计算机网络 冯博琴版课件 第2章 数据通信基础

1第第2章章 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 本章内容 数据通信系统数据通信系统 基本概念基本概念 传输介质传输介质 数据编码数据编码 多路复用技术多路复用技术 数据交换技术数据交换技术 差错控制差错控制 数据通信性能指标数据通信性能指标22.1数据通信系统数据通信系统 源系统源系统 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噪声信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系统源系统目的系统目的系统3数据通信的基本过程数据通信的基本过程 5个阶段个阶段 包含两项内容：包含两项内容：数据传输数据传输和和通信控制通信控制 过程过程 与打电话比较与打电话比较 建立物理连接建立物理连接 拨号，拨通对方拨号，拨通对方 建立逻辑连接建立逻辑连接 互相确认身份互相确认身份 数据传输数据传输 互相通话互相通话 断开逻辑连接断开逻辑连接 互相确认要结束通话互相确认要结束通话 断开物理连接断开物理连接 双方挂机双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。42.2基本概念基本概念 数据与信号数据与信号 信道信道 通信方式通信方式 传输方式传输方式 同步方式同步方式52.2.1数据与信号数据与信号 数据（数据（Data）传递（携带）信息的实体。传递（携带）信息的实体。信息（信息（Information）数据的内容或解释。数据的内容或解释。信号（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介质中传播6 模拟信号模拟信号 时间上连续，包含无穷多个信号值时间上连续，包含无穷多个信号值 数字信号数字信号 时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号见的是二值信号ta）模拟信号tb）数字信号7 周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。号）。tTTTtTTT周周期期信信号号非非周周期期信信号号tt8 信息编码信息编码：将信息用二进制数表示的方法将信息用二进制数表示的方法 例如：例如：ASCII编码、编码、BCD编码等编码等 数据编码数据编码：将数据用物理量表示的方法：将数据用物理量表示的方法 例如：字符例如：字符“A”的的ASCII编码为编码为01000001，其数，其数据编码可能为据编码可能为01000001t9 信息通过数据通信系统进行传输的过程信息通过数据通信系统进行传输的过程 把携带把携带信息信息的的数据数据用物理用物理信号信号形式通过信道传送到目的地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信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输 编码编码：数据：数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错便于同步、识别、纠错 调制调制：数字信号：数字信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位 解调解调：接收波形：接收波形数字信号数字信号 解码解码：数字信号：数字信号原始数据原始数据信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据解码01000001“A”01000001“A”信道信道信息编码信息编码信息解码信息解码10 不同类型的信号在不同类型的信道上传输不同类型的信号在不同类型的信道上传输有有4种情况：种情况：数据数据：模拟数据：模拟数据 数字数据数字数据信号信号：模拟信号：模拟信号 数字信号数字信号 信道信道：模拟信道：模拟信道 数字信道数字信道11 模拟传输和数字传输所使用的技术模拟传输和数字传输所使用的技术语音语音移频移频,调制调制模拟模拟数字数字模拟模拟模拟模拟PCM编码编码数字数字数字数字数字编码数字编码数字数字模拟数据，模拟信号模拟数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，模拟信号数字数据，数字信号数字数据，数字信号模拟数据，数字信号模拟数据，数字信号10101010调制调制12 编码与调制的区别编码与调制的区别 编码编码：用数字信号承载数字或模拟数据：用数字信号承载数字或模拟数据 调制调制：用模拟信号承载数字或模拟数据：用模拟信号承载数字或模拟数据EncoderDecoder数字或数字或模拟数据模拟数据x(t)g(t)数字或数字或模拟数据模拟数据发送方发送方接收方接收方g(t)编码编码解码解码13数字或数字或模拟数据模拟数据ModulatorDemodulator数字或数字或模拟数据模拟数据g(t)s(t)g(t)载波发送方发送方接收方接收方调制调制解调制解调制142.2.2 信道信道 信道（信道（Channel）：传送信息的线路（或通：传送信息的线路（或通路）路）数字信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道输数据的信道 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、局域网 模拟信道模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的：以连续模拟信号形式传输数据的信道信道 CATV、无线电广播、电话拨号线路、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与模拟通信 数字通信数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 数字通信的优点数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理 易于加密、保密性强易于加密、保密性强 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、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，如通过电话线拨号上网。通信，如通过电话线拨号上网。