1、计算机网络基础,第 2 讲,第2章 数据通信基础,了解数据通信中的基本概念。 掌握数据通信中信号的表示方法。 了解信号传输介质的种类和特点。 掌握主要数据传输设备的类型和用途。,目标要求,第2章 数据通信基础,数据通信基本原理 数据通信传输介质 数据传输设备 小结,讲课提纲,第2章 数据通信基础,2.1.1数据通信的基本概念 信息和数据.信息描述的是客观物质的存在形式，如物质的大小、结构等；也描述物质的运动状态 .注意：数据是描述客观事物属性的规范化的符号集合。在计算机中，数据以存储器作为载体。简单来讲，数据涉及事物的形式，而信息涉及那些数据的内容或解释。 码元对于网络中传送的二进制数字中每一
2、位的通称，也常称作“位”或bit。 信号信号是数据的表现形式。 模拟信号：模拟信号是一种连续变化的信号。 数字信号：数字信号是离散不连续的信号(图示见下页),2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1数据通信基本原理,0,t,模拟信号,0 1 0 1 1 0,0,t,数字信号,第2章 数据通信基础,2.1.1数据通信的基本概念 数据通信 概念：数据通信是用通信链路（有线或无线）将通信设备连接起来进行数据的传输。 优点:抗干扰能力强，可实现高质量地远距离传输；能适应各种传输业务；能实现高保密传输；传输设备集成化和微型化。 缺点：占用信道的带宽大。 信息量：事件不确定性的度量。 信道:一
3、般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。 物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中两个结点之间的物理通路称为通信链路，物理信道由传输介质及有关设备组成。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.1数据通信的基本概念 逻辑信道也是一种通路，但在信号收、发点之间并不存在一条物理上的传输介质，而是在物理信道基础上，由结点内部来实现。 信道可以传送各种信号，传送模拟信号的信道称为模拟信道 。 传送数字信号的信道称为数字信道。 信道容量单位时间内信道能传送的最大信息量称为信道的容量。模拟信道通常用带宽来表示其传输能力，例如电话通信的带宽为3003400Hz，即3100Hz。数字信
4、道常用容量（最大传输率）来表示其传输能力，例如传统以太网的容量（最大传输率）为10Mb/s。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.1数据通信的基本概念 信息论中的香农定理解决了用模拟信道传送数字信号的最大传输率问题： C=W log 2（1 + S/N） 式中： C信道的极限传输率（b/s）。 W信道的带宽（Hz）。 S信道上所传信号的平均功率。 N信道内部的噪声功率。 S/N称为信号的信噪比，单位为dB（分贝）。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.2信号的表示方法 数字信号的编码用高低电平的不同组合来表示二进制数码的方法。常用的数字信号编码有以下几种方法
5、，如图2-2所示。描述的是客观物质的存在形式，如物质的大小、结构等；也描述物质的运动状态 . 不归零（NRZ）编码：用高电平表示“1”，低电平表示“0”（高低电平的电压值自由确定）。如果连续出现“1”则保持高电平，不归零；连续出现“0”则保持低电平，也不归零。不归零编码有利于提高信道的利用率，但连续的1或连续的0之间难以分界，使收发双方不便于保持同步。 曼彻斯特（Manchester）编码：在每一位的中间电压跳变一次，“1”在起始时是高电平，然后变为低电平；“0”则是由低电平变为高电平。曼彻斯特编码的好处是每位中间电压都发生跳变，便于提取同步信号，保持收发双方同步。,2.1数据通信基本原理,第
6、2章 数据通信基础,2.1.2信号的表示方法 差分曼彻斯特编码：它是曼彻斯特编码的一种变种，其编码规则是，如果在某一位的起始，电压与前一位相同，无跳变则表示“1”；某位起始处电压与前一位不同，发生跳变则表示“0”。在每一位中间电压都跳变一次，用于提取同步信号。,2.1数据通信基本原理,图2-2,第2章 数据通信基础,2.1.2信号的表示方法 数字信号的模拟调制为了在模拟信道上传送数字信号，需要将模拟信号进行变化，使其包含数字信号的信息，在接收端再将这些数字信息还原出来。在发送端将数字信号转换为模拟信号称为调制，在接收端将模拟信号还原成数字信号称为解调。由于通信通常都是双向的，既有发送也有接收，
7、所以我们常常将调制和解调功能合在一起，这种设备就称为调制解调器（Modem）。数字信号的模拟调制方法有以下几种，如图2-3所示。 调幅（AM）也称为幅移键控（ASK），即载波的振幅随数字信号而变化。例如，0对应于无载波输出，而1对应于有载波输出。 调频（FM）也称为频移键控（FSK），即载波的频率随数字信号而变化。例如，0对应于频率f1，而1对应于f2。 调相（PM）也称为相移键控（PSK），即载波的初始相位随数字信号而变化。例如，0对应于0，而1对应于180。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.2信号的表示方法,2.1数据通信基本原理,图2-3,第2章 数据通信基础,2.
