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1、第2章 网络体系结构与数据通信基础知识问题原由数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术和差错控制等技术。教学重点能力要求掌握:数据通信的基本概念,数据传输与编码技术.了解：数据传输技术的发展趋势。熟悉:多路复用技术、数据交换技术、差错控制技 术等。第1页/共82页2.1 网络体系结构的形成 网络体系结构是为了完成计算机间的协同工作，把计算机间互连的功能划分成具有明确定义的层次，规定
2、了同层次进程通信的协议及相邻层之间的接口服务。网络体系结构是网络各层及其协议的集合,所研究的是层次结构及其通信规则的约定。公用电话网InternetLAN用户服务器LAN防火墙远程移动用户路由器主交换机部门交换机第2页/共82页2.1.1通信系统的层次结构为了便于理解，我们以邮政通信系统为例，以此引出计算机网络通信和网络体系结构的概念，这一概念对计算机网络中电子邮件的发送和接收有着重要的参考意义。图 2-1 实际邮政系统信件发送、接收过程示意图发信者收信者通信人活动邮局转送业务通信人活动运输部门的邮件运输业务邮局服务业务邮局服务业务邮局转送业务书写信件贴邮票送入邮箱收集信件盖邮戳信件分拣邮件打
3、包邮件运输路邮选择运输阅读信件信件投递信件分拣分发邮件邮件拆包转送邮局接收邮包第3页/共82页2.1.2网络系统的层次结构 1 1、网络层次概念、网络层次概念 计算机网络是将独立的计算机及其终端设备等实体通过通信线路连接起来的复杂系统。为了实现彼此间的通信，采用的基本方法是针对计算机网络所执行的各种功能，设计出一种网络系统结构层次模型，这个层次模型包括两个方面的内容：将网络功能分解为许多层次,在每个功能层次中，通信双方必须共同遵守许多约定和规程，以免混乱。层次之间逐层过渡，前一层次做好进入下一层次的准备工作。这个层次之间逐层过渡可以用硬件来完成,也可以采用软件方式实现。采用层次结构的目的是使各
4、厂家在研制计算机网络系统时由一个共同遵守的标准。第4页/共82页2.1.2网络系统的层次结构 2 2、网络分层结构网络分层结构 计算机之间相互通信涉及到许多复杂的技术问题，而解决这一复杂问题十分有效的方法是分层解决。为此，人们把网络通信的复杂过程抽象成一种层次结构模型，如图3-2所示。图 2-2 层次结构模式工作示意图用户2用户1A：应用管理层A：应用管理层B：对话管理层B：对话管理层C：传输管理层D：网络接口层（公用载波线路）C：传输管理层第5页/共82页2.1.2网络系统的层次结构 3 3、通信规则约定、通信规则约定从以上邮政通信过程与网络通信过程分析可知，在一定意义上，它们两者的信息传递
5、过程有很多相似之处。（1）邮政通信与网络通信两个系统都是层次结构,可等价成4层结构的系统。（2）不同的层次有不同的功能任务,但相邻层的功能动作密切相关。（3）在邮政通信系统中,写信人要根据对方熟悉的语言，确定用哪种语言；在书写信封时，国家不同规定也不同。（4）计算机网络系统中,必须规定双方之间通信的数据格式、编码、信号形式；要对发送请求、执行动作及返回应答予以解释；事件处理顺序和排序。第6页/共82页2.1.3网络系统的体系结构 1 1、网络体系结构的定义、网络体系结构的定义 计算机网络体系结构系统、实体、层次、协议 系统：是计算机网络构成的系统通常是包括一个或多个实体的具有信息处理和通信功能
6、的物理整体。实体：在网络分层体系结构中，每一层都由一些实体组成。在一个计算机系统中,能完成某一特定功能的进程或程序都可成为一个逻辑实体。层次：是人们对复杂问题的一种处理方法。通常将系统中能提供某种或某类型服务功能的逻辑构造称为层。协议：是指两个实体间完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。第7页/共82页2.1.3网络系统的体系结构 协议通常分为对等层间对话协议和相邻层间的接口协议。网络协议主要由以下三个要素组成：语法。规定如何进行通信，即对通信双方采用的数据格式、编码等进行定义。语义。规定用于协调双方动作的信息及其含义，它是发出的命令请求、完成的动作和返回的响应组成的集合,即对发出的请求、执行
7、的动作以及对方的应答做出解释。时序。规定事件实现顺序的详细说明，即确定通信状态的变化和过程,例如通信双方的应答关系、是采用同步传输还是异步传输等。由此可见:计算机网络体系结构是系统、实体、层次、协议的集合，是计算机网络及其部件所应完成功能的精确定义。第8页/共82页灵活性好易于实现和维护各层之间相互独立易于实现和维护2 2、网络体系结构的优点、网络体系结构的优点计算机网络系统采用层次化网络体系结构具有以下优点。2.1.3网络系统的体系结构第9页/共82页2.2 开放系统互联/参考模型 1 1、问题的提出、问题的提出 OSI是Open System Interconnection 的缩写，意为开
8、放式系统互联参考模型。在OSI出现之前，计算机网络中存在众多的体系结构，其中以IBM公司的SNA和DEC公司的数字网络体系结构最为著名。为了解决不同体系结构的网络的互联问题,国际标准化组织ISO(注意不要与OSI搞混）于1981年制定了开放系统互连参考模型。OSI标准为连接分布式应用处理的“开放”系统提供了基础,“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统都具备互联的能力。2.2.1OSI的基本概念第10页/共82页2.2.1OSI的基本概念2 2、定义方法、定义方法在OSI标准中，采用的是三级抽象：体系结构（Architecture）服务定义（Service Definitio
