数据通信技术基础.ppt

第2章数据通信技术基础 数据通信技术的发展与计算机网络技术密切相关 是促进计算机网络技术发展的重要因素之一 因此 学习计算机网络 必然涉及许多关于数据通信的问题 数据通信的任务是利用通信媒体传输信息 数据通信是两实体间的数据传输和交换 在计算机网络中占有十分重要的地位 它是通过各种不同的方式和传输介质 把处在不同地理位置的终端与主计算机或计算机与计算机连接起来 从而完成数据传输 信息交换和通信处理等任务 本章重点介绍与计算机网络有关的数据通信的基本概念 数据传输方式 多路复用技术 数据交换技术和差错控制技术等内容 主要是为计算机网络的学习和实践打好基础 2 1数据通信基本概念 2 1 1简单的通信模型通信系统的基本作用是在发送方 信源 和接收方 信宿 之间传递和交换信息 数据通信系统的基本组成有三要素 信源 信宿和信道 图2 1简单的数据通信模型 2 1数据通信基本概念 1 信源和信宿信源就是信息的发送端 是发出待传送信息的设备 信宿就是信息的接收端 是接收所传送信息的设备 大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备 2 1数据通信基本概念 2 信号变换器信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号 图2 2信号变换器的作用 2 1数据通信基本概念 2 信号变换器对应不同的信源和信宿 信号变换器有不同的组成和变换功能 发送端的信号变换器可以是编码器或调制器 接收端的信号变换器相对应的就是译码器或解调器 编码器的功能是把信源或其他设备输入的信息作相应的变换 使之成为适合在通信信道上传输的信号 译码器的功能是在接收端完成编码的反过程 2 1数据通信基本概念 2 信号变换器调制器的作用是把信源输入的二进制脉冲信号变换 调制 成模拟信号 以便在模拟信道上进行远距离传输 解调器的作用是反调制 即把接收端接收的模拟信号还原成二进制脉冲数字信号 由于网络中绝大多数信息都是双向传输的 所以在大多数情况下 信源也作为信宿 信宿也作为信源 编码器也具有译码功能 译码器也应能编码 因此通称编码译码器 同样调制器也能解调 解调器也能调制 因此通称为调制解调器 2 1数据通信基本概念 2 1 2数据 信息和信号1 数据与信息数据是由数字 字符和符号等组成 可以用来描述任何概念和事物 是传送信息的载体 信息则是数据的具体内容和解释 有具体的意义 信息是数据经过加工处理后得到的 即信息是按一定要求以一定格式组织起来的 具有一定意义的数据 2 1数据通信基本概念 2 信号信号是数据的具体物理表示 具有确定的物理描述 信号是数据的电编码 电磁编码或其它编码等 信号可以分为模拟信号和数字信号 2 1数据通信基本概念 3 数字数据与模拟数据信号是数据的具体物理表示 具有确定的物理描述 信号是数据的电编码 电磁编码或其它编码等 信号可以分为模拟信号和数字信号 当数据采用离散的电信号方式表达时 这样的数据就是数字数据 当数据采用电波表示时这样的数据就是模拟数据 2 1数据通信基本概念 4 模拟信号和数字信号模拟信号是在一定范围内可以连续取值的信号 是一种连续变化的电信号 它可以不同频率在介质上传输 如正弦波信号 图2 3模拟信号 2 1数据通信基本概念 4 模拟信号和数字信号数字信号是一种离散的脉冲序列 它的取值是有限个数 它以恒定的正电压 负电压或正电压 0电压 表示 1 0 可以用不同的位速率在介质上传输 如脉冲信号 图2 4数字信号 2 1数据通信基本概念 2 1 3信道与带宽1 信道信道是通信双方以传输介质为基础的传输信息的通道 它是建立在通信线路及其附属设备 如收发设备 上的 2 带宽信道的带宽是指信道中能够传送的信号的频率范围 为计算带宽 需要从频率范围内将最高频率减去最低频率 2 2数据传输方式 2 2 1并行 串行传输1 并行传输并行传输是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上传输 数据由多条数据线同时传送与接收 每个比特使用单独的一条线路 图2 5并行传输 2 2数据传输方式 2 2 1并行 串行传输1 并行传输并行传输的优点在于传送速率高 发收双方间不存在字符同步的问题 缺点是需要多个并行信道 增加了设备的成本 而且并行线路的电平相互干扰也会影响传输质量 不适合做较长距离的通信 主要用于计算机内部或同一系统设备间的通信 常见的并行传输如计算机与打印机之间的数据传输 2 2数据传输方式 2 串行传输串行传输就是将比特流逐位在一条信道上传送 各数据位依次串行地通过通信线路 图2 6串行传输 2 2数据传输方式 2 串行传输相对于并行传输 串行传输的效率低 传输速率慢 但由于只有一条信道 减少了设备的成本 且易于实现与维护 串行传输使用于覆盖面很广的公共电话网络系统 所以在现行的计算机网络通信中 串行通信应用非常广泛 2 2数据传输方式 2 2 2单工 半双工和全双工1 单工通信单工通信是指在两个通信设备间 信息只能沿着一个方向被传输 采用单工通信时 在通信设备双方中 一方为发送设备 另一方为接收设备 2 2数据传输方式 2 半双工通信半双工通信是指两个通信设备间的信息交换可以双向进行 但不能同时进行 3 