第2章数据通信基础

第2章数据通信基础第一页，共41页。教学目标与教学要求本章主要介绍与计算机网络相关的一些数据通信基础知识。通过本章的学习，应该理解数据通信的基本概念和常用术语；理解多路复用技术及应用；理解分组交换技术及在通信网络的工作过程；了解数据通信的主要技术指标和通信方式；了解数据通信中的编码方法与传输技术、差错控制技术。教学目标:教学要求:知识要点能力要求相关知识基本概念理解数据通信的基本概念通信模型、通信方式、技术指标等数据编码理解模拟数据、数字数据的数字信号编码数字编码多路复用理解多路复用技术及应用多路复用技术分组交换理解分组交换技术及应用分组交换技术差错控制了解常见的差错控制技术差错控制编码第二页，共41页。2.1数据通信的基本概念数据通信是计算机与通信相结合而产生的一种通信方式。数据通信依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。PC机可以通过公共电话网与另一端的PC机通信。2.1.1数据通信系统的模型第三页，共41页。2.1数据通信的基本概念1.信息、数据和信号1）数据2）信息3）信号2.信道和带宽2.1.2数据通信的常用术语第四页，共41页。2.1数据通信的基本概念1.串行通信和并行通信按照通信中字节使用的信道数，数据通信方式可分为串行通信和并行通信。1）串行通信2.1.3数据通信方式第五页，共41页。2.1数据通信的基本概念2）并行通信2.1.3数据通信方式第六页，共41页。2.1数据通信的基本概念2.1.3数据通信方式2.单工、半双工和全双工通信第七页，共41页。2.1数据通信的基本概念2.1.4数据通信中的同步方式同步是数字通信中必须解决的一个重要问题。所谓同步，就是要求通信的收、发双方在时间基准上保持一致。1.异步传输在异步传输中，数据被划分成字符分组独立进行传输。第八页，共41页。2.1数据通信的基本概念2.1.4数据通信中的同步方式2.同步传输同步方式通信时，通信收/发双方共用一个时钟，这是同步通信区分于异步通信的最显著的特点。共用的时钟可使用单独的时钟线来传输，也可把时钟信号与数据信号混合编码，在传输数据的同时也传输了时钟。第九页，共41页。2.1数据通信的基本概念数据通信的任务是传输数据信息，希望达到传输速率快、信息量大、可靠性高的目的。涉及的技术指标有数据传输速率、误码率和信道容量。1.数据传输速率数据传输速率是指传输线路上传输信息的速率，有数据传输速率和信号传输速率两种表示方法。1）信号传输速率信号传输速率又称波特率或调制速率，指单位时间内所传送的信号的个数，单位为波特（baud）。2.1.5数据通信中的主要技术指标第十页，共41页。2.1数据通信的基本概念2）数据传输速率数据传输速率又称比特率，指单位时间内所传送的二进制位的个数，单位为比特每秒，表示为b/s或bps。3）比特率与波特率的关系比特率与波特率都是衡量信息在传输线路上传输快慢的指标，但两者针对的对象有所不同，比特率针对的是二进制位数传输，波特率针对信号波形的传输。

2.1.5数据通信中的主要技术指标第十一页，共41页。2.1数据通信的基本概念2.误码率误码率表示二进制数据位在传输中出错的概率。误码率主要用于衡量数据传输的质量，其他衡量数据传输质量的指标还有误字率和误组率等，原理类似。3.信道容量信道容量指信道所能承受的最大数据传输速率，单位b/s或bps。信道容量受信道的带宽限制，信道带宽越宽，一定时间内信道上传输的信息就越多。带宽指物理信道的频带宽度，即信道允许的最高频率和最低频率之差。按信道频率范围的不同，通常可将信道分为窄带信道（0Hz～300Hz）、音频信道（300Hz～3400Hz）和宽带信道（3400Hz以上）3类。2.1.5数据通信中的主要技术指标第十二页，共41页。2.1数据通信的基本概念从上面几点可以看出：数据速率用于衡量信道传输数据的快慢，是信道的实际数据传输速率；信道容量用于衡量信道传输数据的能力，是信道的最大数据传输速率；而误码率用于衡量信道传输数据的可靠性。2.1.5数据通信中的主要技术指标第十三页，共41页。2.2数据编码与传输技术1.模拟数据通信模拟数据通信主要有以下两种典型形式：1）模拟信道传输模拟数据。典型的例子是声音在普通电话系统中的传输。2）模拟信道传输数字数据。2.2.1模拟数据和数字数据通信第十四页，共41页。2.2数据编码与传输技术2.数字数据通信1）数字信道传输模拟数据。需要对模拟数据进行数字信号编码，这一工作可通过编码解码器完成，把模拟数据转换为数字数据。编码解码器的原理与调制解调器正好相反。2）数字信道传输数字数据。典型的例子是将两个计算机通过RS-232C串行口直接通信。2.2.1模拟数据和数字数据通信第十五页，共41页。2.2数据编码与传输技术3.