第2章-数据通信及计算机网络体系结构

第2章-数据通信及计算机网络体系结构第一页，共108页。2.1数据通信的基本概念

本章主要内容2.1.1信息、数据与信号

信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识;数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;信号是数据的具体的物理表现。第二页，共108页。雪六角形凉白色信息数据信号例子2.1数据通信的基本概念

第三页，共108页。信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度2.1数据通信的基本概念

第四页，共108页。信息(Information)：字母、数字、语音、图象的组合。数据(Data)：传递信息的实体，常是二进制代码序列。信号(Signal)：数据在传输过程中的电信号表示形式。--模拟信号与数字信号数据通信即是指在计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码序列的模拟或数字信号的过程。信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）。

2.1数据通信的基本概念

第五页，共108页。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。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。2.1数据通信的基本概念

第六页，共108页。两种不同类型的量：A.时间、温度、电波、声音B.字符，二进制数，电脉冲信号中没有断开或不连续的的地方；信号仅取一些有限数目的值；2.1.2数据传输类型与通信方式

2.1数据通信的基本概念

第七页，共108页。模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号2.1数据通信的基本概念

第八页，共108页。串行通信串行通信是指用一条数据线传送比特流，一次只传送一个比特。并行通信并行通信是指同时有多条数据通道，可同时传送多个比特。2.1数据通信的基本概念

第九页，共108页。2.1数据通信的基本概念

第十页，共108页。通信方式—按数据流动的方向•单工：数据单向传输（无线电广播）•半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）•全双工：数据可同时双向传输（电话）

两个方向的信号共享链路带宽：1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输2.1数据通信的基本概念

第十一页，共108页。数据通信的操作方式

2.1数据通信的基本概念

第十二页，共108页。数据通信中的主要技术指标1）数据传输速率指每秒能传送的二进制信息位数，也叫比特率。单位：位/每秒，记作bps或bit/s。2）信号传输速率单位时间里通过信道传输的码元个数，也叫波特率。单位：波特，记作Baud。2.1数据通信的基本概念

第十三页，共108页。t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元。同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始。2.1数据通信的基本概念

第十四页，共108页。3）信道容量指1个信道的最大数据传输速率。单位：位/每秒。4）误码率指二进制数据位传输时出错的概率，是衡量信道传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10－6。P=错误的位数/传输的总位数。2.1数据通信的基本概念

第十五页，共108页。传输介质的主要类型：

2.2常见传输介质及特性

传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。第十六页，共108页。传输介质的特性对网络中数据通信质量影响很大，这些特性主要包括：物理特性：传输介质物理结构的描述；传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；连通特性：允许点-点或多点连接；地理范围：传输介质最大传输距离；抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响能力；相对价格：器件、安装与维护费用。2.2常见传输介质及特性

第十七页，共108页。（1）双绞线：最常用的传输介质。非屏蔽双绞线（UTP，UnshieldedTwisted-Pair）

：无屏蔽层，由护套和线对组成。屏蔽双绞线屏蔽双绞线（STP，ShieldedTwisted-Pair）

：有屏蔽层，抗噪性好。用于网络的双绞线和用于电话系统的双绞线是有差别的。双绞线使用RJ-45接头连接计算机的网卡或集线器等通信设备。2.2常见传输介质及特性

非屏蔽双绞线电缆(UTP)屏蔽双绞线电缆(STP)第十八页，共108页。双绞线可以分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线两大类。非屏蔽双绞线UTP非屏蔽双绞线(Unshieldedtwistedpair；UTP)由多对双绞线对和一层塑料外皮构成，如上图所示。

