第2章网络通信技术-大约3学时new

网络工程导论沈阳工程学院信息学院费雅洁第2章数据通信技术基础主要内容数据通信的基本概念、术语、数据通信方式、数据交换技术、传输介质、信道共享技术、差错控制技术学习目的掌握数据通信的基本概念及常用术语掌握多路复用技术、数据交换技术、差错控制技术了解几种常用的传输介质2.1数据通信系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统模型源系统目的系统传输系统输出信息PC机2.1.1通信系统基本概念数据通信：依据通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据叫做数据通信。2.1.1通信系统基本概念信息通信的目的是交换信息，信息的表达形式可以是数字、文字、语音、图象、图形等。广义地说，信息就是消息所包含的内容和解释。数据是传递信息的载体，是事物的表示形式，可以是描述事物的数字、字母、符号及其组合。连续变化的数据称为模拟数据，具有离散值的数据称为数字数据。二进制代码是计算机中最常见的数字数据。2.1.1通信系统基本概念信号是数据在传输过程中的表示形式。根据传输介质的不同，信号具有声、光、电等多种表现形式。如果信号是连续变化的，称为模拟信号；如果信号不是连续变化的，称为数字信号。下面给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图。2.1.1通信系统基本概念信号带宽信号通常是以电磁波的形式传送的，信号电磁波的频率范围称为信号带宽。数字信号具有无限的带宽，大部分能量都集中在某段频率上，这段频率称为信号有效带宽。基带信号信源端原有信号所占据的频率范围叫做基本频带，简称基带。这种未经频率变换（调制）的原始信号，叫做基带信号。2.1.1通信系统基本概念信道是信号传输的通路，也叫物理信道，由发送数据与接收数据的设备以及二者间的传输介质组成。传送模拟信号的信道叫做模拟信道，传送数字信号的信道叫做数字信道。2.1.1通信系统基本概念信道带宽

指信道上能够传送信号的最大频率范围，即最高频率与最低频率之差。例如：一条普通电话线路的带宽为300～3400Hz。当信号的带宽大于信道的带宽时，信号就不能在该信道上正确传送，或者传送出的信号将失真。以人的听觉系统为例：人耳所能感受的声波频率范围是20～20000HZ，用20000HZ减去20HZ所得的值是人的听觉系统的带宽。2.1.1通信系统基本概念信道容量也叫信道的最大传输速率。指一个信道在传输差错率趋于零的情况下可能传输最大信息量的能力，是一个理想的极限值。正确传输时，要求数据的传输速率不大于信道容量。2.1.1通信系统基本概念

信道容量--数据传输速率数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，bps；常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps、Gbps与Tbps，其中：

1Kbps=1×103bps1Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps1Tbps=1×1012bps对于二进制数据，数据传输速率为

S=1/T(b/s)其中，T为发送每一比特所需要的时间。例如：如果在通信信道上发送一比特0、1信号所需要的时间是1ms，那么信道的数据传输速率为1000b/s。2.1.1通信系统基本概念噪声信号在传输过程中受到的干扰称为噪声，噪声过大将影响被传送信号的准确性。2.1.1通信系统基本概念误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：

Pe=Ne/N其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数。对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求。2.1.1通信系统基本概念----数据传输方式基带传输在数字通信信道上直接传送数据基带信号的传输方法称为基带传输频带传输发送方将基带信号进行调制，接收方通过解调得到原来的基带信号，这种传输方式称为频带传输。最基本的带通调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。010011100基带信号调幅调频调相2.1.1通信系统基本概念-----数据流动方向2.1.1通信系统基本概念----数据传输方式串行传输方式和并行传输方式发送端发送端b7b6b5b4b3b2b1b0串行通信信道发送端b0b1b2b3b4b5b6b7接收端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道2.1.1通信系统基本概念----数据传输方式同步传输方式在传送数据前通过特定同步字符建立同步，使收发双方具有完全同步的时钟信号。传输效率高。异步传输方式每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。需在每一字节的开始和结尾附加起始位和停止位。传输效率较低，但设备便宜。如USB接口。2.1.1通信系统基本概念传输效率指整个传送的数据中有效的原始数据所占的比例，在同样的传输速率下，传输效率越高，意味着整个传输的信息量越大。2.1.1通信系统基本概念时延单位数据信号从数据电路的一端传输到达另一端所经历的总的时间2.1.2数据编码数字信道模拟信道数字信号模拟信号非归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码差分非归零编码……PCM(脉冲编码调制)编码采样量化编码频移键控法FSK(调频)幅移键控法ASK(调幅)相移键控法PSK(调相)调频(FM)调幅(AM)调相(PM)脉冲编码调制分的步骤PCM的过程分为抽样、量化和编码三步。抽样——把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制（PAM）信号。量化——把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值（共有N个量化值）。编码——用二进码来表示N个量化值。抽样的概念抽样是指对模拟信号在时间域上的离散化过程，即把一个时间上连续、幅度上也连续的模拟信号变换成时间上离散、幅度上连续的信号。抽样是由抽样门来完成的。量化为了消除噪声积累，并且使得抽样值易于表示，我们要对幅度上连续的抽样值进行量化。量化的过程把信号幅度划分为若干个区间（又称为量化级），取该区间预先规定的某个参考电平作为信号指，即利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程，称为量化。编码把量化后的信号变换成代码的过程称为编码，其相反的过程称为译码。编码是使用一组二进制代码来表示量化值。非归零编码29非归零编码(NonReturntoZeroCode,NRZ)“1”=正电压，“0”=负电压编码效率高发送端和接收端需要同步；编码有直流分量，易失真曼彻斯特编码30曼彻斯特编码(ManchesterEncoding)

