第2章 数据通信基础(4学时)

1,第2章数据通信基础,本章内容（P15-25）数据通信的基本概念数据传输技术（数据的通信方式、信道的通信方式、信号的传输方式）数据交换技术差错控制传输介质（P35-38）,2,2.1数据通信模型,2.1.1基本概念1、信息（Information）通信的目的是为了交换信息。信息的载体可以包含语音、音乐、图形、图像、文字和数据等多种媒体。计算机终端产生的信息一般是字母、数字和符号的组合。2、数据（Data）数据通信是指在不同计算机之间传送表示信息的（字母、数字、符号）二进制代码0和1比特序列的过程。被传输的二进制代码称为数据。数据有两种：模拟数据和数字数据。,3,3、信号（Signal）信号是数据在传输过程中的表示形式。模拟信号（AnalogSignal）是一种波形连续变换的电信号，取值可以是无限个，比如电话线上传送的按照声音的强弱幅度连续变化的电信号。波形如图（a）所示。数字信号（DigitalSignal）是一种离散信号，取值是有限的，比如计算机中所产生的电信号，它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。波形如图（b）所示。,2.1.2数据通信模型（不要求）,4,1、数据通信速率（传输速率）数据在信道中传输的速度。有两种：码元速率和信息速率。码元（Codecell）：时间轴上的一个信号编码单元。1）码元速率RB：每秒钟传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率。在数字通信系统中，由于数字信号是用离散值表示的，每个离散值就是一个码元。2）信息速率Rb：每秒钟传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），又称为比特率。一般来说，对于采用M进制信号传输信号时，信息速率和码元速率之间的关系是：RbRBlog2M例如：当波特率为9600时,若M=2，数据传输率为9600b/s若M=16，数据传输率为4*9600=38.4kb/s二进制传输中，信息速率与码元速率相等。,2.2数据通信的技术指标,5,2、误码率和误比特率误码率：码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。1）误码率Pe传输出错的码元数/传输的总码元数2）误比特率Pb传输出错的比特数/传输的总比特数在二进制传输中，误码率也称为误比特率。3、信道带宽与信道容量1）信道带宽：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，则它的带宽范围也在3003400Hz。,6,2）信道容量：单位时间内信道上所能传输的最大比特数，即最大传输速率，用比特每秒（bit/s）表示。它是衡量一个信道传输数字信号的重要参数。当传输速率超过信道的最大信号传输速率时就会产生失真。通常，信道容量和信道带宽成正比的关系。带宽越大，容量越高，要提高信号的传输率，信道就要有足够的带宽。增加信道带宽是可以增加信道容量。但实际上，信道带宽的无限增加并不能使信道容量无限增加，其原因是信道中存在噪声或干扰，制约了带宽的增加。信道带宽是由信道的物理特性所决定的。,7,带宽与数据传输率的关系（信道的最大数据传输率）,I）Nyquist（奈奎斯特）公式：用于无噪声理想低通信道Nyquist公式为估算已知带宽,信道的最高数据传输速率提供了依据。例如，话音级线路的带宽约为3.1kHz，根据上式计算的信道最大数据传输率如右表所示。,M最大数据率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/s,8,非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。,9,II）Shannon（香农）公式：用于有噪声干扰信道例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则C=3100log2（1+2000）34kb/s即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。,信噪比的单位也可用分贝(dB)表示：S/NdB=10log10S/N所以，若S/NdB=30dB，则S/N=1000。,10,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C=2Wlog2M用于理想信道（这样的信道存在吗？）数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,11,2.3数据传输技术,2.2.1数据的通信方式（并/串行通信）1、并行通信数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。方式：将构成1个字符代码的几位二进制比特分别通过几个并行的信道同时传输，如，并行传输中一次传送8个比特。优缺点：速度快，但发送端与接收端之间有若干条线路，费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。并行通信在计算机内部总线以及并行口通信中已经得到广泛应用。,12,2、串行通信数据以串行方式在一条信道上传输。由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构，这样才能实现串行通信。优缺点：收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。串行通信通过计算机的串行口得到广泛的应用，而且在远程通信中一般采用串行通信方式。,13,2.2.2信道的通信方式,按照信号传送方向与时间的关系，信道的通信方式可以分为单工、半双工和全双工三种。1.单工通信单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，而接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向。例如，无线电广播和电视都属于单工通信。,14,2.半双工通信半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换。半双工信道适合于会话式通信。例如，公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。,15,3.全双工通信全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输。例如，现实生活中的电话机通话就是一个全双工的通信过程。,16,2.2.3信号的传输方式,1、基带传输基带传输是一种最简单最基本的传输方式。在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输。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是由编码器完成的。基带传输系统安装简单、成本低，主要用于总线型拓扑结构的局域网，在2.5km的范围内，可以达到10Mb/s的传输速率。