第二章第三数据通信和广域网技术应用

1、第二章第三数据通信和广域网技术应用第四节数据编码技术模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器模拟的和数字的数据、信号模拟的和数字的数据、信号第四节数据编码技术1.数据编码类型数字数据变模拟数据编码变数字数据编码振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK非归零码NRZ曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码2 模拟数据编码方法 振幅键控（ASK, Amplitude-Shift Keying） 移频键控（FSK, Frequency-Shift Keying） 移相键控（PSK, Phase-Shift Keying） )sin()(0tu

2、tum 振幅键控 移频键控 移相建控001)sin()(01字数数字tutum0)sin(1)sin()(0201数字数字tututumm0)sin(1)0sin()(数字数字tututumm 01001000212数据(a)ASK(b)FSK(c)PSK2113 数字数据编码方法 非归零码(NRZ, Non-Return Zero)缺点：无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步。可能会存在直流分量。 曼彻斯特(Manchester)编码优点：自含时钟编码，不含直流分量。缺点：效率低 差分曼彻斯特(Difference Manchester)编码01001011数据数据(a)非归零码同步

3、时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码4 脉冲编码调制方法 数字信号传输失真小、误码率低、传输速率快。如何将模拟数据数字化？ 脉冲编码调制(PCM, Pulse Code Modulation)是模拟信号数字化的主要方法。 脉冲编码调制的基本操作为脉冲编码调制的基本操作为 采样采样 量化量化 编码编码D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.270.30.620.61.281.31.521.51.261.30.730.70.410.40.120.1(a)样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513741D1

4、D2D3D4D5D6D7D8(b)第五节基带传输技术1 基带传输的定义基带传输的定义 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; 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,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方法称为基带传输; 在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号; 在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号; 基带传输是一种最基本的数据传输方式。 2.带宽与数据传输速率 “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉

5、赫等）。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语。 数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标； 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制比特数，单位为比特/秒，记做bps。常用的数据传输速率单位 更常用的数据传输速率单位是 千比每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。数字信号流随时间的变化 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变

6、窄。 每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 第六节 频带传输的基本概念 1.频带传输的定义利用模拟信道传输数据信号的方法叫频带传输。调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备。2 调制解调器的基本工作原理 在发送端将计算机中的数字信号转换成能在 线上传输的模拟信号； 在接收端将从 线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。调制解调器PC 机公用 网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文PC 机第一节：数据通信的基本概念第二节：传输介质及其主要特性第三节：无线与卫星通信技术第四节

7、：数据编码的类型和基本方法第五节：基带传输的基本概念第六节：频带传输的基本概念第七节：广域网中的数据交换技术的类型与工作原理 第八节：差错控制方法 第二章数据通信与广域网技术第七节广域网中的数据交换技术的类型与工作原理 数据通过通信子网的传输过程可以分为：线路(电路)交换与存储转发交换1.线路交换线路交换(Circuit Exchanging)线路交换方式的工作原理结点A呼叫请求呼叫应答报文或报文分组应答释放请求释放应答线路建立数据传输线路释放结点B结点C结点D主机H主机HAB回顾一下电路交换的特点 两部 机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 更多的 机互相连通 5 部 机两两相连，需 10

8、 对电线。 N 部 机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。 当 机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与 机数的平方成正比。 使用交换机 当 机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机“交换”的含义 在这里，“交换”(switching)的含义是： 转接把一条 线转接到另一条 线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 电路交换的特点 电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接电路交换举例 A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDC

9、A电路交换举例 C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换传送计算机数据效率低 计算机数据具有突发性。 这导致通信线路的利用率很低。2 存储转发交换方式 存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别： 发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网； 通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。 存储转发方式的优点 由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高； 通信子网中

10、通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径； 分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；存储转发交换方式分类： 数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（packet）两种方式； 报文传输(Message Exchanging，也叫报文交换)：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； 报文分组传输(Packet Exchanging，也叫分组交换)：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，发送结点就将它分成多个报文分组发送。报文和报文分组结构 由

11、于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率； 公用数据网采用的是分组交换技术。报文分组报文分组报文报文报文号目的地址源地址校验报文号目的地址源地址报文分组数据校验报文分组号数据 报文交换网络的主要缺点：报文交换网络的主要缺点： 经过网络时的延迟较长且不固定，不能满足实时或交互式的通信要求。因此，这种方式不能用于声音连接，也不适合交互式终端到计算机的连接。分组交换分组交换(Packet Exchanging) 分组交换很像报文交换，所不同的是：在分组交换网络中，数据被划分成固定长度的分组(Packet)

12、。报文分组交换的原理（一） 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输数 据数 据数 据报文分组交换的原理（二） 每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3请注意：现在左边是“前面”分组交换的原理（三） 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3分组交换的原理（四） 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部

13、分组 3收到的数据数 据数 据数 据分组交换的原理（五） 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点

14、交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路 结点交换机123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 4结点交换机 在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。 结点交换机处理分组的过程是： 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）； 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发； 把分组送到适当的端口转发出去。 主机和结点交换机的作用不同 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。 结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。分组交换的优点 高效 动态分配传输带宽，对

15、通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。 可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。 分组交换带来的问题 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。 三种交换的比较 P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放第八节 差错控制方法1 差错产生的原因与差错类型 传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数

16、据 不一致的现象; 差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错； 通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声； 由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错； 冲击噪声引起的差错是突发差错（Burst Error），或突发错； 在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。 传输差错产生过程信源通信信道信宿数据噪声数据+噪声(a)001100111100011111000011000100010110011001010传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位(b)2 误码率的定义 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上

17、近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数； 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一； 对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求； 差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。 3 检错码与纠错码 纠错码： 每个传输的分组带上足够的冗余信息； 接收端能发现并自动纠正传输差错。 检错码: 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息； 接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。 常用的方法有：奇偶校验

18、、循环冗余编码（CRC, Cyclic Redundancy Code) 4.循环冗余编码工作原理 发送方接收方发送数据 f(x)生成多项式 G(x)f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送: f(x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)R(x)发送数据 f (x)生成多项式 G(x)R(x)=R(x) 接收正确R(x)=R(x) 接收出错发送f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)CRC检错方法举例 1 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)1 1 0 0 11 0 0 0 01 1 0 0 11 0 0 1R(x)1 0 0 0 0 1Q(x)f(x).xk1 1 0 0 1 1发送数据比特序列CRC校验码比特序列1 0 0 1带CRC校验码的发送数据比特序列1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 101 0 0 0 0 1标准CRC生成多项式G（x）CRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1