计算机网络技术-第2章_数据通信基础.ppt

第2章数据通信基础 本章目录 知识结构 网络数据通信 数据通信的基本概念 数据交换技术 异步传输与同步传输 多路复用技术 数据编码技术 数据传输方向 数据通信方式 频分多路复用 时分多路复用 基带传输与频带传输 码分多路得用 差错检测与控制 数据编码类型 数据编码方法 串行通信与并行通信 波分多路复用 2 1数据通信的基本概念 2 1 1数据通信系统 2 1 1数据通信系统 2 数据通信类型在数据通信系统中 将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统 将传输数字信号的系统称为数字通信系统 1 模拟通信系统 普通的电话 广播 电视等信号都属于模拟信号 由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统 模拟通信系统通常由信源 调制器 信道 解调器 信宿以及噪音源组成 其基本结构模型如下图所示 2 1 1数据通信系统 2 数字通信系统 计算机通信 数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号 由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统 数字通信系统通常由信源 编码器 信道 解码器 信宿以及噪音源组成 其基本结构模型如下图所示 由于数字信号不适合远距离传输 所以在传输前将其变为模拟信号 因此 数字通信系统通常由信源 信源编码器 调制器 信道 解调器 信道译码器 信源译码器 信宿 噪音源组成 其结构模型如下页图所示 2 1 1数据通信系统 在数字通信系统中 调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号 解调器用于将模拟信号还原成数字信号 我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器 它在数据通信系统中的连接如下页图所示 数字通信系统结构模型 2 1 1数据通信系统 以上介绍了数据通信技术的基本概念 事实上 无论是实现模拟通信 还是实现数字通信 都涉及到一系列的技术问题 包括数据调制与编码技术 数据传输技术 多路复用技术 数据交换技术 数据传输的差错检测与控制技术等 调制解调器的功能作用 1 信息信息泛指那些通过各种方式传播的 可被感受的声音 文字 图像 符号等所表征的某一特定事物的消息 情报或知识 2 数据数据是对客观事物的符号表示 在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称 数据分为模拟数据和数字数据两种 模拟数据 在时间和幅值取值上都是连续变化的 例如声音 语音 视频和动画片等 模拟数据通常用传感器收集 数字数据 在时间上是离散的 在幅值上是经过量话的 它一般是由0 1构成的二进制代码组成的数字序列 2 1 2信息 信号和数据 3 信号信号是数据的具体物理表现形式 它具有确定的物理描述 如电信号 光信号或磁场强度等 信号分为数字信号和模拟信号两种 2 1 2信息 信号和数据 模拟传输是传输模拟信号的一种方法 这些信号与模拟数据或数字数据无关 它们可以代表模拟数据 如声音 也可以代表数字数据 如通过调制解调器变换了的二进制数据 模拟信号传送一定距离后 由于幅度衰减而失真变形 所以在长距离传送时 需在沿途加若干放大器将信号放大 相反 数字传输是用以数字信号形式传输的 它可以直接传输二进制数据或编码的二进制数据 为了更适合传输介质的要求 也可以传输数字化了的模拟数据 如数字化了的声音 模拟数据和数字数据两者均可由模拟信号和数字信号表示和传输 通常 模拟数据是时间的函数并占有一定的频率范围 这种数据可直接由占有相同频率范围的电磁信号表示 2 1 3模拟传输和数字传输 2 1 3模拟传输和数字传输 2 1 4信道带宽和信道容量 1 信道带宽 ChannelBroadband 信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围 通常称为信道的通频带 单位用赫兹 调制速率 表示 信道带宽由信道的物理特性所决定 例如电话线路的频率范围在300 3400Hz 那么 它的带宽范围也在300 3400Hz 信道宽度用W表示 2 信道容量 ChannelCapacity 信道容量是指信道能传输信息的最大能力 一般用时间内最大可传送的字节数来表示 信道容量由信道带宽F 可使用的时间T以及信道质量决定 信道容量和信道带宽具有正比关系 带宽越宽 则容量越大 传输效率也就越高 关于信道容量的计算有两条著名的定理 2 1 4信道带宽和信道容量 奈奎斯特 Nyquist 定理 1942年 H Nyquist证明 任何一个信号如果通过带宽为W Hz 