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网络工程师之数据通信基础篇

发布时间:2019-06-18 14:02 来源:未知 编辑:admin

  DTE是数据终端。数据终端有分组型终端(PT)和非分组型终端(NPT)两大类。分组型终端有计算机、数字传真机、智能用户电报终端(TeLetex)、用户分组装拆设备(PAD)、用户分组交换机、专用电话交换机(PABX)、可视图文接入设备(VAP)、局域网(LAN)等各种专用终端设备;非分组型终端有个人计算机终端、可视图文终端、用户电报终端等各种专用终端。

  数据电路由传输信道和数据电路终端设备(DCE)组成,如果传输信道为模拟信道,DCE通常就是调制解调器(MODEM),它的作用是进行模拟信号和数字信号的转换;如果传输信道为数字信道,DCE的作用是实现信号码型与电平的转换,以及线路接续控制等。传输信道除有模拟和数字的区分外,还有有线信道与无线信道、专用线路与交换网线路之分。交换网线路要通过呼叫过程建立连接,通信结束后再拆除;专线连接由于是固定连接就无需上述的呼叫建立与拆线过程。计算机系统中的通信控制器用于管理与数据终端相连接的所有通信线路。中央处理器用来处理由数据终端设备输入的数据。

  电路交换是指两台计算机或终端在相互通信时,使用同一条实际的物理链路,通信中自始至终使用该链路进行信息传输,且不允许其它计算机或终端同时共亨该电路。

  报文交换是将用户的报文存储在交换机的存储器中(内存或外存),当所需输出电路空闲时,再将该报文发往需接收的交换机或终端。这种存储_转发的方式可以提高中继线和电路的利用率。

  分组交换是将用户发来的整份报文分割成若于个定长的数据块(称为分组或打包),将这些分组以存储_转发的方式在网内传输。第一个分组信息都连有接收地址和发送地址的标识。在分组交换网中,不同用户的分组数据均采用动态复用的技术传送,即网络具有路由选择,同一条路由可以有不同用户的分组在传送,所以线路利用率较高。

  (1)电路交换方式通常应用于公用电话网、公用电报网及电路交换的公用数据网(CSPDN)等通信网络中。前两种电路交换方式系传统方式;后一种方式与公用电话网基本相似,但它是用四线或二线方式连接用户,适用于较高速率的数据交换。正由于它是专用的公用数据网,其接通率、工作速率、用户线距离、线路均衡条件等均优于公用电话网。其优点是实时性强、延迟很小、交换成本较低;其缺点是线路利用率低。电路交换适用于一次接续后,长报文的通信。

  (2)报文交换方式适用于实现不同速率、不同协议、不同代码终端的终端间或一点对多点的同文为单位进行存储转发的数据通信。由于这种方式,网络传输时延大,并且占用了大量的内存与外存空间,因而不适用于要求系统安全性高、网络时延较小的数据通信。

  (3)分组交换是在存储_转发方式的基础上发展起来的,但它兼有电路交换及报文交换的优点。它适用于对话式的计算机通信,如数据库检索、图文信息存取、电子邮件传递和计算机间通信等各方面,传输质量高、成本较低,并可在不同速率终端间通信。其缺点是不适宜于实时性要求高、信息量很大的业务使用。

  数字数据网由用户环路、DDN节点、数字信道和网络控制管理中心组成,其网络组成结构如框图2所示。DDN是利用光纤或数字微波、卫星等数字信道和数字交叉复用设备组成的数字数据传输网。也可以说DDN是把数据通信技术、数字通信技术、光迁通信技术以及数字交叉连接技术结合在一起的数字通信网络。数字信道应包括用户到网络的连接线路,即用户环路的传输也应该是数字的,但实际上也有普通电缆和双绞线,但传输质量不如前。DDN的主要特点是:

