《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》課件-第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)本章提要數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)信號(hào)編碼數(shù)據(jù)交換技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)差錯(cuò)控制技術(shù)2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1數(shù)據(jù)和信號(hào)1.信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)通信的目的是交換信息。信息的載體可以是多媒體，包含聲、文、圖等。被傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼稱數(shù)據(jù)，是信息的載體。信號(hào)是數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的表示形式，信號(hào)包括模擬和數(shù)字。2.數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信：將數(shù)據(jù)信息通過(guò)適當(dāng)?shù)木€路從一端傳到另一端。兩類：模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)。補(bǔ)充：模擬通信系統(tǒng)普通的電話、廣播、電視等都屬于模擬通信系統(tǒng)。補(bǔ)充：數(shù)字通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信、數(shù)字電話以及數(shù)字電視都屬于數(shù)字通信系統(tǒng)。3.數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（1）數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)通信速率：指數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)乃俣取７譃閮煞N：數(shù)據(jù)傳輸速率和信號(hào)傳輸速率。信號(hào)傳輸速率RB：又稱波特率，單位時(shí)間內(nèi)傳送的信號(hào)個(gè)數(shù)，單位為波特/秒（Baud/s），；數(shù)據(jù)傳輸速率Rb：又稱為比特率，單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制位個(gè)數(shù)，單位為比特/秒（bit/s）；注意區(qū)分二者！！奈奎斯特和香農(nóng)定理(續(xù))1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。B=2W（Baud）--------(W為信道帶寬)在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜模駝t就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問(wèn)題，使接收端對(duì)碼元的判決（即識(shí)別）成為不可能。奈奎斯特和香農(nóng)定理(續(xù))香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸速率。信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率C可表達(dá)為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。奈奎斯特和香農(nóng)定理(續(xù))舉例：信道帶寬W=3.1KHz，S/N=2000，則

C=3100*log2(1+2000)≈34Kbit/s香農(nóng)公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒(méi)有上限，則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒(méi)有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。3.數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）（2）誤比特率：指二進(jìn)制數(shù)據(jù)位在數(shù)據(jù)傳輸中出錯(cuò)的概率，是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤比特率=錯(cuò)誤比特?cái)?shù)/傳輸總比特?cái)?shù)（3）信道容量是指單位時(shí)間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)，用每秒比特?cái)?shù)（bps）表示。3.數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）(4)信道是信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ溃▊鬏斆襟w和通信設(shè)備。傳輸媒體：電纜、光纖、電磁波等。通信設(shè)備：路由器、交換機(jī)等。(5)

