第2章-数据通信基础概况.ppt

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1、现代网络技术现代网络技术第第2 2章章 数据通信基础数据通信基础 v数据通信的基本概念 v数据传输方式 v传输介质 v数据传输技术 现代网络技术2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 2.1.1 2.1.1 基本概念基本概念1信息、数据和信号 信息：是对客观物质的反映，可以是对物质的形态、大小、结构、性能等全部或部分特性的描述，也可以是物质与外部的联系。数据：数字化的信息称为数据。两者区别：数据是装载信息的实体，信息则是数据的内在含义或解释。现代网络技术2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 信号：是指数据的电编码或电磁编码。它分为模拟信号和数字信号两种。2信道 信

2、道:是传送信号的通路。用以传输模拟信号的信道叫做模拟信道模拟信道，用以传输数字信号的信道叫做数字信道。数字信道。现代网络技术2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念3 3通信通信 通信:是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程。对一个通信系统来说，它都必须具备三个基本要素：信源、信道和信宿。通信系统基本要素 现代网络技术2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念4数据通信 数据通信系统:如果一个通信系统传输的信息是数据，则称这种通信为数据通信数据通信，实现这种通信的系统是数数据通信系统。据通信系统。现代网络技术2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念5数据通信

3、系统的基本构成现代网络技术2.1 2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念2.1.2 数据通信过程中涉及的主要技术问题 1数据传输类型 2数据通信方式 3数据交换方式 4差错控制方法 现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式 2.2.1 串行通信与并行通信(a)(b)图2-5 串行通信与并行通信 现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式2.2.2 2.2.2 数据传输方向数据传输方向 图2-6 单工、半双工与全双工通信 现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式2.2.3 2.2.3 同步传输与异步传输同步传输与异步传输1同步传输 外同步：指由通信线路设备

4、提供同步时钟信号，该同步信号与数据编码一同传输，以保证线路两端数据传输同步，如图：现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式 内同步：指某些编码技术内含时钟信号，在每一位的中间有一个电平跳变，这一个跳变就可以提取出来用作位同步信号，如曼彻斯特码。同步传输优缺点：适合于大的数据块的传输，这种方法开销小、效率高，缺点是控制比较复杂，如果传输中出现错误需要重新传送整个数据段。现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式2 2异步传输异步传输异步传输 现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式2.2.4 2.2.4 基带传输与频带传输基带传输与频带传输1 1基带传输基带传输

5、 基带传输：在数字通信信道上直接传送数据的基带信号称做基带传输。2 2频带传输频带传输 频带传输：又叫宽带传输，它是对模拟信号的传输。现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式2.2.5 2.2.5 数据通信的主要技术指标数据通信的主要技术指标 1带宽 带宽:是指信道能传送的信号的频率宽度，也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差。2数据传输速率 （1）码元与信息量 码元:是承载信息的基本信号单位。现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式 一码元携带信息量计算公式为：其中，N表示一个脉冲所能表示的有效值状态。（2）数据传输速率 数据传输速率:是指每秒能传输的代码位数，单位

6、为位/秒（bps）。现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式 数据传输速率计算公式如下：其中，T表示单位脉冲宽度，即调制状态转换时间间 隔，N表示一个脉冲所能表示的有效值状态。3 3调制速率调制速率 调制速率:又称波形速度或码元速率，是指每秒钟发送的码元数，其单位是波特（Baud），用B来表示。现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式 调制速率计算公式如下：其中，T为一个波形的持续时间。调制速率不等于数据传输速率，调制速率一般小于等于数据传输速率。其两者之间的关系如下：现代网络技术2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式4误码率 误码率:是指二进制码元在传输中出错的概率

7、，是衡量传输系统可靠性的指标。误码率的计算公式如下：其中，N表示传输的二进制码元总数；Ne表示被传错的码元数。现代网络技术2.3 2.3 传输介质传输介质 2.3.1 双绞线 双绞线:由按规则螺旋结构排列的两根、四根或八根绝缘导线组成，如图 双绞线分为:屏蔽和非屏蔽双绞线。RJ-45接头与普通电话系统的RJ-11接头区别：RJ-45接头稍大，有8条连接缆线，而RJ-11接头只有4条。现代网络技术2.3 2.3 传输介质传输介质2.3.2 同轴电缆 同轴电缆：由一根空心的外圆柱形的导体围绕单根内导体构成的，如图 根据同轴电缆的带宽不同，它可以分为两类：基带同轴电缆、宽带同轴电缆。现代网络技术2.

