第2章__数据通信基础-计算机网络技术基础（第三版）.ppt

第2章数据通信基础 计算机网络技术基础 第三版 主编 尚晓航高等教育出版社 普通高等教育 十一五 国家级规划教材 第2章数据通信基础 本章学习目标 了解 数据通信的基础知识了解 数据传输方式的类型和特点掌握 数据传输的类型及相应的编码方法掌握 多路复用技术的分类和适用场合了解 数据通信中的同步技术了解 广域网中的数据交换技术掌握 差错控制技术的类型和方法 2 1数据通信的基本概念 1 信息和编码信息的载体是文字 语音 图形和图像等 计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母 数字或控制符号的组合 用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是二进制编码 2 1数据通信的基本概念 二进制编码标准目前 最常用的二进制编码标准为美国标准信息交换码 ASCII 它已被国际标准化组织 ISO 和国际电报电话咨询委员会 CCITT 采纳 并已经发展为国际通用的标准交换代码 2 1数据通信的基本概念 3 数据和信号网络中传输的二进制代码被统称为 数据 数据 事物的表示形式信息 数据的内容与解释 信号 signal 是数据在传输过程中的电磁波表示形式 从时间域来看 图2 1 a 所示的 数字信号 是一种离散信号 而图2 1 b 所示的 模拟信号 是一种连续变化的信号 图2 1数字信号和模拟信号 2 1数据通信的基本概念 4 信道及信道的分类 1 信道 数据信号传输的必经之路 它一般由传输线路和传输设备组成 2 物理信道和逻辑信道 物理信道 是由信道中的实际传输介质与相关设备组成 逻辑信道 是指在同时建立的多条逻辑上的 连接 2 1数据通信的基本概念 3 有线信道和无线信道根据传输介质是否有形 有线信道 电话线 双绞线 同轴电缆 光缆无线信道 无线电 微波 卫星通信信道与远红外线等 4 模拟信道和数字信道按照信道中传输的数据信号的类型来分 调制解调器 5 专用信道和公共交换信道按照信道的使用方式来分 专用信道 又称 专线 它是一种连接用户之间设备的固定线路 距离较短 数据量较大 安全性要求较高的场合 公共交换信道 是一种通过公共网络 为大量用户提供服务的信道 如 公共电话交换网 公共电视网 2 1数据通信的基本概念 数据单元在数据传输时 通常将较大的数据块 如报文 分割成较小的数据单元 如分组 并在每一段数据上附加一些信息 这些数据单元及其附加的信息在一起被称为 数据单元 2 2通讯系统的主要技术指标 1 传输速率S 比特率 传输速率 S 是指是指在信道的有效带宽上 单位时间内所传送的二进制代码的有效位 bit 数 S的单位为 b s 千比特每秒kb s 1 103b s 等单位来表示 2 2通讯系统的主要技术指标 波形调制速率B 波特率 1Baud s就表示每秒钟传送一个码元或一个波形 波特率是数字信号经过调制后 模拟信号的传输速率 3 比特率和波特率之间的关系参见表2 1 2 1数据通信的基本概念 波特率 调制速率 和比特率 数据传输速率 是两个最容易混淆的概念 表2 1给出了两者之间的数值关系 两者在实际应用中的区别与联系 如图2 2所示 图2 2比特率和波特率的区别 4 带宽 对于模拟信道 带宽是指物理信道的频带宽度 其本来的意思是指信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差 单位为 赫兹 Hz 千赫 kHz 兆赫 MHz 等 对于数字信道 人们说的 带宽 是指在信道上能够传送的数字信号的速率 即数据传输速率S 因此 此时带宽的单位就是比特每秒 bit s 表示为 b s Kb s Mb s等 5 信道容量 信道容量是一个极限参数 一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力 在实际应用中 高传输速率的通信设备常常被通信介质的信道容量所限制 而得不到充分利用 6 带宽 数据传输速率和信道容量的关联 带宽与数据传输速率这两个术语原来都是用来度量信道实际传输能力的指标 现在 一个物理信道常常既可以作为模拟信道 又可以作为数字信道 所以人们既可以使用 带宽 也可以使用 速率 来描述网络中信道的传输能力 7 误码率Pe 1 误码率Pe的定义误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率 也称 出错率 Pe的定义式如下 式中 N为传输的二进制码元总数 Ne表示在接收码元中被传错的码元数 7 误码率Pe 2 