现在最常用的UTP是5类线和超5类线。5类线：支持100Mbit/s的速率，广泛用于现代局域网中。超5类线：通常采用高质量的铜线，更高的缠绕，并使用先进的方法以减少串扰。超5类线能支持高达200Mbit/s的速率，时常规5类线容量的2倍。6类线：包括4个线对。每对电线被箔绝缘体包裹，另一层箔绝缘体包裹在所有线对的外面，同时一层防火塑料封套包裹在第二层箔层外。箔绝缘体对串扰起了很好的抵抗作用，使得6类线能支持的吞吐量是常规5类线的6倍。非屏蔽双绞线相对便宜、灵活且易于安装，无屏蔽外套较细小，节省空间，非常适合于结构化布线，其连接的网络结构属于星型拓扑结构。

塑料外套绝缘层铜导线2.2常见传输介质及特性

塑料外套屏蔽层绝缘层铜导线屏蔽双绞线STP

为了提高双绞线的外界抗干扰性，在双绞线的外面再加上一个金属屏蔽层，就是屏蔽双绞线。如右图所示。屏蔽双绞线具有非屏蔽双绞线的所有优点和缺点。同时，它比UTP电缆能更好的隔离外部的各种干扰，具有更高的传输速率。通常，STP电缆比UTP电缆更贵一些。所以，屏蔽双绞线常用于一些特殊环境。第十九页，共108页。物理特性：双绞线由按规则螺旋结构排列的两根或四根绝缘线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是使各线对之间的电磁干扰最小。传输特性：双绞线最普遍的应用是语音信号的模拟传输。在一条双绞线上使用频分多路复用（multiplexing）技术可以进行多个音频通道的多路复用。2.2常见传输介质及特性

双绞线的主要特性第二十页，共108页。连通性：双绞线可以用于点-点连接，也可用于多点连接。地理范围：双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km；用于10Mb/s局域网时，与集线器的距离最大为100m（单网段）。抗干扰性：双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。在低频传输时，其抗干扰能力相当于同轴电缆。在10～100kHz时，其抗干扰能力低于同轴电缆。价格：价格低，并且安装、维护方便。2.2常见传输介质及特性

第二十一页，共108页。双绞线的使用

直连线

直连线也叫直通线或平行线，如图所示。交叉线网线两端的线序排列不同，呈交叉状态，如图所示。

2.2常见传输介质及特性

第二十二页，共108页。直通双绞线与交叉双绞线1.双绞线1236通信规则在用双绞线做传输介质的以太网中，除了100Base-T和1000Base-T以外，其余均只使用四对绞线中的两对。当信号通过双绞线电缆传输时，在电缆内的四对(八根)铜线(芯线)中，实际起作用的只有其中的两对，分别是1-2脚和3-6脚。比如，对应网卡接口如表2-1，1-2脚负责发送数据(TX+，TX-)，而3-6脚负责接收数据(RX+，RX-)。引脚网卡上RJ-45插座信号1TX+(发送)2TX-(发送)3RX+(接收)4未使用5未使用6RX-(接收)7未使用8未使用表2-1网卡接口各引脚定义2.2常见传输介质及特性

第二十三页，共108页。2.568A与568B定义的双绞线的连接规则在568A与568B中所定义的RJ-45连接头各脚与双绞线各芯线排列的对应方式，如表2-2所示。其中1-2脚和3-6脚是对绞的两对芯线。对绞的电缆因为其中传输的信号方向相反，从而使彼此的电磁辐射相互抵消，因此使收、发数据之间的干扰降到最小。引脚568A标准568B标准1绿白橙白2绿橙3橙白绿白4蓝蓝5蓝白蓝白6橙绿7棕白棕白8棕棕表2-2568A和568B标准定义的双绞线色线的排列规定2.2常见传输介质及特性

第二十四页，共108页。（2）同轴电缆：抗干扰性较强，早期局域网常用的传输介质。2.2常见传输介质及特性

第二十五页，共108页。同轴电缆连接器类型2.2常见传输介质及特性

第二十六页，共108页。物理特性：同轴电缆由内导体（电缆铜芯）、绝缘层、外导体（铜网）及外部保护层（外绝缘层）组成。同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数和机械尺寸决定。传输特性：基带同轴电缆一般仅用于数字数据信号传输。宽带同轴电缆可以使用频分多路复用方法，支持多路传输。只用于一条通信信道的高速数字通信，此时称之为单通道宽带。特征阻抗，50Ω，Ethernet使用，基带传输，10Mb/s；75Ω，CATV使用，模拟信号传输，400MHz，使用频分多路复用FDM(frequency-divisionmultiplexing)技术，也可以传输数字信号。2.2常见传输介质及特性