9、n）协议规格说明（Protocol Specification）OSI标准可分为三大类型：（1）总体标准：具有总的指导作用；（2）功能标准：为满足特定应用而从基本标准中选择接口关系和通信规则等方面的汇集。（3）应用标准：为基本应用定义层与层之间的接口关系和不同系统之间同层的通信规则。第11页/共82页2.2.2OSI的层次结构物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层通信介质（物理媒体）开放系统A开放系统B应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议图 2-3 OSI结构示意图1 1、层次结构模型、层次结构模型OSI整个网络按照功能划分成7个层次，
10、如图3-3所示。第12页/共82页2.2.2OSI的层次结构 第13页/共82页2.2.3 OSI各层的功能 OSI参考模型是一个在制定标准时所使用的概念性框架，没有确切地描述用于各层的协议和服务，也没有提供一个可以实现的方法，它仅仅告诉我们每一层应该做什么，但其本身不含网络体系结构的全部内容。不过，ISO已为各层制定了标准，但它不是参考模型的一部分，而是作为独立的国际标准公布的。1 1、物理层、物理层 定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理媒体上传输。具体涉及接插件的规格、“0”、“1”信号的电平表示、收发双方的协调等内容
11、。第14页/共82页2.2.3 OSI各层的功能 2 2、数据链路层、数据链路层 比特流被组织成数据链路协议数据单元(帧)进行传输，实现二进制正确的传输。将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。3 3、网络层、网络层 数据以网络协议数据单元(分组)为单位进行传输。主要解决如何使数据分组跨越各个子网从源地址传送到目的地址的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多
12、个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。第15页/共82页2.2.3 OSI各层的功能 4 4、传输层（、传输层（Transport LayerTransport Layer）传输层的主要任务是完成同处于资源子网中的源主机和目的主机之间的连接和数据传输，具体功能是：为高层数据传输建立、维护和拆除传输连接，实现透明的端到端数据传送。提供端到端的错误恢复和流量控制。信息分段与合并，将高层传递的大段数据分段形成传输层报文。考虑复用多条网络连接，提高数据传输的吞吐量。传输层主要关心的问题是建立、维护和中断虚电路、传输差错校验和恢复以及信息流量控制等。它提供“面向连接”（虚电路）和“无连接”
13、（数据报）两种服务。第16页/共82页2.2.3 OSI各层的功能 5 5、会话层、会话层 会话层的主要任务是实现会话进程间通信的管理和同步,允许不同机器上的用户建立会话关系，允许进行类似传输层的普通数据的传输。会话层的具体功能是：提供进程间会话连接的建立、维持和中止功能，可以提供单方向会话或双向同时进行会话。在数据流中插入适当的同步点，当发生差错时，可以从同步点重新进行会话，而不需要重新发送全部数据。6 6、表示层、表示层 表示层的主要任务是完成语法格式转换，在计算机所处理的数据格式与网络传输所需要的数据格式之间进行转换。表示层的具体功能是：第17页/共82页2.2.3 OSI各层的功能 语
14、法变换。表示层接收到应用层传递过来的以某种语法形式表示的数据之后，将其转变为适合在网络实体之间传送的以公共语法表示的数据。具体包括数据格式转换;字符集转换；图形、文字、声音的表示；数据压缩与恢复;数据加密与解密；协议转换等。选择并与接收方确认采用的公共语法类型。表示层对等实体之间连接的建立、数据传输和连接释放。7 7、应用层、应用层 应用层是OSI模型的最高层,是计算机网络与用户之间的界面，由若干个应用进程(或程序)组成，包括电子邮件、目录服务、文件传输等应用程序。第18页/共82页2.2.3 OSI各层的功能OSI提供的常用应用服务有：目录服务。记录网络对象的各种信息，提供网络服务对象名字到
15、网络地址之间的转换和查询功能。电子邮件。提供不同用户间的信件传递服务，自动为用户建立邮箱来管理信件。文件传输。包括文件传送、文件存取访问和文件管理功能。作业传送和操作。将作业从一个开放系统传送到另一个开放系统去执行；对作业所需的输入数据进行定义；将作业的结果输出到任意系统；对作业进行监控等。虚拟终端。将各种类型实标终端的功能一般化、标准化后得到的终端类型。第19页/共82页2.2.4OSI的数据传输 1 1、数据传输单元、数据传输单元 在OSI中,被传送的信息称为协议数据单元(PDU)，由数据服务单元和控制信息单元组成。服务数据单元(Service Data Unit，SDU)：用户数据，是上
