第二章 数据通信基础

数据通信基础第二讲数据通信基础数据通信基础知识1.多路复用技术2.数据交换技术3.传输介质4.数据（Data）是对客观事实进行描述与记载的物理符号。信息（Information）信息是数据的集合、含义与解释。通信的目的就是交换信息。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像，我们称它们为数据。信号（singal）是数据在传输过程中的电磁波表示形式。例如：38.5和21是两个数据而：体温38.5度和年龄21岁是两条信息1.数据、信息和信号（a）模拟信号

（b）数字信号

基带信号：将0和1用不同的电压表示模拟信号：将基带信号转换围频率表示的模拟信号基带传输：在信道上直接传输基带信号。传输距离一般不超过2公里，可加中继器放大信号，延长传输距离频带传输：将基带信号转换为频率表示的模拟信号来传输。要求在发送方和接收方安装调制解调器，可提高信道利用率宽带传输：将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号。实现多路复用，信道容量增加，传输距离远1.数据、信息和信号

信源

交换器

信道

反交换器

信宿

干扰源一般通信系统的模型简单的计算机通信系统

计算机A

MODEM

传输线路计算机B

MODEM2、通信系统模型数字信号模拟信号调制解调调制器+解调器=调制解调器

调频

调制方法

调幅

调相

解调：先取样，再编码。

频率调制，用两个不同频率的载波分别代表二进制数字1和0。幅度调制，用两个不同载波信号的幅值分别代表二进制数字1和0。相位调制，用载波的相位分别代表二进制数字1和0。3、数据传输

可以用高低电平的矩形波在物理媒体中传输二进制比特串，（例如＋3V表示1，0V表示0）。例：表示1000100111的矩形波，如果把比特持续时间缩短一半的话，就会读成11000000110000111111。

如果接收端无法确定每个比特从什么时候开始，什么时候结束（或者说，每个比特信号持续的时间是多长），则还是不能从高低电平的矩形波中读出正确的比特串。4、编码技术

曼彻斯特编码自带同步信号，在曼彻斯特编码中每个比特持续时间分为两半，在发送比特1时，前一半时间电平为高，后一半时间电平为低；在发送比特0时则相反。这样，在每个比特持续时间的中间肯定有一次电平的跳变，接收方可以通过检测该跳变来保持与发送方的比特同步。

差分曼彻斯特编码是基本曼彻斯特编码的变形，在每个比特持续时间的中间仍然肯定有一次电平的跳变。两种编码方式的区别在于：差分曼彻斯特编码是通过在比特持续时间的开始处有无电平的跳变来分别表示0和1。差分法比基本法有更好的抗干扰性，但需要更复杂的设备。当给出的数据信号为：00101101时，试分别画出曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形图。课堂练习00101101曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码单工通信全双工通信半双工通信

在单工信道上信息只能沿一个方向传送，发送方不能接收信息，接收方不能发送信息。信道的全部带宽都用于发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工传送的例子。

在半双工信道上，通信双方都可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收信息。在一段时间内，信道的全部带宽都用于一个方向上的信息传递。航空/航海无线电台、对讲机等都是以这种方式通信的。

是一种可同时进行信息传递的通信方式。现代的电话通信都是采用这种方式。要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽，全双工通信设备较昂贵。4、数据通信方式数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。并行通信的优点是速度快，但发端与收端之间有若干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。发端收端011001018个比特同时发送需要8条线并行传输与串行传输5、数据传输的方式数据流以串行方式在一条信道上传输，由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构，才能实现串行通信。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。发端8个比特顺次发送0110001001100010收端0

1

1

0

0

0

1

0并/串转换器串/并转换器并行传输与串行传输5、数据传输的方式异步传输与同步传输

问题：在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持步调一致，亦即同步，才能准确地传送信息。如何实现？

解决方法：位同步（码元同步）－－接收端根据发送数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时间基准与时钟频率。

在传送由多个码元组成的字符以及由许多字符组成的数据块时，通信双方要对信息的起止时间取得一致，这种同步作用有两种不同的方式，对应两种不同的传输方式。5、数据传输的方式异步传输：以字符为单位，在发送每一个字符时，前后均加起止信号。异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。异步传输5、数据传输的方式同步传输：以固定的时钟节拍来发送数据，数据以组或帧为单位，前后加起始标志。在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据通信。同步传输5、数据传输的方式“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）。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、bps。信道容量是指信道允许的最大数据传输速率。数据传输速率是指通信系统单位时间内传输的二进制代码的位（比特）数，通常使用“位/秒”(b/s)、“千位/秒”（kb/s)、“兆位/秒”（Mb/s)、“千兆位/秒”（Gb/s)。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。

