第02章-数据通信

第2章

数据通信与广域网技术数据通信的介绍：第一阶段：以语言为主，通过人力、马力、烽火等原始手段传递信息。

第二阶段：文字、邮政。（增加了信息传播的手段）第三阶段：印刷。（扩大信息传播范围）

第四阶段：电报、电话、广播。（进入电器时代）

第五阶段：信息时代本章学习要求：掌握：数据通信的基本概念了解：传输介质类型及主要特性了解：无线与卫星通信技术的基本概念掌握：数据编码的类型和基本方法了解：基带传输的基本概念掌握：频带传输的基本概念掌握：多路复用的分类与特点掌握：广域网中的数据交换技术类型与工作原理掌握：差错控制方法2.1数据通信的基本概念（学习要求：熟练掌握）信息、数据与信号之间的关系2.1.1信息、数据与信号（1）数据涉及的是事物的表现形式数据有模拟数据和数字数据两种形式模拟数据是指在某个时间段产生的连续的值，例如声音和视频、温度和压力等都是时间的连续函数数字数据是指产生的离散的值，例如文本信息和整数信号是数据的表示形式，或称数据的电磁或电子编码，它使数据能以适当的形式在介质上传输信号有模拟信号和数字信号两种基本形式传输信号的信道也有模拟信道和数字信道之分

2.1.1信息、数据与信号（2）对于数据通信而言，被传输的二进制代码称为“数据”；数据是信息的载体。数据涉及对事物的表示形式，信息涉及对数据所表示内容的解释。数据通信的任务是传输二进制代码序列，不需要解释代码所表示的内容。数据通信中，习惯称传输的二进制代码为“码元（code）”。数据通信—是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。数据通信系统的模型

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源系统目的系统传输系统输出信息PC机数据计算机数据编码标准ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO646，又称为国际5号码;它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准;ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符;字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。

计算机传输信号的概念信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（analogsignal）的信号电平是连续变化的；数字信号（digitalsignal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。

模拟信号与数字信号波形2.1.2数据传输类型与通信方式数据传输类型（取决与通信信道）

—模拟通信

如果通信信道不允许直接传输计算机所产生的数字信号，则需要在发送端将数字信号变换模拟信号，在接收端再变回，此过程为调制解调。

—数字通信

如果通信信道允许直接传输计算机所产生的数字信号。数据通信三个基本问题（1）数据传输类型（取决与通信内容）模拟传输：是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输时，采用信号放大器放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中的噪声数字传输：是指数字数据的传输，关心信号的内容，可以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，采用转发器，可消除噪声的累积长距离传输时，通常采用的是数字传输数据通信方式—按照发送字节使用的信道数分类：串行通信并行通信—按照信号传送方向与时间的关系分类：单工通信半双工全双工通信数据通信三个基本问题（2）串行通信与并行通信串行通信是指将待传送的每个字符的8位二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送的通信方式；并行通信是指将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送的通信方式。单工、半双工与全双工通信单工通信的信号只能向一个方向传输，不能改变；半双工通信，信号可以是双向传输，必须交替进行，一个时间一个方向；全双工通信的信号可以同时双向传输，可以用于单工或半双工。同步技术分类（1）同步—指要求通信双方在时间基准上保持一致。位同步—首先，解决收发双方时钟频率的一致性问题：要求接收端根据发送端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，这个过程称为位同步；—位同步方法：外同步，内同步。—外同步法指发送端在发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号，接收端根据接收到的同步时钟信号校正时间基准与时钟频率；—内同步法指从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法。（曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码）数据通信三个基本问题（3）同步技术分类（2）字符同步—保证收发双方正确传输字符的过程。—字符同步的方法：同步式，异步式。—同步式将字符组织成组，以组为单位连续传送；加上同步字符SYN，接收端根据SYN确定数据字符的起始与终止。—异步式每个字符作为一个独立的整体进行发送，字符之间的时间间隔可以是任意的。每个字符的第一位前加1位起始位（逻辑“1”），字符最后一位后加1、1.5或2位终止位（逻辑“0”）。同步通信和异步通信的区别同步通信，一列数据发送，传输效率高，但要求时钟严格同步；异步通信，一个一个的0,1比特序列，效率低，开销大，两个时钟频率。2.2传输介质及主要特性（学习要求：了解）2.2.1传输介质（物理通路）的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道传输介质的特性物理特性：传输介质物理结构的描述；传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；连通特性：允许点-点或多点连接；地理范围：传输介质最大传输距离；抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力；相对价格：器件、安装与维护费用。2.2.2双绞线的主要特性（1）—物理特性