16、一层传下来的数据单元。协议控制信息(Protocol Control Information，PCI）:本层的控制信息，用来协调本层对等实体之间的通信。PDU、PCI和ICI共同组成了接口数据单元（Interface Data Unit，IDU）。下层接收到IDU后，从IDU中去掉ICI,这时的数据包被称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）；随着SDU一层层向下传送,每一层都要加入自己的信息。当SDU较长时,要分成几段,每段加上本层的控制信息,构成多个PDU。第20页/共82页2.2.4OSI的数据传输 2 2、数据传输过程、数据传输过程 在OSI中，数据传输的源点和终
17、点要具备OSI参考模型中的7层功能,图3-4表示系统A与系统B通信时数据传输的过程。图 2-4 OSI中的数据流第21页/共82页2.2.4OSI的数据传输物理层数据链路层网络层传输层会话层应用层表示层数据应用层数据数据数据数据数据11001110001110表示层头会话层头TCP头IP头帧头数据应用层数据数据数据数据数据11001110001110表示层头会话层头TCP头IP头帧头第22页/共82页数据的实际传递过程 物理层数据链路层网络层传输层应用层物理层数据链路层网络层传输层应用层01010101010101010（比特流）IP数据报TCP报文段MAC帧MAC尾应用数据TCP头IP头MA
18、C头发送方接收方2.2.4OSI的数据传输第23页/共82页2.2数据通信的基本概念 1 1、信息信息 信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。2 2、数据数据 数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的,例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。数字数据：在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的,它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。2.2.2 2.1 .1 信息、数据与信号信
19、息、数据与信号第24页/共82页 3 3、信号、信号 信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。图 2-2 模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号 模拟信号：是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图2-2（a）所示。2.2.1信息、数据与信号信息、数据与信号 数字信号：是离散的不连续的电信号,通常用“高”和“低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据,如图2-2(b)所示。第25页/共82页2.2.2数据通信系统 1 1、数据通信系统的基本结构、数据
20、通信系统的基本结构 任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线路称为信道。在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如图2-3所示。图 2-3 通信系统的基本结构数据+噪音噪音源信 源信 道信 宿第26页/共82页2.2.2数据通信系统 2 2、数据通信类型、数据通信类型 在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。(1)模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号,由模拟信号
21、所构成的通信系统属于模拟通信系统。模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-4所示。图 2-4 模拟通信系统结构信 源调制器解调器信 宿信 道噪音源第27页/共82页2.2.2数据通信系统 (2)数字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统。数字通信系统通常由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-5所示。图 2-5 数字通信系统结构信 源编码器解码器信 宿信 道噪音源 由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信
22、源、信源编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组成，其结构模型如图2-6所示。第28页/共82页第29页/共82页2.2.2数据通信系统 在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统中的连接如图2-7所示。信宿噪音源信道编码器信源译码器信源编码器信源解调器调制器信道信道译码器图 2-6 数字通信系统结构模型第30页/共82页2.2.2数据通信系统 以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信,还是实现数字通信,都涉及到一系列的技术问题，包
