第2章-数据通信基础概况.ppt

现代网络技术 第2章数据通信基础 数据通信的基本概念数据传输方式传输介质数据传输技术 现代网络技术 2 1数据通信的基本概念 2 1 1基本概念1 信息 数据和信号信息 是对客观物质的反映 可以是对物质的形态 大小 结构 性能等全部或部分特性的描述 也可以是物质与外部的联系 数据 数字化的信息称为数据 两者区别 数据是装载信息的实体 信息则是数据的内在含义或解释 现代网络技术 2 1数据通信的基本概念 信号 是指数据的电编码或电磁编码 它分为模拟信号和数字信号两种 2 信道信道 是传送信号的通路 用以传输模拟信号的信道叫做模拟信道 用以传输数字信号的信道叫做数字信道 现代网络技术 2 1数据通信的基本概念 3 通信通信 是把信息从一个地方传送到另一个地方的过程 对一个通信系统来说 它都必须具备三个基本要素 信源 信道和信宿 通信系统基本要素 现代网络技术 2 1数据通信的基本概念 4 数据通信数据通信系统 如果一个通信系统传输的信息是数据 则称这种通信为数据通信 实现这种通信的系统是数据通信系统 现代网络技术 2 1数据通信的基本概念 5 数据通信系统的基本构成 现代网络技术 2 1数据通信的基本概念 2 1 2数据通信过程中涉及的主要技术问题1 数据传输类型2 数据通信方式3 数据交换方式4 差错控制方法 现代网络技术 2 2数据传输方式 2 2 1串行通信与并行通信 a b 图2 5串行通信与并行通信 现代网络技术 2 2数据传输方式 2 2 2数据传输方向图2 6单工 半双工与全双工通信 现代网络技术 2 2数据传输方式 2 2 3同步传输与异步传输1 同步传输外同步 指由通信线路设备提供同步时钟信号 该同步信号与数据编码一同传输 以保证线路两端数据传输同步 如图 现代网络技术 2 2数据传输方式 内同步 指某些编码技术内含时钟信号 在每一位的中间有一个电平跳变 这一个跳变就可以提取出来用作位同步信号 如曼彻斯特码 同步传输优缺点 适合于大的数据块的传输 这种方法开销小 效率高 缺点是控制比较复杂 如果传输中出现错误需要重新传送整个数据段 现代网络技术 2 2数据传输方式 2 异步传输异步传输 现代网络技术 2 2数据传输方式 2 2 4基带传输与频带传输1 基带传输基带传输 在数字通信信道上直接传送数据的基带信号称做基带传输 2 频带传输频带传输 又叫宽带传输 它是对模拟信号的传输 现代网络技术 2 2数据传输方式 2 2 5数据通信的主要技术指标1 带宽带宽 是指信道能传送的信号的频率宽度 也就是可传送信号的最高频率与最低频率之差 2 数据传输速率 1 码元与信息量码元 是承载信息的基本信号单位 现代网络技术 2 2数据传输方式 一码元携带信息量计算公式为 其中 N表示一个脉冲所能表示的有效值状态 2 数据传输速率数据传输速率 是指每秒能传输的代码位数 单位为位 秒 bps 现代网络技术 2 2数据传输方式 数据传输速率计算公式如下 其中 T表示单位脉冲宽度 即调制状态转换时间间隔 N表示一个脉冲所能表示的有效值状态 3 调制速率调制速率 又称波形速度或码元速率 是指每秒钟发送的码元数 其单位是波特 Baud 用B来表示 现代网络技术 2 2数据传输方式 调制速率计算公式如下 其中 T为一个波形的持续时间 调制速率不等于数据传输速率 调制速率一般小于等于数据传输速率 其两者之间的关系如下 现代网络技术 2 2数据传输方式 4 误码率误码率 是指二进制码元在传输中出错的概率 是衡量传输系统可靠性的指标 误码率的计算公式如下 其中 N表示传输的二进制码元总数 Ne表示被传错的码元数 现代网络技术 2 3传输介质 2 3 1双绞线双绞线 由按规则螺旋结构排列的两根 四根或八根绝缘导线组成 如图双绞线分为 屏蔽和非屏蔽双绞线 RJ 45接头与普通电话系统的RJ 11接头区别 RJ 45接头稍大 有8条连接缆线 而RJ 11接头只有4条 现代网络技术 2 3传输介质 2 3 2同轴电缆同轴电缆 由一根空心的外圆柱形的导体围绕单根内导体构成的 如图根据同轴电缆的带宽不同 它可以分为两类 基带同轴电缆 宽带同轴电缆 现代网络技术 2 3传输介质 基带同轴电缆 一般只用于数字信号的传输 宽带同轴电缆 可以使用频分多路复用方法 也可以只用于一条通信信道的高速数字通信 此时称之为单信道带宽 同轴电缆的优缺点 优点抗干扰能力较强 缺点是基带同轴电缆物理可靠性不好 在公共机房等嘈杂的地方 容易出现故障 现代网络技术 2 3传输介质 2 3 3光缆光缆通信 就是通过光导纤维传递光脉冲进行通信的 光缆分为 单模和多模两种 光缆特点 具有重量轻 体积小 成缆后弯曲性能好 抗干扰性强等特点 现代网络技术 2 3传输介质 2 3 4无线通信无线传输介质包括 无线电 微波 卫星 移动通信等 各种无线传输介质对应的电磁波谱范围如图 现代网络技术 2 3传输介质 在计算机网络领域 无线通信介质主要是微波和卫星 微波通信的特点是 1 只能进行可视范围内的通信 2 大气对微波信号的吸收与散射影响较大 卫星通信的特点是 1 适合与很长距离的传输 如国际之间 洲际之间 2 传输延时较大 一般为500ms左右 3 费用较高 现代网络技术 2 3传输介质 2 3 5影响传输介质选择的因素一般来说 影响传输介质选择的因素包括 拓扑结构容量可靠性 差错率 应用环境 现代网络技术 2 4数据传输技术 2 4 1数据编码技术1 数字数据的调制编码在调制过程中 首先要选择音频范围内的某一角频率 的正弦函数作为载波 这一函数可以表示为 此载波函数中 有三个可以调制的参量 和 分别代表函数的幅度 频率和相位 对这三个参量的调制产生了三种调制技术 调幅 ASK 调频 FSK 调相 PSK 现代网络技术 2 4数据传输技术 数字数据的调制编码 现代网络技术 2 4数据传输技术 2 数字数据的数字信号编码在基带传输中 数字数据信号的编码方式主要有以下三种 非归零编码 NRZ 曼彻斯特编码 Manchester 差分曼彻斯特编码 DifferenceManchester 现代网络技术 2 4数据传输技术 3 模拟数据的采样编码PCM技术将模拟信号变为数字信号编码需经过以下三个步骤 1 采样 2 量化 3 编码 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 多路复用方法分为两类 频分多路复用 时分多路复用 1 