计算机网络2——数据通信技术.ppt

计算机网络 数据通信 本章内容 1概述2数据通信系统的性能指标3数据传输方式4调制解调技术5编码解码技术6信道复用技术7网络共享8传输媒体 1数据通信技术概述 数据通信技术就是计算机网络物理层的技术 通信是为了交换信息 数据是信息的载体 数据通过信号进行传输 信号是数据传输的载体 信号在信道上传输 信道是信号的载体 信道一般指连接信号发送方和接收方的传输线路 包括铜缆 光纤等有线传输媒体和无线传输媒体 基本概念 模拟数据 数据在某个区间取连续值数字数据 数据在某个区间取离散值模拟信号 信号的取值是连续的数字信号 信号的取值是离散的模拟通信 信号源发出模拟数据 以模拟信号的形式通信数字通信 信号源发出模拟数据 以数字信号的形式进行传输 数据通信 信号源发出数字数据 2数据通信系统的性能指标 2 1信息传输速率和码元传输速率1 信息传输速率 带宽和吞吐量 1 信息传输速率 数据率 数据传输率比特率 每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数 单位为比特 秒 即b s bit second T为传输的电脉冲信号的宽度或周期 N为电脉冲信号所有可能的状态数 数据率为 2 1信息传输速率和码元传输速率 2 带宽和宽带在通信领域 通信信道是模拟信道 带宽指信道上能够正常通过的模拟的物理信号的频率范围 即最大最小频率之差 单位为赫兹 Hz 信道的带宽受传输媒体的物理性质的限制 在计算机领域 带宽表示传输数字数据的能力 即数字信道所能传输的最大数据速率 单位b s宽带即宽的带宽在通信技术中 宽带解释为宽的频带 在计算机领域 宽带解释为高的信息传输速率 2 1信息传输速率和码元传输速率 3 吞吐量throughput 用单位时间发送的比特数 字节数或帧数等来表示 2 1信息传输速率和码元传输速率 2 码元传输速率 波特率 调制速率数字数据经线路编码后的传输信号在信道上的传输速率成为码元传输速率 它是指每秒传输的码元数 即每秒钟传输信号变化的次数 单位为波特 baud T表示调制周期 2 1信息传输速率和码元传输速率 3 信息传输速率与码元传输速率的关系一般情况下 如果码元状态数为N N为2的整数次幂 则信息传输速率S和码元传输速率B的关系为 S Blog2N b s 例 对于波特率B 2000baud 若N分别为2 4和8 则比特率S可以分别达到2000b s 4000b s 6000b s 2 2时延和时延带宽积 1 时延指一个数据块 帧 分组 报文段等 从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间 时延由以下3个部分组成 1 发送时间 transmissiontime 结点发送数据时把数据块结点送入传输媒体所需要的时间 即从发送数据块的第一个比特开始到发送完最后一个比特所花费的时间 发送时间 数据块长度 信息传输速率 2 2时延和时延带宽积 2 传播时延 propagationdelay 承载传输信号的电磁波在一定长度的信道上传播所需要的时间 其计算公式为 传播时延 信道长度 电磁波在信道上的传播速率在自由空间中 电磁波以光速传播 光速为300000km s在铜线或光纤中 电磁波的速度大约降低到光速的2 3 即200000km s 相当于1km 5 s或200m s 2 2时延和时延带宽积 3 转发时延数据块在中间结点转发数据时引起的时延 不同的中间结点有不同的转发时延 例如 路由器转发分组时可能产生如下的时延 排队时延 queueingdelay 分组在输入和输出缓冲区排队花费的时间 与网络负载状况有关处理时延 processingdelay 进行转发处理所花费的时间 如首部处理 差错检验 转发时间 2 2时延和时延带宽积 数据块经历的总时延为上述3个部分时延之和 总时延 发送时间 传播时延 转发时延时延是计算机网络的一项重要指标 各种时延也影响到网络参数的设计 和时延有关的概念是往返时间 roundtriptime RTT 即在TCP连接上报文段往返所经历的时间 2 2时延和时延带宽积 2 时延带宽积 比特 即传播时延和带宽的乘积 时延带宽积 传播时延 带宽例 一链路的传播时延为500 s 带宽为100Mb s 则时延带宽积为50000比特时延带宽积又称为比特长度 即以比特为单位的链路长度 2 3误码率和误比特率 误码率和误码比特率表示计算机网络和数据通信系统的可靠性 它们是统计指标 1 误码率 衡量信道传输质量的重要参数pc 