23、括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。图 2-7 调制解调器的功能作用电话线电话交换网计算机Modem电话机Modem电话机计算机电话线第31页/共82页2.2.3 数据通信方式1串行通信与并行通信第32页/共82页2数据通信的交互方式发送接收单向通道（a）单工通信方式发送接收单向通道（b）半双工通信方式接收发送（c）全双工通信方式发送接收单向通道接收发送单向通道1）单工通信：一端为发送方，只能发送数据，另一端为接收方，只能接收数据2）半双工通信：允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，3）全双工数据通信
24、：全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输第33页/共82页3同步问题1）同步概念同步：就要求通信双方的设备在时间基准上保持一致通俗的说，所谓同步就是让接收方知道发送方发送的数据从什么时刻开始到什么时刻结束的技术。2）在数据传输过程中需要解决两个层次上的同步问题一个是如何让接收方识别出一个比特的开始和结束，这叫位同步；另一层次是让接收方识别出传输的数据块的开始和结束，这叫字符同步。第34页/共82页实现位同步的方法有两种，外同步法和自带同步法1）位同步外同步法是在发送正常的数据的同时，另发一路同步时钟信号，用同步时钟信号去调整校正接收方的时间基准与时钟频率自带同步法是在发送数据的同时，通过编
25、码技术让传输的数据中包含同步信息第35页/共82页2）字符同步实现字符同步的方法也有两种，异步传输和同步传输。异步传输是以字符为单位传输，一个字符通常包括4-8各比特，在传输字符的前面，加入起始位，在传输字符的的后面，加入终止位。同步传输是多个字符组成一个数据块一起传输，在数据块的开头和结尾分别加上用于同步控制的专用字符，如SYN或特定的比特串如01111110。第36页/共82页第37页/共82页2.2.4 数据通信指标1数据传输速率R=1/T(bps)R为数据传输速率，T为脉冲宽度(一个bit的持续时间)。例如：在信道上发送一个比特的时间是0.104ms，则传输速率为9600bps。常用的
26、数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s。其中：1Kb/s=1103 b/s 1Mb/s=1106 b/s 1Gb/s=1109 b/s 1Tb/s=11012 b/s第38页/共82页2码元速率C又称调制速率、信号传输速率、波特率、传码率等。是指调制或信号变换过程中，每秒波形转换次数或每秒传输波形（信号）的个数。它定义为：C=1/t（baud）C：为码元速率，t为传输一个码元所需时间，单位为波特（baud）。3码元速率与数据传输速率的关系R=C*log2M（bps）M：为一个码元所取的离散值的个数若码元速率不变，当一个码元可取的离散值增加时，数据传输速率可以成倍的提高但是随
27、着M值的提高，信道噪声也会增加，又会抑制传输速率的增加，所以M值要受到限制。第39页/共82页4信道的带宽带宽：信道允许传送的信号的最高频率与最低频率之差，单位为赫兹（Hz），带宽用于衡量一个信道的数据传输能力。5信道的最大数据传输率（信道容量）信道容量是理想情况下，即没有传输损耗，没有噪声干扰的情况下信道的最大数据传输速率。由奈奎斯特准则给出。C=2B（baud）B：为信道带宽，C为码元速率。若换算成数据传输速率：Rmax=2Blog2M第40页/共82页6非理想信道与香农（Shannon）公式考虑噪声干扰的情况下数据传输速率的计算由香农公式给出。R=Blog2(1+S/N)R：数据传输速率
28、；B：信道带宽；S/N：信号功率与噪声功率之比，简称信噪比。在实际应用中，信噪比可以测量，其单位为分贝（dB），S/N与分贝的换算关系为：1dB=10log10S/N所以在应用香农公式时，常常是根据测得的分贝数求出信噪比，再根据香农公式计算数据传输速率。第41页/共82页7误码率误码率用于衡量信道出错率，定义为：Pe=Ne/NPe：代表误码率；Ne：代表传输过程中出现错误的比特数；N：代表传输总的比特数。第42页/共82页2.3数据调制与编码 在计算机中的数据是用二进制0、1比特序列表示的，在物理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有
29、模拟信道与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适应不同的传输特性),在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码。在通信系统中,数据的调制和编码可分为4种基本形式：数字数据的模拟调制12模拟数据的模拟调制3数字数据的数字编码模拟数据的数字编码4第43页/共82页2.2.1数字数据的模拟调制 数字数据的调制基于调幅、调频、调相3种调制技术，分别称为振幅键控、移频键控和移相键控。图2-10显示了对数字数据“010010”进行不同调制方法的波形。图 2-10 数字数据的调制原理示意图第44页/共82页2.2.1数字数据的模拟调制 1 1、振幅键控（、振幅键控（Amplitude-Shift
