第3章-数据通信与通信网基础ppt课件

第3章数据通信与通信网基础,本章学习要求：掌握：数据通信的基本概念掌握：数据通信方式掌握：数据编码的类型和基本方法掌握：多路复用的分类与特点掌握：广域网中的数据交换技术,第一节数据通信的基本概念(1)、基本术语1、数据(Data)在计算机系统中，各种字母、数字、符号的组合和语音、图形、图像等统称为数据。以二进制代码表示，即以0、1比特序列构成。2、信息信息是对数据进行加工以后所得到的有助于人们消除对某一方面的不确定性，经过加工的数据。,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。3、信号数据在通信线路中进行传输时必定要表现为一定物理量的变化，这些变化的物理量称为信号。例如，电路中电压的大小和正负、电流的大小和方向、电压的波形、电场和磁场的大小方向以及光波的幅度变化和颜色变化(频率或波长的变化)等。,(2)数据通信系统1、信源、信宿和信道最初发送信号的地方(也称为结点或节点)称为信源，最终的接收信号的站点称为信宿。,计算机A,计算机B,信源,信宿,信道信号所经过的通路称为信道。信道是由通信线路和通信设备构成。一次通信所要传输的所有数据是一个报文。,数据通信、数字通信和模拟通信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。,数据传输系统模型,第2节数据通信方式1、模拟通信和数字通信信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；分模拟信号和数字信号两种。模拟信号（analogsignal）：数值连续变化的信号叫做模拟信号。数字信号（digitalsignal）：不连续变化的即跳变的信号称作数字信号。通常指电脉冲信号，如用正脉冲表示“1”，负脉冲表示“0”。它通常表示成一个个方波。,传送数字信号的过程叫做数字通信，传递模拟信号的过程叫做模拟通信。模拟信号在传输的过程中，需要放大，容易失真。数字信号在传输的过程中，不断地进行码元的再生，总体上讲，传输质量高，代价低，误差的累积少。,2、串行通信和并行通信若干位二进制数字同时进行传输，叫做并行通信，传输的数据就称为并行数据。适于近距离固定传输，速度快、效率高。,在通信线路中每一瞬间只能传递一位二进制数，所有信号依次传输，这种传输方式叫做串行通信。这种信号称为串行信号。（车站检票口）传输的数据就叫做串行数据。串行通信方式：数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。一般在收发双方的接口电路中串并转换电路。,串行通信的最大优点就是所需要的通信线少。使用普通电缆通信时需要两条线，一条是信号线，另一条是地线或称为公共信号地。串行通信的最大缺点是通信的效率低。在进行短距离大数据量通信时(尤其是长期连接，如在计算机内部)为了提高通信的速率通常使用并行通信，而远距离通信所用的方法通常都是串行通信。,3、单工、半双工和双工通信在通信过程中间，通信的双方只有一方可以发送信息，另一方只能进行接收，叫做单工通信。例如现在的电视和无线电广播，利用现有的信道只能是单方向的传送信号，用户想利用当前这样的信道回传信号给电视台或广播电台就不行了。,双方都可以发送数据，但是在某一瞬间只能有一方发送而另一方进行接收，则叫做半双工通信。一方传送完成以后通过约定的方式通知对方信号发送完毕转入接收状态，对方则转入发送状态进行发送。例如现在常用的对讲机就是这样进行工作的，要讲话则把控制开关拨在“发送”的位置上，讲完话以后马上把控制开关拨到“接收”位置上听对方讲什么。,双方都可以同时发送数据又可以同时接收数据则叫做全双工通信，也简称双工通信。例如我们所用的电话，就可以在听的同时也讲话。实际上，计算机的部分外设，分半双工和全双工等类型，如声卡。,单工、半双工与全双工通信,4、同步通信和异步通信串行通信利用一根传输线路，数据一位一位地从线路上传过。可以避免了信号干扰，但是传输速率并不高。又有两种方式：同步通信和异步通信，以太网是同步通信，RS232是异步通信。异步通信的信息单位只是一个字节，而同步通信可以几百几千字节（一帧）。同步问题如同电话交流，一问一答，听清问题后，才能回答。,（1）异步传输以字节为单位，一次传输一个字节的数据，每个字节用一个起始位引导，用一个结束位结束，一般起始位为0，停止位为1。起始位表示字符传输的开始，停止位表示一个字符传输的结束。字符在异步传输中的格式式-字符的编码形式及规定，每个串行字符由以下四个部分组成：1个起始位，低电平；5-8个数据位；1个奇偶校验位；1-2个终止位(停止位)高电平。即：起始位+数据位+校验位+停止位,每个字符都有一个起始位和一个停止位。两个字符之间有一个时间延迟，而这个时间延迟是任意的不确定的。时间延迟的存在就是为了让前一个字符与后一个字符有区别。,（2）同步传输以多字节组成的数据块(几十至几千个字节)为单位进行传输，为了使接收方确定数据块的开始和结束，需要在数据块前加上标识序列，加有前后标识的数据块称为一帧(Frame)。使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步，中间没有间断时间。传输效率较高。开始处有一个或多个控制字符(SYN)，表示同步传输，然后每个字符一个紧挨一个的传输，之间没有时间间隔，最后有一个结束控制字符，标志传输结束。,准确地讲，异步通信实际上也是一个种形式的同步，只是因其传输单位为一个字节，故相对于同步传输称作异步通信。,【异步传输】,【同步传输】,5基带传输与频带传输1、基带传输在数据通信中，表示计算机二进制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；在线路中直接传送数字信号的电脉冲，它是一种最简单最基本的数据传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。