数据通信基础与网络互联

1、第第2 2章章 数据通信基础与网络互联数据通信基础与网络互联2.1 数据通信基础2.2 现场控制网络2.3 网络硬件2.4 网络互连2.5 网络互连设备2.6 通信参考模型2.1 数据通信基础1.总线的基本术语总线的基本术语l总线总线(bus)(bus)：是网络上各节点共享的是网络上各节点共享的传输媒体传输媒体，是是传输信号或信息的传输信号或信息的公共路径公共路径，遵循同一技术规范遵循同一技术规范进行连接与操作。进行连接与操作。l总线段总线段(bus segment)(bus segment) ：一组设备通过总线连在一一组设备通过总线连在一起称为总线段。起称为总线段。l 总线主设备总线主设备(

2、bus master)(bus master) ：有能力在总线上发起有能力在总线上发起通信的设备。通信的设备。l 总线从设备总线从设备(bus slaver)(bus slaver)：不能在总线上主动发起不能在总线上主动发起通信，只能挂接在总线上、对总线信号进行接收通信，只能挂接在总线上、对总线信号进行接收查询的设备。查询的设备。1.总线基本术语总线基本术语l控制信号控制信号控制连在总线的设备，让它进行所规定的操作控制连在总线的设备，让它进行所规定的操作用于改变总线操作的方式用于改变总线操作的方式表明地址和数据的含义表明地址和数据的含义l总线协议总线协议(bus protocol)(bus p

3、rotocol)：总线上的设备如何使用：总线上的设备如何使用总线的一套规则称为总线的一套规则称为“总线协议总线协议”。这是一套事。这是一套事先规定的、必须共同遵守的规约。先规定的、必须共同遵守的规约。2.1 数据通信基础1.总线基本术语总线基本术语l 总线操作总线操作：总线上数据发送者与接收者之间的：总线上数据发送者与接收者之间的连接数连接数据传送脱开据传送脱开这一操作序列，称为一次总线操作这一操作序列，称为一次总线操作。l 连接（连接（connection)connection)：指在相同或不同设备内，通信对象：指在相同或不同设备内，通信对象之间的逻辑绑定（之间的逻辑绑定（bindingbi

4、nding）。）。l 数据传送：数据传送：连接完成之后通信报文的发送与接收过程，连接完成之后通信报文的发送与接收过程，或者数据的读写操作过程。或者数据的读写操作过程。l 脱开脱开(disconnect)(disconnect)：完成一次或多次总线操作后，断开：完成一次或多次总线操作后，断开发送者与接收者之间的连接关系，放弃对总线的占有权。发送者与接收者之间的连接关系，放弃对总线的占有权。l现场设备现场设备(fieldbus device)(fieldbus device)：作为网络节点连接在：作为网络节点连接在现场总线上的物理实体。现场总线上的物理实体。现场设备具备测量控制现场设备具备测量控制

5、功能，也具有数据通信的能力功能，也具有数据通信的能力。2.1 数据通信基础1.总线基本术语总线基本术语l总线传送总线传送“读读”数据操作是读来自响应者的数据数据操作是读来自响应者的数据“写写”数据操作是向响应者写数据数据操作是向响应者写数据l通信请求：通信请求：由总线上某一设备向另一设备发出的请求信由总线上某一设备向另一设备发出的请求信号，要求后者给予注意并进行某种服务。号，要求后者给予注意并进行某种服务。l寻址过程寻址过程是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一是命令者与一个或多个从设备建立起联系的一种总线操作。种总线操作。物理寻址：物理寻址：用于选择某一总线段上某一特定位置的从设备用于选择

6、某一总线段上某一特定位置的从设备作为响应者。作为响应者。逻辑寻址：逻辑寻址：用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾用于指定存储单元的某一个通用区，而并不顾及这些存储单元在设备中的物理分布。及这些存储单元在设备中的物理分布。广播寻址：广播寻址：用于选择多个响应者。用于选择多个响应者。2.1 数据通信基础1. 1.总线基本术语总线基本术语l 总线仲裁（总线仲裁（bus arbitrationbus arbitration）：总线通信过程中出现冲突。为解决冲突）：总线通信过程中出现冲突。为解决冲突需要进行总线占有权的仲裁。需要进行总线占有权的仲裁。 某一时刻只允许一个主设备占有总线，它完成操作后释

7、放总线占有权，某一时刻只允许一个主设备占有总线，它完成操作后释放总线占有权，其他主设备才能使用总线；其他主设备才能使用总线； 访问等待时间访问等待时间(access latency)(access latency): :主设备获得总线占有权等待仲裁的时间；主设备获得总线占有权等待仲裁的时间； 总线占有期总线占有期(bus (bus latency)latency): :设备占有总线的时间。设备占有总线的时间。l总线仲裁有总线仲裁有集中仲裁集中仲裁与与分布仲裁分布仲裁。 集中集中仲仲裁：裁：由一个仲裁单元完成。如果有两个以上主设备同时请求使用由一个仲裁单元完成。如果有两个以上主设备同时请求使用总