,17,2、频带传输频带传输是指数字信号调制成音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。在实现远距离通信时，经常借助于电话系统，此时需要采用频带传输方式。3、宽带传输宽带传输常采用75的同轴电缆或光纤作为传输介质，带宽为300MHz。使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带，分别用这些子频带来传送音频信号、视频信号以及数字信号。宽带同轴电缆原是用来传输电视信号的，当用它来传输数字信号时，需要利用电缆调制解调器（CableModem）把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的模拟信号。,18,什么是交换？按某种方式动态分配传输线路资源。例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。最初的交换：人工转接交换为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率。实现交换的方法主要有：电路交换存储转发交换报文交换分组交换数据报方式虚电路方式,2.4数据交换技术,19,电路交换（CircuitSwitching），也称为线路交换，它是一种直接的交换方式，在一对需要进行通信的节点之间建立一条临时的专用通道，即建立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。,2.4.1电路交换,20,1、特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为“面向连接的”（典型例子：电话）通信过程：建立连接数据通信释放连接2、优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输可靠、传输延迟小、实时性好。*电路交换不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。例如：建立连接的时间为0.5秒，计算机以1Mb/s的速率发送10k字节。线路利用率？,21,22,2.4.2存储转发交换,存储转发交换（StoreandForwardSwitching）可分为报文存储转发交换与分组存储转发交换两种方式。其中，分组存储转发交换方式又可以分为数据报与虚电路方式。,采用存储转发的邮政通信工作模式,23,1.报文交换（MessageSwitching）,（1）报文:需要发送的整个数据块，如一个数据文件、一篇新闻稿件等，而不是数据的一部分。每个报文包括三个部分：报头、正文和报尾。报头：报文号、源地址和目的地址；正文：发送的数据块；报尾：报文的校验信息，用来进行差错检查和纠错。通常，对较为连续的数据流（如话音），电路交换是一种易于使用的技术。对于数字数据通信，广泛使用的是报文交换技术。（2）网络节点：通常为一台专用计算机，备有足够的外存，以便在报文进入时进行缓冲存储。节点接收一个报文之后，报文暂时存放在节点的存储设备之中，等输出电路空闲时，再根据报文中所指的目的地址转发到下一个合适的节点，如此往复，直到报文到达目标数据终端为止。,24,报文交换的特点：（1）源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通道，仅在相邻节点传输报文时建立节点间的连接。称为“无连接的”（典型例子：电报）；（2）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；（3）线路利用率高，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；（不用独占）（4）要求节点具备强的报文数据存储能力，一般节点由微机或小型机担当；,25,（5）数据传输可靠性高。（有差错检查；某线路有故障可选其他路径）；（6）整个报文（Message）作为一个整体一起发送。每个节点都要把报文完整的接收、存储、检错、纠错、转发，产生了节点延迟；（7）报文交换对报文长度没有限制，报文大小不一，造成存储管理复杂，缓冲器无法分配；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；（8）报文出错后整个报文要全部重发。比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？,针对报文交换的缺点提出了一种改进方式分组交换（包交换）。,26,将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。分组头部信息中应包含分组编号。特点：（1）数据传输前不需要建立一条端到端的通路也是“无连接的”。（2）强大的功能，如纠错机制、流量控制、拥塞控制、路由选择等。优缺点：（1）对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快；（2）转发延时小适用于交互式通信；（3）某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；（4）各分组可通过不同路径传输，容错性好。（5）需要分割报文和重组报文，增加了端节点的负担。,2.分组交换（PacketSwitching）（P60-62）,27,（1）数据报方式（Datagram）各报文分组中包含目的节点的地址，可根据各报文分组独立地确定路由（传输路径）不能保证报文分组按序到达，目的节点需要按分组编号重新排序和组装,数据报方式不能保证分组按序到达,分组可能通过多个路径穿越网络,28,29,数据报分组交换的特点：（a）每一个报文分组在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址。（b）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。（c）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。（d）使用数据报分组交换的方式时，数据报文传输延迟较大，适用于突发性通信，但不适用于长报文、会话式通信。,30,（2）虚电路方式（VirtualCircuit）通信前预先建立一条逻辑连接虚电路虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的类比：铁路系统（旅客/列车:分组，铁路网:网络，火车站:节点）“西安北京”这条线路可以看成是一条虚路径通信也需要三个过程：建立连接数据传输拆除连接建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络“数字管道”提供的是“面向连接”的服务不像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是断续地依次占用传输路径上各个链路段与铁路系统类比！