计算机网络第02章-数据通信（第4版）

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1、1第2章 数据通信与广域网技术2 信息、数据与信号中间的关系是什么？ 数据通信系统结构如何？通信方式有那几种类型？ 有哪些常用的传输介质？其类型及主要特性是什么？ 数据编码的类型和基本方法是什么？ 数据通信速率的定义是什么？带宽是什么？ 什么是多路复用技术？其分类与各自的特点？ 广域网中的数据如何交换的？其交换技术有哪些？ 计算机网络中采用什么差错控制方法？本章讨论以下问题： 3问题：信息、数据与信号中间的关系是什么？42.1 数据通信的基本概念 2.1.1 信息、数据与信号 2.1.2 数据传输类型与通信方式52.1.1 信息、数据与信号 通信的目的是交换信息，什么是信息？如何表示信息？ 如

2、何传递信息？ 为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示。 传递信息转换为传递数据信息如何转换为相应的数据？编码技术 数据如何传递？ 为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示。6信息编码标准 ASCII 码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO 646，又称为国际5号码; 它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准; ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符; 字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。 7信号的概念 信号是数据在传输过程中电信号的表示形式； 模拟信号（a

3、nalog signal）的信号电平是连续变化的； 数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；8模拟信号与数字信号波形9问题：数据通信系统结构如何？通信方式有那几种类型？102.1.2 数据传输类型与通信方式 网络中两台计算机的通信过程（数据通信系统结构） 11数据通信方式 串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信 数据通信中的关键技术：同步技术 同步通信 异步通信12串行通信、并行通信13单工通信、半双工或全双工通信14同步技术字符同步15问题:有哪些常用的传输介质？其类型及主要特性是什么？162.2 传输介质及其主要特性2.2

4、.1 传输介质的主要类型主要传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤电缆 无线与卫星通信信道17 物理特性：传输介质物理结构的描述； 传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及调制技术、传输容量、传输的频率范围； 连通特性：允许点-点或多点连接； 地理范围：传输介质最大传输距离； 抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力； 相对价格：器件、安装与维护费用。传输介质的特性：182.2.2 双绞线的主要特性 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线UTP19STPSTPUTP 抗拉线？20制作网线2122双绞线种类3 类（带宽16Mbps ）5 类（带宽100 Mbps ）3 类（带宽16 M

5、bps ）4 类（带宽20 Mbps ）5 类（带宽100 Mbps ）超5 类（带宽155 Mbps ）6 类（带宽200 Mbps ） 非屏蔽双绞线双绞线 屏蔽双绞线232.2.3 同轴电缆的主要特性 粗同轴电缆 细同轴电缆24细缆25细缆26光纤272.2.4 光纤的主要特性28光纤的种类n多模光纤多模光纤n单模光纤单模光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤29典型的光纤传输系统结构发光二极管发光二极管光电二极管光电二极管3031322.3 无线与卫星通信技术2.3.1 电磁波谱与移动通信332.3.2 无线通信 无线电通信使用的频段覆盖的从低频到特高频。 高频无线电波可以

6、沿地表传播、电离层反射传播。( (a a) )地波传播地波传播( (b b) )天波传播天波传播地球表面地球表面地球表面地球表面电离层电离层342.3.2 无线通信 缺点：易受天气等因素影响，信号幅度变化较大，容易被干扰。 优点：技术成熟，应用广泛，能以较小的发射功率传输到较远的地方。( (a a) )地波传播地波传播( (b b) )天波传播天波传播地球表面地球表面地球表面地球表面电离层电离层352.3.3 微波通信 频率在100MHz10GHz之间的信号叫做微波信号； 微波信号只能进行视距传播； 由于微波信号的波长比较短，因此可以利用尺寸较小的抛物面天线，就可以将微波信号能量集中在一个很小

