第5章 通信与网络

第5章通信与网络教学目的与要求：本章主要介绍计算机通信与网络的基本知识以及计算机网络的应用和操作。

通过本章学习，了解数据通信的基本概念，了解计算机网络的定义、发展、组成、功能和分类，了解网络操作系统。

掌握计算机网络体系结构基本概念，掌握局域网的概念和常用网络互联设备。

了解网上办公、发布文件、发送E-mail等各项活动。

5.1 数据通信基础数据通信是指通过通信信道在各计算机之间进行数据与信息的收集、传输、交换或重新分布的过程，是计算机网络系统中很重要的一部分。

数据通信系统一般由数据传输设备、传输控制设备和传输控制规程及通信软件组成。

这里简单介绍有关数据通信的基本知识，以便更好地理解计算机网络。

5.1.1 数据通信系统数据通信系统是通过传输介质将数据从一个地方传送到另一个地方的电子系统，由信源、信宿和信道三部分组成。

在通信过程中，信源就是信息源。

数据以信号的形式出现，是通信系统中要传送的对象。

变换器是把信息变换成适合于信道传输的电信号。

反变换器是把由信道传输的电信号反变换成接收端所需的信息。

信宿就是信息的接收者。

在实际通信中，不可避免地会有干扰，把所有各种干扰等效成为一个总的噪声源，作用于信道上。

数据通信系统模型如图5-1所示：图5-1 数据通信系统模型5.1.1.1数据传输方式（1）基带传输在数据通信中，表示0,1二进制代码的方波固有的频带称为基带，在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输。

这种传输的特点是速率高、误码率低，传输距离较近。

（2）频带传输频带传输是指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。

通常会用调制解调器（Modem）实现，调制是把数字信号变为模拟信号，解调是把模拟信号变为数字信号。

这种传输的特点是速率低，误码率高，适宜长距离传输。

（3）宽带传输就是利用带宽至少为1000MHz的同轴电缆作为传输介质，通常将带宽划分为若干个子频带，分别用于传输数字、音频和视频信号。

因此，可以利用带宽传输系统实现文字、声音和图像的一体化传输。

5.1.1.2数据传输介质数据传输介质是指传送信息的载体，在网络中是连接收发双方的物理通路。

它可绝缘层屏蔽层塑料外套图2-1 同轴电缆结构分为有线介质和无线介质两种。

有线介质上可传输模拟信号和数字信号，无线介质上大多传输数字信号。

（1）双绞线（Twisted Pair ）双绞线是用于传输模拟信号和数字信号，特别适用于较短距离的信息传输。

它由两根绝缘金属线缠绕而成，这样的一对线作为一条通信链路，由四对双绞线构成双绞线电缆，如图5-2所示。

局域网中所使用的双绞线分为屏蔽双绞线（STP ，ShieldTwisted Pair ）和非屏蔽双绞线（UTP ，Unshield Twisted Pair ）。

屏蔽双绞线由外部保护层、屏蔽层与多对双绞线组成。

非屏蔽双绞线由外部保护层、多对双绞线组成。

图5-2 双绞线双绞线点到点的通信距离一般不能超出100m 。

目前，计算机网络上的双绞线有三类线（最高传输速率为10Mbps ）、五类线（最高传输速率为100Mbps ）、超五类线和六类线（传输速率至少为250Mbps ）、七类线（传输速率至少600Mbps ）。

双绞线需用RJ-45或RJ-11连接头插接。

（2）同轴电缆（Coaxial Cable ）同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介质之一，在高频时抗干扰性能比双绞线好，成本介于双绞线和光导纤维之间。

它由内、外两个导体构成，内导体可以由单股或多股线组成，外导体一般由金属编织网线组成。

内、外导体之间有绝缘材料，其阻抗为50Ω，如图5-3所示。

同轴电缆分为粗缆和细缆，粗缆用DB-15连接器，细缆用BNC 和T 连接器。

图5-3 同轴电缆现在计算机局域网中一般都使用细缆组网。

细缆一般用于总线型网络布线连接。

利用T 型BNC 接口连接器连接BNC 接口网卡，同轴电缆的两端需安装50Ω终端电阻器。

细缆网络每段干线长度最大为185米，每段干线最多可接入30个用户。

细缆安装较容易，而且造价较低，但因受网络布线结构的限制，其日常维护不是很方便，一旦一个用户出故障，便会影响其他用户的正常工作。

而粗缆适用于较大局域网的网络干线，布线距离较长，可靠性较好。

用户通常采用外部收发器与网络干两双绞线对线连接。

粗缆局域网中每段长度可达500米，采用4个中继器连接5个网段后最大可达2500米。

用粗缆组建的局域网虽然各项性能较高，具有较大的传输距离，但是网络安装、维护等方面比较困难，且造价较高。

（3）光缆(Optical Cable)光纤电缆简称光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种，它对外界的电磁干扰十分迟钝，传输容量大，保密性好，适合长距离传输，常用于主干网的连接。

光缆由两层折射率不同的材料组成。

内层是具有高折射率的玻璃单根纤维体组成，外层包一层折射率较低的材料，光缆的传输速率可达到每秒几百兆位，如图5-4所示。

光缆需用ST或SC连接器连接。

图5-4 光缆光缆的传输形式分为单模传输和多模传输，单模传输优于多模传输。

所以，光缆分为单模光缆和多模光缆，单模光缆的纤芯直径很小，在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大，传送距离为几十公里。