8、线时，由特定的总线时，由特定的仲仲裁单元利用优先级方案进行裁单元利用优先级方案进行仲仲裁裁； 分布分布仲仲裁裁：仲裁过程在各主设备中完成。当某一主设备在总线上置起它仲裁过程在各主设备中完成。当某一主设备在总线上置起它的优先级代码时，开始一个仲裁周期。仲裁周期结束后，只有最高优先的优先级代码时，开始一个仲裁周期。仲裁周期结束后，只有最高优先级仍然置放在总线上。级仍然置放在总线上。 优先级方案优先级方案有多种：高优先级无限期否决低优先级；有多种：高优先级无限期否决低优先级； 不允许某一主设备长期霸占总线。不允许某一主设备长期霸占总线。2.1 数据通信基础2. 通信系统的组成通信系统的组成 数据通信

9、过程，是两个或多个节点之间借助传数据通信过程，是两个或多个节点之间借助传输媒体以二进制形式进行信息交换的过程。将数据输媒体以二进制形式进行信息交换的过程。将数据准确、及时地传送到正确的目的地，是数据通信系准确、及时地传送到正确的目的地，是数据通信系统的统的基本任务基本任务。噪声噪声信息源信息源编码编码调制调制信道信道解调解调解码解码接收者接收者2.1 数据通信基础2. 通信系统通信系统的组成的组成 数据通信系统的基本构成硬件由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质组成。硬件由数据信息的发送设备、接收设备、传输介质组成。软件由数据信息形成的软件由数据信息形成的通信报文通信报文和和通信协议通信协议

10、组成组成。2.1 数据通信基础2. 通信系统通信系统的组成的组成发送设备发送设备：具有通信信号发送电路的设备，也称：具有通信信号发送电路的设备，也称为发送器为发送器(Transimitter)(Transimitter)。接收设备接收设备：具有通信信号接收电路的设备，也称：具有通信信号接收电路的设备，也称为接收器为接收器(Receiver)(Receiver)。既可以作为发送设备，又可以作为接收设备，称既可以作为发送设备，又可以作为接收设备，称为为收发器收发器(Transceiver)(Transceiver)。2.1 数据通信基础 3. 数据数据(Data)(Data)：传递（携带）信息的实

11、体，信息传递（携带）信息的实体，信息(Information)(Information)则则 是数据的内容或解释。是数据的内容或解释。 - -模拟模拟(Analog)(Analog)数据与数据与数字数字(Digital)(Digital)数据数据信号信号(Signal)(Signal)：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式传播。号的形式传播。 - -模拟模拟信号与信号与数字数字信号信号 - -基带基带(Baseband) (Baseband) 与与宽带宽带( Broadband )( Broadband )信号信号数字信道数字信道：以数字

12、脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。以连续模拟信号形式传输数据的信道。2.1 数据通信基础 3. 3. 2.1 数据通信基础模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值。模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值。数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值。数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值。tta) 模拟信号b) 数字信号 3. 3. 不同类型的信号在不同类型的信道上传输有不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4 4种组合，种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理

13、。每一种相应地需要进行不同的编码处理。数据：模拟数据、数字数据数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信号：模拟信号、数字信号 信道：模拟信道、数字信道信道：模拟信道、数字信道 数据编码的目的：为了降低信号传输过程中的直数据编码的目的：为了降低信号传输过程中的直流分量和改善噪声，减少对硬件带宽的要求，且能方流分量和改善噪声，减少对硬件带宽的要求，且能方便提取同步信号，必须对发送的数据进行编码后再发便提取同步信号，必须对发送的数据进行编码后再发送。送。数据编码分：数据编码分：数字数据编码和模拟数据编码数字数据编码和模拟数据编码数字数据编码：数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数用

14、高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的据的0 0，1 1状态的，称为数字数据编码。状态的，称为数字数据编码。模拟数据编码模拟数据编码：分别用模拟信号的不同幅值、不同频：分别用模拟信号的不同幅值、不同频率、不同相位来表达数据的率、不同相位来表达数据的0 0，1 1状态的称为模拟数据状态的称为模拟数据编码。编码。 3. 3. 一、一、单极性编码单极性编码信号电平是单极性的，如逻辑信号电平是单极性的，如逻辑1 1用高电平，逻辑用高电平，逻辑0 0用低电平。用低电平。二、二、双极性编码双极性编码信号电平为正、负两种极性的，正电平用信号电平为正、负两种极性的，正电平用1 1，负电平用，负电平用0 0。 3.

15、 3. 三、三、归零码（归零码（RZRZ） 在每一位二进制信息传输之后均返回在每一位二进制信息传输之后均返回零电平零电平。如逻辑。如逻辑1 1只在只在该码元时间中的某段维持高电平后就回复到低电平。该码元时间中的某段维持高电平后就回复到低电平。四、四、非归零码（非归零码（NRZNRZ） 在整个码元时间内都维持其逻辑状态的相应电平的编码。在整个码元时间内都维持其逻辑状态的相应电平的编码。 3. 3. 3. 3. 五、五、差分码差分码 在各时钟周期的起在各时钟周期的起点，采用信号电平的变点，采用信号电平的变化与否来代表数据化与否来代表数据“1”1”和和“0”0”的状态。例如的状态。例如规定用时钟周期