同轴电缆的主要特性第二十七页，共108页。连通性：支持点-点连接，也支持多点连接。宽带同轴电缆可支持数千台设备的连接；基带同轴电缆可支持数百台设备的连接。抗干扰性：它的结构使得它的抗干扰能力较强，远高于双绞线，适于工业应用场合。地理范围：基带同轴电缆最大距离限制在几公里范围内，而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里。价格：同轴电缆造价介于双绞线与光缆之间，维护方便。2.2常见传输介质及特性

同轴电缆的主要特性第二十八页，共108页。2.2常见传输介质及特性

同轴电缆总结第二十九页，共108页。（3）光纤：性能最好，应用前途最广泛的传输介质。利用折射定律和全反射规律，传播光信号。低损耗、高带宽、高数据传输速率、安全性好。外护套加固材料塑料屏蔽层玻璃纤维和包层光缆结构图2.2常见传输介质及特性

第三十页，共108页。光缆连接器类型－ST与SC2.2常见传输介质及特性

第三十一页，共108页。物理特性：光纤是一种直径为50～100μm的柔软、能传导光波的介质，各种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道，多条光纤组成一束就构成光纤电缆。传输特性：光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光纤传输速率可达几千Mb/s。单模光纤是指光纤的光信号仅与光纤轴成单个可分辨角度的单光纤传输，而多模光纤的光信号与光纤轴成多个可分辨角度的多光线传输。单模光纤性能优于多模光纤。2.2常见传输介质及特性

光纤的主要特性第三十二页，共108页。多模光纤单模光纤2.2常见传输介质及特性

光纤的主要特性单模光纤使用的光源是激光二极管，所以，单模光纤的带宽宽、衰减小、容量大，能以很高的速率进行长距离传输。多模光纤采用普通的发光二极管作光源，传输距离不如单模光纤长，容量也比单模光纤小。但是多模光纤成本低，常应用于建筑物内或地理位置相邻的环境下。第三十三页，共108页。连通性：普遍采用点-点方式，在某些实验系统中也采用多点连接方式。地理范围：光纤信号衰减极小，它可以在6～8km距离内不使用中继器，实现高速率数据传输。抗干扰性：光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响，能在长距离、高速率传输中保持低误码率。双绞线典型的误码率在10-5～10-6之间，基带同轴电缆为10-7，宽带同轴电缆为10-9，而光纤误码率可以低于10-10。光纤传输的安全性与保密性极好。价格：目前光纤价格高于同轴电缆与双绞线。由于光纤具有低损耗、宽频带、高数据传输速率、低误码率、安全保密性好等特点，因此，它是一种最有前途的传输介质。2.2常见传输介质及特性

光纤的主要特性第三十四页，共108页。2.2常见传输介质及特性

光纤总结第三十五页，共108页。2.2常见传输介质及特性

光纤相对同轴电缆的特性第三十六页，共108页。传输介质的选择要从以下因素来考虑：网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。⑴双绞线的显著特点是价格便宜，但与同轴电缆相比，其带宽受到限制。对于单个建筑物内的低通信容量网络来说，双绞线性能价格比可能是最好的。⑵同轴电缆的价格要比双绞线贵一些，对于大多数局域网来说，需要连接较多设备而且通信容量相当大时可以选择同轴电缆。⑶光纤作为传输介质，与同轴电缆和双绞线相比具有一系列优点：频带宽、速率高、体积小、重量轻、衰减小、能电磁隔离、误码率低等，已广泛用于高速数据通信网。随着光通信技术的发展和成本降低，光纤作为网络的传输介质也得到了普遍采用。目前，便携式计算机已经有了很大的发展和普及，由于可随身携带，对于可移动的无线网的需求将日益增加，无线数字网络类似蜂窝电话网，人们可以随时随地将计算机接入网络，发送和接收数据。传输介质的选择2.2常见传输介质及特性

