第二章数据通信基础-2013

1、第二章第二章 数据通信基础数据通信基础通信 计算机计算机网络计算机网络是计算机技术与通信技术计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。相结合的产物。2.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念一、信息一、信息 通通信的目的是信息交换，信息的载体用来承载信的目的是信息交换，信息的载体用来承载信息的事物，可以是数字、文字、语音、图形信息的事物，可以是数字、文字、语音、图形和图像等。和图像等。 二、数据 在数字通信中一般用二进制数作为信息的载体。这种承载着信息的二进制码就是我们所说的数据。三、信号（Signal）数据在传输过程中的电磁波表示形式。 包括数字信号模拟信号1844上帝创造了何等的奇迹

2、。 一次通信中产生和发送信息的一端叫信源一次通信中产生和发送信息的一端叫信源, 接收信息的一端叫信宿。接收信息的一端叫信宿。 信源和信宿之信源和信宿之间要有通信线路才能互相通信。间要有通信线路才能互相通信。 通信线通信线路称为信道路称为信道。 资源子网和通信子网结构示意图资源子网和通信子网结构示意图 通信子网通信子网资源子网资源子网CCPCCPCCPCCPCCPCCP主机主机主机主机终端终端终端终端数据传输系统（通信子网）传输线路传输线路调制解调调制解调多路复用多路复用交换设备交换设备数据处理系统（资源子网）终端设备终端设备计算机系统计算机系统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

3、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。数据传输的主要技术指标传输速率传输速率差错率（误码率）差错率（误码率）模拟与数字 模拟数据是指在某个区间内的模拟数据是指在某个区间内的连续值连续值。例。例如：如：声音或视频都是强度连续变化的波形；声音或视频都

4、是强度连续变化的波形；用传感器采集到的数据：用传感器采集到的数据：温度温度压力压力数字数据泛指数字数据泛指离散值离散值。例如：。例如：文字文字整数整数模拟信号与数字信号 (a) 模拟信号 (b) 数字信号 数据传输类型数据通信系统基本结构在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。调制和解调发发送送装装置置接接收收装装置置MODEMMODEM数字信号数字信号模拟信号000001111数字信号(a)调幅(b)调频 (c)调相按数字信号按数字信号的值改变载的值改变载波信号的幅波信号的幅度度按数字信号按数字信号的值改变载的值改变载波信号的频波信号的频率

5、率按数字信号按数字信号的值改变载的值改变载波信号的相波信号的相位位一、单工通信（双线制） 在单工通信中，数据信号固定地从发送端人传送到接收端B，因此，又叫单向通信。 数据通信方式二、半双工通信（双线制半双工通信（双线制+开关）开关）在半双工通信中，允许数据信号双向传送，但不能同时进行，因此又被称为双向交替通信。这种方式要求A、B端都有发送装置和接收装置。若想改变信息的传输方向，需要利用开关进行切换。例如，无线电对讲机 。数据通信方式三、全双工通信（四线制 ）全双工通信中，允许双方同时在两个方向进行数据传输，因此也被称为双向同时通信。它相当于将两个方向相反的单工通信方式组合起来。因此，一般采用四

6、线制。全双工通信效率高，造价也高，一般用于计算机之间的通信 数据通信方式 图 1 0 -1 0 串 行 异 步 通 信 的 信 息 帧 格 式0 /1 0 /1 0 /1 0 /1 0 /1 0 /1 0 /1 0 /10D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6起始位奇偶校验位停止位空 闲 位0起始位M A R K1M A R K第 n 帧 传 输 方 向七 位 数 据111第 n + 1 帧 异步通信同步通信串行同步通信信息帧格式校验字符第 n帧第n+ 1帧同步字符同步字符数据块传输介质传输介质传输信号经过的各种物理环境物理上将计算机相互连接起来的介质传输介质的种类有线介质无线

