第03章 网络介质与数据通信

1、1第第3章章 网络介质与数据网络介质与数据通信通信计算机网络技术与应用2教学内容教学内容3.1 网络传输介质网络传输介质3.2 数据通信基础数据通信基础第3章 网络介质与数据通信33.1 网络传输介质网络传输介质 为了使计算机能够与其它计算机进行通信，传为了使计算机能够与其它计算机进行通信，传送已编码的信息，它们之间必须建立送已编码的信息，它们之间必须建立物理连接物理连接，所有的所有的连接材料连接材料都可以称为都可以称为网络传输介质网络传输介质，它决，它决定着网络传输的性能定着网络传输的性能( (可靠性、数据传输率可靠性、数据传输率) )。 网络传输介质主要有两类：网络传输介质主要有两类： 有

2、线介质有线介质( (bounded media) )：双绞线、同轴：双绞线、同轴电缆、光纤电缆、光纤 无线介质无线介质( (unbounded media) )：无线电波、：无线电波、微波、通信卫星微波、通信卫星第3章 网络介质与数据通信4 双绞线由双绞线由两条互相绝缘的铜线两条互相绝缘的铜线组成，这组成，这两条线像螺纹一样两条线像螺纹一样扭绞扭绞在一起，两条导线在一起，两条导线的信号相位相差的信号相位相差180o，可以将外界的电磁，可以将外界的电磁干扰相互抵消。干扰相互抵消。一、双绞线一、双绞线3.1 网络传输介质5一、双绞线一、双绞线3.1 网络传输介质双绞线结构示意图 双绞线通常被捆扎起

3、来，并裹上保护层。双绞线通常被捆扎起来，并裹上保护层。 纽绞的螺旋数目越多，抗干扰能力越强。纽绞的螺旋数目越多，抗干扰能力越强。 广泛用于电话系统，也常用于计算机终端等低广泛用于电话系统，也常用于计算机终端等低速设备连入高速网络。速设备连入高速网络。6双绞线的类型双绞线的类型 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线：UTP, Unshielded Twisted Pair 屏蔽双绞线屏蔽双绞线：STP, Shielded Twisted Pair一、双绞线7非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线( (UTP) ) UTP只依赖于扭绞的线对产生的相互抵只依赖于扭绞的线对产生的相互抵消效应来避免电磁和射频干扰引起的信号恶消效

4、应来避免电磁和射频干扰引起的信号恶化，扭绞数目遵循一定的规范。化，扭绞数目遵循一定的规范。 优点：优点：细小；容易安装；便宜。细小；容易安装；便宜。 缺点：缺点：容易受电子噪声和干扰的影响。容易受电子噪声和干扰的影响。一、双绞线8UTP一、双绞线9UTP的分类的分类 3类：类：用于语音传输和最高传输速率用于语音传输和最高传输速率10Mbps的网的网络，目前已退出市场络，目前已退出市场。 4类：类：用于语音传输和最高传输速率用于语音传输和最高传输速率15Mbps的网的网络，目前应用很少络，目前应用很少。 5类：类：增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，用

5、于语音传输和最高传输速率为料，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的网的网络。是目前网络布线的主流。络。是目前网络布线的主流。 超超5类：类：与普通与普通5类类UTP比较，它的近端串扰、比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能更佳，目前广泛应用衰减和结构回波等主要性能更佳，目前广泛应用于于100Mbps的网络。的网络。一、双绞线10屏蔽双绞线屏蔽双绞线( (STP) ) 以以铝箔屏蔽铝箔屏蔽以减少干扰和串音，能够抵抗所有以减少干扰和串音，能够抵抗所有类型的外部干扰。但价格昂贵，且需要配有支持类型的外部干扰。但价格昂贵，且需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术，主要屏蔽功能的

6、特殊连接器和相应的安装技术，主要用于用于IBM网络产品。网络产品。一、双绞线11二、同轴电缆二、同轴电缆 无中继，传输距离比双绞线远，但安装麻烦且无中继，传输距离比双绞线远，但安装麻烦且成本高。成本高。 分为分为基带基带和和宽带宽带两种，前者可用于局域网两种，前者可用于局域网( (目前目前已不用已不用) )，后者用于有线电视的模拟信号传输。，后者用于有线电视的模拟信号传输。3.1 网络传输介质12三、光纤三、光纤 一种能够进行调制的光信号传输的网络传输介一种能够进行调制的光信号传输的网络传输介质，利用光脉冲的出现与不出现表示质，利用光脉冲的出现与不出现表示0和和1。 光纤光纤不受电子噪声的干扰

