第二章节数据通信的基础知识.ppt

第2章数据通信的基础知识 本章要点l信息 数据和信号的概念l数据通信的技术指标l数据传输的同步技术l数据的编码和调制技术l数据交换技术l传输媒体的类型与特点l信道复用技术l差错控制技术本章难点l数据的编码和调制技术l差错控制技术 2 1基本概念 2 1 1信息 数据和信号数据 可定义为有意义的实体 可以以多种形式存在 计算机中的数据一般指具有一定含义的数值 文字 声音 图形 图像和动画等 数据可分为模拟数据和数字数据两大类 模拟数据 模拟数据是在某个区间内连续变化的值 数字数据 数字数据是离散的值 信息 信息是数据的内含 数据是信息的载体 信息需要通过数据表示出来 信号的两种类型 模拟信号波型 数字信号波型 信号 信源 信宿 信号 信号是数据的电 磁 光形式的编码 信源 信源是指在通信的过程中产生和发送信号的设备或计算机 信宿 信宿是指在通信的过程中接收和处理信息的设备或计算机 信道 信道 信道是指信源和信宿之间的传输线路和传输设备 信道可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 它由传输介质及有关通信设备组成 逻辑信道也是网络上的一种通路 在信号的接收和发送之间不仅存在一条物理上的传输介质 而且在此物理信道的基础上 还可以存在着多条逻辑信道 同一物理信道上可以提供多条逻辑信道 而每一逻辑信道上只允许一路信号通过 2 1 2数据通信系统的基本结构 图2 1典型计算机通信系统 2 1 3通信信道的分类 1 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 它由传输介质及有关通信设备组成 同一物理信道上可以提供多条逻辑信道 而每一逻辑信道上只允许一路信号通过 2 有线信道和无线信道 根据传输介质是否有形 物理信道可以分为有线信道和无线信道 有线信道包括电话线 双绞线 同轴电缆 光缆等有形传输介质 无线信道包括无线电 微波 卫星通信信道 激光和红外线等无形传输介质 3 模拟信道和数字信道 按照信道中传输数据信号类型的不同来分 物理信道又可以分为模拟信道和数字信道 模拟信道中传输的是模拟信号 而在数字信道中直接传输的是二进制数字脉冲信号 模拟信道只能传输模拟信号 数字信道只能传输数字信号 4 专用信道和公共交换信道 按照信道的使用方式来分 又可以分为专用信道和公共交换信道 专用信道又称专线 这是一种连接用户之间设备的固定线路 它可以是自行架设的专门线路 也可以是向电信部门租用的专线 专用线路一般用在距离较短或数据传输量较大的场合 公共交换信道是一种通过公共交换机转接 为大量用户提供服务的信道 顾名思义 采用公共交换信道时 用户与用户之间的通信 通过公共交换机到交换机之间的线路转接 公共电话交换网就属于公共交换信道 2 1 4数据通信的技术指标 1 数据传输速率S 比特率 单位时间内所传送的二进制代码的有效位 bit 数 S用每秒比特数 bit s或bps 2 信号传输速率B 波特率 指在有效带宽上 单位时间内所传送的波形单元数 一个波形单元也称为一个码元 信号传输速率也叫码元速率 信号传输速率的单位为波特 Baud 比特率 与波特率 的关系 log2 为一个码元所取的有效离散值的个数 也称为调制电平数 一般取 的整数次方值 若一个码元仅可取0和1两种离散值 即 为 如图2 2 则一个码元只能携带一位 一个bit 二进制数据 0或1 此时 若一个码元仅可取00 01 10 11四种离散值 即 为 如图2 3 则一个码元就可携带二位 二个bit 二进制数据 00 01 10或11 此时 log2 即 以此类推 若一个码元可取000 001 010 011 100 110 111八种离散值 即 为 则一个码元可携带三位二进制数据 此时 log2 即 比特率 与波特率 的关系 3 带宽F 带宽是指物理信道的频带宽度 即信道允许的最高频率和最低频率之差 单位为赫兹 Hz 通常所说的带宽是指有效带宽 有效带宽是指单位大小的信号通过信道时 幅度衰减至原信号的根号 分之 即0 707 倍时 最高频率和最低频率之差 带宽F 信道允许的最高频率和最低频率之差 单位为赫兹 Hz 4 信道容量C 信道容量一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力 它表征一个信道传输数据的能力 单位也用位 秒 bit s 表示奈奎斯特 Nyquist 首先给出了无噪声情况下码元速率的极限值与信道带宽的关系 max 2 F单位 Baud 由此可推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公式为 max 2F log2N单位 bps 香农定理 香农 Shannon 则进一步研究了受随机噪声干扰的信道的情况 