计算机通信与网络-CH02-数据通信技术基础

计算机通信与网络ComputerTelecommunications&Networks南京邮电大学计算机学院“计算机通信与网络”国家精品课程组第2章数据通信技术基础数据传输是实现数据通信的基础。数据通信是为了实现计算机与计算机或计算机与终端之间信息交互而产生的一种通信技术，是计算机与通信相结合的产物。数据通信着重于数据的传输，不涉及数据所表示的原始信息，而计算机通信则着重于信息的交互。内容概要内容纲要数据通信的基本概念数据传输方式数据传送技术多路复用技术数据交换技术差错控制技术数据通信接口特征内容纲要数据通信的基本概念数据传输方式数据传送技术多路复用技术数据交换技术差错控制技术数据通信接口特征2.1数据通信的基本概念1、数据、信息和信号2、数据通信系统3、传输媒体4、数据通信系统的性能指标2.1数据通信的基本概念1、数据、信息和信号数据(data)——通常是指预先约定的具有某种含义的数字、符号和字母的组合。信号(signal)——数据在传输过程中的电磁波的表示形式。“模拟的”(analogous)——连续变化的。“数字的”(digital)——取值是离散的。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。信道——表示向某一方向传送数据的传输介质。2.1数据通信的基本概念数据和信号模拟数据数字数据信息数据模拟信号数字信号有意义的实体涉及数据的内容和解释在某个区间产生连续的值产生离散的值是数据的电磁(或电子)编码涉及到事物的形式是一种连续变化的电磁波是一系列的电压脉冲信号1、数据、信息和信号2.1数据通信的基本概念模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器1、数据、信息和信号2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统信源(源系统)信号转换设备信宿(目的系统)信号转换设备传输媒体(信道)发送部分接收部分传输系统2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统信源和信宿：信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。信号转换设备：是将信源发出的信息转换成适合于在信道上传输的信号的设备。2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统数据通信系统举例电话网ModemModem(a)用户通过电话网拨号通信电话网ModemModem(a)用户通过电话网拨号通信因特网2.1数据通信的基本概念2、数据通信系统数据通信系统举例(b)局域网用户通过Internet上网通信SiSiInternetSiSiToken-ring2.1数据通信的基本概念双绞线同轴电缆光缆地面微波卫星微波无线电波红外线技术3、传输媒体3、传输媒体双绞线铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP2.1数据通信的基本概念3、传输媒体把两根互相绝缘的铜导线并排放置，再用规则的方法绞合起来。绞合的导线可以减少相邻线对的相互干扰。多对绞合导线构成了双绞线电缆。双绞线可用于模拟传输和数字传输。价格低，安装方便，但带宽窄，抗干扰性能较差。双绞线2.1数据通信的基本概念3、传输媒体双绞线A扭绞距线径0.4～1.4mmB近端串扰远端串扰白绿绿白橙蓝白蓝橙白棕棕12345678局域网EIA/TIA568AUTP内4对8线的编号与线色2.1数据通信的基本概念3、传输媒体类型阻抗返回损耗近端串扰1Mhz100m100m3类UTP10012db43db4类UTP10012db58db5类UTP10012db64db双绞线2.1数据通信的基本概念3、传输媒体同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体2.1数据通信的基本概念3、传输媒体同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较好的抗干扰特性（特别是高频段），适合高速数据传输。通常按特性阻抗数值不同，可分为两类：•50Ω同轴电缆：数据通信中传输基带信号•75Ω同轴电缆：模拟传输系统（CATV）同轴电缆2.1数据通信的基本概念3、传输媒体RG-8/RG-1110Base5阻抗50粗缆0.4”RG-58A/U10Base2阻抗50细缆0.18”RG-59U10Broad3600阻抗75CATV0.25”RG-63ARCnet阻抗930.25”(0.635cm)同轴电缆传输特性2.1数据通信的基本概念3、传输媒体光缆远供电源光纤及包层填充物外护套包带层包层纤芯（a）光缆结构剖面图（b）光波在纤芯中传播2.1数据通信的基本概念3、传输媒体光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成。纤芯很细，直径为8－100um，且折射率较高，包层相对折射率较低。多根光纤构成光缆。光波利用光的全反射原理通过纤芯传导。通过传递光脉冲进行通信。光纤通信衰耗小，距离长，抗干扰能力强，传输容量大，保密性好。•多模光纤：多条不同入射角光线在一条光纤中传输。•单模光纤：直径只有一个光波长大小，直线传输。光缆2.1数据通信的基本概念3、传输媒体光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯2.1数据通信的基本概念3、传输媒体光缆高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射2.1数据通信的基本概念3、传输媒体光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.1数据通信的基本概念3、传输媒体在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距离较远的情况下，使用无线传输方式，成本较低。