2数据通信基础.ppt

一 数据通信的基本概念 1 1数据 信息 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 数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式 信号是数据的具体的物理表现 雪六角形凉白色 信息 数据 信号 例子 信息 人对雪花和马的认识数据 文字 二进制数 十进制数信号 电压 光 磁场强度 两种不同类型的量 A 时间 温度 电波 声音 B 字符 二进制数 电脉冲 信号中没有断开或不连续的的地方 信号仅取一些有限数目的值 1 2信号与信号传输 模拟 连续的 不可数 波动性 持续变化 反映事物的本质 在电信业已经被广泛使用超过100年 数字 离散性 可数 跃变性 设备性能先进 较为便宜 模拟信号与数字信号的特点 模拟信号和数字信号 1 数字通信优点抗干扰能力强 差错可以控制 易于实现保密通信 1 3数据信号 模拟传输和数字传输 Modem 移幅键控法ASK移频键控法FSK移相键控法PSK 1 数字信号的模拟传输 1 3 数据信号 在模拟信道上传输数字数据时 要将数字数据调制成模拟信号才能进行传送 2 数字数据的数字信号传输 为使数字信号适合于数字信道传输 要对数字信号进行编码 数字信号编码是指用两个电平分别表示两个二进制数据 0 和 1 的过程 常见的数字信号编码有单极性编码 双极性编码和曼彻斯特编码等几种 3 数字数据的数字信号传输 a 单极性脉冲 b 双极性脉冲 d 双极性归零脉冲 c 单极性归零脉冲 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码 以跳变方向来判断是 0 还是 1 从高电平跳到低电平为 0 从低电平跳到高电平为 1 差分曼彻斯特编码 以是否跳变来判断是 0 还是 1 当前数据的前半周期与前一数据位的后半周期的电平进行比较 一致为 1 不同则为 0 4B 5B编码 在光纤分布式数据接口 FDDI FiberDistributedDataInterface 中采用了独特的4B 5B编码 这种编码的特点是将欲发送的数据流每 bit作为一个组 然后按照4B 5B编码规则将其转换成相应5bit码 5bit码共有32种组合 但只采用其中的24种 16种对应4bit码的16种 8种用作控制码 以表示帧的开始和结束 光纤线路的状态 静止 空闲 暂停 等 标准4B 5B编码对照表见表2 1 用于100MbpsFDD1PMD的4B 5B编码控制码表见表2 2 现用不归零编码画出4bit码和5bit码的对应波形 5bit码经差分编码后 转换成光信号 如图2 4所示 图2 44B 5B编码方式 4 模拟数据的数字信号编码 1 脉码调制PCM 脉码调制是以采样定理为基础 对连续变化的模拟信号进行周期性采样 利用 有效信号最高频率或其带宽 倍的采样频率 通过低通滤波器从这些采样中重新构造出原始信号 采样定理表达公式 Fs 1 Ts 2Fmax或Fs 2Bs式中Ts为采样周期Fs为采样频率Fmax为原始信号的最高频率Bs Fmax Fmin 为原始信号的带宽2 模拟信号数字化的三步骤1 采样 以采样频率Fs把模拟信号的值采出 2 量化 使连续模拟信号变为时间轴上的离散值 3 编码 将离散值变成一定位数的二进制数码 二 数据的传输方式 异步传输每一个字符的起始时刻可以是任意的 这正是称为异步传输的含义 但一次只传输一个字符 每个字符用一位起始位引导 一位停止位结束 在没有数据发送时 发送方可发送连续的停止位 接收方根据 1 至 0 的跳变来判断一个新字符的开始 然后接收字符中的所有位 1 异步传输和同步传输 异步传输 优点 实现字符同步比较简单 收发双方的时钟信号不需要精确地同步 缺点 每个字符增加了2bit 3bit 降低了传输效率 所以 这种方法常用于1200bit s及其以下的低速数据传输 发送方可以在任何时刻发送这些比特组 而接收方从不知道它们会在什么时候到达 异步传输被设计用于低速设备 比如键盘和某些打印机等 同步传输 位同步要求传输数据的收发双方的时钟频率严格保持一致 即称收发双方的时钟是同步的 帧同步 帧 是数据链路层传输的数据单元 其长度并没有硬性规定 异步传输和同步传输举例 2 基带传输和频带传输 1 基带传输指在信道上直接传输基带信号的方式 基带信号 由数据或消息直接转换成的原始电信号 主要用于短距离或有线电系统中 基带传输系统 2 频带传输包括调制解调过程的传输系统 有时也把用模拟信道传输数字信号的方法称为频带传输 主要用于长距离或无线电系统中 频带传输系统 2 串行传输与并行传输 1 并行传输若干位并行传输 2 串行传输按位串行传输 数据的串行 并行传输 并行通信特点传输速率高 成本较高 适合于近距离传输 串行通信特点传输速率低 成本较低 适合于远距离传输 三 数据通信方式 1 单工通信指信号只能单方向进行传输的工作方式 特点 设备简单 造价低 但传输效率低 2 半双工通信指通信双方都能收发信号 但不能同时进行收发的工作方式 特点 控制复杂 传输效率低 3 全双工通信指通信双方可同时进行收发的双向传输信号的收发方式 特点 传输效率高 控制简单 但造价高 带宽要求高 四 多路复用技术 多路复用技术是一种将两个或多个彼此独立的信号合并为一个复合信号 在一条公用信道上进行传输的方法 多路复用技术分为频分复用技术 时分复用技术波分复用技术 多路复用技术可以提高信道的利用率 长距离传输时一般都使用多路复用技术 1 频分复用技术 FDM 将几路信号中的每路信号都以不同的载波频率进行调制 从而使多路信号同时在一条物理信道上传输 应用 无线电广播 电视 2 时分复用技术 TDM 将每一条物理信道按时间分成若干时间片 每路信号按时间片轮流交替地使用单一信道 