《数据通信技术》PPT课件.ppt

第三章数据通信技术 DataCommunicationsTechnology 主要内容 第一节数据通信的基础知识第二节数据传输方式第三节数据编码技术第四节数据传输介质第五节多路复用技术第六节数据通信的性能指标第七节数据传输中的检错与纠错第八节数据交换技术 了解 数据通信的基本概念 数据通信的性能指标 差错校验掌握 数据传输方式 数据编码技术 数据传输介质 多路复用技术 数据交换技术 一 物理层 Physicallayer 它直接与物理信道 Physicalchannel 相连 起到数据链路层 DataLinklayer 和传输介质 media 之间的逻辑接口作用 提供建立 establish 维护 maintenance 和释放 release 物理连接 physicalconnection 的方法 任务 在物理介质上正确地 correctly 透明地 Transparent 传送比特流 3 OSI RM参考模型的各层功能 一 物理层 Physicallayer 物理层协议关心的典型问题是 使用什么样的物理信号来表示数据 1 和 0 一位信号的持续时间 Duration 多长 是否可同时在两个方向 Direction 上进行数据传输 初始的物理连接如何建立以及完成通信后如何终止物理连接 物理层与传输介质的连接接口 Interfacetoconnect 插头和插座 有多少引脚以及各引脚的功能和动作时序 如采用RJ 45 还是EIA TIA 232 怎么定义各脚物理层的设计主要涉及物理层接口的机械 电气 功能和规程特性 以及物理层接口连接的传输介质等问题 机械 规定物理连接器的尺寸 形状 规格电气 规定信号电平 信号的脉冲宽度和频率 数据传送速率 最大传输距离等功能 定义接口引 线 脚的功能和作用规程 定义信号时序 应答关系 操作过程 二 数据链路层 Datalinklayer 任务 在两个相邻节点 Adjacentnodes 间可靠地传输数据 使之对网络层呈现为一条无错的链路 Reliablelink 它的下一层 物理层 为它提供比特流服务 在相邻节点之间建立链路 传送以帧 Frame 为单位的数据信息 并且进行检错 errordetecting 和纠错 errorcorrecting 二 数据链路层 Datalinklayer 功能与服务 接入控制 建立与拆除数据链路连接 Toestablishandremovedatalinkconnection 组帧 帧封装 capsulation 将比特组合成字节进而组合成帧 按顺序传送 处理返回的确认帧 物理地址寻址 Addressing 数据帧的头部要包含物理地址 MAC 在帧的尾部还有差错控制信息 定界与同步 产生 识别帧边界 Toproduce recognizeframeborder 差错检测 恢复 Errordetection recovery 可以发现错误不能纠错 可靠的传输 CRC 流量控制 FlowControl 抑止发送方的传输速率 使接收方来得及接收 3 1数据通信的基础知识 信息 Information 信息是用于向人们提供关于现实世界新的事实的知识 数据 Data 数据是用于记录事物情况的物理符号 如 文本 Text 图像 Image 音频 Audio 视频 Video 等 信号 Signal 信号是数据在媒体中传输的电磁波或电子编码表现形式 具有确定的物理描述 信道 Channel 信道是信号传输的通道 数据 Data 分类 数据可分为模拟数据 Analogsignal 和数字数据 Digitalsignal 两类 模拟数据是指在某个区间连续变化的物理量 如 声音的大小和温度的变化等 数字数据是指离散的不连续的量 如 文本信息和整数 信号 Signal 分类 信号在通信系统中也可分为模拟信号和数字信号 其中模拟信号是指一种连续变化的电信号 如 电话线上传送的按照话音强弱幅度连续变化的电波信号 数字信号是指一种离散变化的电信号 数字信号的抗干扰能力强 如 计算机产生的电信号就是 0 和 1 的电压脉冲序列串 模拟信号和数字信号之间可以相互转换 信道 Channel 信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体 一般一条通信线路至少包含两条信道 一条用于发送的信道和一条用于接收的信道 按传输的信号类型 信道分为适合传送模拟信号的模拟信道和适合传送数字信号的数字信道两大类 其中数字信道的传输质量较高 按传输的介质划分 信道也可分为有线信道和无线信道两种 小结 信息与数据的关系 信息的载体是数据 数据与信号的关系 数据是通过信号进行传输的 数据在发送前要把它转换成某种物理信号 如电信号等 信号与信道的关系 信道是信号传输的通道 问题 信道和物理线路是不是一回事 3 2数据传输方式 数据传输以信号传输为基础 在理想情况下 数据传输的目的是希望接收信号的幅度和波形应与发送信号完全一样 在通信系统设计中 需解决以下问题 数据传输类型 