第2章数据通信基础知识.doc

第二章 数据通信基础知识教学内容： 21 数字通信的基本概念 22 数据通信系统的基本构成 23 传输介质和数据通信方式 24 数据的编码方式 25 多路复用技术 26 交换技术 27 差错检验和控制 教学重点：传输介质和数据通信方式数据的编码方式交换技术 教学难点：数据的编码方式教学时间： 6学时课程性质：计算机网络技术基础学科。基本理念：网络技术主要是以硬件和协议分析，以及相关的通信技术，网络互连和数据安全等各个方面的学习。教学思路：是以通信基础知识为主，为学生补充计算机网络所需要的部分通信方面的基础知识，主要是以概念、功能和方式的介绍为主。内容目标：本章是要通过学习，使学生了解通信的基础知识，特别是用于计算机网络数字通信的数字编码和交交换技术。实践分析：因为内容比较枯燥，所以更需要使用画图、多媒体等方式更生动的讲述相关内容。问题思考：对一些重要的内容，对学生提出问题，使他们能够自己思考理解。具体问题：1、数字编码技术有哪些，区别是什么？ 2、多路复用技术的功能和特点是什么？ 3、差错控制中奇偶校验法。 4、常用的交换技术有哪些？ 第二章 数据通信基础知识前面说过，计算机网络是到通信与计算机技术的结合。【大家对通信方面的内容接触不多，这里就是补充说明一下】第一节 数据通信的基本概念通信是人们获取、传递和交换信息的重要手段。数字通信技术和计算机技术的紧密结合进一步拉近了世界之间的距离。首先介绍数据通信的一些基本概念。一、数据与信息 1数据和信息计算机中的信息【数字、数据、文字、图形】，是以数据的形式在计算机、外围设备。数据和信息这两个术语的差别。 数据：是指用来描述客观事物的数字、字母和符号。信息：是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。【数值、文字、图形、声音、图像、动画】因此可以认为数据是信息的载体，是信息的表示形式，而信息是数据的具体含义。 2数据形式 （1）模拟数据。模拟数据是用连续的物理量来表示。【温度、压力、又如声音】 （2）数字数据。数字数据是用离散的物理量来表示。【在传送时，一段时间内传送一个符号，所以是离散的。】 3数据通信 借助光和电来传输信息。 【电话、光纤】 数据通信：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息，它可以实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与终端之间的数据信息传递。 从定义可以看到，包含两方面：数据的传输，数据传输前后的处理，二、信号与信号传输 l信号 两种形式；模拟信号和数宇信号。 模拟信号是一种连续变化的电信号，它用电信号模拟原有信息。模拟信号传输一定距离后，由于幅度衰减而失真。数字信号是用离散的不连续的电信号表示数据。三、数据传输系统性能指标传输系统的性能进行评价，用传输速度、信道容量、带宽以及可靠性等指标来对数据传输系统进行分析。1. 传输速率是指单位时间内传输信息单元的数量。是衡量数据通信系统传输能力的重要指标。（1） 数据传输速率单位时间内所传送的二制位代码的有效位数，以每秒多少比特数计，单位为位/秒，记作b/s。 (b/s)T一个数字信号的周期(归零码)，单位为秒(s)； N一个码元所取的离散值个数。数据传输速率又称传信率、比特率。（2）信号传输速率(调制速率)信号调制过程中，单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。通常用于表示调制器之间传输信号的速率。 B=1/T (Baud)信号传输速率，也称码元速率、调制速率、波特率或传码率。（3） 数据信号速率与调制速率的关系 (b/s)或 (Baud) 2.信道带宽 指信号含有的频带宽度。【就像是公路的车道数一样】信道的带宽限制了信道的传输能力，信道的带宽越宽，则其传输能力越强。单位：位/秒(b/s)。3. 相关概念相关的基本概念。（1） 衰减指信号能经过传输系统传输后，系统输出的功率小于输入端的功率。