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带你读《计算机网络原理》之三:数据通信技术

简介: 本书以层次化的网络体系结构为线索,针对通信子网功能详细地介绍了计算机网络的基本概念及数据通信的基本原理。

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第3章 数据通信技术

3.1 概述

通信是为了交换信息(information),而数据(data)是信息的载体。信息涉及数据所表达的内涵,而数据涉及信息的表现形式,它可以是话音、数值、文本、图形和图像等,数据是通信双方交换的具体内容。
一个数据通信系统包括信源、发送设备、传输系统、接收设备和信宿5个部分,简单情况下传输系统可以只有一条信道。数据通信系统的基本目标就是将信源的数据可靠地传输到信宿。
数据可以有模拟数据(analog data)和数字数据(digital data)之分。模拟数据是随时间连续变化的函数,在一定范围内有连续的无数个值。模拟数据在现实世界中大量存在,比如我们说话的声音就是一个典型的例子。数字数据是离散的,只有有限个值。如数字计算机的电路只有高、低两种电平状态,分别表示二进制数字“1“和“0“,它们采用某种编码方式,编写为计算机系统所使用的二进制代码,用这些代码表示的数据就是数字数据。
数据是通过信号(signal)进行传输的,信号是数据传输的载体。数据在发送前要把它转换成某种物理信号,基于信号的某些特征参数可以表示所传输的数据,比如电信号的电平,正弦电信号的幅值、频率和相位,电脉冲的幅值、上升沿和下降沿,光脉冲信号的有和无,等等。实质上,这些信号在媒体中都是通过电磁波(electro-magnetic wave)进行传输的,因此也可以说,信号是数据在媒体中传输的电磁波表现形式。
与数据一样,信号也有模拟信号和数字信号之分。模拟信号是表示数据的特征参数连续变化的信号,而数字信号则是离散的信号。例如,把模拟的话音转换为电信号进行传输,使电信号的幅值与声音大小成正比,它是幅值连续变化的模拟信号。如果把二进制代码的“l“和“0“直接用高、低两种电平信号表示,并直接进行传输,那么这种信号的幅值只有离散的两种电平,是一种数字信号。
信号是在信道(channel)上传输,信道是信号传输的通道。信道一般指连接信号发送方和接收方的传输线路,包括铜缆、光纤等有线传输媒体和微波、红外等无线传输媒体。“信道“这个词应用得较为广泛,在不同的背景下可能表示不同的、更为广义的内涵。比如一条由4个粗缆网段组成的以太网信道,除了传输媒体外,它还包含3个中继器,这些中继器可以在物理层对信号进行放大、整形和转发,此时的以太网信道就超越了普通传输媒体的概念,包含了物理层的一些协议功能。
使用模拟信号传输数据的信道称为模拟信道,使用数字信号传输数据的信道称为数字信道。数字信道具有更优的传输质量,它传输的是由二进制“l“和“0“对应的数字信号,一般编码为高/低电平、脉冲上升/下降沿、有/无光脉冲等两种状态,因而有相当大的容差范围,即使传输过程中出现轻微的信号变形,也不会影响到接收端的判断,正确还原的概率非常高。
一般来讲,模拟数据用模拟信号表示,在模拟信道传输;数字数据用数字信号表示,在数字信道传输。传输模拟信号的通信系统称为模拟传输系统(analog transmission system),传输数字信号的通信系统则称为数字传输系统(digtal transmission system)。
历史上,电话系统一直在通信领域占据统治地位,它是一个经典的模拟传输系统。早先,模拟的话音转换成模拟电信号后直接在模拟信道上传输。后来,随着数字技术的发展,很多国家把电话主干线改造为数字干线,先将模拟话音转换为数字数据,然后在数字干线上传输,这就是模拟话音的数字传输方式。
在计算机网络中,信源和信宿都是计算机设备,它们之间交换的是数字数据。一般而言,计算机网络使用数字信号在数字信道上进行传输,称为基带传输。基带传输不是简单地把数字数据的二进制位直接对应为高低电平加到通信线路上传输,而是先按一定方式编码(coding)后再变成对应的物理信号在线路上传输,到了接收端再进行解码(decoding)。这种编解码不同于文字、语音和图像等应用数据的编解码,被称为线路编解码或信道编解码。
计算机网络的数字数据有时也借助于模拟信道传输,称为频带传输。因为这样可以利用已有的非常普遍的模拟电话网,通过它来传输计算机的数字数据,可以节省大量的线路投资。为了在模拟信道上传输数字数据,要先将数字数据调制(modulation)为模拟信号再发送,到了接收端再进行解调(demodulation)。
为了提高传输线路的利用率,数据通信中广泛使用多路复用(multiplexing)技术。在模拟信道上使用频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM),它将信道划分为多个频段以传输多路信号。在数字信道上使用时分多路复用(Time Division Multiplexing,TDM),即将单位传输时间分割为多个时隙以传输多路信号,它是数据通信的主流技术。对于光信号的传输,还有波分多路复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM),该技术能够充分挖掘光纤的巨大带宽潜力。
上述的概念和技术属于数据通信(data communication)领域。“数据通信“一词是计算机参与到通信系统之后出现的,它提供了有别于原电话和电报的数据传输业务。数据通信进行的是编码后的数字数据的传输和处理,与“计算机网络通信“是同义语,如美国著名的期刊《Data Communications》,现在其所刊登的文章很大一部分都是计算机网络领域的论文。

3.2 数据通信理论基础

3.2.1 傅里叶分析

任何周期信号都是由一个基波信号和各种高次谐波信号合成的,按照傅里叶分析方法,可以把一个周期为T的复杂函数g(t)表示为无限个简单的正弦和余弦函数之和:
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由于基频包含了信号的大部分能量,因此,如果信号的基频和部分谐波能通过信道,那么一般来说,接收到的信号是可以被识别的。

3.2.2 周期矩形脉冲信号的频谱特性

所谓信号的频谱特性是指组成周期信号的各次谐波的振幅按频率的分布图,这样的频谱图以频率f为横坐标,相应的各种谐波分量的振幅u为纵坐标,如图3-1a所示,图中谐波的最高频率fh与最低频率fl之差(fh - fl)称为信号的频带宽度,简称信号带宽。与信号带宽紧密关联的另外一个概念就是信道带宽,它是指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的 倍的两个频率之间的区间宽度,如图3-1b所示。为了降低信号在传输过程中的失真,信道必须要求足够的带宽。
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图3-2a给出了一个周期性矩形脉冲示意图,其幅值为A,脉冲宽度为τ,周期为T,对称于纵轴。尽管这是一个最为简单的周期函数,实际数据中的脉冲信号比这要复杂得多,但是通过这个简单周期函数的分析,能够得出关于信号带宽的一个重要结论。
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由该式可得周期性矩形脉冲的频谱图,如图3-2b所示,图中的横轴用x表示,纵轴用规一化幅度an/a0表示(,,当x趋于无穷大时,an/a0的值趋于0)。从图中可以看出,谐波分量的频率越高,其幅值越小。因此可以认为信号的绝大部分能量集中在第一个零点的左侧,在第一个零点处x = π。若取n = 1,则有τ = T。我们定义周期性矩形脉冲信号的带宽为B = f = 1/T = 1/τ,从中可以发现:信号带宽与其脉冲宽度成反比,与之相对应的结论就是传送的脉冲频率越高,即脉冲宽度越窄,要求信道的带宽就越大。
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3.3 数据通信系统模型

3.3.1 数据通信系统基本结构

如图3-3所示的是两台PC经过普通电话通信网络的数据通信过程,从该图可以看出:一个数据通信系统大致可以划分为三个部分,即源系统、传输系统和目的系统。
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源系统一般包括以下两个部件。
1)源点:源点设备产生通信网络要传输的数据,如用户输入PC中待发送的文本,产生输出的就是数字比特流,源点又称源站。
2)发送器:通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。例如,调制解调器将PC输出的数字比特流转换成能够在用户电话线上传输的模拟信号。
与源系统相对应,目的系统一般也包括以下两个部件。
1)接收器:接收传输系统传送过来的信号,并将其转换为能够被终点设备处理的信息。例如,调制解调器接收来自传输线路上的模拟信号,并将其转换成数字比特流。
2)终点:终点设备从接收器获取传送来的信息,终点又称目的站。
传输系统位于源系统和目的系统之间,它可以是简单的物理通信线路,也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

3.3.2 数据与信号

数据是承载信息的实体,而信号则是数据的电气或电磁的表现。无论是数据还是信号,都可以划分为模拟的和数字的两种类型。所谓“模拟的“就是连续变化的,而“数字的“则表示取值仅允许为有限的若干离散数值,如图3-4所示。例如,数字数据就是取值为不连续数值的数据。
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虽然数字化已成为当今的趋势,但这并不等于说,使用数字数据和数字信号就一定是“先进的“,而使用模拟数据和模拟信号就一定是“落后的“。数据究竟应当是数字的还是模拟的,是由所产生的数据的特性决定的。例如,当我们说话时,声音大小是连续变化的,因此表示话音信息的声波就是模拟数据。数据必须转换为信号后才能在物理媒体上传输,而有的物理媒体比较适合传送模拟信号;因此,即使数据是数字形式的,有时我们仍要将数字数据转换为模拟信号后方能在这种媒体上传输,将数字数据转换为模拟信号的过程称为调制。
明白了上述基本概念后,就可以理解图3-3所示的数据通信系统基本结构了。这里要指出的是,如果网络的传输信道都适合传送数字信号,那么PC输出的数字比特流就没有必要再转换为模拟信号。但如果要使用一段模拟电话线,就必须使用调制解调器的调制功能将PC输出的数字信号转换为模拟信号。在公用电话网中,交换机之间的中继线路已经完全数字化了,因此模拟信号还必须转换为数字信号才能在数字中继线路上传输。等到信号要进入接收端的模拟电话线时,数字信号被还原成模拟信号,最后经过调制解调器的解调功能转换为数字信号进入接收端的计算机,经计算机处理后恢复成正文。
一般来说,模拟数据或数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号,这样就构成了4种组合情况。
1)模拟数据、模拟信号:最早的模拟电话系统就是这样的。
2)模拟数据、数字信号:将模拟数据转化成数字形式后,就可以使用先进的数字传输和交换设备。
3)数字数据、模拟信号:为适应有些场合下物理媒体只能传输模拟信号,必须将数字数据调制为模拟信号后才能传输。
4)数字数据、数字信号:数字数据变换成数字信号的编码设备比数字数据变换成模拟信号的调制设备要简单、廉价,当前的主流通信系统都是该种情形。
图3-5给出了模拟数据、数字数据、模拟信号与数字信号之间的组合通信示意图。

