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1、2019/4/5,汾阳师范信息技术系,1,计算机网络基础教程,王建平 山西吕梁高专汾阳师范信息技术系,,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,2,第2章 数据通信基础与物理层,本章内容: 2.1 数据通信基本概念 2.2 数据交换技术 2.3 传输媒体 2.4 网络结构化布线简介 2.5 物理层协议 2.6 实训项目,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,3,2.1 数据通信基本概念,数据通信的一般概念 数据通信是依照通信协议,利用数据传输技术, 通过某种类型的介质把模拟信号或数字信号从一个地点向另一个地点传送的通讯方式.,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,4,2.1 数据通信基本概念,数
2、据通信的特点: 数据通信是实现计算机和计算机之间、人和计算机之间的通信; 计算机之间的通信有严格的通信协议; 对数据传输可靠性要求很高; 信息量具有突发性; 设备的多样性;,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,5,2.1 数据通信基本概念,数据通信的过程: 1 建立通信线路,物理通道; 2 建立数据传输链路,逻辑通道; 3 传送通信控制信号和数据; 4 数据传输结束,双方确认,释放链路; 5 断开物理通道;,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,6,2.1 数据通信基本概念,数据通信系统: 模型,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,7,2.1 数据通信基本概念,1.信息 一般认为信息是人对
3、现实世界事物存在方式或运动状态的某种 认识。表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像 以及动画等。 2.数据 数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式,它能被识别,也 可以被描述。例如十进制数、二进制数、字符等。 3.信号 信号是数据的电磁或电子编码,是数据的具体物理表现,具有确 定的物理描述。例如电压、磁场强度等。 4.信道 在传输介质内存在着传输信号的通道. 5.带宽 信号的带宽是指信道中能够传送的信号的频率范围,2.1.1 信号、信道与带宽,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,8,2.1 数据通信基本概念,信号可以是模拟的也可以是数字的。其中模拟信号是指一种连续变化的电信号,例
4、如:电话线上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波信号。数字信号是指一种离散变化的电信号,例如计算机产生的电信号就是“0”和“1”的电压脉冲序列串。与信号的分类相对应,信道也分为传输模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。 数据可以是模拟的也可以是数字的。 模拟是与连续相对应的。模拟数据是取某一区间的连续值,而模拟信号是一个连续变化的物理量。 数字是与离散相对应的。数字数据取某一区间内有限个离散值,数字信号取几个不连续的物理状态来代表数字。 模拟信号和数字信号的区别如下图所示。,注: 模拟和数字,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,9,2.1 数据通信基本概念,注: 模拟信号和数字信
5、号,模拟信号:时间上连续,包含无穷多个值 数字信号:时间上离散,仅包含有限数目的预定值,(a) 模拟信号 (b) 数字信号,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,10,2.1 数据通信基本概念,数据通信的长距离传输及信号衰减的克服,(1)模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输 (2)模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量,但噪音分量也会增强,以至引起信号畸变。 (3)数字信号长距离传输也会衰减,克服的办法是使用中继器,把数字信号恢复为“0、1”的标准电平后继续传输。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,11,2.1.2
6、数据传输方式:并行与串行传输,并行传输 多个数据位同时传输 发送设备将 8 个数据位通过8 条数据线,传送给接收设备。接收设备可以直接使用接收到的数据。并行的数据传送线也叫总线。适用于短距离通信。 要求并行设备,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,12,2.1.2数据传输方式:并行与串行传输,串行传输 每次由源地传到目的地的数据只有一位,比并行速度慢,发送和接收时需要串并转换设备,但是可以利用公用电话系统,具有经济、实用的特点。能够满足长距离的通信需要。 1位数据传输 串行设备 并行和串行转换,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,13,2.1.2数据传输方式:并行与串行传输,并行与串行传输
