第2章 数据通信幻灯片.ppt

1 第二章数据通信基础 2 1数据通信系统2 2数据编码2 3数据传输2 4数据交换技术2 5传输媒体 2 第一节数据通信系统 2 1 1数据和信号2 1 2数据通信系统的基本构成2 1 3信道特性 3 2 1 1数据和信号 概念 数据 是传递信息的实体 信息的载体 它是容观事实 概念或图象等用于通信的一种形式化的表现 数据可分为模拟数据和数字数据两种形式 模拟数据 是在某个区间内连续的值 例如 声音和视频是强度连续改变的波形 例如传感器采集温度 压力 以及目前在电话 无线电和电视广播中的声音和图像 数字数据 是离散的值 例如文本信息和整数 再例如在计算机中用二进制代码表示的字符 图形 音频与视频数据 信息 是数据的内容或解释 4 2 1 1数据和信号 信号 是数据的电磁或电子的编码 在通信中 我们把数据变成可在传输介质上传送的信号来发送 它也可以有两种形式 模拟信号和数字信号 模拟信号 是连续变化的电磁波 它是用电信号模拟原有信息 时间上连续 包含无穷多个值 时间上连续 5 2 1 1数据和信号 使用可变电压以产生连续波 模拟信号的一个优点是它能对细节进行表示 但是噪声 或来自其他源的干扰 会严重地影响模拟信号 比数字信号更易于出错 因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择 数字信号 是一系列的电脉冲 直接用二种电平表示二进制的 和 时间上离散 仅包含有限数目的预定值 6 2 1 1数据和信号 由脉冲值为1或0的精确电压组成 如同在任何二进制系统中用1和0组合来对信息进行编码一样 在数字信号中每个脉冲被称为一个二进制数或位 一个位只能有两种可能值 1或0 连续8位组成1个字节 个字节携带一个信息片 时间上离散 7 数字通信的优点 抗噪声 干扰 能力强 只需识别脉冲的有无 无噪声积累 在模拟通信中 为了提高信噪比 需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大 信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大 随着传输距离的增加 噪声累积越来越多 以致使传输质量严重恶化 对于数字通信 由于数字信号的幅值为有限个离散值 通常取两个幅值 在传输过程中虽然也受到噪声的干扰 但当信噪比恶化到一定程度时 即在适当的距离采用信号再生的方法 再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号 所以可实现长距离高质量的传输 8 可以控制差错 提高了传输质量 由于在传输过程中可通过再生中继器将失真了的脉冲再生为完整的脉冲 故失真不致沿线积累 传输距离远 便于用计算机进行处理易于加密 保密性强可以传输语音 数据 影像 通用 灵活 仅在不得已的情况下 才会采用模拟通信 如用modem通过拨号线路传输数字信号 数字通信的优点 9 2 1 1数据和信号 信号的衰减 随着信号的传播 信号能量会逐渐减少 这就是信号的衰减 模拟信号和数字信号都存在着衰减 为了补偿衰减 要经常对数字信号和模拟信号进行转发 也即使将信号重新放大 以使它们传播得更远 模拟信号的转发 在模拟信号转发过程中会出现这样的问题 当它被转发时信号幅度将增强 同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强 这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严重 下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模拟信号的波形 10 2 1 1数据和信号 数字信号的转发 相对于模拟信号 数字信号被转发时 实际上是将原始信号以不变形的 并且无噪声的放大形式重新发送 该过程也被称之为波形再生 再生一个数字信号的设备被称之为中继器 11 2 1 1数据和信号 因噪声而变形的数字信号进而被转发 网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1和0两种模式 因为数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多 并且数字发送几乎不受噪声影响 所以大部分网络仅限于使用数字传输 12 2 1 1数据和信号 也有使用模拟信号传输数据的情况 比如使用调制解调器连接两个系统 在发送端 调制解调器将数字信号调制成模拟信号 通过传输模拟信号的电话线传输 在接收端 调制解调器将数字信号解调成模拟信号 Modem 调制解调器 是Modulator 调制 Demodulator 解调 这个词反映了该设备的功能 13 2 1 1数据和信号 模拟信号和数字信号都可以有周期和非周期两种形式 周期信号 如果一个信号在一段可测量的时间内完成一种模式 并且在随后同样长的时段内不断重复这种模式 这个信号就是周期信号 完成一个完整模式所需要的时间称作一个周期 通用T表示 对于一个给定的周期信号 其周期是固定的 如正弦波就是周期信号 14 2 1 2数据通信系统的基本构成 相关概念 数据通信 是把数据从一个地方传送到另一个地方的过程 数据通信系统 