是传输的码元被传错的概率 当传输的码元总数很大时 pc可以近似为 pc 传错的码元数 传输的码元数 2 3误码率和误比特率 2 误比特率 比特误码率 biterrorrate BER 是传输的比特被传错的概率 当传输的总比特数很大时 误码比特率pb可以近似为 pb 传错的比特数 传输的比特总数计算机网络的速率一般用信息传输速率即比特率 传输差错也一般使用比特误码率 有时成为误码率 一般 当pb 10 6 属于正常通信范围 局域网和光纤传输有更低的比特误码率 2 4奈奎斯特准则与香农定理 奈奎斯特准则和香农定理给出了传输信道的极限传输能力 称为信道容量 channelcapacity 用信道的最大信息传输速率来表示 1 奈奎斯特准则对于一个带宽为W的无噪声低通信道 最高的码元传输速率SMAX为2倍的W 单位为baud 即SMAX 2W baud 2 4奈奎斯特准则与香农定理 如果编码方式的码元状态数为L 那么信道的极限信息传输速率即信道容量Smax Smax 2Wlog2L b s 2 4奈奎斯特准则与香农定理 例 对于带宽为100MHz的5类非屏蔽双绞线 其最高码元传输速率为200Mbaud 如果编码方式的码元状态数L为4 则信道的极限传输速率为因为信道总是有噪声的 所以奈奎斯特准则给出的是理论上的上限 信息传输速率越高 要求信道的带宽越高 对传输媒体和设备的要求越高 2 4奈奎斯特准则与香农定理 2 香农定理有高斯白噪声干扰情况下的信道容量Cmax Wlog2 1 S N b s W为信道带宽 S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率 S N为信噪比 通常用10log10 S N 表示 单位为分贝 dB 例S N 1000时 信噪比为30dB 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源系统 传输系统 目的系统 传输系统 源点 终点 发送器 接收器 输入信息 输出信息 3数据传输方式 3 1单工 全双工和半双工传输1 单工传输 单向传输 指在一个单一不变的方向上进行信息传输的通信方式 只有一个方向不变的单向通道连接了两个设备 例 打印机 3 1单工 全双工和半双工传输 2 全双工传输 双工传输 双向传输 指两设备之间存在两条不同方向的信息传输通道 它们可以同时在两个方向上传输数据 3 1单工 全双工和半双工传输 3 半双工传输 双向分时传输 指两个设备之间虽然有两个通信通道 但是在任何一段时间中 只能有一个设备发送数据 另一个设备接收数据 不能像全双工那样双向同时传输数据 3 2异步传输和同步传输 在数字传输中 根据同时传输的位数的不同 并行通信 传输的数据按一定的位数组合同时传送 需要多条通信线 通常用在近距离通信 如计算机内部 计算机和外设之间串行通信 传输数据的各比特在通信线路上按先后次序依次传送 一般只需要两条通信线 适合远距离通信 串行通信中又分为两种传输方式 异步传输和同步传输 3 2异步传输和同步传输 1 同步接收方要正确判断接收到的发送方的码元序列的状态 必须在合适的时刻去测试判断接收到的码元 帧同步 接收方必须知道收到的帧的起始时刻和结束时刻 以便接收方时钟对准帧的起始位置 开始和结束接收数据 位同步 在起始位置对准的前提下 接收时钟和发送时钟应该有同样的频率和特定的相位关系网同步 实现网络中的所有结点有统一的基准定时时钟采用准同步方式和主从同步方式 异步传输 起止式 以字符为单位进行数据传输 每一个字符前后各加一个起始位和一个停止位 实现字符同步 通信的双方各自使用独立的基准定位时钟 但要约定同样的传输速率 以实现位同步 异步传输的字符格式 异步传输每次传送的字符位数是可以选择指定的 有5 6 7 8比特等异步传输速率常用的选择有 300 600 1200 2400 3600 9600 19200b s异步传输的效率比较低 适用范围 键盘与主计算机 RS 232C接口 RS 232C是由美国电子工业协会 EIA 正式公布的 在异步串行通信中应用最广泛的标准总线 同步传输 以帧数据块为单位进行传送 使用特殊的标志进行帧同步 界定一个帧的始末 由于一个信息帧可以包含的位数很多 同步传输还必须进行严格的位同步 一般是内同步方式 适用于快速的和较大规模的信息传输 如 网络通信 同步传输与异步传输的特点 异步传输存在一个潜在的问题 即接收方并不知道数据会在什么时候到达 在它检测到数据并做出响应之前 第一个比特已经过去了 