4.网络数据通信基础

1、网络数据通信基础1基本概念数据、信息和信号数据：是把时间的某些属性规范化后的表现形式，可被识别、也可被描述。1）数据的内容是事件的反映或描述；2）数据以某种媒体为载体，即数据是存储在媒体上的信息：是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。以数值、文字、图形、声音以及动画等方式表示；是人们对数据进行加工整理以后所得到的有用的数据信号：是数据的具体无力表现，具有确定的物理描述数据是信息的载体，信息是数据的内涵，信号是数据的具体体现形式2学习要点信道带宽与信道容量信道复用技术同步与异步传输数据编码3信道带宽与信道容量(1)基本概念 通信系统模型 信道的概念：传送信息的通路 电路是物理上的通路，

2、信道是逻辑上的通路 信道从传输的信号类型来分可以分为数字信道和模拟信道 信道从传输的介质来分可以分为有线信道和无线信道 4(2)信道的通讯方式 单工方式：数据传送只能单方向进行 半双工方式：数据传送可以双向进行，但同一时间只能由一方发往另一方向 全双工方式：数据传送可以双向进行，同一时间可以双向地传送数据 5(2)信道的通讯方式 串行通信：数据在一个信道上一位一位依次传输。 特点：1.通信线路数小，线路利用率高适合于远距离传输。2.在发送端和接收端需要并/串转换和串/并转换。3.需要实施同步措施，以确保不产生错字。 6(2)信道的通讯方式 并行通信：数据在多个信道上同时传输。 特点：1.不需要

3、对传输代码进行时序转换2.需要数据线数目多。3.传输速率高。 7(3)信道带宽与信道容量信道带宽：在信道内不存在噪声和干扰的情况下，收发设备能够传送的最大信号数，单位为Hz，除了信道带宽，还有信号带宽和通频带宽。信道带宽由传输介质、接口部件、传输设备、传输协议及传输信息的特性等因素所决定。 信道容量 ：单位时间内信道上在理想情况下所能传输的最大比特数，单位bps 信道带宽与信道容量的关系 香农定律 C = W*Log2(1+S/N) 其中D为信道容量，W为信道带宽，k为信道传输的逻辑数值 ;其中C为信道容量，W为信道带宽，S/N为信号噪声功率之比 ,当N接近于0时，适用奈奎斯特定律 D = 2

4、W*Log2k 8传输延迟传输延迟=发送和接收数据的处理时间+电信号的响应时间+介质中转时间 电信号的响应时间： 9信道复用 多路复用是指在数据传输系统中，允许两个或多个数据源共享同一个传输介质，就像每一个数据源都有自己的信道一样，在信号的接收端必须可以将复合信号分离出来。目前有四种技术： 频分多路复用（FDMA） 波分多路复用（WDMA） 时分多路复用（TDMA） 码分多路复用（CDMA）10（1）频分多路复用 在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下，我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信道带宽相同（或略为宽一点）的子信道，每一个子信道传输一路信号，这就是频分多路

5、复用。11（2）波分多路复用 在光纤信道上使用的波分多路复用（WDM）是频分多路复用的一个扩展。12（3）时分多路复用 时分多路复用是将一条物理线路按时间分成一个个的时间片，每个时间片常称为一帧，每帧长125s，帧再分为若干时隙，轮换地为多个信号所使用。每一个时隙由一个信号（也即一个用户）占用，在占有的时隙内，该信号使用通信线路的全部带宽。13（4）码分多路复用 前向和反向采用频分多路复用，在同一载波的码分信道上使用不同的码型与用户对应，实现时间上的共享。14同步与异步通信 同步，就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据。 在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率

6、，以便和发送端取得一致，这一过程称为同步过程。 目前，传输信息的同步方式有异步方式和同步方式两种。15（1）异步方式 异步方式又称为起止同步方式，它把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。它在要传输的字符前设置起始位，在信息代码和校验位（一般总共为8比特）结束以后，再设置12位比特的终止位，表示该字符已结束。终止位也反映了平时不进行通信时的状态。各字符之间的间隔是任意的、不同步的，但在一个字符时间之内，收发双方各数据位必须同步，所以这种通信方式又称为起止同步方式。16（2）同步式 同步式要求不管是否传输信息代码，每个比特位必须在收发两端始终保持同步，中间没有间断时间，即为比特位同步。 当不传

