数据通信与通信网技术市公开课一等奖省赛课获奖课件

新编计算机网络技术教程孝感学院计算机学院陈晓文数据通信与通信网技术第1页第2章数据通信与通信网技术2.1数据通信的基本概念2.2数据通信方式2.3数据的编码和调制2.4信道复用技术2.5数据交换技术2.6传输介质2.7差错控制技术课件制作：陈晓文2数据通信与通信网技术第2页2.1数据通信与通信网技术数据通信是指在计算机之间、计算机与终端以及终端与终端之间传送表示字符、数字、语音、图像二进制代码0、1比特序列过程。课件制作：陈晓文3数据通信与通信网技术第3页数据、信息和信号数据：被传输二进制代码称之为“数据”。信息：数据内涵，数据是信息载体。信号：数据在传输过程中电磁信号表示形式。数据分为：模拟数据和数字数据。模拟数据取值是连续，而数字数据取值是离散。计算机里存放是数字数据。信号分为：

模拟信号和数字信号。

模拟信号是指信号

幅度随时间呈连续变

化信号。

数字信号是在时间上

不连续、离散性信号。课件制作：陈晓文4数据通信与通信网技术第4页数据通信系统组成信源：信息发送端。信宿：信息接收端。信道：通信双方以传输介质为基础传输信息通道，它是建立在通信线路及其从属设备上。信号变换器：将信源发出信息变换成适合在信道上传输信号。噪声源：信道上噪声干扰。课件制作：陈晓文5数据通信与通信网技术第5页通信信道分类信道是数据信号传输必经之路，普通由传输线路和传输设备组成。通信信道分类：物理信道和逻辑信道。有线信道和无线信道。模拟信道和数字信道。专用信道和公共交换信道。模拟信道只能传输模拟信号。数字信道只能传输数字信号。课件制作：陈晓文6数据通信与通信网技术第6页2.2数据通信方式串行传输与并行传输：课件制作：陈晓文7数据通信与通信网技术第7页单工、半双工和全双工通信课件制作：陈晓文8数据通信与通信网技术第8页数据同时技术异步传输起止式同步方式，以 字符为单位进行同步，且每一字符起始时刻可认为任意。在异步传输方式中，字符可以被单独发送或连续发送，字符与字符间隔可以连续发送“1”状态。当不传字符时，不要求收发时钟同步，异步传输优点：每一个字符本身就包含了本字符同步信息。异步传输缺点：每发一个字符要添加一对起止信号，降低传输效率。课件制作：陈晓文9数据通信与通信网技术第9页同时传输同时传输

以固定时钟节拍来串行发送数字信号。不论是否传输数据，都要求收发两端时钟必须在每个比特上保持一致。同时传输收发时钟同时方法，一个是外同时法；一个是自同时法。同时传输克服了异步传输中每一个字符均要加上附加起止信号缺点，效率高，但实现起来复杂。课件制作：陈晓文10数据通信与通信网技术第10页同时技术位同时：使接收端对每一位数据都要和发送端保持同时，就是通常同时传输。群同时：传输信息被分成若干“群”。就是若干比特组成一个字符，在每个字符前后冠以起始位和终止位，从而组成了一个字符序列。课件制作：陈晓文11数据通信与通信网技术第11页数据传输类型基带传输：信源发出未经转换器转换、表示二进制数原始脉冲信号。数字数据变成数字信号普通有三种编码方法：不归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码频带传输：基带传输因为带宽有限，信号频率低，不能实现远距离传输。经过调制技术对原始数字信号进行一定调制后再进行传输，成为宽带传输，也称为频带传输。通常使用正弦信号作为载波。课件制作：陈晓文12数据通信与通信网技术第12页2.3数据编码和调制信号在经过某一介质传输时，往往须进行调制和编码，以提升信号传输性能。调制：用基带信号对载波波形一些参量进行控制，使这些参量随基带信号改变。编码：将模拟数据或数字数据变换成数字信号，方便经过数字通信介质传输出去，在接收端，数字信号经过译码变换成原来形式。课件制作：陈晓文13数据通信与通信网技术第13页数据编码技术数字数据到数字信号转变。1、不归零编码2、归零码课件制作：陈晓文14数据通信与通信网技术第14页曼彻斯特编码曼彻斯特编码，当发0时，在码元中间时刻电平从低向高跃变；发1时，码元中间时刻电平从高向低跃变。编码过程简单，利用跃变能够自动计时，便于同时（自同时）。差分曼彻斯特编码：在每一码元周期内，不论发1还是0，在每一位中间都有一个电平跃变。发1时，码元周期开始时刻不跃变（与前一码元周期相位相反）；发0时，码元开始时刻就跃变。课件制作：陈晓文15数据通信与通信网技术第15页16课件制作：陈晓文数据通信与通信网技术第16页模拟数据数字信号编码模拟数据数字信号编码最惯用方法是脉冲编码调制（PCM