误码率的性质 获取与实用意义 性质 可靠性的指标 获取 在大量重复测试 采用差错控制技术的意义 在使用普通通信信道传输数据时 物理信道本身的平均误码率不满足可靠性指标的要求 因此 必须采用差错控制技术 8 时延 时延是信道或网络性能的另一个参数 其数值是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所需要的时间 其单位是秒s 毫秒 10 3秒 ms 微秒 10 6秒 s等 时延是由 传播时延 发送时延和排队延时等三部分组成的 2 2 1数据通信过程中涉及的主要技术问题 网络中任意两台计算机的通信过程需要解决哪些技术问题呢 二进制编码 传输的信号类型 数据传输与通信方式 同步技术 多路复用技术 广域网数据交换技术 差错控制技术 2 3数据传输类型及相应技术 数据通信专指信源 发送信息的一方 和信宿 接收数据的一方 中信号的形式均为数字信号的通信方式 因此 可以将 数据通信 定义为 在不同的计算机和数字设备之间传送二进制代码 0 1 对应的比特位信号的过程 在数据通信过程中 传输的数据信号的类型不同 使用的技术就不同 为此 数据传输系统有 基带传输 和 频带传输 两种传输方式 2 3 1基带传输与数字信号的编码 1 基带 基带信号和基带传输数字信号也被称为 数字基带信号 简称为 基带信号 在线路上直接传输基带信号的方法称为 基带传输 方法 在基带传输中 必须解决两个基本问题 其一 基带信号的编码问题 其二 收发双方之间的同步问题 2 数字信号的编码 在基带传输中 用不同极性的电压 电平值代表数字信号 0 和 1 的过程 称为基带信号的 编码 其反过程称为 解码 在发送端 编码器将计算机等信源设备产生的信源信号 变换为用于直接传输的基带信号 在接收端 解码器将接收到的基带信号 恢复为与发送端相同的 计算机可以接收的信号 下面介绍3种基本的编码方法 3 非归零 Non ReturntoZero NRZ 编码 编码规则 NRZ编码方法的示例如图2 3 a 所示 用负电压代表数字 0 正电压代表数字 1 特点 NRZ编码的优点是简单 容易实现 缺点是接收方和发送方无法保持同步 位同步 为了保证收 发双方的按位同步 必须在发送NRZ编码的同时 用另一个信道同时发送同步时钟信号 参见图2 3 a 应用 计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中的非归零码技术 4 曼彻斯特 Manchester 编码 编码规则 前半周期为该位值 反码 电平值 后半周期为该位值的 原码 电平值 中间的电平跳变作为双方的同步信号 如图2 3 b 所示 曼彻斯特编码的同步信号 曼彻斯特编码中的中间电平跳跃 既代表了数字信号的取值 也作为自带的 时钟 信号 特点 优点是收发信号的双方可以根据自带的 时钟 信号来保持同步 缺点是效率较低 应用 典型的10BASET 10BASE2 和10BASE5低速以太网使用的是曼彻斯特编码技术 5 差分曼彻斯特 De manchester 编码 编码规则 遇 0 跳变 遇 1保持 中间跳变 其示例的波形如图2 3 c 特点 差分曼彻斯特编码的优点是自含同步时钟信号 抗干扰性能较好 缺点是实现的技术复杂 同步信号 中间的电平跳变作为 同步时钟 信号 图2 3二进制数据的基带信号的编码波形 2 3 1基带传输与数字信号的编码 基带传输的特点如下 优点是 抗干扰能力强 成本低 缺点是 由于基带信号频带宽 传输时必须占用整个信道 因此通信信道利用率低 占用频带宽 信号易衰减 只能使用有线介质传输 限制了使用的场合 在局域网中经常使用基带传输技术 2 3 2频带传输与模拟信号的调制 1 调制 解调与频带传输利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为 频带传输 在发送端将数字信号转换成模拟信号的过程称为 调制 modulation 相应的设备称为 调制器 modulator 在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程称为 解调 demodulation 相应的设备称为 解调器 demodulator 而同时具有调制与解调功能的设备被称为 调制解调器 modem Modem就是数字信号与模拟信号之间的变换设备 2 数字数据 信号 的调制 在调制过程中 运载数字数据的 载波信号 可以表示为 其中 振幅A 角频率 相位 是载波信号的3个可变电参量 每次变化一个电参数 固定另外两个电参量 3 幅度调制ASK ASK调制规则 幅度调制又称为 