《计算机网络基础》课件-第2章

第2章数据通信基础知识2.1数据通信的基本概念2.2数据通信系统的主要性能指标2.3传输介质本章小结

2.1数据通信的基本概念

计算机网络是计算机技术和通信技术的融合，计算机网络的发展离不开通信技术。虽然本章的主要内容通常由硬件实现，程序员和用户并不是必须了解这些技术细节，但万丈高楼平地起，为了搭建网络，以及能够在上层处理这些底层硬件带来的错误，也需要掌握一些基本的数据通信理论。数据传输就是数据通信，这是计算机网络最基本、最必要的功能，是实现计算机网络其他功能的基础。

一、信息、数据与信号

在数据通信领域，信息(Information)、数据(Data)和信号(Signal)是三个最基本和最常用的术语，分别被用于通信的不同层次。

信息是最接近人的一层。通信的目的就是实现信息的交换与共享，信息表现为文字、数字、表格、图形、图像或语音等多媒体数据。

另一个常用的术语是消息(Message)，信息是一个泛指的、不可数的概念，当指传递具体的某一条信息时，我们可以使用消息这个名词。

二、模拟信号与数字信号

无论是数据还是信号，都可以被分为两种：模拟(Analogous)的和数字(Digital)的。模拟的可以简单理解为时间上连续变化的，无穷多个的值；数字的可以理解为时间上离散的点值，取值域一般是元素个数有限的点集(最常见的是两个，因为计算机使用的数据是二进制)。

声音、光等在介质中传输时都是以正弦载波(WaveCarrier)的形式前进，模拟信号就是类似的正弦波，如图2.1所示。例如，当我们说话时，声音以声波的形式传播，声音的大小是连续变化的，因此运送语音信息的信号就应该是模拟的。电话系统就是典型的模拟系统。数字信号一般使用有/无电平，或者正/负电平的不同来表示不同的数据，它被表示为方波形，如图2.2所示。图2.1模拟信号波形图图2.2数字信号波形图

三、信道

从通信信号形式来看，适用于传送模拟信号的信道被称为模拟信道，适用于传送数字信号的信道被称为数字信道。模拟信道与数字信道的并存也增加了物理层的复杂性。数字信号可以直接通过数字发送器进入数字信道传输，也可以通过调制器调制成模拟信号后使用模拟信道传输，一般来说，数字发送器比调制设备更简单、更廉价。

四、通信类型

1.按照通信过程中双方数据流动的方向分类

如果连接A、B两台机器的信道允许双方同时向对方传递信息，则称该信道为全双工信道，称此通信方式为双向同时通信或全双工通信。

如果只允许单方向传输信息，如电视、广播等，则称该信道为单工信道，称此通信方式为单向通信或单工通信。

如果双方可以交替发送和接收信息，如对讲机等，则称该信道为半双工信道，称此通信方式为双向交替通信或半双工通信。

2.按照信号类型分类

如果传输的是模拟信号，则称为模拟通信；如果传输的是数字信号，则称为数字通信。信道也有模拟与数字之分。

3.按照通信时使用的信道数量分类

数据通信按照通信时使用的信道数量可以分为串行通信和并行通信。串行通信是指将数据按位依次在一个信道上传输；而并行传输是指数据同时在多个并行的信道上传输。串行通信与并行通信示意图见图2.3。图2.3串行通信与并行通信示意图

4.按照传输技术分类

从广义上讲，有两种类型的传输技术：广播式和点—点式。广播式网络仅有一条通信信道，由网络中的所有机器共享，网络使用一对多的通信方式。也就是说，网络中任何一个机器发送的信号所有机器都能够收到，因此需要有地址字段指明应该由哪台机器接收，也可以指明群发给某些或所有机器。

5.传输损耗

传输损耗又叫作失真，如果传输介质是完美的，接收方会收到和发送方完全一样的信号。但是，理想状态是不存在的，实际的传输线路存在三个主要问题：衰减、延迟畸变和噪声。通常，噪声是影响通信质量最主要的损害。

2.2数据通信系统的主要性能指标

一、信噪比和误码率对于模拟信道，信道的传输质量一般通过输出的信号功率与噪声功率之比来度量，这个比值被称为信噪比(SignaltoNoiseratio)，如果用S表示信号功率，N表示噪声功率，则信噪比用S/N表示。

