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1、Y CF正版可修改PPT（中职）计算机网络技术模块2 教学课件模块2 数据通信基础 任务1 数据通信系统的基本概念 任务2 数据通信系统模型 任务3 数据通信系统的主要技术指标 任务4 数据通信方式2.4.1 并行传输与串行传输2.4.2 异步传输与同步传输2.4.3 数据传输方向 任务5 数据编码与传输技术下一页模块2 数据通信基础 任务6 数字数据的数字信号编码 任务7 数据编码技术2.7.1 模拟数据编码2.7.2 数字数据编码 任务8 多路复用技术 任务9 数据交换技术2.9.1 数据交换基本概念2.9.2 线路交换的原理及特点2.9.3 报文交换下一页 上一页模块2 数据通信基础2.
2、9.4 分组交换2.9.5 交换技术的比较 任务10 差错检测与控制 任务11 循环冗余校验CRC上一页任务1 数据通信系统的基本概念 1.信息 通信的目的就是交换信息，信息的载体可以是多媒体，包含声音、动画、图形图像、文本等。计算机终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。为了传送这些信息，首先要将字母、数字或括号用二进制代码表示。目前常用的二进制代码有国际5 号码(IAS)、扩充的二一十进制交换码(EBCDIC)和信息交换标准代码(ASCII)等。2.数据与信号 1)数据 数据是一种有意义的实体，包含了事物的内容和表示形式。在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传
3、输的二进制数字编码。它是信息的载体，可以是各种进制的数或字符、图像等。下一页 返回任务1 数据通信系统的基本概念 数据的单位如下:(1)位b(bit)是一个0 或1。(2)字节B(Byte)是8 个码元。1KB=1024B;1MB=1024 KB;1 GB=1024MB。2)信号 简单地讲，信号就是携带信息的传输介质。在通信系统中常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。信号在传输过程中有两种不同的表示形式。模拟信号的信号电平是连续变化的，它的取值可以是无限多个，如电话线上传送的按照语音强弱幅度连续变化的电波信号。下
4、一页 返回 上一页任务1 数据通信系统的基本概念 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。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”。图2-1 是模拟信号和数字信号的波形图。3.信道及信道的类型 传输信息的通路称为“信道”。信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体，包括通信设备和传输介质。信道根据不同的分类方法有以下几种不同的分类。1)物理信道和逻辑信道 在计算机网络中，信道分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中两个节点之间的物理通路称为通信链路，物理信道由传输介质及相关设备组成。逻辑信道也是一
5、种通路，但在信号收、发点之间并不存在一条物理上的传输介质，而是在物理信道基础上，由节点内部的边来实现。通常把逻辑信道称为“连接”。下一页 返回 上一页任务1 数据通信系统的基本概念 2)有线信道和无线信道 按传输介质，信道可分为有线信道或无线信道。有线信道包括电缆、双绞线、同轴电缆、光缆等以各种有形线路传递信息的方式;无线信道包括无线电、微波和卫星通信信道等以电磁波形式在空间传播信息的方式。3)模拟信道和数字信道 按传输信号类型，信道可分为模拟信道和数字信道。模拟信道是以连续模拟信号形式传输数据的信道。数字信道是以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。4)专用信道和公共交换信道 按使用权限，
6、信道可分为专用信道和公用信道。这是一种连接用户之间设备的固定线路，既可以是自行架设的专用线路，也可以向电信部门租用。返回 上一页任务2 数据通信系统模型 信息的传递是通过通信系统来实现的。图2-2 是通信系统的基本模型，共有五个基本组件:发送设备、接收设备、发送机、信道和接收机。其中，把除去两端设备的部分叫做信息传输系统。信息传输信系统由三个主要部分组成:信源(发送机)、信宿(接收机)和信道。1.信源和信宿 信源是信息的发送端，是发出待传送信息的人或设备。信宿是信息的接收端，是接收所传送信息的人或设备。大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备(Data Terminal Equipme