“1”=信号位中间发生“高到低”的跳变,“0”=信号位中间发生“低到高”的跳变编码没有直流分量；利用“跳变”自同步每个bit都有“跳变”，需要转换成两个电压，效率低差分曼彻斯特编码31差分曼彻斯特编码(DifferentialManchester)“1”=每位信号的起始处无跳变,“0”=每位信号的起始处有跳变每bit中间的跳变作为时钟同步信号,比曼彻斯特编码电压变化少每一个bit都被转换成两个电压，传输效率低2.2传输介质

传输介质大致可分为有线介质和无线介质，常用的有线介质有双绞线、同轴电缆、光纤等；无线介质指在空间传播的电磁波，常用的方法有：地面微波、卫星微波、红外通信、蜂窝通信等。介质的特性主要有： （1）物理特性：物理结构 （2）传输特性：信号，调制技术、容量、频率范围 （3）连通特性：点—点，多点连接 （4）地理范围：最大传输距离 （5）抗干扰性：抗电磁干扰能力 （6）价格：器件，安装与维护双绞线

分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两种。双绞线由两根相互绝缘的铜导线按一定的规则螺旋绞合在一起构成，这种结构可以减弱电磁干扰。

保护套双绞线对图2-9UTP电缆同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线、内绝缘层、屏蔽层、外绝缘层、塑料保护层五部分构成。

50Ω同轴电缆又称为基带同轴电缆，分为粗缆和细缆。

75Ω同轴电缆是宽带同轴电缆。

光纤光纤是一种传输光信号的传输媒介，其从中心到外面分别为纤芯、包层、保护层。纤芯是由石英、玻璃或塑料制成的光导纤维。有效光信号能在从纤芯到包层的界面上发生全反射，从而保证光信号低衰减、长距离传输。光纤可分为突变多模光纤、渐变多模光纤和单模光纤，其中单模光纤性能最好，突变多模光纤最差。①传输频带宽，通信容量大。②误码率低，传输损耗小，无中继距离长。③不受雷电和电磁干扰，本身无串扰和辐射，安全性和保密性好。④体积小，重量轻。光纤作为传输介质的优点光纤连接技术难度大，光电接口价格较贵，机械强度低。光纤作为传输介质的缺点媒体特性双绞线同轴电缆光缆基带(50Ω)宽带(75Ω)典型传输速率（Mb/s）1～41050100最大网络段长度几百米几百米几万米1km～2km信号特征电信号电信号电信号光信号连通性点-点或多点点-点或多点点-点或多点点-点抗干扰能力较弱中中强网卡复杂性低中高高价格比值15～1035～20适用的拓扑结构总线型、环形、树型总线型、环形、树型总线型环形、树型表常用有线媒体的特性无线传输

