《数据通信基础》课件

第2章 数据通信基础,2.1 数据通信的基本概念 2.2 传输介质及其主要特性 2.3 数据编码技术 2.4 多路复用技术 2.5 广域网中的数据交换技术 2.6 差错控制方法,2.1 数据通信的基本概念,一、信息、数据和信号 1.信息、数据和信号 信息是指有用的知识或者消息。 数据是信息的表达方式。 信号是数据在传输过程中的电磁表示。 2.模拟信号与数字信号 模拟信号是随时间连续变化的物理量。 数字信号相对于时间和幅值而言都是不连续的，即离散的物理量，它只包含有限数目的固定值。,2.1 数据通信的基本概念,二、数据通信方式 串行通信和并行通信 （1）串行通信 将待传送的每个字节的二进制代码按由低到高位的顺序，依次发送。这种数据通信方式称为串行通信。 串行通信的优点：成本低，利用率高； 缺点：速度慢，需进行串 / 并转换。 这种通信方式适合长距离的信号传输。,2.1 数据通信的基本概念,（ 2 ） 并行通信 并行通信是指同时传输一组（多个比特位）比特，每个比特使用单独的一条线路。 并行通信的特点：成本高，速度快，不需串 / 并转换； 缺点：信道的利用率低。 这种通信方式适合近距离的传输。,2.1 数据通信的基本概念,2.单工、半双工和全双工通信 （1）单工 在单工通信方式下，信号只能按照一个方向上传输（正向或反向），任何时候不能改变信号的传输方向 。如无线电广播和电视广播。 （2）半双工 半双工通信允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输。如对讲机。,2.1 数据通信的基本概念,（3) 全双工 全双工通信可以同时进行两个方向的信号的传输。,2.1 数据通信的基本概念,3.数据通信中的同步方式 同步：要求通信的收发双方在时间基准上保持一致。 数据通信中常用的两种同步方式是：异步传输和同步传输。 （1）异步传输 异步传输是以字符为单位进行传输，传输字符之间的时间间隔可以是随机的、不同步的。 异步传输方式实现简单。但需在每个字符的首尾附加起始位和停止位，因而它的额外开销大，传输效率低。,2.1 数据通信的基本概念,（ 2 ）同步传输 同步方式是指在一组字符（数据帧）之前加入同步字符，同步字符之后可以连续发送任意多个字符。 同步方式数据帧的典型组成 ： 同步字符（ SYN ）：表示数据帧的开始 地址字段：包括源地址和目的地址 控制字段：用于控制信息 数据字段：用户数据 检验字段：用于检错 帧结束字段：表示数据帧的结束 同步方式中，数据传输额外开销小，传输效率高。但实现复杂，传输中的一个错误将影响整个字符组（而异步传输中的同样错误只影响一个字符的正确接收）。,2.1 数据通信的基本概念,4. 数据通信的主要技术指标 （ 1 ）数据传输速率是指传输线路上传输信息的速度，有数据传输速率和信号传输速率两种表示方法。 1) 数据传输速率 数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制位的个数，单位为比特每秒，表示为 bps 或 b/s 。 2) 信号传输速率 信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数，单位为 baud （波特）。 3) 比特率与波特率的关系 比特率与波特率都是衡量信息在传输线路上传输快慢的指标，但两者针对的对象有所不同，比特率针对的是二进制位数传输，波特率针对信号波形的传输。,2.1 数据通信的基本概念,（ 2 ） 误码率 误码率表示二进制数据位在传输中出错的概率。 （ 3 ） 信道容量 信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率，单位为 bps 或 b/s 。 （ 4 ） 三个指标之间的关系 数据速率用于衡量信道传输数据的快慢，是信道的实际数据传输速率； 信道容量用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率； 误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。