7、的波束内发送出去，这样就可以用很小的发射功率来进行远距离通信； 微波信号的频率很高，因此可以获得较大的通信带宽，特别适合于卫星通信与城市建筑物之间的通信。36 为了提高覆盖区域的系统容量与充分利用频率资源，人们提出了小区制的概念； 将一个大区制覆盖的区域划分成多个小区，在每个小区（cell）中设立一个基站（base station），通过基站在用户的移动台（mobile station）之间建立通信； 由若干个小区构成的覆盖区称为区群。 由于区群的结构酷似蜂窝，因此小区制移动通信系统又称为蜂窝移动通信系统。2.3.4 蜂窝无线通信 37 在每个小区设立一个（或多个）基站，它与若干个移动站建立无

8、线通信链路； 区群中各小区的基站之间可以通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心连接； 移动交换中心通过电路与市话交换局连接，从而构成一个完整的蜂窝移动通信的网络结构。蜂窝移动通信系统结构示意图：38蜂窝移动通信发展的历史 1995年出现的第一代移动通信是模拟方式，用户的语音信息以模拟信号方式传输的。 第三代（3rd Generation，3G）移动通信网络提供的话音、数据、视频图像等业务。能够在全球范围内更好地实现互联网的无缝漫游，使用手机来处理音乐、图像、视频，浏览网页，参加电话会议，开展电子商务活动。 1997年出现的第二代（2nd Generation，2G）移动通信：GSM移动通信(无

9、线接口采用TDMA技术 )、CDMA移动通信（无线接口采用窄带码分多址CDMA技术 ）两种。 第四代（4G）移动通信技术正在研究中。392.3.5 卫星通信 卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信信道带宽大、可进行多址通信与移动通信的优点，成为现代主要的通信手段之一。 卫星通信的工作原理示意图：40问题：数据编码的类型和基本方法是什么？412.4 数据编码技术2.4.1 数据编码类型422.4.2 模拟数据编码方法 432.4.3 数字数据编码方法 44曼彻斯特编码 曼彻斯特编码是应用最广泛的编码方法之一； 曼彻斯特编码的规则是：每比特的周期T分为前T/

10、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是：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； 曼彻斯特编码信号称为“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。45差分曼彻斯特（difference 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是：每比特的中间跳变仅做同步使用，每比特的值根据其开始边界是否跳变来决定； 某个比特开始处发生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”。4

11、62.4.4 脉冲编码调制方法 n脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCMPCM）是）是模拟数据数字化模拟数据数字化的主要的主要方法；方法；nPCMPCM的工作原理示意图：的工作原理示意图：47脉码调制PCM体制：采样、量化与编码采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码解码t还原t48采样 采样是隔一定的时间间隔，将模拟信号的电平幅度取出作为样本，让其表示原来的信号； 采样频率f应为：f2B或f=1/T2fmax。 其中，B为通信信道带宽，T为采样周期，fmax为信道允许通过的信号最高频率； 如果以大于或等于通信信道带宽2倍的速率对信号采样，其样本可以包含足以重构原模拟信号的所

12、有信息。49量化 量化是将样本幅度按量化级决定取值的过程； 经过量化后的样本幅度为离散的量级值，已不是连续值；50编码A AD8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5t t0 0. .2727 0 0. .3 30 0. .6262 0 0. .6 61 1. .2828 1 1. .3 31 1. .5252 1 1. .5 51 1. .2626 1 1. .3 30 0. .7373 0 0. .7 70 0. .4141 0 0. .4 40 0. .1212 0 0. .1 1( (a a) )采样过程采样过程样本样本量化级量化级二进制编码二进制编码编码信号编码信号0001

13、010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8( (b b) )编码过程编码过程51 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=56Kbps； 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8000 /秒= 64Kbps。PCM用于数字语音系统52问题：数据通信速率的定义是什么？带宽是什么？53数据传输速率的定义 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bps； 常用的数据传输速

