第二章数据通信的基础知识

1、1第二章 数据通信的基础知识主要内容2.1 基本概念2.2 传输介质2.3 数据传输类型 2.4 多路复用技术2.5 数据交换技术2.6 差错控制及检错2.1 基本概念通信的目的是交换信息。为了传送这些信息，需要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制数据来表示。如何通过通信线缆传送这些二进制数据？2.1 基本概念2.1.1 通信系统的主要构成2.1.2 数据通信方式2.1.1 通信系统的主要构成通信系统的一般模型信源信源发送设备发送设备信宿信宿接收设备接收设备信道信道发送端发送端接收端接收端噪声噪声输入输入数据数据输入输入信息信息发送的发送的信号信号输出输出数据数据输出输出信息信息接收的接收的

2、信号信号1、信息、数据和信号信息：通信的目的是传送信息。如话音、文字、图像等都是信息。数据：数据是信息的载体。计算机通信中被传输的二进制代码被称为“数据”。信号：运载数据的工具。从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等。信息传输原理：信源把携带信息传输原理：信源把携带信息信息的的数据数据以以信号信号的的形式送达信宿。形式送达信宿。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01000001“A”01000001“A”信道信道信号可分为 模拟信号 幅度随时间连续变化的信号。 数字信号 幅度被限制在有限个数值之内，它不是连续的。2、信道和噪声信道：传输信号的物理媒质。

3、噪声：信号在传输过程中受到的外界的干扰。噪声小，失真小，可识别噪声大，失真大，无法识别发送信号发送信号波形波形接收信号接收信号波形波形信道（噪声小）信道（噪声小）发送信号发送信号波形波形信道（噪声大）信道（噪声大）接收信号接收信号波形波形3、发送端信源：信息的产生地，其作用是把信息转换成数据。发送设备：将信源产生的数据变换成适合在信道中传输的信号。4、接收端接收设备：完成发送设备的反变换。信宿：信息的归宿点，其作用是将数据转换成相应的信息。2.1.2 数据通信方式1、串行通信与并行通信2、单工、半双工与全双工通信1）单工通信 数据信号仅可以从一个站点传送到另一个站点。 信息流仅沿单方向流动，发

4、送站和接收站是固定的。数据流数据流发送器发送器接收器接收器AB 应用：无线电广播、有线电视、远程数据收集系统等2）半双工通信 信号可以双向传输，但是必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传送。发送器发送器接收器接收器A发送器发送器接收器接收器B数据流数据流 特点：通信中频繁调换信道方向，故效率低，但可节省传输线路 应用：问询、检索等通信系统3）全双工通信 信号可以同时双向传送发送器发送器接收器接收器A接收器接收器发送器发送器B数据流数据流数据流数据流 特点：效率高，但结构复杂、成本较高 应用：电话3、同步技术1）位同步2）字符同步 同步通信 异步通信2.2 传输介质定义 网络中连接收发双方的物

5、理通路，也是通信中实际传送信息的载体。分类 有线介质（导向传输介质） 同轴电缆、双绞线、光纤等 无线介质（非导向传输介质） 无线、微波、红外线等电磁波谱与通信类型的关系2.2.1 同轴电缆1、结构 一个空心圆柱形导体（网状）围裹着一个实心导体 直径约为1.022.54cm。传输数据传输数据内芯与屏蔽层间的绝缘内芯与屏蔽层间的绝缘屏蔽外部干扰屏蔽外部干扰保护电缆保护电缆2、分类 基带同轴电缆（早期计算机网络用） 屏蔽层由网状铜丝编织成 适用于传输数字信号，数据传输率为10Mbps 根据同轴电缆的直径粗细，分为细缆和粗缆两种 宽带同轴电缆（有线电视用） 屏蔽层由铝箔缠绕而成 适用于传输模拟信号3、

6、特点（基带同轴电缆） 粗缆和细缆都只能用于总线拓扑结构。当任一连接点发生故障时，会影响到电缆上所有的机器 局域网中，细缆的最大传输距离可达925m，粗缆的最大传输距离可达2500m。（有中继情况下） 抗干扰能力强 造价高，不易安装2.2.2 双绞线1、概念 由两根相互绝缘的导线双双相互缠绕、绞合在一起 一根电缆中可包含多对双绞线，线对数量视用途在2对到1800对之间，连接计算机终端的双绞线电缆通常包含2对或4对双绞线。2、分类 非屏蔽双绞线（unshielded twisted pair, UTP） 屏蔽双绞线（shielded twisted pair, STP）外部保护层外部保护层绝缘层绝

