计算机网络技术课件(第2章)数据通信基础.ppt

计算机网络技术 Ver4 第二章数据通信基础 摘要 数据通信网络是计算机网络的重要组成部分 数据通信技术是计算机网络技术的基础 本章主要介绍了数据通信的重要基本概念 比较详细地讲解了数据通信技术的主要技术指标 通信方式 复用技术 交换技术及差错控制技术等 第二章数据通信基础 训教重点数据通信方式数据传输形式多路复用技术数据交换技术差错控制技术 能力目标掌握数据通信基本原理和方式掌握数据通信三种模式掌握基带传输的各种编码方式掌握数据交换的几种方式 第二章数据通信基础 2 1数据通信系统模型 2 2数据通信的基本概念 2 4数据传输 2 6数据交换技术 2 3通信方式 2 5多路复用技术 2 7差错控制 第二章数据通信基础 2 1数据通信系统模型 2 1 1通信系统的基本要素 通信 Communication 是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程 即信息的传输与交换 对一个同信系统来说都必须具备三个基本要素 即信源 信宿和通信媒体 其中 信源是在通信过程中产生和发送信息的设备 信宿是通信过程中接收和处理信息的设备 通信媒体是信息传输过程中承载信息的媒体 第二章数据通信基础 2 1数据通信系统模型 2 1 2数据通信系统模型 如果一个通信系统传输的信息是数据 则称这种通信为数据通信 DataCommunication 实现这种通信的系统是数据通信系统 数据终端设备DTE DataTerminalEquipment 数据电路端接设备DCE DataCircuit TerminatingEquipment 第二章数据通信基础 2 2数据通信的基本概念 2 2 1数据和信号 数据是被记录下来的可以被鉴别的符号 信息是对数据的解释 数据经过处理并经过解释才有意义 才成为信息 信息则是按照一定要求以一定格式组织起来的数据 凡经过加工处理或换算成人们想要得到的数据即可称为信息 第二章数据通信基础 2 2数据通信系统模型 2 2 1数据和信号 模拟数据是在某个区间内连续变化的值数字数据是离散的值信号 Signal 是数据的电或电磁的编码 对应于模拟数据和数字数据 信号也可分为模拟信号和数字信号 模拟信号特征 1 振幅 Amplitude 用来表示信号波形变化的大小 2 频率 Frequency 用来表示每秒内波形重复的次数 单位为Hz 次 秒 3 相位 Phase 用来表示波形在单一周期内的时间位置 第二章数据通信基础 2 2数据通信的基本概念 2 2 1数据和信号 数字信号则是一系列离散的电脉冲 可以利用其某一瞬间的状态来表示要传输的数据 数字数据也可以用模拟信号来表示 此时要利用调制解调器 Modem 来进行转换 在发送端将数字数据转换成模拟信号 使之能在适合于此种模拟信号的媒体上传输 这个过程叫调制 在接收端再将模拟信号还原成原来的数字数据 这个过程叫解调 如拨号上网 模拟数据也可以用数字信号来表示 对于声音数据来说 完成模拟数据和数字信号转换功能的设备是编码译码器CODEC Coder Decoder 如网络电话 第二章数据通信基础 2 2数据通信的基本概念 2 2 1数据和信号 信道是指传输信息的通路 在计算机网络中有物理信道和逻辑信道之分 物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路 网络中两个结点之间的物理通路称为通信链路 逻辑信道也是一种通路 它是在物理信道的基础上 由结点内部建立的逻辑上的联接 带宽 Bandwidth 是指信道所能传送的信号的频率宽度 也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差 信道的带宽由传输介质 接口部件 传输协议以及传输信息的特性等因素所决定 第二章数据通信基础 2 2数据通信的基本概念 2 2 2数据通信中的主要技术指标 数据传输速率数据传输速率是指每秒钟能传输的二进制信息位数 单位为位 秒 bitpersecond 记作bps 调制速率又称波特率 码元速率 每秒钟所能传送的码元数量 单位为波特 记作Baud 信道容量 ChannelCapacity 表征一个信道传输数据的能力 单位也是位 秒 bps 误码率 ErrorRates 是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标 它的定义为二进制数据在传输时出错的概率 第二章数据通信基础 2 2数据通信的基本概念 2 2 2数据通信中的主要技术指标 时延 Delay 是指一个数据报文或分组从一个网络 或一条链路 的一端传输到另一端所需的时间 1 数据传输时延 传输时延是指信号在介质信道中传输所需要的时间 其计算公式为 传输时延 介质信道长度 电磁波在信道中的传输速率 2 数据发送时延 