《计算机网络技》 课件 第2章 数据通信基础-

第2章数据通信基础追踪一段数据，从信息到信号，再到目的地模型→理论上限→编码→传输→复用→交换第2章数据通信基础02学习路径用七个问题贯穿数据通信全过程每个问题都对应一个可观察、可计算或可判断的结论01通信由谁完成？02速率上限在哪里？03比特怎样变成信号？04信号怎样双向传输？05多路数据怎样共享？06结点怎样选择出口？07如何逼近香农极限？核心能力：看懂通信过程｜算出理论上限｜比较技术取舍｜解释工程选择第2章数据通信基础032.1数据通信的基本模型一次通话中，信息、数据与信号分别在哪里？信源→发送设备→传输系统／信道→接收设备→信宿12.1数据通信的基本模型042.1数据通信的基本模型五个角色串成通信链路，噪声始终可能介入先识别角色，再追踪转换信源与信宿信息从哪里产生，最终由谁使用发送与接收设备完成信号转换与恢复传输系统／信道承载信号，也会引入衰减、失真与噪声通信是双向角色切换应答时，发送端与接收端互换2.1数据通信的基本模型05场景映射一段语音会多次改变表现形式，但信息目标保持不变声音→数据→电磁信号／光信号→数据→声音采样与编码无线传输骨干光纤无线传输解调与还原2.1数据通信的基本模型06角色与职责每个角色只回答一个问题，组合后才能完成通信把复杂链路拆成五个清晰职责信源产生信息人、传感器、应用发送设备形成信号编码器、调制器信道承载信号铜线、光纤、空气接收设备恢复信息解调器、解码器信宿使用信息人、程序、设备噪声：改变信号2.1数据通信的基本模型072.1.2数据、信息和信号三者不是同义词：含义、载体与物理表现各不相同理解边界，才能准确描述通信过程信息要表达的内容与含义“明天9点上课”数据表示信息的符号集合文字、数字、图像、声音信号数据在介质中的物理表现电信号、光信号、电磁波信息数据信号表达编码／调制2.1数据通信的基本模型08信号形态数字信号取值离散，模拟信号随时间连续变化不是“数字设备只能传数字信号”数字信号离散电平｜边界清晰｜便于再生01模拟信号连续变化｜易受噪声叠加｜适合载波调制示例：以太网电信号示例：无线电波、光信号2.1数据通信的基本模型09端到端转换通信的本质是“信息—数据—信号”的往返转换传输介质只看到信号，用户最终获得信息原始信息语音含义数据采样后的比特发送信号电磁波／光接收数据恢复的比特还原信息扬声器声音表示编码／调制解调／解码解释成功通信=含义正确+数据完整+信号可辨认2.1数据通信的基本模型102.2数据通信的理论基础一条信道的速度为什么不可能无限提高？带宽与速率→码元与波特→奈奎斯特→信噪比→香农22.2数据通信的理论基础112.2.1关键概念“带宽”在模拟通信与数字通信中表达的量不同先确认语境，再看单位模拟通信中的带宽Hz可传输的频率范围高频上限-低频下限；强调频谱宽度低频高频数字通信中的带宽bit/s单位时间的数据能力常用于描述链路速率或运营商接入能力2.2数据通信的理论基础12码元与速率波特率数“车辆”，比特率数“货物”一个码元可以携带多个比特波特率每秒传输多少个码元码元码元码元码元4个码元比特率每秒传输多少个二进制位00011011每个码元携带2bit→4个码元共携带8bit比特率=波特率×log₂V2.2数据通信的理论基础13换算示例状态数决定每个码元能够携带多少比特先算每码元信息量，再乘波特率已知条件码元状态数V=4波特率=2400baud求：比特率①每码元携带信息量log₂4=2bit②比特率2400×2=4800bit/s答案：4.8kbit/s2.2数据通信的理论基础142.2.2奈奎斯特定理理想低通信道的上限由带宽和码元状态共同决定无噪声，但仍不能无限加快Rmax=2Wlog₂VW：信道带宽（Hz）｜V：码元离散状态数｜Rmax：最高比特率（bit/s）2W最高码元速率码元上限：2Wbaudlog₂V每码元信息量提高调制阶数可以增加每个码元携带的比特乘积最高比特率扩大带宽或增加状态数，都可提高理论速率2.2数据通信的理论基础15奈奎斯特例题3kHz理想信道采用四状态码元，最高比特率为12kbit/s公式应用必须同时看W与VW=3000HzV=4Rmax=2×3000×log₂4=2×3000×2=12000bit/s工程含义：增加“车道数”或增加“每辆车载货量”都能提高理想上限2.2数据通信的理论基础162.2.3信噪比带宽像车道数，信噪比像能见度：两者共同限制现实速度高带宽不等于高容量带宽W车道越多，理论通行能力越大信号功率S有效车辆更容易被识别噪声功率N浓雾与杂波降低辨认能力S/N比值越高，信号越清晰2.2数据通信的理论基础17分贝不是线性比值