7、介质传输介质的种类同轴电缆同轴电缆的特点优点传输距离较远，覆盖的地域范围较大技术非常成熟缺点电缆硬，折曲困难，重量重局域网常用同轴电缆粗同轴电缆：特征阻抗50 ，直径1cm细同轴电缆：特征阻抗50，直径0.5cm。同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线双绞线（双绞线（twisted pairtwisted pair） 最普通的传输介质，它由两根绝缘的金属导线最普通的传输介质，它由两根绝缘的金属导线扭在一起而成，分为：扭在一起而成，分为：p有屏蔽双绞（有屏蔽双绞（STP shielded twisted pair STP shielded twisted pair ）p非屏蔽双绞线（非屏蔽双绞线（

8、UTP unshielded twisted pairUTP unshielded twisted pair）双绞线的优点：价格便宜；安装方便；速率较高双绞线的优点：价格便宜；安装方便；速率较高双绞线的缺点：抗干扰不好（双绞线的缺点：抗干扰不好（UTPUTP）双绞线（双绞线（twisted pairtwisted pair）双绞原因：可以减少电磁波的干扰，也可以减少发送电双绞原因：可以减少电磁波的干扰，也可以减少发送电磁波而干扰别人。传输距离：磁波而干扰别人。传输距离：100100米米非屏蔽双绞线和RJ-45连接器屏蔽双绞线优点传输质量较高电缆尺寸和重量与UTP相当缺点安装不合适有可能引入外界

9、干扰非屏蔽双绞线的类别与传输速率非屏蔽双绞线的类别与传输速率 双绞线的通信距离一般在100米的范围内，常用的双绞线类型有：类别类别1类类2类类3类类4类类5类类最大的数据最大的数据传输速度传输速度56Kbps1Mbps16Mbps20Mbps100Mbps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）两种非屏蔽双绞线的特点优点尺寸小、重量轻、容易弯曲价格便宜容易安装和维护RJ-45连接器牢固、可靠缺点抗干扰能力较弱传输距

10、离比较短UTP分为：3类线、4类线、5类线和超5类线UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线T568AT568A：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白褐、褐白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白褐、褐T568BT568B：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白褐、褐白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白褐、褐非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线由4对导线组成常用的颜色与线号的对应关系橙（2）和橙白（1）绿（6）和绿白（3）蓝（4）和蓝白（5）棕（8）和棕白（7）10M/100M以太网中的非屏蔽双绞线10M/100M以太网利用非屏蔽双绞线中的两对线进行信息传输10M/100M以太网使用的线对发送：1 （橙白） 、2 （橙）接收：3

11、（绿白） 、6 （绿）RJ-45接头和接口基本连接规则自己的发线要与对方的的收线相连自己的收线要与对方的的发线相连直通线用于直通线用于: :计算机和集线器、计算机和交换机、路由计算机和集线器、计算机和交换机、路由器和集线器、路由器和交换机之间的连接器和集线器、路由器和交换机之间的连接交叉线用于交叉线用于: :计算机与计算机、集线器和集线器、交换计算机与计算机、集线器和集线器、交换机和交换机、路由器和计算机之间的连接机和交换机、路由器和计算机之间的连接 直通UTP电缆直通UTP电缆的使用环境（1）计算机与集线器相连直通UTP电缆的使用环境（2）利用集线器的直通级联端口与另一集线器的普通交叉端口级

12、联交叉UTP电缆交叉UTP电缆的使用环境利用集线器的普通交叉端口与另一集线器的普通交叉端口级联直通线制作：两头线序都遵循直通线制作：两头线序都遵循T568BT568B交叉线制作：一头遵循交叉线制作：一头遵循T568BT568B，另一头遵，另一头遵循循T568AT568A网络线的制作步骤：剥线、理线、插线、网络线的制作步骤：剥线、理线、插线、压线压线剥去线皮剥去线皮 剥开长度为剥开长度为1.5cm-2cm1.5cm-2cm 初步排好线对初步排好线对 注意不要乱了线序注意不要乱了线序 把线插入到把线插入到RJ-45RJ-45接头接头 压线 网线测试仪：用来检测网线制作是否正网线测试仪：用来检测网线