162.2.3 通信方式通信方式 单工单工数据单向传输数据单向传输（例：无线电广播）（例：无线电广播）半双工半双工数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输传输（例：对讲机）（例：对讲机）全双工全双工数据可以双向同时传输数据可以双向同时传输（例：电话）（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；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。不同方向的信号传输。17发送器发送器接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器发送器发送器/接收器接收器单工方式：单工方式：半双工方式：半双工方式：全双工方式：全双工方式：A站站B站站可同时不可同时18 基带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）例如：以太网（局域网）频带传输频带传输：数字信号调制成音频模拟信号：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据例如：通过电话网络传输数据 宽带传输宽带传输：把信号调制成频带为几十：把信号调制成频带为几十MHZ到几到几百百MHZ的模拟信号后再传送，接收方的模拟信号后再传送，接收方需要解调。需要解调。例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输2.2.4 传输方式传输方式19 同步的因素：同步的因素：同步脉冲频率同步脉冲频率 数据从什么时候开始，什么时候结束数据从什么时候开始，什么时候结束 位边界位边界 数据块边界数据块边界 数据通信中需要在三个层次上实现同步：数据通信中需要在三个层次上实现同步：位位位同步位同步 字符字符字符同步字符同步 帧帧(Frame)帧同步帧同步2.2.5 同步方式同步方式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：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同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元码元1 1码元码元2码元码元3码元码元4码元码元5信号信号同步脉冲同步脉冲t21 目的：目的：使接收端与发送端在时间基准上一致使接收端与发送端在时间基准上一致 外同步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。收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号通过特殊编码（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。己的时钟脉冲频率。发送站 同步信号数据接收的同步信号锁定后的同步信号接收站接收站收到的数据数据位同步位同步22 目的：目的：找到正确的字符边界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：传输需要：1个起始位、个起始位、58个数据位、个数据位、1、1.5或或2个停止位个停止位 采用这种同步方式的通信也称采用这种同步方式的通信也称“异步通信异步通信”起止式的优缺点：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，所以传输效率低增加了辅助位，所以传输效率低例如，采用例如，采用1个起始位、个起始位、8个数据位、个数据位、2个停止位时，其传输效率为个停止位时，其传输效率为8/1173起始位起始位数据位数据位停止位停止位字符间隔不固定字符间隔不固定1个字符时间个字符时间逻辑逻辑“0”逻辑逻辑“1”字符同步字符同步23 目的目的：识别一个帧的起始和结束：识别一个帧的起始和结束帧（帧（Frame）：数据链路中的传输单位：数据链路中的传输单位包含包含数据和控制信息的数据块数据和控制信息的数据块 面向字符面向字符的的以同步字符（以同步字符（SYN，16H）来标识一）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧 面向比特的面向比特的以特殊位序列（以特殊位序列（7EH，即，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始帧起始控制信息控制信息数据数据帧结束帧结束校验和校验和0 n bit8bit8bit832m7EH7EH帧同步帧同步242.3 传输介质传输介质l磁介质磁介质高带宽、低费用、高带宽、低费用、高延时（小时）高延时（小时）在通信中很少使用在通信中很少使用 例：例：7GB/8mm磁带，磁带，1000盘盘/505050cm3，24h可送到任何地方。可送到任何地方。总容量总容量=710008Gb，总时间，总时间=246060s=86400s 传送速率传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 若让刘翔来传送若让刘翔来传送1盘盘10GB的磁带，在的磁带，在110m（12.91s）内其传输速率是多少？）内其传输速率是多少？l金属导体金属导体双绞线、双绞线、同轴电缆同轴电缆(粗、细粗、细)l光纤光纤l无线介质无线介质无线电、微波、卫星、红外线无线电、微波、卫星、红外线25 同轴电缆同轴电缆（Coaxial Cable，CC）计算机网络中使用基带同轴电缆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）应用：总线局域网（以太网）性能：性能：10Mb/s，500m/185m铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套26 双绞线双绞线（Twist Pair，TP）螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线每根每根4对、对、25对、对、1800对对典型连接距离典型连接距离100m（LAN）RJ45插座、插头插座、插头优缺点：优缺点：成本低成本低 组装密度高、节省空间组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）平衡传输（高速率）抗干扰性一般抗干扰性一般 连接距离短连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网应用领域：电话网络、计算机局域网内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘内屏蔽内屏蔽外屏蔽外屏蔽外套外套27屏蔽双绞线屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线(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：常用的双绞线：3类（类（16Mb/s）和和5类（类（155Mb/s）两种）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)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12345678123456781234567812345678交叉线交叉线EIA-568B直连线直连线EIA-568A29 