数据通信基础知识

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,1,第,2,章 数据通信的基础知识,本章内容,,数据通信系统,,基本概念,,传输介质,,数据编码,,信道复用技术,,数据交换技术,,差错控制,,数据通信性能指标,2,2.1,数据通信系统,源系统,,源点：源点设备产生通信网络要传输的数据。,,发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。,,目的系统,,接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设

2、备处理的信息。,,终点：终点设备从接收器获取传送来的信息。,,传输系统,,可以是简单的物理通信线路,,也可以是连接源系统和目的系统之间的复杂网络设备,噪声,信源,发送器,信道,接收器,信宿,,源系统,,目的系统,3,数据通信基本过程,5,个阶段,,包含两项内容：,数据传输,和,通信控制,,过程 与打电话比较,,建立物理连接,拨号，拨通对方,,建立逻辑连接,互相确认身份,,数据传输,互相通话,,断开逻辑连接,互相确认要结束通话,,断开物理连接,双方挂机,*,注意，并不是所有的数据通信都需要全部,5,个阶段。,4,2.2,一些基本概念,数

3、据与信号,,信道,,通信方式,,传输方式,,同步方式,5,数据与信号,数据（,Data,）,,传递（携带）信息的实体。,,信息（,Information,）,,数据的内容或解释。,,信号（,Signal,）,,数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播,6,模拟信号,,时间上连续，包含无穷多个信号值,,数字信号,,时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号,t,a,） 模拟信号,t,b,） 数字信号,7,周期信号,,信号由不断重复的固定模式组成,（如正弦波）,,非周期信号,,信号没有固定的模式和波形循环,（如语音的音波信号）,。,t,T,T,T,t,T,T,T,

4、周期信号,非周期信号,t,t,8,信息编码,：,将信息用二进制数表示的方法。,,例如：,ASCII,编码、,BCD,编码等,,数据编码,：将数据用物理量表示的方法。,,例如：字符,‘,A,’,的,ASCII,编码为,01000001,，其数据编码可能为,0,1,0,0,0,0,0,1,t,9,信息通过数据通信系统进行传输的过程,,把携带,信息,的,数据,用物理,信号,形式通过信道传送到目的地,,信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输,,,,,,,,编码,：数据,→,适合传输的数字信号,——,便于同步、识别、纠错,,调制,：数字信号,→,适合传输的形式,——,按频率、幅度、相位,,解调,：接

5、收波形,→数字信号,,解码,：数字信号,→,原始数据,信息,→,数据,→,信号,→,在信道上传输,→,信号,→,数据,→,信息,数据编码,调制,解调,数据解码,,01000001,‘,A,’,01000001,‘,A,’,信道,信息编码,信息解码,10,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有,4,种情况：,数据,：模拟数据 数字数据,,,信号,：模拟信号 数字信号,,,信道,：模拟信道 数字信道,11,模拟传输和数字传输所使用的技术,话音,移频,,,调制,模拟,数字,,模拟,模拟,PCM,编码,数字,数字,数字编码,数字,模拟数据，模拟信号,数字数据，模拟信号,数字数据，数字信号,

6、模拟数据，数字信号,1010,1010,调制,12,编码与调制的区别,,编码,：用数字信号承载数字或模拟数据,,调制,：用模拟信号承载数字或模拟数据,Encoder,Decoder,数字或,,模拟数据,数字信号,x(t),g(t),数字或,,模拟数据,编码与解码,数字信道,发送方,接收方,g(t),,编码,,解码,13,调制与解调,数字或,,模拟数据,Modulator,Demodulator,数字或,,模拟数据,模拟信号,g(t),s(t),g(t),载波,模拟信道,发送方,接收方,调制,解调制,,,14,2.2.2,信道,,信道（,Channel,）,：传送信息的线路（或通路）。,,数字信

