第二章-数据通信基础.ppt

第二章数据通信基础 1 基础概念2 数据编码3 传输介质4 异步同步传输5 多路复用技术6 数据交换技术7 差错控制 2 1数据通信基本概念 2 1 1信息与信号1信息2数据 模拟 数字 3信息与数据的关系4信号 模拟 数字 5传输 信息 信息是能够被人感知的 关于客观事物的反映 使人对客观事物存在方式和运动状态的摹写认识 信息是通过某种形式表现出来的 否则 人们就无法进行信息交流 数据 数据就是信息的表现形式或载体 数据是广义的概念包括 模拟数据和数字数据 信息与数据的关系 模拟数据和数字数据 人的声音是模拟数据的例子 当人说话时 空气中产生一个连续的声波 其可用麦克风捕获 并转换成模拟信号 计算机中的存储的数据是数字数据的例子 当数据从计算机的一个位置传输到另一个位置或另一台计算机时通常要转换成数字信号 模拟和数字 数据和表示数据的信号既可以采用模拟形式也可以采用数字形式 模拟指的是连续的量 数字指的是离散的量 信号 信号是表示数据的一种电气编码或者电磁编码 信号中包含了所要传递的消息 信号一般以时间为自变量 以表示数据的某个参量 振幅 频率或相位 为因变量 信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号 模拟信号和数字信号 信号也有模拟和数字两种 模拟信号是幅度随时间变化而平稳变化的连续波形式 数字信号是离散的 数字信号从一个值到另一个值的迁移是瞬时发生的 模拟信号 数字信号 传输 定义 从某一位置送到其它位置的过程 不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输 模拟传输 数字传输二者的区别 数字信号传输质量高 延时短 通信速率可选 支持多媒体业务等 编码 数据必须编码成信号才能被处理和传输数字数据编码为数字信号数字数据编码为模拟信号模拟数据编码为模拟信号模拟数据编码为数字信号 数据通信基本概念示意图 P13 信道 信道 传输信息的必经之路称为 信道 在计算机中有所谓物理信道和逻辑信道之分 物理信道 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 物理信道由传输介质及有关设备组成 逻辑信道 也是一种通路但在信号收 发点之间并不存在一条物理上的传输介质 而是在物理信道基础上 由网络内部的边来实现 通常把逻辑信道称为 连接 数据通信涉及的概念 数据传输速率 简称数据率 比特率 数据率与带宽的关系 香农定理 波特率波特率与比特率的关系误码率 比特率与波特率 比特率和波特率是数据通信中常用的两个术语 比特率 波特率 信号单元的比特数比特率是每秒钟传输的比特数 波特率表示传输硬件的工作速率 也就是每秒钟硬件产生的电信号变化的次数 是每秒钟传输的信号单元数 其中信号单元由一些比特组成 波特率决定了发送信号所需的带宽 硬件改变其状态的极限速率就是硬件的带宽 比特率与波特率的关系 香农定理 香农定理描述为 R B log2 1 S N 其中R用每秒比特表示的线路容量的实际机限制值 B是硬件带宽 S是平均信号强度 N是平均噪声强度 通常信噪比S N并不直接表示 工程师大多使用10log10S N 它的单位为分贝 缩写为dB 例如 S N 100 对应的分贝值则为20dB 语音电话系统的信噪比大约为30dB 带宽大约为3000Hz 通过这样一个系统所能达到的最大数据传输率为 R 2 1 2数据通信系统的模型 模型数据传输方式并行串行传输 1模型 数据通信系统是将通信设备用通信线路连接起来完成信息传输的系统数据通信系统模型见教材P14编码逆过程 译码 调制逆过程 解调 信道 物理 逻辑 同步 2数据传输方式 根据通信双方的分工和信号传输方向可将通信分为三种方式 单工通信通信双方设备中发送器与接收器分工明确 