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熟悉常用传输介质
交换技术
传输介质的种类及特性
二进制
5.1常用的通信指标和术语
5.1.1二进制
二进制数是用0和1两个数码来表示的数。
提问:
我们生活中用什么进制的数?
答案:
十进制。
我们常用到的还有八进制、十六进制等
那么为什么计算机要用二进制呢?
在早期设计的机械计算装置中,使用的不是二进制,而是十进制或者其他进制,利用齿轮的不同位置表示不同的数值,这种计算装置可能更加接近人类的思想方式。
比如说一个计算设备有十个齿轮,它们级连起来,每一个齿轮有十格,小齿轮转一圈大齿轮走一格。
这就是一个简单的十位十进制的数据表示设备了,可以表示0到999999999的数字。
配合其他的一些机械设备,这样一个简单的基于齿轮的装置就可以实现简单的十进制加减法了。
电子计算机出现以后,使用电子管来表示十种状态过于复杂,所以所有的电子计算机中只有两种基本的状态,开和关。
也就是说,电子管的两种状态决定了以电子管为基础的电子计算机采用二进制来表示数字和数据。
采用二进制的好处有哪些呢?
1、技术实现简单,计算机是由逻辑电路组成,逻辑电路通常只有两个状态,开关的接通与断开,这两种状态正好可以用“1”和“0”表示。
2、运算规则简单(与、或、非),有利于简化计算机内部结构,提高运算速度。
3、适合逻辑运算,二进制只有两个数码,正好与逻辑代数中的“真”和“假”相吻合。
4、易于进行转换,二进制与十进制数易于互相转换。
5、用二进制表示数据具有抗干扰能力强,可靠性高等优点。
因为每位数据只有高低两个状态,当受到一定程度的干扰时,仍能可靠地分辨出它是高还是低。
二进制与十进制之间如何转换呢?
11111111
×
1286432168421
例子:
10011001转换成十进制是多少?
10011001
×
×
128+0+0+16+8+0+0+1=153
问题:
1100111转化成十进制是多少?
5.1.2bit、Byte、KB、MB、GB
bit:
音译为比特,一位二进制数字就是一bit。
通常说一位或一个数位(bit位)。
是用以描述电脑数据量的最小单位。
通常用来表示处理器的位宽、显存位宽和总线位宽及内存位宽。
Byte:
字节,1Byte=8比特
KB:
千字节,1KB=1024Byte
MB:
兆字节,1MB=1024KB
GB:
吉字节,1GB=1024MB
大家看看我们的计算机硬盘,是多少GB的?
虽然标的是160GB可是实际的大小是多少?
硬盘厂商的算法与计算机中的算法不一致:
硬盘厂商是以1KB=1000Byte来计算的。
160GB的硬盘实际容量是多少
160×
1000×
1000÷
1024÷
1024=149GB实际的容量
5.1.3波特率、比特率、误码率
数据通信的技术指标主要从两个方面来体现:
质量和数量。
数据传输的质量指信息传输的可靠性,一般用误码率来表示。
数据传输的数量指标包括:
信道的传输能力和信道上信息的传输速度:
波特率和比特率
什么是误码率?
二进制符号在传输过程中被传错的概率,近似等于错误数量与总量的比值。
计算机网路通信系统中,各系统对误码率的要求是不一样的。
什么是波特率?
什么是比特率?
波特率又称波形速率或码元速率。
指线路上每秒传送的波形个数。
单位是波特(band)
比特率又称信息速率,指一个数据通信系统每秒所传送的二进制位数。
单位是比特每秒(bit/s或bps)
波特率和比特率有什么关系呢?
波特率与比特率的关系为:
比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数。
波特率可以被理解为单位时间内传输码元符号的个数(传符号率),通过不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息。
5.1.4信道、基带信号、频带信号
信道:
信道(channel)是通信中传递信息的通道,它由相应的发送信息与接收信息(有时还包括转发信息)的设备以及与这些发送和接收信息的相关设备连接在一起的传输介质组成。
独占信道与共享信道
就像一条公路一样一次允许一辆车通过就是独占,一次允许多辆车通过就是共享
单工信道与半双工信道和全双工信道
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)
基带信号与频带信号
基带信号:
是将由不同的电压表示的数字信号1或0直接送到线路上去传输。
适用范围:
低速和高速的各种情况。
限制:
因基带信号所带的频率成分很宽,所以对传输线有一定的要求。
频带信号:
就是将数字信号调制后形成的模拟信号。
调制(Modulation):
用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制,使这些参量随基带脉冲变化。
解调(Demodulation):
调制的反变换。
调制解调器MODEM(modulation-demodulation)
为什么要进行调制或编码?
