计算机网络第三讲数据通信基础

第三讲数据通信基础

课程回顾

提问

•1.从逻辑功能上可以将计算机网络分成哪几个部

分？

•2.计算机网络有哪些主要的拓扑结构？

新课讲解

本次课介绍如下知识

•数据通信的基本概念

•数据传输方式

•数据编码技术和时钟同步

•数据交换技术

•多路复用技术

•差错控制方法

>PSDN

通信系统的模型>ATM

>ISDN

>DDN

>802.3

LAN

>802.4

>802.5

>FDDI

数据通信的基本概念

•数据(Data)：对某一客观现象的物理度量，即信息的表

达方式，如数字、文字、声音、图形、图像等。

•信息(Information)则是从一批数据中分析、统计得出的

有用数据，即有用的知识或信息。

•信号(Signal)：与某一实际数据对应的、以电磁波形式表

示的连续或者离散数据。即数据数据在传输过程中的电

磁波表示形式。

•信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机。

•信宿：通信过程中接收和处理信息的设备或计算机。

一、数据通信的基本概念

•信道(Channel)：信源和信宿之间的通信线路。

传送信息的线路(或通路)，由通讯线路、交换

设备、中间处理设备等组成。

•物理信道分为有线信道和无线信道。

•数据通信：发送方将要发送的数据转换成信号，

通过物理信道传送到数据接受方的过程。

一、数据通信的基本概念

•编码器：数据一适合传输的信号——便于识

M纠错

•调制器：信号一适合传输的形式——按频率、

幅度、相位

•解码器：传输信号一原始数据

・解调器：接收波形一数字信号序列

数据通信的基本概念

•模拟数据通信和数字数据通信一一两种不同类型的量

♦模拟信号：时间、温度、电波、声音

＞信号中没有断开或不连续的的地方；

♦数字信号：字符，二进制数，电脉冲

＞信号仅取一些有限数目的值；

•、数据通信的基本概念

•模拟与数字的特点

模拟：数字：

波动性；离散性；

持续变化；跃变性；

反映事物的本质；设备性能先进,

在电信业已经被广泛较为便宜；

(a)模拟信号(b)数字信号

'、数据通信的基本概念

•数据通信

模拟数据模拟信号

电话

(a)模拟数据在模拟信道上传输

数字数据模拟信号

Y-------------调--------制-------/-解调器V

Cb)数字数据在模拟信道上传输

模拟数据一―—数字信号

------------A编码角率码器一।

CC)模拟数据在数字信道上传输

数据通信的基本概念

•数据通信中的主要技术指标

♦码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单

元，即一个二进制“位”一一比特(Bit)o

♦比特率(BitRate)：数据传输速率(bps,b/s)o

单位时间传送的比特数，用于描述数字信道的传

输能力，即发送、接收双方及中间交换的处理能

另。

数据通信的基本概念

•数据通信中的主要技术指标

♦数据传输率的计算公式：

S=(Log2N)/T(1-1)

/式中：S——数据传输率，每秒比特(b/s)

/T——信号周期，即测量取样时间间隔，单位

秒(S)O

/N——量化电平数，测量值划分成N个级别，

一般N=2,4,8,16,log2AA是比特数

(b)。

数据通信的基本概念

•例1—1脉码调制系统PCM(PlusCode

Modulation)每秒钟测量取样8000次，256个

量化电平，求数据传输率。

•解：信号周期T=1/8000,

量化电平数N=256=28

由公式可知

S=8X8000=6400(b/s)=64Kb/s

一、数据通信的基本概念

•数据通信中的主要技术指标

♦带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围

♦误码率(Biterrorrate)：信道传输可靠性指标。传输时

出错比特数与总传送比特数之比。用公式表示为：

Ph=Be/B

P：比特出错率，一般用百分数％表示。

♦bJ

♦B,：传输出错比特数。

♦B：总传送比特数。

一、数据通信的基本概念

♦信道容量(Channelcapadty)：信道的最大数据率

香农公式:最大数据传输速率C=Blog2(1+S/N)(bps)

