1、第2章 网络技术数据通信基础,计算机网络是计算机技术和通信技术发展的必然产物，为了更深入地了解计算机网络，对于数据通信的基本概念和基本理论的学习是十分必要的。本章将介绍数据通信的模型、数据的交换方式、多路复用技术等数据通信的基本知识，并通过实训建立感性认识。2.1 数据通信基本概念及通信模型数据通信涉及的基本概念比较多，为了对其有一个比较准确的了解，我们将从基础入手，理解这些概念，并以此为基础来分析数据通信的基本结构，从而来形成数据通信的模型。,2.1.1 数据通信的几个基本概念1数据：是对客观事实进行描述与记载的物理符号，是一个有意义的实体。数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是在某区间内
2、连续变化的值；数字数据是离散的值。2信息：是数据的集合、含义和解释。学生成绩为数据，通过对学生成绩的分析可以得出若干成绩好坏、老师教学效果好坏的信息。3.信号:是数据的电子或电磁编码。信号可分为模拟信号和数字信号。如图所示。模拟信号是随时间连续变化的电流、电压或电磁波；数字信号则是一系列离散的电脉冲。可选择适当的参量来表示要传输的数据。（a） 模拟信号 (b) 数字信号,4.信源:通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。5.信宿:通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。6:信道:信源和信宿之间的通信线路。2.1.2 数据通信系统基本结构 广义的通信系统是由数据终端设备和数据传输系统组成，如图2
3、.2所示。 图2.2 数据通信模型框图,信道是传输信号的通道，可以是有线的传输介质，也可以是无线的传输介质。图2.3即为数据通信系统的模型结构。图2.3 数据通信系统的模型结构 2.1.3 数据通信的主要技术指标为了衡量数据通信质量的优劣，常常采用一些物理量如数据传输率、信道容量和误码率等来评价数据通信的质量。,1.数据传输速率 数据传输速率是指每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。其计算公式为: S=1/T*log2N(bps) (2-1) 数据传输速率也可以用单位时间内通过信道传输的码元数来表示，单位为波特，记作Baud，常称为波特率，计算公式为: B=1/T (Ba
4、ud) (2-2)由、式得： S=B*log2N (bps) (2-3)或 B=S/log2N (Baud) (2-4)下面以一个采用四相调制方式，即N=4，且T=833x10-6秒来计算数据传输速率S和B。根据上面（1）、（2）和（3）式，则：S=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400 (bps)B=1/T=1/(833x10-6)=1200 (Baud),2.信道容量信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位为位/秒(bps)。信 道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大
5、限速与汽车实际速度的关系一样。信息容量可以有离散信道容量和连续信道容量，其计算公式如下所示： （1）离散的信道容量是指奈奎斯特(Nyquist)无噪声下的码元速率极限值B与信道带宽H的关系：B=2*H (Baud) (2-5)奈奎斯特公式-无噪信道传输能力公式：C=2*H*log2N(bps) (2-6)式中 H为信道的带宽，即信道传输上、下限频率的差值，单位为Hz；N为一个码元所取的离散值个数。如：普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值B=2*H=2*3k=6kBaud ；若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率C=2*3k*log216=24kbps。,(2)连续的信道容量 香
6、农公式-带噪信道容量公式： C=H*log2(1+S/N) (bps) (2-7) 式中 S为信号功率，N为噪声功率，S/N为信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)分 贝(dB)。 如：已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。 10lg(S/N)=30 S/N=1030/10=1000 C=3klog2(1+1000)30k bps 3.误码率 误码率是指二进制数据位传输时出错的概率。它是衡量数据通信系统在正常工作情况下 的传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。其计算机误码率公式：Pe=
