《计算机网络基础》笔记 ------- 数据通信基础与物理层（二）

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本文全面介绍了数据通信的基本概念，包括信号与信道、数据传输技术、信道带宽与时延、数据通信方式、同步方式、基带与频带传输、多路复用技术、数据交换技术、传输媒体以及物理层协议等内容。

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信号与信道
- 数据是信息的表现方式，数据可以是一些连续值（如声音的强度、灯光的强度灯），称作模拟数据，数据还可以是离散值（如成绩），称作数字数据
- 数据通信是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。数据通信是通过某种类型的介质把数据从一个地点向另一个地点传送的通信方式，当进行传输时，首先还必须把数据转变为信号。
- 信号
```
信号是指表示数据的电磁编码或电子编码。
```
- 模拟信号与数字信号
```
模拟信号：是随时间而连续变化的电磁波。
数字型号：是离散的，是一串电压脉冲序列。
```
- 信道
```
信道由传输介质及相应的附属设备组成，是传输信号的一条通道
信道分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。
```
宽带与时延
- 宽带
```
信道中能够传送的信号的频率范围就称为信道的带宽。
一个特定的信息往往是由许多不同的频率成份组成，因此一个信号的带宽是指该信号的各种不同频率成份所占据的频率范围，
当信号的带宽超过信道带宽时，信号就不能在该信道上传送，或者传送的信号将会失真。
```
- 数字信道传送数字信号的速率称为数据率或比特率。比特（bit，简写b）是计算机中数据的最小单元，一个比特就是二进制数字中的一个1或0。因此网络或链路的带宽单位就是“比特每秒”，即b/s，而更加常用的带宽单位是千比特每秒kb/s、兆比特每秒Mb/s、吉比特每秒Bb/s或太比特每秒Tb/s
- 时延
  - 在计算机网络中，时延是指一个数据块（分组、报文）从一个网络或一条链路的一端传送到另一端所需要的时间。时延是由三个部分组成的：
    （1）发送时延。
    （2）传播时延。
    （3）处理时延。
    数据块经历的总时延就是以上三种时延之和：
    总时延=传播时延+发送时延+处理时延

数据的通信方式

并行传输

并行传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，
通常将构成一个字符代码的几位都在同一个时刻发送出去，因此需要多条并排的信道，字符代码的每一位各占一条信道。
优点是传送速率高，缺点是需要多个并行信道，费用较高，仅适合近距离传输。

串行传输

串行传输指的是一个字符代码的几位顺序按位排列成比特流，逐位在一条信道上传输。
串行传输的速率不高，但所需设备成本低，易于实现，广泛用于远程数据通信中。

单工通信

单工通信指的是数据信号始终沿一个方向传输。单工通信中的双方，一方永远是发送方，另一方永远是接收方

半双工通信

半双工通信是指通信双方都可以发送（或接收）数据，但不能同时双向发送

全双工通信

全双工通信是指通信双方可以同时发送和接收信数据，即数据可以同时作双向传输。

同步方式
- 数据传输的同步就是从发送方连续不断送来的信号中，接收方如何正确区分出每一个代码。
  串行传输中所采用的同步方式有两种：同步传输方式和异步传输方式。
- 异步传输方式
  - 异步传输方式又称起止式同步方式，它是以字符为单位进行同步，即每个字符都独立传输，且每一个字符的起始时刻可以是任意。每个字符在传输时都前后分别加上起始位和结束位，以表示一个字符的开始和结束。
  - 起始位和结束位的作用是实现字符同步，字符之间的间距是任意的，但发送一个字符时，每个字符包含的位数都是相同的，且每一位占用的时间长度是双方约定好的，而且保持各位都恒定不变。
  - 在异步传输方式中，当不传字符时，不要求收发时钟同步，而仅在传输字符时，收发时钟才需在字符的每一位上都同步。
  - 优点是每一个字符本身就包括了本字符的同步信息，不需要在线路两端设置专门的同步设备，使收发同步简单。缺点是每发一个字符就要添加一对起止信号，造成线路的附加开销，降低了传输效率。
- 同步传输方式
  - 同步传输方式是以固定的时钟节拍来发送数据信号，数据各位的宽度相同，且字符顺序相连，字符之间没有间隙。为使接收方能够从连续不断的数据流中正确区分出每一位（比特），则需首先建立收发双方的同步时钟。
  - 在同步传输中，数据的发送一般是以一组数据或比特流为单位。在每组数据的前后加上特定字符作为起始和结束标志，同时还可以用这些标志来区分和隔离连续传输的数据。
  - 同步传输克服了异步传输方式中的每一个字符都要附加起止信号的缺点，具有较高的效率，但实现较为复杂，常用于高速数据传输。

