第二章 数据通信基础ppt课件

.,1,1,第二章数据通信基础,.,2,2,这里讲的通信不单指计算机通信，而是数据通信，如打电话、有线电视接收信号等也属于数据通信。,数据通信基础,.,3,调制解调器,PC机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,PC机,型,数据通信基础,数据通信系统基本模型,.,4,2.1数据通信的基本概念数据通信是通过各种不同的方式和传输介质，把处在不同位置的终端和计算机，或计算机和计算机连接起来，从而完成数据传输、信息交换和通信处理等任务。2.1.1信息和数据1、信息信息是对客观事物的反映。信息有各种存在形式，如数字、声音、图形、图像等。2、数据,数据通信基础,.,5,数字化的信息称为数据，被传输的二进制代码称为数据，是信息的表示形式。数据是信息的载体，信息则是数据的内在含义或解释。数据有两种：数字数据和模拟数据。取连续值的数据称为模拟数据，如成绩、名次等；取离散值的数据称为数字数据，如声音的强度、灯光的亮度等。3、信号信号是数据在传输过程中电信号的表示形式。主要形式有：,数据通信基础,.,6,模拟信号：连续变换的电信号，它的取值可以是无限个。数字信号：是一种离散信号，它的取值是有限的。,数据通信基础,.,7,信息、数据、信号的关系,信息,数据,信号,数据通信基础,.,8,2.1.3码元和码字在数据传输过程中，在使用时间阈的波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波称为码元。码元是构成信息编码的最小单位。将计算机网络传送中的每一位二进制数字称为“码元”或“码位”。例如二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，通常称为码字。,数据通信基础,.,9,数据通信基础,.,10,2.1.2信道和信道容量1、信道信道是传送信号的一条通道，可以分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，由传输介质及其附属设备组成。逻辑信道也是指传输信息的一条通路，是在物理信道上传递不同种类信息的信道。信道按照使用权限分为专用信道和公用信道。信道按传输介质可分为有线信道、无线信道和卫星信道。信道按传输信号的种类可分为模拟信道和数字信道。,数据通信基础,.,11,1.信道带宽与信道容量信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的，例如，电话线路的频率范围在3003400Hz，则它的带宽3003400Hz。信道容量是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失真。信道,数据通信基础,.,12,香农(CShannon)定理1948年，香农考虑了信道受到随机噪声干扰的因素，提出香农定理。ClaudeShannon认为，在有噪声的环境中，信道容量将与信噪功率比有关。根据香农(Shannon)定理，在给定带宽为W、信噪功率比为S/N的信道中，最大数据传输速率C为:式中,S/N常用分贝形式来表示，为信噪功率比，其计算公式如下：,数据通信基础,.,13,例：一个数字信号通过两种物理状态，经信噪比为20dB的3kHz带宽信道传送，其数据率不会超过多少？解按Shannon定理，在信噪比为20dB的信道上，信道最大容量为已知信噪比电平为20dB，信噪比用分贝表示，其计算公式如下：则信噪功率比S/N=100，由此得C=3000log2(1+100)=30006.66=19.98kb/s即数据率不会超过19.98kb/s。,返回,数据通信基础,.,14,2.1.4数据通信系统主要技术指标1、比特率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（bps）或千比特每秒（Kbps）表示。2波特率：波特率是一种调制速率，也称波形速率。它针对在模拟信道上进行数字传输时，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波调制状态改变的次数。或者说在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特（baud）。,数据通信基础,.,15,3误码率误码率指信息传输的错误率，也称误码率，是数据通信系统在正常工作情况下，衡量传输可靠性的指标。4、吞吐量吞吐量是单位时间内整个网络能够处理的信息总量，单位是字节/秒或位/秒。在单信道总线型网络中，吞吐量=信道容量传输效率。5、数据传输率,数据通信基础,.,16,数据传输率是指单位时间信道内传输的信息量，即比特率，单位为比特/秒。一般来说，数据传输率的高低由传输每一位数据所占时间决定，如果每一位所占时间越小，则速率越高。其中，B是数字信号的脉冲频率，即波特率，N是调制电平数。log2N是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特数）。如电信号的状态数N=2，即只有“0”和“1”两个状态，则每个电信号只传送1位二进制数据，此时，S=B。,数据通信基础,每秒传递的波形数,.,17,6、信道的传播延迟信号在信道中传播，从信源端到信宿端需要一定的时间，这个时间称为传播延迟。