7、nt，DTE)。下一页 返回任务2 数据通信系统模型 2.信道 信道是传送信号的一条通路，由传输线路和传输设备组成。同一个传输介质上可以同时存在多条信号通路，即一条传输线路上可以有多个信道。信道本身可以是模拟的或数字的，用来传输模拟信号的信道叫做模拟信道，用来传输数字信号的信道叫做数字信道。3.信号变换器 信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。对应不同的信源和信道，信号变换器有不同的组成和变换功能。发送端的信号变换器可以是编码器或调制器，接收端的信号变换器相对应的就是译码器或解调器。下一页 返回 上一页任务2 数据通信系统模型 4.噪声 信号在传输过程中受到的干扰称为
8、噪声，干扰可能来自外部，也可能由信号传输过程本身产生。噪声过大将影响被传送的信号的真实性或正确性。返回 上一页任务3 数据通信系统的主要技术指标 描述数据传输速率的大小和传输质量的好坏往往需要运用数据传输率、波特率、信道容量和误码率等技术指标。1.数据传输率 数据传输率又称比特率，是一种数字信号的传输速率，是指每秒钟所传输的二进制代码的有效位数，单位为比特/秒(记作bps)。比特率可按下式计算:S=Blog2 N(bps)式中:B 波特率;N 一个波行代表的有效状态数。2.波特率 波特率又称为波形速率或调制速率，是指数据传输过程中，在线路上每秒钟传送的波形个数，其单位是波特(记为baud)。下
9、一页 返回任务3 数据通信系统的主要技术指标 设一个波行的持续周期为T，则波特率B 可由下式给出:B=1/T(baud)例 在采用FSK 制式的传输系统中，若选用一个频率为f1，持续期为1.667ms 的正弦波来表示代码中的“0，用一个频率为f2 且相同持续时间的正弦波代表“1。则由上式可求得该传输的波特率为 B=1/1.667 x 103=600(baud)3.信道容量 信道容量一般是指物理信道能够传输信息的最大能力，它的大小由信道的带宽、可使用的时间、传输速率以及信道质量(即信号功率与干扰功率之比)等因素决定。4.误码率 误码率，也称出错率，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指
10、标，它是指传输出错的码元数占传输总码元数的比例。信号传送中的基本单位称为码元，每个码元可携带1 位或多位二进制信息。下一页 返回 上一页任务3 数据通信系统的主要技术指标 5.吞吐量 吞吐量是单位时间内整个网络能够处理的信息总量，单位是字节/秒或位/秒。在单信道总线型网络里，吞吐量=信道容量X 传输效率。返回 上一页任务4 数据通信方式 设计一个数据通信系统时，首先要确定采用串行通信方式，还是采用并行通信方式。采用串行通信方式只需要在收发双方之间建立一条通信信道;采用并行通信方式时，收发双方之间必须建立多条并行的通信信道。数据通信按照信号传送方向与时间的关系可以分为三种:单工通信、半双工通信和
11、全双工通信。在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输;在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但是同一时间只能向一个方向传送;在全双工通信方式中，信号可以同时双向传送。下一页 返回任务4 数据通信方式 2.4.1 并行传输与串行传输 数据的传输方式有并行传输和串行传输两种。1.并行传输 一个数据代码由若干位组成，在进行近距离传输时，为获得较高的传输速率，使每个代码的传输延时尽量少，常采用并行传输方式，即数据的每一位各占一条信号线，并行传输。常用的方式是将构成一个字符的几位二进制比特位分别通过几个并行的信道同时传输，从发送端到接收端需要用相应的若干条传输信道，如图2-3(a)所示。例如，计算机内的
12、数据总线就是采用并行传输的例子，有8 位、16 位、32 位和64位等数据总线。下一页 返回 上一页任务4 数据通信方式 2.串行传输 串行传输指的是代码的若干位按顺序一位一位地传送数据，从发送端到接收端只要一条传输信道即可，如图2-3(b)所示。代码采取串行传输时的传输速度与并行传输相比要低得多。并行传输的速率高，但传输线路和设备都需要增加若干倍，一般用于短距离并要求快速传输的地方。串行传输可以节省线路和设备，利于远程传输，所以广泛用于远程数据传输中，通信网和计算机网络中数据传输都是以串行方式进行的。2.4.2 异步传输与同步传输 数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始
