第02章-数据通信及广域网技术

1、第二章第二章 数据通信与广域网技数据通信与广域网技术术 本章学习要求本章学习要求 掌握数据通信的基本概念掌握数据通信的基本概念 了解传输介质及其主要特性了解传输介质及其主要特性 了解无线与卫星通信技术了解无线与卫星通信技术 的基本概念的基本概念 了解基带传输的基本概念了解基带传输的基本概念 掌握频带传输的基本概念掌握频带传输的基本概念 掌握调制解调器的工作原理掌握调制解调器的工作原理 了解多路复用的分类和特点了解多路复用的分类和特点 重点掌握广域网中的数据交换技术重点掌握广域网中的数据交换技术 掌握差错控制方法掌握差错控制方法2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 1.信息、数据和信号信

2、息、数据和信号 2.数据处理与数据通信数据处理与数据通信 3.数据传输类型与通信方式数据传输类型与通信方式1.信息、数据和信号信息、数据和信号 通信通信 信号信号 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 信息信息 数据数据模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形(a)(a)v(t)v(t)tt(b)(b)模拟信号模拟信号数字信号数字信号图图2-1 2-1 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形2.数据处理与数据通信数据处理与数据通信 数据处理的任务数据处理的任务 数据通信的任务数据通信的任务 数据处理与数据数据处理与数据 通信的异同通信的异同3.3.网络通信系统设计中的几个问题网络通信系

3、统设计中的几个问题 数据传输类型数据传输类型 模拟通信模拟通信 数字通信数字通信3.数据传输类型与通信方式数据传输类型与通信方式 数据通信系统数据通信系统计算机计算机系统系统计算机计算机系统系统调制解调器调制解调器信道信道调制解调器调制解调器图图2-2 2-2 数据通信系统数据通信系统通信线路3.数据传输类型与通信方式数据传输类型与通信方式 调制解调制（调制解调制（Modem） 调制器（调制器（modulation） 解调器（解调器（demodulation）调制解调制调制解调制 何谓调制解调器何谓调制解调器 内置与外置内置与外置Modem的区别的区别 计算机端口（串口、并口、计算机端口（串口

4、、并口、USB口）口） 如何连接调制解调器如何连接调制解调器 外置调制解调器指示灯含义外置调制解调器指示灯含义外置调制解调器指示灯含义外置调制解调器指示灯含义 指示灯名指示灯名 含义含义 功能功能 MR Modem Ready 电源电源 TR或或DTR Data Terminal Ready 准备就绪准备就绪 CD Carrier Detect 连通连通 RD Receive Detect 接收数据接收数据 SD Send Data 发送数据发送数据 AA Auto Answer或或Answer 应答应答 OH Off Hook 占线占线 HS High Speed 高速高速3.数据传输类型与

5、通信方式数据传输类型与通信方式 数据通信方式数据通信方式 串行通信与并行通信串行通信与并行通信发送端接收端串行通信信道串行通信信道(a)(a)发送端b0b1b2b3b4b5b6b7b7b6b5b4b3b2b1b0接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并并行行通通信信信信道道(b)(b)图图2-3串串行行通通信信与与并并行行通通信信3.数据传输类型与通信方式数据传输类型与通信方式 数据通信方式数据通信方式 单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信 按信号传送方向与时间关系分按信号传送方向与时间关系分 单工通信单工通信 （simplex） 半双工通信半双工通信 (half-duplex)

6、全双工通信全双工通信 (full- duplex)发送接收单向通道单向通道双向通道双向通道双向通道双向通道(a)(a)(b)(b)(c)(c)发送接收接收发送发送接收接收发送图图2-4 2-4 单工、半双工与全双工通信单工、半双工与全双工通信3.数据传输类型与通信方式数据传输类型与通信方式 数据通信方式数据通信方式 同步技术同步技术 位同步位同步 字符同步字符同步同步：要求通信的收发双方在时间基准上同步：要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。保持一致。2.2 传输媒体传输媒体 1.双绞线双绞线 非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 2.同轴电缆同轴电缆 50、75和和 93同轴电缆

