数据通信的基本概念.ppt

第二章 计算机网络基础知识 (2) 2.2.1.数字数据的模拟信号编码 调制 (Modulate)数字信号变换成音频信 号的过程 解调 (Demod1date)音频信号逆变换成 对应数字信号的过程 调制解调器 (MODulater DEModulater, 简称 Modem)一般 ,每个工作站既要发 送数据又要接收数据 ,所以总把调制 和解调功能合做成一个设备 思考：为什么在公共交换电话网中传输数字信 号必须使用调制解调器呢 ? .2 数据编码技术和时钟同步 2.2.1.数字数据的模拟信号编码 使用调制解调器进行远程通信的系统示意图 这里 ,与调制解调器相连的工作站可以是计算机、远 程终端、外部设备甚至局域网。 从图中可看出调制解调器将数字信号调制成模拟信 号 ,传输到对方后又将模拟信号解调成数字信号的过 程。 2.2.1.数字数据的模拟信号编码 模拟信号传输的基础是 载波 。 载波 具有三大要素 ,即 幅度 、 频率 和 相位 。 数字数据可以针对载波的不同要素或它们的组合进行调制。 数字调制的三种基本形式： 即移幅键控法 ASK (Amplitude -Shift keying) 移频键控法 FSK(Frequency一 Shift keying) 移相键控法 PSK(Phase一 Shift Keying) 2.2.1.数字数据的模拟信号编码 2.2.1.数字数据的模拟信号编码 用载波的两种不同 幅度 来表示二进制值的两种状态。 幅度恒定的载波的存在表示“ 1”, 不存在表示“ 0” 缺点： ASK方式容易受增益变化的影响 ,是一种效率相当低的 调制技术。在电话线路上 ,通常只能达到 1200bps的速率。 移幅键控法 ASK 1.数字数据的模拟信号编码 用载波频率附近的两种不同 频率 表示二进制的“ 0” 和“ 1” 在电话线路上使用 FSK可以实现全双工操作 ,全双工指的是可以同时 在两个方向传输数据。为了达到这个目的 ,可以将电话频带分为 3001700Hz和 17003000HZ两个子频带 ,其中一个用于发送 ,另一个 用于接收。在一个方向上 ,调制解调器可以用 1070Hz和 1270Hz两种 频率表示 0和 1;对于另一个方向 ,则可以用 2025Hz和 2225Hz两种 频率表示 0和 1。由于两套频率相互之间不存在重叠 ,因此几乎 没有什么干扰。在电话线路上 ,FSK通常也可达 1200bps速率。 移频键控法 FSK方式 2.2.1.数字数据的模拟信号编码 移相键控法 PSK 在移相键控法 PSK方式下 ,利用载波信号 相位移动 来表示数据。图中是一个二相系统的例子 ,在这 个系统中 ,用相移为 0的频率表示 0,用相移为 180。 (即反相 )的频率表示 1。实际应用中 ,PSK也可以 使用多于二相的相移 ,例如四相、八相 ,甚至更多 相。 2.2.2 数字数据的数字信号编码 数字信号可以直接采用 基带传输 。基带传输就是在线路中直接传送数字信号 的电脉冲，它是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传 输。基带传输时，需要解决的问题是数字数据的 数字信号表示 及收发两端之 间的 信号同步 两个方面。 对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个 二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。 a)单极性不归零码，无电压表示 0，恒定正电压表示 1，每个码 元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平 b)双极性不归零码， 1码和 0码都有电流， 1为正电流， 0为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。 c)单极性归零码，当发 1码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元 的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发 0码时，仍然不发送电流。 d)双极性归零码，其中 1码发正的窄脉冲， 0码发负的窄脉冲，两个 码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的 中心。 曼彻斯特编码：以跳变方向来判断是“ 0”还是“ 1”。从高电平跳到低电 平为“ 0”，从低电平跳到高电平为“ 1”。 差分曼彻斯特编码：以是否跳变来判断是“ 0”还是“ 1”。当前数据的前 半周期与前一数据位的后半周期的电平进行比较，一致为“ 1”，不同则 为“ 0”。 2.2.3 模拟数据的数字信号编码 1.脉码调制 PCM。 脉码调制是以采样定理为基础，对连续变化的模拟信号进行 周期性采样 2.模拟信号数字化的三步骤 1)采样，以采样频率 Fs把模拟信号的值采出； 2)量化，使连续模拟信号变为时间轴上的离散值； 3)编码，将离散值变成一定位数的二进制数码。 对连续变化的模拟信号进行周期性采样，利用 有效信号最高频 率或其带宽倍的采样频率，通过低通滤波器从这些采样中重新构造出 原始信号。 采样定理表达公式 : Fs(=1/Ts)2Fmax 或 Fs2Bs 式中 Ts为采样周期 Fs为采样频率 Fmax为原始信号的最高频率 Bs(=Fmax-Fmin)为原始信号的带宽 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 D7=0.130.1 D6=0.920.9 D5=1.521.5 D4=1.081.1 D3=0.560.6 D2=0.280.3 D1=0.270.3 1 2 B t ( a ) 取样并取整 2.2.4 多路复用技术 多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。 