两根互相绝缘的铜导线并排在一起，用规则的方法绞合起来。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。屏蔽双绞线STP与非屏蔽双绞线UTP2.2.2双绞线的主要特性（2）—传输特性2.2.2双绞线的主要特性（3）2.2.3同轴电缆的主要特性（1）—物理特性由内导体、绝缘层、外屏蔽层及外部保护层组成；粗同轴电缆；细同轴电缆。2.2.3同轴电缆的主要特性（2）—传输特性基带同轴电缆—一般仅用于数字信号的传输；宽带同轴电缆—可以使用频分多路复用方法，支持多路传输；也可以只用于单信道的高速数字通信——单信道宽带。2.2.3

同轴电缆的主要特性（3）2.2.4光纤的主要特性（1）—物理特性直径50-100µm的柔软、能传导光波的介质；多种玻璃和塑料可以制作光纤；超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤得到最低传输损耗2.2.4光纤的主要特性（2）—传输特性全反射传输；2.2.4光纤的主要特性（2）—传输特性两种光源：发光二极管（LED,Light-EmittingDiode），注入型激光二极管（ILD,InjectionLaserDiode）。两种类型：单模光纤和多模光纤。—单模光纤指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光纤传输；—多模光纤指光纤的光信号仅与光纤轴成多个可分辨角度的多光纤传输。单模光纤的传输性能优于多模光纤。2.2.4

光缆的主要特性（3）无线传输无线电传输微波传输红外线和毫米波光波传输根据波长分成不同的波段，依次为无线电、微波、红外、可见光、紫外等2.3.1电磁波谱与移动通信无线电通信类型无线通信系统微波通信系统蜂窝移动通信系统卫星移动通信系统无线电频率与带宽的对应关系2.3.2无线通信（中、短波）视距传播与电离层反射优点：技术成熟，应用广泛，发射功率小，传输距离远；缺点：易受天气等因素影响，信号幅度变化大，易被干扰。2.3.3微波通信（1）微波通信方式：地面微波接力通信，卫星通信；优点：—微波波段频率很高，频段范围很宽，通信信道容量很大；—因为工业和天电干扰的主要频谱比微波频率低很多，对微波通信危害小，微波传输质量较高；—与相同容量和长度的电缆相比，微波接力通信建设代价小，见效快，易于跨越山区、江河。缺点：—视距传播，相邻站之间不能有障碍物；—受恶劣气候影响；—与电缆通信比较，隐蔽性和保密性较差；—对大量的中继站的使用和维护耗费大量的人力和物力。2.3.3微波通信（2）2.3.4蜂窝无线通信（移动通信）大区制强覆盖区；小区制，小覆盖；区群，蜂窝。蜂窝移动通信系统的结构2.3.5卫星通信（类似微波）

卫星通信工作原理图2.4数据编码技术（学习要求：熟练掌握）数据传输数字数据在模拟信道上传输数字数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输数字数据在模拟信道上传输将数字数据调制成模拟信号进行传输，通常有三种基本的调制方式：1)调幅ASK(AmplitudeShiftKeying)2)调频FSK(FrequencyShiftKeying)3)调相PSK(PhaseShiftKeying)

