第3章 数据通信与通信网基础.ppt

第3章数据通信与通信网基础 内容提要 3 1数据通信的基本概念3 2数据通信方式3 3传输介质3 4数据编码技术3 5多路复用技术3 6数据交换技术3 7通信网简介3 8习题 3 1数据通信的基本概念 数据通信 完成计算机之间 计算机与终端以及终端与终端之间的信息传递的通信方式和通信业务 3 1 1通信系统和数据通信系统一 通信系统的基本模型1 五个基本组件 图3 1通信系统基本模型 2 信息传输系统 发送机 信道和接收机 二 通信系统的发展1 19世纪80年代 20世纪50年代以PSTN PublicSwitchedTelephoneNetwork 公共开关电话网 技术为主的电话网主要业务 语音 2 20世纪60年代以PCM PulseCodeModulation 脉 m i 码 m 调制 技术为主的数字传送网和卫星通信网主要业务 语音 3 20世纪70年代以数据网络和分组交换技术为主的网络主要业务 数据 4 20世纪80年代以综合业务数字和移动通信技术为主的网络主要业务 语音 数据 视频和图像等 三 相关的概念1 信息和数据 1 信息 information 通过通信系统所传递的内容 2 数据 Data 通过通信系统所传递信息的形式的实体数据分为模拟数据和数字数据两种类型 2 信号信号 Signal 在信道上所传输的数据的编码 无论哪 n 种 zh ng 信号 都是以电磁波的形式进行传输的 信号分模拟信号和数字信号两种类型 图3 2模拟信号与数字信号波形 3 信道信道 Channel 传送信号的通路即传输路线 传输介质 信道分模拟信道和数字信道两种类型 影响信道质量的两个主要参数是信道带宽和信道最大传输速率 4 信道带宽某个信道能够传送电磁波的有效频率范围 即最大有效频率减去最小有效频率所得的值 5 数据传输速率与信道最大传输速率 1 数据传输速率 信道每秒所能传输的二进制比特数 为bps 比特每秒 其他单位还有Kbps Mbps Gbps 2 信道的最大传输速率 信道容量 某个信道数据传输速率的上限 无论采用何种编码技术 某个信道上的数据传输速率不可能超过此信道的信道容量 信道带宽越宽 信道传输速率越高 带宽 速率 6 波特率 Baud 信号每秒种变化的次数 数据传输速率 其中M表示信号的编码级数 波特率与数据传输速率成正比关系 7 吞吐量信道在单位时间内成功传输的信息量 单位 bps 四 影响信道质量的因素 1 信道带宽 2 最大传输速率 3 利用率 吞吐量 最大数据传输速率 4 延迟 从发送者发送第一位数据开始 到接收者成功地收到最后一位数据为止所经历的时间 传输延迟 与数据传输速率和发送机 接收机的处理速度有关 传播延迟 与传播距离有关 5 抖动 延迟的实时变化 与机器处理能力和信道拥挤程度有关 6 差 ch 错 cu 率 比特差错率 二进制比特位在传输过程中被误传的概率 分组差错率 数据分组被误传的概率 3 2数据通信方式 3 2 1并行传输与串行传输1 串行传输 将待发送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送 需要一条信道 成本低 效率低 适合于远程通信 2 并行传输 将表示一个字符的8位二进制代码通过8条并行的通信信道同时发送出去 每次发送一个字符代码 需要n条信道 成本高 效率高 适合于近距离通信 图3 5串行通信与并行通信 3 2 2异步传输与同步传输1 异步传输 asynchronism 每个字节作为一个单元独立传输 字节之间的传输间隔任意 为了标志字节的开始和结尾 在每个字节的开始加1位起始位 结尾加1位 1 5位或2位停止位 构成一个新的数据单元进行传输 图3 6异步传输 2 同步传输 synchronization 同步传输方式由字符同步和位同步共同构成 1 字符同步 对一组字符组成的数据块通过在其前面加特殊模式的位组合或同步字符 SYN 进行同步 然后进行整体的传输 1 位同步 每一位要进行同步 内同步 编码技术内含同步时钟信号 外同步 由通信线路设备提供同步时钟信号 图3 7同步传输 3 2 3数据传输方向按照信号传送方向与时间的关系可分为单工通信 半双工通信和全双工通信 图3 8单工 半双工与全双工通信 3 2 4连接方式1 点到点连接方式 图3 9点到点连接方式 2 多点连接方式 图3 10多点连接 3 2 5基带传输与频带传输1 基带传输 1 基带信号 表示二进制序列的矩形脉 m i 冲 ch ng 信号 2 基带 基本频带 表示二进制序列的矩形脉冲的固有频带 3 基带传输 直接传送基带信号的方法称为基带传输 特点 数字信号 速率高 误码率低 2 频带传输利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输 特点 模拟信号 价格便宜 容易实现 3 3传输介质 1 传输介质 数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径 