计算机网络基础之数据通信基础

第三章数据通信基础数据通信系统、方式和编码方式常见的传输介质数据复用和交换技术数据通信服务2023/2/1page2计算机系统与数据通信对于计算机系统来说，它关心的是信息用什么样的编码体制表示出来。例如：如何用ASCII码表示字母、数字与符号，如何用双字节去表示汉字，如何表示图形、图像与语音；对于数据通信系统来说，它要研究的是如何将表示各类信息的二进制比特序列通过传输介质，在不同计算机之间进行传送的问题。计算机网络=计算机系统+数据通信技术2023/2/1page3

数据通信系统一、概述信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输2023/2/1page4几个基本概念信息(Information):语音、图像、文字等，人们通过通信系统要传递的内容数据(Data)：传递（携带）信息的实体（载体）；信息是数据的内容或解释

--模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据模拟数据：输出连续幅度的数据（说话声音）离散（数字）数据：输出离散的符号序列数据（计算机中的数据）计算机通过数据表达信息；计算机通信就是一种数据通信信号(Signal):数据是借助信号来传输的；是通信中传输的主体2023/2/1page5信号的分类模拟信号与数字信号tta)模拟信号b)数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值特点：它能对细节充分表示，但是易受噪声或自其他源的干扰数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值

特点：对噪声不敏感，容易进行各种复杂处理。但是易受衰减，频率越高，衰减越厉害。2023/2/1page6通信系统基本模型通信的三个要素：信源、信宿和信道信源和信宿：传送与接受信息的设备噪声信源编码调制信道解码解调信宿发送设备接收设备计算机网络中数据传输模型图2023/2/1page7通信系统基本模型信道(Channel)：传输数据所经过的通路数字信道与模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。噪声：如热噪声、脉冲干扰、衰落等等致使信号衰减。由于信道特性不好外界不可避免的各种干扰和噪声2023/2/1page8模拟数据与数字数据的传输形式不同类型的数据在不同类型的信道上传输有4种组合，每一种相应地需要进行不同的编码处理。1．模拟数据在模拟信道上传输2．数字数据在模拟信道上传输3．模拟数据在数字信道上传输4．数字数据在数字信道上传输

2023/2/1page9模拟数据与数字数据的传输形式话音模拟传输模拟数字模拟模拟采样编码数字数字数字编码数字模拟数据－>模拟信号－>模拟信道数字数据，模拟信号－>模拟信道数字数据，数字信号－>数字信道模拟数据，数字信号－>数字信道10101010调制2023/2/1page10六、数据编码技术不同类型的数据在不同类型的信道上传输有4种组合数据：模拟数据、数字数据信号：模拟信号、数字信号信道：模拟信道、数字信道用模拟信号承载数字或模拟数据——调制用数字信号承载数字或模拟数据——编码2023/2/1page11模拟数据与数字数据的传输形式话音模拟传输模拟数字模拟模拟采样编码数字数字数字编码数字模拟数据－>模拟信号－>模拟信道数字数据，模拟信号－>模拟信道数字数据，数字信号－>数字信道模拟数据，数字信号－>数字信道10101010调制2023/2/1page12编码和调制EncoderDecoderModulatorDemodulator数字或模拟数字或模拟数字信号模拟信号g(t)m(t)px(t)s(t)g(t)m(t)数字或模拟P—调制参数编码调制2023/2/1page13数字数据模拟信号调制目标：以某一频率的正弦波为载波承载离散数字数据ASK（幅移键控调幅）：改变载波信号的振幅来表示数字信号的0和1FSK（调频）：改变载波信号的频率来表示数字信号的0和1PSK（调相）：改变载波信号的相位来表示数字信号的0和12023/2/1page14数字数据调制示意图ASK调幅FSK调频PSK调相001101000102023/2/1page15数字数据数字信号

1、不归零制(NRZ，Non-ReturntoZero)

二进制数字0、1分别用两种电平来表示。常用＋5V表示1，-5V表示0（为什么不用0V表示？）。

缺点：难以确定一位的结束和另一位的开始。

0和1的数量不等时，会有直流分量。10110011100

时钟（确保收发双方时钟同步）NRZ2023/2/1page16曼彻斯特编码(Manchestercode)∵每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。∴曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制（内同步），无需外同步信号。没有直流分量的产生。

缺点：需要双倍的传输带宽（即时钟频率是信号速率的2倍），效率较低差分Manchester01001100011

时钟2023/2/1page17差分曼彻斯特编码3、差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)

与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信号都会发生跳变；不同之处在于：a、用在码元开始处有无跳变来表示0和1