如果信号值与噪声值的比值 信噪比 用S N表示 则信道容量为 Cmax F log2 1 S N 单位 bit s F 信道带宽 单位为赫兹 Hz S N 信噪比 无单位 S 信道上所传信号的平均功率 单位为瓦特 N 信道内部的噪声功率 单位为瓦特 在实际应用中信噪比 可测量得到 常用下列公式表示 S N信噪比 db 10 lg S N 单位 分贝 dB 例如 信噪比为30dB 带宽为3kHz的信道 求信道容量 首先 根据30 10 lg S N 求出S N 1000 结果代入公式C F log2 1 S N 求出C约为30kbps 5 误码率Pe 二进制码元在数据传输中被传错的概率 因此 也称为 出错率 设传输的二进制数据总数为 位 其中出错的位数为 e位 则误码率表示为 e Ne N其中 N为传输的二进制比特总数 Ne为被传错的比特数 e 10 6 6 吞吐量 单位时间的数据平均的流入量或流出量就叫吞吐量 平均数据的流入量应等于平均数据的流出量 不相等则出现阻塞现象 7 网络负荷量 网络负荷量是指单位面积中数据在网络中的分布量 即数据在网络中分布密度 2 2数据的传输 2 2 1串 并行通信1 串行传输串行传输是一位一位地传送 从发送端到接收端只要一根传输线 串行传输 图2 5串行数据传输 2 并行传输 并行传输的速率高 并行传输可以一次同时传输若干比特的数据 从发送端到接收端的信道需要用相应的若干根传输线 并行传输 图2 6并行数据传输 2 2 2信道的通信方式 串行数据通信又有3种不同方式 即单工通信 半双工通信和全双工通信 3种串行数据通信方式 2 2 3信号的传输方式 根据传输的信号是数字信号还是模拟信号可将传输方式分为基带传输和频带传输 根据信号传输时的同步方式的不同又可将传输方式分为异步传输和同步传输 1 基带传输与频带传输 数字信号也被称为 数字基带信号 简称为 基带信号 如果在线路上直接传输基带信号 就称为 数字信号基带传输 简称为 基带传输 利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为 频带传输 2 异步传输与同步传输 同步是指接收端如何从一串串的比特流中区别出那里是数据单元的开始和那里是数据单元的结束 在被传送的字符前后加起止位 实现定时的传输方式 被称为异步传输方式 也称起止式 2 2 4数据传输的同步技术 同步 接收端按照发送端所发送的每个码元的重复频率及起止时间来接收数据 在接收过程中还要不断校准时间和频率 这一过程称为同步过程 同步方法有位同步法和群同步法两种 1 位同步法 要使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步 通常就叫同步传输 实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种 在外同步法中 接收端的同步信号事先由发送端送来 而不是自己产生也不是从信号中提取出来 即在发送数据之前 发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲 接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率 以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步 自同步法是指能从数据信号波形中提取同步信号的方法 自带同步时钟的编码 图2 8曼彻斯特编码 2 群同步法 异步传输 群 实际上就是指由若干比特组成的一个字符 在每个字符前后冠以起始位 终止位 从而组成了一个字符序列 群同步是靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的 群同步实际上就是异步传输 群同步法 异步传输 图2 9群同步的字符格式 2 3数据的编码和调制技术 编码 解码 数据的编码 就是将数据转换成信号或将一种数据形式转换为另一种数据形式的过程 解码 就是将信号还原成数据或将数据形式还原的过程 而调制和解调是最常用的一种编码与解码方法 2 3 1数字数据的模拟信号编码 数字数据调制的三种基本形式 移幅键控法ASK 移频键控法FSK 移相键控法PSK 在调制过程中 选择音频范围内的某一角频率 的正 余 弦信号作为载波 该正 余 弦信号可以写为 u t um sin t 0 三种调制法是对三个参数的控制3个可以改变的电参量 振幅um 角频率 相位 可以通过变化3个电参量 来实现模拟数据信号编码的目的 1 振幅键控 amplitudeshiftkeying ASK um sin 1t 0 数字1u t 0数字0振幅键控ASK信号实现容易 技术简单 但抗干扰能力较差 2 移频键控 frequency shiftkeying