计算机网络技术基础---第2章数据通信基础.ppt

第2章 数据通信基础,学习目的与要求： 通过本章的学习，可以掌握道带宽与传输速率之间的关系；常用传输介质的特性及应用；数据通信的基本概念、工作过程及数据通信系统的基本组成和应用等。除此以外还将了解数据通信的主要技术指标和通信方式；数据通信中的编码技术、调制解调技术、多路复用技术和同步技术的工作原理及应用；数据交换技术和差错控制技术的工作过程、工作原理与应用等。,2.1 数据通信的相关知识,2.1.1 数据基本概念 2.1.2 数据通信系统,2.1.1 数据基本概念,通信的目的是交换信息。信息的载体可以是多媒体，包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等。计算机的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，首先要将每一个字母、数字或括号用二进制代码表示。美国信息交换标准代码(ASCII)目前已经被ISO与CCITT采纳并发展为国际通用的信息交换用标准代码。信号是数据的表示形式。数据以信号形式在信道上传输。信号也有模拟信号和数字信号两种形式。模拟信号是指时间上和空间上连续变化的信号；数字信号是指一系列在时间上离散的信号。,2.1.2 数据通信系统,在一次通信中，产生和发送信息的一端叫信源，接受信息的一端叫信宿。信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。用通信的术语来说，通信线路称为信道，所以信源和信宿之间的信息交换是通过信道进行的。,2.2 数据传输系统性能指标,2.2.1 信道带宽和信道容量 2.2.2 信道时延 2.2.3 误码率,2.2.1 信道带宽和信道容量,信道带宽或信道容量是描述信道的主要指标之一，由信道的物理特性所决定。 通信系统中传输信息的信道具有一定的频率范围(即频带宽度，单位是赫兹)，称为信道宽度。信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，它表征信道的传输能力。,2.2.1 信道带宽和信道容量,一般情况下，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息量就越多，则信道容量就越大，传输效率也就越高。香农(Shannon)定理给出了信道带宽与信道容量之间的关系 式中，C为信道容量，W为信道宽度，N为噪声功率，S为信号功率。当噪声功率趋于0时，信道容量趋于无穷大，即无干扰的信道容量为无穷大，信道传输的信息多少完全由带宽决定。此时，信道中每秒所能传输的最大比特数由奈奎斯特(Nyquist)准则决定,2.2.2 信道时延,时延(delay)是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延一般由以下几个不同的部分组成： 1发送时延 2传播时延 3 处理时延,2.2.2 信道时延,3 处理时延 这是数据在交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。在结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。因此，处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时，还会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。有时可用排队时延作为处理时延。 这样，数据经历的总时延就是以上三种时延之和： 总时延=传输时延+发送时延+处理时延,2.2.3 误码率,误码率是衡量通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标。误码率是指二进制码元在传输过程中被传错的概率。显然，它就是错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例。误码率的计算公式为： 公式中，Pe为误码率，N e表示被传错的码元数，N表示传输的二进制码元总数。上式只有N取值很大时才有效。,2.3 传输介质,2.3.1同轴电缆 2.3.2 双绞线 2.3.3 光纤 2.3.4 无线介质,2.3.1同轴电缆,同轴电缆是由外部中空的圆柱状导体包裹着一根实心金属线导体组成的。同轴电缆有两个导电单元。在电缆的中央有一实心铜导体，实心铜导体的周围包裹着塑料绝缘层。而绝缘层的外部被一层金属网(或金属箔)包裹着，这曾金属网(或金属箔)形成了同轴电缆的第二个导体。这里，金属网对内导体起着屏蔽的作用，它能减少外部的干扰，提高传输质量。同轴电缆的最外部为外层保护套，可以保护内部两层导体和加强拉伸力。,2.3.2 双绞线,1.