基带传输与数字信号编码

基带传输

基带传输就是对基带信号不加调制而直接在线路上进行传输，它将占用线路的全部带宽，也称为数字基带传输

数字信号编码
- 使用基带传输时，首先要解决信号的编码问题。数字信号编码的问题就是如何把数字数据用物理信号(如电信号)的波形来表示。
- 数字信号是离散的、不连续的电压或电流的脉冲序列，每个脉冲代表一个信号单元，或称码元。二进制的数据信号，要用两种码元表示。

单极性全宽码和双极性全宽码

单极性全宽码
单极性全宽码指的是在每一码元时间间隔内，有电流发出表示二进制的1，无电流发出则表示二进制的0。

双极性全宽码

双极性码全宽码是指在每一码元时间间隔内，发正电流表示二进制的1；发负电流表示二进制的0。

曼彻斯特编码

曼彻斯特编码的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电子。码元0则正好相反，从低电平变到高电平。

差分曼彻斯特编码

曼彻斯特编码的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔。码元1是在前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电子。码元0则正好相反，从低电平变到高电平。

频带传输与模拟信号编码

频带传输

频带信号传输方式就是将二进制信号进行调制后变换成能在公用电话网上传输的模拟信号，然后进行传输

数字数据的模拟信号编码

模拟信号传输的基础是载波，它是频率恒定的连续信号。
调制就是进行波形变换，是利用基带信号对高频振荡载波的参量进行修改。
最常用的载波是正弦波，通过对载波的振幅、频率、初相位进行修改，就有三种最基本的调制方法：调幅、调频和调相。
		1.调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。也称为幅移键控ASK。
		2.调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。又称为频移键控FSK。
		3.调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。又称为相移键控PSK。

多路复用技术
- 为了有效地利用通信线路，就希望一个信道能同时传输多路信号，这就是所谓多路复用的概念。
- 频分复用
  - 频分多路复用技术（FDM）是按照频率不同来区分信号的一种方法，把传输频带分成若干个较窄的频带，每个频带构成一个子通道，独立地传输各自的信息。
  - 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
- 时分复用
  - 时分多路复用技术TDM（Time Division Multiplexing）是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片段的方法来实现多路复用。时分多路复用将用于传输的时间划分为若干个时间片段，每个用户分得一个时间片。通俗的说，时分多路复用通信是各路信号在同一信道上占有不同时间片进行通信。
  - 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
  - 统计时分复用STDM使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中划分的时间片的数目要小于进行复用的用户数。每一帧中的时间片不再是固定分配给某个用户，而是按需动态地给每个用户分配时间片。
  - 因此统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。
- 波分复用
  - 波分复用（WDM）就是光的频分复用。是把光的波长分割复用，在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术
  - 在一根光纤上复用两路光信号，这种复用方式称为波分复用WDM。随着光纤通信技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多,这就是密集波分复用DWDM的概念。