FSK um sin 1t 0 数字1u t um sin 2t 0 数字0移频键控FSK信号实现容易 技术简单 抗干扰能力较强 是目前最常用的调制方法之一 3 移相键控 phase shiftkeying PSK 绝对调相um sin t 0 数字1u t um sin t 数字0移相键控可以分为 绝对调相相对调相二相调相多相调相 三种调制法 数字信号在模拟信道上传输 图2 10远程系统中的调制解调器 2 3 2数字数据的数字信号编码 数字数据可转换为数字信号直接采用基带传输 基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲 在基带传输数字数据信号的编码方式主要有 非归零码NRZ 曼彻斯特 manchester 编码 差分曼彻斯特 differencemanchester 编码 数字数据编码信号的波形 2 3 3模拟数据的数字信号编码 对模拟数据进行数字信号编码的最常用方法是脉码调制PCM PulseCodeModulation 它常用于对声音数据进行编码 脉码调制PCM是以采样定理为基础的 取样定理 只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍 就可以从取样的脉冲信号中无失真地恢复出原来的电话信号 Fs 1 Ts 2Fmax或Fs 2Bs脉码调制PCM的三步骤 如图2 13所示 1 采样 以采样频率Fs把模拟信号的值采出 2 量化 使连续模拟信号变为时间轴上的离散值 3 编码 将离散值变成一定位数的二进制数码 2 4数据交换技术 网络中所有设备都直接两两相连是不现实的 通常要经过中间节点将数据从信源逐点传送到信宿 从而实现两个互连设备之间的通信 数据经编码后在通信线路上进行传输 按数据传送技术划分 交换网络又可分为电路交换网 报文交换网和分组交换网 交换 从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 2 4 1电路交换 1 电路交换定义电路交换也叫线路交换 在电路交换和转接过程中 通信的双方首先必须通过网络节点建立起专用的通信信道 也就是在两个网络节点之间建立起实际的物理线路连接 然后 双方使用这条端到端的线路进行数据传输 电话通信系统就是这种工作方式 电路交换必须经历电路建立阶段 数据传输阶段和拆除电路连接3个阶段 2 电路交换的特点 1 数据传输可靠 迅速 数据不会丢失且保持原来的序列 2 在某些情况下 电路空闲时的信道容易被浪费 在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失 因此 它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况 3 在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路 在线路释放之前 该通路由一对用户完全占用 对于猝发式的通信 电路交换效率不高 2 4 2报文交换 1 报文交换的定义报文 要发送的数据块 无论尺寸的大小 加上目的地址 源地址与控制信息作为一个整体 按一定格式打包组成为报文 message 报文交换方式传输的单位是报文 在报文交换方式中 不需要在两个站之间建立一条专用通路 如果一个站想要发送一个报文给另一站 它只要把一个目的地址附加在报文上 然后发送整个报文即可 报文从发送站到接收站 中间要经过多个节点 在这每个中间节点中 都要接收整个报文 暂存这个报文 然后转发到下一个节点 在报文交换 messageswitching 方式中 两个节点之间无需建立专用通道 报文交换技术是一种存储转发 store and forward 技术 1 报文交换的特点 1 报文从源点传送到目的地采用 存储 转发 方式 在传送报文时 一个时刻仅占用一段通道 2 电路利用率高 由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道 所以对于同样的通信量来说 对电路的传输能力要求较低 3 在电路交换网络上 当通信量变得很大时 就不能接受新的呼叫 而在报文交换网络上 通信量大时仍然可以接收报文 不过传送延迟会增加 4 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地 而电路交换网络很难做到这一点 5 报文交换网络可以进行速度和代码的转换 6 不能满足实时或交互式的通信要求 报文经过网络的延迟时间长且不定 7 有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时 就不得不丢弃报文 而且发出的报文不按顺序到达目的地 2 4 3分组交换 1 什么是分组交换 分组交换又叫报文分组交换 