计算机网络第2章数据通信的基础知识1

第2章数据通信的基础知识学习要求：1.掌握计算机通信中信息、数据与信号的基本概念，掌握数据通信系统的基本结构，以及数据通信的基本过程；2.掌握数据通信的主要技术指标：传输速率、误码率；3.了解模拟通信、数字通信系统的结构和特点；4.掌握信道的主要参数：带宽、信道容量；5.掌握串行与并行通信，单工、半双工与全双工通信；6.掌握基带传输、频带传输、了解宽带传输的概念2023/4/161现在是1页\一共有54页\编辑于星期二第2章数据通信的基础知识7.掌握数据同步方式，包括位同步、字符同步技术；8.了解双绞线、同轴电缆、光缆、无线通信信道、卫星通信的特点；9.掌握模拟数据编码方法与数字数据编码的基本原理与主要特点；10.掌握多路复用技术中TDM、FDM、WDM和CDMA的基本工作原理；11.了解数据交换技术的类型，掌握分组交换方法的基本工作原理；12.了解数据通信中差错产生的原因与差错控制技术，掌握循环冗余编码CRC的基本工作原理。2023/4/162现在是2页\一共有54页\编辑于星期二2.1数据通信的基本概念2.1.1数据通信的一般概念1.通信的目的是传递信息(Information)信息(Information)通常是数字、文字、语音、图形或图像的内容或解释（含义）；数字、文字、语音、图形或图像是传递（携带）信息的实体（载体）；数据（Data）是用二进制代码表示的数字、文字、语音、图形或图像。信号(Signal)是数据的物理量编码（通常为电磁波、电子脉冲编码或光信号），也就是数据在传输过程中的电、光信号表示形式。2023/4/163现在是3页\一共有54页\编辑于星期二2.1数据通信的基本概念2.信息转化过程计算机产生的信息一般是字母、数字、符号、图形或图像的组合；为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字、符号或图形、图像用二进制代码表示（目前常用的二进制代码是美国信息交换标准编码ASCII码）；然后将二进制代码转换成信号，在信道（物理介质）上传输。2023/4/164现在是4页\一共有54页\编辑于星期二2.1数据通信的基本概念3.数据通信 指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号或图形、图像的二进制代码0、1比特序列的过程。

数据通信的目的是传递信息，传输的对象是数据，传输的形式是信号。2023/4/165现在是5页\一共有54页\编辑于星期二2.1数据通信的基本概念4.通信系统模型

通信的三个要素：信源、信宿和信道信源：一次通信中产生和发送信息的一端信宿：一次通信中接收信息的一端信道：信源和信宿之间传送信息的通道，以通信线路为物质基础2023/4/166现在是6页\一共有54页\编辑于星期二2.1.2数据通信系统的主要构成现代数据通信系统组成：数据传输系统和数据处理系统数据传输系统（通信子系统或通信子网）： 实现不同数据终端之间的数据传输。数据处理系统（资源子系统或资源子网）： 由许多主机和终端设备（信息的源和宿）组成，其中的计算机主要用于数据的收集和处理。2.1数据通信的基本概念2023/4/167现在是7页\一共有54页\编辑于星期二1.数据传输系统（通信子网）的组成：传输线路：信息的传输路径（包括传输介质和中继设备） 传输介质：有线的（如同轴电缆、光纤，双绞线等），无线的（微波、无线电、红外线等） 中继设备：信号在传输过程中有衰减，每隔一定距离需要对传输信号放大、恢复信号幅度和相位后继续传送调制解调器 调制：数字信号序列适合传输的形式——按频率、幅度、相位 解调：接收的波形信号序列2.1数据通信的基本概念2023/4/168现在是8页\一共有54页\编辑于星期二多路复用器： 多个终端设备共用一条物理信道来传输信息所用的设备