用来实现数据通信过程的系统被称为数据通信系统 信道 是传输数据经过的路径 是连接两个DTE的线路 包括传输介质和有关设备数据通信系统的三个基本要素 信源 信息传输媒体和信宿 信源 是数据信息产生和出现的发源地 信息传输媒体 是数据信息传输过程中承载数据信息的媒体 信宿 是接收数据信息的目的地 15 2 1 2数据通信系统的基本构成 计算机 发送器 通信媒体 接收器 终端设备 信源 信宿 噪声 信源 编码 调制 信道 解调 解码 信宿 编码器 数据 适合传输的信号 便于识别 纠错调制器 信号 适合传输的形式 按频率 幅度 相位解调器 接收波形 数字信号序列解码器 传输信号 原始数据 16 通信系统的构成 数据传输系统 1 传输线路 包括传输介质和中继设备 2 传输设备 调制解调器 多路复用器 交换机 路由器等 数据处理系统 主要是指计算机 通信基本过程 包含两项内容 数据传输和通信控制 建立物理连接 建立逻辑连接 数据传送 断开逻辑连接 断开物理连接 对比 打电话的过程 17 2 1 2数据通信系统的基本构成 信道分类按物理逻辑性 物理信道 用来传送信号的一种物理通路 由传输介质及有关设备组成 网络中两个节点之间的物理通路也称为通信链路 简称链路 逻辑信道 是一种能传输信号的通路 但在信号的发送端和接收端之间 并不直接对应一条物理上的传输介质 而是在物理通路的基础上 通过节点设备内部的连接来实现的 18 2 1 2数据通信系统的基本构成 传输信号类型数字信道 以数字脉冲形式 离散信号 传输数据的信道 模拟信道 以连续模拟信号形式传输数据的信道 传输介质有线信道无线信道使用权限专用信道公用信道 19 2 1 3信道特性 相关概念 信道带宽 指信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的1 2倍的两个频率之间的宽度 带宽W f2 f1 其中f1是信道能通过的最低频率 f2是信道能通过的最高频率 两者都是由信道的物理特性决定的 码元 一个数字脉冲 时间轴上的一个信号编码单元 20 2 1 3信道特性 同步脉冲 用于码元的同步定时 识别码元的开始 即在发送数据之前 发送端先向接收端发出一串同步时钟脉冲 接收端按照这一时钟脉冲频率和时序锁定接收端的接收频率 以便在接收数据的过程中始终与发送端保持同步 21 2 1 3信道特性 码元速率 波特率 单位时间内信号波形的变换次数 即单位时间内通过信道传输的码元个数 B 1 T数据速率 单位时间内在信道上传送的信息量 比特数 注意码元速率与数据速率的区别 码元速率是单问时间内波形的变化次数 单位是Baud 而数据速率是单位时间内在信道上传送的数据率 单位是b s 22 信息编码 将信息用二进制数表示的方法 数据编码 将数据用物理量表示的规则 例如 字母 A 的ASCII编码为01000001 其数据编码可能为 23 信号码元携带的信息量由码元取的离散值个数即码元的种类数决定 若码元取两个离散值 则一个码元携带1bit信息 若码元可取4种离散值 则一个码元携带两个bit的信息 信道极限波特率 Nyquist定理 用于有限带宽无噪声信道的极限波特率 B 2W B 最大码元速率 单位BaudW 带宽 单位Hz n log2N n 一个码元携带的数据量N 码元的种类数 24 信道最大数据传输率 N最大数据率 R 26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bps R 2Wlog2N R 数据速率 单位b s或bpsW 带宽 单位HzN 信号电平级数 码元的种类数 例如 话音级线路 3000Hz 的信道容量计算 如右图所示 Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据 Nyquist公式 用于有限带宽无噪声信道 25 非理想信道实际的信道上存在三类损耗 衰减 延迟 噪声 a 衰减信道的损耗引起信号强度减弱 导致信噪比S N降低 S为信号的平均功率 N为噪声的平均功率 b 延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同 在接收端会产生信号畸变 c 噪声热噪声 由导体内的热扰动引起 又称为白噪声 串扰 信道间产生的不必要的耦合 例 多对双绞线脉冲噪声 非连续 随机 振幅较大 多由外部电磁干扰造成 闪电 大功率电机启动等 噪声将破坏信号 产生误码 持续时间0 01s的干扰可以破坏约560个比特 56Kbps 26 Shannel公式 高斯噪声干扰信道 S NdB信噪比 dB分贝 的定义 C Wlog2 1 SN S NdB 10log10S N 例 信道带宽W 3KHz 信噪比为30dB 则C 3000 log2 1 1000 30Kbps C 噪声信道的极限数据速率 单位b sW 带宽 单位HzS 信号的平均功率N 噪声的平均功率 即 S N 27 Nyquist公式和Shannel公式的比较 R 2Wlog2N此公式说明数据传输率R随信号编码级数增加而增加 C Wlog2 1 S N 无论采样频率多高 信号编码分多少级 此公式给出了信道能达到的最高传输速率 原因 噪声的存在将使编码级数不可能无限增加 28 2 1 3信道特性 两种带宽的概念 在模拟信道 带宽按照公式W f2 