数据以哪种形式进行传输 数据通信方式 数据传输时的具体工作方式 1 模拟数据与数字数据的传输形式 1 模拟数据在模拟信道上传输例 语音信号在普通的电话系统中传输 传输过程 语音信号以300 3400Hz频率输入 发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号 这个模拟信号经过一个频分多路复用器进行变化 使得线路上可以同时传输多路模拟信号 当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号 再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号 1 模拟数据在模拟信道上传输小知识 一般人的语音频率范围是300 3400Hz 为了进行传输 在线路上给它分配一定的带宽 国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度 补充例子 公共模拟有线电视网来传输视频信号 微波与卫星通信也可以传输模拟数据 2 数字数据在模拟信道上传输例 计算机等终端数字设备通过电话线进行传输 传输过程 计算机和终端设备发送数字数据进入到模拟信道以前要有一个变换器进行数字信号到模拟信号的转换 以便它能在模拟信道上传输 称为调制 而当调制后的模拟信号传到接收端以后 在接收端也有一个变换器再对这个信号进行反变换 即又把它变回数字信号 称为解调 既用于发送信号又用于接收信号的专门设备为调制解调器 Modem 补充例子 公共模拟有线电视网来传输计算机信号 微波与卫星通信也可以传输计算机信号 DigitaldataSuchas hello binarydata01011001000 Analogsignal Changesinewave sphase frequencyoramplitude 3 数字数据在数字信道上传输例 计算机与其外部设备之间 以及计算机局域网 城域网大多直接采用数字数据通信 DDN是利用数字信道为用户提供话音 数据 图像信号的 半永久 连接电路的传输网路 4 模拟数据在数字信道上传输例 将语音信号转换为数字数据 再在数字干线上传输 模拟传输 数字传输 数据传输方式可以从不同的角度划分 其传输方式有很多 常见的有 单工 半双工和全双工 按照信号传输方向与时间的关系划分串行和并行 按照数据通信使用的信道数划分同步传输和异步传输 串行通信中解决同步问题的两种方法基带传输和频带传输 按照传输的数据种类和信号种类划分 1 单工 半双工和全双工传输 单工传输 信息发送只能是单方向的 即发送端只能发送 接收端只能接收 只有一个单向通道 如 电视机 收音机等 半双工传输 两设备之间有两个通道 但在任一段时间中 只能有一端发送数据 另一端接收数据 不能双向同时进行 如常见的无线对讲机等 全双工传输 两设备之间有两个通道 他们可以同时在两个方向上传输数据 如计算机之间的数据通信等 a 单工 b 半双工 c 全双工 2 串行传输和并行传输 01001101 01001101 并行传输 两台设备之间的数据位 一般为8位 一个字符 通过并行的信道同时传输 如计算机与打印机的传输 串行传输 收发端一次发送或接收1个数据位 依次串行通过通信线路 如鼠标与计算机的传输 比较 串行传输只要建立一条信道 并行传输需建多条信道 并行传输速度快 但代价高 如 网卡负责串 并转换 2 串行传输和并行传输 3 同步传输和异步传输同步 是数字通信中必须解决的一个重要问题 指的是数据从发送端到接收端必须保持双方步调一致 解决同步问题的方法有两种 同步传输和异步传输 同步传输同步传输方式中将字符组织为帧 frame 以帧为单位连续传送 同步传输在帧前加同步字符SYN进行帧同步 界定一个帧的始末 异步传输异步传输以字符为单位进行数据传输 每个字符前后通过加起始位和停止位来实现字符同步 异步传输举例 每个字符由四部分组成 1 1位起始位 以逻辑 0 表示 2 5 8位数据位 即要传输的字符内容 3 1位奇偶校验位 用于检错 4 1 2位停止位 以逻辑 1 表示 用作字符间的间隔 异步传输的字符格式 同步传输和异步传输的比较 1 异步传输是面向字符的传输 而同步传输是面向比特的传输 2 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧 3 异步传输对时序的要求较低 同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序 4 同步传输方式的效率高 适用于快速的和较大规模的信息传输 如计算机网络的数据通信 异步传输方式适合一类慢速而又不固定频率的字符传输 如键盘与主计算机的传输 RS 232C接口等 4 基带传输和频带传输 基带传输基带信号 数字设备中 二进制数字序列的电信号表现形式 即 1 或 0 分别用高 或低 电平或低 或高 电平表示 方波信号 常见的语音信号 数字信号 基带未经调制 频率变换 的电脉冲信号呈现方波形式 