1、计算机网络与数据通信第3章 数据传输技术 3.1 概 述o通信的历史 n电报和电话 o数据通信 nARPANET 3.2 数据传输的电学基础o模拟传输方式 优缺点o数字传输方式 优缺点o基带网与宽带网(模拟信号)区别n逻辑信道 n信号要求 3.2 数据传输的电学基础o基带传输与频带传输 区别n基带n直接传输 n频带传输优点 n模拟传输 3.2 数据传输的电学基础o各电平标准的高低电平定义 nTTLnCMOS：对称性 nRS-232C：噪声容限 nRS-422A：没有参考地线 n20mA电流环：电流标准 3.3 数据传输的基础知识 o并行传输与串行传输3.3 数据传输的基础知识o同步、同步过程o
2、串行、并行传输中的同步问题 o同步技术n并行传输增加几条交互的控制信号线（握手信号）。n串行通信为了节省信道，不能外加控制信号，通过严密的通信协议来保证同步。n位同步、字节同步、帧同步3.3.3 单工通信与双工通信（串行）（1）单工（2）半双工方式（3）全双工方式3.3.4 同步传输与异步传输（串行）o异步传输 n原理：字符独立传输、字符间间隔任意长、各比特固定时间o以字符为单位传输数据o在字符的开头加1位起始位,在末尾加1到2位的终止位,有时还可加1位校验位.n缺点o辅助位o收发双方时钟差异（低速传输）5-8 数据位数据位起始位起始位奇、偶或没用奇、偶或没用1-2位、时间位、时间停止停止10
3、保持空闲保持空闲或下一个或下一个起始位起始位(a)字符格式字符格式1 1 1 1 0 0 0 11 1 0 1 0 0 1 1起始位起始位停止位停止位(b)8位异步字符流位异步字符流两个字符之间不可两个字符之间不可预测的时间间隔预测的时间间隔线路空线路空闲状态闲状态起始位起始位停止位停止位接收器检测新接收器检测新字符的开始字符的开始每位中心抽样每位中心抽样接收端的同步是利用起始位的从接收端的同步是利用起始位的从1到到0的固定跃变，的固定跃变，启动内部的时钟电路，然后对各个位依次抽样判决启动内部的时钟电路，然后对各个位依次抽样判决而取得同步的。而取得同步的。字符之间的不确定方式字符之间的不确定方
4、式起起始始位位停停止止位位停停止止位位停停止止位位起起始始位位起起始始位位 同步原理同步原理 优点优点 实现简单，无需预先实现简单，无需预先建立系统的同步；建立系统的同步；缺点缺点 传输效率低传输效率低3.3.4 同步传输与异步传输（串行）o同步传输 n原理：o固定的时钟节拍（帧同步字符）o数据块为单位n高速传输 防止发送器和接收器之间时间漂移方式防止发送器和接收器之间时间漂移方式同步传输同步传输大量的位以稳定流发送，没有起始位也没有停止位。大量的位以稳定流发送，没有起始位也没有停止位。发送器和接收器必须同步它们的时钟才能使接收器知道发送器和接收器必须同步它们的时钟才能使接收器知道新字节的开始
5、。新字节的开始。在发送器和接收器之间提供单独的时钟线在发送器和接收器之间提供单独的时钟线将时钟信息嵌入到数据信号中将时钟信息嵌入到数据信号中 同步传输中的另一级同步同步传输中的另一级同步 使接收器确定一块数据的开始和结束。使接收器确定一块数据的开始和结束。同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符同步传输以固定的时钟节拍来发送数据信号，字符间无间隙。每个比特与时钟信号严格一一对应。间无间隙。每个比特与时钟信号严格一一对应。preamblepostambledata 同步通信的分类同步通信的分类面向字节协议面向字节协议采用采用ASCII字符字符(如如SYN，SOH及及ETX)来控制来控制数据块
6、的传输。数据块的传输。面向比特协议面向比特协议以一个稳定的位流来传输数以一个稳定的位流来传输数据。采用一个特殊的标志据。采用一个特殊的标志01111110来定界帧。来定界帧。数据块数据块(帧帧)：数据前后同步码控制信息数据前后同步码控制信息首先，接收端要从接收到的数据流中正确区分每个比特首先，接收端要从接收到的数据流中正确区分每个比特，即位同步。然后，在位同步的基础上实现帧同步。，即位同步。然后，在位同步的基础上实现帧同步。发送器在每个字符块之前插发送器在每个字符块之前插入两个或多个控制字符入两个或多个控制字符 面向字节协议面向字节协议数据块以字符方式数据块以字符方式(通常为通常为ASCII)