30dB对应的线性信噪比是1000，而不是30代入香农公式前必须完成换算SNR(dB)=10log₁₀(S/N)分贝用于压缩很大的功率比；香农公式中的S/N使用线性比值已知30dBS/N=10³=1000易错点：不能把“30dB”直接作为S/N代入C=Wlog₂(1+S/N)2.2数据通信的理论基础18香农定理现实信道的容量由带宽与信噪比共同决定噪声存在时，调制再复杂也不能突破容量上限C=Wlog₂(1+S/N)W：带宽（Hz）｜S/N：线性功率比｜C：极限数据传输速率（bit/s）W频谱资源增加带宽可直接提高容量，但频谱和介质成本有限S/N信号清晰度提高信号或降低噪声能够提高容量，但收益呈对数增长log₂边际收益递减功率增加很多，容量只按对数缓慢增加2.2数据通信的理论基础19香农例题3kHz信道、30dB信噪比的容量约为29.9kbit/s先把dB换为线性比值1①换算信噪比30dB→S/N=10³=10002②代入公式C=3000×log₂(1+1000)3③得到结果C≈29901bit/s≈29.9kbit/s容量是理论上限；实际协议开销、编码冗余和设备性能会使有效速率更低2.2数据通信的理论基础20两大定理的边界奈奎斯特回答“无噪声能多快”，香农回答“有噪声最多多快”工程设计必须同时满足两个约束比较维度奈奎斯特定理香农定理信道条件无噪声、理想低通信道存在随机噪声的现实信道核心变量带宽W、状态数V带宽W、信噪比S/N回答问题码元与比特率的理想上限可靠传输的绝对容量上限工程启示提高调制阶数可增大速率功率收益递减，噪声决定天花板常见错误把波特率等同比特率把dB值直接代入S/N实际最高速率≤min（奈奎斯特上限，香农容量）2.2数据通信的理论基础21工程决策提升速率有三条杠杆，但每一条都有成本与边界带宽、调制与信噪比必须联合设计扩大带宽更宽频谱或更高规格介质代价成本高，频谱稀缺提高调制阶数每码元携带更多比特代价对信噪比和设备精度要求更高改善信噪比增强信号、降低噪声、优化编码代价功率收益递减，可能带来干扰商业网络的性能来自“多种技术共同逼近理论边界”，不是单点突破2.2数据通信的理论基础222.3编解码与调制解调抽象的0和1，怎样变成介质中真实存在的信号？编码／解码→NRZ同步难题→曼彻斯特→差分曼彻斯特32.3编解码与调制解调232.3.1基本概念编码面向数字信号，调制把数据装载到连续载波两组操作都包含发送端与接收端的逆过程编码⇄解码二进制数据⇄数字信号典型场景：以太网基带传输典型设备：有线网卡调制⇄解调二进制数据⇄模拟信号典型场景：光纤、无线宽带传输典型设备：光猫、无线收发器共同目标：让数据适配信道，并在接收端可可靠恢复2.3编解码与调制解调24教材波形对照同一比特序列，可以映射为完全不同的电平变化规则不同，时钟同步与抗干扰能力也不同不归零编码NRZ电平直接表示0或1，效率高但同步困难曼彻斯特编码每个比特中间必有跳变，自带时钟差分曼彻斯特编码中间跳变同步，起始有无跳变表示数据2.3编解码与调制解调252.3.2NRZ的同步难题长串相同比特没有跳变，接收端容易“数不清”简单并不等于可靠发送比特11111111高电平时钟漂移接收端无法从长时间不变的电平中判断究竟包含多少个比特周期解决方向：让波形定期产生可观察的跳变2.3编解码与调制解调262.3.3曼彻斯特编码每个比特中间强制跳变，让数据信号自带时钟用带宽换同步与可靠性10110每位中点必跳变优点自同步、可靠性高代价跳变更多，编码效率约50%2.3编解码与调制解调272.3.4差分曼彻斯特中间跳变负责同步，位开始处的变化关系负责表示数据看“变化”，不依赖绝对电平1中间必跳变起始跳变1中间必跳变起始跳变0中间必跳变起始不变1中间必跳变起始跳变0中间必跳变起始不变优势：对线路极性反转不敏感，抗干扰能力更强；典型应用为令牌环网2.3编解码与调制解调28编码方式比较选择编码不是只看简单程度，而是平衡效率、同步与抗干扰同一场景没有万能最优解编码方式数据表示规则时钟同步编码效率典型特征NRZ高低电平直接表示0/1弱高长串相同比特易失步曼彻斯特位中跳变同时表示数据强约50%标准以太网曾广泛采用差分曼彻斯特位中同步，位首变化表示数据强约50%抗极性反转，令牌环使用技术取舍：更多跳变→更可靠的时钟恢复，但需要更多带宽2.3编解码与调制解调292.4数据传输方式信号可以向哪里走？一条信道又该怎样使用？