光纤光纤（Optical Fiber，OF）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播 优缺点：优缺点：传输带宽高：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（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、保密性好抗干扰性能极好、误码率低、保密性好 轻便轻便 价格较高价格较高 需要光电转换需要光电转换 纤芯材料：纤芯材料：塑料塑料 二氧化硅二氧化硅 （高纯玻璃）（高纯玻璃）30 光纤传输光纤传输原理原理光的反射光的反射 光从折射光从折射率高的率高的介质入射到折射介质入射到折射率低的率低的介质时会介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当当入射角入射角临界值临界值时时产生全反射，不会泄漏。产生全反射，不会泄漏。纤芯纤芯折射率高折射率高，玻璃包层玻璃包层折射率低折射率低 亮度调制亮度调制：有有光光脉冲脉冲-1，无，无光光脉冲脉冲-0 光传输系统：光源、介质、光检测光传输系统：光源、介质、光检测 光源光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管发光二极管/激光二极管激光二极管 光检测器光检测器：光电二极管光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APD 单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤 应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接31 多模光纤多模光纤(MMF)单模光纤单模光纤(SMF)：光纤的直径光纤的直径接近接近一个光波波长一个光波波长多束光线以不同的反射角传播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单束光线沿直线传播32单芯光缆单芯光缆多芯光缆多芯光缆玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外壳外壳常见规格：常见规格：纤纤芯芯50um缓变型缓变型-MMF 62.5um缓变型缓变型/增强型增强型-MMF 8.3um突变型突变型-SMF 包层包层125um33 高密度多芯光缆高密度多芯光缆剖面结构剖面结构芯芯封套封套外套外套加强芯加强芯光纤光纤外鞘外鞘加强芯加强芯光纤束光纤束34 无线介质无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）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使用电磁波或光波携带信息 优缺点：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 主要类型主要类型：无线电、地面微波 通信卫星 红外线35 微波通信微波通信 通过地面站之间接力传送通过地面站之间接力传送 接力站之间距离：接力站之间距离：50 100 km 速率：每信道速率：每信道 45 Mb/s地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔36 地球同步卫星地球同步卫星 与地面站相对固定位置 使用三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35,784km地球地球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，可获得较高的带宽 传输距离有限，而且易受室内空气状态（例如有烟雾等）的影响 39 短波通信短波通信 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基站覆盖的无线电区域BS基站基站 用户计算机和终端用户计算机和终端40 常用传输常用传输介质介质的比较的比较传输介质传输介质传输方式传输方式速率速率/工作频带工作频带传输距离传输距离性能性能价格价格应用应用双绞线双绞线宽带宽带基带基带1Gb/s模拟模拟:10km数字数字:500m较好较好低低模拟模拟/数字数字信号传输信号传输50同轴电缆同轴电缆基带基带10Mb/s3km较好较好较低较低基带数字信基带数字信号号75同轴电缆同轴电缆宽带宽带450MHz100km较好较好较低较低模拟电视、模拟电视、数据及音频数据及音频光纤光纤基带基带40Gb/s20km以上以上很好很好较高较高远距离高速远距离高速数据传输数据传输微波微波宽带宽带46GHz几百几百km好好中等中等远程通信远程通信卫星卫星宽带宽带110GHz18000km很好很好高高远程通信远程通信412.4数据编码数据编码 数字数据的数字信号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使数字数据能在数字信道上传输 数字数据的调制编码数字数据的调制编码使数字数据能在模拟信道上传输使数字数据能在模拟信道上传输 模拟信号的数字编码模拟信号的数字编码使模拟数据能在数字信道上传输使模拟数据能在数字信道上传输421.数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码不归零码（不归零码（Non-Return to Zero，NRZ）二进制数字二进制数字0、1分别用两种电平来表示；分别用两种电平来表示；常用常用5V表示表示1，5V表示表示0；缺点：缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容存在直流分量，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。不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。曼彻斯特编码（曼彻斯特编码（Manchester Coding）用电压的变化表示用电压的变化表示0和和1。规定在规定在每个码元的中间发生跳变每个码元的中间发生跳变 高高低的跳变代表低的跳变代表0，低，低高的跳变代表高的跳变代表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。