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1 通信基础 第二篇 2 第二章通信基础 2 1数据 信号 信息2 2模拟 数字 信道 模拟 数字 通信2 3数据编码技术2 4数据通信的主要技术指标2 5数据的通信方式2 6同步方式2 7多路复用技术2 8数据交换技术2 9OSI模型 3 2 1数据 信号 信息 1 数据 是信息的实体模拟数据 反映的是连续的值 如声音 视频 温度 压力等 数字数据 反映的是离散的值 如整数 ASCII文本等 2 信号 是数据的电磁编码模拟信号 连续变化的电信号数字信号 离散变化的电信号3信息 是数据的具体含义 4 2 1数据 信号 信息 模拟信号 数字信号 5 2 2模拟 数字 信道 模拟 数字 通信 1 模拟信道 传输模拟信号的信道 数字信道 传输数字信号的信道2 模拟通信 用模拟信号传输数据的通信数字通信 用数字信号传输数据的通信3 两种通信的四种情况 a 模拟数据的模拟通信b 模拟数据的数字通信c 数字数据的模拟通信d 数字信号的数字通信 6 2 3数据编码技术 1 数字数据的模拟传输 即数字数据的模拟信号编码 1 调制 由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为 调制 2 解调 在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程称为 解调 3 调制的方法 a 载波的表示 y A t sin wt b 由上式可知调制方法 振幅 频率 相位三种调制方法1 振幅调制 ASK a 调制原则 确定w 改变A表示数字信号的不同状态b 0 用幅度值为0的载波表示 1 用具有一定幅度值的载波表示 7 2 3数据编码技术 2 频率调制 FSK a 调制原则 确定A 改变w表示数字信号的不同状态b 0 用频率为w的载波表示 1 用频率为2w的载波表示3 相位调制 PSK a 调制原则 确定A w 改变 表示数字信号的不同状态b 0 用相位180 的载波表示 1 用相位0 的载波表示 8 2 3数据编码技术 9 2 3数据编码技术 2 数字数据的数字传输 即数字数据的数字信号编码 1 不归零编码a 编码原则 用高电平表示 1 用低电平表示 0 b 特点 编码简单 不含同步时钟 抗干扰能力弱 2 曼彻斯特编码编码原则 每比特的1 2周期处要发生跳变 由高电平跳到低电平表示 1 由低电平跳到高电平表示 0 3 差分曼彻斯特编码a 编码原则 每比特的1 2周期处要发生跳变 在每比特的起始位置发生跳变表示 0 不发生跳变表示 1 b 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的特点 编码复杂 内部自含同步时钟 抗干扰能力强 10 2 3数据编码技术 11 2 3数据编码技术 3 模拟数据的数字传输 即模拟数据的数字信号编码 1 方法 脉码调制 PCM 设备 编码解码器 CODEC 2 调制过程 a 取样b 量化c 编码 模拟信号通过编码解码器进行数字传输的工作过程示意如下图 12 2 3数据编码技术 脉码调制 13 2 4数据通信的主要技术指标 1 传输速率 单位时间内所传递的二进制代码的有效位数 1 对称比特率 单位为bps或b s 2 公式 S 1 T log2nT 信号脉冲重复周期n 一个脉冲信号代表的有效状态数 是2的整数位 二进制n 2log2n 单位脉冲能表示的比特数 14 2 4数据通信的主要技术指标 2 波特率 B 对称调制速率 波形速率 码元速率 1 对于模拟信号传输过程 波特率指 调制解调器 上输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的次数 对于数字信号传输过程 波特率指线路上没秒钟传送的波形个数 2 公式 B 1 T 3 与传输速率的关系 S Blog2n3 误码率 指接收码元中错误码元数占传输总码元数的比例Pe 接收码元中错误码元数 传输的总码元数 15 2 4数据通信的主要技术指标 4 信道容量 表征一个信道传输数据的能力 1 信道容量的计算 无噪声 C 2Hlog2NH 信道带宽N 一个脉冲信号代表的有效状态数有噪声 C Hlog2 1 S N H 信道带宽S 信号的功率N 躁声功率 2 单位 bps 16 2 5数据的通信方式 1 并行通信2 串行通信 1 单工 2 半双工方式 3 全双工方式 17 2 5数据的通信方式 18 2 5数据的通信方式 19 2 6同步方式 1 同步的含义 数据在传输线上传输时 为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误地接收 要求发送端和接收端动作的起始时间和频率保持一致的技术称为 同步技术 2异步方式同步技术 以字符为单位传输数据 在字符的开头加1位起始位 在末尾加1到2位的终止位 有时还可加1位校验位 当线路上持续高电平变成低电平时 标志一个字符的开始 20 2 6同步方式 3 同步方式的同步技术 以数据块为单位传输数据 在数据块的开头一般加1到2个字节的SYN 