第二章 数据通信基础
本章主要内容
2.1 数据通信基础知识
2.2 传输媒体
2.3 编码和复用
2.4 交换技术
2.5 数字传输技术
2.6 接入网
2.7 物理层概述
2.8 小结
2.1 数据通信基础知识
- 数据(Data):运送(携带)信息的实体
- 信息(Information):是数据的内容或含义
- 信号(Signal):数据的电气或者电磁表现(数据以信号的形式传播)
- 信息通过通信系统传输
把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地
注意:信息、数据(如:0,1比特)不能直接在介质上传输。
- 数据通信系统模型
任何一个通信系统都可以抽象为以下模型:
信源：将各种信号转化成原始电信号
发送器：生成合适在信道中传输的信号
信道：传送信号的物理传输媒体
接收器：从收到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号
信宿：将电信号还原为相应的信息
数据通信系统的构成：
传输系统(传输线路和传输设备)
源系统(信源+发送器)和目的系统(信宿+接收器)
终端复合了发送方和接收方的功能(如果图中终端是智能的，就可称为"端系统")。大型通信系统中单一信道演变为复杂的交换网络。
- 数字:泛指一切可数的信息
- 模拟:只能通过比较技巧进行区分的不可数信息
- 数字数据：由可数的信息元素所组成。可数的信息有一个最小的分阶单位，元素与元素之间不存在任何分阶状态。
- 模拟数据：由不可数的信息元素组成。不可数的信息元素不分阶，元素与元素之间可以存在无限多种中间状态。
- 模拟信号：信号的参量取值连续，包含无穷多个值。信号强度变化是平滑的。
- 数字信号：信号的参量取值是离散、有限种。一个时间段，信号强度保持某个常量值，下一个时间段有变化到另一个常量值。
- 模拟传输和数字传输
不同类型的数据和信号在不同类型的信道上传输由4种组合数据：
- 模拟通信系统
模拟通信系统是传送模拟信号的通信系统。可简化为：
调制：调制为适合信道传输的信号形式。
解调：将调制过的信号还原
- 数字通信系统
数字通信系统是传送数字信号的通信系统。可简化为：
编码器：模拟信号数字化、数据压缩、加密编码、插空编码
调制：数字基带信号->频带信号
解调：频带信号->数字基带信号
解码：依据发送方的编码顺序，依次进行解码
-
数字信号的传输方式
按是否调制划分：
数字信号的基带传输 没有调制
数字信号的频带传输 有调制
数字信号的基带传输
信源(编码)所输出的数字基带信号，不经过数字调制(频谱搬移),只经过简单码型变换后进行传输，称为数字信号的基带传输。基带信号->码型变换->(还是)基带信号
数字信号的频带传输
对数字基带信号进行数字调制(就是用调制信号对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随调制信号变化，经过调制的信号称为已调信号。(数字调制中，调制信号为数字基带信号。))后再传输，称为频带传输。
什么是载波?
是可以用来载送数据的信号；一般采用高频正弦波作为载波。
- 数字调制
1）幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）
2）频移键控FSK（Frequency Shift keying）
3）相移键控PSK（Phase Shift Keying）
基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。
调制就是要使载波的这三个参量随数字基带信号的变化而变化
- 数字数据的传输方式
数字信号的基带传输
信源编码所输出的数字信号，不经过数字调制（频谱搬移），只经过简单码型变换后进行传输，称为数字信号的基带传输。
数字信号的频带传输
对基带信号进行数字调制后再传输，称为频带传输。
什么是码型变换?
