数据通信基础与交换技术.ppt

第二章数据通信基础与交换技术 本章内容 数据通信的基本概念数据编码技术串行传输与并行传输数据同步技术多路复用技术数据交换方式差错检验和控制 重点 信道的复用方式数据编码数据交换奇偶校验法难点 数据编码 数据通信的基本概念中的重点 数字信号信道物理信道和逻辑信道比特率和波特率及其转换关系带宽 数据传输速率和信道容量及其关系难点 物理信道和逻辑信道带宽 数据传输速率和信道容量及其关系 2 1 数据通信的基本概念 2 1 1 信息 数据和信号一 信息 被传达的内容 本身是无形的 所以总是需要有个载体才能被传送 进而被识别 信息的载体 用来承载信息的事物 可以是数字 文字 语音 图形和图像等 在数字通信中一般用二进制数作为信息的载体 二 数据在数字通信中一般用二进制数作为信息的载体 这种承载着信息的二进制码就是我们所说的数据 三 信号 Signal 数据在传输过程中的电磁波表示形式 包括数字信号模拟信号 数字信号用二进制是一个个离散的数值来表达 模拟信号值是连续变化的 2 1 2 信道及信道的分类一 信道 Channel 及其组成信道是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 二 有线信道和无线信道有线信道由双绞线 同轴电缆 光缆等有形传输介质及设备组成 而无线信道由无线电 微波和红外线等无形传输介质及相关设备组成 无线信号以电磁波的形式在空间传播 三 物理信道和逻辑信道物理信道 实际存在的物理通路 由传输介质及有关通信设备组成 逻辑信道 同一物理信道上可以走过不只一路信号 此时每一路信号所占用的信道被称作逻辑信道 四 模拟信道和数字信道模拟信道中传输的是模拟信号 数字信道中传输的是离散方式的二进制数字脉冲信号 五 专用信道和公用信道专用信道又称专线 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 公用信道是一种公共交换信道 为大量用户提供服务的信道 因此又被称为公共交换信道 2 1 3 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 并在每一段上附加一些信息 这些附加信息通常是序号 地址及校验码等 在实际传输时 可能还要将数据单元分割成更小的逻辑数据单位 如数据帧 上述的报文 数据分组和数据帧等都是数据传输时数据单元的逻辑单位 2 1 4 通信系统的主要技术指标一 数据传输速率 比特率 和波形调制速率 波特率 比特率 S 单位时间内所传送的二进制代码的有效位 bit 数 例如 在0 001ms内传输了 1010001011 这样一段有效数据 那么该传输的比特率为 10 0 001ms 10M s 波特率一个数字信号 码元 可以包含几位二进制数 例如 可以用一个信号表示一位二进制数 0 采用较为复杂的调制技术时 可以在一个信号上携带 01 两位二进制数 甚至更多 波特率指每秒传输的有效码元个数 比特率和波特率之间用下列关系 其中 n为一个脉冲信号所表示的有效二进制数的位数 对于多相调制来说 n表示相的数目 在二相调制中 n 2 故S B 即比特率与波特率相等 四相调制中 n等于4 比特率和波特率之间的关系对照表 波特率 调制速率 和比特速率 数据传输速率 是两个最容易混淆的概念 但它们在数据通信中确很重要 两者的区别与联系 如图 二 带宽带宽是指物理信道的频带宽度 即信道内最高频率和最低频率之差 单位 赫兹 HZ 还常用千赫 kHZ 兆赫 MHZ 三 信道容量信道容量一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力 四 带宽 数据传输速率和信道容量的关系一般来讲 信道所处的频带越高 所包围的频率范围越大 则该信道的容量越大 传输速率越高 五 误码率误码率是指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率 又称为出错率 其定义式如下 式中 N为传输的二进制位的总数 Ne表示被传错的比特数 误码率Pe是数据通信系统的传输可靠性指标 采用差错控制技术的意义 根据测试 目前电话线路在300 2400bit s传输速率时的平均误码率为10E 4 10E 6 在2400 9600bit s传输速率时的平均误码率为l0E 9 10E 6 而计算机通信系统中对误码率的要求是10E 