同步字符 4 两者对比 异步方式实现容易 同步方式传输效率高 21 2 7多路复用技术 1 多路复用技术的原因及含义 1 减少远距离通信时的线路开支 2 降低单路信号通信时的线路带宽的浪费 3 所谓的多路复用技术 是指将多路信号在单一的传输线路上同时传输 22 2 7多路复用技术 2 常用的多路复用技术 频分多路复用技术 时分多路复用技术 同步时分 异步时分 1 频分多路复用 FDM 在物理信道能提供比单个原始信号宽的多的带宽情况下 把物理信道的总带宽划分成若干个与单个信号带宽相同 一般略宽 以防相邻频带的串扰 的频带 段 用每个频段来传输一路信号 典型应用 无线广播 无线 有线 电视 特点 发射端在发射之前先将原始信号 用频率调制到对应的频段 称为 频谱搬移 各频带的带宽中预留有 保护带 以防相邻频段信号的串扰 一般用于 模拟信号 传输中 23 2 7多路复用技术 24 2 7多路复用技术 2 时分多路复用 TDM 是以信道传输时间作为分割对象 通过为多个信道分配互不重叠的时间片来实现多路复用 同步时分复用 将一条共享传输线路上的时隙按固定 预先决定好的形式分配给设备 注 此处的 同步 并非 同步传输 而是指时间片预先分配给固定的数据源 不管数据源是否有数据要传送 其所对应的时间片都被传输出去 25 2 7多路复用技术 26 2 7多路复用技术 2 异步时分复用 将一条共享传输路线上的时隙动态 按需分配给设备的一种时分复用技术 注 与同步时分复用相比可克服时隙的浪费 线路的容量可以小于所连接设备数据传输速率总和 27 2 7多路复用技术 28 2 7多路复用技术 3 典型应用实例 美国AT T的下信道上的载波就是采用脉码调制 PCM 和时分多路复用技术 TDM 使24路采样声音信号复用一个通道 工作原理 将一条路线按时分划分为24个信道 每信道按125 s的间隔采样各自的模拟信号 用128级量化的PCM脉冲编码为8位 7位为数据 1位为控制信号 传输速率 24 8 1 125 10 6 1 544Mbps 欧洲的CITT标准的E 信道的载波也是采用脉码调制技术与时分多路复用技术 其帧结构 开始8位同步信号 8位信令位 30路8位数据信号 256位传输速率 256 125 10 6 2 048Mbps 29 2 8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 分组交换 30 2 8数据交换技术 电路交换交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程 最早的电路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的 现在则由计算机化的程控交换机实现 特点 数据传输前需要建立一条端到端的通路 呼叫 建立连接 传输 挂断优缺点 建立连接的时间长 一旦建立连接就独占线路 线路利用率低 无纠错机制 建立连接后 传输延迟小 31 2 8数据交换技术 报文交换整个报文作为一个整体一起发送 在交换过程中 交换设备将接收到的报文先存储 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 图释02 2 缺点 1 报文大小不一 造成缓冲区管理复杂 2 大报文造成存储转发的延时过长 3 出错后整个报文全部重发 请点击 32 2 8数据交换技术 分组交换 包交换 将报文划分为若干个大小相等的分组 Packet 进行存储转发 图释02 3 优点 1 存储量要求较小 可以用内存来缓冲分组 速度快 2 转发延时小 适用于交互式通信 3 某个分组出错仅重发该分组 效率高 4 各分组可通过不同路径传输 可靠性高 特点 1 数据传输前不需要建立一条端到端的通路 2 有强大的纠错机制 流量控制和路由选择功能 请点击 33 34 2 9OSI模型 2 9 1OSI RM参考模型的提出 世界上第一个网络体系结构由IBM公司提出 74年 SNA 以后其他公司也相继提出自己的网络体系结构如 Digital公司的DNA 美国国防部的TCP IP等 多种网络体系结构并存 其结果是若采用IBM的结构 只能选用IBM的产品 只能与同种结构的网络互联 为了促进计算机网络的发展 国际标准化组织ISO与1977年成立了一个委员会 在现有网络的基础上 提出了不基于具体机型 操作系统或公司的网络体系结构 称为开放系统互联模型 OSI参考 opensysteminterconnection 35 2 9OSI模型 2 9 2OSI划分层次的原则 网络中各结点都有相同的层次不同结点相同层次具有相同的功能同一结点相邻层间通过接口通信每一层可以使用下层提供的服务 并向上层提供服务不同结点的同等层间通过协议来实现对等层间的通信 36 2 9OSI模型 2 9 3OSI七层模型 37 2 9OSI模型 2 9 4OSI RM分层结构 1 对等层实体间通信时信息的流动过程 见下图 38 链路层协议 物理层协议 网络层协议 分组流 比特流 帧流 报文流 报文流 报文流 报文流 子网内部协议 39 2 9OSI模型 对等层实体之间虚拟通信 