全双工通信全双工通信是指两个通信设备间可以同时进行两个方向上的信息传输 2 2数据传输方式 图2 7三种通信方式 2 2数据传输方式 2 2 3异步传输与同步传输方式1 异步传输异步传输方式又称为起止式同步方式 它是以字符为单位进行传输的 即每个字符都独立传送 且每一字符的起始时刻可以为任意 每个字符在传输时都在字符前加上起始位和在字符后加上结束位 以表示一个字符的开始和结束 一般起始位信号的长度规定为1位的宽度 极性为 0 结束位信号可以为1位 1 5位或2位的宽度 极性为 1 其长度的选取与所采用的传输代码类型有关 起始位和结束位的作用是实现字符的同步 字符之间的间距是任意的 但发送一个字符时 每个字符包含的位数都是相同的 且每一位占用的时间长度是双方约定好的 而且保持各位都恒定不变 2 2数据传输方式 2 2 3异步传输与同步传输方式1 异步传输 图2 8异步传输方式 2 2数据传输方式 2 同步传输同步传输方式是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方法 在数字信息流中 各位的宽度相同 且字符顺序相连 字符之间没有间隙 为使接收方能够从连续不断的数据流中正确区分出每一位 比特 则需要先建立收发双方的同步时钟 实际上 在同步传输方式中 不管是否传送信息 要求收发两端的时钟都必须在每一位上保持一致 因此 同步传输方式又常被称为比特或位同步 2 2数据传输方式 2 同步传输在同步传输中 数据的发送一般是以一组字符或比特流为单位 为了使接收方容易确定数据组的开始和结束 需要在每组数据的前后加上特定字符作为起始和结束标志 同时还可以用这些标志来区分和隔离连续传输的数据 特定标志字符一般随不同的规程而有所不同 2 2数据传输方式 2 同步传输例如 在面向比特的高级数据链路控制规程HDLC中 是采用比特串01111110作为起始和结束标志 在暂时没有信息传输时 连续发送01111110使接收端可以一直保持和发送端同步 图2 9同步传输方式 2 2数据传输方式 2 同步传输实现同步传输方式的收发时钟同步方法有两种 外同步法和自同步法 外同步法就是在传输线中增加一根时钟信号线以连接到接收设备的时钟上 在发送数据信号前 先向接收端发一串同步时钟脉冲 接收端则按照这个频率来调整自己的内部时钟 并把接收时钟重复频率锁定在同步频率上 该方法适用于近距离传输 自同步法是让接收方从接收的数据流中直接提取同步信号 以获得与发送时钟完全相同的接收时钟 该方法常用于远距离传输 同步传输克服了异步传输方式中的每一个字符都要附加起始和结束信号的缺点 具有较高的效率 但实现较为复杂 常用于大于2400bps速率的传输 2 2数据传输方式 2 2 4基带传输与数字信号编码1 基带传输在数据通信中 由计算机或终端等数字设备产生的 未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号通常呈矩形波形式 即表示计算机中二进制数据比特序列的数据信号是典型的矩形脉冲信号 这个矩形脉冲信号就是基带信号 基带信号所占有 固有 的频率范围称为基本频带 简称基带 在通信信道中直接传输这种基带信号的传输方式就是基带传输 它将占用线路的全部带宽 也称为数字基带传输 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码在数据通信中 由计算机或终端等数字设备产生的 未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号通常呈矩形波形式 即表示计算机中二进制数据比特序列的数据信号是典型的矩形脉冲信号 这个矩形脉冲信号就是基带信号 基带信号所占有 固有 的频率范围称为基本频带 简称基带 在通信信道中直接传输这种基带信号的传输方式就是基带传输 它将占用线路的全部带宽 也称为数字基带传输 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码问题就是要解决数字数据的数字信号表示问题 数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示 数字信号是离散的电压或电流的脉冲序列 每个脉冲代表一个信号单元 或称码元 最普遍且最容易的方法是用两种码元分别表示二进制数字符号 0 和 1 每位二进制符号和一个码元相对应 表示二进制数字的码元的形式不同 便产生不同的编码方法 这里主要介绍单极性全宽码和归零码 双极性全宽码和归零码 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码单极性全宽码和归零码单极性全宽码是指在每一个码元时间间隔内 有电流发出表示二进制 1 无电流发出表示二进制 0 归零码就是指一个码元的信号波形占一个码元的部分时间间隔 其余时间信号波形幅度为 0 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码单极性全宽码和归零码二进制序列10110101的单极性全宽码和归零码 采样时间是对准脉冲的中心 判决门限为0 5 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码单极性全宽码和归零码 