①多路到一路的转换 ②一路到多路的转换交换机： 在许多（几百至几万）个终端相互通信时，实现暂时连接、传输信息的设备2.1数据通信的基本概念2023/4/169现在是9页\一共有54页\编辑于星期二2.数据处理系统（资源子网:计算机类设备）：终端设备用户与数据通信系统之间的接口，用户通过它来获取数据通信系统的服务；基本功能：向网络中的计算机系统发送信息及接收来自计算机系统的信息。计算机系统主要职责：进行数据的收集和处理，是数据处理的核心；兼顾某些数据通信任务和一些管理工作。2.1数据通信的基本概念2023/4/1610现在是10页\一共有54页\编辑于星期二3.数据通信基本过程：通信过程：数据从发送端出发到数据被接收端接收的整个过程传输数据通信控制：执行辅助操作（不交换数据）典型通信过程的五个阶段（对比：打电话的过程）：2.1数据通信的基本概念→建立逻辑连接建立物理连接→数据传送→断开逻辑连接→断开物理连接2023/4/1611现在是11页\一共有54页\编辑于星期二4.数据通信的技术指标数据通信速率（传输速率）：数据在信道中传输的速度数据通信速率分为三种：码元速率、信息速率和消息速率码元速率RB：每秒中传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s），又称为波特率；信息速率Rb：每秒中传送的信息量，单位为比特/秒（bit/s），又称为比特率；消息速率Rm：单位时间内所传送消息的数量。 例如，在传送计算机信息时，其单位可以是字符/秒。 在不同设备中，随着编码方式和信号形式的不同，消息速率也就不同。2.1数据通信的基本概念2023/4/1612现在是12页\一共有54页\编辑于星期二对于一个用二进制表示的信号（两级电平），每个码元包含1个比特信息，其信息速率与码元速率相等；对于一个用四进制（两位二进制）表示的信号（四级电平），每个码元包含了2个比特信息，因此，它的信息速率应该是码元速率的2倍。码元：时间轴上的一个信号的编码单元（一定宽度的电平信号）。2023/4/1613现在是13页\一共有54页\编辑于星期二2.1数据通信的基本概念

一般来说，对于采用M进制电平（log2M位二进制）传输信号时，信息速率和码元速率之间的关系是： Rb=RBlog2M2023/4/1614现在是14页\一共有54页\编辑于星期二2.1数据通信的基本概念误码率：衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的重要参数误码率Pe： 码元在数据传输系统中 被传错的概率；误比特率Pb（误位率）： 在传输中出错比特的概率；误字符率Pw：

在传输中出错的字符的概率。2023/4/1615现在是15页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征数字信道和模拟信道模拟信号（电磁波） 随时间连续变化的信号，信号的某种参量（幅度、相位、频率等）可以表示要传送的信息。

特征：时间上连续，包含无穷多个值数字信号（电压脉冲） 离散的信号，以其某一瞬间的状态表示它们传送的信息 特征：时间上离散，包含有限多个预定值，并且转换几乎是瞬时的ta)模拟信号tb)数字信号2023/4/1616现在是16页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征数字信道: 以数字脉冲形式传输数据的信道称为数字信道。相应的通信系统称为数字通信系统。 计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统。模拟信道: 以连续模拟信号形式传输数据的信道称为模拟信道。相应的通信系统称为模拟通信系统。

普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统。2023/4/1617现在是17页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征1.用模拟信道传输数字数据数据在进入信道之前需要经过调制，变换成模拟的调制信号（调制器）。信号到达信宿时要解调，将模拟信号还原为数字数据（解调器）。调制器和解调器组合在一起称为调制解调器。2023/4/1618现在是18页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征模拟通信的优点：调制信号的频谱窄，信道利用率高模拟通信的缺点：信道的传输衰减大易受噪声干扰2023/4/1619现在是19页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2.用数字信道传输数字数据可以直接传输计算机所产生的数字数据，即二进制数据或经过二进制编码的数据。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、保密性强数字设备集成度高，价格相对便宜2023/4/1620现在是20页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征数字通信的缺点：频带要求宽，信道利用率低

