以太网中，数据的传输使用()<br />

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第34题

知识点：数据调制与编码以太网

关键词：传输数据以太网章/节：数据通信与计算机网络

以太网中，数据的传输使用()

A. 直接的二进制码

B. 循环码

C. 曼彻斯特编码

D. 差分曼彻斯特编码

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知识点讲解
· 数据调制与编码 · 以太网

数据调制与编码

人类在长期的社会活动中需要不断地交往和传递信息。这种传递信息的过程就叫做通信。在通过通信媒体发送信息之前，信息必须被编码形成信号。当将数据由一地传送到另一地时，必须将其转换为信号。

模拟通道传送模拟数据

模拟数据通过模拟通道传送的调制方式主要有调幅（Amplitude Modulation，AM）、调频（Frequency Modulation，FM）和调相（Phase Modulation，PM）三种方式。

调幅技术最常见的应用是收音机，调幅是载波频率固定，载波的振幅随着原始数据的幅度变化而变化；调频和调相都属于调度调制。调频即载波的频率随着基带数字信号而变化，调相即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。

数字通道传送模拟数据

模拟数据必须转变为数字信号，才能在数字通道上传送，这个过程称为“数字化”。脉码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是模拟数据数字化的主要方法，PCM要经过采样、量化、编码三个步骤。

（1）要根据奈奎斯特采样定理，取样速率大于模拟信号的最高频率的2倍。例如，人耳能识别的最高频率为22kHz，因此，采样率一般必须达到44kHz。

（2）量化是将样本的连续值转换成离散值，采用的方法类似于求圆周长时用内切正多边形的方法。而我们平时提到的8位、16位的声音，指的就是2⁸、2¹⁶位量化。

（3）编码就是将量化后的样本值变成相应的二进制代码。

模拟通道传送数字数据

计算机拨号上网，电话网络传送的是模拟数据，而计算机只能收发数字数据，这就涉及模拟信道传送数字信号的变换问题。也就是一个数据调制与解调的问题。数字数据调制为模拟信号，选取某一频率的正弦信号作为载波用以运载所要传送的数字数据。用待传送的数字数据改变载波的幅值、频率、或相位，到达目的地后进行分离。而在接收端则通过解调以还原信号。有关具体的调制技术，请参考表4-1。

数字通道传送数字数据

在数据通信中，编码的作用是用信号来表示数字信息。例如，单极性编码、极化编码、双极性编码等。

（1）非归零编码（Non-Retum Zero，NRZ）。归零指的是编码信号量是否回归到零电平。非归零编码的码元信号的电压位或正或负（当“1”出现时电平翻转，“0”出现时电平不翻转）。与采用线路空闲态代表0比特的单极性编码法不同，在非归零编码系统中，如果线路空闲意味着没有任何信号正在传输中。非归零编码又可以分为非归零电平编码（No Return Zero-Level，NRZ-L）和非归零反相编码（None Return Zero-Inverse，NRZ-I）。

在NRZ-L编码方式中，信号的电平是根据它所代表的比特位决定的。一个正电压值代表比特0，一个负电压代表比特1（或相反）。在NRZ-L中，当数据流中存在一连串1或0时，也会出现与单极性编码中同样的同步问题。

在NRZ-I编码方式中，信号电平的一次反转代表比特1。就是说是从正电平到负电平的一次跃迁（而不是电压值本身）来代表一个比特1。0比特由没有电平变化的信号代表。NRZ-I相对NRZ-L的优点在于：因为每次遇到比特1都发生电平跃迁，这能提供一种同步机制。

（2）归零编码（Return Zero，RZ）。码元中间的信号回归到0电平（正电平到零电平的转换表示码元0，负电平到零电平的转换表示码元1）。

（3）双相位编码。现在对同步问题最好的解决方案就是双相位编码。通过不同方向的电平翻转（低到高代表0，高到低代表1），这样不仅可以提高抗干扰性，还可以实现自同步。双相位编码有两种方法，第一种是曼彻斯特编码，主要用在以太局域网中；第二种是差分曼彻斯特编码，主要用在令牌环局域网中。

曼彻斯特编码用低到高的电平转换表示0，用高到低的电平转换表示1（注意：某些文献中关于此定义有相反的描述，也是正确的）。差分曼彻斯特编码是在曼彻斯特编码的基础上加上了翻转特性，遇0翻转，遇1不变，常用于令牌环网。要注意的一个知识点是：使用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码时，每传输1bit的信息，就要求线路上有两次电平状态变化（2 Baud），因此要实现100Mbps的传输速率，就需要有200MHz的带宽，即编码效率只有50%。

（4）mBnX编码。正是因为曼彻斯特编码的编码效率不高，所以在带宽资源宝贵的广域网与高速局域网中，显得不能得到有效利用。mBnX编码是将m比特位编码成n位波特（代码位）的编码，如下表所示。

mBnX编码

：数据通信中还有另一类编码，称为差错控制编码（校验码）。它的作用是通过对信息序列作某种变换，使原来彼此独立、相关性极小的信息码元产生某种相关性，从而在接收端就利用这种特性，来检查或进而纠正信息码元在信道传输中所造成的差错。

以太网

以太网是最早使用的局域网，也是目前使用最广泛的网络产品。以太网有10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10Gb/s等多种速率。

以太网传输介质

以太网比较常用的传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤三种，以IEEE 802.3委员会习惯用类似于10Base-T的方式进行命名。这种命名方式由三个部分组成：