在一些无法使用有线通信情况下，无线通信就成为必要的通信手段。常用的无线通信方式有地面微波、卫星微波、红外通信和蜂窝传输等。地面微波利用微波的直线传输特性，通信受地表曲率的影响，可采用“接力”的办法，微波的频率范围为2GHz-40GHz。卫星微波通信是用地球同步通信卫星作为微波通信的中继站。红外通信一般用于室内和较近距离。蜂窝传输中，将整个服务区划分为一个个蜂窝单元，每个单元都由一个基站控制，基站由移动电话交换局控制，824～849MHz用于移动电话，869～894MHz用于固定电话。2.3数据交换技术电路交换报文交换分组交换正向证实信号正向拆线信号挂机主叫挂机反向拆线信号被叫挂机被叫用户主叫用户回铃音取机拨号拨号音占用信号占用信号振铃通话(信息传送)连接释放呼叫建立A局B局C局电路交换电路交换的特点1）数据传输可靠、迅速、有序；

2）线路利用率低；3）线路建立、拆除时间较长，造成有效时间的浪费；4）适用于高负荷的持续通信和实时性要求较强的场合（如会话式通信），不适合突发性通信（如计算机网络中的数据通信）。报文交换报文交换技术采用的是“存储-转发”技术，不需要在两个站点之间建立专用通路。在报文交换中，当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文转发给下一个节点，这样通过逐个节点转送到目的节点。

t用户电报机B用户电报机AA局B局C局M1M1M1M1传播时延传输时延存储/处理时延报文交换存储-转发报文交换的优点1）电路利用率高；2）传送延迟增加；3）可把一个报文发送到多个目的地，而电路交换技术很难做到这一点；4）可进行速度和代码的转换。报文交换的缺点1）报文经过网络的延迟时间长且不定。2）有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文。分组交换分组交换方式综合了电路交换和报文交换两者的优点，它仍采用报文交换的“存储-转发”技术。但不是以整个报文为交换单位，而是以“分组”为交换单位。是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。分组交换技术分为虚电路分组交换和数据报分组交换两种。什么是虚电路？虚电路是分组交换网向用户提供的一种面向连接(ConnectionOriented：CO)的网络服务方式，分组交换在网中是采用逐段链路进行存储—转发处理，因此每段的处理由分组型终端或分组交换机基于线路传输能力的按需动态分配原则来确定一逻辑信道，因此一条虚电路实际上是由多段分配的逻辑信道链接而成的。计算机DTEB释放指示分组呼叫请求分组呼叫连通分组呼叫接受分组入呼叫分组P3P1传播时延传输时延存储/处理时延计算机DTEAA局DCEB局DCEC局DCEP2呼叫建立释放请求分组DCE释放证实分组DTE释放证实分组连接释放数据传输t1.虚电路方式分组交换P3P1计算机B计算机AA局B局C局传播时延传输时延存储/处理时延P2t2.数据报方式分组交换分组交换的原理（一）

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。报文1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长分组交换的原理（二）每一个数据段前面添加上首部构成分组。数据数据数据报文首部首部首部分组

1分组2分组3分组交换的原理（三）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分组首部的重要性每一个分组的首部都含有地址等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。分组交换的原理（五）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。数据数据数据报文1101000110101010110101011100010011010010分组交换方式H1A子网BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

发送分组路由器主机在结点路由器

A

暂存查找转发表找到转发的端口在结点路由器

C

暂存查找转发表找到转发的端口在结点路由器

E

暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机

H5数据交换方式H1A子网BDECH5H6H4H2H3H1向H5

发送分组H2向H6

发送分组注意分组路径的变化！路由器主机分组交换虚电路分组交换的特点1）在数据传送之前必须通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。2）数据传输过程中，分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，只需要携带虚电路号。3）分组到达目的结点不会出现丢失、重复与乱序现象。4）分组通过虚电路上的每个结点时，仍需缓冲、排队，结点需给分组做差错检测，但不需做路由选择。分组交换技术的主要优点1）传输时延较小，能较好地满足交互型通信的实时性要求；2）易于实现线路的统计时分多路复用，提高了线路的利用率；3）容易建立灵活的通信环境，便于不同的数据终端之间实现互通；4）可靠性好；5）经济性好。分组交换技术的主要缺点1）由于网络附加的传输信息较多，影响了分组交换的传输效率；2）实现技术复杂，要求交换机具有较强的处理功能。

三种交换技术的比较2.4多路复用技术在计算机网络中，传输介质对信号的传输能力通常超过单个信号的需要。为了更高效的利用通信线路资源，可利用多路复用技术，将两个或多个彼此独立的信号合并为一个复合信号，在一条公共信道上进行传输。频分多路复用（FDM）1、频分多路复用的目的：提高信道的频带利用率。2、频分多路复用技术的工作原理频带资源分割；需和调制解调技术结合使用；频分多路复用技术FDM的工作原理频分多路复用（FDM）3、频分多路复用技术的特点：频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。信道复用率高。