计算机网络中仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。 如用modem通过拨号线路传输数字信号。2023/4/1621现在是21页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2.2.2信道重要参数1.信道带宽信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（Hz）表示。信道带宽是由信道的物理特性所决定的，例如，电话线路的频率范围在300～3400Hz，则它的信道带宽300～3400Hz；2023/4/1622现在是22页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2.信道容量（信道最大数据传输速率

）：单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用每秒比特数（bps）表示。当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失真。信道容量是衡量一个信道传输数字信号能力的重要参数。 “带宽”同“速率”之间关系如何？ 由于信道带宽总是有限的，以及信道干扰的存在，信道的数据传输速率总会有一个上限，并且和带宽有相应关系。2023/4/1623现在是23页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征理想信道最大数据传输速率Nyquist准则指出：通过理想通信信道传输窄脉冲信号，如果脉冲信号间隔为 ，则前后码元（信号）之间不产生相互串扰。码元（信号）的最大传输速率RBmax与通信信道带宽W（单位为Hz）的关系可以推导如下：

2023/4/1624现在是24页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征Nyquest准则描述了有限带宽、无噪声信道的最大码元传输速率与信道带宽的关系：数据传输速率（信息速率）同码元速率之间关系： Rb

=RBlog2M信道最大数据传输速率同信道带宽的关系为：

Rbmax

=RBmaxlog2M=2Wlog2M2023/4/1625现在是25页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征M最大速率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bps例如：话音级线路(3000Hz)的信道容量计算，如右图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。Nyquist公式（用于理想信道）：其中：C为信道容量（最大传输速率，bps）；W为信道带宽（Hz）；M为离散性信号或电平的级数2023/4/1626现在是26页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征非理想信道最大数据传输速率

实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减 信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。 信（号）噪（声）比S/N：在传输的某个特定点上有用信号功率（能量）S与噪声功率（能量）N的比值。信噪比(S/N)dB

（dB分贝）：2023/4/1627现在是27页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征b）延迟 信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。c）噪声热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生错误码，导致信噪比S/N降低。2023/4/1628现在是28页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征Shannel公式：在有高斯噪声（热噪声）的干扰信道上传输数据信号时，数据最大传输速率C同信道带宽W、信号与噪声功率比S/N的关系为：例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，求数据最大传输速率。C=传输速率，单位bpsW=信道带宽，单位HzSN=信号与噪声功率比值2023/4/1629现在是29页\一共有54页\编辑于星期二Nyquist公式和Shannel公式的比较：

理想信道中数据最大传输速率C随信号编码级数增加而增加。

无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。信号编码级数不能无限增长的原因：真实信道存在损耗。2.2信道及其主要特征2023/4/1630现在是30页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2.2.3通信线路连接方式1.

点－点连接方式

在发送端和接收端之间采用一条线路(交换线路)连接。适用场合用户端是较为分散的数据终端设备，因地理分散，不能和其他终端合用线路或被集中器集中；用户端是传输信息量 很大的数据终端设备；用户端是速率比较高 的批量数据终端设备2023/4/1631现在是31页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征交换方式：点到点之间的连接由交换设备实现，比如通过公用电话交换网实现点-点的连接。2023/4/1632现在是32页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2.分支连接方式（多点线路）各个站点通过一条公共通信线路连接。集中式控制：在一条公共通信线路上有控制转接站，各站点直接通信必须通过转接站转接。分布式控制：没有控制转接站，各站点可直接进行通信。2023/4/1633现在是33页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征在多点线路连接方式中，一条线路被所有的站点共享。若所有的站点可以同时发送数据，则这条线路在空间上是共享的，通常采用频分复用或波分复用技术传输数据；若所有的站点只能轮流使用线路发送数据时，那么它在时间上是共享的，通常采用时分复用技术传输数据。2023/4/1634现在是34页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征3.集线连接方式用终端集中器将较远的多个终端集中起来，再用一条高速线路同中心节点计算机相连。终端集中器：线路汇集站2023/4/1635现在是35页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2.2.4数据的传输方式1.信道的通信方式