一个常见的例子是计算机键盘与主机的通信 按下一个字母键 数字键或特殊字符键 就发送一个8比特位的ASCII代码 键盘可以在任何时刻发送代码 这取决于用户的输入速度 内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符 例如在键盘上数字 1 按照8比特位的扩展ASCII编码 将发送 00110001 同时需要在8比特位的前面加一个起始位 后面一个停止位 异步传输的实现比较容易 由于每个信息都加上了 同步 信息 产生了较多的开销 适用于传输量较小的低速设备 同步传输与异步传输的特点 同步传输的比特分组要大得多 它不是独立地发送每个字符 每个字符都有自己的开始位和停止位 而是把它们组合起来一起发送 同步传输通常要比异步传输快速得多 接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作 一旦检测到帧同步字符 它就在接下来的数据到达时接收它们 另外 同步传输的开销也比较少 例如 一个典型的帧可能有500字节 即4000比特 的数据 其中可能只包含100比特的开销 这时 增加的比特位使传输的比特总数增加2 5 这与异步传输中25 的增值要小得多 随着数据帧中实际数据比特位的增加 开销比特所占的百分比将相应地减少 但是 数据比特位越长 缓存数据所需要的缓冲区也越大 这就限制了一个帧的大小 另外 帧越大 它占据传输媒体的连续时间也越长 在极端的情况下 这将导致其他用户等得太久 同步传输与异步传输的特点 同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的 字符与字符间的传输是同步无间隔的 异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样 字符与字符间的传输是异步的 基带信号 将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压表示 然后送到线路上去传输的高低电压不断交替的信号基带 baseband 指未经调制的信号所占用的频带 即把数字数据转换为数字传输信号时它所固有的频带 它们的频谱一般从0开始 基带传输 将基带信号直接送到线路上传输频带信号 将基带信号进行调制后形成的模拟信号频带传输 将频带信号送到线路上去传输 3 3频带传输与基带传输 频带传输 将数字数据模拟化 借助于模拟的正弦载波信号 用数字数据调制载波 将数字数据寄生在载波的某个参数上 借助于模拟信道进行传输 频带传输方式可以利用调制解调技术和频分多路复用 FDM 技术实现 基带传输是计算机网络最基本最重要的一种传输方式 LAN一般都采用基带传输 在传输数字数据之前需进行编码 转换为数字传输信号 即用不同的电平和波形来代表数字 0 和 1 可利用时分多路复用 TDM 来实现宽带传输 将不同信号调制后分别移到一条电缆的不同频段进行传输 不仅各路信号不会互相干扰 还提高了线路的利用率 4调制解调技术 调制 数字数据模拟化解调 模拟数据数字化用一个正弦信号作为载波 用被传输的数字数据去调制它 调制后作为传输信号 调制改变了载波的特征参数以便携带数字数据 正弦信号 4调制解调技术 4 1幅移键控 ASK 调幅AM载波的振幅随基带数字信号而变化4 2频移键控 FSK 调频FM载波的频率随基带数字信号而变化4 3相移键控 PSK 调相PM载波的初始相位随基带数字信号而变化 数字数据的三种调制方法 5编码解码技术 编码的原因 更利于在接收端区分 0 与 1 值 可以在传输信号中携带时钟 便于接收端提取定时时钟信号合理的编码方式可以适合信道的传输特性 充分利用信道的传输能力 基带数字信号常用的编码方式 不归零制编码 NRZ 用不同的电平信号表示数字 0 和 1 这一电平信号要占满整个码元宽度 中间不归零 单极性NRZ 5V表示 1 0V表示 0 双极性NRZ 5V表示 1 5V表示 0 NRZI非归零反相编码 编码时 对数字 1 信号电平在正负之间发生变化 而数字 0 信号电平不变化 曼彻斯特编码 相位编码 对应于每一数据位的中间位置都有一个跳变 用跳变的相位表示数字 0 和 1 正跳变表示数字 0 负跳变表示数字 1 此编码的优点是 接收方容易利用每个数据位中间位置的跳变生成同步时钟信号 不需要单独传送时钟 即内同步方式 又称自带时钟码 self clockingcode 利用跳变的相位容易判断 0 和 1 因为每个数据位中间都有跳变 因此无直流分量 差分曼彻斯特编码 在每一数据位的中间也有一个跳变 