一、數(shù)據(jù)通信的構(gòu)成原理、交換方式及適用范圍
1.數(shù)據(jù)通信的構(gòu)成原理
DTE是數(shù)據(jù)終端。數(shù)據(jù)終端有分組型終端(PT)和非分組型終端(NPT)兩大類。分組型終端有計(jì)算機(jī)、數(shù)字傳真機(jī)、智能用戶電報(bào)終端(TeLetex)、用戶分組裝拆設(shè)備(PAD)、用戶分組交換機(jī)、專用電話交換機(jī)(PABX)、可視圖文接入設(shè)備(VAP)、局域網(wǎng)(LAN)等各種專用終端設(shè)備;非分組型終端有個(gè)人計(jì)算機(jī)終端、可視圖文終端、用戶電報(bào)終端等各種專用終端。
數(shù)據(jù)電路由傳輸信道和數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備(DCE)組成，如果傳輸信道為模擬信道，DCE通常就是調(diào)制解調(diào)器(MODEM)，它的作用是進(jìn)行模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換;如果傳輸信道為數(shù)字信道，DCE的作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)碼型與電平的轉(zhuǎn)換，以及線路接續(xù)控制等。傳輸信道除有模擬和數(shù)字的區(qū)分外，還有有線信道與無線信道、專用線路與交換網(wǎng)線路之分。交換網(wǎng)線路要通過呼叫過程建立連接，通信結(jié)束后再拆除;專線連接由于是固定連接就無需上述的呼叫建立與拆線過程。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的通信控制器用于管理與數(shù)據(jù)終端相連接的所有通信線路。中央處理器用來處理由數(shù)據(jù)終端設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)。
2.數(shù)據(jù)通信的交換方式
通常數(shù)據(jù)通信有三種交換方式:
(1)電路交換
電路交換是指兩臺(tái)計(jì)算機(jī)或終端在相互通信時(shí)，使用同一條實(shí)際的物理鏈路，通信中自始至終使用該鏈路進(jìn)行信息傳輸，且不允許其它計(jì)算機(jī)或終端同時(shí)共亨該電路。
(2)報(bào)文交換
報(bào)文交換是將用戶的報(bào)文存儲(chǔ)在交換機(jī)的存儲(chǔ)器中(內(nèi)存或外存)，當(dāng)所需輸出電路空閑時(shí)，再將該報(bào)文發(fā)往需接收的交換機(jī)或終端。這種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式可以提高中繼線和電路的利用率。
(3)分組交換
分組交換是將用戶發(fā)來的整份報(bào)文分割成若于個(gè)定長的數(shù)據(jù)塊(稱為分組或打包)，將這些分組以存儲(chǔ)_轉(zhuǎn)發(fā)的方式在網(wǎng)內(nèi)傳輸。第一個(gè)分組信息都連有接收地址和發(fā)送地址的標(biāo)識(shí)。在分組交換網(wǎng)中，不同用戶的分組數(shù)據(jù)均采用動(dòng)態(tài)復(fù)用的技術(shù)傳送，即網(wǎng)絡(luò)具有路由選擇，同一條路由可以有不同用戶的分組在傳送，所以線路利用率較高。
3.各種交換方式的適用范圍
(1)電路交換方式通常應(yīng)用于公用電話網(wǎng)、公用電報(bào)網(wǎng)及電路交換的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)(CSPDN)等通信網(wǎng)絡(luò)中。前兩種電路交換方式系傳統(tǒng)方式;后一種方式與公用電話網(wǎng)基本相似，但它是用四線或二線方式連接用戶，適用于較高速率的數(shù)據(jù)交換。正由于它是專用的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)，其接通率、工作速率、用戶線距離、線路均衡條件等均優(yōu)于公用電話網(wǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強(qiáng)、延遲很小、交換成本較低;其缺點(diǎn)是線路利用率低。電路交換適用于一次接續(xù)后，長報(bào)文的通信。
(2)報(bào)文交換方式適用于實(shí)現(xiàn)不同速率、不同協(xié)議、不同代碼終端的終端間或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的同文為單位進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)通信。由于這種方式，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延大，并且占用了大量的內(nèi)存與外存空間，因而不適用于要求系統(tǒng)安全性高、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較小的數(shù)據(jù)通信。
(3)分組交換是在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但它兼有電路交換及報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)。它適用于對(duì)話式的計(jì)算機(jī)通信，如數(shù)據(jù)庫檢索、圖文信息存取、電子郵件傳遞和計(jì)算機(jī)間通信等各方面，傳輸質(zhì)量高、成本較低，并可在不同速率終端間通信。其缺點(diǎn)是不適宜于實(shí)時(shí)性要求高、信息量很大的業(yè)務(wù)使用。