图2 10单极性全宽码和归零码 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码双极性全宽码和归零码双极性全宽码是指在一个码元时间间隔内 发正电流表示二进制的 1 发负电流表示二进制的 0 正向幅度与负向幅度相等 这种情况下的判决门限定为0电平 在接收端对收到的每个脉冲信号进行判决 在取样时刻 若该信号值在0电平以下就判为 0 码 在0电平以上就判为 1 码 双极性归零码是在一个码元时间间隔内 当发 1 时 发出正的窄脉冲 当发 0 时 发出负的窄脉冲 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码双极性全宽码和归零码二进制序列10110101的双极性全宽码和归零码 采样时间是对准脉冲的中心 判决门限为0 图2 11双极性全宽码和归零码 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔 当发 0 时 在间隔的中间时刻 从低电平变为高电平 当发 1 时 在间隔的中间时刻 从高电平变为低电平 这种编码的特点就是在每一个码元时间间隔内 都有一次电平的跳转 对提取位同步信号非常有利 在以太网中采用的就是这种编码技术 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码的编码方法是在每一个码元时间间隔内 无论发 0 或发 1 在间隔的中间都有电平的跳转 但发 0 时 间隔开始时刻有跳转 当发 1 时 间隔开始时刻无跳转 与曼彻斯特编码的不同之处在于每位中间的跳转作为同步时钟信号 而取值是 0 还是 1 则根据每一位的起始处有没有变化来判断 令牌环网中采用的就是这种编码 2 2数据传输方式 2 数字数据的数字信号编码曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 图2 12曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 2 2数据传输方式 2 2 5频带传输与模拟信号编码1 频带传输频带传输就是先将基带信号 数字信号 进行调制后变换成便于在模拟信道中传输的 具有较高频率范围的信号 这种信号称为频带信号 也叫模拟信号 再将这种频带信号在信道中传输 在接收端再将该频带信号 模拟信号 通过解调还原成基带信号 数字信号 基带信号和频带信号的变换是由调制解调技术完成的 完成调制 解调的设备叫做调制解调器 计算机网络系统的远距离通信通常都是采用频带传输 2 2数据传输方式 2 数字数据的模拟信号编码若要将基带信号进行远程传输 要先将其变换为频带信号 模拟信号 再在模拟信道上传输 这个变换就是数字数据的模拟信号的编码过程 即调制过程 所谓调制就是进行波形变换 是利用基带信号对高频震荡载波的参量进行修改 最常用的载波是正弦波 假若设振幅为1 频率为f 初相位为 对应的数学表达式为 u t sin ft 通过对载波的振幅 频率和初相位进行修改 分别对应了三种最基本的调制方法 调幅 调频和调相 2 2数据传输方式 2 数字数据的模拟信号编码调幅 AM 载波的振幅随基带信号的变化而变化 如 0 对应于无载波输出 即振幅为0 而 1 对应于有载波输出 即振幅为1 对应的数学表达式为 数1 数0 u t 2 2数据传输方式 2 数字数据的模拟信号编码调频 FM 载波的频率随基带数字信号的变化而变化 如 0 对应于频率f1 而 1 对应于频率f2 对应的数学表达式为 u t 2 2数据传输方式 2 数字数据的模拟信号编码调相 PM 载波的初相位随基带数字信号的变化而变化 如 0 对应于相位180 而 1 对应于相位0 对应的数学表达式为 u t 2 2数据传输方式 2 数字数据的模拟信号编码 图2 13基带脉冲基三种调制波形 2 3多路复用技术 在远距离通信中 为了高效合理地利用传输介质 通常采用多路复用技术 我们把利用一条物理信道同时传输多路信号的过程称为多路复用 多路复用技术是使多路数据信号共同使用一条线路进行传输的技术 使多个计算机或终端设备共享信道资源 提高信道的利用率 特别是在远距离传输时 可大大节省电缆的成本 安装与维护费用 2 3多路复用技术 实现多路复用功能的设备是多路复用器 图2 14多路复用技术 2 3多路复用技术 2 3 1频分多路复用频分多路复用技术 FDM 是按照频率不同来区分信号的一种方法 把传输频带划分为若干个较窄的频带 每个频带传送一路信号 形成一个子信道 一个具有一定带宽的线路可以划分为若干个频率范围 互相之间没有重叠 同时 为了避免两个相邻频段的相互干扰 频段之间必须保留一定的缝隙 称为保护频带 这样 频分复用的所有用户在同样的时间内占用不同的频带资源 2 3多路复用技术 2 3 1频分多路复用 图2 15频分多路复用技术 2 3多路复用技术 2 3 1频分多路复用频分多路复用常用于模拟信号的传输 如收音机 电视机等 FDM也用于宽带网络 载波电话通信系统是频分多路复用的典型例子 2 3多路复用技术 2 3 2时分多路复用时分多路复用技术 TDM 是将通信信道传输数据的时间划分成一段段等长的时分复用帧 TDM帧 每一个TDM帧再划分若干等长的时间片 