发送时延是指发送一个完整的数据块所需要的时间 其计算公式为 发送时延 数据块长度 数据传输速率 3 数据排队时延 排队时延是指数据在各交换结点等待发送而在缓存的队列中排队所需要的时间 数据总的时延为以上三种时延之和 即总时延 数据传输时延 数据发送时延 数据排队时延 第二章数据通信基础 2 2数据通信的基本概念 2 2 2数据通信中的主要技术指标 吞吐量是指成功传输数据量的大小 这是衡量网络性能的技术指标之一 由于网络中存在各种干扰 难免会引起数据的差错 所以 一般情况下 成功传输的数据量 吞吐量 小于总的数据传输量 第二章数据通信基础 2 3通信方式 2 3 1并行通信和串行通信 并行通信 一般有多个数据位同时在两台设备之间传输 优点 传输速率快 缺点 线路成本高 不易维修 易受干扰 第二章数据通信基础 2 3通信方式 2 3 1串行通信和串行通信 串行通信 数据是一位一位地在通信线路上进行传输的 优点 架设方便 容易维护 线路成本低 缺点 传输速率较慢 串行通信适用于长距离 低速率的通信 而并行通信适用于短距离 高速率的通信 第二章数据通信基础 2 3通信方式 2 3 2同步通信和异步通信 异步通信 一次只传输一个字符 由5 8位比特组成 每个字符用一位起始位引导 一位终止位结束 起始位为 0 占一位时间 终止位为 1 占1 2位的持续时间 如采用奇偶校验时 在终止位前加一位校验码 在没有数据发送时 发送方可发送连续的终止位 称空闲位 接收方根据 1 至 0 的跳变来判别一个新字符的开始 然后接收字符中的所有位 图例 第二章数据通信基础 2 3通信方式 2 3 2同步通信和异步通信 同步通信 在同步通信方式下 接收端接收的每一位数据都要和发送端准确地保持同步 中间无间断时间 在外同步法中 接收端的同步信号事先由发送端传来 而不是自己产生也不是从信号中提取出来的 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 接收端按照这个时钟脉冲频率和时序锁定接收频率 以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步 然后向发送端发送准备接收的确认信息 发送端接收到确认信息后 开始发送数据 自同步法是指接收端能从接收到的数据信号波形中提取同步信号的方法 第二章数据通信基础 2 3通信方式 2 3 3数据通信模式 在串行通信中 依数据流的方向 又可分为单工 半双工以及全双工等三种模式 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 1数据传输形式 在通信系统中 要把数字数据或模拟数据从一个地方传到另一个地方 总是要借助于一定的物理信号 如电磁波和光 物理信号可以是连续的模拟信号 也可以是离散的数字信号 模拟数据和数字数据中的任何一种数据都可以通过调制或编码的过程形成两种信号 模拟和数字 中的任何一种信号 于是就产生了四种数据传输形式 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 2基带传输 所谓基带是指调制前原始信号所占用的频带 是原始信号所固有的基本频带 在信道中直接传送基带信号时 称为基带传输 使用基带传输时 首先解决数据的编码问题 即如何把数字数据用物理信号的波形表示 数字数据是由二进制组成的 而数字信号是由离散的电压式电流的脉冲序列组成的 每个脉冲代表一个信号单元 或称码元 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 2基带传输 不归零码NRZ Non Return to ZeroCode 是一种全宽码 即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流 每一位码元都占用全部码元宽度 不归零码又可分为单极性不归零码和双极性不归零码 1 单极性不归零码 SinglePolarityNRZ 单极性不归零码脉冲是以无电压 无电流 表示 0 用恒定的正电压表示 1 二进制数 1011001 如下图所示 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 2基带传输 2 双极性不归零码 DoublePolarityNRZ 是以恒定的负电压表示 0 以恒定的正电压表示 1 二进制数 1011001 的双极性不归零码脉冲如图2 12所示 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 2基带传输 归零码 就是一个码元的信号波形不占用码元的全部时间 即在一个码元时间内发出电流的时间短于一个码元的时间宽度 发出的是窄脉冲 所以不论码元发出电流还是不发出电流 码元波形都 归零 因此这种信号编码为归零码 二进制数 10011001 