二、數(shù)據(jù)通信的分類
1.有線數(shù)據(jù)通信
(1) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)(DDN)
數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)由用戶環(huán)路、DDN節(jié)點(diǎn)、數(shù)字信道和網(wǎng)絡(luò)控制管理中心組成，其網(wǎng)絡(luò)組成結(jié)構(gòu)如框圖2所示。DDN是利用光纖或數(shù)字微波、衛(wèi)星等數(shù)字信道和數(shù)字交叉復(fù)用設(shè)備組成的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)。也可以說DDN是把數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、光遷通信技術(shù)以及數(shù)字交叉連接技術(shù)結(jié)合在一起的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字信道應(yīng)包括用戶到網(wǎng)絡(luò)的連接線路，即用戶環(huán)路的傳輸也應(yīng)該是數(shù)字的，但實(shí)際上也有普通電纜和雙絞線，但傳輸質(zhì)量不如前。DDN的主要特點(diǎn)是:
①傳輸質(zhì)量高、誤碼率低:傳輸信道的誤碼率要求小。
②信道利用率高。
③要求全網(wǎng)的時(shí)鐘系統(tǒng)保持同步，才能保證DDN電路的傳輸質(zhì)量。
④DDN的租用專線業(yè)務(wù)的速率可分為2.4-19.2kbit/s， N×64kbit/s(N=1-32);用戶入網(wǎng)速率最高不超過2Mbit/s。
⑤DDN時(shí)延較小。
(2)分組交換網(wǎng)
分組交換網(wǎng)(PSPDN)是以CCITT X.25建議為基礎(chǔ)的，所以又稱為X.25網(wǎng)。它是采用存儲(chǔ)_轉(zhuǎn)發(fā)方式，將用戶送來的報(bào)文分成具用一定長度的數(shù)據(jù)段，并在每個(gè)數(shù)據(jù)段上加上控制信息，構(gòu)成一個(gè)帶有地址的分組組合群體，在網(wǎng)上傳輸。分組交換網(wǎng)最突出的優(yōu)點(diǎn)是在一條電路上同時(shí)可開放多條虛通路，為多個(gè)用戶同時(shí)使用，網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)路由選擇功能和先進(jìn)的誤碼檢錯(cuò)功能，但網(wǎng)絡(luò)性能較差。
(3) 幀中繼網(wǎng)
幀中繼網(wǎng)絡(luò)通常由幀中繼存取設(shè)備、幀中繼交換設(shè)備和公共幀中繼服務(wù)網(wǎng)3部分組成，如框圖3所示。幀中繼網(wǎng)是從分組交換技術(shù)發(fā)展起來的。幀中繼技術(shù)是把不同長度的用戶數(shù)據(jù)組均包封在較大的幀中繼幀內(nèi)，加上尋址和控制信息后在網(wǎng)上傳輸。其功能特點(diǎn)為: ①使用統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)，按需分配帶寬，向用戶提供共亨的的網(wǎng)絡(luò)資源，每一條線路和網(wǎng)絡(luò)端口都可由多個(gè)終點(diǎn)按信息流共亨，大大提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。
②采用虛電路技術(shù)，只有當(dāng)用戶準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時(shí)，才把所需的帶寬分配給指定的虛電路，而且?guī)捲诰W(wǎng)絡(luò)里是按照分組動(dòng)態(tài)分配，因而適合于突發(fā)性業(yè)務(wù)的使用。
③幀中繼只使用了物理層和鏈路層的一部分來執(zhí)行其交換功能，利用用戶信息和控制信息分離的D信道連接來實(shí)施以幀為單位的信息傳送，簡化了中間節(jié)點(diǎn)的處理。幀中繼采用了可靠的ISDN D信道的鏈路層(LAPD)協(xié)議，將流量控制、糾錯(cuò)等功能留給智能終端去完成，從而大大簡化了處理過程，提高了效率。當(dāng)然，幀中繼傳輸線路質(zhì)量要求很高，其誤碼率應(yīng)小于10的負(fù)8次方。
④幀中繼通常的幀長度比分組交換長，達(dá)到1024-4096字節(jié)/幀，因而其吞吐量非常高，其所提供的速率為2048Mbit/s。用戶速率一般為9.6、4.4、19.2、N×64kbist/s(N=1-31)，以及2Mbit/s。
⑤)幀中繼沒有采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能，因而具有與快速分組交換相同的一些優(yōu)點(diǎn)。其時(shí)延小于15ms。
2.無線數(shù)據(jù)通信