非屏蔽双绞线 非屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)由8根铜缆组成，其中，这8根线由绝缘体分开，每两根线通过相互绞合成螺旋状而形成一对。在这4对线的外部是一层外保护套，用于保护内部纤细的铜导体和加强拉伸力,2.3.2 双绞线,1.非屏蔽双绞线 局域网使用的非屏蔽双绞线主要分为3类线、4类线、5类线、超5类线、6类线和7类线，这些非屏蔽双绞线虽然肉眼看上去基本相同，但其传输质量、抗干扰能力有很大区别。其中，3类线主要用于10M网络的连接，而对于100M，1000M网络则只能使用5类线以上的线缆。,2.3.2 双绞线,2.屏蔽双绞线 屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)是屏蔽技术和双绞线技术相结合的产物。尽管屏蔽双绞线的传输质量比非屏蔽双绞线要高，但它们的电缆尺寸和重量相当。如果安装合适，STP具有很强的抗电磁、抗无线电干扰的能力。,2.3.3 光纤,光缆是一种目前发展最为迅速、应用广泛的网络连接介质，这种介质能传输光信号。用于网络连接的光缆由封装在隔开中的两根或多根细而柔软的光纤(Optical Fiber)组成。从横截面观察，每根光纤都被反射包层、加固材料和外保护套所包围。光纤的导光部分由内核和包层构成。中心的内核由纯度非常高的石英玻璃构成，其折射率很高。内核外的包层由折射率很低的玻璃或塑料组成，这样在光纤中传输的光将在内核与包层的交界处形成全反射。与管道相似，光纤利用全反射将光线限制在光导玻璃中，即使在弯曲的情况下，光也能传输很远的距离，如图2-7所示。,2.3.3 光纤,2.3.3 光纤,用光纤做成的光缆由四部分组成，如图2-8所示。 (1)缆芯，可以是一股或多股光纤，光纤的直径约为10lOOm，通常是超高纯的石英玻璃纤维； (2)包层，这是在光纤外面包裹的一层，它对光的折射率低于光纤； (3)吸收外壳，用于防止光的泄漏； (4)防护层，对光缆起保护作用； (5)加强芯，是上述的钢丝，施工中起保护作用。,2.3.3 光纤,2.3.4 无线介质,按照电磁波频谱的不同，无线介质可以分为以下几种形式。 1.电磁波谱与移动通信 2.无线通信 3.微波通信 4.蜂窝无线移动通信 5.卫星通信,2.4 差错控制与校验,2.4.1 差错的产生与控制 2.4.2 差错控制的方法 2.4.3 差错控制编码,2.4.1 差错的产生与控制,数据通信中，由于信号的衰减和外部电磁干扰，接收端收到的数据与发送端的数据不一致的现象称为传输差错。数据传输中的差错主要是由热噪声引起的。热噪声有两大类：随机热噪声和冲击热噪声。随机热噪声是通信信道上固有的、持续存在的热噪声，如线路本身电气特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸变和衰减，电气信号在线路上产生反射造成的回音效应，相邻线路之间的串扰等。冲击热噪声是由外界某种原因突发产生的热噪声，如大气中的闪电、电源开关的跳火、外界强电磁场的变化、电源的波动等。,2.4.2 差错控制的方法,1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，Automatic Repeat request)方法，它是由发送端发出能够发现(检测)错误的编码(即检错码)，接收端依据检错码的编码规则来判断编码中有无差错产生，并通过反馈信道把判断结果用规定信号告知发送端。发送端根据反馈信息，把接收端认为有差错的数据再重新发送一次或多次，直至接收端正确接收到为止。,2.4.2 差错控制的方法,2前向纠错方法 前向纠错方法(TEC，Forward Error Correcting)是由发送端发出能纠错的编码，接收端收到这些编码后，通过纠错译码器不仅能自动地发现错误，而且能自动地纠正传输中的错误，然后把纠错后的数据送到接收端高层处理。常用的纠错编码有BCH码、卷积码等。 FEC方式的优点是发送时不需要存储，不需要反馈信道，适用于单向实时通信系统。其缺点是译码设备复杂，所选纠错码必须与信道干扰情况紧密对应。,2.4.2 差错控制的方法,3混合纠错方法 混合纠错方法就是反馈重发检错和前向纠错两种方法的结合。混合纠错方法是由发送端发出同时具有检错和纠错能力的编码，接收端收到编码后检查差错情况，如差错在可纠正范围内，则自动纠正之；如差错很多，超出了纠错能力，则经反馈信道送回发送端要求重发。 前向纠错和混合纠错方法具有理论上的优越性，但由于对应的编码/译码相当复杂，且编码的效率很低，因而很少使用。,2.4.3 差错控制编码,常用的三种差错检测方法。 1. 奇偶校验 在面向字节的数据通信中，在每个字节的尾部都加上1个校验位，构成一个带有校验位的码组，使得码组中“l”的个数成为偶数(称为偶校验)或使得码组中“1”的个数成为奇数(称为奇校验)，并把整个码组一起发送出去，一个数据段以字节为单位加上校验码后连续传输。 