3 波分复用技术 WDM 不同波长的光载波同在一根光纤上传输 是光纤上的频分复用技术 五 数据交换技术1 电路交换 是20世纪60年代美苏冷战时期的产物 60年代初 美国国防部领导的远景研究规划局ARPA AdvancedResearchProjectAgency 提出要研制一种生存性 survivability 很强的网络 传统的电路交换 circuitswitching 的电信网有一个缺点 正在通信的电路中只要有一个交换机或一条链路被炸毁 整个通信电路就会中断 如要改用其他迂回电路 必须重新拨号建立连接 这将要延误一些时间 计算机网络的产生背景 回顾一下电路交换的特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来 更多的电话机互相连通 5部电话机两两相连 需10对电线 N部电话机两两相连 需N N 1 2对电线 当电话机的数量很大时 这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比 使用交换机 当电话机的数量增多时 就要使用交换机来完成全网的交换任务 交换机 交换 的含义 在这里 交换 switching 的含义是 转接 把一条电话线转接到另一条电话线 使它们连通起来 从通信资源的分配角度来看 交换 就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源 电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的 电路交换的三个阶段 建立连接通信释放连接 电路交换举例 A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电路交换举例 C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行 交换机 交换机 交换机 交换机 用户线 用户线 中继线 中继线 B D C A 电路交换传送计算机数据效率低 计算机数据具有突发性 这导致通信线路的利用率很低 电路交换的优点 数据传输可靠 并保持原有的次序 实时性强 延迟小 没有拥塞问题 电路交换的缺点 传输效率低 不具有存储数据和差错控制能力 无法检测和纠正传输中的数据差错 电路交换是为语音通信开发的 但现在也用于数据通信 2 报文交换 问题的提出 当端点间交换的数据具有随机性和突发性时 采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费 采用报文交换则不存在这种问题 1 报文交换原理 报文交换方式的数据传输单位是报文 报文就是站点一次性要发送的数据块 其长度不限且可变 当一个站要发送报文时 它将一个目的地址附加到报文上 网络节点根据报文上的目的地址信息 把报文发送到下一个节点 一直逐个节点地转送到目的节点 每个节点在收到整个报文并检查无误后 就暂存这个报文 然后利用路由信息找出下一个节点的地址 再把整个报文传送给下一个节点 因此 端与端之间无需先通过呼叫建立连接 一个报文在每个节点的延迟时间 等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和 2 报文交换的特点 报文从源点传送到目的地采用 存储 转发 方式 在传送报文时 一个时刻仅占用一段通道 在交换节点中需要缓冲存储 报文需要排队 故报文交换不能满足实时通信的要求 3 报文交换的优点 电路利用率高 在电路交换网络上 当通信量变得很大很大时 就不能接受新的呼叫 而在报文交换网络上 通信量大时仍然可以接收报文 不过传送延迟会增加 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地 而电路交换网络很难做到这一点 4 报文交换的缺点 不能满足实时或交互式的通信要求 报文经过网络的延迟时间长且不定 有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时 就不得不丢弃报文 而且发出的报文不按顺序到达目的地 报文 3 分组交换 1 分组交换的原理 在发送端 先把较长的报文划分成较短的 固定长度的数据段 数据 数据 数据 每一个数据段前面添加上首部构成分组 首部 首部 首部 请注意 现在左边是 前面 分组交换网以 分组 作为数据传输单元 依次把各分组发送到接收端 假定接收端在左边 分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息 把分组转发到下一个结点交换机 用这样的存储转发方式 分组就能传送到最终目的地 接收端收到分组后剥去首部还原成报文 数据 首部 数据 首部 数据 首部 收到的数据 数据 数据 数据 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 请注意首部的位置 接收端在发送端的左方时 首部往往画在分组的左方 接收端在发送端的右方时 首部往往画在分组的右方 2 分组交换的优点 高效动态分配传输带宽 对通信链路是逐段占用 灵活以分组为传送单位和查找路由 迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组 充分使用链路的带宽 可靠完善的网络协议 自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性 3 分组交换的缺点 分组在各结点存储转发时需要排队 这就会造成一定的时延 分组必须携带的首部 里面有必不可少的控制信息 也造成了一定的开销 4 分组交换的分类 虚电路分组交换数据传输前 网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路 