7、,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,14,2.1.3 数据传输方式:方向,信道的通信方式: 单工(有监视信号的反向流动) 半双工 全双工,串行通信的方向性结构有三种,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,15,2.1.3 数据传输方式:方向,单工通信方式(有监视信号的反向流动) 数据单向传输(无线电广播),2019/4/5,汾阳师范信息技术系,16,2.1.3 数据传输方式:方向,半双工通信方式 数据可以双向传输,但不能在同一时刻双向传输(对讲机),2019/4/5,汾阳师范信息技术系,17,2.1.3 数据传输方式:方向,全双工通信方式 数据可同时双向传输(电话),2019/4/5,汾阳
8、师范信息技术系,18,2.1.3 数据传输方式:方向,单工,半双工,全双工,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,19,同步,就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据。 在通信时,接收端要校准自己的时间和重复频率,以便和发送端取得一致,这一过程称为同步过程。 目前,传输信息的同步方式有异步式和同步式两种。 (1)异步传输 异步式又称为起止同步方式,它把各个字符分开传输,字符之间插入同步信息。 它在要传输的字符前设置一启动用的起始位,预告字符的信息代码即将开始,在信息代码和校验位(一般总共为8比特)结束以后,再设置12位比特的终止位,表示该字符已结束。终止位也反映了平
9、时不进行通信时的状态,即处于“传号”状态。,2.1.4 同步方式,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,20,2.1.4 同步方式,图2-11为字母“A”的代码(1000001)在异步方式时的代码结构。,图2-11 异步式代码结构 各字符之间的间隔是任意的、不同步的,但在一个字符时间之内,收发双方各数据位必须同步,所以这种通信方式又称为起止同步方式。 异步方式实现起来简单容易,频率的漂移不会积累,每个字符都为该字符的位同步提供了时间基准,对线路和收发器要求较低。 缺点是线路效率低,因为每个字符需多占用23位的开销。 异步方式在低速终端信道上获得了广泛的应用。,2019/4/5,汾阳师范信息技术
10、系,21,2.1.4 同步方式,(2)同步传输 同步式要求不管是否传输信息代码,每个比特位必须在收发两端始终保持同步,中间没有间断时间,即为比特位同步。 一般接收端从接收的信号中提取同步信号,因为在接收信号码元1和0的极性变化中就包含了同步信息。 当不传送信息代码时,在线路上传送的是全1或其他特定代码,在传输开始时用同步字符SYN(编码为0010110)使收发双方进入同步。当搜索到两个以上SYN同步字符时,接收端开始接收信息,此后就从传输信息中检测同步信息。在两个连续的报文之间,应插入两个以上的SYN同步字符。 图2-12为同步传送的代码结构。,图2-12 同步式代码结构 一般在高速传输数据的
11、系统中采用同步式。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,22,2.1.5 基带传输与数字信号编码,基带: 频谱从“0”开始而未经任何处理的脉冲信号所占据的频率范围。 基带信号: 将由不同电压表示的数字信号1 或0 。 基带传输:数字数据以原来的 “0” 或 “1” 的形式在信道上传送,称为基带传送。 如何把数字信息用电信号的波形表示出来: 数字信号是离散的,每个脉冲代表一个信号单元,或称码元。在计算机网络中主要用二进制的数据信号,可用两种码元分别代表二进制数字符号1和0,也称为二元码。 表示二进制数字的码元的形式不同,便产生出不同的编码方案。,基带传输是一种最简单的传输方式,近距离通信的局域
12、网都采用基带传输。基带传输时,需要解决的问题是数字数据的数字信号表示。,(1)基带传输,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,23,2.1.5 基带传输与数字信号编码,(2)数字信号编码,(a)单极性全宽码,(b)双极性全宽码,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,24,2.1.5 基带传输与数字信号编码,(2)数字信号编码,(c)单极性归零编码,(d)双极性归零编码,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,25,2.1.5 基带传输与数字信号编码,(2)数字信号编码,归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点,不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始,需要用某种方法使发送端和接收端之间