的理想低通滤波器 若每秒取样2W次 就可以完整地重现该滤波过后的信号 在理想条件下 无噪音有限带宽W的信道 其最大的数据传输速率C 信道容量 为 式中 N为离散性信号或电平的个数 例2 1 一个无噪音的3000Hz信道传输二进制信号 试问信道容量 可允许的数据传输速率 是多少 解 由于传输的二进制信号是 1 0 两个电平 即N 2 W 3000Hz 则信道容量 2 1 4信道带宽和信道容量 式中 Rmax为最大功率 W为信道带宽 L为信道上传输的信号可取的离散值的个数 例2 2 一个数字信号通过两种物理状态 经信噪比为20dB的3kHz带宽信道传送 其数据率不会超过多少 香农 Shannon 定理 1948年 ClaudeShannon在Nyquist定理基础上进而给出了在噪音的环境中 信道容量将与信噪功率比有关 信道容量与信道带宽之间的关系 式中 N为噪音功率 S为信号功率 信道传输的信息多少完全由带宽所决定 此时 信道中的每秒所传输的最大比特数由奈奎斯特 Nyquist 准则决定 数据传输的质量参数是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数 有效性主要由数据传输速率 调制速率 信道带宽 通信容量 误码率 传输延迟等来衡量 可靠性一般用数据传输的误码率指标来衡量 比特率和波特率是用来描述系统传输率的参量 数据传输单位 DataTransferUnit 数据传输单位通常可用比特 码元 码字 码字来表示 比特 是二进制的缩写 即计算机常用术语 位 在数据通信中用来度量消息的信息量 码元 是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位的通称 例如二进制数字1000001是由7个码元组成的序列 码字 在7位ASCII码中 1000001这7个码元组成的序列代表字母A 通常将这个字母A称为 码字 2 1 5其他相关术语 2 1 5其他相关术语 1 数据传输速率 DataTransferSpeed 数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数 又称为比特率 用bps标记 表示每秒传输的二进制位数 单位用比特 每秒表示 它可由下式确定 式中 T为数字信号脉冲重复周期 N为一个脉冲信号代表的有效状态数 是2的整数倍 例如二进制的一个脉冲可以表示 0 和 1 两个状态 故N 2 Log2N为单位脉冲能表示的比特数 如N 4时表示一个单位脉冲为2bit 一个数字脉冲也称为一个码元 N为一个码元所取的有效离散值个数 若一个码元仅可取0和1两种离散值 则N 2 若一个码元可取00 01 10 11四种离散值 则N 4 2 1 5其他相关术语 2 波特率波特率也称调制速率 或码元速率 码元对应于网络中传输的每一位二进制数字 调制速率是脉冲信号在调制过程中信号状态变化的次数 或者说是信号经过调制后的传输速率 单位是波特 Baud 通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率 3 误码率误码率是衡量数据通信系统或通信信道传输可靠性的一个参数 其定义是 二进制位在传输中被传错的概率 当所传送的数字序列足够长时 它近似地等于被传错的二进制位与所传输总位数的比值 在计算机网络中 误码率要求低于10 6 即平均每传输1兆位 才允许错l位 4 传播速度在通信线路上 信号在单位时间内传送的距离称为传播速度 2 1 5其他相关术语 5 延迟 时延 Delay 时延是指一个报文或分组从一条链路的一端传送到另一端所需的时间 它包括3部分 时延 发送时延 传播时延 处理时延 发送时延 发送数据时使数据块 分组或报文 从结点进入到传输媒体所需要的时间 发送时延 传输时延 数据块长度 信道宽度 传播时延 电磁波在信道上的传播一定的距离所需要花费的时间速度传播时延 信道长度 电磁波在信道上的传播速度 m s 处理时延 数据在交换结点为存储转发而进行一些必要处理所花费的时间 处理时延的长短取决于数据通信系统中当时的通信量 当通信量很大时 还会发生溢出 使分组丢失 2 1 5其他相关术语 例2 3 若A B两台计算机之间的距离为1000km 假设在电缆内信号的传播速度是2 108m s 试对下列两种链路分别计算发送时延和传播时延 数据块长度为108bit 数据发送速率为1Mbps 数据块长度为1000bit 数据发送速率为1Gbps 解 根据上述计算发送时延公式和计算传播时延公式 分别求出不同链路的不同时延 发送时延 108bit 1Mbps 100s传播时延 1000bit 2 108m s 5ms 发送时延 1000bit 1Gbps 1 s传播时延 1000km 2 108m s 5ms通过此例说明 并非信道带宽越宽 数据在信道上跑的速度越快 2 2数据通信方式 