f1计算 例如CATV电缆的带宽为600MHz 数字信道 带宽为信道能够达到的最大数据速率 例如以太网的带宽为10Mb s 两者可通过Shannon定理互相转换 29 2 1 3信道特性 误码率 在有噪声的信道中 实际中的信道都是有噪声的 数据速率的增加意味着传输中出现差错的概率增加 我们用误码率来表示传输二进制位时出现差错的概率 误码率以接收码元中错误码元占传输总码元数的比例来衡量 在计算机网络通信系统中 通常要求误码率应低于10 6 30 2 1 3信道特性 信道延迟 信号在信道中传播时 从源端到达宿端需要一定的时间 这个时间与源端和宿端的距离有关 也与具体信道中的信号传播速度有关 我们以后考虑的信号主要是电信号 虽然在某些情况下可能会用到红外或激光 这种信号一般以接近光速的速度 300m s 传播 但随传输介质的不同而略有差别 例如在电缆中的传播速度一般为光速的77 即200m s左右 31 第二节数据编码 2 2 1模拟数据在模拟信道上传输 调制与编码2 2 2数字数据在模拟信道上传输 调制与编码2 2 3模拟数据在数字信道上传输与编码2 2 4数字数据在数字信道上传输 调制与编码 32 2 2 1模拟数据在模拟信道上传输 调制与编码 数据 模拟数据 数字数据信号 模拟信号 数字信号信道 模拟信道 数字信道 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种组合 每一种相应地需要进行不同的编码处理 33 模拟传输和数字传输 话音 模拟传输 模拟 数字 模拟 模拟 CODEC 数字 数字 数字编码 数字 模拟数据 模拟信号 数字数据 模拟信号 数字数据 数字信号 模拟数据 数字信号 1010 1010 Modem 34 Encoder Decoder Modulator Demodulator 数字或模拟 数字或模拟 数字信号 模拟信号 g t m t p x t s t g t m t 数字或模拟 数字或模拟 P 调制参数 编码 调制 编码和调制 用数字信号承载数字或模拟数据 编码用模拟信号承载数字或模拟数据 调制 35 2 2 1模拟数据在模拟信道上传输 调制与编码 电话系统 人的语音频率范围 300 3400HZ标准话路频带宽度 4KHZ 36 调制器 数字信号在进入模拟信道之前要由一个转换器完成数字信号到模拟信号的转换 才能在模拟信道上传输 这样的变换过程叫调制 注意 这个调制过程并不改变信号的内容 只是把信号的表示形式进行了改变 这个转换器叫做调制器 数字 模拟 解调器 而当调制后的模拟信号传到接收端后 在接收端也有一个转换器再对这个信号进行反变换 即又把它变回数字信号 这样的反变换过程叫解调 这个转换器又叫解调器 模拟 数字 2 2 2数字数据在模拟信道上传输 调制与编码 37 2 2 2数字数据在模拟信道上传输 调制与编码 三种常用的调制技术 1 幅移键控ASK AmplitudeShiftKeying 调幅即载波的振幅随基带数字信号而变化 例如 0对应于无载波输出 而1对应于有载波输出 2 频移键控FSK FrequencyShiftKeying 调频即载波的频率随基带数字信号而变化 例如 0对应于频率f1 而1对应于频率f2 3 相移键控PSK PhaseShiftKeying 调相基本原理 用数字信号对载波的不同参量进行调制 38 即载波的初始相位随基带数字信号而变化 载波不产生相移代表数字 0 载波有180o相移代表数字 1 此种方法称为两相调制 若载波相移为0o 90 180 270 分别表示二进制数00 01 10 11 此种方法称为四相调制 每个调制时间间隔包含2个比特的信息 因此 使信息传输速率增加一倍 4 正交幅度调制技术QAM QuadratureAmplitudeModulation 是一种结合ASK与PSK的综合调制技术 同时控制载波的 振幅强度 与 相位偏移量 使同一载波信号得以呈现出更多的逻辑状态 2 2 2数字数据在模拟信道上传输 调制与编码 39 载波S t Acos t S t 的参量包括 幅度A 频率 相位 调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化 2 2 2数字数据在模拟信道上传输 调制与编码 40 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 ASK调幅 FSK调频 PSK调相 ASK 用载波的两个不同振幅表示0 0v 和1 5v FSK 用载波的两个不同频率表示0 1 2KHz 和1 2 4KHz PSK 用载波的起始相位的变化表示0 同相 和1 反相 41 多级调制方法1 单参量多级调制 01 10 00 0 90 180 270 11 90001 0000 270011 180010 4 PSK 42 高速 56Kbps MODEM D A A D A D D A D A A D V 34 28 8 33 6kbps 最大的噪声来源于模数转换的量化噪声 信道容量极限值约35kbps D A A D D A V 90 56kbps 交换机1 交换机2 ISP V 34 28 8 33 6kbps 模拟 模拟 数字 数字 数字 数字 模拟 上行仍需模数 A D 转换 速率最高为35kbps 