無線數(shù)據(jù)通信也稱移動(dòng)數(shù)據(jù)通信，它是在有線數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。有線數(shù)據(jù)通信依賴于有線傳輸，因此只適合于固定終端與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)之間的通信。而移動(dòng)數(shù)據(jù)通信是通過無線電波的傳播來傳送數(shù)據(jù)的，因而有可能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)下的移動(dòng)通信。狹義地說，移動(dòng)數(shù)據(jù)通信就是計(jì)算機(jī)間或計(jì)算機(jī)與人之間的無線通信。它通過與有線數(shù)據(jù)網(wǎng)互聯(lián)，把有線數(shù)據(jù)網(wǎng)路的應(yīng)用擴(kuò)展到移動(dòng)和便攜用戶。
三. 通信網(wǎng)絡(luò)常用傳輸介質(zhì)的構(gòu)成和特性
傳輸媒體是通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送方和接收方之間的物理通路,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸媒體可分為有線和元線兩大類。雙絞線、同軸電纜和光纖是常用的三種有線傳輸媒體;無線電通信、微波通信、紅外通信以及激光通信的信息載體都屬于無線傳輸媒體。
傳輸媒體的特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信質(zhì)量有很大影響,這些特性是:
(1)物理特性。說明傳輸媒體的特征。
(2)傳輸特性。包括信號(hào)形式、調(diào)制技術(shù)、傳輸速率及頻帶寬度等內(nèi)容。
(3)連通性。采用點(diǎn)到點(diǎn)連接還是多點(diǎn)連接。
(4)地理范圍。網(wǎng)上各點(diǎn)間的最大距離。
(5)抗干擾性。防止噪音、電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸影響的能力。
(6)相對(duì)價(jià)格。以元件、安裝和維護(hù)的價(jià)格為基礎(chǔ)。
下面分別介紹幾種常用的傳輸媒體的特性。
1.雙絞線
由螺旋狀扭在一起的兩根絕緣導(dǎo)線組成,線對(duì)扭在一起可以減少相互間的輻射電磁干擾。雙絞線是最常用的傳輸媒體,早就用于電話通信中的模擬信號(hào)傳輸,也可用于數(shù)字信號(hào)的傳輸。
(1)物理特性。雙絞線芯一般是銅質(zhì)的,能提供良好的傳導(dǎo)率。
(2)傳輸特性。雙絞線既可以用于傳輸模擬信號(hào),也可以用于傳輸數(shù)字信號(hào)。
雙絞線上也可直接傳送數(shù)字信號(hào),使用T1線路的總數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1.544Mbpso達(dá)到更高數(shù)據(jù)傳輸率也是可能的,但與距離有關(guān)。
雙絞線也可用于局域網(wǎng),如10BASE一T和100BASE-T總線,可分別提供10Mbps和100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。通常將多對(duì)雙絞線封裝于一個(gè)絕緣套里組成雙絞線電纜,局域網(wǎng)中常用的3類雙絞線和5類雙絞線電纜均由4對(duì)雙絞線組成,其中3類雙絞線通常用于10BASE-T總線局域網(wǎng),5類雙絞線通常用于100BASE-T總線局域網(wǎng)。
(3)連通性。雙絞線普遍用于點(diǎn)到點(diǎn)的連接,也可以用于多點(diǎn)的連接。作為多點(diǎn)媒體使用時(shí),雙絞線比同軸電纜的價(jià)格低,但性能較差,而且只能支持很少幾個(gè)站。
(4)地理范圍。雙絞線可以很容易地在15公里或更大范圍內(nèi)提供數(shù)據(jù)傳輸。局域網(wǎng)的雙絞線主要用于一個(gè)建筑物內(nèi)或幾個(gè)建筑物間的通信,在10016ps速率下傳輸距離可達(dá)1公里。但10Mbps和100Mbps傳輸速率的1OBASE-T和100BASE-T總線傳輸距離均不超過100米。
(5)抗干擾性。在低頻傳輸時(shí),雙絞線的抗干擾性相當(dāng)于或高于同軸電纜,但在超過10~100ldfZ時(shí),同軸電纜就比雙絞線明顯優(yōu)越。
2.同軸電纜
同軸電纜也像雙絞線一樣由一對(duì)導(dǎo)體組成,但它們是按"同軸"形式構(gòu)成線對(duì)。最里層是內(nèi)芯,向外依次為絕緣層、屏蔽層,最外則是起保護(hù)作用的塑料外套,內(nèi)芯和屏蔽層構(gòu)成一對(duì)導(dǎo)體。同軸電纜分為基帶同軸電纜(阻抗500)和寬帶同軸電纜(阻抗750)。基帶同軸電纜又可分為粗纜和細(xì)纜兩種,都用于直接傳輸數(shù)字信號(hào);寬帶同軸電纜用于頻分多路復(fù)用的模擬信號(hào)傳輸,也可用于不使用頻分多路復(fù)用的高速數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)傳輸。閉路電視所使用的CATV電纜就是寬帶同軸電纜。
(1)物理特性。單根同軸電纜的直徑約為1.02~2.54cm,可在較寬的頻率范圍內(nèi)工作。
(2)傳輸特性。基帶同軸電纜僅用于數(shù)字傳輸,并使用曼徹斯特編碼,數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1OMbps。寬帶同軸電纜既可用于模擬信號(hào)傳輸又可用于數(shù)字信號(hào)傳輸,對(duì)于模擬信號(hào),帶寬可達(dá)300~450陽也。一般,在CATV電纜上,每個(gè)電視通道分配6陽也帶寬,每個(gè)廣播通道需要的帶寬要窄得多,因此在同軸電纜上使用頻分多路復(fù)用技術(shù)可以支持大量的視、音頻通道。