目前广泛应用的调制技术是正交调相：QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)振幅键控（ASK）—通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0的。数学表达式为：2.4.2模拟数据编码方法（1）—ASK特点：容易实现，技术简单，抗干扰能力差。移频键控（FSK）—通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0的。数学表达式为：2.4.2模拟数据编码方法（2）—FSK特点：容易实现，技术简单，抗干扰能力强，目前常用之一。移相键控（PSK）—通过改变载波信号相位值来表示数字信号1、0的。数学表达式为：2.4.2模拟数据编码方法（3）—PSK特点：抗干扰能力强，实现技术比较复杂。2.4.2模拟数据编码方法（4）—多相调制四相调相的相位偏移量八相调相的相位偏移量四相调相的波形数字数据的调制举例基带信号调幅调频调相010011100数据传输数字数据在模拟信道上传输数字数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输数字数据的数字信号传输最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码2.4.3数字数据编码方法（1）—NRZ非归零码（NRZ）：早期使用的编码方法，一般用低电平表示逻辑“0”，用高电平表示逻辑“1”。非归零码方式波形特点：不能直接提取同步信息；有直流分量；抗干扰性能差。2.4.3数字数据编码方法（2）—曼彻斯特曼彻斯特：目前应用最广泛的编码方法之一。规则：每位的周期T分为前T/2和后T/2两部分，通过前T/2传输该位的反码，后T/2传输该位的原码。优点：无须另外发送同步信号；不含直流分量；缺点：效率低；需要编码的时钟信号频率是发送信号频率的两倍。曼彻斯特方式波形2.4.3数字数据编码方法（3）—差分曼彻斯特差分曼彻斯特：对曼彻斯特的改进。与曼彻斯特不同：一位开始处出现电平跳变表示二进制码“0”，不发生跳变表示“1”。优缺点：和曼彻斯特一般。曼彻斯特和差分曼彻斯特方式波形比较编码举例bit流不归零编码曼切斯特编码差分曼切斯特编码bit与bit之间有跳变，下一个bit为0100001011110bit与bit之间无跳变，下一个bit为1数据传输数字数据在模拟信道上传输数字数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输模拟数据在数字信道上传输采用脉冲编码调制PCM技术（PulseCodeModulation）PCM以采样定理为基础采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息。2.4.4脉冲编码调制方法（1）脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式。基本组成：采样量化编码信道译码干扰PCM基本组成2.4.4脉冲编码调制方法（2）采样—对连续的模拟信号按一定时间间隔取样。根据奈奎斯特取样定理，采样频率应为：或2.4.4脉冲编码调制方法（3）量化—是将样本幅度按量化级决定取值的过程；量化级取决与量化精度的规定；规定好每级对应的幅度范围，将样本幅值与量化级幅值比较，取整定级。量化2.4.4脉冲编码调制方法（4）编码—用相应位数的二进制代码表示量化后的样本量级；有K个量化级，则二进制位数为：采样、量化和编码举例ABCDEFGHt256192128640PCM用于数字语音系统：（电话系统）声音分为128个量化级；每个量化级采用7位二进制编码表示；话音信道允许的最高频率通常为3500Hz；采样速率为8000样本/秒；数据传输速率应达到7位×8000/秒=56Kbps；如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位×8000/秒=64Kbps。2.5数据传输的重要概念（学习要求：了解）信道参数和名称解释数据的传输速率、带宽信号的传播速率噪声、信噪比Nyquist定理在无噪声信道中，当带宽为HHz，信号电平为V级，则： 数据传输速率=2Hlog2Vb/s（V：信号电平的级数，在二进制中，仅为0、1两级）即：以每秒高于2H次的速率对线路采样是无意义的，因为高频分量已被滤波器虑掉无法再恢复

Shannon定理在噪声信道中，当带宽为HHz，信噪比为S/N，则： 最大数据传输速率(b/s)=Hlog2(1+S/N)

很多情况下信噪比用分贝（dB）表示 信噪比（dB）=10log10S/N如：信噪比为30dB，则S/N=1000结论：可以用“带宽”代替“速率”；“带宽”和“速率”在网络技术讨论中几乎是同义词。举例：噪声信道中的传输速率在噪声信道（话音信道）中，当带宽为3500Hz，信噪比为30dB（较为典型的电话信道），则：最大数据传输速率(b/s)=Hlog2(1+S/N) =3500log2(1+1000) 35000(b/s)最大数据传输速率为35kbps，这是在噪声信道中的传输速率极限，实际上是不可能达到的2.6多路复用技术（学习要求：了解）2.6多路复用技术两个原因：传输介质的传输容量超过单一信道传输的通信量；架设通信线路的费用相当高，必须充分利用通信线路的容量。多路复用的工作原理示意图2.6.1多路复用技术的分类频分多路复用FDM—波分多路复用WDM时分多路复用TDM2.6.2频分多路复用（FDM）在一条通信线路设计多路通信信道，每路信道的信号以不同载波频率调制，各个载波频率不重叠；所有用户在同样的时间占用不同的频带资源。FDM图示2音频信号调制基频调制后信号信号的频分多路复用2.6.3波分多路复用（WDM）光纤通道采用波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM。在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM实际就是光的频分复用。2.6.4时分多路复用（1）时分多路复用将信道的传输时间划分为若干时间片，每个用户分得一个时间片，在每个用户占有的时间片内，用户使用信道的全部带宽；所有用户是在不同的时间占用同样的频带资源。TDM图示2多路复用部件通道D多路复用部件物理主干通道C通道B通道A帧帧2.6.4时分多路复用（2）贝尔系统的T1载波（应用最广泛）2.6.4时分多路复用分类同步时分多路复用（STDM）统计（异步）时分多路复用（ATDM）2.6.4时分多路复用分类同步时分多路复用（STDM）—将时间片预先分配给各个信道，并且时间片固定不变，各个信道的发送和接收必须是同步的；—时间片固定分配，不考虑信道是否有数据发送，造成信道资源浪费。同步TDM图示2通道D物理主干通道C通道B通道A帧2.6.4时分多路复用分类统计（异步）时分多路复用（ATDM）—允许动态的分配时间片，改进的时分复用技术；—时间片序号和信道号之间不存在固定的对应关系，避免通信线路资源的浪费。—在传输的数据单元中必须包含地址信息，以便寻址目的节点异步TDM图示2通道D物理主干通道C通道B通道A由于每个时间片传输的数据中必须包含地址域，所以在提高传输介质利用率的同时，也降低了有效数据的传输率2.6.4时分多路复用分类同步时分多路复用与统计时分多路复用注意：传输介质与信道