只能在由发送器向接收器的单一固定方向上传送数据 半双工通信通信双方设备既是发送器 也是接收器 两台设备可以相互传送数据 但某一时刻则只能向一个方向传送数据 全双工通信通信双方设备既是发送器 也是接收器 两台设备可以同时在两个方向上传送数据 3并行 串行传输 并行传输串行传输 2 2数据编码 数字数据编码为数字信号数字数据编码为模拟信号模拟数据编码为模拟信号模拟数据编码为数字信号 2 2 1数字数据编码为数字信号 1不归零NRZ2归零RZ3不归零反相编码NRZI4曼彻斯特5差分曼彻斯特 不归零编码 Non ReturntoZero NRZ 将数值1映射为高信号 数值0映射为低信号 优点实现起来简单而且费用低 缺点1 连续 0 和连续 1 问题2 发送方和接收方的时钟不能精确同步 不归零反相编码 Non ReturntoZeroinverted NRZI 信号电平的一次反转代表比特1 没有电平变化的信号代表比特0 NRZI优于NRZ编码 由于每次遇到比特1都发生电平跳变 这能提供一种同步机制 数据流中的1都使接收方能根据信号的实际到达来对本身时钟进行再同步 一连串0仍会造成麻烦 但由于连续0出现不频繁 问题就小了许多 归零 ReturntoZero RZ 见实例二进制 0 用低电平代表二进制 1 电平由高变低优缺点和NRZI基本相同 曼彻斯特编码 Manchestercoding 曼彻斯特编码在每个比特间隔的中间引入跳变同时用于同步和比特表示 一个由低电平到高电平的跳变代表比特0 而高电平到低电平的跳变代表比特1 反之亦可 通过这种跳变的双重作用 达到了同步的效果 差分曼彻斯特编码 根据比特间隔的开始位置是否有跳变来表示不同的比特 开始位置有跳变代表 0 无跳变代表 1 反之亦可 NZR NZRI Manchester NRZ RZ 曼彻斯特 差分曼彻斯特 曼彻斯特编码的效率 Manchester编码可以保证在每个比特的正中间出现一个跳变 这对接收端提取比特同步信号是非常有利的 但从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点 这就是它所占的带宽比原始的基带信号增加了一倍 需要更高频的电路设备 实际上是通过传输每位数中间的跳边方向来表示传输数据的值 即它使链路上的信号跳变频率加倍 在相同条件下 NRZ和NRZI传输的比特是曼彻斯特编码的2倍 曼彻斯特编码的编码效率仅为50 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特将数据和时钟都包含在编码中 所以二者都成为自同步编码 2 2 2数字数据编码为模拟信号 调制基本的调制技术有三种 振幅键控 ASK 移频键控 FSK 移相键控 PSK 数字 模拟转换 数字 模拟转换或数字 模拟调制是基于数字信号 0和1 表示的信息来改变模拟信号特征的过程 例如 当通过一条公用电话线将数据从一台计算机传输到另一台计算机时 数据开始时是数字的 但是由于电话线只能传输模拟信号 所以数据必须进行转换 数据必须被调制到一个模拟信号上 这个模拟信号对应于二进制的0和1被处理成两种看起来完全不同的值 数字 模拟调制 数字信息 数字 模拟调制硬件以及调制后的模拟信号的关系 数字 模拟调制 数字 模拟调制 载波信号 远程通信的基础 一个连续的震荡信号能传输到更远的地方 连续的震荡信号通常为正弦波 称为载波 为发送数据 发送略修改其载波 这种修改称为调制 modulation 信号 时间 奈奎斯特采样定理对数据传输的最大速率给出了一个理论的上限 2B log2K 如果传输系统使用K种不同电压 奈奎斯特定理指出 在带宽为B的传输系统上 以每秒比特数表示的最大数据传输速率 为 2Blog2K奈奎斯特定理给出了一个实际无法达到的绝对最大值 实际上 