：

b、码元开始处有跳变—0；码元开始处无跳变—1抗干扰性能较好差分Manchester01001100011

时钟2023/2/1page18三种数字编码的波形图01001100011

时钟NRZManchester差分Manchester2023/2/1page19数字信号优点：速率高、失真小、误码率低PCM（PulseCodedModulation）－－（脉码调制信号）PAM脉冲幅度调制采样：一定时间间隔，采集原模拟数据－>离散的模拟数据量化：将每个样本按照其幅度归为某个量化级别编码：把各个量化级别用二进制代码表示出来模拟数据数字信号模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码

数字化声音2023/2/1page203.23.92.83.41.24.2343314011100011011001100

原始信号

PAM脉冲011100011011001100PCM输出模拟数据数字信号2023/2/1page21举例：针对话音级信号，带宽4khz采样频率为带宽2倍（业界公认标准）

4000*2=8000次/秒(话音传输质量够用）量化级别为128，也就是用7位二进制数表示一个采样（27=128）二进制编码的传输速度：7*8000bps=56kbps模拟数据数字信号2023/2/1page22练习题给出比特流011000101111的基本的曼彻斯特编码与差分曼码的波形图。2023/2/1page23通信系统的性能指标二、通信系统的性能指标有效性：指信息传输的速度波特率（调制速率）：线路上单位时间内传送的波形（码元）个数。波形变换的次数。单位是波特（baud）比特率（数据传输速率）：每秒传输的波形所携带信息的位数。

单位是比特率（bps）区分Byte和bit？调制速率：单位时间内通过的汽车数。数据传输速率：单位时间内通过的货物数。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）Rbit=Rbaudlog2M（M码元的进制）2023/2/1page24通信系统的性能指标可靠性指信息传输的质量。（尽量降低信息传输中各个环节的失真、干扰和噪声）信噪比S/N越大，通信质量越高。（杜比DB）电话通常20－40DB；电视>40DB通常有两种方法表示：误码元率：Ps=(错误码元数)/(总码元数）误比特率：Pb=(错误bit数)/(总bit数）2023/2/1page25信道容量及其理论三、信道容量及其理论1、相关概念带宽：信道所能传输信号的频率范围,带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。比如人的耳朵带宽：20－20000Hz数据传输速率：信道每秒钟所能传输的比特数1Kbps＝？bps信道容量：某个信道传输数据速率的上限，即信道的最大传输速率。2023/2/1page26三个信道容量分析理论2、三个理论（分析信道容量）傅里叶分析任何一个在信道上传输的电磁波信号，都可以以正弦和余弦函数(无数）和的形式表达n表示调制后的谐波的次数；f：为一个基准频率信道带宽可以表示为传送的有效频率范围：f-nf2023/2/1page27

A、图中可以看出信道的带宽越宽－通过的谐波数越多，信号失真就少。B、信道带宽一定，数据传输速率越快，要求的频率越高，则信号失真就越大。（书46页）C、信道的带宽与信道所能传输数据的速率成正比。傅里叶分析2023/2/1page28奈奎斯特定理1924年，奈奎斯特(Nyquist)就发现了信道传输速率有上限，并且给出了有限带宽、无噪声信道的最大传输速率公式：C（无噪声信道最大传输速率）=2Blog2V(bps)B代表信道的带宽。V是信号有效状态的数量。

A、对于二进制的数据信号，V=2，此时，无噪声信道的最大传输速率=2B(bps)。即利用3000Hz的话音级信道拨号上网，理论为6000bpsB、但实际上都>14000bps，WHY？这是因为采用了特殊的编码方法，将V（信号状态数量提高）,CC、那么，无限增大V值，从而无限提高C呢？（加大接收的难度；难以避免噪音）2023/2/1page29香农（Shannon）定理香农（Shannon）定理（1948年，贝尔实验室）有一个最大传输速率的上限，超过了，不论采用什么样的编码技术，错误概率都无法忍受！香农给出了有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系：

C=Blog2(1+S/N)

S/N是信噪比，比如30DB的一个信道，10lgS/N=30;S/N=1000

仅仅是理论上限，公式中只考虑了热噪声，而冲击噪声、衰减和延迟等都未在考虑。2023/2/1page30练习题一个传输二进制信号的信道，带宽为3KHz，信噪比为20dB，则信道的数据传输速率是多少？10lg(S/N)=20S/N=100C=3000*log2

(1+100)≈3000*6.7=20100bps2023/2/1page31

并行传输：适于距离近，至少有8位数据同时传输，计算机内部的数据多是并行传输。要使用特殊并行电缆

串行传输：距离较远的情况，每次由源到目的传输的数据只有一位，经济、成本因素，远距离通信一般采用串行传输技术。数据通信方式的分类

并行传输(parallel)与串行传输(serial)2023/2/1page32串行传输中，接收方如何知道它所接收的每一位的开始时间和持续时间？

异步传输(asynchronous)