用来生成同步时钟信号 不用来表示数字 0 1 它是用每位开始是否有跳变来表示数字 0 1 若每位开始有跳变表示 0 无跳变表示 1 6信道复用技术 为了节约成本 应该尽量把多路通信复用到一条物理干线上 充分利用传输线路的带宽 空分多路复用 SDM频分多路复用 FDM时分多路复用 TDM波分多路复用 WDM码分多路复用 码分多址 CDMA 多路复用 6 1频分多路复用 FDM 传输介质的可用带宽分隔成一个频段适用于模拟信号数字数据首先经调制解调器转换成模拟信号 频分多路复用FDM 频分复用 频率 时间 频率1 频率2 频率3 频率4 频率5 6 2时分多路复用 TDM 传输介质的可用时间分成时隙适用于数字信号时分多路复用类型隔位扫描隔字符扫描数字信号分级 6 3统计时分多路复用 STDM STDM动态的按需分配时隙 时隙位置与数据源没有固定的对应关系 一个数据源所占用的时隙不是周期性的出现 是无规律的 用户可以利用TDM中的空闲时隙 从而提高了时隙的利用率 在每一个时隙中必须有地址字段 使接收端能根据此正确的分离出个路数据 TDM与STDM 时分复用 频率 时间 B C D B C D B C D B C D 6 4波分多路复用 WDM 在一根光纤上传输多路不同波长的光信号 在发送端将多个光信号复合在一起 送到一根光纤上传输 在接收端由复合的信号分离出原来的光信号 WDM比单波长的传输容量可以大几十倍甚至更高 由于光信号频率不同导致的不同颜色称为色分多路复用 WDM传送的光信号 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 波分复用WDM 波分复用就是光的频分复用 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 复用器 分用器 EDFA 120km 6 5码分复用CDM 常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 码片序列 chipsequence 每个站被指派一个惟一的mbit码片序列 如发送比特1 则发送自己的mbit码片序列 如发送比特0 则发送该码片序列的二进制反码 例如 S站的8bit码片序列是00011011 发送比特1时 就发送序列00011011 发送比特0时 就发送序列11100100 S站的码片序列 1 1 1 1 1 1 1 1 CDMA的重要特点 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同 并且还必须互相正交 orthogonal 在实用的系统中是使用伪随机码序列 码片序列的正交关系 令向量S表示站S的码片向量 令T表示其他任何站的码片向量 两个不同站的码片序列正交 就是向量S和T的规格化内积 innerproduct 都是0 2 4 码片序列的正交关系举例 令向量S为 1 1 1 1 1 1 1 1 向量T为 1 1 1 1 1 1 1 1 把向量S和T的各分量值代入 2 4 式就可看出这两个码片序列是正交的 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1 正交关系的另一个重要特性 码分多路复用 码分多址 CDMA 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 每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 适用于卫星通信和移动通信中 7网络共享 基于信道的共享 电路交换基于排队的共享 分组交换混合共享 在一个数据网络中同时采用电路交换和分组交换 三种交换的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 基于排队的存储转发网络分为报文交换和分组交换主要区别是传输的数据单元不同在分组交换网中 网络对分组的管理有两种方法 无连接的数据报和面向连接的虚电路数据报 两个基本特征虚电路混合交换 异步传输方式ATM 8传输媒体 Transmissionmedia 传输介质 是信号传输的物理载体 包括两类 有线传输媒体 导向 和无线传输媒体 非导向 前者一般为铜导线或光纤 后者为自由空间 8 1双绞线 由两条相互绝缘的铜导线组成 相互绞合起来可以传输模拟信号和数字信号屏蔽双绞线STP ShieldedTwistedPair 非屏蔽双绞线UTP UnshieldedTwis