通过码型变换电路，将一种码型变换为另一种码型，针对不同的编码方案，表示数字数据的码元的形式不同。例如:不归零(NRZ)编码、不归零反转(NRZI)编码、归零(RZ)编码、曼彻斯特编码(Manchester)和差分曼彻斯特编码等。
- 码型变换
不归零码(Non-Return to Zero,NRZ)
二进制数字0、1分别用两种电平表示。
缺点：难以分辨一位的结束和另一位的开始；发送方和接收方必须有时钟同步；
问题1---基线漂移：连串的0或1
问题2---时钟恢复：从收到的信号中得到时钟
解决为题1、2---曼彻斯特编码：通过传输NRZ编码数据与时钟的异或合并了时钟和信号。
- 曼彻斯特编码(Manchester code)
优点：
克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。
因此，曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。
缺点：
观察上图："1"码用"10"两位码表示，"0"码用"01"两位码表示。信号跳变速率加倍，信号速率是数据速率的2倍，效率仅为50%。
- 数字数据的传输方式
两个结点之间逻辑上交换的是比特流，而实际上是两结点经过传输媒体交换信号流。
信道的极限容量
信道的最高码元传输速率
信道的极限数据传输速率
信道的最高码元传输速率
码元(Code Cell):时间轴上的一个信号编码单元。如二进制编码，1个码元含一个比特；四进制编码，1个码元含2个比特。
信号传输速率：是指每秒钟传送的信号数量（码元数）。又称码元传输速率，也称调制速率。单位为码元/秒，即波特（Baud）。
数据传输速率：是指每秒钟传输的二进制位数。又称比特率或位率。单位为比特/秒(bit/s=b/s=bps)。
波特(Baud)：码元传输速率的单位。
1波特为每秒传送1个码元。
码元传输速率与数据传输速率的关系
M是为数字传输系统中的码元状态数或离散级数，即M进制数。
即使是理想的无噪声信道，它的传输能力也是有限的。
奈奎斯特(Henry Nyquist),就认识到了这个限制的存在，并推导出公式，用来推算无噪声的有限带宽信道的最大数据率；
香农(Claude Shannon)把奈奎斯特的工作进一步扩展到了信道受随机噪声干扰的情况。
Nyquist公式：（无噪声信道估算的依据）
- 理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud
即每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
- 理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud
即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。
可以看出，通过提高编码级数M，一个码元中可以传送更多比特(bit),从而在信道不变的情况下提高数据传输速率。
- 奈式公示指出了：码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元之间的边界（因为有码间串扰）。Nyquist公式为估算已知带宽的信道的最高码元传输速率提供了依据。
- 奈式公式给出的是个理论上限数值，一个实际的信道所能传输的最高码元速率要明显地低于这个值。
- 奈式公式并没有对数据传输速率(b/s)给出限制。要提高数据传输速率，必须设法提高每码元携带的比特信息量，即多元制调制。
请注意：
- 奈式准则考虑了无噪声的理想信道，特定指出：当所有其他条件相同时，信道带宽加倍则数据传输效率也加倍。
- 但是，对于有噪声的信道，情况将会迅速变坏。噪声的存在会破坏数据的一个比特或多个比特。假如数据传输速率增加，则每个比特占用的时间就会变"短",因而噪声会影响到更过比特，则误信率就越大。
- 所以，对于有噪声的信道，我们希望通过增加信号强度来提高接收端正确接收数据的能力。衡量信道质量好坏的参数是信噪比。
信噪比
噪声会使接收端对码元的判断产生错误（1判决为0,0判决为1）。但是噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。
信噪比就是信号平均功率与噪声平均功率的之比，常记为S/N;
信道的极限数据传输速率
信道的极限数据传输速率可表示为
其中：W为信道的带宽(以Hz为单位);
S为信道内所传信号的平均功率；
N为信道内部的高斯噪声功率；
S/N是信号功率和噪声功率之比。
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限数据传输速率就越高。