信道帶寬是由信道的物理特性所決定的(單位HZ)例如，電話線路的頻率范圍在300～3400Hz，則它的帶寬300～3400Hz。2.2數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)1、串行通信和并行通信2、單工、半雙工和全雙工通信3、基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸4、數(shù)據(jù)通信的同步方式：異步方式同步方式1、串行通信和并行通信并行通信數(shù)據(jù)在多個(gè)并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸。并行通信的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但費(fèi)用高，僅適合于近距離和高速率的通信。串行通信數(shù)據(jù)流以串行方式在一條信道上傳輸。串行通信的優(yōu)點(diǎn)是收、發(fā)雙方只需要一條傳輸信道，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，但速度比較低。串行通信和并行通信演示：2、數(shù)據(jù)傳輸方向（1）單工通信單工方式指通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號(hào)僅沿一個(gè)方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收而不能發(fā)送。（2）半雙工通信半雙工通信是指信號(hào)可以沿兩個(gè)方向傳送，但同一時(shí)刻一個(gè)信道只允許單方向傳送，即兩個(gè)方向的傳輸只能交替進(jìn)行，而不能同時(shí)進(jìn)行。（3）全雙工通信全雙工通信是指數(shù)據(jù)可以同時(shí)沿相反的兩個(gè)方向作雙向傳輸。比如，電話通話。數(shù)據(jù)傳輸方向演示3、數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞酵絾?wèn)題在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送端與接收端采用串行通信時(shí)，通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要有高度的協(xié)同動(dòng)作，彼此間傳輸數(shù)據(jù)的速率、每個(gè)比特的持續(xù)時(shí)間和間隔都必須相同。通常使用的同步技術(shù)有兩種：異步方式同步方式（1）異步傳輸方式（字符同步）異步方式實(shí)現(xiàn)比較容易，但每傳輸一個(gè)字符都需要多使用2～3位，所以適合于低速通信。（2）同步傳輸方式在同步傳送時(shí)，由于發(fā)送方和接收方數(shù)據(jù)塊作為一個(gè)單位傳送，且附加位又非常少。使用場(chǎng)合：高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，比如計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。異步傳輸和同步傳輸?shù)膮^(qū)別1異步傳輸是面向字符的傳輸，而同步傳輸是面向比特的傳輸。2異步傳輸?shù)膯挝皇亲址絺鬏數(shù)膯挝皇菢E。3異步傳輸通過(guò)字符起止的開始和停止碼抓住再同步的機(jī)會(huì)，而同步傳輸則是以數(shù)據(jù)中抽取同步信息。4異步傳輸對(duì)時(shí)序的要求較低，同步傳輸往往通過(guò)特定的時(shí)鐘線路協(xié)調(diào)時(shí)序。5異步傳輸相對(duì)于同步傳輸效率較低。2.3數(shù)據(jù)編碼技術(shù)信道分為模擬信道和數(shù)字信道，而依賴于信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字編碼(NRZ、曼徹斯特等)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)(數(shù)字信道)調(diào)制(ASK、FSK、PSK等)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)(模擬信道)脈沖編碼調(diào)制PCM模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)(數(shù)字信道)調(diào)制（AM、FM、PM等）模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)(模擬信道)1.調(diào)制與解調(diào)2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制傳統(tǒng)的電話通信信道是為傳輸語(yǔ)音信號(hào)設(shè)計(jì)的，用于傳輸音頻300Hz～3400Hz的模擬信號(hào)，不能直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制的基本方法有三種：幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制在調(diào)制過(guò)程中，選用的載波信號(hào)可以表示為：其中A為振幅，w為角頻率，

為相位，這是載波信號(hào)的三個(gè)參量，它們是余弦波的控制參數(shù)，稱為調(diào)制參數(shù)。

它們的變化將對(duì)余弦載波波形產(chǎn)生影響，通過(guò)改變這三個(gè)參量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬數(shù)據(jù)信號(hào)的編碼，相應(yīng)的調(diào)制方式分別稱為幅度調(diào)制(AM)、頻率調(diào)制(FM)和相位調(diào)制(PM)。2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制示例2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼基帶傳輸直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)的方法稱為基帶傳輸。頻帶傳輸通過(guò)調(diào)制解調(diào)器傳輸模擬數(shù)據(jù)信號(hào)稱為頻帶傳輸寬帶傳輸將很多頻帶放到一條物理信道上就稱為寬帶傳輸

寬帶可分為多個(gè)信道，因此模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可混合使用典型應(yīng)用：有線電視網(wǎng)(有線通)，帶寬為750MHz2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方式有三種：非歸零碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼

非歸零(non-returntozero)編碼曼徹斯特編碼1差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼的示例2.4多路復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用的目的是讓不同的計(jì)算機(jī)連接到相同的信道上，共享信道資源。原因：1、線路費(fèi)用高

2、傳輸介質(zhì)容量一般高于單一信道通信量2.4多路復(fù)用技術(shù)四種信道復(fù)用方式：頻分復(fù)用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)時(shí)分復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplexing)波分復(fù)用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)碼分復(fù)用CMD(Code

