网络技术基础chaper3

1第3章数据通信技术2本章内容数据通信的方式差错控制技术数据的编码传输介质多路复用技术第2章数据通信技术33.1数据通信的方式并行通信和串行通信单工、半双工和全双工通信数据通信的同步方式

第2章数据通信技术41.并行通信和串行通信第2章数据通信技术并行通信与串行通信的例子52.单工、半双工和全双工通信第2章数据通信技术单工通信半双工通信双工通信63.数据通信的同步方式异步方式同步方式第2章数据通信技术7(1)异步方式在异步传输方式中，在每个传送的字符码（7或8位）前面，都要加上一个字符起始位，用以表示字符码的开始。在字符码或字符校验码之后加上1个、1.5个或2个终止位，用以表示该字符的结束。接收方根据起始位和终止位判断每个字符的开始和结束，从而保证通信双方的同步。第2章数据通信技术8(1)异步方式第2章数据通信技术异步传输方式示意图9(2)同步方式同步传输方式是一次传输若干个字符码或若干个二进制位组成的数据块。在这组数据发送之前，先发送一个或两个同步字符SYN（如01111110），用于接收方进行同步检测，做好接收数据的准备。在同步字符或同步字节之后，可以连续发送任意长的字符或数据块，在数据发送完后，再利用同步字符或同步字节通知接收方整个发送过程结束。第2章数据通信技术10(2)同步方式第2章数据通信技术同步传输方式示意图检错码11(2)同步方式为了保证收发双方的严格同步，需要进一步采取位同步的方式。位同步的目的是使发送方所发送数据中相邻位的时间间隔能够被接收方所知悉，从而保证接收方数据采样时刻的准确性。这就需要接收方能够获得发送方的时钟信号。位同步有两种实现方式。第一种方式是采用一个额外的信道传送发送方的同步时钟，接收方根据该路同步时钟信号进行数据接收，从而保证数据接收的同步性。第二种方式是采用某种编码技术将时钟信号编码到所发送的数据中，通过接收方的解码处理，得到同步时钟信号。第2章数据通信技术122.2差错控制技术差错产生的原因检错码与纠错码差错控制机制13差错产生的原因14噪声通信信道中存在加性和乘性两大类噪声。加性噪声与被传送的信号相叠加，从而造成信号的失真，对通信质量有较大影响。加性噪声按照来源不同可分为通信系统内部噪声和外部噪声。内部噪声来源于通信系统内部，最典型的是热噪声。外部噪声来自于通信系统外部，可分为人为噪声和自然噪声。加性噪声按照性质进行分类，可分为单频噪声、脉冲噪声和起伏噪声。噪声引起的通信差错主要有两大类：随机错和突发错。随机错中的错误码元是孤立的，而突发错则表现为相邻多个数据位出错且呈突发性。15检错码与纠错码差错控制的目的是检查数据传输过程中是否出现了差错以及对差错进行纠正。有两种处理差错的方法:1.在要发送的数据中加入足够的冗余信息，以使接收方能够推导出已发出的数据应该是什么。2.加入足够的冗余信息，使接收方能够检测出差错的发生，但无法进行纠错，接收方只能要求发送方重传出错的数据。对于第1种方法，采用纠错码（Error-correctingcode）技术进行实现；对于第2种方法，采用检错码(Error-detectingcode)技术进行实现。16常见的检错码和纠错码常见的检错码有奇偶校验码和循环冗余校验（CyclicRedundancyCheck，CRC）码。常见的纠错码有海明码和卷积码。17奇偶校验码奇偶校验码又称为奇偶监督码：通过在信息码的后面添加一位校验位，使得整个码组中“1”的个数为奇数或偶数。如果是奇校验，则根据情况设置校验位为“1”或“0”，使得整个码组中“1”的个数是奇数；如果是偶校验，则根据情况设置校验位为“1”或“0”，使得整个码组中“1”的个数是偶数。例如，字母“A”的7位ASCII是1000001，如果采用奇校验进行编码，则变成10000011，如果采用偶校验进行编码，则变成10000010。