振幅键控 amplitude shiftkeying ASK 两种载波幅度值的调幅波形如图2 4 a 表示 ASK的特点 幅度调制的技术比较简单 信号容易实现 但抗干扰的能力较差 4 频率调制FSK FSK调制规则 频率调制又称为 移频键控 frequency shiftkeying FSK 其调制波形如图2 4 b 所示 FSK的特点 频率调制的电路简单 抗干扰能力强 但频带的利用率低 适用于传输速率较低的数字信号 5 两相相位调制PSK PSK phase shiftkeying 相位调制又称为 移相键控 用初始相位 0 0 表示数字 1 0 表示数字 0 绝对调相编码波形如图2 4 c 所示 PSK相对调相 其编码规则为用当前波形的初始相位 相对于 前一个波形 的初始相位的偏移值来表示数字信号 0 1 两相相对调相的编码波形如图2 4 d 所示 图2 4模拟数据信号的二相调制 编码 波形图 6 多相调相 多相调制的也有 相对调相 和 绝对调相 两种 多相调制的状态数n与每次传输的二进制比特位的数目m的关系如下 n 2mm 波形每变化一次传递的二进制数字的比特位数 n 波形的所有不同状态数目 例如 在图2 5所示的四相调相中 每次传递两个 m 2 比特位 共有4种 n 22 4 状态 四相调相 八相调相 16相调相中 各种相位的数据表示 参见表2 2 表2 3和表2 4 图2 5四相相位调制 绝对 波形图 表2 2 表2 3和表2 4 表2 24相调相的相位变化值表2 38相调相的相位变化值表2 416相调相的相位变化值总之 相位调制技术占用频带较窄 抗干扰性能好 2 3 3脉冲编码调制方法 1 脉冲编码调制概述脉冲编码调制 pulsecodemodulation PCM 是模拟数据信号数字化采用的主要方法 由于数字信号传输失真小 误码率低 数据传输速率高 因此 语音 图像等信息的数字化已经成为必然 但这是些信号必须数字化才能被计算机接收和处理 2 3 3脉冲编码调制方法 1 PCM的主要优点抗干扰能力强 失真小 传输特性稳定等特点 2 PCM典型的应用 语音数字化在现代电话交换网中 在发送端 先使用PCM技术将其转换为数字信号 再进行基带传输或信号交换 在接收端 再将数字信号还原为语音信号传递给终端的语音用户 在图2 6所示语音数字化过程中 在发送端通过 PCM编码器 将语音数据变换为数字化的语音信号 通过通信信道传送到接收方 接收方再通过 PCM解码器 还原成模拟语音信号 图2 6PCM脉冲编码调制应用示意图 2 3 3脉冲编码调制方法 2 PCM的工作原理脉冲编码调制包括三部分 采样 量化和编码 参见图2 7 1 采样PCM技术 每隔一定的时间间隔 都采集模拟信号的一个瞬时电平值做为样本 满足从采样样本中 重构原始信号的采样定理表达公式如下 Fs 1 Ts 2 Fmax或Fs 2 Bs 图2 7PCM的工作原理 2 3 3脉冲编码调制方法 2 量化量化是指将取样样本的幅度 按量化级决定采样样本的取值过程 3 编码编码就是是用一定位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级 当有L个量化级时 则二进制的位数为m log2L 如 PCM用于数字化语音系统时 将声音分为128个量化级 就采用7位二进制编码表示 再使用1个比特位进行差错控制 这样 采样速率8000样本 秒 因此 一路话音的数据传输速率为8 8000b s 64kb s 2 4数据传输方式 在进行数据传输时 有 并行传输 和 串行传输 两种方式 2 4 1并行传输 并行传输 是指二进制的数据流以成组的方式 在多个并行信道上同时传输的方式 如图2 7所示 计算机的并行端口常用于连接打印机 一个字符分为8位 每次并行传输8比特信号 并行传输的速率高 但传输线路和设备都需要增加若干倍 因此 一般适用于短距离 传输速度要求高的场合 图2 7并行数据传输方式 2 4 2串行传输 串行传输是指通信信号的数据流以串行方式 一位一位地在信道上传输 因此 从发送端到接收端只需一条传输线路 在串行传输方式下 虽然 传输速率只有并行传输的几分之一 如 图2 8中所示的1 8 因此 可以节省大量的传输介质与设备 为此 串行传输方式 大量用于远程传输的场合 图2 8串行数据传输 2 4 2串行传输 串行传输又有3种不同的方式 即单工通信 半双工通信和全双工通信 1 单工通信 single duplexcommunication双线制 在单工通信中 信号在信道中只能从发送端A传送到接收端B 因此 理论上应采用 单线制 而实际采用 双线制 在实际中 需要用两个通信信道 