,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。,2频带传输电话交换网是一种覆盖范围最广泛的通信网络，用模拟语音通信的电话网传输数字信号是一种常见的通信方式，但需要进行调制与解调。模拟数据可以用模拟信号来表示。模拟数据是时间的函数，并占有一定的频率范围，即频带。这种数据可以直接用占有相同频带的电信号，即对应的模拟信号来表示。利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输，是一种采用调制、解调技术的传输形式。,在发送端，采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；在接收端，通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。,调制解调器的基本工作原理调制：把计算机内部的数字信号转换成能被电话线传送的频率模拟信号，工作在信息的发送端。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；解调：把电话线上的频率模拟信号转换成能被计算机识别的数字信号，工作在信息的接收端。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。,连接方式,点对点连接方式,多点连接方式,第3节数据编码技术在计算机中数据是以二进制数表示的。为了使二进制数据在线路中传输时，既有利于数据的传输又能够使接收方能够辨别出发送方所传来的数据，就要求收发双方依据一定的规则将数据表示成某种在信道中传输的信号。这种信号通常也表示为按一定规则生成的数据，称为“码”。这就是数字编码技术。,具体采用什么码型，取决于所采用的通信信道支持的数据通信类型。可以利用数字信号传递数字数据，利用数字信号传递数字数据叫做数字数据的数字信号编码。同样在信道中可以传输代表数字数据的模拟信号，利用模拟信号传递数字数据叫做数字数据的调制编码。网络中，常用的通信信道有数字通信信道和模拟通信信道。,二、模拟数据编码方法传统的电话通信信道是模拟信道，要用于传输数字信号，需要进行调制和解调的操作。在发送端需将数字信号转换成模拟信号，称为调制，在接收端将模拟信号转换成数字信号，称为解调。模拟信号传输的基础是载波，载波具有三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。数字调制的三种基本形式：振幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。,1、振幅键控法ASK用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态，具有一定幅度的载波表示1，幅度为0的载波表示0；用幅值的不同区分0和1。基本原理：当传输的基带信号为1时，载波信号的振幅保持不变，当传输的基带信号为0时，载波信号的振幅变为0，即没有载波信号发射。ASK方式容易受增益变化的影响，是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。,2、移频键控法FSK用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。数字信号0和1分别用两种不同的频率波形表示。用频率的不同区分0和1。基本原理：当传输的基带信号为1时，载波信号的角频率为2f1，当传输的基带信号为0时，载波信号的角频率变为2f2。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。,3、移相键控法PSK在PSK方式下，用载波信号相位移动来表示数据。用相位的不同区分0和1。绝对相移：当传输的基带信号为1是，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为0；当传输的基带信号为0时，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为。相对相移：当传输的基带信号位1时，后一个码元和前一个码元的相位差为；当传输的基带信号为0时，则后一个码元和前一个码元的相位差为0。,三、数字数据编码方法所谓数字数据的数字信号编码是指将以二进制数为主表示的数字数据转换为易于被数字电路处理的数字信号。简单的方法就是把二进制数字用两个电平来表示。例如高电平为“1”，低电平为“0”，或者相反。通常使用矩形脉冲电信号表示两个电平的波形，也可以使用其他表示电平的波形。每一位表示数据的矩形称为一个“码元”，每个码元所占用的时间长短是这个码元的时间周期。根据不同的表示方法，有如下几种编码方案。,1、非归零码在收到数字“1”时发一个脉冲（记电平），数字为“0”时不发脉冲（低电平），接收方收到脉冲时，就把它变成二进制的“1”，没有脉冲时就认为是“0”。配合非归零码，需要传送同步信号。,2、曼彻斯特的编码发送方向接收方发送一个固定周期的脉冲信号，当要发送的信息为“0”时，脉冲周期的中间会有跳变，这个跳变为从高到低；而信息为“1”时，则中间的跳变从低到高；没有信息就保持原样。,3、差分曼彻斯特编码发送的信息为“1”时，脉冲的前沿不变；当信息为“0”时，脉冲的前沿产生跳变。根据每个脉冲的开始边界是否跳变来决定其传送的是什么数码。“1”不跳变，“0”跳变。,两种曼彻斯特编码是将时钟和数据包含在数据流中，在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。,四、脉冲编码(PCM)调制方法数字信号传输有明显的优点，失真小，传输速率、质量高，是主流；对于语音等模拟信号在发送端通过脉冲编码调制技术转换为数字信号（即调制），在接收端将数字还原为模拟信号（即解调），驱动话筒放出声音。