频 分多路复用 FDM和 时分多路复用 TDM是两种最常用的多路复用技术。 一、频分多路复用 FDM技术原理 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该 物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同 (或略宽 )的 子 信道 ，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用 二、 时分多路复用 TDM技术原理 若媒体能达到的位传输速率超过传输数据所需的数据传输速率，可 采用时分多路复用 TDM技术，即将一条物理信道 按时间 分成若干个 时 间片 轮流地分配给多个信号使用。每一时间片由复用的一个信号占用， 这样，利用每个信号在时间上的 交叉 ，就可以在一条物理信道上传输多 个数字信号。 三 波分复用技术（ WDM） 不同波长的光载波同在一根光纤上传输，是 光纤 上的频分复用技术。 异步传输 每一个字符的起始时刻可以是任意的（这正是称为异步传输的含 义）。 但一次只传输一个字符。每个字符用一位起始位引导、一位停止 位结束。在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位。接收方根据 1至 0的跳变来判断一个新字符的开始 ,然后接收字符中的所有位。 2.2.5 异步传输和同步传输 异步传输 优点 ： 实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要精 确地同步。 缺点 ： 每个字符增加了 2bit 3bit，降低了传输效率。所以， 这种方法常用于 1 200bit/s及其以下的低速数据传输。 发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不 知道它们会在什么时候到达。异步传输被设计用于低速 设备，比如键盘和某些打印机等。 同步传输 同步传输时，为使接收双方能判别数据块的开始和结束，还需要在 每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧 尾的数据称为一帧。帧头和 帧尾的特性取决于数据块是面向字符的还是 面向位的。 如果采用面向字符的方案，那么每个数据块以一个或多个同步字符作 为开始，同步字符通常称为 SYN。 如果采用面向位的方案则是把数据块作为位流来处理，把帧头和帧尾 都使用模式 01111110（称为标志） 异步传输和同步传输举例 起 一个字符 止 起 一个字符 止 1 0 ( a ) 异步传输 SY N 字符 SY N 字符 SO H 字符 EOT 字符 信息字符 数据信号 ( b ) 同步传输 时钟信号 同步传输与异步传输的区别 同步传输 就是，数据没有被对方确认收到则调用传输的函数就不返回。 接收时，如果对方没有发送数据，则你的线程就 一直等待 ，直到有数据 了才返回，可以继续执行其他指令 异步传输 就是，你调用一个函数发送数据，马上返回，你可以继续处理其他 事。 接收时，对方的有数据来，你会 接收到一个消息 ，或者你的相关接收函 数会被调用。 形象点说： 异步传输 : 你传输吧，我去做我的事了，传输完了告诉我一声 同步传输 : 你现在传输，我要亲眼看你传输完成，才去做别的事 定义：在任意拓扑的数据通信网络中，通过网 络节点的某种转接方式来实现从任一端系统到另 一端系统之间数据通路接续的技术。 .3 数据交换技术 2.1 电路交换 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。 更多的电话机互相连通 5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 更多的电话机互相连通 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。 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 “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。 电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接 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 B D C A 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 B D C A 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。 2.3.2 报文交换 在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理 的 报文交换 (message switching)。 报文交换 即存储转发交换。报文则指具有完整消息含义的数据单元 ，交换单元。 报头中至少要包含的信息： 报文的起始标志 数据的开始标志 数据源节点地址 数据目的节点地址及路由信息 控制信息 报文编号 报文交换特点 1、线路利用率高。 2、接收者和发送者 无需同时工作 ，当接收者处于繁忙时 ,网 络节点可以先将报文暂时存储起来。 3、当 流量加大时 ，在线路交换网络中可能导致一些呼叫被 阻塞；而在报文交换网络中 报文仍然可以接收 ，但延时 会增加。 4、报文交换系统可 同时向多个目的站发送同一报文 。