（2） 增益 经过传输系统传输后，系统输出的电功率大于输入端的电功率。（3） 失真 信号通过传输系统时，波形的畸变称为失真。（4） 噪声 通信系统中存在的独立于有用信号，并且叠加在有用信号之上对系统中的信号传输与处理起扰乱作用。【外界辐射、自然噪声、人为干扰、电路产生的噪声】（5） 串音干扰信号的相互串扰。（6）畸变4. 差错率差错率来表示传输质量。常用的差错率指标有平均误码率、平均误字率、平均误码组率等。（1）误码率二进制数据位传输时出错的概率，是某一段时间内的平均误码率。 式中 其中出错的位数； 传输的数据总数。 一般要求误码率低于10-6（2） 误字率 在电报通信中，误字率指误字符率。 误字率=收信误字数/传输的全部字数（3）误组率 以码组为信息传输单元。 误组率=收信误组数/传输的全部码组数。5频带利用率是描述一个数据传输系统数据传输效率的性能指标。频带利用率：指的是单位传输带宽所能实现的传输速率。 式中 数据传输系统的传输速率； 传输系统所占的频带宽度。 第二节 数据通信系统的基本构成一、数据通信的组成通过数据电路将不同的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。例如数据通信系统主要由中央计算机系统、数据终端设备（DTE）、数据电路三部分构成。通信信道噪声信号变换器（DCE）通信控制器数据终端设备（DTE）信号变换器（DCE）通信控制器数据终端设备（DTE）1数据终端设备 （DTE，Data Terminal Equipment），现在的网络中主要是指主机。作为数据的生成者和使用者，根据协议完成控制通信的功能。 2数据电路 由传输线路及其两端的数据电路终端设备（DCE，Data Circuit Terminal Equipment）组成。作用是提供数字传输信道，保证将DTE之间的数据信号迅速、准确、安全地传输。 （1）具体信道包括：通信线路和通信设备。通信线路：一般采用电缆、光缆、微波线路等。通信设备：又可分为模拟通信设备和数字通信设备。（2）数据电路终端设备DCEDTE与传输信道的接口设备。实现数据信号进行变换。【调制解调器】 3中央计算机系统 由通信控制器（或称前置处理机）、主机及、外围设备组成。处理从数据终端设备输入的数据信号，同时将处理结果向相应的数据终端设备输出的功能。二、数据通信系统的分类根据传输线路是否直接与中央计算机系统相连接，分为脱机系统和联机系统。1脱机系统：一次把所需的数据下载到计算机中，使用时调用，更新比较麻烦。 2联机实时系统指从终端输入的数据，在中央计算机上立即进行处理并将处理结果直接送回终端设备的处理形式。【用于要求能够迅速地处理随机发生的大量数据的场合】 【简单描述这个过程，使用ATM取款机的例子说明】 3远程批量处理系统 从远程终端向中央计算机投入作业，获得处理结果。终端有一定的控制能力。 【就是说在需要的时候，会向中央处理机算机发送命令】 4分时处理系统 将中央计算机的时间划分成很短的时间片，远程终端按时间片轮流使用中央计算机的处理形式。每个用户的权利是平等的。对用户也是透明的。 【在此，可以在实际中的例子还比较区分这几种不同的工作方式】第三节 传输介质与数据通信方式分为有线介质和无线介质。有线介质将信号必须通过一个物理导体。【双绞线、同轴电缆和光纤】无线介质，不需要物理线路的介质，是通过空间为介质，实现传输的。一、传输介质1.双绞线双绞线是目前使用最广，性价比最高，最灵活的一种传输介质。它是由两两成对的相互绝缘的铜导线组成。两条线扭绞在一起，可以减少干扰，传输的距离更远。电话系统使用的也是双绞线的一种。传输的距离在几公里。双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。【屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线，一类六类】2.同轴电缆外导体是一个由金属丝编织而成的圆形空管【有一定的屏蔽作用】，内导体是圆形的金属芯线。