7、缘层铜线铜线外屏蔽层外屏蔽层铜线铜线外部保护层外部保护层绝缘层绝缘层3、常用非屏蔽双绞线类型 3类线 带宽为16MHz 适用于语音与10Mbps以下的数据传输 5类线 带宽为100MHz 适用于语音与100Mbps的高速数据传输4、非屏蔽双绞线的特点 轻便、较细、柔软，容易安装 可用于模拟传输和数字传输 可支持高速数据的应用 主要用于星形网络拓扑结构，可靠性较高 通过使用RJ-45连接器连接到网络设备上步 骤13步 骤135、双绞线的制作与使用1）常用双绞线电缆电缆色彩标记方法线对色彩1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕2）制作标准EIA/TIA568A标准引脚顺序介质直接连接信号导线颜色

8、1TX+（发送） 白绿2TX-（发送）绿 3RX+（接收） 白橙 4没有使用 蓝 5没有使用 白蓝 6RX-（接收） 橙 7没有使用 白棕 8没有使用 棕 EIA/TIA568B标准引脚顺序介质直接连接信号导线颜色1TX+（发送） 白橙2TX-（发送）橙 3RX+（接收） 白绿 4没有使用 蓝 5没有使用 白蓝6RX-（接收） 绿7没有使用 白棕 8没有使用 棕 3）双绞线电缆类型 直通电缆 电缆两端的水晶头都遵循568-A标准或568-B标准，两端线序排列一致。 适用场合：计算机-集线器/交换机 交叉电缆 一端水晶头遵循568-A标准，而另一端遵循568-B标准，即两个水晶头的连线交叉连接

9、适用场合：计算机-计算机；集线器-集线器；交换机-交换机直通电缆交叉电缆2.2.3 光纤1、结构 光纤芯：8100m的柔软、能传导光波的介质，可用玻璃或塑料制造 包层：由玻璃纤维构成，用来将光线反射到纤芯上 保护层：加固纤维，防止受外力折断2、光纤传输工作原理 通过内部的全反射来传输一束光信号 光纤在任何时间都只能单向传输，因此，要进行双向通信，它必须成对出现，每个传输方向一根。 多条光纤组成一束，构成一条光缆。单芯光纤单芯光纤包层包层塑料外套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯多芯光缆多芯光缆玻璃内芯玻璃内芯塑料外套塑料外套包层包层外壳外壳3、分类 单模光纤（Single Mode Fiber, SMF

10、） 光信号以直线方式传播 纤芯和包层的直径8/125m 衰减小，可在数十公里距离内不使用中继实现高速数据传输 纤芯细，制造成本高输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲 多模光纤（Multi-Mode Fiber, MMF） 光信号发散为多路光波，以反射方式传输 纤芯和包层的直径62.5/125m 衰减稍大，可在68公里距离内不使用中继实现高速数据传输 制造成本稍低输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲4、特点 支持极高的数据传输率，理论上可达50Gbps 光纤信号衰减小，可支持远距离传输，通常可达2km以上 不受外界电磁干扰的影响，高速传输中可保持低误码率 体积小，重量轻 价格较高5、光纤传输系统6、光纤

11、的安装局域网用传输介质比较传输媒介价格电磁干扰带宽单段最大长度UTP最便宜高低100米STP一般低中等100米同轴电缆一般低高185米/500米光缆最高没有极高几十公里2.2.4 无线介质目前以无线方式进行通信的主要有： 无线电波（radio） 微波（microwave） 红外（infrared） 可见光（visible light）1、高频无线电通信（3*106Hz-3*107Hz）2、地面微波通信（1*108Hz-1*1010Hz）3、移动无线通信4、卫星微波通信 地面站之间利用地球同步卫星作为中继器的一种微波接力通信。地球同步卫星又称对地静止卫星，是运行在地球同步轨道上的人造卫星。卫星距

12、离地球的高度约为36000 km卫星的运行方向与地球自转方向相同、运行轨道为位于地球赤道平面上圆形轨道、运行周期与地球自转一周的时间相等。在地球同步轨道上布设3颗通讯卫星，即可实现除两极外的全球通讯。 GO地球同步卫星卫星微波通信的特点 通信距离远，覆盖面积大 费用与通信距离无关 不受地理条件限制 有传输延时。在两个收发的地面站之间会有1/4s的传输延时network2.3 数据传输类型网络中两台计算机通信的过程数据在计算机中以二进制数字信号表示。1、通信信道不允许直接传输数字信号 模拟信道（电话信道） 为了利用电话信道传输计算机的数字信号，需将数字信号转换成模拟信号modem(调制解调器调制