首先,对调制的需要是用无线电通过空间传输低频信号而产生的。
为了有效地传输这种信号,天线尺寸必须与所辐射的信号波长的尺寸大致相同。
因为约1000Hz的低频模型拟信号的波长约300KM。
其次,数字信号不可能通过为模拟信号设计的传输线(如电话线)传送,反之亦然。
5.1.5多路复用、频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)
问题引入:
铺设线路的费用很高,但如果只传输一路信号会很浪费,有什么办法将线路的利用率提高并降低线路的成本吗?
复用技术。
复用技术分为:
频分复用和时分复用
1、频分复用(FrequencyDivisionMultiplexing--FDM)
原理:
整个传输频带被划分为若干个频率通道,每个用户占用一个频率通道。
频率通道之间留有防护频带。
频分多路复用用于传输介质的可用带宽超过要传输信号所要求的总带宽是时,使用频分复用。
一条公路很宽,可以画出多条车道,就是频分复用
2、时分复用(TimeDivisionMultiplexing--TDM)
把时间分割成小的时间片,每个时间片分为若干个通道(时隙),每个用户占用一个通道传输数据。
当传输介质可达到的数据传输率超过要传输的数字信号的总的传输率是用时分复用。
一列火车,有十节车厢,每节车厢分属不同的公司,当有其中一家公司没有货物的时候,火车还是照常拉着十节车厢。
5.1.6同步传输、异步传输
什么叫同步?
为什么要同步?
当两个设备一起工作并对时间有精确要求的时候,就需要在它们之间进行同步。
同步是基于在两个设备之间规定一个共同的时间参考。
就像表演双簧,一个说的和一个演的,在后面说话的人语音必须和前面表演的动作配合。
常用的同步技术有两种:
同步传输和异步传输
1、同步传输:
要求发送和接收数据的双方进行合作,按照一定的速度向前推进。
也就是说,发送者只有得到接收者送来的允许发送的同步信号之后才能发送数据,而接收者也必须收到发送者所指示的数据发送完毕、允许接受的信号之后才能接收。
2、异步传输:
又称起止式传输。
即指发送者和接收者之间不需要合作。
也就是说,发送者可以在任何时候发送数据,只要被发送的数据已经是可以发送的状态的话。
接收者则只要数据到达,就可以接受数据。
两者比较一下优缺点?
5.2通信交换技术
两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接,中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。
就像电话交换机为通话双方接续线路一样,这个过程被称为交换。
实现交换的方法主要有:
电路交换、报文交换、分组交换。
5.2.1电路交换
交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路(最早的电路交换连接是由电话接线员通过插头建立的,现在则由计算机化的程控交换机实现。
)如:
电话
特点:
数据传输前需要建立一条端到端的通路。
呼叫——建立连接——传输——挂断
电路交换的优点:
建立连接的时间长;
一旦建立连接就独占线路,线路利用率低;
无纠错机制;
建立连接后,传输延迟小。
5.2.2报文交换
将整个报文作为一个整体一起发送。
在交换过程中,交换设备将接收到的报文先存储,待信道空闲时再转发出去,一级一级中转,直到目的地。
这种数据传输技术称为存储-转发。
优点:
1)线路利用率较高,许多报文可以分时共享交换设备的线路
2)当接收端不可用的时候可暂时由交换设备保存报文
3)可以建立报文优先级
4)交换设备可以保留报文副本
缺点:
1)报文大小不一,造成缓冲区管理复杂。
2)大报文造成存储转发的延时过长;
5)出错后整个报文全部重发。
5.2.3分组交换(包交换)
将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发。
分成两类数据报和虚电路
数据包方式中每个报文做为一个单独的信息单位来处理,每个报文分组又叫数据报。
虚电路在发送前先进行路径选择,然后所有报文按顺序由此路径发送
试从多个方面比较虚电路和数据报这两种服务的优缺点。
(1)在传输方式上,虚电路服务在源、目的主机通信之前,先建立一条虚电路,然后进行通信,通信结束将虚电路拆除。
数据报服务,网络层从运输层接收报文,将其装上报头(源、目的地址等信息)后,作为一个独立的信息单位传送,不需建立和释放连接,目标结点收到数据后也不需发送确认,因而数据报服务的可靠性不是很高。
(2)关于路由选择:
虚电路服务沿途各结点只在呼叫请求分组在网中传输时,进行路径选择,以后便不需要了。
可是在数据报服务时,每个数据每经过一个网络结点都要进行一次路由选择。
(3)关于全网地址:
虚电路服务仅在源主机发出呼叫分组中需要填上源和目的主机的全网地址,在数据传输阶段,都只需填上虚电路号。
而数据报服务,由于每个数据报都单独传送,因此,在每个数据报中都必须具有源和目的主机的全网地址,以便网络结点根据所带地址向目的主机转发,这对频繁的人—机交互通信每次都附上源、目的主机的全网地址不仅累赘,也降低了信道利用率。
