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1 第2章 数据通信与广域网技术 孙庆华 2 主要内容（1） 2.1 数据通信的基本概念 2.1.1 数据通信系统结构模型 2.1.2 数据通信的理论基础 2.1.3 数据通信系统要解决的几个基本问 题 2.2 数据传输介质 2.2.1 介质类型和主要特性 2.2.2 有线介质：铜线和光纤 2.2.3 无线和卫星通信 3 主要内容（2） 2.3 数据编码技术 2.3.1 基带传输编码 2.3.2 频带传输编码 2.3.3 模拟数据的数字化 2.4 多路复用技术 2.4.1 频分多路复用FDM 2.4.2 波分多路复用WDM 2.4.3 时分多路复用TDM 4 主要内容（3） 2.5 广域网中的数据交换技术 2.5.1 线路交换 2.5.2 存储转发交换 2.5.3 数据报和虚电路 2.5.4 异步传输模式ATM 2.6 差错控制技术 2.6.1 差错产生的原因及误码率 2.6.2 差错控制机制 2.6.3 循环冗余（CRC）检错吗 5 学习目标 理解数据通信一些基本概念和基本原理； 熟悉常用传输介质类型及其特性； 掌握数据调制与编码的类型和方法； 掌握多路复用技术的类型和特点； 掌握广域网中数据交换技术的类型和工作原 理 掌握差错控制技术原理和方法。 6 2.1 数据通信的基本概念（1） 2.1.1 数据通信系统结构模型 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字符 、数字、语音、图像的二进制代码0、1比特序列的过 程。 下图为模拟电话语音通信系统和计算机通信系统示 例 7 数据通信系统基本结构模型： 计算 机 DTE 信号 变换 器 DCE 计算 机 DTE 信号 变换 器 DCE 信 道 信 道 网络 设备 编 码 技 术 多 路 复 用 交 换 技 术 编 码 技 术 多 路 复 用 通信子网 差错控制技术 8 2.1 数据通信的基本概念（2） 信息、数据和信号 信息（Infomation）人对现实世界的某种认识。 数据（Data）是信息的表达方式（载体）。其可 以是文字、声音、图形和图象等多种不同形式。本课 程中，数据通常理解为在网络中存储、处理和传输的 二进制数字编码。 信号（Signals）数据传输过程中的电磁波表示形 式。 信息数据信号 rose 9 2.1 数据通信的基本概念（3） 信息编码标准 -ASCII 码被国际标准化组织ISO接受，成为国际 标准ISO 646，又称为国际5号码; -它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码 标准; -ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128 个字符; -字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符 包括数字、字母、运算符号、商用符号等。 -参见书中表2-1（P27） -多媒体技术在网络中的应用，将对数据通信系 统提出更高的要求。 10 2.1 数据通信的基本概念（4） 模拟信号和数字信号 模拟信号是指信号的因变量随时间连续变化的信 号； 数字信号是指信号的因变量不随时间连续变化的 信号，通常表现为离散的脉冲形式。 1 0 1 1 0 0 0 模拟信号(Analog Signals) 数字信号(Digital Signals) t (t) nt X(nt) 11 2.1 数据通信的基本概念（5） 2.1.2 数据通信的理论基础 主要研究信号在通信信道上传输时的数学表示 及其所受到的限制。 时域观和频域观 在网络通信中，信息是以电磁信号（或简称信 号）的形式传输的 -电磁信号是时间的函数（时域观） -也可以表示成频率的函数（频域观） -对于理解数据传输来讲，信号的频域观比时域 观更重要。 12 2.1 数据通信的基本概念（6） 根据傅立叶分析，任何电磁信号可以由若干具有不 同振幅、频率和相位的周期模拟信号组成。 g(t) = c + + 频谱（spectrum）是一个信号所包含的频率的范围。 信号的带宽(bandwidth)等于频谱的宽度。（见下页图 ） 对不同傅立叶分量的衰减不同，引起输出失真。信 道有截止频率fc，0 fc的振幅衰减较弱， fc以上的振幅 衰减厉害，这主要由信道的物理特性决定， 0 fc是信 道的有限带宽。 带宽越宽，信息承载能力越强。 13 通信信道带宽对基带传输的影响 14 2.1 数据通信的基本概念（7） 几个通信指标： 波特率B：模拟信号传输中，线路上每秒传送的波 形个数。也称调制速率。单位：波特Baud 比特率S（数据传输速率）：数字信号传输中，线 路上每秒传送的二进制代码的有效位数（bit，码元）。 单位：b/s（bps） 带宽F：物理信道的频率范围，即允许的最高最低频 率之差。单位：Hz 信道容量： 物理信道的最大数据传输速率。