7、同轴电缆 3.光导纤维（又称光缆）光导纤维（又称光缆） 4.媒体的选择与安装媒体的选择与安装传输介质的特性传输介质的特性 物理特性：传输介质物理结构的描述；物理特性：传输介质物理结构的描述； 传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号等；等； 连通特性：允许点连通特性：允许点- -点或多点连接；点或多点连接； 地理范围：传输介质最大传输距离；地理范围：传输介质最大传输距离； 抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力；输数据影响的能力； 相对价格：器件、安装与维护费用。相对价格：器件、安装与维护费用。1

8、.双绞线的主要特性双绞线的主要特性 屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP和非屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线UTP 铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层（a ） 屏蔽双绞线（a ） 屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层（b ） 非屏蔽双绞线（b ） 非屏蔽双绞线图图2-5 2-5 双绞线结构示意图双绞线结构示意图 粗同轴电缆和细同轴电缆粗同轴电缆和细同轴电缆内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层2.2.同轴电缆的主要特性同轴电缆的主要特性图图2-6 2-6 同轴电缆结构示意图同轴电缆结构示意图3.3.光纤的主要特性光纤的主要特性光电转换LED发送端输入输入PIN接收端输出输出光纤光纤光信号光电转换光纤包层外部保护层(a)(a)保护

9、层包层光纤(b)(b)包层保护层图图2-7 2-7 光导纤维结构与原理示意图光导纤维结构与原理示意图2.3 无线通信与卫星通信无线通信与卫星通信 1.无线通信无线通信 2.微波通信微波通信 3.蜂窝无线通信蜂窝无线通信 4.卫星通信卫星通信 5.蓝牙技术蓝牙技术（Bluetooth）蓝牙技术蓝牙技术 蓝牙技术：蓝牙技术： 是一种无线数据与语言通讯的开放性全球规是一种无线数据与语言通讯的开放性全球规范，是一种用微波技术去取代传统网络中错范，是一种用微波技术去取代传统网络中错综复杂的连接电缆来实现固定设备及可移动综复杂的连接电缆来实现固定设备及可移动设备的互联而建立的一个特殊的短程无线通设备的互联

10、而建立的一个特殊的短程无线通讯技术。讯技术。主要术语和概念主要术语和概念 带宽带宽又称信息带宽又称信息带宽（bandwidth） 带宽范围带宽范围(bandwidth range) 超声波超声波：超过人能听到的最高频率：超过人能听到的最高频率2万赫万赫兹声波兹声波。 次声波次声波：低于人能听到的最低频率：低于人能听到的最低频率20赫赫兹的声波兹的声波。人能听到的音频信号的频率范围人能听到的音频信号的频率范围在在300-3300赫兹左右赫兹左右20赫兹2万赫兹次声波超声波图图2-8 2-8 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形2.4 基带传输基带传输 1.基带传输的定义基带传输的定义在数

11、据通信中，表示计算机二进制的比特在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号; ;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带, ,简简称为基带称为基带, ,矩形脉冲信号就叫做基带信号矩形脉冲信号就叫做基带信号; ;在数字通信信道上，直接传送基带信号的在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输。方法称为基带传输。2.2.通信信道带宽对基带传输的影响通信信道带宽对基带传输的影响E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)000000ttttt1 2 3 4 5

12、 6 7 8 9 1001100010(a)(b)(c)(d)(e)0 10 1 20 1 2 3 40 1 2 3 4 5 6 7 8ttttt图图2-9 2-9 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形3.数据传输速率数据传输速率 定义：定义：数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进代码的二进制比特数，单位为比特制比特数，单位为比特/ /秒，记做秒，记做bpsbps（每秒钟传送二进制的位数每秒钟传送二进制的位数）。）。 常用的数据传输速率单位有：常用的数据传输速率单位有：KbpsKbps、MbpsMbps、GbpsGbps与与T

