数据通信与广域网技术

数据通信与广域网技术第1页，共58页，2023年，2月20日，星期六

第四节数据编码技术模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号

PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器模拟的和数字的数据、信号第2页，共58页，2023年，2月20日，星期六第四节数据编码技术1.数据编码类型数字数据变模拟数据编码变数字数据编码振幅键控ASK移频键控FSK移相键控PSK非归零码NRZ曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码第3页，共58页，2023年，2月20日，星期六2模拟数据编码方法振幅键控（ASK,Amplitude-ShiftKeying）移频键控（FSK,Frequency-ShiftKeying）移相键控（PSK,Phase-ShiftKeying）

第4页，共58页，2023年，2月20日，星期六振幅键控移频键控移相建控第5页，共58页，2023年，2月20日，星期六

010010ωωπ0πππ0ω2ω1ω2数据(a)ASK(b)FSK(c)PSKω2ω1ω1第6页，共58页，2023年，2月20日，星期六3数字数据编码方法非归零码(NRZ,Non-ReturnZero)缺点：无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步。可能会存在直流分量。曼彻斯特(Manchester)编码优点：自含时钟编码，不含直流分量。缺点：效率低差分曼彻斯特(DifferenceManchester)编码第7页，共58页，2023年，2月20日，星期六01001011数据(a)非归零码同步时钟(b)曼彻斯特编码(c)差分曼彻斯特编码第8页，共58页，2023年，2月20日，星期六4脉冲编码调制方法数字信号传输失真小、误码率低、传输速率快。如何将模拟数据数字化？脉冲编码调制(PCM,PulseCodeModulation)是模拟信号数字化的主要方法。第9页，共58页，2023年，2月20日，星期六脉冲编码调制的基本操作为采样量化编码第10页，共58页，2023年，2月20日，星期六D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.27≈0.30.62≈0.61.28≈1.31.52≈1.51.26≈1.30.73≈0.70.41≈0.40.12≈0.1(a)样本量化级二进制编码编码信号0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)第11页，共58页，2023年，2月20日，星期六第五节基带传输技术1基带传输的定义

在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号;在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输;第12页，共58页，2023年，2月20日，星期六在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号;基带传输是一种最基本的数据传输方式。

第13页，共58页，2023年，2月20日，星期六2.带宽与数据传输速率“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语。数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标；数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做bps。第14页，共58页，2023年，2月20日，星期六常用的数据传输速率单位更常用的数据传输速率单位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。第15页，共58页，2023年，2月20日，星期六数字信号流随时间的变化在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。每秒

106

个比特时间1

01

0

111s带宽为1Mb/s时间每秒

4

106

个比特0.25s带宽为4Mb/s第16页，共58页，2023年，2月20日，星期六第六节频带传输的基本概念1.频带传输的定义

利用模拟信道传输数据信号的方法叫频带传输。

调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备。第17页，共58页，2023年，2月20日，星期六

2调制解调器的基本工作原理在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号正文正文PC机第18页，共58页，2023年，2月20日，星期六

第一节：数据通信的基本概念第二节：传输介质及其主要特性第三节：无线与卫星通信技术

第四节：数据编码的类型和基本方法第五节：基带传输的基本概念

第六节：频带传输的基本概念

第七节：广域网中的数据交换技术的类型与工作原理

第八节：差错控制方法第二章数据通信与广域网技术第19页，共58页，2023年，2月20日，星期六第七节广域网中的数据

交换技术的类型与工作原理数据通过通信子网的传输过程可以分为：线路(电路)交换与存储转发交换第20页，共58页，2023年，2月20日，星期六1.线路交换

(CircuitExchanging)线路交换方式的工作原理结点A呼叫请求呼叫应答报文或报文分组应答释放请求释放应答线路建立数据传输线路释放结点B结点C结点D主机H主机HAB第21页，共58页，2023年，2月20日，星期六回顾一下电路交换的特点两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

第22页，共58页，2023年，2月20日，星期六更多的电话机互相连通5部电话机两两相连，需10对电线。N部电话机两两相连，需N(N–1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。

第23页，共58页，2023年，2月20日，星期六使用交换机当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。…