对于数字系统，衡量其可靠性的指标叫作误码率，误码率是指在一个较长时间内的传输比特流中出现错误比特的概率。简单地说，就是比特流在一定时间内的平均出错概率，因此又叫作误比特率。它在数值上近似等于出现错误的比特数和传输的比特总数的比值。

误码率反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度，一般取决于信噪比的大小。误码率是随时间变化的，在实际的物理线路传输过程中，需要进行大量的测试，才能求出各种信道的平均误码率。

二、带宽

带宽，可以直接理解为频带宽度。对于模拟信道，带宽是指该信道上传递的信号所能占据的最大频率范围，是信道频率上界与下界之间的差，其单位有赫(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等。

对于数字信道，可以直接使用计算机将信号发送到网络上的速度来衡量网络带宽，具体来说是指计算机在网络中传送数字信号的最高数据率或比特率，有时也称为网络的吞吐量，其单位为比特每秒(bit/s或b/s)。

三、时延

时延指的是一个分组从网络(或一条链路)的一端(发送方)传送到另一端(接收方)所需的时间。端到端的时延一般由以下三部分组成。

1.发送时延

发送时延也被称为传输时延，是指一个分组从计算机进入到传输介质所需要的时间，也就是从数据的第一个比特被输入到传输介质开始，到最后一个比特输入完毕所需要的时间。它的计算公式为

(2.1)

2.传播时延

传播时延是指信号在信道中传播一定距离所花费的时间。它的计算公式为：

2.传播时延

传播时延是指信号在信道中传播一定距离所花费的时间。它的计算公式为：

3.处理时延

处理时延指的是数据在中间交换节点进行存储转发等必要处理所需要的时间。

数据从发送方开始传送到接收方收到最后1bit所需要的总时延就是以上三种时延的和。它的计算公式为

注意，传播速率与传输速率(发送速率)跟传播时延与传输时延(发送时延)是完全不同的概念。对于相同频率的信号，传播速度是一直不变的。最终信号先后到达，是因为信号先后从“起点”“起跑”，而不是在“跑步”过程中拉开了差距。网络提速提高的通常都是数据的发送速度而不是信号在介质上的传播速度。

关于时延还有一个有用的概念叫作往返时延，顾名思义，就是信号从源站点出发，到达目的站点，再返回到出发点所用的时间之和。

2.3传输介质

任何信息从一台机器传输到另一台机器都需要借助物理上的传输介质，如借助电流通过导线传送数据；借助无线电波在空中传送数据。传输介质也被称为传输媒体，是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送数据的载体。

一、有线传输介质

1.双绞线

双绞线由相互绝缘的一对铜导线绞扭在一起组成，如图2.4所示。图2.4非屏蔽双绞线

1)双绞线分类

按结构分类，双绞线可分为屏蔽双绞线STP(ShieldeTwistedPair)和非屏蔽双绞线UTP(UnshieldeTwistedPair)。屏蔽双绞线将绞扭后的导线用铝箔包裹，以提高抗电磁干扰的能力。

2)直通线与交叉线

双绞线通过RJ-45接头与网卡、交换机、路由器等网络设备连接。目前工程中制作接头时的线序标准有EIA/TIA的T568A和T568B两种，如表2.1所示。

2.同轴电缆

同轴电缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料，绝缘层外用由细铜丝编织成的网状导体包裹，形成屏蔽层，屏蔽层外覆盖一层塑料保护膜，如图2.5所示。图2.5同轴电缆

基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆。粗缆的内导体直径约为10mm，接口是AUI，传输距离约为500 m，适用于大型局域网。其优点是传输距离远，可靠性高；缺点是必须使用收发器，电缆粗硬，安装难度大，总体造价高。粗缆安装如图2.6所示。图2.6收发器和粗缆的安装

细缆的内导体直径约为5mm，接口是BNC，传输距离约为185m，一般用于与用户桌面连接。其优点是安装容易，造价低；缺点是安装需要T型连接器，需要将细缆截断，接入点越多，断点就越多，越容易产生接触不良。细缆安装示意图见图2.7。图2.7细缆与T型连接器的安装