一个用来传送数据 一个传送控制信号 简称为 二线制 如图2 9所示 图2 9 单工 通信方式 2 4 2串行传输 2 半双工通信 half duplexcommunication 双线制 开关 在半双工通信中 允许数据信号有条件双向传输 但不能同时双向传输 理论上应采用 单线制 开关 而实际采用 双线制 开关 图2 10 半双工 通信方式 2 4 2串行传输 3 全双工通信 full duplexcommunication 四线制 全双工通信中 允许双方同时在两个方向进行数据传输 它相当于将两个方向相反的单工通信方式组合起来 因此 理论上应采用 双线制 而实际采用 四线制 如图2 11所示 全双工通信效率高 控制简单 但造价高 适用于计算机之间的通信 需要设置传通信方式的设备有网卡 声卡 图2 11 全双工 通信方式 2 5数据传输中的同步技术 同步技术需要解决的主要问题如下 何时开始发送数据 发送过程中双方的数据传输速率是否一致 持续时间的长短是多少 发送时间间隔的大小是多少 为了避免收端与发端的失步 收端与发端的动作必须采取严格的同步措施 2 5 1位同步 实现时钟信号位同步的技术有两种方法 1 外同步 采用单独的数据线传输时钟信号在传输的双方 采用单独同步线的方法就被称为 外同步 2 内同步 采用信号编码的方法传输时钟信号当数据传输距离较远时 为了降低投资 除数据传输线外 不再专门铺设专用的时钟传输线路 而采用在传输数据信号时 同时传递位同步信号的方法 这种方法就是 内同步 法 这种方法常用在基带局域网的数据传输中 2 5 2字符同步 在数据通信的过程中 我们将在同步过程中 采用的协调接收端与发送端收发动作的技术措施称为 字符同步 技术 在 异步传输 和 同步传输 技术中 分别采用了 起始位 停止位 和 起始同步字符 终止同步字符 两种字符同步方式 2 5 3异步传输与同步传输 1 异步传输方式 1 什么是异步传输方式 如图2 15所示 异步传输的特点是以一个个的字符为单位进行数据传输的 2 异步传输的工作特点 3 异步传输的应用特点 4 异步传输的应用场合异步传输方式适用于低速通信设备和低速 如10 1500字符 每秒 通信的场合 图2 15异步传输方式 2 5 3异步传输与同步传输 2 同步传输方式 1 什么是同步传输方式 在同步传输过程中 大的数据块是一起发送的 在数据块的前后使用一些特殊的字符作为成帧信息 图2 16同步传输方式 2 5 3异步传输与同步传输 2 同步传输的工作特点 3 同步传输的应用特点 4 同步传输的应用场合主要用在计算机与计算机之间的通信 智能终端与主机之间的通信 以及网络通信等高速数据通信的场合 2 6多路复用技术 2 6 1多路复用技术概述1 什么是多路复用技术 多路复用技术是指在同一传输介质上 同时 传送多路信号的技术 就是指在一条物理线路上 同时建立多条逻辑上的通信信道的技术 2 多路复用技术的实质和研究目的 1 研究多路复用技术的原因与目的 2 多路复用技术的实质与工作原理多路复用技术的实质就是共享物理信道 组成结构参见图2 16 图2 16多路复用技术的工作原理图 2 6多路复用技术 3 多路复用技术的分类1 频分多路复用 frequencydivisionmultiplexing FDM 2 时分多路复用 静态 timedivisionmultiplexing TDM 又称为 同步时分多路复用 2 6多路复用技术 3 波分多路复用 wavelengthdivisionmultiplexing WDM 4 异步时分多路复用 动态 asynchronoustimedivisionmultiplexing ATDM 又称为 统计时分多路多路复用 5 码分多址 codedivisionmultipleaccess CDMA 6 空分复用 spacedivisionmultiplexing SDM 2 6 2频分多路复用 1 工作原理FDM技术将物理信道按频率划分为多个逻辑上的子信道 每个子信道用来传送一路信号 如图2 17所示 图2 17FDM原理图 2 6 2频分多路复用 2 FDM逻辑信道与物理信道应用FDM技术时 其 物理信道 是指实际复用的真实信道 而 逻辑信道 是指划分出来的每个子信道 单个信道的带宽 Fi Fm Fg 多路复用系统的总带宽 F N Fi N Fm Fg 2 6 2频分多路复用 3 FDM应用条件FDM的应用条件是单个信号源所需的带宽大大小于物理信道总带宽 4 FDM的应用特点所有用户在同一个时刻 占用了不同的频带带宽资源 FDM适用于传输占用带宽较窄的 模拟信号 而不适合传输占用带宽很宽的 基带信号 2 6 