第2章计算机网络原理通信基础

1、第 2 章数据通信技术基础 内容2.1 数据通信技术n2.1.1 模拟数据通信和数字数据通信n2.1.2 数据通信中的主要技术指标n2.1.3 通信方式2.2 数据编码技术和时钟同步n2.2.1 数字数据的模拟信号编码n2.2.2 数字数据的数字信号编码n2.2.3 模拟信号的数字编码n2.2.4 多路复用技术n2.2.5 异步传输和同步传输n2.3 数据交换技术n2.3.1 电路交换的工作原理n2.3.2 报文交换的工作原理n2.3.3 分组交换的工作原理n2.3.4 各种数据交换技术的性能比较n2.4 传输媒体n2.4.1有线传输媒体n2.4.2 无线传输媒体n2.4.3 常用接口及其标准

2、n2.5 差错控制方法n2.5.1 差错的产生原因及其控制方法n2.5.2 常见差错控制编码2.1数据通信技术2.1.1 数据通信和模拟通信传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机几个术语n数据(data)运送信息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程

3、。 模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器2.1.2 主要技术指标 数据通信的任务是传输数据,希望达到速度出错率低、信息量大、可靠性高,并且既经济又便于使用维护。 1.数据传输速率数据传输速率 n数据传输速率-每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。n任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 数字信号通过实际的信道 n失真不严重n失真严重 实际的信道（带宽受限、有噪声

4、、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)2.信道容量信道容量 n信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps) 奈氏(Nyquist)准则 n每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。nBaud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) 香农公式信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/

5、N) b/s nW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。 n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 n只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 n若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限

6、制3.误码率误码率 n它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。 误码率公式：Pe=Ne/N式中 Ne为其中出错的位数； N 为传输的数据总数。2.1.3 通信方式n数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：n同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。n异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。 n异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。并行通信方式并行通信方式 n并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。 串行通信方式串行通信方式 n串

7、行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的 。串行通信的方向性结构串行通信的方向性结构 n单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。n双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。n双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。 数字数据的传输方式数字数据的传输方式2.2数据编码技术和时钟同步 n2.2.1 数字数据的模拟信号编码 为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。实现数字信号

8、与模拟信号互换的设备称作调制解调器(Modem)。 调制解调器 n数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。 出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅ASK调频FSK调相PSK调制解调器的作用n调制解调器(modem)包括：n调制器(Modulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。n解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。n调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带

9、数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 n解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。n若识别不正确，则产生误码。n在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。几种最基本的调制方法 n调制就是进行波形变换（频谱变换）。 n最基本的二元制调制方法有以下几种：n调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 2.2.3 模拟信号的数字编码模拟信号的数字编码 n对模拟数据进行数字信号编码的最常见例子是脉码调制PCM( Pulse Code Modulati

10、on),它常用于对声音信号进行编码 n 图2-11 脉码调制(PCM)原理 2.2.2 数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 n1. 数字数据的数字信号表示数字数据的数字信号表示 na)单极性脉冲nb)双极性脉冲nc)单极性归零脉冲nd)双极性归零脉冲ne)交替双极性归零脉冲脉码调制 PCM采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原2.2.4 多路复用技术多路复用技术 n多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。nFDMnTDMnCDMnWDM 频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5时分复用 频率时间B C DB C

11、 DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。 复用器分用器 码分复用 CDM n常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Acces

12、s)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 2.2.5 异步传输和同步传输异步传输和同步传输n 异步传输方式中，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。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的跳变来判断一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。n同步传输时，为使接收双方能判别数据块的开始和结束，还需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧。数据同步方

13、式数据同步方式n目的是使接收端与发送端在时间基准上一目的是使接收端与发送端在时间基准上一致致 (包括开始时间、位边界、重复频率等包括开始时间、位边界、重复频率等)。n有三种同步方法：有三种同步方法：n位同步位同步n字符同步字符同步n帧同步帧同步数据同步方式n为了让计算机的各部件协调工作，需要靠时钟对其分别定时和定序。接收和发送的时序协调也要靠时钟定时，决定发送方每一位的起始和终止，接收方对信号的每一位的采样取值和时间间隔。完全同步是不可能的。需要对每一个间隔，校对一次时间。我们将收发段校对时间称为收发两端的同步。n一般在帧级、字节级和位级进行。n1)位同步：位同步又称同步传输，它是使接收端对每

14、一位数据都要和发送端保持同步。实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。外同步发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。 自同步通过特殊编码(如曼彻斯特编码,详见冯P46 2.4 )，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。n2)字符同步：可分为异步制和同步制；n以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要：1个起始位、58个数据位、1，1.5，2个停止位。（如图3所示）n3) 帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧(Frame)数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块。面向字符的以