8、1.2信号的表示方法 模拟信号的数字编码数字信号具有失真小、误码率低、传输速率高等优点，所以将模拟信号进行数字化处理，可以大大提高信号的传输质量。模拟信号的数字编码包括取样、量化和编码3个步骤，如图2-4所示。 取样：每隔一定时间，利用取样脉冲抽取模拟信号f（t）的幅值，获得一系列取样值。根据取样定理，只要取样频率不低于模拟信号最高频率的2倍，就可以从取样信号无失真地恢复出原来的模拟信号。 量化：将每个取样值量化为整数值，得到一系列整数值序列。例如，2、8、3、5、4、6、4。 编码：把每个整数值用二进制编码来表示，整数值序列就转换成了二进制序列。例如上述的整数序列用4位二进制码表示就是001
9、0、1000、0011、0101、0100、0110、0100。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1数据通信基本原理,2.1.2信号的表示方法,图2-4,2.1.3数据的传输 数据的传输方式 基带传输：基带传输就是将数字信号1或0直接用两种不同的电平来表示（如不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等），然后送到线路上去传输。 频带传输：在实际系统中，通常在发送端将基带信号进行模拟调制，然后形成频分复用模拟信号，再利用模拟信道进行传输。这种利用模拟信道传送数字信号的方法就称为频带传输，如图2-5所示。频带传输的特点是线路的利用率高，信号衰减小，适用于远距离的数据通信。,第2
10、章 数据通信基础,2.1数据通信基本原理,图2-5,第2章 数据通信基础,2.1. 3数据的传输 宽带传输：当频带传输的信号频率在300400MHz左右时，将其称为宽带传输。系统设计时将此频带分割成几个子频带，采用“多路复用技术”，在一个信道中间同时传播声音、图像和数据多种信息，使系统具有多种用途。串行传输与并行传输 串行传输指一位一位地传送数据，从发送端到接收端只要一根传输线即可。优点是节省设备，降低费用；缺点是传输速度慢，网络中多采用这种传输方式。 并行传输是指一次可以传送一个或多个字节，发送端到接收端采用多线制。 注意：目前，计算机内部操作多用并行传输，当采用串行传输时，发送端通过并/串
11、转换设备将并行数据流变为串行数据流，在接收端又通过串/并转换设备，还原为多位并行数据。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.3数据的传输 数据传输的方向 单工通信：即数据只能按1个固定方向传输而没有反方向的交互，如无线电广播以及电视广播。 半双工通信：即通信的双方都可以发送和接收数据，但双方不能同时发送（也不能同时接收）。如无线电台、对讲机等。 全双工通信：即通信双方可以同时发送和接收数据。,2.1数据通信基本原理,如图2-6所示,第2章 数据通信基础,2.1数据通信基本原理,图2-6,第2章 数据通信基础,2.1.4数据交换技术由终端节点、中间节点和通信线路一起构成了通信网
12、络。中间节点转发数据的方式就称为数据交换。 电路交换技术电路交换也称为线路交换。从通信资源的分配方式来看，电路交换是预先分配传输线路，典型的电路交换就是电话交换系统。 报文交换技术在报文交换中，数据以报文为单位。报文的长度不定，格式也可以不同，但每份报文除开正文外，还必须要附加报头数据，用于指出报文的起始位置、源节点地址、目的节点地址等信息。 分组交换技术分组交换也采用存储转发技术，它是对报文交换技术的改进。在分组交换网中，将用户的数据划分成一个个分组（packet），而且分组的大小有严格的上限，这样就使得分组可以被缓存在交换设备的内存而不是磁盘中。分组交换的吞吐率较高，非常适合于交互式通信。