内外导体之间填充着绝缘介质。有一定的保护作用。【电视线路】 包括粗缆和细缆。 现在在计算机网络中用的已经很少了，已经由光缆和双绞线所取代。3.光纤随着通信技术和要求的发展，现在人们已经可以利用光导纤维来传输数据。【高速（5000G）、安全、性价比高】组成：光纤传输介质、光源和检测器。光纤传输介质是超细玻璃或熔硅纤维。光源是发光二极管或激光二极管。检测器是光电二极管，将光信号转换成为电信号。【折射过程，光学的补充教学】【简单比较：多模光纤、单模光纤的原理和特点，使用的光源也不相同】【简单描述光缆的组成】优点是频带宽、传输容量大、重量轻、尺寸小、不受电磁干扰和静电干扰、无串音干扰、保密性强、原料丰富、生产成本低。4.无线介质【用于那些不方便布线的环境、高山、海上、高空、移动办公】无线传输系统，主要包括无线电、微波和卫星通信等。利用大气中的电离层，对无线电波进行反射，以传输的更远。无线通信与其他通信方式相比，干扰源比较多，所以不稳定性。相比之下的优点：传播距离可以很远，也很容易穿过建筑物。而且无线电波是全方向传播的，范围内都可以接收。无线电波的传播特性与频率有关：中、低频：无线电波能轻易地绕过一般障碍物，距离有限，但是通信带宽较低。高频：无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，距离比较远。【容易受到各种电磁干扰】微波：频率在100MHz。（工作频率范围一般在1GHz至20GHz左右），微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准。而且如果两个微波塔相距太远，就需要一个中继站。【两个中继的之间的距离一般为30 km50 km】微波通信可以分为模拟和数字两种类型【“模拟微波”与“数字微波”】模拟微波通信：采用频分多路复用技术和频移键控调制方式【306000个电话信道】。数字微波通信：大都采用时分多路复用技术和相移键控调制方式。【特点：微波通信在传输质量上比较稳定。需要中继站、成本低；缺点：保密性不好，需要采取加密措施。】二、数据通信的基本方式 1.并行传输与串行传输并行传输：数据以成组的方式在多个并行的信道上同时传输。【一次就能传输一个字符，一般用于计算机内或同一系统内的设备间的通信。距离远，成本高】串行传输：数据则是在一条信道上一个一个比特的传输，是计算机之间或计算机网络中主要采用的一种传输方式。【这时需要缓存，存放完整的字符，并识别判断】2.字符同步传输接受信号，并将字符一一识别出来。（1）异步传输方式:每一个字符都带有一位起始位，以表示该字符开始，在字符代码后面加停止位，以示该字符结束。这样，起始位和停止位能做线路两端的同步时钟，所以不要求线路两端有统一的时钟信号。【起始位和终止位实际占用部分信息，开销大大，效率低，速度慢。】（2）同步传输方式:帧为单位，帧的开头和结束，在规定的起始序列和终止序列作为标志。【开销小，效率高，高数据率，有错重传、控制复杂】3.单工、半双工和全双工传输根据数据传输的方向。单工传输：数据只能在一个指定的方向上传输，即一方只能是发送方，另一方只能是接受方。半双工传输：数据可以沿任一方向传输，但不能同时沿两个方向传输，即在一个给定的时间里，传输仅能在一个方向上进行。 全双工传输：数据能同时在两个相反的方向上传输。在全双工传输时，任何一方及时发送方同时也是接受方。【可以据生活中的例子来说明，单行道、电话、网络】4.点点结构通信和多点结构通信通信点连接方式不同。由点点结构通信和多点结构通信两种通信方式，这两种通信方式的线路控制方法是有差别的。（1）点点结构通信：其特点是一条线路连接两个站点。通信过程为：链路建立阶段：在接收站和发送站之间建立逻辑连接，接受站准备接受；数据传输阶段：以一定数据格式传送数据；链路拆除阶段：数据传送完毕，种植接收站和发送站之间的逻辑连接。（2）多点结构通信：其特点是各个站点公用一条主线路。通常指定一个工作站为主站，控制线路的分配。其余工作站为次站（或从属站）。