两种数据通信技术的比较模拟数据通信长距离传输时，需用放大器增加信号中的能量，这样虽克服了衰减，但增加了噪声。数字数据通信长距离传输时，用中继器增加信号中的能量，既可克服衰减，又不增加噪声，可以做到信号的完全复原。因此，数字数据通信有着更为广阔的发展前景。2.2.1模拟数据和数字数据通信第十六页，共41页。2.2数据编码与传输技术计算机数据是以离散的“0”和“1”的比特序列表示的，而信号是数据的载体。数字数据的数字信号编码，就是要解决数字数据的数字信号表示问题，即通过对数字信号进行编码来表示数据，这一工作由网络上的硬件完成2.2.2数字数据的数字信号编码第十七页，共41页。2.2数据编码与传输技术1.不归零编码又可分为单极性不归零编码和双极性不归零编码。2.2.2数字数据的数字信号编码第十八页，共41页。2.2数据编码与传输技术2.归零编码又可分为单极性归零编码和双极性归零编码。2.2.2数字数据的数字信号编码第十九页，共41页。2.2数据编码与传输技术3.自同步编码自同步码是指在传输信息的同时，将时钟同步信号一起传输过去。这样，在数据传输的同时就不必通过其他信道传输同步信号。局域网中的数据通信常使用自同步码，典型代表是曼彻斯特编码（ManchesterEncoding）和差分曼彻斯特编码（DifferentManchesterEncoding。2.2.2数字数据的数字信号编码第二十页，共41页。2.2数据编码与传输技术2.2.2数字数据的数字信号编码曼彻斯特编码：每一位的中间（1/2周期处）有一跳变，该跳变既作为时钟信号（同步用），又作为数据信号。从高到低的跳变表示数字“1”，从低到高的跳变表示数字“0”。以太网使用曼彻斯特编码。差分曼彻斯特编码：每一位的中间（1/2周期处）有一跳变，但是，该跳变只作为时钟信号（同步用）。数据信号根据每位开始时有无跳变进行取值：无跳变表示数字“1”，有跳变表示数字“0”。第二十一页，共41页。2.2数据编码与传输技术要在模拟信道上传输数字数据，首先数字信号要转换为相应的模拟信号（调制），即用模拟信号作为载波运载要传送的数字数据。载波信号可以表示为正弦波形式：f（t）=Asin（ωt+ϕ）。其中，幅度A、周期（频率）ω和相位ϕ的变化均影响信号波形。因此，只要通过改变这3个参数就可实现模拟信号编码，相应的调制方式分别称为幅度调制、频率调制和相位调制，2.2.3数字数据的模拟信号编码第二十二页，共41页。2.2数据编码与传输技术1.幅度调制2.频率调制3.相位调制2.2.3数字数据的模拟信号编码第二十三页，共41页。2.2数据编码与传输技术由于数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此传统的模拟信息如语音、图像信息的数字化已成为发展的必然趋势。模拟数据要在数字信道中传输则必须转换成数字信号。模拟信号转换成数字信号也称模数（A/D）转换。最常用的方法是脉冲编码调制（pulsecodemodulation，PCM）。PCM技术的典型应用是语音数字化。在发送端通过PCM编码器将语音信号变为数字化语音数据，通过通信信道传送到接收端，接收端再通过PCM解码器将它还原成语音信号。数字化语音数据（如wave文件，压缩后成为mp3文件）还可以存储在计算机中。2.2.4模拟数据的数字信号编码第二十四页，共41页。2.2数据编码与传输技术1.基带传输在数据通信中，由计算机数字设备直接发出的信号是二进制数字信号，是典型的矩形脉冲信号，其频谱包括直流、低频和高频等多种成分。在数字信号频谱中，把直流（0频率）开始到能量集中的一段频率范围称为基本频带，简称为基带。因此，“0”、“1”形式的数字信号被称为数字基带信号，在信道中直接传输这种基带信号就称为基带传输。在基带传输中，整个信道只传输一路信号，通信信道利用率低。由于在近距离范围内，基带信号的功率衰减不大，从而信道容量不会发生变化，因此，在局域网中通常使用基带传输技术。使用基带传输方式，需要对数字信号进行编码来表示数据。2.2.5基带传输与频带传输第二十五页，共41页。2.2数据编码与传输技术2.频带传输因为远距离通信信道多为模拟信道，例如，传统的电话网只适用于传输音频范围（300Hz～3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输频带很宽、但能量集中在低频段的数字基带信号。频带传输就是先将基带信号（数字信号）转换成便于在模拟信道中传输的、具有较宽频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输，计算机网络的远距离通信通常采用的是频带传输。基带信号与频带信号的转换是由调制解调技术完成的。2.2.5基带传输与频带传输第二十六页，共41页。2.3多路复用技术多路复用（Multiplexing）是指在一条物理信道上同时传输多路信息。