16、起点的规定用时钟周期起点的信号电平变化代表信号电平变化代表“1”1”，不变化代表，不变化代表“0”0”，按此规定形成，按此规定形成的编码称为差分码。的编码称为差分码。 3. 3. 六、六、曼彻斯特编码曼彻斯特编码(Manchester (Manchester Encoding)Encoding)也称自同步编码或相位编码也称自同步编码或相位编码特点：特点：这是一种常用的基带信号编这是一种常用的基带信号编码，它具有内在的时钟信息，因而码，它具有内在的时钟信息，因而能使网络上的每一个系统保持同步。能使网络上的每一个系统保持同步。方法：方法：在曼彻斯特编码中，时间被在曼彻斯特编码中，时间被划分为等间隔

17、的小段，其中每小段划分为等间隔的小段，其中每小段代表一个比特。每一小段时间本身代表一个比特。每一小段时间本身又分为两半，前半个时间段所传信又分为两半，前半个时间段所传信号是该时间段传送比特值的反码，号是该时间段传送比特值的反码，后半个时间段所传送的是比特值本后半个时间段所传送的是比特值本身。身。 3. 3. 模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的模拟数据编码采用模拟信号来表达数据的0 0，1 1状状态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数，可通态。幅度、频率、相位是描述模拟信号的参数，可通过改变这三个参数，实现模拟数据编码。过改变这三个参数，实现模拟数据编码。模拟数据编码的三种形式：模拟数据编码

18、的三种形式： 一、一、幅度键控幅度键控ASKASK（amplitude-sheft keyingamplitude-sheft keying） 二、二、频移键控频移键控FSKFSK（frequency-sheft keyingfrequency-sheft keying） 三、三、相移键控相移键控PSKPSK（phase-sheft keyingphase-sheft keying） 这三种形式是模拟数据编码的三种编码方法。这三种形式是模拟数据编码的三种编码方法。 3. 3. 幅度键控幅度键控ASKASK中，载波信号的频率、相位不变，幅度随调制信号中，载波信号的频率、相位不变，幅度随调制信号变

19、化。如：一个二进制数字信号，调制后波形的时域表达式为：变化。如：一个二进制数字信号，调制后波形的时域表达式为：原始信号原始信号键控调幅键控调幅后的信号后的信号C 3. 3. 频移键控频移键控FSKFSK：载波信号的频率随着调制信号的变化而变化，而：载波信号的频率随着调制信号的变化而变化，而载波信号的幅度、相位不变。如：定义信号载波信号的幅度、相位不变。如：定义信号0 0对应的载波频率大，对应的载波频率大，信号信号1 1对应的载波频率小。对应的载波频率小。（HARTHART协议采用该种通信方式，协议采用该种通信方式，1200Hz1200Hz为为1 1，2200Hz2200Hz为为0 0）。）。相

20、移键控相移键控PSKPSK：载波信号的相位随着调制信号而变化，而载波信载波信号的相位随着调制信号而变化，而载波信号的幅度、频率不变。用相位号的幅度、频率不变。用相位0 0和和180180分别代表分别代表1 1和和0 0。 3. 3. 实际的信道上存在三类损耗：实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声衰减、延迟、噪声。a a）衰减：）衰减：信道的损耗引起信号强度减弱，导致信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/NS/N降低降低。b b）延迟：）延迟：信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生相同，在接收端会产生信号畸变信号畸

21、变。c c）噪声）噪声 热噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。 串扰串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线。：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线。 脉冲噪声脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。扰造成（闪电、大功率电机启动等）。 噪声将噪声将破坏信号，产生误码破坏信号，产生误码。持续时间。持续时间0.01s0.01s的干扰可以的干扰可以破坏约破坏约560560个比特（个比特（56Kbps56Kbps）。）。2.1 数据通信基础 一一.有效性指标有效

22、性指标数据位传输速率数据位传输速率 位（位（bitbit）/ /秒秒其中：其中：T为数据信号周期，为数据信号周期，n为一个信号所表示的有效状态。为一个信号所表示的有效状态。例：在二进制中，信号的有无就表示这个码元状态的例：在二进制中，信号的有无就表示这个码元状态的“0”0”或或“1”1”。 所以所以n =2 =2。2.1 数据通信基础可度量通信系统每秒传送的信息量。二进制信号的信息速率用每可度量通信系统每秒传送的信息量。二进制信号的信息速率用每秒比特（秒比特（bit/s,bps,b/s）作单位。如比特率为）作单位。如比特率为96009600bps意味着每秒意味着每秒可传输可传输96009600

23、个二进制脉冲。当信道一定时，信息速率越高，有个二进制脉冲。当信道一定时，信息速率越高，有效效性越好性越好。 一一.有效性指标有效性指标比特率比特率 位（位（bitbit）/ /秒秒2.1 数据通信基础 波特（波特（Baud)Baud)是指信号的一个变换波形。把每秒传输的信号波的是指信号的一个变换波形。把每秒传输的信号波的个数称为波特率。单位为波特，记作个数称为波特率。单位为波特，记作BaudBaud或或B B。比特率和波特率的区别比特率和波特率的区别每个信号可以包含每个信号可以包含1 1个、也可以包含个、也可以包含2 2个二进制数据位。个二进制数据位。1 1个个 比特率比特率=波特率波特率 2

