介质访问与局域网

第二章数据通信基础一、数据、信息

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;数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;信号是数据的具体的物理表现。2.1数据通信的基本概念雪六角形凉白色信息数据信号例子

2.1网络数据通信的概念信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度2.1网络数据通信的概念两种不同类型的信号：A.时间、温度、电波、声音B.字符，二进制数，电脉冲信号中没有断开或不连续的的地方；信号仅取一些有限数目的值；二、信号与信号传输

2.1网络数据通信的概念模拟量的特点：波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；数字量的特点：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；2.1网络数据通信的概念数据传输：2.1网络数据通信的概念信道：传输信号的一条通路，有传输线和传输设备组成。一条传输线上可以有多条信道带宽（Bandwidth）(HZ)信号带宽：信号的频率范围.信道带宽：信道上能够传输的信号的最大频率范围300HZ3400HZ三、基本术语

2.1网络数据通信的概念数据传输速率——bps(bitpersecond)，单位时间内传送的二进制数据的位数常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps与Tb/s，其中：

1Kbps=10^3bps

1Mbps=10^6bps

1Gbps=10^9bps

1Tbps=10^12bps

三、基本术语

2.1网络数据通信的概念码元——信号传送的基本单位，通常一个码元包含一个或多个数据位。码元传输速率——又称为码元速率或传码率。其定义为每秒钟传送码元的数目，单位为“波特”,常用符号“Baud”表示，简写为“B”。数据传输速率与码元传输速率Rb=RB㏒2NRb—数据传输速率RB——码元传输速率N—每个码元包含的二进制位数信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。差错率差错率是衡量传输质量的重要指标之一。

1.码元差错率指正在传输的码元总数中发生差错的码元数所点的比例（平均值），简称误码率。

Pe=N/M(式中M为码元传输总数，N为错误接受码元数）

当统计的码元数很大时，它与理论上的码元差错概率很接近，故用同一符号Pe表示。

2.比特差错率

指在传输的比特总数中发生差错的比特数所占的比例（平均值）。例如Peb=10^4，意味着平均传送10000个比特，要发生一个比特的差错。在二进制传输中，码元差错率即是比特差错率，而在多进制传输中可由码元差错率求出比特差错率。

2.2数据通信系统一、数据通信系统模型

二、信道1、信道容量----指物理信道上能够传输的信息的最大能力。单位时间内传输的信息量越大，信道的传输能力就越强，信道容量越大。提高信道传输能力的方法之一，就是提高信道的带宽。2.2数据通信系统“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。频带宽度——信号所拥有的频率范围现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。二、信道2、线路连接方式点--点连接多点连接2.2数据通信系统2、数据并行传输与串行传输并行传输串行传输并行传输：数据的每一位分别用一根数据线传输。串行传输：数据的所有位通过一根线传输。01010101010101012.2数据通信系统网络数据传输方式：

单工通信双工通信半双工通信全双工通信单工通信2.3数据传输方式半双工通信2.3数据通信方式全双工通信2.3数据通信方式2.4基带传输与频带传输一、基带传输直接以数字信号的形式在信道上传输，称为基带传输。1、基带传输系统组成：信源编码器解码器信宿0010110100101101不归零编码NRZ(Non-Return-Zero)曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)差（微）分曼彻斯特编码（DifferentialManchesterEncoding）

2、基带传输的数据编码：----数字数据用数字信号表示

2.4基带传输与频带传输不归零码NR2（Non－Returntozero）NR2码用直流电平“1”和“0”表示二进制的“1”和“0”。例：正电平（比如+5V）表示“1”，用负电平（比如-5V）表示“0”在一个二进制位的宽度内电平保持不变。2.4基带传输与频带传输优点：NRZ码是最容易实现的，实际上是直接将计算机发出的信号加到通信线路上，未作任何处理，代价也最低。缺点：接收方无法判断一位的开始和结束，即不具备同步特性；容易受到干扰

曼彻斯特（Manchester）编码是目前应用最广泛的编码方法之一。特点：在每个位时间内（一般在中间）有一次信号跳变，使接收端可以利用这一跳变信号作为提取一位数据。例如，用正跳变表示0，用负跳变表示1

曼彻斯特编码的优点是：①由于每一位的中间都有一次电平跳变，因此提取电平跳变可以作为收发双方的同步信号，发送曼彻斯特编码时无需另发同步信号。这是自同步信号得到广泛应用的主要原因。②不受幅值干扰的影响。曼彻斯特编码的缺点：传输效率低，因为每一位要占用两个波形。

差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进：（1）每一位中间的跳变只作提取时钟之用；（2）每一位数据的值根据起始处有无跳变来决定。例如，每位开始时有跳变表示数据“0”，每位开始时无跳变表示数据“1”。