2 2 1串行通信与并行通信 2 2 1串行通信与并行通信 2 并行通信 ParallelTransmission 并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上传输 将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去 这种工作方式称为并行通信 如下图所示 并行通信示意图 在数据通信系统中 整个计算机通信系统能否正确有效地工作 在相当程度上依赖于是否能很好地实现同步 目前 串行通信的传输按通信约定的格式分为两种 即同步通信方式和异步通信方式 1 同步传输 Synchronous 位同步 在数据通信过程中 接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率 这个过程就叫做位同步 实现位同步的方法主要有以下两种 外同步法 是在发送端发送一路数据信号的同时 另外发送一路同步时钟信号 接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率 实现收发双方的位同步 2 2 2异步传输与同步传输 内同步法 是从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法 曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟的编码方法 字符同步 为保证收发双方正确传输字符 将字符以组为单位传送 在每组字符之前加上一个用于同步控制的同步字符SYN 数据结束后加上后同步信号 接收端根据SYN与后同步信号确定数据字符的起始与终止 同步传输方式如下图所示 2 2 2异步传输与同步传输 2 异步传输 asynchronous 异步传输一次只传输一个字符 每个字符用一位起始位引导 一位停止位结束 起始位为 0 占一位 停止位为 1 占1 2位 在没有数据发送时发送方可发送连续的停止位 接收方根据 1 至 0 的跳变来判别一个新字符的开始 然后接收字符中的所有位 异步传输方式如下图所示 同步传输方式示意图 2 2 2异步传输与同步传输 数据在通信线路上传输是有方向的 根据信号传送的方向与时间关系 数据通信可分为三种基本工作方式 单工通信 半双工通信与全双工通信 2 2 3数据传输方向 在计算机网络中 根据传输介质的信道带宽可分为基带 频带和宽带 局域网中主要采用基带和频带传输 有线电视和无线局域网中主要采用宽带传输 2 2 4基带传输与频带传输 2 3数据编码技术 2 3 1数据编码类型 在计算机中的数据是用二进制0 1比特序列表示的 在物理上是用低电平和高电平来呈现的 由于在线路上传输的数据有模拟数据和数字数据 因而数据传输的通信信道有模拟信道与数字信道之分 为了便于不同数据在不同的信道中传输 适应不同的传输特性 在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码 在通信系统中 数据的调制和编码可分为4种基本形式 2 3 2数据编码方法 数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示 是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法 常用的编码方式主要有3种 不归零编码 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 1 不归零码 Non ReturntoZero NRZ 不归零码是一种全宽码 即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流 每一位码占全部码元的宽度 不归零码可分为单极性和双极性两种 单极性不归零码 SinglePolarityNRZ 是以无电压 无电流 表示 0 而用恒定的正电压表示 1 双极性不归零码 DoublePolarityNRZ 是以负电压表示 0 而用恒定的正电压表示 1 以上反之亦然 即负电压表示 1 正电压表示 0 2 曼彻斯特编码曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一 其编码规则是 每个比特的周期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 3 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进 它将时钟和数据包含在信号中 在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方 所以都属于自同步编码 其数据传输速率只有调制速率的1 2 2 3 2数据编码方法 2 4多路复用技术 