13、,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.4数据交换技术 电路交换、报文交换和分组交换3者的比较如图2-7所示。,2.1数据通信基本原理,图2-7,第2章 数据通信基础,2.1.4数据交换技术。 高速交换技术在这里主要介绍信元交换技术。信元交换是一种高速分组交换方式。信元是一种极短的固定长度的数据分组，每个信元包括信头和信息域。信头包括信元标识等信息，用来指示信息传输路径；信息域则是用户数据。 电路交换和分组交换的比较 在带宽分配上，电路交换技术静态预留带宽（物理线路）；而分组交换技术动态申请和释放带宽（虚电路)。 在透明性方面，电路交换是完全透明的。发送方和接收方可以使用任何速
14、率（当然是在物理线路支持的范围内）、帧格式来进行数据通信；而在分组交换中，发送方和接收方按一定的数据速率和帧格式进行通信。 在计费方式上，电路交换中，通信费用取决于通话时间和距离，而与通话量无关；而在分组交换中，通信费用主要按通信流量（如通信双方发送的字节总数）来计算，适当考虑通话时间和距离。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.5通信模型 经过抽象简化后的通信模型如图2-8所示。,2.1数据通信基本原理,图2-8,下面简要介绍模型的构成： 消息源：就是信息的产生者。由消息源产生的信息叫做消息。如写信人的大脑就是消息源，写在信纸上的字就是消息。 发射机：就是把消息变成适合于信
15、道传输的信号的装置。消息经发射机变化后就得到发送信号。,第2章 数据通信基础,2.1.5通信模型信道：是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。信号在信道中传送时，常会受到各种干扰信号的影响，这些干扰信号就称为噪声。 接收机：把信道传来的信号接收下来，还原原来的消息，它进行的是和发射机相反的操作。 接受者：即接收消息的人或物。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.6多路复用技术所谓多路复用就是指在单一传输介质上同时传输多个不同信号。在源端将多个信号合成为一个信号，在目的端再将复合信号还原成单独的多路信号。 频分多路复用频分多路复用（FDM）是将物理信道上的总带宽分成若干个独立的信
16、道（即子信道），分别分配给用户传输数据信息，如图2-9所示。,2.1数据通信基本原理,图2-9 频分多路复用示意图,第2章 数据通信基础,2.1.6多路复用技术 频分多路复用的总带宽是： fnfm+（n1）fb 式中： f传输介质的总带宽。 fm每个子信道的带宽。 fb保护带宽。 n子信道数。频分多路复用适用于传输模拟信号的频分制信道，主要用于电话和有线电视（CATV）系统，在数据通信系统中频分复用应和调制解调技术结合使用，且只在地区用户线上用到。 时分多路复用时分多路复用（TDM）是将一条物理信道按时间分成若干时间片（即时隙），轮流地分配给每个用户，每个时间片由复用的一个用户占用，而不像FD
17、M那样同一时间同时发送多路信号，如图2-10所示。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.6多路复用技术 时分多路复用的总带宽是： fnfm 式中： f传输介质总带宽。 fm每路数据的传输速率。n信号数。,2.1数据通信基本原理,图2-10 时分多路复用示意图,第2章 数据通信基础,2.1.6多路复用技术数据时分复用可分为同步时分复用和统计时分复用。 同步时分复用是指复用器把时隙固定地分配给各个数据终端，通过时隙交织形成多路复用信号，从而把各低速数据终端信号复用成较高速率的数据信号。 统计时分复用也称异步时分复用。统计时分复用中，把时隙动态地分配给各个终端，即当终端的数据要传送
18、时，才会分配到时隙，因此每个用户的数据传输速率可以高于平均传输速率，最高可以达到线路总的传输能力。 码分多路复用码分多路复用（CDM）是为每个用户分配一个地址码，每个地址码的码型互不重叠，以区分各个用户。发送端的基带信号经调制后形成带宽为W1的模拟信号，再以用户的地址码进行扩频调制，扩展带宽形成带宽为W2的扩频信号。在接收端利用相同的地址码进行扩频解调，再用普通解调方法还原出基带信号。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.6多路复用技术 码分多路复用原理如图2-11所示。波分多路复用波分多路复用（WDM）是将光纤介质按波长分为多个波段，各路信号的波长不同，就可以同时在一条光纤