7、道,：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。,,计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输,,ADSL,、,ISDN,、,DDN,、,ATM,、局域网,,模拟信道,：以连续模拟信号形式传输数据的信道。,,CATV,、无线电广播、电话拨号线路,15,数字通信与模拟通信,,数字通信,,在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输,,模拟通信,,在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输,,数字通信的优点,,抗噪声（干扰）能力强,,可以控制差错，提高了传输质量,,便于用计算机进行处理,,易于加密、保密性强,,可以传输语音、数据、影像，通用、灵活,,计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电

8、话线拨号上网。,16,2.2.3,通信方式,单工,,数据单向传输,（例：无线电广播）,,半双工,,数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输,（例：对讲机）,,全双工,,数据可以双向同时传输,（例：电话）,,需要具有两条物理上独立的传输线路；,,或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。,17,,发送器,,接收器,,发送器,/,接收器,,发送器,/,接收器,,发送器,/,接收器,,发送器,/,接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A,站,B,站,可同时,不可同时,18,基带传输,：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。,,例如：以太网（局域网）,

9、,频带传输,：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。,,例如：通过电话网络传输数据,,宽带传输,：把信号调制成频带为几十,MHZ,到几百,MHZ,的模拟信号后再传送，接收方需要解调。,,例如：闭路电视的信号传输,2.2.4,传输方式,19,同步的因素：,,同步脉冲频率,,数据从什么时候开始，什么时候结束,,位边界,,数据块边界,,数据通信中需要在三个层次上实现同步：,,位,——,位同步,,字符,——,字符同步,,帧,(Frame),——,帧同步,2.2.5,同步方式,20,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始,,,●同步脉冲也可位于码元的中部,,●一个码元也可有多个同

10、步脉冲相对应,t,码元,1,码元,2,码元,3,码元,4,码元,5,信号,同步脉冲,t,21,目的：,使接收端与发送端在时间基准上一致,,外同步,——,发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,,,,,,,,,,自同步,——,通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,位同步,22,目的：,找到正确的字符边界。,,常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：,,1,个起始位、,5,～,8,个数据位、,1,、,1.5,或,2,个停止位,,采用这种同步方式的通

11、信也称,“,异步通信,”,。,,起止式的优缺点：,,频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；,,每两个字符之间的间隔时间不固定；,,增加了辅助位，所以传输效率低；,,例如，采用,1,个起始位、,8,个数据位、,2,个停止位时，其传输效率为,8/11≈,73,％,起始位,数据位,停止位,,字符间隔不固定,1,个字符时间,逻辑“,0”,逻辑“,1”,字符同步,23,目的,：识别一个帧的起始和结束,。,,帧（,Frame,）,：数据链路中的传输单位,——,包含数据和控制信息的数据块,,面向字符的,——,以同步字符（,SYN,，,16H,）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧,,面

12、向比特的,——,以特殊位序列（,7EH,，即,01111110,）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧,帧起始,控制信息,数据,帧结束,校验和,0 – n bit,8bit,8bit,8-32,m,7EH,7EH,帧同步,24,2.3,传输介质,磁介质,,,高带宽、低费用、,高延时（小时）,——,,在通信中很少使用,,,例：,7GB/8mm,磁带，,1000,盘,/50*50*50cm,3,，,24h,可送到任何地方。,,总容量,=7*1000*8Gbits,，总时间,=24*60*60=86400s,,,传送速率,=56000Gb/86400s=648Mb/s,,,若让刘翔来传送,1,

13、盘,10GB,的磁带，在,110,米（,12.91,秒）内其传输速率是多少？,,金属导体,,双绞线、 同轴电缆,(,粗、细,),,光纤,,无线介质,,无线电、微波、卫星、红外线,25,同轴电缆,（,Coaxial Cable,）,,计算机网络中使用基带同轴电缆,,阻抗,50,,，有粗同轴和细同轴两种,,应用：总线局域网（以太网）,,性能：,10Mb/s,，,500,米,/185,米,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,,26,双绞线,（,Twist Pair,，,TP,）,,--,螺旋绞合的双导线,,--,每根,4,对、,25,对、,1800,对,,--,典型连接距离,100m,（,LAN,