每一个时分复用的用户在每个TDM帧中占用固定序号的时间片 来使用公共线路 在其占用的时间片内 信号独自使用信道的全部带宽 2 3多路复用技术 2 3 2时分多路复用 图2 16时分多路复用技术 2 3多路复用技术 2 3 2时分多路复用在图中我们可以看到一个用户所占用的时间片是周期出现的 这个周期就是一个复用帧的长度 时分复用技术的优点是技术比较成熟 缺点是不够灵活 如当用户在某一段时间暂时无数据传输时 例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息 也只能让已经分配到手的子信道空闲着 而其他用户也不能使用这个暂时空闲的信道资源 统计时分复用就是一种改进的时分复用技术 它能明显地提高信道的利用率 2 3多路复用技术 2 3 2时分多路复用统计时分复用 STDM 是使用STDM帧来传送复用的数据 但每一个STDM帧中划分的时间片的数目要小于进行复用的用户数 每一帧中的时间片不再是固定分配给某个用户 而是按需动态地给每个用户分配时间片 统计时分复用又称为异步时分复用 而普通的时分复用称为同步时分复用 需说明的是这里的帧与数据链路层的帧不是一个概念 2 3多路复用技术 2 3 2时分多路复用 图2 17统计时分多路复用 2 3多路复用技术 2 3 2时分多路复用时分多路复用通常用于数字信号的传送 也可用于模拟信号的传送 时分多路复用在任一时刻 只传送一种信号 多路信号分时的在信道中传送 而频分多路复用是在任一时刻 同时传送多路信号 各路信号占用的频带不同 2 3多路复用技术 2 3 3波分多路复用波分多路复用技术 WDM 就是光的频分复用 是把光波波长分割复用 在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术 波分多路复用技术的基本原理是在发送端将不同的光信号组合起来 也即是复用过程 耦合到光缆线路上用一根光纤进行传输 在接收端又将组合波长的光信号区分开来 即完成解复用过程 再通过进一步处理恢复出原信号后送入不同的终端 波分多路复用技术实质上是利用了光具有不同波长的特征 WDM技术的原理十分类似于FDM 不同的是它利用波分复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光 并复用到光纤信道上 在接收方 采用波分设备分离不同波长的光 相对于电多路复用器 WDM发送和接收端的器件分别称为分波器和合波器 2 3多路复用技术 2 3 3波分多路复用光波多路复用技术除WDM外 还有密集波分技术 DWDM 光纤的密集波分技术DWDM可极大地增加光纤信道地数量 从而充分利用光纤的潜在带宽 是计算机网络今后使用的重要技术 2 3多路复用技术 2 3 4码分多路复用码分多路复用技术 CDM 是一种用于移动通信系统的新技术 笔记本电脑和掌上电脑等移动性计算机的联网通信将会大量使用码分多路复用技术 码分多路复用的基础是微波扩频通信 其特点是频率和时间资源均为共享 因此 在频率和时间资源紧缺的情况下 CDM技术将独具魅力 越来越受到人们的普遍关注 2 4数据交换技术 各种数据经过编码后要在通信线路上进行传输 最简单的形式是用传输介质将两个端点直接连接起来进行数据传输 但是 每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的 一般要通过一个由多个节点组成的中间网络来把数据从源节点转发到目的节点 以此实现通信 这个中间网络不关心所传输数据的内容 而只是为这些数据从一个节点到另一个节点直至到达目的节点提供交换的功能 数据交换是多节点网络中实现数据传输的有效手段 常用的数据交换方式有两大类 电路交换方式和存储转发交换方式 存储转发交换方式又可分为报文交换和报文分组交换方式 2 4数据交换技术 2 4 1电路交换电路交换也叫线路交换 是数据通信领域最早使用的交换方式 电路交换方式与电话交换方式基本相同 两台计算机通过通信子网进行数据交换之前 必须在通信子网中建立一个实际的物理线路连接 2 4数据交换技术 2 4 1电路交换1 电路交换的基本工作原理电路交换过程主要有三个阶段 线路建立数据传输线路释放 2 4数据交换技术 图2 18电路交换的基本工作原理 2 4数据交换技术 1 电路交换的基本工作原理线路建立阶段如果主机HA要向主机HB传输数据 那么首先要通过通信子网在HA与HB之间建立线路连接 HA首先向通信子网节点A发送 呼叫请求包 呼叫请求包 内含有需要建立线路连接的源主机地址和目的主机地址 节点A根据目的主机地址 启动路选算法选择了下一个节点如果为B 则向节点B发送 呼叫请求包 节点B收到呼叫请求后 同样根据路选算法 如选择下一个节点为C 节点B向节点C发送 呼叫请求包 节点C收到呼叫请求后 也要根据路选算法 选择下一个节点为D 节点C向节点D发送 呼叫请求包 节点D收到呼叫请求后 向与其直接连接的HB发送 呼叫请求包 HB如接受HA的呼叫连接请求 则通过已经建立的物理连接D C B A 向HA发送 呼叫应答包 至此 从HA A B C D HB的专用物理线路连接建立完成 该物理连接为此次HA与HB的数据交换提供服务 2 4数据交换技术 1 电路交换的基本工作原理数据传输阶段在HA与HB通过通信子网的物理线路连接建立以后 