计算机网络技术 教育部高职高专计算机类专业教学指导委员会优秀教材 教学课件 徐立新 第2章 数据通信基础知识

在线教务辅导网：,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,,第2章 数据通信基础知识,常见传输介质及特性,主要内容,基本概念,数据编码技术,数据传输技术,1,2,3,4,数据交换技术,差错控制与流量控制,1,5,6,本章学习目标,了解并识记数据通信的基本概念掌握数据通信的主要技术指标及计算理解并掌握数据编码的类型和基本方法掌握传输介质类型及主要特征 理解数据传输方式分类和特点 掌握同步技术和多路复用技术的分类和特点 识记差错控制和检测的基本概念 掌握数据交换技术的分类及特点,2.1 基本概念,1. 信息、数据与信号,信息( Information)：字母、数字、语音、图象等的组合。 数据(Data)：传递信息的实体，常是二进制代码序列。 信号(Signal)：数据在传输过程中的电信号表示形式。 信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。, 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传 输数据的信道。 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。,2.模拟信号和数字信号,模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值,t,a) 模拟信号,b) 数字信号,(1) 串行通信 串行通信是指用一条数据线传送比特流，一次只传送一个比特。 (2) 并行通信 并行通信是指同时有多条数据通道，可同时传送多个比特。,通信方式按使用的信道数,通信方式按数据流动的方向, 单工：数据单向传输（无线电广播） 半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机） 全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输,数据通信的操作方式,3.数据通信中的主要技术指标1）数据传输速率指每秒能传送的二进制信息位数，也叫比特率。单位：位/每秒，记作bps或bit/s。2）信号传输速率单位时间里通过信道传输的码元个数，也叫波特率。单位：波特，记作Baud。比特率和波特率的关系： Rbit = RBaud log2N 其中N是信号的编码级数。,4）误码率指二进制数据位传输时出错的概率，是衡量信道传输 可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于106 。P= 错误的位数 / 传输的总位数,3）信道容量： 指1个信道的最大数据传输速率。单位：位/每秒。,数字数据的模拟信号编码技术。 数字数据的数字信号编码技术（非归0编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码）。 模拟数据的数字信号编码技术,2.2 数据编码技术,1. 数据编码类型,2. 数字数据的模拟信号编码,三种常用的调制技术： 1） 振幅键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅 2） 移频键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频 3） 移相键控PSK(Phase Shift Keying) ，调相 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。,载波 u(t) = A sin (t+) u(t)的参量包括： 振幅A、频率 、相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化,2.2 数据编码技术,3. 数字数据的数字信号编码,非归零码(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示。如：用低电平表示 0 ，高电平表示 1 。缺点：当0和1个数不相等时，存在直流分量；不具备自同步机制，必须使用外同步。,曼彻斯特编码(Manchester code)用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：低 高的跳变0，高低的跳变1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。它具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。,差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)与曼彻斯特编码相同的是，在每个码元的中间，信号都会发生跳变，作同步之用；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1 ：码元开始处有跳变0码元开始处无跳变1,2.2 数据编码技术,奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,4.模拟数据的数字信号编码,语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：1）采样按一定间隔对语音信号进行采样每隔一定时间从连续变化的话音模拟信号中取出一个瞬时值，从而得到一系列电平幅度不同的脉冲信号，即脉幅调制(PAM)信号.2）量化对每个样本舍入到量化级别上3）编码对每个舍入后的样本进行编码,（1）同轴电缆：抗干扰性较强，早期局域网常用的传输介质。