数据通信与网络技术 课件 第2章 数据通信基础

第2章数据通信基础本章提要数据通信的基本概念传输介质信号编码数据交换技术多路复用技术2.1数据通信的基本概念2.1.1数据信息和数据通信1.信息、数据和信号通信的目的是交换信息。信息的载体可以是多媒体，包含声、文、图等。被传输的二进制代码称数据，是信息的载体。信号是数据在传输过程中的表示形式，信号包括模拟和数字。2.1.2.数据通信模型数据通信：将数据信息通过适当的线路从一端传到另一端。两类：模拟通信系统、数字通信系统。补充：模拟通信系统普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统。补充：数字通信系统计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。2.1.3.数据通信的主要技术指标（1）数据传输速率数据通信速率：指数据在信道中传输的速度。分为两种：数据传输速率和信号传输速率。信号传输速率RB：又称波特率，单位时间内传送的信号个数，单位为波特/秒（Baud/s），；数据传输速率Rb：又称为比特率，单位时间内传送的二进制位个数，单位为比特/秒（bit/s）；注意区分二者！！奈奎斯特和香农定理(续)1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。B=2W（Baud）--------(W为信道带宽)在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。奈奎斯特和香农定理(续)香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的数据传输速率。信道的极限数据传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。奈奎斯特和香农定理(续)举例：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则

C=3100*log2(1+2000)≈34Kbit/s香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。若信道带宽

W

或信噪比

S/N

没有上限，则信道的极限信息传输速率

C

也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。2.1.3数据通信的主要技术指标（续）（2）误比特率：指二进制数据位在数据传输中出错的概率，是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误比特率=错误比特数/传输总比特数（3）信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。2.1.3数据通信的主要技术指标（续）(4)信道是信号传输的通道，包括传输媒体和通信设备。传输媒体：电缆、光纤、电磁波等。通信设备：路由器、交换机等。(5)

信道带宽是由信道的物理特性所决定的(单位HZ)例如，电话线路的频率范围在300～3400Hz，则它的带宽300～3400Hz。2.2.1数据通信方式1、串行通信和并行通信2、单工、半双工和全双工通信3、基带传输、频带传输和宽带传输4、数据通信的同步方式：异步方式同步方式2.2数据传输技术1、串行通信和并行通信并行通信数据在多个并行信道上同时进行传输。并行通信的优点是速度快，但费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。串行通信数据流以串行方式在一条信道上传输，由于计算机内部都采用并行通信。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。2、数据传输方向（1）单工通信单工方式指通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送。（2）半双工通信半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。（3）全双工通信全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输。比如，电话通话。2.2.2数据传输的同步技术同步问题在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同。通常使用的同步技术有两种：异步方式同步方式（1）异步传输方式（字符同步）异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。（2）同步传输方式在同步传送时，由于发送方和接收方数据块作为一个单位传送，且附加位又非常少。使用场合：高速传输数据的系统，比如计算机之间的数据通信。异步传输和同步传输的区别1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。2异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。3异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。4异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。5异步传输相对于同步传输效率较低。2.2.3信号传输方式1、基带传输2、频带传输3、宽带传输2.2.4数据编码技术信道分为模拟信道和数字信道，而依赖于信道传输的数据也分为模拟数据与数字数据。数字编码(NRZ、曼彻斯特等)数字数据数字信号(数字信道)调制(ASK、FSK、PSK等)数字数据模拟信号(模拟信道)脉冲编码调制PCM模拟数据数字信号(数字信号)调制（AM、FM、PM等）模拟数据模拟信号(模拟信道)1.调制与解调2.模拟数据的调制传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，用于传输音频300Hz～3400Hz的模拟信号，不能直接传输数字数据。对模拟数据调制的基本方法有三种：幅移键控、频移键控和相移键控。2.模拟数据的调制2.模拟数据的调制2.模拟数据的调制2.模拟数据的调制2.模拟数据的调制模拟数据的调制示例2.数字数据的编码数字数据的编码方式有三种：非归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码

非归零(non-returntozero)编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码数字数据编码的示例2.2.5多路复用技术信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。原因：1、线路费用高

2、传输介质容量一般高于单一信道通信量2.2.5多路复用技术三种信道复用方式：频分复用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)波分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)（1）频分多路复用FDM(模拟)FDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段（带），每个信号占其中一个频段。接收时用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。（2）时分多路复用TDM时分多路复用是将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片，按一定的次序轮流给给个信号源使用。(使用时分的前提是什么？)TDM又分为同步时分复用（SynchronousTimeDivisionMultiplexing，STDM）和异步时分复用（AsynchronousTimeDivisionMultiplexing，ATDM）。STDM采用固定时间片分配ATDM采用动态时间片分配（2-1）同步时分复用STDM（2-2）异步时分复用异步时分复用技术又被称为统计时分复用，它能动态地按需分配时间片，避免每个时间段中出现空闲时隙。（2-2）异步时分复用由于每个时间片传输的数据中必须包含地址域，因此在提高传输介质利用率的同时也降低了有效数据的传输率（3）波分多路复用WDMWDM主要用于全光纤网组成的通信系统。波分复用就是光的频分复用。传输介质与信道(补充)传输介质与信道是不同范畴的概念传输介质是指传输信号的物理载体信道提供了传输某种信号所需的带宽，着重体现介质的逻辑特性一个传输介质可能同时提供多个信道一个信道也可能由多根传输介质级联而成2.3数据交换技术数据交换的基本概念：通常将数据在通信子网中各节点间的数据传输过程称为数据交换。网络中常用的数据交换技术可分为两大类：线路交换和存储转发交换其中存储转发交换交换技术又可分为：

报文交换、分组交换2.3.1电路交换方式首先要建立一个实际的物理线路连接，其中可能穿过多个交换局，每个交换局都必须提供连接一旦建立连接，整个通路将被独占，数据在链路中进行传输，数据中无需包含目的地址数据传送完毕释放线路2.3.1电路交换方式(电话)电路交换在数据传输过程中要经过三个阶段：建立连接、数据传输、释放连接优点：通信实时性强，适用交互式会话类通信缺点：对突发性通信不适应，效率低、系统无存储能力、冲突概率高、无差错控制等特点：电路交换是面向连接的服务电路交换方式的工作原理2.3.2存储交换方式报文交换1）物理数据传输过程要跨越多少个节点(通常是路由器)，只要下一节点不忙，该数据即发送2）数据的传输不需建立连接，数据的传输是一站一站往下送，所以数据中必须包含目的地址，采用存储-转发机制。3）线路利用率高4）数据传输过程中，可能延时较大，不可估计5）中间节点需有足够大缓存，但报文大小不定，所以缓存通常设置在硬盘中2.3.2存储交换方式分组交换1）与报文交换相似，只是将报文分为若干个定长的分组，每个分组为一个子报文2）数据中必须包含目的地址，采用存储-转发机制，线路利用率高3）数据传输过程中，可能延时较大，不可估计4）中间节点必须有缓存，但分组大小固定，所以缓存通常设在内存中5）分组发送与接收的顺序可能不一致，接收时可能需要重组交换技术图示分组交换分为：数据报方式

虚电路方式数据报方式数据报是分组存储转发的一种形式；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“线路连接”；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；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。数据报方式的工作原理实例：数据报方式主机A通信子网主机D数据报方式主机C主机B虚电路方式将电路交换的概念引入到分组传输虚电路建立

传输方发起连接请求，中间节点根据路径信息建立交换表，在交换表内，节点为连接分配一个虚电路号与输出端口号关联数据传输分组中无目的地址，只有虚电路号，接收分组时在路由表中检查虚电路号，转发至相应端口虚电路释放

虚电路方式的工作原理实例：虚电路方式主机A主机C通信