14、）,,--RJ45,插座、插头,,--,优缺点：,,成本低,,组装密度高、节省空间,,安装容易（综合布线系统）,,平衡传输（高速率）,,抗干扰性一般,,连接距离短,应用领域：电话网络、计算机局域网,内导体芯线,,绝缘,,内屏蔽,,外屏蔽,,外套,27,屏蔽双绞线,(STP),非屏蔽双绞线,(UTP),以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少,双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛,常用的双绞线：,3,类（,16Mb/s,）,,和,5,类（,155Mb/s,）两种,28,双绞线的连接标准,,色彩标记和连接方法：,,,,,,,,,交叉线：交换机,-,交换机、,PC-PC,、,HUB-HUB(,标准端口,),,

15、直连线：,PC/,路由器,-,交换机,/HUB,、,HUB-HUB(,级连端口,),线对,色彩码,1,白蓝，蓝,2,白橙，橙,3,白绿，绿,4,白棕，棕,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,交叉线,,EIA-568B,直连线,,EIA-568A,29,光纤,（,Optical Fiber,）,,依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播,,优缺点：,,传输带宽高：,仅受光电转换器件的限制（＞,100Gb/s,）,,传输损耗小，适合长距离传输,,抗干扰性能极好、误码率低，保密性好,,轻便,,价格较高,,需要

16、光电转换,,纤芯材料：,,塑料,,二氧化硅,,,（高纯玻璃）,30,光纤传输原理,——,光的反射,,光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。,,纤芯,-,折射率高，玻璃包层,-,折射率低,,亮度调制：有光脉冲,-1,，无光脉冲,-0,,光传输系统：光源、介质、光检测,,光源：,850nm/1300nm/1500nm,，发光二极管,/,激光二极管,,光检测器：光电二极管,PIN/,雪崩二极管,APD,,单向传输，双向需两根光纤,,应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接,31,多模光纤,(MMF),,,,,,单模

17、光纤,(SMF),：,光纤的直径接近一个光波波长,多束光线以不同的反射角传播,,,,激光器,,,包层，折射率低,纤芯，折射率高,亮度调制,,,光检波器,,,,激光器,,,,,光检波器,单束光线沿直线传播,32,典型的光缆,单芯光缆,多芯光缆,,玻璃封套,塑料外套,玻璃内芯,,,,,,玻璃内芯,塑料外套,玻璃封套,外壳,常见规格：纤芯,——50um,缓变型,-MMF,,62.5um,缓变型,/,增强型,-MMF,,8.3um,突变型,-SMF,,,包层,——125um,33,高密度多芯光缆,剖面结构,,,,,芯,封套,,,,,,,,,,外套,加强芯,光纤,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

18、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,外鞘,加强芯,光纤束,34,无线介质,（,信号在大气或外层空间自由传播）,,使用电磁波或光波携带信息,,优缺点：,,无需物理连接,,适用于长距离或不便布线的场合,,易受干扰,,反射，为障碍物所阻隔,,主要类型,：,,无线电、地面微波,,通信卫星,,红外线,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,35,微波通信,,通过地面站之间接力传送,,接力站之间距离：,50 -100 km,,速率：每信道,45 Mb/s,地球,,,,,地面站之间的直视线路,微波传

19、送塔,,36,地球同步卫星,,与地面站相对固定位置,,使用,3,颗卫星即可覆盖全球,,传输延迟时间长（≈,270ms,）,,广播式传输,,应用领域：,,电视传输,,长途电话,,专用网络,,广域网,35,784,,公里,地球,37,激光传输,,将激光束调制成光脉冲传输数据。,,特点：,,激光的频率更高，可获得更高的带宽。,,激光束的方向性好，不受电磁干扰的影响，不怕偷听。,,受天气影响,,只能在短距离通信中使用,38,红无线通信,,红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统。,,特点：,,红外通信的设备相对便宜，可获得高的带宽,,传输距离有限，而且易受室内空气状态（例如