可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达,31,分组通过预先建立好的虚电路穿越网络,32,33,虚电路分组交换的特点：（1）虚电路无专用电路，而是选定了特定路径进行传输，各分组所途径的所有节点都对这些分组进行存储/转发，而电路交换无此功能。（2）一次通信的所有分组都从这条逻辑连接的虚电路上通过，不再进行路由选择。因此，各个分组不必带有源地址、目的地址等辅助信息，只需要携带虚电路标识号。各个分组到达目的节点不会出现丢失、重复与乱序的现象。（3）节点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。（4）通信子网中的每个节点都可以和任何节点建立多条虚电路连接。,34,2.4.3三种交换方式比较电路交换、存储转发交换（报文交换、分组交换）,35,电路交换与分组交换的区别：1、电路交换中信道的带宽是静态分配的，而分组交换中是动态分配和释放的；2、电路交换是完全透明的，发送方与接收方可使用任何速率、任意帧格式进行数据通信。而分组交换中，必须按一定的数据速率和帧格式通信；3、计费方法不同。电路交换中，通信费用取决于通话的时间和距离，与通话量无关（原因：独占信道）。分组交换中，费用主要按通信流量来计算，适当考虑通话时间和距离。,36,2.5差错控制,1、差错控制的概念在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正。2、差错控制的原因不存在理想的信道传输总会出错与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。3、产生差错的因素信号本身：衰减、反射、串扰；热噪声：由信道的电气特性引起的信号幅度、频率、相位的畸变；冲击噪声：闪电、外界电磁干扰、大功率电机的启停等。4、差错控制的基本方法接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。,37,5、差错控制的技术（1）自动请求重发AutomaticRepeatRequest（ARQ）利用编码的方法在数据接收端检测差错，当检测出差错后，设法通知发送端重新发送数据，直到无差错为止。停等式ARQ每发送一数据帧就需要一个应答帧只重传刚才出错的帧全部重发式Go-back-NARQ可每发送N个数据帧需要一个应答帧需重传前面（N-i+1）帧（0iN）（i表示出错的数据帧）选择重传式ARQ可每发送N个数据帧需要一个应答帧只重传出错的帧（要求发送方缓存出错数据帧重发前接收的所有未被确认的数据帧）,38,（2）前向纠错利用编码的方法，接收数据端不仅对接收的数据进行检测，当检测出差错后能自动纠正差错。6、差错控制编码（1）纠错码让每个传输的分组都带上足够的冗余信息，以便在接收端能发现并自动纠正传输中的差错。实现复杂、造价高，在计算机通信中很少使用。（2）检错码让分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，但不能确定错误位的位置，自己不能纠正传输差错。,39,检错码主要有两种编码方法：（1）奇偶校验（ParityChecking）可以在两个级别上实现：在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。例如：1100010增加偶校验位后为11100010若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。只能用于面向字符的通信协议中。无论是奇校验还是偶校验都只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出（why？）。,40,*（2）循环冗余校验（CRC,CyclicRedundancyCheck）一种通过多项式除法检测错误的方法。核心思想是将待传输的数据位串看成系数为0或1的多项式。差错检测原理：收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方根据发送的数据和G(x)计算出CRC校验和并把它加在数据的末尾。接收方则用G(x)去除接收到的数据，若有余数，则传输有错。校验和是16位或32位的位串。CRC校验的关键是如何计算校验和。,41,CRC校验和的计算以数据块（帧,Frame）为单位进行校验将数据块构成的位串看成是系数为0或1的多项式如110001，可表示成多项式x5+x4+1若G(x)为r阶，帧为m位，其多项式为M(x)，则在帧后面添加r个0，成为m+r位，相应多项式2rM(x)按模2除法用2rM(x)除以G(x)：商Q(x)，余R(x)即：2rM(x)=G(x)Q(x)+R(x)按模2加法把2rM(x)与余数R(x)相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x)：即：T(x)=2rM(x)+R(x)实际上，T(x)=2rM(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x)=G(x)Q(x)(模2运算)所以，若接收的T(x)正确，则它肯定能被G(x)除尽。,42,CRC校验码的检错能力：可检出所有奇数个错；可检出所有单/双错；可检出所有G(x)长度的突发错。常用的生成多项式G(x)：CRC16=x16+x15+x2+1CRC32=x32+x26+x23+x22+x16+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,43,2.6传输介质（P3538）,1、传输介质传输信号经过的各种物理环境物理上将计算机相互连接起来的介质2、传输介质的种类同轴电缆双绞线（非屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双绞线（STP）光纤无线、卫星通信,44,45,（1）双绞线（TwistPair，TP）,应用领域：电话网络、计算机局域网,-螺旋绞合的双导线-每根可4对、25对、1800对-典型连接距离100m（LAN）-使用RJ45插座、插头-优缺点：成本低组装密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离短,46,屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP),用铝箔屏蔽，以减少干扰和串音，应用较少,双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛,常用的双绞线：3类（16Mb/s）和5类（155Mb/s）两种,47,（a）非屏蔽双绞线（UTP）,优点：尺寸小、重量轻、易弯曲价格便宜容易安装和维护RJ-45连接器牢固、可靠缺点：抗干扰能力较弱传输距离比较短分类：3类线、4类线、5类线和超5类线UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线,48,（b）屏蔽双绞线（TP）,优点：传输质量较高电缆尺寸和重量与UTP相当缺点：安装不合适有可能引入外界干扰,49,（2）光纤（OpticalFiber）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：传输带宽