7、送信息代码时，在线路上传送的是全1或其他特定代码，在传输开始时用同步字符SYN（编码为01111110）使收发双方进入同步。当搜索到SYN同步字符时，接收端开始接收信息，此后就从传输信息中检测同步信息。一般在高速传输数据的系统中采用同步式。17数据信号编码(1)数据通信系统构成 从计算机网络技术的组成部分来看，一个完整的数据通信系统，一般有以下几个部分组成：数据终端设备，通信控制器，通信信道，信号变换器。18(2)数字信号编码 1）单极性码 表示信号的电压或电流是单极性的，即逻辑“1”用高电平或正向电流表示，而逻辑“0”用0电平表示。 单极性码有不归零型（NRZ）和归零型（RZ）两种。19(2

8、)数字信号编码 2）双极性码 用正负电平来分别代表逻辑“1”和逻辑“0”。同样也有归零型和不归零型之分， 常用的RS-232就是一种典型的不归零型双极性二元码接口电路。比起单极性码来，双极性码的可靠性要高，抗干扰性强。20(2)数字信号编码 3）曼彻斯特码和差分曼彻斯特码曼彻斯特码：在每一个码元时间间隔内，当发送0时，在间隔的中间时刻电平从低向高跳变；当发送1时，在间隔的中间时刻电平从高向低跳变。这类码元的特点是在每一码元的时间间隔内，至少有一次跳变。21(2)数字信号编码 3）曼彻斯特码和差分曼彻斯特码差分曼彻斯特码：在每一个码元的时间间隔内，无论发1或发0，在间隔的中间都有电平的跳变。发送

9、1时，间隔开始时刻电平不跳变，发送0时，间隔开始时刻电平会跳变。22(3)模拟信号编码 1）幅移键控（ASK）振幅调制简称调幅制，也就是用数字的基带信号控制正弦载波信号的振幅。它是把频率和相位定为常量，而振幅为变量，每一种振幅值代表一种信息元。这个方法叫做幅移键控ASK。23(3)模拟信号编码 2）频移键控（FSK）频率调制简称调频制，是用数字的基带信号控制正弦载波信号的频率。它把振幅和相位定为常量，而频率为变量，每一种频率值代表一种信息元。这个方法叫做频移键控FSK。24(3)模拟信号编码 3）相移键控（PSK）相位调制简称调相制，是用数字的基带信号控制正弦载波信号的相位。它把振幅和频率定为

10、常量，而相位为变量，每一种相位值代表一种信息元。这个方法叫做相移键控PSK。25(3)模拟信号编码 3）相移键控（PSK）上述中只有两种相位的调相方式称为两相调制。为了提高信息的传输速率，还经常采用四相调制和八相调制方式。这两种调制方式的数字信息的相位分配情况如图所示。26(4)基带传输与宽带传输 终端设备把数字信号转换成脉冲电信号时，这个原始的电信号所固有的频带，称为基本频带，简称基带。在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输。采用模拟信号传输数据时，往往只占有有限的频谱，对应基带传输将其称为频带传输。经过高频调制后的信号为数字基带信号，在信道中传送数字基带信号称为宽带传输。27(5)数据编

11、码技术 脉冲调制（PCM）采样、量化、编码 增量调制（DM）28(6)调制与解调 调制就是用基带脉冲对载波波形某个参数进行控制，形成适合于线路传送的信号。 当已调制信号到达接收端时，再进行解调，即将经过调制器变换过的模拟信号去掉载波恢复成原来的基带数字信号。 实际使用时，常将调制器和解调器合装在一个设备，使线路的一端同时具有调制和解调功能，称此设备叫调制解调器（MODEM）。它与远程终端或计算机之间的接口用V.24或RS-232C标准。29(7)模拟和数字数据信号比较30(7)模拟和数字数据信号比较31数据交换技术一般交换网络H1H2H3H4H5H6ABCDEF网络终端中间节点32电路交换是一