就可以通过该连接将数据从源站发往目的站了 线路连接是全双工的 数据可以在两个方向传输 在整个数据传输过程中 所建立的连接必须始终保持连接状态 2 4数据交换技术 1 电路交换的基本工作原理线路释放阶段数据传输完成后 进入线路释放阶段 一般由HA向HB发送 释放请求包 HB同意结束传输 释放线路后 将向节点D发送 释放应答包 建立的物理连接将由D C B A逐节点释放 将线路的使用权交还给网络 以供其他用户使用 至此结束此次通信 电路交换属于电路资源预分配系统 即每次通信时 通信双方都要连接电路 且在一次连接中 电路被预分配给一对固定用户 不管该电路上是否有数据传输 其他用户都不能使用该电路直至通信双方要求释放此电路为止 2 4数据交换技术 2 电路交换的特点电路交换方式的特征是在整个连接路径中均采用物理连接 具有以下的一些优点 信息传输延迟 时延 小 电路是透明的 信息传送的吞吐量大 采用电路交换方式传送数据的缺点是 所占用的带宽是固定的 造成网络资源的利用率较低 由于通信的传输通路是专用的 采用电路交换方式进行数据通信的效率较低 通信双方在信息传输速率 编码格式 同步方式 通信规程等要完全兼容 不同速率和不同通信协议之间的用户不能通信 电路交换方式进行数据通信 可以用于公用交换网 即电话网 以及专线方式 如数字数据网DDN 电路交换适用于信息量大的场合 2 4数据交换技术 2 4 2报文交换报文交换采用 存储 转发 技术 把要发送的信息分成若干个报文正文 报文交换方式是以报文为单位交换信息的 存储转发的原理是输入的信息在交换设备控制下 先在存储区暂存 并对存储的信息进行处理 待指定输出线空闲时 再分别将信息转发出去 2 4数据交换技术 2 4 2报文交换1 报文交换的工作原理报文交换的过程是 发送方先把待传送的信息分为多个报文正文 在报文正文上附加发送方和接收方的地址及其他控制信息 形成一份份完整的报文 然后 以报文为单位在交换网络的各个节点间传送 节点在接收整个报文后对报文进行缓存和必要的处理 等到指定输出端的线路和下一个节点空闲时 再将报文转发出去 直到目的节点 目的节点将收到的各份报文按原来的顺序进行组合 然后再将完整的信息交付给接收端计算机或终端 2 4数据交换技术 2 报文交换的特点报文交换的优点是 报文交换过程没有电路续接 可以采用多路复用 提高线路的利用率 用户不需要叫通对方就可以发送报文 容易实现不同类型的终端之间的通信 报文交换的缺点是 数据延迟较大 不利于实时通信 要求交换机有高速处理能力及大的存储容量 增加了设备的开支 2 4数据交换技术 2 4 3分组交换分组交换也采用的是 存储 转发 原理 但它把报文分割成若干较短的按一定格式组成的报文分组 也叫包 进行交换和传输 由于报文分组长度较短 传输差错检错容易 出错重发花费的时间较少 有利于提高存储 转发节点存储空间利用率和传输效率 因此分组交换 包交换 成为计算机网络中使用最广泛的一种交换技术 2 4数据交换技术 2 4 3分组交换分组交换技术在实际应用中又分为两类 虚电路分组交换和数据报分组交换两种 虚电路分组交换虚电路分组交换在传送数据前必须在发送端和接收端之间建立一条逻辑连接 数据按照事先建好的路径顺序传输 传送数据量较大时 通常采用虚电路方式 数据报分组交换数据报分组中每个分组的大小有严格的限制 每个数据报自身携带足够的地址信息 各数据报所走的路径不一定相同 各个数据报到达目的地的顺序可能不同 有的数据报会丢失 2 4数据交换技术 2 4 3分组交换分组交换技术在实际应用中又分为两类 虚电路分组交换和数据报分组交换两种 分组交换的特点分组交换采用 存储 转发 方式 不独占信道 信息传输延迟较小 为不同通信规程的数据终端间能相互通信提供了会话环境 可靠性高 分组交换的技术实现复杂 软件及硬件结构都较为复杂 网络附加的信息较多 分组交换主要应用于计算机终端连网 2 4数据交换技术 2 4 4交换技术的比较 图2 19三种交换技术的比较 2 4数据交换技术 2 4 4交换技术的比较从图中可以看出 不同交换技术适用于不同场合 若要连续传送大量的数据 而且传送时间远大于呼叫建立的时间 则采用在数据通信之前预先分配传输链路的电路交换较为合适 报文交换和分组交换不需要预先分配传输链路 在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率 分组交换比报文交换的延迟小 但其节点交换机必须具有更强的处理能力 另外 当端到端的通路是由很多段链路组成时 采用分组交换传送数据比用电路交换还有一个好处 那就是采用电路交换时 只要整个通路中有一段链路不能用 通信就不能进行 但分组交换可以将数据一段一段地像接力赛跑那样传过去 2 5差错控制技术 数据通信系统的基本任务是高效而无差错地传输数据 为了减少传输差错 保证通信系统的传输质量 通常采用两种基本方法 一是改善线路质量 采用误码率低的线路 二是对系统进行差错控制 即差错检测和纠正 差错控制就是为防止由于各种噪声干扰等因素引起的信息传输错误或将差错限制在所允许的尽可能小的范围内而采取的措施 这是一种主动式的防范措施 2 5差错控制技术 2 5 1差错产生的原因所谓 差错 