《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)用技術(shù)》-第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

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1、第第2章章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要：數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念1信息、數(shù)據(jù)和信號信息、數(shù)據(jù)和信號 信息信息（Information）是反映了客觀事）是反映了客觀事物的存在形式和運(yùn)動狀態(tài)。信息的載體可物的存在形式和運(yùn)動狀態(tài)。信息的載體可以包含數(shù)據(jù)、文字、語音、圖形和圖像等以包含數(shù)據(jù)、文字、語音、圖形和圖像等多種媒體。多種媒體。數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)（Data）是指在網(wǎng)絡(luò)中存儲、處理）是指在網(wǎng)絡(luò)中存儲、處理和傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼，數(shù)據(jù)是傳遞信息的和傳

2、輸?shù)亩M(jìn)制代碼，數(shù)據(jù)是傳遞信息的載體。載體。信號信號（Signal）是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電）是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電磁波表示形式。根據(jù)信號的表示方式不同，信磁波表示形式。根據(jù)信號的表示方式不同，信號又分為數(shù)字信號和模擬信號兩種，數(shù)字信號號又分為數(shù)字信號和模擬信號兩種，數(shù)字信號是一種離散式的電脈沖信號，它在時間上是不是一種離散式的電脈沖信號，它在時間上是不連續(xù)的，是離散性的，一般是由脈沖電壓連續(xù)的，是離散性的，一般是由脈沖電壓0和和1兩種狀態(tài)組成。模擬信號是一種連續(xù)變化的電兩種狀態(tài)組成。模擬信號是一種連續(xù)變化的電磁波信號。磁波信號。2碼元和碼字 碼元是指在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳送的每一位二進(jìn)制數(shù)字，也稱為

3、碼位。由7個碼元組成的二進(jìn)制序列稱為碼字，3報(bào)文 報(bào)文（message）是指欲發(fā)送的整塊數(shù)據(jù)。4.數(shù)據(jù)包5.數(shù)據(jù)幀6.數(shù)據(jù)單元2.2 數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式 在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，有并行傳輸和串在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，有并行傳輸和串行傳輸兩種方式。行傳輸兩種方式。2.2.1 并行傳輸并行傳輸 并行傳輸可以一次同時傳輸若干比特的并行傳輸可以一次同時傳輸若干比特的數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端必須建立多條并數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端必須建立多條并行的通信信道，常用的并行方式是將構(gòu)成行的通信信道，常用的并行方式是將構(gòu)成一個字符的代碼的若干位分別通過同樣多一個字符的代碼的若干位分別通過同樣多的并行信道同時傳輸。的并行信道

4、同時傳輸。2.2.2 串行傳輸串行傳輸 串行通信是指通信時的數(shù)據(jù)流以串行方式在信道上傳輸。串行傳輸是一位一位地傳送，即同時只傳輸一個比特位，從發(fā)送端到接收端只需一根傳輸線即可。串行數(shù)據(jù)通信有以下3種不同方式：單工通信、半雙工通信和全雙工通信。1單工通信（雙線制）單工通信指通信信道是單向信道，信號在信道中只能從發(fā)送端傳送到接收端，即數(shù)據(jù)信號僅沿一個方向傳輸，發(fā)送端只能發(fā)送不能接收，而接收端只能接收而不能發(fā)送。2半雙工通信(雙線制+開關(guān))半雙工通信是指數(shù)據(jù)信號有條件沿兩個方向傳送，但同一時刻一個信道只允許單方向傳送，即兩個方向的傳輸只能交替進(jìn)行，而不能同時進(jìn)行。3全雙工（四線制）全雙工通信是指允許