13、进行定时或同步;归零码的脉冲较窄,根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系,因而归零码在信道上占用的频带较宽。 单极性码会积累直流分量,这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合,直流分量还会损坏连接点的表面电镀层;双极性码的直流分量大大减少,这对数据传输是很有利的。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,26,2.1.5 基带传输与数字信号编码,(3). 曼彻斯特码和差分曼彻斯特码 图2-5(a)所示为曼彻斯特码。在每一个码元时间间隔内,当发0时,在间隔的中间时刻电平从低向高跳变;当发1时,在间隔的中间时刻电平从高向低跳变。这类码元的特点是在每一码元的时间间隔内,至少
14、有一次跳变。,图2-5(a) 曼彻斯特码,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,27,2.1.5 基带传输与数字信号编码,图2-5(b)所示为差分曼彻斯特码。在每一个码元的时间间隔内,无论发1或发0,在间隔的中间都有电平的跳变,但发1时,间隔开始时刻电平不跳变,发0时,间隔开始时刻电平会跳变。,图2-5(b) 差分曼彻斯特码 曼彻斯特码和差分曼彻斯特码的应用很普遍,已成为局域网的标准编码。,(3). 曼彻斯特码和差分曼彻斯特码,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,28,频带传输:代表数据的二进制 “1” 和 “0” ,通过调制解调器,变换 成具有一定频带范围的模拟信号进行传输。 调制解调器最
15、基本的调制方法有以下几种(在图2-1中给出了这几种波形传输数据的波形的示意图): (1)调幅(AM) 即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如,0对应于无载波输出,而1对应于有载波输出。 (2)调频(FM) 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如,0对应于频率f1,而1对应于频率f2。 (3)调相(PM) 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如,0对应于相位0度,而1对应于180度。,2.1.6 频带传输与模拟信号编码,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,29,2.1.6 频带传输与模拟信号编码,几种调制方法,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,30,多路复用是指在数据传输系统中,允许两
16、个或多个数据源共享同一个传输介质,就像每一个数据源都有自己的信道一样。 多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。多路复用系统可以将来自多个信息源的信息进行合并,然后将这一合成的信息群经单一的线路和传输设备进行传输。在接收端,则设有能将信息群分离成单个信息的设备,因此,只用一套发送装置和接收装置就能替代多个设备,如图所示。,2.1.7 多路复用技术,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,31,2.1.7 多路复用技术,常用的多路复用技术,主要有四种形式: 频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)、 时分多路复用(Time Divi
17、sion Multiplexing,TDM)、 波分多路复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM) 码分多路复用(Code Division Multiplexing,CDM)。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,32,在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下,我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信道带宽相同(或略为宽一点)的子信道,每一个子信道传输一路信号,这就是频分多路复用。 多路的原始信号在频分复用前,首先要通过频谱搬移技术,将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上,这可以通过频率调制时采用不同的载波来实现。如图2-
18、17所示。,2.1.7 多路复用技术,1频分多路复用(FDM)技术,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,33,2.1.7 多路复用技术,1频分多路复用(FDM)技术,在两个通道间应留有间隙作为防护频带,以防相互干扰。 这种方式适用于多点终端以及低速线路。频分多路复用要求在已分配的频段间应有“防护频带”,而防护频带要占用一定的线路能力,因此使传输效率有所降低。,频分多路复用原理示意图,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,34,2.1.7 多路复用技术,2时分多路复用(TDM)技术,若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率,可采用时分多路复用技术,即将一条物理信道按时间分成若干个