多路复用是数据通信的一个常用技术，解决如何在单一的物理通信线路上建立多条并行通信信道的问题。2.3.1多路复用技术的基本概念第二十七页，共41页。2.3多路复用技术频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）一般用于传输模拟信号的通信系统。当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号。2.3.2频分多路复用第二十八页，共41页。2.3多路复用技术一个典型的FDM系统如图所示。使用FDM的前提是：物理信道的可用带宽要远远大于各源信号的带宽。频分多路复用技术成熟、实现简单，主要用于模拟信道的复用，广泛应用于广播电视等领域，也可用于宽带计算机网络。2.3.2频分多路复用第二十九页，共41页。2.3多路复用技术波分多路复用（WaveDivisionMultiplexing，WDM）主要用于全光纤组成的通信系统。光纤通道采用了波长分割多路复用技术，因为光是一种频率较高的电磁信号，所以上波多路分复用也是频分多路复用的一种特殊形式。2.4.3波分多路复用第三十页，共41页。2.3多路复用技术时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）主要用于传输数字信号的通信系统。时分多路复用将物理信道按时间分成多个等长的时间片，轮流、交替的分配给多路信号源，这样使多路输入信号能共享物理信道。2.4.4时分多路复用第三十一页，共41页。2.3多路复用技术时分多路复用如图所示。2.4.4时分多路复用第三十二页，共41页。2.4分组交换技术在两个互连的设备之间直接进行数据通信是最简单的。但是，网络中所有设备都直接两两相连是不现实的，通常要经过多次中间结点才能将数据从信源逐点传送到信宿，从而实现两个互连设备之间的通信。这些中间结点并不关心数据内容，它的功能只是提供一个交换设备，把数据从一个结点传送到另一个结点，直至到达目的地。数据在各结点间的传输过程称为数据交换。网络中常用的数据交换技术可分为两大类：线路交换（CircuitExchanging）和“存储—转发”交换，其中“存储—转发”交换技术又可分为报文交换（MessageExchanging）和分组交换（PacketExchanging）。分组交换是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。2.4.1分组交换概念第三十三页，共41页。2.4分组交换技术分组交换采用“存储—转发”的方式，但不像报文交换方式那样以“报文”为交换单位，而是把报文“分”若干比较短的“报文分组"（或称为包），如图所示。分组交换技术在实际应用中可以分成数据报（Datagram，DG）方式和虚电路（VirtualCircuit，VC）方式。2.4.1分组交换概念第三十四页，共41页。2.4分组交换技术数据报（Datagram，DG）是报文分组存储一转发的一种形式。在数据报方式中，结点间不需要建立从源主机到目的主机的固定连接。源主机所发送的每一个分组都独立地选择一条传输路径。每个分组在通信子网中可以通过不同传输路径，从源主机到达目的主机。2.4.2数据报交换第三十五页，共41页。2.4分组交换技术2.数据报的特点1）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。2）同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复和丢失现象。3）每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址。4）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。2.4.2数据报交换第三十六页，共41页。2.4分组交换技术数据报在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。而虚电路（VirtualCircuit，VC）在分组发送前，需要在发送方与接收方之间建立一条逻辑通路，如图所示。每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。在预先建好的路径上的每个结点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。之所以称为“虚”电路，是因为这条电路不是专用的。2.4.3虚电路交换第三十七页，共41页。2.4分组交换技术2.虚电路的特点1）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，连接双方的物理链路