计算机网络技术与应用 工业和信息化普通高等教育“十二五”规划教材立项项目 教学课件 李俊生 王欣 第02章 数据通信基础

1,在线教务辅导网：,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,,2,索引：,2.1 数据通信系统及其主要技术指标 2.2 数据通信的传输技术2.3 多路复用技术2.4 通信和数据交换技术 2.5 差错控制技术,3,学习目标：数据通信中基本概念有哪些？各是什么？数据通信中的几个主要技术指标有哪些？常见的传输介质有哪些？各自有何特点？FDM、WDM、TDM等如何工作的？什么是数据编码和数字调制技术?如何进行差错控制？常见的检错码有哪些？,4,计算机网络是计算机技术与数据通信技术相互结合起来的产物，数据通信的任务是利用通信介质传输信息。因此，数据通信就是用什么介质，什么技术来表达和传输信息。对于数据通信系统来说，它关心的是数据的表示方式和传输方法。,2.1 数据通信系统及其主要技术指标,5,通信是指信息的传输与交换。信息可以是文字、语音、图形、图像和视频等。而通信系统是指实现这一通信过程的全部技术设备和信道（传输媒介）的总和。信源也就是信息源，它的作用是产生信息。发送设备是将信源信息发送到信道的设备。接收设备主要任务是提取来自信道原始信息。,2.1.1数据通信系统模型,6,数据通信过程模型 如下：,2.1.1数据通信系统模型,(1)数据终端设备（DTE）：它是数据的出发点和目的地，数据输入输出设备、通信处理机和计算机属于DTE的范围。(2)通信控制器：它负责DTE和通信线路的连接，完成数据缓冲、速度匹配、串并转换等。(3)信号变换器：它是把通信控制器发出的信号转换成适合于在信道上传输的信号，或者相反。如调制解调器、光纤通信网中的光电转换器。信号变换器和其他的网络通信设备又统称为数据通信设备（DCE），DCE为用户设备提供入网的连接点。,7,信息（Information）：是客观事物属性和相互联系特性的表征,它反映了客观事物的存在形式和运动状态。数据（data）：数据是信息的载体，信息涉及数据所表示的内涵，而数据涉及信息的表现形式，它可以是数字、文字、语音、图形或图像等，数据是通信双方交换的具体内容。 数据可分为模拟数据和数字数据两类。信号（Signal）：信号是数据在传输过程中的电磁波的表示形式.信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。信道是信号传输的通道：包括通信设备和传输媒体。信道(Channel)是指传送信息的线路(或通路)，数据信号是通过相应的信道来发送和接收的。信道可分为物理信道与逻辑信道，数字信道与模拟信道。,几个常见的基本概念,8,信号可分为连续信号与离散信号，模拟信号与数字信号，周期信号与非周期信号。,非周期信号,9, 数据传输速率数据传输速率是指发送端和接收端之间每秒钟传输二进制数据的平均比特数，单位为位/秒，记作bps或b/s。它反映了终端设备之间的信息传输能力，是一段时间的平均值。 C=1/T log2N（bit/s）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）。当N=2时，数据传输速率的公式就可简化为：S=1/T，表示数据传输速率等于码元脉冲的重复频率。,2.1.2 数据通信中的主要技术指标,10, 信号传输速率信号传输速率是指单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。计算公式为: B=1/T(Baud) 式中T为信号码元的宽度，单位为秒。信号传输速率也称为码元速率、调制速率或波特率。 一般情况下，一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。,2.1.2 数据通信中的主要技术指标,11,例1：若一信号采用四相调制方式进行传输，即M=4，且T=833x10-6秒，则C=1/T*log2M=1/(833x10-6)*log24=2400(bps)B=1/T=1/(833x10-6)=1200(Baud),12, 信道容量信道容量表示一个物理信道的最大数据传输速率，单位为位/秒(bps)。信道容量与数据传输速率的区别是，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。 误码率误码率是指二进制码元在数据正常传输过程中出错的概率，也称为“出错率”，常用Pe表示。Pe的定义公式如下：Pe=（Ne/N）*100%式中Pe为误码率，Ne为接收端出现差错的比特位数，N为传输的数据总位数。 在计算机网络中，一般要求误码率低于10 。,-6,2.1.2 数据通信中的主要技术指标,13, 时延带宽乘积 时延是指一个报文或分组从一条链路的一端传送到另一端所需的时间。 时延是由发送时延、传播时延和处理时延等几个部分组成的，其中处理时延是数据在交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间，传播时延由数据传输速率和通信线路长度决定。 传播时延和带宽相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，简称时延带宽积，有时也把它称作以比特为单位的链路长度。事实上，时延带宽积就是在信道完全充分利用的情况下，某一链路所能容纳的比特数。例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。