18循环冗余校验（CRC）码CRC码又称为多项式码，是数据通信中使用最多的检错码。CRC码通过在信息位后附加若干位冗余比特来实现。其基本实现过程是：首先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据（生成多项式）进行除法运算，并根据余数得到一个校验码；然后将该校验码附加在信息位的后面发送出去；接收端在接收到数据后，将包括校验码在内的数据再与约定的数据（生成多项式）做除法运算，若余数为0，则认为接收到的数据正确，否则认为数据在传输过程中出现了差错。19循环冗余校验（CRC）码常使用以下生成多项式G（x）来产生CRC校验码：CRC-16：G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CCITT：G(x)=x16+x12+x5+1CRC-32：G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1CRC码的错误检测能力很强。例如，CRC-16和CRC-CCITT能够：检测出全部单个错。检测出全部离散的二位错。检测出全部奇数个错。检测出全部长度小于等于16位的突发错。以99.997%的概率检查出长度为17位的突发错。2021差错控制机制通信过程中，接收端在收到数据后，首先要进行差错检测，以判断数据是否在传输过程中出现了差错。对仅采用检错编码的数据，通常要求发送端对该数据进行重传，直到接收端获得正确的数据。22差错控制机制通信双方关于重传的协议主要有三种类型：停止等待方式、选择重传方式和拉回方式23停止等待方式24选择重传方式25拉回方式262.3数据的编码不归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码271.不归零编码不归零（Non-ReturntoZero，NRZ）编码通常使用负电平表示比特“1”，用正电平表示比特“0”(也可以正电平表示比特“1”，用负电平表示比特“0”)。例如在RS-232接口中，用-5V～-15V的电平表示“1”，用+5V～+15V的电平表示“0”。不归零编码的主要缺点是不含时钟信号，无法保证发送方和接收方的数据同步，需要通过其他方式进行解决：如再发送一路单独的同步时钟信号。282.曼彻斯特编码曼彻斯特（Manchester）编码是目前使用非常广泛的一种编码，可用于10Mbps的以太网。曼彻斯特编码是一种自含时钟编码，它使用跳变来表示比特“0”和“1”，跳变发生在每一位二进制信号的中间时刻。这个跳变可作为接收端的时钟信号，从而保证发收双方的同步。293.差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特（DifferentialManchester）编码也是一种自含时钟编码，它是对曼彻斯特编码的改进。差分曼彻斯特编码在每位的中间仍然有一个跳变，用于提供同步时钟。另外，它通过在每位的开始处是否存在跳变来表示比特“0”或“1”。30数字数据的几种编码方法31322.4物理层下的传输介质物理层下的传输介质不属于网络协议体系中物理层的范畴，但它与物理层协议的接口标准有着密切的关系。传输介质也称为传输媒体或传输媒介，它是通信系统中源端和目的端之间的物理通路。传输介质可分为导向传输介质和非导向传输介质两大类。在导向传输介质中，信号沿着固定的介质（如铜线或光纤）被导向地进行传播。非导向传输介质指的是开放空间，可通过无线的方式在非导向传输介质中进行电磁波的传播。导向传输介质主要包括双绞线、同轴电缆和光纤；在非导向传输介质中，常用的无线通信技术有：移动电话、微波通信、卫星通信、红外通信和激光通信等。第3章数据通信技术33导向传输介质1.双绞线2.同轴电缆3.光纤34双绞线双绞线（TwistedPair）是网络布线中使用非常多的一种传输介质。双绞线成本低，制作和使用简便。双绞线一般是由多对两两扭合在一起的带有绝缘层的铜线组成，被封装在一个绝缘套管中。每根铜导线的绝缘层上通常涂有不同的颜色，以示区分。通常，双绞线扭合的越密，其抗干扰能力就越强，传输性能也就越高。