多模光缆是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤，与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差，传送距离仅为几公里。

（4）无线传输在空间中采用无线频段、红外线、激光等进行传输称为无线传输。

目前常用的有卫星通信、红外线与激光、微波。

5.1.2 数据传输信道所谓信道即信号传输的通道。

在通信系统中，各种信号都要通过信道才能从一端点传至另一端点，信道中的设备包括传输媒体及相关设备，它是实现数据通信的基础。

5.1.2.1信道的分类（1）以信道的传输媒体分为有线信道和无线信道。

（2）以信道多路复用的形式分为频分复用信道和时分复用信道。

（3）以信道中传输的信息分为模拟信道、数字信道及模拟－数字混合信道。

5.1.2.2信道通信方式按信道通信方式有单工通信、半双工通信、全双工通信3种。

（1）单工通信是指数据只能单方向进行传输的一种通信工作方式。

发送方不能接收，接收方也不能发送，信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。

无线电广播和电视广播都是单工通信的例子。

（2）半双工通信是指通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。

通信的双方可交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。

在一段时间内，信道的全部带宽用于在一个方向上传送信息，航空和航海无线电台以及无线对讲机等都是以这种方式通信的。

这种方式要求通信双方都具有发送和接收能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工设备便宜。

在要求不很高的场合，多采用这种通信方式，虽然转换传送方向会带来额外的开销。

（3）全双工通信是指通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式，例如现代的电话通信就是这样的。

这不但要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽。

所以全双工通信设备最昂贵。

5.1.3 数据通信技术5.1.3.1模拟通信和数字通信模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，以便进行传播。

（1）模拟通信在电话通信中，用户线上传送的电信号是随着用户声音大小和频率的变化而变化的。

这个变化的电信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的，这种信号称为模拟信号。

在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信”。

（2）数字通信数字通信是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。

数字信号是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。

电报信号就属于数字信号。

现在最常见的数字信号是幅度取值只有两种(用0和1代表)的波形，称为“二进制信号”。

5.1.3.2异步传输和同步传输（1）异步传输是以字符为单位进行传输和识别的，每传一个字符的数据，先在字符前传送一个起始引导码，一个字符传完后，再插入一个或两个终止码。

这样，在接收端可以通过识别接受到的二进制起始码和终止码，而得到两者之间的传输字符。

这种方法传输速度慢，一般用于较低速度要求的数据通信。

（2）同步传输是以一段报文（字符序列）为单位进行传输和识别的，它要求在发送和接收时，每个比特（位）都要在两端保持同步。

为了使接收方确定报文的开始和结束，每个报文前用一个或多个同步字符开始，这样在接收端可以从接受到的信号中通过提取同步字符来获得每个比特的同步信息。

显然同步方式插入的附加码的位数少的多，因此比异步方式速度快，但对线路要求高，通信控制过程复杂。

5.1.3.3多路复用技术多路复用技术是实现在一条线路上传输多路数据信号，提高了线路的利用率。

多路复用是将多种要传输的信号组合起来，在一条线路进行传输，实现这一功能的设备叫多路复用器（MUX）。

多路复用有下列三种类型：（1）频分多路复用：将传输线路的可用带宽按不同的频率分割成若干个独立的子频带信道，并分别分配给一种传输信号，使每个信号在自己所分配的子频带信道上传输，正如一条公路上按速度划分出快行道和慢行道，不同车速的车各行其道。

（2）时分多路复用：将利用线路的时间分成小的时间片，再将时间片按顺序周期性地分配给多个独立的信道，即每种信号轮流分时地占用整个信道。

从宏观上看，多种信号都在利用同一条线路进行通信，并占有整个带宽，由于时间片分得很小，用户感觉不到其他人也在使用线路。

（3）统计时分多路复用：在时分多路复用中，不管每个通信设备状态如何，均机械地、周期性地分配给一个时间片。

如果通信设备忙闲不一，即传输速率不同，这条线路的应用效率将不高。

而计算机数据通信往往具有大量的随机突发性传输的特征，因此引入统计时分多路复用解决这个问题。

统计时分多路复用分配时间片是按统计规律进行的，发送速度高的通信设备相应地多分一些时间片，反之则相反，从而线路的时间片不会轮空，效率高。

5.1.4 数据交换技术数据通过网络从信源传输到信宿采用的交换技术可分为电路交换和存储转发交换两大类。

包括电路交换、报文交换、分组交换。

5.1.4.1电路交换电路交换是一种直接交换方式。

在数据通信前，通信双方先建立一条专用的通信线路，如电话系统。

线路交换的通信过程分为线路建立、数据传输和线路拆除3种状态。

在数据传输的全部时间内通信双方完全占有线路，数据传输速度快，但线路利用率较低。

5.1.4.2报文交换在报文交换中，通信双方不需要建立一条专用的通信线路。

报文从信源传送到信宿采用存储转发方式，类似古代驿站传递消息。

报文交换的优点有：（1）许多不同的报文可分时共享同一信道，线路使用效率提高。

（2）存储转发机制使报文可在不同交换机之间进行传递，因此不需要建立从发送端到接收端的直接联接，在网络通信量很大时，报文也不会被拒收，只是增加了传输延迟。