这个时间与信源端和信宿端之间的距离有关，也与具体信道中的信号传播速度有关。,数据通信基础,.,18,2.2数据传输方式2.2.1数据通信系统模型1、数据通信系统的一般结构模型，它是由数据终端设备（DTE）、数据线路端接设备（DCE）和通信线路等组成。,数据通信基础,.,19,2、通信系统模型通信系统组成三要素：信源、信宿和信道。3、数据终端设备DCE是用于处理用户数据的设备，是数据通信系统的信源和信宿。数据线路端接设备又称为数据通信设备，是介于DTE与传输介质之间的设备，用于将DTE发出的数字信号变换成适合在传输介质上传输的信号形式，或是将从传输介质上接收到的远端信号变换为计算机能接收的数字信号形式，并送给如Modem。,数据通信基础,.,20,2.2.2数据线路的通信方式1、单工通信在通信线路上，数据只可按一个固定的方向传送而不能进行相反方向传送的通信方式。例如无线电广播、电视广播、遥控通信。,数据通信基础,.,21,2、半双工通信数据可以双向传输，但不能同时进行，在任一时刻只允许在一个方向上传输主信息的通信方式。例如航空和航海无线电台、对讲机信。,数据通信基础,.,22,3、全双工通信可同时双向传输数据的通信方式。例如电话机。,数据通信基础,.,23,2.2.3数据传输方式数据传输方式依其数据在传输线原样不变地传输还是调制变样后再传输，可分为基带传输、频带传输和宽带传输等方式。1、基带传输信号每秒钟变化的次数叫频率，单位赫兹（HZ）。信号的频率有高有低，就象声音有高有低一样，低频到高频的范围叫频带，不同的信号有不同的频带。在数据通信中，由计算机或终端等数字设备直接发出的二进制数字信号形式称为方波，即“1”或“0”，分别用高(或低)电平或低(或高)电平表示，人们把方波固有的频带称为基带(由消息直接转换成的未经调制变换的信号所占的频带，理论上基带信号的频谱,数据通信基础,.,24,是从0到无穷大)，方波电信号称为基带信号。在数字信道上，直接传送基带信号的方法，称为基带传输。在基带传输中，整个信道只传输一种信号，通信信道利用率低。一般来说，要将信源的数据经过变换变为直接传输的数字基带信号，这项工作由编码器完成。在发送端，由编码器实现编码；在接收端由译码器进行解码，恢复发送端原发送的数据。基带传输是最基本的一种数据传输方式，一般用在较近距离的数据通信中。计算机局域网主要采用这种方式。,数据通信基础,.,25,2、频带传输远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话（电话信道）只适用于传输音频范围（300-3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输基带信号。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,传输到接收端后再将模拟数据信号解调还原为数字信号。,数据通信基础,.,26,26,常用的频带调制方式有调幅、调频、调相及调幅与调相混合调制。,数据通信基础,.,27,幅移键控、频移键控和相移键控,.,28,28,3、宽带传输是相对于一般的频带传输而言的宽频带传输，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。将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频、图像和数字信号，称为宽带传输。基带传输和宽带传输的主要区别在于数据传输速率不同。一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加。,数据通信基础,.,29,29,2.3数据交换技术在计算机网络中，传输系统的设备成本很高，所以当通信用户较多而传输的距离较远时，通常采用交换技术，使通信传输线路为各个用户所共用，以提高传输设备的利用率，降低系统费用。通常使用三种交换技术由电信网分类可知，交换方式基本上分为三种：电路交换(CS，CircuitSwitch)报文交换(MS，MessageSwitch)分组交换(PS，PacketSwitch),数据通信基础,.,30,2.3.1电路交换,2.3.1电路交换（CircuitSwitching）也称为线路交换，是一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。,.,31,电路交换,所有电路交换的基本处理过程都包括呼叫建立、通话(数据传送)、电路拆除三个阶段。1.电路建立阶段2.数据传输电路建立完成后，就可以在这条临时的专用电路上传输数据，通常为全双工传输。3.电路拆除在完成数据传输后，源节点发出释放请求信息，请求终止通信，若目的节点接受释放请求，则发回释放应答信息。在电路拆除阶段，各节点相应地拆除该电路的对应连接，释放由该电路占用的节点和信道资源。,.,32,电路交换,图1电路交换的基本处理过程,.,33,电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,.,34,电路交换举例,C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,.,35,电路交换的特点,(1)电路交换是一种实时交换，适用于实时要求高的话音通信(全程的传输时间200ms)。