主要缺点是设备生产比较复杂，会因滤波器件特性不够理想和信道内存在非线性而产生路间干扰。时分多路复用（TDM）1、时分多路复用技术和频分多路复用技术对比：FDM是按频率来划分不同的子信道，TDM是按时间来划分不同的子信道的；TDM更有利于数字信号的传输，通常用于数字通信。时分多路复用（TDM）2、分类：

（1）同步时分复用STDM

时分多路复用（2）异步时分复用ATDM时分多路复用（TDM）（1）同步时分复用（STDM）工作原理：采用固定时隙分配方式；每一个输入信号在每一帧都顺序分配到一个时隙。在各输入信号占用的时隙内，是使用信道的全部频带宽度的。存在时隙浪费的情况。同步时分复用工作原理时分多路复用（TDM）（2）异步时分复用（ATDM）

又称为统计时分复用，克服了同步时分复用技术中时隙浪费的缺点。工作原理：采用动态的方式按需分配时隙，避免每帧中出现空闲时隙。异步时分复用工作原理每个终端的传输速率可通过多占时隙而高于平均速率，最佳情况下可达到线路总的传输能力。必须在所传输的数据中加入信道号等识别的标记，以便接收端的分配器能按标记正确分送数据。时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用：所有用户共用信道，，但每一用户在不用时刻占用全部频带资源。时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧CDMA在CDMA系统中，每个用户被分配各自特定的地址码。地址码之间具有相互准正交性，从而在时间、空间和频率上都可以重叠。将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的伪随机码进行调制，使原有的数据信号的带宽被扩展，接收端进行相反的过程，进行解扩。因此CDMA系统能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同的码序列实现多路通信。CDMA系统属于自干扰系统。

CDMA原理图波分复用(WDM)波分多路复用技术是光的频分复用。主要用于全光纤组成的计算机网络。使得光纤的传输能力成倍的增加。WDM技术的工作原理波分复用(WDM)

2、WDM技术与FDM技术的区别：

1）传输媒介不同，WDM技术是光信号上的频率分割，而FDM技术是电信号上的频率分割。

2）FDM技术传输的是模拟信号，而WDM技术传输的是数字信号。2.5差错控制技术差错控制概述常用检错技术差错控制策略2.5.1差错控制概述电磁波在传输介质中传输可能会遇到噪声，这可能会使传输的数据产生差错或丢失。差错控制技术包括检测错误和纠正错误以及一定的差错控制策略。

2.5.2常用检错技术1、奇偶校验奇偶校验是在每个字符的最高位之后附加一个奇偶校验位，奇偶校验位根据数据块中1的个数获得。对于偶校验来说，包括已编码数据中奇偶校验位上的1在内，l的个数必须是偶数。对于奇校验来说，包括已编码数据中奇偶校验位上的1在内，l的个数必须是奇数。

1100011发送端数据块11010110接收端数据和校验位一起，1的个数是偶数接收端收到的字节中1的位数为偶数，则认为传输正确。接收端收到的字节中1的位数为奇数，则认为传输出错。1100011010001110接收端收到的字节中1的位数为偶数，则认为传输正确。可见此法不能检测出偶数个位出错的情况。情况①情况②情况③假设采用偶校验校验位01100011发送端数据块11010111接收端数据和校验位一起，1的个数是奇数接收端收到的字节中1的位数为奇数，则认为传输正确。接收端收到的字节中1的位数为偶数，则认为传输出错。1100011110101110接收端收到的字节中1的位数为奇数，则认为传输正确。可见此法不能检测出偶数个位出错的情况。情况①情况②情况③假设采用奇校验校验位1常用检错技术2、循环冗余校验基本原理：发送端发出的信息由数据块和用于校验的循环冗余码组成。发送端先发送基本的信息位，发送的同时生成循环冗余码，当基本的信息位发送完毕，循环冗余码也就生成了，发送端紧接着就发送循环冗余码。接收端接收到发送来的信息后，用相同的方法产生循环冗余码，若冗余码为0则认为传输正确，否则认为传输出错。冗余码的计算用二进制的模

2

运算.进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数

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。冗余码的计算举例现在k=6,M=101001。设n=3,除数

P=1101，被除数是k+n位2nM=101001000。Kn为事先约定好的除数位数-1