数据通信_chapter1

控制科学及工程一级学科硕士研究生2009.10,计算机数据通信,教学目的和要求,本门课程是信息科学、控制科学与控制工程及计算机科学等学科的重要课程。全面理解数据通信与计算机网络系统的基本概念。掌握有线通信、无线通信、移动通信、光纤通信与卫星通信等现代通信技术。掌握数据通信的性能指标、基本方法以及数字通信的主要技术问题。为独立从事科研工作打下坚实基础。,主要教学内容,数据通信的基础知识；数据编码与调制；数据通信接口；数据复用技术；检错纠错编码；数据链路控制技术；数据交换技术。,数据通信研究的内容归纳为以下基本方面：1数据传输研究传输信号与传输信道之间相互匹配和适应的问题，以及相应的各种传输设备。其中又可分为基带数据传输、频带数据传输，这两者分别说明数字信道、模拟信道上传输数据的问题。2通信接口介绍接口的功能、过程、电气和机械四个方面的特性，其中涉及到怎样把发送端的信号变换为适合于信道传输的形式，把传输到终点的信号变换为适合接收端终端设备接收的形式等内容。这里还秒及一些通信的建议和协议。3信通信息传输的通道或介质，在物理上可有多种形式，其中涉及这些信道的机理及特点等内容。4通信处理包括检错和纠错、格式化、速度变换、编码变换、流控等方面的内容。5交换点对点的通信可以不考虑交换，但实际上通信线路是网络结构，就涉及到路由交换等方面的内容。6多路复用通信线路往往要同时传输多路信号，以提高通信效率。多路复用可进分为空分、时分、频分和码分多址四种方式。,参考书,1.数据通信郭亚军,章必雄,陈先桥,郭羽成,林姗.华中科技大学出版社2.数字通信原理与技术王兴亮编著西安电子科技大学出版社(2005)3.计算机数据通信雷思孝编著西安电子科技大学出版社(2006)4.计算机通信网络杨庚等编著清华大学出版社，20095.数字通信李树广编著机械工业出版社(2006)6.数字通信原理沈其聪编著机械工业出版社,说明,前期应掌握的基础理论经典和现代控制理论信号与系统微型计算机原理计算机语言数字信号处理成绩评定原则平时成绩：30%考试：70%,第1章数据通信基本概念,重点内容数据通信是计算机技术和通信技术的相互渗透与结合的一种通信方式。从数据通信模型可以大致了解数据通信要研究的内容。协议是数据通信的一种“语言”，数据通信离不开协议。数据传输需要经过一条路径，信道就是提供传递数据的通道。,重点内容,延时是指将数据从通信网的一端传送到另一端所花费的时间。在数据通信模型中的传输系统提供数据传输的通路，它可能是直接连接的形式，也可能是一个通信网络，也可能由许多网络互相连接而成。两个设备之间的数据传输具有方向性和时间性，根据这两个方面的不同，传输模式可分为单工、半双工和全双工三类。标准化组织制定了数据通信的一系列标准。,1.1概述,通信：克服距离上的障碍，迅速而准确地传递信息；数据：是事实或观察的结果，可以是符号、文字、数据、语音、图像、视频等。在计算机系统中，数据是以二进制信息单元0，1的形式表示。数据通信：计算机技术和通信技术的相互渗透与结合而兴起的一种新的通信方式数据通信是通过某种传输媒体在两个设备之间交换数据。,1.1通信的基本概念,概念：数据、信息和信号,(1)数据和信息数据：由数字、字符和符号等组成，是信息的载体。它没有实际含义，总是和一定的形式相联系。信息：是数据的具体内涵和解释，有具体含义。信息是数据经过加工处理(说明或解释)后得到的，即信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。,严格地讲，数据和信息是有区别的。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合；而信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。,数据是信息的表示形式，信息是数据形式的内涵。,广义的数据：由于现在信息的多媒体化，数据的含义也广义化了，即数据不仅包括离散变化的数据，也包括连续变化的数据。因此,数据可分为模拟数据和数字数据两种。前者取连续值，如表示声音、图像、电压、电流等的数据；后者取离散值，如自然数、字符文本的取值等。,（2）信号：数据的具体物理表示，在数据通信系统中，要进行数据传输，总是要借助于一定的物理信号来完成，如电信号或光信号。通信系统中所使用的信号指的是电信号，即随时间变化的电压或电流。在电路中，信号就具体表示数据的电磁编码。电磁信号一般有模拟信号和数字信号两种形式。,模拟信号：随时间连续变化的信号。数字信号：随时间离散变化的信号，它可以用有限个数位来表示连续变化的物理量。模拟数据或数字数据都可以通过编码形成两种信号(模拟信号和数字信号)中的任何一种信号。,由此可见，数字通信和数据通信是两个不同的概念。前者强调的是信道的形式或信道中传输的信号的形式，而后者强调的是信源与信宿之间传输的信息形式。