单工／半双工／全双工→基带传输／宽带传输42.4数据传输方式302.4.1按通信方向分类区别不在于“能否双向”，而在于“能否同时双向”方向与时间是判断关键单工只有一个固定方向，角色不互换半双工双方都能发送，但必须交替使用信道全双工双方可以同时发送和接收2.4数据传输方式31场景判断广播、对讲机与电话，分别对应三种方向组织方式从“谁能发送”和“能否同时”判断→广播电台→收音机单工只有电台发送⇄对讲机半双工按下说话，松开收听⇆电话与交换式以太网全双工双方可同时收发网络接口通常采用全双工，但共享无线介质仍可能需要协调发送时机2.4数据传输方式322.4.2基带与宽带基带独占整条信道，宽带把总带宽划分为多个子信道一条专用铁轨vs.一条多车道城市道路基带传输直接传输未调制的数字信号单一路信号近距离、技术简单、成本低｜典型：以太网宽带传输多路调制信号并行占用不同子信道远距离、共享信道、需要调制解调｜典型：光纤、Wi-Fi、5G2.4数据传输方式33选择传输方式先判断方向，再判断信号是否需要共享频带用两个维度快速定位方案通信需求方向组织频带使用单工半双工全双工基带宽带是否双向／能否同时直接数字信号／多子信道调制2.4数据传输方式342.5多路复用技术怎样让成百上千路数据共享一条高容量链路？复用／分用→FDM→TDM／STDM→WDM→CDM52.5多路复用技术352.5.1多路复用的定义发送端合并，接收端分离：一条链路承载多路业务共享的是物理信道，区分依据由复用方式决定AABBCCDD复用器MUX分用器DEMUX共享高容量信道多路输入按规则区分多路还原2.5多路复用技术362.5.2频分多路复用FDM不同用户长期占用不同频带，彼此并行传输在频率轴上“分车道”用户A用户B用户C用户D频率f保护频带典型应用：广播电台｜有线电视｜无线网络频段划分2.5多路复用技术372.5.3时分多路复用固定TDM按轮次分配，统计TDM按需求分配空闲用户是否占用时间片，决定利用率固定时分复用TDMABCDABCD若B空闲，B的时间片仍被保留并浪费统计时分复用STDMACDACADC只给有数据的用户分配时间片，提高链路利用率2.5多路复用技术382.5.4波分多路复用WDM多种波长在同一根光纤中并行传播本质是光通信领域的频分复用不同波长输入光复用器共享光纤光分用器不同波长输出DWDM可在单根光纤中承载几十到上百路不同波长的光信号2.5多路复用技术392.5.5码分多路复用CDM所有用户可同时同频发送，接收端用正交码序列分离像多人用不同语言同时交谈A用户A++++B用户B+-+-C用户C++--同频叠加信道相关解码正交码的核心：与自己的码相关时得到强响应，与其他码相关时接近02.5多路复用技术40四种复用方式比较它们都在共享信道，只是选择了不同的“区分维度”频率、时间、波长与码序列复用方式区分维度用户关系典型应用主要注意点FDM不同频带同时并行广播、有线电视需要保护频带TDM／STDM不同时间片轮流使用数字载波、交换转发固定时隙可能轮空WDM不同光波长同时并行光纤骨干网光器件精度与成本CDM／CDMA不同正交码同时同频无线通信码设计与功率控制复杂选择依据：业务连续性｜介质类型｜调度复杂度｜频谱与设备成本2.5多路复用技术412.6数据交换技术数据到达十字路口后，结点该怎样“指路”和转发？电路交换→分组交换→数据报／虚电路→报文交换62.6数据交换技术422.6.1电路交换先建立专用通路，再稳定传输，结束后释放资源三阶段缺一不可01建立连接选择并独占端到端通路02数据传输时延稳定，不与其他业务争用03释放连接通信结束后归还线路资源优势固定时延、无排队冲突代价空闲时仍独占，利用率低2.6数据交换技术432.6.2分组交换数据被切成独立分组，共享链路并可选择不同路径打包—分发—重组源R1R2R3R4目的123451打包2独立选路与存储转发3按序重组共享率高、健壮性好；代价是排队时延、抖动和可能乱序2.6数据交换技术44分组交换的两种模式数据报逐包独立选路，虚电路沿预先建立的逻辑链路传输物理线路都仍然是共享的数据报Datagram无连接通信前不建立逻辑链路逐包独立每个分组携带完整地址并独立选路可能乱序到达后需要排序与重组虚电路VirtualCircuit面向连接通信前建立逻辑链路沿链传输所有分组遵循相同逻辑路径顺序稳定转发状态更复杂，但便于服务保障共同点：不建立专用物理电路，链路资源仍由多个通信共享2.6数据交换技术452.6.3报文交换整份报文逐站存储再转发，等待时间和缓存压力都很大分组交换出现后逐渐被取代源结点1完整存储结点2完整存储结点3完整存储目的问题：每个结点必须等整份报文接收完毕才能转发大报文→大缓存→大时延→出错时需要重传整份报文2.6数据交换技术46三种交换方式比较互联网选择分组交换，因为突发业务更需要共享率与健壮性没有绝对最好，只有场景匹配比较维度电路交换报文交换分组交换连接准备必须建立专用电