  分组交换网(PSPDN)是以CCITT X.25建议为基础的,所以又称为X.25网。它是采用存储_转发方式,将用户送来的报文分成具用一定长度的数据段,并在每个数据段上加上控制信息,构成一个带有地址的分组组合群体,在网上传输。分组交换网最突出的优点是在一条电路上同时可开放多条虚通路,为多个用户同时使用,网络具有动态路由选择功能和先进的误码检错功能,但网络性能较差。

  帧中继网络通常由帧中继存取设备、帧中继交换设备和公共帧中继服务网3部分组成,如框图3所示。帧中继网是从分组交换技术发展起来的。帧中继技术是把不同长度的用户数据组均包封在较大的帧中继帧内,加上寻址和控制信息后在网上传输。其功能特点为:

  ①使用统计复用技术,按需分配带宽,向用户提供共亨的的网络资源,每一条线路和网络端口都可由多个终点按信息流共亨,大大提高了网络资源的利用率。

  ②采用虚电路技术,只有当用户准备好数据时,才把所需的带宽分配给指定的虚电路,而且带宽在网络里是按照分组动态分配,因而适合于突发性业务的使用。

  ③帧中继只使用了物理层和链路层的一部分来执行其交换功能,利用用户信息和控制信息分离的D信道连接来实施以帧为单位的信息传送,简化了中间节点的处理。帧中继采用了可靠的ISDN D信道的链路层(LAPD)协议,将流量控制、纠错等功能留给智能终端去完成,从而大大简化了处理过程,提高了效率。当然,帧中继传输线路质量要求很高,其误码率应小于10的负8次方。

  ④帧中继通常的帧长度比分组交换长,达到1024-4096字节/帧,因而其吞吐量非常高,其所提供的速率为2048Mbit/s。用户速率一般为9.6、4.4、19.2、N×64kbist/s(N=1-31),以及2Mbit/s。

  ⑤)帧中继没有采用存储_转发功能,因而具有与快速分组交换相同的一些优点。其时延小于15ms。

  无线数据通信也称移动数据通信,它是在有线数据通信的基础上发展起来的。有线数据通信依赖于有线传输,因此只适合于固定终端与计算机或计算机之间的通信。而移动数据通信是通过无线电波的传播来传送数据的,因而有可能实现移动状态下的移动通信。狭义地说,移动数据通信就是计算机间或计算机与人之间的无线通信。它通过与有线数据网互联,把有线数据网路的应用扩展到移动和便携用户。

  传输媒体是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路,计算机网络中采用的传输媒体可分为有线和元线两大类。双绞线、同轴电缆和光纤是常用的三种有线传输媒体;无线电通信、微波通信、红外通信以及激光通信的信息载体都属于无线传输媒体。

  ●信号(Signal):数据的物理量编码(通常为电编码),数据以信号的形式传播。

  ●同步脉冲:用于码元的同步定时,识别码元的开始。同步脉冲也可位于码元的中部,一个码元也可有多个同步脉冲相对应。

  ●波特(Baud):码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。

  一个信号往往可以携带多个二进制位,所以在固定的信息传输速率下,比特率往往大于波特率。换句话说,一个码元中可以传送多个比特。

  ●带宽:带宽是通信信道的宽度,是信道频率上界与下界之间之差,是介质传输能力的度量,在传统的通信工程中通常以赫兹(Hz)为单位计量。

  在计算机网络中,一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位:Kb/s,Mb/s,Gb/s,一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特,它的带宽相应为10Mb/s。

  时延带宽乘积=带宽×传播时延。例如,某链路的时延带宽乘积为100万比特,这意味着第一个比特到达目的端时,源端已发送了100万比特。

  从信源发送数据开始,到信源收到信宿确认所经历的时间RTT≈2×传播时延,传输可靠性两个含义:

  ●基带传输:不需调制,编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如:以太网

  ●宽带传输:数字信号需调制成频带模拟信号后再传送,接收方需要解调。例如:通过电话模拟信道传输。例如:闭路电视的信号传输。

  3、数据同步方式:目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等)。 有三种同步方法:位同步、字符同步、帧同步。 ●位同步:目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步,有下面两种方式: △外同步——发送端发送数据时同时发送同步时钟信号,接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 △自同步——通过特殊编码(如曼彻斯特编码),这些数据编码信号包含了同步信号,接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 ●字符同步:以字符为边界实现字符的同步接收,也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要:1个起始位、5~8个数据位、1,1.5,2个停止位。 ●字符同步的性能评估: △频率的漂移不会积累,每个字符开始时都会重新同步。 △每两个字符之间的间隔时间不固定。 △增加了辅助位,所以效率低。例如,采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时,其效率为8/1172%。 ●帧同步:识别一个帧的起始和结束。 △帧(Frame)数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块。 △面向字符的——以同步字符(SYN,16H)来标识一个帧的开始,适用于数据为字符类型的帧。 △面向比特的——以特殊位序列(7EH,即01111110)来标识一个帧的开始,适用于任意数据类型的帧。

  4、信道最大数据传输率 ●奈奎斯公式:用于理想低通信道 C = 2W×log2 M C = 数据传输率,单位bit/s W = 带宽,单位Hz M = 信号编码级数 奈奎斯公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。 ●非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱,导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号,产生误码。持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s) △香农公式:有限带宽高斯噪声干扰信道 C = W log2 (1+S/N) S/N: 信噪比 例:信道带宽W=3.1KHz,S/N=2000,则 C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s ●奈奎斯公式和香农公式的比较 △C = 2W log2M 数据传输率C随信号编码级数增加而增加。 △C = W log2(1+S/N) 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高传输速率。 原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。

  ●数字数据的数字信号编码:把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类:不归零码和曼彻斯特编码。

  △不归零码(NRZ,Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示,常常用-5V表示1,+5V表示0。缺点:存在直流分量,传输中不能使用变压器;不具备自同步机制,传输时必须使用外同步。

  △曼彻斯特编码(Manchester Code)用电压的变化表示0和1,规定在每个码元的中间发生跳变:高→低的跳变代表0,低→高的跳变代表1。每个码元中间都要发生跳变,接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。缺点:需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的2倍)。

  △差分曼彻斯特编码(Differential ~)每个码元的中间仍要发生跳变,用码元开始处有无跳变来表示0和1 ,有跳变代表0,无跳变代表1。

  S(t)的参量包括: 幅度A、频率ω、初相位ψ,调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。

  采样定理:如果模拟信号的最高频率为F,若以2F的采样频率对其采样,则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。

  要转换的模拟数据主要是电话语音信号,语音信号要在数字线路上传输,必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤:

  ●频分复用原理:整个传输频带被划分为若干个频率通道,每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。

  ●波分复用——光的频分复用。原理:整个波长频带被划分为若干个波长范围,每路信号占用一个波长范围来进行传输。

  ●时分复用原理:把时间分割成小的时间片,每个时间片分为若干个时隙,每路数据占用一个时隙进行传输。由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙,所以这种时分复用也称为同步时分复用。

  时分复用的典型例子CM信号的传输,把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息),每帧在一个时间片内发送,每个时隙承载一路PCM信号。

  TDM的缺点:某用户无数据发送,其他用户也不能占用该时隙,将会造成带宽浪费。

  差错控制的基本方法是:接收方进行差错检测,并向发送方应答,告知是否正确接收。差错检测主要有两种方法:

  在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位,使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。例如1100010增加偶校验位后为11100010,若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确,就可以知道传输中发生了错误。此方法只能用于面向字符的通信协议中,只能检测出奇数个比特位错。

  差错检测原理:将传输的位串看成系数为0或1的多项式。收发双方约定一个生成多项式G(x),发送方在帧的末尾加上校验和,使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后,用G(x)除多项式,若有余数,则传输有错。校验和是16位或32位的位串,CRC校验的关键是如何计算校验和。

  由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成,线对扭在一起可以减少相互间的辐射电磁干扰。双绞线是最常用的传输媒体,早就用于电话通信中的模拟信号传输,也可用于数字信号的传输。