接收端收到信号之后，对每个码组检查其中“l”的个数是否为偶数(偶校验)或码组中“1”的个数是否为奇数(奇校验)，如果检查通过就认为收到的数据正确，否则发送一个信号给发送端，要求重发该段数据。,2.4.3 差错控制编码,2. 循环冗余校验 循环冗余校验(CRC，Cyclic Redundancy Check)是一种比较复杂的校验方法。此方法将整个数据块看成是一个连续的二进制数据，从代数的角度看成是一个报文码多项式M(x)。除以另一个称为“生成多项式”的多项式G(x)。国际电报咨询委员会CCTIT推荐的生成多项式CRC-CCTIT如下： G(x)=X16+X12+X5+16,2.4.3 差错控制编码,3汉明码 汉明码是一种可以纠正一位错的高效率线性分组码。其基本思想是：将待传送信息码元分成许多长度为K的组，其后附加r个用于监督的冗余码元(也称校验位)，构成长为n=k+r的分组码。分组码中每个校验位和某几个特定的信息位构成偶检验关系。用r个监督关系式产生的r个校正因子来区分无错和在码字中的n个不同位置的一位错。校验位数r必须满足关系式：2r n+1，即2rk+r+1。,2.5 多路复用技术,2.5.1 频分多路复用 2.5.2 时分多路复用 2.5.3 波分多路复用,2.5.1 频分多路复用,当物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽足够多的情况下，可将该物理信道的总带宽划分成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子频带，每个子频带传输一路信号，这就是频分多路复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)。,2.5.1 频分多路复用,2.5.2 时分多路复用,时分多路复用(TDM，Time Division Multiplexing)则是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片来实现多路复用。,2.5.2 时分多路复用,2.5.2 时分多路复用,1同步时分多路复用 2异步时分多路复用,2.5.3 波分多路复用,波分多路复用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)实际上就是光的频分多路复用。波分多路复用的本质是在一条光纤中用不同颜色的光波来传输信号，而不同的色光在光纤中传输彼此互不干扰。,2.5.3 波分多路复用,2.6 数据交换技术,2.6.1 线路交换 2.6.2 报文交换 2.6.3 分组交换,2.6.1 线路交换,线路交换又称电路交换(Circuit Switching)，是数据通信领域最早使用的交换方式。它是一种直接的交换方式，通过网络结点在通信双方之间建立专用的临时通信链路，即在两个工作站之间具有实际的物理连接。信道上的所有设备实际上只起开关作用，开关合即信道通，对信息传输没有额外的延时，而只有线路延时。,2.6.1 线路交换,2.6.1 线路交换,电路交换的特点： 需先建立连接，然后才能进行通信。建立连接、拆除连接时间长，有效通信效率低。 通信线路利用率低。 一旦电路建立后，数据以固定的数据率传输，除传输链路的延时外，不再存在其他延时，适用于实时大批量数据的传输。 不同类型、不同规格、不同速率的终端很难互相进行通信。 不够灵活，通信过程中一旦出现故障需重新建立新的连接。,2.6.2 报文交换,报文交换(Message Switching)，就是发送方先把待发送的信息分成多个报文正文，在报文正文上附加发、收站地址及其它控制信息，形成一份份完整的报文。然后，以报文为单位在交换网络的各节点间传送。节点在接收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。,2.6.3 分组交换,报文分组交换(Packet Switching)简称分组交换，也称为包交换。报文交换是1964年提出来的，最早在ARPANET上得以应用。分组交换是将用户的一个报文分成若干个报文分组(或信息包)，以分组为单位采用“存储-转发”交换方式进行通信，如图2-22所示。,2.6.3 分组交换,2.6.3 分组交换,图2-23 报文分组交换示意图,2.6.3 分组交换,在图2-24中表示了电路交换、报文交换和分组交换三种交换方式的数据传输过程，图中的A、B、C、D分别代表传输过程中的不同节点。,2.7 调制解调器,2.7.1 调制解调器简介 2.7.2 调制解调器的安装与使用,2.7.1 调制解调器简介,调制解调器(Modem)是调制器/解调器(MOdulator/DEModulator)的缩写。它是在发送端通过调制将数字信号转换为模拟信号，而在接收端通