数据通信基础 教学PPT.ppt

第二章数据通信 基础 信息 信息 Information 是客观事物属性和相互联系特性的表征 它反映了客观事物的存在形式和运动状态 例如事物的运动状态 结构 温度 性能等都是信息的不同表现形式 信息可以以文字 声音 图形 图像等各种不同形式存在 2 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 数据可以分为模拟数据和数字数据两种 模拟数据 在时间和幅值取值上都是连续变化的 例如声音 语音 视频和动画片等 模拟数据通常用传感器收集 数字数据 在时间上是离散的 在幅值上是经过量话的 它一般是由0 1构成的二进制代码组成的数字序列 3 信号信号是数据的具体物理表现形式 它具有确定的物理描述 如电信号 光信号或磁场强度等 信号分为数字信号和模拟信号两种 图2 2模拟信号与数字信号波形 模拟信号 是一种连续变化的电脉冲序列 例如电话语音信号 电视信号等 它是随时间变化的函数曲线 如图2 2 a 所示 数字信号 是离散的不连续的电信号 通常用 高 和 低 电平脉冲序列组成的编码来表示数据 如图2 2 b 所示 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 物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路 由传输介质及其附属设备组成 逻辑信道而是在物理信道基础上 由节点设备内部的连接来实现 举例 物理信道 高速公路逻辑信道 各种运输车队 可以按时分在高速公路上跑 就是A车队跑一趟 然后换B车队跑一趟 也可以按频分跑 就是高速公路有4车道 那就可以跑4个车队 物理信道是真实存在的 传送实际信息的 不管上层跑什么车队 逻辑信道是人为定义的 但最终都要在物理信道上传送 使用权限 专业信道和共用信道传输介质 有线信道和无线信道传输信号种类 模拟信道和数字信道 信道容量 信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的 信道容量用来表征一个信道传输信息的最大能力 通常用信息来表示 香农公式 带噪信道容量公式 C B log2 1 S N bps B为信道带宽 Hz S为信号功率N为噪声功率 S N为信噪比 通常把信噪比表示成 码元码字 所谓 码元 或称为 码位 是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位的通称 是构成信息编码的最小单位 而由若干个码元序列表示的数据单元代码通常称为 码字 例如 二进制数字1000001是由7个码元组成的序列 可以视为一个码字 在7位ASCII码中 这个码字表示字母A 数据通信系统的基本结构任何一个通信系统都可以看作是由发送设备 传输信道和接收设备三大部分组成 我们把产生和发送信息的一端称为信源 把接收信息的一端称为信宿 把信源传送到信宿的通信线路称为信道 在实际通信系统中 难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响 因此 数据通信系统的基本结构如图2 3所示 数据通信系统主要技术指标 比特率是一种数字信号的传输速率 是指每秒传送的二进制代码的有效位数 比特数 bit 单位为bps BitPerSecond 比特率越高 传送数据速度越快 波特率 码元速率 是一种调制速率 也称波形速率 在数据传输过程中 线路上每秒载波调制状态改变的次数就是波特率 其单位是波特 Baud 比特率是测量每秒可传输数据比特位 0和1 数量的单位 例如 每秒2 400位的比特率是指每一秒钟传输了2 400个1和0 波特率表示每秒钟一个信号 从0变为1或从1变为0 或符号 连接的电压 频率或相位 在信道中改变状态或发生变化的次数 例如 2 400波特率是指该通道每秒钟最多改变状态2 400次 在这个例子中 波特率和比特率是相同的数值 2 400bps 1比特率等于1波特率 误码率指信息传输的错误率 也称错误率 是在正常工作情况下 衡量传输可靠性的指标 误码率 传输中的误码 所传输的总码数 100 Pe Ne N 吞吐量单位时间内整个网络能够处理的信息总量 单位是字节 秒或位 秒 在单信道总线型网络中 吞吐量 信道容量 传输效率 数据通信系统主要技术指标 信道的传播延迟信号在信道中传播 从信源端到达信宿端需要一定的时间 这个时间称为传播延迟 或时延 这个时间与信源端和信宿端的距离有关 也与具体信道中的信号传播速度有关 数据通信系统主要技术指标 信道带宽 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与最低频率之差 带宽越大 所能达到的传输速率就越大 数据传输率 S 是指单位时间内信道内传输的信息量 其定义是 通信线路 或系统 单位时间 每秒 内传输的字符个数 或者单位时间 每秒 内传输的码组 字块 数或比特数 