19、时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用,这样,利用每个信号在时间上的交叉,就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。 时分多路复用不仅局限于传输数字信号,也可同时交叉传输模拟信号。,TDM又分为 同步时分复用(Synchronous Division Multiplexing,STDM)异步时分复用(Asynchronous Division Multiplexing,ATDM),2019/4/5,汾阳师范信息技术系,35,2.1.7 多路复用技术,(1)同步时分多路复用,同步时分复用采用固定时间片分配方式,即将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段(一个周期),
20、再将每个时间段划分成等长度的多个时隙,每个时隙以固定的方式分配给各路信号,各路信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙,由于在同步时分复用方式中,时隙预先分配且固定不变,无论时隙拥有者是否传输数据都有一定时隙,这就造成时隙浪费,其时隙的利用率很低,为了克服STDM的缺点,引入了异步时分复用技术,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,36,2.1.7 多路复用技术,(2)异步时分多路复用,异步时分多路复用又称统计时分复用技术,它能动态地按需分配时隙,以避免每个时间段中出现空闲时隙。ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它;当用户暂停发送数据时,则不给它分配时隙。电路的空闲可用于其他
21、用户的数据传输,异步时分多路复用,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,37,2.1.7 多路复用技术,异步时分多路复用需要比较复杂的寻址和控制能力,需要有保存输入排队信息的缓冲器,一般用微处理机来解决,因此,设备费用较高。 时分多路复用技术通常用于基带局域网,是计算机通信网分时系统的基础。,时分多路复用原理示意图,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,38,2.1.7 多路复用技术,3波分多路复用,波分多路复用在概念上与频分多路复用相似,因此也称其为光的频分复用。所不同的是波分多路复用技术应用于全光纤组成的网络中,传输的是光信号,并按照光的波长区分信号。WDM技术的工作原理如图所示,2019
22、/4/5,汾阳师范信息技术系,39,2.1.7 多路复用技术,4码分多路复用,码分多路复用也是一种共享信道的方法,每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信,但使用的是基于码型的分割信道的方法,即每个用户分配一个地址码,各个码型互不重叠,通信各方之间不会互相干扰,且抗干扰能力强。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,40,2.1.7 多路复用技术,3波分多路复用,波分多路复用在概念上与频分多路复用相似,因此也称其为光的频分复用。所不同的是波分多路复用技术应用于全光纤组成的网络中,传输的是光信号,并按照光的波长区分信号。WDM技术的工作原理如图所示,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,41,
23、数据交换技术的定义 一个进网的数据流到达的第一个节点称为源节点;离开子网前到达的最后一个节点称为目的节点。网络层必须为所有进网的数据流提供从源节点到目的节点的通路,实现这种数据通路的技术称为“数据交换技术”。,2.2 数据交换技术,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,42,2.2 数据交换技术,使用线路(电路)交换(Circuit Switching)方式,就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路。最普通的线路交换例子是电话系统。 通过线路交换进行通信,指的是在两个站之间有一个实际的物理连接。这种连接是节点之间的连接序列。在每条线路上,通道专用于连接。,2.2.1电路交换,20
24、19/4/5,汾阳师范信息技术系,43,2.2 数据交换技术,2.2.1电路交换,线路交换方式的通信包括三种状态: (1)电路建立:在传输任何数据之前,都必须建立端到端(站到站)的线路。 (2)数据传送:所传输的数据可以是数字的也可以是模拟的。 (3)线路拆除:在某个数据传送周期结束以后,就要结束连接,通常由两个站中的一个来完成这个动作。,线路交换实现数据通信需经过建立连接、数据传送、释放连接三个步骤。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,44,在传输任何数据之前,要先经过呼叫过程建立一条专用的物理通路。若A站要与D站传输数据,需要在AD之间建立一条物理连接。具体的方法是:站点A向节点1发出