7、Ne/N (2-8) 式中 Ne为其中出错的位数；N 为传输的数据总数。,2.2数据传输 2.2.1 数据传输的方式数据传输的方式是指数据在信道中是如何传输的。它有两种传输方式：并行通信和串行通信。通常情况下，并行通信用于距离较近的情况，串行通信用于较远的情况。1.并行通信方式: 并行通信传输是指要传输的数据中的多个数据位，同时在两个设备之间传输。如图2.4所示 图2.4并行数据传输,2串行通信方式串行通信方式与并行通信不同，在传输时数据是一位一位地在通信线路上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并/串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收
8、端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。如图2.5所示。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多。图2.5串行数据传输,2.2.2 数据传输的方向根据数据在信道上的传输方向，把数据通信方式分为单工通信、半双工通信和全双工通信，如图2.6所示。（a）单工（b）半双工（c）全双工图2.6单工、半双工和全双工通信,1单工通信使用单工通信，见图2.6（a），数据信号仅可从一个站点传送到另一个站点，即信息流仅沿单方向流动，发送站和接收站是固定的。无线电广播、有线电广播和电视就属于这种单工通信的类型。 2半双工通信使用半双工通信，如图2.6（b）所示。半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一
9、时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换。半双工信道适合于会话式通信，比如公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。半双工由于通信中频繁调换信道方向，所以效率低，但可节省传输线路。,3全双工通信使用全双工通信，如图2.6（c）所示，在同一时刻能在两站间双向传输数据信息，它相当于把两相相反方向的单工通信信道组合在一起，因此全双工通信一般采用四线制。全双工和半双工比较，全双工效率高，但它的结构复杂，成本也比较高。 2.2.3 数据同步技术在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方要交换数据，需要有高度
10、的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同，这就是同步问题。同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一，也是需要解决的一个重要问题。同步不好会导致通信质量下降直至不能正常工作。通常使用的同步技术有两种：异步方式和同步方式。,1异步方式在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始位
11、和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步作用。如图2.7所示。图2.7异步方式,2同步方式同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。如图2.8所示。图2.8同步方式,2.2.4 基带传输、频带传输和宽带传输1基带传输 计算机等数字设备中，
12、二进制数字序列最方便的电信号形式为方波，即1或0分别用高（或低）电平或低（或高）电平表示，人们把方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号。在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输。 2频带传输 所谓频带传输是指将数字信号调制成模拟音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输方式。 3宽带传输 宽带传输在不同的时期含义略有不同。早期是指利用宽带同轴电缆在0300MHz的频带上传输信息的技术。使用时通常将这样宽的频带划分为若干个子频带，分别用这些子频带来传送音频信号、视频信号以及数字信号。现在常指传输速率大于1Mbps的广域网接入技术，例如ADSL、DDN等。,