15、同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。2.3 数据交换技术数据交换技术n数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。 2.3.1 电路交换电路交换n传统的数据交换方式有电路交换和存储传统的数据交换方式有电路交换和存储交换。交换。n电路交换要经过电路交换要经过3个阶段个阶段n 建立通路建立通路n 传输数据传输数据n 撤消通路撤消通路主机主机B主机主机C主机主机D结点结点A结点结点B结点结点E结点结点F结点结点G结点结点C结点结点D通信子网通信子网主机主机An1)在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立

16、一条端到端的电路。若主机B要与主机C连接，主机B先向与其相连的B节点提出请求，然后B节点在通向C节点的路径中找到下一个支路。比如C节点选择经E节点的电路，在此电路上分配一个未用的通道，并告诉E它还要连接G节点；E再呼叫G，建立电路BCEG，最后，节点G完成到主机B的连接。这样主机B与主机C之间就有一条专用电路BCEG，用于主机B与主机C之间的数据传输；n2电路BCEG建立以后，数据就可以从B发送到C，再由C交换到E；E经G发送数据。在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。数据传输结束后，由某一方（B或G）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。建立信道建立信道撤消信道撤消信道数据

17、传输数据传输 B C E G呼叫请求呼叫请求撤消呼叫撤消呼叫呼叫应答呼叫应答撤消应答撤消应答报文或分组报文或分组应答应答 缺点缺点: 线路的利用率比较低线路的利用率比较低 不适合少量的突发性数据的传输不适合少量的突发性数据的传输 要求收发双方不要求收发双方不“忙忙”，有相同的数据传输速，有相同的数据传输速率率 不能完成编码格式、通信规程等方面的转换不能完成编码格式、通信规程等方面的转换 中间节点不具备差错控制能力中间节点不具备差错控制能力 当网络通信量很大时，会使线路的连接失败当网络通信量很大时，会使线路的连接失败优点优点 : 传输的实时性好，适合实时性要求高的交传输的实时性好，适合实时性要求

18、高的交互式信息的传输。互式信息的传输。分为报文交换和报文分组交换分为报文交换和报文分组交换特点特点n 信道的利用率高信道的利用率高n 可以对数据单元进行差错检查和纠正可以对数据单元进行差错检查和纠正n 每个节点可以动态选择路径，不存在呼叫失败每个节点可以动态选择路径，不存在呼叫失败n 可以平衡网络的流量分布，提高网络的整体性能可以平衡网络的流量分布，提高网络的整体性能n 没有呼叫请求的等待时间，对于数据量小和突发性没有呼叫请求的等待时间，对于数据量小和突发性数据的传输有比较高的效率数据的传输有比较高的效率n节点可以进行数据编码、传输速率的转换等工作节点可以进行数据编码、传输速率的转换等工作n

19、每个节点要有一定的处理和存储能力每个节点要有一定的处理和存储能力n 实时性比电路交换差实时性比电路交换差2.3.2 报文交换的工作原理报文交换的工作原理n报文（Message）交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。n在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术即存储-转发（store-and-forward switching）。n缺点：n报文大小

20、不一，造成存储管理复杂。n大报文造成存储转发的延时过长；n出错后整个报文全部重发。2.3.3 分组交换n分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。分组交换技术包括数据报分组（datagram）和虚电路（virtual circuit）分组两种方式 。n优点：优点：n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快；速度快；n转发延时小转发延时小适用于交互式通信；适用于交互式

21、通信；n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；n各分组可通过不同路径传输，容错性各分组可通过不同路径传输，容错性主机主机A通信子网通信子网主机主机D数据报方式数据报方式主机主机C主机主机Bq 数据报方式数据报方式数据报分组交换原理与特点n在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会

22、中途丢失。整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择 。n 适合于突发性通信，不适合于长报文通信主机主机A主机主机C通信子网通信子网主机主机D虚电路方式虚电路方式主机主机Bq 虚电路方式虚电路方式虚电路分组交换原理与特点n在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。最后，由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。它之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的。 n虚电路分组交换的主要特点是：在数据传送之前必须通过虚呼叫设

23、置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。特点特点n减少了延迟减少了延迟n 出现误码后，只重发有误码的分组出现误码后，只重发有误码的分组n 在接收下一个分组的同时，就可以转发上在接收下一个分组的同时，就可以转发上 一个分组，提高了吞吐量一个分组，提高了吞吐量n 由于分组比较短，可以存储在内存中，减由于分组比较短，可以存储在内存中，减 少了存储时间少了存储时间n 技术实现比较复杂技术实现比较复杂2.4 传输媒体传输媒体 n传输媒体是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，计算机网络中采用的传输媒体分有线和无线两大类。导向传输媒体n