,2.1.2 数据通信中的主要技术指标,14,2.2.1 数据通信的传输技术基带传输：频谱从零开始而未经调制的数字信号所占用的频率范围叫基本频带，简称基带，利用基带信号直接传输的方式称基带传输。 频带传输：把数字信号经过调制后再传送，到接收端后又经过解调还原成原来信号的传输，称为频带传输。 异步传输：异步传输将比特分成组（包）进行传送，组（包）可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。,2.2 数据通信的传输技术,15,2.2.1 数据通信的传输技术同步传输 ：以同步的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行的数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的（即同步的）。在短距离高速数据传输中多采用同步传输方式。并行传输方式：并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。计算机内部部件之间多采用并行传输 。 串行传输方式：串行传输指的是数据流以串行方式，在一条信道上传输。串行传输只用一条传输信道，传输速度远远慢于并行传输，计算机之间的通信多采用串行传输 。,2.2 数据通信的传输技术,16,通信方式：单工通信、半双工通信和全双工 单工通信,2.2 数据通信的传输技术, 半双工通信,17, 全双工通信,2.2 数据通信的传输技术,一般情况，在一条物理链路上只能进行单工数据通信或半双工数据通信，要进行全双工数据通信，一般需要两条物理链路。 由于电信号在有线传输时要求形成回路方可传输信号，所以一条传输链路通常由两条线组成，称为二线制线路。 在计算机网络通信中，通常采用全双工通信。常见的为4条线 组成两条物理链路，称为四线制线路。,18,传输介质就是传输媒体，它是网络中连接收发双方的物理通路，是通信中实际传送信息的载体。从大的方面通信介质可分为导向介质（有线介质）和非导向介质（无线介质）。,2.2.2 传输介质,导向传输介质常用的导向传输介质有双绞线、同轴电缆和光纤。 同轴电缆,19,2.2.2 传输介质, 双绞线,双绞线可分为非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。STP在外层封套内加一层铝箔屏蔽层，抗干扰能力强、传输速率高，但价格贵。下图所示的非屏蔽双绞线。,按电气特性不同，目前市面上有3类、4类、5类、超5类和6类双绞线等。 3类线，用于语音和数据传输，最高速度10Mb/s；5类线，100Mbps；超5类（5类e），1000Mbps；6类双绞线，2.4Gbps。,20,2.2.2 传输介质, 光纤,光纤是以光脉冲的形式来传输信号，材质是极细小的玻璃纤维（50-100 um），它由纤芯、包层及保护层组成。纤芯为玻璃纤维，用于传送光波信号；包层具有较低折射率物质，当光波在纤芯中传送时，便是通过包层与纤芯的接触面进行反射；保护外套为不透光的材质，用于隔绝外来的干扰，并用于保护纤芯。,由于光纤在任何时间只能单向传输，因此实现双向通信必须成对出现。 使用时需要进行广电转换。光纤可分为单模光纤和多模光纤。,21,2.2.2 传输介质,非导向传输介质（无线介质）大气和外层空间是提供电磁信号传播的无线型介质，传输和接收是通过天线完成的。 地面微波：要求在“可视线”范围内进行传输，通过微波中继站的串联使用完成远距离远程通信服务。 卫星微波：通信卫星是一个微波转播台。卫星从一个频率（上行链路5.93-6.42GHz）接收地面传输来的信号，将其放大或再生后，再从另一个频率（下行链路3.7-4.2GHz）发送到地面站。具有广播性质，但有1/4秒的传输延迟。 红外传输：使用调制非相干红外线光的收发机进行可视线内直接或经浅色表面的反射传递信息。,22,2.2.3 数字通信编码,模拟信号数字化最基本的方法有三个过程：采样、量化和编码。 数据的数字信号和编码 数字信号是离散的、非连续的。对于电信号，数字信号编码采用两个电平来表示两个二进制数据，即把二进制数据表示成电压脉冲序列，一个脉冲就是一个信号元素。二进制数据的传输是通过把所有的数据比特编码成信号元素完成。,23,2.2.3 数字通信编码,几种最基本的数字信号波形：, 单极性不归零码波形, 单极性归零码波形, 双极性不归零码波形, 双极性归零码波形,24,2.2.4 数字信号的调制技术,调制方式分为三种：调幅、调频和调相。, 幅移键控方式（ASK）,ASK方式易受突变干扰的影响，是一种不理想的调制方式。在传输声音的音频线路中，传输的典型速率只能达到1200bit/s。, 频移键控方式（FSK）,FSK方式的抗干扰能力优于ASK，在音频线路中，传输速率也只有1200bit/s。FSK还常用于高频无线传输。,25,2.2.4 数字信号的调制技术, 相移键控方式（PSK）,PSK方式较FSK方式有更强的抗干扰能力和更高的效率，在音频线路中，传输速率可达9600bit/s。,（4） 正交幅度调制（QAM）是一种在两个正交载波上进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为90度（/2）的正弦波，因此被称作正交载波。,26,2.2.4 数字信号的调制技术,(5) 脉冲编码调制（PCM）在光纤通信系统中，光纤中传输的是二进制光脉冲0码和1码，它由二进制数字信号对光源进行通断调制而产生。而数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。,T1载波贝尔系统的T1载波利用脉码调制PCM和时分复用技术，将24路采样语音信号时分复用在一个信道上。 