3时分多路复用 1 工作原理示例 图2 18中 表示了A B C三个信号源 先将各路信号各自的传输速率都调整到28 8kb s 这样 在第一秒的第一个1 3秒的t1内 传输了A信号源的数据量9 6kb 在第二个1 3秒的t2内 传输了B信号源的数据量9 6kb 在最后一个1 3秒的t3内传输了C信号源的数据量9 6kb 接下来 传递A B C三个信号源在第2秒的数据 这就是TDM技术的应用 2 6 3时分多路复用 2 FDM逻辑信道与物理信道应用FDM技术时 其 物理信道 是指实际复用的真实信道 而 逻辑信道 是指从宏观上看的每个子信道 多路输入信号在不同的时隙内轮流 交替地使用物理信道进行传输 如图2 18所示 所有用户在不同的时间里 占用同样的频带宽度 即物理信道的整个带宽 图2 18时分多路复用 2 6 3时分多路复用 3 TDM应用条件TDM的应用条件是单个信号源所需的传输速率大大小于物理信道允许的传输速率 4 TDM应用特点TDM是分时使用物理信道 时分多路复用技术更加适用于传输占用信道带宽较宽的数字基带信号 所以TDM技术常用于基带网络中 2 6 4波分多路复用技术 WDM 对于使用光纤通道 FiberOpticchannel 的网络来说 波分多路复用技术 WDM WavelengthDivisionMultiplexing 是其适用的多路复用技术 实际上波分复用就是光的频分复用 WDM所用的技术原理 特点与前面介绍的FDM技术大致相同 WDM技术的工作原理如图2 19所示 在WDM技术中 是利用光学系统中的衍射光栅 来实现多路不同频率光波信号的合成与分解 图2 19波分多路复用 2 7广域网中的数据交换技术 在计算机的远程网络或广域网中 节点间的数据转接过程 统称为数据交换 switch 常用的交换技术有3种 2 7 1线路交换线路交换 circuitswitching 又称 电路交换 图2 20给出了两台计算机之间通过通信子网 进行 线路交换 的工作原理 1 线路交换技术的工作过程 线路交换的工作过程分为 线路建立阶段 数据传输阶段和线路拆除阶段等3个阶段 1 线路建立 2 数据传输 3 线路拆除 图2 20线路交换的工作原理 2 线路交换技术的应用特点 1 优点 传输延迟小 线路一旦接通 不会发生冲突 可靠性和实时响应能力都很好 2 缺点建立线路所需的时间较长 双方便独占线路 信道利用率低 无法发现并纠正传输过程中的错误 很难适应具有不同类型 规格 速率和编码格式的之间的通信 3 线路交换技术的应用场合 线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求强的场合 不适合传输突发性 间断型数字信号的计算机与计算机 计算机与终端之间的通信 2 7 2存储转发交换 1 存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别 拟发送的数据与目的地址 源地址 控制信息等一起组成一个数据单元 报文或报文分组 进入通信子网 作为通信子网交换节点的专用计算机 通信控制处理机 或路由器等 负责完成数据单元的接收 存储 差错校验 路径选择和转发工作 2 存储转发交换方式的应用特点 多个报文 或报文分组 可以共享通信信道 线路的利用率高 网络节点具有路经选择功能 可以平滑通信量 提高信通效率 网络节点具有差错检查和纠错功能 可以进行不同数据格式之间的变换 3 存储转发交换方式的分类 利用存储转发交换原理传送数据时 被传送的数据单元可以分为 报文 和 分组 两类 对应的交换方式可以分为报文交换 messageswitching 和分组交换 packetswitching 两类 无论哪种存储转发式交换 其工作原理 都是接收后 先存储 再寻径 最后 沿选择的路径 转发数据单元 报文或分组 1 报文交换 2 分组交换 分组交换又称为包交换 其工作原理如图2 21所示 图2 21分组交换的工作原理 2 8差错控制技术 1 什么是差错 我们把通过通信信道接收到的数据与原来发送的数据不一致的现象称为 传输差错 2 差错的分类与差错出现的可能原因 1 热噪声差错 热噪声差错 是指由传输介质的内部因素引起的差错 2 冲击噪声差错 冲击噪声差错 是指由外部因素引起的差错 3 无差错传输通常采用的两种控制技术 在差错控制技术中 通常包括 差错的检查 和 差错的纠正 两个主要内容 1 检错法 检错法与检错码 常用的检错码有 奇偶校验码 方块码和循环冗余码校验 CRC 码等 检错法的特点 通过 检错码 检错 通过 重传机制 达到纠正差错的检错法技术被广泛应用于计算机通信网络 无差错传输通常