7、不受电子噪声的干扰，数据传输率高数据传输率高( (理论理论上可以获得超过上可以获得超过5000Gbps的带宽，实际使用为的带宽，实际使用为10Gbps是因为光电转换速度限制是因为光电转换速度限制) )，直径小直径小( (重量重量轻，可安装在狭窄的地方轻，可安装在狭窄的地方) )。3.1 网络传输介质13光纤的结构光纤的结构三、光纤14光纤的工作原理光纤的工作原理全反射定理全反射定理 在折射率小于在折射率小于1时，当光线在玻璃上的入射角大时，当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时，光线将完全反射回玻璃，而不于某一临界值时，光线将完全反射回玻璃，而不会漏入空气，这样可以保证光线在光纤中几乎无会漏入

8、空气，这样可以保证光线在光纤中几乎无损耗的传播。损耗的传播。三、光纤15光波的传播过程光波的传播过程 在光纤的一端放置一个光源，如发光二极管在光纤的一端放置一个光源，如发光二极管( (LED) )或激光，产生一定频率的光波脉冲。或激光，产生一定频率的光波脉冲。 光波以各种不同的角度进入光芯，根据全反射光波以各种不同的角度进入光芯，根据全反射定理向前传播。定理向前传播。 在光纤的另一端放置一个传感器，通过检测光在光纤的另一端放置一个传感器，通过检测光波脉冲的出现波脉冲的出现/不出现来识别不出现来识别0/1。 最后光波脉冲将被保护层吸收，以防止外泄而最后光波脉冲将被保护层吸收，以防止外泄而干扰临近

9、光纤。干扰临近光纤。三、光纤16光纤的特点光纤的特点 传输数据快。传输数据快。 阻抗极低：传输距离远。阻抗极低：传输距离远。 抗干扰能力强：光波。抗干扰能力强：光波。 对湿气等环境因素具有很强的抵抗力。对湿气等环境因素具有很强的抵抗力。 需进行光电信号转换。需进行光电信号转换。 安装困难：分接和接合。安装困难：分接和接合。三、光纤17四、无线电波四、无线电波 利用地面发射的无线电波通过电离层的反利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。射而到达接收端的一种远距离通信方式。3.1 网络传输介质18o 两个地面站之间传送两个地面站之间传送o 距离：距离：50-100k

10、m 利用微波在对流层的视距范围内进行信息传输。利用微波在对流层的视距范围内进行信息传输。五、微波五、微波3.1 网络传输介质19o 与地面站相对固定位置与地面站相对固定位置o 使用使用3个卫星覆盖全球个卫星覆盖全球( (3星定位星定位) )六、地球同步卫星六、地球同步卫星3.1 网络传输介质203.2 数据通信基础数据通信基础第3章 网络介质与数据通信3.2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念3.2.2 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号3.2.3 数据传输模式数据传输模式3.2.4 信道复用技术信道复用技术3.2.5 数据交换技术数据交换技术213.2.1 数据通信的基本概念数据通信

11、的基本概念一、信息、数据与信号一、信息、数据与信号二、什么是数据通信二、什么是数据通信三、数据通信系统模型三、数据通信系统模型3.2 数据通信基础22 信息信息( (Information) )：客观事物属性和相互联系：客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。状态。 数据数据( (Data) )：一般可以理解为：一般可以理解为“信息的数字化形信息的数字化形式式”或或“数字化的信息形式数字化的信息形式”。狭义的。狭义的“数据数据”是是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数

12、据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，机网络系统中，“数据数据”通常被广义地理解为在网通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。络中存储、处理和传输的二进制数字编码。一、信息、数据与信号一、信息、数据与信号3.2.1 数据通信的基本概念23 信号信号( (Signal) )：以其以其某种特性参数某种特性参数的变化来携的变化来携带信息的物理量带信息的物理量，是数据的具体物理表现，比如，是数据的具体物理表现，比如电磁波信号、脉冲信号、光信号等。电磁波信号、脉冲信号、光信号等。 信号一般以时间为自变量，以表示信息的某个

13、信号一般以时间为自变量，以表示信息的某个参量为因变量。参量为因变量。一、信息、数据与信号一、信息、数据与信号3.2.1 数据通信的基本概念24二、什么是数据通信二、什么是数据通信 通信通信( (Communication) )的目的是交换信息，信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合；或图像的组合； 为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；图形

