网络通信与OSI3a.ppt

1、第三章 数据通信基础第一节 数据编码技术1.1 数据编码类型,1.2 模拟数据编码方法,传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适用于传输音频范围（300Hz3400Hz）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号； 为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟信号； 将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称为调制，将调制设备称为调制器（modulator）； 将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称为解调，将解调设备称为解调器（demodulator）； 同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器（modem）。,在调制过程中，选

2、择音频范围内的某一角频率的正（余）弦信号作为载波，该正（余）弦信号可以写为： u（t）= umsin（t+0） 3个可以改变的电参量： 振 幅 um 角频率 相 位 可以通过变化3个电参量，来实现模拟数据信号编码的目的。,1. 振幅键控（amplitude shift keying , ASK）,umsin（1t+0） 数字1 u（t）= 0 数字0 振幅键控ASK信号实现容易，技术简单，但抗干扰能力较差。,2.移频键控（ frequency-shift keying ，FSK ）,umsin（1t+0） 数字1 u（t）= umsin（2t+0） 数字0 移频键控FSK信号实现容易，技术简单

3、，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。,3.移相键控（phase-shift keying，PSK）,绝对调相 umsin（t+0） 数字1 u（t）= umsin（t+ ） 数字0 移相键控可以分为： 绝对调相 相对调相 二相调相 多相调相,1.3 数字数据编码方法,基带传输在基本不改变数字数据信号频带（即波形） 的情况下直接传输数字信号，可以达到很高的数据传 输速率与系统效率; 在基带传输数字数据信号的编码方式主要有： 非归零码NRZ； 曼彻斯特（manchester）编码； 差分曼彻斯特（difference manchester）编码。,1.非归零码NRZ,NRZ码的缺点是无法

4、判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步； 为保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步信号； 如果信号中“1”与“0”的个数不相等时，存在直流分量。,2.曼彻斯特（manchester）编码,曼彻斯特编码的规则： 每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分； 通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特 的原码； 曼彻斯特编码的优点： 每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时 间间隔可以是T/2或T； 利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号； 曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码”信号，发送曼 彻斯特编码信号时无需另发同步信号。,差分曼彻斯特（dif

5、ference manchester）编码,差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是： 每比特的中间跳变仅做同步之用； 每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定; 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳变表示传输二进制1。,数字数据编码信号的波形,1.4 脉冲编码 调制方法,采样 量化 编码,PCM用于数字语音系统： 声音分为128个量化级； 每个量化级采用7位二进制编码表示； 采样速率为8000样本/秒； 数据传输速率应达到7位8000/秒 =56kb/s； 如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示; 数据传输速率应达到8位80

6、00/秒 = 64kb/s。,第二节 基带传输技术 2.1 基带传输的定义,在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号; 矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号; 在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输; 在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号; 在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号; 基带传输是一种最基本的数据传输方式。,2.2 通信信道带宽对基带传输的影响,通信信道带宽对数据信号传输中失真的影响很大； 信道带宽越宽，信号传输的失真越小。

7、,2.3 数据传输速率的定义与信道速率的极限数据传输速率的定义,数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一； 数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做b/s； 常用的数据传输速率单位有：Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s，其中： 1Kb/s = 1103 b/s 1Mb/s = 1106 b/s 1Gb/s = 1109 b/s 1Tb/s = 11012 b/s,信道速率的极限值,奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数据传输速率 Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz） 的关系为Rmax=2f（b/s）。 香农定理：在有随机热噪声的信道

8、上传输数据信号时， 数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N 的关系为Rmax = Blog2（1+S/N） S/N为信噪比。,第三节 频带传输技术3.1 电话交换网的结构,3.2 频带传输的定义,利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输； 调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备； 调制解调器的作用是： 在数据的发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号； 在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。,3.3 调制解调器的基本工作原理,modem实现全双工通信的工作原理,第四节 多路复用技术,多路复用的基本概念,4.1 多路复用技术的分类,频分多

9、路复用FDM 波分多路复用WDM 时分多路复用TDM,4.2 频分多路复用,在一条通信线路设计多路通信信道; 每路信道的信号以不同的载波频率进行调制; 各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。,贝尔系统的T1载波,24路音频信道复用在一条通信线路上； 每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器； 编码器每秒取样8000次； 24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中； 每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制； 每帧由248=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有193位； 发送一帧需要125毫秒； T1载波的