8、3 2.3 传输介质传输介质 基带同轴电缆：一般只用于数字信号的传输。宽带同轴电缆：可以使用频分多路复用方法，也可以只用于一条通信信道的高速数字通信，此时称之为单信道带宽。同轴电缆的优缺点：优点抗干扰能力较强，缺点是基带同轴电缆物理可靠性不好，在公共机房等嘈杂的地方，容易出现故障。现代网络技术2.3 2.3 传输介质传输介质2.3.3 光缆 光缆通信：就是通过光导纤维传递光脉冲进行通信的。光缆分为：单模和多模两种。光缆特点：具有重量轻，体积小，成缆后弯曲性能好，抗干扰性强等特点。现代网络技术2.3 2.3 传输介质传输介质2.3.4 无线通信 无线传输介质包括：无线电、微波、卫星、移动通信等，

9、各种无线传输介质对应的电磁波谱范围如图：现代网络技术2.3 2.3 传输介质传输介质 在计算机网络领域，无线通信介质主要是微波和卫星。微波通信的特点是：（1）只能进行可视范围内的通信；（2）大气对微波信号的吸收与散射影响较大。卫星通信的特点是：（1）适合与很长距离的传输，如国际之间、洲际之间；（2）传输延时较大，一般为500ms左右；（3）费用较高。现代网络技术2.3 2.3 传输介质传输介质2.3.5 影响传输介质选择的因素 一般来说，影响传输介质选择的因素包括：拓扑结构 容量 可靠性（差错率）应用环境 现代网络技术2.4 2.4 数据传输技术数据传输技术 2.4.1 数据编码技术 1数字数

10、据的调制编码 在调制过程中，首先要选择音频范围内的某一角频率的正弦函数作为载波，这一函数可以表示为：此载波函数中，有三个可以调制的参量：、和，分别代表函数的幅度、频率和相位。对这三个参量的调制产生了三种调制技术：调幅（ASK）、调频（FSK）调相（PSK）。现代网络技术2.4 2.4 数据传输技术数据传输技术 数字数据的调制编码 现代网络技术2.4 2.4 数据传输技术数据传输技术2数字数据的数字信号编码 在基带传输中，数字数据信号的编码方式主要有以下三种：非归零编码（NRZ）、曼彻斯特编码（Manchester）、差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）现代网络技术2.

11、4 2.4 数据传输技术数据传输技术3模拟数据的采样编码 PCM技术将模拟信号变为数字信号编码需经过以下三个步骤：（1）采样（2）量化（3）编码 现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术 多路复用方法分为两类：频分多路复用、时分多路复用。1频分复用技术 频分：是指把传输线的总频带划分成若干个分频带，以提供多条数据传输信道，其中每条信道以某一固定频率提供给一个固定终端使用。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术6路频分复用的示意图见下图：现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术 波分多路复用：是FDM应用于光纤信道的一个变例，如图：现

12、代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术2时分多路复用技术 时分多路复用TDM：是把信道传输信号的时间分成许多时间片，时间片的大小可以按一次传输一位、一个字节或一个固定大小的数据块所需的时间来确定。时分多路复用的原理见下图：现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术 TDM分：同步TDM和异步TDM两种方案。同步TDM：是按固定的顺序把时间片分配给各路信号。异步TDM：时间片是按需求动态分配的，当某个信号源有数据要发送时才把时间片分配给它。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术2.4.3 数据交换技术 数据通过通信子网的交换方式分为三种

13、：电路交换、报文交换、分组交换。1电路交换 电路交换包括三个阶段：线路建立阶段、数据传输阶段和线路释放阶段，如下图 现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术 电路交换系统有两种工作方式：空分工作方式和时分工作方式。空分交换：是按空间划分的交换，即各次连接采用不同的物理线路连接，从开始交换信息直到结束，这条线路都是实际存在的，交换结束后，这条线路就释放。简单的空分接线器 现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术 时分交换：多个用户共用一条物理线路，各用户按所分配的时隙（时间片）轮流使用传输介质，从