第2章数据通信技术35双绞线(1)双绞线的分类①按性能分类 双绞线按照性能不同可分为1类线、2类线、3类线、4类线、5类线、超5类线、6类线和7类线。类别越高，传输性能越好，价格也越贵。目前在计算机网络布线中使用最多的是5类线、超5类线和6类线。②按结构分类 双绞线按照是否带有屏蔽层，可分为非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）和屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）两类。3637双绞线地理范围：远程中继最大距离15KM

局域网与集线器的最大距离100M(2)双绞线的连接器 双绞线使用的连接器主要有RJ-11和RJ-45。其中，RJ-11可连接3对双绞线缆，而RJ-45可连接4对双绞线缆。第2章数据通信技术38第2章数据通信技术RJ-45连接器插头(2)双绞线的连接器双绞线使用的连接器主要有RJ-11和RJ-45。其中，RJ-11可连接3对双绞线缆，而RJ-45可连接4对双绞线缆。39双绞线的制作EIA/TIA568A双绞线制作标准EIA/TIA568B双绞线制作标准第2章数据通信技术1Tx6Rx-2Tx-3Rx404142直通双绞线的链接在双绞线的两端都按照EIA/TIA568A或EIA/TIA568B标准中定义的线序进行制作43交叉双绞线的链接在双绞线的一端按照EIA/TIA568A标准制作，在双绞线的另一端按照EIA/TIA568B标准中定义的线序进行制作4445同轴电缆同轴电缆用于传递电信号的一对导体是按照一层圆筒式的外导体套在内导体（铜芯）外面，两个导体之间使用绝缘材料进行隔离而设计的。其外层导体和内层导体在同一个轴心上，所以称为同轴电缆。

第2章数据通信技术4647同轴电缆按直径大小分类。按照直径大小划分，同轴电缆可分为粗缆和细缆。粗缆适用于较大型的局部网络，它的传输距离长，可靠性高。其最大传输距离可以达到500m。细缆的传输距离短，缆线总长不能超过185m，否则信号会被严重衰减。细缆在安装过程中通常使用T型连接器进行连接，这种连接方式容易产生故障。在计算机网络布线领域，粗缆和细缆已基本上被双绞线和光缆所取代。按电气特性和传输信号类型分类。特性阻抗为50欧姆为基带同轴电缆(传输数字信号)，如局域网中使用的粗缆和细缆。特性阻抗为75欧姆的宽带同轴电缆(传输模拟信号)。宽带同轴电缆常用于传送有线电视信号。第2章数据通信技术48光纤光纤是光导纤维（FiberOptics）的简称。它是一种利用光的全反射原理在玻璃制成的非常细的纤维中传输光信号的传输介质。光纤由纤芯和包层构成，包层包在纤芯的外面，是一层具有较低折射率的物质.第2章数据通信技术4950光纤由纤芯和包层构成，包层包在纤芯的外面，是一层具有较低折射率的物质，由于包层的作用，光信号在包层表面形成全反射，只能在纤芯中进行传播，不会通过包层折射出去。51光信号的发送和接收在光纤的一端使用发光二极管（LightEmittingDiode，LED）或注入式激光二极管（InjectionLaserDiode，ILD）将光脉冲传送至光纤。在光纤的另一端采用光敏元件进行接收，完成从光信号到电信号的转换。第2章数据通信技术5253四芯光缆的剖面示意图第2章数据通信技术54光纤的分类按光的传输模式分类多模光纤（MultiModeFiber）：多模光纤允许多个光束在同一条纤芯上传输，其纤芯直径范围从50μm到几百μm不等。对于100Mbps的传输速率，多模光纤的传输距离可达2km；对于1Gbps的传输速率，其传输距离可达500~600m；对于10Gbps的传输速率，其传输距离可达300m。单模光纤(SingleModeFiber)：典型单模光纤的纤芯直径为8~10μm，包层外直径为125μm。在单模光纤中，光束能够以单一的模式无反射地沿纤芯轴心方向传播。单模光纤的模式色散很小，能够把光以很高的频率传输很长距离。单模光纤能够以10Gbps的速率将数据传送超过60km的距离，甚至更远。第2章数据通信技术55常用光纤规格光纤规格光纤类型纤芯直径（μm）包层直径（μm）8/125单模81259/125单模912510/125单模1012550/125多模5012562.5/125多模62.5125100/140多模100140200/230多模20023057光纤的分类按制造材料分类：按照制造材料划分，光纤可分为无机光导纤维和高分子光导纤维。其中，无机光导纤维在工业领域得到大量应用。