E1载波 它每一帧开始处有8位同步作用，中间有8位作用信令，在组织30路8位数据，全帧包括256位，每一帧用 125s时间传送。 我国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率是1.544Mbit/s,E1的速率是2.048Mbit/s。,27,2.3 多路复用技术,多路复用的原理如下图所示，在发送端，多路复用器合并N个输入信 号，在接收端，多路复用器通过译码，从复合信号中分离出原始信号。分为三大类：频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM） 波分多路复用（WDM）,28,2.3.1 频分多路复用,在物理信道的可用带宽超过单路信号所需带宽的情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个子信道，每个子信道传输一路信号。（例如语音信号300-3400Hz） 为避免相临频段互扰，频段之间必须保留一定的间隙，该间隙称为保护带。,29,在光纤通信中，不同的子信道用不同波长的光波承载，多路复用信道同时传送所有子信道的波长。WDM事实上是在光纤信道上使用的FDM的一个变种，也就是光的FDM。,2.3.2 波分多路复用,30,2.3.3 时分多路复用,如果物理信道所能达到的传输率超过传单一信源要求的数据传输率，则可将物理信道按时间分成时间片，供多个信源轮流使用。,31,2.3.3 码分多路复用,码分复用是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。联通CDMA(Code Division Multiple Access)就是码分复用的一种方式，称为码分多址。 CDMA码分多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。,32,2.4 通信和数据交换技术,数据交换技术计算机与计算机之间的通信，通常中间要经过由多个节点连接的多段线路，而经过的路径又有多种选择。数据通信：数据传输（线路上）+数据交换（节点处）。数据在源节点经编码后传输到通信网络上，然后经过通信网络传输到达目的节点。按数据传送方式不同。数据交换技术可分为电路交换、报文交换和分组交换。,33,2.4 通信和数据交换技术,电路交换电路交换又称线路交换，它是一点到另一点传递信息最简单的数据交换技术。如：电话！它是由中间节点为两传输数据的节点建立一条实际的临时的物理线路链接。电路交换是基于公众交换电话网（PSTN）的电路交换的工作原理。当用户要求发送数据时，交换机在主叫用户端及被叫用户端之间连接一条链路。电路交换通信过程一般要经过三个阶段：电路建立、数据传输和电路拆除。因此电路交换属于电路资源预分配系统。在一次连接中，电路资源与分配给一对用户固定使用，不管电路上是否有数据在传输，他一直被占用着，直到通信双方有一方要求拆除电路为止。,34,2.4 通信和数据交换技术,报文交换报文交换是将要发送的数据作为整体（称为报文message），一次性发送，其长度不限且可变，即数据传输单位为报文。当发送方有数据块发送时，源节点先将一个目的地址附加数据块上，形成报文，然后将报文交给第一个节点储存起来，第一个节点根据报文的目的地选择一条合适的空闲线路将报文传输给下一节点，以此类推，直到把报文传输到目的节点。,35,2.4 通信和数据交换技术,分组交换将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。,36,2.4 通信和数据交换技术,扩频通信技术扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication）简称扩频通信。扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信。 其特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。优点： 1、 抗干扰性能好：它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗。2、隐蔽性强、干扰小：因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。3、易于实现码分多址：扩频通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频谱资源呢？其实正相反，是提高了频带的利用率。正是由于扩频通信要用扩频编码进行扩频调制发送，而信号接收需要用相同的扩频编码之间的相关解扩才能得到，这就给频率复用和多址通信提供了基础。,37,2.4 通信和数据交换技术,SDH传输技术（Synchronous Digital Hierarchy - 同步数字系列 ）【对比：PON （Passive optical network，无源光网络）。 PON从本地交换局到用户 ：接入网】是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络，是美国贝尔通信技术研究所提出来的同步光网络（SONET）。国际电话电报咨询委员会（CCITT）（现ITU-T）于1988年接受了SONET 概念并重新命名为SDH，使其成为不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。 