  双绞线上也可直接传送数字信号,使用T1线路的总数据传输速率可达1.544Mbpso达到更高数据传输率也是可能的,但与距离有关。

  双绞线BASE-T总线Mbps的数据传输速率。通常将多对双绞线封装于一个绝缘套里组成双绞线类双绞线对双绞线类双绞线BASE-T总线BASE-T总线)连通性。双绞线普遍用于点到点的连接,也可以用于多点的连接。作为多点媒体使用时,双绞线比同轴电缆的价格低,但性能较差,而且只能支持很少几个站。

  (4)地理范围。双绞线公里或更大范围内提供数据传输。局域网的双绞线主要用于一个建筑物内或几个建筑物间的通信,在10016ps速率下传输距离可达1公里。但10Mbps和100Mbps传输速率的1OBASE-T和100BASE-T总线)抗干扰性。在低频传输时,双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆,但在超过10~100ldfZ时,同轴电缆就比双绞线明显优越。

  同轴电缆也像双绞线一样由一对导体组成,但它们是按同轴形式构成线对。最里层是内芯,向外依次为绝缘层、屏蔽层,最外则是起保护作用的塑料外套,内芯和屏蔽层构成一对导体。同轴电缆分为基带同轴电缆(阻抗500)和宽带同轴电缆(阻抗750)。基带同轴电缆又可分为粗缆和细缆两种,都用于直接传输数字信号;宽带同轴电缆用于频分多路复用的模拟信号传输,也可用于不使用频分多路复用的高速数字信号和模拟信号传输。闭路电视所使用的CATV电缆就是宽带同轴电缆。

  (1)物理特性。单根同轴电缆的直径约为1.02~2.54cm,可在较宽的频率范围内工作。

  (2)传输特性。基带同轴电缆仅用于数字传输,并使用曼彻斯特编码,数据传输速率最高可达1OMbps。宽带同轴电缆既可用于模拟信号传输又可用于数字信号传输,对于模拟信号,带宽可达300~450阳也。一般,在CATV电缆上,每个电视通道分配6阳也带宽,每个广播通道需要的带宽要窄得多,因此在同轴电缆上使用频分多路复用技术可以支持大量的视、音频通道。

  (3)连通性。同轴电缆适用于点到点和多点连接。基带500电缆每段可支持几百台设备,在大系统中还可以用转接器将各段连接起来;宽带750电缆可以支持数千台设备,但在高数据传输率下(50Mbp@)使用宽带电缆时,设备数目限制在20~30台。

  (4)地理范围。传输距离取决于传输的信号形式和传输的速率,典型基带电缆的最大距离限制在几公里,在同样数据速率条件下,粗缆的传输距离较细缆的长。宽带电缆的传输距离可达几十公里。

  光纤是光导纤维的简称,它由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成。相对于金属导线来说具有重量轻、线径细的特点。用光纤传输电信号时,在发送端先要将其转换成光信号,而在接收端又要由光检测器还原成电信号。

  (1)物理特性。在计算机网络中均采用两根光纤(一来一去)组成传输系统。按波长范围(近红外范围内)可分为三种:0.85IAIn波长区(0.8~0.91im)、1.3lim波长区(1.25~1.351Am)和1.551im波长区(1.53~1.5811m)。不同的波长范围光纤损耗特性也不同,其中0.85IAIn波长区为多模光纤通信方式,1.5§IAm波长区为单模光纤通信方式,1.31im波长区有多模和单模两种方式。

  (2)传输特性。光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号,内部的全反射可以在任何折射指数高于包层媒体折射指数的透明媒体中进行。实际上光纤作为频率范围从1014~1015险的波导管,这一范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。光纤的数据传输率可达Gbps级,传输距离达数十公里。目前,一条光纤线路上只能传输一个载波,随着技术进一步发展,会出现实用的多路复用光纤。