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。,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。,脉码调制(PCM)原理,第4节多路复用技术一、多路复用技术的分类多路复用技术就是将一条物理信道分割成多条逻辑信道，每条逻辑信道单独传输一路数据信息，并且互不干扰，从而在一个传输介质上，同时传输多个信号，以达到提高物理信道利用率和吞吐量的一种技术。如：一条闭路电视线，传送多个不同频率的电视信号。如何实现？,多路复用器起到了汇集多个用户信息的功能，在接收端的多路复用器则分离多用户信息。,多路复用的方法有频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用和码分复用。二、频分多路复用（FDM）在一条通信线路中，在其带宽范围内，每路信道的信号以不同的载波频率进行调制传输，从而形成多路通信信道；以信道频带作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的频率范围来实现多路复用。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不同频率的信号。如电视信号的传输。,频分多路复用,三、时分多路复用（TDM）时分多路复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片来实现多路复用，让多路信号轮流占用信道。采用时分多路复用技术可将一条物理信道按时间分成若干个时间片，多路输入信号在不同的时间片内进行分别传输。（轮流传输。）,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。频分多路复用在同一时刻能同时传输多路信号，每路信号占用不同的频带。而时分多路复用在任一时刻只有一路信号存在，占用信道的全部带宽，多路信号分时在同一物理信道上传输。前者按频率分割，后者按时间分割。,1同步时分多路复用同步时分多路复用STDM（SynchronousTDM）将时间片预先分配给各个信道，并且时间片固定不变，因此各个信道的发送与接收必须是同步的。（固定分配，一对一，二对二，浪费信道资源）,2异步时分多路复用也称为统计时分多路复用，允许动态分配时间片。根据需要分配时间片，时间片序号与信道序号之间没有固定的对应关系（数据发送要带上信道号即双方地址），可以避免信道浪费。,三、波分多路复用（WDM）波分多路复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）实际上就是光的频分多路复用。光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，其本质是在一条光纤中用不同颜色的光波来传输信号，而不同的色光在光纤中传输彼此互不干扰。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。,不同频率的光波通过光栅来实现合成与分解。,码分多路复用,码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。,CDMA是码分多址的英文缩写(CodeDivisionMultipleAccess)，它是在数字技术的分支-扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。,码分多址（CDMA）通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分CDMA，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收机用相关器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其它使用不同码型的信号因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常称之为多址干扰。,码分多路复用,CDMA基本原理:将每一个比特时间再划分为m个间隔,(称码片chip,m=2n,通常m的值是64或128，为简单起见，这里假定m为8);CDMA为一个站分配一个唯一的mbit码片序列,指定信息”0”和”1”的m位二进制代码(互为反码).如:8bit码片系列分配给S站的码片系列:0-11100100,1-00011011.利用全球定位系统(GPS)可方便地解决多站同时通信的问题.CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性,增大通信系统的容量。,码分多路复用,第5节数据交换方法数据通过通信子网的传输过程可以分为：电路交换与存储转发交换，存储转发交换又可以分为报文与报文分组交换。一、电路交换方式电路交换是通过网络结点（如交换机）在两个工作站之间为数据传输建立专用的通信通道实现的。常见的电路交换是电话系统。,线路交换方式的最重要的特点是在一对主机之间建立起一条专用的物理数据通路。包括连接建立、数据传输和连接拆除三个过程。通路建立时需要一定的呼叫建立时间。一旦通路建立，在各节点上几乎没有时延，但是由于通路建立时，线路是专用的，即使是空闲，其他用户也不能使用。,特点：线路交换是面向连接的服务；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；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；所谓面向连接的服务就像打电话，有一个明显的拨通电话、讲话、再挂断电话的过程，面向连接服务的提供者也要做建立连接、维护连接和拆除连接的工作，这种服务的最大好处就是可靠性高，而且保证数据顺序传输；,对应的，无连接的服务就像发电报，电报发出后你并不能马上确认对方已经收到，无连接的服务不需要维持连接的额外开销，但是可靠性较低，也不保证数据的传输顺序。