其单位是字符 秒 或者码组 秒 比特 秒 可见 当数据传输率用 bit s 作单位时 即等于比特率 一般来说 数据传输率的高低由传输每1位数据所占时间决定 传输每1位数据所占的时间越小 则速率越高 B与S的关系 S B log2N b s N 调制电平数B 数字信号的脉冲数率 即波特率 作业 随堂练P121 2 4 8 10 数据传输方式 一 数据通信系统模型1 数据通信系统的一般结构模型 它是由数据终端设备 DTE 数据线路端接设备 DCE 和通信线路等组成 通信系统模型 2 通信系统模型通信系统组成三要素 信源 信宿和信道 数据线路的通信方式 根据数据信息在传输线上的传送方向 数据通信方式有 单工通信 半双工通信 双工通信 发送端 接收端 发送端 接收端 一 单工 在通信线路上 数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式 称为单工通信 数据信道 发送端 发送端 接收端 接收端 信道 半双工通信方式 数据可以双向传输 但不能同时进行 采用分时间段传输 在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息 这种通信方式称为半双工通信 数据 发送端接收端 发送端接收端 发送端 接收端 接收端 发送端 发送端 发送端 全双工通信方式 可同时双向传输数据的通信方式称为全双工通信 数据 接收端 接收端 数据 计算机网络技术 26 串行和并行通信 按照通信中字节使用的信道数 数据通信方式可分为串行通信和并行通信 1 串行通信串行传输是构成二进制代码在一条信道上以位 码元 为单位 按时间顺序逐位传输的方式 按位发送 逐位接收 同时还要确认字符 所以要采取同步措施 串行通信的优点是收 发双方只需要一条传输信道 易于实现 成本低 但速度比较低 计算机网络技术 27 串行和并行通信 串行通信 计算机网络技术 28 串行和并行通信 2 并行通信 是构成字符的二进制代码在并行信道上同时传输的方式 例如 8单位代码字符要用8条信道并行同时传输 一次传一个字符 收 发双方不存在同步问题 并行通信的优点是速度快 但发端与收端之间有若干条线路 导致费用高 仅适合于近距离和高速率的通信 计算机网络技术 29 串行和并行通信 并行通信 数据传输方式 数据传输方式依其数据在传输线原样不变地传输还是调制变样后再传输 可分为基带传输 频带传输和宽带传输等方式 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 1 基带传输基带 Baseband 是指调制前原始电信号占用的频带 是原始电信号固有的基本频带 基带信号是未经载波调制的信号 由 0 和 1 组成的数字信号又称为 数字基带信号 基带传输在信道中直接传输基带信号时 称为基带传输 基带传输的信号既可以是模拟信号 也可以是数字信号 具体类型由信源决定 1 基带传输基带传输是一种最基本的数据传输方式 一般用在较近距离的数据通信中 在计算机局域网中 主要就是采用这种传输方式 例如计算机网络中的信号就是基带传输的 基带传输一般用较近距离的数据通信中 基带传输 频带传输和宽带传输 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 2 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 将数字信号调制成模拟信号后在发送和传输 到达接收端时 再把模拟信号解调为原来的数字信号 调制解调器 调制解调器是一种计算机硬件 它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号 而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收 并译成计算机可懂的语言 这一简单过程完成了两台计算机间的通信 我们现有的电话 模拟电视信号等 都是属于频带传输 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 3 频带传输与基带传输不同 基带传输中 基带信号占有信道的全部带宽 频带传输中 模拟信号通常由某个频率或某几个频率组成 占用一个固有频带 高频 即整个频道的一部分 采用多路复用技术 提高了信道利用率 频带传输的波形比较单一 因为在频带传输中只需要用不同幅度或不同频率表示0 1两个电平 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 4 宽带传输宽带是指带宽比声频更宽的频带 利用宽带进行的传输称为宽带传输 宽带传输可以在传输介质上使用频分多路复用技术 由于数字信号的频带很宽 不便于在宽带网中直接传输 通常将其转化成模拟信号后再在宽带网中传输 宽带传输信道容量大 传输距离远 基带传输速率快 距离近 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 