下行则可达56Kbps 43 奈奎斯特定理 采样定理 如果连续变化的模拟信号最高频率为F 若以2F的采样频率对其采样 则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号 语音信号要在数字线路上传输 必须将语音信号转换成数字信号 这需要经过三个步骤 1 采样 按一定时间间隔对语音信号进行采样 PAM 2 量化 把采样所得到的PAM脉冲按量级比较 并且 取整 3 编码 对每个舍入后的样本进行编码 2 2 3模拟数据在数字信道上传输 调制与编码 44 模拟话音 采样时钟 PAM信号 PCM信号 采样电路 量化和编码 数字化声音 话音信道带宽2倍话音最大频率 量化级数 256级 8位二进制码表示 数据率 8000次 s 8bit 64Kb s 每路PCM信号的速率 64000bps 编码后的信号称为PCM PulseCodedModulation 信号 脉码调制信号 45 PCM转换过程举例 3 2 3 9 2 8 3 4 1 2 4 2 3 4 3 3 1 4 011 100 011 011 001 100 原始信号 PAM脉冲 PCM脉冲 有量化误差 011100011011001100 PCM输出 46 不归零制 NRZ Non ReturntoZero 二进制数字0 1分别用两种电平来表示 常用 5V表示1 5V表示0 缺点 存在直流分量 传输中不能使用变压器 不具备自同步机制 必须使用外同步 曼彻斯特编码 Manchestercode 用电压的变化表示0和1 2 2 4数字数据在模拟信道上传输 调制与编码 47 规定在每个码元的中间发生跳变 低 高的跳变 0 高 低的跳变 1 每个码元中间都要发生跳变 接收端可将此变化提取出来作为同步信号 使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致 曼彻斯特编码也称为自同步码 Self SynchronizingCode 它具有自同步机制 无需外同步信号 缺点 需要双倍的传输带宽 即信号速率是数据速率的2倍 48 差分曼彻斯特编码 DifferentialManchestercode 与曼彻斯特编码相同 在每个码元的中间 信号都会发生跳变 不同之处在于 用在码元开始处有无跳变来表示0和1 码元开始处有跳变 前半个码元电平与上一个码元的后半个码元的电平相反 0码元开始处无跳变 前半个码元电平与上一个码元的后半个码元的电平一致 1 49 三种数字编码的波形图 50 第三节数据传输 2 3 1基带传输和频带传输2 3 2多路复用技术2 3 3传输方向与串行 并行传输2 3 4异步传输与同步传输2 3 5差错控制 51 2 3 1基带传输和频带传输 基带传输概念 基带 是指调制前原始信号所占用的频带 是原始电信号所固有的基本频带 基带传输 在信道中直接传送基带信号的方式称为基带传输 基带系统一次仅能传输一个信号或占用一条信道 数字信号通过直流脉冲被发送 这种直流形式需要独占电线的容量 基带信号分基带模拟信号和基带数字信号两种 信号的种类由信源决定 通常基带网中传输的是数字信号 在近距离通信的计算机局域网中常采用基带传输 52 2 3 1基带传输和频带传输 基带传输易受衰减影响 也就是一个数字信号随着它从源出发向远处传输时将逐渐损失能量 为了补偿信号损失 基带系统使用中继器再生和放大信号 从而使数据传输的距离能超过电缆的最大段长度 一般来说基带系统是廉价的 而且安装简单 例如 以太网 53 2 3 1基带传输和频带传输 频带传输概念 频带传输 就是把基带数字信号经调制变换 成为能在带宽较窄的公共电话线上传输的模拟信号 如音频信号 然后在信道中传送 在接收端再经过解调器的解调 把音频信号还原成数字信号 频带传输实际上就是模拟传输 例如 通过电话模拟信道传输 54 2 3 1基带传输和频带传输 宽带传输概念 宽带 宽带是指比音频带宽更宽的频带 它包括大部分电磁波频谱 宽带传输 利用宽带进行的传输称为宽带传输 这样的系统称为宽带传输系统 宽带传输系统能够在同一信道上进行数字信息或模拟信息服务 宽带传输系统可以容纳全部广播信号 并可进行高速数据传输 55 2 3 1基带传输和频带传输 宽带系统能同时接入几个信道 因而能够比基带系统传输更多的数据 宽带传输能将有线电视带入家庭 有线电视能够传输的数据量至少是一个典型基带系统 如Ethernet 传输数据量的25倍 在宽带系统中 信号仅仅只能进行单向传输 因此 宽带电缆必须为数据的发送和接收提供独立的电缆 由于大部分有线电视电缆只提供一条电线 若不做任何修改 它将不能用于把数据从屋中向外传输 由于使用一些额外的硬件 宽带传输通常比基带传输昂贵得多 另一方面 宽带系统能够比基带系统跨越更长的距离 56 2 3 1基带传输和频带传输 Note 在网络领域 一些术语根据上下文常有多种意思 宽带即是这样的术语 这里描述的宽带是指通过多个信道在同轴电缆上传输RF信号的传输系统 例如有线电视所使用的系统 这种定义是宽带的原始意义 在高速数字网络中也用到了 宽带 这时 宽带 是指使用数字信号并且有非常高的传输速率的网络 57 2 3 2多路复用技术 多路复用 在数据通信或计算机网络系统中 传媒介质的能力往往超过传输单一信息的需求 为了有效地利用通信线路 