2. 数据交换技术

在进行数据通信时，必须通过有中间节点的网络来把数据从源端点发送到目的端点，以此实现通信。这些中间的节点就是一些交换设备，它们不关心数据内容，而只是提供一个传递功能。交换设备以某种方式用传输链线路相互连接起来就构成交换网络。
从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
电路交换
- 电路交换属于电路资源预分配系统，即每次通信时，通信双方都要连接电路，电路被分配给一对固定用户。那么，不管该电路上是否有数据传送，其他用户一直不能使用该电路直至通信双方要求拆除此电路连接为止。
- 电路交换的关键点是：在通信的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输带宽
- 电路交换的优点是数据传输可靠、迅速，不丢失。
- 电路交换的缺点是：通信线路的利用率较低；不同类型、不同规格、不同速率的终端难以互相进行通信；不够灵活。
分组交换和报文交换
- 分组交换采用的是存储转发技术。
- 存储转发指结点交换机将收到的数据先放入结点内的缓存，根据网络上线路的闲忙状态，以及结点内部的路由表，然后确定将数据交给某个端口转发出去到下个节点。
- 什么是分组呢？将需要发送的整块数据称之为一个报文，在发送报文之前，先将较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上首部后，就构成了一个分组。分组又可以称为“包”，而首部也可称为“包头”。
- 采用分组交换，在源端点与目的端点之间不需要先通过呼叫建立连接，主机直接把分组发送到交换节点，由于每个分组都携带地址信息，因此每个交换节点收下整个分组后，会根据分组的目的地址信息找到下一个节点的地址，然后把分组发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的主机。
- 报文交换也采用存储转发技术，其工作原理与分组交换相同。但报文的长度要比分组长得多，因此每个节点在竞争性存储转发时，不仅使用存储器，还要使用到磁盘才能存储整个报文。这样报文交换在每个节点的滞留时间就较大，导致报文交换的时延较长。

若要连续传送大量的数据，而且传送时间远大于呼叫建立时间，则采用在数据通信之前预先分配传输带宽的电路交换较为合适。
报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
分组交换比报文交换的时延小，但其节点交换机必须具有更强的处理能力。

3.传输媒体

双绞线
- 双绞线是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而构成的。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
- 通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上硬的护套构成双绞线电缆。
- 双绞线有两类：非屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线STP.
- 为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，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，简称为STP。
- 普通的非屏蔽双绞线电缆是由不同颜色的4对8芯线组成。通常被分为：3类、4类、5类、超5类、6类双绞线等类型，数字越大，版本越新，技术越先进，带宽也越宽。
同轴电缆
- 同轴电缆由一个中心的铜值导线或是多股绞合线外包一层绝缘皮，再包上一层金属网状编织的屏蔽体以及保护塑料外层共同组成。
- 同轴电缆按照特性阻抗数值的不同可分为两种。
  - 一种是50Ω的同轴电缆，是为数据通信传送基带数字信号。50Ω同轴电缆又称为基带同轴电缆。 50Ω的同轴电缆又有粗缆和细缆之分，计算机网络中常用的有RG-8粗缆和RG-58细缆。
  - 另一种是75Ω的同轴电缆，用于模拟传输系统，它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号。所以75Ω同轴电缆又称为宽带同轴电缆。
光纤
- 光纤是由非常透明的石英玻璃拉成丝，外面加上包层而构成，并以光波形式传输信号。
- 光纤通信就是利用光纤传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。
- 光纤的类型有两种：多模光纤和单模光纤
  - 存在许多条不同角度入射的光线在—条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。
  - 光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光线就以直线方式向前传播，而不会产生多次反射。这种光纤就称为单模光纤
无线传输
- 无线电微波通信在数据通信中占有重要的地位。微波的频率范围为300MHz～300GHz，但主要是使用2～40GHz的频率范围。
- 微波通信就有两种主要的方式：即地面微波接力通信和卫星通信。
  - 地面微波接力通信
    - 由于微波在空间是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，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。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，所以称为“接力”。
    - 两个地面站之间传送，距离为50 -100 km；
  - 卫星通信
    - 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。