19、中传输多个波长的光载波信号，如图2-12所示。波分多路复用技术主要用于光纤网络，目前广泛使用的是密集波分复用（DWDM）技术。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1.7差错控制技术衡量数据通信系统可靠性的主要指标是差错率。表示差错率的方法常用以下3种：误码率、误字率、误组率。通常使用的是误码率。 误码率是指在传输的比特总数中错误接收的比特数所占的比例，我们可以用字母Pe来表示，即pe=错误接受的比特数/所传输的总比特数 差错的基本应对策略 提高信道质量 使用高质量的信道，即使用具有热噪声小、信号屏蔽能力强等优点的信道。 使用中继器，中继器的作用是每经过一定的传输距离将数据信号重
20、新复制一次。 提高数据信号的健壮性 纠错码，为传输的数据信号增加冗余码，以便能自动纠正传输差错。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1数据通信基本原理,2.1.7差错控制技术 检错码，为传输的数据信号增加冗余码，以便查出哪一位出错。 采用合适的差错控制协议 校验码凡设有校验码的代码，都是由本体码与校验码两部分组成的（如组织机构代码），本体码是表示编码对象的号码，校验码则是附加在本体码后边，用来校验本体码在输入过程中准确性的号码。每一个本体码只能有一个校验码，校验码通过规定的数学关系得到.校验码的校验原理是：系统内部预先设置根据校验方法所导出的校验公式编制成的校验程序，当带有校验
21、码的代码输入系统时，系统利用校验程序对输入的本体码进行运算得出校验结果之后，再将校验结果与输入代码的校验码进行对比来检测输入的正确与否。如果两者一致，则表明代码输入正确，系统允许进入，如果不一致，则表明代码输入有误，系统拒绝进入，并要求代码重新输入. 循环冗余校验码 奇偶校验（Odd-even Check）奇偶校验的校验位取值原则是：若是奇校验，则在编码中连同校验位在内“1”的个数应为奇数个；若是偶校验，则在编码中连同校验位在内“1”的个数共为偶数个。,第2章 数据通信基础,2.1.7差错控制技术 循环冗余码是一种能力相当强的检错、纠错码，并且实现编码和检码的电路比较简单，常用于串行传送（二进
22、制位串沿一条信号线逐位传送）的辅助存储器与主机的数据通信以及计算机网络中。 编码步骤:1.将待编码的n位信息码组Cn-1Cn-2CiC2C1C0表示为一个n-1阶的多项式M(x)M(x)=Cn-1xn-1+Cn-2xn-2+Cixi+C1x1+C0x0例如，二进制序列0 1 0 0 1 1 0 1对应的多项式为：M（x）0x7+1x6+0x5+0x4+1x3+1x2+ 0x1+1x0x6+x3+x2+1 2.将信息码组左移k位，形成M(x)xk，即n+k位的信息码组Cn-1Cn-2CiC2C1C0000000。,2.1数据通信基本原理,K个0,3.用k+1位的信息码组生成多项式G(x)对M(x
23、)xk作模2除，得到1个商Q(x)和一个余数R(x)。显然，有M(x)xk=Q(x)G(x)+R(x),第2章 数据通信基础,2.1.7差错控制技术生成多项式G(x)是预先选定的，关于它稍后再进行介绍，这里先介绍一下模2除。模2运算是指以按位模2加减为基础的四则运算，运算时不考虑进位和借位。模2加减的规则为：两数相同为0，两数相异为1。模2除，就是求用2整除所得到的余数，每求一位商应使部分余数减少1位。取商的原则是：以模2减代替减，当部分余数高位为1且与除数位数相同时，商取1；否则商取0。 例如11010000模2除1001商11001余1,2.1数据通信基本原理,1001 11010000,