它可实现网络有效管理、实时业务监控、动态网络维护、不同厂商设备间的互通等多项功能，能大大提高网络资源利用率、降低管理及维护费用、实现灵活可靠和高效的网络运行与维护，因此是当今世界信息领域在传输技术方面的发展和应用的热点，受到人们的广泛重视。,38,2.5 差错控制技术,2.5.1引起差错的原因与差错类型所谓差错是指通过通信信道后的接收数据与发送数据不一致的现象。信号在传输介质中传输，产生差错是不可避免的，因为信号在物理信道中传输时，线路本身电器特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电器信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的干扰以及各种外界因素（如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等）都会造成信号的失真。,39,2.5 差错控制技术,2.5.1 引起差错的原因与差错类型传输中的差错是由噪声引起的。噪声通常有两大类，一类是信道固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。热噪声引起的差错称为随机差错。通常随机差错的某位码元的差错是孤立的，与前后码元没有关系。它导致的随机错通常较少。冲击噪声呈突发状，由其引起的差错称为突发错。冲击噪声幅度可能相当大，无法靠提高幅度来避免冲击噪声造成的差错，它是传输中产生差错的主要原因。冲击噪声虽然持续时间较短，但在一定的数据速率条件下，仍然会影响到一串码元。,40,2.5 差错控制技术,2.5.2 差错控制方法差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进行抗干扰编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可靠性。即在发送端将要传输的信息码元，以一定的编码规则附加差错编码，在接收端利用相同的规则进行相应的译码，译码的结果就可以发现差错或纠正差错。差错编码通常有两类：检错码和纠错码。检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断，看其是否正确。它只能检查错误，不能发现错误的位置，也不能纠正错误。 纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下，不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。 在计算机网络中，常用检错码。,41,2.5 差错控制技术, 常用差错编码 奇偶校验码最简单的检错码为奇偶校验。它是在一串二进制数据后加上一位，以便检测差错。它分为偶校验和奇校验。对于偶校验，在数据块后加一位校验位，使该数据连校验位在内“1”或“0”的个数恒为偶数个。对于奇校验，要求数据块连同校验位在内，“1”或“0”的个数恒为奇数个。奇偶校验并不是一种十分安全可靠的检错方法，如果有偶数个数据位在传输中同时出错，接收端无法检测出差错的数据，所以其检错概率为50%。对于低速传输来说，奇偶校验是一种令人满意的检错法。通常偶校验常用于异步传输或低速传输，而奇校验常用于同步传输。,42,2.5 差错控制技术, 常用差错编码 循环冗余码循环冗余校验码（Cyclical Redundancy Check，CRC）是利用除法及余数的原理来作错误检测。它先将要发送的数据比特序列当作一个多项式K(x)的系数，发送时用双方预先约定的生成多项式G(x)去除，求得一个余数多项式，将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端，接收端同样用G(x)去除接收到的数据，然后把计算结果和实际接收到的余数多项式数据进行比较，若相同，则表示传输正确。 CRC检错能力强，容易实现，是目前应用最广的检错码编码方式之一。,43,2.5 差错控制技术,例2-1.已知信息码为110011，生成码为11001，求循环冗余码和码字。解：由信息码110011可得信息多项式K(x)=x5+x4+x+1由生成码11001可得生成多项式G(x)=x4+x3+1(r=4)信息多项式移位积=(x5+x4+x+1)*x4=x9+x8+x5+x4，对应二进制数码为1100110000。则R（x）=积G(X)(按模二算法：0+0=0，1+0=1，1+1=0进位的1舍弃模2) 1 0 0 0 0 1G(x)1 1 0 0 1 )1 1 0 0 1 1 0 0 0 0K(x)*x4 1 1 0 0 1 - 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1R(x)(冗余码) (按模二算法)由计算可得冗余码为1001，码字为1100111001。,44,2.5 差错控制技术,（3）海明码海明码是奇偶校验的一种扩充。它采用多位校验码的方式，在这些校验位中的每一位都对不同的信息数据位进行奇偶校验，通过合理地安排每个校验位对原始数据进行校验位组合，可以达到发现错误，纠正错误的目的。,45,差错控制技术,差错控制方法也有两种类型（与差错编码相对应）：一类是自动请求重发ARQ，另一类是前向纠错FEC。在ARQ方式中，当接收端发现差错时，就设法通知发送端重发，直到收到正确的码字为止，它只适用检错码。在FEC方式中，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正，它只适用纠错码。自动重传请求（auto repeat request），通过接收方请求发送方重传