单元二数据通信

1、计算机网络基础与Internet应用（第四版）第2章 数据通信n数据通信的组成及数据的编码方式数据通信的组成及数据的编码方式n数据通信的传输方式数据通信的传输方式n传输介质的组成及适用场合传输介质的组成及适用场合n数据传输中的差错处理数据传输中的差错处理2.1 数据通信系统 2.1.1 数据通信概述n1. 数据n数据是定义为有意义的实体，是表征事物的形式，例如文字、声音和图像等。数据可分为模拟数据和数字数据两类。 n2. 信号n信号是数据的电磁编码或电子编码。信号在通信系统中可分为模拟信号和数字信号。 3. 信道n信道是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。 4. 通信线路的通信方式根据数据信息

2、在传输线上的传送方向，数据通信方式有三种：单工方式、半双工方式和全双工方式 4. 通信线路的通信方式n（1）单工方式n在这种方式中，只允许数据始终按一个固定的方向传送 n（2）半双工方式n在半双工方式中，数据信息可以双向传送，但在同一时刻一个信道只允许单方向传送 4. 通信线路的通信方式n（3）全双工方式n同一时间可以双向进行数据传送n早期的通信系统都是模拟系统，当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹（Hz）。 n在数字通信系统中“带宽”的含义完全不同于模拟系统，它通常是指数字系统中数据的传输速率

3、，其表示单位为比特/秒或波特/秒（Baud/S）。 . 信道带宽2.1.2 数据通信系统的组成n数据通信系统的组成有以下5个部分组成：信源、变换器、传输线路、反变换器、信宿 2.1.3 数据通信系统的传输编码 1. 数字信号模拟化时的编码方式n（1）振幅调制（调幅）振幅调制（调幅）n（2）频率调制（调频）频率调制（调频） n（3）相位调制（调相）2. 数字数据编码n（1）不归零编码NRZ n（2）曼彻斯特编码n（3）差分曼彻斯特编码2.1.4 数据通信系统的传输方式 n在接收端使数据位与时钟频率上保持一致的机制称为同步，实现这种同步的技术称同步方式。n根据在接收端获取同步信号的方法不同，同步方

4、式可分为字符同步方式和位同步方式，也称为异步通信方式和同步通信方式。 1异步通信 n异步通信方式是以字符为单位进行传输 1异步通信 n在RS-232C中传输帧的长度和格式可以进行设置，设置的主要参数有：n（1）传输率： n（2）数据位：n（3）校验位：n（4）停止位： 1异步通信 n在进行串行通信时必须要注意以下几个方面的问题:n（1）收发双方必须使用相同的数据传输速率。n（2）收发双方必须事先约定，1帧含有多少数据位、是否采用奇偶位。n（3）接收方必须准确地检测到起始位什么时候开始。 2同步通信 n同步通信是利用编码机制把时钟信息和数据放在一起发送给接收端，以保证每一位的正确性，但这种同步方

5、式没有办法来区分字符之间的界限，使接收端能从一个二进制位串中提取出正确的字符信息。 2同步通信 n同步通信又可分为面向字符型控制规程和面向比特型控制规程两种，其中面向字符型的数据格式又可分为:n（1）单同步：n（2）双同步：n（3）外同步 2.1.5 串行通信与并行通信串行通信与并行通信 1什么是串行通信所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。2.1.5 串行通信与并行通信串行通信与并行通信 2发送时钟和接收时钟 发送时钟用来控制串行数据的发送。 数据发送过程是：把并行

6、的数据序列送入移位寄存器，然后通过移位寄存器，由发送时钟触发进行移位输出，数据位的时间间隔取决于发送时钟周期。2发送时钟和接收时钟 接收时钟用来控制串行数据的接收. 数据接收过程是：把由传输线送来的串行数据序列，用接收时钟作为输入移位寄存器的触发脉冲，逐位打入移位寄存器，最后装配成并行数据序列。 3传输速率 在并行通信中，传送速率是以每秒钟传送多少字节（B/S）来表示的。而在串行通信中，是用每秒钟传送数据的位数（b/s）即波特率来表示的。2.1.6 数据通信系统的传输速率 1. 奈奎斯特公式奈奎斯特公式给出了无热噪声（时信道带宽对最大数据速率的限制 log2 b/s（1-6）其中：H是信道的带

7、宽（以Hz为单位）；L表示某给定时刻数字信号可能取的离散值的个数；C是该信道最大的数据速率。 n例例 无热噪声的某信道带宽为无热噪声的某信道带宽为 4 kHz，任何时刻数字信号可取任何时刻数字信号可取0、1、2和和3四种四种电平之一，则最大数据速率为多少？电平之一，则最大数据速率为多少？ 2. 香农公式n香农（香农（Shannon）用信息论的理论推导出）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率极限、无差错的信息传输速率 :n C = W log2(1+S/N) b/s n其中：W 为信道的带宽（以Hz为单位）；S 为