数字信号并非一定要用数字通信系统来传输，数字信号经D/A转换后，即可在模拟通信系统传输。,数字通信系统比模拟通信系统有突出的特点:1.便于差错控制：由编码/译码器进行信道编码；2.便于保密通信：对基带信号进行加密，接收端解密，用于保密通信；3.便于同步：数字信号按节拍传输，容易做到时钟同步；,4.便于信号再生重传：远距离传输时，中继器可将数字信号再生恢复成“0”和“1”标准电平后，继续重传；5.增强抗干扰能力：离散的数字信号容易使小的噪声和干扰信号不起作用，有效地抑制干扰信号，增强抗干扰能力。但数字通信的这些优点都是以牺牲带宽为代价换取的。,1.1.2数据通信的发展,第一阶段：以语言为主，通过人力、马力、烽火等原始手段传递信息。第二阶段：文字、邮政。（增加了信息传播的手段）第三阶段：印刷。（扩大信息传播范围）第四阶段：电报、电话、广播。（进入电器时代）第五阶段：信息时代，除语言信息外，还有数据、图象、文本等。,烽火台,1.1.3现代数据通信历史,通信（Communication)作为电信（Telecommunication)是从19世纪30年度开始的。1831年法拉第发现电磁感应。1837年莫尔斯发明电报。1873年马克斯韦尔的电磁场理论。1876年贝尔发明电话。1895年马可尼发明无线电。开辟了电信（Telecommunication)的新纪元。1906年发明电子管，从而模拟通信得到发展。1928年奈奎斯特准则和采样定理。1948年香农定理。20世纪50年代发明半导体，从而数字通信得到发展。1956年铺设了越洋电话，1958年发射了第一颗人造卫星，1959年发射了第一颗通信卫星。1962年发射发射了第一颗同步通信卫星，脉冲编码调制进入实用阶段。20世纪50年代航天技术。20世纪60年代发明激光，企图用于通信，未成功。20世纪60年代发明集成电路。20世纪70年代发明光导纤维，光纤通信得到发展，商用卫星和程控交换等问世。,通信历史上主要人物,贝尔（18471922），英国人，1868年在伦敦工作。1871年，去波士顿工作。1873年，任波士顿大学教授。1875年，发明多路电报。1876年，发明电话。一生曾获许多专利。妻子是一位聋人。马可尼（18741937），意大利人，1894年，在父亲的庄园试验。1896年，去伦敦。1897年，建立无线电报公司。1899年，首次实现英法无线通信。1916年，实现短波无线电通信。1929年，建立世界性无线通信网。曾获诺贝尔奖金。曾参加法西斯党。,贝尔：1876.3.10发明了世界上第一台电话机,莫尔斯美（1791-1872）：发明了世界上第一台有线电报机。1844.5.24进行了华盛顿巴尔的摩间历史上的第一份长途电报。,波波夫俄（1859-1906）：1894年制造了第一台无线电接收机。,马克尼意（1874-1937）：1897年进行了跨越英国布里斯托尔海湾的无线电通信实验，距离为14.5公里。1909.11荣获诺贝尔物理学奖。,数据通信与传统的电话、电报通信不同，有其自身的特点和要求。它的通信控制过程要求自动实现，对传输过程中出现的差错也要求自动纠正；尽管数据通信是一种新的通信业务，但其实现和发与展仍然不能脱离现有通信网的基础，仍需充分利用现有通信网(如电话交换网)来传输数据信号，并使其满足自身特性的要求；这种通信方式总是与数据处理相联系，因此随着数据处理内容和处理方式的不同，对通信的具体要求(如在传输代码、传输方式、传输速率、传输效率、响应时间、体系结构和可靠性等方面)也不一样。所以，实现数据通信需考虑的因素就比较多，比较复杂。,1.2数据通信系统的模型,一个通信系统可以划分为三大部分,即源系统（或发送端）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端）。注意，各部分与物理设备并不完全对应。而且，噪声存在于系统各个部分。,数据通信系统的模型,数据通信系统的模型,源系统：生成的数据不能直接在传输系统中进行传输，传输系统中只能传输信号。发送器：是将源站产生的数据转换成适合传输系统中传输的信号.,主要有四种转换情况：数字数据数字信号数字数据模拟信号模拟数据数字信号模拟数据模拟信号,传输系统：是将源站和目的站连接起来的系统，它可能是直接的连接，也可能是一个或者多个网络系统。接收器：将来自传输系统的信号（数字信号或者模拟信号）转换成目的站能够处理的数据（数字数据或者模拟数据），它与发送器进行着相反的转换。目的系统：接收来自源站的数据。,数据通信系统的模型,输入输出设备,传输控制器,DCE,DCE,通信控制器,主机,信道,数据电路,数据链路,DTE终端设备,DTE中央计算机,数据通信系统的模型,数据终端设备（DTE）：简单数据终端、中央计算机系统（或称源站：生成要传输的数据。常用的源站有电话机、摄像机、传真机、计算机等。）数据电路终接设备（DCE）：信号转换设备（模拟、数字）信道：模拟信道、数字信道数据电路：信道两端DCE（物理链路）数据链路：数据电路+DTE中的通信控制功能。