13、时间和持续时间，这样才能正确地接收发送方发来的数据。满足上述要求的办法有两类:异步传输和同步传输。下一页 返回 上一页任务4 数据通信方式 1.异步传输方式 异步传输的工作原理是每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。为了标志字节的开始和结尾，在每个字节的开始加一位起始位，结尾加1 位、1.5 位或2 位停止位，构成一个个的“字符”。这里的“字符”指异步传输的数据单元，不同于“字节”，一般略大于一个字节，如图2-4 所示。异步传输的特点如下。(1)每个字符代码前后的起始和停止位标识字符的开始和结束。(2)起始和停止位兼作线路两端的同步时钟，不再需要额外的时钟同步。(3)字符之间间
14、隔任意。速率较低，适合于对误码率要求不高及对数据速率要求低的线路。下一页 返回 上一页任务4 数据通信方式 2.同步传输 同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。上述同步传输技术叫作字符同步，如图2-5 所示。为了保证数据的正确传输，这种传输方式在每一位还要进行位同步。位同步的方式有两种:内同步和外同步。内同步指某些编码技术内含时钟信号。外同步指由通信线路设备提供同步时钟信号，该同步信号与
15、数据编码一同传输，以保证线路两端数据传输同步。下一页 返回 上一页任务4 数据通信方式 总之，同步传输方式由字符同步和位同步共同构成。它的特点是开销少、效率高，适合以较高的速率传输数据;缺点是整个数据块一旦有一位错传，就必须重传整个数据块的内容。2.4.3 数据传输方向 数据通信按照信号传送方向与时间的关系，可以分为三种:单工通信、半双工通信和全双工通信。1.单工通信 单工通信又称为单向通信，单工通信中，数据信号固定地从发送端A 传送到接收端即信息流仅沿一个方向流动，如无线电广播就是单工通信。在数据通信系统中，接收端要返回反馈信号给发送端，这样必须采用两个信道，一个传送数据，一个传送控制信号，
16、因此单工通信一般采用二线制，如图2-6 所示。下一页 返回 上一页任务4 数据通信方式 2.半双工通信 半双工通信又称为双向交替通信，在半双工通信中，数据信号可双向传送，但不能在两个方向上同时进行。通信双方都具有发送器和接收器，但在同一时刻信道只能容纳一个方向的信息传输。若想改变信息的传输方向就必须改变信道方向，如图2-7 所示，需要利用K1,K2 开关进行转换。半双工通信一般采用二线制，例如，无线电对讲机，甲方讲话时，乙方无法讲，需要等甲方讲完，乙方才能讲。3.全双工通信 全双工通信又称为双向同时通信，全双工通信中，同一时刻双方能在两个方向传输数据信息，它相当于把两个相反方向的单工通信方式组
17、合起来，因此，一般采用四线制，如图2-8 所示。例如，打电话时，双方可以同时讲话。全双工通信效率高、控制简单，但结构复杂、成本较高。返回 上一页任务5 数据编码与传输技术 1.模拟数据和数字数据通信 数据通信是通过信道在信源与信宿之间进行的信息交流。信息在信源或信宿处，既可以是模拟数据，也可以是数字数据;同样，在信道中既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。通过模拟信道进行的数据通信称为模拟数据通信;通过数字信道进行的数据通信称为数字数据通信。1)模拟数据通信 模拟数据通信主要有以下两种典型形式。(1)模拟信道传输模拟数据:典型的例子是声音在普通电话系统中的传输。下一页 返回任务5 数据编码与
18、传输技术(2)模拟信道传输数字数据:需对数字数据进行模拟信号编码，典型的例子是通过电话系统实现两个计算机(数字设备)之间的通信。由于电话系统只能传输模拟信号，所以需通过调制解调器进行数字信号与模拟信号的转换，如图2-9 所示。2)数字数据通信 数字数据通信主要有以下两种典型形式。(1)数字信道传输模拟数据:需要对模拟数据进行数字信号编码，这一工作可通过编码解码器完成，编码解码器的原理与调制解调器正好相反。(2)数字信道传输数字数据:典型的例子是将两个计算机通过接口直接相连。下一页 返回 上一页任务5 数据编码与传输技术 2.两种数据通信技术的比较 模拟数据通信长距离传输时，需用放大器增加信号中
19、的能量。这样虽克服了衰减，但增加了噪声。数字数据通信长距离传输时，用中继器增加信号中的能量，既可克服衰减，又不增加噪声，可以做到信号的完全复原。因此，数字数据通信有着更为广阔的发展前景。返回 上一页任务6 数字数据的数字信号编码 计算机数据是以离散的“0”和“1”的比特序列表示的，信号是数据的载体，下面讲述如何用信号来表示相应的数据。数字数据的数字信号编码，就是要解决数字数据的数字信号表示问题，即通过对数字信号进行编码来表示数据，这一工作由网络上的硬件完成，常用的编码方法有不归零码(Nonreturn To Zero,NRZ)、归零码和自同步码3 种。1.不归零码 不归零码又可分为单极性不归零