传输介质与信道是不同范畴的概念传输介质是指传输信号的物理载体信道则提供了传输某种信号所需的带宽，着重体现介质的逻辑特性一根传输介质可能同时提供多个信道一个信道也可能由多根传输介质级联而成2.7广域网中的数据交换技术（学习要求：熟练掌握）2.7.1线路交换方式线路交换是面向连接的服务；两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；线路交换要经过三个阶段：建立连接、数据传输与释放连接；线路交换方式的优点：通信实时性强，适用于交互式会话类通信；线路交换方式的缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。

线路交换方式的工作原理2.7.2存储转发交换方式（1）发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。

存储转发交换方式分类数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（packet）两种方式；报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。报文和报文分组结构由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用分组交换技术。报文报文分组传输示例在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输课件制作人：谢希仁数据数据数据报文添加首部构成分组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”校验校验校验课件制作人：谢希仁分组传输的传输单元报文分组传输以“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校验数据首部分组

2校验数据首部分组

3校验课件制作人：谢希仁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。报文分组传输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。课件制作人：谢希仁收到分组后剥去首部和尾部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收到的数据校验校验校验课件制作人：谢希仁数据数据数据最后还原成原来的报文最后，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课件制作人：谢希仁存储转发方式的优点由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；可以平滑通信量，提高系统效率；分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；通过通信控制处理机可对不同速率的线路进行转换，也可对不同的数据代码格式进行变换。2.7.2存储转发交换分类（2）数据报方式（DG，Datagram）虚电路方式（VC，VirtualCircuit）2.7.3数据报方式数据报是分组存储转发的一种形式；在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。数据报方式的工作原理数据报方式的示意图H1A通信子网BDECH5H6H4H2H3H1向H5

发送分组H2向H6

发送分组注意分组路径的变化！路由器主机数据报方式的特点同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；每个分组在传输过程中必须带目的地址与源地址；数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。

2.7.4虚电路方式虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果;数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需预先建立连接。虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路;虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。虚电路方式的工作原理虚电路方式的工作步骤虚电路方式的特点在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择；每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。2.8差错控制方法（学习要求：熟练掌握）2.8.1差错产生的原因与差错类型传输差错—接收的数据与发送数据不一致的现象;通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错（或随机错）；冲击噪声引起的差错是突发差错（或突发错）；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的；差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错。传输差错产生过程2.8.2误码率的定义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；误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一；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，根据实际传输要求提出误码率要求；差错出现具有随机性，实际测量一个传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。

2.8.3差错控制策略纠错码每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能发现出错，但不能确定哪位是错的，并且不能自己纠正传输差错。

常用纠错码和检错码纠错码：海明（Hamming）码检错码：校验和奇偶校验码循环冗余检错码CRC （CyclicRedundancyCheck）循环冗余检错码CRC任何一个r位的帧都可看成为一个r-1

次的多项式f(x)

的系数列表如：1011001

看成是多项式

x6+x4+x3+x0

的系数列表设定一个生成多项式

G(x)，G(x)

为k阶，r>k如

xkf(x)

/

G(x)=Q(x)+R(x)/G(x)其中Q(x)为商、R(x)为余数，R(x)

即为f(x)的

CRC

将

CRC

码接在帧后一起发送，即发送数据为

xkf(x)+R(x)

二进制运算中，减法和加法都做异或运算：0+1=1,1+1=0

因为(xkf(x)-R(x))一定能被G(x)整除，即余数为0，则接收方只要计算CRC，并所得余数为0即为正确2.8.4循环冗余编码（CRC）工作原理CRC校验法举例（1）发送数据0、1序列为110011（6位）:生成多项式0、1序列为11001（5位,k=4）:0、1序列=(1100110000)将乘以，乘积为:CRC校验法举例（2）将乘积用生成多项式去除，按模二算法应为：模二算法11CRC校验法举例（3）将余数比特序列加到乘积中:CRC校验法举例（4）接收端进行检验：用同样的生成多项式除接收到的序列11标准CRC生成多项式G（x）CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12

+x11+