30、 KeyingAmplitude-Shift Keying，ASKASK）振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。例如，我们可以用载波幅度Um表示数字1，用载波幅度0表示数字0。ASK信号波形如图2-10（a）所示。其数学表达式为：2 2、移频键控（移频键控（Frequency-Shift KeyingFrequency-Shift Keying，FSKFSK）移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用角频率1t表示数字l，用角频率2t表示数字0。FSK信号波形如图2-10（b）所示。u(t)Umsin（1t）数字 10 数字 0u(t)振幅键控AS
31、K信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。第45页/共82页2.2.1数字数据的模拟调制其数学表达式为：由于移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。3 3、移相键控（、移相键控（Phase-Shift KeyingPhase-Shift Keying，PSKPSK）移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1、0。如果用相位的绝对值表示数字信号1、0，则称为绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1、0，则称为相对调相。Umsin（2t）数字 0Umsin（1t）数字 1u(t)第46页/共82页2.2.1数字数据的模拟调制Umsin（
32、t0）数字 1 接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数字信号值。绝对调相波形如图2-10（c）所示。绝对调相（Absolute PSK）：在载波信号u(t)中,为载波信号的相位。当表示数字1时,取0；当表示数字0时,取。这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：Umsin（t）数字 0u(t)相对调相（Differential PSK）：是用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇0，载波信号相位不变；两比特信号交接处遇1，载波信号相位偏移。相对调相波形如图2-10（d）所示。第47页/共82页2.2.1数字数据的模拟调制
33、 4 4、多相调制（、多相调制（Multiple Phase ModulationMultiple Phase Modulation，MPMMPM）在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，人们常采用多相调制方法，将待发送的数字信号按两个比特一组的方式组织，两位二进制比特可以有4种组合，即 00、01、10、11 每组是一个双比特码元，我们可以用4个不同的相位值去表示这4组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相方法称为4相调制。同理，如果将发送的数据每3个比特组成一个3比特码元组，3位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不同的相位值去表示，
34、我们把这种调相方法称为八相调制。第48页/共82页2.2.2模拟数据的模拟调制 对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调频和调相3种方法来实现，如图2-11所示。基带传输信号高频载波信号(a)振幅调制(b)频率调制(c)相位调制图 2-11 模拟信号的模拟凋制第49页/共82页2.2.2模拟数据的模拟调制 1 1、振幅调制（、振幅调制（Amplitude modulationAmplitude modulation，AMAM）振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对载波的幅值按
35、调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位不变,幅值随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(a)所示。2 2、频率调制（、频率调制（Frequency modulationFrequency modulation，FMFM）频率调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的频率按调制信号的频率进行调制,调制后载波信号的相位和幅值不变，频率随调制信号的幅值变化而变化，如图2-11(b)所示。3 3、相位调制（、相位调制（Phase modulationPhase modulation，PMPM）相位调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的相位按调制信号的相位进行调制，调制后载波信号的频率
36、和幅值不变,相位随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(c)所示。第50页/共82页2.2.3数字数据的数字编码 数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。常用的编码方式主要有3种：不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。1 1、不归零码（、不归零码（Non-Return to ZeroNon-Return to Zero，NRZNRZ）不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归零码可分为单极性和双极性两种：单极性不归零码(Single Polarity NRZ)：是以无电