Division

Multiplexing)（1）頻分多路復(fù)用FDM(模擬)FDM是把信道的可用頻帶分成多個(gè)互不交疊的頻段（帶），每個(gè)信號(hào)占其中一個(gè)頻段。接收時(shí)用適當(dāng)?shù)臑V波器分離出不同信號(hào)，分別進(jìn)行解調(diào)接收。FDM示意圖頻分多路復(fù)用演示（2）時(shí)分多路復(fù)用TDM時(shí)分多路復(fù)用是將一條物理信道的傳輸時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片，按一定的次序輪流給每個(gè)信號(hào)源使用。TDM又分為同步時(shí)分復(fù)用（SynchronousTimeDivisionMultiplexing，STDM）和異步時(shí)分復(fù)用（AsynchronousTimeDivisionMultiplexing，ATDM）。STDM采用固定時(shí)間片分配ATDM采用動(dòng)態(tài)時(shí)間片分配（2-1）同步時(shí)分復(fù)用STDMSTDM采用固定時(shí)間片分配，將傳輸信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地分成特定時(shí)間周期，再將每一時(shí)間段劃分成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)間片。（2-1）同步時(shí)分復(fù)用STDM（2-2）異步時(shí)分復(fù)用異步時(shí)分復(fù)用技術(shù)又被稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，它能動(dòng)態(tài)地按需分配時(shí)間片，避免每個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。（2-2）異步時(shí)分復(fù)用A（2-2）異步時(shí)分復(fù)用由于每個(gè)時(shí)間片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中必須包含地址域，因此在提高傳輸介質(zhì)利用率的同時(shí)也降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸率（3）波分多路復(fù)用WDMWDM主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)。波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。傳輸介質(zhì)與信道(補(bǔ)充)傳輸介質(zhì)與信道是不同范疇的概念傳輸介質(zhì)是指?jìng)鬏斝盘?hào)的物理載體信道提供了傳輸某種信號(hào)所需的帶寬，著重體現(xiàn)介質(zhì)的邏輯特性一個(gè)傳輸介質(zhì)可能同時(shí)提供多個(gè)信道一個(gè)信道也可能由多根傳輸介質(zhì)級(jí)聯(lián)而成2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換的基本概念：通常將數(shù)據(jù)在通信子網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程稱為數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中常用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)可分為兩大類：線路交換和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換其中存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換交換技術(shù)又可分為：

報(bào)文交換、分組交換2.5.1線路交換方式首先要建立一個(gè)實(shí)際的物理線路連接，其中可能穿過(guò)多個(gè)交換器，每個(gè)交換器都必須提供連接。一旦建立連接，整個(gè)通路將被獨(dú)占，數(shù)據(jù)在鏈路中進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)中無(wú)需包含目的地址。數(shù)據(jù)傳送完畢釋放線路。2.5.1線路交換方式(電話)線路交換在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、釋放連接優(yōu)點(diǎn)：通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適用交互式會(huì)話類通信缺點(diǎn)：對(duì)突發(fā)性通信不適應(yīng)，效率低、系統(tǒng)無(wú)存儲(chǔ)能力、沖突概率高、無(wú)差錯(cuò)控制等特點(diǎn)：線路交換是面向連接的服務(wù)線路交換方式的工作原理結(jié)點(diǎn)A呼叫請(qǐng)求呼叫應(yīng)答報(bào)文或報(bào)文分組應(yīng)答釋放請(qǐng)求釋放應(yīng)答線路建立數(shù)據(jù)傳輸線路釋放結(jié)點(diǎn)B結(jié)點(diǎn)C結(jié)點(diǎn)D主機(jī)H主機(jī)HAB2.5.2存儲(chǔ)交換方式報(bào)文交換1）物理數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程要跨越多個(gè)節(jié)點(diǎn)(通常是路由器)，只要下一節(jié)點(diǎn)不忙，該數(shù)據(jù)即發(fā)送2）數(shù)據(jù)的傳輸不需建立連接，數(shù)據(jù)的傳輸是一站一站往下送，所以數(shù)據(jù)中必須包含目的地址，采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。3）線路利用率高4）數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，可能延時(shí)較大，不可估計(jì)5）中間節(jié)點(diǎn)需有足夠大緩存，但報(bào)文大小不定，所以緩存通常設(shè)置在硬盤中2.5.2存儲(chǔ)交換方式分組交換1）與報(bào)文交換相似，只是將報(bào)文分為若干個(gè)定長(zhǎng)的分組，每個(gè)分組為一個(gè)子報(bào)文2）數(shù)據(jù)中必須包含目的地址，采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，線路利用率高3）數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，可能延時(shí)較大，不可估計(jì)4）中間節(jié)點(diǎn)必須有緩存，但分組大小固定，所以緩存通常設(shè)在內(nèi)存中5）分組發(fā)送與接收的順序可能不一致，接收時(shí)可能需要重組交換技術(shù)圖示數(shù)據(jù)交換方式演示電路交換和分組交換對(duì)比電路交換和分組交換對(duì)比分組交換分為：數(shù)據(jù)報(bào)方式