第2章数据通信技术5859光纤的主要特点通信容量大，传输距离远。抗电磁干扰，传输可靠性高。无信号泄露，难于窃听，安全性好。光纤尺寸小且重量轻，易于运输和铺设。光纤对环境的适应性强，使用寿命长。第2章数据通信技术非导向传输介质1.无线电波的频段划分2.无线电波的传播方式3.微波通信4.红外通信5.自由空间的激光通信1.无线电波的频段划分电磁波在自由空间中传播即无线方式传播。无线频率（不同频率的电磁波）是一种有限的自然资源，在各个国家都被严格管制使用。无线通信的频率资源可根据无线通信的业务种类和性质进行分类，如所示。不同频率的电磁波（用于通讯的）可以分为无线电，微波，红外与可见光。频段名称频率范围波长范围波段名称用途甚低频VLF3k~30kHz105~104m甚长波潜艇通信，地下通信低频LF30k~300kHz104~103m长波国际广播，导航中频MF300k~3MHz103~102m中波调幅广播、导航、业余无线电通信高频HF3M~30MHz102~10m短波移动无线电话、短波广播、业余无线电通信甚高频VHF30M~300MHz10~1m米波调频广播、电视广播、车辆通信、航空通信特高频UHF300MHz~3GHz1m~10cm分米波电视广播、雷达导航、移动通信、蓝牙专用短程通信超高频SHF3G~30GHz10~1cm厘米波微波接力、雷达、卫星和空间通信极高频EHF30G~300GHz1cm~1mm毫米波微波接力、雷达、遥感、射电天文学2.无线电波的传播方式无线电波的发送和接收是通过天线进行的。天线一般都具有可逆性，即同一副天线既可以作为发射天线使用，也可以作为接收天线使用。在无线电波的发送端，信号通过馈线输送至天线，由天线以电磁波的形式辐射出去；在无线电波的接收端，天线接收到空中的电磁波信号后，通过馈线传送给后续的接收机单元进行处理。无线电波的传播方式主要有3种：地波传播、天波传播和直线传播地波(长波中波和中短波适合,短波和微波不适合,只能传几百千米范围内,无线电广播)

