计算机网络管理—第2章 数据通信基础技术

1、计算机网络技术计算机网络技术(第二版）第二版）主编主编 傅建民傅建民中国水利水电出版社中国水利水电出版社第2章 数据通信技术基础 &本章任务l数据通信的基本概念 l数据的传输方式 2.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念l2.1.1 数据、信息、信号或信道l1数据l数据是指描述物体的数字、字母或符号，有模拟数据和数字数据之分。 l2信息l信息是人脑对客观物质的反映，既可以是对物质的形态、大小、结构、性能等特性的描述，也可以是物质与外部的联系。l3信号l信号是数据在传输过程中的表示形式，是用于传输的电子、光或电磁编码，有模拟信号和数字信号之分。l模拟信号（也称为连续信号）是随时间连续变

2、化的电流、电压或电磁波。 l数字信号（也称为离散信号）是一系列离散的电脉冲。 l模拟信号和数字信号可通过参量(幅度)来表示：图2-1 模拟信号、数字信号的表示 l4信道和带宽l信道是传输信号的通路，一条传输线路上可以存在多个信道。l信号带宽指信号的频率范围，而信道带宽是信道上能够传输信号的最大频率范围。注意:信号带宽不能大于信道带宽，否则信号在信道上无法实现通信。l2.1.2 数据的编码技术l1模拟数据和数字数据的表示l信息在信源/信宿处以模拟/数字数据形式存在，而在信道中以模拟/数字信号形式存在。l模拟信号和数字信号都可以在合适的传输媒体上进行传输(如图2-2)； 图2-2 模拟数据、数字数

3、据的模拟信号、数字信号的传输表示 (a) (c) (b) (d) l(1) 模拟数据通信l模拟数据通信是用模拟信道传输数据，有以下两种形式：l模拟信道传输模拟数据,如上图（b） l模拟信道传输数字数据,如上图（b）l (2) 数字数据通信l数字数据通信是用数字信道传输数据，有以下两种形式：l数字信道传输模拟数据,如上图（c） 数字电话通信是它的一个应用模型，如下图所示。图2-3 数字信道传输模拟数据l数字数据可以用数字信号来表示。如上图（d ）l(3) 两种数据通信的长距离传输及信号衰减的克服l模拟信号无论表示模拟数据还是数字数据,在传输一定距离后都会衰减。克服的办法是用放大器来增强信号的能量

4、，但噪音分量也会增强，以至引起信号畸变。l数字信号长距离传输也会衰减，克服的办法是使用中继器，把数字信号恢复为0、1的标准电平后继续传输。2数据的编码数据的编码l(1) 数字数据的数字信号编码l数字信号编码的工作由网络上的硬件完成，常用的编码方法有以下三种：l不归零码NRZ（non-return to zero）l不归零码又可分为单极性不归零码和双极性不归零码。 a)单极性不归零码与脉冲 b)双极性不归零码与脉冲 图2-4 不归零码 l归零码l归零码是指编码在发送“0”或“1”时，在一码元的时间内会返回初始状态（零），如图2-5所示。l归零码可分为单极性归零码和双极性归零码.c)单极性归零码与

5、脉冲d)双极性归零码与脉冲 e)交替双极性归零码与脉冲图2-5 归零码l自同步码l自同步码是指编码在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其它信道发送同步信号。l局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码，如图2-6所示。图2-6 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 注：1、曼彻斯特编码在信号1/2处跳变时，从高到低跳变为“0”；从低到高跳变为“1”。 2、查分曼彻斯特编码在信号开始时，有跳变为“0；无跳变为“1”。l为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信

6、号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。 图2-7 远程系统中的调制解调器 l模拟信号传输的基础是载波l载波信号可以表示为正弦波形式：f(t)=Asin(t+)，其中幅度A、频率和相位的变化均影响信号波形，即载波的三大要素：幅度、频率和相位，数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。 l通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码。相应的调制方式分别称为幅度调制ASK、频率调制FSK和相位调制PSK。 图2-8 数字调制的三种基本形式l幅度调制l幅度调制简称调幅，也称为幅移键控（ASK amplitude-shift keying）l调制原理：用两个不同振幅的载波分别表示

7、二进制值0和1。图2-9 幅度调制l频率调制l频率调制简称调频，也称为频移键控（FSK frequency-shift keying）l调制原理：用两个不同频率的载波分别表示二进制值0和1。图2-10 频移键控l相位调制l绝对相移键控 l绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字“0”和“1”（见图2-11），用公式可表示为：U ( t ) = Um sin( t + )数字“1” = Um sin( t + 0 ) 数字“0”图2-11 绝对相移键控l相对相移键控法 l相对相移键控用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。最简单的相对调相方法是：与前一个信号同相表示

8、数字“0”，相位偏移180度表示“1”，如图2-12所示。这种方法具有较好的抗干扰性。图2-12 相对相移键控 l(4) 模拟数据的数字信号编码l模拟数据的数字信号编码最常用的方法是脉冲编码调制（PCM pulse code modlation）l理论基础（香农采样定理）l若对连续变化的模拟信号进行周期性采样，只要采样频率大于等于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值便可包含原始信号的全部信息，利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出原始信号。l PCM工作步骤图2-13 原始模拟信号l采样：根据采样频率，隔一定的时间间隔采集模拟信号的值，得到一系列模拟值，如图2-14所示。l量化：将采样得