它是传输数据的物理基础 局域网 双绞线 通信干 g n 线 xi n 光缆 跨国界传输 卫星 3 3 1双绞线 图3 11双绞线的结构示意图 1 串扰 当两根非常接近的铜线都在传输电信号时 就会出现一定的电磁干扰 叫做串扰 解决的方法 将两根线互相绞在一起可以减少一定的串扰 2 双绞线的特性 1 传输距离 100米 2 传输的信号 数字信号或模拟信号 3 传输速率 10Mbos 100Mbps 线的直径越大 传输距离越短 传输速率越高 3 双绞线的分类 1 非屏蔽双绞线UTP Un shieldedTwistedPair 抗干扰差 成本低 传输距离近 100米 2 屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 抗干扰好 性能好 成本高 传输距离远 几十千米 4 UTP的分类 1 2 3 4 5五类 其中3类多用于30Mbps以下的数据传输 5类用于100Mbps的数据传输或150Mbps的ATM数据传输 3 3 2同轴电缆 1 同轴电缆的特性 1 传输距离 几千米 2 传输的信号 数字信号或模拟信号 3 传输速率 50Mbps 400Mbps 2 同轴电缆的分类 1 基带同轴电缆 阻抗为50 传输数字信号 粗缆 局域网主干 2500米 数千台设备 细缆 用户桌面连接 180米 数千台设备 2 宽带同轴电缆 阻抗为75 既可传输模拟信号 也可传输数字信号 传输距离可达几KM 传输速率可达300 400Mb s 3 3 3光缆 图3 13光纤结构与原理示意图 1 光缆的特性 1 传输距离 几千米 几十千米 2 传输的信号 模拟信号或数字信号 3 传输速率 100MB S 2GB S2 光缆的分类 1 室外光缆 保护好 强度高 内含多根光纤 2 室内光纤 韧性好 单根光纤 容易安装 单模 细 单向传输 性能好 成本高 多模 粗 多向传输 性能差 成本低 3 3 4无线传输介质 图3 14各通信类型使用的电磁波谱范围 在计算机网络领域 无线通信介质主要是微波和卫星 3 4数据编码技术 3 4 1模拟数据编码方法 数字数据 模拟信号调制 Modilation 将数字数据变换成模拟信号的过程 调制器 Modulator 解调 Demodulation 将模拟信号变换成数字数据的过程 解调器 Demodulator 调制解调器 Modem 同时具备调制和解调的设备 1 调幅 ASK 振 zh n 幅 f 键控特点 容易实现 技术简单 抗干扰能力较差 2 调频 FSK 移频键控特点 容易实现 技术简单 抗干扰能力较强 最常用 3 调相 PSK 移相键控特点 较难实现 技术复杂 抗干扰能力较强 图3 15模拟数据信号的编码方法 在实际使用过程中 上述三种方法是综合应用的 3 4 2数字数据编码方法 数字数据 数字信号 图3 17数字数据到数字信号的编码方法 1 非归零编码 Non ReturntoZero NRZ 方法 用高电平表示 1 低电平 非0 表示 0 特点 编码简单 容易实现 需要同步时钟信号 0或1的个数不等时 会有直流分量 2 曼彻斯特编码 Manchester 方法 特点 编码简单 内含同步时钟 一个周期时刻的跳变 不含直流分量 不论0或1 其一个周期的前半个周期和后半个周期总是相异的 3 差分曼彻斯特编码 DifferenceManchester 方法 特点 不论0或1 其一个周期的前半个周期和后半个周期总是相异的 第一个二进制的编码有两种可能 3 4 3脉冲编码调制方法 模拟数据 数字信号1 采样以一定的时间间隔将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本 2 量化将采样样本幅度按量化级决定取值的过程 即将连续值变为离散值 3 编码用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级 图3 18PCM工作原理示意图 3 5多路复用技术 多路复用技术 Multiplexing 当传输介质的带宽超过了传输单个信号所需要的带宽时 通过在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率的技术 3 5 1多路复用技术的基本原理 图3 19多路复用原理示意图 多路复用的基本原理 将一个区域的多个用户信息通过多路复用器进行汇集 然后将汇集后的信息群通过一条物理线路传送到接收设备 接收设备通过多路复用器将信息群分离成各个单独的信息 再分发到多个用户 3 5 2频分多路复用 FDM 基本原理 用于模拟电路系统 在一条通信线路上同时传输多路信号 每路信号以不同的载波频率进行调制 而且各个载波频率完全独立 即载波形成的信号不会互相重叠 所以各路信号可以成功地在介质上传输 图3 20频分多路复用原理示意图 3 5 3波分多路复用 WDM 基本原理 用于光纤通信 在一条光纤上同时传输多路信号 每路信号的波长不同 