就是在通信接收端收到的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象 传输中的差错主要是由热噪声引起的 热噪声有随机热噪声和冲击热噪声两大类 由于热噪声会造成传输中的数据信号失真 产生差错 所以在传输中要尽量减少或避免由于热噪声的影响而产生的差错 在通信系统中 热噪声干扰是不可避免的 2 5差错控制技术 2 5 1差错产生的原因 图2 20差错产生的过程 2 5差错控制技术 2 5 1差错产生的原因当数据从信源出发 经过通信信道时 由于通信信道总是有一定的噪声存在 在到达信宿时 接收信号是发送信号与噪声的叠加 在接收端 接收电路在取样时间判断信号电平时 如果噪声对信号叠加的结果在最后电平判决时出现错误 就会引起传输数据的错误 2 5差错控制技术 2 5 2常用差错控制编码方法差错控制编码方法的基本思想是通过对信息序列进行某种变换 按一些规则增加一些冗余码 使原来彼此独立的 没有相关性的信息码产生某种相关性 接收端据此来检查和纠正传输信息序列中的差错 这种以一定方式在信息序列中加入冗余码的过程就是差错控制编码 常用的检纠错码主要有奇偶校验码 循环冗余码等 2 5差错控制技术 2 5 2常用差错控制编码方法1 奇偶校验奇偶校验码是一种最常见的检错码 在传输ASCII字符时 每个ASCII字符用7位表示 最后加上一个奇偶校验位 以便检测差错 2 5差错控制技术 2 5 2常用差错控制编码方法1 奇偶校验在奇校验中 要在每一个字符上增加一个附加位 使得该字符中 1 的个数为奇数 接收方接收的数据中1的个数是奇数时 就认为传输正确 否则就认为传输错误 在偶校验中 也是在每个字符上加上一个附加位 使得该字符中 1 的个数为偶数 接收方接收的数据中1的个数是偶数时 就认为传输正确 否则就认为传输错误 奇偶校验方法非常简单 但并不十分可靠 奇偶校验一般只用于通信要求较低的环境 通常偶校验用于异步传输或低速传输 奇校验用于同步传输 2 5差错控制技术 2 5 2常用差错控制编码方法2 循环冗余码 CRC 校验循环冗余编码 又称多项式码 循环冗余码检验具有良好的数学结构 易于实现 发送端编码器和接收端检测译码器的实现较为简单 同时 具有十分强的检错能力 特别适合于检测突发性错误 在计算机网络中得到了广泛的应用 2 5差错控制技术 2 循环冗余码 CRC 校验计算CRC码的检验序列的过程 在发送端 设发送数据的二进制信息码为m位 F x 为这m位信息码对应的多项式 即发送数据比特序列是多项式F x 的系数 G x 为k阶生成多项式 其对应的二进制码为k 1位 即k是生成多项式的最高次幂 G x 是双方预先约定的生成多项式 F x xk的意义就是数据比特序列左移k位 尾部加上k个 0 用于存放下面计算出的余数R x 对应的k位二进制码 2 5差错控制技术 2 循环冗余码 CRC 校验计算CRC码的检验序列的过程 CRC校验码采用二进制模二算法 即加法不进位 减法不借位 这是一种异或算法 也就是两个数相同值取0 两个数不同值取1 采用二进制模二算法将F x xk除以多项式G x 得 F x xk G x Q x R x G x 其中R x 为余数多项式 R x 对应的比特序列有k位 这k位二进制码既是求得的CRC码的检验序列码 2 5差错控制技术 2 循环冗余码 CRC 校验计算CRC码的检验序列的过程 F x xk R x 作为整体 从发送端通过通信信道传输到接收端 即实际发送的数据为 F x xkR x 2 5差错控制技术 2 循环冗余码 CRC 校验计算CRC码的检验序列的过程 接收端 若接收到的比特序列对应的多项式能被G x 整除 说明接收的数据正确 否则认为接收的数据错误 确定数据接收正确后 把收到的编码信息尾部的校验序列码去掉即可恢复与发送信息相同的信息 2 5差错控制技术 2 5 3差错控制机制1 差错控制方法检错法 是在要发送的数据块上附加冗余位 使接收方知道有差错发生 但不知道是什么样的差错 然后向发送方请求重传 常用的是奇偶校验码和CRC循环冗余校验码 纠错法 是在要发送的数据块上附加足够的冗余信息 使接收方能够推导出已发出的数据应该是什么 常用的是海明校验码 2 5差错控制技术 2 5 3差错控制机制2 差错控制基本方式差错控制基本方式主要有检错反馈重发 前向纠错和混合纠错三种 2 5差错控制技术 2 差错控制基本方式检错反馈重发工作原理 发送端对所发送的序列进行差错控制编码 接收端根据检验序列的编码规则判决有无误码 若发现有误码 则利用反向信道要求发送端重发有错的信息 直至接收端检测认为无误为止 从而达到纠正差错的目的 它可以工作于半双工链路和全双工链路上 工作于半双工链路上的又叫停止等待ARQ 发送端在发完一组信息后就停下来等待接收端由反馈信道送回的判决信号 如果送回的是 否认 NAK 或收到的是 否认 信号 在计时器停止计时前则需重发该组信号 如收到 肯定 ACK 信号 则继续发送下一组 这种方式常用于面向字符的传输控制协议中 2 5差错控制技术 2 差错控制基本方式检错反馈重发工作于全双工链路上的ARQ 信息组和判决信号均被编号 发送端可连续发送信息 同时检测接收端送回的判决信号 并依据接收端的要求重发全部或选择重发部分信息 这种连续式ARQ系统常用于面向比特的传输控制规程中 反馈重发方式的缺点是需要双向信道 