,2.2 传输介质及其主要特性,一、传输介质及其主要特性 传输介质就是指搭载数字或模拟信号的传输媒介。 常用的传输介质有： （ 1 ）双绞线 （ 2 ）同轴电缆 （ 3 ）光纤电缆 （ 4 ）无线与卫星通信信道,2.2 传输介质及其主要特性,传输介质的特性主要是以下几点： （ 1 ）物理特性：对传输介质物理结构的描述； （ 2 ）传输特性：传输介质允许传送数字信号或模拟信号，以及调制技术，传输容量与传输的频率范围； （ 3 ）连通特性：允许点到点或多点连接； （ 4 ）地理范围：传输介质的最大传输距离； （ 5 ）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； （ 6 ）相对价格；器件、安装与维护费用；,2.2 传输介质及其主要特性,二、双绞线的主要特性 1. 物理特性 双绞线是由两根绝缘铜导线拧成规则的螺旋状结构。把电线绞起来的目的是减少线对之间的电磁干扰、噪声、串音等。在传输系统中，通常把许多这样的线对捆在一起，再包上保护层形成一条电缆，以便使用。 一般说来，双绞线的线路损耗大、传输速率低，但价格便宜，易于安装，主要用于局域网中，传输距离为几百米。 双绞线既可以传输模拟信号，又可以传输数字信号。 常用的双绞线分屏蔽双绞线（ STP ）和无屏蔽双绞线（ UTP ）两大类。屏蔽双绞线比非屏蔽双绞线增加了一个屏蔽层，能够更有效地防止电磁干扰。,UTP双绞线,2.2 传输介质及其主要特性,2. 传输特性 屏蔽双绞线的抗干扰性好， 100m 内传输速率可达 500Mb/s 。 无屏蔽双绞线又可分为如下 5 个基本类型： 1 类：阻抗范围广，不宜作数据传输 2 类：与 1 类相同，最高带宽为 1MHz ，适用于 PBX 和告警系统。 3 类：阻抗为 100 ，最高带宽为 16MHz 。适用于 10BASE-T 和 4Mb/s 令牌环网 . 4 类：除最大带宽为 20MHz 外，其余同 3 类。 5 类：阻抗为了 100 ，测试带宽为 100MHz 适用于100Mb/s 以太网和 FDDI 等高速协议。,2.2 传输介质及其主要特性,三、同轴电缆的主要特性 1 物理特性 同轴电缆以硬铜线为芯 , 外包一层用密织的网状导体环绕的绝缘材料 , 网外又覆盖一层保护性材料 , 按同轴形式构成。四层结构从里向外分别是： （ 1 ）内芯： 金属导体，用于传输数据。 （ 2 ）绝缘层：用于内芯与屏蔽层间的绝缘。 （ 3 ）屏蔽层：金属导体，用于屏蔽外部的干扰。 （ 4 ）塑料外：用于保护电缆。 同轴电缆可分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆。 （ 1 ）基带同轴电缆 这种同轴电缆采用基带传输方式，即采用数字信号进行传输，用于构建局域网。 （ 2 ）宽带同轴电缆 这种同轴电缆采用宽带传输方式，即采用模拟信号进行传输，覆盖的区域比基带系统广。例如，构建 CATV 网络和有线电视网。,2.2 传输介质及其主要特性,2 传输特性 基带同轴电缆采用曼彻斯特（ Manchester ）编码传输数字信号，速率最高可达 10Mb/s ； 宽带同轴电缆既可传输模拟信号，也可以传输数字信号。 3 连通性 可用于点到点连接和多点连接。 4 抗干扰性 同轴电缆的结构使得它的抗干扰性能力比较强，高于双绞线。 5 价格 高于双绞线，低于光纤。,2.2 传输介质及其主要特性,四、光纤的主要特性 1. 光纤又叫光导纤维，是一种轻便灵活，能传导光的介质，采用特殊的玻璃或塑料来制作。 2. 利用光纤传输数据时，用光脉冲的出现表示为“ 1 ”，不出现表示为“ 0 ”。 3. 光纤的传输性能高于双绞线和同轴电缆，但成本较高，在计算机网络中主要用于主干线。 4. 光纤的主要特点是 : (1) 传输速率高 , 在 10km 的距离上可达到 2Gb/s。 (2) 误码率低 , 一般小于 10 。 (3) 抗干扰强 , 不受外界电磁场的影响。 (4) 安全无辐射 , 难以窃听 , 保密性好。 (5 )尺寸小，重量轻，弯曲性能好。,2.2 传输介质及其主要特性,5. 