希望一个信道同时传输多路信号 这就是所谓多路复用 采用多路复用技术能够把多个信号组合在一条物理信道上进行传输 这在远距离传输时 可大大节省电缆的安装和维护费用 58 2 3 2多路复用技术 频分多路复用 概念 频分复用是将可用的传输频率范围分为多个较细的频带 每个分细的频带作为一个独立的信道分别分配给用户形成数据传输子通路 特点 每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输 在用户没有数据传输时 别的用户也不能使用适用范围 适合于模拟信号的频分传输 主要用于电话和有线电视 CATV 系统以及调频广播 59 2 3 2多路复用技术 实例 有线电视 频率 时间 频率1 频率2 频率3 频率4 频率5 60 2 3 2多路复用技术 同步时分多路复用 概念 同步时分复用是固定分配信道 在通信信道上形成一种时间上的逻辑子信道的通信媒体共享方式 特点 对信道进行固定的时隙分配 也就是将一帧中的各时隙以固定的方式分配给各路数字信号 在STDM方式中 时隙是预先分配给各终端的 而且是固定的 不论终端是否有数据要发送 都要占用一个时隙 而实际上不是所有终端在每个时隙都有数据输出 所以 时隙的利用率较低 61 时分复用可能会造成线路资源的浪费 A B C D a a b b c d b c a t t t t t 4个时分复用帧 1 a c b c d 时分复用 2 3 4 用户 62 异步 统计 时分复用ATDM 概念 异步时分复用是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它 当用户暂时停止发送数据时 不给它分配线路资源 线路的传输能力可用于为其他用户传输更多的数据 这种根据用户实际需要分配线路资源的方法也称为统计时分复用 特点 ATDM的每个用户的数据传输速率可以高于平均速率 最高可达到线路总的传输能力 在ATDM中 由于数据不是以固定的顺序出现 所以接收端不知道应该将哪一个时隙内的数据送到哪一个用户 为了解决这个问题 ATDM在发送数据中加入了用户识别标记 以便使接收端的复用器按标记分送数据 63 异步 统计 时分复用STDM 64 波分多路复用也称其为光的频分复用 应用范围 全光纤组成的网络中 传输的是光信号 并按照光的波长区分信号 最初 人们只能在1根光纤上复用2路光信号 这就是通常所说的波分多路复用WDM 密集波分多路复用系统随着技术的发展 目前已经能够在1根光纤上复用80路或更多的光信号 这种真正多路的光信号的复用被称为 DenseWaveDivisionMultiplexing DWDM 波分多路复用利用光分用器 也称为分波器 和光复用器 也称为合波器 对光信号进行调制和解调 波分多路复用 65 常用的名词是码分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 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每一个比特时间划分为m个短的间隔 称为码片 chip 通常m的取值为64或128 码分多路复用 66 码分多路复用 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 67 数字载波标准 数字载波标准T 标准北美 日本E 标准欧洲 中国 南美 68 T1载波系统 PCM PCM PCM PCM PCM PCM MUX DEMUX DS 1frame 69 DS 1帧 channel 1 channel 2 channel 24 定帧位 193bits 数据率 24x8 1bit 125ms 1 544Mbps 8bit 每个信道称为DS0 125ms 70 T 载波 DSI DSIC DS2 DS3 DS4 DSIC DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS2 DS3 DS3 DS3 DS3 DS3 DSI DS1 1 544Mbps DS1C 3 152Mbps DS2 6 312Mbps DS3 44 736Mbps DS4 274 176Mbps 71 E1 帧 125ms 32时隙 2 048Mbps 帧同步 信令信道 30个话音信道 2个控制信道 E1速率 32x8bit 125ms 2 048Mb s 72 E 载波 E1 E1 E1 E1 E2 E2 E2 E2 E3 E3 E3 E3 E4 E4 E4 E4 E5 E1 2 048Mbps E3 34 368Mbps E2 8 448Mbps E4 139 264Mbps E5 565 148Mbps DS0 73 串行传送串行传送是一位一位地传送 到达对方后 再由通信接收装置将串行比特流还原成字符 串行传送虽然速度较低 但在接收端和发送端之间只需要一根传输线即可 因而造价低 在计算机网络中各节点间普遍采用这种串行传送方式 2 3 3传输方向与串行 并行传输 通信线路只有一条 或2 4条 与传输数据无关 用于远距离传输 74 2 3 3传输方向与串行 并行传输 并行传送并行数据传输是在传输中有多个数据位同时在设备之间进行的传输 一个编了码的字符通常是由若干位二进制数表示 如用ASCII码编码的符号是由8位二进制数表示的 