5、雙方同時在兩個方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它相當(dāng)于將兩個方向相反的單工通信方式組合起來，一般采用四個通信信道，即四線制。2.2.3數(shù)據(jù)通信的同步技術(shù) 在數(shù)據(jù)通信的過程中，接收端根據(jù)發(fā)送端的起止時間和重復(fù)頻率校正自己的基準(zhǔn)時間與重復(fù)頻率的過程稱為同步過程。這種使接收端與發(fā)送端動作保持統(tǒng)一，以及使通信雙方在時間基準(zhǔn)上保持一致的技術(shù)稱為“同步技術(shù)”，常用的同步技術(shù)有“異步傳輸方式”和“同步傳輸方式”兩種。1異步傳輸方式異步傳輸方式 在異步傳輸方式中，發(fā)送端可以在任意時刻發(fā)送字符，字符之間的間隔時間可以任意變化。該方法是將字符看作一個獨(dú)立的傳送單元，每傳送1個字符（7或8位）都要在每個字符碼前加1個起始位，以表

6、示字符代碼的開始；在字符代碼和校驗(yàn)碼后面加1或兩個停止位，表示字符結(jié)束 2同步傳輸方式同步傳輸方式 在同步傳輸中，信息的格式是一組字符或一個二進(jìn)制位組成的數(shù)據(jù)塊，每個字符不需添加附加起止位和停止位，而是在發(fā)送一組字符或數(shù)據(jù)塊之前先發(fā)送一個同步字符SYN（以01101000表示）或一個同步字節(jié)（01111110），用于接收端進(jìn)行同步檢測，從而使收發(fā)雙方進(jìn)入同步狀態(tài)。2.3 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 傳輸介質(zhì)是指通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送器與接收器之間的物理路徑。2.3.1 有線傳輸介質(zhì)有線傳輸介質(zhì)1雙絞線（Twisted Pair,TP）雙絞線是當(dāng)前最用的一種傳輸介質(zhì)，它由兩根具有絕緣保護(hù)層的銅導(dǎo)線扭在一起而成，絕

7、緣銅導(dǎo)線按一定的密度絞合在一起，可增強(qiáng)雙絞線的抗干擾能力。雙絞線既可以傳輸模擬信號，又可以傳輸數(shù)字信號。價(jià)格便宜，且安裝簡單。雙絞線可分為非屏蔽雙絞線（Unshielded Twisted Pair,UTP）和屏蔽雙絞線（Shielded Twisted Pair,STP）。非屏蔽雙絞線（非屏蔽雙絞線（UTP）非屏蔽雙絞線是由不同顏色的（橙、綠、藍(lán)、棕）4對雙絞線組合在一起，并用塑料套裝，組成雙絞電纜。這種采用塑料套裝的雙絞線稱為非屏蔽雙絞線。UTP的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于安裝。UTP的最大缺點(diǎn)是絕緣性能不好，有信息輻射、容易被竊聽。屏蔽雙絞線（STP）屏蔽雙絞線是由不同顏色的（橙、綠、藍(lán)、棕）

8、4對雙絞線組合在一起，并用塑料套裝，在雙絞線和外層保護(hù)套中間增加了一層金屬屏蔽保護(hù)膜，用以減少信號傳送時所產(chǎn)生的電磁干擾，它具有減少輻射、防止信息被竊聽的功能。如圖2-10所示。屏蔽雙絞線具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，但它也存在接地要求高、安裝比較復(fù)雜、成本高的缺點(diǎn)，尤其安裝不規(guī)范，通信效果會更差。2同軸電纜（同軸電纜（Coaxial Cable）同軸電纜由4層組成。最里層是一根銅質(zhì)芯線，這是同軸電纜的導(dǎo)體部分；外加絕緣層，以防止導(dǎo)體與第三層短路；第三層是緊緊纏繞在絕緣體上的金屬網(wǎng)屏蔽層；最外一層是用作保護(hù)的塑橡外皮。它具有高帶寬和極好的噪聲抑制特性。同軸電纜有粗纜和細(xì)纜之分。根據(jù)同

