2.3 万丈高楼平地起——传输介质（课件）-《计算机网络应用基础》同步教学（航空工业出版社）

《计算机网络应用基础》（航空工业出版社） 同步教学 揭开通信面纱——数据通信基础 华山亮剑——数据传输技术 万丈高楼平地起——传输介质 神龙见首不见尾——数据交换 第2章 网络的任督二脉 ——数据通信与网络体系结构 一个都不能错——差错控制技术 没有规矩不成方圆——网络体系结构 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 传输介质是网络中信息传输的媒体，是网络通信的物质基础之一。传输介质的性能特点对传输速率、通信距离、可连接的网络节点数目和数据传输的可靠性均有很大的影响。在网络中常用的传输介质有双绞线、同轴电缆、光纤和无线电等。 2.3.1 双绞线 双绞线是局域网中最常用的传输介质。 双绞线是由两根绝缘的铜导线用规则的方法绞合而成，称为一对双绞线。双绞线绞合的目的是为了减少信号在传输中的串扰及电磁干扰。如图2-10所示，通常把若干对双绞线捆成一条电缆并以坚韧的塑料护套包裹着，每根铜导线的护套上都涂有不同的颜色，分为橙白、橙、绿白、绿、蓝白、蓝、棕白和棕色，以便于用户区分不同的线对。 图2-10 双绞线 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 （1）根据屏蔽类型，双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）两大类。 非屏蔽双绞线：如图2-11所示，非屏蔽双绞线的外面只有一层绝缘胶皮，因而重量轻、易弯曲，安装、组网灵活，比较适合于结构化布线。在无特殊要求的小型局域网中，尤其是在星型网络拓扑结构中，常常使用这种双绞线。 图2-11 非屏蔽双绞线 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 屏蔽双绞线：如图2-12所示，屏蔽双绞线是在双绞线与外层绝缘皮之间有一层金属材料。这种结构能减少辐射，防止信息被窃听，同时还具有较高的数据传输速率。但由于屏蔽双绞线的价格相对较高且必须采用特殊的连接器，技术要求也比非屏蔽双绞线高，因此屏蔽双绞线只使用在安全性要求较高的网络环境中。 图2-12 屏蔽双绞线 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 （2）根据传输数据的特点，双绞线又可分为3类、4类、5类和超5类等。其特点及用途见表2-2。 表2-2 双绞线的性能和用途 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 2.3.2 同轴电缆 同轴电缆也是一种常见的网络传输介质。它由一层网状导体和一根位于中心轴线位置的铜导线组成，铜导线、网状导体和外界之间分别用绝缘材料隔开，如图2-11所示。 图2-13 同轴电缆 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 从图2-13可以看出，同轴电缆的结构分为四部分，各部分的作用如下： 铜质导体：同轴电缆的中心导体多为单芯铜质导线，是信号传输的信道。 绝缘体：用来隔离铜质导体和网状导线的塑料绝缘层，目的是避免短路。 网状导线：是环绕绝缘体外的一层金属网，接地线用。在网络信息传输过程中，可用作铜质导体的参考电压。 外皮：用于保护网线免受外界干扰，并预防网线在不良环境中受到氧化或其他损坏。 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 目前广泛使用的同轴电缆有两种：一种是阻抗为50欧姆的基带同轴电缆，另一种是阻抗为75欧姆的宽带同轴电缆。 基带同轴电缆主要用于传输数字信号，可以作为计算机局域网的传输介质。基带同轴电缆的带宽取决于电缆长度。1km电缆可达到10Mbps的数据传输率。电缆增长，其数据传输率将会下降；短电缆可获得较高的数据传输率。 宽带同轴电缆用于传输模拟信号。“宽带”这个词来源于电话业，指比4KHz宽的频带。宽带电缆技术使用标准的闭路电视技术，可以使用的频带高达900MHz，由于使用模拟信号，可传输近100km，对信号的要求也远没有像对数字信号那样高。 由于同轴电缆具有寿命长、频带宽、质量稳定、外界干扰小、可靠性高、维护便利、技术成熟等优点，而且其费用又介于双绞线与光纤之间，在光纤通信没有大量应用之前，同轴电缆在闭路电视传输系统中一直占主导地位。 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 2.3.3 光纤 光导纤维是一种新型的传输介质，它由石英玻璃纤芯、折射率较低的反光材料包层和塑料防护层组成。如图2-14所示。由于包层的作用，使得在纤芯中传输的光信号几乎不会被折射出去。 图2-14 光纤 由于光纤具有传输速率高、通信容量大、重量轻等一系列非常突出的优点而得以迅速发展。当前长距离通信的干线网几乎都是用光纤作为传输介质；而在企业网中，当要求的传输速率大于100Mbps、通信距离超过数百米时，目前也广泛利用光纤。此外，在结构化布线系统中，通常都是利用5类UTP电缆作为水平布线，用光纤作为垂直布线。 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 1．光纤通信的工作原理 光纤通信系统的主要部件有光收发器和光纤，如果用于长距离传输信号还需要中继器。光纤通信实际上是应用光学原理，由光收发器的发送部分产生光束，将表示数字代码的电信号转变成光信号后导入光纤传播，在光缆的另一端由光收发器的接收部分接收光纤上传输的光信号，再将其还原成为发送前的电信号。 