则并行传输ASCII编码符号就需要8个传输信道 使表示一个符号的所有数据位能同时沿着各自的信道并排地传输 通信线路与数据传输的位数相同 用于短距离传输 75 串行传输与并行传输 发送方 接收方 发送方 接收方 数据线 并行 串行 数据线 通信线路与数据传输的位数相同 用于短距离传输 通信线路只有一条 或2 4条 与传输数据无关 用于远距离传输 76 2 3 3传输方向与串行 并行传输 传输方向单工通信方式单工通信方式就是指信息的传送始终保持一个方向 而不进行与此相反方向的传送 其中一端只能作为发射端发送数据 另一端只能作为接收端接收数据 77 单工 发送方 接收方 2线环回 地线做回路 单工 simplex 信息只能单方向传输 发送方 接收方 78 2 3 3传输方向与串行 并行传输 半双工通信方式半双工通信方式是指信息流可在两个方向上传输 但同一时刻只限于一个方向传输 通信的两端都具有发送和接收功能 但传输线路只有一条 一端发送时 另一端只能接收 79 2线 发送方 接收方 发送方 接收方 半双工 half duplex 双向交替通信 80 2 3 3传输方向与串行 并行传输 全双工通信方式全双工通信能在两个方向上同时发送和接收信息 两端就象分别用上行专用线和下行专用线连接一样 双方都可以一面发送信息 一面接收信息 81 全双工 duplex 双方可同时收发信息 82 2 3 4数据通信的同步技术 概念 同步 数据从发送端到接收端必须保持双方步调一致 这就是同步 数据通信不仅需要同步 对数据接收端来说 数据还必须是可识别的 数据传输同步的方法有两种 异步传输和同步传输 83 异步传输异步传输方式中 一次只传输一个字符 由5 8位数据组成 每个字符用一位起始位引导 一位停止位结束 起始位为 0 占一位时间 停止位为 1 占1 2位的持续时间 在没有数据发送时 发送方可发送连续的停止位 称空闲位 接收方根据 1 至 0 的跳变来判别一个新字符的开始 然后接收字符中的所有位 这种通信方式简单便宜 但每个字符有2 3位的额外开销 2 3 4数据通信的同步技术 84 特点 开销大 效率低 速度慢 控制简单 常用于低速传输 2 3 4数据通信的同步技术 85 同步传输传输单位 数据块 时钟同步方法 外同步法 采用单独的时钟信道 例如 不归零编码自同步法 直接从数据波形本身提取位同步信号 例如 曼彻斯特编码群同步 数据信号都是由二进制码按预定的规律编排而成 它包含位 字 句以至帧 传输时 不仅码元 位 需要同步 字 句 帧等群信号也要同步 这就叫群同步 2 3 4数据通信的同步技术 86 2 3 4数据通信的同步技术 帧 为了使接收端能确定数据块的开始和结束 每个数据块用前同步比特组合开始 用后同步比特组合结束 加上前 后同步比特组合控制信息的数据块称为帧 帧的实际格式取决于传输方案是面向字符还是面向位的 面向字符方式 如果采用面向字符的方案 那么帧以一个或多个同步字符作为开始 同步字符通常称为SYN 这一控制字符的位模式与传输的任何数据字符都有明显的差别 帧尾是另一个惟一的控制字符 这样 接收方判别到SYN字符后 就可接收数据块 直到发现帧尾字符为止 87 2 3 4数据通信的同步技术 面向位方式 面向位的方案是把数据块作为位流 bit 而不是作为字符流来处理 除了帧头和帧尾的原理有一点差外 其余基本相同 在面向位的方案中 由于数据块中可以有任意的位模式 因此不能够保证在数据块中出现帧头和帧尾标志 为此把帧头和帧尾都使用模式01111110 称为标志 而为了避免在数据块中出现这种模式 发送方在所发送的数据中每当出现5个1之后就插入一个附加的0 当接收方检测到5个1的序列时 就检查后续的一位数据 若该位是0 接收方就删除掉这个附加的0 这种规程就是所谓的位插入 BitStuffing 在国际标准化组织ISO所规定的高级数据链路控制规程HDLC和IBM公司所规定的同步数据链路控制规程SDLC中都采用这种技术 88 2 4数据交换技术 交换 是网络实现数据转送的一种手段 按照某种方式动态地分配传输线路的资源 在交换型通信网络中 从一个站进入网络的数据通过从节点到节点的交换 被选径送往目的地 89 2 4 1线路交换 概念 通过网络节点在工作站之间建立专用通信通道 即在两个工作站之间具有实际的物理连接 电路交换的三个阶段 电路建立阶段数据传输阶段拆除电路阶段特点 电路交换必定是面向连接的 通道在连接期间是专用的 线路利用率低 每个节点的延时小 速度快 90 2 4 1线路交换 实例 A和B通话经过一个交换机通话在A到B的连接上进行 91 2 4 1线路交换 实例 C和D通话经过四个交换机通话在C到D的连接上进行 92 2 4 2报文交换 概念 在这种工作方式中 两个工作站之间无须建立专用通道 用户把需要传输的数据分割成一定大小的报文 以报文为单位 信息的逻辑单位 在网络中传输 工作过程 93 2 4 2报文交换 优点 线路利用率高 因为许多报文可以分时共享一条通信信道 接收方和发送方无须同时工作 在收方 忙 的时侯 网络节点可暂存报文 可同时向多个目的站发送同一报文 这在线路交换方式中是难以实现的 在线路交换网络上 当通信量变得很大时 某些呼叫会被封锁 而在报文交换网络上 却仍然可以接收报文 但是传送延迟会增加 94 2 4 