工程师已经观察到实际通信系统总是被一些称为噪声的干扰所限制 而不可能达到极限传输速率 1948年香农 ClaudeShannon 推广了奈奎斯特的结果 指出了在噪声的影响下 传输系统所能达到的最大数据传输速率 R B log2 1 S N 2 2 3模拟数据编码为数字信号 脉冲编码调制增量调制 模拟 数字转换 有时 我们需要将模拟信号数字化 例如 长距离传送语音信号 由于数字信号易于减少噪音 因而需要将模拟信号数字化 这称为模 数转换或数字化模拟信号 模拟 数字转换器 编码解码器 模拟 数字转换器 编码解码器 用一系列的数字化脉冲信号 0或1 来表示连续波形中的信息 主要问题 如何在不损失信号意义或质量的前提下 将信息从无穷多的连续值转换为有限个离散值 A D转换分为两步 采样和量化 通过接收模拟信号 对它进行采样 然后根据采样结果产生一系列脉冲 采样是指每隔相等的时间间隔就测量一次信号振幅 量化是一种对采样结果赋予一个特定范围内的整数值的方法 或者将采样样本幅值按量化等级决定取值的过程 量化后的样本幅值为离散值 采样频率对模拟信号的任何数字表示的精度都取决于采样的数量 采样时间间隔越小 采样的次数越多 则采样所得数据的集合就越能反映出原始的模拟信号的波形 Nyquist定理 根据奈奎斯特定理 当采用脉冲振幅调制技术时 为保证得到足够精度的原始信号的重现 采样频率应该至少是原始信号中最高频率的两倍 如果需要对最高频率为4000Hz的电话语音信息进行采样 我们只需要每秒8000次的采样频率就可以了 一个两倍于xHz的采样频率意味着必须每0 5 xs对信号进行一次采样 调制与解调 解调就是在传输过来的 经过调制的模拟信号中 根据其振幅 频率和相位的变化 还原出原始的0 1数字信号 调制器与解调器接收二进制数据位 并根据这些比特调制载波的硬件线路成为调制器 modulator 而接收载波 并重建调制在载波上的二进制数据位的硬件线路成为解调器 demodulator 2 2 4模拟数据编码为模拟信号 转换的原因方法 调幅调频调相 调制与解调 网络技术会使用多种调制技术 调幅 调频和调相 调幅 通过改变载波信号的强度来表示二进制0和1 在振幅改变的同时 频率和相位则保持不变 1s 时间 振幅 调频 调频 通过改变信号的频率来表示二进制0和1 在每个比特持续时间中信号的频率是一个常数 而且其值依赖于其代表的比特值 0或1 而振幅和相位都不变 振幅 时间 调相 调相 通过改变载波信号的相位来表示二进制0和1 在相位改变时 最大振幅和频率都不改变 例如 0 相位表示0 就可以把相位改变到180 来表示1 在每个比特持续时间中信号的相位是一个常数 0 相位表示00 90 相位表示01 180 表示10 270 相位表示11 2 3传输介质 网络需要解决的最基本问题 连通 双绞线同轴电缆光缆无线介质 连通什么 网络基本需求 解决直连网络结点间的通信网络由两类硬件构件 结点和链路结点 台式机 服务器 工作站 路由器 交换机 链路 网络链路可在各种不同物理介质上实现 双绞线同轴电缆光纤空间 wistedPairCopperMediaOpticalMediaWirelessMedia VariousTypesofNetworkMedia 双绞线屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 无屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwistedPair 同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆 屏蔽双绞线 STP 屏蔽双绞线 ScTP 各种电缆 铜线 铜线 聚氯乙烯套层 聚氯乙烯套层 屏蔽层 绝缘层 绝缘层 