14、而大大提高线路利用率。电路交换的特点：是一旦电路建立连接后就要以进行基本无延迟的信息传输；要求有一定的时间才能建立起通信；一旦两终端建立起通信，在双方通信期间，信道和使用的有关设备都被一直占用而无法提供别的用户使用，因此线路利用率较低。电路交换的优点：是适合远距离成批处理，建立一次连接可以传送大量数据。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术2报文交换 报文：是一种数据包装形式，即把要发送的数据与发往的目的地、发出地等有关信息结合在一起组成待发送信号。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术 报文交换的优点是：不需要预先建立电路和事后拆除电路，线路利用率

15、较高，在中间节点还可以进行差错校验和代码转换。缺点是：每个中间节点需要容量较大的硬盘等存储器；当报文很大时，会明显增加时延，不宜用于实时通信或交互通信。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术3分组交换 分组交换的工作方式与报文交换大致相同，区别在于报文交换是以整个报文（数据块）为信息交换单位，而分组交换则是把大的数据块分割成若干小段，为每个小段加上有关地址数据以及段的分割信息，组成一个数据包，也叫分组。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术 分组交换的优点：是交换节点可以进行差错控制，提高传输可靠性；减少时延；各信道的流量趋于平衡，信道带宽按需分配，

16、有利于提高通信线路利用率。分组交换的缺点：是每个分组在每个中间节点都要独立选择路径；每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址，增加了额外信息。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术 分组交换可以向用户提供两类业务方式：一是数据报方式，二是虚电路方式。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术2.4.4 差错控制方法 1差错的产生 数据传输中所产生的差错都是由热噪声引起的。热噪声有两大类：随机热噪声和冲击热噪声。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术2差错控制（1）差错控制编码 差错控制编码是用以实现差错控制的编码。它分检错码和

17、纠错码两种。（2）差错控制方法 差错控制方法主要有3种：自动请求重发，向前纠错和混合方式。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术3差错检测技术 常用的检错码有：(1)恒比码 我国电信部门在国内通信中广泛采用五单位恒比码，如表2-1。表2-1 我国的五单位保护电码表数字电码数字电码012340110101011110011011011010567890011110101111000111010011现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术(2)奇偶校验码 对一个字符块是否出错常采用块奇偶校验方法，有时又称为水平垂直奇偶校验。字符发送序号字符各字符奇校验位

18、（垂直奇校验位）110100100210000011301011000410100001510000101601010001块奇校验字符（由水平奇校验位组成）11110100现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术(3)CRC校验 1）CRC校验的基本思想 已知一个长度为k的二进制位串（称为一帧），为了检查它在传输中的错误，发送器产生另一个n位二进制序列，称为帧校验序列（FCS），使得合成的k+n位二进制数据帧能够被某一个预先确定的数整除，若能除尽，则无错误；若除不尽有错误发生。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术2）CRC校验码的求法 设M为一个k

19、位长的信息帧。P为n+1位预先确定的用来生成校验码的二进制序列，其最高位和最低位必须为1。F为n位FCS，即校验码序列。T为k+n位被传输的帧。因为F是接在M信息帧之后的，因此TM2n+F 设M2n除以P的商和余数分别是Q和R，则有M2nPQR （M2n）/PQ（R/P）现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术若设TM2nR，则T一定能被整除。T/P=(M2n+R)/P=(M2n)/P+R/P=Q+R/P+R/P=Q校验码序列F是M2n除以P的余数R例如：设M110011（六位），P11001（5位），求FCSXXXX（4位CRC码）计算过程如下：故T1100111001。接收端接收到T以后，用P11001去除T，若能整除则无错误发生。现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多路复用技术3）CRC码的生成电路 是Peterson 和Brown（1961）给出的一种简单的移位寄存器电路来进行计算，并用硬件来完成对校验和的校验。关于CRC码，也可以从多项式的角度进行研究。M110011对应于 ，P=11001对应于 。现代网络技术