且实时性较差 2 5差错控制技术 2 差错控制基本方式前向纠错方式工作原理是 发送端将信息编成具有检错和纠错能力的码字并发送出去 接收端对收到的码字进行译码 译码时不但能发现错误 而且能自动进行错误纠正 并且将已纠正的信息送给接收器 特点 不需要反向信道 也不存在由于反馈重发而造成的延迟 实时性好 需要较为复杂的译码设备 为了确定和纠正错误码字 有较多的冗余码 传输效率有所下降 2 5差错控制技术 2 差错控制基本方式混合纠错混合纠错方式综合了上述两种纠错方式 其基本原理是发端发送具有一定纠错能力的码字 接收端对所收到的数据进行检测 若发现错误 就对少量的能纠正的错误进行纠正 而对于超过纠错能力的差错通过反馈重发方式予以纠正 2 6学习指导 2 6 1知识要点本章主要介绍了数据通信的基本概念 数据传输方式 多路复用技术 数据交换技术和差错控制技术等内容 2 6学习指导 2 6 1知识要点1 数据通信的基本概念数据 信息可以用数字的形式来表示 数字化的信息称为数据 数据可以分为两类 模拟数据和数字数据 信道 信道是传送信号的一条通道 可以分为物理信道和逻辑信道 物理信道是数据通信系统中最基本的组成部分 它由各种类型的传输介质和中间设备组成 物理信道按传输介质的不同可以分为有线信道和无线信道 有线信道的传输介质有双绞线 同轴电缆和光纤 无线信道的传输介质有微波 红外线和激光等 2 6学习指导 1 数据通信的基本概念带宽 带宽是指信道所能传送的信号频率宽度 它的值为信道上可传送信号的最高频率减去最低频率之差 带宽越大 所能达到的传输速率就越大 因此 信道的带宽是衡量传输系统的一个重要指标 数据传输速率 数据传输速率是指单位时间内信道传输的信息量 单位为bps 位每秒 它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位 bit 数 2 6学习指导 2 数据传输方式数据线路的通信方式 根据数据信息在传输介质上的传送方向 数据通信方式可分为单工通信 半双工通信和全工通信3种 数据传输方式 依据数据在传输线路上是原样不变地传输还是调制变样后再传输可分为基带传输和频带传输 按照发送的数据是一个字符还是一组字符可分为异步传输方式和同步传输方式 2 6学习指导 3 多路复用技术在点对点的通信方式中 若两点间的通信线路是专用的 其利用率很低 提高线路利用率的方法是使多个数据源合用一条通信线路 为此需要使用多路复用技术 最基本的多路复用技术有频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM 波分多路复用 WDM 和码分多路复用 CDM 技术 2 6学习指导 4 数据交换技术电路交换 线路交换 是指通过网络节点在工作站之间建立专用的通信信道 即在两个工作站之间建立实际的物理连接 一旦通信线路建立 这对端点就独占该物理通道 直至通信结束 它要求通信双方必须同时工作 2 6学习指导 4 数据交换技术报文交换 报文是一个带有源端和目的端地址信息和控制信息的数据包 报文交换采用的是 存储 转发 技术 不需要在通信的两个端点之间建立专用的物理线路 分组交换 分组交换是报文交换的一种改进 也属于存储 转发交换方式 但它不是以报文为单位 而是以长度受到限制的报文分组为单位进行传输交换的 分组也叫包 所以分组交换有时也称为包交换 2 6学习指导 5 差错控制技术数据传输中出现差错有多种原因 一般分为内部因素和外部因素 内部因素有噪声脉冲 衰减和延迟失真等 外部因素有电磁干扰 工业噪声等 为了确保无差错地传输 必须具有检错和纠错功能 常用的校验方式有奇偶校验和循环冗余校验 2 6学习指导 5 差错控制技术数据传输中出现差错有多种原因 一般分为内部因素和外部因素 内部因素有噪声脉冲 衰减和延迟失真等 外部因素有电磁干扰 工业噪声等 为了确保无差错地传输 必须具有检错和纠错功能 常用的校验方式有奇偶校验和循环冗余校验 2 6学习指导 2 6 2例题精讲信号可以双向传输 但不能同时进行双向传送 只能交替进行 在任何时刻 通道中只存在向某一方向传输的信号 这种通信方式叫做 答案 半双工通信解析 数据通信按照传送的方向和时间的关系可以分为单工 半双工 全双工通信3种 单工通信是指在任何时候信号只能朝某个方向传输而不能改变方向的一种数据传输方式 半双工通信的信号可以双向传输 但不能同时进行双向传输 只能交替进行 而全双工方式可以同时进行双向信号传送 能进行全双工通信的通道一定能进行单工或半双工通信 2 6学习指导 2 6 2例题精讲在信号的收发两站点之间进行的数据传输只建立一条通信线路 每次只传送一个二进制代码的通信方式是 答案 串行通信解析 串行通信是指在信号的收发两站点之间进行的数据传输只建立一条通信线路 每次只传送一个二进制代码 对于一个字符的传输 需要8次传送才能完成任务 如果在通信双方之间建立多条通信线路 一次传输中 每条线路上都传送一个二进制代码 所有线路同时传送 这种传输方式称为并行传输 2 6学习指导 2 6 2例题精讲报文交换和分组交换均采用 的传送方式 答案 存储 转发解析 在报文交换中 分组交换也称为包交换 它是报文交换的一种改进 分组交换是把报文分割成具有固定长度的数据包 网络节点负责从通信设备完整的接收一个报文后 