13、2.3数据编码技术在数据通信中，要将数据从一个节点传送到另一个节点，必须要将其转换为信号。将数据转换为信号的过程实际上就是数据编码。本节主要讨论数字数据编码和调制。 2.3.1 数字数据的数字信号编码利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称为数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 。1不归零编码（Non-Return to Zero，NRZ）NRZ编码规定可用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。2曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一，其特点是
14、每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”；,3差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。上面三种数字数据的编码方法如图2.9。图2.9数字信号的编码,2.3.2 数字数据的调制传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300Hz3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据
15、。为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号，也就是要对数字数据进行调制。图2.10为利用调制解调通信的示意图。图2.10 利用调制解调通信的示意图对数字数据调制的基本方法有三种：移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。 如图2.11所示。,图2.11 数字调制的三种基本形式,24多路复用技术多路复用一般形式有：频分多路复用（FCM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）和码分多路复用（CDM）。2.4.1 频分多路复用 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号
16、带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。如图2.12（a）。图2.12(a)频分多路复用,2.4.2 时分多路复用 若介质能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可采用时分多路复用 TDM技术，即将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。如图2.12（b）。时分多路复用 TDM不仅仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。图2.12(b)时分多路复用,2.4.3 波分多路复用波分多路复用（WDM）中一种光纤传送技术。它在一
17、定的带宽上将输入的光信号调制在特定的频率上，然后将调制后的信号复用在一根光纤上，完成此调制的关键是波长复用器的应用。复用后的信号经传送后到达连接的远端，再经过分离或解复用出不同的波长，然后由不同的检测器将各自的光信号转换成电信号，或者直接获取各自的波长信号，并且将他们连接到其他的WDM线中上，如图2.13所示。图2.13 波分多路服用WDM原理,光纤通信中亦有频分多路复用，称为光频分多复用（OFDM），如图2.14所示。图2.14 OFDM多路复用2.4.4 码分多路复用根据码型结构的不同来实现信号分割的多路复用称为码分多路复用（CDM）或码分多址复用（CDMA）。 CDMA具有抗干扰能力强、
18、保密性好、灵活机动等特点。为了实现CDMA，必须要解决三个关键的技术问题：,（1）要达到复用的目的就要有足够多的地址码，而这些地址码又要有良好的自相关的特性和互相关的特性。地址码产生技术是CDMA的基础。 （2）在系统的接收端产生的本地地址码（简称本地码）不但在码型的结构上应与对方发来的地址码一致，而且在相位上也要完全同步，只有用这种完全同步的本地码对收到的信号进地相前的检测，才能正确的地提取能用的信号。地址码同步技术是CDMA最主要的环节。 （3）系统内所有用户使用的同一频率的载波，各用户可以同时发送或接收信号。为了把各用户这间的相互干扰降到最低限度，并且使各个用户的信号占用相同的带宽，CD