4.网络结构化布线简介

所谓结构化布线系统，其实质就是指建筑物或建筑群内所安装的传输线路。这些传输线路将所有的语音设备、数据通信设备、图像处理与安全监视设备、交换设备和其他信息管理系统彼此相连，并按照一定秩序和内部关系组合成为整体。结构化布线系统是使用一套标准的组网部件，按照标准的连接方法来实现的网络布线系统。
所说的结构化布线系统还是以通信自动化为主的综合布线系统，是智能化建筑的基础。
网络结构化布线的组成
- 结构化布线系统的可以由工作区子系统、水平布线子系统、垂直干线子系统、管理子系统、设备间子系统和建筑群子系统组成
- 工作区子系统
  - 工作区子系统是由终端设备到信息插座的连线组成，就是从通信的引出端到工作站之间的连接线。它主要包括与用户设备连接的各种信息插座和相关配件。目前最常用配备非屏蔽双绞线的RJ-45插座、RJ-11电话连接插座、图像信息连接插座以及连接这些插座与终端设备之间的连接软线和扩展连接线等。
- 水平布线子系统
  - 水平布线子系统又称分支干线子系统或叫水平干线子系统。它的一端来自垂直干线的楼层配线间（即管理子系统）的配线架，另一端与工作区的用户信息插座相连接。
  - 水平布线子系统所采用的传输媒体有光缆、同轴电缆和双绞线等，目前光缆和双绞线使用得最多。
- 垂直干线子系统
  - 水平布线子系统的布线通常有暗管预埋、墙面引线，或地下管槽、地面出线两种
  - 垂直干线子系统也有称作干线子系统，是高层建筑垂直连接的各种传输媒体的组合。通过垂直连接系统将各个楼层的水平布线子系统连接起来，它是结构化布线的骨干部分，可以是光缆、同轴电缆或大对数双绞线，以满足数据与话音的需要。
  - 垂直干线系统的布线，一般是垂直安装
- 管理子系统
  - 管理子系统由各个楼层的配线架构成，实现垂直子系统与水平布线子系统之间的连接。管理子系统也称配线系统，可灵活调整一层中各个房间的设备移动和网络拓扑结构的变更。通过该系统能够将一个用户端子调控到另一个用户端子或设备上，也可以将某一个水平布线子系统调整到另一个水平布线子系统。整个网络系统需要调控布线时或用户有什么变更，都可以通过配线架上的跳线实现重新布线的连接顺序。
  - 管理子系统常用的设备包括双绞线配线架或跳线板、光缆配线架或跳线系统、集线器、适配器和光缆的光电转换设备等
- 设备间子系统
  - 设备间子系统是一幢楼中集中安装大型通信设备、主机、网络服务器、网络互连设备和配线接续设备的
- 建筑群子系统
  - 建筑群子系统是将一个建筑物中的电缆延伸到建筑群的另一些建筑物中的通信设备和装置上。建筑群子系统也有叫户外子系统。
  - 建筑群子系绕支持提供楼群之间通信所需要的硬件，例如有光缆、同轴电缆或双绞线等传输媒体。
结构化布线中系统中的传输媒体
- 在计算机网络的结构化布线系统中，最常用的传输媒体有双绞线、同轴电缆、光纤电缆、微波和卫星通信等。
- 双绞线的价格便宜，安装方便，性能可靠。与配线架或接续设备的连接也非常方便。
- 同轴电缆与双绞线相比价格稍高，具有容量大、数据速率高和传输距离远等特定。但由于连接器件的可靠性不高，在目前计算机网络的布线中较少被采用。
- 由于光缆低噪声、低损耗、抗干扰等性能，被应用于在远距离传输中。
结构化布线的连接部件
- 配线架
  - 配线架是由各种各样的跳线板与跳线组成。它能够方便地调整各个区域内的线路连接关系。
- 双绞线连接设备
  - 双绞线布线系统中的连接部件主要是RJ-45，除此之外就是用户的信息接插座或叫通信引出端子，由此以便与终端设备相连接。
  - 同轴电缆连接设备
  - 光缆连接设备
结构化布线系统标准
- EIA/TIA 568 商业建筑电信布线标准。
- O/IEC 11801 建筑物通用布线的国际标准。
- EIA/TIA TSB-67 非屏蔽双绞线系统传输性能验收规范。
- EIA/TIA 569 民用建筑物通信通道和空间标准。
- EIA/TIA 民用建筑中有关通信接地标准。
- EIA/TIA 民用建筑通信管理标准。我国于1995年3月颁布并批准《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》标准即CECS92：97建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范。