把它暂存在硬盘中 等到输出线路有空闲时 再把报文转发给下一个网络节点 即以存储 转发的形式传送数据 包中含有源地址 目的地址和控制信息 也是以存储 转发的形式传送数据 但网络节点接收到一个报文分组后 把它暂存在内存中 等到输出线路有空闲时 再把报文分组转发给下一个网络节点 2 6学习指导 2 6 2例题精讲若要传输的比特序列为110011010 生成多项式G x x4 x3 1 求CRC码的检验序列码以及实际发送的比特序列是什么 答案 存储 转发解析 发送数据对应的比特序列为110011010 生成多项式对应的比特序列为11001 k 4 F x xk对应的比特序列为1100110100000 2 6学习指导 2 6 2例题精讲将F x xk对应的比特序列用生成多项式对应的比特序列11001去除 按二进制模二算法结果为 2 6学习指导 2 6 2例题精讲求得余数比特序列为1100 4位 就是CRC码的检验序列码 实际发送的比特序列为 1100110101100 2 6学习指导 2 6 2例题精讲若要传送的信息序列为1000100101 生成多项式为G x x5 x4 x2 1 求CRC码的检验序列码 若收到的数据比特序列为100010010100011 验证其正确性 解析 发送数据对应的比特序列为1000100101 生成多项式对应的比特序列为110101 k 5 F x xk对应的比特序列为100010010100000 2 6学习指导 2 6 2例题精讲将F x xk对应的比特序列用生成多项式对应的比特序列110101去除 按二进制模二算法结果为 2 6学习指导 2 6 2例题精讲求得余数比特序列为00011 5位 就是CRC码的检验序列码 将收到的比特序列用生成多项式对应的比特序列110101去除 若能够被整除 数据传输正确 否则传输错误 计算过程按二进制模二算法与前面相同 由读者自己完成 传输结果应是正确的 2 6学习指导 2 6 3习题选择题1 在计算机通信中 数据交换形式包含分组交换和电路交换 前者比后者 A 实时性好 线路利用率高B 实时性差 线路利用率高C 实时性好 线路利用率低D 实时性差 线路利用率低 2 6学习指导 2 6 3习题选择题2 下列交换方式中 的传输延迟最小 A 报文交换B 电路交换C 分组交换D 数据报分组交换3 在传输数据时 以原封不动的形式把来自终端的信息送入线路称为 A 调制B 基带传输C 频带传输D 解调 2 6学习指导 2 6 3习题选择题4 在同一个信道上的同一时刻 能够进行双向数据传输的通信方式是 A 单工B 半双工C 全双工D 自动5 奇偶校验可以检查出 位出错的情况 A 1B 2C 8D 16 2 6学习指导 2 6 3习题选择题6 通过收音机收听广播电台节目的通信方式是 A 单工B 半双工C 全双工D 自动 2 6学习指导 2 6 3习题选择题7 在信道上传输的信号有 之分 A 基带信号和窄带信号B 宽带信号和窄带信号C 基带信号和宽带信号D 频带信号和窄带信号 2 6学习指导 2 6 3习题选择题8 信号的电平随时间连续变化 这类信号称为 A 模拟信号B 基带信号C 同步信号D 数字信号9 在数据通信过程中 将模拟信号还原成数字信号的过程称为 A 调制B 解调C 流量控制D 差错控制 2 6学习指导 2 6 3习题选择题10 在数字传输中 把一个 称为一个码元 A 数字脉冲B 二进制位C 字节D 字长11 航空和航海中的无线电台和对讲机采用的是 通信方式 A 单工B 半双工C 全双工D 自动 2 6学习指导 2 6 3习题选择题12 下列关于电路交换的叙述中 是错误的 A 电路交换中的每个节点都是电子式或电子机械式的交换设备B 数据传输前必须建立两个工作站之间实际的物理连接C 每个节点的延迟很小D 连接两端的计算机不必同时工作 2 6学习指导 2 6 3习题选择题13 信道按传输信号的种类可以分为 A 专业信道和公用信道B 有线信道和无线信道C 模拟信道和数字信道D 卫星信道和微波信道 2 6学习指导 2 6 3习题选择题14 下列有关数据传输方式的叙述中 错误的是 A 基带传输一般用在较远距离的数据通信中B 基带传输中要通过调制解调器进行数字信号和模拟信号的转换C 宽带传输既可以传输数字信号 也可以传输模拟信号D 基带传输和宽带传输的区别是数据传输速率不同 2 6学习指导 2 6 3习题选择题15 电话系统采用的是 的数据交换技术 A 电路交换B 分组交换C 报文交换D 信元交换16 将一条物理信道按时间分成若干时间片轮换的给多个信号使用 每一时间片由复用的一个信号占用 这样可以在一条物理信道上传输多个数字信号 这就是 A 频分多路复用B 时分多路复用C 码分多路复用D 频分和时分混合多路复用 2 6学习指导 2 6 3习题选择题17 下列不属于数据交换技术的是 A 报文交换B 分组交换C 信息交换D 电路交换18 传输时需要进行调制编码 A 数字数据在数字信道上B 数字数据在模拟信道上C 模拟数据在数字信道上D 模拟数据在模拟信道上 2 6学习指导 2 6 3习题选择题19 在数据通信中 使用曼彻斯特编码的主要原因是 A 实现对通信过程中传输错误的恢复B 实现对通信过程中收发双方的数据同步C 提高对数据的有效传输速率D 提高传输信号的抗干扰能力20 使