(4)关于分组顺序:
对虚电路服务,由于从源主机发出的所有分组都是通过事先建立好的一条虚电路进行传输,所以能保证分组按发送顺序到达目的主机。
但是,当把一份长报文分成若干个短的数据报时,由于它们被独立传送,可能各自通过不同的路径到达目的主机,因而数据报服务不能保证这些数据报按序列到达目的主机。
(5)可靠性与适应性:
虚电路服务在通信之前双方已进行过连接,而且每发完一定数量的分组后,对方也都给予确认,故虚电路服务比数据报服务的可靠性高。
但是,当传输途中的某个结点或链路发生故障时,数据报服务可以绕开这些故障地区,而另选其他路径,把数据传至目的地,而虚电路服务则必须重新建立虚电路才能进行通信。
因此,数据报服务的适应性比虚电路服务强。
(6)关于平衡网络流量:
数据报在传输过程中,中继结点可为数据报选择一条流量较小的路由,而避开流量较高的路由,因此数据报服务既平衡网络中的信息流量,又可使数据报得以更迅速地传输。
而在虚电路服务中,一旦虚电路建立后,中继结点是不能根据流量情况来改变分组的传送路径的。
形象的比较虚电路与数据报:
有十辆车要从A地到达B地,已知有三条路(可以更多),虚电路就是实现计划好十辆车一起沿着哪一条路到达。
数据包就是让每一辆车自己选路走只要到达B就可以。
比较电路交换、报文交换和分组交换的主要优缺点。
(1)电路交换:
由于电路交换在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路(由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成),因而有以下优缺点。
①由于通信线路为通信双方用户专用,数据直达,所以传输数据的时延非常小。
②通信双方之间的物理通路一旦建立,双方可以随时通信,实时性强。
③双方通信时按发送顺序传送数据,不存在失序问题。
④电路交换既适用于传输模拟信号,也适用于传输数字信号。
⑤电路交换的交换的交换设备(交换机等)及控制均较简单。
①电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长。
②电路交换连接建立后,物理通路被通信双方独占,即使通信线路空闲,也不能供
其他用户使用,因而信道利用低。
③电路交换时,数据直达,不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通
信,也难以在通信过程中进行差错控制。
(2)报文交换:
报文交换是以报文为数据交换的单位,报文携带有目标地址、源地址等信息,在交换结点采用存储转发的传输方式,因而有以下优缺点:
1报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路,不存在连接建立时延,用户可随时发送报文。
2由于采用存储转发的传输方式,使之具有下列优点:
a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施,加之交换结点还具有路径选择,就可以做到某条传输路径发生故障时,重新选择另一条路径传输数据,提高了传输的可靠性;
b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配,甚至收发双方可以不同时处于可用状态。
这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信;
c.提供多目标服务,即一个报文可以同时发送到多个目的地址,这在电路交换中是很难实现的;
d.允许建立数据传输的优先级,使优先级高的报文优先转换。
3通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路,因而大大提高了通信线路的利用率。
①由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程,从而引起转发时延(包括
接收报文、检验正确性、排队、发送时间等),而且网络的通信量愈大,造成的时延就愈大,因此报文交换的实时性差,不适合传送实时或交互式业务的数据。
②报文交换只适用于数字信号。
③由于报文长度没有限制,而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文,当输
出线路不空闲时,还可能要存储几个完整报文等待转发,要求网络中每个结点有较大的缓冲区。
为了降低成本,减少结点的缓冲存储器的容量,有时要把等待转发的报文存在磁盘上,进一步增加了传送时延。
(3)分组交换:
分组交换仍采用存储转发传输方式,但将一个长报文先分割为若干个较短的分组,然后把这些分组(携带源、目的地址和编号信息)逐个地发送出去,因此分组交换除了具有报文的优点外,与报文交换相比有以下优缺点:
1加速了数据在网络中的传输。
因为分组是逐个传输,可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行,这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。