主站通过“探询”和“选择”的方法来控制线路，其控制的实现方法是：选择：当主站有信号发给某一次站时，主战向该次站发“选择”信号。探询：当主站准备从次站接受信息时，主战将按照一定的策略向各次站发“探询”信号，任何一个做好发送准备的次站，一旦受到对本站的探询信号，可以立即发送。第四节 数据的编码技术一、 数字数据数字信号不用额外的转换，直接把数字数据编码成数字信号。最普遍而且做容易的办法是用两个电压来表示两个二进制数字。曼彻斯特编码：这种编码的每一位中间有一个跳变，电平从低到高表示“0”，电平从高到低表示“1”。【优点是编码中还有同步信息；缺点是脉冲波形较窄，所占的带宽宽】差曼彻斯特编码 （c）差分曼彻斯特编码（b）曼彻斯特编码（a）不归零（NRZ）编码 0 0 1 1 0 1 0 0 二、数字数据模拟信号主要是因为传输介质的限制，需要把数字数据信号变换成模拟信号。【调制解调器（MODEM）接入公用电话网进行通信】根据调制参数的不同，其调制方式可分为调幅、调频和调相。主要是针对不同的载波特性进行调制、并且进行编码。1AM：调幅改变载波振幅，用不同振幅的载波来表示两个二进制数。2FM：调频 改变载波频率，用两个频率表示二进制数“1”和“0”。3PM：调相用两个不同的相位来表示两个二进制数。三、模拟数据用数字信号表示 是为了满足数字传输及数字交换设备的要求。采用技术：脉冲编码调制技术和增量调制技术。1脉冲编码调制技术PCM（Pulse Code Modulation）以采样定理为基础的。【例如具有带宽为的原始信号，用频率高于的速率采样，再把每一个样点量化成二进制数，然后通过编码，就获得脉冲编码信号】2增量调制技术DM（Delta Modulation）用一个阶梯函数来近似的代表模拟信号，阶梯函数每次只能上升或下降一个阶梯。在用阶梯函数逼近原模拟信号时，阶梯上升产生一个二进制数“1”，阶梯下降产生一个二进制数“0”。 【就像楼梯一样】第五节 多路复用技术在同一介质上，同时传输多个信号的方法，被称为复用。复用方式有两种：频分多路复用和时分多路复用。一、频分多路复用 利用频率变换的方法，将信号移到频谱的不同位置，之间留有一定的间隔，这样就形成了一个频分多路复用信号。二、波分多路复用在光纤信道上使用。采用波分多路复用技术，在一根光纤上可以发送多个波长的光波，假设每个波长可以支持10Gbps的数据传输率，则光纤所能支持传输率将达到80Gbps。三、时分多路复用信道不会一直被占用，这时就可以将其他时间传输其他数据。这就是时分多路复用的基本原理。也就是说，利用时间分隔方式来实现多路复用的。【数字通信系统主干网的复用方式】【可以据生活中的实例说明这三种不同的工做方式】第六节 交换技术要实现计算机之间的数据传输，需要经过多个中间结点。这时就需要数据交换技术。电路交换、报文交换和分组交换。一、电路交换【电话系统中的交换机在呼叫者、接收者之间建立一条物理线路，通话建立，两部电话之间就有一条物理通路存在，这时线路就被占用了；通话结束，然后拆除物理通路。】。这种交换方式叫做电路交换技术。【特点：传输延迟小，不会发生冲突，独享物理线路、可靠性强；缺点：建立线路所需的时间长、造成带宽的浪费】二、报文交换又称为包交换。不用先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，将数据当做一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，直至将数据发送到目的结点。因为，报文的大小不限制，所以需要中间结点需要较大的缓存。也会产生非常大延迟，所以不适合交互式数据通信。为了解决上述问题又引入了分组交换技术三、分组交换是报文交换技术的改进。数据被分成多个分组，分组的大小有严格限制。适合于交互式通信。传输的效率也比较高。【举例说明】分组交换吞吐量较高、差错检测能力；拥塞会影响分组交换效率。第七节 差错检验和控制一、 差错类型 数据在传输过程中不可避免地会发生差错，出现误码,所以需要进行差错控制。造成误码的原因两个方面：1是信道不理想造成的