9 10E 6 即平均每传送1兆二进制位 才能错一位 2 2 数据编码技术 2 2 1 数据通信系统的组成与类型一 数据通信系统的组成信源系统 发送端 传输系统 传输网络 目的系统 接收端 重点 基带传输和频带传输的含义三种编码方式 非归零编码 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码 三种调制方式 幅度调制 频率调制 相位调制 难点 基带信号的含义 二 信源数据与传输信号的关系类型数字数据 数字信号传输 例如 10BASE T以太网 数字数据 模拟信号传输 例如 使用调制解调器上网 模拟数据 数字信号传输 例如 数字电视传输系统 模拟数据 模拟信号传输 例如 早期的电话传输系统 三 通信系统的类型模拟通信系统在数据通信系统中 如果传输网络传输的信号是模拟信号时 此传输系统就被称为模拟通信系统 优点 信道利用率高 缺点 抗干扰能力差 信号易失真 因此不适合计算机通信 另外计算机通信对平均误码率的要求是低于10E 8 而模拟通信系统很难实现 数字通信系统在数据通信系统中 当传输网络所传输的信号是数字信号时 此传输系统就被称为数字通信系统 例如 计算机之间的通信 数字电视和数字电话等 优点 抗干扰能力强 数字电路集成化和微型化 容易实现 缺点 信道利用率低 四 数据信道及其分类基带传输由计算机 终端等直接发出的信号都是二进制的数字信号 这些二进制信号是典型的矩形电脉冲信号 其频谱包含直流 低频和高频 从直流一直到无限高的频率 等多种成分 我们把数字信号频谱中 从直流 零频 开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带 或固有频带 简称为基带 为此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 在数据通信中 如果直接传输基带信号 则该信号几乎要占用整个频带 在大多数局域网 LAN 中 尤其是在传输距离不远的有线情况下 大都采用了基带传输方式 其特点如下 优点 速率高 误码率低 缺点 占用的频带宽 不利于远程 频带传输频带传输又称调制传输 是将基带信号调制到一定的频率 频率搬移 后再经过传输介质进行传输 2 2 2 基带传输与数字信号编码在基带传输中 用不同电压极性或电平值的信号来代表数字数据0和1的过程 就称为数字基带信号的编码 其反过程称为解码 一 非归零编码用负电压代表逻辑0 用正电压代表逻辑1 当然也可以有其他的表示方法 非归零编码的优点是简单 容易实现 缺点是接收方和发送方无法保持同步 为了保证收 发双方同步 必须在发送NRZ码的同时 用另一个信道同时发送同步时钟信号 二 曼彻斯特编码 Manchester 由低电平跳变到高电平时 就表示数字信号1 每位由高电平跳变到低电平时 就表示数字信号0 曼彻斯特编码中的中间电平跳跃 既代表数字信号的取值 也作为自带的时钟信号 因此 无需专门传递同步信号的线路 因此成本低 另外 降低了直流分量 三 差分曼彻斯特编码每个时钟周期的中间都有一次电平跳变 这个跳变做同步之用 在每个时钟周期的起始处 跳边则说明该比特是0 不跳变则说明该比特是1 优点 收发双方可以根据编码自带的时钟信号来保持同步 无需专门传递同步信号的线路 因此成本低 缺点 实现技术复杂 四 频带传输与数字信号的调制在远距离通信的一些信道中 尤其是电话信道 无线信道和光信道中 数字基带信号必须经过调制才能传输 在频带传输中 将发送端的数字信号转换成模拟信号的过程称为调制 相应的调制设备称为调制器 在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程称为解调 相应的设备称为解调器 同时具备调制和解调功能的设备称为调制解调器 Modem 载波信号可以表示为 u t A t sin t 其中 振幅A 角频率 相位 是载波信号的3个可变参量 它们是正弦波的控制参数 也称为调制参数 幅度调制 Amplitude shiftKeying ASK 频率调制 Frequency ShiftKeying FSK 相位调制 Phase ShiftKeying PSK 调制解调器调制解调器的常见分类方式如下 1 按连接方式分类 外置式调制解调器 又分为有线和无线两种 内置式调制解调器 又分为有线和无线两种 2 按传送的数据速率分类 低速调制解调器 传输速率在1 