pulsecodemodlation）课件制作：陈晓文模拟/数字数据均以数字数据形式存放在计算机中。17数据通信与通信网技术第17页18课件制作：陈晓文数据通信与通信网技术第18页数据调制技术数字信号向模拟信号转换过程。课件制作：陈晓文19数据通信与通信网技术第19页2.4信道复用技术信道复用技术：在同一传输介质上“同时”传送多路信号技术。实质就是共享物理信道。课件制作：陈晓文20数据通信与通信网技术第20页频分复用（FDM）按照频率区分信号方法，将含有一定带宽信道分割为若干有较小频率带子信道，每个子信道供一个用户使用。原理：将频带平均分配给每个要参加通信用户；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户通信量都较大情况；缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量改变。课件制作：陈晓文21数据通信与通信网技术第21页时分多路复用也称为同时时分复用。将传输信号时间按特定长度连续地划分成特定时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度多个时隙，每个时隙以固定方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都次序分配到一个时隙。原理：每个用户拥有固定信道传送时槽；优点：适合于用户较少，数目基本固定，各用户通信量都较大情况；缺点：无法灵活地适应站点数及其通信量改变。课件制作：陈晓文22数据通信与通信网技术第22页统计时分复用(ATDM)也称为异步时分复用。动态地按需分配时隙，以防止每个时间段中出现空闲时隙。课件制作：陈晓文23数据通信与通信网技术第23页例题：题目：

10个9.6Kb/s地信道按时分多论复用在一条线路上传输，假如忽略控制开销，在同时TDM情况下，复用线路带宽应该是多少？在统计TDM情况下，假定某个子信道只有30%时间忙，复用线路控制开销为10%，那么复用线路带宽应该是多少？

解答：在同时时分多路传输（TDM）中，复用信道带宽等于各个子信道带宽之和，因而有：9.6kbps*10=96kbps

统计TDM情况下，因为每个子信道只有30%时间忙，所以复用信道数据速率平均为：9.6kbps*30%*10=28.8kbps

又因为复用线路控制开销为10%，即只有90%利用率，所以复用信道带宽应为：28.8kbps/90%=32kbps课件制作：陈晓文24数据通信与通信网技术第24页时分复用应用实例—T1系统T1系统：T1系统采取时分多路复用技术，它含有24路语音信号，8bit/路，125(微秒）/周期；

一个周期：8（bit）*24路+1（同时位）=19３（bit），传输速率为：193（bit）/125（微秒）=1.544MbpsTDM技术能够使得更多路信号复用到速率更高信道上。比如：４路T1(1.544Mbps)复用到T2(6.312Mbps),7路T2再复用到T3(44.736Mbps)

课件制作：陈晓文25数据通信与通信网技术第25页时分复用应用实例—E1系统E1系统采取时分多路复用技术，它有32路语音信号，8bit/路，125微秒/周期，传输速率：32*8/125=2.048Mbps。课件制作：陈晓文26数据通信与通信网技术第26页波分多路复用（WDM）WDM是频率分割技术在光纤媒体中应用，它主要用于全光纤网组成通信系统中。WDM是指在一根光纤上同时传送多个波长不一样光载波复用技术。WDM优点：可灵活增加光纤传输

容量。同时传输多路信号。成本低、维护方便可靠性高，应用广泛。课件制作：陈晓文27数据通信与通信网技术第27页码分多路复用(CDM)CDM是一个用于移动通信系统新技术。CDM基础是微波扩频通信。利用扩频通信中不一样码型扩频之间相关性，为每个用户分配一个扩频编码，以区分不一样用户信号。课件制作：陈晓文28数据通信与通信网技术第28页空分多路复用（SDM）SDM也叫空分多址(SDMA),这种技术是利用空间分割组成不一样信道。SDM是一个信道增容方式，能够实现频率重复使用，充分利用频率资源。课件制作：陈晓文29数据通信与通信网技术第29页2.5数据交换技术两台计算机之间数据通信最简单形式是直接将两台计算机连接在一起。但当通信结点较多且传输距离较远时，无法在全部结点之间都建立固定点到点连接。通常建立一个交织通信网络，将需要通信全部设备都连到网络上，利用网络上交换设备进行连接，负责数据转接（交换）。课件制作：陈晓文30数据通信与通信网技术第30页电路交换也称线路交换，它是一种直接交换方式，可认为一对需要进行通信结点提供一条临时专用通道。目前,PSTN广泛使用电路交换。电路交换包含：建立连接、数据传输、释放连接三个阶段。课件制作：陈晓文31数据通信与通信网技术第31页电路交换特点

