课件第2部分数据通信基础

1、第2章 数据通信基础计算机网络技术与实训教程1说明：本课件的配套教材为：计算机网络技术与实训 出版社 编著如果选用本套教材，并需要完整的各章课件，请与作者联系。电话：E-mail：通信地址：2本章主要内容掌握数据通信系统的基本概念了解数据通信方式掌握数据交换技术掌握多路复用技术掌握差错控制技术 32.1 数据通信系统主要内容：数据通信的基本概念 数据通信系统模型42.1.1 数据通信的基本概念1 信息 2 数据3 信号51 信息信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。例如事物的运动状态、结构、温度、性能等都是信息的不同表现形式。信

2、息可以以文字、声音、图形、图像等各种不同形式存在。 62 数据信息可以用数字的形式来表示，数字化的信息称为数据。数据可以分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据的取值是连续的，例如日常生活中人的语音强度、电压高低、温度等都是模拟数据。数字数据的取值是离散的，例如计算机中的二进制数据只有“0”、“1”两种状态。现在大多数的数据传输都是数字数据传输，本章所提到的数据也多指数字数据。 73 信号信号就是携带信息的传输介质。信号按其参量取值的不同，分为模拟信号和数字信号。模拟信号是指在时间上和幅度取值上都连续变化的信号，数字信号是指在时间上离散的、在幅值上经过量化的信号，它一般是由0、1二进制代码组成的数

3、字序列。图2-1 模拟信号与数字信号82.1.2 数据通信系统模型 图2-2 数据通信系统模型信息的传递是通过通信系统来实现的。如图2-2所示是通信系统的基本模型。在通信系统中产生和发送信息的一端叫做信源，接收信息的一端叫做信宿，信源和信宿之间的通信线路称为信道。信息在进入信道时要经过变换器变换为适合信道传输的形式，经过信道的传输，在进入信宿时要经过反变换器变换为适合信宿接收的形式。信号在传输过程中会受到来自外部或信号传输过程本身的干扰，噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示。 92.1.2 数据通信系统模型 数据通信系统的主要技术指标：l数据传输率：又称比特率，它是指每

4、秒钟所传输的二进制代码的有效位数，单位为比特/每秒（记作bps）。 l波特率：它是指每秒钟发送的码元数，单位为波特（baud）。波特率也称波形速率或码元速率。l信道容量：信道所能支持的最大数据传输速率。 l误码率：它是指传输出错的码元数占传输总码元数的比例。l吞吐量：单位时间内整个网络能够处理的信息总量，单位是字节/秒或位/秒。l信道的传播延迟：信号在信道中传播，从源端到达目的端需要一定的时间，这个时间叫做传播延迟。102.2 数据通信方式主要内容：并行传输与串行传输异步传输与同步传输基带传输与频带传输数据传输方向多路复用技术112.2.1 并行传输与串行传输 图2-3 并行通信并行传输： 如

5、图2-3所示，它是一次同时将待传送信号经由n个通信信道同时发送出去。因此，并行传输需要n个传输信道，使待传送信号的各位能同时沿着各自的信道并行地传输。 122.2.1 并行传输与串行传输 图2-4 串行通信串行传输： 如图2-4所示，它是指一位一位地传输，从发送端到接收端只需要一个通信信道，经由这条通信信道逐位地将待传送信号的每个二进制代码依次发送。 132.2.2 异步传输与同步传输 图2-5 异步传输异步传输： 每个字符（6-8个二进制位）作为一个单元独立传输，字符之间的传输间隔任意。为了标志字符的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位，构成一个个的“字

6、符” 。起始位对接收方的时钟起置位作用，接收方时钟置位后只要在811位的传送时间内准确，就能正确接收一个字符。142.2.2 异步传输与同步传输 图2-6 同步传输同步传输： 同步传输方式与异步传输方式不同，它不是对每一个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合或同步字符（SYN），并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。 152.2.3 基带传输与频带传输 l基带传输：在数据通信中，人们把矩形脉冲信号叫做基带信号。在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输。 l频带传输：人们把利用

7、模拟信道传输数据信号的传输方式叫做频带传输。 l宽带传输：在频带传输中，如果调制成的模拟信号的频率比音频范围还宽，则称为宽带传输。例如在有线电视网上通过线缆调制解调器进行高速的数据通信，则称为宽带传输。 162.2.4 数据传输方向 按数据传输方向来分，数据传输方式可以分为单工、半双工和全双工三种方式： l单工：信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。发送方不能接收，接收方不能发送。例如，无线电广播和电视广播都是单工通信的例子。l半双工：信号可以双向传送，但必须交替进行，一个时间只能向一个方向传送 。例如，航空和航海无线电台以及对讲机都是以这种方式通信的。 l全双工：信号可以

8、双向同时传送，例如现代的电话通信就是以这种方式通信的。 172.2.5 多路复用技术1 频分多路复用 2 时分多路复用 3 波分多路复用 4 码分多路复用181 频分多路复用图2-7 频分多路复用 当介质的有效带宽超过传输信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道，如图2-7所示；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiple

9、xing）。 图2-8 频分多路复用系统原理192 时分多路复用图2-9 TDM子信道 将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（如图2-9所示），即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如图2-10所示。图2-10 TDM原理203 波分多路复用 波分多路复用是指在一根光纤上能同时传送多个波长不同的光载波的复用技术。