光纤分单模光纤和多模光纤两种。 单模光纤的直径只有一个光波长（ 5m 10m ） , 即只能传导一路光波，如图 所示。 若多条入射角不同的光线在同一条光纤内传输，这种光纤就是多模光纤，如图所示。多模光纤的光线与芯轴成一定角度，频带窄，衰减大，传输距离近。,2.2 传输介质及其主要特性,五、无线介质 使用无线介质，是指在两个通信设备之间不使用任何物理的连接器，即无需铺设网络传输线。 常用的无线介质是微波。微波通信常用的有地面微波通信和卫星通信两种。 1. 地面微波通信 地面微波通信示意如图 2-14 所示。它的优点是：频带宽、信道容量大、初建费用小，既可传输模拟信号，又可传输数字信号；但方向性强（必须直线传播）、保密性差。 2. 卫星通信 在卫星通信中，通信卫星是微波通信的中继站。它的优点是：容量大、可靠性高、通信成本与两站点之间的距离无关，传输距离远、覆盖面广、具有广播特征；缺点是：一次性投资大、传输延迟时间长。,2.3 数据编码技术,根据数据通信类型，网络中常用的通信信道分为两类：模拟通信信道与数字通信信道。相应的用于数据通信的数据编码方式也分为两类：模拟数据编码与数字数据编码。,2.3 数据编码技术,一、模拟数据编码方法 载波信号可以表示为正弦波形式： f(t)=Asin(t+) ，其中幅度 A 、频率 和相位 的变化均影响信号波形。因此，通过改变这三个参数可实现对模拟信号的编码。相应的调制方式分别称为幅度调制 ASK 、频率调制 FSK 和相位调制 PSK 。 1. 幅度调制 幅度调制又被称为幅移键控（ ASK ， Amplitude Shift Keying ）。幅度调制通过改变载波信号的振幅大小来表示二进制 0 和 1 ，而频率和相位保持不变。,2.3 数据编码技术,2. 频率调制 频率调制又被称为频移键控（ FSK Frequency Shift Keying ）。 频率调制通过改变载波信号的频率大小来表示二进制 0 和 1 ，而振幅和相位保持不变。,2.3 数据编码技术,3. 相位调制 相位调制又被称为相移健控 (Phase Shifting Keying,PSK) 。相位调制技术通过改变载波信号的相位来表示二进制 0 和 1 ，而振幅和频率保持不变。相位调制又可分为相对相位调制和绝对相位调制。 (1) 绝对相移键控 绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字”0 ”和“ 1 ”。,2.3 数据编码技术,(2) 相对相移键控法 相对相移键控用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。最简单的相对调相方法是：与前一个信号同相表示数字 “0” ，相位偏移 180 度表示 “1” 。,2.3 数据编码技术,二、数字数据编码方法 数据通信技术中，将利用模拟通信信道，通过调制解调器传输模拟数据信号的方法，称做频带传输；利用数字通信信道，来直接传输数字数据信号的方法，称做基带传输。 在基带传输中，数字数据信号的编码方式主要有以下几种： 1. 非归零编码 NRZ 非归零编码 NRZ （ Non-Rerurn to Zero ）可以规定用负电平表示逻辑“ 0 ”，用正电平表示逻辑“ 1 ” 。 NEZ 码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步。,2.3 数据编码技术,2. 曼彻斯特（ Manchester ）编码 曼彻斯特编码的规则是：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是： （ 1 ）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。 （ 2 ）曼彻斯特编码的缺点是效率较低，如果信号传输速率是 10Mbps ，那么发送时钟信号频率应为 20MHz 。,2.3 数据编码技术,3. 差分曼彻斯特（ Difference Manchester ）编码 差分曼彻斯特编码：每一位的中间（ 1/2 周期处）有一跳变，但是，该跳变只作为时钟信号（同步）。