13、制作是否正确的仪器。确的仪器。测试直通线灯亮顺序：测试直通线灯亮顺序：1 11 21 22 32 33 43 44 54 55 65 66 76 77 87 88 8测试交叉线灯亮顺序：测试交叉线灯亮顺序：1 13 23 26 36 31 41 44 54 55 65 62 72 77 87 88 8光缆单模光纤与多模光纤的比较单模光纤与多模光纤的比较 输入脉冲输出脉冲（a a）多多模模光光纤纤（b b）单单模模光光纤纤输入脉冲输出脉冲光缆的特点优点传输速率高传输距离远传输损耗低抗干扰能力强缺点价格相对较高安装比较困难光纤的分类多模光纤单模光纤（传输质量比多模光纤好）光缆适合于楼宇内部的结构化

14、布线无线介质无线介质（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卫星通信卫星通信 卫星地球表面卫星发送多点接收多点接收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

15、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 数据交换技术 线路交换（线路交换（circuit exchanging） 存储转发（存储转发（store-and-forward exchanging）交换）交换 线路交换过程示意图线路交换线路交换方式方式线路交换方式的优点是：通信实时性强，线路交换方式的优点是：通信实时性强，适用于交互式会话类通信；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，系统不具有存储不适应，系统效率低，系统不具有存储数据的能力，不能平滑交通量。数

16、据的能力，不能平滑交通量。 存储转发交换存储转发交换方式方式存储转发与线路交换方式的主要区别存储转发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；文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，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、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。存储、路选和转发功能。 存储转发方式的优点存储转发方式的优点由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，由于通信子网

17、中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；可以平滑通信量，提高系统效率；可以平滑通信量，提高系统效率；分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；错误，提高系统可靠性；通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进

18、通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。报文与报文分组报文与报文分组数据通过通信子网传输时可以有报文数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（）与报文分组（packet）两）两种方式；种方式；报文传输：不管发送数据的长度是多少，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；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，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

19、个报文分组发送。发送结点就将它分成多个报文分组发送。报文和报文分组结构报文和报文分组结构 由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；并且重发花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用的是分组交换技术。公用数据网采用的是分组交换技术。报报文文分分组组：报报文文：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 数据报方式数据报方式 数据报是分组存储转发的一种形式；数据报是分组存储

20、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源主机与目的主机之间建立“线路连接线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择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；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。路径到达目的主机。数据报方式的工作原理示意图数据报方式的工作原理示意图 数据报工作方式的特点数据报工作方式的特点同一报文的不同分组可以由不同的传输同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；路径通过通信子网；同一报文的不

21、同分组到达目的结点时可同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；能出现乱序、重复与丢失现象；每一个分组在传输过程中都必须带有目每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；的地址与源地址；数据报方式报文传输延迟较大，适用于数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。通信。 虚电路方式虚电路方式 虚电路方式试图将数据报方式与线路交虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，处分发挥两种方法的换方式结合起来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果优点，以达到最佳的数据交换效果; ;数据报方式在分

22、组发送之前，发送方与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。立、数据传输与虚电路释放阶段。 虚电路方式虚电路方式 原理示意图原理示意图虚电路的特点虚电路的特点在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方在每次分组发送之前，必须在发送方与接

23、收方之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；物理链路已经存在；一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传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、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；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；做差错检

24、测，而不需要做路径选择；通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。虚电路连接。 虚电路方式与线路交换方式的不同之处虚电路方式与线路交换方式的不同之处虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接，称虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接，称为为“虚电路虚电路”是因为这种电路不是专用的。每是因为这种电路不是专用的。每个结点到其它结点间可能有无数条虚电路存在；个结点到其它结点间可能有无数条虚电路存在；一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路；一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路；每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据