9、軸電纜的帶寬不同，它可以分為兩類：基帶同軸電纜、寬帶同軸電纜?；鶐S電纜一般僅用于數(shù)字信號的傳輸。寬帶同軸電纜可以使用頻分多路復(fù)用方法，使用各種調(diào)制方式，支持多路傳輸。粗同軸電纜適用于大型局域網(wǎng)，它的傳輸距離長，可靠性高，安裝時不需要切斷電纜，用夾板裝置夾在計(jì)算機(jī)需要連接的位置。但粗纜必須安裝外收發(fā)器，安裝難度大，總體造價(jià)高。細(xì)纜則容易安裝，造價(jià)低，但安裝時要切斷電纜，裝上BNC接頭，然后連接在T型連接器兩端，容易產(chǎn)生接觸不良或接頭短路的隱患，這是以太網(wǎng)運(yùn)行中常見的故障。3.光纖（光纖（Optical Fiber）光導(dǎo)纖維電纜，簡稱光纖、光纖電纜或光纜，它是一種傳輸光束的細(xì)而柔軟的傳輸介質(zhì)。

10、光導(dǎo)纖維電纜通常由一捆纖維組成，因此得名“光纜”。光纖是由石英玻璃拉成細(xì)絲，由纖芯和包層構(gòu)成的雙層通信圓柱體，其結(jié)構(gòu)一般是由雙層的同心圓柱體組成，中心部分為纖芯。光纖通信系統(tǒng)由光纖、光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)等部分組成。各部分的主要作用如下：光發(fā)送機(jī)主要由光源和驅(qū)動兩部分組成。它能夠產(chǎn)生光束、并將“0”和“1”組成的電信號轉(zhuǎn)換成為光信號，進(jìn)行光信號的編碼，最后把光信號導(dǎo)入光纖。光接收機(jī)主要由光檢測和放大兩部分組成。它負(fù)責(zé)接收從光纖上傳輸?shù)墓庑盘枴⒐庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號、解碼后轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的“0”和“1”組成的信號。根據(jù)使用的光源和傳輸模式，光纖可分為多模光纖和單模光纖兩種。多模光纖采用發(fā)光二極管

11、產(chǎn)生可見光作為光源。其定向性較差。當(dāng)光纖芯線的直徑比光波波長大很多時，由于光束進(jìn)入芯線中的角度不同，而傳播路徑也不同，這時，光束是以多種模式在芯線內(nèi)不斷反射而向前傳播。這種光纖稱為多模光纖。單模光纖采用注入式激光二極管作為光源，激光的定向性較強(qiáng)。單模光纖的芯線直徑一般為幾個光波的波長，當(dāng)激光束進(jìn)入玻璃芯中的角度差別很小時，能以單一的模式無反射地沿軸向傳播。光纖具有如下的特點(diǎn):(1)優(yōu)點(diǎn) 傳輸帶寬高,通信容量大。傳輸損耗小，中繼距離長。誤碼率低，傳輸可靠性高?？垢蓴_能力強(qiáng)。保密性好?？够瘜W(xué)腐蝕能力強(qiáng)。（2）缺點(diǎn) 價(jià)格昂貴。安裝十分困難。要配備光/電轉(zhuǎn)換設(shè)備。單向傳輸。脆弱，易斷裂。2.3.2 無

12、線傳輸介質(zhì)無線傳輸介質(zhì) 無線傳輸介質(zhì)簡稱為無線介質(zhì)，或空間介質(zhì)。無線傳輸介質(zhì)是指在兩個通信設(shè)備之間不使用不任何物理的連接器，通常這種傳輸介質(zhì)通過空氣進(jìn)行信號傳輸。無線傳輸包括微波、衛(wèi)星信道、紅外線、無線電、移動通信等，下面主要介紹衛(wèi)星信道和微波信道兩種。1.衛(wèi)星信道 衛(wèi)星通信就是利用靜止的地球與同步衛(wèi)星作為中繼站的通信系統(tǒng)。地面系統(tǒng)通常采用定向拋物天線。2微波信道 微波通信（Microwave Communication）是20世紀(jì)50年代的產(chǎn)物。如圖2-20所示。2.4多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)是指在同一傳輸介質(zhì)上同時傳送多路信號的技術(shù)。當(dāng)傳輸介質(zhì)的帶寬超過了傳輸單個信號所需的帶寬，人們就通過