此外,传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多,这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。
2简化了存储管理。
因为分组的长度固定,相应的缓冲区的大小也固定,在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理,相对比较容易。
3减少了出错机率和重发数据量。
因为分组较短,其出错机率必然减少,每次重发的数据量也就大大减少,这样不仅提高了可靠性,也减少了传输时延。
4由于分组短小,更适用于采用优先级策略,便于及时传送一些紧急数据,因此对于计算机之间的突发式的数据通信,分组交换显然更为合适些。
1尽管分组交换比报文交换的传输时延少,但仍存在存储转发时延,而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
2分组交换与报文交换一样,每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息,使传送的信息量大约增大5%~10%,一定程度上降低了通信效率,增加了处理的时间,使控制复杂,时延增加。
3当分组交换采用数据报服务时,可能出现失序、丢失或重复分组,分组到达目的结点时,要对分组按编号进行排序等工作,增加了麻烦。
若采用虚电路服务,虽无失序问题,但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
若要传送的数据量很大,且其传送时间远大于呼叫时间,则采用电路交换较为合适;
当端到端的通路有很多段的链路组成时,采用分组交换传送数据较为合适。
从提高整个网络的信道利用率上看,报文交换和分组交换优于电路交换,其中分组交换比报文交换的时延小,尤其适合于计算机之间的突发式的数据通信。
5.3传输介质
计算机通信分为两种:
有线通信和无线通信。
有限通信是利用电缆或电话线来充当传输导体;
无限通信是利用卫星、微波、红外线来充当传输导体。
目前,在有线通信线路上使用的传输介质有双绞线、同轴电缆和光导纤维。
5.3.1双绞线
双绞线由按螺旋结构排列的两根绝缘线构成。
线为铜线或铜包钢。
1、可传输数字及模拟信号,具体带宽取决于铜线的粗细、传输的距离和采用的技术。
2、双绞线可分为:
STP屏蔽双绞线和UTP无屏蔽双绞线。
3、多采用点到点的连接方式。
4、抗干扰性取决于适当的屏蔽和线对的扭曲程度,在低频传输时接近于同轴电缆,高频传输时劣于其他有线介质。
5、价格在有线介质中最低。
6、传输距离取决于具体采用的技术,如在模拟传输时很容易到达15km或更大的距离,对100BaseT点到点最大距离为100m。
非屏蔽双绞线电缆具有以下优点:
(1)无屏蔽外套,直径小,节省所占用的空间;
(2)重量轻,易弯曲,易安装;
(3)将串扰减至最小或加以消除;
(4)具有阻燃性;
(5)具有独立性和灵活性,适用于结构化综合布线。
5.3.2同轴电缆
同轴电缆有一根空心的外圆柱导体及其所包围的但跟的导线组成。
同轴电缆根据其直径大小可以分为:
粗同轴电缆与细同轴电缆。
粗缆适用于比较大型的局部网络,它的标准距离长,可靠性高,由于安装时不需要切断电缆,因此可以根据需要灵活调整计算机的入网位置,但粗缆网络必须安装收发器电缆,安装难度大,所以总体造价高。
相反,细缆安装则比较简单,造价低,但由于安装过程要切断电缆,两头须装上基本网络连接头(BNC),然后接在T型连接器两端,所以当接头多时容易产生不良的隐患,这是目前运行中的以太网所发生的最常见故障之一。
细同轴电缆优缺点:
价格低
安装方便(T型连接器、BNC接头、Terminator)
抗干扰能力强
距离短
可靠性差
粗同轴电缆优缺点:
价格稍高
安装方便(收发器、收发器电缆、Terminator)
抗干扰能力强
距离中等
可靠性好
5.3.3光纤
由三个同心部分组成:
纤芯、包层和护套。
光纤可由朔料、玻璃或超高纯石英玻璃组成,不同的材料构成的光线的损耗、传输距离和价格也不同。
光纤通过光信号的有无来表示二进制信号0和1。
在发送方需要电光转换设备,在接收方有光电转换设备。
光纤可分为单模光纤和多模光纤,如下图:
光纤的优点:
频带宽(单模可达3.3GHz)
衰减小
不易受到干扰
细、重量轻
保密性能好
传输距离远
价格昂贵,包括本身和配套设备
安装续接复杂
光的单向传输
5.3.4无线传输介质
使用电磁波或光波携带信息
无需物理连接
适用于长距离或不便布线的场合
易受干扰
1、无线电短波考电离层的反射来实现通信,不稳定,通信质量差,速率低。
2、无线电微波通信的两种主要方式:
地面微波接力和卫星通信
卫星通信:
通信技术的指标和术语
两类传输介质
1、比较电路交换、报文交换和分组交换的优缺点
2、比较同步传输和异步传输的优缺点
3、简单说明各种传输介质的特点
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