第三十七页，共108页。（4）无线通信介质：常用的有微波、红外线和可见光。无线通信系统有：微波通信、蜂窝移动通信和卫星通信。

微波通信——工作频率为109～1010Hz，局域网络可直接利用微波收发机进行通信，或作中继接力，扩大传输距离。微波只能沿直线传播，在地面一般采用点对点方式通信。红外线——工作频率为1011～1014Hz，通过发送或接收信号调制的非相干红外线，即可形成一条通信链路。只要收发机处在视线内，就可以准确地进行通信，方向性很强，几乎不受干扰，中间不允许有障碍物。

2.2常见传输介质及特性

第三十八页，共108页。激光——工作频率为1014～1015Hz，用调制解调的相干激光，实现激光通信。（与红外线一样不能传输模拟信号。）蜂窝移动通信是广播式传输，采用多址接入技术区分用户。卫星通信覆盖面积大，通信距离远，通信费用和距离无关，有传输延迟。

2.2常见传输介质及特性

（4）无线通信介质：第三十九页，共108页。蓝牙技术蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般是10m之内）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。蓝牙的标准是IEEE802.15，工作在2.4GHz频带，带宽为1Mb/s。

蓝牙”（Bluetooth）原是一位在10世纪统一丹麦的国王，他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用他的名字来命名这种新的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。2.2常见传输介质及特性

第四十页，共108页。通信和数据通信通过各种传输介质将信息从一个地点、一个人或一台设备传送到另一个地点、另一个人或设备的过程叫做通信。通信的目的是交换信息。计算机网络系统的通信任务是传送数据或数据化的信息。数据通信是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制代码形式进行信息交换的过程。将数据准确、及时地传送到正确地目的地是数据通信系统地基本任务。数据通信技术主要涉及通信协议、信号编码、同步等问题。2.3数据编码技术

第四十一页，共108页。2.3数据编码技术

数据编码码元——所传输数据的基本单位。数据编码——通信系统中以何种物理信号的形式来表达数据。模拟数据编码：用模拟信号的不同幅度、频率、相位来表达数据的0、1状态。数字数据编码：用高低电平的矩形脉冲信号来表达数据的0、1状态。将二进制数字数据使用两个电平来表示，形成矩形脉冲信号。分为不归零码、归零码、差分码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。

第四十二页，共108页。数字数据的模拟信号编码三种常用的调制技术：

1）振幅键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅

2）移频键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频

3）移相键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相

基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。

载波u(t)=Asin(t+)

u(t)的参量包括：振幅A、频率

、相位调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变化而变化。2.3数据编码技术

第四十三页，共108页。ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1

FSK：用载波的两个不同频率表示0和1

PSK：用前后两个信号的相位的绝对值表示数字0和1（绝对调相）用前后两个信号的相位的相对偏移值表示0和1（相对调相）2.3数据编码技术

第四十四页，共108页。相移键控（PSK,PhaseShiftKeying）

PSK是通过改变载波信号的相位值（φ）来表示数字信号“1”、“0”的，而载波信号的A和不变。PSK包括绝对调相和相对调相两种类型：（1）绝对调相绝对调相使用相位的绝对值，φ为0表示数字信号“1”，φ为π表示数字信号“0”。（2）相对调相相对调相使用相位的偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移π。2.3数据编码技术

第四十五页，共108页。

下图中，显示了对数字数据“010110”进行不同调制方法的波形。2.3数据编码技术

第四十六页，共108页。数字数据的数字信号编码2.3数据编码技术

单极性码：信号电平是单极性的。

双极性编码：信号电平为正、负两种极性的。归零码（RZ）：归零码在每一位二进制信息传输之后均返回零电平的编码。可以很方便地确定每个码元的界限和信号电平。非归零码（NRZ）：非归零码在整个码元时间内维持有效电平。如果两个码元数据相同（例如都是1），则电平保持不变。而这种情况下要求区分每个码元的电平就必须对每个码元的占用时间做精确确定。否则，就会带来不同步的问题。