19、MA必须与扩展频谱（简称扩频）技术相结合。 最常见的CDMA通信系统有两种：（1）直接序列（Direct Sequence），简称DS-CDMA（2）跳频（Frequency Hopping），简称FH-CDMA,图2.15所示是采用直接扩频CDMA的卫星通信系统的例子。图2.15 直接扩频CDMA卫星通信系统,2.5数据交换技术由于通信技术和计算机网络技术的飞速发展，程控交换机、以太网交换机的出现，使数据交换技术发生了很大的变化，比早期的电话交换无论是效率还是在速度上都有了质的提高。本节将主要介绍电路交换、报文交换和分组交换这三种的数据交换技术。2.5.1 电路交换电路交换就是由交换机负责在
20、两个通信站点之间建立一条物理专用线路。利用电路交换进行通信，包括建立电路、传输数据和电路拆除3个阶段。1. 建立电路在传输数据之前，必须建立一条点到点的电路。如图2.16所示的网络，站点A向节点1发出请求，要求与B站通信。由于站点A到节点1以及站点B到节点6均只有专用线路，所以节点1必须接通一条到节点6的电路，节点1到节点6的电路可以有多种选择，如126，1436等等。假设根据路由选择规划可选择电路1436，这样就建立了从A到B的电路：A1436B。,图2.16电路交换 3电路拆除数据传输完毕，就是终止电路连接。通常是由两个站中的一个站来完成这一动作。拆除信号必须传送到电路所经过的各个节点，以
21、便重新分配资源。电路交换具有下列特点：,( 1 )呼叫建立时间长且存在呼损，在电路建立阶段，在两站间建立一条专用通路需要花费一段时间，这段时间称为呼叫建立时间。在电路建立过程中，由于交换网繁忙等原因而使建立失败，用户需要不断地挂断重拨，这称为呼损。 （2）电路连通后提供给用户的是“透明通路”，即交换网对用户信息的编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不加以限制，但对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式、传输控制等一致时，才能完成通信。 （3）一旦电路建立后，数据以固定的数据率传输，除通过传输链路的传输延迟以外，没有别的延迟，在每个节点的延迟是可以忽略的，这较适用于实时大批量
22、连接的数据传输。 （4）线路（信道）利用率低，电路建立，进行数据传输，直至通信链路拆除为止，信道是专用的，再加上通信建立时间、拆除时间和呼损，其利用率较低。,2.5.2 报文交换计算机网络中经常要传送非即时性的数字数据，对于这样的实时性要求不高的数据信息，中转节点可先把收到的信息存储起来，等待信道空闲时再把信息转发给下一节点，这样经过多个中转（间）节点的存储转发，最后到达目标节点。这种交换方式就称为存储交换或存储转发（Store and Forward）。存储交换如图2.17所示 图2.17 存储交换报文交换是以报文为单位进行存储交换的技术。所谓报文，就是需要发送的整个数据块，如一个数据文件、
23、一篇新闻稿件等，而不是数据的一部分。,每个报文都包括三个部分：报头、正文和报尾。报文中有报文号、源地址的和目的地址，中间节点根据目的地址为报文进行路由选择，正文就是要发送的数据块，报尾包含报文的校验信息，用来进行差错检查和纠错。 报文交换的优点是： （1）与电路交换相比，报文交换不要求交换网络为通信方预先建立一个传输通道，因此不存在建立连接和拆除连接的过程，也就没有建立和拆除连接所需的等待时间。 （2）线路利用率高，通信过程中不必要独占线路资源，不同的报文可共享节点间的同一条线路。 （3）传输可靠性高，表现在两个方面：一是能够对报文进行差错检查，若有错，可以让发送方重新发送；二是如果中间节点发
24、现某条线路有故障，它可以选择其他转发路径。 （4）与下面要介绍的分组交换相比，控制简单，并且没有报文的拆分和装配问题，易于实现。报文交换的缺点是： （1）节点存储转发的时延较大，并且有时延抖动现象（时延时报文长度和转发路径有关）。,（2）实际应用中报文的大小变化很大，这就为存储报文和缓冲器的分配带来困难。 （3）对于长报文，一旦出错就需要从头全部重发，因此会影响传输效率，并且带来更大的时延。 由于以上缺点，报文交换不适用于实时交互通信（如语音、实时视频等），现在已经基本上不再使用。2.5.3分组交换分组交换方式是把要传输的报文分成若干个小的数据块，称为分组（Packet），然后以分组为单位按照
