计算机网络第2章 数据通信基础知识

计算机网络ComputerNetworksComputerNetworks教学内容第1章引论第2章数据通信基础知识第3章计算机网络体系结构第4章计算机局域网络第5章计算机广域网技术第6章网络操作系统第7章常用网络设备第8章网络互联与因特网基础第9章因特网的应用第10章网络管理与网络安全ComputerNetworks第2章数据通信的基础知识本章内容信道传输介质数据编码多路复用技术数据交换技术差错控制及检错ComputerNetworks§2.1基本概念数据及计算机通信术语数据（Data）：传递（携带）信息的实体。信息（Information）：是数据的内容或解释。信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。模拟信号、数字信号基带（Baseband）、宽带（Broadband）信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。码元（Codecell）：时间轴上的一个信号编码单元。ComputerNetworks同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始

●同步脉冲也可位于码元的中部●一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲tComputerNetworks波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：

Rbit=Rbaudlog2M

上式中：M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。例如：当波特率为9600时若M=2，数据传输率为9600b/s若M=16，数据传输率为38.4kb/sComputerNetworks误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。信息编码：将信息用二进制数表示的方法。例如：ASCII编码、BCD编码等数据编码：将数据用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001tComputerNetworks带宽（Bandwidth，BW）信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：BW≈fmax－fmin

单位：赫兹（Hz）在计算机网络中，一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。例如：传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽为10Mb/s。时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+排队时延+发送时延+传播时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/s

d:距离，s:介质中信号传播速度(≈0.7c)ComputerNetworks时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽×传播时延例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。信道带宽传播时延管道体积=时延带宽乘积ComputerNetworks往返时延（Round-TripTime，RTT）：从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认所经历的时间RTT≈2×传播时延传输可靠性两个含义：数据能正确送达数据能有序送达（当采用分组交换时）ComputerNetworks1.数据通信的一般概念通信的三个要素：信源、信宿和信道噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号产生干扰，称为“噪声”。外界：闪电、串扰、电气设备内部：介质特性（衰减、延迟－与频率有关）ComputerNetworks§2.2信道及其主要特征1.数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。CATV、无线电广播、电话拨号线路ComputerNetworks模拟信号和数字信号模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值模拟信号能在数字信道上传输吗？数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号数字信号能在模拟信道上传输吗？ta）模拟信号tb）数字信号ComputerNetworks周期信号和非周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。tTTTtTTT周期信号非周期信号ttComputerNetworks数字通信与模拟通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。ComputerNetworks2.信道的最大数据传输率Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。例如，话音级线路的带宽约为3.1kHz，根据上式计算的信道最大数据传输率如右表所示C=2Wlog2MC=数据传输率，单位b/sW=带宽，单位HzM=信号编码级数M最大数据率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/sComputerNetworks非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。ComputerNetworksNyquist公式和Shannon公式的比较C=2Wlog2M用于理想信道（这样的信道存在吗？）数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。ComputerNetworks4.数据传输方式单/双工通信——单/双向传输单工：数据单向传输（例：无线电广播）半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）全双工：数据可以双向同时传输（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。ComputerNetworks基带/频带/宽带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输ComputerNetworks数据同步方式目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束位边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：位——位同步字符——字符同步帧(Frame)——帧同步ComputerNetworks位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：外同步——发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。ComputerNetworks§2.3传输介质磁介质

高带宽、低费用、高延时（小时）——在通信中很少使用

例：7GB/8mm磁带，1000盘/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s若让刘翔来传送1盘10GB的磁带，在110米内其传输速率是多少？金属导体双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线电、微波、卫星、红外线ComputerNetworks屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：3类（16Mb/s）

和5类（155Mb/s）两种ComputerNetworks光纤（OpticalFiber）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低，保密性好轻便价格较高需要光电转换纤芯材料：塑料二氧化硅

（高纯玻璃）ComputerNetworks光纤传输原理——光的反射光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接ComputerNetworks典型的光缆单芯光缆多芯光缆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常见规格：纤芯——50um缓变型-MMF62.5um缓变型/增强型-MMF8.3um突变型-SMF包层——125umComputerNetworks高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束ComputerNetworks无线电基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）BS基站覆盖的无线电区域BS基站用户计算机和终端ComputerNetworks地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（≈270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网35,784公里地球ComputerNetworks§2.4数据编码不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：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ComputerNetworks1.数字数据的数字信号编码使数字数据能在数字信道上传输把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码（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；缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。ComputerNetworks曼彻斯特编码（ManchesterCoding）用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1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。这种编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。差分曼彻斯特编码（Differential～）每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表示0和1

，有跳变代表0，无跳变代表1。ComputerNetworks2.数字数据的调制使数字数据能在模拟信道上传输三种常用的调制技术：幅移键控ASK（AmplitudeShiftKeying）频移键控FSK（FrequencyShiftKeying）相移键控PSK（PhaseShiftKeying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波信号S(t)=Acos(t+)