第四十七页，共108页。2.3数据编码技术

数字数据的数字信号编码全宽单极性码：

全宽单极码以高电平（或者有电流）表示数据“1”，以低电平（或者没有电流）表示数据“0”。因为这种方法不使用负电平，所以称为单极码，在一个码元的全部时间内都有信号电平，所以称为“全宽”。优点：便于逐位仲裁。缺点：（1）积累直流分量；（2）各位之间的界限不易确定。

CAN总线和DeviceNet采用这种方式。第四十八页，共108页。2.3数据编码技术

数字数据的数字信号编码全宽双极性码：全宽双极码以正电平（或者正向电流）表示数据“1”，以负电平（或者反向电流）表示数据“0”。

优点：不积累直流分量。直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。缺点：各位之间的界限不易确定。

RS232和RS485网络采用的是双极性码。第四十九页，共108页。2.3数据编码技术

单双极性的归零与非归零编码比较第五十页，共108页。差分码：差分码用电平的变化与否来代表逻辑“1”和“0”。变化为“1”，不变化为“0”。曼彻斯特编码(Manchestercode)：用电压的变化表示0和1。每位的中间有一跳变，位中间的跳变既做时钟信号，又作数据信号。规定在每个码元的中间发生跳变：低→高的跳变——0，高→低的跳变——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，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，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。数字数据的数字信号编码2.3数据编码技术

第五十一页，共108页。差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)

与曼彻斯特编码相同的是，在每个码元的中间，信号都会发生跳变，作同步之用；不同之处在于：

用在码元开始处有无跳变来表示0和1：码元开始处有跳变——0码元开始处无跳变——1数字数据的数字信号编码2.3数据编码技术

第五十二页，共108页。数字数据的数字信号编码2.3数据编码技术

第五十三页，共108页。奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。模拟数据的数字信号编码语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样每隔一定时间从连续变化的话音模拟信号中取出一个瞬时值，从而得到一系列电平幅度不同的脉冲信号，即脉幅调制(PAM)信号.2）量化——对每个样本舍入到量化级别上3）编码——对每个舍入后的样本进行编码2.3数据编码技术

第五十四页，共108页。编码后的信号称为PCM（PulseCodedModulation）信号（脉码调制信号）--话音信道带宽<4KHz--采样时钟频率：8KHz(>2倍话音最大频率)--量化级数：256级(8位二进制码表示)--数据率：8000次/s*8bit=64Kb/s∴每路PCM信号的速率=64000bps模拟话音采样时钟PAM信号PCM信号采样电路量化和编码

数字化声音模拟数据的数字信号编码2.3数据编码技术

第五十五页，共108页。PCM转换过程举例

PCM脉冲

（有量化误差）011100011011001100

原始信号

PAM脉冲1001100

PCM输出3.23.92.83.41.24.2343314PCM技术的典型应用是语音数字化。量化级越多，误差越小，但PCM使用的二进制位也较多，编码效率降低。模拟数据的数字信号编码2.3数据编码技术

第五十六页，共108页。2.3数据编码技术

同步（重点）同步：接收端要按照发送端发送的每个位规定时间来接收数据。位同步和群同步(含字符同步、帧同步)。位同步：使接收端对每一位数据都要和发送端保持准确同步。位时间的组成：同步段传播段相位缓冲段1相位缓冲段2采样点同步段用于同步总线上的各个节点或设备。在此段内，等待一个跳变沿。传播段用于补偿网络内的物理延迟时间。相位缓冲段1和2用于补偿相位边沿的误差。第五十七页，共108页。2.3数据编码技术