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3.3.3 信道通信方式

在数据通信系统中,我们要经常使用“信道“(channel)这一术语,信道和电路并不等同。信道一般是指用来表示往某一方向传送信息的媒介通道,因此,一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
从通信双方交互方向来看,数据通信有3种基本方式,即单工通信、半双工通信和全双工通信,图3-6给出了各自的工作过程。
(1)单工通信
如图3-6a所示,在单工通信中,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,发送方和接收方的角色是固定的,如无线电广播就是单工通信的典型例子。但在数据通信系统中,接收方要对接收的数据进行检验,检出错误要求发送方重传原数据,对于正确接收的数据也要返回确认信号,因此就必须附有一条反向控制信道,用于传送确认信号、请求重发信号等监视信号,如图中的虚线所示。
数据通信系统很少采用单工通信方式。
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(2)半双工通信
如图3-6b所示,在半双工通信中,数据信号既可从A(图中的左边站点)传到B(图中的右边站点),也可由B传到A,但不能在两个方向上同时进行传输,如小范围内使用的报话机就是典型的半双工通信系统。通信的双方都有发送器和接收器,但信道一次只能容纳一个方向的传输,由一方发送变为另一方发送就必须切换信道方向。例如,A站把发送器连接到线路上,B站相应地把接收器连接到线路上,A站向B站就可发送数据信号。当B站要发送数据信号时,B站要将接收器与线路断开,把发送器连接到线路上,同时A站相应地将发送器与线路断开,并把接收器连到线路上,信道方向改变了,这时B站就可向A站发送数据信号了。这种在一条信道上,用开关进行转换,实现A→B与B→A两个方向的交替通信,称为半双工通信,或称为单工信道的半双工系统。
由于在数据传输过程中频繁切换信道方向,所以半双工通信效率较低,但可节省传输线路资源,在局域网中得到了广泛应用。
(3)全双工通信
如图3-6c所示,在使用全双工通信中,两个站点间允许在同一时刻进行双向传输数据信号,它相当于把两个相反方向的单工通信信道组合在一起。与半双工通信相比较,全双工通信的效率高,但它的结构复杂,成本也比较高。

3.3.4 数据传输方式

信道上传送的信号有基带(baseband)信号、频带(frequency-band)信号和宽带(broadband)信号之分,与之相对应的数据传输则分别称为基带传输、频带传输和宽带传输。
(1)基带传输
基带信号是指信源直接输出的原始数据信号,它可以是数字的,也可以是模拟的。例如在计算机等数字设备中,二进制数字序列最方便的电信号形式表现为方波,即“1“或“0“分别用高(或低)电平或低(或高)电平表示,这种方波信号实际上就是数字基带信号;而模拟电话机输出的话音信号则是模拟基带信号。在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输,一般来说,需要将信源的数据变换成可直接传输的数字基带信号。在发送端由编码器实现编码,在接收端由译码器进行解码,恢复发送端原始发送的数据。基带传输是一种最简单的传输方式,常用于局域网中。
数字基带信号的频谱基本上是从零频率或很低频率开始一直扩展到很宽,甚至包含有直流成分,如果直接传送这种基带信号,就要求信道具有从直流到高频的全部频率特性。基带传输容易导致基带信号发生畸变,主要是因为传输线路中分布电容和分布电感的影响,故其传输距离受到一定的限制。
(2)频带传输
当实现远距离通信时,经常借助于电话系统,尽管电话系统能够为众多的电话用户提供令人满意的传输服务,但如果直接在这样的电话通信系统中传送基带信号,且不采取适当的措施,则数据传输的误码率会变得非常高,无法向用户提供满意的传输服务。
基带信号通过电话通信系统后会产生严重的畸变,造成这一现象的原因有以下几点。
1)源端发送的基带信号包含有各种频率成分,其中的一部分已经落到电话线路所能通过的频率范围之外,这些频率成分是不能通过电话线路的。由于接收端接收的信号中缺少了这部分频率成分,因此使得信号产生了失真。
2)在能够通过电话线路的频率成分中,各频率成分经受的衰减和时延存在差异,这也会导致信号失真。
3)电话线路中存在的噪声和各种干扰信号会导致信号失真。
数字通信靠机器来判定接收到的码元。接收端一般是在每个码元的中间产生一个采样时刻,并在这个采样时刻对收到的信号进行判定。尽管轻微的信号变形不会影响对0、1数据的判定结果,但失真严重时也会出现差错,即产生了误码。若传送的码元速率越快,则电话线路产生的失真就越严重。
为了解决数字信号在模拟信道中传输产生的失真问题,须利用频带传输方式。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。因此,当采用频带传输方式时,要求在发送端安装调制器,在接收端安装解调器。当实现全双工通信时,则要求收发两端都安装调制解调器(modem)。利用频带传输不仅解决了数字信号可利用电话系统传输的问题,而且可以实现多路复用。
(3)宽带传输
宽带传输实质上是相对一般频带传输而言的宽频带传输。在数据通信的早期,宽带是指比音频带宽更宽的频带,使用这种宽频带传输的系统称为宽带传输系统。宽带传输借助频带传输,可以将链路容量分解成两个或更多的信道,每个信道可以携带不同的信号,这就是宽带传输。
宽带传输在不同时期的含义略有不同,早期是指利用宽带同轴电缆在0~300MHz的频带上传输信号的技术,使用时通常将宽的频带划分为若干个子频带,并利用这些子频带分别传输音频信号、视频信号以及数字信号。当前的宽带接入是指网络接入速率超过2Mbit/s的传输技术,如ADSL、Ethernet等,而宽带骨干则是指以密集波分复用技术为代表的光纤传输技术。

3.4 传输媒介

传输媒介又称传输媒体或传输介质,它是计算机网络中连接发送器和接收器的物理通道。传输媒介一般可分为两大类,即导向传输媒介(guided media)和非导向传输媒介(unguided media)。在导向传输媒介中,电磁波被导向沿着固体媒介传播,习惯性地被称为有线传输;而非导向传输媒介就是指自由空间,在非导向传输媒介中,电磁波的传输常称为无线传输。
计算机网络常用的传输媒介主要包括同轴电缆、双绞线、光纤、微波、红外线和卫星,其中前3种属于导向传输媒介,后3种属于非导向传输媒介。

3.4.1 电磁波谱

当电子运动时,它们产生可以自由传播的电磁波,这种波由英国科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clark Maxwell)于1865年预言,并且于1887年由德国物理学家赫兹首次发现。电磁波每秒振动的次数称为频率,单位为赫兹。
在真空中,所有的电磁波以相同的速度传播,与其频率无关。该速度通常被称为光速,大约为3×108m/s;而在铜线或光纤中,速度大约降低到原来的2/3,并且变得与频率相关。电磁波的真空传播速度是极限速度,没有任何信号能够超过它。
电磁波的频率f、波长λ及其在真空中的传播速度c的基本关系为:
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电磁波的频谱分布如图3-7所示。无线电波、微波、红外线和可见光部分都可通过调节振幅、频率和相位来传输信息。紫外线、X射线和γ射线尽管频率更高,但是很难生成和调制,穿过建筑物传播的性能也不好,且对生物有害,这些频段目前还不能用于数据传输。图3-7底部列出了各频率段的正式ITU名称,划分的依据是波长。LF频率范围为30kHz~300kHz(1km~10km),LF、MF和HF分别指低频、中频、高频,而VHF、UHF、SHF、EHF、THF则分别代表甚高频、特高频、超高频、极高频和巨高频。
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电磁波可承载的信息量与它的带宽紧密相关。对式(3-1)进行变换求f,并对λ求微分,得:
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如果以有限微分代替微分,并且仅取绝对值,则有:
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因此,一旦给出了频段的宽度Δλ,就可以计算相应的带宽Δf,接下来就可以根据编码方案计算该频段的数据传输速率。由式(3-3)可以发现,频段的波长越短,则对应的带宽越宽。例如,对于光纤的1310nm波段而言,λ = 1.3×10-6m,Δλ = 0.17×10-6m,则Δf大约为30THz。

3.4.2 双绞线

双绞线也称双扭线,它是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是电话系统中用户电话机到端局交换机之间的连接线路,通常将一定数量(2~1800对)的双绞线捆成电缆,在其外面包上硬的护套以提高它的机械拉伸力度,计算机网络使用的双绞线电缆通常包含2对或4对双绞线。
双绞线可以支持模拟传输和数字传输,其最大传输距离一般为十几千米。距离太长时就要加上放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值(对于模拟传输),或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形(对于数字传输)。铜导线越粗,其可通信距离就越远,但导线的价格也越高。
由于双绞线的价格便宜且性能不错,因此使用十分广泛,主要用于星形网络拓扑结构,即以集线器或网络交换机为中心、各网络终端通过一对双绞线与之连接,这种拓扑结构非常适用于结构化综合布线系统,可靠性高;当任一连线发生故障时,故障不会影响到网络中的其他计算机,对于故障的诊断和修复比较容易。
为了提高双绞线的抗电磁干扰能力,可以在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair,STP),它的价格比无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair,UTP)贵。图3-8是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。
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1991年,美国电子工业协会(EIA)和电信工业协会(T'IA)联合发布了标准EIA/TIA-568,该标准规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的要求。随着局域网上数据传送速率的不断提高,EIA/TIA在1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A,此标准规定了5个种类的UTP标准(从1类线到5类线),对传送数据来说,现在最常用的UTP是5类线(Category 5或CAT 5)。5类线与3类线的主要区别在于:一方面,增加了每单位长度(英寸)的绞合个数,3类线的绞合长度是7.5~10cm,而5类线的绞合长度是0.6~0.85cm;另一方面,5类线在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心的设计,并在生产中加以严格的控制,使干扰在一定程度上得以抵消,从而提高了线路的传输特性。局域网常用3类、4类和5类双绞线,为了适应不断提高的网络速度,近来又出现了超5类、6类和7类双绞线,其中6类双绞线可满足千兆以太网的连线要求。
最后需要指明的是,双绞线能够传输的数据速率除了受导线类型和传输距离的影响外,还与数字信号的编码方法有着很大的关系。