它所占用的频带称为基本频带 简称基带 基带传输在一些传输距离不太远的情况下 例如在局域网中 可以将基带信号通过数字信道直接传输 称为 数字信号 基带传输 在发送端 通过基带传输的二进制数据要经过编码变为直接传输的基带信号 例如 不归零编码 曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码等 在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号 基带传输是一种最基本的数据传输方式 基带传输可以利用时分多路复用 TDM 实现多路复用 提高传输信道的利用率 频带传输将数字数据转换成模拟信号 利用模拟信道进行传输的方法称为频带传输 频带传输借助于模拟的正弦载波信号 用数字数据 0或1 调制载波 将数字数据寄生在载波的某个参数上 振幅 频率和相位 借助于模拟信道进行传输 它需要利用调制 把数字数据转换成连续的模拟信号 和解调 将已调制信号还原为原来的数字数据 技术对数据进行转换 所以调制解调器 modem 是频带传输中最典型的通信设备 频带传输可以利用频分多路复用 FDM 实现多路复用 提高传输信道的利用率 3 3数据编码技术数据转换技术主要包括 基带传输的编码解码技术和频带传输的调制解调技术等 基本的数字编码方式 3 3数据编码技术 基带传输中的编码技术主要有 数字信号三种编码波形 1 非归零编码 NRZ 最原始的基带编码 用1表示高电位 0表示低电位 100VG AnyLAN采用这种传输方式 2 曼彻斯特编码曼彻斯特 Manchester 编码是目前广泛使用的编码方法之一 0 由低电位转到高电位1 由高电位转到低电位且在每位期间中央处变换电位状态 10BASE T网络常采用这种传输方式 3 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进 0 颠倒上一位的电位状态变化方式1 沿用上一位的电位状态变化方式TokenRing网络采用这种传输方式 频带传输中的主要调制方法 三种调制方式波形 1 幅度调制幅度调制又称 移幅键控 ASK 频率和相位都是常数 振幅为变量 即载波的幅度随发送的信号而变化 表示为 上图 a 是具有0 1两个幅度值的调幅波形 二元制调幅波 具有一定幅度的载波信号表示 1 幅度等于0的载波信号表示 0 2 频率调制频率调制又称 移频键控 FSK Frequency ShiftKeying 在频率调制中 振幅和相位为常量 频率为变量 表示为 3 相位调制相位调制又称 移相键控 PSK Phase ShiftKeying 在相位调制中 振幅 频率为常量 相位为变量 其函数表达式为 相对相位调制 为0时相位相对前一个变 为1时相位相对前一个不变 3 4数据传输介质 DataTransmissionMedia 传输介质是网络中连接收发双方的物理通路 也是信号传输的载体 常用的传输介质分为有线 Wired 介质和无线 Wireless 介质 分别为同轴电缆 双绞线 光纤 和无线电 微波 红外 激光 卫星 有线传输介质同轴电缆 CoaxialCable 由一对导体按 同轴 的形式形成线对 如书上P73的图3 8 分类 基带同轴电缆 50 宽带同轴电缆 75 和粗同轴电缆 细同轴电缆 特点 带宽宽 数据速率高 传输距离长 抗干扰能力强 价格较贵 有线传输介质双绞线 TwistedPair 由两根绝缘的铜线互绞在一起构成 如书上P73的图3 7 分类 非屏蔽双绞线UTP 3类 5类 和屏蔽双绞线STP 特点 互绞的效果能克服电磁干扰 对绞次数越多抗干扰的效果越好 STP因为金属屏蔽 需要接地 比UTP难以安装 UTPandSTPcables Twisted paircable 有线传输介质光纤 OpticalFiber 由很细的可传导光线的纤维介质构成 如书上P74的图3 9 分类 单模光纤 约5 10 m 多模光纤 约50 100 m 常用规格62 5 125或50 125 m 特点 抗电磁干扰能力强 速度快 低衰减 安全性高 连接不易 成本高 3 5多路复用技术 Multiplexing 为什么要研究多路复用 通信工程中用于通信线路架设的费用相当高 需要充分利用通信线路的容量 网络中传输介质的传输容量会超过单一信道传输的通信量 为充分利用传输介质的带宽 需要在一条物理线路上建立多条通信信道 多路复用的工作原理 发送方将多个以上的独的信号通过多路复用器合并成一路复用数据 同时在一个物理通信线路上进行传输 接收方再通过多路复用器将数据分离成单独的数据 再分发给每个用户 3 5多路复用技术 多路复用系统的结构图 信号复合 信号分离 多路复用技术的分类 频分多路复用 FDM Frequency divisionmultiplexing 时分多路复用 TDM Time divisionmultiplexing 波分多路复用 Wave Wave divisionmultiplexing 码分多路复用 CDMA Code