13、b/sTb/s，其中：，其中： 1Kbps 103bps 1Mbps 106bps 1Gbps 109bps 1Tbps 1012bps4.信道速率的极限值信道速率的极限值 奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率输速率R Rmaxmax与通信信道带宽与通信信道带宽B B（B=fB=f，单位，单位HzHz）的关系为的关系为R Rmaxmax=2=2f f（bpsbps） 香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率信号时，数据传输速率R Rmaxmax与信道带宽与信道带宽B B，信噪，信噪比比

14、S/NS/N的关系为的关系为 R Rmaxmax= B= Bloglog2 2（1+S/N1+S/N） 其中：其中：S/NS/N为信噪比。为信噪比。2.5 频带传输频带传输 1.频带传输的定义频带传输的定义利用模拟信道传输数据信号的方法称为频利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；带传输；调制解调器（调制解调器（modemmodem）是频带传输中最典型）是频带传输中最典型的通信设备。的通信设备。2.5 频带传输频带传输 2.外置外置Modem与计算机的连接与计算机的连接 电话插座电源插座调制解调器调制解调器电话机计算机图图2-10 2-10 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形2.

15、6 多路复用技术多路复用技术 1.多路复用的定义多路复用的定义 多路复用多路复用（multiplexing）：在通信系统中能在通信系统中能实现多种信号在同一媒体中传输的技术。实现多种信号在同一媒体中传输的技术。2.多路复用的工作原理多路复用的工作原理高速通信线路多路复用器多路复用器图图2-11 2-11 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形3.3.频分多路复用频分多路复用（FDM） 13003100信道16064687260646872频率( k Hz)（c ）（c ）频率( k Hz)（b ）（b ）频率( H z)（a ）（a ）信道2信道311信道1信道2信道3图图2-12 2-

16、12 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形4.波分多路复用波分多路复用（WDM） 光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用简称为波分复用WDM;WDM; 在一根光纤上复用在一根光纤上复用8080路或更多路的光载波信号路或更多路的光载波信号称为密集波分复用称为密集波分复用DWDMDWDM； 5.时分多路复用时分多路复用（TDM） 时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；若干个时间片； 每个用户分得一个时间片；每个用户分得一个时间片； 在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信在每个用

17、户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。道的全部带宽。 2.7 广域网中的数据交换技术广域网中的数据交换技术 空间分割线路交换空间分割线路交换 线线路交换路交换 时间分割线路交换时间分割线路交换 交换方式交换方式 存储交换存储交换 报文交换报文交换 报文分组交换报文分组交换 数据报数据报 虚电路虚电路 数据交换方法数据交换方法 数据通过通信子网的传输过程可以分为：数据通过通信子网的传输过程可以分为： 线路交换线路交换 存储转发交换也称存储交换存储转发交换也称存储交换1.1.线路交换方式线路交换方式 线路交换是面向连接的服务；线路交换是面向连接的服务； 两台计算机通过通信子网进行数据交换之

18、前，首先要两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；在通信子网中建立一个实际的物理线路连接； 线路交换在数据传输过程中要经过线路交换在数据传输过程中要经过 建立连接、数据传输、释放连接建立连接、数据传输、释放连接的三个阶段；的三个阶段； 优点：通信实时性强，适用于交互式会话类通信；优点：通信实时性强，适用于交互式会话类通信； 缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，系统没有缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。存储数据的能力，不能平滑交通量。 2.存储转发交换方式存储转发交换方式 数据通过通信子网传输时可以有报文

19、数据通过通信子网传输时可以有报文（messagemessage）与报文分组（）与报文分组（packetpacket）两种方式；）两种方式； 报文传输：不管发送数据的长度是多少，报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；都把它当作一个逻辑单元发送； 报文分组传输：限制一次传输数据的最大报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。送结点就将它分成多个报文分组发送。3.3.数据报方式数据报方式 数据报是分组存储转发的一种形式；数据报是分组存储转发的一种形式； 在数据报方式中

20、，分组传送之间不需要预先在在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立源主机与目的主机之间建立“线路连接线路连接”； 源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；一条传输路径； 每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。路径到达目的主机。4.4.虚电路方式虚电路方式 虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果最佳的数据交换效果; ; 数