模拟数据的数据编码

与模拟信号传输相比，数字信号传输失真小，误码率低，数据传输速率高。模拟数据的数字化就是要把连续信号分别割成若干个离散信号，再将这些离散信号定量化，用数字数据表示。脉冲码调制PCM是最常用的模拟数据数字化的编码方法。

PCM技术

模拟数据的数字化包括三个步骤：即采样、电平量化和编码。采样就是每隔一定的时间对模拟数据进行取样。采样所得到的值就代表采样间隔内模拟信号的值采样频率越高（或者说采样时间间隔越小），根据采样值恢复原始模拟信号的准确性就越高。理论研究指出，如果以等于或大于通信道带宽2倍的速率定时对信号进行采样，就可以足够准确地重现原始信号。对采样值进行取整、量化后，下一步就是进行编码了编码是用若干位二进制数来表示采样并取整得到的量化幅度PCM技术的典型应用是语音数字化。实际编码时，将声音分为128个量化级，每个采样值采用7位二进制编码表示。由于采样速率为8000次/秒，因此利用数字信道传输声音时，要求信道的传输速率要达到7×8000bit/s=5bkbps。二、频带传输将数字信号转换成模拟信号传输，则称为频带传输。1、频带传输系统组成：信源调制器解调器信宿信道调制解调010100011001010001102.4基带传输与频带传输2、频带传输的调制方式：

载波信号：Asin(ft+Φ)AM:幅移键控（AmplitudeShiftKeying-ASK）FM:频移键控（FrequencyShiftKeying-FSK）PM:相移键控（PhaseShiftKeying-PSK2.4基带传输与频带传输例：AM:幅移键控2.4基带传输与频带传输FM:频移键控2.4基带传输与频带传输PM:相移键控2.4基带传输与频带传输通信系统构成小结1、数据通信系统的模型

2、基带传输与频带传输：：

一、异步传输2.5数据传输同步方式同步传输

（a）单同步格式（b）双同步格式2.5数据传输同步方式

1.电路交换1）概念ABCD发送呼叫信号传输1.交换2.发送呼叫信号传输1.交换2.发送呼叫信号传输1.作出反应2.发送回应信号2.6交换技术2）电路交换特点:1.有通话的建立过程2.通话建立以后源与目的间有一条专用的通路存在优点：实时性强管理简单缺点：信道利用率低呼叫时间长可靠性差适合业务：实时交互式业务大数据量传输2.6交换技术报文交换1）概念ADCB发送报文传输等待-发送传输等待-发送传输报文号目的地址源地址数据校验2.6交换技术传输延迟 ABCD2）报文交换特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术2.6交换技术分组交换1）概念报文号报文分组号目的地址源地址分组数据校验2.6交换技术2）分组交换特点:1.无呼叫建立和专用通路2.存储-转发式的发送技术3.将数据分成有大小限制的分组后发送优点：无固定的物理连接可靠性强（差错控制、迂回路由）信道利用率高（共享物理信道）缺点：实时性差协议复杂适合业务：突发性业务可靠性要求高的业务（如计算机通信）2.6交换技术4、三种交换技术对比:A.存在呼叫建立；专有线路上不传送数据时浪费资源B.没有呼叫建立；只有发送数据时才占用线路C.除了B的特点外，在发送分组时可以分别选择不同的路径提高了线路利用率和传送速率1、对线路的利用率2.6交换技术12345H1H22.6交换技术三种交换技术对比:A:固定的传输速率、会有呼叫阻塞B,C:可以使用优先级A:实时性强B,C:存在时延和额外开销2.6交换技术分组交换的两种方式（a）数据报（b）虚电路回顾同步技术位同步---使用同步位同步内同步—从数据中提取同步信号外同步—外部时钟电路提供同步时钟字符同步—采用同步符同步同步符（如SNY01111110）透明传输（避免假同步）如0比特插入法。同步通信与异步通信异步通信—位同步同步传输—字符同步多路复用技术:用一条高速线路传送多条低速线路的数据分类：频分多路复用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）时分多路复用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）波分多路复用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

2.7多路复用技术一、频分多路复用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）应用:无线电广播,电视特点:信号被划分成若干通道(频道,波段),每个通道独立进行数据传递2.7多路复用技术二、时分多路复用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）

特点：多条低速线路轮流使用同一条高速线路进行数据传递应用：电话主干线路2.7多路复用技术同步时分复用STDM，SynchronizationTime-DivisionMultiplexing）原理：根据信号路数分配时间片，时间片轮流分配给每路信号每路信号在时间片使用完毕以后，把物理信道让给下一路信号使用。TDM优点:是控制简单，实现起来容易。TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。异步(统计)TDM——STDM

改进：每路信号用户不固定占用某个时间片，有空槽就将数据放入。

三、波分多路复用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

应用：光缆线路原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。2.7多路复用技术三、码分多路复用（CDMA）用户可在同一时间使用同样的频带进行通信,但使用的是基于码型的分割信道的方法即每个用户分配一个地址码,各个码型互不重又叠,通信各方之间不会相互干扰,且抗干拢能力强.