24、 2个个 比特率比特率=波特率波特率2 2在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时，通常采用波特率；在讨论信道特性，特别是传输频带宽度时，通常采用波特率；涉及实际的数据传送能力时，则使用比特率。涉及实际的数据传送能力时，则使用比特率。 一一.有效性指标有效性指标波特率波特率 2.1 数据通信基础吞吐量吞吐量（throughput)throughput)单位时间内通信系统接收发送单位时间内通信系统接收发送的比特数、字节数或帧数来表示。表示通信系统的的比特数、字节数或帧数来表示。表示通信系统的数据交互能力。数据交互能力。频带利用率频带利用率是指单位频带内的传输速度。单位为是指单位频带内的传输速度。单位

25、为bps bps / Hz/ Hz，即每赫兹带宽所能实现的比特率。，即每赫兹带宽所能实现的比特率。协议效率协议效率是指传输数据包中，有效数据位与整个数是指传输数据包中，有效数据位与整个数据包长度的比值，一般用百分比表示。据包长度的比值，一般用百分比表示。 一一.有效性指标有效性指标2.1 数据通信基础传输延迟指数传输延迟指数是指数据从链路或网段的发送端传送到接收端是指数据从链路或网段的发送端传送到接收端所需要的时间，也被称为传输时间。所需要的时间，也被称为传输时间。传输延迟指数传输延迟指数=发送时间发送时间+ +传播时间传播时间+ +排队转发时间排队转发时间通信效率通信效率是指数据帧的传输时间

26、与用于发送报文的所有时间是指数据帧的传输时间与用于发送报文的所有时间之比。之比。除传输时间外，还包括竞用总线或等待令牌的排队时间、用除传输时间外，还包括竞用总线或等待令牌的排队时间、用于发送维护信息等的时间总和。于发送维护信息等的时间总和。通信效率通信效率=1=1，所有时间都有效地用于传输数据帧；，所有时间都有效地用于传输数据帧；通信效率通信效率=0=0，总线被报文的碰撞、冲突所充斥。，总线被报文的碰撞、冲突所充斥。 一一.有效性指标有效性指标2.1 数据通信基础二二.可靠性指标可靠性指标 误码率误码率 误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数；误码率是衡量数据传输系统正常工作状

27、态下传输可靠性的参数；实际中经常采用的是实际中经常采用的是平均误码率平均误码率；误码率并非越低越好，误码率越小，则系统越复杂，造价越高；误码率并非越低越好，误码率越小，则系统越复杂，造价越高；计算机通信中一般要求其平均误码率低于计算机通信中一般要求其平均误码率低于1010-9-9；通信系统的有效性与可靠性两者之间是通信系统的有效性与可靠性两者之间是相互联系、相互制约相互联系、相互制约的。的。2.1 数据通信基础三三. 通信信道的频率特性通信信道的频率特性 频率特性分为幅频特性和相频特性频率特性分为幅频特性和相频特性 幅频特性幅频特性是指不同频率的信号在通过信道后，其输出信号幅是指不同频率的信号

28、在通过信道后，其输出信号幅值与输入信号的幅值之比，它表示了信号在通过信道的过程值与输入信号的幅值之比，它表示了信号在通过信道的过程中受到的不同衰减。中受到的不同衰减。相频特性相频特性是指不同频率的信号在通过信道后，其输出信号相是指不同频率的信号在通过信道后，其输出信号相位与输入信号的相位之差。位与输入信号的相位之差。信道的频率特性取决于传输介质的物理特性和中间通信设备信道的频率特性取决于传输介质的物理特性和中间通信设备的电气特性。的电气特性。2.1 数据通信基础四四. 信道带宽与介质带宽信道带宽与介质带宽信号带宽：信号频谱所占有的频率宽度。信号带宽：信号频谱所占有的频率宽度。 信号的有效带宽信

29、号的有效带宽2.1 数据通信基础四四. 信道带宽与介质带宽信道带宽与介质带宽信道带宽：信道带宽：是指信道容许通过的物理信号的频率范围，即容是指信道容许通过的物理信号的频率范围，即容许通过的信号的最高与最低频率之差。许通过的信号的最高与最低频率之差。介质带宽：介质带宽：是指该传输介质能通过的物理信号的频率范围。是指该传输介质能通过的物理信号的频率范围。介质带宽与信号的畸变介质带宽与信号的畸变2.1 数据通信基础四四. 信道带宽与介质带宽信道带宽与介质带宽信道容量：信道容量：是指信道在单位时间内可能传送的最大比特数。是指信道在单位时间内可能传送的最大比特数。 M 最大数据率最大数据率 (C) 2

30、6000 bps 4 12000 bps 8 18000 bps16 24000 bps32 30000 bps64 36000 bps C = 2W log2 MW = 带宽带宽M = 信号电平级数信号电平级数若码元的电平级数为若码元的电平级数为4 4( (即即1 1个码元携带个码元携带2bit2bit的信息量的信息量) ) 话音级线路的话音级线路的信道容量计算信道容量计算 (3000 Hz)NyquistNyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。2.1 数据通信基础五五.信噪比对信道容量的影响信噪比对信道容量的影响信噪比：信噪比：

