数据通信基本知识

1、本课程主要内容：n第1章：计算机网络概述n第2章：数据通信基本知识 n第3章：计算机网络体系结构 n第4章：局域网原理与技术n第5章：Internet技术与应用 n第6章：网络信息安全与网络管理第第2 2章章 数据通信基础知识数据通信基础知识 2.1 2.1 数据通信系统数据通信系统2.2 2.2 数据传输方式数据传输方式2.3 2.3 数据交换技术数据交换技术2.4 2.4 差错控制技术差错控制技术2.5 2.5 数据传输的基本介质数据传输的基本介质2.12.1数据通信系统数据通信系统数据通信系统数据通信系统构成构成 传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调

2、制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机DTEDCEDCEDTE 通过数据电路将分布在远通过数据电路将分布在远地的数据终端设备连接起来，地的数据终端设备连接起来，实现数据传输、交换、存储和实现数据传输、交换、存储和处理的系统。处理的系统。 数据终端设备(DTE)DTE-用于发送和接收数据的设备。可以是大、中、小型计算机和PC，也可以是一台接收数据的打印机数据电路终接设备(DCE)DCE-用来连接DTE与数据通信网络的设备。它是DTE与通信子网的接口。功能：完成数据信号的变换。因为传输信道可能是模拟的，也

3、可以是数字的。Modem就是模拟信道的数据电路终端设备。数据数据-信息的表示方法信息的表示方法 n数据：传输信息的实体，分为模拟数据与数字数据n模拟数据：连续信息，是时间的连续函数n数字数据：离散信息，是时间的离散函数n信号：数据在传输过程中的表现形式（电气或电磁表现），分为模拟信号与数字信号n模拟信号：随时间连续变化的电流、电压或电磁波n数字信号：离散的电脉冲或光脉冲信号信号0V V( (t t) )t t模拟信号模拟信号0V V( (t t) )t t数字信号数字信号n模拟通信：信道中传输模拟信号模拟通信：信道中传输模拟信号n数字通信：信道中传输数字信号数字通信：信道中传输数字信号n数字通

4、信与模拟通信比较数字通信与模拟通信比较n一般数字信号传输比模拟信号传输更便捷、可一般数字信号传输比模拟信号传输更便捷、可靠，因为信号不需要调制解调过程，且很少受靠，因为信号不需要调制解调过程，且很少受噪声干扰的影响。噪声干扰的影响。n但数字信号比模拟信号容易衰减，因而数字信但数字信号比模拟信号容易衰减，因而数字信号只能在有限的距离内传输。当要增大传输距号只能在有限的距离内传输。当要增大传输距离时可使用中继器。离时可使用中继器。模拟通信和数字通信模拟通信和数字通信模拟信号和数字信号的传输模拟信号和数字信号的传输数据传输形式有四种：模拟数据模拟数据模拟信号模拟信号放大器放大器调制器调制器模拟数据模

5、拟数据数字信号数字信号 PCM编码器编码器数字数据数字数据模拟信号模拟信号调制器调制器数字数据数字数据数字信号数字信号 数字数字发送器发送器信道信道n通信中传递信息的通道n由相应的发送、转发、接收信息的设备及传输介质等组成n一个通信电路可以包括一个或多个信道n模拟信道、数字信道 n模拟信道：用模拟信号形式传输数据的信道，称为模拟信道。n数字信道：用数字信号形式传输数据的信道，称为数字信道。n带宽目前有两种相差甚远的含义：n电子学上的带宽，是指电路可以保持稳定工作的频率范围n数据传输概念上的带宽，是指每秒传输的二进制位数信道带宽信道带宽数据通信中的主要技术指标数据通信中的主要技术指标 n信道在单

6、位时间内传输的最大信号量，表示信道的传输能力。常用数据传输率bit/s表示。n信道容量与信道带宽成正比，因此常以带宽来表示信道容量。信道容量信道容量数据通信中的主要技术指标数据通信中的主要技术指标 n二进制数据位传输时出错的概率。 n在计算机网络中，一般要求误码率低于10e-6，若误码率达不到这个指标，可通过差错控制方法检错和纠错。误码率误码率数据通信中的主要技术指标数据通信中的主要技术指标 n按数据传输的顺序分为：按数据传输的顺序分为：串行传输和并行传输串行传输和并行传输n串行串行: :只有一条数据线只有一条数据线, ,数据一位位顺序传送数据一位位顺序传送n特点：特点：速度低但成本也低速度低

7、但成本也低; ; 支持长距离传输支持长距离传输n并行并行: :多个数据位利用多条数据线同时传输多个数据位利用多条数据线同时传输n特点特点: :速度高但成本也高速度高但成本也高; ;不支持长距离传输。不支持长距离传输。由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低。靠性较低。2.2 数据传输方式数据传输方式串行传输和并行传输串行传输和并行传输目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。目前计算机网络中所用的传输方式均为串行传输。 n串行通信的方向性结构有三种：单工、半双工、全双工数据传输方式数据传输方式发送设备接收设备数据流通信连接(a) 单工方式发送设

8、备接收设备数据流通信连接接收设备发送设备(b) 半双工方式发送设备接收设备数据流通信连接接收设备发送设备(c) 全双工方式n按数据传输的同步方式分为：按数据传输的同步方式分为：同步传输和异步同步传输和异步传输传输数据传输方式数据传输方式异步通信异步通信: :以字符为单位传输以字符为单位传输, ,每个字符带有起始每个字符带有起始位与停止位位与停止位, ,字符之间的间隔是任意的字符之间的间隔是任意的, ,发送接收发送接收时钟不要求严格同步。时钟不要求严格同步。异步通信帧格式：起始位，数据位，奇偶位，停异步通信帧格式：起始位，数据位，奇偶位，停止位。止位。异步通信帧格式异步通信帧格式帧格式：起始位，

9、数据位，奇偶位，停止位帧格式：起始位，数据位，奇偶位，停止位起始位起始位校验位校验位停止位停止位空闲位空闲位数据位数据位低位低位高位高位字符字符0/10/1 0/10/10/10/10/10/11 10 01 11 11 1同步通信同步通信同步通信同步通信: :以数据块方式传送以数据块方式传送, ,数据块内的字符数据块内的字符一个接一个传送一个接一个传送, ,数据块以同步字符开始数据块以同步字符开始, ,无信无信息传送时息传送时, ,要以同步字符填充要以同步字符填充. .发送接收时钟要发送接收时钟要严格同步严格同步. .同步字符同步字符数据数据数据数据数据数据校验字符校验字符同步与异步传输的区

10、别n异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。特的传输。n异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。异步传输的单位是字符而同步传输的单位是帧。n异步传输相对于同步传输效率较低。异步传输相对于同步传输效率较低。 多路复用技术多路复用技术终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端终端多多路路复复用用器器多多路路复复用用器器信道信道多路复用技术n多路复用的目的：多路复用的目的： 充分利用昂贵的通信线路，尽可能地容纳较多的用户，传输更多的信息n多路复用的基本原理：多路复用的基本原理： 当物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需的带宽时，可将该物理

11、信道的总带宽分割成若干个固定带宽的子信道，并利用每个子信道传输一路信号，从而达到多路信号共用一个信道，充分利用信道容量。多路复用技术n常用的多路复用技术n频分复用FDM Frequency Division Multiplexingn时分复用TDM Time Division Multiplexing n码分复用CDM Code Division Multiplexing 多路复用技术频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5 频分复用FDM各路信号利用不同的频段同时进行传输多路复用技术 时分复用TDM各路信号可利用相同的频段分时占用信道频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD

12、在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 时分复用TDMABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户时分复用可能会造成线路资源的浪费 统计时分复用STDM(Statistic TDM)也称异步时分复用用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用每个分块带地址信息每个分块带地址信息经过缓存后发送经过缓存后发送不固定分配时隙,按需动态分配时间片,因此可以提高信道利用率。采用STDM的各信号在每个时隙中都必须携带地址信息。 码分复用CDMn又叫码分多址CDMA (C

13、ode Division Multiple Access)。n特点：每个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行通信。各个用户的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的地址码序列来区分，或者说是靠信号的不同波形来区分。n交换技术：交换技术：动态地分配传输线路资源的技术。动态地分配传输线路资源的技术。n交换技术分类：电路交换、存储转发交换技术分类：电路交换、存储转发n常用的交换技术常用的交换技术: : 电路交换、电路交换、报文交换、分报文交换、分组交换。组交换。2.3 数据交换技术n在电路交换在电路交换(Circuit Switching)(Circuit Switching)中中,

14、, 通通过中间节点在两个端点之间建立一条专用的过中间节点在两个端点之间建立一条专用的物理连接。物理连接。电路交换n最典型的例子是电话交换系统。最典型的例子是电话交换系统。电路交换举例(交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCAA A 和和 B B 先建立物理线路再进行通信先建立物理线路再进行通信在电路交换方式中，一次数据通信过程要经历在电路交换方式中，一次数据通信过程要经历如下三个阶段如下三个阶段: : 1 1、电路建立阶段电路建立阶段 开始传送数据之前开始传送数据之前, , 必须建立端必须建立端- -端电路连接。端电路连接。2 2、数据传输阶段数据传输阶段一旦电路连接建立起来后

15、一旦电路连接建立起来后, , 就可以通过这条专用的电路就可以通过这条专用的电路来传输数据。来传输数据。3 3、电路拆除阶段电路拆除阶段 当数据传输结束后当数据传输结束后, , 应拆除连接应拆除连接, , 以释放该连接所占以释放该连接所占用的专用资源。用的专用资源。电路交换电路交换优缺点n优点：通信实时性强（只有线路时延），适用于实时大批量数据的传输n缺点：对突发性通信不适应，线路利用率低，数据通信效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。 n这种方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。当一个结点发送信息时, 它把要发送的信息组织成一个数据包报文, 该数据包中某个约定的位置含有目标结点

16、的地址。完整的报文在网络中一站一站地传送。n经过多次的存储转发, 最后到达目标结点，因而这样的网络叫存储转发网络。报文交换 报文交换图示 报文交换的优缺点n优点：相对于电路交换，报文交换线路效率高，节点可实现报文的差错控制及码制转换n缺点：报文经过节点时延迟较大，实时性差，对交换节点的存储量有较高要求。 分组交换分组交换n分组交换与报文交换类似。主要差别在于分组分组交换与报文交换类似。主要差别在于分组交换网络交换网络, , 要限制所传输数据单元的长度。要限制所传输数据单元的长度。n分组交换将报文分成若干较小的数据单元，每分组交换将报文分成若干较小的数据单元，每次只能发送一个单元。次只能发送一个

17、单元。n为了区别这两种交换技术为了区别这两种交换技术, , 分组交换中的数据分组交换中的数据单元称为分组单元称为分组(Packet)(Packet)。n在每个分组中都包含有数据和地址信息，其传在每个分组中都包含有数据和地址信息，其传输过程与报文交换方式相类似。输过程与报文交换方式相类似。 分组交换分组交换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n限制分组的最大长度，降低了节点所需的存储量。n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，因而提高交换速度n各分组可以独立路由，选择最佳路径分组交换的

18、优点n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。 n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。 分组交换的缺点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组路径可能变化数据报n双方通信之前不需要建立连接;n每个转发结点维持一个路由表,每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址,每个分组在每个结点进行独立路由;n当发生拥塞时,结点可根据情况丢弃一些分组;n不能保证分组到达结点的顺序与时间;n网络提供的是尽最大努力交付服务;n传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。数据报特点:虚电路服务的

19、特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1 要和 H5 通信主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。 虚电路H1 向 H5 发送的所有分组都沿此虚电路传送。n 发送前，必须在发、收方之间建立一条逻辑连接；n 一次通信的所有分组都通过同一虚电路顺序传送；分组不必带目的地址、源地址，但需要逻辑信道号；n 不会出现分组丢失、重复与乱序的现象，有质量保证；n 分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，不需要做路径选择。虚电路特点:2.4 2.4 差错检测技术差错检测技

20、术差错的产生差错的产生 信号在物理信道中传输时，线路本身电器特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电器信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰以及各种外界因素（如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等）都会造成信号的失真。 n检错码检错码n纠错码纠错码差错控制技术差错控制技术 最常用的差错控制方法是差错控制编码。奇偶校验例如，需要传输“01101100”，数据中含4个“1”，所以其奇校验位为“1”，同时把“11101100”传输给接收方。接收方收到数据后计算数据位中“1”的个数是否与校验位相一致。奇校验只能判断传送数据中奇数个数据从奇校验只能判

21、断传送数据中奇数个数据从0变为变为1或从或从1变为变为0的情况，对于传送中偶数个数据发生的情况，对于传送中偶数个数据发生错误，它就无能为力了。错误，它就无能为力了。 n反馈重传反馈重传n前向纠错前向纠错差错控制技术差错控制技术反馈重传反馈重传 记作ARQ(Automatic Repeat Request)，即根据双方约定的编码规则，由接收端判断传输中有无错误产生，并将其判断结果通过反向信道反馈给发送端。如果传输的数据有误，则发送端重新传送，直至传送正确为止。前向纠错前向纠错nFEC(Forward Error Correction)，即接收端发现错误后，不是由发送端重传进行纠正，而是由接收端通

22、过某种编码规则(如海明码)进行自动校正。由于这种纠错方法比较复杂，所需的冗余码元较多，实现比较困难，故很少使用。目前，绝大多数的通信系统所采用的差错控制方法都是反馈重发纠错法。 2.5 2.5 数据传输的基本介质数据传输的基本介质 n有线传输介质有线传输介质n无线传输介质无线传输介质有线传输介质n双绞线双绞线有线传输介质n同轴电缆同轴电缆有线传输介质n光纤光纤 光纤的优点 n因为传输的形式是光，所以光纤不会引起电磁干扰，也不会被干扰；n因为玻璃纤维可以被制成能反射光纤内绝大多数的光，所以光纤传输信号的距离比导线所能传输的距离要远得多；n与电信号相比，光可以对更多的信息进行编码，所以光纤可在单位时间内传输比导线更多的信息；n与电流总是需要二根导线形成回路不同，光仅需一根光纤即可从一台计算机传输数据到另一台计算机。比较无线传输介质n微波微波n激光激光n红外线红外线n短波短波 填空题 根据字符在信道的传输方式，字符编码在信源/信宿之间的传输分为 和 两种方式，目前计算机网络中所用的传输方式均为 。 串行通信中数据传输按信息传送的方向与时间可以分为 、 和 三种传输方式。 常用的信道复用技术有 、 和 几种。 交换方式可以分为 和 两大类，而 又可以分为报文交换和 。 计