14、或图像用二进制代码的数据来表示； 为了传输二进制代码的数据，必须将它们用信号为了传输二进制代码的数据，必须将它们用信号编码的方式表示；编码的方式表示； 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码数字、符号的二进制代码( (0/1比特序列比特序列) )的信号的的信号的过程。过程。3.2.1 数据通信的基本概念25三、数据通信系统模型三、数据通信系统模型3.2.1 数据通信的基本概念 通信系统：通信系统：为完成通信任务所需的一切设备和为完成通信任务所需的一切设备和传输介质的总和。传输介质的总和。 信源：信源：产生要发送数据的设备。产生

15、要发送数据的设备。 信宿：信宿：接收数据的设备。接收数据的设备。 信道：信道：传输信号的通道，通常指传输介质。传输信号的通道，通常指传输介质。 变换器变换器/反变换器：反变换器：进行信号的转换和复原。进行信号的转换和复原。26 模拟信号模拟信号( (Analog Signal) )：一种连续变化的电：一种连续变化的电磁波，如电视图像信号，语音信号等；磁波，如电视图像信号，语音信号等； 数字信号数字信号( (Digital Signal) )：一系列电压脉冲，：一系列电压脉冲，如计算机输出的如计算机输出的“0/1”的电压脉冲信号。的电压脉冲信号。3.2.2 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号3

16、.2 数据通信基础 x(nT)(b) 数字信号数字信号(a) 模拟信号模拟信号 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 f(t) tnT1 0 0 1 1 0 0 1 1 127一、模拟数据的传输一、模拟数据的传输3.2.2 模拟信号和数字信号 模拟数据经模拟信道传输时不需要变换，但通常模拟数据经模拟信道传输时不需要变换，但通常要调制成高频信号，可采用调频或调幅技术。要调制成高频信号，可采用调频或调幅技术。 模拟数据经数字信道传输时要进行模拟数据经数字信道传输时要进行数字化数字化，一般，一般在发送端放置一个在发送端放置一个模模/数转换器数转换器( (编码器编码器) )，将模拟信，将模拟信号转换

17、为数字信号后再发送；在接收端放置一号转换为数字信号后再发送；在接收端放置一个数个数/模转换器模转换器( (解码器解码器) )，将接收到的数字信号转换为模，将接收到的数字信号转换为模拟信号。通常采用拟信号。通常采用PCM( (Pulse Code Modulation, 脉冲编码调制脉冲编码调制) )技术进行模技术进行模-数信号间的转换数信号间的转换28一、数字数据的传输一、数字数据的传输3.2.2 模拟信号和数字信号 数字数据经数字信道传输时要进行数字数据经数字信道传输时要进行编码编码，通常用，通常用不连续的电压或电流的脉冲序列来表示不连续的电压或电流的脉冲序列来表示0/1，每个脉，每个脉冲代

18、表一个信号单元，称为冲代表一个信号单元，称为码元码元。常用的编码方式。常用的编码方式有归零制、曼彻斯特编码等。有归零制、曼彻斯特编码等。 数字数据经模拟信道传输时要数字数据经模拟信道传输时要调制调制，通常采用，通常采用辐辐移键控法移键控法( (ASK) )、频移键控法频移键控法( (FSK) )和和相移键控法相移键控法( (PSK) )。29信源信源调制器调制器信道信道解调器解调器信宿信宿噪声噪声模拟通信：利用模拟信号来传递信息模拟通信：利用模拟信号来传递信息 实质上是一种信号变换器，由于实质上是一种信号变换器，由于信源产信源产生的是模拟信号，所以调制器的功能是将生的是模拟信号，所以调制器的功

19、能是将其调制到某个频段以便进行远距离传输其调制到某个频段以便进行远距离传输。用来传输表示消息的信号的介质或通路，包用来传输表示消息的信号的介质或通路，包括传输介质和介质两端的传输设备。括传输介质和介质两端的传输设备。三、数据通信系统模型30 信源编码器 噪声 发送端时钟 信 源 信道编码器 信 宿 调 制 信 道 解 调 信道译码器 信源译码器 接收端时钟 数字通信：利用数字信号来传递信息数字通信：利用数字信号来传递信息 对传输的数字信号进行检错或纠错编码对传输的数字信号进行检错或纠错编码, ,以便接收方能进行差错检测和纠正。以便接收方能进行差错检测和纠正。 信源编码器的主要作用：一是进行模信