(3)連通性。同軸電纜適用于點(diǎn)到點(diǎn)和多點(diǎn)連接。基帶500電纜每段可支持幾百臺(tái)設(shè)備,在大系統(tǒng)中還可以用轉(zhuǎn)接器將各段連接起來;寬帶750電纜可以支持?jǐn)?shù)千臺(tái)設(shè)備,但在高數(shù)據(jù)傳輸率下(50Mbp@)使用寬帶電纜時(shí),設(shè)備數(shù)目限制在20~30臺(tái)。
(4)地理范圍。傳輸距離取決于傳輸?shù)男盘?hào)形式和傳輸?shù)乃俾?典型基帶電纜的最大距離限制在幾公里,在同樣數(shù)據(jù)速率條件下,粗纜的傳輸距離較細(xì)纜的長。寬帶電纜的傳輸距離可達(dá)幾十公里。
(5)抗干擾性。同軸電纜的抗干擾性能比雙絞線強(qiáng)。
3.光纖
光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱,它由能傳導(dǎo)光波的石英玻璃纖維外加保護(hù)層構(gòu)成。相對(duì)于金屬導(dǎo)線來說具有重量輕、線徑細(xì)的特點(diǎn)。用光纖傳輸電信號(hào)時(shí),在發(fā)送端先要將其轉(zhuǎn)換成光信號(hào),而在接收端又要由光檢測器還原成電信號(hào)。
(1)物理特性。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中均采用兩根光纖(一來一去)組成傳輸系統(tǒng)。按波長范圍(近紅外范圍內(nèi))可分為三種:0.85IAIn波長區(qū)(0.8~0.91im)、1.3lim波長區(qū)(1.25~1.351Am)和1.551im波長區(qū)(1.53~1.5811m)。不同的波長范圍光纖損耗特性也不同,其中0.85IAIn波長區(qū)為多模光纖通信方式,1.5§IAm波長區(qū)為單模光纖通信方式,1.31im波長區(qū)有多模和單模兩種方式。
(2)傳輸特性。光纖通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光信號(hào),內(nèi)部的全反射可以在任何折射指數(shù)高于包層媒體折射指數(shù)的透明媒體中進(jìn)行。實(shí)際上光纖作為頻率范圍從1014~1015險(xiǎn)的波導(dǎo)管,這一范圍覆蓋了可見光譜和部分紅外光譜。光纖的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)Gbps級(jí),傳輸距離達(dá)數(shù)十公里。目前,一條光纖線路上只能傳輸一個(gè)載波,隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,會(huì)出現(xiàn)實(shí)用的多路復(fù)用光纖。
(3)連通性。光纖普遍用于點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路。總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)性多點(diǎn)系統(tǒng)已經(jīng)建成,但是價(jià)格還太貴。原則上講,由于光纖功率損失小、衰減少的特性以及有較大的帶寬潛力,因此一段光纖能夠支持的分接頭數(shù)比雙絞線或同軸電纜多得多。
(4)地理范圍。從目前的技術(shù)來看,可以在6~8公里的距離內(nèi)不用中繼器傳輸,因此光纖適合于在幾個(gè)建筑物之間通過點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路連接局域網(wǎng)絡(luò)。
(5)抗干擾性。光纖具有不受電磁干擾或噪聲影響的獨(dú)有特征,適宜在長距離內(nèi)保持高數(shù)據(jù)傳輸率,而且能夠提供很好的安全性。
由于光纖通信具有損耗低、頻帶寬、數(shù)據(jù)傳輸率高、抗電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn),對(duì)高速率、距離較遠(yuǎn)的局域網(wǎng)也是很適用的。目前采用一種波分技術(shù),可以在一條光纖上復(fù)用多路傳輸,每路使用不同的波長,這種波分復(fù)用技術(shù)WDM (Wavelength Division Multiplexing)是一種新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
4.無線傳輸媒體
無線傳輸媒體通過空間傳輸,不需要架設(shè)或鋪埋電纜或光纖,目前常用的技術(shù)有:無線電波、微波、紅外線和激光。便攜式計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),以及在軍事、野外等特殊場合下移動(dòng)式通信聯(lián)網(wǎng)的需要,促進(jìn)了數(shù)字化元線移動(dòng)通信的發(fā)展,現(xiàn)在已開始出現(xiàn)無線局域網(wǎng)產(chǎn)品。
微波通信的載波頻率為2GHz~40GHz范圍。因?yàn)轭l率很高,可同時(shí)傳送大量信息,如一個(gè)帶寬為2陽fz的頻段可容納500條話音線路,用來傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),速率可達(dá)數(shù)Mbps。微波通信的工作頻率很高,與通常的無線電波不一樣,是沿直線傳播的。由于地球表面是曲面,微波在地面的傳播距離有限。直接傳播的距離與天線的高度有關(guān),天線越高傳播距離越遠(yuǎn),超過一定距離后就要用中繼站來接力。紅外通信和激光通信也像微波通信一樣,有很強(qiáng)的方向性,都是沿直線傳播的。這三種技術(shù)都需要在發(fā)送方和接收方之間有一條視線(Lineof Sight)通路,故它們統(tǒng)稱為視線媒體。所不同的是,紅外通信和激光通信把要傳輸?shù)男盘?hào)分別轉(zhuǎn)換為紅外光信號(hào)和激光信號(hào)直接在空間傳播。這三種視線媒體由于都不需要鋪設(shè)電纜,對(duì)于連接不同建筑物內(nèi)的局域網(wǎng)特別有用。這三種技術(shù)對(duì)環(huán)境氣候較為敏感,例如雨、霧和雷電。相對(duì)來說,微波對(duì)一般雨和霧的敏感度較低。