31、信号功率信号功率S S与噪声功率与噪声功率NN的比值。一般用的比值。一般用10lgS/N10lgS/N来表示，来表示，单位分贝（单位分贝（dB)dB)。Shannel计算公式：高斯噪声干扰信道的信道容量C C表示信道容量，表示信道容量，W表示信道带宽。表示信道带宽。从上式可以看到，提高信噪比或增加信道带宽均可增加信道容从上式可以看到，提高信噪比或增加信道带宽均可增加信道容量。量。C = W log2 (1+SN)b/sb/s2.1 数据通信基础五五. 信噪比对信道容量的影响信噪比对信道容量的影响例：信道带宽例：信道带宽W=3KHz，信噪比为，信噪比为10dB（S/N=10)，则，则 C=300

32、0*log2(1+10) 10380bps如果信噪比提高为如果信噪比提高为20dB（S/N=100)，则，则 C=3000*log2(1+100) 19980bps1. 1.增加带宽也可以提高信道容量。但噪声功率增加带宽也可以提高信道容量。但噪声功率N=N=Wn0( (n0为噪声的单边功率谱为噪声的单边功率谱密度）。随着密度）。随着W增大，增大，NN增大，会导致信噪比降低。增大，会导致信噪比降低。2.2.在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。即提高信道带宽可在信道容量一定时，带宽与信噪比之间可以相互弥补。即提高信道带宽可使具有更低信噪比的信号得以通过，而传输信噪比比较高的信号时，可适

33、当使具有更低信噪比的信号得以通过，而传输信噪比比较高的信号时，可适当放宽对信道带宽的要求。放宽对信道带宽的要求。2.1 数据通信基础五五. 信噪比对信道容量的影响信噪比对信道容量的影响Nyquist公式和公式和Shannel公式的比较公式的比较C = 2W log2M 此公式说明数据传输率此公式说明数据传输率C C随信号编码级数增加而增加。随信号编码级数增加而增加。 C = W log2(1+S/N) 无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。了信道能达到的最高传输速率。 原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。

34、原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。2.1 数据通信基础5. 信号的传输模式信号的传输模式基带传输基带传输基带基带（basebandbaseband）（）（BABBAB）：是数字数据转换为传输信号时其）：是数字数据转换为传输信号时其数据变化本身所具有的频带。数据变化本身所具有的频带。例如：例如：数字信号的基本频带：数字信号的基本频带：0 0若干若干MHzMHz。由传输速率而定。由传输速率而定。基带传输基带传输：基带传输是指在基本不改变数字信号频率的情况基带传输是指在基本不改变数字信号频率的情况下，直接按基带信号进行的传输。它不包含任何调制（频率变下，直接按基带信号进行的传输。它不包含任

35、何调制（频率变换），按数据波的原样进行传输。换），按数据波的原样进行传输。2.1 数据通信基础5. 信号的传输模式信号的传输模式基带传输的特点：基带传输的特点： （1 1）信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器，）信号按位流形式传输，整个系统不用调制解调器， 使使得系统价格低廉。得系统价格低廉。 （2 2）与宽带网相比，基带网的传输介质比较便宜，可以达）与宽带网相比，基带网的传输介质比较便宜，可以达到较高的数据传输速率到较高的数据传输速率( (一般为一般为lMbps10MbpslMbps10Mbps）但其传输距）但其传输距离一般不超过离一般不超过25km25km，传输距离越长，传输质量越低

36、。，传输距离越长，传输质量越低。 大部分微机局域网，控制局域网都是采用基带传输方式的大部分微机局域网，控制局域网都是采用基带传输方式的基带网。基带网。2.1 数据通信基础5. 信号的传输模式信号的传输模式载波传输载波传输载波信号载波信号：发送设备要产生某个频率的信号作为基波来承载数：发送设备要产生某个频率的信号作为基波来承载数据信号，这个基波被称为载波信号。据信号，这个基波被称为载波信号。载波传输载波传输：按幅值键控（按幅值键控（ASKASK）、频移键控（）、频移键控（FSKFSK）、相移键）、相移键控（控（PSKPSK）等不同方式，依照要承载的数据改变载波信号的幅）等不同方式，依照要承载的数

37、据改变载波信号的幅值、频率、相位，形成调制信号，载波信号承载数据后的信号值、频率、相位，形成调制信号，载波信号承载数据后的信号传输过程称为载波传输。传输过程称为载波传输。2.1 数据通信基础5. 信号的传输模式信号的传输模式载波传输的特点：载波传输的特点：（1 1）克服了目前长途电话线路不能直接传输基带信号的特点）克服了目前长途电话线路不能直接传输基带信号的特点; ;（2 2）可实现多路复用，提高了通信线路的利用率）可实现多路复用，提高了通信线路的利用率; ;（3 3）在接收端和发送端都要设置调制解调器。）在接收端和发送端都要设置调制解调器。2.1 数据通信基础5. 信号的传输模式信号的传输模

38、式宽带传输宽带传输 在同一介质上可以传输多个频带的信号。在同一介质上可以传输多个频带的信号。宽带传输的特点：宽带传输的特点： 可进行全部广播，还可以高速数据传输。可见宽带传输系统是模拟信可进行全部广播，还可以高速数据传输。可见宽带传输系统是模拟信号传输系统，可以在同一信道上进行数字和模拟信息服务。号传输系统，可以在同一信道上进行数字和模拟信息服务。宽带传输与基带传输的主要区别：宽带传输与基带传输的主要区别：（1 1）数据传输速率不同。基带网几十到几百）数据传输速率不同。基带网几十到几百Mbps,Mbps,宽带网可达宽带网可达Gb/sGb/s。（2 2）宽带网可划分多条基本通信信道。能提供多条良