7、出现；帧中的所有附加出现；帧中的所有附加信息也为字符形式。每一块用一起始标志来达到同步。信息也为字符形式。每一块用一起始标志来达到同步。主要用来同步字符块主要用来同步字符块接收器通过检测接收器通过检测SYN来识别来识别一帧的开始一帧的开始同步空闲或同步空闲或SYN字符字符3.4 数据的调制与编码 o编码n信号编码：在长距离传输中，为减少在特定的介质中的传输损耗和干扰，需要将传输的信号进行转换，使之成为适于在该介质上传输的信号。o数字数据数字信号编码方法数字数据数字信号编码方法n减少损耗与干扰减少损耗与干扰o数字数据的模拟信号编码（调制）数字数据的模拟信号编码（调制）n减少信号带宽 3.4 数据
8、的调制与编码 o调制定义：固定频率的正弦波3.4.3 常用码型o单极性不归零码o单极性归零码 3.4.3 常用码型o双极性不归零码o双极性归零码 3.4.3 常用码型o差分编码 o曼彻斯特码3.4.3 常用码型o交替反转码 3.5 多路复用技术 o多路复用的目的：有效利用通信资源，实现信道共享。主要包括频分复用、时分复用和码分复用等技术。o频分复用(FDM)n用途：用途：模拟信道n原理：原理：带宽分割，频谱迁移，隔离频带n工作过程：工作过程：分割频带，变频处理，频段分配3.5 多路复用技术 o时分复用(TDM)n用 途：数字信道n原 理：将时间分成若干个时隙，每个时隙分配给不同的用户，在任意时
9、刻整个通路上只有一个特定的用户信号。n应 用：语音信号的传输n包括同步时分复用和异步时分复用 3.5 多路复用技术ABCD待发数待发数据据t1 t2 t3A1B1C2B2周期周期1周期周期2异步异步TDM可用带宽A1B1C1D1C2D2A2B2周期周期1周期周期2同步同步 TDM带宽浪费3.5 多路复用技术o波分多路复用波分多路复用 n光具有不同的波长的特征 3.5 多路复用技术o多路复用n特点：静态地分配 n不足之处：信道的利用率不高 o集中传输 n思路：动态按需分配子信道（地址信息）n设备要求：缓冲存储 3.6 传输介质-有线介质 o双绞线 n屏蔽线STPn非屏蔽线UTP南京大学计算机科学
10、与技术系2019年2月扭曲长度 Twisted Pair-ApplicationsoMost common mediumoTelephone networknBetween house and local exchange(subscriber loop)oWithin buildingsnTo private branch exchange(PBX)oFor local area networks(LAN)n10Mbps or 100MbpsTwisted Pair-Pros and ConsoCheapoEasy to work withoLow data rateoShort range
11、Unshielded and Shielded TPoUnshielded Twisted Pair(UTP)nOrdinary telephone wirenCheapestnEasiest to installnSuffers from external EM interferenceoShielded Twisted Pair(STP)nMetal braid or sheathing that reduces interferencenMore expensivenHarder to handle(thick,heavy)UTP(Unshielded Twisted-Pair)电缆电缆