1）香农公式告诉我们，若要得到无限大的数据传输速率，只有两个办法：要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能），要么使信号的信噪比为无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（当然这些也都是不可能的）。
2）香农公式给出了数据传输速率的极限，该极限是不能够突破的。要想提供信息的传输速率，必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任何办法。
例子：
带宽3kHz、信噪比30db（S/N=1000）的电话信道，任何技术都无法突破香农公式理论上传输速率极限值
Nyquist和Shannel公式的比较
根据此公式我们可以让数据传输速率C随信号编码级数增加而增加
此公式说明无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最大数据传输速率。
传输模式（通信方式）---数据流动的方向
- 单工：数据单向传输（无线电广播）
- 半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）
- 全双工：数据可同时双向传输（电话）
两个方向的信号共享链路带宽：
1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或
2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输
2.2 传输媒体
- 传输媒体也称为传输媒介或传输介质，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
-
传输媒介可分为两大类：
有线传输系统：电磁波在介质内部被导向沿着固体媒体传播。例如：电信号在铜、铅等金属导体内传输或光信号在玻璃光纤中传输。
无线传输系统：利用信号发射器发送信号，发出的信号（电磁波）在*空间中传播。非导向传输媒体就是指*空间。
双绞线（Twisted Pair，TP）
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法按一定密度绞合(twist)起来构成了双绞线。扭绞可以相互抵消电磁干扰。
双绞线-分类
屏蔽双绞线，在导线与封套之间有一个金属的网状屏蔽层，用来减小辐射，这可以防止外部的电磁干扰，并且避免双绞线内部的电磁辐射传到外部，从而防止通信线路上的窃听，保证了一定的安全性。
- 安装时必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术，并且屏蔽层必须严格接地，才能真正起到抗干扰作用，否则有可能使屏蔽层自身成为一个很大的干扰源。
- 全屏蔽解决方案主要应用于严重电磁干扰环境，如一些广播站、电台等。另外，应用于那些处于安全目的，要求电磁辐射极低的环境。
非屏蔽双绞线，是由一对分别用绝缘层包封的单股铜线双绞而成，他没有屏蔽层，直径小，重量轻，易弯曲，易安装，具有良好的传导率，适用于结构化综合布线。
双绞线型号
1、第一类：主要用于传输语音（一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆），不用于数据传输。
2、第二类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输，常见于使用4Mbps规范令牌传递协议的旧令牌网。
3、第三类：该电缆的传输频率为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输，主要用于10BASE-T。
4、第四类：该类电缆的传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输，主要用于基于令牌的局域网和10BASE-T/100BASE-t。
5、第五类：该类电缆增加了绕绞密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和10BASE-T网络。
6、超五类电缆（Enhanced Cat 5）：与5类双绞线结构基本相同，它是在对现有的UTP五类双绞线的部分性能加以改善后出现的系统，与普通5类UTP相比，其衰减更小，串扰更少，同时具有更高的信噪比、更小的延时误差，性能得到了提高。传输频率可达125MHz和200MHz，用于100BASE-T和1000BASE-T网络。
7、六类电缆（Cat 6）：它比超五类电缆拥有更高的绕绞密度，线对间通常采用十字骨架分隔器，在施工安装方面，比超五类难度更大。其各项参数都有较大提高，其传输频率扩展至250MHz或更高，适用于千兆以太网。
8、七类电缆（Cat 7）：能满足600MHz以上，甚至1.2GHz的传输性能要求，应用于万兆以太网中。六类布线既可以使用UTP，也可以使用STP，而七类布线只基于屏蔽电缆。七类电缆内每个绞对有铝箔屏蔽，外加一个总屏蔽，这使得七类电缆有一个较大的线径。从七类标准开始布线历史上出现和"RJ型"和"非RJ"型接口的划分。