数据信号根据每位开始时有无跳变进行取值：有跳变表示数字“ 0 ”，无跳变表示数字“ 1 ”。 采用位边界的跳变方式来决定二进制是因为跳变更易于检测。,2.4 多路复用技术,一、多路复用技术的分类 为了充分利用传输介质，人们研究与应用了一条物理线路上建立多条通信信道的技术，这就是多路复用技术。 多路复用需经过复合、传输和分离 3 个过程。多路复用的原理如图所示。 常用的多路复用技术一般有以下三种形式： （ 1 ）频分多路复用 ( FDM ,Frequency Division Multiplexing ) （ 2 ）时分多路复用 (TDM ,Time Division Multiplexing) （ 3 ） 波分多路复用 (WDM , Wavelength Division Multiplexing),2.4 多路复用技术,二、频分多路复用 1. 频分多路复用按照频率区分信号，即把传输介质的带宽划分为若干个窄频带，每一路信号占用一个窄频带。频分多路复用技术是一种模拟技术。 2. 实现 FDM 的前提是任何信号只占据一个宽度有限的频率，而信道可以被利用的频率比一个信号的频率宽得多，因而可以利用频率分隔主方式来实现多路复用。 3. 为了防止相邻两个信号频率覆盖造成干扰，在相邻两个信号的频率之间通常要留有一定的频率间隔。 4. 如图所示，一路电话信号共占有 4 kHz 的带宽。由于每路电话信号占有不同的带宽，到达接收端后，就可以将各路信号由滤波器区分开。 5. 频分多路复用原理简单 , 技术成熟 , 系统的效率较高。但易产生信号失真，系统设备庞大复杂。它适合于模拟信号的传输，通常电话系统、电视系统中都采用频分多路复用技术。,2.4 多路复用技术,三、时分多路复用（ TDM ） 时分多路复用是将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片，按一定的次序轮流给各个信号源使用。时分多路复用主要用于数字信道的复用。 时分多路复用的实现方法有两种：同步时分多路复用和异步时分多路复用。 1. 同步时分多路复用 在同步时分多路复用中，时间片是预先分配好的，而且是固定不变的，即每个时间片与一个信号源对应，而不管此时是否有信息发送。在接收端，根据时间片序号可判断出是哪一路信号。 采用同步时分多路复用信道的利用率低。 2. 异步时分多路复用 在异步时分多路复用技术中，动态分配信道的时间片，以实现按需分配。这样就避免了时间片的浪费，大大提高了信道的利用率。,2.4 多路复用技术,四、波分多路复用 1. 波分多路复用技术是频分多路复用在光纤信道上使用的一个变种，因此也称其为光的频分复用。不同的是波分多路复用技术应用于全光纤组成的网络中，传输的是光信号，并按照光的波长区分信号。 2. 波分多路复用系统的核心器件是棱柱或衍射光栅 . 多根光纤发出的光信号到达同一个棱柱或衍射光栅 , 每根光纤里的光波处于不同的波段上 , 多束光信号通过棱柱或衍射光栅全到一根共享的光纤上 , 到达目的地后 , 再由一个棱柱或衍射光栅将光重新分解国多路光信号 。 3. 波分多路复用与频分多路复用的惟一区别就是 : 在波分多路复用中使用的衍射光栅是无源的 , 因此可靠性非常高 。,2.5 广域网中的数据交换技术,网络中设备通常要经过多次中间结点才能将数据从信源逐点传送到信宿 。数据在各结点间的传输过程式称为数据交换。 数据交换技术按照其原理划分，可分为线路交换和存储转发交换两种技术。 一、线路交换方式 在线路交换（ Circuit Exchanging ）中，两台计算机通过通信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。 线路交换方式的通信过程分三个阶段： 1. 线路建立 在传输数据之前 , 先要为此次传输建立一条专用的物理通路 。这时就需要根据一定的路径选择算法，从中选择一条。 2. 数据传输 物理线路连接建立以后， 就可以通过该连接实现实时、双向交换数据。 3. 线路释放 在数据传输完成后，就要进入路线释放阶段，以便重新分配通信网络资源。