13、在一條媒體上同時攜帶多個傳輸信號的方法來提高傳輸系統(tǒng)的利用率。多路復(fù)用技術(shù)的實(shí)質(zhì)是共享物理信道，更加有效地利用通信線路。其工作原理是將一個區(qū)域的多個用戶信息，通過多路復(fù)用器（MUX）匯集到一起，然后，將匯集起來的信息群通過同一條物理線路傳送到接收設(shè)備的復(fù)用器，最后，接收設(shè)備端的MUX再將信息群分離成單個的信息，并將其一一發(fā)送給多個用戶。多路復(fù)用技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：僅需一條傳輸線路降低了設(shè)備費(fèi)用多路復(fù)用系統(tǒng)對用戶是透明的，提高了工作效率。常用的多路復(fù)用技術(shù)有3種：頻分多路復(fù)用（frequency division multiplexing,FDM）、時分多路復(fù)用（time division multi

14、plexing,TDM）和波分多路復(fù)用（wavelength division multiplexing,WDM）。1.頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用是將具有一定帶寬的信道分割為若干個有較小頻帶的子信道，每個子信道供一個用戶使用。接收時用適當(dāng)?shù)臑V波器分離出不同的信號，分別進(jìn)行解調(diào)接收。如圖2-21所示。圖2-21 頻分多路復(fù)用的原理圖2時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用是將一條物理信道的傳輸時間分成若干個時間片輪流地給多個信號源使用，每個時間片被復(fù)用的一路信號占用。圖2-22 異步時分多路復(fù)用的原理圖3波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用在概念上與頻分多路復(fù)用相似，因此也稱其為光的頻分

15、復(fù)用。所不同的是波分多路復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于全光纖組成的網(wǎng)絡(luò)中。所謂波分多路復(fù)用是指在一根光纖上能同時傳送多個波長不同的光載波的復(fù)用技術(shù)。通過波分多路復(fù)用技術(shù)，可使原來在一根光纖上只能傳輸一個光載波的單一光信道，變?yōu)榭蓚鬏敹鄠€不同波長光載波的光信道，使得光纖的傳輸能力成倍增加，也可以利用不同波長沿不同方向傳輸來實(shí)現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸。圖2-23顯示的是一種在光纖上獲得波分復(fù)用的簡單方法 圖2-23 波分多路復(fù)用2.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù) 一般來說，通信子網(wǎng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同可以分為交換通信子網(wǎng)和廣播通信子網(wǎng)。廣播通信網(wǎng)絡(luò)中通信方式是廣播式，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共享通信媒體，不需要中間節(jié)點(diǎn)的介入。廣域網(wǎng)

16、通常采用交換網(wǎng)，它是由若干個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照某一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互連接而成的。數(shù)據(jù)的傳送從源節(jié)點(diǎn)開始，經(jīng)過若干中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)（交換），最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，如圖2-24所示。通常將數(shù)據(jù)在通信子網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸過程統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)交換。其對應(yīng)的技術(shù)稱為數(shù)據(jù)交換技術(shù)。在傳統(tǒng)的廣域網(wǎng)的通信子網(wǎng)中，使用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)可分為兩大類：線路交換技術(shù)和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換技術(shù)。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換技術(shù)又可分：報(bào)文交換技術(shù)和分組交換技術(shù)。圖2-24 一般的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò) 線路交換線路交換線路交換（circuit switching）也叫電路交換，是通信領(lǐng)域最早使用的交換方式。通過電路交換進(jìn)行通信，就是要通過中間交換節(jié)點(diǎn)在兩個站點(diǎn)之間建立一條專用

17、的通信線路，在該通信線路間可能經(jīng)過許多中間節(jié)點(diǎn)，連接兩個相鄰節(jié)點(diǎn)的物理鏈路可能有多條邏輯信道，其中某一條邏輯信道專供這條連接使用，在兩個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸完成之后釋放該連接，該連接中所分配的邏輯信道也得以釋放。建立電路在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，必須建立端到端（站到站）的物理連接，如圖2-25所示。圖2-25線路交換的工作原理傳輸數(shù)據(jù)電路建立完成后，就可以在這條臨時的專用電路上傳輸數(shù)據(jù)，通常為全雙工傳輸拆除電路數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，源節(jié)點(diǎn)發(fā)出釋放請求信息，請求終止通信，要釋放(拆除)該物理鏈路。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換 由于線路交換技術(shù)存在線路利用率低，不適宜計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通信，因此，必須研究其他合適的交換技