2报文交换 能够建立报文的优先权 报文交换网络可以进行速度和代码的转换 由于每个站可以用它特有的数据传输率连接到其它节点 所以两个不同传输率的站也可以连接 报文交换网络也可以容易地转换数据格式 例如 从ASCII码转换为EBCDIC码 这些特点是在线路交换系统所不具有的缺陷 不能满足实时或交互式的通信要求 网络的延时较长且变化较大 因而不适合用于语言交换 也不适合交互式终端到计算机的连接 95 2 4 3分组交换 它是将长的报文分成若干个较短的报文组 或信息包 以报文组包为单位在网络中传输 每个包均含有分组编号和目的地址 同一报文的不同分组可按不同的路径同时进行传送 这种并行性降低了整体传播时间 到达终点后再将一个报文的所有报文分组按报文分组编号重新汇集成完整的报文 在报文分组交换方式中 报文分组的最大长度限制在较小的范围内 这样每个节点所需的存储能力降低了 分组数据可以存储在节点的内存中 可以显著地提高了交换速度 96 报文 分组交换的原理 一 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 97 数据 数据 数据 分组交换的原理 二 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 98 分组交换的原理 三 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 99 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 100 分组交换的原理 四 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 101 数据 数据 数据 分组交换的原理 五 最后 在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错 在转发时也没有被丢弃 102 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 103 分组交换网的示意图 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 H2向H6发送分组 注意分组路径的变化 结点交换机 主机 104 注意分组的存储转发过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H2 H3 H1向H5发送分组 结点交换机 主机 在结点交换机A暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机C暂存查找转发表找到转发的端口 在结点交换机E暂存查找转发表找到转发的端口 最后到达目的主机H5 105 注意结点交换机有多个端口 A B C D E H1 H5 H2 H4 H3 H6 高速链路 结点交换机 1234 1234 1234 1234 1234 106 2 4 3分组交换 分组交换根据其通信子网向端点系统提供的服务还可以进一步分成数据报和虚电路两种交换类型 107 数据报 概念 在数据报分组交换中 每个分组的传送被单独处理 就像报文交换中的报文一样 但是若干个分组才构成一个报文 每个分组称为一个数据报 过程 每个分组都有一个头 头中包含目标节点的地址 还包括顺序号 表明分组在报文中的位置 一个节点接收到一个数据报后 根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息 找出一个合适的出路 把数据报原样地发送到下一节点 108 数据报 109 数据报 注意 分组可以走不同的路由 也可以按不同顺序到达目的地 目的地端系统利用分组 即数据报 中的顺序号 以正确的顺序重组成报文 在整个过程中没有虚电路的建立 但要为每个数据报作路由选择 110 虚电路 概念 传送数据之前 需要建立一条发送站和接收站之间的路径 这条路径称为虚电路 111 虚电路 数据报和虚电路的区别 数据报的传递路径并非唯一 因此 所经过的各个节点都必须执行路径选择的操作 反观虚电路就不同了 其事先就建立好传送的路径 因此 各个节点不必都执行路径选择的操作 事实上 选择路径操作是很占时间的 因此 若是要传送大量数据时 适合采用虚电路的方式 2 若以可靠性而言 则是以数据报较佳 原因在于 假若网络上某个节点突然故障 数据报由于其传送路径不是唯一的 因此 可以另外找路径来传送数据 但虚电路则因路径是固定的 所以可能较易受到影响而无法正常传送数据 112 虚电路 113 114 2 4 4ATM信元交换 ATM是一种面向连接的技术 采用小的 固定长度53字节的信元作为数据传输单元 能够支持数字 语音 图像 视频等多媒体通信 ATM以统计时分多路复用方式动态分配网络带宽 网络传输延时小 适应实时通信的要求 ATM没有链路级纠错与流量控制 协议简单 数据交换效率高 ATM采用两级虚电路机制 增加了虚电路分配的灵活性 ATM的数据传输速率可以在155Mb s 2 4Gb s 115 ATM信元结构 ATM是一种高速分组交换技术 交换的基本数据传输单元是信元 在ATM交换方式中 文本 语音 视频等所数据将被分解为长度固定的信元 Cell 信元有一个5字节的信元头 