同步（重点）第五十八页，共108页。2.3数据编码技术

重同步在消息帧的随后位中，每当有跳变沿出现，且该跳变落在了同步段之外，就会引起一次重同步。重同步机制根据跳变沿的位置延长或者缩短位时间以调整采样点的位置，保证正确采样。相位误差：跳变沿相对同步段的位置。如果跳变沿处于同步段内，则相位误差为0；如果跳变沿位于采样之前，同步段之后，则相位误差大于0；如果跳变沿位于当前的采样点之后，下一个位的同步段之前，则相位误差小于0。第五十九页，共108页。2.3数据编码技术

重同步跳变沿落在了同步段之后采样点之前，为正的相位误差，接收器会认为是一个慢速发送器发送的滞后边沿。

第六十页，共108页。2.3数据编码技术

重同步跳变沿落在了采样点之后同步段之前，为负的相位误差，接收器认为一个快速发送器发送的下一个位时间的提前边沿。

第六十一页，共108页。2.3数据编码技术

位同步－自同步法自同步法是能从数据信号波形中提取同步信号的方法。典型例子就是著名的曼彻斯特编码，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。群同步又称起止同步，异步。靠起始和停止位来实现字符定界及字符内比特同步的。在起始位和停止位间，形成一个需传送的字符。起始位指示字符的开始，并启动接收端对字符中比特的同步；而停止位标志该字符传输结束。特点：每个通信节点都有自己的时钟信号；实现简单，频率的漂移不会积累，对收发器要求较低。PC机的232串口通信方式属此。第六十二页，共108页。2.3数据传输技术

基带传输技术人们把数字数据信号固有的频带称为基带，相应的矩形脉冲信号称为基带信号。基带传输技术是指在数字信道上，直接传送基带信号的方法，它是最基本的数据传输方式。大多数局域网都使用基带传输，如以太网。频带传输技术利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输。它需要调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调。频带传输中，调制解调器是最典型的通信设备。例如：通过电话模拟信道传输第六十三页，共108页。

电话交换网的结构

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、同轴双绞线双绞线频带传输技术2.3数据传输技术

第六十四页，共108页。宽带传输技术宽带指比音频带宽更宽的频带，指传输介质的频带宽度较宽的信息传输，它可同时传播多路信号，进行高速数据传输。调制解调器的基本工作原理2.3数据传输技术

调制解调器的工作原理通过调幅、调频等技术实现数字信号和模拟信号的转换。全双工通信的工作原理使用带通滤波器将双方的发送与接收通道分开，达到全双工通信的目的。带通滤波器是一种选频电路，它只允许特定频率范围的信号通过。第六十五页，共108页。同步传输与异步传输所谓同步，就是要求通信的接收端要按照发送端所发送的每比特的重复频率以及起止时间来接收数据，即收发双方在时间基准上保持一致。数据通信的同步包括：位同步、字符同步。1)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。（1）外同步法——发送端发送数据的同时，另外发送同步时钟信号，接收方用它来校准自己的时钟脉冲频率。（2）内同步法——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号本身包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

2.3数据传输技术

第六十六页，共108页。2)字符同步：保证收发双方正确传输字符。（1）同步式——由同步控制字符领先，以组为单位连续传送。

2.3数据传输技术

第六十七页，共108页。（2）异步式——每个字符独立传送，各字符间的时间间隔可以任意。需添加冗余位以确认字符的开始和结束。

2.3数据传输技术

第六十八页，共108页。DEMUX复用器分用器共享信道MUX2.3数据传输技术

多路复用技术指在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。发送方通过复用器将多个用户的数据汇集，经一条物理线路传送到接收设备，接收设备再通过分用器将数据分离成单独的数据，分发给接收方的多个用户。多路复用技术的分类：

频分多路复用(FDM)波分多路复用(WDM)时分多路复用(TDM)第六十九页，共108页。频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing)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。CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f适用于模拟信号传输2.3数据传输技术

第七十页，共108页。频分多路复用的基本工作原理示意图

频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing)2.3数据传输技术

第七十一页，共108页。频分多路复用是将传输介质的可用带宽分割成一个个“频段”，以便每个输入装置都分配到一个“频段”。传输介质容许传输的最大带宽构成一个信道，因此每个“频段”就是一个子信道。