25、传输。输。 由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，因此在计算机网络中得到了广泛方式的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。的应用。 传输差错传输差错 通过通信信道后接收的数据与发送通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象数据不一致的现象;差错控制差错控制 检查是否出现差错以及如何纠正差检查是否出现差错以及如何纠正差错；错；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；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；由热噪声引起的差错是随机差错；冲击噪声引起的差错是突发差错；冲击噪声引起的差错是突发差错； 差错产

26、生与差错控制方法传输差错产生过程信源通信信道信宿数据噪声数据+噪声(a)001100111100011111000011000100010110011001010传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位(b) 误码率的定义 误码率定义误码率定义：二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：它在数值上近似等于： Pe = Ne/N其中，其中，N为传输的二进制比特总数为传输的二进制比特总数 Ne为被传错的比特数为被传错的比特数讨论讨论误码率应该是衡量数据传输系统正常误码率应该是衡量数据传输系统正常

27、工作状态工作状态下下传输可靠性的参数；传输可靠性的参数；对于一个实际的数据传输系统，不能对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；际传输要求提出误码率要求；检错码与纠错码 纠错码纠错码： 每个传输的分组带上足够的冗余信息；每个传输的分组带上足够的冗余信息； 接收端能发现并自动纠正传输差错。接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码检错码: : 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；余信息； 接收端能发现出错，但不能确定哪一比接收端能发现出错，但不能确定哪一比特是错的，并且自己不能纠

28、正传输差错。特是错的，并且自己不能纠正传输差错。 常用的检错码奇偶校验码奇偶校验码循环冗余编码循环冗余编码CRC 目前应用最广的检错码编码方目前应用最广的检错码编码方法之一法之一 编码效率编码效率衡量编码性能好坏的一个重要参数是衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率编码效率R，它是码字中信息位所占的比，它是码字中信息位所占的比例。编码效率越高，即例。编码效率越高，即R越大，信道中用越大，信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。来传送信息码元的有效利用率就越高。编码效率计算公式为：编码效率计算公式为：R = k/n = k/(k+r)式中式中k为码字中的信息位位数为码字中的信息位位数r为编码

29、时外加冗余位位数为编码时外加冗余位位数n为编码后的码字长度为编码后的码字长度 循环冗余校验(CRC)CRC ( Cyclic Redundancy Code)是一种通过多项式除法检测错误的、很不寻常而又巧妙的方法。它将比特串bn-1bn-2bn-3b2b1b0解释成多项式 bn-1xn-1+ bn-2xn-2+ bn-3xn-3+ +b2x2+ b1x1+ b0u给定一个比特串，在其尾部追加几个0，并把它叫做B。让B(x)对应于B。u将B(x）除以一事先约定的生成多项式G(x) (Generator Polynomial)，求出余式R(x)。u定义T(x) =B(x)+R(x)。u传输与T(x

30、)对应的比特串T。设T 代表接收方收到的比特流T(x)为相应的多项式。接收方将T(x)除以G(x)。若余数为0，则接收方认为TT，传输未发生错误。否则，接收方认为(传输)发生了错误并要求重传。示例：已知：信息码:110011信息多项式:K(X)=X5+X4+X+1,生成码:11001 生成多项式:G(X)=X4+X3+1(r=4)求：传送方编码和接收方解码步骤。解：发送方编码及传送：1) (X5+X4+X+1)*X4的积是 X9+X8+X5+X4 对应的码是1100110000。2) 积G(X) (按模二算法)。 3) 冗余码求得是1001，码字就是它们的拼接：1100111001。发送方传送码字。4) 接收方和发送芳使用相同的生成生成码:11001 生成多项式:G(X)=X4+X3+1 (r=4) 5) 接收到的码字为:1100111001，对应的多项式为:T(X) = X9+X8+X5+X4+X3+1 6) 用码字除以生成码：7) 余数为0，没有产生传输错误。生成多项式 G(X) 由协议规定：CRC-12：x12 + x11 + x3 + x2 + x +1CRC-16：x16 + x15 + x2 +1CRC-CCITT：x16 + x12 + x5 +1CRC-3