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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 1信息、数据和信号信息、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。物质与外部的联系。数据：数字化的信息称为数据。数据：数字化的信息称为数据。两者区分：数据是装载信息的实体，信息则是数
2、据的内两者区分：数据是装载信息的实体，信息则是数据的内在含义或说明。在含义或说明。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 通信通信:是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程。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，它都必需具备三个基本要素：对一个通信系统来说，它都必需具备三个基本要素：
3、信源、信道和信宿。信源、信道和信宿。通信系统基本要素通信系统基本要素 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:假如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，实现这种通信的系统是数据通信系统。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差错限制方法 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(
4、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 1同步传输同步传输 外同步：指由通信线路设备供应同步时钟信号，该同外同步：指由通信线路设备供应同步时钟信号，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：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
5、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，缺点是限制比较困难，假如传输中出现错误须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 基带传输：在数字通信信道上干基带传输：在数字通信信道上干脆脆传送数据的基带信传送数据的基带信号称做基带传输。号称做基带传输。2 2频带传输频带传输 频带传
6、输：又叫宽带传输，它是对模拟信号的传输。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，单位为位/秒（bps）。现代网络技术2.2 2.2
7、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，是衡量传输系统牢靠性的指标。误码率的计算公式如
8、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接头与一般电话系统的RJ-11接头区分：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 依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2.3 2.3 传输介质传输介质 基带同轴电缆：一般
9、只用于数字信号的传输。宽带同轴电缆：可以运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：优点抗干扰实力较强，缺点是基带同轴电缆物理牢靠性不好，在公共机房等嘈杂的地方，简洁出现故障。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，各种无线传输介质对应的电磁波谱范围如图：现代网络
10、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取与散射影响较大。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 牢靠性（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数字数据的调制编码 在调制过程中，首先要选择音频范围内
11、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2.4 2.4 数据传输技术数据传输技术3模拟数据的
12、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，以供应多条数据传输信道，其中每条信道以某一固定频率供应应一个固定终端运用。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：现代网络技术2.4.2 2.4.2 多路复用技术多
13、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很多时间片，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：是按固定的依次把时间片安排给各路信号。异步TDM：时间片是按需求动态安排的，当某个信号源有数据要发送时才把时间片安排给它。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：电路交换、报文交换、分组交换。1电路交换 电路
14、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，即各次连接接受不同的物理线路连接，从起先交换信息直到结束，这条线路都是实际存在的，交换结束后，这条线路就释放。简洁的空分接线器 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，各用户按所安排的时隙（时间片）轮番运用传输介质，从而大大提高线路利用率。电路交换的特点：是一旦电路
15、建立连接后就要以进行基本无延迟的信息传输；要求有确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，信道和运用的有关设备都被始终占用而无法供应别的用户运用，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：不须要预先建立电路和事后拆除电路，线路利用率较高，在中间节点还可以进行差错校验和代码转换。缺
16、点是：每个中间节点须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，区分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限制，提高传输牢靠性；削减时延；各信道的流量趋于平衡，信道带宽按需安排，有利于提高通信线路利用率。分组交换的缺点：是每个
17、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需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供应两类业务方式：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 差错限制方法 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差错限制（1）差错限制编码 差错限制编码是用以实现差错限制的编码。它分检错码和纠错码两种。（2）差错限制方法 差错限制方法主要
18、有3种：自动恳求重发，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接受五单位恒比码，如表2-1。表2-1 我国的五单位爱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接受块奇偶校验方法，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（垂直奇校验位）1101001002100000
19、11301011000410100001510000101601010001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位长的信息帧。P为n+1位预先确定的用来生成校验
20、码的二进制序列，其最高位和最低位必需为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确定能被整除。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）给出的一种简洁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探讨。M110011对应于 ，P=11001对应于 。现代网络技术