虛電路方式2.5.3數(shù)據(jù)報(bào)方式數(shù)據(jù)報(bào)是分組存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的一種形式；在數(shù)據(jù)報(bào)方式中，分組傳送之間不需要預(yù)先在源主機(jī)與目的主機(jī)之間建立“線路連接”；源主機(jī)所發(fā)送的每一個(gè)分組都可以獨(dú)立地選擇一條傳輸路徑；每個(gè)分組在通信子網(wǎng)中可能是通過(guò)不同的傳輸路徑到達(dá)目的主機(jī)。數(shù)據(jù)報(bào)方式的工作原理實(shí)例：數(shù)據(jù)報(bào)方式主機(jī)A通信子網(wǎng)主機(jī)D數(shù)據(jù)報(bào)方式主機(jī)C主機(jī)B2.5.4虛電路方式將電路交換的概念引入到分組傳輸虛電路建立

傳輸方發(fā)起連接請(qǐng)求，中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)路徑信息建立交換表，在交換表內(nèi)，節(jié)點(diǎn)為連接分配一個(gè)虛電路號(hào)與輸出端口號(hào)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸分組中無(wú)目的地址，只有虛電路號(hào)，接收分組時(shí)在路由表中檢查虛電路號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)端口虛電路釋放

虛電路方式的工作原理實(shí)例：虛電路方式主機(jī)A主機(jī)C通信子網(wǎng)主機(jī)D虛電路方式主機(jī)B數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路動(dòng)態(tài)演示項(xiàng)目數(shù)據(jù)報(bào)虛電路建立連接不需要需要尋址方式每個(gè)分組都有源端和目的端的全地址在連接建立階段使用目的端地址路由選擇每個(gè)分組獨(dú)立選擇路由在虛電路建立好時(shí)進(jìn)行，所有分組均按同一路由結(jié)點(diǎn)失敗的影響出故障的路由器可能會(huì)丟失分組所有經(jīng)過(guò)出故障的路由器的虛電路均不能工作分組的順序不一定按發(fā)送順序到達(dá)目的站總是按發(fā)送順序到達(dá)目的站數(shù)據(jù)報(bào)和虛電路比較：2.6差錯(cuò)控制技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型，信宿接收的信號(hào)實(shí)際上是數(shù)據(jù)信號(hào)和噪聲信號(hào)的疊加。如果噪聲對(duì)信號(hào)的影響非常大時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的傳輸錯(cuò)誤數(shù)據(jù)通信中的實(shí)際情況（1）通信信道中的噪聲通信信道中的噪聲分為熱噪聲和沖擊噪聲。熱噪聲是由傳輸媒體的電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，由熱噪聲引起的差錯(cuò)屬于一種隨機(jī)差錯(cuò)。沖擊噪聲是由外界電磁干擾引起的，沖擊噪聲引起的傳輸差錯(cuò)稱為突發(fā)差錯(cuò)。（2）差錯(cuò)控制方法前向差錯(cuò)控制(前向糾錯(cuò)FEC)：接收端檢測(cè)到接收信息有錯(cuò)后，通過(guò)一定的運(yùn)算，確定差錯(cuò)的具體位置，自動(dòng)加以糾正反饋重發(fā)(自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)ARQ)：接收端檢測(cè)到接收信息有錯(cuò)后，通過(guò)反饋信道要求發(fā)送端重發(fā)原信息，直到接收端認(rèn)可為止，從而實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)（2）差錯(cuò)控制方法自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)有以下幾種方式：(1)停等式發(fā)送方每發(fā)完一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)必須等待接受方確認(rèn)后才能發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)

(2)全部重發(fā)發(fā)送發(fā)可連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，若前面出錯(cuò)，則重發(fā)出錯(cuò)數(shù)據(jù)報(bào)以后的全部報(bào)文

(3)選擇重發(fā)只重發(fā)出錯(cuò)數(shù)據(jù)報(bào)，發(fā)送方需緩存報(bào)文（3）差錯(cuò)編碼差錯(cuò)編碼分