10、通过WDM，可使原来在一根光纤上只能传输一个光载波的单一光信道，变为可传输多个不同波长光载波的光信道，使得光纤的传输能力成倍增加，也可以利用不同波长沿不同方向传输来实现单根光纤的双向传输。 此外，还有光频分多路复用（optical frequency division multiplexing，OFDM）、密集波分多路复用（dense wave division multiplexing，DWDM）、光时分多路复用（optical time division multiplexing，OTDM）、光码分多路复用（optical code division multiplexing，OCDM）技

11、术等。 214 码分多路复用 码分多路复用（code division multiplexing，CDM）是一种用于移动通信系统的新技术，CDM利用扩频通信中的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；同样，接收端用不同的进行解码，就可得到不同发送端送来的数据，实现了多址通信。CDM的特点是频率和时间资源均为共享。222.3 数据交换技术主要内容：电路交换 报文交换分组交换高速交换技术232.3.1 电路交换 使用电路（线路）交换（Circuit Switching）方式，就是通过网络中的节点在两个站之

12、间建立一条专用的通信线路。最普通的线路交换例子是电话系统。线路交换方式的通信包括三种状态： （1）线路建立 （2）数据传送 （3）线路拆除 242.3.1 电路交换 电路交换特点：（1）线路交换中的每个节点都是电子式或电子机械式的交换设备，它不对传输的信息进行任何处理；（2）数据传输开始前必须建立两个工作站之间实际的物理连接，然后才能通信；（3）通道在连接期间是专用的，线路利用率较低；（4）除链路上的传输延时外，不再有其他的延时，在每个结点的延时是很小的；（5）整个链路上有一致的数据传输速率，连接两端的通信节点必须同时工作 。252.3.2 报文交换 报文交换（Message Exchangi

13、ng）采取 “存储-转发”（Store-and-Forward）数据以报文（Message）的方式发出，报文中除包括用户所要传送的信息外，还有源地址和目的地址等信息。报文从源节点发出后，经过一系列的中间节点到达目的节点。各中间节点收到报文后，先暂时存储起来，然后分析目的地址、选择路由并排队等候，待需要的线路空闲时将它转发到下一个节点，并最终到达目的节点。其中的交换节点要有足够大的存储空间，用以缓冲收到的长报文。交换节点对各个方向上收到的报文排队，寻求下一个转发节点，然后转发出去。 262.3.2 报文交换 报文交换比线路交换有以下优点：（1）线路效率较高，因为许多报文可以分时共享一条节点到节点

14、的通道。（2）不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。（3）在线路交换网上，交换网络仍可接收报文，只是传输延迟会增加。（4）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。（5）根据报文的长短或其他特征能够建立报文的优先权，使得一些短的、重要的报文优先传递。（6）报文交换网可以进行速度和代码的转换。272.3.3 分组交换 分组交换（Packet Switching）兼有报文交换和线路交换的优点。分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度。分组交换包括数据报和虚电路两种方法。在数据报中，每个数据包

15、被独立地处理，每个节点根据一个路由选择算法，为每个数据包选择一条路径，使它们的目的地相同。 在虚电路中，数据在传送以前，发送和接收双方在网络中建立起一条逻辑上的连接，但它并不是像电路交换中那样有一条专用的物理通路，该路径上各个节点都有缓冲装置，服从于这条逻辑线路的安排，也就是按照逻辑连接的方向和接收的次序进行输出排队和转发，这样每个节点就不需要为每个数据包作路径选择判断，就好像收发双方有一条专用信道一样。28三种数据交换技术的比较 三种数据交换技术总结如下：（1）电路交换：在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有。（2）报文交换：报文从发送方传送到接收

16、方采用存储转发的方式。 （3）分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文。 292.3.4 混合交换 混合交换采用动态时分复用技术，将一部分带宽分配给电路交换用，而将另一部分带宽分配给分组交换用。典型的ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）、DQDB（分布式队列双总线）等均属混合交换，它们同时提供等时电路交换和分组交换服务。FR（Frame Relay，帧中继）交换是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换技术。 302.4 差错控制技术主要内容：错误产生原因及控制方法 奇偶校验码海明码循环

17、冗余校验码312.4.1 错误产生原因及控制方法 错误产生的原因：（1）由热噪声引起的随机错误（2）由冲击噪声引起的突发错误差错控制编码： 差错控制编码是指发送端在发送数据之前，先向数据块中加入一些冗余信息，使数据块中的数据建立某种形式的关联，接收端通过验证这种关联关系是否存在，来判断数据在传输过程中是否出错，这种在数据块中加入冗余信息的过程称为差错控制编码。 322.4.2 奇偶校验码 奇偶校验码（Parity Code）： 奇偶校验是一种简单有效的校验方法。这种方法通过在编码中增加一位校验位来使编码中1的个数为奇数（奇校验）或都为偶数（偶校验）。目前常的奇偶校验码有三种： （1）水平奇偶校

18、验码 （2）垂直奇偶校验码 （3）水平垂直校验码331 水平奇偶校验码【例2-1】字符“word”，其ASCII编码对应的二进制串为：1110111 1101111 1110010 1100100。其水平偶校验和水平奇校验码如表2-1所示。 表2-1 水平奇偶校验码 342 垂直奇偶校验码【例2-2】对于32位数据1001100100。其垂直偶校验和垂直奇校验码如表2-2所示。 表2-2 垂直奇偶校验码 353 水平垂直校验码【例2-3】对于32位数据1001100100。其水平垂直奇校验和偶校验码如表2-3所示。 表2-3 水平垂直奇校验和偶校验码 362.4.3 海明校验码 海明码是由贝尔实验室的R. Hamming在1950年提出的，它也是利用奇偶性来检错和纠错的校验方法。海明码的构成方