双绞线一般每个两英尺就有一段文字，他解释了有关此线缆的相关信息，以AMP公司的线缆为例，其文字为：
"AMP SYSTEMS CABLEE138034 0100 24 AWG (UL) CMR/MPR ORC (UL) PCC FT4 VERIFIED ETL CAT5 044766 FT 9907",其中的具体含义如下所述:
AMP：代表公司名称。
0100：表示100欧姆。
24：表示线芯是24号的（线芯有22、24、26）。
AWG：表示美国线缆规格标准。
UL：表示通过认证的标准。
FT4：表示4对线。
CAT5：表示5类线。
044766：表示线缆当前处在的英尺数。
9907：表示生产年月。
双绞线制作之RJ-45水晶头
双绞线制作之压线钳
双绞线的两种线序：EIA/TIA568A
双绞线的两种线序：EIA/TIA568B
双绞线的两端的连接：直通线（也称正线）
适用场合：
交换机的UPLINK口----交换机的普通端口
交换机的普通端口----计算机（终端）网卡
双绞线的两端的连接：交叉线（也称反线）
适用场合：
交换机的普通端口----交换机的普通端口
计算机网卡（终端）----计算机网卡（终端）
补充：
MDI和MDI-X是两种端口，原则上：相同端口用交叉线连接，不同端口用直通线连接。
如：MDI和MDI，MDI-X和MDI-X用交叉线连接。MDI和MDI-X用直通线连接。
制作过程
关于6类线的线序
6类线的制作
同轴电缆
基带同轴电缆（50欧）：一条电缆只用于一个信道，用于数字传输。
宽带同轴电缆（75欧）：一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，用于模拟传输。
光纤
依靠广播承载信息
速率高，通信容量大
尺寸更小且重量更轻
传输损耗小，适合长距离传输
抗干扰性能极好，保密性好
光纤传输原理
光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角>=临界值时产生全反射，不会泄漏。
光源
激光产品的级别
Class I：无危险
Class IIa：观看时间小于1000秒则安全
Class II：长期观看有危险
Class IIIa：直接观看有严重危害
Class IIIb：直接辐射对眼睛和皮肤有严重伤害
Class IV：直接观看或散射对眼睛和皮肤有严重伤害
光纤传输模式
多模光纤是指在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。
其光纤芯径在50到100um的范围内，多条入射角度不同的光线可以同时在一根光纤中反射式地传播，传输距离2Km（100M带宽）。
多模光纤根据折射率的分布特性，可分为突变型（step-index）和渐变型（graded-index）两种。
多模光纤之折射率突变型
同样距离下，入射角较小的光束需要更多的反射，所以经过的路程更长。这种路程差意味着到达时间会有所不同。当这些光束在接收端重新组合时，所生成的信号就会畸变。
任何在到达时间上的差异将造成模式色散。带宽与模式色散成反比关系。
多模光纤之折射率渐变型
是一种具有变化的密度的光纤。其芯材中心密度最高，向外逐渐变小，在边界处最小。密度的不断变化使得光线逐渐弯曲成一条曲线，这样每隔一定间距不同的光线就会相交。把接收装置精心放置在这些相交处，就可以获得高精度的重组信号。
单模光纤
使用折射率突变型光纤。其芯径被减少到某个波长级，这样只有一个角度即"模式"的光线可以通过：轴心光线。于是所有光线都能"同时"到达，并能无失真的重新组合，传输距离大大高于多模光纤，通常用于长距离的传输。但须用昂贵的注入式激光二极管做光源。
光线传输模式--对比
典型的光缆
光线缺点
费用高：由于纤芯材料的任何不纯净或是不完善都可能导致信号丢失，必须万分精确地进行制造。同样，激光光源费用较高。
安装/维护难：布设光缆时，一点点粗糙和断折都将导致光线散射和信号丢失；所有的接头都必须打磨并精确地接合；
脆弱性：比铜导线容易断裂，不适合在移动频繁的环境中使用。
非导引型传输媒体（*空间）
- 使用电磁波携带信息
- 无需物理连线
- 适用于长距离或不便布线的场合
- 易受干扰
无线电波的三种传播方式
地波传输
天波传输
视距传输
微波通信的两种方式
1.地面微波接力
是一种"视距"通信，即只有在"看得见"的范围内才能通信。
2.地球同步卫星
卫星通信是在地面微波接力和空间技术的基础上发展起来的。而通信卫星的作用相当于离地面很高的微波中继站。由于作为中继的卫星离地面很高，因此经过一次中继转接之后即可进行长距离的通信。
最少使用3个卫星就可以覆盖全球
传播时延较大
每两颗相邻卫星都有一定的重叠覆盖区，但南、北两极地区则为盲区
卫星通信