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 内导体 无屏蔽双绞线UTP 屏蔽双绞线STP 同轴电缆 光线在光纤中的折射 折射角 入射角 包层 低折射率的媒体 包层 低折射率的媒体 纤芯 高折射率的媒体 包层 纤芯 光纤的工作原理 高折射率 纤芯 低折射率 包层 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 4非导向传输媒体 无线传输所使用的频段很广 短波通信主要是靠电离层的反射 但短波信道的通信质量较差 微波在空间主要是直线传播 地面微波接力通信卫星通信 地面微波 微波并不沿着地球的曲面传播 因此需要视线传播的传送和接收设备 视线传播的信号所覆盖的范围很大程度上依赖于天线的高度 天线越高 信号传输距离越远 微波通信一次只能向一个方向传播 因此对于双向传输来说就需要两种频率 每种频率用于一个方向上的微波传输 每种频率的信号都要有自己的发送器和接收器 地面微波 卫星微波 卫星通信更像是有一个轨道卫星作为一个中继站的视线微波传输 基本原理和地面微波是一样的 只是有一个卫星作为超高天线和转发器 尽管在卫星传输中信号仍然是直线传播的 但地球曲面引起的距离限制被减弱了 因此卫星中继可以提供跨越大陆和海洋的网络连接 卫星通信 2 4异步 同步传输 异步传输位同步同步传输帧同步 2 5多路复用 复用类型 频分多路复用 FDM 时分多路复用 TDM 统计多路复用 STM 码分多址访问 CDMA 频分多路复用 FDM 频分多路复用允许多对发送器和接收器在一个共享介质上同时通信 每对装置的载波使用唯一的并且互不干扰的频率 复用概念示意图 同步时分多路复用 STDM 复用器在所有时间为每个设备都分配完全一样的时间片 不管该设备有没有数据要传输 异步时分多路复用 统计复用 异步时分多路复用中 时间片的数目是根据在给定时刻可能进行发送的输入线路数的统计结果决定的 与预分配方式相反 每个时间片都可以被所连接的任何一个有数据发送的输入线路所使用 波分复用 WDM 波分复用在概念上与频分复用相同 采用不同源的窄带光组成一个宽带光 在接收器方 通过多路分解器将光信号分解 复用 复用 频分复用 时分复用 波分复用 同步方式 异步方式 码分多址访问 CDMA 实例 ABCA 01011100A 1 1 1 1 1 1 1 1例1 1S1 1 1 1 1 1 1 1 1B 01000010B 1 1 1 1 1 1 1 1例2 10 S2 000 2 2 2 20C 00101110C 1 1 1 1 1 1 1 1例3 10S3 0 2 20 2 200三站的码片序列双极型时隙序列三个发送实例Si为多个发送站的时隙序列之和 对于实例1 C站发送1 时隙序列为 1 1 1 1 1 1 1 1叠加复合信号为 1 1 1 1 1 1 1 1C站码片序列为 1 1 1 1 1 1 1 1S1与C站的对应内积为 1 1 1 1 1 1 1 1 8 1即例1中C站发送的是1 对于实例2 A站发送1 时隙序列为 1 1 1 1 1 1 1 1B站发送0 时隙序列为 1 1 1 1 1 1 1 1叠加复合信号为 000 2 2 2 20C站码片序列为 1 1 1 1 1 1 1 1S2与C站的对应内积为 000 2 2 2 20 8 0即例2中C站保持沉默对于实例3 B站发送1 时隙序列为 1 1 1 1 1 1 1 1C站发送0 时隙序列为 1 1 1 1 1 1 1 1叠加复合信号为 0 2 20 2 200C站码片序列为 1 1 1 1 1 1 1 1S3与C站的对应内积为 0 2 20 2 200 8 1即例3中C站发送的是0 CDMA的工作原理 各个站点相互通讯时 每个站做三个动作 1 发送自己的码片 2 发送自己码片的反码 3 不发送 发送站的码片序列都是同步的 