计算机网络基础(数据通信基础)

1.2数据通信基础通信系统模型两个基本概念：模拟信号、数字信号五种通信技术：传输方式、同步方式、多路复用、调制解调、数据编码五个技术指标：码元与信息量、数据传输速率、调制速率、误码率、信道的带宽与容量

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主要学习内容

：数据通信系统组成数据通信的基本概念数据编码技术数据通信的基本方式多路复用技术数据交换方式差错检验和控制

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1.2.1数据通信模型数据通信的基本概念：

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。

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雪六角形凉白色信息数据信号例子

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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

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两种不同类型的量：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；1.信道与信号、信号传输

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模拟：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：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；模拟信号与数字信号的特点

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在通信系统中，数据需要编码（变换）为电信号的形式从一点到一点。由于有两种不同的数据类型，电信号相应有两种基本形式：模拟信号和数字信号。模拟信号是一种连续变化的电信号，数字信号是一种离散信号。

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（a）模拟信号

（b）数字信号

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数据传输：

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数据传输速率——

bps(bitpersecond)

用C表示信号传输速率——波特（Baud）用B表示

两者关系——C=B×log2n

n是调制电平数

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带宽（Bandwidth

）(HZ)

是指介质能传输的最高频率和最低频率之间的差值，带宽通常用“Hz”表示。数据速率奈奎斯特公式:最大数据传输速率C=2Hlog2L(bps)香农公式:最大数据传输速率C=Hlog2（1＋S/N）(bps)

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信道是信号传输的通道，包括通信设备和传输媒体。按传输媒体来分：可以分为有线信道和无线信道；按传输信号类型可以分为模拟信道和数字信道；按使用权可以分为专用信道和公用信道等。信道容量信道容量指信道传送信息的最大能力。误码率误码率是指二进制数字信号在传送过程中被传错的概率。计算公式为：Pe=传错的比特数/传送的总比特数信道延迟信道延迟是指信号在信道中传播时，从信源端到信宿端的时间差。

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噪声

2.数据通信模型

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通信系统模型变换信源信宿变换噪声信道信源：模拟信号、数字信号变换：调制解调、多路复用、数据编码信道：带宽与容量、误码率

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1.2.2数据传输

数据的成功传输主要依赖于2个主要的因素：要传输的信号的质量和传输媒体的性能。通信方式按照数据信息在传输链路上的传送方向：单工通信：信号只能向一个方向传送。如广播。半双工通信：信息的传递可以是双向的。如对讲机。全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息。

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1.2.3数据编码

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）

1.数字数据编码成数字信号数字信号是一系列离散的不连续的电压脉冲，每一脉冲称为一个信号码元。编码技术就是从数据比特到信号码元的变换。

数字数据用数字信号表示:

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(1)归零码（ReturntoZero）

一个码元中，正电平到零电平的转换边表示0，而从负电平到零电平的转换边表示1。特点：噪声抑制特性比较好。(2)不归零码（Non-ReturntoZero）

在不归零码中，电平在两个码元间翻转表示1，不翻转表示0。特点：实现简单，费用低。(3)曼彻斯特码高电平到低电平的转换边表示0，低电平到高电平的转换边表示1。特点：方案实现简单。(4)差分曼彻斯特码不管是0还是1，码元的中间都必须进行电平的转换，区分0和1是在相邻码元的边界，用码元开始处的跳变表示0，无跳变表示1。其主要的应用领域为令牌环网。

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2数字数据编码成模拟信号将数字数据信号转换成为模拟信号的编码技术有：调幅（ASK），调频（FSK），调相（PSK）三种技术。

载波信号：Asin(2nft+Φ)AM:幅移键控（AmplitudeShiftKeying-ASK）FM:频移键控（FrequencyShiftKeying-FSK）PM:相移键控（PhaseShiftKeying-PSK

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3模拟数据编码为数字信号实际上成为模拟数据转换成数字数据更为确切，即模拟数据数字化。两个基本技术——脉码调制和增量调制。

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脉冲编码调制（PCM）

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增量调制（DM）

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4.模拟数据编码成为模拟信号

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1.2.4数字数据通信技术

1.数据同步技术数据通信中，通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作。通常采用的同步技术有：异步方式和同步方式。

1）异步方式在这种方式中，每传送一个字符都在每个字符码前加一个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加一个停止位，表示字符结束称为面向字符的异步传输方式。

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异步通信格式：

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2）同步方式同步方式的每个字符前后并不附加起址位作为字符的边界，而是在发送字符之前先发送一组同步字符，通常为8位或是16位，使收发双方进入同步。起址标识，同步标识等称为控制信息，用于控制数据的传输同步，数据块加上控制信息称为帧，若数据块被当作字符，这样的帧被称为面向字符是帧。

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（a）单同步格式（b）双同步格式

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2.差错控制数据传输并不是无差错过程，因而需要解决这些差错的方法。常见的差错控制技术有：奇偶校验，循环冗余校验，海明码等

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差错类型随机差错；突发差错差错检测码奇偶校验码循环冗余校验码

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水平奇偶校验例子：字符ASCII水平奇校验H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011110垂直奇校验01111101

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2.7.2

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

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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

110101101111101.2.5多路复用技术

多路复用

把若干个彼此无关的信号合并为一个复合信号，并在一条共用信道上进行传输。（用一条高速线路传送多条低速线路的数据）

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多路复用器（MUX）将来自多个输入线的多路数据组合，调试成一路复用数据，并将此数据信号送上高容量的数据链路；多路分配器接收复用的数据流，依照信道分离还原为多路数据，并将它们送到适当的输出线路上。

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）

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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防止相邻信道信号频率覆盖造成的干扰，在相邻两个信号的频段之间设立一定的“保护”带，保护带对应的频谱未被使用过。