频分复用技术频分 是指把传输线的总频带划分成若干个分频带 以提供多条数据传输信道 其中每条信道以某一固定频率提供给一个固定终端使用 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 6路频分复用的示意图见下图 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 波分多路复用 是FDM应用于光纤信道的一个变例 如图 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 2 时分多路复用技术时分多路复用TDM 是把信道传输信号的时间分成许多时间片 时间片的大小可以按一次传输一位 一个字节或一个固定大小的数据块所需的时间来确定 时分多路复用的原理见下图 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 TDM分 同步TDM和异步TDM两种方案 同步TDM 是按固定的顺序把时间片分配给各路信号 异步TDM 时间片是按需求动态分配的 当某个信号源有数据要发送时才把时间片分配给它 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 2 4 3数据交换技术数据通过通信子网的交换方式分为三种 电路交换 报文交换 分组交换 1 电路交换电路交换包括三个阶段 线路建立阶段 数据传输阶段和线路释放阶段 如下图 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 电路交换系统有两种工作方式 空分工作方式和时分工作方式 空分交换 是按空间划分的交换 即各次连接采用不同的物理线路连接 从开始交换信息直到结束 这条线路都是实际存在的 交换结束后 这条线路就释放 简单的空分接线器 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 时分交换 多个用户共用一条物理线路 各用户按所分配的时隙 时间片 轮流使用传输介质 从而大大提高线路利用率 电路交换的特点 是一旦电路建立连接后就要以进行基本无延迟的信息传输 要求有一定的时间才能建立起通信 一旦两终端建立起通信 在双方通信期间 信道和使用的有关设备都被一直占用而无法提供别的用户使用 因此线路利用率较低 电路交换的优点 是适合远距离成批处理 建立一次连接可以传送大量数据 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 2 报文交换报文 是一种数据包装形式 即把要发送的数据与发往的目的地 发出地等有关信息结合在一起组成待发送信号 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 报文交换的优点是 不需要预先建立电路和事后拆除电路 线路利用率较高 在中间节点还可以进行差错校验和代码转换 缺点是 每个中间节点需要容量较大的硬盘等存储器 当报文很大时 会明显增加时延 不宜用于实时通信或交互通信 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 3 分组交换分组交换的工作方式与报文交换大致相同 区别在于报文交换是以整个报文 数据块 为信息交换单位 而分组交换则是把大的数据块分割成若干小段 为每个小段加上有关地址数据以及段的分割信息 组成一个数据包 也叫分组 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 分组交换的优点 是交换节点可以进行差错控制 提高传输可靠性 减少时延 各信道的流量趋于平衡 信道带宽按需分配 有利于提高通信线路利用率 分组交换的缺点 是每个分组在每个中间节点都要独立选择路径 每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址 增加了额外信息 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 分组交换可以向用户提供两类业务方式 一是数据报方式 二是虚电路方式 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 2 4 4差错控制方法1 差错的产生数据传输中所产生的差错都是由热噪声引起的 热噪声有两大类 随机热噪声和冲击热噪声 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 2 差错控制 1 差错控制编码差错控制编码是用以实现差错控制的编码 它分检错码和纠错码两种 2 差错控制方法差错控制方法主要有3种 自动请求重发 向前纠错和混合方式 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 3 差错检测技术常用的检错码有 1 恒比码我国电信部门在国内通信中广泛采用五单位恒比码 如表2 1 表2 1我国的五单位保护电码表 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 2 奇偶校验码对一个字符块是否出错常采用块奇偶校验方法 有时又称为水平垂直奇偶校验 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 3 CRC校验1 CRC校验的基本思想已知一个长度为k的二进制位串 称为一帧 为了检查它在传输中的错误 发送器产生另一个n位二进制序列 称为帧校验序列 FCS 使得合成的k n位二进制数据帧能够被某一个预先确定的数整除 若能除尽 则无错误 若除不尽有错误发生 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 2 CRC校验码的求法设M为一个k位长的信息帧 P为n 1位预先确定的用来生成校验码的二进制序列 其最高位和最低位必须为1 F为n位FCS 即校验码序列 T为k n位被传输的帧 因为F是接在M信息帧之后的 因此T M 2n F设M 2n除以P的商和余数分别是Q和R 则有M 2n P Q R M 2n P Q R P 现代网络技术 2 4 2多路复用技术 若设T M 2n R 则T一定能被整除 T P M 2n R P M 2n P R P Q R P R P Q校验码序