信道的通信方式是指信号在信道上传输所采取的方式。 通常有如下两种分类方法按信号编码传输的顺序分为：串行传输和并行传输按信号传输的流向和时间关系分为：单工、半双工和全双工传输2023/4/1636现在是36页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征并行传输和串行传输1）并行传输数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。优点：速度快；不需要另外的措施就可实现收发双方的字符同步。缺点：需要传输信道多、设备复杂、成本高，仅适合于近距离和高速率的通信2023/4/1637现在是37页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2）串行传输数据流以串行方式在一条信道上传输（由于计算机内部都采用并行通信，因此，数据在发送之前，要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构，才能实现串行通信。）优点：收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，适于远距离传送。缺点：为解决收、发方 字符同步，需要外加同 步措施，速度比较低2023/4/1638现在是38页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征

值得注意的是：串行和并行的概念是指组成一个字符的各位是依顺序逐位传输还是并行地传输。至于数据字符还是逐个依次发送。2023/4/1639现在是39页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征单工、半双工和全双工传输1）单工：通信信道是单向信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只能发送不能接收，接收方只能接收而不能发送，任何时候都不能改变信号传送方向无线电广播和电视都属于单工通信监视信号2023/4/1640现在是40页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2）半双工：数据信号可以沿两个方向传送，但同一时刻信道只允许单方向传送，即两个方向的传输只能交替进行，而不能同时进行。通信的双方都具有发送器和接收器，当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换。半双工方式在通信中频繁调换信道方向，效率低，但节省传输线路，在局域网中取得广泛应用。监视信号AB2023/4/1641现在是41页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征3）全双工：数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输（四线制）电话通话监视信号AB2023/4/1642现在是42页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征2.数据的传输方式基带传输基带信号：未经调制的电脉冲信号呈现方波形式，所占据的频带通常从直流和低频开始，因而把方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号。基带传输：不调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：局域网。发送端编码器负责完成将信源的数据转换为直接传输的数字基带信号。接收端译码器负责将接收到的电信号进行解码，恢复发送端原始的发送数据。缺点：要求信道有从直流到高频的频率特性；信号易发生畸变，传输距离近。2023/4/1643现在是43页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征频带传输：利用模拟信道传送数字信号的方式。将数字信号调制成模拟信号后再发送和传输，到达接收端时再把模拟信号解调为数字信号。发送端需安装调制器，接收端需安装解调器，例如：通过电话模拟信道传输数字信号。宽带传输：早期：利用宽带同轴电缆在0～300MHz的频带上传输信息的技术；目前：传输速率大于1Mb/s的广域网接入技术，例如ADSL、DDN等。2023/4/1644现在是44页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征3.数据同步方式同步： 接收端要严格按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据，即在时间基准上取得一致，以便能够正确地识别和接收发送方发来的数据。同步分为：

位同步字符同步帧同步2023/4/1645现在是45页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征位同步：使接收端接收的每一位数据信息都与发送端保持同步①外同步发送端在发送数据之前，向接收端先发送一串同步时钟信号；接收方按照这个时钟脉冲频率来调整接收时序，并把接收时的时钟重复频率锁定在接收的同步频率上，以便接收数据信息。2023/4/1646现在是46页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征接收过程：校准同步（用控制信号通知发送方时钟已同步）用校准后产生的同步信号作为定时信号接收数据信息 接收端的时钟定时信号是由对方送来的，而不是从数据信号中提取出来的。2023/4/1647现在是47页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征②自同步从数据信号波形的本身提取同步信号的方法。通过特殊编码，使这些数据编码信号包含了同步脉冲，接收方从编码信号码元中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。相位编码为典型代表：每位二进制数据在位周期 中间必须改变相位；假如规定数据“0”的编码 输出信号先负后正，而 “1”信息时是先正后负以太网中所用的曼彻斯特编码就是一种自同步2023/4/1648现在是48页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征字符同步解决方法：通过字符的边界实现字符的同步接收2023/4/1649现在是49页\一共有54页\编辑于星期二2.2信道及其主要特征①异步制（字符的起止式）:每次传输一个字符代码（5-8bits）传输时在每一个