单位： bps 误码率Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne 为被传错的码元数 15 2.1 数据通信的基本概念（8） 信道速率的极限值 奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输 速率 Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz）的关系为 ： Rmax=2 f（bps）； 香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信 号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N的 关系为 Rmax = B log2（1+S/N） 因为通信信道最大数据传输速率与信道带宽存在 明确关系，因此“带宽”与“速率”在网络技术中几乎成 了同义词。 16 2.1 数据通信的基本概念（9） 2.1.3 数据通信系统要解决的几个基本问题 数据传输类型：模拟通信和数字通信； 基带传输、频带传输 连接方式： 点点方式、多点方式 数据传送方式：串行通信、并行通信 数据通信方式：单工通信、半双工或双工通信 同步方式： 同步通信、异步通信 17 2.1 数据通信的基本概念（10） 数据传输类型 -模拟信号发送（模拟信道） 模拟数据(声音) 模拟 信号 数字数据(二进制脉冲) 模拟信号 -数字信号发送（数字信道） 模拟数据 数字 信号 数字数据(二进制脉冲) 数字信号 -在数字信道上直接传输数字信号的方法也称为基 带传输 -利用模拟信道实现数字信号传输的方法也称为频 带传输 电话系统 调制解调器 MODEM 编码解码器 CODEC 数字 编码解码器 18 2.1 数据通信的基本概念（10） 通信线路的连接方式 -为适应不同的需要，通信线路采用不同的连接 方式。 -点 点方式 -多点方式 AB ABCD 19 2.1 数据通信的基本概念（11） 数据传送方式 根据一次传输 数据时使用的信道 数可以将数据通信 方式分为： 并行通信、串行 通信 20 2.1 数据通信的基本概念（12） 数据通信方式：从信息传送方向和时间的关系角度研 究。 单工通信 半双工通信 全双工通信 21 2.1 数据通信的基本概念（12） 同步方式 -目的：接收方必须知道每一位信号的开始及其 宽度，以便正确的采样接收。 -异步方式 信息是以字符为单位传送的； 每个字符由发送方异步产生，有随机性 。 -同步方式 信息是以报文为单位传送的； 传输开始时，以同步字符使收发双方同 步； 从传输信息中抽取同步信息，修正同步 ，保证正确采样。 22 同步通信 异步通信 23 2.2 数据传输介质（1） 2.2.1 介质类型和主要特性 传输介质是构成物理信道的重要组成部分，计 算机网络中使用各种传输介质来组成物理信道。 传输介质包括有线传输介质（有导向）和无线 传输介质（无导向）两大类。 有线介质将信号约束在一个物理导体之内，如 双绞线、同轴电缆和光纤等；而无线介质如无线电波 、红外线、激光等不能将信号约束在某个空间范围之 内。 究竞选择哪一种传输介质，必须考虑到价格、 安装难易程度、容量、抗干扰能力、衰减等因素。 24 2.2 数据传输介质（2） 传输介质的特性： -物理特性：传输介质物理结构的描述； -传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号 ，以及 调制技术、传输容量、传输的频 率范围； -连通特性：允许点-点或多点连接； -地理范围：传输介质最大传输距离； -抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传 输数据 影响的能力； -相对价格：器件、安装与维护费用。 25 2.2 数据传输介质（3） 2.2.2 有线介质：铜线和光纤 一、双绞线（Twisted pair）：“Twisted”表示在双绞线 电缆的内部由若干对两两绞在一起的相互绝缘的铜导 线组成，。采用两两相绞的绞线技术可以抵消相邻线 对之间的电磁干扰和减少近端串扰。 6类双绞线结构图 26 UTP电缆的颜色编码：双绞线电缆中的每一根绝缘线路都 用不同颜色加以区分，这些颜色构成标准的编码，因此很 容易识别和正确端接每一根线路。 线对颜色编码简写 线对1白-蓝W-BL 蓝BL 线对2白-橙W-O 橙O 线对3白-绿W-G 绿G 线对4白-棕W-BR 棕BR 27 技能训练：网络线缆制作 双绞线的制作分为两种： 1. 直连线的作用和线图 直连线用于将计算机连入到HUB 或交换机，或在结构化 布线中由接线面板连到HUB 或交换机等。 根据EIA/TIA 568-B 标准，直连线线图如下表所示： 端 1 白 橙 橙 白 绿绿 蓝蓝 白 蓝蓝 绿绿 白 棕 棕 端 2 白 橙 橙 白 绿绿 蓝蓝 白 蓝蓝 绿绿 白 棕 棕 28 技能训练：网络线缆制作 2. 交叉线（crossover ）的作用和线图 交叉线用于将计算机与计算机直接相连、交换机与交换 机直接相连，也被用于计算机直接接入路由器的以太网口。 