第02章-数据通信与广域网新

第2章数据通信与广域网技术 本章学习要求 掌握 数据通信的基本概念了解 传输介质类型及主要特性了解 无线与卫星通信技术的基本概念掌握 数据编码的类型和基本方法了解 基带传输的基本概念掌握 频带传输的基本概念掌握 多路复用的分类与特点掌握 广域网中的数据交换技术的类型与工作原理掌握 差错控制方法 2 1数据通信的基本概念 2 1 1信息 数据与信号通信的目的是交换信息 信息的载体可以是数字 文字 语音 图形或图像 计算机产生的信息一般是字母 数字 语音 图形或图像的组合 为了传送这些信息 首先要将字母 数字 语音 图形或图像用二进制代码的数据来表示 为了传输二进制代码的数据 必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示 数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母 数字 符号的二进制代码0 1比特序列的模拟或数字信号的过程 信息编码标准 ASCII码被国际标准化组织ISO接受 成为国际标准ISO646 又称为国际5号码 它用于计算机内码 也用做数据通信中的编码标准 ASCII码采用7位二进制比特编码 可以表示128个字符 字符分为图形字符与控制字符两类 图形字符包括数字 字母 运算符号 商用符号等 多媒体网络应用 随着计算机技术的发展 多媒体技术得到了广泛应用 利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一 与文本 图形信息传输相比较 语音 图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性 如果每帧图像由1024 768个点阵组成 图像颜色有256种 每个点阵用1字节二进制数表示 每秒钟传送30帧图像 那么每秒钟需要传送235 929 601字节 如果传送数字化的语音信号 每秒钟对语音信号进行22 050次取样 每次取样值用1字节表示 那么单声道每秒钟需要传送22 050字节 双声道立体声每秒钟需要传送44 100字节 多媒体技术在网络中的应用 将对数据通信系统提出更高的要求 信号的概念 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式 模拟信号 analogsignal 的信号电平是连续变化的 数字信号 digitalsignal 是用两种不同的电平去表示0 1比特序列的电压脉冲信号表示 按照在传输介质上传输的信号类型 通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种 模拟信号与数字信号波形 2 1 2数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程 网络通信系统设计中要解决的几个基本问题 数据传输类型模拟通信数字通信数据通信方式串行通信 并行通信单工通信 半双工或全双工通信同步方式同步通信异步通信 串行通信与并行通信 单工 半双工与全双工通信 同步通信与异步通信 2 2传输介质及其主要特性 2 2 1传输介质的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道 传输介质的特性 物理特性 传输介质物理结构的描述 传输特性 传输介质允许传送数字或模拟信号 以及调制技术 传输容量 传输的频率范围 连通特性 允许点 点或多点连接 地理范围 传输介质最大传输距离 抗干扰性 传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力 相对价格 器件 安装与维护费用 2 2 2双绞线的主要特性屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线UTP 2 2 3同轴电缆的主要特性粗同轴电缆细同轴电缆 2 2 4光纤的主要特性 2 3无线与卫星通信技术 2 3 1电磁波谱与移动通信 2 3 2无线通信 视距传播电离层反射 2 3 3微波通信 微波信号没有绕射功能 两个微波信号只能在可视情况下才能正常接收 大气对微波信号的吸收与散射影响较大 2 3 4蜂窝无线通信 多址接入方法 频分多址接入 FDMA 时分多址接入 TDMA 码分多址接入 CDMA 2 3 5卫星通信 2 4数据编码技术 2 4 1数据编码类型 2 4 2模拟数据编码方法 2 4 3数字数据编码方法 2 4 4脉冲编码调制方法 PCM用于数字语音系统 声音分为128个量化级 每个量化级采用7位二进制编码表示 采样速率为8000样本 秒 数据传输速率应达到7位 8000 秒 56Kbps 如果每个量化级采用7 1 8位二进制编码表示 数据传输速率应达到8位 8000 秒 64Kbps 2 5基带传输技术 2 5 1基带传输的定义在数据通信中 表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带 简称为基带 矩形脉冲信号就叫做基带信号 在数字通信信道上 直接传送基带信号的方法称为基带传输 在发送端 基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号 例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号 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 2 5 2通信信道带宽对基带传输的影响 2 5 3数据传输速率的定义与信道速率的极限 数据传输速率的定义数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标 数据传输速率在数值上 等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数 单位为比特 秒 记做bps 常用的数据传输速率单位有 Kbps Mbps Gbps与Tb s 其中 1Kbps 1 103bps1Mbps 1 106bps1Gbps 1 109bps1Tbps 1 1012bps 信道速率的极限值 奈奎斯特准则 二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B B f 单位Hz 的关系为Rmax 2 f bps 香农定理 在有随机热噪声的信道上传输数据信号时 数据传输速率Rmax与信道带宽B 信噪比S N的关系为Rmax B log2 1 S N S N为信噪比 2 6频带传输技术 2 6 1频带传输的定义利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输 调制解调器 modem 是频带传输中最典型的通信设备 2 6 2调制解调器的基本工作原理 在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号 在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号 FSK方式Modem的工作原理 Modem实现全双工通信的工作原理 2 6 3调制解调器的分类与应用 外置Modem与计算机的连接 2 7多路复用技术 多路复用的工作原理 2 7 1多路复用技术的分类 频分多路复用FDM波分多路复用WDM时分多路复用TDM 2 7 2频分多路复用 在一条通信线路设计多路通信信道 每路信道的信号以不同的载波频率进行调制 各个载波频率是不重叠的 一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号 2 7 3波分多路复用 光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法 简称为波分复用WDM 