优点：

①因为通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据时延非常小。

②通信双方之间物理通路一旦建立，双方能够随时通信，实时性强。

③双方通信时按发送次序传送数据，不存在失序问题。

④电路交换既适合用于传输模拟信号，也适合用于传输数字信号。

⑤电路交换交换交换设备（交换机等）及控制均较简单。

缺点：

①电路交换平均连接建立时间对计算机通信来说嫌长。

②电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其它用户使用，因而信道利用低。

③电路交换时，数据直达，不一样类型、不一样规格、不一样速率终端极难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。课件制作：陈晓文32数据通信与通信网技术第32页报文交换报文交换是以报文为单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采取存放转发传输方式。优点：

①报文交换不需要连接建立时延，用户可随时发送报文。

②因为采取存放转发，能够进行差错检验和重发提升了传输可靠性。③在存放转发中轻易实当代码转换和速率匹配，这么就便于类型、规格和速度不一样计算机之间进行通信。④报文交换系统能够把一个报文发送到多个目标地，而电路交换网络极难做到这一点。

⑤通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不一样时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提升了通信线路利用率。

课件制作：陈晓文33数据通信与通信网技术第33页报文交换（续）缺点：

①因为数据进入交换结点后要经历存放、转发这一过程，从而引发转发时延（包含接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络通信量愈大，造成时延就愈大，所以报文交换实时性差，不适合传送实时或交互式业务数据。

②报文交换只适合用于数字信号。

③因为报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存放几个完整报文等候转发，要求网络中每个结点有较大缓冲区。为了降低成本，降低结点缓冲存放器容量，有时要把等候转发报文存在磁盘上，深入增加了传送时延。课件制作：陈晓文34数据通信与通信网技术第34页分组交换分组交换是报文交换一个改进，它将报文分成若干个分组，每个分组长度有一个上限，有限长度分组使得每个节点所需存放能力降低了，分组能够存放到内存中，提升了交换速度。它适合用于交互式通信，如终端与主机通信。分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。它是计算机网络中使用最广泛一个交换技术。课件制作：陈晓文35数据通信与通信网技术第35页分组交换优点①加速了数据在网络中传输。因为分组是逐一传输，能够使后一个分组存放操作与前一个分组转发操作并行，这种流水线式传输方式降低了报文传输时间。另外，传输一个分组所需缓冲区比传输一份报文所需缓冲区小得多，这么因缓冲区不足而等候发送机率及等候时间也必定少得多。②简化了存放管理。因为分组长度固定，对应缓冲区大小也固定，在交换结点中存放器管理通常被简化为对缓冲区管理，相对比较轻易。③降低了犯错机率和重发数据量。因为分组较短，其犯错机率必定降低，每次重发数据量也就大大降低，这么不但提升了可靠性，也降低了传输时延。④因为分组短小，更适合用于采取优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，所以对于计算机之间突发式数据通信，分组交换显然更为适当些。

课件制作：陈晓文36数据通信与通信网技术第36页分组交换缺点①尽管分组交换比报文交换传输时延少，但仍存在存放转发时延，而且其结点交换机必须含有更强处理能力。②分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目标地址和分组编号等信息，使传送信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理时间，使控制复杂，时延增加。③当分组交换采取数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组抵达目标结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采取虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。课件制作：陈晓文37数据通信与通信网技术第37页虚电路分组交换原理与特点在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络源节点和目标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。最终，由某一个站用去除请求分组来结束这次连接。它之所以是“虚”，是因为这条电路不是专用。虚电路分组交换主要特点是：在数据传送之前必须经过虚呼叫设置一条虚电路。但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上依然需要缓冲，并在线路上进行排队等候输出。课件制作：陈晓文38数据通信与通信网技术第38页数据报分组交换原理与特点在数据报分组交换中，每个分组传送是被单独处理。每个分组称为一个数据报，每个数据报本身携带足够地址信息。一个节点收到一个数据报后，依据数据报中地址信息和节点所储存路由信息，找出一个适当出路，把数据报原样地发送到下一节点。因为各数据报所走路径不一定相同，所以不能确保各个数据报按次序抵达目标地，有数据报甚至会中途丢失。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。