传输信号要求的带宽与传输介质允许通过的带宽是不一样的 为了节省开销 应当充分利用传输介质的带宽 在一条介质上同时传送多于一路以上信号的传输方式 叫做该介质的多路复用 多路复用传输技术的基本原理如下图所示 多路复用基本原理示意图 2 4 1频分多路复用 1 频分多路复用的概念在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下 可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同的子信道 每个子信道传输一路信号 这就是频分多路复用 频分多路复用的基本工作原理如下图所示 2 4 1频分多路复用 频分多路技术实现示意图 2 频分多路复用的技术实现频分多路复用主要用于电话模拟信号的传输 频分多路复用技术用于模拟信号的频分传输 主要用于电话和电视系统 一根CATV电缆的带宽大约是500MHz 可传送80个频道的电视节目 每个频道6MHz的带宽中又进一步划分为声音子通道 视频子通道以及彩色子通道 并留有警戒频带 2 4 2时分多路复用 1 时分多路复用的概念时分多路复用 TDM 是将一条物理信道的传输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 如果与FDM相比较 由于FDM是以信道频带作为分割对象 通过为多个信道分配互不重叠的频率范围的方法来实现多路复用 因此频分多路复用更适于模拟数据信号的传输 而TDM则以信道传输时间作为分割对象 通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用 因此更适合于数字数据信号的传输 2 时分多路复用的实现时分多路复用在技术实现上 可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种方式 2 4 2时分多路复用 1 同步时分 指发送端的多台计算机通过一条线路向接收端发送数据时进行分时处理 它们以固定的时隙进行分配 2 异步时分 又被称为统计时分复用技术 它能动态地按需分配时隙 以避免每个时隙段中出现空闲时隙 异步时分在分配时隙时是不固定的 而是只给想发送数据的发送端分配其时隙段 当用户暂停发送数据时 则不给它分配时隙 2 4 3波分多路复用 1 波分多路复用 WDM 采用的是波长分隔多路复用技术 在同一传输信道内传输多路不同波长的光信号 WDM和FDM基本上都基于相同原理 所不同的是WDM应用于光纤信道上的光波传输过程 而FDM应用于电模拟传输 波分多路复用原理如下图所示 波分多路复用原理 2 4 3波分多路复用 2 密集波分多路复用密集波分多路复用 DWDM 是在WDM上发展起来的 最初 在一根光纤上只能传送两路光波信号 CIENA首先推出了16路信道系统 现在已能做到在一根光纤上复用80路甚至更多路数的光载波信号 DWDM的工作原理如下图所示 密集波分多路复用原理示意图 2 4 4码分多路复用 1 码分多路复用的概念码分多路复用 CDM 是一种用于移动通信系统的新技术 笔记本电脑和掌上电脑等移动性计算机的连网通信将会大量使用码分多路复用技术 在CDM系统中 所有用户占用相同的带宽 使用同一频率同时发送或接收信号 各个用户的信号用各自不同的地址码序列来区分 2 码分多路复用的基本原理CDM的理论基础是微波扩频通信 利用扩频通信中不同码型的扩频码之间的相关性 为每个用户分配一个扩频编码 以区别不同的用户信号 发送端可用不同的扩频编码分别向不同的接收端发送数据 接收端用不同的扩频编码进行解码 就可得到不同发送端送来的数据 实现多址通信 2 4 4码分多路复用 3 码分多路复用的实现CDM是建立在波分多路复用的基础上 既利用了一个波长不同的信道 又可使不同的用户共享一个信道 但不同用户具有不同的正交码形 互不重叠 其实现技术如下图所示 2 5数据交换技术 各种数据经过编码后在通信线路上进行传输 实现数据通信 数据通信最简单的方式是利用传输介质将两个端点直接相连 但每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的 通常通过一个由多个结点组成的中间网络 把数据从源结点转发到目的结点 实现相互通信 因此 数据交换是研究如何通过中间网络实现联网计算机之间的数据交换问题 目前 常用的网络数据交换方式可归结为以下3种 电路交换 报文交换 分组交换 2 5 1电路交换 1 电路交换概念电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种直接交换方式 在数字通信中 电路交换传输主要是应用同步传输模式来实现的 电路交换的过程分为3个步骤 电路交换原理如下图所示 2 5 1电路交换 2 5 1电路交换 2 电路交换的优点 1 连接建立后 数据以固定的传输率传输 