4 宽带传输计算机局域网中采用的数据传输系统有基带传输和宽带传输两种方式 它们的主要区别在于传输速率不同 一个宽带信道能被划分为许多个逻辑信道 从而可以将各种声音 图像和数据信息传输综合在同一个物理信道上进行 2 3 1基带传输 频带传输和宽带传输 4 宽带传输 一般说 宽带传输与基带传输相比有以下优点 能在一个信道中传输声音 图像和数据信息 使系统具有多种用途 一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道 实现多路复用 因此信道的容量大大增加 宽带传输的距离比基带远 因为基带传输直接传送数字信号 传输的速率越高 能够传输的距离越短 练习 1 数据线路的通信方式有 2 数据传输方式可分为 等 数据交换技术 Question 为什么要采用数据交换技术一个拥有众多用户的通信网不可能采用两两之间连接的全互联方式 必须采用交换设备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 交换网络有多条信道供多个终端共用 网络的交换设备能够按照终端的需要分配信道并将它们连接起来 本任务主要学习电路交换 存储转发交换和高速交换技术 电路交换 电路交换一般定义 交换机负责在两个通信站点之间建立一条物理的固定传输通路 直到通信完毕后再拆除 通信的三个阶段 建立连接 通信 释放连接特点 数据传输前需要先建立一条临时的端到端的通道 通信双方在通信过程中自始自终占用该条链路 应用 服务质量要求较高 电话网 实时数据 音频 视频 1 电路交换把 建立连接 通信 释放连接 三个步骤的连网方式称为面向连接的 电路交换必定是面向连接的 例 两部电话机通信只需要用一对电线就能够互相连接起来 电路交换 1电路交换的通信过程三个阶段 电路建立阶段数据传输阶段电路释放阶段 电路交换 1 电路交换 电路交换 2 4 3数据交换技术 1 电路交换的优点 信息传输时延短信息传输效率高对用户提供 透明 传输通路适合传输信息量大 通信对象比较确定的用户 电路交换 2 电路交换的缺点 线路利用率较低 通信双方必须同时工作 电路交换 2 存储转发交换在交换过程中 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 过程 信息从数据源到目的地一般要经过多级转发 中间经过的每个交换机 路由器 都有一个缓冲区 在交换机进行转发时 先把信息存放到数据缓冲区 等到线路空闲时 将信息传输出去 特点 可靠性高 不需要一条专用的通路 提高了信道的利用率 方式 报文交换和分组交换 存储转发交换 2 存储转发交换 1 报文交换以报文为单位发送信息 整个报文作为一个整体一起发送 报文就是计算机一次性要发送的数据块 其长度不限且可变 报文包括三部分内容 报头 报文正文和报尾 报头由源地址 目的地址及控制信息组成报尾一般是校验信息 存储转发交换 2 存储转发交换 1 报文交换报文交换的过程 发送端 接受端 存储转发交换 1 报文交换A B C D表示交换设备 存储转发交换 1 报文交换优点 线路利用率与电路交换相比较高缺点 1 大报文造成存储转发的延时过长 2 出错后整个报文全部重发 现在已经很少使用 更好的技术取代 存储转发交换 2 分组交换过程a 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 每个部分称为一个分组 b 每个分组的前面加一个分组头 由交换机根据目的地址转发至目的地 这个过程称为分组交换 c 接收端收到所有分组后 还原得到报文分组交换也称为包交换进行分组交换的通信网络称为分组交换网 存储转发交换 分组交换的主要特点 分组交换则采用存储转发技术 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 报文 添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上首部构成分组 packet 数据 数据 数据 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 分组交换的传输单元 分组交换网以 分组 作为数据传输单元 依次把各分组发送到接收端 假定接收端在左边 以分组为基本单位在网络中传送 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址 诸如目的地址和源地址 等控制信息 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息 把分组转发到下一个结点交换机 每个分组在互联网中独立地选择传输路径 用这样的存储转发方式 最后分组就能到达最终目的地 收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 最后还原成原来的报文 