课件制作：陈晓文39数据通信与通信网技术第39页四种交换技术对比课件制作：陈晓文40数据通信与通信网技术第40页四种交换技术应用若要传送数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采取电路交换较为适当当端到端通路有很多段链路组成时，采取分组交换传送数据较为适当。从提升整个网络信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换时延小，尤其适合于计算机之间突发式数据通信。课件制作：陈晓文41数据通信与通信网技术第41页2.6传输介质传输介质是组成信道主要部分，它是数据信号在异地之间传输真实媒介。传输介质是网络中连接收发双方物理通路，也是通信中实际传送信息载体。传输介质特征直接影响通信质量，课件制作：陈晓文42数据通信与通信网技术第42页双绞线双绞线是将两根相互绝缘导线按一定规格相互缠绕起来，然后在外层再套上一层保护套或屏蔽套而组成。假如两根导线相互平行靠在一起，就相当于一个天线作用，信号会从一根导线进入另一根导线中，称为串扰现象。为了防止串扰，就需要将导线按—定规则缠绕起来。课件制作：陈晓文43数据通信与通信网技术第43页双绞线特征（1）物理特征双绞线由按规则螺旋结构排列两根、四根或八根绝缘导线组成。一对线能够作为一条通信线路。（2）传输特征在局域网中惯用双绞线依据传输特征能够分为五类。在经典Ethernet网中，惯用第三类、第四类与第五类非屏蔽双绞线，通常简称为三类线、四类线与五类线。其中，三类线带宽为16MHz，适合用于语音及10Mbps以下数据传输；五类线带宽为100MHz，适合用于语音及100Mbps高速数据传输，甚至能够支持155MbpsATM数据传输。（3）连通性：双绞线既可用于点一点连接，也可用于多点连接。（4）地理范围：双绞线用做远程中继线时，最大距离可达15km；用于10Mbps局域网时，与集线器距离最大为100m。（5）抗干扰性：双绞线抗干扰性取决于在一束线中，相邻线正确扭曲长度及适当屏蔽。课件制作：陈晓文44数据通信与通信网技术第44页同轴电缆同轴电缆由导体铜质芯线（单股实心线或多股胶合线）、绝缘层、外导体屏蔽层及塑料保护外套等所组成。课件制作：陈晓文45数据通信与通信网技术第45页同轴电缆特征（1）物理特征：单根同轴电缆直径约为1.02～2.54cm，可在较宽频范围工作。

（2）传输特征：基带同轴电缆仅用于数字传输，阻抗为50Ω，并使用曼彻斯特编码，数据传输速率最高可达10Mb/s。宽带同轴电缆可用于模拟信号和数字信号传输，阻抗为75Ω，对于模拟信号，带宽可达300～450MHz。在CATV电缆上，每个电视通道分配6MHz带宽，而广播通道带宽要窄得多，所以，在同轴电缆上使用频分多路复用技术能够支持大量视、音频通道。（3）连通性：可用于点到点连接或多点连接。（4）地理范围：基带同轴电缆最大距离限制在几公里；宽带电缆最大距离能够达几十公里。

（5）抗干扰性：能力比双绞线强。课件制作：陈晓文46数据通信与通信网技术第46页光缆光纤和同轴电缆相同，只是没有网状屏蔽层，中心是光传输玻璃芯。光纤分为单模光纤和多模光纤两类（所谓“模”是指以一定角度进入光纤一束光）。课件制作：陈晓文47数据通信与通信网技术第47页光纤特征（1）物理特征：在计算机网络中均采取两根光纤（一来一去）组成传输系统。按波长范围可分为三种：0.85μm波长、1.3μm波长和1.55μm波长区。不一样波长范围光纤损耗特征也不一样，其中0.85gm波长区为多模光纤通信方式，1.55μm波长区为单模光纤通信方式，1.3μm波长区有多模和单模两种方式。（2）传输特征：光纤经过内部全反射来传输一束经过编码光信号。光纤数据传输率可达Gb/s级，传输距离达数十公里。（3）连通性：采取点到点连接。（4）地理范围：能够在6～8km距离内不用中继器传输，所以光纤适合于远距离点到点链路连接。（5）抗干扰性：不受噪声或电磁影响，适宜在长距离内保持高数据传输率，而且能够提供良好安全性。课件制作：陈晓文48数据通信与通信网技术第48页无线传输介质无线电：包含短波、民用波段（CB）以及甚高频（VHF）和超高频（UHF）电视传送。是全向传输，天线不需要固定位置和方向。微波：微波是指频率为300MHz～300GHz电波，但主要是使用2～40GHz频率范围。微波能穿透电离层而不反射到地面，故只能使微波沿地球表面由源地址向目标地址直