25、与报文交换同样的方法进行传输。分组头部中包含了分组编号，当各分组都达到目的节点后，目的节点按分组编号重组报文。分组交换有两类：数据报（Datagram）方式和虚电路（Virtual Circuit）方式。1. 数据报方式,数据报方式中，交换网络对各分组独立进行处理，而不考虑它与同一报文中其他分组的关系。目的站点需要对到达的分组编号重新排序和组装。图2.18给出了数据报方式传输的示意图。图2.18 分组通过多个路径穿越网络,图2.19中，主机A按顺序发出分组1和分组2，但是分组2却由于路径较短而先于分组1到达主机B。 图2.19数据报方式不能保证分组按序达到2. 虚电路方式虚电路方式就是两个端用
26、户相互通信前必须建立一条逻辑连接，即虚电路。这条虚电路可以事先建立，也可以临时建立。,虚电路方式中，仅在请求建立虚电路的控制分组中需要指明目的站点的地址，而在数据传输时只要在数据分组中指明经过哪条虚电路传输即可。虚电路方式可以看成是结合了电路交换技术的分组交换。 虚电路的实现方法是，在建立虚电路时，虚电路路径上的所有交换机都会在内部路由表中登记该虚电路的编号和转发路径，将预留一些资源。交换机收到分组时，就会根据分组中的虚电路号查找路由表，决定转发路径并执行存储转发操作。可以看出，虚电路实际上由网络中相互连接的一些交换机中的表项来定义的，如图2.20所示。图2.20分组通过预先建立好的虚电路穿越
27、网络,虚电路有两种类型：永久虚电路PVC（Permanent Virtual Circuit）和交换虚电路SVC（Switched Virtual Circuit）。PVC是由电信服务提供商为用户预先建立的半永久的虚电路。一旦建立，即可长期存在，直到用户申请撤销为止。SVC则类似于电话呼叫，需要时建立，用完后撤销。何时建立以及何时撤销均由用户自己决定。一般来说，需要长期频繁交换信息的站点之间应该使用PVC，而间歇性的应用以及高度网状连接的网络应该使用SVC。虚电路方式的优点是能保证分组按序、按时到达以及保护分组不丢失，即它能够提供通信服务质量的保证。2.6 传输介质传输介质是指在计算机网络中用
28、于连接计算机、交换机和路由器等网络设备的物理媒体。传输介质包括有线传输介质和无线传输介质两大类。常用的有线传输介质有：同轴电缆、双绞线和和光纤等；而无线传输介质主要有：无线电波、红外线和激光等。,2.6.1 有线传输介质1同轴电缆 同轴电缆中央是一根比较硬的铜导线或多股导线，外面是一层绝缘材料包裹，这一层绝缘材料又被第二层导体所包住，第二层导体可以是网状的导体（有时是导电的铝箔），主要用来屏蔽电磁干扰，最外面由坚硬的绝缘塑料包住(一般是白色的PVC护套)，如图2.21所示。图2.21 同轴电缆 同轴电缆通常使用的有50和75两种类型。,2双绞线双绞线（TP，Twisted Pair）是目前使用
29、最广泛、价格最低廉的一种有线传输介质。它由若干对两两绞在一起的相互绝缘的铜导线组成，导线的真径为1mm（在0.41.4mm之间）。采用两两相绞的绞线技术可以抵消邻线对之间的电磁干扰和减小近端串扰。双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据传输速率与电缆的长度有关。距离短时，数据传输速率可以高一些。典型的数据传输速率为10Mbps、100Mbps，也可高达1000Mbps。双绞线电缆一般由多对双绞线外包缠护套组成，其护套称为电缆护套。电缆的对数可分为4对双绞电缆、大对数双绞线电缆（包括25对、50对、100对等）。4对UTP电缆的4对线具有不同的颜色标记，这4种颜
30、色是蓝色、橙色、绿色、棕色。 双绞线按照是否有屏蔽层又可以分为非屏蔽双绞线（UTP，如果2.22所示）和屏蔽的双绞线（STP，如图2.23所示）。STP由于采用了良好的屏蔽层，所以抗干扰性较好，但由于价格较贵，因此在实际组网中用得不是很多。,图2.22 屏蔽双绞线 图2.23 非屏蔽双绞线到目前为止，EIA/TLA已颁布了6类（Category，简写为Cat）线缆的标准。,Cat1：适用于电话和低速率数据通信。 Cat2：适和于ISDN及T1/E1，支持16MHz的数据通信。 Cat3：适用于10Base-T或100Mbps的100Base-T4，支持20 MHz的数据通信。 Cat5：适用于
