第03章 网络介质与数据通信

第3章

网络介质与数据通信计算机网络技术与应用1教学内容3.1网络传输介质3.2数据通信基础第3章

网络介质与数据通信23.1网络传输介质为了使计算机能够与其它计算机进行通信，传送已编码的信息，它们之间必须建立物理连接，所有的连接材料都可以称为网络传输介质，它决定着网络传输的性能(可靠性、数据传输率)。

网络传输介质主要有两类：

有线介质(boundedmedia)：双绞线、同轴电缆、光纤

无线介质(unboundedmedia)：无线电波、微波、通信卫星第3章

网络介质与数据通信3

双绞线由两条互相绝缘的铜线组成，这两条线像螺纹一样扭绞在一起，两条导线的信号相位相差180o，可以将外界的电磁干扰相互抵消。一、双绞线3.1网络传输介质4一、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来，并裹上保护层。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速设备连入高速网络。5双绞线的类型

非屏蔽双绞线：UTP,UnshieldedTwistedPair

屏蔽双绞线：STP,ShieldedTwistedPair一、双绞线6非屏蔽双绞线(UTP)UTP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化，扭绞数目遵循一定的规范。

优点：细小；容易安装；便宜。

缺点：容易受电子噪声和干扰的影响。一、双绞线7UTP一、双绞线8UTP的分类3类：用于语音传输和最高传输速率10Mbps的网络，目前已退出市场。

4类：用于语音传输和最高传输速率15Mbps的网络，目前应用很少。

5类：增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的网络。是目前网络布线的主流。

超5类：与普通5类UTP比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能更佳，目前广泛应用于100Mbps的网络。一、双绞线9屏蔽双绞线(STP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，能够抵抗所有类型的外部干扰。但价格昂贵，且需要配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术，主要用于IBM网络产品。一、双绞线10二、同轴电缆无中继，传输距离比双绞线远，但安装麻烦且成本高。分为基带和宽带两种，前者可用于局域网(目前已不用)，后者用于有线电视的模拟信号传输。3.1网络传输介质11三、光纤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0和1。光纤不受电子噪声的干扰，数据传输率高(理论上可以获得超过5000Gbps的带宽，实际使用为10Gbps是因为光电转换速度限制)，直径小(重量轻，可安装在狭窄的地方)。3.1网络传输介质12光纤的结构三、光纤13光纤的工作原理——全反射定理在折射率小于1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，而不会漏入空气，这样可以保证光线在光纤中几乎无损耗的传播。三、光纤14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(LED)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，通过检测光波脉冲的出现/不出现来识别0/1。最后光波脉冲将被保护层吸收，以防止外泄而干扰临近光纤。三、光纤15光纤的特点传输数据快。阻抗极低：传输距离远。抗干扰能力强：光波。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。安装困难：分接和接合。三、光纤16四、无线电波

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。3.1网络传输介质17地球两个地面站之间传送距离：50-100km地面站之间的直视线路

微波传送塔(精确对准)利用微波在对流层的视距范围内进行信息传输。五、微波3.1网络传输介质18地球与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球(3星定位)六、地球同步卫星3.1网络传输介质193.2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3.2.2模拟信号和数字信号3.2.3数据传输模式3.2.4信道复用技术3.2.5数据交换技术203.2.1数据通信的基本概念一、信息、数据与信号二、什么是数据通信三、数据通信系统模型3.2数据通信基础21

信息(Information)：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状态。

数据(Data)：一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的“数据”是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数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，“数据”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。一、信息、数据与信号3.2.1数据通信的基本概念22

信号(Signal)：以其某种特性参数的变化来携带信息的物理量，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。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。一、信息、数据与信号3.2.1数据通信的基本概念23二、什么是数据通信

通信(Communication)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，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；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；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；

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(0/1比特序列)的信号的过程。3.2.1数据通信的基本概念24三、数据通信系统模型3.2.1数据通信的基本概念

通信系统：为完成通信任务所需的一切设备和传输介质的总和。

信源：产生要发送数据的设备。

信宿：接收数据的设备。

信道：传输信号的通道，通常指传输介质。

变换器/反变换器：进行信号的转换和复原。25模拟信号(AnalogSignal)：一种连续变化的电磁波，如电视图像信号，语音信号等；

数字信号(DigitalSignal)：一系列电压脉冲，如计算机输出的“0/1”的电压脉冲信号。3.2.2模拟信号和数字信号3.2数据通信基础

x(nT)(b)数字信号(a)模拟信号

1001100111

f(t)

tnT100110011126一、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数字化，一般在发送端放置一个模/数转换器(编码器)，将模拟信号转换为数字信号后再发送；在接收端放置一个数/模转换器(解码器)，将接收到的数字信号转换为模拟信号。通常采用PCM(PulseCodeModulation,脉冲编码调制)技术进行模-数信号间的转换27一、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编码，通常用不连续的电压或电流的脉冲序列来表示0/1，每个脉冲代表一个信号单元，称为码元。常用的编码方式有归零制、曼彻斯特编码等。数字数据经模拟信道传输时要调制，通常采用辐移键控法(ASK)、频移键控法(FSK)和相移键控法(PSK)。28信源调制器信道解调器信宿噪声模拟通信：利用模拟信号来传递信息

实质上是一种信号变换器，由于信源产生的是模拟信号，所以调制器的功能是将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，包括传输介质和介质两端的传输设备。三、数据通信系统模型29

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

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。

信源编码器的主要作用：一是进行模/数转换；二是降低信号的误码率。

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。

发送端和接收端使用各自的时钟；接收时钟与发送时钟必须保持同步三、数据通信系统模型303.2.3数据传输模式一、串行和并行传输二、同步和异步传输三、通信方式3.2数据通信基础31一、串行和并行传输3.2.3数据传输模式

串行传输：使用一条线路，逐个传送比特位。

并行传输：使用多条线路，同时传送一组比特位。32串行传输和并行传输的比较一、串行和并行传输

串行传输：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序上达成一致。

并行传输：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，还会产生比特位到达顺序不一致的问题。33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，才能正确地接收数据。

异步传输(AsynchronousTransmission)

同步传输(SynchronousTransmission)二、同步和异步传输3.2.3数据传输模式34

异步传输以字符为单位传送数据，把每个字符看作一个独立的信息，用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志。二、同步和异步传输3.2.3数据传输模式35

同步传输以数据块为数据传送单位，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，字符之间没有间隙。二、同步和异步传输3.2.3数据传输模式36三、通信方式单工通信半双工通信双工通信3.2.3数据传输模式373.2.4信道复用技术信道的传输容量往往大于一路信号传输单一信息的需求。

问题：如何提高信道的利用率？

解决：在同一传输介质上，同时传输多个有限带宽信号——多路复用(Multiplexing)技术。3.2数据通信基础38信道复用技术示意图3.2.4信道复用技术39两种典型的信道复用技术

频分多路复用(FDM,FrequencyDivisionMultiplexing)：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信号源。

时分多路复用(TDM,TimeDivisionMultiplexing)：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。3.2.4信道复用技术40频分多路复用示意图3.2.4信道复用技术41时分多路复用示意图3.2.4信道复用技术423.2.5数据交换技术在从源地到目的地的数据通信过程中，往往需要经过若干个中间节点的转接，这需要利用数据交换技术。

三种常用的数据交换技术：

一、电路交换二、报文交换三、分组交换3.2数据通信基础43一、电路交换传输双方在传输之前通过呼叫建立一条物理线路，一直保持到双方通话结束才释放——电话系统。3.2.5数据交换技术44二、报文交换不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先