线传输。卫星：是将微波中继站放在人造卫星上，形成卫星通信系统。红外线：是利用红外线来传输信号，在发送端设有红外线发送器，接收端设有红外

线接收器。红外线含有很强方向性，极难窃听、插入和干扰，但传输距离有限，易受环境（如雨、雾和障碍物）干扰。激光通信是利用激光束来传输信号，即将激光束调制成光脉冲，方便传输数据，所以激光通信与红外线通信一样是全数字。也有类似红外通信特点。其它无线传输介质：蓝牙等。课件制作：陈晓文49数据通信与通信网技术第49页几个传输介质安全性比较双绞线和同轴电缆用都是铜导线，传输是电信号，因而轻易被窃听。光缆上窃取数据很困难，光线在光缆中必须没有中止才能正常传送数据。广播传送（无线电或微波）是不安全，这种数据就是简单地经过天空传送，任何人使用接收天线都能接收数据。提升无线电广播数据安全性惟一方法是给数据加密。课件制作：陈晓文50数据通信与通信网技术第50页2.7差错控制技术因为信道总存在一定噪声，数据抵达信宿端后，接收信号实际上是数据信号和噪声信号叠加。通信信道中噪声分为热噪声(随机差错)和冲击噪声（突发差错）两类。造成差错可能出现原因还包含：在数据通信中，信号在物理信道上线路本身电气特征随机产生了信号幅度、频率、相位畸形和衰减：电气信号在线路上产生反射噪声回波效应：相邻线路之间串线干扰；大气中闪电、电源开关跳火、自然界磁场改变以及电源波动等外界原因。课件制作：陈晓文51数据通信与通信网技术第51页差错控制在数据通信过程中，为了保证将数据传输差错控制在允许范围内，就必须采取差错控制方法。差错控制常采取冗余编码方案来检测和纠正信息传输中产生错误。冗余编码思想就是把要发送有效数据在发送时按照所使用某种差错编码规则加上控制码（冗余码）一起发送，当信息抵达接收端后，再按照对应规则检验收到信息是否正确。差错检测编码有奇偶校验码、水平垂直奇偶校验码、循环冗余码等。差错纠错编码有海明码和卷积码等课件制作：陈晓文52数据通信与通信网技术第52页奇偶校验码奇偶校验分成奇校验和偶校验。采取奇偶校验码时，在每个字符数据位（字符代码）传输之前，先检测并计算出数据位中“1”个数（奇数或偶数），并依据使用式奇校验还是偶校验来确定奇偶校验位设置，然后将其附加在数据位之后（最低位）进行传输。当接收端接收到数据后，重新计算数据位中包含“1”个数，再经过奇偶校验位就能够判断出数据是否犯错。课件制作：陈晓文53数据通信与通信网技术第53页循环冗余码循环冗余码（CyclicRedundancyCode，CRC）是一个较为复杂校验方法。发送端将要发送信息数据与一个通信双方共同约定数据进行除法运算，并依据余数得出一个校验码，然后将这个校验码附加在信息数据帧之后发送出去。接收端在收到数据后，将包含在校验码在内数据帧再与约定数据进行触发运算，若余数为0，则表示接收数据正确，若余数不为0，则表明数据在传输过程中犯错。课件制作：陈晓文54数据通信与通信网技术第54页循环冗余码算法假设待传送一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M后面再添加供差错检测用n

位冗余码一起发送。用二进制模

2

运算进行2n乘M运算，这相当于在M后面添加n个0。得到(k+n)位数除以事先选定好长度为(n+1)位除数

P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n

位。课件制作：陈晓文55数据通信与通信网技术第55页例题现在一组数据M长度k=6

假设

M=101001。设

n=3,除数

P=1101，被除数是2nM=101001000。模2运算结果是：

商

Q=110101，余数

R=001。把余数R作为冗余码添加在数据

M后面发送出去。发送数据是：2nM+R

即：101001001

共(k+n)位。课件制作：陈晓文110101

←

Q(商)P(除数)→

1101101001000

←

2nM(被除数)

1101