图3 21WDM原理示意图 3 5 3时分多路复用 TDM 基本原理 将信道用于传输的时间划分为若干个时间片 每个用户分得一个时间片 在其占有的时间片内 用户使用通信信道的全部带宽 图3 22时分多路复用原理示意图 1 同步时分多路复用 STDM 将时间片预先分配给各个信道 并且时间片固定不变 2 异步时分多路复用 ATDM 统计时分多路复用 图3 23同步与统计时分多路复用 1 静态统计时分多路复用 周期性 设复用的信道数为m 每个周期T分为n个时间片 允许m n 即将每个周期内的各个时间片只分配给那些需要发送数据的信道 2 动态统计时分多路复用 非周期性 时间片序号与信道号之间不再存在固定的对应关系 而是按需分配 3 6数据交换技术 定义 资源子网中的两台联网的计算机之间通过通信子网进行数据传输的技术 3 6 1线路交换1 基本原理 资源子网中两台联网的计算机通过通信子网进行数据交换之前 要在通信子网中建立一条实际的专用的物理线路连接 图3 24线路交换方式工作原理 2 线路交换过程 1 线路建立阶段 2 数据传输阶段 3 线路释放阶段 3 特点 1 中间结点一般是电子或机电结合的交换设备 2 交换设备和线路有模拟和数字两种类型 3 建立的物理连接线路是专用的 4 中间结点不能存储数据 也不能改变数据内容 并且没有差错控制能力 4 优点 实时性强 适用于交互式会话类通信 5 缺点 1 不适用于突发性通信 系统效率低 2 没有数据存储能力 不能平滑交通量 拥挤控制 3 没有差错控制能力 也无法纠错 3 6 2报文交换1 基本原理 数据发送者将用户信息 待发送的数据 连同目的地址等辅助信息合在一起 形成一定格式的报文发往中间结点 各中间结点收到报文后 将它全部存储到本地硬盘 直到输出线路有空闲时 再转发到下一个中间结点 直至到达目的结点 2 优点 1 不需要预先建立电路和事后拆除电路 2 在中间结点可以进行差错校验和代码转换 3 缺点 1 每个中间结点必须有较大容量的硬盘等存储器 2 当报文很大时 会明显增加延时 3 6 3分组交换 现在最常用的数据交换技术一 数据报交换1 基本原理 改进的报文交换方式 在发送之前 首先将待发送的数据分成若干个分组 每个分组可以独立地选择一条传输路径到达目的结点 所有分组都到达目的地时 分组进行重组 还原为最初的数据 图3 25数据报方式工作原理示意图 2 特点 1 同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网 2 每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址 3 同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序 重复与丢失现象 4 数据报方式报文传输延迟较大 适用于突发性通信 不适用于长报文 会话式通信 二 虚电路交换 图3 26虚电路方式工作原理示意图 1 基本原理 数据报交换技术和线路交换技术相结合 2 数据交换过程 1 虚电路建立阶段 2 数据传输阶段 3 虚电路拆除阶段 3 特点 1 在每次分组发送之前 必须在发送方和接收方之间建立一条逻辑连接 2 一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送 每个分组不必带目的地址 源地址等辅助信息 也不会出现分组丢失 重复与乱序的现象 3 分组通过虚电路上的每个结点时 结点只需要做差错控制 无须做路径选择 4 通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接 3 7通信网简介 3 7 1电话拨号网 PSTN1 PSTN PublicSwitchedTelephoneNetwork 公用交换电话网 2 适用于电话拨号上网 3 需要一个Modem 9 6Kbps 56Kbps 4 下载速率56Kbps 上传速率33 6Kbps 3 7 2公用分组交换网 X 251 公用分组交换网 X 25 是一个以数据通信为目的的公用数据网 2 由CCITT InternationalTelephoneandTelegraphConsultativeCommittee 国际电话与电报顾问委员会 提出 3 X 25类似于PSTN 在模拟电话线路上进行数据交换 4 采用分组交换技术 速率 64Kbps 5 中国的X 25是CHINAPAC 1989年投入使用 3 7 3数字数据网1 数字数据网 DDN DigitalDataNetwork 数据租用专线 专线 是一个高带宽 高质量的公共数据通信网 2 中国的DDN是ChinaDDN 最高速率2Mbps 3 中国的CERNET就是由ChinaDDN来实现跨省市连接的 图3 27通过DDN进行网络连接示例 3 7 4帧中继1 一种新的公用数据交换网 对X 25作了简化 减少了中间结点的处理时间 差错控制 使网络的带宽得到了充公的利用