37、压（无电流）表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。双极性不归零码(Double Polarity NRZ)：是以负电压表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。以上反之亦然，即负电压表示“1”，正电压表示“0”。第51页/共82页2.2.3数字数据的数字编码 2 2、曼彻斯特编码曼彻斯特编码 曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。3 3、差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方
38、，所以都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/2。0 1 1 0 1 0 0 1tO曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 0 1 1 0 1 0 0 1tO第52页/共82页模拟信号 PAM信号 PAM信号 数字信号2.2.4模拟数据的数字编码 模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、传输速率高、便于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM),PCM的工作过程包括3个步骤：采样、量化与编码，其相应的波形信号如图2-13所示。图 2-13 PC
39、M脉冲编码调制过程示意图采样速率8000t/s指定数值给对应的PAM信号将量化值进行编码第53页/共82页第54页/共82页2.4 网络数据传输差错控制 编码器数据打包处理自适应码率控制自适应非均匀纠错控制反馈控制解码器传输网络Feedbackinformationpacketsbitstreamspackets在数据通信系统中，差错的产生是不可避免的，差错控制技术是分析差错产生的原因与差错类型、研究发现差错、纠正差错，把差错控制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。第55页/共82页2.4.1差错的产生与类型图 2-52 差错产生的过程 1 1、差错的产生、差错的产生 在数据通信过程中，由于信
40、号的衰减、噪音的干扰，通信线路上的数据信号与干扰信号叠加在一起，会造成接收端接收到发生差错的数据。例如，把“1变为0”和把“0变为1”。我们把通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象称为传输差错，通常简称为差错。产生差错的过程如图2-52所示。(b)实际环境(a)理想状态01011010010信 源信 宿0101101001001011010010信 源信 宿噪音干扰01010010110出错第56页/共82页2.4.1差错的产生与类型2 2、差错的类型、差错的类型 由传输介质导体的电子热运动产生的。其特点是:时刻存在,幅度较小,频谱宽,强度与频率无关，是一类随机的噪声。是由外界电磁干扰
41、引起的，噪声幅度较 大。冲击噪声持续时间较长，冲击噪声 引起的差错称突发差错。热噪声冲击噪声第57页/共82页2.4.2差错检测方法位数字位数字偶校验偶校验CCCCCCC在计算机通信中，检测接收到的数据是否受到噪声影响而发生了差错的方法是利用检错码来判断。常用的检错码有两种，即奇偶校验码和循环冗余码。1 1、奇偶校验码、奇偶校验码 奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“”的个数为奇数或偶数的编码方法，它是一种检错码。第58页/共82页2.4.2差错检测方法 2 2、循环冗余码（、循环冗余码（CRCCRC）在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端
42、形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，需重发。例如已知信息码:110011，信息多项式:K(X)=X5+X4+X+1，生成码:11001，最高阶为：X4(r=4),求：循环冗余码和码字。解：(X5+X4+X+1)X4的积是 X9+X8+X5+X4，对应的码是1100110000。由计算结果可知冗余码是1001，码字是1100111001。1 0 0 0 0 1Q(X)1 1 0 0 1)1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1，1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 (冗余码)第59页/共82页2.4.3差错控制方法在数据通信系统中，差错控制包括差错检测和