  (3)连通性。光纤普遍用于点到点的链路。总线拓扑结构的实验性多点系统已经建成,但是价格还太贵。原则上讲,由于光纤功率损失小、衰减少的特性以及有较大的带宽潜力,因此一段光纤能够支持的分接头数比双绞线或同轴电缆多得多。

  (4)地理范围。从目前的技术来看,可以在6~8公里的距离内不用中继器传输,因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络。

  (5)抗干扰性。光纤具有不受电磁干扰或噪声影响的独有特征,适宜在长距离内保持高数据传输率,而且能够提供很好的安全性。

  由于光纤通信具有损耗低、频带宽、数据传输率高、抗电磁干扰强等特点,对高速率、距离较远的局域网也是很适用的。目前采用一种波分技术,可以在一条光纤上复用多路传输,每路使用不同的波长,这种波分复用技术WDM (Wavelength Division Multiplexing)是一种新的数据传输系统。

  无线传输媒体通过空间传输,不需要架设或铺埋电缆或光纤,目前常用的技术有:无线电波、微波、红外线和激光。便携式计算机的出现,以及在军事、野外等特殊场合下移动式通信联网的需要,促进了数字化元线移动通信的发展,现在已开始出现无线局域网产品。

  微波通信的载波频率为2GHz~40GHz范围。因为频率很高,可同时传送大量信息,如一个带宽为2阳fz的频段可容纳500条话音线路,用来传输数字数据,速率可达数Mbps。微波通信的工作频率很高,与通常的无线电波不一样,是沿直线传播的。由于地球表面是曲面,微波在地面的传播距离有限。直接传播的距离与天线的高度有关,天线越高传播距离越远,超过一定距离后就要用中继站来接力。红外通信和激光通信也像微波通信一样,有很强的方向性,都是沿直线传播的。这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线(Lineof Sight)通路,故它们统称为视线媒体。所不同的是,红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号直接在空间传播。这三种视线媒体由于都不需要铺设电缆,对于连接不同建筑物内的局域网特别有用。这三种技术对环境气候较为敏感,例如雨、雾和雷电。相对来说,微波对一般雨和雾的敏感度较低。

  卫星通信是微波通信中的特殊形式,卫星通信利用地球同步卫星做中继来转发微波信号。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制,一个同步卫星可以覆盖地球的1/3以上表面,三个这样的卫星就可以覆盖地球上全部通信区域,这样,地球上的各个地面站之间都可互相通信。由于卫星信道频带宽,也可采用频分多路复用技术分为若干子信道,有些用于由地面站向卫星发送(称为上行信道),有些用于由卫星向地面转发(称为下行信道)。卫星通信的优点是容量大,传输距离远;缺点是传播延迟时间长,对于数万公里高度的卫星来说,以200m/μs或5μs/Km的信号传播速度来计算,从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间约要花数百毫秒(ms),这相对于地面电缆的传播延迟时间来说,两者要相差几个数量级。

  传输媒体的选择取决于以下诸因素:网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。

  双绞线的显著特点是价格便宜,但与同轴电缆相比,其带宽受到限制。对于单个建筑物内的低通信容量局域网来说,双绞线的性能价格比可能是最好的。

  同轴电缆的价格要比双绞线贵一些,对于大多数的局域网来说,需要连接较多设备而且通信容量相当大时可以选择同轴电缆。

  光纤作为传输媒体,与同轴电缆和双绞线相比具有一系列优点:频带宽、速率高、体积小、重量轻、衰减小、能电磁隔离、误码率低等,因此,在国际和国内长话传输中的地位日益提高,并已广泛用于高速数据通信网。随着光纤通信技术的发展和成本的降低,光纤作为局域网的传输媒体也得到了普遍采用,光纤分布数据接口FDDI就是一例。

  目前,便携式计算机已经有了很大的发展和普及,由于可随身携带,对可移动的无线元线数字网类似于蜂窝电话网,人们随时随地可将计算机接入网络,发送和接收数据。移动无线数字网的发展前景将是十分美好的。

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