常用传输媒体的比较
2.4 交换技术
问题：网络核心部分要为边缘部分提供连通性服务，即在主机之间传输网络数据，那么网络核心部分该采用什么交换技术？（从通信资源的分配角度来看，"交换"就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。）
设想：采用传统电信网络的交换技术？即：可以直接将电路交换技术用于计算机之间的通信吗？
电路交换
（1）通话前先拨号建立连接。可能只要经过一个交换机（如A到B）。可能要经过多个交换机（如C到D）
（2）通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。
（3）通话结束后，挂机释放连接。
特点：
（1）在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽；
（2）灵活性和生存性差，线路中任何一点出故障，将导致通信的中断。
早期网络采用电路交换，那时计算机很少，非常昂贵。远地终端（没有处理功能）通过通信线路（可能要经过许多个交换机）使用处于网络中心的计算机的资源。
考虑：
电话网是为电话通信设计的。电路交换的电话网很适合于电话通信。
计算机数据：间歇性、突发性。使用电路交换会导致网络资源严重浪费。
电路交换无法适应不同类型计算机系统之间的差异。
结论：计算机网络需要使用更加有效的数据交换技术。
分组交换
适用于计算机通信的交换技术--分组交换
产生背景：
60年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA提出要研制一种生存性很强的新型分布式网络。即使少数结点或链路被摧毁，整个网络仍保持畅通。
这种新型的计算机网络就是采用分组交换的、基于存储转发的计算机网络。
原理：
使用分组交换，在数据传送前可以不必先建立连接（这种连网方式成为无连接（connectionless）式），这样随时可发送数据。
注意：面向连接的不一定就是电路交换，分组交换也可以使用面向连接的方式（如广域网的X.25网络和ATM网络）
怎样实现？依靠存储转发策略
存储转发原理并非完全新的概念--电报通信也采用了基于存储转发原理
在报文交换中心，一份份电报被接收下来，并穿成纸带。操作员以每份报文为单位，撕下纸带，根据报文的目的站地址，拿到相应的发报机转发出去。
存储转发策略在核心部分的路由器上实现。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
路由器处理分组的过程是：
- 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
- 查找转发表（转发表中写有到何目的地址应从何端口转发的信息），找出到某个目的地址应从那个端口转发；
- 然后由交换机构把分组送到适当的端口转发出去。
在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。
分组交换网络与传统电信网比较
电信网向用户（即电话机）提供的服务质量有保证。
连接在电信网上的电话机几乎没有智能，因此全部的服务质量由电信网完成。
要传送大量的数据，且传送时间远大于连接建立时间时，可保证传输的快速可靠。
适合传送突发的数据，信道利用率高。
2.7 物理层概述
物理层的作用
物理层的功能是为它的服务用户（数据链路层实体）在具体的物理媒体上发送和接收比特流。
传输比特流的过程中所面对的问题：现有计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。
物理层的作用正是要尽可能地屏蔽这些差异，使数据链路层感觉不到这些差异，即透明地传输比特流。
物理层的主要任务
机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数据和排列、固定和锁定装置等等。
电气特性：指明了在接口线路的信号电平、发送器的输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数。
功能特性：主要是对接口的各条线的功能分配和确切定义。接口线路分为数据、控制、定时、地线四种。
过程特性：指明接口的各条线的工作规程以及各种可能事件的出现顺序。
- DTE
（Data Terminal Equipment）是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。
- DCE
DTE虽具有一定的发送接收能力，但它所发出的信号通常不能直接送到传输介质上，而必须在数据处理设备和传输介质之间，加上一个中间设备DCE
（Data Circuit Terminating Equipment）是数据电路端接设备，用于在DTE和传输介质之间提供信号变换和编码的功能，并负责建立，保持和释放数据链路的连接。