2kbps以下 中速调制解调器 传输速率为1 2k 9 6kbpS 高速调制解调器 传输速率在9 6kbps以上 3 按使用的通信线路分类 拨号调制解调器 主要用于公用电话网 通过电话线路远程传输数据 专线调制解调器 主要用于专用线路或租用线路的远程传输数据 它的数据传输率通常比拨号Modem要高 4 按调制解调器的数据传输方式分类 异步调制解调器 同步调制解调器 5 按调制解调器的调制原理分类 频移键控调制解调器 相移键控调制解调器 混合式调制解调器 调制解调器的标准 1 V 21标准 针对300bit s的全双工FSK调制解调器 2 V 22标准 针对600bit s和1200bit s的全双工4 PSK调制解调器 3 V 22biS标准 针对1200bit s和2400bit s全双工16 QAM 4 DPSK调制解调器的 4 V32biS标准 针对7200bit s 12000bit s和14400bit s全双工64 QAM调制解调器的 5 V 33标准 针对7200bit s 12000bit s和14400bit s全双工128 QAM调制解调器的 6 V 34标准 针对28800 33600bitis全双14096 QAM调制解调器的 7 V 42biS标准 针对高于14400bit s的带有数据压缩和差错检测功能的全双工调制解调器的 2 3 串行传输与并行传输 并行传输常用的并行方式是将构成一个字符的代码的若干位分别通过同样多的并行信道同时传输 例如计算机的并行口常用于连接打印机 一个字符分为8位 因此每次并行传输8比特信号 重点 串行传输的三种方式 串行传输并行传输的速率高 但传输线路和设备都需要增加若干倍 一般适用于短距离 要求传输速度高的场合 串行传输速率虽然低 但可以节省设备 因而是当前计算机网络中普遍采用的传输方式 一 单工通信 双线制 在单工通信中 数据信号固定地从发送端人传送到接收端B 因此 又叫单向通信 二 半双工通信 双线制 开关 在半双工通信中 允许数据信号双向传送 但不能同时进行 因此又被称为双向交替通信 这种方式要求A B端都有发送装置和接收装置 若想改变信息的传输方向 需要利用开关进行切换 例如 无线电对讲机 三 全双工通信 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 因此也被称为双向同时通信 它相当于将两个方向相反的单工通信方式组合起来 因此 一般采用四线制 全双工通信效率高 造价也高 一般用于计算机之间的通信 2 4 数据同步技术 位同步对于同一数字信号 所基于的时钟频率不同时 代表的二进制代码也不同 位同步解决的是收发双方的时钟频率一致性的问题 2 5 多路复用技术 2 5 1 多路复用技术概述目的 提高线路利用率多路复用技术的实质 信道共享 重点 多路复用的几种方法频分多路复用难点 频分多路复用 2 5 2 频分多路复用通过调制技术将多路信号分别调制到各自不同的正弦载波频率上 并在各自的频段范围内进行传输 被传送到接收端 最后 再由解调器恢复成原来的波形 单个信道的带宽 Fi Fm Fg 2 5 3 时分多路复用 TDM TDM技术适用于整个物理信道允许的传输速率比每路信号所需的传输速率大许多的场合 因此 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技术常用于基带局域网中 2 5 3 波分多路复用技术对于使用光纤通道 FiberOpticChannel 的网络来说 波分多路复用技术将是其最合适的多路复用技术 实际上 波分多路复用技术的工作原理与前面介绍的频分多路复用技术的大致相同 WDM技术的工作原理通过光纤1和光纤2传输的两束光的频率是不同的 它们的波长分别为w1和w2 当这两束光进人光栅 或棱镜 后 经处理 合成后 就可以使用一条共享光纤进行传输 合成光束到达目的地后 经过接收方光栅的处理 重新分离为两束光 并通过光纤3和光纤4传送给用户 2 6 数据交换技术 在通信子网中 从一台主机到另一台主机传送数据时 可能会经历由多个节点组成的路径 通常将数据在通信子网中节点间的数据传输过程统称为数据交换 Switch 其对应的技术为数据交换技术 数据交换技术可分为以下两大类 1 电路交换 CircuitSwitching 技术 2 存储转发交换 Store and ForwardSwitching 技术 它又分为报文交换技术和分组交换技术两种 