根据EIA/TIA 568-B 标准，对接线线图如表所示： 端 1 白 橙 橙 白 绿绿 蓝蓝 白 蓝蓝 绿绿 白 棕 棕 端 2 白 绿绿 绿绿 白 橙 蓝蓝 白 蓝蓝 橙 白 棕 棕 29 技能训练：网络线缆制作 制作步骤： 1、用剥线钳在线缆的两端剥出一定长度的线缆。 2、用手将4对绞在一起的线缆按顺序拆分开来并小 心地拉直，并按表调整线缆的颜色顺序。 3、将线缆整平直并剪齐。 4、将线缆放入RJ-45插头，确保线缆的末端已位于RJ -45插头的顶端，并检查已放入RJ-45插头的线缆颜色顺 序。 5、确认无误后，用压线工具用力压制RJ-45插头，以 使RJ-45插头内部的金属薄片能穿破线缆的绝缘层。 6、用网线测试仪检查已制作完成的网线。 30 2.2 数据传输介质（4） 二、同轴电缆（Coaxial Cable）由一根内导体铜质 芯线外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及 外包装保护塑橡材料组成，其结构如图所示。 同轴电缆又分为基带（baseband）同轴电缆（ 阻抗50）和宽带（broadband）同轴电缆（阻抗为 75。同轴电缆还有粗缆和细缆的之分。 31 2.2 数据传输介质（5） 三、光纤(fiber) 是一根很细的可传导光线的纤维媒体，其半径仅几 微米至一、二百微米。制造光纤的材料可以是超纯硅 、合成玻璃或塑料。 光纤相对于如双绞线和同轴电缆 等这类金属传导媒体来说有轻便、低衰减和大容量、 电磁隔离等优点。 按照传输模式分为单模光纤SMF和多模光纤MMF。 单模光纤的纤芯直径很小，约为4m 10m，理论 上只传输一种模态。 包层 光线 包层 光纤芯 32 2.2 数据传输介质（6） 2.2.3 无线和卫星通信 33 2.2 数据传输介质（7） 无线电（radio）在广播和电视广播中已广泛使用。 微波（microwave）通信通常是指利用在1GHz范围内 的电波来进行通信。高频的微波和低频的无线电波不 同的一个重要特性是沿着直线传播，而不是向各个方 向扩散的。 -卫星（satellite）通信可以看成是一种特殊的微 波通信，和一般地面微波通信的不同在于它使用地 球同步卫星作为中继站来转发微波信号，如图所示 。卫星主要有三个波段：C波段、Ku波段和Ka波段 。 红外线光：这种传输技术要求通信节点之间必须在 直线视距之内，不能穿越墙。红外线传输技术数据传 输速率相对较低。 34 卫星通信 35 2.3 数据编码技术（1） 研究数据在信号传输过程中如何进行编码(变换) 2.3.1 基带传输编码 在基带传输中，需要对数字信号进行编码以表示 数据，即用不同的电平值代表数字信号0或1。常采用 以下三种编码方法： 不归零制编码（NRZ）：简单，易实现。但难于位同 步，须同时传送同步时钟信号。 曼彻斯特编码：是一种自同步编码方式。 差分曼彻斯特编码：是基本曼彻斯特编码的变形。 后两种编码应用普遍，已成为局域网标准编码。 36 基带传输编码： 01001011数据 (a)非归零码 同步时钟 (b)曼彻斯特编码 (c)差分曼彻斯特编码 37 曼彻斯特编码的编码规则是: 在信号位中电平从低到 高跳变表示1 在信号位中电平从高到低跳变表示0 差分曼彻斯特编码的编码规则: 在信号位开始时不改 变 信号极性，表示辑“1“ 在信号位开始时改变信号极性 ，表示逻辑“0“ 曼彻斯特编码 ： 高到低为1，低到高为0。 差分曼 彻斯特编码： 有跳变为0，无跳变为1。 38 2.3 数据编码技术（2） 2.3.2 频带传输编码 通过改变振幅、频率和相位等载波特性或者这 些特性的某种组合，来对数字数据进行编码（调制） 。 最基本的数字数据模拟信号调制方式有以下三 种。 1）幅移键控（ASK，Amplitude-Shift Keying） 2）频移键控（FSK，Frequency-Shift Keying） 3）相移键控（PSK，Phase-Shift Keying） 39 频带传输编码 010010 00 +0+0+0+0 2 1 2 + 数据 (a)ASK (b)FSK (c)PSK(绝对) (d)PSK(相对) 1 2 1 40 2.3 数据编码技术（3） 2.3.3 模拟数据的数字化 将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉冲编 码调制PCM(Pulse Code Modulation)。脉码调制的 过程由取样、量化和编码三步构成： 取样：按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值 。 取样频率f2fmax 量化：将取样点处测得的信号幅值分级（K）取整的 过程。 编码：将量化后的整数值用相应位数（log2K）的二 进制数来表示。 