24、11001,4.将左移k位的待编码有效信息与余数R(x)作模2加，即形成循环冗余校验码。,第2章 数据通信基础,2.1.7差错控制技术 纠错原理并不是任何一个多项式都可以作为生成多项式。从检错和纠错的要求出发，生成多项式应能满足下列要求： 任何一位发生错误都应使余数不为0。不同位发生错误应使余数不同。对余数继续作模2运算应使余数循环。生成多项式的选择主要靠经验。有3种多项式已经成为标准，具有极高的检错率，即：CRC-12=x12+x11 +x3+x2+x+1CRC-16=x16+x15+x2+1CRC-ITU-T=x16+ x12+x5+1,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.1
25、数据通信基本原理,2.1.7差错控制技术 表2-1为【例2-7】所得到的循环冗余校验码的出错模式,第2章 数据通信基础,2.1.7差错控制技术 纠错原理并不是任何一个多项式都可以作为生成多项式。从检错和纠错的要求出发，生成多项式应能满足下列要求： 任何一位发生错误都应使余数不为0。不同位发生错误应使余数不同。对余数继续作模2运算应使余数循环。生成多项式的选择主要靠经验。有3种多项式已经成为标准，具有极高的检错率，即：CRC-12=x12+x11 +x3+x2+x+1CRC-16=x16+x15+x2+1CRC-ITU-T=x16+ x12+x5+1,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础
26、,2.1.7差错控制技术差错控制策略普遍使用的差错控制方法有： 检错重发法：当接收方检测到出错后，要求发送方重发，直至正确接收为止。在使用检错重发时需要双向信道用于双方的交互。 前向纠错法：接收方不仅能检测出错误，而且能够自行纠错。 反馈检验法：当接收方检测到出错后，将出错报文发回给发送方，发送方将其与原始报文相比较，如发现出错则重发，该方法也需要双向信道。,2.1数据通信基本原理,第2章 数据通信基础,2.2.1双绞线双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根相互绝缘的铜导线按一定扭矩以逆时针方向胶合而成，这样可以降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电磁波会被另一根线上发出的电磁
27、波抵消。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制，但价格较为低廉。目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线。 非屏蔽双绞线电缆具有以下优点： 无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间。 重量轻、易弯曲、易安装。 将串扰减至最小或加以消除。 具有阻燃性。 具有独立性和灵活性，适用于结构化综合布线。,2.2 数据通信传输介质,第2章 数据通信基础,2.2.2同轴电缆 同轴电缆的结构 铜芯：位于电缆中心，是实心的或绞接在一起的导线，它是传输信号电压的实体。 绝缘材料：包裹在铜芯外层，用来隔离铜芯和屏蔽导体。 屏蔽导体：环绕在绝缘材料外的密织的网状导体，一方面连接
28、地线，一方面用于屏蔽电缆外的电磁干扰和减小内部信号的辐射泄漏。 塑料套：保护电缆不受外部损坏给加强电缆强度。 同轴电缆特点有两种广泛使用的同轴电缆。一种是50欧姆电缆，即细缆，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；另一种是75欧姆电缆，即粗缆，用于模拟传输。 主干网电缆：主干线路在直径和衰减方面与其他线路不同，前者通常由有防护层的电缆构成。 次主干网电缆：次主干网电缆的直径比主干网电缆小，当在不同建筑物的层次上使用次主干网电缆时，要采用高增益的分布式放大器，并要考虑电缆与用户出口的接口。 线缆：用于普通线路的连接。,2.2 数据通信传输介质,第2章 数据通信基础,2.2.2同轴电