报文分组交换原理是把一个要传送的报文分成若干段 每一段都作为报文分组的数据部分 再加上地址 分组编号 校验码等传输控制信息构成一个分组 由于报文分组交换允许每个报文分组走不同的路径 到达终点以后 再将它们重新组装成完整的报文 报文分组交换试图综合报文交换和线路交换的优点 分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种 2 虚电路分组交换的特点 网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路 在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路 但并不像电路交换那样有一条专用通路 分组在每个节点上仍然需要缓冲 并在线路上进行排队等待输出 3 数据报分组交换的特点 在数据报分组交换中 每个分组的传送是被单独处理的 每个分组称为一个数据报 每个数据报自身携带足够的地址信息 一个节点收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息 找出一个合适的出路 把数据报原样地发送到下一节点 由于各数据报所走的路径不一定相同 因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地 有的数据报甚至会中途丢失 整个过程中 没有虚电路建立 但要为每个数据报做路由选择 虚电路分组交换和数据报分组 图2 14分组交换 2 4 4高速交换技术 1 帧中继 帧中继是八十年代初发展起来的一种数据通信技术 其英文名为FrameRelay 简称FR 它是从X 25分组通信技术演变而来的 在数字线路上使用的一种通信技术 帧中继网络提供的基本业务有 永久虚电路 PVC 和交换虚电路 SVC 永久虚电路 PVC 永久虚电路 PVC 是指在FR终端用户之间建立固定的虚电路连接 其端点和业务类别由网络管理定义 用户不可自行更改 交换虚电路 SVC 是指两个FR终端用户之间通过虚呼叫建立虚电路连接传送服务 传送结束后清除连接 2 ATM ATM是一种传输模式 在这一模式中 信息被组织成信元 因包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现 这种传输模式是异步的 ATM信元是固定长度的分组 共有 个字节 分为 个部分 前面 个字节为信头 主要完成寻址的功能 后面的4 个字节为信息段 用来装载来自不同用户 不同业务的信息 ATM的一个明显缺点就是信元首部的开销太大 ATM的协议参考模型 1 物理层 物理层又分为两个子层 靠下面的是物理媒体相关 PhysicalMediumDependent 子层 即PMD子层 PMD子层的上面是传输汇聚 TransmissionConvergence 子层 即TC子层 1 PMD子层 2 TC子层 2 ATM层 ATM层的功能是 1 信元的复用与分用 2 信元的VPI VCI转换 就是将一个入信元的VPI VCI转换成新的数值 3 信元首部的产生与提取 4 一般的流量控制 3 ATM适配层 ATM适配层记为AAL ATMAdaptationLayer 其作用是增强ATM层所提供的服务 并向上面高层提供各种不同的服务 ITU T的I 362规定了AAL向上提供的服务是 1 将用户的应用数据单元ADU划分为信元或将信元重装成为应用数据单元ADU 2 对比特差错进行监控和处理 3 处理丢失和错误交付的信元 4 流量控制和定时控制 ATM网络可向用户提供四种类别 class 的服务 ITU T规定了ATM网络可向用户提供四种类别 class 的服务 从A类到D类 服务类别的划分是根据 比特率是固定的还是可变的 源站和目的站的定时是否需要同步 是面向连接还是无连接 ATM网络可向用户提供四种类别 class 的服务 3 光交换技术 自学 了解 2 5信道复用技术 信道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 多路复用技术也就是在一条物理信道上建立多条逻辑通信信道的技术 常用的多路复用技术 频分多路复用 FDM FrequencyDivisionMultiplexing 时分多路复用 TDM TimeDivisionMultiplexing 波分多路复用 WDM WavelengthDivisionMultiplexing 码分多路复用 CDMA 和空分多路复用 SDM SpaceDivisionMultiplexing 动态时分多路复用 2 5 1频分多路复用 FDM 当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时 可以把多个信号调制在不同的载波频率上 从而在同一介质上实现同时传送多路信号 