下层向上层提供服务实际通信在最底层完成在发送方数据由最高层逐渐向下层传递 到接收方数据由最低层逐渐向高层传递 图释02 4 2 对等层通信的实质 请点击 40 2 9OSI模型 3 协议数据单元PDU OSI参考模型中 对等层协议之间交换的信息单元统称为协议数据单元 PDU ProtocolDataUnit 而传输层及以下各层的PDU另外还有各自特定的名称 传输层 数据段 Segment 网络层 分组 数据报 Packet 数据链路层 数据帧 Frame 物理层 比特 Bit 41 2 9OSI模型 2 9 5OSI各层概述 物理层 1 物理层的主要功能是 为数据链路层的比特流提供物理连接 对高层屏蔽掉具体传输介质的差异 保证比特流的透明传输 2 主要内容 物理层协议主要定义硬件接口 包括接口的机械特性 电气特性 功能特性 规程特性 42 2 9OSI模型 机械特性 定义接口插件 插座的形状 尺寸 引脚数量 排列顺序等 如 RS 232是25芯 D型 RS 499为37芯等 电气特性 定义信号的高低 脉冲宽度 阻抗匹配 传输速率 传输距离等 功能特性 归定每个引脚的功能 数据类型 控制方式等过程特性 定义通信双方的动作顺序 如 如何建立 拆除物理连接 采用全双工还是半双工通信等 43 44 2 9OSI模型 数据链路层 1 数据链路层的功能利用物理层提供的物理通路 在相邻节点之间建立数据链路 将要传送的数据组装成帧 加入应答 差错控制 流量控制信息 使有差错的物理线路变成无差错的数据链路 为网络层提供可靠的信息传送机制 45 2 9OSI模型 46 2 9OSI模型 2 协议的主要内容链路管理 主要是发送数据前后的一些控制活动 包括 链路建立 在通信以前 通信双方要交换一些信息 确认对方已准备好 链路维护 通信过程中维持链路拆除链路 通信结束后释放链路 47 2 9OSI模型 成帧与拆帧帧是数据链路层的数据单位 将数据装配成帧是为了在出现差错时 重传方便 在发送端 将网络层传来的数据分割成小的数据块 加入控制信息即为成帧 然后送物理层发送 在接收端 将收到的数据帧按相反的顺序去掉控制信息 帧有其具体格式 包括帧头 帧尾标志 差错控制方法等 不同的协议 格式不同 常用帧同步的方法 字符填充 字节记数 比特填充 编码违例法等 48 2 9OSI模型 差错控制发送端在数据帧中加入检错码 接收端发现错误可采用出错重发或前向纠错的方法 检错方法有奇偶校验 循环冗余校验等 帧的格式实例 49 2 9OSI模型 流量控制当发送端发送的速度快 接收端的速度慢时 链路会堵塞 严重时数据会丢失 因此 要有调整发送端发送速度的机制 主要方法有 停止等待 发送方发送数据 接收方正确收到数据后回送响应帧ACK 否则 回送否认帧NAK 滑动窗口技术 连续ARQ协议 允许连续发送若干帧 可以进行差错控制和流量控制 50 2 9OSI模型 网络层 1 网络层的功能 在结点之间创建逻辑链路 保证传输层传来的数据顺利通过通信子网网络层为传输层提供数据报和虚电路服务 并解决由此引起的路径选择 拥塞控制等问题 为传输层提供端到端的透明传输服务 51 52 2 9OSI模型 2 主要内容数据交换方式 虚电路方式与数据报方式路由选择数据报方式在每个节点都要进行路由选择 虚电路方式在建立虚电路时也要进行路由选择 53 2 9OSI模型 网络拥塞控制当通信子网内传送的报文分组过多 节点接收速度太慢 线路容量不足时 都会导致网络性能变差 出现拥塞 当拥塞加剧网络吞吐量急剧下降为零 这时网络无法工作 称为网络死锁 避免拥塞的方法有 缓冲区预分配法 分组丢弃法 许可证法等 54 2 9OSI模型 寻址在网络层上要进行网际互联 每个网络 主机都要有一个唯一的地址 不同的网络编址方案不同 如TCP IP中用4组每组8位二进制数编址 如 192 168 47 69 55 2 9OSI模型 传输层 1 传输层功能 传输层是保证数据通过通信子网的最后措施 任何在网络层以下解决不了的问题 在传输层都要得到解决 网络层提供的服务质量好 传输层协议简单 反之传输层协议复杂 56 2 9OSI模型 通信子网 57 2 9OSI模型 2 主要内容寻址 当一个用户要和另一个用户通信时必须与该用户建立连接 这就需要寻址 传输层的一个重要功能向上层协议及用户屏蔽掉具体的网络细节 仅提供端到端的服务 反映在寻址方式上就是不再使用具体的网络地址 而是使用标识符 在传输层 发送方不需要知道接收方的具体地址 只要有一个表示符号就可以 这个标识号可以是固定的 也可以临时产生 通信双方只要有对方的标识符就可以通信 具体寻址定位由下层协议去做 58 2 9OSI模型 与现行的通信系统做比较 网络寻址象是邮政系统 通信时必须写明省 市 街道 门牌号 一级级的送到 而传输层的寻址更象电话系统 只要知道电话号码 不需要了解他在哪 具体定位由电话局去做 传输层地址的例子如 电话号码 用户的信箱地址 某网站的域名等 59 2 9OSI模型 多路复用 将多个不同的传输复用在网络层的一条虚电路上 流量控制与差错控制 与数据链路层类似 区别在于数据链路层节点之间的线路较少 而主机之间可以有多条连接 点到点与端到端点到点通信是指相邻的两个结点之间的