20、有烟雾等）的影响。,39,短波通信,,基站与终端之间通信采用无线链路,,应用领域：移动通信、无线局域网（,WLAN,）,,BS,基站覆盖的无线电区域,,BS,基站,,用户计算机和终端,40,常用传输介质的比较,传输介质,,传输方式,,速率,/,,工作频带,,传输距离,,性能,,价格,,应用,,双绞线,,宽带,,基带,,≤,1Gb/s,,模拟,: 10km,,数字,: 500m,,较好,,低,,模拟,/,数字信号传输,,50,Ω,,同轴电缆,,基带,,10Mb/s,,<3km,,较好,,较低,,基带数字信号,,75,Ω,,同轴电缆,,宽带,,≤,450MHz,,100km,,较好,,较低,,模拟

21、电视、数据及音频,,光纤,,基带,,40Gb/s,,20km,以上,,很好,,较高,,远距离高速数据传输,,微波,,宽带,,4-6GHz,,几百,km,,好,,中等,,远程通信,,卫星,,宽带,,1-10GHz,,18000km,,很好,,高,,远程通信,,,41,2.4,数据编码,数字数据的数字信号编码,,使数字数据能在数字信道上传输,,数字数据的调制编码,,使数字数据能在模拟信道上传输,,模拟信号的数字编码,,使模拟数据能在数字信道上传输,42,1.,数字数据的数字信号编码,不归零码（,NRZ,，,Non-Return to Zero,）,,二进制数字,0,、,1,分别用两种电平来表示；,

22、,常用－,5V,表示,1,，＋,5V,表示,0,；,,缺点：,,存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；,,不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。,,曼彻斯特编码（,Manchester Coding,）,,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,：,,高→低的跳变代表,0,，低→高的跳变代表,1,,每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种,编码也称为自同步码（,Self-Synchronizing Code,）。,,缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的,2,倍）。,,差分曼彻斯特编码（,Differential,～,）,,

23、每个码元的中间,仍要发生跳变。,,用,码元开始处,有无跳变来表示,0,和,1,,，有跳变代表,0,，无跳变代表,1,。,43,三种数字编码的波形图,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,,时钟,NRZ,Manchester,差分,,Manchester,44,2.,数字数据的调制,三种常用的调制技术,：,,幅移键控,ASK,（,Amplitude Shift Keying,）,,频移键控,FSK,（,Frequency Shift Keying,）,,相移键控,PSK,（,Phase Shift Keying,）,,原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。,,,载波信号,S(t) =,

24、A,cos(,,t+,,),,,S(t),的参量包括：,幅度,A,、,频率,,,、,初相位,,,调制就是要使,A,、 或随数字基带信号的变化而变化,45,ASK,：用载波的两个不同振幅表示,0,和,1,,FSK,：用载波的两个不同频率表示,0,和,1,,PSK,：用载波的起始相位的变化表示,0,和,1,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,PSK,46,3.,模拟数据的数字信号编码,采样定理：,,如果模拟信号的最高频率为,F,，若以≥,2F,的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,,要转换的模拟数据主要是电话语音信号，模拟数据

25、要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。,,PCM,编码：,,采样,：按一定间隔对语音信号进行采样,,量化,：把每个样本舍入到最接近的量化级别上,,编码,：对每个舍入后的样本进行编码,,编码后的信号称为,PCM,信号（脉码调制,, Pulse Coded Modulation,）。,47,语音信号的数字化,,语音带宽,f<4kHz,,采样时钟频率：,8kHz,（,>2,倍语音最大频率）,,样本量化级数：,256,级（,8bit/,每样本）,,数据率：,8000,次,/s*8bit = 64kb/s,,每路,PCM,信号的速率,= 64kb/s,模拟,,语音信号,采样时钟,PCM,信号,采样