2 5 2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 2 5 3波分多路复用 WDM 波分复用就是不同波长的光载波同在一根光纤上传输 它的本质就是光纤上频分复用技术 每个通路通过的频域的分割实现 每个通路占用一段光纤的带宽 2 5 4码分多路复用 CDM 码分多路复用 CDM 又叫码分多址 CDMA 这种技术多用于移动通信 不同的移动台 或手机 可以使用同一个频率 但是每个移动台 或手机 都被分配带有一个独特的 码序列 该序列码与所有别的 码序列 都不相同 所以各个用户相互之间也没有干扰 2 5 5空分多路复用 SDM 空分多路复用 SDM 也叫空分多址 SDMA 这种技术是利用空间分割构成不同的信道 举例来说 在一颗卫星上使用多个天线 各个天线的波束射向地球表面的不同区域 地面上不同地区的地球站 它们在同一时间 即使使用相同的频率进行工作 它们之间也不会形成干扰 2 6传输媒体的类型与特点 传输媒体是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路 计算机网络中采用的传输媒体分有线和无线两大类 2 6 1传输媒体的特性 1 物理特性 说明传输媒体的材质特性 2 传输特性 包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送 调制技术 传输容量及传输频率范围 3 连通性 采用点到点连接还是多点连接 4 地理范围 在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下 整个网络所允许的最大距离 5 抗干扰性 防止噪音 电磁干扰对传输数据影响的能力 6 相对价格 包括元件 安装和维护等价格 2 6 2双绞线 在局域网中常用到的双绞线是非屏蔽双绞线 UTP 它又分 3类 4类 5类 超5类 6类和7类 双绞线分为屏蔽双绞线 STP 和非屏蔽双绞线 UTP 直连线与交连线 2 17双绞线的使用 2 6 3同轴电缆 图2 18同轴电缆的结构 二种同轴电缆 基带同轴电缆 50 的电缆 只用于数字信号发送 称为基带同轴电缆 宽带同轴电缆 用于频分多路复用FDM的模拟信号发送 阻抗为75 的电缆 称为宽带同轴电缆 2 6 4光纤 光纤是一种细小 柔韧的并能传输光信号的介质 一根光缆中包含有多条光纤 图2 19四芯光缆剖面示意图 光纤的波长 在光纤传输中 有光表示1 无光表示0 光纤有单模 多模之分 按波长范围可分为三种 0 85um波长 0 8 0 9um 1 3um波长 1 25 1 35um 和1 55um波长区 1 53 1 58um 不同的波长范围光纤损耗特性也不同 其中0 85um波长区为多模光纤通信方式 1 55um波长区为单模光纤通信方式 1 3um波长区有多模和单模两种方式 单模 多模光纤的传输 2 6 5无线传输媒体 无线电短波通信 电离层反射传播到地面上其他很远的地方 微波通信 微波在空间主要是直线传播 并且能穿透电离层进入宇宙空间 微波通信主要有两种方式 地面微波接力通信和卫星通信 红外线和激光 红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间沿直线进行传播 卫星通信 卫星通信就是利用位于3万6千公里高空的人造地球同步卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信 卫星通信的特点 传播时延与两个站点的距离无关 是固定的 270ms 2 7差错控制技术 差错控制就是要在数据通信过程中能发现或纠正差错差错 接受端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致 从而造成由 0 变成 1 或由 1 变成 0 的差错 2 7 1差错控制技术概述 差错产生的原因 噪声有两大类 一类是信道固有的 持续存在的随机热噪声 另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声热噪声引起的差错称为随机差错 冲击噪声呈突发状 由其引起的差错称为突发错 差错的控制方法 差错控制编码 数据信息位在向信道发送之前 先按照某种关系附加上一定的冗余位 构成一个码字后再发送 这个过程称为差错控制编码过程 检验过程 接收端收到该码字后 检查信息位和附加的冗余位之间的关系 以检查传输过程中是否有差错发生 这个过程称为检验过程 检错码和纠错码 差错控制编码可分为检错码和纠错码纠错码 海明纠错码 正反纠错码检错码 检查到错误的发生 差错控制方法 一类是自动请求重发ARQ 另一类是前向纠错FEC 在ARQ方式中 当接收端发现差错时 就设法通知发送端重发 直到收到正确的码字为止 ARQ方式只使用检错码