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错 在转发时也没有被丢弃 数据 数据 数据 2 分组交换特点 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 分组可通过数据报方式或虚电路方式交换 5 有强大的纠错机制 流量控制和路由选择功能 2存储转发交换 2 分组交换两种方式 数据报方式虚电路方式数据报方式 每个分组包含源地址和目的地址 各个分组根据目的地址独立到达目的地 同一个报文的不同分组可能沿着不同路径到达目的地 每个分组又称为数据报 数据报会出现乱序 丢失 重复问题 2存储转发交换 2 分组交换虚电路方式 虚电路就是通信双方在开始互相发送和接收数据之前 需要在网络上先建立一条逻辑链路 用户数据按照顺序沿逻辑链路到达目的地 过程 包括虚电路建立 数据传输和虚电路拆除三个阶段 报文分组不必带目的地址 源地址等辅助信息 只需携带虚电路标识号 同一条物理线路上可以建立多条虚电路 2存储转发交换 ABCD 报文交换 电路交换 虚电路 分组交换 几种交换的比较 分组交换与报文交换的比较 1 分组交换比报文交换减少了时间延时 2 分组交换把数据的最大长度限制在较小的范围内 每个节点所需要的存储量减少 有利于提高节点存储资源的利用率 3 分组交换易于重新开始新的传输 可让紧急报文迅速发送出去 不会遭到传输优先级较低的报文的堵塞 信元交换技术 信元交换是一种高速分组交换方式 在信元交换中 信元为基本单位 信元是一种极短的固定长度的信息交换单元 每个信元长为53字节 分为信元头和信息域两部分 信元头占5个字节 包括信元标识等信息 信息域占48个字节 承载用户的数据 信元交换技术 信元交换的报文包括信令和一个或多个信元 信令是控制命令 用于建立和释放逻辑连接 信元的标识用来识别信息传输路径 由此可见 信元交换方式融合了电路交换高速率和分组交换高效率的特点 在信元交换过程中 各路的信元存储在缓冲区中 列队等候待发 待空信元到来时 则将信元插入到空信元中发送出去 信元交换技术 ATM 异步传输方式 是信元交换的实际应用标准 它是当前发展最快的网络技术 传输介质使用光缆或双绞线 其传输速率已达到155Mbps和622Mbps 并向2Gbps进军 ATM采用的是面向连接的高速交换和多路复用技术 能保证网络带宽不随用户数增加而下降 而且每个用户可享用专用带宽并可根据用户的需求变化来调节用户的带宽 ATM有3层结构 物理层 ATM层和ATM自适应层 信元交换技术 ATM的特点是支持复杂的多媒体应用 相对传统LAN拥有可靠的服务质量 良好的伸缩性 提高生产率 改进现有应用的性能 为用户网络提供带宽 保护用户投资 高频宽 低延时 节省费用 ATM是一种广域网主干线的较好选择 四种交换技术的优缺点 电路交换 优点 实时性好 通信效率高 缺点 线路利用率低 不能连接不同类型线路组成的链路 通信双方要同时工作 报文交换 优点 线路利用率高 双方无须同时工作 可同时向多个目的地发送同一报文 可在网络上实现报文差错控制和纠错处理 能进行速度和代码的转换 缺点 网络延时较长 不适宜实时通信和交互式场合 四种交换技术的优缺点 数据报 优点 对于短报文数据 通信传输率较高 对网络故障适应能力强缺点 传输延时较大 时延离散度大虚电路 优点 对于数据量较大的通信传输率高 分组传输延时短 且不易产生数据分组丢失 缺点 对网络的依赖性较大 4种交换技术的比较 1 对于交互式通信来说 报文交换是不合适的 2 对于较轻的间歇式负载来说 电路交换是合适的 因为可以通过电话拨号线路来使用公用电话系统 3 对于两个站之间很重的和持续的负载来说 使用租用的电路交换线是最合适的 4 当有一批中等数量数据必须交换到大量的数据设备时 宁可用分组交换方法 这种技术的线路利用率是最高的 4种交换技术的比较 5 数据报分组交换适用于短报文和具有灵活性的报文 6 虚电路分组交换适用于大批量数据交换和减轻各站的处理负担 7 信元交换适用于对带宽要求高和对服务质量要求高的应用 练习题 一 选择题1 电子邮件采用的交换方式是 A 电路交换B 报文交换C 数据报D 虚电路2 报文交换不适合于 A 电子邮件B 间隙性负载C 交互式通信D 少量数据3 以下交换技术中 不属于存储交换技术的是 A 电路交换B 数据报C 虚电路D 报文交换4 下列交换方式中 的传输延时最小A 报文交换B 电路交换C 虚电路D 数据报交换二 填空题1 如果按照数据交换方式进行分类 电话系统的信息交换方式属于 2 一般来讲 存储转发方式包括报文交换和 3 在数据传输中 一般要建立连接的是 交换方式 B C A B 电路交换 分组交换 电路 知识拓展 高速交换技术 异步传输模式ATM是一种比帧中继传输速率更高的快速分组交换方式 ATM的传输单位为信元 Cell 又称信元交换 信元是一种较短的数据分组 其长度固定为53个字节 采用时分多路复用技术 不必在数据链路层进行差错控制和流量控制 