3.4.3 同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线、隔离材料、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护性塑料外层所组成,如图3-9所示。内导体可以是单股的实心导线,也可以是多股绞合线;外导体可以是金属箔,也可以是编制的网状线。由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆具有很好的抗干扰特性,被广泛用于较高速率的数据传输。
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同轴电缆按特征阻抗的不同可以划分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种类型。
(1)基带同轴电缆
基带同轴电缆的屏蔽层是用网状铜丝编织而成,特征阻抗为50Ω,如RG-8、RG-58等,主要用于在数据通信中传送基带数字信号。基带同轴电缆以10Mbit/s的速率在1km距离内传送基带数字信号是完全可行的,但随着传输速率的增加,所能传送的距离就变短了。在早期局域网中广泛使用这种同轴电缆作为物理媒介。
根据同轴电缆的直径粗细,基带同轴电缆又可分为粗缆(2.54mm,Base5)和细缆(1.02mm,Base2)两种。粗缆适用于覆盖范围较大的局域网,它的连接距离长、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和收发器电缆,安装难度较大,总体造价高。相反,细缆安装则比较简单、造价低,但由于安装过程中要切断电缆,两头装上基本网络连接(BNC)头,然后接在T型连接器两端,所以当接头多时容易产生接触不良的隐患,这是早期以太网发生的最常见故障之一。
为了保证同轴电缆具有良好的电气特性,电缆屏蔽层必须接地,同时在电缆的两侧尽头要连接有50Ω的终端匹配器来削弱信号反射作用。
粗缆和细缆都只能用于总线拓扑结构,适应于机器密集的网络应用环境。但是,当任一连接点发生故障时,不仅故障影响串接在整根电缆上的所有机器,而且它的诊断和修复都十分麻烦,基于此,基带同轴电缆已逐渐被双绞线或光缆所替代。
(2)宽带同轴电缆
宽带同轴电缆的屏蔽层是用铝箔缠绕而成,特征阻抗为75Ω,如RG-59等,是有线电视(CATV)系统中的标准传输电缆,主要用于模拟传输系统。
宽带同轴电缆用于传送模拟信号时,其带宽可高达500MHz以上,传输距离可达100km。宽带电缆通常都划分为若干个独立信道,例如,每一个6MHz的信道可以传送一路模拟电视信号。当一个6MHz信道用来传送数字信号时,数据率一般可达3Mbit/s。由于在宽带系统中总是要用到放大器来放大模拟信号,而这种模拟放大器只能单向工作,因此在宽带电缆的双工传输中,一定要有两条分别用于数据发送和接收的数据通路,采用双电缆系统和单电缆系统都可以达到这个目的,如图3-10所示。
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双电缆宽带网络拓扑结构一般为树形,两套电缆是一样的,分别供计算机发送和接收信号之用。由于发送和接收采用的是不同的电缆,因此可以采用同样的频率。顶端器(headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来的信号转换到接收电缆,使得各计算机均能从接收电缆上收到发送给它们的信号。在简单的情况下,顶端器可以是无源的,但当电缆较长时,也可在顶端器和电缆线路中增加放大器,使接收电缆上的信号有足够的强度。
单电缆宽带网络是在同一条电缆上进行双向通信,它是把电缆频带分成相互独立的两部分,各计算机使用低频段发送信号,顶端器收到后进行变频,将信号在高频段转发出去,然后各计算机再接收这些信号。虽然单电缆系统只需一条电缆,但可用的频带带宽却只有双电缆系统的一半。
另外,从图3-10可以看出,顶端器是宽带同轴网络的核心部件,其可靠性十分重要,一旦顶端器出现故障,整个网络就会瘫痪。

3.4.4 光纤

光纤通信就是利用光导纤维(简称为光纤)传递光脉冲来进行数字通信。有光脉冲相当于1,而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高,约为108MHz的量级,因此光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒介的带宽。
光纤是光纤通信系统的传输媒介,在发送端有光源,可以使用发光二极管或半导体激光器,它们在电脉冲的作用下产生光脉冲。而在接收端则利用光敏二极管制作成光检测器,在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
光纤通常由非常透明的石英玻璃或塑料拉成细丝,主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细,其直径只有8~100μm,光波信号正是通过纤芯进行传导的。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒介射向低折射率的媒介时,其折射角将大于入射角,如图3-11所示。因此,如果入射角足够大,就会出现全反射,即光线碰到包层时就会完全反射回纤芯,这个过程不断重复,光也就沿着光纤一直传输下去,图3-12描述了光信号在纤芯中的完整传播过程。现代的生产工艺可以制造出超低损耗的光纤,即做到光信号在纤芯中传输数千米而基本上没有什么衰耗。这一点正是光纤通信得到飞速发展的关键因素。
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图3-12仅仅画了一束光线的传播过程,实际上,只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度,都会产生全反射。因此,可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输,这种光纤就称为多模光纤,如图3-13a所示。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽,造成失真,因此多模光纤只适合近距离传输。若纤芯的直径减小到只有单个光波的波长,则光纤就像一根波导那样,它可使光线一直向前传播,而不会产生反射,这样的光纤就称为单模光纤,如图3-13b所示。单模光纤的纤芯很细,其直径只有几个微米,制造成本较高,同时单模光纤的光源只能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,但单模光纤的衰耗较小,在2.5Gbit/s的传输速率下可传输数十千米而不必采用中继器。
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光纤的传输特性并不是平坦的,对不同频率的光衰减程度不尽相同,如图3-14所示。在经常使用的频率范围内有3个衰减较小的波段,各自的中心分别位于0.85μm、1.31μm和1.55μm处,其中1.31μm处的损耗值可达到0.5dB/km以下,1.55μm处的损耗值可达到0.2dB/km以下。上述3个波段都能够提供25 000~30 000GHz的带宽,除此之外,光纤还可以使用其他衰减系数较大的波段,可见光纤的通信容量非常大。
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由于光纤非常细,即使加上包层,直径也不到0.2mm,因此必须将光纤做成很结实的光缆才能够满足实际敷设的拉伸需求。一根光缆少则只有一根光纤,多则可包括数十至数百根光纤,再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套,就可以使抗拉强度达到几千克,完全可以满足工程施工的强度要求。
光纤通信不仅具有通信容量非常大的优点,而且具有其他一些特点。

  • 传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济。
  • 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的通信环境下尤为重要。
  • 无串音干扰,保密性强,不易被窃听或截取数据。
  • 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。例如,1km长的1000对双绞线约重8000kg,而同样长度但容量大得多的一对光纤仅重100kg。

但光纤也有一定的缺点,这就是要将两根光纤精确地连接需要专用设备,目前光电接口较贵,但随着技术的进步,价格在逐年下降。

3.4.5 无线媒介

大气和外层空间是提供电磁波信号传播的无线型介质,它们不为信号提供导向,这种传输形式称为无线传输。无线传输有两种基本方法:定向的和全向的。一般来说,信号频率越高,越有可能将其聚焦成定向的电磁波束。而使用较低频率传输的信号是全向的,传送的信号呈球状扩散,很多天线都能收到。使用定向方法时,天线发射出聚焦的有方向性的高频电磁波束,因此传送和接收的天线必须仔细对齐。
(1)微波通信
微波通信在无线数据通信中占有重要地位,微波的频率范围为300MHz~300GHz,但主要是使用2~40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播,且能够穿透电离层而进入宇宙空间,因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。这样,微波通信就有两种主要的方式,即地面微波接力通信和卫星微波通信。
由于微波在空间是直线传播,而地球表面是一个曲面,因此其传播距离受到限制,一般只有50km左右。但若采用100m高的天线塔,则传播距离可增大到100km。为实现远距离通信,必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站,其作用在于把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站,俗称“微波接力“通信。20世纪的长途电话业务多使用4~6GHz的频率范围,微波设备信道容量多为960路、1200路、1800路和2700路话音,我国执行的是960路。
微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息,其主要特点如下。

  • 微波波段频率很高,其频段范围也很宽,因此其通信信道的容量很大。
  • 因为工业干扰和噪声干扰的主要频谱成分比微波频率低得多,对微波通信的危害比对短波和毫米波通信小得多,因而微波传输质量较高。
  • 与相同容量和长度的电缆通信比较,微波接力通信建设投资少,见效快。

当然,微波接力通信也存在如下一些缺点。

  • 相邻站之间必须直视,不能有障碍物。有时一根天线发射出的信号会分成几条略有差别的路径到达接收天线,因而造成失真。
  • 微波的传播有时会受到恶劣天气的影响。
  • 对大量中继站的使用和维护需要耗费一定的人力和物力。

卫星通信是卫星微波通信的简称,是指在地球站(或地面站)之间利用位于约36 000km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星就是位于太空位置的无人值守的微波通信中继站,由此可见,卫星通信的主要优缺点大体上和地面微波通信的差不多。卫星通信的最大特点是通信距离远,且通信费用与通信距离无关。同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达18 000多千米,只要在地球赤道上空的同步轨道上等距离地放置3颗相隔120度的卫星,就能基本上实现全球通信。
卫星通信的一个显著特点就是具有较大的传播时延。由于各地球站的天线仰角并不相同,因此不管两个地球站之间的地面距离是多少,从一个地球站经卫星到另一个地球站的传播时延在250~300ms之间,计算时一般可取值为270ms。这和其他通信系统有较大差别,对比之下,地面微波接力通信的传播时延一般为3.3μs/km。
卫星通信非常适合于广播通信,因为它的覆盖面很广。但从安全方面考虑,卫星通信与地面微波接力通信一样,保密性较差。通信卫星本身和发射卫星的火箭造价都较高。受电源和元器件寿命的限制,同步卫星的使用寿命一般只有7~8年,加之卫星地球站的技术较复杂,价格比较贵,这些因素都是选择卫星通信时需要全面考虑的。
(2)激光传输
在空间传播的激光束也可以调制成光脉冲以传输数据。与地面微波一样,可以在视野范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收器进行通信。由于激光的频率比微波的更高,因而可获得更宽的带宽。激光束的方向性比微波束的要好,不受电磁干扰的影响,不怕偷听。但激光穿越大气时会衰减,特别是在空气污染、下雨有雾、能见度很差的情况下,可能会使通信中断。一般来说,激光束的传播距离不能太远,因此只能在短距离通信中使用,当距离较长时只能用光缆代替。
(3)红外线通信
红外线通信近来也经常用于短距离的无线通信中,红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统。这种系统所用的红外光发射器和接收器与光纤通信中使用的类似,也常见于家电(如电视机、空调等)的遥控装置中。红外通信的设备相对便宜,可获得高的带宽,这是红外线通信方式的优点。而其缺点是传输距离有限,而且易受室内空气状态(如有烟雾等)的影响。
红外线和微波之间的重要差异是前者不能穿越墙壁,这样,微波通信所遭遇的安全和干扰问题在这里不再出现,此外,红外线也不存在频率分配问题。
(4)短波通信
无线电短波通信早就用在计算机网络通信中了,已经建成的无线通信局域网使用了甚高频VHF(30~300MHz)和超高频(300~3000MHz)的电视广播频段,这个频段的电磁波是以直线方式在视距范围内传播的,所以用作局部地区的通信是很适宜的。短波通信设备比较便宜,便于移动,没有像地面微波站那样的方向性,加上中继站可以传送很远的距离。不过,该种通信方式也容易受到电磁干扰和地形地貌的影响,而且通信带宽比更高频率的微波通信要小很多。

3.5 数据编码

数据编码是实现数据通信最基本的一项工作,除了用模拟信号传送模拟数据不需要编码外,数字数据在数字信道上传送须进行数字信号编码,数字数据在模拟信道上传送须调制编码,模拟数据在数字信道上传送更是需要进行采样、量化和编码过程。