20、码和双极性不归零码。如图2-10(a)所示所示为单极性不归零码:在每一码元时间内，以电压表示数字0”，以恒定的正电压表示数字“1。每个码元的中心是取样时间，即判决门限为0.5;0.5 以下为“0,0.5 以上为“1。下一页 返回任务6 数字数据的数字信号编码 如图2-10(b)所示为双极性不归零码:在每一码元时间内，以恒定的负电压表示数字“0，以恒定的正电压表示数字“1”。判决门限为0:0 以下为“0,0 以上为“1。不归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内不会返回初始状态(零)。当连续发送“1”或者“0”时，上一码元与下一码元之间没有间隙，使接收方和发送方无法保持同步。为了保
21、证收、发双方同步，往往在发送不归零码的同时，还要用另一个信道同时发送同步时钟信号。计算机串口与调制解调器之间采用的是不归零码。2.归零码 归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内会返回初始状态(零)，如图2-11 所示。归零码可分为单极性归零码和双极性归零码。下一页 返回 上一页任务6 数字数据的数字信号编码 如图2-11(a)所示为单极性归零码:以无电压表示数字“0，以恒定的正电压表示数字“1。与单极性不归零码的区别是:1”码发送的是窄脉冲，发完后归到零电平。如图2-11(b)所示为双极性归零码:以恒定的负电压表示数字“0，以恒定的正电压表示数字，1。与双极性不归零码的区别是:
22、两种信号波形发送的都是窄脉冲，发完后归到零电平。3.自同步码 自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其他信道发送同步信号。局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码(Different Manchester)，如图2-12 所示。下一页 返回 上一页任务6 数字数据的数字信号编码 曼彻斯特编码:每一位的中间(1/2 周期处)有一跳变，该跳变既作为时钟信号(同步)，又作为数据信号。从高到低的跳变表示数字“0，从低到高的跳变表示数字“1”。差分曼彻斯特编码:每一位的中间(1/2 周期处)有一跳变，但是，该跳变只
23、作为时钟信号(同步)。数据信号根据每位开始时有无跳变进行取值:有跳变表示数字“0，无跳变表示数字“1。返回 上一页任务7 数据编码技术 在计算机中，数据是以离散的二进制0,1 比特序列方式表示的。计算机数据在传输过程中的数据编码类型，主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。根据数据通信类型，计算机网络中常用的通信信道分为两类:模拟通信信道与数字通信信道。相应地用于数据通信的数据编码方式也分为两类:模拟数据编码与数字数据编码。计算机网络中基本的数据编码方式可以归纳如下:2.7.1 模拟数据编码 数字信号不能直接在电话网络上传输，这是由于传输的数字信号的有效频率范围超过电话线路所能通过的频
24、率范围(即信号带宽超过了信道带宽)，下一页 返回任务7 数据编码技术 使数字信号产生失真;而且在能够通过电话线路的这部分频率分量的正弦波中，各频率分量的衰减不同，它们经历的时延也不相同，这也要产生失真;另外，电话线路中存在各种干扰信号和噪声，也会使信号失真。因此，如不采取适当的措施在直接传输时，数据的传输误码率往往较高，以至于传输质量无法使用户满意。数字信号不能直接在模拟信道上传输，必须在模拟信道两端各加上一个调制解调器，通过调制技术把数字信号转换成模拟信号后传输，再通过解调技术把模拟信号还原成数字信号后接收。所谓调制就是进行波形变换，或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为
25、适合于在模拟信道中传输的频谱。最基本的调制技术有以下几种，图2-13 所示为采用3 种基本调制方法产生的信号波形图。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 1.幅移键控方法 幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)是一种最简单的调制技术。载波的振幅与二进制数字信号成比例地变化。0对应于无载波输出状态，而1 对应输出一个振幅和频率恒定的信号。ASK 波形的变化速率和二进制输入的变化速率相同，因此，比特率等于波特率。2.频移键控方法 频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)是一种相对简单、低性能的调制技术。载波的频率与二进制数字信号成比例地变化。0