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。,二、存储转发交换方式在存储转发技术中，数据传输不要求建立专门的物理通路，交换设备首先将途径的数据接收并存储下来，然后再选择一条合适的通路将它转发出去，从而为数据传输提供了传输通路。(一站一站走，每站都有一定的延迟),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。根据转发的数据的不同，存储/转发式交换又分为：（1）报文交换（2）分组交换。,1、报文交换在网络的每一个节点（交换设备）先将整个报文完整的接收并存储下来，然后选择合适的链路转发到下一个节点（交换设备）。每个节点（交换设备）都对报文进行如此存储/转发，最终到达目的地。交换设备需要有足够的内存；通信双方事先并不用建立专门的通信线路；任何时刻传输数据仅仅占用一段线路；因为每次要存储整个报文，对报文存储转发时间长；因为转发时可能没有空闲线路而需要等待，传输时延不定；若传输发送错误，整个报文需要重传。,特点：无连接(connectionless)：在传送数据之前不先建立连接而随时可发送数据。存储转发（storedandforwarded)：当交换设备收到报文后，先把报文存储起来，然后在适当的时候，通过一条合适的输出线再将报文传送出去。对报文大小不加限制，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；中间节点必须有较大容量的硬盘等存储器。时延大：大报文传输时，可能占用中间节点线路长达几分钟，明显增加传输时延，不适合于交互式通信。,2、分组交换分组交换同样属于存储转发交换，数据不是作为一个整体进行传输，而是划分为大小相同的许多数据分组来进行传输。这些数据分组称为“包”或分组。这些数据分组可以通过不同的路线先后到达同一目的地址，数据分组到达目的地后，进行合并还原以确保收到的数据在整体上与发送的数据完全一致。,在分组交换中，先将较长的报文划分成一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部(header：包括分组将被发送的目的地址、分组序号)后。其中一个分组的的最大长度通常被限制（1000-2000）位。分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。,正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在分组交换网中独立地选择路由。因此，分组交换的特征是基于标记(label-based)。以分组为单位进行存储转发，存储转发时间短；一个分组发生错误，不需要重发整个报文；以分组为单位使用线路，线路不会长时间为一路数据占用；,分组转发方式如下：,基本思想：在发送端把要发送的报文分隔为较短的等长数据块，每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包），依次把各分组发送到接收端，接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文。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。,三、数据报方式计算机网络通常采用分组交换技术，又可进一步分为：数据报、虚电路。数据报：每个报文分组（数据报）在传输过程中，都要进行路径选择，各数据报按照不同路径到达目的地址。故而，发送顺序和接收顺序可能不同，接收方要重新组织。,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。,四、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，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果;在发送报文分组前，首先进行路径选择，在发送端和接收端之间建立一条逻辑路径，待所有分组发送完成后，解除路径。这条路径不同于专用物理线路，分组在交换设备上仍需要存储和转发，所以称为虚电路。,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。一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，所有分组按照同样顺序到达目的地址，报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。报文分组大小比数据报方式小，且沿着相同的顺序到达目的地。,虚电路方式的特点：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；,带宽,信道带宽信号用特定的电磁波表示，而电磁波有一定的频谱范围，因此任何实际信道所能传输的信号频率都有一定范围，即信道的频带宽度，又称带宽信道带宽由传输媒体和有关的附加设备与电路频率特性综合确定信道带宽限制信道传输能力,第6节数据通信主要性能指标,传输速率,数据传输速率-每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。数据传输速率,也称信息速率S=1/T*log2N(bps)式中T为一个数字脉冲信号的宽度(全宽码)或重复周期(归零码)单位为秒；N为一个码元所取的离散值个数。通常N=2K，K为二进制信息的位数，K=log2N。N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。信号传输速率-单位时间内通过信道传输的码元数，