26、电路,量化和编码,,数字化,,语音信号,f<4kHz,f,s,=8kHz,48,PCM,编码过程举例,,语音信号,011 100 011 011 001 100,,PCM,输出,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,,PCM,信号,,（有量化误差）,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,,PAM,信号,49,2.5,多路复用技术,多路复用,：多个信息源共享一个公共信道,,为何要复用？,——,提高线路利用率,,适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时,,类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）,,DEMUX,,,,,,,,,,,,,复用器,

27、解复用器,共享信道,MUX,信源,信宿,50,复用的基本思想：,,把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据,。,,复用方法,,频分复用,FDM,（,Frequency Division Multiplexing,）,,按频率划分不同的信道，如,CATV,系统,,时分复用,TDM,（,Time,Division Multiplexing,）,,按时间划分不同的信道，目前应用最广泛,,波分复用,WDM,（,Wave,Division Multiplexing,）,,,按波长划分不同的信道，用于光纤传输,,码分复用,CDM,（,Code,Division Multiplexi

28、ng,）,,按地址码划分不同的信道，非常有发展前途,51,频分复用,FDM,,原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。,CH2,CH1,CH3,原带宽,CH1,CH2,CH3,移频后带宽,,MUX,CH1,CH2,CH3,带宽复用信号,f,,复用器,,52,时分复用,TDM,,原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。,A2,A1,A3,原始信号,,D2,D1,D3,数字化信号,,,MUX,复用后的数据流,时隙号,,1,,2,,3,,1,,D3,D2,

29、D,1,,时间片,1,2,,,时间片,2,D,1,时隙,D2,复用器,t,53,由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为,同步时分复用,。,,一个时间片内传输的多路数据称为,帧,。,,时分复用的典型例子：,PCM,信号的传输,,把多个话路的,PCM,语音数据用,TDM,的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）,,每帧在一个时间片内发送,,每个时隙承载一路,PCM,信号,54,统计（异步）,TDM,——,STDM,,TDM,的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。,,STDM,：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。,,,,,

30、,,,,,,A,B,C,D,,待发数据,t,1,t,2,t,3,A,1,B,1,C,1,D,1,C,2,D,2,A,2,B,2,时间片,1,时间片,2,同步,TDM,带宽浪费,A,1,B,1,B,2,时间片,1,时间片,2,,,,,,统计,TDM,可用带宽,C,2,55,时分复用,——,数字载波复用标准,T-,标准 （北美、日本）,,E-,标准 （欧洲、,中国,、南美）,,E1,（一次群）标准,,每,125us,为一个时间片，每时间片分为,32,个通道（时隙）。每个时隙可容纳,8bit,。,,通道,0,用于同步，通道,16,用于信令，其他,30,个通道用于传输,30,个,PCM,话音数据。,,

31、E1,速率,=,（,32x8bit,）,/125us = 2.048 Mb/s,,对,E1,进一步复用，还可构成,E2,到,E5,等高次群。,,E5,可承载,7680,个话路，数据率约为,565Mb/s,。,,新的,TDM,标准是同步光网络（,SONET,）和,ITU-T,的同步数字系列（,SDH,）。常用的线路速率为（近似值）,155Mb/s,，,622Mb/s,，,2.5Gb/s,和,10Gb/s,。,56,E1-,帧格式,E1,线路也可以用于计算机通信,0,1,2,,16,,31,时间片,125,m,s = 32,时隙，,2.048 Mb/s,帧同步,信令,30,路数字语音数据（,PCM