原理：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在每个字符的开始加1位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位构成一个个的“字符”－异步传输的数据单元，5－8位特点：起始位和停止位兼作线路两端的同步时钟速率慢，开销大，适用于低速设备。数据通信方式的分类异步传输与同步传输（时序控制技术）2023/2/1page33异步传输与同步传输异步传输示意图2023/2/1page34异步传输与同步传输同步传输(synchronous)：原理：对一组字符组成的数据块进行同步数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)－位同步或同步字符(SYN)－字符同步通过位填充或字符填充技术（数据块中的数据不会与同步字符混淆）特点：

传输速度快，开销少，效率高。整个数据块有一位错传，全部重传！2023/2/1page35异步传输与同步传输同步传输示意图2023/2/1page36连接方式点到点连接方式（PointtoPoint）如下图，modem一旦接通，整个线路就为通信双方所独占的方式。

计算机计算机调制解调器调制解调器

公共交换电话网2023/2/1page37连接方式多点连接方式（Multipoint）多个终端公用一条通信线路节省线路，但有线路争用问题ABCD通信服务器2023/2/1page38基带与频带传输基带传输：将全部介质带宽原封不动地传输由计算机发出的0/1数字脉冲信号。大多数局域网使用的都是基带信号。直接传输数字信号，速率高，误码率低。距离长时，信号衰减严重，一般2km以内频带传输：对信号进行调制，实现了模拟信道传输数字信号。同时也可以将全部介质带宽分割成多个信道，传输每一种不同信号。适合长距离传输，可以利用现有的大量模拟信道。价格便宜，容易实现2023/2/1page39通信方式—数据流动的方向单工(Simplex)

：数据固定方向且、单向传输2023/2/1page40通信方式—数据流动的方向半双工(HalfDuplex)：信号可以双向传输，但不能在一时刻双向传输2023/2/1page41通信方式—数据流动的方向全双工(FullDuplex)：信号可同时双向传输两个方向的信号：

1)链路具有两条物理上独立的传输线路

2)共享链路带宽，将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输2023/2/1page42数据传输介质五、数据传输介质有线传输介质

双绞线同轴电缆(粗、细)光纤无线传输介质无线电短波、微波、红外线2023/2/1page43数据传输介质双绞线两条相互绝缘的铜线按一定扭距扭绞而成，成对线的扭绞是为了使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小。广泛应用于结构化布线系统中双绞线示意图2023/2/1page44屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以金属丝编制的屏蔽网以减少干扰和串音.用于远程中继双绞线外没有任何附加屏蔽应用广泛，性价比高，100M内导体芯线绝缘层箔屏蔽铜屏蔽外套双绞线2023/2/1page45LAN上常用UTP，又分为：3类、4类、5类、6类3类：又称为音频电缆，主要用于比较老式的10BaseT局域网。数据传输速率<10Mbps。4类：主要用于实现基于令牌环和10BaseT以太网的网络。由两对双绞线构成，<20Mbps。5类：是目前最为流行的双绞线，主要用于实现基于以太网的网络，<100Mbps。被广泛用于10BaseT/100BaseT网络中。6、7类：支持千兆以太网双绞线2023/2/1page46双绞线特点结构简单，容易安装，普通UTP较便宜常用于星型网络拓扑结构有一定的传输速率（100Mbps以上）信号衰减较大，传输距离有限（100m）2023/2/1page47同轴电缆同轴电缆由同心的内导体、电绝缘体、屏蔽层、保护外套组成。

2023/2/1page48同轴电缆有两种广泛使用的同轴电缆一种是一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆另一种是一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输（CATV），即宽带同轴电缆2023/2/1page49同轴电缆基带同轴电缆（局域网）细同轴50，D=1.02cm，10Mbps最长<800m优缺点：价格低；抗干扰能力强；距离短可靠性差粗同轴50，D=2.54cm，10Mbps最长<2500m优缺点：价格稍高；抗干扰能力强；距离中等；可靠性好

2023/2/1page50同轴电缆特点高带宽，传输率较高。辐射低，保密性好，抗干扰能力强。宽带电缆可实现多路复用传输。单点故障，可能导致整个网段瘫痪，但仍广泛应用于有线电视和某些局域网。2023/2/1page51光纤光纤所用材料为玻璃，外层有封套和外套原理：基于光在两种介质交界面上的全反射现象，把以光形式出现的能量约束在波导内，并引导光沿着轴线平行的方向传播。2023/2/1page52单模与多模光纤单模光纤成本很高，性能很好能在几十km内以几千Mbps传送数据单模SMF