的单极性归零码脉冲和双极性归零码脉冲如图所示 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 2基带传输 曼彻斯特码 ManchesterEncoding 在曼彻斯特码中 首先将一个码元时间一分为二 如果在前半个码元时间里 电压为高电平 在码元的中间发生电压跳变 即从高电平跳到低电平 此时表示 1 反之 如果在一个码元的中间从低电平跳到高电平 则表示 0 差分曼彻斯特码 DifferentialManchesterEncoding 也是首先将一个码元时间一分为二 如果在一个码元开始处有跳变 跳变方向根据前一码元的后半周期而定 则表示 0 如果在一个码元开始处无跳变 则表示 1 但任何波形都在码元的中间位置进行跳变 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 3频带传输 频带传输也称宽带传输 就是把基带数字数据经调制变换 变成模拟信号 模拟信号经模拟传输介质传送到接收端后 再还原成原来数据 频带传输实际上是模拟传输 相应于载波信号的振幅 频率和相位这三个特征 数字信号的模拟调制有三种基本调制技术 移幅键控法 移频键控法和移相键控法 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 3频带传输 移幅键控ASK Amplitude shiftKeying 就是把频率和相位设为常量 把振幅定义为变量 即用载波的两种不同的振幅来表示二进制值的两种状态 用振幅恒定的载波的存在表示 1 而用载波的不存在表示 0 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 3频带传输 移频键控FSK Frequency shiftKeying 也叫频率键控 是把振幅和相位作为常量 而用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值 它以频率较低的信号状态代表 0 以频率较高的信号状态代表 1 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 3频带传输 移相键控PSK Phase shiftKeying 就是把振幅和频率定义为常量 而用相位的变化来表示二进制值的变化 移相键控又可以分为绝对移相键控 APSK 和相对移相键控 DPSK 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 3频带传输 1 绝对移相键控 AbsolutePSK 所谓绝对移相 APSK 就是利用正弦载波的不同相位直接表示数字 例如 用载波信号的相位差为 的两个不同相位来表示两个二进制值 当传输的基带信号为 1 时 绝对移相键控信号和载波信号的相位差为 0 当传输的基带信号为 0 时 绝对移相键控信号和载波信号的相位差为 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 3频带传输 2 相对移相键控 DifferentialPSK 相对移相键控也叫差分移相键控 是利用前后码元信号相位的相对变化来传送数字信息的 例如 当传输的基带信号为 1 时 后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为 当传输的基带信号为 0 时 后一个码元信号和前一个码元信号的相位差为0 第二章数据通信基础 第1章目录 2 4数据传输 2 4 4其他数据传输形式 模拟数据的数字传输 当利用数字通信媒体传送模拟信号时就要对模拟数据进行数字信号编码 方法如下 在发送端设置一个编码器 将模拟信号转换成数字信号再发送 而在接收端设置一个解码器 将接收的数字信号转变成模拟信号 第二章数据通信基础 2 4数据传输 2 4 4其他数据传输形式 模拟数据的模拟传输 模拟数据经由模拟通信系统传输时不需要进行变换 但是 由于考虑到便于无线传输和频分多路传输的需要 模拟形式的输入数据可在高频正弦波下进行模拟调制 模拟调制有振幅调制 频率调制和相位调制三种调制技术 最常用的两种调制技术是振幅调制 AM 和频率调制 FM 第二章数据通信基础 2 5多路复用技术 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 图例 第二章数据通信基础 2 5多路复用技术 时分多路复用 TimeDivisionMultiplexing TDM 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 2 5 1时分多路复用 图例 第二章数据通信基础 第1章目录 2 5多路复用技术 频分多路复用 FrequencyDivisionMultiplexing FDM 