,2.5 广域网中的数据交换技术,线路交换方式的特点：通信子网的结点是用电子或机电结合的交换设备来完成输入与输出线路的物理连接。通信子网中的结点交换设备不能存储数据，不能改变数据内容，并且不具备差错控制能力。 线路交换方式的优点是：通信实时强，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，不能平滑通信量；系统不具备差错控制能力，无法发现与纠正传输过程中发生的数据差错。,2.5 广域网中的数据交换技术,二、存储转发交换方式 1. 存储转发的基本概念 存储转发交换（ SroreandForward Exchanging ）方式线路交换方式的主要区别： (1) 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； (2) 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。 2. 存储转发方式的优点主要有以下几点： (1) 多个报文（或报文分组）可以共享通信信道，线路利用率高； (2) 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（或报文分组）通过通信子网的最佳路径，同时可以平滑通信量，提高系统效率； (3) 报文（或报文分组）在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检测与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性； (4) 通过通信控制处理机，可以对不同通信速率的线路进行速率转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。,2.5 广域网中的数据交换技术,3. 存储转发的分类 （1）按照转发的信息单位不同，存储转发交换方式可以分为报文交换与分组交换两类。被传送的数据单元相应又可分为报文和报文分组两类。 （2）如果在发送数据时，可以不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元，那么就可以在发送的数据上加上目的地址、源地址与控制信息，按一定的格式打包后组成一个报文。 （3）发送站将一个长报文分成多个报文分成多个报文分组，接收站再将多个报文分组按顺序重新组装成一个完整报文。 （4）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，这就有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率，因此成为当今公用数据交换网中主要的交换技术。 目前，美国的 TELENET 、 TYMNET 以及中国的 CHINAPAC 都采用分组交换技术，这类通信子网被称为分组交换网。 分组交换技术在实际应用中又可分为数据报方式和虚电路方式两类。,2.5 广域网中的数据交换技术,三、数据报方式 数据报（ DG ， Datagram ）是报文分组存储转发的一种形式。在数据报方式中，每个分组被独立立传输，也就是分组可能经由不同的路径到达接收站。这种方式中的分组被称为数据报。 数据报方式会导致属于同一个报文的分组以乱序到达接收站，在到达接收站之后还需对数据报进行排序重组。,2.5 广域网中的数据交换技术,四、虚电路方式 1. 虚电路（ VC ， Virtual Circuit ）方式中 , 传输数据之前 , 需要建立一条发送站和接收站之间的路径 , 这条路径被称为虚电路。发送数据时，所有的分组都沿着这条虚电路按顺序传送。 2. 虚电路方式能够保证分组按照发送的顺序到达。省去了数据报方式中对分组的拆卸和装配。 3. 线路交换是各交换节点为发送站和接收站建立一条专用的物理通路。 虚电路方式是在交换节点之间建立路由。当交换节点收到一个分组后，它检查路由表，按照其匹配项的出口发送分组。因此虚电路不是一条专用线路，它可以与其他连接共享。,2.6 差错控制方法,一、差错原因与差错控制方法 1. 