32、,数据）,+2,路控制,,,用户话路,用户话路,15,17,57,波分复用,——,光的频分复用,,原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。,F2,F1,F3,光谱,F1,F2,F3,共享光纤的光谱,,,光纤,2,光纤,3,光纤,1,共享光纤,,,,棱柱,/,衍射光栅,58,码分复用,CDM,,原理：,每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码,（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。,,地址码序列必须两两相互

33、,正交,：,,码序列,A,、,B,，应满足,,,A,,B =0,，,A,,B,',=0,，,A,,A =1,，,A,,A,',=-1,,,其中,,为内积运算。,,在无线移动通信中应用广泛。,59,2.6,数据交换技术,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。,,实现交换的方法主要有：,电路交换,、,报文交换,和,分组交换,。,60,电路交换,,在通信双方之间建立一条临时专

34、用线路的过程。,,可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。,,特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。,——,称为,“,面向连接的,”,（典型例子：电话）,,过程：,建立连接,→,通信,→,释放连接,,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，传输延迟小。,,不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到,10%,。,,例如：建立连接的时间为,0.5,秒，计算机以,1Mb/s,的速率发送,10k,字节。线路利用率＝？,61,电话网络中的电路交换,,,,,,,,电路交换也能在多路复用信道上实现,,在物

35、理线路的某个信道上建立连接,62,报文交换,,以报文为单位进行,“,存储,-,转发,”,交换的技术。,,在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为,存储,-,转发,。,,传输之前不需要建立端到端的连接,，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。,——,称为,“,无连接的,”,（典型例子：电报）,,整个报文（,Message,）作为一个整体一起发送。,,优缺点：,,没有建立和拆除连接所需的等待时间；,,线路利用率高；,,传输可靠性较高；,,报文大小不一，造成存储管理复杂；,,大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求

36、较高；,,出错后整个报文全部重发。,,类比：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？,63,分组交换（包交换）,,将报文分割成若干个大小相等的分组（,Packet,）进行存储转发。,,数据传输前不需要建立一条,端到端,的通路,——,也是,“,无连接的,”,。,,有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。,,优缺点：,,对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组,——,速度快；,,转发延时小,——,适用于交互式通信；,,某个分组出错可以仅重发出错的分组,——,效率高；,,各分组可通过不同路径传输，容错性好。,,需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。,,分组交换有两种交换方

37、式：,,数据报方式和虚电路方式,64,数据报方式（,Datagram,）,,各分组,独立地确定路由,（传输路径）,,不能保证分组按序到达,，所以目的站点需要按分组编号,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,65,虚电路方式（,Virtual Circuit,）,,通信前预先建立一条逻辑连接,——,虚电路,,虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的逻辑连接,,类比：铁路系统（旅客,/,列车,:,分组，铁路网,:,网络，火车站,:,节点）,,“,西安－北京,”,这条线路可以看成是一条虚路径,,也需要三个过程：,建立－数据传输－拆除,,建立虚电路时，交

38、换机将预留传输时所需的所有资源,,虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要,,数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络,——“,数字管道,”,,提供的是,“,面向连接,”,的服务,,但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是,断续地依次占用传输路径上各个链路段,——,与铁路系统类比！,,可以看成是采用了电路交换思想的分组交换,,能够保证分组按序到达,,永久虚电路,PVC,和交换虚电路,SVC,66,分组通过预先建立好的虚电路穿越网络,67,三种交换方式的事件顺序,,呼叫请求,呼叫应答,数据,A,B,C,D,寻路延迟,线路交换,,,,,,,,,,,,,,分组

39、,1,分组,2,分组,3,A,B,C,D,分组交换,,,,分组,4,t,,,,报文,A,B,C,D,排队延迟,报文交换,,68,各种交换方式,69,2.7,差错控制,什么是差错控制？,,在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正,,为何要进行差错控制？,,不存在理想的信道→传输总会出错,,与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。,,产生差错的原因：,,信号衰减和热噪声,,信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；,,信号反射，串扰；,,冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。,70,差错控制的,基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。,,实际采用的差错控制技术,,