接收站事先知道其他站点的码片序列 当收到码片时 与其他站点的码片进行内积运算 如果结果是 1 说明码片对应的站点发送了 如果结果为 说明码片对应的站点发送了 如果结果是 说明站点没有发送 2 6数据交换技术 电路交换报文交换分组交换 简单 直连的网络有两个局限性 所连接主机数量有限连接地理范围有限解决的办法 使用交换技术交换网络由一系列相互连接的称为交换机的结点组成 交换技术 电路交换分组交换报文交换 交换网络 交换 是一种允许我们互连链路形成更大规模网络的一种机制 从通信资源分配的角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路资源 交换机有多个输入 多个输出的设备 它能把来自一个输入端口的分组转发到一个或多个输出端口 电路交换 电路交换是多个输入线和多个输出线之间直接形成传输信息的物理链路 使用电路交换的通信意味着在通信的两个站之间有一条临时的 专用的物理通通道 该通道是由网络结点通过路径选择 它们之间的链路连接在一起构成的 电路交换的通信经历3个阶段电路建立阶段数据传输阶段电路释放阶段 电话网 电路交换技术 摘机 电路建立通话 数据传输挂机 拆除电路电路交换的重要特征就是 在通话的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输带宽 circuit switchednetwork 电路交换的缺点 效率较低用来传送计算机的数据时 由于计算机数据是突发式地出现在传输线路上 因此线路真正用来传输数据的时间往往不到10 甚至1 在绝大部分的时间里 通信线路实际上是空闲的 但对电信局来说 通信线路已被用户占用 要按时间收费 效率较低 通信线路资源实际上并未被利用而是白白浪费了 不够灵活只要通话双方建立的通路中的任何一点出了故障 就必须重新拨号建立新的连接 对十分紧急和很重要的通信是很不利的 报文交换 报文交换方式中 报文是交换的单位 在这种机制中 一个结点接收一个报文 先将其暂存 直到有合适的链路处于空闲状态 再从这条链路将它发送出去 报文交换 报文一般都比较长 所以这种方式要求网络上每个结点都要有较大的存储容量 以备暂存整个报文 报文传输要等到下一个结点的链路有空闲时转发 延迟较大 因此它不能满足实时通信的要求 报文交换技术在20世纪60年代和70年代是十分常用的 目前这种类型的交换实际上已经被淘汰 分组交换 对于数据传输来说 更好的解决方法是采用分组交换 分组交换网 HostH 分组交换网中 数据是以分组为单位处理的 这些分组大小是可变的 分组的最大长度由网络确定 较大的传输单元被分解为多个分组 每个分组不仅包含数据 而且还有一个包含控制信息的头部 这些分组将由一个网络结点传送给另一个网络结点接力式地传输 分组交换方式 数据报 无连接模式每个分组都带有完整的目标地址信息 因而每一个分组都可以独立地选择路由 交换机处理分组的过程是 将收到的分组先放入缓冲区 再查找转发表 然后确定将该分组交给某个端口转发出去 虚电路 面向连接的模式它要求首先在源主机和目标主机之间建立一条虚连接 虚电路交换以两种形式实现 交换式虚电路永久虚电路 数据报交换 交换机2的转发表 数据报交换的特点 主机可以随时发送分组 在发送数据分组前 不需要连接建立过程 任何到达交换机的分组都能立即转发 假设存在正确的转发表 当主机发送一个分组时 不必关心网络是否可以转发该分组或目标主机是否可以接收该分组 每个分组的转发都是独立完成的 各分组不一定按发出顺序到达目标结点 因为主机A到主机B的两个分组走的可能是完全不同的路径 当一台交换机或一段链路出现故障时 如果能找到另一条可替代的路径 并相应的更新转发表 那么对通信不会产生任何影响 虚电路交换 另一种交换技术 虚电路交换这种方法也称为面向连接的模式虚电路交换首先在源主机和目标主机之间建立一条虚连接 