14、率单位有：Kbps、Mbps、Gbps与Tb/s，其中： 1Kbps = 1103 bps 1Mbps = 1106 bps 1Gbps = 1109 bps 1Tbps = 11012 bps 带宽：通常将数字信道的最高数据传输率称为“带宽”。2.5 基带传输技术54信道速率的极限值 问题的提出传输信号的信道可能会受到各种干扰而引起信号失真，从而导致接受方的误识别。任何传输介质，其可能支持的传输速率总会受到一定限制。 问题：对于一个给定的信道，在理想情况下，其极限传输速率取决于什么呢？Nyquist定理和Shannon定理从理论上给出了恰当的说明55信道速率的极限值Nyquist准则信道的最

15、高码元传输速率(描述信号的传输速度) 典型公式 理想低通信道的最高码元传输速率Rmax=2f(Baud) 其中： B=f为理想低通信道的带宽，单位为赫（Hz）； Baud称为波特，为码元传输速率的单位，1波特代表每秒传送1个码元。 含义：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。56信道速率的极限值Nyquist准则 码元与信息量 码元是承载信息的基本信号单位。比如用脉冲信号表示数据时，一个单位脉冲就是一码元，如图2-13所示。 用单位脉冲表示的码元 一码元的信息量是由码元所能表示的数据有效状态值个数决定的，若一码元有00、01、10、11四个有效状态值，则一码元能携带2bit的

16、信息 。 1 0 1 0 1 0 1 0 1 057信道速率的极限值香农定理 公式：信道的极限信息传输速率Rmax=BLog2（1+S/N） 其中B为信道的带宽；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内的高斯噪声功率；S/N为信噪比。 意义：信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。58奈氏准则与香农定理的作用范围源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制图图2-142-14592

17、.6 频带传输技术频带传输的定义 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。60问题：什么是多路复用技术？其分类与各自的特点？612.7 多路复用技术2.7.1 多路复用技术的基本概念 定义：把多个不同的信号同时在一条传输线路上进行传输的技术。 分类：频分多路复用FDM；波分多路复用WDM；时分多路复用TDM；码分多路复用（CDM或CDMA）。共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术62多路复用系统的结构与功能632.7.2 频分多路复用 每路信道的信号以不同

18、的载波频率进行调制; 各个载波频率是不重叠的, 一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。 64频分复用频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5652.7.3 波分多路复用 光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM; 波分复用是在一根光纤上复用多路光载波信号，是光频段的频分多路复用技术。662.7.4 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； 在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。 频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TD

19、M 帧67时分多路复用工作原理示意图68问题：广域网中的数据如何交换的？其交换技术有哪些？692.8 数据交换方法2.8.1 广域网的主要特点 广域网建设投资很大，管理困难，一般是由电信运营商负责组建与维护，为需要进行远距离数据通信的用户提供高质量的数据传输服务，并为用户提供接入广域网的服务与技术，因此，它实际上是一种公共数据网络PDN。 随着接入网技术的成熟，将核心交换技术与接入技术分开，这样广域网技术主要研究远距离、宽带核心交换技术。 广域网主要有以下三种服务类型：专线服务线路交换服务分组交换服务702.8.2 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

20、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：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：对突发性通信不适应，系统效率低，系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。 71线路交换方式的工作原理结点 A呼叫请求呼叫应答报文或分组应答释放请求释放应答线路建立数据传输线路释放结点 B结点 C结点 D主机 A主机 B722.8.3 存储转发交换方式 什么是存储转发技术？ 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

21、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。 73存储转发交换方式分类： 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。74报文和报文分组结构 101010100000110001 . 101010100000111001 首部首部 数据数据 首部首部 数据数据 首部首部 数据数据报报 文文分组分组分组分组分组分组

22、75报文和报文分组比较 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； 公用数据网采用的是分组交换技术。 分组交换技术在实际应用中，可以有：数据报和虚电路两种类型。报文分组报文分组报文报文报文号目的地址源地址校验报文号目的地址源地址报文分组数据校验报文分组号数据762.8.3 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。 对照数据报的特点，讲解下图：77数据报方式的工作原理H1 H2

