数据通信基础

第二章数据通信基础

第二章数据通信基础

一.数据通信的基本概念

二.数据通信系统

四.数据传输技术

三.数据编码技术

五.多路复用技术六.数据交换技术信息（Information），人类对现实世界客观事物的反映，可被感受的声音、文字、图像、符号等。数据(Data)：传递（携带）信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释。分类两类：模拟(Analog)数据与数字(Digital)数据；模拟数据用连续的物理量表示，在时间和幅值取值上是连续连续的，如声音、视频、动画等。数字数据采用离散的物理量来表示，在时间上是离散的，一般是由0、1构成的二进制代码组成。1．基本概念2.1数据通信的基本概念数据通信技术依照通信协议，利用数据传输技术实现计算机之间的数据信息传递。数据通信技术是将计算机技术与通信技术相结合，完成数据编码、数据处理和传输，为计算机网络的应用和发展提供了必要的技术支持和可靠的通信环境。数据通信模型信号(Signal)：数据的物理表现形式，（通常为电编码），数据以信号的形式传播。信号的两种形式：数字信号和模拟信号模拟信号：一组连续变化的电脉冲系列，如语音信号、电视信号。数字信号：一般是离散的不连续的信号，通常用“高”和“低”电平的脉冲系列组成。

数据通信系统基本模型：任何通信系统都可以看作为发送设备、传输信道和接收设备。产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。信源与信宿通过通信线路进行通信，在数据通信系统中，也将通信线路称为信道；信源、信道、信宿为通信系统的三要素。数据通信模型数据通信模型通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据适合传输的信号——便于识别、纠错调制器：信号适合传输的形式——按频率、幅度、相位解码器：传输信号原始数据解调器：接收波形数字信号序列数据通信模型模拟通信系统：是指在模拟信道中传输模拟信号的通信系统。由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成，电话、广播、电视等都属于模拟通信系统。当传输的为数字信号时用调制器转化为模拟信号。在接收端再通过解码器进行解调，恢复原信号。噪声源信源调制器信道解码器信宿数据通信模型在数据通信系统中，传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，而传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信系统：是指在数字信道中传输数字信号的通信系统。信源编码器：能够实现模拟信号和数字信号转换，并且实现压缩编码，使信源中庸的信道带宽尽量小，降低信号误码率。信源译码器作用与信源编码器相反，是其逆过程。信道编码器：信源编码不适合直接在信道传输，信道编码能够自动检测错误或纠正错误，进而形成信道码，提高传输可靠性。信道译码器是其逆过程。具有可加密、抗干扰能力强的特点。数字信号采用数字电路，其设备便于集成化和微型化。计算机通信、数字电视、数字电话等都属于数字通信。噪声信源信源编码器调制器信道信宿信道编码器解调器信源译码器信道译码器数据通信模型数据传输速率:表示数字信道传输信号的能力,例modem传输速率为56Kb/s等.可分为两种：码元速率和信息速率。码元速率（RB）：又称为波特率，指每秒中传送的码元数，单位为波特/秒（Baud/s）。在数字通信系统中，由于数字信号是用离散值表示的，因此，每一个离散值就是一个码元。信息速率（Rb）：在数值上等于每秒钟传输的构成数据代码的二进制比特数，又称比特率，单位为比特/秒，记作b/s、bit/s或bps。对于二进制数据，数据传输速率可定义为：S=1/T（bps），其中，T为发送每一比特所需要的时间。2.2数据传输率与误码率数字通信系统具有可加密、抗干扰能力强的特点。数字信号采用数字电路，其设备便于集成化和微型化。计算机通信、数字电视、数字电话等都属于数字通信。误码率(Biterrorrate)：码元在数据传输系统中被传错的概率。信道传输可靠性指标:P=错误的位数/传输的总位数,通常要求误码率低于10-6.带宽(Bandwidth)：信号或信道占据的频率范围,例电话信道的带宽为300Hz-3400Hz数据传输率与误码率传输方式：1.并行和串行通信并行通信二进制数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。并行通信的优点是速度快，但发端与收端之间有若干条线路，导致费用高，仅适合于近距离和高速率的通信。如计算机与打印机、显示器等之间的传输。2.3数据传输技术数字传输技术包括数据传输介质、传输方式、传输指标参数串行通信数据流以串行方式在一条信道上一位一位的传输，从发送端到接收端只需一个传输线。串行通信的优点是收、发双方只需要一条传输信道，易于实现，成本低，但速度比较低。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。单工方式指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。采用双线制，一个用于传输数据的主信道，另一个用于传输控制信息的监测信道。无线电广播和电视都属于单工通信。信号传送是有方向的，按照信号传送的方向和时间的关系，数据传输有单工通信、半双工通信和全双工通信。半双工通信是指信号可以沿两个方向传送，但同一时刻一个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。当改变传输方向时，要通过开关装置进行切换。半双工信道适合于会话式通信，比如公安系统使用的“对讲机”和军队使用的“步话机”。半双工方式在计算机网络系统中适用于终端与终端之间的会话式通信。半双工方式通信双方必须同时具有发送和接收装置。全双工通信是指数据可以同时沿相反的两个方向作双向传输。相当于两个相反方向的单工通信方式组合，采用四线制。通信效率高、控制简单，手机、电话。2.根据传输信号的不同可划分：基带传输、频带传输、带宽传输基带传输基带传输是一种最简单最基本的传输方式。在信道上直接传送数据（原有信号形式）的基带信号称为基带传输。基带传输系统安装简单、成本低，主要用于总线型拓扑结构的局域网，在近距离范围内，基带信号衰减不大，在2.5km的范围内，可以达到10Mb/s的传输速率。频带传输基带信号频率很低，往往独占通信信道，且抗干扰性差，在远距离传输中容易造成衰减和畸变。所谓的频带传输是指把基带数字信号经过调制，转化成模拟信号在模拟信道上传输。