,2.3 常见传输介质及特性,传输介质的主要类型,50欧：数字传输 75欧：模拟传输,图2-1 粗同轴电缆,（2）双绞线：最常用的传输介质非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted-Pair） ：无屏蔽层，由护套和线对组成。屏蔽双绞线屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted-Pair） ：有屏蔽层，抗噪性好。 用于网络的双绞线和用于电话系统的双绞线是有差别的。 双绞线使用RJ-45接头连接计算机的网卡或集线器等通信设备。,2.3 常见传输介质及特性,图2-2 非屏蔽双绞线电缆(UTP),图2-3 屏蔽双绞线电缆(STP),（3）光纤：性能最好，应用前途最广泛的传输介质。利用折射定律和全反射规律，传播光信号。低损耗、高带宽、高数据传输速率、安全性好。,（4）无线通信电磁波传播方式有两种：无线、有线常用的有微波、红外线和可见光。无线通信系统有：微波通信、蜂窝移动通信和卫星通信。 微波只能沿直线传播，在地面一般采用点对点方式通信。蜂窝移动通信是广播式传输，采用多址接入技术区分用户。卫星通信覆盖面积大，通信距离远，通信费用和距离无关， 有传输延迟。,1.传输方式 （1)基带传输技术人们把数字数据信号固有的频带称为基带，相应的 矩形脉冲信号称为基带信号。基带传输技术是指在数字信道上，直接传送基带信号 的方法，它是最基本的数据传输方式。大多数局域网都使用基带传输，如以太网。,2.4 数据传输技术,(2)频带传输技术1）电话交换网的结构,2）频带传输的定义 利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输。它需要调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调。频带传输中，调制解调器是最典型的通信设备。例如：通过电话模拟信道传输 (3)宽带传输的定义宽带指比音频带宽更宽的频带，指传输介质的频带宽度较 宽的信息传输，它可同时传播多路信号，进行高速数据传输。,(4)调制解调器的基本工作原理（1）调制解调器的工作原理通过调幅、调频等技术实现数字信号和模拟信号的转换。（2）全双工通信的工作原理使用带通滤波器将双方的发送与接收通道分开，达到全双工通信的目的。带通滤波器是一种选频电路，它只允许特定频率范围的信号通过。,2.同步技术所谓同步，就是要求通信的接收端要按照发送端所发送的 每比特的重复频率以及起止时间来接收数据，即收发双方在时 间基准上保持一致。数据通信的同步包括：位同步、字符同步。,1)位同步：目的是使接收端接收的每一位 信息都与发送端保持同步（1）外同步法发送端发送数据的同时，另外发送同步时钟信号，接收方用它来校准自己的时钟脉冲频率。（2）内同步法通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号本身包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,2)字符同步：保证收发双方正确传输字符。（1）同步式由同步控制字符领先，以组为单位连续传送,（2）异步式每个字符独立传送，各字符间的时间间隔可以任意。需添加冗余位以确认字符的开始和结束。,例如，1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时， 其效率为,8/1172,3.多路复用技术指在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。 发送方通过复用器将多个用户的数据汇集，经一条物理线 路传送到接收设备，接收设备再通过分用器将数据分离成单独 的数据，分发给接收方的多个用户。,2)频分多路复用(Frequency Division Multiplexing),原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。,适用于模拟信号传输,频分多路复用的基本工作原理示意图,频分多路复用的特点是：每个用户终端的数据通过专门分配给它的子信道传输，在用户没有数据传输时，别的用户也不能使用。,3）波分多路复用(Wave Division Multiplexing),原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。,4）时分多路复用(Time Division Multiplexing),(1)工作原理：以信道传输时间作为分割对象，把时间分割成小的时间片，通过为多个用户分配不同的时间片的方法来实现多路复用。适合于数字信号的传输。T1载波：复用24路信号，速率1.544Mbps （北美标准）E1载波：复用30路信号，速率2.048Mbps （欧洲标准）,(2)时分多路复用技术的分类： 同步时分多路复用（STDM）将时间片固定分配给各个信道，不考虑信道是否有数据发送，这要求收发双方必须同步，当某用户无数据发送时，其他用户也不能占用其时间片，将会造成带宽浪费。 统计时分多路复用（ATDM）也叫异步时分多路复用根据用户对时间片的需要来分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片，同时，对每一个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于哪一个用户。