43、差错纠正两部分。目前，常用的纠错方法有前向纠错、反向重发和混合纠错方法。不过，目前还不可能做到检测和纠正所有的错误。1 1、前向纠错、前向纠错前向纠错方法(FEC)是由发送数据端发出能纠错的编码，接收端收到这些编码后便进行检测，当检测出差错后自动纠正差错。FEC原理如图2-55所示。图 2-55 FEC方法原理图信源纠错码编码器发送器接收器纠错码编码器信宿噪音源前向信道第60页/共82页图 2-56 反馈重发纠错的实现机制2.4.3差错控制方法 2 2、反馈重发检错方法、反馈重发检错方法 反馈重发检错方法又称自动请求重发（ARQ）方法,它是由发送端发出能够检测错误的编码，接收端依据检错码的编码
44、规则进行判断。检测出差错后通过反馈信道告诉发送端重新发送数据，直到无差错为止。反馈重发机制如图2-56所示。信源校验码编辑器发送装置存储器反馈信号控制器接收装置信宿传输信道发送端接收端反馈信号控制器校验码编辑器第61页/共82页2.4.3差错控制方法 3.3.混合纠错方法混合纠错方法 混合纠错方法就是前向纠错和反馈重发检错的结合，反馈重发纠错的实现方法可分为停止等待和连续工作方式。(1)停止等待方式：其工作原理是发送端发送完一个数据单元后，便停下来等待接收端应答信息的到来。如果收到的应答信息是正确应答，发送端就继续发送下一数据帧；如果收到的应答是错误应答，则重发出错数据帧。(2)连续工作方式：
45、为了克服停止等待方式的缺点，人们提出了连续工作方式。在这种方式中又分为拉回方式和选择重发方式。拉回方式是发送端连续发送数据帧，接收端每收到一个数据帧就进行校验，然后发出应答信息；选择重发方式是当发送端收到错误应答时暂停正常发送，而重新发送出错的数据帧，然后再继续正常的发送。第62页/共82页2.5 数据交换技术2.5.1 数据交换基本概念2.5.2 线路交换2.5.3 报文交换2.5.4 分组交换第63页/共82页2.5.1 数据交换基本概念在远程同通信中，数据要经过通信子网中的多个节点一站一站的传输才能送到接收端，我们把这种通信方式称为交换数据交换有以下几种交换方式。第64页/共82页2.5
46、.2 线路交换交换数据之前，通信双方先建立物理连接，然后在约定的信道上传输数据。线路交换经过建立线路、传输数据和释放线路三个阶段。第65页/共82页（1）线路独占，因此线路的利用率较低；（2）实时性好。传输数据过程中中间节点不对数据做任何处理，具有较好的实时性；（3）不能缓存数据，不能进行差错检验；（4）适合大量数据传输、交互式会话类的通信。线路交换的特点第66页/共82页2.5.3 报文交换1报文交换原理主机A将发送的数据和源地址、目的地址以及其他控制信息组装成报文，然后发送到通信子网中的节点A。节点A完成以下工作：接收报文并存储，对报文进行检错纠错，根据报文中的目的地址选择一条最佳路径如果
47、所选路径空闲就将报文发送出去，如果所选路径忙就存储，第67页/共82页第68页/共82页2报文交换的特点主要有：（1）发送数据前不需要建立专线连接；（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，线路利用率高；（3）有差错检测功能，避免出错数据无谓传输；（4）有存储转发功能，可以对不同速率的线路进行转换；（5）不能支持实时通信和交互式的通信。第69页/共82页2.5.4 分组交换所谓分组交换是在报文交换的基础上，将报文分成更小的单位分组，然后以分组为单位进行传输.分组的好处：分组交换更利于检错纠错分组很小，对中间节点缓冲区要求也很低1分组交换的概念第70页/共82页2数据报交换
48、方式（1）不需要建立专线连接，线路利用率高；（2）每个分组独立携带源地址和目的地址信息；（3）每个分组可以经过不同的路径通过通信子网，到达的顺序可能不同于发送的顺序，可能出现分组丢失、重复现象；（4）数据延迟较大，适合于突发性通信，不适合会话式的通信；第71页/共82页3虚电路交换方式（1）在传输数据之前需要建立一个逻辑连接，这个连接不独占；（2）数据分组不需要携带地址信息；（3）所有分组沿一条虚电路传输，不会出现乱序、重复、分组丢失等现象；（4）分组经过虚电路上的节点时，只做差错检验，不需要再选择路径；（5）通信子网中每个节点都可以与任何节点建立建立多条虚电路。第72页/共82页2.6 多路
49、复用技术2.6.1 多路复用基本概念2.6.2 频分多路复用2.6.3 时分多路复用2.6.4 波分多路复用2.6.5 码分多路复用第73页/共82页2.6.1 多路复用基本概念 为了提高线路利率，可以考虑让多个数据源合用一条传输线路，这样的技术叫多路复用技术。从电信的角度看，多路复用技术就是把多路用户信息用单一的传输设备在单一的传输线路上进行传输的技术。多路复用一般形式有：频分多路复用(FDM)时分多路复用(TDM)波分多路复用(WDM)码分多路复用(CDM)第74页/共82页2.6.2 频分多路复用 频分多路复用(FDM)就是将传输介质的带宽，划分成若干较窄的频带，每一个窄频带构成一个子信
50、道，各子信道的中心频率不相重合，子信道之间留有一定宽度的隔离频带，每个子信道传输一路信号。多路复用器多路复用器一条线路，多个信道信号1信号1信号2信号3信号2信号3图2-23 频分多路复用第75页/共82页2.6.3 时分多路复用 时分多路复用(TDM)是一种分时占用信道的方法，在传输时把时间先分成周期，在每个周期中再分成小的时间片，每一时间片由复用的一个信号占用，每个瞬间都只有一个信号占用信道。时间分复用分为两种复用方式：同步时分复用和统计时分复用。在同步时分多路复用中，每个周期内，一个信源都只能占用一个时间片，不同周期的相同时间片组成一个子信道在统计时分多路复用中，某信源所占用的时间片不是