3.5.1 信号编码

对于数字信号传输,最直接的方法就是用两个电压电平来表示两个二进制数字。例如,无电压(也就是无电流)表示0,正电压表示1,如图3-15a所示的不归零制(Non-Return to Zero,NRZ)编码。
不归零制编码存在若干缺点。第一,它难以界定一个数据位的结束和另一个数据位的开始,需要有某种机制保证发送器和接收器之间的定时或同步。第二,如果连续传输1或0的话,那么在传输时间内将有累积的直流分量,这样,在数据通信设备和所处环境之间提供良好的绝缘的交流耦合就难以实现。第三,直流分量可使连接点产生电蚀或其他损坏。能够克服上述缺点的候选编码方案就是曼彻斯特编码。
图3-15b中所示的是曼彻斯特编码,这种编码通常用于局域网的数据传输,如以太网。在曼彻斯特编码方式中,每一位的中间有一个跳变,该跳变可以作为时钟控制信号,而跳变方向又可以作为数据信号,从高电平跳向低电平表示比特1,从低电平跳向高电平表示比特0。相对于不归零制编码而言,曼彻斯特编码尽管有着不少优势,但也有明显的不足,即消耗的传输带宽要多一倍。
还有一种常用的编码方案是差分曼彻斯特编码,如图3-15c所示,它的特点为0、1数值是由每个位周期开始的边界是否存在跳变来确定的,每个位周期开始的边界有跳变代表“0“,无跳变则代表“1“,与跳变的方向无关。位周期的中间跳变仅代表时钟控制信号。
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3.5.2 调制编码

数字数据在模拟信道上传输的基础就是调制技术,调制需要一种称为载波信号的连续的、频率恒定的信号,载波可用Acos(ωt + φ)表示。图3-16给出了对数字数据的模拟信号进行调制的三种基本形式。

  • 幅移键控法(Amplitude-Shift Keying,ASK),简称调幅。
  • 频移键控法(Frequency-Shift Keying,FSK),简称调频。
  • 相移键控法(Phase-Shift Keying,PSK),简称调相。

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在幅移键控法(ASK)方式下,用载波频率的两个不同的振幅来表示两个二进制值。例如,用振幅为零的载波表示二进制数据“0“,而用振幅不为零的载波表示二进制数据“1“。ASK方式容易受增益变化的影响,因此是一种质量较差的调制技术。
在频移键控法(FSK)方式下,用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值。这种方式也可用于高频(3~30MHz)的无线电传输,甚至还能用于较高频率的使用同轴电缆的局域网络。
在相移键控法(PSK)方式下,利用载波信号的相位移动来表示二进制值。图3-16c是一个二相调制的例子,用相同的相位表示二进制数据“0“,用反相的相位表示二进制数据“1“。也就是说,用相位是否发生变化来表示二进制数据“1“和“0“。相移键控法也可以使用多于二相的相移,如四相调制能把两个二进制数据编码到一个信号中。PSK技术有较强的抗干扰能力,而且比FSK方式更有效。
上述所讨论的各种调制技术也可以组合起来使用,常见的组合是相移键控法和幅移键控法,组合后在两个振幅上均可以分别出现部分相移或整体相移。
如图3-17a所示,可以看到0°、90°、180°和270°的每个位置都有振幅值,其大小由距原点的距离表示。而图3-17b表示另一种组合调制方案,该方案使用振幅和相移的16种组合。因此,图3-17a有8种组合,每波特可以传输3比特;图3-17b有16种组合,每波特可以传输4比特。当图3-17b所示的方案用在2400波特的线路上传输9600bit/s数据时,它被称作正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)。
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3.5.3 模拟数据数字化编码

模拟数据的数字信号编码最典型的例子是PCM。PCM是脉冲编码调制(Pulse Code Modulation)的英文缩写,也称脉冲调制,是一个把模拟信号转换为二进制数字序列的过程。这里先介绍采样定理,然后再介绍脉冲调制过程。
1.采样定理
一个连续变化的模拟信号,假设其最高频率为Fmax,若对它以周期T进行采样取点,则采样频率为F = 1/T,若能满足F≥2Fmax,那么采样后的离散序列就能无失真地恢复出原始的模拟信号,这就是著名的奈奎斯特采样定理。值得指明的是,这里所说的不失真是相对于信号的传输需求而言,信号采样在理论上是绝对存在失真的。
可以证明,从频谱的概念出发,若连续模拟信号存在有限的连续频谱,那么采样后的离散序列的频谱也是周期的,且其基波和连续信号的波形一样,只是幅值相差1/T,而其周期正是采样周期的倒数1/T。由此可以得出结论:只要满足采样定理的条件,那么通过一个理想的低通滤波器,就能使采样后的离散序列的频谱和模拟信号的频谱一样,这是模拟信号数字化的理论基础。
2. PCM
PCM过程包括三个基本步骤,即采样、量化和编码。
采样:每隔一定的时间对连续模拟信号采样,之后,连续模拟信号就成为“离散“的模拟信号。根据采样定理,采样频率F必须满足F≥2Fmax;但F也不能太大,若F太大,虽然能够提升采样质量,但却会大大增加信息计算量,而且效果也不明显。
量化:这是一个分级过程,把采样所得到的脉冲信号根据幅度按标准量级取值,如按四舍五入取整,这样脉冲序列就成为数字信号了。
编码:用一定位数的二进制码来表示采样序列量化后的量化幅度。如果有N个量化级,就应当至少有log2N位的二进制数码。PCM过程由A/D转换器实现,在发送端,经过PCM过程,把模拟信号转换成二进制数字脉冲序列,然后发送到信道上进行传输。在接收端首先经D/A转换器译码,将二进制数码转换成代表原模拟信号的幅度不等的量化脉冲,再经低通滤波器即可还原出原始模拟信号。由于在量化中会产生量化误差,所以根据精度要求,适当增加量化级数即可满足信噪比要求。图3-18描述了一个16位量化级的PCM过程。
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下面以模拟电话信号的数字化为例来说明PCM过程。
为了将模拟电话信号转化为数字信号,必须先对电话信号进行采样。根据奈奎斯特采样定理,只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍,就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4kHz,为计算方便,采样频率就确定为8kHz,相当于采样周期为125μs。
这样,一个话路的模拟电话信号经模数变换后就变为每秒8000个脉冲信号,每个脉冲信号再编码为8位二进制码元。因此一个话路的PCM信号速率为64kbit/s,即8000次/s×8bit/次= 64 000bit/s。需要补充的是:64kbit/s的速率是最早制定出的话音编码的标准速率,随着话音编码技术的不断发展,人们可以用更低的数据率来传送同样质量的话音信号,现在已经能够用32kbit/s、16kbit/s,甚至8kbit/s以下的数据率来传送一路话音信号。

3.6 数据通信性能指标

3.6.1 时延

计算机网络中,时延(delay)是指一个数据块(帧、分组、报文段等)从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。一般而言,时延由以下3个部分组成。
(1)发送时延(transmission delay)
节点发送数据时把数据块从节点送入传输媒体所需要的时间,即从发送数据块的第一比特开始到发送完最后一比特所花费的时间。发送时延的计算公式为:
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(2)传播时延(propagation delay)
电磁波信号在一定长度的传输信道上传播所需要的时间,即信号从信道的一端传播到另一端所经历的时间。传播时延的计算公式为:
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在真空中,电磁波信号以光速传播,其速度为300 000km/s;而在铜线或光纤中,电磁波信号的速度大约下降到光速的2/3,即200 000km/s,相当于200m/μs。
(3)转发时延(relay delay)
数据块在中间节点(中继器/交换机/路由器等)执行存储转发所引起的时延。不同中间节点引入不同类型的转发时延,但主要包括以下两种类型。

  • 排队时延(queueing delay):数据块在输入和输出缓冲区排队所花费的时间,与网络负载状况紧密有关,不同情形下该时延的数值可能相差较大,是影响转发时延的主要因素。
  • 处理时延(processing delay):进行转发处理数据块所花费的时间,如首部检查、差错检验、端口交换等。

这样,数据块所经历的总时延为上述3种时延之和,即
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时延是衡量计算机网络性能的一项重要指标,各种时延也影响到网络参数的设计。与时延相关的一个概念是往返时间(Round Trip Time,RTT),例如在TCP中,RTT表示从报文段发送出去的时刻到确认返回时刻这一段时间,即在TCP连接上报文段往返所经历的时间,TCP的重传策略设计将会使用到这一概念。
与时延关联紧密的另外一个性能指标就是时延带宽积,它是指信道传播时延与信道带宽的乘积,时延带宽积的单位是比特(位)。
用一个圆柱形管道代表一条传输信道,管道的长度代表信道的传播时延,管道的截面积代表信道的带宽,因此管道的体积就是信道的时延带宽积,表示这一信道可以容纳多少比特。比如,某一信道的传播时延为500μs,带宽为100Mbit/s,则时延带宽积为50 000比特。这就意味着,当发送端发送的第一个比特到达终点时,发送端已发出了50 000比特,这50 000比特充满了整个信道,正在信道上传输。对于传输信道而言,只有在信道的传输过程中充满比特流时,信道才能得到充分的利用。
时延带宽积又称比特长度,即以比特为单位的信道长度。数据链路控制中的ARQ和以太网的性能分析、令牌环和FDDI环网的运行性能分析中都使用了比特长度的概念。而在TCP的窗口比例因子分析设计中也使用了时延带宽积的概念。

3.6.2 传输速率

传输速率是通信系统的重要指标,直接表明了通信系统能够提供的传输能力,根据传输对象的不同,可以区分为信息传输速率和码元传输速率,二者又可以简称为信息速率和码元速率。
(1)信息传输速率
信息传输速率表示信道单位时间内传输的编码前的数字数据的二进制比特数,单位是比特/秒,即bit/s(bit per second)。信息传输速率又称比特率。
通常所说的100兆以太网指的就是其信息传输速率为100Mbit/s,这里包括传输的净负荷以及为控制传输所附加的信息。
(2)码元传输速率
一个数字脉冲称为一个码元,码元传输速率表示单位时间内信号波形的变换次数,即单位时间内通过信道传输的码元个数,单位是波特(Baud)/秒。若信号码元宽度为T秒,则码元速率B = 1/T。码元传输速率在不同的场合下有多个名称,如波特率、调制速率、波形速率或符号速率。
在条件允许的情况下,数字传输可以采用多进制编码方式,以获得更高的信息传输速率。例如在有4种码元状态的多进制编码中,每种码元可以携带2比特数据,此时的比特率等于2倍的波特率。一般情况下,如果码元状态数为M(M通常为2的整数次幂),则信息速率C和码元速率B的关系为:
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例如,对于波特率B = 2000Baud/s,若M分别为2、4和8,则对应的比特率C分别为2000bit/s、4000bit/s和6000bit/s。
码元速率决定了信息速率,而码元速率的大小又与什么因素相关呢?答案就是信道带宽。我们已经知道,数字信号是通过物理信道进行传输的,一旦物理信道确定,其所有物理特性也就随之确定,而描述信道物理特性的一个重要参数就是带宽。带宽受信道的物理材料、加工性能、传输环境以及长度等因素影响,一般认为,通信系统中的信道带宽是一个常数。