25、欲与站点D连接的请求,由于站点A与节点1已有直接连接,因此不必再建立连接。需要做的是在节点1到节点4之间建立一条专用线路。从图中我们可以看到,从1到4的通路由多条,比如1-2-3-4,1-6-5-4,1-6-3-4和1-2-5-4等,这时就需要根据一定的路由选择算法,从中选择一条,如1-6-3-4。节点4再利用直接连接与站点D连通。至此就完成了AD之间的线路建立。,(1)电路建立,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,45,(2)数据传输,电路1-6-3-4建立以后,数据就可以从站点A传输到站点D。数据既可以是数字数据,也可以是模拟数据,在整个数据传输过程中,所建立的电路必须始终保持连接状态。
26、 (3)电路拆除 数据传输结束后,由某一方(A或D)发出拆除请求,然后逐节拆除到对方节点。就像电话系统中,通话双方的任何一方都可以先挂机。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,46,2.2 数据交换技术,电路交换技术的优缺点及其特点, 优点:数据传输可靠、迅速,数据不会丢失且保持原来的顺序。 缺点:在某些情况下,电路空闲时的信道容易被浪费,在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此,它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。 特点:在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前,该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信,电路交换效率不高。,2019/4/5,汾
27、阳师范信息技术系,47,2.2 数据交换技术,2.2.2报文交换的原理和特点,1)报文交换原理 报文交换方式的数据传输单位是报文,报文就是站点一次性要发送的数据块,其长度不限且可变。当一个站要发送报文时,它将一个目的地址附加到报文上,网络节点根据报文上的目的地址信息,把报文发送到下一个节点,一直逐个节点地转送到目的节点。 每个节点在收到整个报文并检查无误后,就暂存这个报文,然后利用路由信息找出下一个节点的地址,再把整个报文传送给下一个节点。因此,端与端之间无需先通过呼叫建立连接。 2)报文交换的特点 报文从源点传送到目的地采用“存储转发”方式,在传送报文时,一个时刻仅占用一段通道。 在交换节点
28、中需要缓冲存储,报文需要排队,故报文交换不能满足实时通信的要求。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,48,报文交换的过程,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,49,3)报文交换的优点 电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道,所以对于同样的通信量来说,对电路的传输能力要求较低。 在电路交换网络上,当通信量变得很大时,就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上,通信量大时仍然可以接收报文,不过传送延迟会增加。 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地,而电路交换网络很难做到这一点。 报文交换网络可以进行速度和代码的转换。 4)报文交换的缺点 不能满足实时或交互式的通信要求,报
29、文经过网络的延迟时间长且不定。 有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时,就不得不丢弃报文,而且发出的报文不按顺序到达目的地。,报文交换的优缺点,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,50,2.2.3报文分组交换,报文分组交换是报文交换的一种改进,它将报文分成若干个分组,每个分组的长度有一个上限,有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了,分组可以存储到内存中,提高了交换速度。它适用于交互式通信,如终端与主机通信。分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,51,2.2.3报文分组交换,(1)、数
30、据报分组交换,在数据报方式中,每个分组被称为一个数据报(datagram),若干个数据报构成一次要传送的报文或数据块。数据报交换方式采用把分组看成一个小报文进行单独处理。每个数据报在传输的过程中,都要进行路径选择,各个数据报可以按照不同的路径到达目的地,因此,各数据报不能保证按发送的顺序到达目的结点,有些数据报甚至还可能在途中丢失。在接收端,再按分组的顺序将这些数据报组重新合成一个完整的报文。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,52,例如站点A要向站点D传送一个报文,报文在交换节点1被分割成4个数据报,它们分别经过不同的路径到达站点D,数据报1的传送路径是1-6-3-4,数据报2的传送路径
31、是1-2-3-4,数据报3的传送路径是1-6-5-4,数据报4传送的路径是1-2-5-4。由于4个数据报所经的路径不同,从而导致它们的到达失去了顺序(2、1、4、3)。,(1)、数据报分组交换,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,53,(2)、虚电路分组交换,在虚电路分组交换中,为了进行数据传输,网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去,不再需要路由选择判定。最后,由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。它之所以是“虚”的,是因为这条电路不是专用的。图2.21显示了虚电路分组交换方式