频分多路复用的特点是：每个用户终端的数据通过专门分配给它的子信道传输，在用户没有数据传输时，别的用户也不能使用。频分多路复用适合于模拟信号的频分传输，主要用于电话和电缆电视(CATV)系统，在数据通信系统中应和调制解调技术结合使用。

频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing)2.3数据传输技术

第七十二页，共108页。原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。波分多路复用(WaveDivisionMultiplexing)2.3数据传输技术

第七十三页，共108页。(1)工作原理：以信道传输时间作为分割对象，把时间分割成小的时间片，通过为多个用户分配不同的时间片的方法来实现多路复用。适合于数字信号的传输。T1载波：复用24路信号，速率1.544Mbps（北美标准）E1载波：复用30路信号，速率2.048Mbps（欧洲标准）2.3数据传输技术

时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)第七十四页，共108页。(2)时分多路复用技术的分类：同步时分多路复用（STDM）将时间片固定分配给各个信道，不考虑信道是否有数据发送，这要求收发双方必须同步，当某用户无数据发送时，其他用户也不能占用其时间片，将会造成带宽浪费。统计时分多路复用（ATDM）－－也叫异步时分多路复用根据用户对时间片的需要来分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片，同时，对每一个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于哪一个用户。提高了通信线路利用率。该技术为异步传输模式ATM的研究奠定了理论基础。2.3数据传输技术

时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)第七十五页，共108页。D2ABCD待发数据t1

t2

t3A1B1C1D1C2A2B2周期1周期2同步TDM带宽浪费A1B1C2B2周期1周期2统计TDM可用带宽2.3数据传输技术

时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)第七十六页，共108页。常用的多路复用技术有频分多路复用技术和时分多路复用技术。

1.频分多路复用是将各路信号分别调制到不同的频段进行传输，多用于模拟通信。

2.时分多路复用技术是利用时间上离散的脉冲组成相互不重叠的多路信号，广泛应用于数字通信。

3.除了频分和时分多路复用技术外，还有一种波分复用技术。这是在光波频率范围内，把不同波长的光波，按一定间隔排列在一根光纤中传送。这种用于光纤通信的“波分复用”技术，现在正在迅速发展之中。频分多路复用与时分多路复用的区别如下：

(1)微观上，频分多路复用的各路信号是并行的，而时分多路复用是串行的。(2)频分多路复用较适合于模拟信号，而时分多路复用较适用于数字信号。2.3数据传输技术

多路复用技术总结第七十七页，共108页。

为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构,两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续,就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。

实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。报文交换和分组交换均采用的是存储转发方式。2.4数据交换技术

第七十八页，共108页。1）原理：（与电话交换方式类似）交换数据前，先建立实际的物理线路连接。2）通信过程：线路建立阶段－－数据传输阶段－－线路释放阶段3）特点：建立连接的时间长，建立连接后，传输延迟小，连接独占线路，线路利用率低，无差错控制能力。电路交换2.4数据交换技术

第七十九页，共108页。线路交换方式的工作原理2.4数据交换技术

第八十页，共108页。1）存储转发交换的概念：在交换过程中，交换设备将接收到的数据单元先存储，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。由于交换设备有存储能力，所以，可以实现信道的资源共享，提高线路利用率；有路选功能，可以均衡流量；有差错控制功能，可以提高系统可靠性；可以实现不同通信速率线路之间的数据传送。因此，存储转发方式在计算机网络中得到了广泛的应用。2.4数据交换技术

存储转发交换第八十一页，共108页。2）存储转发的分类(1)报文交换将待传送数据作为一个单元，打包后形成报文，不管报文大小作为整体一起发送。特点：报文大小不一，造成缓冲区管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长；出错后整个报文需全部重发。2.4数据交换技术