沿地球表面传播的无线电波称为地波。天波(短波适合,国际广播)依靠电离层的反射来传播的无线电波称为天波。直线传播(几十千米范围内微波)微波的传播形式和光一样，是沿直线传播的，称为直线传播。3.微波通信在无线电波中，微波的频率范围是300MHz～300GHz，波长范围是1m～1mm。根据其波长的不同，微波又可划分为分米波、厘米波和毫米波。微波的传播方式是直线传播。可通过微波通信传送视频、图像、电话、电报等信息。微波通信的特点如下： (1)微波所处的频段很高，其频率范围很宽，因此微波通信的容量很大。 (2)工业噪声和天电噪声的频率比微波频段要低得多，其对微波通信的影响较短波和米波通信来说要小很多。因此，与短波通信和米波通信相比，微波通信具有较高的传输质量。 (3)地面微波通信的建设投资相对要小，容易跨越山谷、河流等地理障碍。微波通信主要有两种形式：地面微波接力通信和卫星通信。地面微波接力通信卫星通信卫星通信是指地球上的无线电通信站通过卫星作为中继站而进行的一种微波通信。卫星通信系统包括卫星和地面站两个部分。卫星在通信系统中起到了中继站的作用：它将某一地面站发送的信号经处理后转发给另一个地面站。卫星通信的主要特点包括：通信范围大，在卫星所覆盖范围下的任意两点都可以进行通信；可靠性高，不易受各种陆地灾害的影响；能够方便地实现广播和多址通信。根据通信卫星与地球表面距离的不同，通信卫星可大致分为三种类型：低地球轨道（LowEarthOrbit，LEO）卫星、中地球轨道（MiddleEarthOrbit，MEO）卫星、地球静止轨道（GeostationaryEarthOrbit,GEO）卫星。低地球轨道（LEO）卫星(160-2000km),(1-13ms)，采用集群技术，用于移动通讯设备之间的通讯中地球轨道（MEO）卫星(2000-35786km)),(13-238ms)GPS地球静止轨道（GEO）卫星(35786km),(0.238s)(3颗覆盖地球一圈)4.红外通信红外线的频率范围大致为300GHz～400THz（波长从1mm到750nm）,分为远红外、中红外和近红外三个波段。红外数据传输一般使用近红外波段。红外通信就是利用红外技术实现两点之间的通信。红外通信系统可分为两个部分：红外发射单元和红外接收单元。发射单元负责对源信号进行调制，然后以红外线的方式发射出去；接收单元通过光学装置和红外探测器进行红外信号的接收。红外通信的优点是性能价格比高，实现容易，抗电磁干扰；缺点是只能在直视范围内通信，且无法穿透不透明的障碍物。5.自由空间的激光通信红外通信技术属于点对点（Point-to-Point）通信，而激光通信也是一种点对点通信技术。与红外通信相类似，激光通信也是在直视范围内进行。与红外光不同的是，激光的波束较窄，通常只有几厘米宽，因此在通信时要求激光发送器和激光接收器的精确对准，以确保发送的激光光束能够被接收器的感应设备接收到。与红外通信相比，激光通信适合于户外使用，且能够传输较长的距离。可以利用激光通信完成城市中楼宇之间的信息传输。例如，两座邻近的建筑物需要进行通信，但又不允许进行电缆的铺设，这时可通过在建筑物屋顶上架设激光通信设备的方式进行激光通信。5.自由空间的激光通信激光通信的主要优点是： (1)通信容量大。理论上讲，激光通信可同时传送1000万路电视节目。 (2)保密性好。由于激光具有很强的方向性，不易发生信号泄露。 (3)结构轻便，设备成本低。与微波天线相比，激光通信所需的发射和接收天线体积小（直径仅有几十厘米），重量轻（几公斤），便于安装。5.自由空间的激光通信激光通信的主要缺点是： (1)受大气和气候的影响较为严重。例如，云雾、雨雪和灰尘等均会阻碍激光的传播，从而减小了其通信距离。 (2)发送器和接收器的对准比较困难。由于激光具有很强的方向性，必须保证发送设备和接收设备的精确对准。这不但对设备的稳定性和精度提出了很高的要求，而且安装调试也比较复杂。732.4多路复用技术多路复用的工作原理

：通过某种技术使多用户共享一条通讯线路，以最大限度地利用信道资源742.4多路复用技术频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）波分多路复用（Wave-lengthDivisionMultiplexing，WDM）时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）码分多路复用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）第2章数据通信技术752.4.1频分多路复用技术频分多路复用(FDM)是将线路的可用频带划分成若干个在频率上互不重叠的频段，每路信号占用一个频段。

第2章数据通信技术电话信号的频分多路复用传输

例如，传统的有线电视系统、无线电广播，都是采取这种方式。在传统有线电视系统中，尽管多个频道的电视节目都是通过同一