（逻辑链路）,1.2.1数据通信系统组成,数据通信系统的模型,数据通信系统举例1,(a)用户通过电话网拨号通信,数据通信系统的模型,数据通信系统举例2,(b)局域网用户通过Internet上网通信,数据通信系统的模型,数据(data)描述事物或信息的实体。信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)连续变化的。“数字的”(digital)取值是离散数值。调制把数字信号转换为模拟信号的过程。解调把模拟信号转换为数字信号的过程。,1.2.2数据通信基本术语,数据通信系统的模型,1.2.3数据和信号的转换,模拟数据,数字数据,信息,数据,模拟信号,数字信号,有意义的实体,涉及数据的内容和解释,在某个区间产生连续的值,产生离散的值,是数据的电磁(或电子)编码,涉及到事物的形式,是一种连续变化的电磁波,是一系列的电压脉冲,信号,数据通信系统的模型,数据通信系统的模型,数据和信号的转换,模拟数据,数字数据,模拟信号,数字信号,Modem,A/D变换,数字编码,调制,通信系统组成三要素：信源、信宿和信道,不同的描述,信源:信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的人或设备信宿:信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的人或设备大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备,信道-传输信息的通道。它是由通信线路为基础的、能够传输数据的通道。有线信道：由有线传输介质构成的信道无线信道：由无线传输介质构成的信道数字信道：可直接传输二进制信号或经过编码的二进制数据的信道模拟信道：可传输连续变化的信号或二进制数据经过调制后得到的模拟信号的信道,信号变换器：作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上可靠传输的信号。对应不同的信源和信道,信号变换器有不同的组成和变换功能。发送端的信号变换器可以是编码器或调制器，接收端的信号变换器相对应的就是译码器或解调器。,编码器：把输入的信号作相应的变换，以便于在信道中传输或在接收端正确识别信号。调制器：把信源或编码器输出的二进制脉冲信号变换成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输。译码器和解调器分别相应地做编码器和调制器的逆向工作。,数据通信中有两类编码：信源编码和信道编码。信源编码：目的是将来自信源的信号作相应的编码变换后，便于在信道上传输。信道编码：目的是将要传输到信道上的信号编码变换后降低误码率，提高传输质量。,噪声源：一个通信系统客观上是不可避免地存在着噪声干扰的，而这些干扰分布在数据传输过程的各个部分。为分析或研究问题方便，通常把它们等效为一个作用于信道上的噪声源。,1.3协议,协议：是用来保证在数据传输设备之间有序地交换信息所使用的一组规则。协议的基本要素是：语法、语义和时序。语法：是指数据的结构或格式，它是数据表示的顺序。语义：是指构成这种数据格式的每一部分的含义。一个特定的比特模式该如何理解，基于这样的理解该采取怎样的动作等等。时序：包括两方面的特性：数据何时发送以及以多快的速率发送。,1.4数据通信基本概念,信道：是传递信息的通道，它由发送与接收信息的设备及传输媒体组成。具体地说，它是由传输媒体为信号传输提供的一条通道。抽象地说，它是指允许信号通过的一段频带。信道有独占或共享两种使用方式。信道与传输媒体有紧密的关系，传输媒体提供通信双方传输信息通道（即信道）。如果使用共享方式，一个传输媒体可以同时提供多个信道。,延时,延时（delay），也称时延（latency）。它是网络性能的一种度量方法。指将数据从通信网的一端传送到另一端所花费的时间。延时由三个部分组成：传播延时、发送延时和节点延时延时=传播延时+发送延时+节点延时,传播延时是指电磁波在链路上传输一个比特的所用的时间，也就是电磁波在媒体上传播一定距离所用的时间。传播延时=信道长度/电磁波在媒体上传播速度信道长度的单位是米（m）,电磁波在媒体上的传播速度的单位是米/秒(m/s);,发送延时:发送一个数据单元所花费的时间，也就是把数据单元从节点发送到传输媒体所用的时间。发送时间=数据单元的大小/带宽数据单元的单位是bit(b)，发送速度的单位是b/s节点延时是指节点在交换数据时完成必要的处理过程所需要的时间。往返时间（round-triptime,RTT）指将消息从一端传送到另一端，并返回所用的时间。一般情况下RTT等于传播延迟的两倍。,传输系统,传输系统可能是:直接连接,通信网络和网络互连.链路通常指数据从一个设备传输到另一个设备的一段物理介质，中间没有其它设备。最简单的连接方式是直接链路。