存储转发交换第八十二页，共108页。(2)报文分组交换（分组交换）发送方将长报文划分成多个报文分组进行存储转发，接收方再将各报文分组按顺序重组成报文，这就是报文分组交换，常称为分组交换。特点：对转发设备存储容量要求较小，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；某个分组出错仅重发该分组——效率高；各分组可通过不同路径传输——可靠性高。在实际应用中，分组交换有数据报和虚电路两种方式。2.4数据交换技术

存储转发交换第八十三页，共108页。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。2.4数据交换技术

第八十四页，共108页。三种交换方式的事件顺序数据呼叫应答ABCD分组1分组2分组3报文ABCDABCD寻路延迟排队延迟电路交换报文交换分组交换2.4数据交换技术

第八十五页，共108页。数据报方式1）工作原理：2.4数据交换技术

第八十六页，共108页。数据报是分组存储转发的一种形式；在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。2.4数据交换技术

数据报方式1）工作原理：2）数据报特点：同一报文的各分组独立进行路由选择；同一报文的分组到达目的结点时可能出现乱序、丢失等现象；每一个分组都需带有足够的地址信息；传输延迟较大，不适于长报文、会话式通信。第八十七页，共108页。虚电路方式1）工作原理：是数据报和电路交换的结合在传输数据前，先建立一条逻辑连接即虚电路，整个通信过程分为3个阶段:虚电路建立阶段－－数据传输阶段－－虚电路拆除阶段当虚电路建立好以后，后续分组按存储转发方式沿虚电路传送。

2.4数据交换技术

第八十八页，共108页。虚电路方式

的工作原理2.4数据交换技术

第八十九页，共108页。2）虚电路特点：发送数据前，先建立逻辑连接，有一定时间延迟；各分组沿虚电路传送，不需做路由选择，不需带全地址信息；分组到达目的地不会出现乱序、丢失等现象；每结点可以和任何结点建立多条虚电路连接，可共享带宽。

2.4数据交换技术

第九十页，共108页。项目数据报虚电路目标地址每个分组都需要建立连接时需要初始化设置不需要需要分组顺序通信子网不负责通信子网负责保证差错控制由主机负责通信子网负责对主机透明流量控制网络层不提供通信子网提供连接的建立和释放不需要需要数据报和虚电路的比较2.4数据交换技术

第九十一页，共108页。其他高速交换技术1）帧中继早期典型分组交换网是X.25网。X.25网着眼于可靠性，每个中间结点都差错检测。

帧中继是在X.25的基础上简化了差错控制、流量控制和路由选择功能而形成的一种新型交换技术。

2.4数据交换技术

2）ATM交换

ATM是一种高速分组交换技术，采用了以信元为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数据块，并在各数据块前装配地址、优先级等控制信息构成信元。第九十二页，共108页。

信元由信元头部和有效载荷构成：信元头部

有效载荷5B48B2）ATM交换2.4数据交换技术

在ATM网络中，空信元以一定的速率出现，发送站只要获得空信元即可插入信息发送。因信息插入位置无周期性，故称这种传送方式为异步传输模式。123456数据块信元流ATM能实现多媒体信息的高速传输，是一种面向虚连接的传输技术。第九十三页，共108页。3）同步数字体系SDH

ITU（国际电信联盟）以美国标准SONET（同步光纤网）为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH。SDH具有以下主要特点：（1）实现了数字传输体制上的国际性标准（2）SDH网还有兼容光纤分布式数据接口FDDI、分布式队列双总线DQDB以及ATM信元（3）采用同步复用方式，降低了复用设备的复杂性（4）增强了网络管理能力（5）标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现不同公司光接口设备的互连，降低了组网成本。2.4数据交换技术

第九十四页，共108页。2.5差错控制与检测1.概述1）差错的定义通过通信信道后接收的数据与发送的数据不一致的现象。2）差错产生的原因和类型差错产生的原因是热噪声。主要有信道固有的随机热噪声和外界因素引起的冲击热噪声。

常见的噪声有：信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；电气信号在线路上产生反射造成的回音效