32、的传输过程。例如站点A要向站点D传送一个报文,报文在交换节点1被分割成4个数据报,数据报1、2、3和4,沿一条逻辑链路1-6-3-4,按顺序发送。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,54,(2)、虚电路分组交换,虚 电 路 方 式 工 作 原 理 图,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,55,三种数据交换技术的比较,三种数据交换技术总结如下: (1)线路交换:在数据传送之前需建立一条物理通路,在线路被释放之前,该通路将一直被一对用户完全占有。 (2)报文交换:报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。在传送报文时,只占用一段通路;在交换节点中需要缓冲存储,报文需要排队。因此,这种方式不
33、满足实时通信的要求。 (3)分组交换:此方式与报文交换类似,但报文被分成组传送,并规定了分组的最大长度,到达目的地后需重新将分组组装成报文。这是网络中最广泛采用的一种交换技术。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,56,三种数据交换技术的比较,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,57,三种数据交换技术的比较,三种数据交换方式各有其特点,对于实时性强的交互式传输,电路交换最合适,不宜采用报文方式;对于网络中较轻的或间歇式负载,报文交换方式较合算;对于中等或稍重的负载,分组交换方式有较好的效果。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,58,三种数据交换技术的比较,2019/4/5,汾阳师范信息
34、技术系,59,2.2.4、其他数据交换技术,随着通信和网络应用的发展,传统的交换技术已经不能满足需要。例如,交互式的会话通信对实时性要求很高,延时要小;高清晰度(HDTV)图像及高速数据的传送要求高速宽带的通信网。目前提高数据交换速度的方案有很多,主要有DSI,Frame Relay和ATM等。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,60,2.2.4、其他数据交换技术,(1)利用数字语音插空技术DSI(Digital Speech Interpolation)能提高线路交换的传输能力。传统的线路交换技术在接通到通路后,该通路被一对用户完全占用。但是在传输语音信号时,通路并不始终处于忙的状态,而
35、是有很多空闲的状态。DSI技术的原理是仅当传输语音信号时,才向通话用户分配通道,其余时刻可把通道分配给数据通信。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,61,2.2.4、其他数据交换技术,(2)帧中继(Frame Relay)是对目前广泛使用的X.25分组交换通信协议的简化和改进,它在链路上无差错控制功能和流量控制功能,并且帧中继采用面向连接的模式,是一种简化的面向连接的分组交换。因为光纤通信具有低误码率的特性,无需在链路层进行差错控制,可采用端对端检错重发控制方式,采用固定长度的分组。这种简化了的协议,可以方便地用VLSI技术实现。这种高速分组交换技术有很多优点:可灵活设置信号的传输速率;充
36、分利用网络资源,提高传输效率;可对分组呼叫进行带宽的动态分配。因此可获得低延时、高吞吐率的网络特性。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,62,2.2.4、其他数据交换技术,(3)异步传输模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)是线路交换与分组交换技术的结合,能最大限度地发挥线路交换与分组交换技术的优点,具有从实时的语音信号到高清晰度电视图像等各种高速综合业务的传输能力。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,63,2.2.4、其他数据交换技术,在异步传输模式(ATM)中,其信元传输所占用的时隙并不固定,这也是所谓的统计时分复用。另外,在一帧中占用的时隙数也不固定,
37、可以有1至多个时隙,完全根据当时用户通信的情况而定。而且各时隙之间并不要求连续,纯粹是“见缝插针”。在交换时,也是类似的。这个过程如图所示。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,64,2.2.4、其他数据交换技术,ATM的信元格式,CCITT的研究组在作了深入的研究和协商后,将ATM的数据分组取为固定长度,并将其称为ATM信元。另外,信元的长度也确定为53个字节。 信头由5个字节的内容组成,主要用来标明在异步时分复用上属于同一虚拟通路的信元,并完成适当的选路功能。具体来说,信头中包括这样一些内容,即:一般流量控制(GFC)、虚拟通道标识(VPI)、虚拟通路标识(VCI)、净荷类型标识(PTI