3.6.3 可靠性

计算机网络和数据通信系统的可靠性指标一般使用误码率和误比特率表示,它们都是统计型指标。
(1)误码率
衡量通信信道传输质量的一个重要参数是误码率Pc,它是指传输的码元被传错的概率,当传输的码元总数很大时,Pc可以近似定义为:
Pc =传错的码元数 传输的码元总数
(2)误比特率
误比特率又称比特误码率(Bit Error Rate,BER),是指传输的比特被传错的概率,当传输的比特总数很大时,Pb可以近似定义为:
Pb =传错的比特数 传输的比特总数
计算机网络的速率一般使用信息传输速率,即比特率,而传输差错一般使用误比特率,有时简称为误码率。一般而言,当Pb≤10-6时,属于正常通信范围。局域网和光纤传输通常有更低的误码率,随着数字通信技术的进步,通信媒体的误码率还在不断下降,但永远不可能降到零误码率,只能接近于或趋向于该理想值。

3.6.4 信道极限容量

奈奎斯特准则和香农定理给出了通信信道的极限传输能力,称为信道容量,用信道的最大信息传输速率来表示。
(1)奈奎斯特准则
任何通信信道所能通过的频率范围总是有限的,待传送信号中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减,则接收端收到的信号波形前沿和后沿就变得不像发送端那么陡峭,使得每一个码元所占的时间宽度不是十分明确,而是前后都拖了“尾巴“。换言之,接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限,这种现象称为码间串扰。早在1924年,奈奎斯特(H. Nyquist)就给出了一个准则:对于一个带宽为WHz的无噪声低通信道,其最高的码元传输速率Bmax为2倍的W,即
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上式就是著名的奈氏准则,而对于宽带为WHz的理想的带通矩形特性的信道,则奈氏准则就变为最高码元传输速率Bmax = W(Baud),因为理想的带通矩形特性只允许上下限的信号频率成分不失真地通过信道,其他频率成分则不能通过。
如果编码方式的码元状态数为M,那么信道的极限信息传输速率,即信道容量Cmax定义为
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例如,对于带宽为100MHz的5类非屏蔽双绞线,其最高的码元传输速率为200M Baud,如果编码方式的码元状态数M为4,则信道的极限信息传输速率为400Mbit/s。
奈氏准则表明,信息传输速率越快,要求信道的带宽越宽,即对传输媒体和设备的要求就越高。在计算机网络特别是高速计算机网络中,在满足信息传输速率要求的前提下,可以寻求巧妙合适的编码方式,使信号的波特率减小,从而降低对传输媒体和设备的要求。
实际通信中的信道总是存在噪声的,因此,奈氏准则给出的是理论上的上限。
(2)香农定理
噪声总是存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的,它的瞬时值有时会很大,导致接收端对码元的判决产生错误,将1判决为0或将0判决为1。不过,噪声的影响是相对的,如果信号功率相对较强,则噪声的影响就相对较弱。为此,信噪比得以提出,它是指信号的平均功率与噪声平均功率之比,记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位,定义为:
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例如,当S/N = 10时,信噪比为10dB;当S/N = 1000时,信噪比则为30dB。
信息论的创始人香农(C. Shannon)在1948年推导出了有高斯白噪声干扰情况下的信道极限传输速率Cmax,不管使用多么巧妙的编码方式,也不能超过此极限速率,当低于此速率进行传输时,理论上可以不产生差错。这就是著名的香农定理,可以用公式表示成如下形式:
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式中:W为信道的带宽;S为信道内所传信号的平均功率;N为信道内部的高斯噪声功率;S/N为信道的信噪比。例如,对于一条带宽为3.1kHz的标准电话信道,若信噪比为30dB,其信息传输速率不会超过其极限速率31kbit/s。
香农定理表明,信道的带宽越宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高,只要信息传输速率低于信道的极限传输速率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。遗憾的是,香农并没有给出实现极限传输速率的方法。
对于带宽已确定的信道,如果信噪比不能再提高,并且码元传输速率也达到了上限,那么是否还有办法提高信息的传输速率呢?答案是肯定的,这就是用编码方法让每一个码元携带更多的比特信息量。

3.7 信道复用技术

若一条传输线路的传输能力远远超过传输一路用户信号所需的能力,为了提高线路利用率,经常会让多路信号共用一条物理线路,不同的用户信号共用物理线路的方法就是信道复用技术。

3.7.1 频分、时分复用

频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)和时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)是最为常用的信道复用技术,其工作原理分别如图3-19a和图3-19b所示。频分复用较为简单,用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同一时刻占用的是同一媒介的不同带宽资源。而时分复用则是将时间域划分为若干段等长的时分复用帧(TDM帧),每一个时分复用的用户在周期性的TDM帧中占用固定序号的时隙,在分配给自己的时隙内使用全部媒介带宽资源。频分复用和时分复用的优点是技术成熟,缺点是不够灵活,频分复用适合模拟信号的传输,时分复用适合数字信号的传输。
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使用复用技术进行通信时,复用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer)必须成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速线路,复用器的功能是将多路用户信号聚合成高速信号;分用器的作用正好和复用器的相反,它是将高速线路传送过来的数据进行分用,分别送到相应的用户处。
当使用时分复用技术传送计算机数据时,由于计算机数据的突发性质,用户对固定分配到的时隙的利用率往往是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时,那就只能让已经分配给自己的时隙保持空闲,而其他用户也无法使用这个空闲时隙的线路资源。图3-20说明了这一现象,假定有4个用户A、B、C和D进行时分复用,复用器按①→②→③→④的顺序依次扫描用户A、B、C和D的时隙,然后构成一个个时分复用帧。图中共画出了4个时分复用帧,每个时分复用帧有4个时隙。可以看出,当某用户暂时无数据发送时,在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态,其他用户即使一直有数据要发送,也不能额外使用这些空闲的时隙,这使得复用后的通信线路利用率偏低。这种时分复用技术要求用户与时分复用帧的时隙严格同步,通常称之为同步时分复用。
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3.7.2 统计时分复用

统计时分复用(Statistic TDM,STDM)是相对于同步时分复用的一种改进,它能明显地提高通信线路的利用率。集中器(concentrator)是统计时分复用的典型应用。图3-21描述了统计时分复用的工作原理,使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户,然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到远地计算机。
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统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据,但每一个STDM帧中的时隙数必须小于连接在集中器上的用户数,各用户有了数据就可以随时发往集中器的输入缓存,然后集中器按顺序依次扫描输入缓存,将缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了,就发送出去。由于STDM帧不是固定地面向用户来分配时隙,而是按需动态地分配时隙,因此统计时分复用明显提高了通信线路的利用率。另外,在输出线路上,一个用户所占用的时隙不再是周期性地出现,因此统计时分复用又称异步时分复用,而普通的时分复用称为同步时分复用。这里应注意的是,虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和,但从平均的角度来看,这二者是平衡的。如果所有的用户都不间断地向集中器发送数据,那么集中器肯定无法应付,它内部设置的缓存将溢出。所以集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。
由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户,因此在每个时隙中还必须设置有用户的地址信息,这是统计时分复用不可避免的一些额外开销。在图3-21的输出线路上每个时隙之前的白色小时隙就是被置入的地址信息。使用统计时分复用的集中器能够提供对整个数据块的存储转发能力,通过排队方式使各用户更合理地共享通信线路。

3.7.3 波分复用

波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)的本质就是光域的频分复用。光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高,一根单模光纤的传输速率可达2.5Gbit/s,再提高传输速率就比较困难了。如果设法对光纤传输中的色散(dispersion)、非线性失真等问题加以解决,则一根单模光纤的传输速率可达10Gbit/s,但这已到单个光载波信号传输的极限值。
基于此,人们借用传统载波电话的频分复用的思想,使用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号,这样就使光纤的传输能力能够成倍地提高。由于光载波的频率很高,因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波,于是就提出了波分复用这一概念。最初,人们只能在一根光纤上复用850nm和1310nm这两路光载波信号,这种复用方式称为波分复用,或者是CWDM(Coarse WDM)。随着技术的发展,在一根光纤上可复用的光载波数量越来越多,现在已能做到在一根光纤上复用80、120、260、240路甚至更多路数的光载波,于是就使用了密集波分复用(Dense WDM,DWDM)这一名词。
图3-22说明了密集波分复用的工作原理,8路传输速率均为2.5Gbit/s的光载波信号(中心波长都是1310nm)经光调制后,将波长分别变换到1550~1557nm,相邻光载波相隔1nm。这8个波长接近的光载波经过光复用器(波分复用的复用器又称合波器)复用后进入一根光纤中传输。因此,一根光纤上数据传输的总速率就达到8×2.5Gbit/s = 20Gbit/s。不过,光信号经过一段距离的传输后也会衰减,因此必须对衰减了的光信号进行放大才能继续传输。现在已经有了很好的掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplif ier,EDFA),它是一种光放大器,不需要进行光电转换而直接对光信号进行放大,并且在1550nm波长附近的35nm(即4.2THz)频带范围能够提供较均匀的、最高可达40~50dB的增益。两个光纤放大器之间的光缆线路长度最长可达120km,光复用器和光分用器(波分复用的分用器又称分波器)之间的无光电转换的距离可达600km(须设置4个光纤放大器)。而在使用波分复用技术和光纤放大器之前,要在600km的距离传输20Gbit/s,需要敷设8根速率为2.5Gbit/s的光纤,而且每隔35km左右就要使用一个再生中继器进行光电转换后的电信号放大,然后再调制为光信号(这样的中继器总共需要128个之多)。
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3.7.4 码分复用