(2)在通信前要通过呼叫为主、被叫用户建立一条局间逻辑的端-端连接。如果呼叫请求数超过交换网的连接能力(过负荷)，用户会听到忙音。衡量电话交换服务质量的指标之一是呼叫损失率，简称为呼损率。(3)电路交换预分配带宽，话路接通后，即使无信息传送也虚占电路。据统计，传送数字话音时电路利用率仅为36%。(4)在传送信息时，没有任何差错控制措施，不利于传输可靠性要求高的突发性数据业务。采用电路交换方式的交换节点在建立的连接通路上通常只提供一种基本的传送速率(如64kb/s)。,.,36,2.3.2存储转发交换（StoreandForwardSwitching）报文存储转发交换报文分组存储转发交换数据报虚电路1、报文交换早在20世纪40年代，电报通信系统就采用了报文交换方式。报文交换(MessageSwitch)与电路交换的工作原理不同，每个报文传送时，没有连接建立和释放这两个阶段。在报文交换节点接收一份份报文，予以存储，再按报文的报头(内含收报人地址、流水号等)进行转发。,.,37,对于数字数据通信，广泛使用报文交换技术;在报文交换中，每一个报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址。节点根据报头中的目标地址为报文进行路由选择。并且对收发的报文进行相应的处理。,报文交换,.,38,源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通路；与电路交换相比，报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延；电路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据；要求节点具备足够的报文数据存放能力，一般节点由微机或小型机担当；数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都进行差错控制，即检错和纠错。由于采用了对完整报文的存储/转发，节点存储/转发的时延较大，不适用于实时通信或交互式通信。2、分组交换,.,39,2.5.2.2分组交换,分组交换属于“存储/转发”交换，它不像报文交换以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的“报文分组”（Packet）为单位进行交换传输。假如A站有一份比较长的报文要发送给C站。则它首先将报文按规定长度划分成若干分组，每个分组附加上地址及纠错等其他信息，然后将这些分组顺序发送到交换网的节点C。分组交换又分为：数据报交换虚电路交换,.,40,数据报分组交换,交换网把进网的任一分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它属于哪个报文的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样。这种分组交换方式简称为数据报传输方式，作为基本传输单位的“小报文”被称为数据报（datagram）。,.,41,报文,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。,数据,数据,数据,每一个数据段前面添加上首部（header）构成分组（packet）。,首部,首部,首部,数据报分组交换,.,42,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）。,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。,数据报分组交换,.,43,用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。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,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。,数据报分组交换,.,44,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,数据报分组交换,.,45,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,.,46,三种交换的比较,ABCD,ABCD,ABCD,报文交换,电路交换,分组交换,t,.,47,数据报分组交换的特点,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节点时可能出现乱序、重复或丢失现象；每一个报文在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址；使用数据报方式时，数据报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,.,48,虚电路分组交换,虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，所有分组都必须沿着事先建立的