2．光纤的分类 单模光纤（Single Mode Fiber）：这种光纤具有较宽的频带，传输损耗小，因此允许做无中继的长距离传输。但由于这种光纤难与光源耦合，连接较困难，价格也贵，故主要用作邮电通信中的长距离主干线。 多模光纤（Multi Mode Fiber）：其频带较窄、传输衰减也大，因此，其所允许的无中继传输距离较短，但其耦合损失较小，易于连接、价格较便宜，故常用于中、短距离的数据传输网络中。 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 3．光纤的优缺点 光纤的优点：传输信号的频带较宽，通信容量大，信号衰减小，应用范围广等；绝缘性能好，保密性好，不易被截取数据；传输速率高，目前实际可达到的传输速率为几十Mbps至几千Mbps；抗化学腐蚀能力强，可用于一些特殊环境下的布线。 光纤的缺点：光纤价格昂贵。光缆的安装、连接和分接都不容易，且相应的安装和测试工具也非常昂贵，这使光纤的应用受到一定限制，目前在主干网络上使用。 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 1．无线电波 2.3.4 无线传输 无线传输是指信号通过空气传输，信号不被约束在一个物理导体内。无线介质主要包括无线电波、微波和红外通信等。 无线电波很容易产生，可以传播很远，很容易穿过建筑物的阻挡，被广泛用于通信。无线电波的传输是全方向的，因此发射和接收装置不需要在物理上很准确地对准。 2．微波 微波沿直线传播，具有很强的方向性，因此，发射天线和接收天线必须精确地对准。由于微波沿直线传播，而地球是一个不规则球体，会限制地面微波传输的范围，为使传输距离更远，必须每隔一段距离就在地面设置一个中继站，实现信号的放大、恢复及转发。 微波可用于传输电话、电报、图像和数据等信息。微波通信的特点是通信容量大、受外界干扰小、传输质量高，但它的数据保密性较差。 2.3 万丈高楼平地起——传输介质 3．红外线 无导向的红外线已经被广泛应用于短距离通信。例如，在日常生活中所使用的遥控装置都利用了红外线装置。红外线通信的特点是相对有方向性、便宜而且容易制造，缺点是不能穿透坚实的物体。 什么是3G 3G是英文3rdGeneration的缩写，指第三代通信技术。相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM（基于TDMA技术）、CDMA等数字手机（2G），第三代手机一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供上述服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持最少2Mbps、384Kbps及144Kbps的传输速度。 目前国际上的3G手机有3种制式标准：欧洲的WCDMA（宽频分码多重存取）标准、美国的CDMA2000（多载波分复用扩频调制）标准和我国的TD-SCDMA（时分同步码多址接入）标准。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 数据交换是指在数据通信时利用中间节点将通信双方连接起来。作为交换设备的中间节点仅执行交换的动作，不关心被传输的数据内容，将数据从一个端口交换到另一端口，继而传输到另一台中间节点，直至目的地。整个数据传输的过程被称为数据交换过程。 数据交换方式包括线路交换（电路交换）、报文交换和分组交换。 2.4.1 线路交换 线路交换又称为电路交换，它类似于电话系统，通信的计算机之间必须事先建立物理线路或者物理连接。 1．线路交换的过程 整个线路交换的过程包括建立线路、占用线路并进行数据传输、释放线路三个阶段。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 （1）建立线路 发起方站点向某个终端站点（响应方站点）发送一个请求，该请求通过中间节点传输至终点；如果中间节点有空闲的物理线路可以使用，接收请求，分配线路，并将请求传输给下一中间节点；整个过程持续进行，直至终点。 如果中间节点没有空闲的物理线路可以使用，整个线路的“串接”将无法实现。仅当通信的两个站点之间建立起物理线路之后，才允许进入数据传输阶段。 线路一旦被分配，在未释放之前，其他站点将无法使用，即使某一时刻，线路上并没有数据传输。 （2）数据传输 在已经建立物理线路的基础上，站点之间进行数据传输。数据既可以从发起方站点传往响应方站点，也允许相反方向的数据传输。由于整个物理线路的资源仅用于本次通信，通信双方的信息传输延迟仅取决于电磁信号沿媒体传输的延迟。 （3）释放线路 当站点之间的数据传输完毕，执行释放线路的动作。该动作可以由通信双方中任一站点发起，释放线路请求通过途径的中间节点送往对方，释放整条线路资源。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 2．线路交换的特点 （1）独占性： 建立线路之后、释放线路之前，即使站点之间无任何数据可以传输，整个线路仍不允许其他站点共享，因此线路的利用率较低，并且容易引起接续时的拥塞。 （2）实时性好： 一旦线路建立，通信双方的所有资源（包括线路资源）均用于本次通信，除了少量的传输延迟之外，不再有其他延迟，具有较好的实时性。 （3）设备简单： 线路交换设备简单，不提供任何缓存装置。 （4）传输透明： 用户数据透明传输，要求收发双方自动进行速率匹配。