13、解调器)=modulator(调制器调制器)+demodulator(解调器解调器) 频带传输频带传输：利用模拟信道传输数字信号。 调制是将数字信号变换成模拟信号的过程，解调是将模拟信号还原成数字信号的过程。 模拟数据编码方法2、通信信道允许直接传输数字信号 数字信道（以太网） 基带传输基带传输：在数字信道上直接传送数字信号（但为了更好的实现，需对初始数字信号进行编码）。信源信源编码器编码器信宿信宿解码器解码器信道信道噪声噪声数字信号数字信号数字数据数字数据 数字数据编码方法1 0 1 1 0 0 高 H 低 L “1”高电平 “0”低电平 中间跳 “0”上跳 “1”下跳 中间总有跳变 “0”

14、开头跳 高 H 低 L 高 H 低 L （a）不归零制编码 （b）曼彻斯特编码 （c）差分曼彻斯特编码 脉冲编码调制数字信号传输失真小、误码率低、数据传输率高。脉冲编码调制（pulse code modulation, PCM）是模拟数据数字化的主要方法。2.4 多路复用技术定义 多路独立信号同时利用同一信道进行传输。分类 频分多路复用FDM 时分多路复用TDM 波分多路复用WDM 码分多路复用CDM/CDMA2.4.1 频分多路复用FDM1、定义 Frequency Division Multiplexing 把每路信号以某种调制方式调制到不同频率的载波上，然后合并成一个信号送到信道上传输。

15、2、工作原理3、应用 无线电广播系统 FM调频 有线电视系统 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带宽）。2.4.2 波分多路复用WDM1、定义 Wavelength Division Multiplexing 波分复用就是光的频分复用2、工作原理8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光调制器光解调器光解调器01231550nm1551nm1552nm1553nm45671554nm1555nm1556nm1557nm1550nm1551nm1552nm1553nm1554nm1555nm155

16、6nm1557nm012345678 2.5 Gb/s1310 nm说明：8路传输速率均为2.5Gbps的光信号（其波长均为1310nm）。经光的调制后，分别将波长变换到1550-1557nm。3、密集波分复用DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用。2.4.3 时分多路复用TDM Time Division Multiplexing2.4.4码分多路复用CDM/CDMA Code Division Multiplexing Code Division Multiple Access2.5

17、 数据交换技术问题：两个远距离终端设备如何进行通信？回答：两种方式可供选择：1）直接架设专用线路；2）经过中间节点进行转接。当两个终端之间没有直连线路时，必须经过中间节点的转接才能实现通信，这种由中间节点进行转接的通信称为交换。中间节点又称为交换节点。交换节点/转接节点当网络规模很大时主机系统主机系统主机系统主机系统主机系统主机系统主机系统主机系统交换网络交换网络主机系统主机系统主机系统主机系统主机系统主机系统主机系统主机系统交换节点交换节点2.5 数据交换技术交换技术主要有三种 电路交换（circuit exchanging） 报文交换（message exchanging ） 分组交换（p

18、acket exchanging ）2.5.1 电路交换1、定义在两个用户要进行通信时，首先要建立一条临时的专用线路，用户通信时独占这条线路，不与其他用户共享，直到通信一方释放这条专用线路。在通信的全部时间内，通信的两个用户始终占用端到端的通信资源。电话网络中的电路交换（a）2部电话直接相连部电话直接相连（b）5部电话两两直接相连部电话两两直接相连（c）用交换机连接多部电话）用交换机连接多部电话交换机交换机 电路交换举例（1） A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机BDCA电路交换举例（2） C 和 D 通话只经过一个本

19、地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机交换机BDCAM2、工作原理R3R4R5R2R1HBHCHAHDA B C D t电路建立电路建立数据传输数据传输报文报文拆除电路拆除电路3、时序图注：A、B、C、D代表途径的路由器4、特点电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前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；电路交换在数据传输过程中要经过建立电路、数据传输与拆除电路三个阶段；优点：通信实时性强，时延小，适用于会话类通信，交换设备成本较低；缺点：线路使用率低，电路接续时间长。2.5.2 报文交换1、定义在传输数据信息时，

20、中转节点先把收到的信息存储起来，等待信道空闲时再把信息转发给下一节点。这种交换方式就称为报文交换。报文交换是以报文为单位进行“存储-转发”的技术。报文（message）指的是需要发送的整个数据块，报文中包含源地址和目的地址。中间节点根据目的地址为报文进行路由选择。M2、工作原理R3R4R5R2R1HBHCHAHD在路由器在路由器1 1暂存，查找转发表暂存，查找转发表找到转发的端口找到转发的端口在路由器在路由器4 4暂存，查找转发表暂存，查找转发表找到转发的端口找到转发的端口在路由器在路由器5 5暂存，查找转发表暂存，查找转发表找到转发的端口找到转发的端口最后到达目的主机最后到达目的主机 B报报

