计算机网络3数据通信基本原理

12传送介质数据通信模型数据传输数据编码数字数据通信技术多路复用技术数据交换技术3§3.1传输介质3.1.1、简介传输媒体为什么要媒体？网络中的计算机想互相传送信息，就必须有传送信息的媒体。传输媒体是什么？传输媒体是收发双方之间进行通信的物理信号通路。传输媒体分类有线；无线。4常用于局域网的有线媒体有：双绞线；同轴电缆；光纤；常用的无线媒体有：无线电短波；微波；红外线；传输媒体选择要根据具体的环境通盘考虑，主要考虑的因素有：价格；安装难易程度；容量；抗干扰能力；衰减。5无线电短波可以通过各种传输天线产生全方位广播或定向发射。短波的信号频率低于100MHz，用于低速传输。一个模拟话路每秒传几十到几百个比特，经过调制解调技术后，传输速率达到几千bps。无线电发射器决定了信号的频率及功率。微波数据通信系统有两种形式：地面微波接力通信：卫星通信；微波的频率范围为300MHz~300GHz,主要使用2~40GHz的频率范围。6红外线红外线传输建立在红外线的基础上，采用:发光二极管;激光三极管;光电二极管;能进行站点与站点之间的数据交换。红外线传输可以进行点到点的通信；可以进行广播式通信。每一种媒体在局域网和广域网上的运行方式是不同的。在局域网传输媒体领域中，最令人鼓舞的发展是在纤维光学领域7双绞线普遍用于模拟和数字数据的传输媒体；在建筑物内将网络站点与中心节点连接起来的线路可以是双绞线；将电话机连接起来的线路可以是双绞线。双绞线可用于点到点和广播式网络中3.1.2、双绞线概述：8双绞线的组成双绞线是由有规则的、螺旋状排列的两根绝缘导线组成的。这种导线是铜线或镀铜的钢线；铜提供良好的导电性，钢用来增加强度。一条电缆的构成一对线对起单条通信链路的作用。一般将这些线对捆在一起，封在一个坚硬的护套内，以构成一条电缆。电缆可以在较长距离内包含数百对线。单个线对绞在一起可减少线对之间的电磁干扰。物理描述9传输特征对模拟信号，约每5～6km要有一个放大器；对低频数字信号，每2～3km需一个转发器。在双绞线上传输数据信号或基带信号，目前在局域网中可达100Mbps甚至更高。线对最普通的用途是声音的模拟传输（线对可用来传输模拟信号和数字信号）：10话音的频率分量为20Hz～20kHz，再现可理解的话音仅要求一个非常窄的频带；全双工话音信道的标准带宽为300～400MHz在单个线对上，使用频分复用（FDM）时，可复用多条话音信道，每条信道占有4kHz的带宽，足以提供信道之间的间隔；使用带宽高达268kHz的双绞线，可提供高达24路的话音信道；使用调制解调器可在模拟话音信道上传输数字数据。现在的调制解调器，可以达到56Kbps的速率。11对双绞线的特点：连接性和成本在广播式网络中与同轴电缆相比，双绞线便宜易用。双绞线在点到点的网络中。则比同轴电缆、光纤便宜，若考虑安装等费用，它们大致相当。地域范围双绞线能够容易的实现点到点的数据传输，局域网的双绞线一般在一个建筑物内。抗扰性与其他传输媒体相比，双绞线在距离、带宽和数据速度方面受到限制。12原因：这种媒体容易与电磁场耦合，故对干扰和噪声十分敏感。电缆中相邻线对上的信号也可能彼此干扰，即产生所谓的串音现象改进：如用金属编制物或护套来屏蔽导线可降低干扰；将导线绞起来可降低低频干扰；邻近线对采用不同的绞距可降低串扰等等评述：上述措施当波长远大于电缆的绞距时是有效的。对于低频传输来说，抗扰度可达到和同轴电缆一样大或更大。133.1.3、同轴电缆概述同轴电缆是局域网过去广泛使用的传输媒体，现在几乎完全被双绞线所取代。同轴电缆有两种类型，它们是：CATV系统中使用的75Ω电缆，且75Ω电缆主要用于:宽带FDM模拟信号高速数字信号不采用FDM的模拟信号仅用于基带数字信号的50Ω电缆。14物理描述同轴电缆的组成：同轴电缆由两根导体组成，且由套置单根内导体的空心圆柱形导体构成。