衛(wèi)星通信是微波通信中的特殊形式,衛(wèi)星通信利用地球同步衛(wèi)星做中繼來轉(zhuǎn)發(fā)微波信號(hào)。衛(wèi)星通信可以克服地面微波通信距離的限制,一個(gè)同步衛(wèi)星可以覆蓋地球的1/3以上表面,三個(gè)這樣的衛(wèi)星就可以覆蓋地球上全部通信區(qū)域,這樣,地球上的各個(gè)地面站之間都可互相通信。由于衛(wèi)星信道頻帶寬,也可采用頻分多路復(fù)用技術(shù)分為若干子信道,有些用于由地面站向衛(wèi)星發(fā)送(稱為上行信道),有些用于由衛(wèi)星向地面轉(zhuǎn)發(fā)(稱為下行信道)。衛(wèi)星通信的優(yōu)點(diǎn)是容量大,傳輸距離遠(yuǎn);缺點(diǎn)是傳播延遲時(shí)間長,對(duì)于數(shù)萬公里高度的衛(wèi)星來說,以200m/μs或5μs/Km的信號(hào)傳播速度來計(jì)算,從發(fā)送站通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到接收站的傳播延遲時(shí)間約要花數(shù)百毫秒(ms),這相對(duì)于地面電纜的傳播延遲時(shí)間來說,兩者要相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
5.傳輸媒體的選擇
傳輸媒體的選擇取決于以下諸因素:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)、實(shí)際需要的通信容量、可靠性要求、能承受的價(jià)格范圍。
雙絞線的顯著特點(diǎn)是價(jià)格便宜,但與同軸電纜相比,其帶寬受到限制。對(duì)于單個(gè)建筑物內(nèi)的低通信容量局域網(wǎng)來說,雙絞線的性能價(jià)格比可能是最好的。
同軸電纜的價(jià)格要比雙絞線貴一些,對(duì)于大多數(shù)的局域網(wǎng)來說,需要連接較多設(shè)備而且通信容量相當(dāng)大時(shí)可以選擇同軸電纜。
光纖作為傳輸媒體,與同軸電纜和雙絞線相比具有一系列優(yōu)點(diǎn):頻帶寬、速率高、體積小、重量輕、衰減小、能電磁隔離、誤碼率低等,因此,在國際和國內(nèi)長話傳輸中的地位日益提高,并已廣泛用于高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展和成本的降低,光纖作為局域網(wǎng)的傳輸媒體也得到了普遍采用,光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI就是一例。
目前,便攜式計(jì)算機(jī)已經(jīng)有了很大的發(fā)展和普及,由于可隨身攜帶,對(duì)可移動(dòng)的無線網(wǎng)的需求將日益增加0元線數(shù)字網(wǎng)類似于蜂窩電話網(wǎng),人們隨時(shí)隨地可將計(jì)算機(jī)接入網(wǎng)絡(luò),發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。移動(dòng)無線數(shù)字網(wǎng)的發(fā)展前景將是十分美好的。
四.數(shù)據(jù)通訊基本概念
●數(shù)據(jù)(Data):傳遞(攜帶)信息的實(shí)體。
●信息(Information):是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。
●信號(hào)(Signal):數(shù)據(jù)的物理量編碼(通常為電編碼)，數(shù)據(jù)以信號(hào)的形式傳播。
●模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)
●基帶(Base band)與寬帶(Broad band)
●信道(Channel):傳送信息的線路(或通路)
●比特(bit):信息量的單位。比特率為每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制位個(gè)數(shù)。
●碼元(Code Cell):時(shí)間軸上的一個(gè)信號(hào)編碼單元
●同步脈沖:用于碼元的同步定時(shí)，識(shí)別碼元的開始。同步脈沖也可位于碼元的中部，一個(gè)碼元也可有多個(gè)同步脈沖相對(duì)應(yīng)。
●波特(Baud):碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝弧２ㄌ芈蕿槊棵雮魉偷拇a元數(shù)(即信號(hào)傳送速率)。
1 Baud = log2M (bit/s)
其中M是信號(hào)的編碼級(jí)數(shù)。也可以寫成:Rbit = Rbaud log2M
上式中:Rbit-比特率，Rbaud-波特率。
一個(gè)信號(hào)往往可以攜帶多個(gè)二進(jìn)制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個(gè)碼元中可以傳送多個(gè)比特。
例如，M=16，波特率為9600時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率為38.4kbit/s
●誤碼率:信道傳輸可靠性指標(biāo)，是概率值