2.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：电话主干线路时分多路复用（TDM）时分多路复用是将传输信号的时间进行分割，使不同的信号在不同的时间内传送，既将整个传输时间分为许多时间间隔（称为时隙，时间片等，SlotTime），每个时间片被一路信号占用。TDM又分为同步时分复用和异步时分复用

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1）

同步时分复用

同步时分复用采用固定时间片分配方式，既将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段，再将每一时间段划分成等长度的多个时隙（时间片），每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。

（将不同的时隙平均分配给若干路信号。）

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2）异步时分复用异步时分复用又被称为统计时分复用STDM或智能时分复用ITDM，它能动态的按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。（只有当某一路信号有数据要发送时才把时隙分给它，也称为统计时分复用。）

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波分多路复用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

波分多路复用是不同的信号使用不同波长的光波来传送数据在接收端利用相同的设备将各路光波分开。应用：光缆线路1.2.6数据交换技术常用的交换技术有三种：电路交换（线路交换），报文交换和分组交换（包交换）。

1．

电路交换电路交换是一种直接的交换方式，它为一对需要进行通信的装置（站）之间提供一条临时的专用通道，既可是物理通道又可是逻辑通道（使用时分复用或频分复用技术）。

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电路交换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

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电路交换的通信包括三个阶段：1）

电路建立：通过源站点请求完成交换网中对应的所需逐个结点的连续（连接）过程，以建立起一条由源站到目的的传输通道。2）

数据传输：现在，信号可以从A经建立的链路传送到D，通常为全双工传输。3）

电路拆除：在完成数据或信号的传输后，由源站或目的站提出终止通信，各结点

相应拆除该电路的对应连接，释放由该电路占有用的结点和信道资源。

电路交换具有下列特点：1）

呼叫建立时间长且存在呼损2）

电路连通后提供给用户的是“透明通路3）

一旦电路建立后，数据以固定的数据率传输，除通过传输链路的传播延迟以外，没有别的延迟，在每个结点的延迟是可以呼

适用与实时大批量的数据传输

4）线路（信道）利用率低。优点：实时性好缺点：呼叫时间大大长于数据传送时间；通信带宽不能充分利用，效率低

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2、报文交换（MESSAGESWICHING）

在报文交换网中，网络结点通常为一台专用计算机，带有足够的外存，以便在报文进入时进行，进行数据缓冲存储。结点接收一个报文之后，报文暂存放在结点的存储设备之中，等输出线路空闲时，再根据报文中所附的目的地址转发到一个合适的结点，如此往复，直到报文到达目标数据终端。所以报文交换也称为存储转发（STOREANDFORWARD）

在报文交换中，每一个报文由传输的数据和报文组成，报头中有源地址和目标地址。

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报文交换ADCB发送报文传输等待-发送传输等待-发送传输

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报文交换具有下列特征：1.源站A和目的站E在通信时不需要建立一条专用通路2.与电路交换相比，报文交换没有建立线路和拆除线路所需的等待和延时3.线路利用率高4.要求结点具备足够的报文数据存放能力，一般结点有微机或小型机担当5.数据传输的可靠性高，每个结点的存储转发中，都进行差错控制，即检错、纠错6.缺点：由于采用了对完整报文的存储/转发，结点存储的时延较大，不适用于交互式通信优点：线路利用率较高；一个报文送到多个目的站点。缺点：传输延迟较长。

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3.分组交换（PACKETSWITCHING）

分组交换属于“存储/转发”交换方式

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2.6交换技术

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三种交换技术对比：（A.电路交换，B.报文交换，C.分组交换）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，在接收分组时可以发送下一个分组对线路的利用率

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三种交换技术对比:A:固定的传输速率、会有呼叫阻塞B,C:能进行速率转换、虽会降速但不会阻塞可以使用优先级A:实时性强B,C:存在时延和额外开销

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4.高速交换技术目前提高交换速度的方案有帧中继和ATM等。

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复习：

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五种通信技术(1)传输方式并行：通信线路与数据传输的位数相同，用于短距离传输。串行：通信线路只有一条（或2、4条），与传输数据无关，用于远距离传输。串行传输分三种方式：单工、半双工、全双工。

详细图解

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五种通信技术(2)同步方式同步：同步传输采取的是位同步的技术，即各字符没有起止位，接收端和发送端的时钟必须取得同步。能识别每一位。异步：发送方与接收方之间在发送数据前无需协调（同步），只要数据准备好即可发送，可以有任意长发送间歇。采取群同步技术，各字符用起止位来使接收端取得与发送端保持一个“群”内的同步。能识别每一个字符。

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五种通信技术(3)调制解调为什么要调制：数字信号不利于长距离传输，由无数个谐波组成，频带很宽,因此相应的损耗也很大。一个正弦信号能比其它信号传输到更远的地方。

详细图解

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五种通信技术(4)调制解调调制方式：调幅、调频和调相。正弦信号的振幅、频率或相位被调制后可用来传递信息。通过改变幅度、频率和相位变化的状态数，可以在一个载波周期中（一个状态变化）编入多位数据。

详细图解

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五种通信技术(5)调制解调基带传输：信号未经调制而传输，LAN中使用基带传输，需好信道。频带传输：信号经调制再传输，收端解调。

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五种通信技术(6)多路复用把若干个彼此无关的信号合并为一个复合信号，并在一条共用信道上进行传输。

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五种通信技术(7)多路复用频分多路复用FDM：把若干路信号调制到频谱的不同位置，以便在同一介质中传输。图示同步时分多路复用STDM：将不同的时隙平均分配给若干路信号。图示异步时分多路复用ATDM：只有当某一路信号有数据要发送时才把时隙分给它，也称为统