29、缆 同轴电缆的使用 细缆：将细缆切断，两头装上BNC头，然后接在T型连接器两端。 粗缆：粗缆一般采用一种类似夹板的Tap装置进行安装，它利用Tap上的引导针穿透电缆的绝缘层，直接与导体相连。电缆两端头设有终端器，以削弱信号的反射作用。,2.2 数据通信传输介质,第2章 数据通信基础,2.2.3光纤和光缆 光纤光纤通常由非常透明的石英玻璃拉制而成，由纤芯和包层一起构成双层通信圆柱体。纤芯用来传导光波，包层相对纤芯而言有较低的折射率。根据光的折射定理：当光从高折射率的介质射向低折射率介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大（大于临界角），就会发生全反射，即光线碰到包层就会反射回纤芯。这
30、个过程反复不断，光就沿着光纤传播下去，如图2-14所示。,2.2 数据通信传输介质,第2章 数据通信基础,2.2.3光纤和光缆 多模光纤（MMF）：只要光线到达光纤表面的入射角大于某一个临界角，便会发生全反射现象。因此，可以存在多条不同角度入射的光线同时在一条光纤中传播，这种光纤就称为多模光纤。 单模光纤（SMF）：如果光纤纤芯的直径小到只有一个光的波长大小，光纤就成了一根波导。光线不必经过多次发射进行传输，而是一直向前传输，这种光纤就称为单模光纤。单模光纤的光源要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较便宜的发光二极管。但单模光纤的损耗较小，在2.5Gb/s的高速率下可传输数十千米而不必采用中继
31、器。 光纤是数据传输中最有效的一种传输介质，它有以下几个优点： 传输频带非常宽，因而通信容量大。 电磁绝缘性能好。光纤电缆中传输的是光束，由于光束不受外界电磁干扰与影响，而且本身也不向外辐射信号，因此它适用于长距离的信息传输以及要求高度安全的场合。当然，抽头困难是它固有的难题，因为割断的光纤需要再生和重发信号。 衰减较小。可以说在较长距离和范围内信号是一个常数。,2.2 数据通信传输介质,第2章 数据通信基础,2.2.3光纤和光缆 体积小，重量轻。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。 中继器的间隔较大，因此可以减少整个通道中继器的数目，可降低成本。根据贝尔实验室的测试， 当数据的传输速
32、率为420Mbps且距离为119公里无中继器时，其误码率为10-8，可见其传输质量很好。而同轴电缆和双绞线每隔几千米就需要接一个中继器。 光缆由于光纤非常细，连包层一起，其直径也不超过0.2mm。因此必须将光纤做成很结实的光导纤维电缆（简称为光缆）。下图为光缆的结构示意图。,2.2 数据通信传输介质,第2章 数据通信基础,2.2.4无线通信 无线通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式，如图2-16所示。无线通信使用的频率一般在3MHz1GHz.按频率，无线通信可分为: 无线电：采用扩频方式通信，有902MHz、928MHz和2.4GHz等3个频段，容量为
33、26Mb/s，通信距离可达到几十到几百千米。 地面微波：它具有两个频段：46GHz和2123GHz，容量为110Mb/s，距离为几十上百千米。 卫星：分为同步卫星和低轨道卫星。 红外通信：红外线是波长极短的电磁波，其频率低于可见光，高于微波。,2.2 数据通信传输介质,第2章 数据通信基础,2.3数据传输设备将网络互相连接起来要使用一些中间设备（或中间系统），ISO的术语称之为中继（relay）系统。根据中继系统所在的层次，可以有以下5种中继系统。 物理层（即常说的第1层、层1）中继系统，即转发（repeater） 数据链路层（即第2层，层2），即网桥或桥接器（bridge）。 网络层（第3层
34、，层3）中继系统，即路由器（router）。 网桥和路由器的混合物桥路器（brouter）兼有网桥和路由器的功能。 在网络层以上的中继系统，即网关（gateway）。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,2.3.1网络适配器网络适配器，又称网络接口卡NIC，简称网卡。网络适配器是计算机或网络设备和介质的硬件接口。从OSI网络层次的观点看，网络适配器包含了物理层和媒质访问控制（MAC）子层。从TCP/IP协议的观点看它对应于底层（主机网络层）。网络适配器的功能如下： 从计算机或网络设备接收帧分成bit发送到传输介质上，或者从传输介质上接收bit流组合成帧上交给计算机或网络设备。 竞争传输