39、好的通信路径。）宽带网可划分多条基本通信信道。能提供多条良好的通信路径。异步转移模式异步转移模式ATMATM ATM ATM（Asynchronous Transfer ModeAsynchronous Transfer Mode）是一种新的传输与交换数字信）是一种新的传输与交换数字信息的技术，也是实现高速网络的主要技术，被规定为宽带综合业务数字息的技术，也是实现高速网络的主要技术，被规定为宽带综合业务数字网（网（B-ISDNB-ISDN）的传输模式。）的传输模式。2.1 数据通信基础（1）计算机网络和网络拓扑）计算机网络和网络拓扑 计算机网络按地域范围可分为远程网和局域网。远程计算机网络按地

40、域范围可分为远程网和局域网。远程网的跨越范围可从几十网的跨越范围可从几十KmKm到几万到几万KmKm，其传输造价较高；局，其传输造价较高；局域网的距离只限于几十域网的距离只限于几十m m到到25Km25Km，一般为，一般为10Km10Km以内。以内。网络拓扑结构、信号方式、访问控制方式、传输介质是影网络拓扑结构、信号方式、访问控制方式、传输介质是影响网络性能的主要因素。网络的拓扑结构是指网络中节点响网络性能的主要因素。网络的拓扑结构是指网络中节点的互联形式。的互联形式。2.1 数据通信基础2.1 数据通信基础（2 2）星形拓扑）星形拓扑在星形拓扑中，每个节点通过点在星形拓扑中，每个节点通过点对

41、点连接到中央节点，任何两个对点连接到中央节点，任何两个节点之间通信都要通过中央节点节点之间通信都要通过中央节点进行。进行。星形拓扑可实现数据通信量的综星形拓扑可实现数据通信量的综合，合，每个终端节点只承担较小的每个终端节点只承担较小的通信处理量通信处理量。星形连接中，如果一条线路受损，星形连接中，如果一条线路受损，不会影响其他线路正常工作。不会影响其他线路正常工作。2.1 数据通信基础（3 3）环形拓扑环形拓扑在环形拓扑中，通过网络节点的点对在环形拓扑中，通过网络节点的点对点链路连接，构成一个封闭的环路。点链路连接，构成一个封闭的环路。信号在环路上从一个设备到另一个设信号在环路上从一个设备到另

42、一个设备单向传输，直到信号传输到目的地备单向传输，直到信号传输到目的地为止。为止。信号只能单向传输；信号只能单向传输；一个设备故障可能导致网络瘫痪。一个设备故障可能导致网络瘫痪。2.1 数据通信基础（4 4）总线形拓扑）总线形拓扑由一条主干电缆作为传输介质，由一条主干电缆作为传输介质，各网络节点通过分支与总线相连各网络节点通过分支与总线相连的网络拓扑结构。的网络拓扑结构。总线拓扑是工业数据通信中应用总线拓扑是工业数据通信中应用最为广泛的一种网络拓扑形式最为广泛的一种网络拓扑形式。2.1 数据通信基础（5 5）树形拓扑树形拓扑树形拓扑是星形拓扑的扩展形式。树形拓扑是星形拓扑的扩展形式。也有人认为

43、树形拓扑是总线拓也有人认为树形拓扑是总线拓扑的扩展形式。扑的扩展形式。树形拓扑可适用于很宽应用范围树形拓扑可适用于很宽应用范围，如对网络设备的数量、传输速如对网络设备的数量、传输速率和数据类型等，都没有太多限率和数据类型等，都没有太多限制，可到达很高的带宽。制，可到达很高的带宽。2.1 数据通信基础7. 网络的传输介质网络的传输介质 l传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。际传送信息的载体。l磁介质：高带宽、低费用、高延时（小时）磁介质：高带宽、低费用、高延时（小时） 例：例：80GB/180GB/1个移动磁盘

44、，个移动磁盘，700700盘，盘，24h24h可送到任何地方。可送到任何地方。 总容量总容量=80=80* *700=56000Gbits700=56000Gbits，总时间，总时间=24=24* *6060* *60=86400s60=86400s 传送速率传送速率=56000Gb/86400s648Mb/s =56000Gb/86400s648Mb/s l金属导体金属导体：双绞线、：双绞线、 同轴电缆同轴电缆( (粗、细粗、细) )l光纤光纤l无线介质无线介质：无线电、短波、微波、卫星、光波：无线电、短波、微波、卫星、光波2.1 数据通信基础7. 网络的传输介质网络的传输介质 （1 1）双

45、绞线）双绞线内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套-螺旋绞合的双导线，螺旋绞合的双导线， 1mm-每根每根4对、对、25对、对、1800对对-典型连接距离典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点： 成本低成本低 密度高、节省空间密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率）平衡传输（高速率） 抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离较短连接距离较短2.1 数据通信基础7. 网络的传输介质网络的传输介质 （1 1）双绞线）双绞线非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 (UTP)(UTP)3 3类、类、5 5类、类、6