38、)、信元丢失优先等级(CLP)、信头差错控制(HEC)。剩余的48字节的信息段则是净荷的数据。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,65,2.2.4、其他数据交换技术,ATM交换技术,虚信道(VC)就是两个或多个端点之间运送ATM信元的信道,与分组交换的虚电路相似。虚信道由信头中的虚信道标识符(VCI)来标识。虚通道(VP)是指链路端点之间虚信道的逻辑联系。在传输过程中,虚通道就是在给定的参考点上具有同一虚通道标识符(VPI)的一群虚信道。虚信道与虚通道的关系如图所示。,(虚信道和虚通道),2019/4/5,汾阳师范信息技术系,66,2.2.4、其他数据交换技术,ATM交换兼有电路交换和分组
39、交换的优点,交换时延很小,通路速率灵活,信道利用率高。它既支持恒定比特率(信元周期地出现)的连续型业务,又支持(信元非周期地出现)突发型业务;既支持低速业务,又支持高速业务,还能支持变速(信元出现密度不同)业务,既支持实时性业务,又支持非实时性业务。因此,ATM交换是实现宽带综合业务数字网(B-ISDN)的一种较好的宽带交换技术。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,67,2.3 传输媒介,2.3.1 传输介质的主要类型,常用的网络传输媒介可分为两类:一类是有线的;一类是无线的。有线传输媒介主要有双绞线、同轴电缆及光缆;无线媒介有无线电、微波、和卫星等。,2.3.2 双绞线(Twisted-
40、pair),(1)、双绞线的物理特性,双绞线是由相互绝缘的两根铜线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体,为了减少信号传输中串扰及电磁干扰(EMI)影响的程度,通常将这些线按一定的密度互相缠绕在一起。每根铜线加绝缘层并有颜色来标记,如下图所示:,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,68,双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的,并且安装简单,所以得到广泛的使用。,双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体,它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输,最适合于较短距离的信息传输,当超过几千米时信号会发生衰减,这时就要使用中继器来放大信号和再生波形。,双绞线结构示意图,2019/4/5,汾阳
41、师范信息技术系,69,在局域网中一般都采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP,如图2-6所示。两者的差异在于屏蔽双绞线在双绞线和外皮之间增加了一个铅箔屏蔽层,如图2-4(a)所示,目的是提高双绞线的抗干扰性能。,图2-4 STP与UTP结构示意图,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,70,(2)非屏蔽双绞线的类型,按照EIA/TIA(电气工业协会/电信工业协会)568A标准,共分为15 类,其中计算机网络常用的是3类和5类。,1类线 可用于电话传输,但不适合数据传输,这一级电缆没有固定的性能要求。 2类线 可用于电话传输和最高为4Mbit/s的数据传输,包括
42、4对双绞线。 3类线 可用于最高为10Mbit/s的数据传输,包括4对双绞线,常用于10BaseT以太网的语音和数据传输。 4类线 可用于16Mbit/s的令牌环网和大型10BaseT以太网,包括4对双绞线。其测试速度可达20Mbit/s。 5类线 或超5类线既可用于100Mbit/s的快速以太网连接又支持150Mbit/s的ATM数据传输,包括4对双绞线,是连接桌面设备的首选传输介质。 6类线和7类线,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,71,2.3.3 同轴电缆(Coaxial cable),(1)同轴电缆的物理特性,同轴电缆是由绕同一轴线的两个导体所组成,即内导体(铜芯导线)和外导体(
43、屏蔽层),外导体的作用是屏蔽电磁干扰和辐射,两导体之间用绝缘材料隔离,如图2-5所示。同轴电缆具有较高的带宽和极好的抗干扰特性。,图2-5 同轴电缆结构示意图,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,72,同轴电缆的规格是指电缆粗细程度的度量,按射频级测量单位(RG)来度量,RG越高,铜芯导线越细,RG越低,铜芯导线越粗。,同轴电缆又可分为两类:粗缆和细缆。经常提到的10BASE-2和10Base-5以太网就是分别使用细同轴电缆和粗同轴电缆组网的。用同轴电缆组网,需要在两端连接50的反射电阻,这就是通常所说的终端匹配器。50、75和 93同轴电缆,使用同轴电缆同轴电缆组网的其它连接设备,细缆与粗
44、缆的不尽相同,即使名称一样,其规格、大小也是有差别的。,2.3.4 光缆(Fiber Optical Cable),(1)光纤的物理特性,光纤是一种由石英玻璃纤维或塑料制成的,直径很细,能传导光信号的媒体,如图2-6所示。 一根光缆中至少应包括两条独立的导芯,一条发送,另一条接收。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,73,图2-6 光纤结构示意图,一根光缆可以包括二至数百根光纤,并用加强芯和填充物来提高机械强度。光束在玻璃纤维内传输,防磁防电,传输稳定,质量高。因此光纤多适用于高速网络和骨干网。,根据使用的光源和传输模式,光纤可分为多模光纤和单模光纤。,单模光纤采用注人式激光二极管作为光源