12、南京大学计算机科学与技术系2019年2月Physical UTPSTP(Shielded Twisted-Pair)电缆电缆南京大学计算机科学与技术系2019年2月STP Physical StructurePhysical STP类别 频率 应用范围 1 最高为 0.1MHz 语音、56kbps 以下的低速数据，不用于局域网 2 最高为 1MHz 语音、1Mbps 以下的数据传输、ARCnet、LocalTalk 3 最高为 16MHz 10BASE-T、4Mbps Token Ring、100BASE-T4、100VG-AnyLAN 4 最高为 20MHz 10BASE-T、16Mbps
13、Token Ring 5 最高为 100MHz 100BASE-TX、155Mbps ATM（OC-3）、SONET 5e 最高为 100MHz 1000BASE-T、622Mbps ATM（OC-12）新进展 6 最高为 200MHz 7 最高为 600MHz ANSI/TIA/EIA-568 ANSI/TIA/EIA-568 为为UTPUTP规定的类别规定的类别AnixterAnixter公司的公司的UTPUTP电缆等级电缆等级等级 频率 应用范围 5 最高为 200MHz 数据率可达 1.2Gbps，适用于 1000BASE-T 6 最高为 350MHz 7 最高为 400MHz 10B
14、ASE-T Media Specification10BASE-TOther Media Specifications for Twisted-Pair o100BASE-TX 2 2对对STPSTP或或5 5类类UTP UTP 100m100mo100BASE-T4 4 4对对3 3、4 4或或5 5类类UTP UTP 100m100mo1000BASE-T 4 4对对5 5类类UTP UTP 25m25mo1000BASE-CX 双向独立双向独立STP STP 25m25mAvaya Gigaspeed UTP Wires南京大学计算机科学与技术系2019年2月UTP 连接器连接器南京大学
15、计算机科学与技术系2019年2月Avaya RJ-45 Jakes南京大学计算机科学与技术系2019年2月Avaya UTP Inside of RJ45 Jack南京大学计算机科学与技术系2019年2月T R T R T R T R1 2 3 4 5 6 7 8对3对4对2对1T R T R T R T R1 2 3 4 5 6 7 8对2对4对3对1RJ-453.6 传输介质-有线介质o同轴电缆 电缆名称 电缆直径 阻抗 衰减*（dB）使用的连接器 支持的协议 RG-8/U 0.405 英寸 50 欧姆 1.9 N 粗缆以太网 RG-58/U 或 RG58A/U 0.195 英寸 50 欧
16、姆 4.5 BNC 细缆以太网 RG-62A/U 0.242 英寸 93 欧姆 2.7 BNC ARCnet RG-59/U 0.242 英寸 75 欧姆 3.4 F 有线电视协议*100MHz 的信号，db/100 英尺 同轴电缆技术性能同轴电缆技术性能10BASE5 Media Specification Thick Coaxial Cable10BASE5v介质连接单元介质连接单元 v连接单元接口连接单元接口 Transceiver10BASE2 Media SpecificationThin Coaxial Cable10BASE2v铜轴电缆接插件铜轴电缆接插件TV Cableo75
17、Ohmo10Broad36 Media Procedureo DPSK南京大学计算机科学与技术系2019年2月南京大学计算机科学与技术系2019年2月3.6 传输介质-有线介质o光纤Refraction南京大学计算机科学与技术系2019年2月折射角折射角R比入射角比入射角I小小 折射角折射角R比入射角比入射角I大大Critical Angle(全反射角全反射角)o从高密度媒质进入到低密度媒质的光线，随着入射角增大，折射角也增大，并逐渐远离垂直轴而靠近水平轴o入射角的变化使折射角增大到90度，折射光线完全成了沿媒质界面传播水平光线，此时的入射角称为临界角，或称全反射角南京大学计算机科学与技术系2