C：信道容量，即信道最大传输率(b/s)o

B：信道频带(Hz)o

S：信道中信号功率。

N：信道中电磁噪声功率。

信道中信噪比用分贝dB数表示，分贝定义式：

dB=\G\gS/N

数据通信的基本概念

例1—2已知信噪比为30dB,带宽为4kHz,求信

道的最大数据传输速率。

解由公式可知

V10lg(S/N)=30

JS/N=1030/10=1000

・•・C=4000log2(1+1000>40kbps

■、数据通信的基本概念

•通信方式

♦数据通信中，按数据通道数目及数据流方向分

为并行通信、串行通信，单向、双向通信等。

并行数据传输

•并行通信传输中有多个数据位，同

时在两个设备之间传输。发送设备

将这些数据位通过对应的数据线传

送给接收设备，还可附加一位数据

校验位。接收设备可同时接收到这

些数据，不需要做任何变换就可直

接使用O

•并行方工主要用于近距离通信。计

算机内的总线结构就是并行通信的

例子。

•优点是传输速度快，处理简单。

串行传输数据

•串行数据传输时，数据是一位一位地在通

信线上传输的，先由具有几位总线的计算

机内的发送设备，将几位并行数据经并一

串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传

输线到达接收站的设备中，并在接收端将

数据从串行方式重新转换成并行方式，以

供接收方使用。

•串行数据传输的速度要比并行传输慢得多,

但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来

说具有更大的现实意义。

单工、半双工、全双工

•串行通信的方向性结构有三种，即单工、半双工和全

双工。

＞单工数据传输只支持数据在一个方向上传输；

＞半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，

在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际

上是一种切换方向的单工通信；

＞全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因

止匕全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求

发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。

单工、半双工、全双工

<c）个叔1

数字信号同步方式

•同步方法：模拟或是数字信号通信的基本要求是接收

端应知道发送端发送数据的开始时间和结束时间。目

前的两种同步方式有：异步传输方式和同步传输方式。

■同步传输方式是以固定的时钟频率来发送串行信号的。

同步传输方式有被称为比特同步传输方式。

＞实现同步传输方式的同步时钟有两种方法：

,一种是外部同步法，该方法是在传输线路中加一条时

钟信号线，以连接到接收设备的时钟上。

,另一种是自同步法，该方法是让接收端的调制解调器

从接收数据信息中直接提取同步信号，并以此获得同

步的时钟频率。自同步法通常用于远距离的传输。

数字信号同步方式

＞同步传输方式避免了异步传输方式中每个字符都需要

附加信息的缺点，因此效率较高。但实现起来有点复

杂，所以通常用于需要高速传输的网络。

■异步传输方式又称为起止同步传输方式。这是最早使

用和最简单的一种同步方式。

＞这种方式是以字符为单位进行同步的。在通信过程中,

发送端会给一个字符加上开始和结尾信息，即在字符

前设置“起”信号和在结尾处设置“止”信号。

＞异步传输方式的优点是每一个字符本身就包括了字符

的同步信息，不需要在线路两段专门设置同步设备。

其缺点是每发一个信息就要添加起止信号，造成了附

加数据开销。异步传输方式目前仍被广泛使用。

同步通信与异步通信

SYNSYN.....................

XZ

一个或多个控制字符数据字符控制字符

SYN字符

:、数据传输方式

•数据传输时，对线路频带资源的使用方式有两种：基带传输与宽带传输。

♦基带传输

/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,

/矩治脉冲若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；

/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。

/基带传输时要注意保持收发双方同步。

♦宽（频）带传输，利用模拟信道传输数据信号的方法，对多路信号采用

不同的载波频率进行调制，每一路信号占用一定宽度的频带资源，在同

一条通信线路上可同时传送多路信号，这样在远距离通信时有利于节约

线路资源。调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备。

数字数据编码方法

•不归零NRZ(None-returntoZero)编码：亦称全编

码，即在数字信号“0”或“"持续时间，信号电平不

变，与代码宽度相同。如图a所示。

♦二进制数字0、1分别用两种电平来表示。

常用一5V表示1,+5丫表示0。

♦缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器；不具

备自同步机制，必须使用外同步。

■归零RZ(ReturnZero)编码亦称窄脉冲，数字信号脉

冲宽度小于“0”、“甘持续时间，即小于代码宽度，

每一窄脉冲在数字代码未变之前就以归零。如图b所示。

图1・11归零码、不归零码及取样脉冲

数

功

图L

脉

字

信(C

取

11样

号

道

冲

字

数

信

，

是

上

传

的

输

就

代

表

“1

、

冲

“

脉

F的,

，

道

实

在

上

际

信

数

为

字

减

了

少

流

信

分

的

号

直

采

量

用

积b)