21、文文报报文文报报文文A B C Dt3、时序图4、优点与电路交换相比，不用建立电路和拆除电路的过程，节省了线路连接时间；线路利用率高。通信过程中不必要独占线路资源；传输可靠性高。通信子网中的交换节点负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。 5、缺点节点存储/转发时间长，不适合传输实时业务（如语音、实时视频等）；实际应用中报文大小不定，为存储报文的缓冲器的分配带来困难；对于长报文，一旦出错就需要重发，影响传输效率。6、目前已经基本不再使用不再使用报文交换方式。2.5.3 分组交换1、定义把要传输的报文分成若干个小的数据块，称为分组（packet），然后以分组为单位进行数据的存储/

22、转发。报文报文与分组 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 报文=报头+正文+报尾 1101000110101010110101011100010011010010假定该报文较长不便于传输数数 据据数数 据据数数 据据报文报文 每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部首部首部首部分组分组 1分组分组 2分组分组 3 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端。 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数数 据据首部首部分组分组 1数数 据据首部首部分组分组 2数数 据据首部首部分组分组 3 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。报文报文110

23、1000110101010110101011100010011010010分组交换可分为两种 数据报方式 虚电路方式2、数据报方式1）定义分组传送时不需要预先在源主机与目的主机之间进行“电路连接”；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。2）工作原理R3R4R5R2R1HBHCHAHDMP1P3P2P1P2P3P1P2P3P1P2P3P3A B C DtP2P13）时序图4）特点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；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；每一个分组在传输过程中都必须带有

24、目的地址与源地址；数据报方式报文传输延迟较大，不适用于长报文、会话式通信。 3、虚电路方式1）定义分组发送之前，需要在发送方和接收方之间建立一条逻辑连接的虚电路;虚电路方式可以看成是结合了电路交换技术的分组交换;虚电路方式的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。2）工作原理R3R4R5R2R1HBHCHAHDMP1P3P2P1P2P3P3P2P3P2P1P3连接建立连接建立P1P2P1A B C Dt连接释放连接释放3）时序图数据传送数据传送4）特点将数据报方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点；分组发送前，需要在发送方和接收方之间建立一条逻辑连接的虚电路

25、；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。电路交换和虚电路分组交换本质区别：虚电路分组交换采用“存储/转发”方式。电路交换电路交换建立的是真正的物理通路物理通路；虚电虚电路路分组交换建立的是逻辑通道逻辑通道，并不是一条真正的物理电路本身。由于虚电路方式具有分组交换与电路交换两种方式的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用广泛的应用。电路交换报文交换分组交换数据报虚电路接续时间较长不需要不需要短传输延迟时间短长中中电路利用率

26、低高高高实时会话业务适用不适用不适用适用计算机数据通信不适用不太适用适用适用2.5.4 三种交换技术比较2.6 差错控制及检错差错 接收端接收到的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象称为差错。差错控制 在数据通信过程中，能够自动检测出错误并进行纠正的技术和方法。2.6.1 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。Pe=Ne/N N：传输的二进制码元总数 Ne：被传错的码元数纠错码方案 为每个传输的分组加上足够的冗余信息，以便在接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码方案 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，接收端能发现传输差错，但是不能确定出错位置，并且自己不能够纠

27、正传输差错。2.6.2 差错控制方案常用的检错码 奇偶检验码最简单的无纠错能力的检错码 循环冗余编码CRC目前应用最广的检错码编码方法之一1、奇偶检验码工作原理 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）或偶数（偶校验）。增加的位称为奇偶校验位。特点 方法简单，检错能力差；只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。2、循环冗余编码CRCCyclic Redundancy Check , CRC基本思想 在数据后面添加一组与数据相关的冗余码。冗余码的位数常见的有12、16和32位。特点 检错能力强；实现容易2.6.3 差错控制机制反馈重发ARQ Automatic Request for Repeat 接收端检测出差错后，设法通知发送端重新发送数据，直到无差错为止。反馈重发ARQ的实现方式 停止等待方式 连续工作方式 拉回方式 选择重发方式1、停止等待方式 发送方每发完一个数据报文必须等待接收方确认后才能发下一个数据报文。 工作原理发送方接收方A