每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符 在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去 不再需要路由选择判定 最后 由某一个站用清除请求分组来结束这次连接 它之所以是 虚 的 是因为这条电路不是专用的 数据报分组交换每个分组的传送是被单独处理的 每个分组称为一个数据报 每个数据报自身携带足够的地址信息 一个节点收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息 找出一个合适的出路 把数据报原样地发送到下一节点 由于各数据报所走的路径不一定相同 因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地 有的数据报甚至会中途丢失 整个过程中 没有虚电路建立 但要为每个数据报做路由选择 4 三种交换的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 t 电路交换 在数据传输之前必须先设置一条完全的通路 在线路拆除 释放 之前 该通路由一对用户完全占用 电路交换效率不高 适合于较轻和间接式负载使用租用的线路进行通信 报文交换 报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式 报文需要排队 因此报文交换不适合于交互式通信 不能满足实时通信的要求 分组交换 分组交换方式和报文交换方式类似 但报文被分成分组传送 并规定了最大长度 分组交换技术是在数据网中最广泛使用的一种交换技术 适用于交换中等或大量数据的情况 六 差错控制技术 差错是指在数据通信中 接收端接收的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象 传输中的差错由噪声引起 热噪声 信道固有的分子热运动 冲击噪声 由外界特定的短暂原因所造成 热噪声是由传输媒体的电子热运动产生的 其特点是时刻存在 幅度小 干扰强度与频率无关 但频谱很宽 属于随机噪声 由热噪声引起的差错属于一种随机差错 冲击噪声是由外界电磁干扰引起的 与热噪声相比 冲击噪声的幅度较大 是引起差错的主要原因 冲击噪声持续时间与数据传输中每个比特的发送时间相比 可能较长 因而冲击噪声引起的相邻多个数据位出错呈突发性 冲击噪声引起的传输差错称为突发差错 1 差错检测码对传输的数据进行抗干扰编码 检错码 在发送每一组信息时发送一些附加位 接收端通过附加位对所接收的数据进行正错判断 如奇偶校验 循环冗余校验 纠错码 在发送每一组信息时发送一些附加位 接收端通过附加位对所接收的数据进行正错判断 并自动纠正错误 如海明码 2 差错控制方法 1 自动请求发送 ARQ 当接收端根据检错码发现差错时 通知发送端重发 直到收到正确的码字为止 2 前向纠错 FEC 接收端根据纠错码发现差错时 确定错误位置 加以纠正 3 编码效率R k k r k位 n k r 4 奇偶校验把信息码元先分组 在每组最后加一位校验码元 使该码中1的数目为奇数或偶数 1 垂直奇偶校验偶校验校验位r I1 I2 I3 Ip奇校验校验位r I1 I2 I3 Ip 1编码效率R p p 1 码字垂直发送能检出所有奇数个错 但不能检出偶数个错 漏检率为1 2 2 水平奇偶校验 3 水平垂直奇偶校验 5 水平奇偶校验举例 水平奇偶校验例子 前提 发送方和接受方必须事先商定一个二进制数G x 生成多项式 发送端 计算校验和 将校验和加在数据末尾 使这个带校验和的数据能被G x 除尽 接收端 收到带校验和的数据后 用G x 去除它 如果有余数 则传输出错 实现 用简单的硬件 移位寄存器电路 即可 循环冗余码 CRC 2 7差错检验和控制 数据 1101011011 G x 生成多项式 10011 循环冗余码 CRC 例子 传输码元 数据 移位后 余数11010110111110 七 数据通信的主要性能指标 有效性 速度 模拟信号带宽数字信号传输速率可靠性模拟信号信噪比数字信号误比特率 宽带与带宽区别 带宽是一个具体的数值 用来标示网络速度宽带是上网的接入方式 指的是具备高通信速率和高吞吐量的计算机网络 能够满足多媒体数据传输的要求 信道 信道的带宽 信道 是指以传输介质为基础传送信号的通道 信道带宽 指信道的传输容量 模拟信号信道用赫兹 Hz 来表示带宽数字信号信道用比特率 bps 表示带宽 位 每秒 信道带宽 是指信道容许通过的物理信号的频率范围 即容许通过的信号的最高与最低频率之差 介质带宽 是指该传输介质能通过的物理信号的频率范围 传输速率S 比特率 单位时间内所传送的二进制代码的有效比特数 bps 1Mbps 103kbps 106bps信噪比 信号功率S与噪声功率N的比值 一般用10lgS N来表示 单位分贝 dB 数字信号流随时间的变化 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄 1 无线电短波通信 在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合 例如 高山 湖泊或岛屿等 即使在城市中挖开马路敷设电缆有时也很不划算 特别是通信距离很远 对通信安全性要求不高 敷设电缆或光纤既昂贵又费时 若利用无线电波等无线传输介质在自由空间传播 就会有较大的机动灵活性 可以轻松实现多种通信 抗自然灾害能力和可靠性也较高 返回本节 八 无线通信 2 地面微波接力通信 无线电数字微波通信系统在长途大容量的数据通信中占有及其重要的地位 其频率范围为300MHz 300GHz 微波通信主要有两种方式 地面微波接力通信和卫星通信 微波在