18、019年2月Reflection(反射反射)o对于从高密度媒质到低密度媒质的光线，当入射角大于全反射角时，就产生了反射o光线再不会进入低密度媒质，此时反射光线与法线之间的夹角称为反射角o在此情况下，入射角总是等于反射角南京大学计算机科学与技术系2019年2月o光纤的导光原理n光纤利用全反射将光线在信道内定向传输n光纤中心是密度较高的石英玻璃（二氧化硅）或塑料的纤芯，外面覆盖着密度较小的石英玻璃或塑料的包层n两种材料的密度差异必须保证能够使纤芯中的光线只能反射回来而不能折射入包层光纤南京大学计算机科学与技术系2019年2月3.6 传输介质-有线介质o分类n单模光纤：大容量，长距离n多模光纤：o损
19、耗 n吸收损耗 n散射损耗光纤的传播模式o多模传播多束光线从光源经由芯材通过不同的光路传播；按折射率分布的不同分为两种类型n阶跃模式 n1、n2都为常数且n1n2n渐变模式 n2为常数且n1随r增加而有规律减小o单模传播n阶跃模式，因纤芯直径很小，入射角与反射角很大，几乎是沿轴线直线传播南京大学计算机科学与技术系2019年2月n1n2(a)n1n2(b)光缆截面示意图南京大学计算机科学与技术系2019年2月 南京大学计算机科学与技术系2019年2月Multimode Step-Index南京大学计算机科学与技术系2019年2月Multimode Graded-Index南京大学计算机科学与技术
20、系2019年2月Single Mode南京大学计算机科学与技术系2019年2月光纤的传输特性o损耗特性 （类似于衰减）n吸收损耗（材料中杂质吸收）n散射损耗（材料、形状、折射率分布有缺陷或不均匀）o主要是瑞利散射：光纤材料折射率的随机性变化o色散特性（类似于时延失真）n材料色散（材料折射率随频率变化引起）n波导色散（几何结构、形状不完善使光进入包层传播）n模式色散（多模光纤的主要色散，单模光纤无）南京大学计算机科学与技术系2019年2月光纤的优点光纤的优点 1.传输的形式是光，所以光纤不会引起电磁干扰也不会被干扰。2.因为玻璃纤维可以被制成能反射光纤内绝大多数的光，所以光纤传输信号的距离比导线
21、所能传输的距离要远得多。3.因为较之电信号，光可以对更多的信息进行编码，所以光纤可在单位时间内传输比导线更多的信息。4.与电流总是需要二根导线形成回路不同，光仅需一根光纤即可从一台计算机传输数据到另一台计算机。3.6 传输介质-无线介质 o无线电波 o微波和卫星（穿透性差、直线传播）射线无线电微波红外线X射线f(Hz)10010210410610810101012101410161018102010221024紫外线可见光f(Hz)104105106107108109101110131014101610101012LFMFHFVHF UHFSHFEHFTHF波段1015(6)海事无线电(7)调
22、幅无线电(8)调频无线电(9)电视(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(1)双绞线(2)卫星(3)光纤(4)同轴电缆(5)地面微波微波微波 超出无线电和电视所用的频率范围的微波也能用于超出无线电和电视所用的频率范围的微波也能用于传播信息，许多长途电话公司使用微波传输电话通信。传播信息，许多长途电话公司使用微波传输电话通信。一些大公司也安装了微波通信系统作为公司网络的一一些大公司也安装了微波通信系统作为公司网络的一部分。部分。虽然微波就是频率较高的无线电波，但它们的虽然微波就是频率较高的无线电波，但它们的性质并不相同性质并不相同。与无线电波向各个方向传播不同，。与无线电波向各个