8、信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率；SN为信噪比 2. 香农公式n例如，某信道的信噪比为30dB、带宽为4kHz的信道最大数据速率为多少？ 2.2 传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介。传输媒体可分为两类：有线、无线数据的传输媒体指传送信息的载体，即通信线路。2.2.1 双绞线 组建局域网络所用的双绞线是一种由4对线（即8根线）组成的，其中每根线的材质有铜线和铜包的钢线两类。 双绞线绞合的目的是为了减少对相邻线的电磁干扰。 双绞线分为屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP）。 在局域网中常用到的双绞线是非屏蔽双绞线（UTP），它又分：3类、4类、5类、超5类、6类和

9、7类。双绞线的这8根线的引脚定义如下： 2.2.1 双绞线 线路线号12345678线路色标白橙橙白绿蓝白蓝绿白褐褐引脚定义Tx+Tx-Rx+Rx- 在局域网，双绞线主要是用来连接计算机网卡到集线器或通过集线器之间级联口的级联，有时也可直接用于两个网卡之间的连接或不通过集线器级联口之间的级联，但它们的接线方式各有不同。 常规双绞线接法交叉双绞线接法2.2.2 同轴电缆 同轴电缆的结构，它的中央是铜质的芯线（单股的实心线或多股绞合线），铜质的芯线外包着一层绝缘层，绝缘层外是一层网状编织的金属丝作外导体屏蔽层（可以是单股的），屏蔽层把电线很好地包起来，再往外就是外包皮的保护塑料外层了 2.2.2

10、同轴电缆 2.2.2 同轴电缆 目前经常用于局域网的同轴电缆有二种：一种是专门用在符合IEEE802.3标准以太网环境中阻抗为50的电缆，只用于数字信号发送，称为基带同轴电缆；另一种是用于频分多路复用FDM的模拟信号发送，阻抗为75的电缆，称为宽带同轴电缆。2.2.3 光纤 光纤是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质，一根光缆中包含有多条光纤。 光纤上是利用有光脉冲信号表示1，没有光脉冲来表示0。光纤通信系统是由光端机、光纤（光缆）和光纤中继器组成。光端机又分成光发送机和光接收机。2.2.3 光纤 光中继器用来延伸光纤或光缆的长度，防止光信号衰减。光发送机将电信号调制成光信号，利用光发送机内的光

11、源将调制好的光波导入光纤，经光纤传送到光接收机。光接收机将光信号变换为电信号，经放大、均衡判决等处理后送给接收方。2.2.3 光纤 光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。光纤分为单模光纤和多模光纤两类。所谓“模”是指以一定的角度进入光纤的一束光。 光纤不仅具有通信容量非常大的特点，而且还具有其他的一些特点：抗电磁干扰性能好；保密性好，无串音干扰；信号衰减小，传输距离长；抗化学腐蚀能力强。2.2.3 光纤 光纤的数据传输率高（目前已达到1Gb/s）传输距离远（无中继传输距离达几十至上百公里）的特点光缆主要是用于交换机之间、集线器之间的连接，但随着千兆位局域网络应用的不断普

12、及和光纤产品及其设备价格的不断下降，光纤连接到桌面也将成为网络发展的一个趋势。光纤缺点：光纤的切断和将两根光纤精确地连接所需要的技术要求较高。2.2.3 光纤 光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.3 数据通信的差错控制2.3.1 差错类型1纠错码 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

13、错误。 常见的纠错编码有：海明纠错码、正反纠错码等。 2检错码 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，如果存在错误，接收端不是纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。2.3.2 奇偶校验码n在一个二进制数据字上加上一位，以便检测差错。在一个二进制数据字上加上一位，以便检测差错。 n在偶校验时，要在每一个字符上增加一个附加位，让该字符和校验附加位一起使“1”的个数为偶数 n例如，一个字符的7位代码为1101011，有5个“1”（奇数），若奇校验，则校

14、验位为0，即整个字符为：n 0 1 1 0 1 0 1 0n若为偶校验，则校验应为1，即整个字符为：n1 1 1 0 1 0 1 1。2.3.3 循环冗余校验 计算校验和的算法如下： 设生成的多项式G（x）为n阶，在帧的末尾附加n个零，使帧为m+n位，则相应的多项式是2n M（x）。 按模2除法，用对应于G（x）的位串去除对应于2n M（x）的位串，得到的余数就是帧校验序列（FCS）。2.3.3 循环冗余校验 按模2减法，从对应于2n M（x）的位串中减去帧校验序列（FCS）。结果就是要传送带校验和的帧，叫多项式T（x）。 2.3.4 校验和n所谓校验和是把一个字节的8位视为整数，然后把该8位