26、 对应于频率f1，而1 对应于频率f2。如果数字信号从0 变成1，则FSK 波形的输出频率将从f1 漂移到f2。FSK 波形的变化速率也与二进制输入的变化速率相同，因此，比特率等于波特率。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 3.相移键控方法 载波的相位与二进制数字信号成比例地变化。最简单的形式为二相偏移键控方法，输出载波的相位有2 个。例如，0 对应一个具有0 相角的模拟输出信号，1 对应一个具有180 相角的模拟输出信号。二相偏移键控(Binary Phase Shift Keying,BPSK)方法的变化速率gn 二进制输入的变化速率相同，比特率等于波特率。如果采用四相偏移键控方法或
27、八相偏移键控方法，则比特率大于波特率。2.7.2 数字数据编码 数字数据编码方法，即数字数据转换为数字信号编码的方法。在数据通信技术中，将利用模拟通信信道通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称作频带传输;而将利用数字通信信道来直接传输数字数据信号的方法称作基带传输。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 频带传输的优点是可以利用目前覆盖面最广、普遍应用的模拟语音通信信道。用于语音通信的电话交换网技术成熟且造价较低，但它的缺点是数据传输速率与系统效率较低。基带传输在基本不改变数字数据信号频带(即波形)的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传输速率与系统效率。因此，基带传输是目前迅速发展的
28、数据通信方式。在基带传输中，数字数据信号的编码方式主要有以下几种。1.不归零编码 如图2-14(a)所示，不归零编码是用低电平表示逻辑“0，用高电平表示逻辑“1”的编码方式。用于表示逻辑“0”的低电平信号不能是0 伏电平，否则无法区分信道上是逻辑“0，还是没有信号在传输。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 不归零编码的缺点是，为了保持收发双方的时钟同步，需要额外传输同步时钟信号(外带时钟的位同步传输)。它的另一个缺点是当“0”或“1”的个数不等时，会有直流分量，这在数据传输中是不希望出现的。2.曼彻斯特编码 如图2-14(b)所示，每比特的中间有一次跳变，它有两个作用:一是作为位同步方式
29、的内带时钟;二是用于表示二进制数据信号，可以把“0”定义为由低电平到高电平的跳变，1”定义为由高电平到低电平的跳变。位与位之间有或没有跳变都不代表实际的意义。曼彻斯特编码的优点一是“自带时钟信号”，不必另发同步时钟信号，二是不含直流分量。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 3.差分曼彻斯特编码 如图2-14(c)所示，每比特的中间有一次跳变，它只有一个作用，即作为位同步方式的内带时钟，不论由高电平到低电平的跳变，还是由低电平到高电平的跳变都与数据信号无关。0”和“1”是根据两比特之间有没有跳变来区分的。如图2-14(c)所示，如果下一个数据是“0”的话，则在两比特中间有一次电平跳变;如果
30、下一个数据是“1”的话，则在两比特中间没有电平跳变。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的缺点都是效率较低，由于在每个比特中间都有一次跳变，所以时钟频率是信号速率的2 倍。例如为了达到10 Mbps 的数据传输速率，要求时钟频率至少为20MHz。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 上述编码技术在10Mbps 局域网中经常采用。近年发展起来的快速以太网使用的是不同的数字数据到数字信号的编码技术，如100 Mbps 局域网采用8B6T 或4B5B 等编码技术，这里就不详细介绍了。4.脉冲编码调制方法 脉冲编码调制方法，即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、数据传输速
31、率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字外，语音、图像信息的数字化已成为发展的必然趋势。脉冲编码调制(Pulse Code Modulation,PCM)是模拟数据数字化的主要方法。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 PCM 技术的典型应用是语音数字化。语音可以用模拟信号的形式通过电话线路传输，但是在网络中将语音与计算机产生的数字、文字、图形和图像同时传输，就必须首先将语音信号数字化。在发送端通过PCM 编码器将语音信号变换为数字化语音数据，通过通信信道传送到接收端，接收端再通过PC M 解码器将它还原成语音信号。数字化语音数据的传输速率高、失真小，可以存储在计算机中，并且可进行必要的处