23、方向传播不同，微微波传输集中于某个方向，可以防止他人截取信号。波传输集中于某个方向，可以防止他人截取信号。但但是，微波不能穿透金属结构。微波传输在发送和接收是，微波不能穿透金属结构。微波传输在发送和接收器之间存在无障碍的通道时工作得很好，因此，绝大器之间存在无障碍的通道时工作得很好，因此，绝大多数微波装置都设有高于周围建筑物和植被的高塔，多数微波装置都设有高于周围建筑物和植被的高塔，并且其发送器都直接朝向对方高塔上的接收器并且其发送器都直接朝向对方高塔上的接收器。卫星无线电波传播方式o球面传播 长波n通过紧靠地球表面的大气最低层传播o对流层传播 中波n对流层是离地面30英里的大气层(包括同温层
24、)n信号直线传播或通过对流层反射两种传播方式o电离层传播 短波n电离层是对流层之上太空之下的大气层n信号通过电离层反射o视线传播 地面微波n天线与天线相向直线传播o空间传播 空间微波n采用卫星代替大气折射2019年2月南京大学计算机科学与技术系3.6 传输介质-无线介质 红外线 电视和立体声系统所使用的遥控器是用红外线电视和立体声系统所使用的遥控器是用红外线（Infrared）进行通信。红外线一般）进行通信。红外线一般局限于一个很小局限于一个很小的区域的区域（例如，在一个房间内）并且通常要求发送器（例如，在一个房间内）并且通常要求发送器直接指向接收器。直接指向接收器。红外硬件与采用其他机制的设
25、备比红外硬件与采用其他机制的设备比较相对便宜，且不需要天线。计算机网络可以使用红较相对便宜，且不需要天线。计算机网络可以使用红外技术进行数据通信。外技术进行数据通信。例如，为一个大房间配备一套例如，为一个大房间配备一套红外连接以使该房间内的所有计算机在房间内移动时红外连接以使该房间内的所有计算机在房间内移动时仍能和网络保持连接。红外网络对小型的便携计算机仍能和网络保持连接。红外网络对小型的便携计算机尤为方便。因为红外技术提供了无需天线的无绳连接。尤为方便。因为红外技术提供了无需天线的无绳连接。这样，使用红外技术的便携计算机可将所有的通信硬这样，使用红外技术的便携计算机可将所有的通信硬件放在机内
26、。件放在机内。o点对点的有向通信方式点对点的有向通信方式n需要将发射器与接收器对准，两者间不能有障碍物需要将发射器与接收器对准，两者间不能有障碍物o无向网络通信方式无向网络通信方式n基本设备是一个挂在天花板上的红外线集线器基本设备是一个挂在天花板上的红外线集线器n通过集线器实现室内通过集线器实现室内10-20m范围内具有红外线通信范围内具有红外线通信装置的设备间无线连接装置的设备间无线连接n采用散射方式传输，勿须发射器与接收器对准，两者采用散射方式传输，勿须发射器与接收器对准，两者间也可存在障碍物间也可存在障碍物n采用红外线调制解调技术，用较高频率携带传输数据，采用红外线调制解调技术，用较高频
27、率携带传输数据，保证在低能耗的情况下提供有效传输距离，同时可提保证在低能耗的情况下提供有效传输距离，同时可提高信道带宽高信道带宽n内置无向红外线网络装置的笔记本电脑与掌上电脑已内置无向红外线网络装置的笔记本电脑与掌上电脑已问世问世PC机红外线接口及红外线装置o PC红外线接口红外线接口n三线接口三线接口n九线接口九线接口nPC红外线接口装置红外线接口装置o红外线数据传输装置红外线数据传输装置n内置式内置式n外置式外置式物理传输介质物理传输介质 在网络的最低层次上，所有计算机通信都以某在网络的最低层次上，所有计算机通信都以某种能量形式对数据进行编码，并将这些能量通种能量形式对数据进行编码，并将这
28、些能量通过传输介质发送出去。例如，电流可用来在导过传输介质发送出去。例如，电流可用来在导线上传输数据，而无线电波可用来在空中传输线上传输数据，而无线电波可用来在空中传输数据。数据。双绞线双绞线 双绞线示意图每根线的绝缘层用于隔离两根导线，绞在一起可减少干扰 绞在一起限制了电磁能量的发射，并有助于防止双绞线中的电流发射能量干扰其他导线。其次，绞在一起也使双绞线本身不易被电磁能量所干扰，有助于防止其他导线中的信号干扰这两根导线。双绞线双绞线2同轴电缆网络中使用的第二种导线是同轴电缆，和有线电视所用的电缆一样。同轴电缆较双绞线有更好的抗干扰作用。与双绞线绞在一起以限制干扰不同，同轴电缆由一根为金属屏蔽层所包围的导线组成，如图所示。同轴电缆2