10、数据传输速率为1.544Mb/s。,4.3 波分多路复用,光纤通道（fiber optic channel）技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM; 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM； 目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s 。,4.4 时分多路复用,时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片； 每个用户分得一个时间片； 在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。,时分多路复用的分类,同步时分多路复用 统计时分多路复用,第五节 广域网中的数据交换技术,广域网中的数据交换技术 线路交换（circuit exchang

11、ing） 存储转发（store-and-forward exchanging）交换 存储转发交换技术 报文（message exchanging ） 报文分组交换（packet exchanging ）,.1 线路交换方式,线路交换是面向连接的服务； 两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接； 线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段； 线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会话类通信； 线路交换方式的缺点是：对突发性通信不适应，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。,线路交换过程示意图,.2 存

12、储转发交换方式存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别,发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网； 通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。,存储转发方式的优点,由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高； 通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径； 可以平滑通信量，提高系统效率； 分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性； 通过通信控制处理

13、机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。,报文与报文分组,数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（packet）两种方式； 报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送； 报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。,报文和报文分组结构,由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少； 限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率； 公用数据网采用的是分组交换技术。,.3 数据报方式,数据报是分组存储转发的一种形式；

14、 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示意图,数据报工作方式的特点,同一报文的不同分组可以由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结点时可能出现乱序、重复与丢失现象； 每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址； 数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,.4 虚电路方式,虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数

15、据交换效果; 数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路; 虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。,虚电路方式 原理示意图,虚电路的特点,在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在； 一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象； 分组通过虚电路上的每个结点时

16、，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择； 通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。,虚电路方式与线路交换方式的不同之处,虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接，称为“虚电路”是因为这种电路不是专用的。每个结点到其他结点间可能有无数条虚电路存在； 一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路； 每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。 由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。,.5 ATM交换方式,ATM是一种面向连接的技术； 采用小的、固定长度53字节的信元作为数据传输单元； 能够支持数字、语音、图像、视频等多媒体通信； ATM以统

17、计时分多路复用方式动态分配网络带宽，网络传输延时小，适应实时通信的要求； ATM没有链路级纠错与流量控制，协议简单，数据交换效率高； ATM采用两级虚电路机制，增加了虚电路分配的灵活性； ATM的数据传输速率可以在155Mb/s2.4Gb/s。,ATM信元结构,ATM是一种高速分组交换技术，交换的基本数据传输单元是信元； 在ATM交换方式中，文本、语音、视频等所数据将被分解为长度固定的信元（Cell）； 信元有一个5字节的信元头（header）与一个48字节的用户数据（user data），信元长度为53字节。,物理链路（Physical Link） 虚通路（VP，Virtual Path）

18、虚通道（VC，Virtual Channel）,虚通路连接与虚通道连接,支持远程教学的ATM网,用于多媒体传输的虚通道,第五节 同步数字体系SDH 5.1 SDH发展的背景,早期的数字传输系统与设备在运行过程中暴露出固有的弱点: 数据传输速率不标准 ,存在着T1 与E1两个互不兼容的标准，在高次群的速率方面，日本又使用了第三种不兼容的标准； 光设备接口标准不规范，没有国际的标准规范，各个厂家使用自己标准 ； 数据传输速率不断提高，解决复用系统中的同步问题困难较大。,同步光纤网SONET,同步光纤网的概念是由美国贝尔通信研究所首先提出来的； 设计同步光纤网的目的是解决光接口标准规范问题，定义同步传输的线路速率的等级体系，以使不同的厂家的产品可以互连，从而能够建立大型的光纤网络； 1988年ITU-T接受了SONET的概念，并重新命名为同步数字体系SDH，使之不仅仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输，成为通用性技术体制； ITU-T对SDH的速率、复用帧结构、复用设备、线路系统、光接口、网络管理和信息模型等进行了定义，确立了作为国际标准的同步数字体系SDH； 目前各个发达国家都把SDH作为新一代的传输体系