40、自动请求重传,Automatic Repeat Request,（,ARQ,）,,停等,ARQ,,每发送一帧就需要一个应答帧,,只重传刚才出错的帧,,帧编号只需,0,和,1,即可,,Go-back-N ARQ,,每发送,N,帧需要一个应答帧,,需重传前面（,N-i+1,）帧（,0≤i≤N,）,,帧编号从,0,到,N-1,,选择重传,ARQ,,每发送,N,帧需要一个应答帧,,只,重传出错的帧,,前向纠错,FEC-Forward Error Control,（,FEC,）,,混合方式,Hybrid,（,FEC-ARQ,）,71,奇偶校验,（,Parity Checking,）,,可以在两个级别上实

41、现：,,在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中,1,的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。,,例如：,1100010,增加偶校验位后为,11100010,,若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。,,在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。,,只能用于面向字符的通信协议中。,,只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。,72,循环冗余校验,（,CRC, Cyclic Redundancy Check,）,,差错检测原理：,,,收发双方约定一个,生成多项式,G(x),，发送方根据发送的数据和,G(x),计算出,CRC,校验和,并把它加在数据

42、的末尾。接收方则用,G(x),去除接收到的数据，若有余数，则传输有错。,,校验和是,16,位或,32,位的二进制位串。,,CRC,校验的关键是如何,计算校验和,。,73,*,CRC,校验和的计算,,以数据块（帧,, Frame,）为单位进行校验,,将数据块构成的位串看成是系数为,0,或,1,的多项式,,如,110001,，可表示成多项式,x,5,+ x,4,+ 1,,若,G(x),为,r,阶，帧为,m,位，其多项式为,M(x),，则在帧后面添加,r,个,0,，成为,m+r,位，相应多项式,2,r,M(x),,,按,模,2,除法,用,2,r,M(x),除以,G(x),：商,Q(x),，余,R(x

43、),,即：,2,r,M(x) = G(x)Q(x)+R(x),,按,模,2,加法,把,2,r,M(x),与余数,R(x),相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式,T(x),：,,即：,T(x) = 2,r,M(x) + R(x),,实际上，,T(x)=2,r,M(x)+R(x)=[G(x)Q(x)+R(x)]+R(x),,=G(x)Q(x) (,模,2,运算,),,,所以，若接收的,T(x),正确，则它肯定能被,G(x,),除尽。,74,CRC,校验码的检错能力：,,可检出所有奇数个错；,,可检出所有单位,/,双位错；,,可检出所有,≤,G(x),长度的突发错。,,,常用的生成多项式,G

44、(x),：,,CRC16=x,16,+x,15,+x,2,+1,,CRC32=x,32,+x,26,+x,23,+x,22,+x,16,+x,11,+x,10,+x,8,+x,7,+x,5,+x,4,,+x,2,+x+1,,75,校验和,,发送方算法,,将待发送的进行校验和运算的字符串分成若干,16,位的位串，每个位串看成一个二进制数，这里的字符串不关注其语义。,,将,IP,、,ICMP,、,TCP,或,UDP,的,PDU,首部中的校验和字段设置为,0,，该字段也参与校验和运算。,,对这些,16,位的二进制数进行,1,的补码和（,one,’,s complement sum,）运算，累加的结果

45、再取反作为校验和，并放置到,PDU,的校验和字段中。,,接收方算法,,将接收的进行校验和运算的,16,位二进制按发送方的同样方法进行,1,的补码和运算，包括校验和字段、累加的结果再取反。这样，其结果为,0,，表明传输正确；否则，表明传输有差错。,76,2.8,数据通信性能指标,时延与时延带宽积,,误码率与误比特率,,信息传输速率与码元传输速率,,信道的最大传输速率,77,时延,时延：,一个数据块（帧、分组、报文段等）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。,,总时延＝发送时延,+,传播时延,+,转发时延,,发送时延,,发送时间＝数据块长度,/,信息传输速率,,传播时延,,传播时延＝信道长度