32、理。因此，在网络通信中，首先要利用PCM 技术将语音数字化。PCM 基本操作包括采样、量化和编码三部分。1)采样下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 模拟信号数字化的第一步是采样。模拟信号是电平连续变化的信号。采样是隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本，让其表示原来的信号。因此，采样频率f应为 式中:B 为通信信道带宽;T 为采样周期;fmax 为信道允许通过的信号最高频率。采样的工作原理如图2-15(a)所示。研究结果表明，如果以大于或等于通信信道带宽2 倍的速率定时对信号进行采样，其样本可以包含足以重构原模拟信号的所有信息。2)量化 量化是将采样样本幅度按量化级决定取
33、值的过程。经过量化后的样本幅度为离散的量级值，而不是连续值。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 量化之前要规定将信号分为若干量化级，例如可以分为8 级或16 级，以及更多的量化级，这要根据精度要求决定。同时，要规定好每一级对应的幅度范围，然后将采样所得样本幅值与上述量化级幅值比较。例如，1.28 要取值为1.3;1.52 要取值为1.5，即通过取整来定级。3)编码 编码用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。如果有K 量化级，则二进制的位数为log2K。例如，如果量化级有16 个，就需要4 位编码。在目前常用的语音数字化系统中，多采用128 个量级，需要7 位编码。经过编码后，
34、每个样本都要用相应的编码脉冲表示。如图2-15(b)所示，DS 取样幅度为1.52，取整后为1.5，量化级为15，样本编码为1111。将二进制编码1111 发送到接收端，接收端可以将它还原成量化级15，对应的电平幅度为1.5。下一页 返回 上一页任务7 数据编码技术 当PCM 用于数字化语音系统时，它将声音分为128 个量化级，每个量化级采用7 位二进制编码表示。由于采样速率为8000个/秒样本，因此，数据传输速率应达到7 x 8000=56Kbps。此外，PCM 还可以用于计算机中的图形、图像数字化，以及传输处理。PCM 采用二进制编码的缺点是使用的二进制位数较多，编码效率较低。返回 上一页
35、任务8 多路复用技术 在长途通信中，一些高容量的同轴电缆、卫星设施及光缆，其可传输的频率带宽很宽，为了高效合理地利用这些资源，出现了多路复用技术。多路复用就是在单一的通信线上，同时传输多个不同来源的信息。从不同发送端发出的信息，先由复合器复合为一个信息，再通过单一信道传输至接收端。接收前先由分离器分出各个信号，再被各接收端接收。可见，多路复用需经复合、传输和分离三个过程。多路复用技术通常分为三类:频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM),时分多路复用(Tithe Division Multiplexing,TDM)和波分多路复用(Wave Divi
36、sion Multiplexing，WDM)。下一页 返回任务8 多路复用技术 1.频介多路复用FDM 频分多路复用就是将信道的可用带宽按频率分割成若干个子频带信道，并把它们分配给每一个通信装置。图2-16 所示是把3 个信号输进一个频分多路复用器的示意图。信号S1,S2,S3 分别被调制到3 个不同的频率段f1、f2 和f3 上。为防止相邻两个信号频率覆盖造成串扰，在相邻两信号频率段间留有一个保护频带来隔离相邻信号。电话信号是频分多路复用技术的典型应用。电话信号的频谱大多集中在0.3-3kHz 之间，而一般的电缆、明线、中短波、微波等通信线路的频宽远远大于4 kHz。若用这样的通信线路只传送
37、一路电话，显然很浪费，采用频分多路技术使多路电话通过一个通信线路传输，可大大提高传输效率。2.时介多路复用 时分多路复用是将整个传输时间划分为许多时间间隔(简称时间片)，每个时间片分配给一路信号，这样每一个信道就能按时间片传送多个信号。下一页 返回 上一页任务8 多路复用技术 图2-17 所示是3 个信号按时间的分隔。3 个复用信号S1,S2,S3 分别在t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7 时间片内占用信道。也就是在t1,t4,t7 时间内传送信号S1，在t2,t5 时间内传送信号S2，在t3,t6 时间内传送信号S3。1)同步时分多路复用STDM 同步时分复用采用固定时间片分配方式，将