2 6 1 电路交换一 电路交换的工作原理电路交换最典型的例子就是电话通信 100多年来 经过了多次改革和更新 已经从电话交换机的人工转接 发展到了现代程控交换机的自动转接 然而 它们使用的交换方式却始终未变 这就是通过交换机实现电路的转接 电话机A和B之间的通路共经过了四个交换机 而电话机C和D是属于同一个交换机的地理覆盖范围中的用户 因此这两个电话机之间建立的连接就不需要再经过其他的交换机 应当注意的是 在通话的全部时间内 通话的两个用户始终占用端到端的固定传输带宽 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电路连接 然后 双方使用这条端到端的电路进行数据传输 电话通信系统就是这种工作方式 电路交换的通信过程可以分为电路建立阶段 数据传输阶段和拆除电路连接三个过程 二 电路交换的三个过程电路建立数据传输电路拆除 电路建立主机HA要与主机HB连接 典型的做法是 主机HA站先向与其相连的A结点提出请求 然后A结点在通向D结点的路径中找到下一个支路 比如A结点选择经B结点的电路 在此电路上分配一个未用的通道 并告诉B它还要连接D结点 B结点选择C结点 C结点再呼叫D结点 建立电路BCD 最后 结点D完成到主机HB的连接 数据传输 电路ABCD建立以后 数据就可以从A发送到B B发送到C B发送到C 再由C交换到D D也可以经C向B 在由B向A发送数据 在整个数据传输过程中 所建立的电路必须始终保持连接状态 电路拆除 数据传输结束后 由某一方 A或D 发出拆除请求 然后逐节拆除到对方节点 电路交换技术的特点两个节点的电路接通 然后才能通信 双方通信的内容不受交换机的约束 即传输信息的符号 编码 格式以及通信控制规程等均随用户的需要决定 电路交换的外部表现是通信双方一旦接通 便独占一条实际的物理线路 电路交换的实质是在交换设备内部 由硬件开关接通输入线与输出线 三 电路交换的特点优点传输延迟小 惟一的延迟是电磁信号的传播时间 线路一旦接通 不会发生冲突 对于占用信道的用户来说 数据以固定的速率进行传输 可靠性和实时响应能力都很好 适用于交互式会话类通信 缺点电路交换建立线路所需的时间较长 线路的利用率低 电路交换系统不具备差错控制的能力 达不到计算机通信系统要求的指标 电路交换不具有数据存储能力 不能改变数据的内容 因此 很难适应具有不同类型 规格 速率和编码格式的计算机之间 或计算机与计算机终端之间的通信 系统不具有存储数据的能力 因此不能自动调整和均衡通信流量 电路交换适的场合高负荷的持续通信和实时性要求强的场合 尤其适用于会话式 语音 图像等交互式通信类 而不适合传输突发性 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 6 2 存储转发交换一 存储转发交换与电路交换的区别拟发送的数据与目的地址 源地址 控制信息等一起 按照一定的格式组成一个数据单元 报文 报文分组或数据帧等 进入通信子网 作为通信子网节点的通信控制处理机 CCP 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 二 存储转发交换的特点线路的利用率高选择最佳传输路径提高通信效率提高可靠性适用于不同速率和格式的系统之间的通信 三 存储转发交换的分类报文交换 MessageSwitching 分组交换 PacketSwitching 报文交换一 报文交换原理报文交换方式的数据传输单位是报文 报文就是站点一次性要发送的数据块 其长度不限且可变 当一个站要发送报文时 它将一个目的地址附加到报文 网络节点根据报文上的目的地址信息 把报文发送到下一个节点 一直逐个节点地转送到目的节点 每个节点在收到整个报文并检查无误后 就暂存这个报文 然后利用路由信息找出下一个节点的地址 再把整个报文传送给下一个节点 因此 端与端之间无需先通过呼叫建立连接 二 报文交换的特点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 在交换节点中需要缓冲存储 报文需要排队 故报文交换不能满足实时通信的要求 优点电路利用率高 承载量大报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地 报文交换网络可以进行速度和代码的转换 