波长:1300,1550nm光纤的直径减小到一个光波波长仅提供单条光通路2023/2/1page53单模与多模光纤多模光纤价格较低，性能较差使用广泛

多模MMF

输入电信号输出电信号波长:850,1300nm提供多条光通路，多束光线以不同的反射角传播2023/2/1page54光纤特点：衰减少，无中继传输距离远带宽宽，传输速率高，传输能力强不受电磁干扰，抗干扰能力强，无辐射，保密性好重量轻，容量大，十分适合多媒体通信光纤断裂的检测和修复都很困难。

2023/2/1page55无线传输介质无线电波无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波。空气并不是传输载体。无线电技术的原理在于：导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。2023/2/1page56无线传输介质微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波。是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。2023/2/1page57无线传输介质红外线红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，又称为红外热辐射。太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒界。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。

2023/2/1page58无线传输介质蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

2023/2/1page59无线传输介质地球同步卫星22,300公里地球与地面站相对固定位置,使用3个卫星覆盖全球2023/2/1page60使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰建设成本很高无线介质的特点2023/2/1page61几种传输介质的比较局域网－－－－双绞线通信干线－－－光纤跨国界通讯－－卫星2023/2/1page62PSTN例子公用电话交换网PSTN通信干线采用光纤或微波数字传输系统。优点：出错率低、可传输语音/数据/图像、速率高、成本低端局端局长途局中心局长途局本地回路准长途干线高带宽长途干线准长途干线本地回路光纤、微波、同轴双绞线双绞线2023/2/1page63PC拨号上网的例子信号要经过多次变换：数字→模拟→数字→模拟→数字编码解码器Codec编码解码器Codec用户设备用户设备ModemModem端局端局长途局数字干线模拟线路（本地回路）模拟线路（本地回路）2023/2/1page64数据复用技术七、数据复用技术•

复用——多个信息源共享一个公共信道

为何要复用？线路成本DEMUX复用器解复用器共享信道MUX2023/2/1page65复用类型FDM(频分复用)WDM(波分复用)TDM(时分复用)STDM(统计时分复用)2023/2/1page661.频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing）CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带。适用于模拟信号传输

类似：收音机2023/2/1page672.时分复用（TimeDivisionMultiplexing）原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时隙），每个用户占用一个通道传输数据。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输

时间片类似：不同时段的节目2023/2/1page68时分复用标准T-标准北美、日本E-标准欧洲、中国、南美用数字信号传输语音和数据的时分复用标准。2023/2/1page69E1标准每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（供32个用户轮流使用）。每通道占用125us/32=3.90625us每通道一次传送8位二进制数据，即每个二进制位占用0.48828125us，所以：

E1速率=8/3.90625=2.048Mb/s

E1标准2023/2/1page70E1-数据格式0121631125ms=32时隙=2.048Mbps同步信令信道30路话音数据信道+2路控制信道2023/2/1page713、统计(异步)TDM——STDMTDM的缺点：某用户的时间片来到，但他又无数据发送，其他用户也不能占用该通道，将会造成带宽浪费。改进：统计时分多路复用（STDM），用户不固定占用某个通道，有空槽就将数据放入。问题：每个时间槽加一个控制域，使接收端可以判断当前这个时间槽是属于哪个子通道的。2023/2/1page724.波分复用（WaveDivisionMultiplexing）

光谱F2F1F3F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤采用无源设备，更可靠棱柱/衍射光栅原理：在一根光纤上不止传送一路光载波，而是有多路不同波长的光载波共享光信道2023/2/1page73数据交换技术八、数据交换技术两个端节点之间的数据通信，一般都要通过一些列中间节点的转接（交换）,很少有直接相连的。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换、分组交换。2023/2/1page74数据交换技术1、电路交换（线路交换）

交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。特点：数据传输前需要：

呼叫——建立连接——传输——挂断最早线路交换连接是由电话接线员通过插塞建立的，现在则由计算机化的程控交换机实现优缺点：*建立连接的时间长；*建立连接后，传输延迟小,信息保证按顺序传输。适合语音传输*一旦建立连接就独占线路，线路利用率低2023/2/1page75数据交换技术2、报文交换在交换过程中，事先不建立专门的通路，而是利用中间交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地这种数据传输技术称为存储-转发。缺点：1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂。2）大报文造成存储转发的延时过长；3）出错后整个报文全部重发。2023/2/1page76数据交换技术3、分组交换1、基于“存储——转发”基础上发展起来的。兼有电路交换和报文交换的优点。2、报文－>若干个大小相等的分组(Packet)

、采用动态复用技术，存储转发。因为通信节点在收到一个分组后，即刻转发（无需全部分组到达）,提高转换速度、线路的利用率。ABCDFEG2023/2/1page77数据交换技术3、分组交换优点交换节点不需要大的存储空间减少了延迟、提高了线路的利用率缺点每个分组在中间节点要独立选择路径每个分组携带额外的信息（源、目的地址）2023/2/1page78三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数据ABCD分组1分组2分组3报文ABCDABCD寻