DivisionMultipleAccess 1 频分多路复用 FDM 将物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同 或略宽 的子信道 频段 每个子信道传输一路信号 为了防止互相干扰 使用保护带来隔离每一个通道 频分多路复用较适合模拟信号的传输 主要用于电话和电缆电视系统 a 原来的带宽 b 频率迁移 调制 c 复合的通道 FDM主要用于模拟通信下图是电话系统中采用FDM的一个例子 每路电话信号的带宽是300 3100Hz每个通道分配4000Hz作为标准带宽 时分多路复用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 用户在其占有的时间片内 使用通信信道的全部带宽 时分多路复用技术更适合于数字信号的传输 应用最广泛的时分多路复用方法是 1载波 2 时分多路复用 TDM 3 波分多路复用 WDM 波分复用是一根光纤上复用多路光载波信号 从概念上讲WDM和FDM是相同的 因为光信号的一个波长即一种频率 但WDM是对光信号的复合和分离 而FDM是对电信号的复合和分离 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM 目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gbps 8 2 5Gbps 波分多路复用示意图 4 码分多路复用CDMA 码分多路复用为每一路信号分配不同的编码 每一路信号用它唯一的编码对要发送的数据进行编码 接收方根据编码接收信息 CDMA多用在无线多路访问信道中 3 6数据通信的性能指标描述数据传输速率的大小和传输质量的好坏 往往需要运用比特率 波特率 出错率和信道容量等技术指标 1 数据传输率C数据传输率又称比特率 是一种数字信号的传输速率 它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位 bit 数 单位用比特 每秒 b s或bps 表示 2 波特率B波特率是一种调制速率 也称波形速率或码元速率 是数字数据经编码后的传输信号在信道上的传输速率 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 一般情况下 如果码元状态数为M M为2的整数次幂 则C和B的关系为 C Blog2M b s 例 NRZ编码一个码元表示一个比特的信息 因此C B 如四进制码 有4种码元状态 00 01 10 11 每个码元带2比特数据 所以C 2B3 出错率出错率是指数据通信系统在正常工作情况下信息传输的错误率 也称误码率 Pe 错误接收码元数 接收的码元数信道容量 Channelcapacity 信道的极限传输能力 5 信道速率的极限值 奈奎斯特准则 在一个通信信道带宽为W 单位Hz 的无噪声低通信道上 最高的码元传输速率Bmax为2W即Bmax 2W baud 最大数据传输速率Cmax 2Wlog2M b s 信号带宽 信号变化的变动范围 线路带宽 线路传输速率 例 计算机的屏幕图像包含640 480个像素点 每个像素占24个比特 现每秒传输30幅屏幕图象 如果采用四进制编码 问信号能否用5类非屏蔽双绞线传输 无噪声 带宽为100MHz 如果计算机的屏幕图像包含1024 768个像素点呢 解答 根据奈奎斯特准则 在一个带宽为W 单位Hz 的无噪声低通信道上 最高的码元传输速率Bmax为2W即Bmax 2W baud 如果编码方式的码元状态数为M 那么信道容量即最大数据传输速率Cmax 2Wlog2M b s 由于5类非屏蔽双绞线的带宽为100MHz 当M 4时 则 Cmax 2Wlog2M 400Mb s 当计算机的屏幕图象包含640 480个像素点时 所需的信息传输速率为 640 480 24 30 221Mb s 故5类非屏蔽双绞线能够传输 如果像素点为1024 768 所需的信息传输速率为 566MB S 故5类非屏蔽双绞线不能传输 3 7数据传输中的检错与纠错 数据在通信线上传输时 由于传输线路上的噪声或其他干扰信号的影响 使发送端发送的数据不能正确地被接收端接收 这就产生了差错 差错可用误码率Pe来度量 常用的提高传输质量的方法主要有 第一种方法是选择好的通信线路 即改善通信线路的电气性能 使误差的出现概率降低到系统的要求 第二种方法是在通信线路上 设法检查错误 采取措施对错误进行差错控制 即检错与纠错 1 纠错码 纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位 接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下不仅可以发现错误 而且还能自动地纠正错误 要求附加的冗余码较多 这将会降低传输的效率 目前常见的纠错码有 海明纠错码正反纠错码 2 检错码 