信息編碼:將信息用二進(jìn)制數(shù)表示的方法。
數(shù)據(jù)編碼:將數(shù)據(jù)用物理量表示的方法。
例如:字符‘A’的ASCII編碼(是信息編碼的一種)為01000001
●帶寬:帶寬是通信信道的寬度，是信道頻率上界與下界之間之差，是介質(zhì)傳輸能力的度量，在傳統(tǒng)的通信工程中通常以赫茲(Hz)為單位計(jì)量。
在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般使用每秒位數(shù)(b/s 或bps) 作為帶寬的計(jì)量單位。主要單位:Kb/s，Mb/s，Gb/s，一個(gè)以太局域網(wǎng)理論上每秒可以傳輸1千萬比特，它的帶寬相應(yīng)為10Mb/s。
●時(shí)延
△信息從網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需的時(shí)間
△時(shí)延之和=處理時(shí)延+排隊(duì)時(shí)延 +發(fā)送時(shí)延+傳播時(shí)延
△處理時(shí)延=分組首部和錯(cuò)誤校驗(yàn)等處理(微秒)
△排隊(duì)時(shí)延=數(shù)據(jù)在中間結(jié)點(diǎn)等待轉(zhuǎn)發(fā)的延遲時(shí)間
△發(fā)送時(shí)延=數(shù)據(jù)位數(shù)/信道帶寬
△傳播時(shí)延=d/s(毫秒)d:距離 s:傳播速度≈光速
●時(shí)延帶寬乘積:某一鏈路所能容納的比特?cái)?shù)。
時(shí)延帶寬乘積=帶寬×傳播時(shí)延。例如，某鏈路的時(shí)延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個(gè)比特到達(dá)目的端時(shí)，源端已發(fā)送了100萬比特。
●往返時(shí)延 (Round-Trip Time ，RTT)
從信源發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到信源收到信宿確認(rèn)所經(jīng)歷的時(shí)間RTT≈2×傳播時(shí)延，傳輸可靠性兩個(gè)含義:
1、數(shù)據(jù)能正確送達(dá)
2、數(shù)據(jù)能有序送達(dá)(當(dāng)采用分組交換時(shí))
信息通信系統(tǒng)傳輸
1、信道及其主要特征:數(shù)字信道和模擬信道
●數(shù)字信道:以數(shù)字脈沖形式(離散信號(hào))傳輸數(shù)據(jù)的信道。
●模擬信道:以連續(xù)模擬信號(hào)形式傳輸數(shù)據(jù)的信道。
模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)
●模擬信號(hào):時(shí)間上連續(xù)，包含無窮多個(gè)信號(hào)值
●數(shù)字信號(hào):時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的信號(hào)值
周期信號(hào)和非周期信號(hào)
●周期信號(hào):信號(hào)由不斷重復(fù)的固定模式組成(如正弦波)
●非周期信號(hào):信號(hào)沒有固定的模式和波形循環(huán)(如語音的音波信號(hào))。
2、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸方式
●基帶傳輸:不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號(hào)直接在信道上傳送。例如:以太網(wǎng)
●寬帶傳輸:數(shù)字信號(hào)需調(diào)制成頻帶模擬信號(hào)后再傳送，接收方需要解調(diào)。例如:通過電話模擬信道傳輸。例如:閉路電視的信號(hào)傳輸。
3、數(shù)據(jù)同步方式:目的是使接收端與發(fā)送端在時(shí)間基準(zhǔn)上一致 (包括開始時(shí)間、位邊界、重復(fù)頻率等)。
有三種同步方法:位同步、字符同步、幀同步。
●位同步:目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步，有下面兩種方式:
△外同步——發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)同時(shí)發(fā)送同步時(shí)鐘信號(hào)，接收方用同步信號(hào)來鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。
△自同步——通過特殊編碼(如曼徹斯特編碼)，這些數(shù)據(jù)編碼信號(hào)包含了同步信號(hào)，接收方從中提取同步信號(hào)來鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。
●字符同步:以字符為邊界實(shí)現(xiàn)字符的同步接收，也稱為起止式或異步制。每個(gè)字符的傳輸需要:1個(gè)起始位、5～8個(gè)數(shù)據(jù)位、1，1.5，2個(gè)停止位。
●字符同步的性能評(píng)估:
△頻率的漂移不會(huì)積累，每個(gè)字符開始時(shí)都會(huì)重新同步。
△每兩個(gè)字符之間的間隔時(shí)間不固定。
△增加了輔助位，所以效率低。例如，采用1個(gè)起始位、 8個(gè)數(shù)據(jù)位、 2個(gè)停止位時(shí)，其效率為8/11<72%。
●幀同步:識(shí)別一個(gè)幀的起始和結(jié)束。