内导体是实芯的或者是绞的；并用规则间距的绝缘环或硬的电媒体材料来固定；外导体是整体的或纺织的，则用护套或屏蔽物包着。单条同轴电缆具有1cm至2.5cm的直径。15传输特性50Ω电缆专用于数字传输：一般使用曼彻斯特编码；数据速率可达10Mbps；CATV电缆可用于：模拟信号；数字信号。16模拟信号：频率可能高达300-400MHz；CATV电缆上可以象传送视频和音频信号那样在传送模拟数据。每个电视信道分配6MHz的带宽，每个无线电信道需要的带宽大大低于这个带宽；用FDM可在一条电缆上荷载大量的信道，当用FDM时，CATV电缆称为宽带电缆。电缆的频谱被划分成信道，每条信道均可传送模拟信号。17传送数字数据对于数字数据有多种调制方案，包括：ASK（调幅）；FSK（调频）；PSK（调相）。调制解调器的效率确定了给定数据速率下所需要的带宽。对5Mpbs和更高的速率可设定为1Hz/bps；对较低速度则可为设定为2Hz/bps。如一条6MHz的TV信道能达到5Mbps的数据速度，4.8kbps的调制解调器约需10kHz的带宽。低得多的数据速度可使用FSK。18当今约20Mbps的数据速度是可以达到的；且带宽的利用效率可超过1bps/Hz，为达到20Mbps以上的数据速度，有两种方法。这两种方法都要求将75Ω电缆的整个带宽用在这种数据传输上而不采用FDM。一种方法是在电缆上采用数字信号传输(象50Ω电缆那样)。该方法能达到50Mbps的数据速度。另一种方法是使用简单的PSK系统，采用150MHz载波。该方法也已能达到50Mbps的数据速率。19连接性同轴电缆可应用于：点到点配置：多点配置。设备数量配置：50Ω基带电缆能够支持每段达100个设备。将各段通过转发器链接起来则能支持更大的系统。75Ω宽带电缆能支持数千个设备。但是75Ω电缆用在高速数据速率（50Mbps）时所能接设备的数量限于20～30个。20地域范围范围：典型基带电缆的电缆的最大距离限于数公里。宽带网络则可延伸到数十公里的范围。原因：这种差异与模拟信号和数字信号的相对受损程度有关。通常在工业区和市区所遇到的电磁噪声的类型是属于频率相对较低的噪声，这一频率范围也是数字信号中的大部分能量集中之处。21模拟信号可置于频率足够高的载波上，避免了数字信号或模拟信号的高速传输可达50Mpbs，且限于1km左右。由于高速传输，总线上的信号之间的物理距离是很短的。因此，为使数据不被丢失，只能允许很低的衰减或噪声。22抗扰性和成本同轴电缆的抗扰性取决于应用和实现。一般对较高频率来说，同轴电缆的抗扰性优于双绞线的抗扰性。安装质量好的同轴电缆的成本介于双绞线和光纤的成本之间。233.1.4、光纤物理描述主题研究当前的纤维光学的能力。光学纤维：光学纤维是细(2～125μm)而软的，能够传导光束的媒体。什么是光学纤维？各种玻璃和塑料可用来制造光学纤维。使用超高纯度的熔融石英已能获得最低的损耗，但制造超高纯度的纤维是困难的。采用具有较高损耗的多成分的玻璃纤维比较经济，而且能提供良好的性能。塑料纤维在成本上更低，可用于短距离链路。对这种链路的高损耗是可以接受的。24光缆：光缆具有圆柱形的形状，由三个同心部分组成：纤芯……纤芯是最内层部分，它由一根或多根非常细的由玻璃或塑料制成的绞合线或纤维组成。每一根纤维都由各自的包层包着包层……包层是一玻璃或塑料的涂层，它具有与纤芯不同的光学特性护套……护套是最外层，它包着一根或一束已加包层的纤维。护套是由分层的塑料和其附属材料制成的，用它来防止潮气、擦伤、压伤和其他外界带来的危害25传输性光纤利用全内反射来传输经信号编码的光束。全内反射可出现在折射率大于周围媒体的折射率的任意透明媒体中。事实上，光纤在1014～1015Hz频率范围内起一波导作用。这一频率范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。