这种步信号。这种编码也称为自同步码（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缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。倍）。差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Coding，DMC）每个码元的中间每个码元的中间仍要发生跳变。仍要发生跳变。用用码元开始处码元开始处有无跳变来表示有无跳变来表示0和和1，有跳变代表，有跳变代表0，无跳变代表，无跳变代表1。43 三种数字编码的波形图三种数字编码的波形图442.数字数据的调制数字数据的调制 三种常用的调制技术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。原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号载波信号 S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：的参量包括：幅度幅度A、频率频率 、初相位初相位 调制就是要调制就是要使使A、或或 随数字基带信号的变化而变化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：用载波的两个不同振幅表示0和和1 FSK：用载波的两个不同频率表示：用载波的两个不同频率表示0和和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示：用载波的起始相位的变化表示0和和1463.模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 采样定理：采样定理：如果模拟信号的最高频率为如果模拟信号的最高频率为F，若以，若以2F的采样频率对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。复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号，模拟数要转换的模拟数据主要是电话语音信号，模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。号。PCM编码：编码：采样采样：按一定间隔对语音信号进行采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上：把每个样本舍入到最接近的量化级别上 编码编码：对每个舍入后的样本进行编码：对每个舍入后的样本进行编码 编码后的信号称为编码后的信号称为PCM信号（信号（Pulse Coded Modulation，脉码调制），脉码调制）。47 语音信号的数字化语音信号的数字化 语音带宽语音带宽f2倍语音最大频率）倍语音最大频率）样本量化级数：样本量化级数：256级（级（8b/每样本）每样本）数据率：数据率：8000次次/s8b=64kb/s 每路每路PCM信号的速率信号的速率=64kb/s采样电路采样电路量化和编码量化和编码48PCM编码过程举例492.5 多路复用技术多路复用技术 多路复用多路复用：多个信息源共享一个公共信道：多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？为何要复用？提高线路利用率提高线路利用率 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平均传输需求时 类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道共享信道MUX信信源源信信宿宿50 复用的基本思想：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，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每个子信道传输一路数据。复用方法复用方法 频分复用频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）按频率划分不同的信道，如按频率划分不同的信道，如CATV系统系统 时分复用时分复用TDM（Time Division Multiplexing）按时间划分不同的信道，目前应用最广泛按时间划分不同的信道，目前应用最广泛 波分复用波分复用WDM（Wave Division Multiplexing）按波长划分不同的信道，用于光纤传输按波长划分不同的信道，用于光纤传输 码分复用码分复用CDM（Code Division Multiplexing）按地址码划分不同的信道，非常有发展前途按地址码划分不同的信道，非常有发展前途51 频分复用频分复用FDM 原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，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。道之间留有防护频带以防相互干扰。CH2CH1CH3原带宽原带宽CH1CH2CH3移频后带宽移频后带宽MUXCH1 CH2 CH3带宽复用信号带宽复用信号f复用器复用器52 时分复用时分复用TDM 原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片原理：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。传输。在通信网络中应用极为广泛。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流复用后的数据流时隙号时隙号1231D3D2D1时间片时间片12时间片时间片2D1时隙时隙D2复用器复用器t53 由于每路数据总是使用每个时间片的固定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时隙，所以这种时分复用也称为同步时分同步时分复用复用。一个时间片内传输的多路数据称为一个时间片内传输的多路数据称为帧帧。时分复用的典型例子：时分复用的典型例子：PCM信号的传输信号的传输 把多个话路的把多个话路的PCM语音数据用语音数据用TDM的方法装成的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）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帧在一个时间片内发送 每个时隙承载一路每个时隙承载一路PCM信号信号54 统计（异步）统计（异步）TDMSTDM TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也的缺点：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。