虚电路交换机所需的连接状态 由VC表中的连接记录给出 每个连接对应VC表的一条记录VC表的记录包括 输入接口 此VC的分组从该接口到达交换机输入VCI 虚电路标识符VCI 包含在每个到达的分组中输出接口 此VC的分组从该接口离开交换机输出VCI 用于输出分组 在报文交换技术中 报文是在辅助存储器 磁盘 中存储并中继的 而分组交换中 分组是在主存 RAM 中存储并转发的 报文交换和分组交换的存储区别 2 7差错控制 传输差错丢失比特改变比特出现错误比特引起差错的原因雷击 电压聚变以及其它电磁干扰 这些干扰引起随机数据的出现或传输数据的丢失或改变 差错控制就指在数据通信过程中能够发现或者纠正差错 把差错限制在尽可能小的范围内的技术和方法 基本思想是 使本来不带规律或者规律性不强的信息序列变换成带有规律或者规律性加强的信息序列 接收端收到时利用这些规律来发现错误 从而通知发送端重发或者自行纠错 差错控制的方式 自动纠错检错重发混合纠错 为什么需要差错检测 尽管出现差错的概率很低 设计网络的科学家与工程师们还是认为传输差错确实会发生 所以他们提供硬件和软件机制来检测和纠正这些差错 差错检测的基本方法 二维奇偶校验循环冗余校验汉明码校验 二维奇偶校验 奇偶校验机制要求发送端在发送前对每个字符计算一个附加位 叫做奇偶位 并把它放在每个字符后 在一个字符的所有位到达之后 接收端去掉奇偶位 进行与发送计算机同样的计算 并证实结果与奇偶位是否一致 之所以选择这种奇偶计算是因为如果字符中的一位在传输中被破坏了 那么接收端的计算结果不会与奇偶位一致 它就可以报告有差错发生 奇偶校验的形式 奇校验发送计算机把校验位置为0或1 使得1的总数 包括校验位 是奇数 偶校验发送计算机把校验位置为0或1 使得1的总数 包括校验位 是偶数 二维奇偶校验举例 例 偶校验校验字节 010100111101001010111101011010010001110110111110校验字节 11110110在这种情况下 42比特的消息中加入14比特的冗余信息 二维偶校验实例 101101110101001111000110垂直偶校验110110000100110110110111水平偶校验能检测出所有3位或者3位以下的错误 奇数位错误以及很大一部分偶数位错误 但是对于两组之间正好出现相同的偶数个错误 二维校验就检查不出来了 循环冗余校验 CRC 主要目标 用最少的冗余比特使检错的可能性最大 循环冗余校验的思想 在循环冗余校验中 不是通过各比特位相加来得到期望的校验 而是通过在数据单元末尾附加一串冗余比特 称作冗余校验码或冗余校验码余数 使得整个数据单元可以被另一个预定的二进制数整除 到达目的地后 用同一数去除整个数据单元 如果没有产生余数 就认为数据单元是完整正确的 有余数意味着数据单元在传输中被破坏 CRC码 在CRC中使用的冗余比特是将数据单元除以一个预定的除数后产生的 余数就是循环冗余校验码 CRC码 从数学的角度看 我们传输的只是一个多项式P x 该多项式可被生成多项式C x 整除 若出错了 就好象在P x 上加了一个错误项E x CRC 当收到的消息P x E x 被C x 除时 结果 0 E x 0 无错 E x 能被C x 整除2 0说明有错 冗余码的求法 设M为一个k位长的信息帧 P为n 1位的生成码 其最高位和最低位必须为1 F为n位的校验码序列 T为k n位最后被传输的帧 因为F是接在M信息帧的后面的 所以 T M 2的n次幂 F实际上 M 2的n次幂表示M左移n位 后面补n个0 设用P去除M 2的n次幂得到的商和余数分别为Q和R 即M 2的n次幂 P Q R若设T M 2的n次幂 R F R 则T肯定能被P整除 因为对于模2运算 两个相同的二进制数相加等于0 由此得出 求校验码序列就是用P去除