21、据报方式在分组发送之前，发送方与接收方数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路辑连接的虚电路; ; 虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输程分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。与虚电路释放阶段。呼叫请求呼叫应答释放请求释放应答虚电路建立数据传输虚电路拆除p1p1p1p2p2p2ACKACKACK1结点A结点E结点F结点B结

22、点G结点D结点C主机H主机HAB虚虚电电路路方方式式工工作作原原理理图图2-13虚电路方式的特点虚电路方式的特点 在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。立一条逻辑连接。 一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象； 分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错分组通过虚电路上的每个结点时，结

23、点只需要做差错检测，而不需要做路径选择；检测，而不需要做路径选择； 每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。 5.ATM5.ATM交换方式交换方式 ATMATM的基本数据传输单元是信元；的基本数据传输单元是信元； 信元长度固定为信元长度固定为5353字节；字节； 信元包括信元包括5 5字节的信元头与字节的信元头与4848字节的用户数据。字节的用户数据。53字节信元头用户数据48字节5字节图图2-14 2-14 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形物理链路、虚通路与虚通道的关系物理链路、虚通路与虚通道的关系 物理链路（物理链路（Physical

24、LinkPhysical Link） 虚通路（虚通路（VPVP，Virtual PathVirtual Path） 虚通道（虚通道（VCVC，Virtual ChannelVirtual Channel） 物理链路虚通路虚通道图图2-15 2-15 模拟信号与数字信号波形模拟信号与数字信号波形2.8 差错控制方法差错控制方法 差错控制：检查数据传输是否出现差错以及如差错控制：检查数据传输是否出现差错以及如何纠正差错。何纠正差错。 1.产生差错的原因与差错类型产生差错的原因与差错类型 原因原因 噪声噪声 信号的衰减、波形的畸变信号的衰减、波形的畸变 “串音串音”的干扰的干扰 差错的类型差错的类型

25、 由热噪声引起的差错是随机差错。由热噪声引起的差错是随机差错。 冲击噪声引起的差错是突发差错。冲击噪声引起的差错是突发差错。2.8 差错控制方法差错控制方法 2.误码率误码率误码率：是指二进制误码率：是指二进制码元在数据传输系统码元在数据传输系统中被传错的概率，它中被传错的概率，它在数值上近似在数值上近似等于：等于：Pe=Ne/N，其中，其中N为为传输的二进制码元总传输的二进制码元总数，数，Ne为被传错的码为被传错的码元数。元数。 3.检错码与纠错码检错码与纠错码 检错码检错码分组仅包含足以使接收端分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接发现差错的冗余信息；接收端能够发现出错（但不收端能够

26、发现出错（但不能确定哪位是错的）且不能确定哪位是错的）且不能纠正传输差错。能纠正传输差错。 纠错码纠错码每个传输的分组有足够的每个传输的分组有足够的冗余信息；接收端能发现冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。并自动纠正传输差错。2.8 差错控制方法 4.循环冗余检验方法循环冗余检验方法 又称又称CRC码。码。 问题：问题： 怎样提高传输质量？怎样提高传输质量？循环冗余检验方法循环冗余检验方法 f（x）:被发送的数据（被发送的数据（110011） xK: k为生成多项式的最高幂值（为生成多项式的最高幂值（x4） G（x）除数、为生成多项式（）除数、为生成多项式（11001） Q（x）商）商 R（X）余数）余数 f（x）xK 为被除数为被除数5.差错控制机制差错控制机制 停止等待方式停止等待方式 连续工作方式连续工作方式 拉回方式拉回方式 选择重发方式选择重发方式1.信号信号 信号：是数据在传输过程中电信号的表现形式。信号：是数据在传输过程中电信号的表现形式。 按照在传输介质上传输的信号类型有两种：按照在传输介质上传输的信号类型有两种： 模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号 模拟信号：模拟信号：的信号电平是连续变化的；的信号电平是连续变化的；数字信号：是用两种不同的电平去表示数字信号：是用两种不同的电平去表示0 0、1 1比特序比特序列的