35、介质的控制权，即完成MAC子层的功能如介质监控、令牌管理等。 注意：按传输介质不同，网络适配器和介质之间的连接器也不同。例如，和非屏蔽双绞线相连的网络适配器的连接器为RJ45，其中第1、2脚连接发送双绞线，第3、6脚连接接收双绞线。早期使用的和细缆相连的网络适配器的连接器为T型连接器和BNC连接器；早期使用的和粗缆相连的网络适配器的连接器为AUI接口，等等。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,2.3.2中继器中继器（RP repeater）是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器是最简单的网络互联设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层
36、上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。它在OSI参考模型中的位置是在物理层。一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但有的中继器也可以完成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。以太网络标准中就约定了在以太网上只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机终端。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,2.3.3集线器集线器（HUB）是局域网LAN中重要的部件之一，
37、它是网络连线的连接点。其基本的工作原理是使用广播技术，也就是HUB从任一个端口收到一个信息包后，它都将此信息包广播发送到其它的所有端口，而HUB并不记忆该信息包是由哪一个MAC地址挂在哪一个端口。接在HUB端口上的网卡NIC根据该信息包所要求执行的功能执行相应动作，这是由网络层之上控制的。上面所说的广播技术是指HUB将该信息包以广播发送的形式发送到其它所有端口，并不是将该包改变为广播数据包。 单中继网段集线器在硬件平台中，第一类集线器是一种简单中继LAN网段，最好的例子是叠加式以太网集线器或令牌环网多站访问部件（MAU） 多网段集线器多网段集线器是从第一类集线器直接派生而来的，采用集线器背板，
38、这种集线器带有多个中继网段。 端口交换式集线器端口交换式集线器是在多网段集线器基础上将用户端口和多个背板网段之间的连接过程自动化，并通过增加端口交换矩阵（PSM）来实现的。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,2.3.3集线器网络互联集线器端口交换式集线器注重端口交换，而网络互联集线器在背板的多个网段之间实际上提供一些类型的集成连接。这可以通过一台综合网桥、路由器或LAN交换机来完成。目前，这类集线器通常都采用机箱形式。 交换式集线器目前，集线器和交换机之间的界限已变得模糊。交换式集线器有一个核心交换式背板，采用一个纯粹的交换系统代替传统的共享介质中继网段。此类产品已经上市，并且混合的
39、（中继/交换）集线器很可能在以后几年控制这一市场。应该指出，集线器和交换机之间的特性几乎没有区别。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,2.3.4交换机交换机能够检查每一个收到的数据包，并且对该数据包进行相应的动作处理。在交换机内保存着每一个网段上所有节点的物理地址，它只允许必要的网络流量通过交换机。在实际网络构件的过程中，是选择使用交换机还是选择其它的网络部件，主要还是要根据不同部件在网络中的不同作用来决定的。在网络中交换机主要具有两方面的重要作用。第一，交换机可以将原有的网络划分成多个子网络，能够做到扩展网络有效传输距离，并支持更多的网络节点。第二，使用交换机来划分网络还可以有效隔