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：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。就将数据放入。ABCD待发数据待发数据t1 t2 t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片时间片1时间片时间片2同步同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片时间片1时间片时间片2统计统计TDM可用带宽C255时分复用时分复用数字载波复用标准数字载波复用标准 T-标准标准（北美、日本）（北美、日本）E-标准标准（欧洲、（欧洲、中国中国、南美）、南美）E1（一次群）标准（一次群）标准 每每125us为一个时间片，每时间片分为为一个时间片，每时间片分为32个通道（时隙）。每个通道（时隙）。每个时隙可容纳个时隙可容纳8b。通道通道0用于同步，通道用于同步，通道16用于信令，其他用于信令，其他30个通道用于传输个通道用于传输30个个PCM话音数据。话音数据。E1速率速率=（32x8b）/125us=2.048 Mb/s 对对E1进一步复用，还可构成进一步复用，还可构成E2到到E5等高次群。等高次群。E5可承载可承载7680个话路，数据率约为个话路，数据率约为565Mb/s。新的新的TDM标准是同步光网络（标准是同步光网络（SONET）和）和ITU-T的同步数字系列（的同步数字系列（SDH）。常用的线路速率为）。常用的线路速率为（近似值）（近似值）155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s和和10Gb/s。56E1-帧格式 E1线路也可以用于计算机通信线路也可以用于计算机通信0121631帧同步帧同步信令信令30 路数字语音数据（路数字语音数据（PCM数据）数据）+2 路控制路控制用户话路用户话路用户话路用户话路151757 波分复用波分复用光的频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，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。每路信号占用一个波长范围来进行传输。F2F1F3光谱光谱F1F2F3共享光纤的光谱共享光纤的光谱光纤光纤2光纤光纤3光纤光纤1共享光纤共享光纤 棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅58 码分复用码分复用CDM 原理：原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码列进行编码（任意两个地址码序列相互正交）。（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迭加，然后接收不同用户发送的信号在接收端被迭加，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，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。由此恢复出原始数据。地址码序列必须两两相互地址码序列必须两两相互正交正交：码序列码序列A、B，应满足，应满足 A B=0，A B=0，A A=1，A A=-1 其中其中 为内积运算。为内积运算。在无线移动通信中应用广泛。在无线移动通信中应用广泛。592.6 数据交换技术数据交换技术 什么是交换？什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源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他用户。线路又可分配给其他用户。最初的交换：人工转接交换最初的交换：人工转接交换 为什么要采用交换技术？为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率。节省线路投资，提高线路利用率。实现交换的方法主要有：实现交换的方法主要有：电路交换电路交换、报文报文交换交换和和分组交换分组交换。60 电路交换电路交换 在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。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。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为称为“面向连接的面向连接的”（典型例子：电话）（典型例子：电话）过程：过程：建立连接建立连接通信通信释放连接释放连接 优缺点：优缺点：建立连接的时间长；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；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。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特点，真正传输数据的时间不到10%。例如：建立连接的时间为例如：建立连接的时间为0.5s，计算机以，计算机以1Mb/s的速率发送的速率发送10KB。线路利用率？。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 在物理线路的某个信道上建立连接62 报文交换报文交换 以报文为单位进行以报文为单位进行“存储存储-转发转发”交换的技术。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输技术称为存储存储-转发转发。传输之前不需要建立端到端的连接传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻节点传，仅在相邻节点传输报文时建立节点间的连接。输报文时建立节点间的连接。称为称为“无连接的无连接的”（典型例子：电报）（典型例子：电报）整个报文（整个报文（Message）作为一个整体一起发送。）作为一个整体一起发送。优缺点：优缺点：没有建立和拆除连接所需的等待时间；没有建立和拆除连接所需的等待时间；线路利用率高；线路利用率高；传输可靠性较高；传输可靠性较高；报文大小不一，造成存储管理复杂；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，且对存储容量要求较高；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；出错后整个报文全部重发。