直接链路主要有两种连接方式：点到点链路和多点访问链路。,点到点链路指两个设备之间的直接连接，如图1.5(a)所示。两个设备之间的媒体可能是有线的，也可能是无线的。多点访问链路是指两个以上的设备共享一条链路.如图1.5(b)所示,直接链路存在以下的局限性：1.所连接主机数量有限;2.连接地理范围有限;3.不可能在所有计算机中的每两个计算机之间建立一条专门的链路，这样连接的链路数量是惊人的.解决这个问题的方法是:将所有的计算机连接到通信网络上，通信网络负责对数据进行交换。如图1.6是一个通信网络.在通信网中，数据传输往往要经过若干中间节点。这些中间节点主要是起到数据交换的作用，即把数据从一个节点传到另一个节点，直到数据到达目的地。我们把这些交换节点称为交换机。常见的交换技术有两种：电路交换和分组交换,电路交换,电路交换就是在两个站点之间有一条专用的通信通路.电路交换在连接期间信道的容量是专用的，即使是没有数据可传送，也不能给其他站点的信息传输使用。对于话音连接，其利用率可能比较高。电路交换最常见的例子是电话网。对于其他非语音数据传输时，效率比较低，一般的数据通信不可能一直持续的使用链路，在两次数据传输之间可能存在空闲，因此电路交换不适合计算机之间的通信。更好的方法是采用分组交换技术。,分组交换,分组交换没有在传输的双方之间建立一条贯穿网络的专门通道。分组交换中数据被分割成一串小块（即分组），每个分组从一个节点经过另一个节点最后到达目的地。分组交换采用存储转发的方式，每个交换节点先通过某条链路接收一个完整的分组，将这个分组存储起来，然后再将完整的分组转发给下一个交换节点。分组交换常用于计算机之间的通信。,网络互连,下图是由一些独立网络通过节点连接形成一个互连网。通常把连接两个或者多个网络的节点称为路由器或者网关.,图1.7网络的互连,区分internet和Internet,以小写i开头的internet称为互连网(也称互联网)，它指由多个网络互连而成的计算机网络，它是在功能和逻辑上组成的一个大型网络。以大写I开头的Internet称为因特网，Internet是专指一个全球最大的、开放的由许多规模不等的计算机网络互相联(连)结而成的网络，它是1969年由美国军方的高级研究计划局的阿帕网(ARPANet)发展起来的，主要采用TCP/IP协议.。它是一个特定网络的专有名称。,传输模式,如果通信仅在两个设备之间进行，那么按信息流向与时间关系的不同，传输模式可分为单工、半双工和全双工三类。单工就是信息只能向一个方向传输。例如在显示器和键盘之间进行通信时，键盘只能发送信号，显示器只能接收信号.半双工通信是指两个站都可以发送和接收数据，但同一时刻只限于一个方向传输.全双工通信能同时进行双向通信，双方可以同时接收数据。,1.5标准化组织,国际标准化组织ISO(InternationalStandardsOrganization)是个综合性的非官方的国际标准制订机构，它由各参与国的国家标准化组织所选派的代表组成。国际电信联盟电信标准化部ITU-T(InternationalTelecommunicationunionTelecommunicationStandardization)是国际电信联盟(ITU)成员机构，1993年它取代了国际电报电话咨询委员会CCITT(ConsultativeCommitteeInternationalTelegraphandTelephone)，拓宽了CCITT管理范围，使其涉及无线电通信。,美国国家标准协会ANSI(AmericanNationalStandardsInstitute)是美国的技术情报交换中心，协调美国实现标准化的工作。它是在ISO和ITU-T中代表美国的非赢利性组织。美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustriesAssociation)是美国电子工业界的联合会。它是致力促进电子产品生产的非赢利组织。电子电气工程师协会IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)是世界上最大的制定计算机、通信、电子工程和电子方面标准的国际专业组织。因特网体系结构局IAB(InternetArchitectureBoard)主要指定因特网相关的标准。IAB下面设有两个工程部。因特网工程特别任务组IETF(InternetEngineeringTaskForce)和因特网研究特别任务组IRTF(InternetResearchTaskForce)。,1.5关键词(1),数据通信datacommunication源站source发送器transmitter传输系统transmissionsystem接收器receiver目的站destination协议protocol信道channel延迟delay往返时间round-triptime(RTT)点到点pointto