交换机第24页，共58页，2023年，2月20日，星期六“交换”的含义在这里，“交换”(switching)的含义是：转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。第25页，共58页，2023年，2月20日，星期六电路交换的特点电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接第26页，共58页，2023年，2月20日，星期六电路交换举例A和B通话经过四个交换机通话在A到B的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA第27页，共58页，2023年，2月20日，星期六电路交换举例C和D通话只经过一个本地交换机通话在C到D的连接上进行((((交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA第28页，共58页，2023年，2月20日，星期六电路交换传送计算机数据效率低计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。第29页，共58页，2023年，2月20日，星期六2存储转发交换方式

存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别：发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。

第30页，共58页，2023年，2月20日，星期六存储转发方式的优点由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；第31页，共58页，2023年，2月20日，星期六存储转发交换方式分类：

数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（packet）两种方式；报文传输(MessageExchanging，也叫报文交换)：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；报文分组传输(PacketExchanging，也叫分组交换)：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。第32页，共58页，2023年，2月20日，星期六报文和报文分组结构

由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用的是分组交换技术。第33页，共58页，2023年，2月20日，星期六

报文交换网络的主要缺点：经过网络时的延迟较长且不固定，不能满足实时或交互式的通信要求。因此，这种方式不能用于声音连接，也不适合交互式终端到计算机的连接。第34页，共58页，2023年，2月20日，星期六分组交换(PacketExchanging)分组交换很像报文交换，所不同的是：在分组交换网络中，数据被划分成固定长度的分组(Packet)。第35页，共58页，2023年，2月20日，星期六报文分组交换的原理（一）在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不便于传输第36页，共58页，2023年，2月20日，星期六数据数据数据报文分组交换的原理（二）每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组

1分组

2分组

3请注意：现在左边是“前面”第37页，共58页，2023年，2月20日，星期六分组交换的原理（三）分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3第38页，共58页，2023年，2月20日，星期六分组交换的原理（四）接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数据首部分组

1数据首部分组

2数据首部分组

3收到的数据第39页，共58页，2023年，2月20日，星期六数据数据数据分组交换的原理（五）最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010第40页，共58页，2023年，2月20日，星期六分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1向H5发送分组H2向H6发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机第41页，共58页，2023年，2月20日，星期六注意分组的存储转发过程H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

发送分组结点交换机主机在结点交换机

A

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

C

暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机

E

暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机

H5第42页，共58页，2023年，2月20日，星期六注意结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路结点交换机123412341

2

3

412

3

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2

3

4第43页，共58页，2023年，2月20日，星期六结点交换机在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。结点交换机处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。

第44页，共58页，2023年，2月20日，星期六主机和结点交换机的作用不同主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。第45页，共58页，2023年，2月20日，星期六分组交换的优点高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活以分组为传送单位和查找路由。迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。第46页，共58页，2023年，2月20日，星期六分组交换带来的问题分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。第47页，共58页，2023年，2月20日，星期六三种交换的比较P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4报文报文报文ABCDABCDABCD报文交换电路交换分组交换t连接建立数据传送报文P2P1连接释放第48页，共58页，2023年，2月20日，星期六第八节差错控制方法1差错产生的原因与差错类型传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象;差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；冲击噪声引起的差错是突发差错（BurstError），或突发错；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。第49页，共58页，2023年，2月20日，星期六传输差错产生过程信源通信信道信宿数据噪声数据+噪声(a)001100111100011111000011000100010110011001010传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位(b)第50页，共58页，2023年，2月20日，星期六2误码率的定义

误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数；误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一；对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。

第51页，共58页，2023年，2月20日，星期六3检错码与纠错码

纠错码：每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码:分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。常用的方法有：奇偶校验、循环冗余编码（CRC,CyclicRedundancyCode)第52页，共58页，2023年，2月20日，星期六4.循环冗余编码工作原理

发送方接收方发送数据f(x)生成多项式G(x)f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送:f(x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)R(x)发送数据f'(x)生成多项式G(x)R'(x)=R(x)接收正确R'(x)=R(x)接收出错发送f'(x)xk.G(x)=Q(x)+R'(x)G(x)第53页，共58页，2023年，2月20日，星期六CRC检错方法举例

110011000011001G(x)1100110000110011001R(x)100001Q(x)f(x).xk110011发送数据比特序列CRC校验码比特序列1001带CRC校验码的发送数据比特序列11