38、传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段，再将每一时间段划分成等长度的多个时间片，每个时间片以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时间片。由于在同步时分复用方式中，时间片预先分配且固定不变，无论时间片拥有者是否传输数据都占有一定时间片，形成了时间片浪费，其时间片的利用率很低。2)异步时分多路复用ATDM 异步时分复用技术又被称为统计时分复用(STDM)或智能时分复用(ITDM)，它能动下一页 返回 上一页任务8 多路复用技术 态地按需分配时间片，避免每个时间段中出现空闲时间片。ATDM 就是只有某一路用户有数据要发送时才把时间片分配给它。当用户暂停发送数
39、据时不给它分配时间片。所以每个用户的传输速率可以高于平均速率(即通过多占时间片)，最高可达到线路的总传输能力(即占有所有的时间片)。3.统计时介多路复用 统计时分多路复用不是将时间片预先固定分配给每一个信息源，而是动态地按需分配时间片。只有有数据送出的信息源才能得到时间片，没有数据送出的信息源得不到时间片，即多用多得，不用不得。在信道上的所有时间片都有数据信号占用而没有空的时间片。统计时不易实现，控制复杂，但资源利用率较高。下一页 返回 上一页任务8 多路复用技术 综上所述，频分多路复用是在同一时刻，信道上存在的每路信号的频带不同;时分多路复用则是在每一时间段t 内信道上只有一路信号存在，多路
40、信号分时在信道内传送;统计时分多路复用则按需分配时间t。返回 上一页任务9 数据交换技术 2.9.1 数据交换基本概念 数据经编码后在通信线路上进行传输的最简单形式，是在两个互联的设备之间直接进数据通信。但是，网络中所有设备都直接两两相连是不现实的，通常要经过多次中间节点才能将数据从信源逐点传送到信宿，从而实现两个互联设备之间的通信。这些中间节点并不关心数据内容，它的功能只是提供一个交换设备，把数据从一个节点传送到另一个节点，直至到达目的地。数据在各节点间的传输过程称为数据交换。网络中常用的数据交换技术可分为两大类:线路交换(Circuit Exchanging)和存储一转发交换，下一页 返回
41、任务9 数据交换技术 其中存储一转发交换技术又可分为报文交换(Message Exchanging)和分组交换(Packet Exchanging)。分组交换是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。2.9.2 线路交换的原理及特点 1.线路交换原理 电路交换过程主要有3 个阶段:线路建立、数据传输和线路释放。电路交换的基本工作原理如图2-18 所示。1)线路建立阶段 如果主机HA 要向主机HB 传输数据，那么首先要通过通信子网在HA 与HB 之间建立线路连接。HA 首先向通信子网节点A 发送“呼叫请求包”。“呼叫请求包”内含有需要建立线路连接的源主机地址和目的主机地址。下一页 返回 上一页任务
42、9 数据交换技术 节点A 根据目的主机地址，启动路由算法，如果选择的下一个节点为B，则向节点B 发送“呼叫请求包”;节点B 收到呼叫请求后，同样根据路由算法，如果选择的下一个节点为C，节点B 向节点C 发送“呼叫请求包”;节点C 收到呼叫请求后，也要根据路由算法，如果选择的下一个节点为D，节点C 向节点D 发送“呼叫请求包”;节点D 收到呼叫请求后，向与其直接连接的HB 发送“呼叫请求包”;HB 如接受HA 的呼叫连接请求，则通过已经建立的物理连接DCBA，向HA 发送“呼叫应答包”。至此，从HA-ABCD-HB 的专用物理线路连接建立完成，该物理连接为此次HA 与HB 的数据交换提供服务。2
43、)数据传输阶段 在HA 与HB 通过通信子网的物理线路建立连接以后，就可以通过该连接将数据从源站发往目的站了，线路连接是全双工的，即数据可以在两个方向进行传输。在整个数据传输过程中，所建立的连接必须始终保持连接状态。下一页 返回 上一页任务9 数据交换技术 3)线路释放阶段 数据传输完成后，进入线路释放阶段。一般由HA 向HB 发送“释放请求包”，HB 同意结束传输、释放线路后，将向节点D发送“释放应答包”，建立的物理连接将由D-C-B-A 逐节点释放，将线路的使用权交还给网络，以供其他用户使用，至此结束此次通信。电路交换属于电路资源预分配系统，即每次通信时，通信双方都要连接电路，且在一次连接