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 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 2 5 2频分多路复用 图例 第二章数据通信基础 2 5多路复用技术 波分多路复用 WavelengthDivisionMultiplexing WDM 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 2 5 3波分多路复用 图例 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 在数据通信网络中通过网络结点的某种转接方式来实现从任一端系统到另一端系统之间数据通路接续的技术 就称为 数据交换技术 或 数据交换方式 2 5 3波分多路复用 目前常用的数据交换技术有电路交换 CircuitSwitching 和存储转发交换 Store and ForwardSwitching 两种方式 其中存储转发交换又分为报文交换和分组交换 此外还有一些新的交换技术 即快速分组交换 FastPacketSwitching 和ATM信元交换 ATMCellSwitching 等 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 电路交换是一种直接交换 即在采用电路交换技术进行数据传输期间 在源结点和目的结点之间有一条利用中间结点构成的专用物理连接线路 直到数据传输结束 电路交换的三个过程 1 电路建立 2 数据传输 3 电路拆除 2 6 1电路交换 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 电路交换的特性 1 适合语音通信 2 数据传送时速率是固定的 因此没有传输延迟现象 3 因其电路信道有占用性 信道利用率不高 4 通信时 双方设备必须都处于可用的状态 5 线路不具有记忆性 2 6 1电路交换 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 报文交换属于存储转发交换 报文交换的数据传输单位是报文 所谓报文就是包括结点所要发送的数据及源结点地址 目的结点地址和其他控制信息在内的数据块 2 6 2报文交换 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 报文交换的优点 1 可提高线路的利用率 不像电路交换网常有占用线路的问题 只要结点有空即可 2 通信时 双方不必都处于可用状态 例如 可能某端暂时故障 因为网络的结点具有记忆功能 所以能先记住数据 等到故障排除后 即可完成传送 3 可以把一个报文同时向多个目的地发送 4 当出现大量通信时 信息会被延时传送 而不会被拒绝传送 报文交换的缺点 1 传送数据时具有延时性 故此种方式不适合用于具有实时性及交谈的通信系统中 2 中间结点收到的数据过多而无法存储或不能及时转发时 会丢失报文 影响数据传送的正确性 2 6 2报文交换 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 2 6 3分组交换 分组交换分组交换 PacketSwitching 技术也属于存储转发交换技术 它是把一个报文分成若干个较小的报文分组 每个分组的长度有一个上限 在发送方将报文分割成若干个分组后 每个分组都有一个编号 各个分组经网络结点存储转发到达目的结点后 目的结点再按分组编号重组报文 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 2 6 3分组交换 1 数据报 Datagram 每个分组的传送是被单独处理的 就像报文交换中的报文一样 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 一个结点接收到一个数据报后 根据数据中的地址信息和结点所存储的路由信息 选择一个合适的路径 将数据报原样地发送到下一个结点 直到到达目的地 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 2 6 3分组交换 2 虚电路 VirtualCircuit 方式中 要进行数据传输 在网络的源结点和目的结点之间先要建立一条逻辑通路 第二章数据通信基础 2 6数据交换技术 数据报和虚电路的差别如下 1 数据报的传递路径并非惟一 因此经过的各个结点都必须执行选择路径的操作 而虚电路就不同了 其事先建立好传送的路径 因此 各个结点不必都执行路径选择的操作 事实上 选择路径操作是很占时间的 因此 若是要传送大量数据时 常采用虚电路的方式 2 若就可靠性而言 则以数据报较佳 原因在于 假若网络上某个结点上突然出现故障 