41 2.3 数据编码技术（4） PCM用于数字语音 系统： 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； 采样速率为8K样本/ 秒； 数据传输速率应达 到7位8000/秒 =56Kbps； D8D7D6D5D4D3D2D1 0 0.5 1.0 1.5 A t 0.270.3 0.620.6 1.281.3 1.521.5 1.261.3 0.730.7 0.410.4 0.120.1 (a) 样本量化级二进制编码编码信号 0001 0100 0111 1101 1111 1101 0110 00113 6 13 15 13 7 4 1D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 (b) 42 2.4 多路复用技术（1） 多路复用技术（Multiplexing） 就是把多路信号 在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的 技术。常用的多路复用技术有三类： 频分多路复用(FDM，Frequency Division Multiplexing) 波分多路复用(WDM，WavelengthDivision Multiplexing ) 时分多路复用(TDM，Time Division Multiplexing) 高速通信线路 多路 复用器 多路 复用器 43 2.4 多路复用技术（2） 2.4.1 频分多路复用FDM 每路信道的信号以不同的载波频率进行调制; 各个载波频率是不重叠的, 一条通信线路就可以同时 独立地传输多路信号。 时间 子信道D 子信道C 子信道B 子信道A 可用频带 频率 44 2.4 多路复用技术（3） 2.4.2 波分多路复用WDM 是频分多路复用在光纤信道上使用的一个变种。 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为 密集波分复用DWDM； 共享光纤 光栅光栅 功 率 波长 共享光纤 的波谱 功 率 波长 光纤1 的波谱 功 率 波长 光纤2 的波谱 光纤1 光纤2 光纤3 光纤4 功 率 波长 光纤3 的波谱 功 率 波长 光纤4 的波谱 45 2.4 多路复用技术（4） 2.4.3 时分多路复用TDM 时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干 个时间片；每个用户分得一个时间片； 在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的 全部带宽。 46 2.4 多路复用技术（5） 同步时分多路复用 （STDM） 统计时分多路复用（ATDM） 47 2.5 广域网中的数据交换技术（1） 在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路 ，一般希望动态地设定通信双方间的线路。动态地接 通或断开通信线路，称为“交换”(switch)。 通信网络 交换式 广播式 电路交换分组交换 数据报交换 虚电路交换 报文交换 48 2.5 广域网中的数据交换技术（2） 常用的数据交换方式可分为两大类： -电路交换（Circuit Switching） -存储转发交换方式（Store and Forward Switching ） 存储转发交换方式按照被转接的信息单位不同，又 可分为报文交换和分组交换。 49 2.5 广域网中的数据交换技术（3） 2.5.1 线路交换 原理 -直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双 方。 三个阶段 -建立电路，传输数据，拆除电路 特点 -在发送数据前，必须建立起点到点的物理通路 ； -建立物理通路时间较长，数据传送延迟较短。 例 -Telephone networks 50 2.5 广域网中的数据交换技术（4） 电路交换网络中的结点（交换机）工作方式 incoming linksoutgoing links Node 51 2.5 广域网中的数据交换技术（5） 2.5.2 存储转发交换 发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一 定格式组成一个数据单元(报文或报文分组)进入通信 子网； 通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成 数据单元的接收、差错校验、存储、路由选择和转发 功能; 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； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点 的存储空间利用率与传输效率； 公用数据网采用的是分组交换技术。 52 2.5 广域网中的数据交换技术（6） 分组交换网中的节点（交换机/路由器）工作方式 incoming linksoutgoing links Node Memory 53 2.5 广域网中的数据交换技术（7） 2.5.3 数据报和虚电路 分组交换分为： -数据报（datagram）分组交换 -虚电路（virtual circuit）分组交换 数据报分组交换 -每个分组均带有全称网络地址（源、目的）， 可走不同的路径。 -特征是不先建立连接而随时可发送数据的连网 方式，称为面向无连接的。 -例: IP networks 54 2.5 广域网中的数据交换技术（8） 55 2.5 广域网中的数据交换技术（9） 虚电路分组交换 -电路交换和分组交换的结合： 数据以分组形式按顺序传输； 来自同一分组流的分组通过一个预先建立的 路径（虚电路）传输； 但是来自不同虚电路的分组可能会交错在一 起。 -好像收发双方有一条专用信道一样。称为面向连 接的。 -分三个阶段：建立虚电路、传输数据、拆除虚电 路。 -注意:分组头不需要包含完整的地址信息 -例: ATM networks 56 2.5 广域网中的数据交换技术（10） 2.5.4 异步传输模式ATM 异步传输，没有主时钟。 传输单元是短的、定长的包，称为信元（cell）。 面向连接 速率主要有两种：155M，622M 57 2.5 广域网中的数据交换技术（11） 物理链路、虚通路与虚通道的关系： -物理链路（Physical Link） -虚通路（VP，Virtual Path） -虚通道（VC，Virtual Channel） 58 对比项目电路交换分组交换 建立呼叫连接要求不要求 专门的物理路径有不要 可能又浪费的带宽 是 否 可能拥塞的时间点 建立呼叫连接的时候每个分组传送的时候 存储转发机制 否是 分组的顺序总是按发送顺序到达目的站 到达目的站时不一定按发送顺序 收费每分钟每个分组 电路交换和分组交换的主要区别： 59 数据报交换和虚电路交换的主要区别： 对比的方面虚电路服务数据报服务 思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保证 连接的建立必须有不要 目的站地址 仅在连接建立阶段使用，每 个分组使用短的虚电路号 每个分组都有目的站的全地址 路由选择 在虚电路建立时进行，所有 分组均按同一路由 每个分组独立选择路由 当结点出故障时 所有通过出故障的结点的虚 电路均不能工作 出故障的结点可能会丢失分组， 一些路由可能会发生变化 分组的顺序总是按发送顺序到达目的站到达目的站时不一定按发送顺序 端到端的差错处 理和流量控制 由分组交换网负责由用户主机负责 60 2.6 差错控制技术（1） 2.6.1 差错产生的原因及误码率 传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据 不一致的现象; 通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声； -由热噪声引起的差错是随机错； -冲击噪声引起的差错是突发错； 在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突 发差错共同构成的。 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传 输可靠性的参数之一； 61 2.6 差错控制技术（2） 误码率Pe是指二进制码元在数据传输系统中被传错 的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传 输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数； 差错控制是检错和纠错； 差错控制编码是在发送端被传输的信息码元序列中 ，以一定的编码规则附加一些校验码元，接收端利用 该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错 或纠正差错。 差错控制编码又可分为检错码和纠错码，前者是指 能自动发现差错的编码，后者是指不仅能发现差错而 且能自动纠正差错的编码。检错码只能用来发现传输 中的错误，需要通过反馈重发机制来纠错。 62 2.6.2 差错控制机制 一般方法：接收方给发送方一个反馈（响应） 。 2.6 差错控制技术（3） 63 2.6 差错控制技术（4） 停止等待方式 连续工作方式 停止等待方式： 64 2.6 差错控制技术（5） 连续工作方式又分 为： 拉回方式 选择重发方式 65 2.6.3 循环冗余（CRC）检错吗 循环冗余编码（CRC）是目前应用最广、检错能 力很强的一种检错码编码方法。 循环冗余码（CRC码，多项式编码） -110001，表示成多项式 x5 + x4 + 1 CRC码基本思想 -校验和（checksum）加在帧尾，使带校验和 的帧的多项式能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x) 去除它，若有余数，则传输出错。 2.6 差错控制技术（6） 66 循环冗 余编码工 作原理： 发送方接收方 发送数据 f(x) 生成多项式 G(x) f(x) x k . G(x) =Q(x)+ R(x) G(x) 实际发送: f(x) x k . +R(x) 数据字段校验字段 f(x)x k . R(x) 发送数据 f (x) 生成多项