累

，

双

的

极

交

替

是

性

使

正

冲

脉

，

负

数

在

冲

个

脉

总

相

致

上

大

体

同

量

分

直(c

流

，

趋

于

零

。

数字数据编码方法

•曼彻斯特编码(Manchestercode)

＞用电压的变化表示。和1。

＞规定在每个码元的中间发生跳变：

＞高一低的跳变——0,低一高的跳变——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

殍一致。

，曼彻斯特编码也称为自同步码(Self-Synchronizing

Code)。它具有自同步配制，无需外向步信号。

＞缺点：需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的

2倍)。

•差分曼彻斯特编码(DifferentialManchester

code)

＞与曼彻斯特编码相同，在每个码元的中间，信

号都会发生跳变；不同之处在于：

用在码元开始处有无跳变来表示。和1。

/码元开始处有跳变——0

/码元开始处无跳变——1

图1・12曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

(a)

(b)

曼彻斯特编码

(c)

差分

曼彻斯特编码

二数据编码技术和时钟同步

•数字信号模拟传输一一调制与解调

＞由于高频信号抗干扰能力强，易于远距离、高效率传输，因

此在信号传输时，常将低频信号搭载在高频信号上传输，到

达目的地后再将原始信号从高频信号上取出来；起搭载作用

的高频信号称为载波，犹如运输货物的车辆，原始信号犹如

货物；

＞将原始信号搭载在高频载波上的过程称为调制-相当于货物装

车；

＞在接收端将原始信号从高频信号上取出来的过程称为解调制、

简称解调-相当于货物运到后卸货。

＞而用低频信号控制高频信号参数--调制后的波形称为调制波。

三、模拟数据编码方法

•数字信号模拟传输一一调制与解调

＞为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信,

必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的

音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的

数字信号。实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解

调器(Modem)。下图为远程系统中的调制解调器

游隅榭赌号覆卦得

JITLr\J\T\JUL

TSAI-Modem/珊旭微'Modem一工作邨

公共电话交换网中使用调制解调器的必

要性

・公共电话交换网是一种频带模拟信道，音频信号

频带为300Hz〜3400Hz,而数字信号频宽为0Hz〜

几千兆Hz。若不加任何措施利用模拟信道来传输

数字信号，必定出现极大的失真和差错。所以，

要在公共电话网上传输数字数据，必须将数字信

号变换成电话网所允许的音频频带范围300Hz〜

3400Hzo

模拟数据编码方法_____________

•三种常用的调制技术：

>幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying),调幅

a频移键控FSK(FrequencyShiftKeying),调频

>相移键控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。

•载波丫⑴=Acos(wt+(p)

•丫⑴的参量包括：幅度A、频率3、相位(P

•调制就是要使这三个参量随数字基带信号的变

业而变化

三种调制方式波形图

•信号传输速率--单位时间内通过信道传输的码元数，单

位为波特，记作Baud。

计算公式：B=1/T(Baud)(1-4)式中T为

信号码元的宽度，即信号周期，单位为秒。

信号传输速率，也称码元速率、调制速率或波特率。

由(1-1)、(1-4)式得：

S=B*log2N(bps)(2—5)

模拟信号数字传输一一采样、量化、编码

・模拟信号转换成数字信号需经过采样、量化、编

码

•采样：每隔一定时间间隔取一个测量值。

•量化：对每个样本舍入到量化级别上。即将采样

最大值分为N个等级，所有采样值按这N个等级

量化处理，N取2的指数，PCM系统中，N=256

•编码：将量化后的每一个采样值,编写成为M位

二进制比特，M=log2N

图1・15采样、量化、编码过程示意图

•如图所示，采样频率为10、量化等级为8,得到

30比特编码。

110010000001010001010100011100演码

110010000001010001010100011100

编码"in—三nrilnnnrrm::