码分复用(Code Division Multiplexing,CDM)是比较新颖的一种复用用户信号、共享线路的方法。实际上,常用的名词是码分多址访问(Code Division Multiple Access,CDMA),该技术允许多个用户在同一时刻使用相同的频带进行通信,但由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各用户之间不会造成干扰。由于CDMA发送的信号具有很强的抗干扰能力,所以最初用于军事通信。但随着技术的进步,CDMA设备的价格和体积都大幅度下降,现在已广泛使用在民用的移动通信中,特别是在无线局域网和第三代、第四代移动通信系统中。采用CDMA可提高话音通信的质量和数据传输的可靠性,减少外界干扰对通信效果的影响,增大系统的通信容量(是GSM的4~5倍),降低终端设备的平均发射功率等。
在CDMA中,每一个比特时间进一步被划分为m个短的时间段,称为码片(chip)。通常情况下,m的取值是64或128,在下面的例子中,为了描述方便,设定m的取值为8。
使用CDMA的每一个站必须指派一个唯一的m位码片序列(chip sequence)。如果一个站要发送比特1,则发送对应的m位码片序列;如果要发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码。例如,指派给A站的8位码片序列是00011011,当A发送比特1时,它就发送序列00011011;而当A发送比特0时,就发送11100100。
由于CDMA需要为单个数据位发送m位的码片,故在相同传输速率要求下,CDMA占用的频带宽度也要提高到原来的m倍,这使得CDMA成为一种扩频(spread spectrum)方式的通信(假设调制及编码技术不变)。扩频通信通常有两大类,一种是直接序列(direct sequence),记为DS-CDMA;另一种是跳频(frequency hopping),记为FH-CDMA。假设100个站点共用1MHz的带宽,在使用FDM时每个站点的传输速率为10kbit/s(假设1b/Hz),而以CDMA方式传输,每个站点使用完整的1MHz的带宽,每秒能够传输1M/m个码片。只要实际发送的站点数超过m,则CDMA中各个站点的总传输速率就高于FDM,于是信道使用效率就能够得到更大的提高,下面的例子将会进一步说明这一点。
为了讲解和计算方便,我们按惯例采用了双极型形式,即二进制的0由-1代替,1由+1代替;书写时,将码片序列用括号括起来,比如站点A的码片序列的双极型形式表示为(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)。图3-23a给出了4个站点的二进制码片序列,图3-23b给出了它们的双极型形式。
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CDMA的一个重要特点就是必须为系统中的每一个站点分配一个唯一的码片序列。这里用S表示站点的m维码片向量,S′为它的反码序列。系统要求所有的码片序列必须两两正交(orthogonal),在实际系统中通常使用伪随机码序列作为码片序列。
为了清楚地表示码片序列间的正交关系,可以采用数学公式来进行具体描述。任意两个不同站点的码片序列S和T的内积(inner product)均等于0,即
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码片序列的正交特性至关重要,只要S·T = 0,那么S·T′ = 0。任何一个码片向量和该码片向量自己的内积恒定为1,即
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上式成立是因为内积中的每个分项值为1,因此其和为m。另外,我们可以推导出image.png
在每个比特时间内,站点可以发送其码片序列表示发送比特1,也可以发送其码片序列的二进制反码表示发送比特0,还可以什么都不发送。这里假定系统的所有站点要发送的码片序列必须在时间上是同步的,即所有的码片序列都在同一个时刻开始,这一点通过全球定位系统(GPS)可以做到。
若两个或两个以上的站点同时开始传输,它们的双极型信号就线性相加。比如,在某一码片内,3个站点输出+1,一个站点输出-1,那么结果就为+2。读者可把它想象为电压相加:3个站点输出电压为+1V,另一个站点输出为-1V,最终输出电压就为+2V。
图3-23c给出了不同站点同时发送的6个例子。在第1个例子中,只有C发送了数据1,所以传输结果只有C的码片序列。在第2个例子中,B和C均发送1,因此结果为它们的序列之和。在第3个例子中,站点A发送1,站点B发送0,其余保持沉默。在第4个例子中,站点A、C发送1,站点B发送0。在第5个例子中,4个站点均发送1。在最后一个例子中,站点A、B和D都发送1,而站点C发送0。
要从混合的传输信号中还原出单个站点的比特流,接收方必须事先知道发送站点的码片序列。通过计算收到的码片序列(所有站点发送的双极型信号线性总和)和欲还原站点的码片序列的内积,就可还原出原比特流。假设收到的码片序列为S,接收方想接收的站点码片序列为C,则只要计算它们的内积S·C,就可得出原比特流。假设站点A、站点C均发送1,站点B发送0,接收方收到的信号线性总和为S = A + B′ + C,则
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式中的前两项消失,因为所有的码片序列都经过仔细的挑选,确保它们两两正交。通过这个例子,大家应该清楚为什么要给码片序列强加上这个两两正交的前提条件。
为了使解码过程更具体一些,考虑图3-23d中的6个例子。假设接收方想从S1~S6的6个序列中还原出站点C发送的比特值,它需要分别计算接收到的S与C向量两两相乘的内积,再取结果的1/8(因为码片长度为8),即为站点C所发送的比特值。
理想状态下,无噪声的CDMA系统的容量(即站点的数量)可以任意大,就像无噪声的奈奎斯特信道在对采样使用多比特编码情况下其信道容量任意大一样。但在实际中,由于物理条件的限制,容量大打折扣。首先,CDMA要求所有的码片在时间上都是同步的,但在实际中这是不可能的。在实际应用中,发送方发送一个足够长的使得接收方可以锁定的码片序列,使发送方和接收方同步。其他的所有传送(非同步的)都被认为是随机噪声。只要非同步传送不是太多,基本解码算法的工作效果仍然相当好。

3.8 数字传输系统

3.8.1 PCM体制

现在的数字传输系统都是采用PCM体制,但PCM最初并不是为传送计算机数据而提出的,其初衷是使电话局之间的中继线可以利用时分复用技术同时传输多路电话以节省通信代价。由于历史原因,PCM目前有两个互不兼容的国际标准,即北美的24路PCM(简称为T1,其速率是1.544Mbit/s)和欧洲的30路PCM(简称为E1,其速率是2.048Mbit/s)。我国采用的是欧洲的El标准。下面将说明这些速率是如何得出的。
为了有效地利用传输线路,人们总是将多路话音的PCM信号用时分复用的方法装成帧(即时分复用帧),然后再送往长途中继线路上,完成一帧接一帧的传输。图3-24说明了El的时分复用帧的构成,不难看出,时分复用是所有的用户在不同的时间,即在分配给自己的专用时隙(当然用完后要归还)内占用大家共享的公共信道(因而不会发生干扰)。但从频域来看,大家所占用的频率范围却都是一样的。
E1的一个时分复用帧(其长度T = 125μs)共划分为32个等长的时隙,时隙编号为CH0~CH31,其中时隙CH0用作帧同步用,时隙CH16用来传送信令(如用户的拨号信令)。因此,真正可供用户使用的话路是时隙CH1~CH15和CHl7~CH31,共30个时隙传输30个话路。每个时隙传送8位。因此整个32时隙能够传送256位,且每秒传送8000个帧,所以PCM一次群(或称为基群)El的数据速率就是2.048Mbit/s,计算过程如下:
El = 8000×32×8 = 2 048 000bit/s
图3-24中2.048Mbit/s传输线路两端同步旋转的开关表示32个时隙中比特的发送和接收必须与时隙的编号相对应,不能发生错乱。
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北美使用的T1共有24个话路。每个话路的采样脉冲使用7位编码,然后再加上1位的信令控制,因此一个话路也是占用8位。帧同步码是在24个话路的编码之后加上1个专门的同步位,这样每个时分复用帧共有193位。因此T1一次群的数据速率为1.544Mbit/s,计算过程如下:
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3.8.2SONET与SDH
当需要有更高的数据速率时,可以采用逐级复用的方法。例如,4个一次群可以构成一个二次群,4个二次群可以构成一个三次群。当然,一个二次群的数据速率要比4个一次群的数据速率的总和略大,因为复用后还需要添加一些同步的控制位。表3-1给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据速率。日本的一次群使用了T1,但自己却另有一套高次群复用的标准。
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表3-1所列举的数字传输系统存在诸多缺点,其中最主要的有以下两个方面:
1)速率标准不统一。PCM的一次群数字传输速率有两个国际标准,一个是北美和日本的T1速率,而另一个是欧洲和中国的E1速率。但是在高次群复用时,日本又使用了第三种不兼容的标准。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化,国际范围的高速数据传输就很难实现,因为高次群的数字传输速率的转换十分困难。然而,高次群的数字传输速率在各国都已使用了很长时间,谁都不愿意抛弃正在使用的大量设备而改用其他的数字传输速率标准。
2)不是同步传输。在过去相当长的时间里,为了节约经费,各国的数字传输网主要是采用准同步(plesiochronous)方式。这时,必须采用复杂的脉冲填充方法才能补偿由于频率不精确而造成的定时误差。这就给数字信号的复用和解复用带来许多麻烦。当数据传输的速率较低时,收发双方时钟频率的微小差异并不会带来严重的不良影响。但是,当数据传输的速率不断提高时,收发双方时钟同步的问题就成为迫切需要解决的问题。
为了解决上述问题,美国在1988年首先推出了一个数字传输标准,即同步光纤网(Synchronous Optical Network,SONET)。整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟(通常采用昂贵的艳原子钟,其精度优于±1×10-11)。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构,其传输速率以51.84Mbit/s为基础,约对应于T3/E3的传输速率,此速率对于电信号被称为第1级同步传送信号(Synchronous Transport Signal),即STS-1;对光信号则被称为第1级光载波(Optical Carrier),即OC-1。现已定义了从51.84Mbit/s(即OC-1)到9953.280Mbit/s(即OC-192/STS-192)的标准。
ITU-T以美国的SONET标准为基础,制定出了国际标准同步数字系列(Synchronous Digital Hierarchy,SDH),即1988年通过的G.707~G.709建议书,到1992年又增加了十几个建议书。一般认为,SDH与SONET的内容是等同的,但其主要不同点在于SDH的基本速率为155.52Mbit/s,称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module),即STM-1,相当于SONET体系中的OC-3速率。表3-2为SONET和SDH的比较,其中带有星号(*)的几种速率最常用。为方便起见,在提及SONET/SDH的常用速率时,往往不使用速率的精确数值,而是使用表中最后一列给出的近似值。
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SDH/SONET定义了标准光信号,规定了波长为1310nm和1550nm的激光源;在物理层的宽带接口中使用了帧技术以传递信息;为数字信号的复用和操作过程定义了严格的帧结构。
SONET标准定义了4个光接口层。这虽然在概念上类似于OSI参考模型,但SONET自身只对应于OSI的物理层和数据链路层。参照图3-25,SONET的层次自下而上划分如下。

  • 光子层(photonic layer):处理跨越光缆的比特传送,并负责进行同步传送信号STS的电信号和光载波OC的光信号之间的转换,在此层由电光转换器进行通信。
  • 段层(section layer):在光缆上传送STS-N帧,有成帧和差错检测功能。
  • 线路层(line layer):负责路径层的同步和复用,以及交换的自动保护。
  • 路径层(path layer):处理路径端接设备(Path Terminating Element,PTE)之间业务的传输,这里的PTE是具有SONET能力的交换机。路径层还提供与非SONET网络交互的接口。

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在上述层次中,前两层是必需的,后两层可以选择使用。
SDH的帧结构是一种块状帧,其基本信号是STM-1,更高的等级是用N个STM-1复用组成STM-N。如4个STM-1构成STM-4、16个STM-1构成STM-16。相对PDH而言,SDH简化了复用和分用技术,需要时可直接接入低速支路,而无须经过高速到低速的逐级分用,上下电路方便。SDH采用自愈混合环形网结构,通过分插复用器(Add Drop Multiplexer,ADM)和数字交叉连接(Digital Cross-Connect,DXC)设备的结合使用,可使网络按预定方式重新组配,避免了耗资过大的人工操作,因而大大提高了通信网的灵活性和可靠性。加之光纤信道的带宽充裕,SDH可在其帧结构中使用较多的比特用于管理,这就大大增强了通信网的运行、维护、监控和管理功能。
SDH/SONET标准的制定使北美、日本和欧洲这三个地区的三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一,各国都同意将这一速率以及在此基础上复用的更高数字传输速率作为国际标准。这是第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。现在SDH/SONET标准已成为公认的新一代理想的传输网络体制,因而对世界电信网络的发展具有重大的意义。SDH/SONET标准也适合于无线微波和卫星传输的技术体制。