△幀(Frame)數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位——包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊。
△面向字符的——以同步字符(SYN，16H)來標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀。
△面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)來標(biāo)識(shí)一個(gè)幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀。
4、信道最大數(shù)據(jù)傳輸率
●奈奎斯公式:用于理想低通信道
C = 2W×log2 M
C = 數(shù)據(jù)傳輸率，單位bit/s
W = 帶寬，單位Hz
M = 信號(hào)編碼級(jí)數(shù)
奈奎斯公式為估算已知帶寬信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)。
●非理想信道
實(shí)際的信道上存在損耗、延遲、噪聲。損耗引起信號(hào)強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。延遲會(huì)使接收端的信號(hào)產(chǎn)生畸變。噪聲會(huì)破壞信號(hào)，產(chǎn)生誤碼。持續(xù)時(shí)間0.01s的干擾會(huì)破壞約560個(gè)比特(56Kbit/s) △香農(nóng)公式:有限帶寬高斯噪聲干擾信道
C = W log2 (1+S/N) S/N: 信噪比
例:信道帶寬W=3.1KHz，S/N=2000，則
C = 3100*log2(1+2000) ≈ 34Kbit/s
即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會(huì)大于34Kbit/s
●奈奎斯公式和香農(nóng)公式的比較
△C = 2W log2M
數(shù)據(jù)傳輸率C隨信號(hào)編碼級(jí)數(shù)增加而增加。
△C = W log2(1+S/N)
無論采樣頻率多高，信號(hào)編碼分多少級(jí)，此公式給出了信道能達(dá)到的最高傳輸速率。
原因:噪聲的存在將使編碼級(jí)數(shù)不可能無限增加。
5、數(shù)據(jù)編碼
●編碼與調(diào)制的區(qū)別
△用數(shù)字信號(hào)承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)——編碼
△用模擬信號(hào)承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)——調(diào)制
●數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼:把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種數(shù)字脈沖信號(hào)常見的有兩類:不歸零碼和曼徹斯特編碼。
△不歸零碼(NRZ，Non-Return to Zero)二進(jìn)制數(shù)字0、1分別用兩種電平來表示，常常用-5V表示1，+5V表示0。缺點(diǎn):存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器;不具備自同步機(jī)制，傳輸時(shí)必須使用外同步。
△曼徹斯特編碼(Manchester Code)用電壓的變化表示0和1，規(guī)定在每個(gè)碼元的中間發(fā)生跳變:高→低的跳變代表0，低→高的跳變代表1。
每個(gè)碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來作為同步信號(hào)。這種編碼也稱為自同步碼(Self-Synchronizing Code)。缺點(diǎn):需要雙倍的傳輸帶寬(即信號(hào)速率是數(shù)據(jù)速率的2倍)。
△差分曼徹斯特編碼(Differential ～)每個(gè)碼元的中間仍要發(fā)生跳變，用碼元開始處有無跳變來表示0和1 ，有跳變代表0，無跳變代表1。
●數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制編碼，三種常用的調(diào)制技術(shù):
△幅移鍵控ASK (Amplitude Shift Keying)
△頻移鍵控FSK (Frequency Shift Keying)
△相移鍵控PSK (Phase Shift Keying)
基本原理:用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制。
載波 S(t) = Acos(ωt+ψ)
S(t)的參量包括: 幅度A、頻率ω、初相位ψ，調(diào)制就是要使A、ω或ψ隨數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化。
△ASK:用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1。
△FSK:用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1。
△PSK:用載波的起始相位的變化表示0 和1。
●模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)編碼
采樣定理:如果模擬信號(hào)的最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對(duì)其采樣，則采樣得到的離散信號(hào)序列就能完整地恢復(fù)出原始信號(hào)。