3.光纤

光纤即光导纤维，是一种能传输光信号的介质，通常由非常透明的石英玻璃构成，其结构由纤芯、包层和保护套组成，如图2.8

所示。图2.8光纤结构图

1)光纤的分类

光纤可以分为多模光纤和单模光纤。

光纤的纤芯用来传导光波，包层有较低的折射率。当光线从纤芯射向包层时，如果折射角足够大，就会出现全反射，不断重复这个过程，光就沿着光纤传输下去，如图2.9所示。如果一条光纤允许多条不同角度射入的光线同时传输，这种光纤称为多模光纤，如图2.10所示。图2.9光纤的工作原理图2.10多模光纤图2.11单模光纤

2)光通信系统的组成

光纤通信系统一般由光发送机、光纤和光接收机3部分组成。光发送机将电信号转换为光信号导入光纤，在接收端光接收机将光信号再还原为电信号。全光网络中则不需要光电信号的转换过程。

3)光纤连接方式

光纤有耦合连接、机械连接和熔接连接3种连接方式。

综上所述，双绞线、同轴电缆和光纤这3种有线传输介质的传输特性不尽相同，应用场合也有区别。光缆常用于网络的骨干线路，双绞线多用于局域网设备之间的连接，而同轴电缆目前在计算机网络中使用较少。表2.2

给出了这3

种介质在以太网中带宽和传输距离等性能的对比。

二、无线传输介质

无线传输介质不需要架设或铺埋缆线，因而在计算机网络中占据了重要地位。无线传输介质所使用的频段很广。图2.12表示出了电磁波的频谱及其应用领域。图2.12电磁波的频谱及其应用领域

2.微波

微波(Microwave)可传输电话、电报、图像、数据等信息。其波段频率高，频率范围宽，信道容量大；且因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，因而微波传输受到的干扰小，质量高。微波是直线传播，没有绕射功能，因此，传播路径上不能有障碍物。

1)地面微波通信

地面微波通信一般采用定向抛物面天线，要求发送方与接收方之间的通路没有障碍物，视线能及。

为了实现远距离通信，必须在两个终端之间建立若干中继站、枢纽站和分路站，如图2.13所示。图2.13地面微波通信

2)卫星通信

卫星通信(SatelliteCommunications)是利用卫星上的微波天线接收地球发送站发送的信号，将信号经过放大后再转发回地球接收站的一种微波接力通信。国际上为卫星划分的频段主要有以下3个。

●C波段：上行3.7～4.2GHz，下行5.925～6.425GHz。

●Ku波段：上行11.7～12.2GHz，下行14～14.5GHz。

●Ka波段：上行17.7～21.7GHz，下行27.5～30.5GHz。

卫星通信的主要缺点是由于传输距离远，所以传播延迟大，大约在500ms至数秒之间。

3.红外线

红外线(Infrared)通常用于近距离、无障碍的数据传输。红外技术采用光发射二极管(LED)、激光二极管(ILD)进行站与站之间的数据交换。最常见的红外系统是遥控器。红外线传输信号可以直接或经过墙面、天花板反射后，被接收装置收到。

4.激光

激光(Laser)是一种方向性极好的单色相干光。光空间(FSO，Fee-SpaceOptics)通信技术是利用激光自身的优点开发的一种无线通信技术，以自由空间作为传输介质，半导体振荡器做光源，以激光束的形式在空间传输信息。FSO通信具有通信容量大、保密性强、设备结构轻便经济等优点，但也有设备瞄准困难、容易受大气干扰、只能进行直线视距传输、人体可能被激光伤害等缺点。激光通信的主要应用领域有地面间短距离通信和星际通信等。

本章小结数据通信技术是网络技术发展的基础，信息、数据、信号处于数据通信的不同层次。衡量一个网络的主要指标有两个：带宽和时延。在设计一个通信系统时，应确定系统采用串行还是并行的通信方式，信号传送是单工、半双工还是全双工的。按照传输介质上传输的信号类型，信号可以分为模拟信号和数字信号两类，相应的信道和数据通信系统也分为模拟的和数字的。实际通信需要在物理上使用通信介质将收发双方相连，该介质可能是导向的有线形式，如光纤和双绞线，也可能是非导向的，