45、,激光的定向性强。单模光纤的芯线直径非常接近光波的波长,当激光束进人玻璃芯中的角度差别很小时,光线则不必经过多次反射式的传播,而是一直向前传播能以单一的模式无反射地沿直线传播,如图2-7所示。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,74,图 2-7 单模光纤传播示意图,图 2-8 多模光纤传播示意图,多模光纤采用发光二极管产生可见光作为光源,当光纤芯线的直径比光波波长大很多时,由于光束进入芯线中的角度不同传播路径也不同,这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向前传播,如图2-8所示。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,75,(2)光纤的特点,光纤有较大的带宽,通信容量大。 光纤的传输速率高
46、,能超过千兆位/秒。 光纤的传输衰减小,连接的范围更广。 光纤不受外界电磁波的干扰,因而电磁绝缘性能好,适宜在电气干扰严重的环境中使用。 光纤无串音干扰,不易被窃听和截取数据,因而安全保密性好。,3光纤的规格,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,76,2.5 无线与卫星通信技术,2.5.1 电磁波谱,描述电磁波的参数有三个:波长 、频率f 和光速C。三者间的关系为:C=f 电磁波的传播有两种方式:一种是在有限空间领域内传播,如利用双绞线、同轴电缆和光纤来传输电磁波;另一种方式是在自由空间中传播,即通过无线方式传播。,(1).电磁波,(2).电磁波的频谱图,按照频率由低到高的顺序排列,不同频率
47、的电磁波可以分为无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和射线,如图2-9所示。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,77,图2-9 电磁波谱与通信类型关系示意图,2.5.2 无线电通信,无线电通信主要有以下一些特点:,传播距离较远,容易穿过建筑物,而且无线电波是全方向传播的,因此无线电波的发射和接收装置不必要求精确对准。,无线电波极易受到电子设备的各种电磁干扰 ,并且其传播特性与频率密切相关。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,78,中、低频(频率在1MHz以下)无线电波沿地球表面传播,能轻易地绕过一般障碍物,但其能量随着传播距离的增大而急剧下降,且通信带宽较低,如图2-10(a)
48、所示。,高频和甚高频(频率在3MHz1GHz之间)无线电波趋于直线传播,易受障碍物的阻挡并将被地球表面吸收。但是到达离地球表面大约100km500km高度的带电粒子层的无线电波将被反射回地球表面,如图2-10(b)所示。我们可以利用无线电波的这种特性来进行数据通信。,图2-10 无线电波传播示意图,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,79,2.5.3 微波通信,微波通信主要有以下一些特点:,微波的频率范围为2GHz400GHz,其典型的工作频率为2GHz、4GHz、8GHz和12GHz。微波在空间主要是直线传播,所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准。又由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间,
49、因此它不像无线电通信可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。,微波经长距离传送后会发生衰减,因此每隔一段距离就需要架设一个微波中继站,两个中继站之间的距离一般为30km50km,如图2-11所示。,图2-11 微波通信示意图,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,80,2.5.4 卫星通信,微波波段频率很高,其频段范围也很宽,因此其通信信道的容量很大,可同时传送大量的信息,且传输质量也比较稳定。与相同容量和长度的电缆载波通信比较,微波通信建设投资少、见效快。,微波通信的缺点是它在雨雪天气传输时会被吸收,从而造成损耗,而且微波的保密性也不如电缆和光缆好,对于保密性要求比较高的应用场合需要另外采取加密措施。,卫星通信实质上就是在地面站之间利用地球上空三万六千公里的同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。,卫星通信主要有以下一些特点:,通信距离远、容量大、质量稳定、可靠性高。在电波覆盖范围内,任何一处都可以通信,且通信费用与通信距离无关。,2019/4/5,汾阳师范信息技术系,81,卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制。一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上
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