31、100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持100 MHz的数据通信。 Cat5e：既适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持100 MHz的数据通信；又适用于1000Mbps的1000Base-TX，支持1000 MHz的数据通信。 Cat6：适用于1000Mbps的1000Base-TX支持1000 MHz的数据通信。6类双绞线电缆为减小线对之间的串扰，通常在线对间采用了圆形、片形、十字星形、十字骨架等填充物。十字星形填充的又绞线对称电缆构造是电缆中建一个十字交叉中心，把4个线对分成不同的信号区，这样就可以提高电缆的抗近端串扰性能，减小在安
32、装过程中由于电缆连接和弯曲引起的电缆物理上的失真，十字骨架的构造在保证前后位置精准方面进行了更多的改进。双绞线电缆连接硬件包括电缆配线架、信息插座和接插和接插软线等。它们用于端接或真接连接续电缆，使电缆和连接件组成一个完整的信息传输通道。常用的RJ45（俗称水晶头）和信息模块，如图2.24所示。,图2.24 水晶头和信息模块使用双绞线作为传输介质的优越性在于其技术标准非常成熟，价格底廉，而且安装也相对容易；其缺点是双绞线对电磁干扰比较敏感，并且容易被窃听。双绞线目前主要用于室内。3. 光纤（1）光纤的组成纤由光纤芯、包层和涂覆层三部分组成。,最里面的是光纤芯，包层将光纤芯围裹起来，使光纤芯与外
33、界隔离，以防止与其他相邻的光导纤维相互干扰。包层的外面涂覆一层很薄的涂覆层，涂覆村料为硅酮树酯或聚氨基甲酸乙酯，涂覆层的外面套塑（或称二次涂覆），套塑的原料大都采用尼龙、聚乙烯或聚丙烯等塑料，从而构成光纤纤芯，如图2.25所示。图2.25 光纤示意图,光纤芯，是光的传导部分，而包层的作用是将光封闭在光纤芯内，光纤芯和包层的成分都是玻璃，光纤芯的折射率高，包层的折射率低，这样可以把光封闭在光纤芯内。如图2.26所示。图2.26 光纤中光的传输涂覆层是光纤的第一层保护，它的目的就是保护光纤的机械强度，光纤涂覆层在光纤受到外界震动时保护光纤的光学性能和物理性能，同时还可以隔离外界水汽的侵蚀。光纤涂覆
34、层在光纤受到外界震动时保护光纤的光学性能和物理性能，同时还可以隔离外界水汽的侵蚀。,光纤加强元件是为保护光纤的机械强度和刚性，光纤能常包含一个或几个加强元件。在光纤被牵引的时候，加强元件使得光纤有一定的抗拉强度，同时还对光纤有一定的支持保护作用。光纤加强元件有芳纶砂、钢丝和纤维玻璃棒等3种。光纤护套是光纤的外围部件，它是非金属元件，作用是将其他的光纤部件加固在一起，保护光纤和其他的光纤部件免受损害。光纤既不受电磁干扰，也不受无线电的干扰，由于可以防止内外的噪声，所以光纤中的信号可以比其他的有线传输介质传得更远。由于光纤本身只能传输光信号，为了使光纤传输电信号，光纤两端必须配有光发射机和光接收机
35、，光发射机完成从电信号到光信号的转换，光接收机则完成从光信号到电信号的转换。光电转换通常采用载波调制方式，光纤中传输的是经过调制的光信号。,光纤的主要优点是支持极高的频带宽度，数据传输速率高（大于100Mbps），衰减极低，传输距离远，且抗干扰能力和保密性能强，但是光纤的线缆成本高并且连接比较复杂，光纤目前主要用于长距离的数据传输和网络的主干线，或被用于有危险的、高压的或容易泄露信号的恶务环境。但随着光纤的价格不断隆低，其使用范围也越来越广。(2) 光纤的分类 根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤和单模光纤两种 单模光纤的芯线直径一般为向个光波的波长，当激光束进入芯线中的角度差别很小时
36、，能以单一的模式无反射地沿轴向传播。单模光纤的传输率较高，但比多模光纤更难制造。通常在室内采用多光模光纤，而在室外采用单模光纤。,多模光纤允许在同一个纤芯里面同时传送多种模式（路径）的光。根据入射角度的不同，各种模式的光在光纤中实际经过的距离可能不同。入射角的问题会使得不同模式的光到达目的地（线缆接收端）的时间略有差异这种现象称为模式色散。多模光纤采用一种特殊的玻璃，称为渐变折射率玻璃，其朝纤芯外缘方向的折射率更小。这种玻璃使得光在通过纤芯中心速度放慢，通过纤芯中心以外的区域时速度加快，这就保证了所有模式的光能几乎同时到达终点。采用这种设计是因为，从光纤中心部分通过的光线相比在光纤内不断反射传
37、递的光线，所经过的路径更短。所有的光线应该同时到达光纤末端。这样，光纤接收端的接收器就能收到一个强闪的光，而不是一个很长很模糊的脉冲。红外发光二级管（LED）与直腔面发射激光器（VCSEL）通常用作多模光纤的光源。相比激光，发光二极管的造价便宜一些，需要注意的安全问题也更少。但是，发光二极管所发射的光在光纤中传输的距离没有激光长。多模光纤（62.5/125）传输数据的距离最远可以到达2000m(6560英尺)。多模光纤主要应用在局域网中，也包括了骨干的布线。单模光纤几乎没有空间供光线进行来回反射。而且，单模光纤还使用非常汇聚的红外激光作为光源。激光光源所产生的光纤以90度进入纤芯。因此，单模光