46、6类类（16M16M、155M155M、1200M1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽双绞线外没有任何附加屏蔽2.1 数据通信基础（2 2）同轴电缆）同轴电缆7. 网络的传输介质网络的传输介质 l基带同轴电缆基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，一条电缆只用于一个信道，5050 ，用于数字传输。用于数字传输。l宽带同轴电缆宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，模拟信号，75 75 ，用于模拟传输，用于模拟传输，300450MHz300450MHz，100km100km，需要放大，需要放大器。器。铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护

47、套2.1 数据通信基础7. 网络的传输介质网络的传输介质 细同轴细同轴 -50 -50 ，D=1.02cmD=1.02cm -185m -185m；4 4中继、中继、5 5段（段（925m925m） - -优缺点：价格低，安装方便（优缺点：价格低，安装方便（T T型连接器、型连接器、BNCBNC接头、接头、TerminatorTerminator），抗干扰能力强，距离短，可靠性差。），抗干扰能力强，距离短，可靠性差。 粗粗同轴同轴 -50 -50 ，D=2.54cmD=2.54cm -500m -500m；4 4中继、中继、5 5段（段（2500m2500m） - -优缺点：价格稍高，安装方便

48、（收发器、收发器电缆、优缺点：价格稍高，安装方便（收发器、收发器电缆、TerminatorTerminator），）， 抗干扰能力强，距离中等，可靠性好。抗干扰能力强，距离中等，可靠性好。 （2 2）同轴电缆）同轴电缆2.1 数据通信基础7. 网络的传输介质网络的传输介质 l依靠光波承载信息依靠光波承载信息l速率高，通信容量大速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s100Gb/s）l传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输l抗干扰性能极好，保密性好抗干扰性能极好，保密性好l轻便轻便（3 3）光缆）光缆 l l光从一种介质入射到另一种介质时会

49、产生折射。折射量取决光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角于两种介质的折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会临界值时产生全反射，不会泄漏。泄漏。 l l光纤：纤芯光纤：纤芯- -折射率高、玻璃包层折射率高、玻璃包层- -折射率低折射率低 l l亮度调制，有脉冲亮度调制，有脉冲-1 -1，无脉冲，无脉冲-0-0 l l光传输系统光传输系统：光源、介质、光检测器：光源、介质、光检测器光源光源: 850nm/1300nm/1500nm: 850nm/1300nm/1500nm 发光二极管发光二极管 / / 激光二极管激光二极管 介质介质: : 光纤光纤光检

50、测器光检测器: : 光电二极管光电二极管PIN/PIN/雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管APDAPD l l单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤2.1 数据通信基础7. 网络的传输介质网络的传输介质 （3 3）光缆）光缆2.1 数据通信基础共享信道连接方法共享信道连接方法连接方法连接方法（1 1）集中器或复用器集中器或复用器（2 2）公用信道法公用信道法多点接入技术多点接入技术（1 1）随机接入随机接入（2 2） 受控接入受控接入集中器集中器公用信道法公用信道法2.1 数据通信基础（1）随机访问方式）随机访问方式随机访问方式随机访问方式： CSMA/CDCSMA/CDCSMA(Carr

51、ier Sense Multi-Access):CSMA(Carrier Sense Multi-Access):网路上任何节点都没有预定的发起通信的时间，节点随机向网网路上任何节点都没有预定的发起通信的时间，节点随机向网络发起通信。当遇到多个节点同时发起通信时，信号会在传输络发起通信。当遇到多个节点同时发起通信时，信号会在传输线上相互混淆而遭破坏，称为产生线上相互混淆而遭破坏，称为产生“冲突冲突”。为尽量避免由于。为尽量避免由于竞竞争引起的冲突，每个节点在发送信息之前，都要侦听传输线上争引起的冲突，每个节点在发送信息之前，都要侦听传输线上是否有信息在发送，这就是是否有信息在发送，这就是“载波

52、侦听载波侦听”。2.1 数据通信基础（1）随机访问方式）随机访问方式 随机访问方式随机访问方式：CSMA/CDCSMA/CDCD(Collision Detection)CD(Collision Detection)由于传输线上不可避免地存在传输延迟，有可能多个站同时侦由于传输线上不可避免地存在传输延迟，有可能多个站同时侦听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。故每个节点在开始听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。故每个节点在开始发送信息之后，还要继续侦听线路，判定是否有其他节点正与发送信息之后，还要继续侦听线路，判定是否有其他节点正与本节点同时向传输介质发送，一旦发现，便中止当前发送，这本节点

53、同时向传输介质发送，一旦发现，便中止当前发送，这就是就是“冲突检测冲突检测”。2.1 数据通信基础（1）随机访问方式）随机访问方式CSMA/CDCSMA/CD发送数据流程发送数据流程(1)(1)当某个节点要发送数据，先当某个节点要发送数据，先侦听媒体侦听媒体，判断是否有信号在传输；，判断是否有信号在传输；(2)(2)如果有如果有信号传输信号传输，转，转(1) (1) ，继续侦听；，继续侦听；(3)(3)如果媒体上无信号传输，如果媒体上无信号传输，发送数据发送数据，同时对媒体，同时对媒体继续监听继续监听；(4)(4)如果发出信息与监听信息一致，则认为如果发出信息与监听信息一致，则认为无冲突无冲突

54、，数据正确发送，完成发送，数据正确发送，完成发送任务；任务；(5)(5)如果发送数据与监听信息不一致，则认为如果发送数据与监听信息不一致，则认为发生冲突发生冲突，立即中止发送过程，立即中止发送过程，并向媒体发送并向媒体发送“冲突强化冲突强化”信号，使其他节点感知冲突，本节点计算发送信号，使其他节点感知冲突，本节点计算发送失败的次数；失败的次数；(6)(6)如果发送失败的次数小于某个阀值，按二进制指数退避算法生成等待时间如果发送失败的次数小于某个阀值，按二进制指数退避算法生成等待时间值，值，等待一定时间等待一定时间，转，转(1) (1) ，重新发送；，重新发送；(7)(7)如果发送失败的次数大于

55、某个阀值，停止发送尝试，通知用户，产生如果发送失败的次数大于某个阀值，停止发送尝试，通知用户，产生网络网络错误错误。2.1 数据通信基础（1）随机访问方式）随机访问方式 CSMA/CDCSMA/CD接收数据流程接收数据流程 网络上每个节点都网络上每个节点都监听媒体监听媒体，若有信号传输，则收集信息并组，若有信号传输，则收集信息并组成帧；然后，节点分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址成帧；然后，节点分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址是本地地址，复制接收该帧；否则，是本地地址，复制接收该帧；否则，丢弃该帧丢弃该帧。 CSMA/CD CSMA/CD可归结为四句话：可归结为四句话： 发前先侦听，

56、空闲即发送，发前先侦听，空闲即发送， 边发边检测，冲突时退避。边发边检测，冲突时退避。2.1 数据通信基础（1）随机访问方式）随机访问方式CSMACSMA的类型的类型一、一、不坚持不坚持CSMACSMA 假如监听的结果表明介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，则等待假如监听的结果表明介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，则等待一段随机时间，再重新监听。一段随机时间，再重新监听。二、二、1 1坚持坚持CSMACSMA 假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，继续监听，直到介质空假如介质是空闲的，则发送。假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，立即发送。假如冲突发生，则等待一段随机时间，继续监听

57、。闲，立即发送。假如冲突发生，则等待一段随机时间，继续监听。 三、三、P P坚持坚持CSMACSMA 假如介质是空闲的，则以一定的概率假如介质是空闲的，则以一定的概率P P坚持发送，或以（坚持发送，或以（1-P1-P）的概率延迟）的概率延迟一个时间单位后再听。这个时间单位等于最大的传输延迟。假如介质是忙一个时间单位后再听。这个时间单位等于最大的传输延迟。假如介质是忙的，继续监听直到介质空闲，再以一定的概率的，继续监听直到介质空闲，再以一定的概率P P坚持发送。坚持发送。2.1 数据通信基础（2）受控访问方式）受控访问方式轮叫轮询和传递轮询轮叫轮询和传递轮询一、一、轮叫轮询轮叫轮询(roll-c

58、all polling)(roll-call polling)由主机预先确定的顺序轮流向各站发送查询或其他信息，并由主机预先确定的顺序轮流向各站发送查询或其他信息，并接收各站发来的信息。接收各站发来的信息。轮叫轮询采用多点线路。轮叫轮询采用多点线路。二、二、传递轮询传递轮询(hub polling)(hub polling)它将控制权按顺序从一个站到另一个站。这一方法实际上就它将控制权按顺序从一个站到另一个站。这一方法实际上就是是令牌传递环令牌传递环所采用的方法，不过这里采用的是所采用的方法，不过这里采用的是主机集中主机集中控制控制。轮叫轮询采用轮叫轮询采用多点线路或具有控制站的环形拓扑结多点

59、线路或具有控制站的环形拓扑结构构。2.1 数据通信基础受控访问方式：受控访问方式：令牌访问控制方式令牌访问控制方式ADFEBC令牌环BAFEDC完成功能：完成功能： 令牌传递算法令牌传递算法逻辑环的初始化（启动、超时）逻辑环的初始化（启动、超时）站插入算法站插入算法退出环路退出环路出错恢复出错恢复令牌总线令牌环（令牌环（ ）拓扑结构：点到点链路拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环。连接，构成闭合环。2.1 数据通信基础 循环冗余校验循环冗余校验 循环冗余校验（循环冗余校验（cyclic redundancy check,CRC)cyclic redundancy check,CRC)对传对传输

60、序列进行一次规定的除法操作，将除法操作的余数输序列进行一次规定的除法操作，将除法操作的余数附加在传输信息的后边。在接收端，也对收到的数据附加在传输信息的后边。在接收端，也对收到的数据做相同的除法。如果接收端除法得到的结果其余数不做相同的除法。如果接收端除法得到的结果其余数不是零，就表明发生了错误。是零，就表明发生了错误。 基于除法的循环冗余检验，其计算量大于奇偶校验基于除法的循环冗余检验，其计算量大于奇偶校验与求和校验，它能够检测出大约与求和校验，它能够检测出大约99.95%99.95%的错误。的错误。数据通信基础2.循环冗余校验的工作原理循环冗余校验的工作原理发送方接收方发送的数据发送的数据