远距离通信信道多采用模拟信道，一般采用频带传输。宽带传输宽带传输常采用同轴电缆或光纤作为传输介质，带宽为300MHz。使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带，分别用这些子频带来传送音频信号、视频信号以及数字信号。宽带同轴电缆原是用来传输电视信号的，当用它来传输数字信号时，需要利用电缆调制解调器（CableModem）把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的模拟信号。4.异步和同步通信在数据通信系统中，当发送端与接收端采用串行通信时，通信双方要交换数据，需要有高度的协同动作，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同，这就是同步问题。同步就是要接收方按照发送方发送的每个码元/比特起止时刻和速率来接收数据，否则，收发之间会产生误差，即使是很小的误差，随着时间增加的逐步累积，也会造成传输的数据出错。实现收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术之一，通常使用的同步技术有两种：异步方式同步方式异步通信方式在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字符码前加1个起始位（逻辑“1”），以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加1或2个停止位（逻辑“0”），表示字符结束。接收方根据起始位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步作用。异步方式实现比较容易，但每传输一个字符都需要多使用2～3位，所以适合于低速通信。同步通信方式同步传输方式是指将一个大的数据块一起发送，它是高速数据传输过程中采用的一种同步技术，可划分为：位同步和字符同步。位同步：通信双方如是两台计算机，其时钟频率都相等，但在传输过程中也会出现差异。如果在大量数据长时间传输时，其积累的误差足以导致错误传输。这时要求接收端根据发送端发送的数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时间时间基准与时钟频率，实现收/发双方的位同步。字符同步：在数据通信过程中出了要解决位同步问题，还有解决字符接收同步问题。字符同步就是保证收、发双方能够正确传输字符。2.4数据交换技术实现常用的交换技术主要有：电路交换、报文交换、分组交换。电路交换电路交换与电话交换工作过程类似，也称线路交换。它是两个需要通信的计算机在开始通信之前由交换机为其建立一个专用的通信线路。主要分为三个阶段：建立连接、数据传输、连接释放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——传输——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。1.建立连接：

网络上的两个通信节点通信之前，首先通过通信子网（交换机）为两个节点建立一条点对点的物理通信链路，且链路从开始到结束一直保持工作。2.数据传输：

线路建立好后，两个通信节点就可以通过这个线路传输数据，此时线路可以全双工方式工作。3.连接释放：

数据传输完成后，线路就要释放，一方发送“释放请求包”另一方同意后并发送“释放应答包”，将建立的线路释放，此时此次通话结束。报文交换类似于发邮件，以报文为单位发送信息，每个报文由报头（header）、正文（message）、报尾（trailer）三部分组成。报头包括源地址和目的地址，整个报文作为一个整体一起发送。特点：不需建立专用线路，无须建立线路和释放线路等待，可靠性高。报文大小不一，容易造成管理复杂，且数据过多时无法存储或不能及时转发，导致报文丢失，需重新发送。分组交换（包交换）

也称为报文分组交换或包交换。将报文划分为若干个大小相等的分组(Packet)进行存储转发，每个分组上都有信源和信宿的地址，并且按照数据单元在原数据中的位置进行编号。

每个分组可以在网络中独立的选择路由，可以沿着相同或者不同的路径传输，接收方接收后按照编号进行组装，将数据复原。

分组的最大长度限制在1000位或者几千位，每个分组添加顺序号，源节点、目的节点地址和差错控制信息。有利于提高存储转发节点的存储空间利用率和传输率，因此成为公用数据交换网络中的主要技术。三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数据ABCD分组1分组2分组3报文ABCDABCD寻路延迟排队延迟线路交换报文交换分组交换三种方式比较1.与电路交换相比，报文交换的线路利用率更高，分组交换比报文交换更有优越性。2.分组交换除吞吐量较高之外，还提供一定程度的差错检测和代码转换能力，可靠性高。3.电路交换是专用的信道，信道带宽的静态分配的，而分组交换中的信道带宽是动态分配和释放的，信道利用率高，但因不是专用的，导致突发输入数据可能会耗尽设备的存储空间，造成分组损失。4.电路交换的计费一般需要考虑通话时间和距离，而与通话量无关，原因就是电话交换中通信双方独占信道带宽。而在分组中，通信费用主要按流量计算，需考虑通话时间和距离。2.5多路复用技术多路复用技术的实质是共享物理信道，能够更加有效的利用通信线路带宽资源。工作原理：在发送端，多路复用器将来自多个输入线路的多个低速信号组合成一个复合的高速信号，且将此信号送至高速通信线路，在接收端，解复用器将复合高速信号进行分解还原成为多个低速信号，然后转送个多个用户。1.频分多路复用技术CH2CH1CH3原带宽CH1CH2CH3移频后带宽MUXCH1CH2CH3带宽复用f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。适用于模拟信号传输

2.时分多路复用技术原理：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。A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后数据时隙1234D3D2D1适用于数字信号传输