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 2.4.2 报文交换 报文交换的原理是：一个站点要发送一个报文（一个数据块），它将目的地址附加在报文上，然后将整个报文传递给中间节点；中间节点暂存报文，根据目的地址确定输出端口和线路，排队等待，当线路空闲时再转发给下一节点，直至终点。 1．报文交换原理 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 （5）中间节点可进行数据格式的转换，方便接收站点的收取。 （6）增加了差错检测功能，避免出错数据的无谓传输等。 2．报文交换的特点 （1）在中间节点，采用“接收－存储－转发”数据。 （2）不独占线路，多个用户的数据可以通过存储和排队共享一条线路。 （3）无线路建立的过程，提高了线路的利用率。 （4）可以支持多点传输。一个报文传输给多个用户，在报文中增加“地址字段”，中间节点根据地址字段进行复制和转发。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 3．报文交换的不足之处 （1）由于“存储－转发”和排队，增加了数据传输的延迟。 （2）报文长度未作规定，报文只能暂存在磁盘上，磁盘读取占用了额外的时间。 （3）任何报文都必须排队等待。 （4）报文交换难以支持实时通信和交互式通信的要求。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 2.4.3 分组交换 分组交换是对报文交换的改进，是目前应用最广泛的交换技术。它结合了线路交换和报文交换两者的优点，使其性能达到最优。分组交换类似于报文交换，但它规定了交换设备处理和传输的数据长度（我们称之为分组），将长报文分成若干个固定长度的小分组进行传输。不同站点的数据分组可以交织在同一线路上传输，提高了线路的利用率。由于分组长度的固定，系统可以采用高速缓存技术来暂存分组，提高了转发的速度。 分组交换实现的关键是分组长度的选择。分组越小，冗余量（分组中的控制信息等）在整个分组中所占的比例越大，最终将影响用户数据传输的效率；分组越大，数据传输出错的概率也越大，增加重传的次数，也影响用户数据传输的效率。 分组交换采用两种不同的方法来管理被传输的分组流：数据报分组交换和虚电路分组交换。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 数据报（Data gram）是面向无连接的数据传输，工作过程类似于报文交换。采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。数据报的前部增加地址信息的字段，网络中的各个中间节点根据地址信息和一定的路由规则，选择输出端口，暂存和排队数据报，并在传输媒体空闲时，发往媒体乃至最终站点。 当一对站点之间需要传输多个数据报时，由于每个数据报均被独立地传输和路由，因此在网络中可能会走不同的路径，具有不同的时间延迟，按序发送的多个数据报可能以不同的顺序达到终点。 1．数据报分组交换 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 虚电路（Virtual Circuit）是面向连接的数据传输，工作过程类似于线路交换，不同之处在于此时的电路是虚拟的。 采用虚电路方式传输时，物理媒体被理解为由多个子信道（称之为逻辑信道LC）组成，子信道的串接形成虚电路（VC），利用不同的虚电路来支持不同的用户数据传输。 采用虚电路进行数据传输的过程如下。 2．虚电路分组交换 （1）虚电路建立： 发送方发送含有地址信息的特定的控制信息块，该信息块途经的每个中间节点根据当前的逻辑信道（LC）使用状况，分配LC，并建立输入和输出LC映射表，所有中间节点分配的LC的串接形成虚电路（VC）。 （2）数据传输： 站点发送的所有分组均沿着相同的VC传输，分组的发收顺序完全相同。 （3）虚电路释放： 数据传输完毕，采用特定的控制信息块释放该虚电路。通信的双方都可发起释放虚电路的动作。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 由于虚电路的建立和释放需要占用一定的时间，因此虚电路方式不适合站点之间具有频繁连接和交换短小数据的应用，如交互式的通信。 什么是信息高速公路 信息高速公路（Information Highway）是指高速信息电子网络，它是一个由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备网络体系。 构成信息高速公路的核心，是以光缆作为信息传输的主干线，采用支线光纤和多媒体终端，用交互方式传输文字、视频、话音、图像等多种形式信息的千兆比特的高速数据网。此外，信息来源、内容和形式也是多种多样的。网络用户可以在任何时间、任何地点以声音、数据、图像或视频等多媒体方式相互传递信息。 2.4 神龙见首不见尾——数据交换 1992年，当时的参议员、前任美国副总统阿尔·戈尔提出美国信息高速公路法案。1993年9月，美国政府宣布实施一项新的高科技计划——“国家信息基础设施”（National Information Infrastructure，简称NII），旨在以因特网为雏形，兴建信息时代的“高速公路”，使所有的美国人方便地共享海量的信息资源。 NII计划宣布后，得到了美国国内大公司的普遍支持，世界其他国家也对此高度重视。许多发展中国家（包括中国）也在研究NII计划，并且根据自身条件制订和提出了本国的策略。网络系统是NII计划的基础。NII计划的提出，给未来的信息社会勾画了一个清晰的轮廓，而Internet的扩大运行，也给未来的全球信息基础设施提供了一个可供借鉴的原型。 谢谢观看 $$