图3.1展示了光纤传输的原理：26(c)单模(b)梯度折射率多模图3.1光纤输模式吸收护套···(a)多模纤芯包层27传播方式多模方式：来自光源的光进入圆柱形玻璃或塑料纤芯。小角度的入射光线被反射并沿光纤传播；其余光线被周围媒体所吸收。这种传播方式叫做多模(系指多个反射角)方式。在多模传输时，存在多个传播路径，每一路径的长度不同，因此越过光纤的时间亦不同。这使信号码元在时间上出现扩散，限制了能准确接收的数据速率，28单模方式当纤芯半径降低到波长的量级时，只有单个角度或单个模，即只有轴向光束能通过。单模方式比多模有较优越的性能。梯度折射率多模方式：通过改变纤芯的折射率，形成第三传输方式，即称作梯度折射率多模方式，其特性介于其他两种方式之间，可变折射使光束聚焦的作用比普通多模(也叫做阶跃折射率多模)方式更有效。三类光纤比较光纤具有巨大的、远远超过同轴电缆或双绞线的传输能力，详见下表所示：29光源带宽拼接典型应用成本纤芯直径包层直径阶跃折射率多模梯度折射率多模单模LED或激光器宽(高200MHz/km)困难计算机数据链路最低50-125μm125-140μm最贵2-8μm15-60μm很宽(200MHz-3GHz/km)LED或激光器较贵50-125μm125-440μm困难中等长度电话线路激光器极宽(3GHz-50GHz/km)困难远程通信长途线路三类光纤比较表30125-140μm125-440μm15-60μm光纤系统中使用的两种不同类型的光源：发光二极管(LED)LED是在加电流后能发光的固态器件；LED较为便宜；能工作在较宽的温度范围；具有较长的工作寿命。注入式激光二极管(ILD)ILD是根据被激发的量子电子效应能产生窄带发束的激光原理工作的固态器件；ILD则更为有效；能支持较高的数据速率。31光电二极管光电二极管是用来在接收端将光信号变换成电信号的检测器,是已使用的有两种固态器件：PIN检测器；PIN比APD便宜，但灵敏度也较低；APD检测器。光载波的调制是一种称为光强度调制的ASK调制方式。一般二进制数字“0”和“1”是用一给定频率的光的有、无来表示的。LED和ILD两种器件都能用这种方式来调制，而PIN和APD检测器可直接响应光强度调制。32光源选用在使用波长、传输方式和可达到的数据速率之间存在一定关系。无论单模和多模都可支持几种不同的光波长，并能使用激光器或LED光源。在玻璃合成光纤中，光的传播有三种最佳的，以850、1300和1500nm为中心的波长“窗口”。在较长的波长下，损耗较低，可允许较长的距离内有较高的数据速度。在大量的局域网应用中使用850nmLED光源。虽较便宜，但限100Mbps以下的数据速率和数公里的距离内使用。要更高的数据速度和更长的距离，需采用1300nm光源更适合于高速局域网。33激光器光源如要达到最高的传输能力和最长的距离，则需要1500nm光源。这些都要求采用激光器光源，并用于某些长距离的应用中。但目前对局域网来说，它们是太昂贵了。过去，光纤传输使用单一的载波频率。现在实用的DM系统成为可能。这种系统也称为波长分割多路复用系统。34连接性光纤最普通的使用是在点到点链路上。使用公共总线拓扑结构的试验性多点系统已建立，但投入实际使用，花费太大了。由于光纤的低功耗、低衰减特性和更宽的带宽潜力，原则上，单根光纤能够支持更多的分支。35地域范围光纤能支持6～8km距离范围内的传输而不用转发器。光纤适用于经点对点链路链接的几个建筑物内的局域网。36抗扰性光纤不受电磁干扰或噪声影响。该特性允许在长距离内进行高速数据传输。提供优良的安全保密性。37成本光纤系统比双绞线系统和同轴电缆系统贵：按每米的成本计算；按组成部分计算，组成部分如：发送器；接收器；连接器。根据目前的技术及市场需求光纤的成本将会下降以致能与其他媒体相竞