信号的信道叫作数字信道。信道：狭义（载波机）、广义（调制）、广义（编码）4、信道带宽：信道上传输的是电磁波信号，某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。数据通信系统的信道传输的是电磁波(包括无线电、微波、光波等)，带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。5、信道容量：信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，叫作信道的最大传输速率，即信道容量。信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。6、奈奎斯特定理：1924年，奈奎斯特(Nyquist)就发现了信道传输速率有上限，并且给出了有限带宽、无噪声信道的最大传输速率公式：无噪声信道最大传输速率=2Blog2V(bps)B代表信道的带宽。V是信号有效状态的数量。对于二进制的数据信号，信号仅有两种有效状态，分别代表“0”和“1”，所以V=2，此时，无噪声信道的最大传输速率=2B(bps)。如果我们使用模拟电话系统传输二进制信号，即使用话音级信道，带宽3000Hz，那么最大传输速率为6000bps。现在大多数电话拨号上网用户采用的就是模拟电话系统，即利用3000Hz的话音级信道，来传输计算机信息，实际上现在一般拨号上网的速率都在14000bps以上，这又是怎么会事呢？这是因为采用了特殊的编码方法，将V的值增大，自然就提高了数据传输速率。那么，是不是可以无限增大V的值，从而提高数据传输速率呢？当然不是，下面介绍的香农定理将会回答这个问题。6、信道容量定理（香农（Shannon）定理）香农在二十世纪四十年代初奠定了通信的数字理论基础。他的“信道容量定理”指出，可以找到这样一种技术，当数据传输速率小于或等于某个最大传输速率（信道容量）时，通过它可以以任意小的错误概率传送信息。相反，如果大于这个上限，则不论采用什么编码技术，错误概率都将无法忍受。香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，因为实际信道不可能没有噪声，所以香农定理比奈奎斯特定理更进了一步。C=Blog2(1+S/N)（B/s）C表示信道容量(最大传输速率），B代表信道的带宽。S是信号能量，N是噪声能量S/N是信噪比，用来描述信道的质量，噪声小的系统信噪比大，反之则小。（1）信道传输速率R≦C，一定存在一种编码，使信息源能以任意小的差错率通过信道进行传输；反之是不可能的；（2）对于给定的C，若减小B，则必须增大S/N，即提高信号强度；反之，若有较大的传输带宽，则可用较小的信噪比。宽带系统有较好的抗干扰性能。带宽替换功率法。实践中常用编码和调制技术来解决。（3）设单位频带内噪声功率为n0时，则N=n0B，B，C=lim[Blog2（1+S/n0B）]1.44S/n0S和n0一定时，随B增大，C也增大；但是，C不可能趋于无穷大。（4）设C=I/T，I为传输的信息量，T为传输时间，B与T之间存在着某种互换关系。则I=TBlog2（1+S/N）信噪比也可以用1