提高了通信线路利用率。该技术为异步传输模式ATM的研究奠定了理论基础。,2.5 差错控制与流量控制,1.差错的产生 1）差错的定义通过通信信道后接收的数据与发送的数据不一致的现象。 2）差错产生的原因和类型差错产生的原因是热噪声。主要有信道固有的随机热噪声和外界因素引起的冲击热噪声。,2.差错控制方法 1）差错控制编码（1）检错码：在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确，如果存在错误，它不能纠正错误，而是通过反馈信道传送一个应答帧把错误告诉发送端，让发送端发送信息，直到接收正确为止。如：奇偶校验码。 （2）纠错码：不仅可以检测出错误，还可以纠正错误的编码。如：循环冗余校验码（CRC）。,2）差错控制方法（1）检错重发接收端通过检错码检查是否出现差错，一旦发现差错，通常采用自动请求重发（ARQ）方法来纠正，在以太网中广泛使用。（2）前向纠错在接收端不仅进行差错检测，而且查出差错后能自动纠正错误。因为不存在重发时延，所以，通信实时性好，但纠错设备复杂，成本高。,3.流量控制方法 1）流量控制的原因（1）发送方的传送能力比接收方的接收能力大。（2）告诉数据帧传输会最终“淹没”接收方，即使传输过程中无错，接收方也将无能力处理收到的帧，会造成数据帧丢失。 2）流量控制（Flow Control）所谓流量控制就是控制发送方的发送速率，要让接收方来得及处理。 两种方法：基于反馈的流量控制；基于速率的流量控制。,3）流量控制机制 （1）一个无限制的单工协议：“乌托邦”协议（数据单向传输、缓存无限大、信道不损坏、无差错） （2）一个单工的停等协议：假设：数据单向传输、信道不损坏、无差错。问题：如何避免发送速度大而“淹没”接收方？解决： 发送过程插入一个延迟；发送速率降低新问题：导致带宽的利用率远远低于最佳值。解决方案：停等协议（stop-and-wait）发送方发出一帧，然后先等待一个确认，再继续发送，这样的协议称为停等协议。,（3）有噪声信道的单工协议：数据单向传输，可能出错的信道，帧有可能被破损或者完全丢失。一种情况：帧被损坏，接收方没校验出来仍正常接收。另一种情况：帧正确接收，但反馈帧丢失，导致发送 方重复发送。解决方案：第一种情况不可能出现：数据链路层就是为网络层提供无差错的服务。第二种情况：发送的每一帧的头部附加一个序列号。接收方根据序列号，新帧则接收，重复帧则丢弃。,（4）滑动窗口协议,传输层的TCP采用滑动窗口机制来实现流量控制的功能。其过程如图2-5-1所示：,图 2-5-1 滑动窗口示意图,2.6 数据交换技术,为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构,两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续,就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。,实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。报文交换和分组交换均采用的是存储转发方式。,1）原理： （与电话交换方式类似）交换数据前，先建立实际的物理线路连接。 2）通信过程：线路建立阶段数据传输阶段线路释放阶段 3）特点：建立连接的时间长，建立连接后，传输延迟小，连接独占线路，线路利用率低，无差错控制能力。,1.电路交换,线路交换方式的工作原理,2.存储转发交换,1）存储转发交换的概念：在交换过程中，交换设备将接收到的数据单元先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。由于交换设备有存储能力，所以，可以实现信道的资源共享，提高线路利用率；有路选功能，可以均衡流量；有差错控制功能，可以提高系统可靠性；可以实现不同通信速率线路之间的数据传送。因此，存储转发方式在计算机网络中得到了广泛的应用。,2）存储转发的分类 (1)报文交换将待传送数据作为一个单元，打包后形成报文，不管报文大小作为整体一起发送。特点：报文大小不一，造成缓冲区管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长；出错后整个报文需全部重发。,(2)报文分组交换（分组交换）发送方将长报文划分成多个报文分组进行存储转发，接收方再将各报文分组按顺序重组成报文，这就是报文分组交换，常称为分组交换。特点：对转发设备存储容量要求较小，可以用内存来缓冲分组速度快；转发延时小适用于交互式通信；某个分组出错仅重发该分组效率高；各分组可通过不同路径传输可靠性高。在实际应用中，分组交换有数据报和虚电路两种方式。,3.数据报方式 1）工作原理：,2）数据报特点： 同一报文的各分组独立进行路由选择；同一报文的分组到达目的结点时可能出现乱序、丢失等现象；每一个分组都需带有足够的地址信息；传输延迟较大，不适于长报文、会话式通信。,4.虚电路方式1）工作原理：是数据报和电路交换的结合在传输数据前，先建立一条逻辑连接即虚电路，整个通信 过程分为3个阶段:虚电路建立阶段数据传输阶段虚电路拆除阶段当虚电路建立好以后，后续分组按存储转发方式沿虚电路 传送。,虚电路方式 的工作原理,2）虚电路特点：发送数据前，先建立逻辑连接，有一定时间延迟；各分组沿虚电路传送，不需做路由选择，不需带全地址信息；分组到达目的地不会出现乱序、丢失等现象；每结点可以和任何