header 与一个48字节的用户数据 userdata 信元长度为53字节 116 物理链路 PhysicalLink 虚通路 VP VirtualPath 虚通道 VC VirtualChannel 117 虚通路连接与虚通道连接 118 支持远程教学的ATM网 119 用于多媒体传输的虚通道 120 2 5传输媒体 2 5 1有线传输介质2 5 2无线传输介质 121 2 5 1有线传输介质 双绞线同轴电缆光纤 122 双绞线 螺旋绞合的双导线 1mm 典型连接距离100m LAN RJ45插座 插头 优缺点 成本低安装容易 综合布线系统 平衡传输 高速率 抗干扰性一般连接距离较短 123 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 以铝箔屏蔽以减少干扰和串音 3类 5类双绞线外没有任何附加屏蔽 124 双绞线 EIA TIA 586标准 125 直通线 两头都按T568B线序 交叉线 一头都按T568A线序 一头都按T568B线序 直通双绞线 交叉双绞线 网络传输介质 双绞线 现在的交换机等网络设备都有智能MDI MDIX识别技术 也叫端口自动翻转 AutoMDI MDIX 可以自动识别连接的网线类型 用户不管采用直连线或者交叉网线 均可以正确连接设备 MDI和MDIX是两种接口 相同端口用交叉线连接 不同端口用直连线连接 128 同轴电缆 基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道 50 用于数字传输宽带同轴电缆一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号 75 用于模拟传输 是CATV系统的标准传输电缆 频带宽度可达450MHZ 能支持254mm 10英寸 的弯曲半径 129 BNC连接器 BNC电缆连接器必须连接到每段电缆的两端 BNCT型接头 T型接头用于连接细缆的BNC连接器和网卡 终端匹配器 每个粗同轴电缆网段都必须用50 系列终端匹配器连接 每个网段还必须有一个终端匹配器 每个细同轴电缆网段的两端都有必须有一个50 的BNC终端匹配器 130 带BNC接口的网卡 131 细同轴 RG 58 50 D 1 02cm 10Mbps 185m 4中继 5段 925m 优缺点 价格低安装方便 T型连接器 BNC接头 终端电阻 抗干扰能力强距离短可靠性差 132 粗同轴 RG 11 RG 8 50 D 2 54cm 10Mbps 500m 4中继 5段 2500m 优缺点 价格稍高安装方便 收发器 收发器电缆 终端电阻 抗干扰能力强距离中等可靠性好 133 光纤电缆 利用光导纤维传输光脉冲依靠光波承载信息速率高 通信容量大可达nGb s传输损耗小 适合长距离传输抗干扰性能极好 保密性好 134 光纤传输原理 利用了光的反射光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射 折射量取决于两种介质的折射率 当入射角 临界值时产生全反射 不会泄漏 光纤 纤芯 折射率高 玻璃包层 折射率低亮度调制 有脉冲 1 无脉冲 0光传输系统 光端机 光纤 光纤中继器光源 发光二极管 LED 激光二极管 ILD 介质 光纤光检测器 光电二极管PIN 光信号 电信号单向传输 双向需两根光纤 135 折射定律 媒体2折射率高 媒体1折射率低 qi 入射角qr 折射角qt 反射角 Qt qi当qi大于一临界角度时 就会产生全反射 136 光纤传送模式 MMF SMF 分类 多模光纤多模光纤是指光在光纤中的传播可能是有多条不同入射角度的光线在一条光纤中同时传播 这种光纤所含纤芯的直径较粗 单模光纤单模光纤是指光在光纤中的传播没有反射 沿直线传播 这种光纤的直径非常细 细到只有一个光的波长 就像一根波导那样 可使光线一直向前传播 137 光纤光缆 单模光纤成本较高适用于长距离高速率传输 在几十公里内能以几吉位每秒的速率传输数据多模光纤 多模光纤成本较低适用于近距离传输 一般用62 5 m 125 m规格的多模光纤 户外布线大于2公里时可选用单模光纤 138 光纤光缆 优点 传输频带非常宽 传输速率极高 传输距离远 传输损耗小 中继距离长 差错率低 误码率小 只有10 9 光传输不受电磁干扰 抗干扰性能最好 不可能被偷听 数据保密性高 体积小 重量轻 缺点光纤衔接困难 光纤分支困难且分支时信号能量损失很大 价格最贵 139 光纤传送模式 MMF SMF 输出电信号 波长 1300 1550nm 波长 850 1300nm 多束光线以不同的反射角传播 单束光线沿直线传播 140 典型的光缆 常见规格 玻璃内芯 50umMMF62 5umMMF100umMMF8 3umSMF玻璃包层 125um 141 光纤光缆 1200 1600nm 500 1000nm LED 半导体激光 142 2 5 2无线传输介质 电磁波频谱无线电波微波通信卫星微波通信红外线激光 143 无线介质 使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰 144 几种媒体的传输频带 Hz 145 频段 146 波长 光速 速率光速 299792458m s 147 无