数据报由于其传送路径不是惟一的 因此 可以另外找路径来传送数据 但虚电路则因路径是固定的 所以可能较易受到影响而无法正常传送数据 3 虚电路适用于实时数据的传送 而数据报则不能 2 6 3分组交换 第二章数据通信基础 2 7差错控制 2 7 1差错控制概述 差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错 把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法 在数据通信中 由于内部固有的特性以及外部的干扰 会不可避免地产生一些差错 接收端收到的数据与发送端发出的数据不一致的现象叫做传输差错 一般来说 传输中的差错是由噪声引起的 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 第二章数据通信基础 2 7差错控制 2 7 1差错控制概述 差错控制是指在数据通信过程中能发现或纠正差错 把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法 在数据通信中 接收端收到的数据与发送端发出的数据不一致的现象叫做传输差错 一般来说 传输中的差错是由噪声引起的 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 利用差错控制编码来进行差错控制的方法基本上有两类 一类是检错重发法 接收端检测出有差错时 就设法通知发送端重发 如自动请求重发ARQ AutomaticRepeatreQuest 另一类是前向纠错 接收端不但能发现差错 而且能确定二进制码元发生错误的位置 从而加以纠错 如FEC ForwardErrorCorrection 第二章数据通信基础 2 7差错控制 2 7 2奇偶校验码 奇偶校验 ParityDetection 是一种最基本的校验方法 其中奇偶校验码是一种检错码 其方法是在面向字节的数据通信中 在每个字节的尾部加上一个校验码 构成一个带有校验位的码组 使得码组中 1 的个数成为偶数 称为偶校验 或者奇数 称为奇校验 并把整个码组一起发送出去 接收端在收到信号后 对每一个码组检查其中 1 的个数是否为偶数 对奇校验则检查 1 的个数是否为奇数 如果检查通过就认为收到的数据正确 否则发回一个信号给发送端 要求重新发送该段数据 第二章数据通信基础 2 7差错控制 2 7 2奇偶校验码 1 垂直奇偶校验垂直奇偶校验 VerticalParityDetection 是将要发送的整个信息块分为定长 p位 的若干段 比如q段 每段后面按 1 的个数为奇数或偶数的规律加上一位奇偶位 如图2 28所示 pq位信息 I11 I21 Ip1 I1q I2q Ipq 中 每p位构成一段 即表中的一列 共有q段 即共有q列 每段加上一位奇偶校验位 即图中的ri的编码规则为偶校验 ri I1i I2i Ipi i 1 2 q 奇校验 ri I1i I2i Ipi 1 i 1 2 q 其中 表示异或加 垂直奇偶校验能检测出每列中奇数位错 但检测不出偶数位错 对于突发性错误来说 奇数位错与偶数位错的发生概率相同 因而对差错的检出率只有50 第二章数据通信基础 2 7差错控制 2 7 2奇偶校验码 2 水平奇偶校验为了降低对突发错误的漏检率 可以采用水平奇偶校验 HorizontalParityDetection 的方法 水平奇偶校验又称为横向奇偶校验 它是对各个信息段的相应位横向进行编码 产生一个奇偶校验冗余位 3 水平垂直奇偶校验同时进行水平奇偶校验和垂直奇偶校验就构成了水平垂直奇偶校验 也称为纵横向校验 水平垂直奇偶校验能检测出所有3位或3位以下的错误 奇数位错 突发长度小于等于p 1的突发错误以及很大一部分偶数位错 测量表明 这种方式的编码可使误码率降至原误码率的百分之一到万分之一 第二章数据通信基础 2 7差错控制 2 7 3循环冗余码 循环冗余码CRC CyclicRedundancyCode 假设要传送的信息有k位 则发送端会自动加上r位的校验序列 然后再传送出去 这k r位数可以被某个事先设定好的数整除 当接收端收到数据后用原先那个设定好的数来除 若没有余数出现 则表示数据传送正确 相反 若有余数出现 则表示数据传送有误 例如101101对应的多项式是X5 X3 X2 1 而多项式X5 X3 X2 X 1对应的代码为101111 第二章数据通信基础 2 7差错控制 2 7 3循环冗余码 信息位 1011001 K X X6 X4 X3 1冗余位 1010 R X X3 X信息位加上冗余位后的码字 10110011010 T X X4 K X R X X10 X8 X7 X4 X3 X由信息位产生冗余位的编码过程 就是已知K X 求R X 的过程 在CRC码中可以通过找到一个特定的r次多项式G X 然后用