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？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）分组交换（包交换）将报文分割成若干个大小相等的分组（将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行）进行存储转发。存储转发。数据传输前不需要建立一条数据传输前不需要建立一条端到端端到端的通路的通路也是也是“无连接的无连接的”。有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。功能。优缺点：优缺点：对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度速度快；快；转发延转发延时小时小适用于交互式通信；适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性好。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。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式：分组交换有两种交换方式：数据报方式和虚电路方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独立地确定路由（传输路径）不能保证分组按序到达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重新排序和组装数据报方式不能保证分组按序到达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 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（旅客类比：铁路系统（旅客/列车列车:分组，铁路网分组，铁路网:网络，火车站网络，火车站:节点）节点）“西安北京西安北京”这条线路可以看成是一条虚路径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SVC66 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三种交换方式的事件顺序呼呼叫叫请请求求呼呼叫叫应应答答数数据据ABCD寻路延迟寻路延迟线路交换线路交换分组分组1分组分组2分组分组3ABCD分组交换分组交换分组分组4t t报文报文ABCD排队延迟排队延迟报文交换报文交换68各种交换方式各种交换方式快速分组标准分组信元中继指定帧中继交换帧中继 802.6(SMDS)B-ISDN(ATM)帧 中 继分组交换电路交换X.25电路交换分组交换帧中断交换信元交换692.7 差错控制差错控制 什么是差错控制？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？为何要进行差错控制？不存在理想的信道不存在理想的信道传输总会出错传输总会出错 与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。差错率。产生差错的原因：产生差错的原因：信号衰减和热噪声；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；信号反射，串扰；冲击噪声，闪电、大功率电动机的启停等。冲击噪声，闪电、大功率电动机的启停等。70 差错控制的差错控制的基本方法：接收方进行差错检测，并向基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。发送方应答，告知是否正确接收。实际采用的差错控制技术实际采用的差错控制技术 自动请求重传（自动请求重传（Automatic Repeat Request,ARQ）停等停等 ARQ 每发送一帧就需要一个应答帧每发送一帧就需要一个应答帧只重传刚才出错的帧只重传刚才出错的帧帧编号只需帧编号只需0和和1即可即可 Go-back-N ARQ每发送每发送N帧需要一个应答帧帧需要一个应答帧需重传前面（需重传前面（N-i+1）帧（）帧（0iN）帧编号从帧编号从0到到N-1 选择重传选择重传 ARQ每发送每发送N帧需要一个应答帧帧需要一个应答帧只只重传出错的帧重传出错的帧 前向纠错（前向纠错（FEC-Forward Error Control,FEC）混合方式混合方式Hybrid（FEC-ARQ）71 奇偶校验奇偶校验（Parity Checking）可以在两个级别上实现：可以在两个级别上实现：在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。数（偶校验）。例如：例如：1100010增加偶校验位后为增加偶校验位后为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。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。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只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。出。72 循环冗余校验循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check,CRC）差错检测原理：差错检测原理：收发双方约定一个收发双方约定一个生成多项式生成多项式G(x)，发送方根据，发送方根据发送的数据和发送的数据和G(x)计算出计算出CRC校验和校验和并把它加并把它加在数据的末尾。接收方则用在数据的末尾。接收方则用G(x)去除接收到的数去除接收到的数据，若有余数，则传输有错。据，若有余数，则传输有错。校验和是校验和是16位或位或32位的二进制位串。位的二进制位串。CRC校验的关键是如何校验的关键是如何计算校验和计算校验和。