9、到的模拟值按一定的量化级（本例采用16级）进行取整，得到一系列离散值，如图2-15所示。图2-14 对采样值量化l编码：将量化后的离散值数字化，得到一系列二进制值；然后将二进制值进行编码，得到数字信号,如图2-15。 图2-15 将量化编码l经过上面的处理过程，原来的模拟信号经PCM编码后得到如图2-3-13所示的系列二进制数据。图2-16 模拟数据的PCM编码l2.1.3 数据的通信模型l数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种通信方式和通信业务，其基本作用是完成两个实体间数据的交换。l如图2-17是通信系统的一个实例，工作站可以通过公共电话网与另一端的服务器通信，也可以在公共电话网间交换声

10、音信号。图2-17 通信系统实例 l一个简单的通信系统模型如图2-18所示。图2-18 通信系统模型l这个模型的主要组成部分是：l1信源/信宿 l信源指信息的来源或发送者，信宿指信息的归宿或接收者。l在计算机网络中，信源和信宿可以是计算机或终端等设备。l 2信道l信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组成。 l同一条传输线路上可以有多个信道。例如：一条光缆可以同时供几千人通话，有几千条电话信道。l3噪声l噪声是指信号在传输过程中受到的干扰，按产生的原因可分为内部噪声和外部噪声。l4变换器l变换器的主要功能是在信源或信宿与信道之间进行信号的变换。 l2.1.4 通信系统主要技术指标（传

11、输率、误码率、信道容量） l1数据传输速率l数据传输速率是指传输线路上传输信息的速度，有数据传输速率和信号传输速率两种表示方法。l(1) 数据传输速率l数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制位的个数，单位为比特每秒，表示为bps或b/s。数据传输速率可用如下公式表示：l其中，lS 表示比特率lT 表示脉冲宽度lN 表示一个脉冲所表示的有效状态数，即调制电平数，通常为2的整数倍。l例如，一连续信号f = 1200Hz，每个信号可表示4个不同的状态，则数据传输速率（比特率）为2400bps：l(2) 信号传输速率l信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数，单位为

12、baud（波特），可用如下公式表示：lB = 1 / Tl其中，B 波特率，T 信号周期。l例如，若一连续信号f = 1200Hz，则B = 1/T = 1200（波特）l2误码率 l误码率表示二进制数据位在传输中出错的概率，可用如下公式表示：lPe = Ne / Nl其中，Pe 误码率，Ne 出错的位数，N 传输的总位数。l例如，若数据传输10000个bit，接收经检查发现有一个bit错了，则误码率lPe = 10-5l误码率主要用于衡量数据传输的质量 l3信道容量l信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率，单位为bps或b/s。l 4三个指标之间的关系l数据速率用于衡量信道传输数据的快慢，

13、是信道的实际数据传输速率；l信道容量用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率；l误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。2.2 数据的传输方式数据的传输方式 l2.2.1 基带传输与频带传输l1基带传输 l在数字信号频谱中，把直流（零频）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。因此，数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。l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。l由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。l在基带传输中，需要对数字信号进行编码来表示数据。l2

14、频带传输l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，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。l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。l计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。l基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。l2.2.2 并行传输与串行传输l1并行通信方式l并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。发送设备将这些数据位通过对应的数据线传送给接收设备，还可附加一位数据校验位。接

15、收设备可同时接收到这些数据，不需要做任何变换就可直接使用。l并行方式主要用于近距离通信。计算机内的总线结构就是并行通信的例子。这种方法的优点是传输速度快，处理简单。 图2-20 并行数据传输l串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用 图2-21 串行数据传输l2.2.3 单工、双工与半双工l串行数据通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全双工。 l单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；l半双工数据传输允许

16、数据在两个方向上传输，注：在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信；l全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输， l全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力， l2.2.4 异步传输与同步传输l1异步传输l在数据通信中，异步传输又称群同步，是指传输的信息被分成若干“群”。 l(1) 异步传输分组的组成l在异步传输中，数据被划分成字符分组独立进行传输。该小组包含起始位、数据位、校验位（可选项）和停止位，具体如下：l 1 bit起始位：表示字符的开始l 58bit数据位：表示要传输的字符内容l 1bit校验位：用于进行奇

17、校验或偶校验l 12bit终止位：表示接收字符结束l2同步传输l同步传输又称位同步，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。l实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。l2.2.5 多路复用技术l多路复用是指在一条物理信道上同时传输多路信息。工作原理见下图：图2-27 多路复用原理l优点：l(1)仅需一条传输线路，可节省成本、安装与维护费用l(2)传输线路的容量得到充分的利用l2.2.6 数据交换技术l数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。图2-31为一个交换网络的拓扑结构 图2-31 交换网络的拓扑结构 l(1)

18、电路交换的三个过程l电路建立：在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。如图2.14所示 l数据传输：电路ABC建立以后，数据就可以从A发送到B，再由B交换到C；C也可以经B向A发送数据。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。l电路拆除：数据传输结束后，由某一方（A或C）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。l(2) 电路交换技术的优缺点及其特点l优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。l缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费：在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。l特点

19、：在数据传送开始之前必须先设置一条专用的通路。在线路释放之前，该通路由一对用户完全占用。对于猝发式的通信，电路交换效率不高。 图2-32 电路交换和报文交换l2报文交换的工作原理 l(1) 报文交换原理l报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。 l每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。l因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。 l(2) 报文交换的特点l报文从源点传送到目的地采用存储-转发方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。l在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。l(3) 报文交换的优点l电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。l在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。l报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。l报文交换网络可以进行速度和代码的转换。l(4) 报文交换的缺点l不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。l有时节点收到过多的数据而无空间