波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。6、数据通信的主要技术指标第二讲数据通信基础数据通信基础知识1.多路复用技术2.数据交换技术3.传输介质4.计算机网络中，传输线路的成本占整个系统相当大的比例。如何提高传输线路的利用率？解决方案使多个数据通信合用一条传输线，即多路复用技术问题1、频分多路复用（FDM）FrequencyDivisionMultiplexing

频率时间频率1频率2频率3频率4频率5

将具有一定带宽的信道分割为若干个较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。这样在信道中就可同时传送多个不同频率的信号。频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2、时分多路复用（TDM,TimeDivisionMultiplexing）每个时间片称为一帧，每帧长125us。每帧又有4个时隙。频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2、时分多路复用（TDM,TimeDivisionMultiplexing）每个时间片称为一帧，每帧长125us。每帧又有4个时隙。频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2、时分多路复用（TDM,TimeDivisionMultiplexing）每个时间片称为一帧，每帧长125us。每帧又有4个时隙。频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧2、时分多路复用（TDM,TimeDivisionMultiplexing）每个时间片称为一帧，每帧长125us。每帧又有4个时隙。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km3、波分多路复用（WDM,WavelengthDivisionMultiplexing）第二讲数据通信基础数据通信基础知识1.多路复用技术2.数据交换技术3.传输介质4.问题：根据网络拓扑结构，通信子网又可分为广播通信网和交换通信网。在广播通信网中，通信是广播式的，无中间结点进行数据交换，所有网络结点共享传输媒体，如总线网、卫星通信网。在交换通信网中，由若干网络结点按任意拓扑结构互联而成，以交换和传输数据为目的。解决方案：数据交换技术交换通信子网

图中若H1与H5通信，则A与E分别称源结点与宿结点。通信子网必须能为所有进网的数据流提供从源结点到宿结点的通路，而实现这种数据通路的技术就称为数据交换技术，或数据交换方式。

1、线路交换（电路交换）电路交换的三个阶段：建立连接、数据传输、释放连接((((交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA

线路交换的特点通信实时性强通路一旦建立，便不会发生冲突，数据传送可靠、迅速、不丢失而且保持传输的顺序。线路传输延时小，唯一的时延时电磁信号的传播时间。呼叫建立时间长且存在呼损。在传统的公用电话网中，它约几秒至几十秒，在计算机程控交换网中，大约几十毫秒。电路交换的信道利用率低。系统无数据存储及差错控制能力适用于实时大批量连续的数据传输。2、存储转发交换存储转发交换（StoreandForwardSwitching）报文存储转发交换分组存储转发交换数据报虚电路

H1A交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5

发送报文结点交换机主机在结点交换机

A

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

C

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

E

暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机

H5

（1）报文存储转发交换报头正文报尾报文

报文存储转发交换特点源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通路，没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延；电路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据；数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都进行差错控制，即检错和纠错。接力式工作，任何时刻一份报文只占用一条链路的资源，不必占有通路上的所有链路资源，提高链路利用率。一个报文可以同时向多个目的站点发送，由于采用了对完整报文的存储/转发，节点存储/转发的时延较大，不适用于交互式通信。

（2）分组交换原理报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。

数据数据数据报文每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组

1分组

2分组

3请注意：现在左边是“前面”

分组交换原理分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3

分组交换原理接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3收到的数据

分组交换原理数据数据数据最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010

分组交换原理接收端在发送端的左方时，首部往往画在分组的左方。接收端在发送端的右方时，首部往往画在分组的右方。数据首部分组接收端发送端传送方向数据首部分组接收端发送端传送方向

分组交换原理

分组交换优缺点高效灵活迅速可靠分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

向

H5

发送分组路径可能变化

数据报传输分组交换H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1

要和

H5

通信虚电路H1

向

H5

发送的所有分组都沿此虚电路传送。

虚电路传输分组交换对比的方面

虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当可靠通信应当由网络来保证由用户主机来保证连接的建立必须有不要目的站地址仅在连接建立阶段每个分组都有使用，每个分组使目的站的全地址用短的虚电路号分组的转发属于同一条虚电路每个分组独立选择的分组均按照同一路由进行转发路由进行转发当结点出所有通过出故障的故障结点可能丢失故障时结点的虚电路均不分组，一些路由能工作可能会发生变化

数据报和虚电路的比较对比的方面虚电路服务数据报服务分组的顺序总是按发送顺序到达目的站时不一定到达目的站按发送顺序端到端的可以由分组交换网由用户主机负责差错处理和负责也可以由用户流量控制主机负责