38、纤中，承载数据的光线脉冲基本上是沿直线在纤芯中传播，这大大的提高了数据传送的速度和距离。,基于这种设计，单模光纤相比多模光纤，传送数据的速率（带宽）更高，距离更远。单模光纤可以将局域网数据传递3000m的距离。多模光纤最多只能传送2000m。激光和单模光纤比发光二极管和多模光纤更贵。由于这些特性，单模光纤通常用作骨干网或建筑物之间的连接或广域网连接。 （3）光纤通信结构模式目前在局域网中实现的光纤通信是一种光电混合式的通信结构。通信中的电信号与光纤中传输的光信号之间要进行光电转换，光电转换通过光电转换器完成，如图3.27所示。图2.27光纤通信中光电转换的结构图,在光电转换的过程中其物理层实现
39、通过光纤连接器和光纤连接设备完成的光纤连接部件主要有配线架、端接架、接线盒、光纤信息插座、各种连接器（如ST、SC、FC等）以及用于光纤与电缆转换的器件。它们的作用是实现光纤线路的端接、续接和光纤传输系统的管理，从而形成光纤传输的系统通道。常用的光纤连接器如图2.28所示。,(a) FC光纤连接器,(b) SC光纤连接器,(c) VF-45 连接器,图2.28 光纤模块和光纤连接器,光纤连接的设备目前主要有光纤收发器、光接口网卡和光纤模块交换机含光纤模块等。光纤收发器是一种光电转换设备，主要用与楼宇之间带RJ-45的交换机与光纤连接之间的转换，如图2.29所示为一款光纤收发器。,图2.29光纤
40、收发器,光纤接口网卡主要用于服务器需要与交换机之间进行高速的光纤连接。带光纤接口的交换机主要用于对连接速率与连接距离的有需求的地方。有些交换机为了适应单模和多模光纤的连接，使用了光纤模块。根据不同网络环境的需求，选用不同的光纤模块，将光纤模块插入交换机的扩展插槽中。图2.30为CISCO公司的一款GBIC模块。,图2.30 光纤模块,2.6.2 无线传输介质无线传输是指可以在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信的传输媒体。地球上的大气层为大部分无线传输提供了物理通道，就是常说的无线传输介质。无线传输所使用的频段很广。人们现在已经利用了好几个波段进行通信，紫外线和更高的波段目前还不能用于通信
41、。无线通信的方法有微波、激光和红外线通信。1.微波通信 微波数据通信有两种形式：地面系统和卫星系统。 2、激光通信激光通信的优点是带宽更高、方向性好、保密性能好等。激光通信多用于短距离的传输。激光通信的缺点是其传输效率受天气影响较大。3、红外线通信红外线通信不受电磁干扰和射频干扰的影响。红外无线传输建立在红外线光的基础上，采用光发射二极管、激光二极管或光电二极管来进行站点与站点之间的数据交换。红外无线传输可以进行点到点通信，也进行广播式通信。但这种传输技术要求通信结点之间必须在直线视距之内，不能穿越墙，红外线传输技术数据传输率相对较低，在面向一个方向通信时，数据传输率为16Mbps。如果选择数
42、据向各个方向传输时，速度将不能超过1 Mbps。,2.7 差错控制人们总是希望在通信线路中能够准确无误地传输数据，但由于来自信道内外的干扰与噪声，数据在传输与接收的过程中，难免会发生错误。如何及时自动检测差错并进一步校正，这是数据通信系统需要解决的问题。 2.7.1 差错产生的原因与差错类型 传输差错是指通过通信信道后接收数据与发送数据不一致的现象。当数据从信源出发，由于信道总是有一定的噪声存在，因此在到达信宿时，接收信号是信号与噪声的叠加。在接 收端，接收电路在取样时判断信号电平，如果噪声对信号叠加的结果在最后电平判决时出 现错误，就会引起传输数据的错误。 信道噪声分为热噪声与冲击噪声两类。
43、热噪声由传输介质导体的电子热运动产生。热噪 声的特点是：,热噪 声的特点是 :时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机噪声。冲击 噪声由外界电磁干扰引起，与热噪声相比，冲击噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。冲击噪声持续时间与数据传输中每比特的发送时间相比，可能较长，因而冲击噪声引起相邻的多个数据位出错，所引起的传输差错为突发差错。通信过程中产生的传输差错由随机差错与突发差错共同构成。 2.7.2差错检验与校正1. 奇偶校验奇偶校验也叫垂直冗余校验（VRC）,它是以字符为单位的校验方法。一个字符由8位组成，低7位是信息字符的ASCII码，最高位叫奇偶校验位。该位中放“1”