EIA/TIA：Electronic Industries Association/Telecommunication Industry Association（电子工业协会/电信工业协会）的缩写
-

5. 物理层协议

物理层的基本概念
- 物理层协议主要规定物理信道的建立、维持及释放的特性，这些特性包括机械的、电气的、功能的和规程的四个方面。这些特性保证物理层能通过物理信道在相邻网络节点之间正确地收发比特流。
- 物理层的数据传输单位为比特（bit）。
- OSI对物理层的定义为：在物理信道实体之间合理地通过中间系统，为比特传输所需的物理连接的激活、保持和去除提供机械的、电气的、功能和规程的手段。
- 原CCITT（现ITU-T）作的定义：利用物理的、电气的、功能的和规程的特性在DTE和DCE之间实现对物理信道的建立、保持和拆除功能。
- DTE叫做数据终端设备，是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备，是数据的源或目的。
- DCE是数据电路终接设备，作用是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接。
- TE和DCE之间的接口一般都包含多条信号线和控制线。
- DCE将DTE传过来的数据按比特顺序逐个发往传输线路；将收到的比特流交给DTE。
- 物理层的主要任务就是确定与传输媒体相连的接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。
  - 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
  - 电气特性：指明在接口引线上出现的电压范围。
  - 功能特性：指明某条引线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
  - 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
物理层标准举例
- EIA-232-E接口
  - EIA-232-E接口的机械特性
    - EIA-232接口只控制DTE与DCE之间的通信，与连接在两个DCE间的电话网络没有直接的关系。
    - EIA-232-E接口的机械特性：
    - 使用DB-25插座(或DB-9)，引脚分为上下两排(12，13)。编号：1~13、14 ~25。
    - 插头安装在DTE上，插座安装在DCE上。
  - EIA-232-E接口的电气特性：
    - 与CCITT的V.28建议书一致。
    - 采用负逻辑：
      - 逻辑0 → 大于或等于 +3v
      - 逻辑1→ 小于或等于 -3v
    - 逻辑0相当于数据的“0”，在控制线表示“接通”状态。
    - 逻辑1相当于数据的“1”，在控制线表示“断开”状态。
    - 当连接电缆长度不超过15米时，速率可达20kb/s。
  - EIA-232-E接口的功能特性
    - 规定了25根引脚各与哪些电路连接以及每个引脚的作用。
  - EIA-232-E接口的规程特性
    - 规定了在DTE与DCE之间所发生的事件的合法序列
  - 当两台计算机通过EIA-232E 接口直接相连时，可采用虚调制解调器的方法。所谓虚调制解调器就是一段电缆，其中的连线交叉。
- RS-449接口标准
  - EIA-232接口标准的缺点：
    - 数据的最高传输速率为20kbs。
    - 连接电缆的最大长度为15m。
  - EIA于1977年制定了新的接口标准RS-449。
  - RS-449主要由三个标准组成：
    - RS-449：规定了接口的机械特性、功能特性和规程特性。
    - RS-423-A(电气特性)：采用非平衡工作方式时，电缆长度为10m时速率可达300kb/s。
      - 非平衡传输是指所有的电路共用一个公共地
    - RS-422-A(电气特性)：采用平衡工作方式时，电缆长度为60m时速率可达2Mb/s。
      - 平衡传输是指所有的电路没有公共地