44、中，电路被预分配给一对固定用户。不管该电路上是否有数据传输，其他用户都不能使用该电路，直至通信双方要求释放此电路为止。2.电路交换的特点下一页 返回 上一页任务9 数据交换技术 电路交换技术有两大优点:第一是传输延迟小，唯一的延迟是物理信号的传播延迟;第二是一旦线路建立，便不会发生冲突。第一个优点得益于一旦建立物理连接，便不再需要交换开销;第二个优点来自于独享物理线路。电路交换的缺点首先是建立物理线路所需的时间比较长。在数据开始传输之前，呼叫信号必须经过若干个交换机，得到各交换机的认可，并最终传到被呼叫方。这个过程常常需要10s 甚至更长的时间(呼叫市内电话、国内长途和国际长途，需要的时间是不
45、同的)。对于许多应用(如商店信用卡确认)来说，过长的电路建立时间是不合适的。在电路交换系统中，物理线路的带宽是预先分配好的。对于已经预先分配好的线路，即使通信双方都没有数据要交换，线路带宽也不能为其他用户所使用，从而造成带宽的浪费。当然，这种浪费也有好处，对于占用信道的用户来说，其可靠性和实时响应能力都得到了保证。下一页 返回 上一页任务9 数据交换技术 2.9.3 报文交换 报文交换采用“存储转发”技术，将要发送的信息分成若干个报文正文，报文交换方式是以报文为单位来交换信息的。存储转发的原理是输入的信息在交换设备控制下，先在存储区暂存，并对存储的信息进行处理，待指定输出线空闲时，再分别将信息
46、转发出去。1.报文交换的工作原理 报文交换的过程是发送方先把待传送的信息分为多个报文正文，在报文正文上附加发送方和接收方的地址及其他控制信息，形成一份完整的报文;然后，以报文为单位在交换网络的各个节点间进行传送;节点在接收到整个报文后对报文进行缓存和必要的处理，等到指定输出端的线路和下一个节点空闲时，再将报文转发出去，直到目的节点;目的节点将收到的各份报文按原来的顺序进行组合，然后再将完整的信息交付给接收端计算机或终端。下一页 返回 上一页任务9 数据交换技术 2.报文交换的特点 报文交换的优点是交换过程没有电路连接，可以采用多路复用技术，从而提高线路的利用率;用户不需要接通对方就可以发送报文
47、;容易实现不同类型的终端之间的通信。报文交换的缺点是数据延迟较大，不利于实时通信;要求交换机有高速处理能力及大的存储容量，因此增加了设备的开销。2.9.4 分组交换 随着计算机的广泛应用，对数据交换提出了更高的要求，主要表现在以下几个方面。能适应从很低到很高范围内的不同速率的交换，以满足不同用户的需要。有尽量快的持续速度。下一页 返回 上一页任务9 数据交换技术 要适应用户实时通信的要求，网络延时要小。有高的传输准确性。适应多样化数据业务。显然，线路交换和报文交换方式是不能满足这些要求的。因为线路交换方式不利于实现不同类型数据终端设备之间的相互通信;而报文交换方式的信息传输延迟又太长，不能满足
48、许多数据通信系统的实时性要求。分组交换技术的出现，较好地解决了这些矛盾。分组交换原理如下:分组交换方式吸取了报文交换方式的优点，仍然采用“存储一转发”的方式，但不像报文交换方式那样以报文为交换单位，而是把报文“裁成”若干比较短的、规格化的“分组”或者称为包(Packet)，如图2-19 所示。下一页 返回 上一页任务9 数据交换技术 以报文交换方式发送数据时，无论发送数据的长度是多少，都把它看成是一个逻辑单元，在发送的数据上加上目的地址、源地址和控制信息，按一定的格式打包后就组成了一个报文。而报文分组方式是，限制数据的最大长度(典型值为1000 bit 或几千比特)，发送站将一个长报文分成多个
49、报文分组，接收站再将多个报文分组按分组号顺序重新组织成一个长报文。由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少，这就有利于提高存储一转发节点的存储空间利用率和传输效率，因此成为当今公共数据交换网的主要交换技术。目前，美国的TELENET 和中国的CHINAPAC 都采用分组交换技术，这类通信子网被称为分组交换网。下一页 返回 上一页任务9 数据交换技术 分组交换技术在实际应用中可以分成数据报(DataGratn,DG)方式和虚电路(Virtual Circuit，VC)方式。1.数据报方式 1)数据报方式的工作原理 数据报是报文分组存储一转发的一种形式。在数据报方式中，节点间
50、不需要建立从源主机到目的主机的固定连接。源主机所发送的每一个分组都独立地选择一条传输路径。每个分组在通信子网中可以通过不同传输路径，从源主机到达目的主机。数据报方式的数据交换过程如图2-20 所示，具体过程可分为以下几步。下一页 返回 上一页任务9 数据交换技术(1)源主机HA 将报文M 分成多个分组，P1,P2 依次发送到与其直接连接的通信控制处理机A(节点A)。(2)节点A 每接收一个分组都要进行差错检测，以保证HA 与节点A 数据传输的正确性;节点A 接收分组Pl,P2 后，要为每一个分组进入通信子网的下一个节点启动路由选择算法。由于网络的通信状态是不断变化的，分组P1 的下一个节点可能