44、 或放“0”是按照这样的原则：使整个编码中“1”的个数成为奇数或偶数，如果整个编码中,“1” 的个数为奇数则叫“奇校验”；“1” 的个数为偶数则叫“偶校验”。校验的原理是：如果采用奇校验，发送端发送一个字符编码（含校验位共8位），在这个字符编码中“1”的个数一定为奇数个，在接收端对8个二进位中的“1”的个数进行统计，若统计“1”的个数为偶数个，则意味着传输过程中有1位(或奇数位)发生差错。事实上，在传输中偶然1位出错的机会最多，故奇偶校验法经常采用，但这种方法只能检查出错误而不能纠正错误。,2. 方块校验（水平垂直冗余校验LRC） 这种方法是在VRC校验的基础上，在一批字符传送之后，另外增加一
45、个称为“方块校验字符”的检验字符，方块校验字符的编码方式是使所传输字符代码的每一纵向位代码中的 “1”的个数成为奇数（或偶数）。例如：欲传送6个字符代码及其奇偶校验位和方块校验字符如下，其中均采用奇校验：奇偶校验位 字符1 1001100 0 字符2 1000010 1 字符3 1010010 0 字符4 1001000 1 字符5 1010000 1 字符6 1000001 1 方块校验字符（LRC） 1111010 0采用这种校验方法，如果有二进位传输出错，不仅从一行中的VRC校验中反映出来，同时也在纵列LRC校验中得到反映，有较强的检错能力。不但能发现所有一位、二位或三位的错误，而且可以
46、自动纠正差错，使误码率降低24个数量级，广泛用于通信和某些计算机外部设备中。,3. 循环冗余校验CRC（Cycle Redundancy Check）这是一种较为复杂的校验方法，它不产生奇偶校验码，而是将整个数据块当成一个连续的二进制数据。从代数的角度可看成是一个报文码多项式。在发送时将报文码多项式用另一个多项式来除，这后一个多项式叫做生成多项式，国际电报电话咨询委员会推荐的生成多项式（CRC-CCITT）为。在报文发送时，将相除结果的余数作为校验码附在报文之后发送出去（校验位有16位）。接收时先对传送过来的码字用同一个生成多项式去除，若能除尽即余数为0,说明传输正确；若除不尽说明传输有差错，
47、可要求发送方重新发送一次。采用CRC校验，它们能查出所有的单位错和双位错，以及所有具有奇数位的差错和所有长度小于16位的突发错误，能查出99%以上17位、18位或更长位的突发性错误。其误码率比方块码还可降低13个数量级，故得到了广泛采用。,2.8 实训,2.8.1 实训1：RS232连线实验RS232标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL等公司一起开发并于1969年公布的通信协议。它允许一个发送设备连接到一个接收设备以传送数据，其原始规范的最大传输速率为20000bit/s。但事实上，现在的应用早已超出这个速率范围。直接连接的最大物理距离为15m。它常用于连接一个Modem，或其他拥有R
48、S232接口的设备，也可以直接应用于各种类型计算机之间的简单连接上。1. RS232串口标准由于RS232并未定义连接器的物理特性，因此，目前有DB-25、DB-15和DB-9几种类型的连接器，其引脚的定义各不相同。下面主要介绍目前计算机上常用的DB-9类型的连接器。DB-9提供异步通信的9个信号。其引脚的排列如图2.30所示，各引脚的说明如表2-1所示。,图2.30 DB-9连接器示意图,表2-1 DB-9的常用信号脚说明,RS232串行口信号分为3类：传送信号、联络信号和信号地。 传送信号（TXD和RXD）：经由TXD传送和RXD接收的信息格式。一个传送单位由起始位、数据位、奇偶校验位和停
49、止位组成。 联终信号有以下几种： RTS：计算机向Modem发出的联络信号。ON表示计算机请求向Modem传送数据。 CTS：Modem向计算机发出的联络信号。ON表示Modem响应计算机发出的RTS信号，具准备向远端Modem发送数据。 DTR：计算机向Modem发出的联终信号。ON表示计算机处于就绪状态，本地Modem和过远端Modem之间可以建立通信信道；若为OFF，则强迫Modem终止通信。 DSR：Modem向计算机发出的联络信号。它指出本地Modem的工作状态，ON表示Modem没有处于测试通话状态，可以和远端Modem建立通道。 DCD：Modem向计算机发出的状态信号。ON表示本地DCE接收到远端Modem发来的载波信号。 BELL：Modem向计算机发出的状态信号。ON表示本地Modem收到远端Modem发来的振铃信号。 信号地（GND）：为相连的计算机和Modem提供同一电势参考点。,