缺点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 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 2 6 4 分组交换一 分组交换的工作原理 二 分组交换的特点优点速度快效率高可靠性高转发延时小缺点实现技术难度高 三 虚电路方式在虚电路方式中 为进行数据传输 网络的源节点和目的节点之间先建立一条逻辑通路 一个站都能和另一站建立多个虚电路 两个端点之间的多条虚电路可以为不同的进程服务 这些虚电路的实际路由可能相同 也可能不同 一个站也能与多个站建立虚电路 主机HA和主机HB可以在已建立的逻辑连接上或者说在虚电路上交换数据 这个分组除了包含数据之外还得包含一个标识符 在预先建立好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去 不再需要路径选择判定 虚电路方式与电路交换方式类似 即整个通信过程分为虚电路建立 数据传输和虚电路释放三个过程 特点在分组发送之前 需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路 一次通信的所有数据分组都通过这条虚电路顺序传送 因此报文分组不必携带目的地址 源地址等辅助信息 数据分组到达目的节点时 也不会出现丢失 重复与乱序的现象 通信于网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接 提高了线路的利用率 四 数据报方式在数据报方式中 每个分组的传送是被单独自理的 每个分组被称为一个数据报 每个数据报自身携带足够的地址信息 一个节点接收到数据报原样地发送到下节点 特点优点数据报是分组存储交换的一种形式 面向非连接的 在数据报方式的分组传送之前 无需在源主机与目的主机之间先建立起连接 CCP对每个数据分组选择路径 因此同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网 缺点同一报文的不同分组到达目的节点时 可能出现乱序 重复或丢失现象 每一个报文在传输过程中都会携带源节点地址和目的节点地址 使用数据报方式时 数据报文传输延迟较大 适用于突发性通信 不适用于长报文 会话式通信 2 6 5 交换技术的比较电路交换 在数据传送之前必须先设置一条的通路 在线路释放之前 该通路将由一对用户独占 适用于高负荷的持续通信和实时性要求强的场合 尤其适用于会话式 语音 图像等交互式通信类报文交换 在实际应用中报文交换主要用于传输报文较短 实时性要求较低的通信业务 如公用电报网分组交换 在数据报分组交换中 目的地需要重新组装报文 在虚电路分组交换中 在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路 分组交换技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技术 2 7 差错控制技术 数据在传输与接收的过程中发生传输差错是不可避免的 解决这个问题的技术称为差错控制技术 通常差错控制技术包括两个主要内容 差错的检查差错的纠正 重点 奇偶校验法差错控制机制难点 循环冗余校验法 差错的分类与差错出现的可能原因热噪声差错由内部因素引起频谱很宽产生随机差错冲击噪声差错由外部因素引起幅度大持续时间较长产生突发差错 两种差错控制技术检错法在发送方的数据中增加一些用于检查差错的附加位 用于有反馈的传输机制中 实现方法简单 速度快纠错法在待发送数据中增加足够多的附加位 从而使得接收方能够准确地检测到差错 并且可以自动地纠正差错 用于无反馈信息的传输机制中 如汉明码 2 7 2 奇偶校验在偶校验时 必须保证传输字符代码中 l 的个数为偶数个 1011001 0 1011001 1 偶校验 奇校验 奇偶检验虽然简单 但并不是一种安全的差错控制方法 一般 在低速传输时 出错概率较低 效果还可以令人满意 而当传输数据速率很高时 差错检验的结果很可能是错误的 因此 在通过普通电话线和Modem与ISP Internet服务提供者 进行低速连接时 常采用奇偶校验法 而在进行高速数据传输时 则需要采用以下更复杂的差错控制技术 2 7 3 方块校验 2 7 4 循环冗余校验目前 最精确和最常用的差错控制技术是循环冗余校验 CyclicRedundancyCheck CRC CRC是一种较