23、通信子网IP分组H1 发送给 H2 的分组可能沿着不同路径传送数据报服务发送进程发送进程接收进程接收进程路由器（IMP）782.8.4 虚电路方式 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。 79虚电路方式的工作原理呼叫请求呼叫应答释放请求释放应答数据传输虚电路拆除p1p1p1p2p2p2ACKACKACK1结点 A结点 E结点 F结点 B结点 G结点 D结点 C主机 B主机 A虚电路建立80虚电路方

24、式的特点 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。 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，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。 每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。 812.8.5 ATM交换方式 ATM的基本数据传输单元是信元； 信元长度固定为53字节； 信元包括5字节的信元头与48字节的用户数据。53字节信元头用户数据48字节5字节82问题：计算机网络中采用什么差错控制方法？832.9 差错控制方法2.9.1 差错产生的原因

25、与差错类型 传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据 不一致的现象; 差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错； 通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声； 由热噪声引起的差错是随机差错（或随机错）； 冲击噪声引起的差错是突发差错（或突发错）； 在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。 84传输差错产生过程信源信源通信信道通信信道信宿信宿数据数据噪声噪声数据数据 + +噪声噪声( (a a) )0 00 01 11 10 00 01 11 11 11 10 00 00 01 11 11 11 11 10 00 00 00 01 11 10 00 00 01 10 0

26、0 00 01 10 01 11 10 00 01 11 10 00 01 10 01 10 0传输数据传输数据数据信号波形数据信号波形噪声噪声数据信号数据信号与噪声信号与噪声信号叠加后的波形叠加后的波形采样时间采样时间接收数据接收数据原始数据原始数据出错的位出错的位( (b b) )852.9.2 误码率的定义 误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数； 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一。862.9.3 检错码与纠错码 纠错码： 每个传输的分组带上足够的冗余信息； 接

27、收端能发现并自动纠正传输差错。 检错码: 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息； 接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。 872.9.4 循环冗余编码工作原理 CRC方法的检错原理 设要被传输的二进制比特流长度为m，引入n个附加比特，作为所谓的校验比特； 将m位要被传输的数据比特与n位校验比特组合在一起进行传输； 接收方根据所收到的n+m个二进制比特判断所收数据是否正确。882.9.4 循环冗余编码工作原理 如何确定校验比特的值？ 设M代表m位要传输的数据, N代表n个0，有W为：WMN 再设P为一个给定的二进制比特串，P的长度为(n+1)位。 n个校验位的取

28、值等于W除以P所得余数。其中，运算过程遵从mod 2运算法则。 例：设发送方要发送的数据为10110101，校验位取4位，有 WMN101101010000 P10011 （给定） 由 101101010000/10011 得余数R 1110 实际被传输数据为 101101011110892.9.4 循环冗余编码工作原理 接收方如何判断所收数据的正确性？ 设接收方收到的数据为U，用U除以同一个P，若余数为0，则传输正确；反之，传输中出现错误，接收方通知发送方重发。 例： 接受方收到的数据为U101101011110 问：U/P的余数101101011110/10011？ 若接受方收到的数据为U

29、101001011110 问：U/P的余数101001011110/10011？902.9.4 循环冗余编码工作原理 P的值是如何确定的？ 从前面的讨论可以看出，P的取值直接关系到CRC方法检错的能力。事实上P的取值由一套国际标准约束，这套国际标准称之为生成多项式。 例：采用16个校验位的生成多项式为CRC_16=X16+X15+X2+1 对应的P为 对前叙例子，对应的生成多项式为CRC_4=X4+X+191 结论 CRC校验具有很强的校验能力，且其校验能力与生成多项式的构成密切相关，生成多项式的幂次越高，检错能力越强； CRC校验不可能做到100的检错； CRC校验是通过牺牲一定的网络带宽来换取传输错误的检测。2.9.4 循环冗余编码工作原理 92 明确信息、数据与信号中间的关系 通信方式有串行通信、并行通信；单工通信、半双工或全双工通信 传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤与无线通信。 数据编码：模拟到数字、数字到模拟的方法 带宽的定义 多路复用技术：频分、时分、波分 其交换技术有分组交换、线路交换、报文交换。 计算机网络中采用CRC差错控制小结：