3.9 数据交换技术

两个远距离的终端设备要进行通信时,可以在它们之间架设一条专门的点到点线路来实现,但这种方案下的通信线路的利用率肯定很低。尤其是当终端数目很多时,要在所有终端之间都建立专门的点到点通信线路(对应于全连接拓扑结构)是不可能实现的。实际广域网络的拓扑结构多为部分连接,当两个终端之间没有直连线路时,就必须经过中间节点的转接才能实现通信,这种由中间节点进行转接的通信方式称为交换,中间节点称为交换节点或转接节点。当网络规模很大时,多个交换节点可相互连接构成交换网络,这样,终端间的通信就可以避免使用专门的点到点连线,而是使用由交换网络提供的临时通信路径完成数据传送,既节省了线路投资,又提高了线路利用率。
交换技术主要有三种:电路交换、报文交换和分组交换。

3.9.1 电路交换

所谓电路交换,就是在两个用户要进行通信时,首先建立一条临时的专用通信线路,用户通信时独占这条临时线路,不与其他用户共享,直到通信一方释放这条专用线路。专用线路可以是一条真正的物理线路,也可以是在物理线路上通过多路复用方法建立的一条物理通信信道,而这个信道通常只是整个线路可用带宽的一部分。电路交换的传输速率较低,通常在128kbit/s以下。电路交换的线路使用效率也较低,根据统计,其效率很少能超过50%。电路交换主要用于电话通信网络、远程用户或移动用户连接企业局域网,或用作高速线路的备份。
电路交换需要经历3个阶段:建立电路、数据传输和拆除电路。
1)建立电路。在开始正式通信之前,源节点发出建立电路的请求,这个请求将在中间节点引起一系列的接续过程,并最终在源节点和目的节点之间建立起一条合适的传输通道,即物理电路。
2)数据传输。电路建立后,通信双方就可以开始进行数据传输。在整个数据传输期间,传输通道一直被独占,这意味着这个传输通道所占用的线路资源不能用于其他传输。
3)拆除电路。通信结束后,可以由任意一方发出拆除电路的请求,于是各中间节点释放传输通道占用的线路资源,这些资源在接下来的时间里可以被其他电路所使用。
图3-26是电话网络中电路交换的工作原理。电话网络中的电话交换局(中间节点)可以看成由开关群组成的网络。当用户通过拨号发出连接请求后,会在该开关群网中的入线和出线之间直接形成通信路径(相应的触点闭合),当两个用户的开关与开关之间的线路被完全连通时,用户双方就可以进行通信了。当主叫用户和被叫用户跨越的地域范围很大时,往往要经过多个交换机才能形成一条连通的通信路径。
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电路交换主要有两种实现方式,传统的模拟交换机采用空分交换方式,而数字交换机则采用时分交换方式。
电路交换的优点是数据传输可靠、传输延迟小(通常只有传播延迟)、实时性强,适用于电信业务信息的传输。
当使用电路交换来传送计算机数据时,其线路的传输效率很低,这是因为计算机数据经常是突发式地出现在传输线路上,而线路上真正用于传送数据的时间一般不到10%,甚至不到1%。可以说,在绝大部分时间里,已被用户占用的通信线路资源实际上是空闲的。例如,当用户阅读终端屏幕上的信息或用键盘输入和编辑文件时,或计算机正在进行复杂处理而无法及时返回结果时,宝贵的通信线路资源实际上并没有被利用,而是白白地被浪费了。

3.9.2 报文交换

计算机网络中经常要传送非即时性的突发数字数据,如共享公用数据库中的数据传输等。对于这样的实时性要求不高的数据传输,中转节点可先把收到的数据暂时存储起来,等待信道空闲时再把数据转发给下一节点,这样经过多个中转节点的处理,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),其工作原理如图3-27所示。
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报文交换是以报文为单位进行存储交换的技术。所谓报文,就是需要发送的应用数据块,如一个数据文件、一篇新闻稿件等。每个报文都包括三个部分:报头、正文和报尾。报头中有报文号、源地址和目的地址,中间节点根据目的地址对报文进行路由选择;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。
与电路交换相比,报文交换的优点表现在以下几方面。
1)报文交换不要求交换网络为通信双方预先建立一条专门的传输通道,因此不存在建立电路和拆除电路的过程,也不再有建立电路和拆除电路所需的等待时间。
2)线路资源利用率高,用户的通信无须独占线路资源,不同用户的报文可共享节点间的通信线路资源。
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,则可以让发送方重新发送;二是如果中间节点发现某条线路有故障,则它可以选择其他转发路径。
相对于优势而言,报文交换也存在诸多不足,具体表现在下述几个方面。
1)中间节点存储转发的时延较大,并且有时延抖动现象。
2)实际应用中报文的大小变化悬殊,这为存储报文的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,且带来更大的时延。
鉴于报文交换的上述不足,现在已经基本上不再使用,并被分组交换所取代。

3.9.3 分组交换

分组交换是把待传输的报文拆分成若干个较小的数据块,称为分组(packet),然后以分组为单位遵照存储交换方式进行传输。分组头部中包含了分组编号,当各分组都到达目的节点后,目的节点按分组编号重组报文。目前存在两种类型的分组,一种是在最大长度限制内分组的长度允许变化,称之为可变长分组;另一种就是固定长度分组,所有分组的长度都是一样的。
较小的分组使得分组交换具有对中间节点存储容量要求不高、转发延时小、传输差错少以及容易进行差错处理等优点。但由于在目的节点要对报文进行重新组装,因此增加了目的节点加工处理的时间和处理的复杂性。
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
在数据报方式中,交换网络对各分组独立进行处理,而不考虑隶属同一报文各分组的关联关系,因此,每个分组都必须包含目的节点的地址。网络中的交换机根据分组中的目的地址独立地为其确定路由,这样,不同的分组在网络中可能会经过不同的路径到达目的站点。由于交换机为每个分组独立地寻找路径,使得各个分组到达目的节点的顺序有可能与发出时的顺序不同,因此,目的节点有时需要对到达的分组按编号重新排序和组装。图3-28a给出了数据报方式传输分组的示意图。
由于没有建立连接和拆除连接过程,数据报方式对短报文传输具有效率高、通信开销小等优点,并且每个分组独立进行路由使得其对网络故障具有较强的适应能力。其缺点是分组传输时延较大,因网络拥塞容易丢失分组以及无法保证分组按序到达。
TCP/IP协议簇中的IP协议就是一个典型的使用数据报方式传输IP分组的协议。
2.虚电路方式
虚电路方式就是源节点与目的节点在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。在建立时,网络为虚电路确定路由,该路由由若干条实际的物理链路组成。一旦建立了虚电路,网络为用户提供的服务就好像在源节点与目的节点之间建立了一条穿越网络的临时数字“管道“,源节点发送的分组依次进入并穿越该数字管道到达目的节点,图3-28b给出了虚电路方式传输的示意图。可以看出,采用虚电路方式传输时,目的节点收到的分组顺序与源节点发送的顺序是相同的。需要指出的是,虚电路并不是实际的物理电路,无须在交换网络内部预先分配传输所需要的资源。虚电路建立后,报文的所有分组都将在这条虚电路上传输,不用再进行独立的路由选择,路由选择仅在建立虚电路时执行一次。通信结束时,需要有拆除虚电路的操作。
在虚电路方式中,仅在请求建立虚电路的控制分组中指明目的节点的地址,而在分组传输时只要在分组头部中指明使用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。它提供的传输服务是面向连接的,但在网络内部却是用分组交换实现而不是用电路交换实现,两个节点在通信期间并没有自始至终地占用一条物理信道资源,只是按照统计复用原则使用虚电路跨越的网络节点和通信线路上的物理资源。
因为虚电路需要有建立和拆除操作,因此不适合短报文的传输,但对大数据量的应用而言,其传输效率较高,这是因为虚电路一旦建立,每个分组传输时就不再需要进行路由选择,同时,交换机在建立虚电路时已经为其预留了一定数量的缓存和其他资源,不需要在接收分组时再临时申请,因而减少了发生网络拥塞的概率。
虚电路的实现过程是,在建立虚电路时,虚电路途径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,并根据需要预留一些必需资源。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来决定转发路径,同时执行存储转发操作。
虚电路有两种类型:永久虚电路(Permanent Virtual Circuit,PVC)和交换虚电路(Switched Virtual Circuit,SVC)。PVC是由网络服务提供商为用户预先建立的虚电路,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,需要时由用户自主请求建立,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传输、提高网络的吞吐量以及强化对网络的管理和控制,但并不意味着它能够提供差错处理等通信服务质量的保证。
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3.10 物理层规程

关于物理层的规程,ISO/OSI参考模型和ITU的X.25建议书都给出了类似的定义。
ISO/OSI参考模型对物理层的定义:物理层在数据链路实体之间合理地通过中间系统,为“位“传输所需的物理连接的激活、保持和取消提供机械的、电气的、功能的和规程的手段。
ITU在X.25建议书中对物理层的功能做出如下定义:利用物理的、电气的、功能的和规程的特性,在DTE和DCE之间实现对物理链路的建立、保持和拆除功能。
由此可见:物理层接口协议定义了网络的物理接口,并规定了物理接口的机械连接特性、电气信号特性、信号的功能特性以及交换电路的规程特性,这样就保证了各个制造厂家按统一物理接口标准生产出来的通信设备能够互相兼容。

3.10.1 DTE与DCE

DTE是Data Terminal Equipment(数据终端设备)的英文缩写,是指具有一定的数据处理能力以及收发能力的数据输入/输出设备、终端设备或计算机等终端装置。由于大多数数据处理设备的数据传输能力有限,难以通过线路直接将两个数据处理设备连接起来,为此,必须在数据处理设备和传输线路之间加上一个中间设备以增强数据传输能力,这个中间设备就是数据通信设备(Data Communication Equipment,DCE),它是指自动呼叫应答设备、交换机以及其他一些中间装置的集合,其作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能,并且负责建立、保持和释放物理连接。图3-29是DTE通过DCE连接到通信传输线路的连接方式。
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DTE可以是一台计算机或一个数据终端,也可以是各种I/O设备。典型的DCE则是一个与模拟电话线路相连接的调制解调器。从图3-28可以看到,DCE虽然处于通信环境内,但它和DTE均属于用户设施。
DTE与DCE之间的接口一般都有多条并行连线,包括各种信号线和控制线。DCE将DTE传过来的数据,按比特顺序逐个发往传输线路;反之,从传输线路接收串行的比特流,然后再交给DTE。很明显,DTE与DCE之间需要高度协调地工作,为了减轻数据处理设备的负担,就必须对DTE和DCE的接口进行标准化,这种接口标准就是所谓的物理层
协议。
多数物理层协议使用了如图3-28所示的模型,但也有一些不是这样的。例如,在局域网中,物理层协议所定义的是一个数据终端设备和传输媒体的接口,并没有使用这种DTE/DCE模型。