40、离网络流量，减少网络中的冲突，缓解网络拥挤情况。但是，在使用交换机进行处理数据包的时候，不可避免地会带来处理延迟，如果在不必要的情况下盲目使用交换机就可能会降低整个网络的性能。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,2.3.5路由器 路由器是在OSI七层网络模型中的第3层网络层操作的。它的工作原理是，在网络中收到任何1个数据包（包括广播包在内），都将该数据包第2层（数据链路层）的信息去掉（称为“拆包”），并查看第3层信息（IP地址）。然后，再根据路由表来确定数据包的路由，然后检查安全访问表；如果能够通过，则进行第2层信息的封装（又称为“打包”），最后才将该数据包转发。此时，如果在路由表中
41、不能查到对应MAC地址的网络地址，则路由器将向源地址的站点返回一个信息，然后将这个数据包丢弃。如果从路由器的工作原理来看，路由器的作用与交换机、网桥非常相似。但是与工作在网络物理层，从物理上划分网段的交换机不同，路由器则是使用专门的软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,2.3.6网关 网关曾经是很容易理解的概念。在早期的因特网中，术语网关即指路由器。路由器是网络中超越本地网络的标记，这扇“大门”的主要工作就是计算路由并把分组数据转发到源始网络之外的部分，因此，它被认为是通向因特网的大门。主要有3种网关： 协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转
42、换 。 应用网关 应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。 安全网关各种技术有趣的融合，具有重要且独特的保护作用，其范围从协议级过滤到十分复杂的应用级过滤。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,2.3.7第3层交换技术第3层交换技术（也被称作多层交换技术，或是IP交换技术）是在网络模型中的第3层实现了数据包的高速转发。简单地说，多层交换技术就是：第2层交换技术第3层转发技术，或者说是将传统路由器的数据包处理功能和交换机的速度优势结合在一起。 要了解第3层交换技术的原理并不困难，我们可以假设某主机A与B以前曾通过交换机进行通信，如果该交换机可以支持第3层交换的话，那么它便会将A和B
43、的IP地址及它们的MAC地址记录下来，当其它主机C想要与A主机或B主机进行通信时，在交换机接收到C所发出的寻址封包后，会不假思索的送回给C一个回覆信息包，并告诉它主机A或主机B的MAC地址，那么以后主机C就会使用主机A或B的MAC地址“直接”通信。,2.3 数据传输设备,第2章 数据通信基础,当前计算机网络广泛采用的是数据通信技术，要全面了解现代计算机网络技术，掌握数据通信技术是必不可少的环节。研究计算机网络，首先要研究数据通信，通过这一章的学习增加读者的数据通信知识。在这一章里，首先介绍了数据通信的几个基本概念，简要介绍了几种数字信号的编码方式，从不同的角度对数据传输方式进行分类，使读者从多
44、方面认识和了解数据通信的相关知识。由于数据通信技术是一门复杂的学科，我们只能从几个方面做简要的介绍，包括：数据交换技术、差错控制技术、多路复用技术、数据传输介质以及数据通信设备等。有兴趣的读者可以阅读数据通信的相关书籍，以便帮助读者更好地学习计算机网络知识。通过本章的学习，可使读者从宏观上了解数据通信技术，为进一步的学习打下基础。,2.7小结,第2章 数据通信基础,试说明信号的几种不同表示方法，如何在模拟信道上传输数字信号？ 数字基带传输中数据信号的编码方式有哪几种？试画出使用它们分别对基带信号“11100101001”进行编码后的波形图。 何为数据交换？它有哪几种交换技术？ 差错控制技术有哪几种？ 在什么情况下使用网卡、中继器、集线器？ 举例说明网桥、路由器和网关的使用场合有何区别。,课后作业,第2章 数据通信基础,暂无上机试验,上机实验,