2.7多路复用技术码分多路复用技术应用用于无线通信系统,特别是移动通信系统.它不仅可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性以及减少干扰对通信的影响,而且增大了通信系统的容量.笔记本电脑或个人数字助理(PersonalDataAssistant,PDA)以及掌上电脑(HandedPersonalCOmputer,HPC)等移动性计算机的联网通信就是使用了这种技术。2.8差错检验和控制1.差错类型随机差错；突发差错差错产生原因：1、线路本身对信号的影响2、信号在线路两端的反射3、相邻线路之间产生的干扰4、电磁干扰等外界干扰传输质量的衡量------误码率2.差错检测码奇偶校验码循环冗余校验码海明码一、水平奇偶校验例子：字符ASCII水平奇校验H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011110垂直奇校验011111012.8.1差错检测码二、循环冗余码(CRC)前提:发送方和接受方必须事先商定一个二进制数G(x)(生成多项式),发送端:计算校验和,将校验和加在数据末尾,使这个带校验和的数据能被G(x)除尽.接收端:收到带校验和的数据后,用G(x)去除它,如果有余数,则传输出错实现:用简单的硬件(移位寄存器电路)即可2.8.1差错检测码校验码的计算方法：1、将信息码扩展出冗余位（冗余位数=生成式位数-1）2、用生成式去除扩展后的信息码（按模二算法），余数即作为循环冗余校验码3、将校验码加到信息码上形成传输码元传送出去。接收方用收到的带校验和的信息码，与约定好的生成式相除，余数为零正校验正确。数据=1101011011G(x)(生成多项式)=10011循环冗余码(CRC)例子：传输码元=数据（移位后）+余数

110101101111102.8.1差错检测码已知：信息码:110011信息多项式:K(X)=X5+X4+X+1

生成多项式:G(X)=X4+X3+1求：循环冗余码和码字。解（1）生成码:11001冗余位4位（2）(X5+X4+X+1)*X4的积是X9+X8+X5+X4

对应的码是1100110000。

按模二算法除以生成式

100001←Q(X)

G(x)→11001)1100110000←F(X)*Xr

11001，

10000

11001

1001←R(X)(冗余码)则传输码元=1100111001例2.已知：接收码字:1100111001多项式:T(X)=X9+X8+X5+X4+X3+1生成码:11001生成多项式:G(X)=X4+X3+1求：码字的正确性。若正确，则指出冗余码和信息码。解：1)用字码除以生成码

100001←Q(X)

G(x)→11001)1100111001←F(X)*Xr＋R(x)

11001，

11001

11001

0←S(X)(余数)余数为0，所以码字正确。2)因r=4，所以冗余码是：11001，信息码是:110011三、海明码原理：加入足够冗余位，将冗余位分别放置在2的幂的位置上，每个冗余位都是一组比特的奇偶校验位。具体步骤：例：7位数1、加入冗余位满足2r>=m+r+1r=42、将r放在r的幂的位置上，即1、2、4、8、位上3、r1是所有d0为1的位的偶校验，r2是所有d1位的偶校验，依次类推即可得出校验码。2.8.1差错检测码例如：发送信息：1011，采用偶校验，求海明码（1）增加冗余位r满足2r>=m+r+1

r=3（2）加入冗余位后信息码为101r31r2r1（3）求r1，r2，r3r1=位置码第1位为1的各信息位的校验和（偶校验）r2=位置码第1位为1的各信息位的校验和r3=位置码第1位为1的各信息位的校验和信息码为101r31r2r1r1=d1+d3+d5+d7的偶校验位r1=1+1+1同理r2=d2+d3+d6+d7偶校验位r2=1+0+1=0r3=则信息码为校验方同样将收到的信息位进行求出r3r2r1的值，若为零，则正确。否则r3r2r1的值则为出错位的编码。d1001d2010d3011d4100d5101d6110d7111位置码网络差错控制网络差错控制通常采用重发机制，常用协议有：停等协议连续ARQ协议滑动窗口协议2.9.2差错检验和控制一、停止等待协议的工作原理：

2.9.2网络差错控制二、连续ARQ协议工作原理：连续ARQ协议，即采用连续自动请求重传方案。发送方可以连续发送一系列信息帧，即不用等待前一帧被确认便可发送下一帧。这就需要在发送方设置一个较大的缓冲存储空间，用以存放若