检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位 接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确 如果存在错误 它不能纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端 让发送端重新发送该信息 直至接收端收到正确的数据为止 最简单的检错码为奇偶校验 它是在一个二进制数据字上加上一位 以便检测差错 例如 在偶校验时 要在每一个字符上增加一个附加位 使该字符中 1 的个数为偶数 在奇校验时 要在每一个字符上增加一个附加位 使该字符中 1 的个数为奇数 接收端检测位数的奇偶性以确定是否有差错发生 但奇偶校验并不是一种十分安全可靠的检错方法 常用于低速传输 想一想 奇偶校验什么时候会出现判断错误 差错控制用得最广泛的方法还是发检错码 接收端发现错误后反馈给发送端 发送端重发信息 直至正确接收为止 这种方式称反馈重发纠错 还有在局域网中常用的检错码是循环冗余校验CRC 下面主要介绍一下CRC 循环冗余校验 CRC 准备知识 循环冗余校验码是基于将位串看成是系数为0或1的多项式K x 一个k位帧可以看成是从xk 1到x0的k次多项式的系数序列 这个多项式的阶数为k 1 高位 最左边 是xk 1项系数 下一位是xk 2的系数 以此类推 例如 110001有6位 表示成多项式是x5 x4 x0 它的6个多项式系数分别是1 1 0 0 0 和1 如果采用多项式编码的方法 发送方和接收方必须事先商定一个生成多项式G x 生成多项式的最高位和最低位必须是1 基本思想是 将校验和加在帧的末尾 使这个带校验和的帧的多项式能被G x 除尽 当接收方收到带有校验和的帧时 用G x 去除它 如果有余数 则传输出错 CRC码 n k 组成 发送的是 C x xrK x R x xrK x 相当于在K x 加r个零 其中 K x 实际数据的 k 1 多项式 R x 校验码 r 1 多项式 N k r 由信息码产生校验码的过程 即由已知的K x 求R x 用一个特定的多项式G x G x xr 1 去除xrK x 所得的r位余数作为校验码 即为xrK x G x 的余数 其中G x 称为生成多项式 这里的除法用无借为减来实现 相当于做异或运算 参看CRC工作原理流程图 CRC工作原理流程图 CRC举例 例 位流10011101使用标准的CRC发送 生成多项式是x3 1 请说明实际发送的位串 假定左起第3位在传输期间变反了 说明该差错在接收方是怎样被检测到的 解答 位流是10011101 生成多项式是1001 r为3 在位流后面附加3个0变成10011101000 用1001去除10011101000的余数是100 因此实际发送的位串是10011101100 收到的第3位变反了的位流是10111101100 用1001去除这个位串产生余数100 由于余数不是0 接收方就知道传输过程中发生了差错 可以请求重传 标准CRC生成多项式G x CRC 12G x x12 x11 x3 x2 x 1 r 12 CRC 16G x x16 x15 x2 1 r 16 CRC CCITTG x x16 x12 x5 1 r 16 CRC 32G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1 r 32 3 8数据交换技术 在多节点的广域网中实现数据传输的技术 两节点要通信时 在双方之间建立一条物理的或逻辑的通道 称为链路 涉及网络层功能 常用的交换技术有 电路交换 CircuteSwitching 报文交换 Messageexchange 分组交换 PacketSwitching 1 电路交换技术 线路交换 在通信两设备间 通过一个一个交换设备间线路的连接 建立一条专用的物理线路为数据提供专用的物理通路 则称之为电路交换 例 打电话 电路交换的工作模式 线路交换的过程 线路建立阶段主机A向交换机A发送 呼叫请求包 经过路由算法进行路由选择 向交换机B C D转发 呼叫请求包 最后到达主机B 主机B如接受主机A的呼叫请求 则通过D C B向主机A发送 呼叫应答包 数据传输阶段当物理线路连接建立后 主机A 主机B可以实时 双向交换数据 线路释放阶段主机A向主机B发出 释放请求包 主机B同意结束传输 则通过D C B向主机A发送 释放应答包 释放物理连接 线路交换是面向连接的服务 两台计算机通过通信子网进行数据交换之前 首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接 线路交换在数据传输过程中要经过建立连接 数据传输与释放连接的三个阶段 线路交换方式的优点 通信实时性强 适用于交互式会话类通信 线路交换方式的缺点 对突发性通信不适应 系统效率低 系统没有存储数据的能力 线路交换的主要特点 报文是网络中一次传输的信息块 由数据和地址信息 控制信息按一定格式组成的数据单元 可以是一个程序 一个文件等 每