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 2 7 4时分多路复用 时分多路复用是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 在每个用户占有的时间片内 用户使用通信信道的全部带宽 时分多路复用的分类 同步时分多路复用统计时分多路复用 2 8数据交换方法 数据通过通信子网的传输过程可以分为 报文与报文分组交换线路交换与存储转发交换 2 8 1线路交换方式 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 不能平滑交通量 线路交换方式的工作原理 2 8 2存储转发交换方式 存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别 发送的数据与目的地址 源地址 控制信息按照一定格式组成一个数据单元 报文或报文分组 进入通信子网 通信子网中的结点是通信控制处理机 它负责完成数据单元的接收 差错校验 存储 路选和转发功能 存储转发交换方式分类 数据通过通信子网传输时可以有报文 message 与报文分组 packet 两种方式 报文传输 不管发送数据的长度是多少 都把它当作一个逻辑单元发送 报文分组传输 限制一次传输数据的最大长度 如果传输数据超过规定的最大长度 发送结点就将它分成多个报文分组发送 报文和报文分组结构 由于分组长度较短 在传输出错时 检错容易并且重发花费的时间较少 限定分组最大数据长度 有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率 公用数据网采用的是分组交换技术 存储转发方式的优点 由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组 多个分组可以共享通信信道 线路利用率高 通信子网中通信控制处理机具有路选功能 可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径 可以平滑通信量 提高系统效率 分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时 均要进行差错检查与纠错处理 因此可以减少传输错误 提高系统可靠性 通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换 也可以对不同的数据代码格式进行变换 2 8 3数据报方式 数据报是分组存储转发的一种形式 在数据报方式中 分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立 线路连接 源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径 每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机 数据报方式的工作原理 数据报方式的特点 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 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 每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址 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 2 8 4虚电路方式 虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来 处分发挥两种方法的优点 以达到最佳的数据交换效果 数据报方式在分组发送之前 发送方与接收方之间不需要预先建立连接 虚电路方式在分组发送之前 需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路 虚电路方式与线路交换方式相同 整个通信过程分为以下三个阶段 虚电路建立 数据传输与虚电路释放阶段 虚电路方式的工作原理 虚电路方式的特点 在每次分组发送之前 必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接 这是因为不需要真正去建立一条物理链路 连接发送方与接收方的物理链路已经存在 一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送 因此报文分组不必带目的地址 源地址等辅助信息 分组到达目的结点时不会出现丢失 重复与乱序的现象 分组通过虚电路上的每个结点时 结点只需要做差错检测 而不需要做路径选择 每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接 2 8 5ATM交换方式 ATM的基本数据传输单元是信元 信元长度固定为53字节 信元包括5字节的信元头与48字节的用户数据 物理链路 虚通路与虚通道的关系 物理链路 PhysicalLink 虚通路 VP VirtualPath 虚通道 VC VirtualChannel 支持远程教学的ATM网 2 9差错控制方法 2 9 1差错产生的原因与差错类型传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象 差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错 通信信道的噪声分为两类 热噪声和冲击噪声 由热噪声引起的差错是随机差错 或随机错 冲击噪声引起的差错是突发差错 或突发错 在通信过程中产生的传输差错 是由随机差错与突发差错共同构成的 传输差错产生过程 2 9 2误码率的定义 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率 它在数值上近似等于 Pe Ne N 其中N为传输的二进制码元总数 Ne为被传错的码元数 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一 对于一个实际的数据传输系统 不能笼统地说误码率越低越好 要根据实际传输要求提出误码率要求 对于实际数据传输系统 如果传输的不是二进制比特 要折合成二进制比特来计算 差错的出现具有随机性 在实际测量一个数据传输系统时 只有被测量的传输二进制比特数越大 才会越接近于真正的误码率值 2 9 3检错码与纠错码 纠错码 每个传输的分组带上足够的冗余信息 接收端能发现并自动纠正传输差错 检错码 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息 接收端能够发现出错 但不能确定哪位是错的 并且自己不能纠正传输差错 2 9 4循环冗余编码工作原理 CRC检错方法举例 标准CRC生成多项式G x CRC 12G x x12 x11 x3 x2 x 1CRC 16G x x16 x15 x2 1CRC CCITTG x x16 x12 x5 1CRC 32G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1 CRC校验码的检错能力 CRC校验码能检查出全部单个错 CRC校验码能检查出全部离散的二位错 CRC校验码能检查出全部奇数个错 CRC校验码能检查出全部长度小于等于K位的突发错 CRC校验码能以 1 1 2 K 1 的概率检查出长度为 K 1 位的突发错 如果K 16 则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16位的所有的突发差错 并能以1 1 2 16 1 99 997 的概率检查出长度为17位的突发错 漏检概率为0 003 2 9 5差错控制机制 反馈重发纠错实现机制 反馈重发机制的分类