18、術(shù)，才能符合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。1964年8月，巴蘭(Baran)首先提出了使用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的分組交換的概念。1969年12月美國的分組交換網(wǎng)絡(luò)ARPANet投入運(yùn)行，從此計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個新的時代，并標(biāo)志著現(xiàn)代電信時代的開始。存儲交換(store and forward switching)也叫存儲轉(zhuǎn)發(fā)其原理如圖2-26所示。圖2-26 存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式存儲交換又可分為報(bào)文交換（message switching）和分組交換(packetswitching)兩種方式。報(bào)文交換報(bào)文交換是基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)原理的一種交換技術(shù)。它不要求在兩個通信結(jié)點(diǎn)之間建立專用通路。當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)塊要發(fā)送時，

19、它把數(shù)據(jù)塊（不管尺寸的大?。┘由夏康牡刂?、源地址與控制信息作為一個整體，按一定格式打包組成報(bào)文（message）。報(bào)文由報(bào)頭、報(bào)文正文和報(bào)尾3部分組成。報(bào)頭和報(bào)尾(有時省略報(bào)尾)包含了收發(fā)站地址及輔助控制等信息。在發(fā)送站，先將要發(fā)送的信息分割組成一個個的報(bào)文，然后發(fā)送到相鄰的結(jié)點(diǎn)，報(bào)文在結(jié)點(diǎn)存儲等待。每一個結(jié)點(diǎn)接收整個報(bào)文，檢查目標(biāo)結(jié)點(diǎn)地址。然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的交通情況在適當(dāng)?shù)臅r候轉(zhuǎn)發(fā)到下一個結(jié)點(diǎn)。經(jīng)過多次的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，最后到達(dá)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)(見圖2-27)。圖227 報(bào)文交換 分組交換分組交換(packet switching)也叫包交換。分組交換是1964年提出來的，最早在ARPANET上得以應(yīng)用。分

20、組交換方式是把報(bào)文分割成具有統(tǒng)一格式、一定長度的若干個分組(packet)。它是以簡短的、標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文分組為單位進(jìn)行交換傳輸。每個報(bào)文分組都附加上收發(fā)地址、分組序號和校驗(yàn)碼等，以便于存儲轉(zhuǎn)發(fā)。分組交換與報(bào)文交換的工作方式基本相同，所不同之處在于，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度。通常的最大長度是一千位至幾千位，稱為包（Packets）。而在報(bào)文交換系統(tǒng)卻適應(yīng)更長的報(bào)文。在數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸?shù)倪^程中，通常把最大長度的報(bào)文的數(shù)據(jù)塊按限定的大小分割成一個個小段，為每個小段加上有關(guān)的地址信息以及段的分割信息并組成一個數(shù)據(jù)包，然后逐個節(jié)點(diǎn)發(fā)送。分組交換在實(shí)際應(yīng)用中有兩種類型，一種叫數(shù)據(jù)報(bào)（DG,data

21、 gram），另一種叫虛電路（VC,Virtual Circuit）。數(shù)據(jù)報(bào)。類似于報(bào)文交換。交換網(wǎng)把進(jìn)網(wǎng)的任一分組都當(dāng)作單獨(dú)的“小報(bào)文”來處理，而不管它是屬于哪個報(bào)文的分組，作為基本傳輸單位的“小報(bào)文”被稱為數(shù)據(jù)報(bào)。虛電路。類似于電路交換。這種方式要求數(shù)據(jù)在傳送以前，發(fā)送和接收雙方在網(wǎng)絡(luò)中建立起一條邏輯上連接的路徑，這條路徑被稱為虛電路。謝謝觀看/歡迎下載BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH