《计算机网络技术》课件-第2章 数据通信基础知识

2.1数据通信的基本概念主要内容2信息、数据与信号1通信方式2数据通信中的主要技术指标3

1.信息、数据与信号信息(Information)：字母、数字、语音、图象等的组合。数据(Data)：传递信息的实体，常是二进制代码序列。信号(Signal)：数据在传输过程中的电信号表示形式。

信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。数字信道：以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道

2.tta)模拟信号b)数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：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2.通信方式通信方式----按使用的信道数分：串行通信串行通信是指用一条数据线传送比特流，一次只传送一个比特。并行通信并行通信是指同时有多条数据通道，可同时传送多个比特。2.通信方式通信方式----按数据流动的方向分：单工：数据单向传输（无线电广播）半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽：链路具有两条物理上独立的传输线路或将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输数据通信的操作方式3.数据通信中的主要技术指标数据传输速率指每秒能传送的二进制信息位数，也叫比特单位：位/每秒，记作bps或bit/s。信号传输速率单位时间里通过信道传输的码元个数，也叫波特率。单位：波特，记作Baud。比特率和波特率的关系：S=Blog2N或B=Slog2N其中N是信号的编码级3.数据通信中的主要技术指标信道容量：指1个信道的最大数据传输速率。单位：位/每秒。误码率指二进制数据位传输时出错的概率，是衡量信道传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10－6

。P=错误的位数/传输的总位数在同一个信道上的同一时刻，能够进行双向数据传送的通信方式是（）。A.单工 B.半双工 C.全双工 D.上述三种均不是在同一个信道上的同一时刻，能够进行双向数据传送的通信方式是（）。A.单工 B.半双工 C.全双工 D.上述三种均不是答案：C2.2数据编码技术主要内容14数字数据的模拟信号编码1数字数据的数字信号编码2

模拟数据的数字信号编码3调制解调器MODEM（Modulation-demodulation）：

是进行数据信号——模拟信号和模拟信号——数据信号转换的装置。计算机网络的远距离通信时经常借助于电话系统2.数字数据的模拟信号编码基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波u(t)=Asin(

t+

)u(t)的参量包括：振幅A、频率

、相位

调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化振幅键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅移频键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频移相键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相

打开示例返回3.数字数据的数字信号编码非归零码(NRZ，Non-ReturntoZero)曼彻斯特编码(Manchestercode)：差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)183.数字数据的数字信号编码非归零码(NRZ，Non-ReturntoZero)：二进制数字0、1分别用两种电平来表示。如：用低电平表示0，高电平表示1。缺点：当0和1个数不相等时，存在直流分量不具备自同步机制，必须使用外同步打开示例曼彻斯特编码(Manchestercode)：

用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：低→高的跳变——0，高→低的跳变——1每个码元正中间出现一次电平跳变，便于接收端从中提取同步信号优点：自含同步信号，以跳变表示采样信号，接收端不需要时钟抗干扰强，以跳变的存在表示采样，干扰小，常用于以太网中。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）打开示例差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)与曼彻斯特编码比较：相同之处：在每个码元的中间，信号都会发生跳变，作同步之用。不同之处在于：码元开始边界有无跳变来表示0和1：码元开始边界有跳变——0码元开始边界无跳变——1打开示例非归零码4.模拟数据的数字信号编码语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。脉冲编码调制(PulseCodeModulation，PCM)是一种对模拟信号数字化的取样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。脉冲编码调制需要经过三个步骤：采样——按一定间隔对语音信号进行采样量化——对每个样本舍入到量化级别上编码——对每个舍入后的样本进行编码奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。能从数据信号波形中提取同步信号的典型编码是（）。A.归零码 B.不归零码 C.定比码 D.曼彻斯特编码答案：D能从数据信号波形中提取同步信号的典型编码是（）。A.归零码 B.不归零码 C.定比码 D.曼彻斯特编码本讲小结数字数据的模拟信号编码振幅键控ASK、移频键控FSK、移相键控PSK数字数据的数字信号编码非归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码模拟数据的数字信号编码脉冲编码调制PCM262.3数据传输技术主要内容28传输方式1同步技术2多路复用技术31.传输方式（1）基带传输人们把数字数据信号固有的频带称为基带，相应的矩形脉冲信号称为基带信号。基带传输技术是指在数字信道上，直接传送基带信号的方法，它是最基本的数据传输方式。大多数局域网都使用基带传输，如以太网。计算机调制解调器调制解调器计算机公用电话网1.数据传输方式（2）频带传输是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号，这种利用模拟信道传输数字信号的方法称为频带传输技术。在实现远距离通信时，经常借助于电话线路，此时就需要利用频带传输方式。采用频带传输时，调制解调器是最典型的通信设备，要求在发送和接收端都要安装调制解调器1.数据传输方式（3）宽带传输宽带指比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱。使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统。宽带传输通过借助频带传输，将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号，如CATV，ISDN等。1.数据传输方式（4）调制解调器的基本工作原理调制解调器的工作原理：通过调幅、调频等技术实现数字信号和模拟信号的转换。全双工通信的工作原理：使用带通滤波器将双方的发送与接收通道分开，达到全双工通信的目的。322.同步技术所谓同步，就是要求通信的接收端要按照发送端所发送的每比特的重复频率以及起止时间来接收数据，即收发双方在时间基准上保持一致。数据通信的同步包括：位同步、字符同步。2.同步技术（1）位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步外同步法——发送端发送数据的同时，另外发送同步时钟信号，接收方用它来校准自己的时钟脉冲频率。内同步法——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号本身包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

2.同步技术（2）字符同步保证收发双方正确传输字符，分为同步式和异步式。同步式——由同步控制字符领先，以组为单位连续传送。2.同步技术异步式——每个字符独立传送，各字符间的时间间隔可以任意。需添加冗余位以确认字符的开始和结束。如图所示，1个起始位、8个数据位、1个停止位，其效率为：

小于8/10（80％）38计算机网络通信采用同步和异步两种方式，传送效率最高的是（

）。A．同步方式B．异步方式C．同步与异步方式传送效率相同D.无法比较39计算机网络通信采用同步和异步两种方式，但传送效率最高的是（

）。A．同步方式B．异步方式C．同步与异步方式传送效率相同D.无法比较答案：A本讲小结传输方式：基带传输频带传输宽带传输调制解调器的工作原理

40同步技术位同步外同步法内同步法字符同步同步式异步式

DEMUX复用器分用器共享信道MUX3.多路复用技术多路复用技术：指在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。发送方通过复用器将多个用户的数据汇集，经一条物理线路传送到接收设备，接收设备再通过分用器将数据分离成单独的数据，分发给接收方的多个用户。3.多路复用技术多路复用一般可以分为以下3种基本形式：频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）时分复用（TimedivisionMultiplexing，TDM）42频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing)原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。警戒频带CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f频分多路复用频分多路复用主要用于宽带模拟线路中：

3.多路复用技术波分多路复用(WaveDivisionMultiplexing)原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。3.多路复用技术时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)工作原理：以信道传输时间作为分割对象，把时间分割成小的时间片，通过为多个用户分配不同的时间片的方法来实现多路复用。适合于数字信号的传输。分类同步时分多路复用（STDM）统计时分多路复用（ATDM）/异步时分多路复用

3.多路复用技术同步时分多路复用（STDM）将时间片固定分配给各个信道，不考虑信道是否有数据发送，这要求收发双方必须同步，当某用户无数据发送时，其他用户也不能占用其时间片，将会造成带宽浪费3.多路复用技术统计时分多路复用（ATDM）也叫异步时分多路复用根据用户对时间片的需要来分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片，同时，对每一个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于哪一个用户。提高了通信线路利用率。483.多路复用技术同步时分复用与统计时分复用的比较：（多选题）下面有关多路复用技术描述正确的有:A.FDM的前提是传输介质的可用带宽要大于多路给定信号所需带宽的总和。B.TDM可分为同步TDM和异步TDM。C.异步TDM又称为统计时分多路复用技术。D.对于模拟信号，可以将TDM和FDM组合起来使用。50（多选题）下面有关多路复用技术描述正确的有:A.FDM的前提是传输介质的可用带宽要大于多路给定信号所需带宽的总和。B.TDM可分为同步TDM和异步TDM。C.异步TDM又称为统计时分多路复用技术。D.对于模拟信号，可以将TDM和FDM组合起来使用。51答案：ABCD本讲小结多路复用技术：频分复用FDM波分复用WDM时分复用TDM522.4数据交换技术主要内容电路交换1存储—

转发交换232.4.1电路交换

电话交换：

两部电话机只需要用一对电话线就能够互相连接起来。

更多的电话机互相连通

5部电话机两两相连，需10对电话线。

更多的电话机互相连通

N部电话机两两相连，需N(N–1)/2对电话线。

当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电话线对的数量与电话机数的平方成正比。使用交换机

当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。

…

交换机交换

什么是交换？

按某种方式动态地分配传输线路资源。

例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。

最初的交换：人工转接交换

为什么要采用交换技术？

节省线路投资，提高线路利用率。电路交换

电路交换（CircuitSwitching）

也称为线路交换，它是一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道。——称为“面向连接的”

特点：

数据传输前需要建立一条端到端的通路。

通信过程：建立连接→数据通信→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1交换机2交换机3交换机4用户线用户线中继线中继线BDCA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1交换机2交换机3交换机4用户线用户线中继线中继线BDCA电路交换的优缺点

建立连接的时间长；

一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；

无纠错机制；

建立连接后，传输可靠、传输延迟小、实时性好电路交换不适用于计算机通信，因为计算机数据具有突发性。2.4.2存储转发交换

存储转发交换（StoreandForwardSwitching）

报文交换

分组交换数据报虚电路报文交换

在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(messageswitching)。

报文:

需要发送的整个数据块，如一个数据文件、一篇新闻稿件等，而不是数据的一部分。每个报文包括三个部分：报头、正文和报尾。

报头中有报文号、源地址和目的地址；

正文是要发送的数据块；

报尾包含报文的校验信息，用来进行差错检查和纠错。报文交换的原理

在报文交换网中，网络节点通常为一台专用计算机，备有足够的外存，以便在报文进入时进行缓冲存储。

节点接收一个报文之后，报文暂时存放在节点的存储设备之中，等输出电路空闲时，再根据报文中所指的目的地址转发到下一个合适的节点，如此往复，直到报文到达目标数据终端为止。报文交换特点（1）源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通道，仅在相邻节点传输报文时建立节点间的连接。——称为“无连接的”（2）与电路交换相比，报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延；（3）线路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据；（不用独占）（4）要求节点具备强的报文数据存储能力，一般节点由微机或小型机担当；

报文交换特点（5）数据传输可靠性高。（有差错检查；某线路有故障可选其他路径）；（6）整个报文（Message）作为一个整体一起发送。每个节点都要把报文完整的接收、存储、检错、纠错、转发，产生了节点延迟；（7）报文交换对报文长度没有限制，报文大小不一，造成存储管理复杂，缓冲器无法分配；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；（8）报文出错后整个报文要全部重发。

针对报文交换的缺点提出了一种改进方式：分组交换分组交换

分组交换（PacketSwitching）：将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。分组头部信息中应包含分组编号。

特点：

数据传输前不需要建立一条端到端的通路——也是“无连接的”。

强大的功能，如纠错机制、流量控制、拥塞控制、路由选择等。报文分组交换的原理

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

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

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分组首部的重要性

每一个分组的首部都含有地址等控制信息。

分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。

用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。分组交换的原理

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数据首部分组

3收到的数据数据数据数据分组交换的原理

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

分组交换优缺点：（1）对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组——速度快；（2）转发延时小——适用于交互式通信；（3）某个分组出错可以仅重发出错的分组——效率高；（4）各分组可通过不同路径传输，容错性好。（5）需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。存储转发交换

存储转发交换（StoreandForwardSwitching）

报文交换

分组交换数据报虚电路

在数据报操作方式中，每个分组自身携带有足够的信息，它的传送是被单独处理的。

整个分组传送过程中，不需要建立虚电路，网络节点为每个分组作路由选择，各分组不能保证按顺序到达目的节点，有些还可能会丢失。数据报方式（Datagram）数据报方式

各分组中包含目的节点的地址，可根据各分组独立地确定路由（传输路径）。

不能保证分组按序到达，目的节点需要按分组编号重新排序和组装数据报方式不能保证分组按序到达分组可能通过多个路径穿越网络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数据报分组交换的特点

每一个报文分组在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址。

同一报文的不同分组可以有不同的传输路径通过通信子网。

同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复或丢失现象。

使用数据报方式时，数据报文分组传输延迟较大，适用于突发性通信，但不适用于长报文、会话式通信。

虚电路是由分组交换通信所提供的面向连接的通信服务。

在两个节点或应用进程之间建立起一个逻辑上的连接或虚电路后，就可以在两个节点之间依次发送每一个分组，接收端收到分组的顺序必然与发送端的发送顺序一致，因此接收端无须负责在接收分组后重新进行排序。

虚电路是建立一条逻辑的连接。虚电路方式（VirtualCircuit）虚电路方式

通信前预先建立一条逻辑连接——虚