S(t)的参量包括：幅度A、频率

、初相位调制就是要使A、或随数字基带信号的变化而变化ComputerNetworks3.模拟数据的数字信号编码使模拟数据能在数字信道上传输采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以≥2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号（脉码调制,PulseCodedModulation）。ComputerNetworks语音信号的数字化语音带宽f<4kHz采样时钟频率：8kHz（>2倍语音最大频率）样本量化级数：256级（8bit/每样本）数据率：8000次/s*8bit=64kb/s每路PCM信号的速率=64kb/s模拟语音信号采样时钟PCM信号采样电路量化和编码数字化语音信号f<4kHzfs=8kHzComputerNetworksPCM编码过程举例

语音信号011100011011001100

PCM输出343314011100011011001100

PCM信号（有量化误差）3.23.92.83.41.24.2

PAM信号ComputerNetworks§2.5多路复用技术多路复用：多个信息源共享一个公共信道为何要复用？——提高线路利用率适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）DEMUX复用器解复用器共享信道MUX信源信宿ComputerNetworks复用的基本思想：把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据。复用方法频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）按频率划分不同的信道，如CATV系统波分复用WDM（WaveDivisionMultiplexing）

按波长划分不同的信道，用于光纤传输时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）按时间划分不同的信道，目前应用最广泛码分复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）按地址码划分不同的信道，非常有发展前途ComputerNetworks由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。一个时间片内传输的多路数据称为帧。时分复用的典型例子：PCM信号的传输把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路PCM信号ComputerNetworks统计（异步）TDM——STDMTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。ABCD待发数据t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2时间片1时间片2同步TDM带宽浪费A1B1B2时间片1时间片2统计TDM可用带宽C2ComputerNetworks时分复用——数字载波复用标准T-标准（北美、日本）E-标准（欧洲、中国、南美）E1（一次群）标准每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（时隙）。每个时隙可容纳8bit。通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。E1速率=（32x8bit）/125us=2.048Mb/s对E1进一步复用，还可构成E2到E5等高次群。E5可承载7680个话路，数据率约为565Mb/s。新的TDM标准是同步光网络（SONET）和ITU-T的同步数字系列（SDH）。常用的线路速率为（近似值）155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s和10Gb/s。ComputerNetworks码分复用CDM原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。地址码序列两两相互正交：码序列A、B，应满足AB=0，AB'=0，AA=1，AA'=-1其中为内积运算。在无线移动通信中应用广泛。ComputerNetworks§2.6数据交换技术什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源。例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。最初的交换：人工转接交换为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。ComputerNetworks电路交换在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。——称为“面向连接的”（典型例子：电话）过程：建立连接→通信→释放连接优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。例如：建立连接的时间为0.5秒，计算机以1Mb/s的速率发送10k字节。线路利用率＝？ComputerNetworks电话网络中的电路交换电路交换也能在多路复用信道上实现在物理线路的某个信道上建立连接ComputerNetworks报文交换以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。在交换过程中，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。传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。——称为“无连接的”（典型例子：电报）整个报文（Message）作为一个整体一起发送。优缺点：没有建立和拆除连接所需的等待时间；线路利用率高；传输可靠性较高；报文大小不一，造成存储管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；出错后整个报文全部重发。比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？ComputerNetworks分组交换（包交换）将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。数据传输前不需要建立一条端到端的通路——也是“无连接的”。有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。优缺点：对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组——速度快；转发延时小——适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组——效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性好。需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。分组交换有两种交换方式：数据报方式和虚电路方式ComputerNetworks虚电路方式（VirtualCircuit）通信前预先建立一条逻辑连接——虚电路虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的类比：铁路系统（旅客/列车:分组，铁路网:网络，火车站:节点）“西安－北京”这条线路可以看成是一条虚路径也需要三个过程：建立－数据传输－拆除建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络——“数字管道”提供的是“面向连接”的服务但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是断续地依次占用传输路径上各个链路段——与铁路系统类比！可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达永久虚电路PVC和交换虚电路SVCComputerNetworks§2.7差错控制与检错什么是差错控制？在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正为何要进行差错控制？不存在理想的信道→传输总会出错与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。产生差错的原因：信号衰减和热噪声信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射，串扰；冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。ComputerNetworks差错控制的基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错控制技术自动请求重传AutomaticRepeatRequest（ARQ）停等ARQ每发送一帧就需要一个应答帧只重传刚才出错的帧Go-back-NARQ每发送N帧需要一个应答帧需重传前面（N-i+1）帧（0≤i≤N）选择重传ARQ每发送N帧需要一个应答帧只重传出错的帧ComputerNetworks差错控制编码：检错码和纠错码纠错码在计算机通信中很少使用检错码主要有两种编码方法：奇偶校验（ParityChecking）可以在两个级别上实现：在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。例如：1100010增加偶校验位后为11100010若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。只能用于面向字符的通信协议中。只能检测出奇数个位错，偶数个位