12、种直接交换方式，是多个输入线和多个输出线之间直接形成传输信息的物理链路，一般分为电路建立、数据传送和电路释放三个阶段特点：呼损不同速率和不同电码之间的用户不能进行交换信息延时短，且固定不变用于连续、大批量数据传输33报文交换又称为存储转发，报文是交换的单位，主要包括报文的正文信息，发和收节点的地址信息以及各种控制信息。要求网络每个节点有较大的存储空间，延时性强，多条报文可以共享一条通信通道不同速率的节点可以连接，可以进行数据格式转换，建立报文传输优先权。缺点：不利于实时交互通信34分组交换又称为：包交换，是针对报文交换的缺点而提出的改进方式属于存储转发交换方式，以比保温更短的“分组”为单位进行

13、交换传输数据报传输分组交换和虚拟电路传输分组交换35数据报传输分组交换报文分组交换方式是把长的报文分成若干个较短的报文组，报文组是交换单位，交换要包括分组编号，各组报文可按不同的路径进行传输，到达目的节点后，重新组成报文。较报文传输优点：数据传输灵活转发延时性降低转发差错少，对差错容易进行恢复处理便于控制转发增加了目的节点对报文的加工处理时间和复杂性36虚电路传输分组交换源节点和目的节点之间建立一条逻辑通路。每个分组除了包含数据以外还包括一个虚电路标识符。在榆县建立好的这个路径上，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。该通路是虚拟的，不是专用的。37三种数据交换技术性能比

14、较1.电路交换需设置完全的通路，在释放前被独占2.报文交换采用存储转发方式，报文需排队，不适合交互式通信3.分组交换与报文交换类似，但报文被分成分组传送，使数据网中最广泛使用的交换技术38传输误差与检测(1)传输误差的原因 在实际通信系统中，误差主要来自通信设备和传输媒质两个方面。对数字通信设备而言，有很好的可靠性和稳定性，其本身产生差错的可能性是很少的。至于传输媒质，由于干线采用了光缆，也很少有差错。因此差错主要来自传输媒质中的模拟本地环路以及无线通信环境。原因在两个方面：一是媒质的传输特性限制，使传输的数据信号产生幅度失真、相位失真和频率偏移，导致码间干扰；二是各种外界干扰（雷电、火花）引

15、起突发差错，造成一串数据信息的破坏。通常电话专线的信道误码率（含Modem）是10-410-5，电话交换网的信道误码率是10-310-4，而数据通信业务要求误码率小于10-9。在改进信道各部分如媒质选择，均衡、滤波措施、提高Modem质量等不奏效或经济上不能承受的情况下，必须在数据链路两端采用差错控制技术。 误差控制技术的核心是采用高效的纠错检错编码方法，将这些冗余码附加在信息中一起传送。 39(2)奇偶校验码 奇偶校验码有奇数校验码和偶数校验码两种。无论信息位有多少，校验位总是1位。奇偶校验码能够检测奇数个错码。设为一个字符或分组，当校验位直接位于字符后面时，称垂直校验码。40(3)校验和方

16、式 将数据帧中的信息按一定位数分组，然后顺序相加，有进位则最后将进位放到数据后面一起相加，最后生成校验码。Hello FrienD.4865+6c6c=b4de+6f20=123f148 65 6c 6c 6f 20 46 72 65 69 6e 64 2e02123f1+4672=16a63+6569=1cfcc1cfcc+6e64=23e303e30+2e02=6c3241(4)循环码CRC校验 如果一个码组的每一次循环移位是另一码组，这种码组叫做循环码。循环码可以用线性方程确定，且可以用代数方法进行分析研究，同时其循环移位特性又使所需的编解码设备相对简单，容易实现。 42循环码的编解码步骤43循环码的编解码实现 1）发送端的编码电路 发送端的编码电路根据生成多项式用寄存器和异或门等构成。例如 过程如下：S2打在信息位输入端，S1闭合，信息输出同时反馈，信息输出一位，移位寄存器同时向右移一次。信息位输完后，S2打在R3端，S1打开，移位寄存器内生成的监督码依次随信息输出。 44循环码的编解码实现 2）接收端的解码