73*CRC校验和的计算校验和的计算 以数据块（帧以数据块（帧,Frame）为单位进行校验）为单位进行校验 将数据块构成的位串看成是系数为将数据块构成的位串看成是系数为0或或1的多项式的多项式 如如110001，可表示成多项式，可表示成多项式 x5+x4+1 若若G(x)为为r阶，帧为阶，帧为m位，其多项式为位，其多项式为M(x)，则在帧后面，则在帧后面添加添加r个个0，成为，成为m+r位，相应多项式位，相应多项式2rM(x)按按模模2 2除法除法用用2rM(x)除以除以G(x)：商：商Q(x)，余，余R(x)即：即：2rM(x)=G(x)Q(x)+R(x)按按模模2 2加法加法把把2rM(x)与余数与余数R(x)相加，结果就是要传送的相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式带校验和的帧的多项式T(x)：即：即：T(x)=2rM(x)+R(x)实际上，实际上，T(x)=2rM(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x)=G(x)Q(x)(模模2运算运算)所以，若接收的所以，若接收的T(x)正确，则它肯定能被正确，则它肯定能被G(x)除尽除尽。74 CRC校验码的检错能力：校验码的检错能力：可检出所有奇数个错；可检出所有奇数个错；可检出所有单位可检出所有单位/双位错；双位错；可检出所有可检出所有G(x)长度的突发错。长度的突发错。常用的生成多项式常用的生成多项式G(x)：CRC16=x16+x15+x2+1 CRC32=x32+x26+x23+x22+x16+x11+x10+x8+x7+x5+x4 +x2+x+175 校验和校验和 发送方算法发送方算法 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（ones complement sum）运算，累加的结果再取反作为校验和，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。762.8数据通信性能指标数据通信性能指标 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 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/电磁波在信道上的传播速率 转发时延78 带宽（带宽（Band Width，BW）：信道传输能力的度量。信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：BW fmax fmin 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时，源端已发送了100万比特。信道信道带宽带宽传播时延传播时延管道体积管道体积=时延带宽乘积时延带宽乘积80误码率与误比特率误码率与误比特率 误码率：误码率：Pc是指传输的码元被传错的概率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：误比特率：Pb是指传输的比特被传错的概率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 信息传输速率信息传输速率 比特（比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数数据据传送速率）。传送速率）。信息传输速率：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 码元传输速率码元传输速率 码元（码元（Code Cell）：时间轴上的一个信号编码单元。：时间轴上的一个信号编码单元。码元传输速率：码元传输速率：是指每秒传输的码元数是指每秒传输的码元数 一般情况下，如果码元状态数为一般情况下，如果码元状态数为M（M为为2的整数次幂），的整数次幂），则则C=B log2M（b/s）一个码元中可以传送多个比特。一个码元中可以传送多个比特。例如：当波特率为例如：当波特率为9600时时 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：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信道的最大数据传输率 Nyquist公式公式：用于无噪声理想低通信道用于无噪声理想低通信道 Nyquist公式为公式为估算已知带宽信道的最高数估算已知带宽信道的最高数据传输速率据传输速率提供了依据。提供了依据。例如，话音级线路的带例如，话音级线路的带 宽约为宽约为3.1kHz，根据上，根据上 式计算的信道最大数据式计算的信道最大数据 传输率如右表所示传输率如右表所示C=2W log2 MC 数据传输率，单位数据传输率，单位b/s W 带宽，单位带宽，单位HzM 信号编码级数信号编码级数M 最大数据率最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s83 非理想信道非理想信道 实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗损耗引起信号强度减弱，导致信噪比信噪比S/N降低降低。延迟延迟会使接收端的信号产生畸变信号产生畸变。噪声噪声会破坏信号，产生误码破坏信号，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。010110011001010010110011001010010110111001000误码位传输数据：信号：噪声：信号与噪声叠加：采样时序：接收数据：原始数据：84 Shannon公式公式：用于有噪声干扰信道用于有噪声干扰信道例：例：信道带宽信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则，则 C=3100log2（1+2000）34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于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/NdB=10log10 S/N所以，若S/NdB=30dB，则S/N=1000。C=W log2（1+S/N）C传输率，单位传输率，单位b/sW 带宽，单位带宽，单位HzS/N信噪比信噪比85Nyquist公式和公式和Shannon公式的比较公式的比较 C=2W log2M 用于理想信道（这样的信道存在吗？）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。数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=W log2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声用于有噪声信道（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。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原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。