24、双绞线n屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)n无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n光缆 各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆内导体芯线内导体芯线绝缘绝缘箔屏蔽箔屏蔽铜屏蔽铜屏蔽外套外套-螺旋绞合的双导线螺旋绞合的双导线， 1mm-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）-连接部件：连接部件：RJ45插座、插头插座、插头-优缺点：优缺点

25、： 成本低成本低 密度高、节省空间密度高、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 连接距离较短连接距离较短由两根彼此绝缘、相互缠绕成螺旋状的铜线由两根彼此绝缘、相互缠绕成螺旋状的铜线组成。缠绕的目的是减少电磁干扰，提高传组成。缠绕的目的是减少电磁干扰，提高传输质量。输质量。双绞线屏蔽双绞线 (STP， Shielded Twisted Pair)n以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽非屏蔽双绞线 (UTP， Unshielded Twisted P

26、air )同轴电缆l基带同轴电缆基带同轴电缆 一条电缆只用于一个信道，特性阻抗为50，用于数字传输l宽带同轴电缆宽带同轴电缆 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，特性阻抗为75 ，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器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由内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一由内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根柱形的套管，一般是金属线编织成的网状结构，内外导根柱形的套管，一般是金属线编织成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。体之间有绝缘层。基带同轴电缆分为：基带同轴电缆分为： 细缆细缆 -阻抗：阻抗：50 ，D

27、=1.02cm，传输速率：10Mbps -单段距离：单段距离：185m、4中继、中继、5段（段（925m） -两站点间最短距离两站点间最短距离 0.5 m，每段最多站点数，每段最多站点数 30 -优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator） 抗干扰能力强 距离短 可靠性差 粗缆粗缆 -阻抗：阻抗： 50 ，D=2.54cm，传输速率： 10Mbps -单段距离：单段距离： 500m、4中继、中继、5段（段（2500m） -优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator） 抗干扰能力强 距离中等 可靠性好 同轴电缆用于10Base2 LAN粗缆在

28、10Base5 LAN中的应用插入式分接头光纤n纤细、柔韧、能够传导光信号的媒体。纤细、柔韧、能够传导光信号的媒体。n特点：特点：n依靠光波承载信息依靠光波承载信息n速率高，通信容量大速率高，通信容量大 带带宽宽:2500030000GHz 仅受光电转换器件的限制（仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）n传输损耗小，适合长距离传输传输损耗小，适合长距离传输n抗干扰性能极好，保密性好抗干扰性能极好，保密性好n轻便轻便利用了光的反射利用了光的反射 l l光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。折射量取决于两种介质的折射率。

29、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。 l l光纤：纤芯光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层折射率高、玻璃包层-折射率低折射率低 l l亮度调制，有脉冲亮度调制，有脉冲-1，无脉冲，无脉冲-0 l l光传输系统：光源、介质、光检测器光传输系统：光源、介质、光检测器光源光源: 850nm/1300nm/1500nm 发光二极管发光二极管 / 激光二极管激光二极管介质介质: 光纤光纤光检测器光检测器: 光电二极管光电二极管PIN/雪崩二极管雪崩二极管APD l l单向传输，双向需两根光纤单向传输，双向需两根光纤光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层（低折射率的媒体）

30、 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤典型的光缆典型的光缆玻璃封玻璃封套套塑料外套塑料外套玻璃内玻璃内芯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外壳壳常见规格：玻璃内芯常见规格：玻璃内芯50um缓变型缓变型MMF 62.5um缓变缓变/增强型增强型MMF 8.3um突变型突变型SMF 玻璃包层玻璃包层125um非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广。n短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。n微波

31、在空间主要是直线传播。 n地面微波接力通信n卫星通信 传传输输媒媒体体 速速率率 传传输输距距离离 性性能能(抗抗干干扰扰性性) 价价格格 应应用用 双双绞绞线线 10-1000Mb/s 几几十十kM 可可以以 低低 模模拟拟/数数字字传传输输 50 同同轴轴电电缆缆 10Mb/s 3kM 内内 较较好好 略略 高高 于于双双绞绞线线 基基带带数数字字信信号号 75 同同轴轴电电缆缆 300-450MHz 100kM 较较好好 较较高高 模模拟拟传传输输电电视视、数数据据及及音音频频 光光纤纤 几几十十Gbps 30kM up 很很好好 较较高高 远远距距离离传传输输 短短波波 50MHz 全全球球 较较差差 较较低低 远远程程低低速速通通信信 地地面面微微波波接接力力 4-6GHz 几几百百kM 好好 中中等等 远远程程通通信信 卫卫星星 500MHz 18000kM 很很好好 与与 距距 离离无无关关 远远程程通通信信 2.4.3 常用接口及其标准常用接口及其标准n在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统中，经常采用串行通信来交换数据和信息。交换数据和信息的界面就是接口，为了使不同厂