四、数据交换技术____________

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、

分组交换。

交换网络的拓扑结构

。=通信网络结点

I1=网络站

电路交换

•交换设备在通信双方找出一条实际的物理线路的过程。（最早的电路

交换连接是由电话接线员通过插塞建立的,现在则由计算机化的程控

交换机实现。）

特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。

呼叫--建立连接一传输一挂断

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。

电路交换的工作模式

报文交换

报文：发送的整块数据。

报文交换:整个报文作为一个整体一起发送。报文

交换类似于发送信件。

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。

缺点：

工著艮文大小不一，造成缓冲区管理复杂。

2）大报文造成存储转发的延时过长；

3）出错后整个报文全部重发。

存储转发技术

采

ftft

用

本地邮政海淀邮政

存支局支局

市总局按地

储

址往省市邮

ft

转政局投寄邮

沈阳市邮政局7

件、发往天

本地邮政省市邮政

发津的邮件投支局收到

支局局收到各

到天津市市邮政局

的地局来的

来的邮件

北京市邮政总局邮件按地

邮按地址交

址发往各

给用户一

支局

政支局把发天津市邮政局

往外地邮

通件投到市

河西区邮政

总局

信支局

用户

工投寄

长沙市邮政局

邮件东城邮政

作支局

模本地邮政

支局

式

本地邮政

支局

分组交换（包交换）

•分组（包）：报文划分成更小的等长数据段，加上控制信息组成的首

部报头（源地址、目的地址）。

•分组交换:将报文划分为若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转

发。

•优点：

1）港储量要求较小，可以用内存来缓冲分组一速度快;

2）转发延时小——适用于交互式通信；

3）某个分组出错仅重发该分组一效率高；

4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高。

•特点：

工）’薮据传输前不需要建立一条端到端的通路。

2）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。

数据报分组交换

数据报方式是通信子网将进入子网的分组当作“小报文”处

，节点主机（T

通信子网

虚电路分组交换

在发送任何分组前，先建立一条端到端的逻辑连接,各结点不需为每个分组作路

径判定，但分组在每个结点上仍需缓冲、排队。

IBM兼容机

"节点主机C

通信子网

数据报分组交换与虚电路分组交换

•数据报：无连接的服务；虚电路：面向连接的服务

•数据报一每个分组作为一个独立的信息单位传送

•特征：不需要连接，也无需确认

•完整的网络地址（源和目的）一信道利用率低

•不保证按序到达；每个分组均需进行路由选择

•虚电路一传输前先建立一条逻辑连接，传输结束后拆除

•特征：需要建立连接

•仅在建立连接时需要全网地址，传输时用虚电路号

•按序到达；仅在建立连接时需要路由选择

•两类虚电路：

•永久虚电路一租用后便永久建立，退租后拆除。

•交换虚电路一需要通信时建立，通信结束便拆除。

三种交换方式的事件顺序

呼叫请求信号

（C）

交换技术特性比较

电路交换数据报分组交换虚电路分组交换

专用的传输通路不是专用的不是专用的‘

r

连续传送数据传送分组传送分组

不存储报文传递前必需存储分组传递前必须存储分组1

为整个对话建立通路为每个分组建立路径为整个对话建立路径’

呼叫建立延迟分组传输延迟呼叫建立延迟，分组

传输延迟

忙信号表示被呼叫用若分组没有传递出去，通知发送者连接没有

户处于忙状态必须通知发送者被接受

交换技术特性比较

超载可能阻塞呼叫的超载增加分组的延迟超载会阻塞呼叫的建

建立，但已建立的立，并增加分组的

呼叫不发生延迟延迟

小的交换结点.

机电的或计算机的交小的交换结点

换结点

用户负责报文丢失保单个分组由网络负责网络负责分组序列

护

速度和代码转换.

一般没有速度和代码速度和代码转换

转换

固定的传输带宽动态利用带宽动态利用带宽1

呼叫建立后没有开销每个分组中有开销位每个分组中有开销位

位

多路复用技术

多路复用技术:用一条高速线路传送多条低速线路的数据。

为何要复用？线路成本

分类：

•频分多路复用(FDM-FrequencyDivisionMultiplexing)

•时分多路复用(TDM-TimeDivisionMultiplexing)

频分复用FrequencyDivision

Multiplexing

•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

时分复用TimeDivisionMultiplexing

•原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个通道（时

隙），每个用户占用一个通道传输数据。

A1

A时间片

A2

心

A3

IA

原始信号数字化信号适用于数字信号传输

统计（异步）TDM——STDM

•TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也

不能占用该通道，将会造成带宽浪费。

•改进：统计时分多路复用（STDM）,用户不固

定占用某个通道，有空槽就将数据放入。

带宽浪费

同步TDM

孰g|恩||口2

同期1

可用带宽