15、字节构成的序列求和，所计算出的整数值就是校验码。 n 1. 二进制反码求和n二进制反码求和的规则是从低位到高位逐列进行计算：n0 + 0 = 00 + 1 = 1n1 + 0 = 11 + 1 = 0n2校验和生成器2.3.5 海明码n海明指出可以在数据代码上添加若干冗余位组成码字，并称一个码字变成另一个码字时必须改变（“1”变为“0”或者“0”变“1”）的最小位数为码字之间的海明距离。例如7位ASCII码增加一位奇偶校验位成为8位的码字，这128个8位的码字之间的海明距离是2。 n如果传输的数据位是如果传输的数据位是m位，加了位，加了r位冗余位，那位冗余位，那么总共传输的数据单元是么总共传输

16、的数据单元是m+r位。位。 n为了能够检测出这m+r位数据单元在传输到目的端后是否出错，并能够指明是在哪一位出错，那么r至少应该能够代表m+r+1种状态。r比特能够代表2r不同状态。 n2r = m + r + 1n1. 定位冗余比特nr的值可以通过插入的值可以通过插入m（要传输的数（要传输的数据单元的原始长度）的值来得到。据单元的原始长度）的值来得到。例如例如m=7（如同（如同7位位ASCII码），码），则满足上式的最小则满足上式的最小r值为值为4，因为：，因为：n n24 = 7 + 4 + 1 nr1：第：第1（0001），），3（0011），），5（0101），），7（0111），），

17、9（1001），），11（1011）位）位nr2：第：第2（0010），），3（0011），），6（0110），），7（0111），），10（1010），），11（1011）位）位nr4：第：第4（0100），），5（0101），），6（0110），），7（0111）位）位nr8：第：第8（1000），），9（1001），），10（1010），），11（1011）位）位n2计算冗余比特计算冗余比特 n首先将原始字符填入11比特单元中的对应位置；然后对不同的比特组合计算偶校验，公式如下：nr1 = d3 d5 d7 d9 d11nr2 = d3 d6 d7 d10 d11nr4 = d5 d6

18、d7 nr8 = d9 d10 d11n（2）对不同的比特组合计算偶校验，方法如）对不同的比特组合计算偶校验，方法如下：下：nr1 = d3 d5 d7 d9 d11n = 1 0 0 1 1 1 = 0nr2 = d3 d6 d7 d10 d11n = 1 0 1 0 1 = 1nr4 = d5 d6 d7 n = 0 0 1 = 1nr8 = d9 d10 d11n = 1 0 1 = 0n填入到下图的相应位，得到完整的海明冗余填入到下图的相应位，得到完整的海明冗余比特编码。比特编码。n例如发送的例如发送的11位数据是位数据是10101001110中第中第6位由位由0变成了变成了1，即接收

19、到的数据是，即接收到的数据是10101101110，接，接收端按如下公式计算新的校验值：收端按如下公式计算新的校验值：nr1 = d1 d3 d5 d7 d9 d11n = 0 1 0 0 1 1 1 = 0nr2 = d2 d3 d6 d7 d10 d11n = 1 1 1 1 0 1 = 1nr4 = d4 d5 d6 d7 n = 1 0 1 1 = 1nr8 = d8 d9 d10 d11n = 0 1 0 1 = 0n新计算出的校验值新计算出的校验值R=6（0110，按，按r8，r4，r2，r1的顺序）不等于的顺序）不等于0，说明第，说明第6个比特的位置出错，个比特的位置出错，把接收

20、到的第把接收到的第6个比特的值取反，即得到正确的发个比特的值取反，即得到正确的发送数据：送数据：10101001110。 2.4 信道的复用技术信道的复用技术 频分多路复用FDM是利用传输介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽这一优点。频分多路复用FDM是把每个要传输的信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即信号的带宽不会相互重叠，然后在传输介质上进行传输，这样在传输介质上就可以同时传输许多路信号。2.4.1频分多路复用（频分多路复用（FDM） 时分复用TDM(Time Division Multiplexing) n时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM

21、帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。n每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。nTDM 信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。 利用每个信号在时间上交叉，可以在一个传输通路上传输多个数字信号，这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大量的信息。2.4.2 时分多路复用（时分多路复用（TDM） 专门用于一个信号源的时间片序列被称为是一条通道时间片的一个周期（每个信号源一个），称之为一帧。 时分多路复用TDM不仅局限于传输数字信号，模拟信号也可以同时交叉传输。 一个

22、传输系统可以频分许多条通道，每条通道再用时分多路复用来细分。2.4.2 时分多路复用（时分多路复用（TDM） 例1：T1载波的数据传输速率是多少？例1：E1载波的数据传输速率是多少？时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAATDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧周期性出现时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户AB

23、CDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用2.4.4 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。n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。 n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 码片序列(chip sequence) n每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。n如发送比特 1，则发送自己的 m bi

24、t 码片序列。n如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。n发送比特 1 时，就发送序列 00011011，n发送比特 0 时，就发送序列 11100100。nS 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特点n每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。n在实用的系统中是使用伪随机码序列。 码片序列的正交关系 n令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 n两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)码片序列的正交关系举例 n令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。 n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。 正交关系的另一个重要特