3.10.2 物理层接口标准

遵照ISO/OSI参考模型和ITU的X.25建议书,物理层规程主要关注4个方面的特性,即机械特性、电气特性、功能特性以及规程特性。
(1)机械特性
机械特性详细说明了物理接口连接器的尺寸、插针的数目、排列方式、插头与插座的尺寸、电缆长度以及电缆所含导线的数目等。下面列举几种已被ISO标准化的机械接口。

  • ISO-2110。采用25针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。EIA RS-232C和EIA RS-336A等均是与- - ISO-2110相兼容的标准,可用在音频调制解调器、公用数据网络的接口中。
  • ISO-2593。采用34针的DTE/DCE接口连接器与插针分配。可用在ITU V.35建议的宽带调制解调器中。
  • ISO-4902。采用37针和9针的DTE/DCE接口连接器。可用在音频和宽带调制解调器中,与EIA RS-449相兼容。
  • ISO-4903。采用15针的DTE/DCE接口连接器。可用在由ITU X.20、X.21及X.22建议中所指定公用数据网络的接口中。
  • RJ-45。采用8针的DTE/DCE接口连接器。可用在IEEE 802局域网的10/100M BASE-T网络接口中。

(2)电气特性
电气特性说明了数据交换信号以及有关电路的特性。这些特性主要包括最大数据传输速率的说明,信号状态(逻辑电平、通/断、传号/空号)表示电压或电平的说明,以及接收器和发送器电路特性的说明。也给出了与连接电缆相关的规则等。

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图3-30给出了几种ITU定义的物理接口电路的电气特性,具体如下:

  • V.28。非平衡式电气特性,与之相兼容的标准有EIA RA-232C。
  • V.10/X.26。新型非平衡式电气特性,与之相兼容的标准有EIA RA-423A等。
  • V.11/X.26。新型平衡式电气特性,与之相兼容的标准有EIA RA-422A等。

(3)功能特性
功能特性是指接口的信号根据其来源、作用以及与其他信号之间的关系而定义的特性功能。
下面是ITU对两个交换电路功能特性的定义。

  • V.24。通过电话交换网进行数据通信的DTE/DCE和DTE/ACE(Automatic Calling Equipment,自动呼叫设备)之间的交换电路。
  • X.24。公共数据网络中的DTE/DCE交换电路,它是在X.20、X.21和X.22的基础上发展而成的。

(4)规程特性
规程特性说明了交换电路进行数据交换的一组操作序列,由这些规程来完成0、1数据位的传输。
ITU建议在物理层使用的规程有V.24、V.54、V.24、V.22等V系列标准,X.20、X.21、X.20bis和X.21bis等X系列标准,两个系列的标准分别适用于不同的交换电路中。

3.10.3 EIA-232

EIA-232-E是美国电子工业协会(EIA)制定的物理层异步通信接口标准,它最早是于1962年制定的标准RS-232,其中的RS表示EIA的一种“推荐标准“,232是编号。在1969年修订为RS-232-C,C是标准RS-232以后的第三个修订版本,1987年1月,修订为EIA-232-D,1991年又修订为EIA-232-E。由于标准内容修改得并不多,因此现在很多厂商仍沿用旧的名称。有时简称为EIA-232,甚至说得更简单些:提供232接口。
EIA-232物理接口的4个特性如下。
(1)机械特性
EIA-232使用ISO 2110关于插头座的标准,就是使用25根引脚的DB-25插头座,引脚分为上、下两排,分别有13根和12根引脚,其编号分别规定为1~13和14~25,都是从左到右排列。
(2)电气特性
EIA-232与CCITT的V.28建议书一致。EIA-232采用负逻辑,即逻辑0相当于对信号地线有+3V或更高的电压,而逻辑1相当于对信号地线有-3V或更低的电压。逻辑0相当于数据“0“或控制线的“接通“状态,而逻辑1则相当于数据“1“或控制线的“断开“状态。当连接电缆线的长度不超过15m时,允许数据传输速率不超过20kbit/s。但是当连接电缆长度较短时,数据传输速率可以大大提高。
(3)功能特性
EIA-232的功能特性与CCITT的V.24建议书一致,它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚的作用。图3-31为最常用的10根引脚的作用,图中的数字代表引脚编号,其余的引脚可以悬空不用。有时只用图中的9个引脚(“保护地“引脚不用)制作成专用的9芯插头,供计算机与调制解调器的连接使用。
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(4)规程特性
EIA-232的规程特性与CCITT的V.24建议书一致,它规定了在DTE与DCE之间的控制信号在不同的情况下有效(连通状态)和无效(断开状态)的交互顺序。
下面结合图3-32说明DTE-A向DTE-B发送数据所要经过的几个主要步骤。

  • 当DTE-A要和DTE-B进行通信时,先将引脚20(DTE就绪)置为ON,同时通过引脚2(发送数据)向DCE-A传送电话号码信号。
  • DCE-B将引脚22(振铃指示)置为ON,表示通知DTE-B有呼叫信号到达(在振铃的间隙以及其他时间,振铃指示均为OFF状态),DTE-B就将其引脚20(DTE就绪)置为ON,DCE-B接着产生载波信号,并将引脚6(DCE就绪)置为ON,表示已准备好接收数据。
  • 当DCE-A检测到载波信号时,将引脚8(载波检测)和引脚6(DCE就绪)都置为ON,以便使DTE-A知道通信电路已经建立。DCE-A还要通过引脚3(接收数据)向DTE-A发送在其屏幕上显示的信息。
    DCE-A接着向DCE-B发送其载波信号,DCE-B将其引脚8(载波检测)置为ON。
  • 当DTE-A要发送数据时,将其引脚4(请求发送)置为ON。DCE-A作为响应将引脚5(允许发送)置为ON,然后DTE-A通过引脚2(发送数据)来发送其数据。DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送过去。
  • DCE-B将收到的模拟信号转换为数字信号,经过引脚3(接收数据)向DTE-B发送。

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尽管许多产品都声称自己的串行接口是“与EIA-232标准兼容“,但读者应当注意,这只是说明该接口的电气特性和机械特性与EIA-232没有矛盾,但我们仍无法得知该接口是否能够支持EIA-232的全部功能,这是因为很多厂商出售的调制解调器只使用了接口的25根引脚中的4~12根,因此其所实现的功能很可能只是整个EIA-232标准的一个子集,因此应明确你所需要的功能是否已包括在这个子集中。
EIA还规定了插头应装在DTE上,插座应装在DCE上。因此,当终端或计算机与调制解调器相连时就非常方便,然而有时却需要将两台计算机通过EIA-232串行接口直接相连,这显然有点麻烦。例如,一台计算机通过引脚2发送数据,但仍然传送到另一台计算机的引脚2,这就使对方无法接收。为了不改动计算机内标准的串行接口线路,可以采用虚调制解调器的方法。所谓虚调制解调器本质上就是一段电缆,这样对每一台计算机来说,都好像是与一个调制解调器相连,但实际上并没有真正的调制解调器存在。

3.11 习题

一、填空题
1.一个通信系统必须具备的三要素是             
2.数据的总时延是              三种时延之和。
3.从双方信息交互的方式来看,通信有以下3种基本方式,即            和
4.基带传输中常用的数据编码形式有:                     等。
5.相应于载波信号的振幅、频率和相位这3个特征,数字信号的模拟调制有3种基本技术,即              
6.将模拟信号数字化的方法有两种,即        ,其中,PCM处理信号的方法,可分为              三个步骤。
7.常用的多路复用技术有                   等。
8.常用的传输介质有                 等。
9.物理层的任务就是透明地传送    
10.物理层主要关注4个方面的内容,即                
二、选择题
1.(  )是指将数字信号转换成可以在电话线上传输的模拟信号的过程。

A.解调    B.采样    C.调制    D.压缩

2.利用模拟通信信道传输数据信号的方法称为(  )。

A.频带传输    B.基带传输    C.异步传输    D.同步传输

3.Internet上的数据交换采用的是(  )。

A.分组交换    B.电路交换    C.报文交换    D.光交换

4.为了实现长距离传输,模拟传输系统都使用放大器来使信号中的能量得到增加,其噪声分量(  )。

A.增大    B.减小    C.不变    D.不一定

5.报文的内容不按顺序到达目的节点的是(  )方式。

A.电路交换    B.分组交换    C.虚电路交换    D.数据报交换

6.关于时延说法正确的是(  )。

A.发送时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速度
B.传播时延=数据块长度/信道带宽
C.总时延=传播时延+发送时延+排队时延
D.提高链路带宽减小了数据的传播时延

7.在无噪声情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输率是(  )

A. 12kbit/s    B. 24kbit/s    C. 48kbit/s    D. 96kbit/s

8.描述计算机网络中数据通信的基本技术参数是数据传输速率与(  )

A. 服务质量    B.传输延迟    C.误码率    D.响应时间

三、简答及计算题
1.试比较模拟通信方式与数字通信方式的优缺点。
2.如何利用话音通道传输计算机数据?
3.试比较电路交换、报文交换、虚电路交换和数据报交换的特点。
4.请画出1101110001的不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形图。
5.对于带宽为4kHz的通信信道,如果采用16种不同的物理状态来表示数据,信道的信噪比为30dB,按照奈奎斯特定理,信道的最大传输速率是多少?按照香农定理,信道的最大传输速率是多少?
6.现在需要在一条光纤上发送一系列计算机屏幕图像。屏幕的分辨率为480像素×640像素,每个像素为24位。每秒钟有60幅屏幕图像。请问:需要多少带宽?在1.30μm波长上,这段带宽需要多少μm的波长?
7.在最初的IEEE 802.3标准中,一比特如果以米(m)来衡量长度,长为多少米?假设IEEE 802.3网络的数据传输速率为10Mbit/s,电磁波在同轴电缆中的传播速度为200 000 000m/s。
8.如果要在50kHz的信道线路上传输数据的速率为1.544Mbit/s的T1载波,则至少需要多少dB的信噪比?
9.为什么PCM采样时间被设置为125μs?
10.请比较在一个电路交换网络与在一个轻负载的分组交换网络上,沿k跳的路径发送一个x位消息的延迟情况。假设电路建立的时间为s秒,每一跳的传播延迟为d秒,分组的大小为p位,数据传输速率为bbit/s。试问在什么条件下分组网络的延迟比较短?

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