数据报和虚电路的比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放

三种交换的比较第二讲数据通信基础数据通信基础知识1.多路复用技术2.数据交换技术3.传输介质4.计算机网络传输媒体：有线双绞线、同轴电缆、光纤等无线无线电波、微波或红外线1、双绞线最古老最常用的传输媒体。由两条互相绝缘的铜线组成，其典型粗细为直径1mm，这两条线像螺纹一样拧在一起，这样可以减少邻近线路的电磁干扰。将两条、四条或更多这样的双绞线捆在一起，外面包上护套，就构成双绞线电缆。双绞线的典型应用：电话系统。1、双绞线用于模拟传输或数字传输，通信距离一般为几公里到十几公里。用于点到点的连接：如星型拓扑结构的局域网中，计算机与集线器Hub之间常用双绞线来连接。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无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP1、双绞线－按是否有屏蔽，分类1991年，美国电气/电信工业协会(EIA/TIA)颁布了EIA-568标准，将双绞线定义为7种型号。局域网中常用第5类和第6类，它们都是无屏蔽双绞线，均由4对双绞线构成一条电缆。1、双绞线－按电气特性分类1类：主要用于传输语音，不用于数据传输。2类：传输频率为1MHz，用于语音传输和最高传输 速率4Mbps的数据传输。3类：传输频率为16MHz，用于语音传输和最高传输 速率10Mbps的数据传输。主要用于10Base-T网4类：传输频率为20MHz，用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输。5,6类：都为无屏蔽双绞线，传输速率可达

100Mbps/1000Mbps，可用于100Base-T,1000Base-T超五类、六类：支持1000M以太网。2、同轴电缆同轴电缆由绕同一轴线的两个导体所组成。以硬铜线为芯，外裹一层绝缘材料，这层绝缘体外面又被密集的网状导体所环绕，网外又覆盖一个保护性塑料层。外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体它比双绞线的抗干扰性能更好，可以传输比双绞线更长的距离。带宽取决于电缆长度，1km的电缆可以达到1Gb/s至2Gb/s的数据传输速率。现在同轴电缆被广泛地用于有线电视和某些局域网。2、同轴电缆按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：又称基带同轴电缆，仅用于传输数字信号，并使用曼彻斯特编码方式和基带传输方式。1km距离内能以10Mbps的速率传送基带数字信号。广泛使用于局域网中。50同轴电缆75同轴电缆又称宽带同轴电缆，用于传输模拟信号。其频率可达500MHZ,传输距离可达100km。目前在有线电视中广为采用。2、同轴电缆光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝作为纤芯，外面分别有包层、吸收外壳和防护层等构成。纤芯很细，直径只有8-10m。玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳3、光纤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(SingleModeFiber)采用激光二极管作为光源，产生激光，激光的定向性好，沿光导纤维传播时，减少折射即减少损耗，故传输效率高。在给定的工作波长上只能以单一模式传输,传输频带宽,传输容量大，传输距离长。输入脉冲输出脉冲

多模光纤(MultiModeFiber)采用光发射二极管作为光源，产生可见光，定向性较差。在给定的工作波长上,能以多个模式同时传输的光纤。与单模光纤相比,多模光纤的传输性能较差，传输距离短。光缆的优点是信号的损耗小、频带宽、传输率高，从l00Mbps到l000Mbps，甚至更高，且不受外界电磁干扰。另外，由于它本身没有电磁辐射，所以它传输的信号不易被窃听，保密性能好。但是它的成本高并且连接技术比较复杂。光缆主要用于长距离的数据传输和网络的主干线。

光纤的优点地球地面站之间的直视线路微波传送塔在物理线路昂贵或地理条件不允许的情况下适用；通过地球表面的大气传播，易受到建筑物或天气的影响；两个地面站之间传送，距离为50-100km；4、微波-地面微波接力微波波段频率很高，其频段范围也很宽(1GHZ～20GHZ

），因此其通信信道的容量很大。微波通信受外界干扰比较小，传输质量较高。与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。地面微波接力的特点相邻站之间必须直视，不能有障碍物（“视距通信”）。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。地面微波接力的缺点地球地面站地面站优点：通信距离远，在电波覆盖范围内，任何一处都可以通信，且通信费用与通信距离无关。受陆地灾害影响小，可靠性高；易于实现广播通信和多址通信；缺点：通信费用高，延时较大；10GHZ以上雨衰较大；易受太阳噪声的干扰；卫星通信35,860公里地球从技术角度上讲，只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置三颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。为了避免产生干扰，卫星之间的相隔不能小于2度，因此，整个赤道上空只能放置180个同步卫星。