差错是指接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象。 2. 差错控制方法是指分析差错产生的原因与差错控制类型，研究检查是否出现差错及如何纠正差错。 3.差错原因：接收信号是信号与噪声的叠加。如果噪声对信号叠加的结果在电平判决时出现错误，就会引起传输数据的错误。 4. 通信信道的噪声分为两类：热噪声与冲击噪声。 热噪声是由传输介质导体的电子热运动产生的。热噪声的特点是：时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机的噪声。由热噪声引起的差错是一类随机差错。 冲击噪声是由外界电磁干扰引起的。与热噪声相比，冲击噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。,2.6 差错控制方法,二、 差错控制 差错控制就是指在数据通信过程中，发现、检测差错，对差错进行纠正，从而把差错限制在数据传输所允许的尽可能的范围的技术和方法。 1 、差错控制编码 差错控制编码是用以实现差错控制的编码。它分纠错码和检错码两种。 （1）纠错码是让每个传输的分组带上足够的冗余信息，以便在接收端能发现并自动纠正传输中的差错。 （2）检错码让分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，但不能确定错误位的位置，即自己不能纠正传输差错。 纠错码方法虽然有优越之处，但实现复杂、造价高、费时间，在一般的通信场合 不易采用。检错码方法虽然要通过重传机制达到纠错，但原理简单，实现容易，编码与解码速度快，是网络中广泛使用的差错控制编码。,2.6 差错控制方法,2、差错控制方法 差错控制方法主要有两类：自动请求重发（ Automatic Repeat Request ,ARQ ）和前向纠错。 （1） 自动请求重发是利用编码的方法在数据接收端检测差错，当检测出差错后，设法通知发送数据端重新发送数据，直到无差错为止。 （2）前向纠错是利用编码的方法，接收数据端不仅对接收的数据进行检测，当检测出差错后能自动纠正差错。 对于自动请求重发又有以下几种实现方式： 停等式 发送方每发完一个数据报文必须等接收方确认后才能发下一个数据报文。 全部重发 发送方可连续发送多个数据报文。若前面某个数据报文出错，从该数据报文以后的所有数据报文都需重发。 选择重发 发送方可连续发送多个数据报文。若前面某个数据报文出错，只需重发出错的数据报文。,2.6 差错控制方法,三、检错码工作原理 目前，常用的检错码主要有奇偶校验和循环冗余编码两类。 1 奇偶校验码 在差错检测中，奇偶校验是一种最简单、最基本的方法，它分为垂直奇（偶）校验、水平奇（偶）校验与水平垂直（偶）校验（方阵码）。 奇偶校验码的工作原理是在原始数据字节的最高位或最低位增加一个附加位，使结果中 1 的个数为奇数（奇校验）或（偶校验）。增加的位称为奇偶校验位。 奇偶校验可以检测出数据中奇数个错误，但不能检测出偶数个错误。奇偶校验经济、容易实现。,2.6 差错控制方法,2.循环冗余编码 循环冗余校验是将所传输的数据除以一个预先设定的除数，所得的余数作为冗余比特，附加在要发送数据的末尾，被称为循环冗余校验码（ CRC 码），这样，实际传输的数据就能够被预先设定的除数整除。当整个数据传送到接收方之后，接收方就利用同一个除数去除接收到的数据，如果余数为 0 ，即表明数据传输正确，否则即意味着数据传输出现了差错。 确定循环冗余校验码的关键在于二进制序列的除法计算上。其规则是：加法、减法运算都是进行异或运算，加法不进位，减法不错位。计算的方法如下： （ 1 ）在数据的末尾加上 n 个 0 ， n 等于除数的位数减 1 。 （ 2 ）采用二进制除法规则，计算加长的数据除以预先设定的除数，得到的余数即为循环冗余校验码。 （ 3 ）将循环冗余校验码替换数据末尾的 n 个 0 ，即得出整个传输的数据。,2.6 差错控制方法,例如，求 1011010 的 CRC 编码，设除数为 10011 。 可得 CRC 校验码为相除的余数，即 1111 。实际发送的比特串则为： 10110101111 。,