传输延迟小 2 由于物理线路被单独占用 故不可能发生冲突 3 适用于实时大批量连续的数据传输 3 电路交换的缺点 1 建立连接将跨多个设备或线缆 则会需要花费很长的时间 2 连接建立后 由于线路是专用的 即使空闲 也不能被其它设备使用造成一定的浪费 3 对通信双方而言 必须做到双方的收发速度 编码方法 信息格式和传输控制等一致才能完成通信 2 5 2报文交换 1 报文交换的工作原理报文交换类似于发送信件 是以报文为单位发送信息 不管发送数据的长度是多少都把它当作一个逻辑单元 每个报文由报头 正文和报尾3部分组成 报头中包含发送计算机的地址和接收信息的计算机地址 通信子网根据报头目的地址选择路径在两个结点之间的一段链路上逐段传输 不需要在两个主机之间建立多个结点组成的通道 报文交换过程如下图所示 报文交换过程 2 5 2报文交换 2 报文交换的优点 电路利用率高 报文可以分时共享交换设备间的线路 在电路交换网络上 当通信量变得很大时 就不能接受新的呼叫 而在报文交换网络上 通信量大时仍然可以接收报文 不过传送延迟会增加 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地 而电路交换网络很难做到这一点 报文交换网络可以进行速度和代码的转换 3 报文交换的缺点 数据的传输延迟比较长 且延迟时间长短不一 因此不适用于实时或交互式的通信系统 当报文传输错误时 必须重传整个报文 2 5 3分组交换 分组交换是报文交换的改进 因而又称为报文分组交换 它将报文分成若干个分组 每个分组的长度有一个上限 有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了 以提高交换速度 分组交换适用于交互式通信 如终端与主机通信 报文分组的结构如下图所示 报文分组的组成 报文分组交换是在电路交换和报文交换的基础上发展起来的 因而结合了两者的优点 并且有数据报方式和虚电路方式 2 5 3分组交换 1 数据报方式在数据报方式中子网接收主机A发送的报文经编址 拆卸后分成若干分组 设有3个分组P1 P2 P3 CA将根据子网当前的通路情况及通信量情况 将分组P1 P2 P3沿不同的子网路径发送出去 接收端将接收的分组重新组装成报文 这类服务没有建立链路和拆除链路的过程 如下图所示 数据报方式交换过程 2 5 3分组交换 2 虚电路方式虚电路方式是试图将数据报方式与电路交换方式结合起来 发挥两种方法的优点 达到最佳的数据交换效果 与电路交换方式类似 虚电路方式在数据传输前也要建立一条传输通路 但这条通络是逻辑的而非物理的 虚电路方式两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接 用户不需要在发送和接收时清除连接 虚电路可以通过呼叫请求建立 并要赋予虚电路号 子网中的结点之间就是通过虚电路号将分组沿子网中的结点逐站传递 虚电路的工作方式如下页图所示 2 5 3分组交换 A1一B1虚电路 VC1 LCl 3 LC2 2 LC3 1 A2一C1虚电路 VC2 LCl 2 LC2 1 LC4 3 A3一Dl虚电路 VC3 LC1 1 LC5 4 用户A1与用户B1建立的虚电路为VCl LCl 3 LC2 2 LC3 1 用户A2与用户C1建立的虚电路为VC2 LCl 2 LC2 1 LC4 3 用户A3与用户D1建立的虚电路为VC3 LCl 1 LC5 4 虚电路的工作方式 2 5 3分组交换 由于虚电路方式具有电路交换与分组交换技术的优点 因此在计算机网络中得到了广泛的应用 虚电路服务与数据报服务的主要区别如下表 2 6差错检测与控制 差错产生的过程 1 差错的产生在数据通信过程中 由于信号的衰减 噪音的干扰 通信线路上的数据信号与干扰信号叠加在一起 会造成接收端接收到发生差错的数据 例如 把 1 变为 0 和把 0 变为 1 我们把通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象称为传输差错 通常简称为差错 产生差错的过程如下图所示 2 差错的类型 2 6差错检测与控制 2 6 1差错检测方法 检错法 在计算机通信中 检测接收到的数据是否受到噪声影响而发生了差错的方法是利用检错码来判断 常用的检错码有两种 即奇偶校验码和循环冗余码 1 奇偶校验码奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中 的个数为奇数或偶数的编码方法 它是一种检错码 2 循环冗余校验 CRC码 在发送端产生一个循环冗余码 附加在信息位后面一起发送到接收端 接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验 若有错 需重发 例如已知信息码 110011 信息多项式 K X X5 X4