多路复用技术 多路 多条互不相干的信号通道 复用 合在一起使用 在数据通信或计算机网络系统中 传输介质的带宽或容量往往超过传输单一信号的需求 为了有效地利用通信线路 希望一个信道同时传输多路信号 这就是所谓的多路复用技术 采用多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道上进行传输 其方法是在发送端将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一条共用信道上传输的复合信号 在信号的接收端还能将复合信号分离出与原来一样的若干个彼此无关的信号来 多路复用技术的原理如下图所示 由多路复用器合并N个输入通道的信号 N取决于所用传输介质的限制因素 组成一路复合信号 经传输速率较高的线路传输后 由多路译码器将复合信号按通道号再分离出来 然后把它们送到相应的输出端 多路复用技术 配置多路复用线路有许多种不同方法 多路复用器的类型也各异 常用的多路复用技术有时分多路复用 TDM 频分多路复用 FDM 和波分多路复用 WDM 等 图多路复用技术原理 1时分多路复用 所谓时分多路复用是将一条物理信道按时间分成若干个时间片 时隙 轮流分配给多个信号使用每一时间片由要复用的一个信号占用 一个信号的时间片用完后 信道再分配给下一个信号 这样利用每个信号在时间上的交叉 就可以在一条物理信道上传输多个数字信号了 如图3所示 图3时分多路复用示意图 时分多路复用技术的特点 当物理信道可支持的位传输速率足够快时 可以将信道的传输时间划分成若干时隙 并将各时隙轮流地分配给各路信号 使若干路信号合用单一的通信媒体 时间域上互不重叠 任一瞬间只有一路信号占用线路 但每个信号都占用整个频带 多路信号分时地在信道内传送 时分多路复用技术既可用于基带局域网 也可用于宽带网络 78 时分多路复用技术的分类 同步时分多路复用 分配给每个数据源的时间片是固定的 各个数据源的时间片不可互相转让 79 异步时分多路复用 允许动态地分配时间片 各个数据源的时间片空闲时可以转让 也称为统计时分多路复用 频分多路复用电路常用于模拟信号的传输 其工作原理是 按照频率划分信号的方法 把传输频带分成若干个较窄的频带 每个窄频带构成一个子通道 独立地传输信息 FDM将每一信息经调制变成不同的载波频率 各个信号都有自己的带宽 2频分多路复用 为了避免信号彼此干扰 各载波之间留有适当的频率间距 各载波之间便不会有因信号的互相重叠而发生干扰的现象产生 如图4所示 图4频分多路复用示意图 频分多路复用技术的特点 频分多路复用使信道在同一时刻能同时独立传送多路信号 每路信号占用不同的频带 在线路上传输的是各路信号经过调制后的叠加在一起的复合信号 频分多路复用技术适用于宽带网络 82 波分多路复用是在光纤信道上使用频分多路复用的一个变种 其基本原理是 利用波分多路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 主要用于光纤通信 它是利用不同波长的光在一条光纤上同时传输多路信号 3波分多路复用 如图5所示 这是一种在光纤上获得WDM的简单方法 在这种方法中 两根光纤连接到一个棱柱 或更可能是衍射光栅 上 每根光纤的能量处于不同的波段 两束光通过棱柱或光栅 合成到一根共享的光纤上 传送到远方的目的地 随后再将它们分解开来 图5波分多路复用 码分多路复用技术 码分多路复用 CDMA CodeDivisionMultiplexingAccess 是按照码型结构的不同来区分各路用户信号 也称为码分多址 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信 各用户使用经过特殊挑选的不同码型 因此彼此不会造成干扰 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力 其频谱类似于白噪声 不易被敌人发现 可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性 减少干扰对通信的影响 增大通信系统的容量 是使用GSM的4 5倍 降低手机的平均发射功率等等 85 差错产生的原因 数据通信系统的基本任务是高效率而无差错地传送数据 数据信号在通信线路中传输时 难免受到来自信道内部和外部的干扰 从而引起信号的失真 导致数据传输错误 传输出错的原因 一是内部因素 噪声脉冲 脉动噪声 衰减 延迟失真 二是外部因素 包括电磁干扰 太阳噪声 工作噪声 噪声是影响数据传输质量的主要因素 根据产生的原因可以将噪声分为四类 热噪声 交调噪声 串音和脉冲噪声四类 噪声的类型 热噪声是由带电粒子在导电介质中的布朗运动引起的 它存在于任何工作在绝对零度以上的电路或系统中 热噪声属于高斯白噪声 其概率密度函数满足正态分布统计特性 同时它的功率谱密度函数是均匀分布的 常数 热噪声的特点是 时刻存在 不可排除 幅度较小 强度与频率无关 但频谱很宽