（1）10：表示速率，单位是Mb/s。

（2）Base：表示传输机制，Base代表基带，Broad代表宽带。

（3）T：传输介质，T表示双绞线、F表示光纤、数字代表铜缆的最大段长。

传输介质的具体命名方案如下表所示，了解这些知识是十分必要的。

以太网传输介质表

以太网时隙

时间被分为离散的区间称为时隙（Slot Time）。帧总是在时隙开始的一瞬间开始发送。一个时隙内可能发送0，1或多个帧，分别对应空闲时隙、成功发送和发生冲突的情况。

设置时隙理由

在以太网规则中，若发生冲突，则必须让网上每个主机都检测到。信号传播整个介质需要一定的时间。考虑极限情况，主机发送的帧很小，两冲突主机相距很远。在A发送的帧传播到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到了冲突，于是发送阻塞信号。B的阻塞信号还没有传输到A，A的帧已发送完毕，那么A就检测不到冲突，而误认为已发送成功，不再发送。由于信号的传播时延，检测到冲突需要一定的时间，所以发送的帧必须有一定的长度。这就是时隙需要解决的问题。

在最坏情况下，检测到冲突所需的时间

若A和B是网上相距最远的两个主机，设信号在A和B之间传播时延为τ，假定A在t时刻开始发送一帧，则这个帧在t+τ时刻到达B，若B在t+τ-ε时刻开始发送一帧，则B在t+τ时就会检测到冲突，并发出阻塞信号。阻塞信号将在t+2τ时到达A。所以A必须在t+2τ时仍在发送才可以检测到冲突，所以一帧的发送时间必须大于2τ。

按照标准，10Mb/s以太网采用中继器时，连接最大长度为2500m，最多经过4个中继器，因此规定对于10Mb/s以太网规定一帧的最小发送时间必须为51.2μs。51.2μs也就是512位数据在10Mb/s以太网速率下的传播时间，常称为512位时。这个时间定义为以太网时隙。512位=64字节，因此以太网帧的最小长度为64字节。

冲突发生的时段

（1）冲突只能发生在主机发送帧的最初一段时间，即512位时的时段。

（2）当网上所有主机都检测到冲突后，就会停发帧。

（3）512位时是主机捕获信道的时间，如果某主机发送一个帧的512位时，而没有发生冲突，以后也就不会再发生冲突了。

提高传统以太网带宽的途径

以往被淘汰、传统的以太网是以10Mb/s速率半双工方式进行数据传输的。随着网络应用的迅速发展，网络的带宽限制已成为进一步提高网络性能的瓶颈。提高传统以太网带宽的方法主要有以下3种。

交换以太网

以太网使用的CSMA/CD是一种竞争式的介质访问控制协议，因此从本质上说它在网络负载较低时性能不错，但如果网络负载很大时，冲突会很常见，因此导致网络性能的大幅下降。为了解决这一瓶颈问题，“交换式以太网”应运而生，这种系统的核心是使用交换机代替集线器。交换机的特点是，其每个端口都分配到全部10Mb/s的以太网带宽。若交换机有8个端口或16个端口，那么它的带宽至少是共享型的8倍或16倍（这里不包括由于减少碰撞而获得的带宽）。

交换以太网能够大幅度的提高网络性能的主要原因是：

.减少了每个网段中的站点的数量；

.同时支持多个并发的通信连接。

网络交换机有三种交换机制：直通（Cut through）、存储转发（Store and forward）和碎片直通（Fragment free Cut through）。

交换式以太网具有几个优点：第一，它保留现有以太网的基础设施，保护了用户的投资；第二，提高了每个站点的平均拥有带宽和网络的整体带宽；第三，减少了冲突，提高了网络传输效率。

全双工以太网

全双工技术可以提供双倍于半双工操作的带宽，即每个方向都支持10Mb/s，这样就可以得到20Mb/s的以太网带宽。当然这还与网络流量的对称度有关。

全双工操作吸引人的另一个特点是它不需要改变原来10Base-T网络中的电缆布线，可以使用和10Base-T相同的双绞线布线系统，不同的是它使用一对双绞线进行发送，而使用另一对进行接收。这个方法是可行的，因为一般10Base-T布线是有冗余的（共4对双绞线）。

高速服务器连接

众多的工作站在访问服务器时可能会在服务器的连接处出现瓶颈，通过高速服务器连接可以解决这个问题。使用带有高速端口的交换机（如24个10Mb/s端口，1个100Mb/s或1000Mb/s高速端口），然后再把服务器接在高速端口上并使用全双工操作。这样服务器就可以实现与网络200Mb/s或2000Mb/s的连接。

以太网的帧格式

以太网帧的格式如下图所示，包含的字段有前导码、目的地址、源地址、数据类型、发送的数据，以及帧校验序列等。这些字段中除了数据字段是变长以外，其余字段的长度都是固定的。

以太网的帧结构

注：字段的长度以字节为单位

前导码（P）字段占用8字节。

目的地址（DA）字段和源地址（SA）字段都是占用6字节的长度。目的地址用于标识接收站点的地址，它可以是单个的地址，也可以是组地址或广播地址，当地址中最高字节的最低位设置为1时表示该地址是一个多播地址，用十六进制数可表示为01：00：00：00：00：00，假如全部48位（每字节8位，6字节即48位）都是1时，该地址表示是一个广播地址。源地址用于标识发送站点的地址。

类型（Type）字段占用两字节，表示数据的类型，如0x0800表示其后的数据字段中的数据包是一个IP包，而0x0806表示ARP数据包，0x8035表示RARP数据包。

数据（Data）字段占用46～1500个不等长的字节数。以太网要求最少要有46字节的数据，如果数据不够长度，必须在不足的空间插入填充字节来补充。

帧校验序列（FCS）字段是32位（即4字节）的循环冗余码。

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