20、源编码器的主要作用：一是进行模/ /数转换数转换；二是降低信号的误码率。；二是降低信号的误码率。 使变换后的信号能在传输介质使变换后的信号能在传输介质中传输，或提高信道的传输效率中传输，或提高信道的传输效率。l 发送端和接收端使用各自的时钟；发送端和接收端使用各自的时钟；l 接收时钟与发送时钟必须保持同步接收时钟与发送时钟必须保持同步三、数据通信系统模型313.2.3 数据传输模式数据传输模式一、串行和并行传输一、串行和并行传输二、同步和异步传输二、同步和异步传输三、通三、通 信信 方方 式式3.2 数据通信基础32一、串行和并行传输一、串行和并行传输3.2.3 数据传输模式 串行传输串行传输

21、：使用：使用一条线路，逐个传一条线路，逐个传送比特位。送比特位。 并行传输并行传输：使用：使用多条线路，同时传多条线路，同时传送一组比特位。送一组比特位。33串行传输和并行传输的比较串行传输和并行传输的比较一、串行和并行传输 串行传输串行传输：传输速度相对较慢，但长距离传输：传输速度相对较慢，但长距离传输时较可靠，发送方和接收方必须在数据的收发顺时较可靠，发送方和接收方必须在数据的收发顺序上达成一致。序上达成一致。 并行传输并行传输：传输速度相对较快，但成本较高，：传输速度相对较快，但成本较高，特别是长距离传输时，可靠性较差，还会产生比特别是长距离传输时，可靠性较差，还会产生比特位到达顺序不一

22、致的问题。特位到达顺序不一致的问题。34 在数据通信过程中，要求接收方知道它所接收在数据通信过程中，要求接收方知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间，才能正确地接的每一位的开始时间和持续时间，才能正确地接收数据。收数据。 异步传输异步传输( (Asynchronous Transmission) ) 同步传输同步传输( (Synchronous Transmission) )二、同步和异步传输二、同步和异步传输3.2.3 数据传输模式35 异步传输异步传输以以字符字符为单位传送数据，把每个字符为单位传送数据，把每个字符看作一个独立的信息，用看作一个独立的信息，用起始位起始位和和停止位停止位作

23、为作为字符开始和结束的标志。字符开始和结束的标志。 二、同步和异步传输二、同步和异步传输3.2.3 数据传输模式36 同步传输同步传输以以数据块数据块为数据传送单位，多个字符为数据传送单位，多个字符组成的数据块使用公共的同步位组合或同步字符，组成的数据块使用公共的同步位组合或同步字符，字符之间没有间隙。字符之间没有间隙。二、同步和异步传输二、同步和异步传输 01111110 01111110 B A X 01111110 SYN SYN B A X SYN 同步字符（一个或多个） 同步位模式（一个或多个） 可变长度的位数据块 可变长度的字符数据块 3.2.3 数据传输模式37三、通信方式三、通

24、信方式发送接收单向通道单向通道双向通道双向通道双向通道双向通道(a)(a)(b)(b)(c)(c)发送接收接收发送发送接收接收发送单工通信半双工通信双工通信3.2.3 数据传输模式383.2.4 信道复用技术信道复用技术 信道的传输容量往往大于一路信号传输信道的传输容量往往大于一路信号传输单一信息的需求。单一信息的需求。 问题：问题：如何提高信道的利用率？如何提高信道的利用率？ 解决：解决：在同一传输介质上，同时传输多在同一传输介质上，同时传输多个有限带宽信号个有限带宽信号多路复用多路复用( (Multiplexing) )技术技术。3.2 数据通信基础39高速通信线路多路复用器多路复用器 多

25、路 复用器 多路 复用器 高速通信线路 信道复用技术示意图信道复用技术示意图3.2.4 信道复用技术40两种典型的信道复用技术两种典型的信道复用技术 频分多路复用频分多路复用( (FDM, Frequency Division Multiplexing) )：将一个信道可用带宽的频率将一个信道可用带宽的频率划分为多个更细的带宽，每一分带宽分给一个划分为多个更细的带宽，每一分带宽分给一个信号源。信号源。 时分多路复用时分多路复用( (TDM, Time Division Multiplexing) )：将信道按时间段分配给各个将信道按时间段分配给各个信号源，通过多个信号源共享一条信道。信号源，通过多个信号源共享一条信道。3.2.4 信道复用技术41通道（1）通道（2）通道（3）通道（4）通道（5）通道（6）多路复用器MUX多路复用器MUX源1源2源3源4源5源6目标1目标2目标3目标4目标5目标6频分多路复用示意图频分多路复用示意图3.2.4 信道复用技术42可用频段频率时间图2.28 TDM子信道示意图ABCDABCDABCDABCD组成子信道A的时隙时分复用帧图2.29 TDM原理2多路复用器MUX源1源2源3源4源5源6多路复用器MUX目标1目标2目标3目标4目标5目标6