信息技术的发展，人们要求在运动中进行电话通信或计算机通信。无线电波可以在自由空间各个方向传播，实现多种通信。这种通信不使用前述的各种导向传输媒体，故称为“非导向传输媒体”。2.1数据通信的基本概念电信领域使用的电磁波的频谱无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电2.1数据通信的基本概念3、传输媒体无线传输所使用的频段很广，人们可以根据需要使用不同频段特性进行通信。传统无线电：长波、中波、短波甚高频、特高频、超高频、极高频微波通信（2－40GHz，直线传播)•地面接力微波：在地面建立若干微波中继站，中继站将前一站信号接收，放大后转发到下一站，实现“接力”式传输。•卫星通信：将微波中继站放在卫星上实现。通信建立远，覆盖面积大。2.1数据通信的基本概念3、传输媒体地面微波的工作频率范围一般为1～20GHz，其特点是直线传播，因此只能在视距范围内进行传输。由于受到地形和天线高度的限制，两微波站间的通信距离一般为30～50km。地面微波2.1数据通信的基本概念3、传输媒体卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达18000多公里。只要地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。卫星微波2.1数据通信的基本概念3、传输媒体卫星微波波段频率(GHz)下行(GHz)上行(GHz)问题C4/63.7~4.25.925~6.425地面上的干扰Ku11/1411.7~12.214.0~14.5降雨Ka20/3017.7~21.727.5~30.5降雨，设备价格高2.1数据通信的基本概念3、传输媒体无线电波是一个广义的概念，从含义上讲，无线电波是全向传播，而微波是定向传播。无线电波不同频段用于不同通信方式3~30MHz，用于短波通信；30~300MHz，用于数据通信；蜂窝无线电移动通信。无线电波2.1数据通信的基本概念3、传输媒体红外线技术已经在计算机通信中得到了应用，例如两台笔记本电脑对着红外接口，可传输文件。红外线链路只需一对收发器，可调制不相干的红外光，在视线距离的范围内传输，具有很强的方向性。红外线技术2.1数据通信的基本概念3、传输媒体红外线技术调制非相干红外线光2.1数据通信的基本概念2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标传码速率：传码速率又称为调制速率、波特率，记作NBd，是指在数据通信系统中，每秒钟传输信号码元的个数，单位是波特（Baud）。传信速率：又称为比特率，记作Rb，是指在数据通信系统中，每秒钟传输二进制码元的个数，单位是比特/秒（bit/s,或kbit/s或Mbit/s）。数据传输速率2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标数据传输速率1001011t0+3VT2T3T4T5T6T7T-3V图2-10二电平信号00t0+3VT2T3T4T5T-3V图2-11四电平信号00110110-6V+6V••••2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标[例2-1]若信号码元持续时间为1×10-4秒，试问传送8电平信号，则传码速率和传信速率各是多少？解：由于T=1×10-4秒，所以传码速率NBd=1/T=10000波特由于传送的信号是8电平，所以，M=8。则传信速率Rb=NBdlog2M=30000bit/s。数据传输速率2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标信道带宽信号带宽：(bandwidth)是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。模拟信道：表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路带宽(通频带)。数字信道：“带宽”是所能传送的“最高数据率”同义语，单位是“比特每秒”。2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标信道带宽常用的带宽单位是•千比每秒，即kb/s（103b/s）•兆比每秒，即Mb/s（106b/s）•吉比每秒，即Gb/s（109b/s）•太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，数据量的表示K=210,M=220,G=230,T=240。2.1数据通信的基本概念时间轴上信号的宽度随速率的增大而变窄，对应的信号频率增加，则占用带宽也增加。每秒106个比特时间1010111s带宽为1Mb/s时间每秒4106个比特0.25s带宽为4Mb/s带宽4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念4、数据通信系统的技术指标误码率和误组率误码率：在一定时间内接收到出错的比特数e1与总的传输比特数e2之比。Pe＝（e1/e2)×100％由于实际的传输信道及通信设备存在随机差错与突发差错，而数据通信常采用数据块或帧为单位进行传输，使用误组率可以更好反映传输效率。误组率：在一定时间内接收出错的组数b1与总的传输组数b2之比。Pb＝（b1/b2)×100％2.1数据通信的基本概念发送时延（传输时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延4、数据通信系统的技术指标2.1数据通信的基本概念处理时延：交换结点为存储转发而进行一