46、,/,电磁波在信道上的传播速率,,转发时延,78,带宽（,Band width,，,BW,）,：,信道传输能力的度量。,,在传统的通信工程中：,,BW,≈,f,max,－,f,min,,单位：赫兹（,Hz,）,,在计算机网络中，用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：,b/s,，,kb/s,，,Mb/s,，,Gb/s,。,,例如：传统以太网理论上每秒可以传输一千万比特，它的带宽为,10Mb/s,。,79,时延带宽乘积,：,某一信道所能容纳的比特数。,,时延带宽乘积,=,带宽,×,传播时延,,,,,,,,例如，某信道的,时延带宽乘积为,100,万比特，这意味着第一个比特到达目的端

47、时，源端已发送了,100,万比特。,信道,带宽,传播时延,管道体积,=,时延带宽乘积,80,误码率与误比特率,误码率：,Pc,是指传输的码元被传错的概率,,,,Pc,＝ 传错的码元数,⁄,传输的码元总数,,误比特率：,Pb,是指传输的比特被传错的概率,,,Pb,＝ 传错的比特数,⁄,传输的比特总数,81,信息传输速率与码元传输速率,信息传输速率,,比特（,bit,）,：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即,数据,传送速率）。,,信息传输速率：,是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数,,,码元传输速率,,码元（,Code cell,）,：时间轴上的一个信号编码单元。,,码元传输速率

48、：,是指每秒传输的码元数,,,一般情况下，如果码元状态数为,M,（,M,为,2,的整数次幂），则,C=B* log2 M,（,bit/s,）,,一个码元中可以传送多个比特。,,例如：当波特率为,9600,时,,若,M=2,，数据传输率为,9600b/s,,若,M=16,，数据传输率为,38.4kb/s,,吞吐量：,单位时间发送的比特数、字节数或帧数,82,信道的最大数据传输率,Nyquist,公式,：,用于无噪声理想低通信道,,,,Nyquist,公式为,估算已知带宽信道的最高数据传输速率,提供了依据。,,例如，话音级线路的带,,宽约为,3.1kHz,，根据上,,式计算的信道最大数据,,传输率

49、如右表所示,C = 2W log,2,M,C =,数据传输率，单位,b/s,,W =,带宽，单位,Hz,,M =,信号编码级数,M,最大数据率,,,2 6200 b/s,,4 12400 b/s,,8 18600 b/s,,16 24800 b/s,,32 31000 b/s,83,非理想信道,,实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。,,损耗,引起信号强度减弱，导致,信噪比,S/N,降低,。,,延迟,会使接收端的,信号产生畸变,。,,噪声,会,破坏

50、信号，产生误码,。,,例如：数据传输速率为,56kb/s,时，持续时间,0.01s,的干扰会破坏约,560,个比特。,84,Shannon,公式,：,用于有噪声干扰信道,,,,,,例：信道带宽,W=3.1kHz,，,S/N=2000,，则,,,C = 3100×log,2,（,1+2000,）≈,34kb/s,,,即该信道上的最大数据传输率不会大于,34kb/s,。,信噪比的单位也可用分贝,(dB),表示：,S/N,dB,=,10,log,10,,S/N,,所以，若,S/N,dB,=30,dB,,，则,S/N=1000,。,C = W log,2,（,1+S/N,）,,C:,传输率，单位,b/s,,W,:,带宽，单位,Hz,,S/N:,信噪比,85,Nyquist,公式和,Shannon,公式的比较,C = 2,W,log,2,M,,用于理想信道（这样的信道存在吗？）,,数据传输率随信号编码级数增加而增加。,,C =,W,log,2,（,1+,S/N,）,,用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）,,无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。,,原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加,。,