要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號(hào)，語音信號(hào)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這需要經(jīng)過三個(gè)步驟:
△采樣:按一定間隔對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣
△量化:對(duì)每個(gè)樣本舍入到量化級(jí)別上
△編碼:對(duì)每個(gè)舍入后的樣本進(jìn)行編碼
編碼后的信號(hào)稱為PCM信號(hào)
6、多路復(fù)用技術(shù)
復(fù)用:多個(gè)信息源共享一個(gè)公共信道。為何要復(fù)用?——提高線路利用率。
適用場合:當(dāng)信道的傳輸能力大于每個(gè)信源的平均傳輸需求時(shí)。
復(fù)用類型
△頻分復(fù)用FDM (Frequency Division Multiplexing)
△波分復(fù)用WDM (Wave Division Multiplexing)
△時(shí)分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)
●頻分復(fù)用原理:整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每路信號(hào)占用一個(gè)頻率通道進(jìn)行傳輸。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶以防相互干擾。
●波分復(fù)用——光的頻分復(fù)用。原理:整個(gè)波長頻帶被劃分為若干個(gè)波長范圍，每路信號(hào)占用一個(gè)波長范圍來進(jìn)行傳輸。
●時(shí)分復(fù)用原理:把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)時(shí)隙，每路數(shù)據(jù)占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸。由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個(gè)時(shí)間片的固定時(shí)隙，所以這種時(shí)分復(fù)用也稱為同步時(shí)分復(fù)用。
時(shí)分復(fù)用的典型例子:PCM信號(hào)的傳輸，把多個(gè)話路的PCM話音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝成幀(幀中還包括了幀同步信息和信令信息)，每幀在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送，每個(gè)時(shí)隙承載一路PCM信號(hào)。
●統(tǒng)計(jì)(異步)TDM——STDM
TDM的缺點(diǎn):某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時(shí)隙，將會(huì)造成帶寬浪費(fèi)。
改進(jìn):用戶不固定占用某個(gè)時(shí)隙，有空時(shí)隙就將數(shù)據(jù)放入。
7、差錯(cuò)控制
與語音、圖像傳輸不同，計(jì)算機(jī)通信要求極低的差錯(cuò)率。產(chǎn)生差錯(cuò)的原因:
△信號(hào)衰減和熱噪聲
△信道的電氣特性引起信號(hào)幅度、頻率、相位的畸變;
△信號(hào)反射，串?dāng)_;
△沖擊噪聲，閃電、大功率電機(jī)的啟停等。
差錯(cuò)控制的基本方法是:接收方進(jìn)行差錯(cuò)檢測，并向發(fā)送方應(yīng)答，告知是否正確接收。差錯(cuò)檢測主要有兩種方法:
●奇偶校驗(yàn)(Parity Checking)
在原始數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位增加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，使結(jié)果中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)(奇校驗(yàn))或偶數(shù)(偶校驗(yàn))。例如1100010增加偶校驗(yàn)位后為11100010，若接收方收到的字節(jié)奇偶校驗(yàn)結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。此方法只能用于面向字符的通信協(xié)議中，只能檢測出奇數(shù)個(gè)比特位錯(cuò)。
●循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC, Cyclic Redundancy Check)
差錯(cuò)檢測原理:將傳輸?shù)奈淮闯上禂?shù)為0或1的多項(xiàng)式。收發(fā)雙方約定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)，發(fā)送方在幀的末尾加上校驗(yàn)和，使帶校驗(yàn)和的幀的多項(xiàng)式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多項(xiàng)式，若有余數(shù)，則傳輸有錯(cuò)。校驗(yàn)和是16位或32位的位串，CRC校驗(yàn)的關(guān)鍵是如何計(jì)算校驗(yàn)和。
●差錯(cuò)控制技術(shù)
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