这种 功能在线路交换方式中是难以实现的。 报文交换特点 5、可以 建立 报文传输的 优先级 。 6、能够在网络上实现报文的差错控制和纠错处理。 7、报文交换网络可以进行传输速率和代码格式的 转换 ，使 两个传输速率不同且代码格式相异的工作站连接。 8、发送给未工作的终端的报文可以被截取，或者存储下来 ，或者转发给其他终端 由于报文交换存在的一些缺点，所以现在报文交换 已经很少有人使用了。 F D C A 存储数据 ,将 数据发送给 C B E 存储数据 ,将数 据发送给 D 存储数据 ,将 数据发送给 F 存储数据 ,将数据 发送给 乙 甲 乙 数据 2.3.3 分组交换 交换机理相同于报文交换，差别在于交换数据单元长度 不同。 交换单元：分组。把报文（一段）分成若干分组，在每 个分组前加分组标头进行传输。 两种方式： 数据报 ：独立处理的每个分组称为 “ 数据报 ” 。 虚电路 ：建立的一条逻辑连接。 报文 分组交换的原理 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 数 据 数 据 数 据 报文 分组交换的原理 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” 分组交换的原理 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 分组首部的重要性 每一个 分组的首部都含有 地址 等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部 中的 地址信息 ，把分组 转发 到下一个结点交换机。 用这样的 存储转发 方式，最后分组就能到达 最终目 的地 。 分组交换的原理 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 数 据 数 据 数 据 分组交换的原理 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 虚电路分组交换 虚呼叫：为建立虚线路的呼叫过程称为虚呼叫。 虚拟线路（虚线路、虚通路）：通过虚呼叫建立起来的 逻辑通路称为虚拟线路。 虚通路：通过节点间的路由表映射功能建立起来的一条 “ 虚 ” 通路。 虚电路分组交换 虚线路传输 “ 分组 ” 交换方式主要特点： 要求一对通信实体间联结传输的所有分组都必须沿 预先的虚线路传输。 每个节点无须为每个分组进行路由选择。 每个连接只须进行 一次 路由选择。 分组交换网的示意图 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H 2 H3 H1 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 分组的 存储转发 过程 H1 A 分组交换网 B D E C H5 H6 H4 H 2 H3 H1 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 分组交换特点 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。 分组交换特点 分组交换的缺点： 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 。 三种交换方式特点 线路交换： 在数据传送开始之前必须建立一条 完整的通路 ； 在线路释放之前，该通路将被一对用户 完全占用 ; 适于猝发式的通信，线路利用率不高。 报文交换： 报文从源站传送到目的地采用 存储转发 方式； 在传送报文时，同时只占用 一段通道 ； 在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，时间延迟 取决于中继交换局的数目； 不适用于实时通信的要求。 三种交换方式特点 分组交换： 报文从源站被分成分组进行传输，并规定了最大分组 长度； 在数据报方式中，目的站需要 重新组装 报文； 可根据通信网的现状选择最佳路由，提高了通信效率 和可靠性； 分组交换技术是网络中使用最广泛的一种交换技术。 三种交换的比较 报 文 报 文 报 文 A B C D A B C D A B C D 报文交换 电路交换 分组交换 t 连接建立 数据传送 报文 连接释放 2.4 网络拓扑结构和网络传输介质 2.4.1网络拓扑结构 计算机网络中，通信处理机通过线路相互连接成通信子网 。人们借用拓扑学的概念，将通信处理机称为 节点 ，将通信线路 称为链路，将节点和链路连接的几何构型称为网络的拓扑结构。 网络拓扑结构是决定网络性能的主要因素，构造网络时首先要选 择合适的网络拓扑结构来物理连接所有的节点及计算机系统。 常见的网络拓扑结构有总线型、环型、星型、树型、网状 结构等。 2.4 网络拓扑结构和网络传输介质 2.4.1 计算机网络的拓扑结构 总线型结构 优点： 结构简单，价格低廉、安装使用方便 。 缺点：故障诊断和隔离比较困难。 2.4 网络拓扑结构和网络传输介质 2.4.1 计算机网络的拓扑结构 环型结构 优点： 简化了路径选择控制 ，传输延迟固定。实时性强。 可靠性较高。 缺点：节点过多时，影响传输效率。环某处断开会导致 整个系统的失效，节点的加入和撤出过程复杂。 2.4 网络拓扑结构和网络传输介质 2.4.1 计算机网络的拓扑结构 星型结构 优点： 单点故障不影响全网，结构简单 。增删节点及维护 管理容易；故障隔离和检测容易，延迟时间较短。 缺点：成本较高，通信资源利用率低；网络性能过于依赖 中心节点 。 2.4 网络拓扑结构和网络传输介质 2.4.1 计算机网络的拓扑结构 树型结构 优点： 结构比较简单，成本低 。扩充节点方便灵活。 缺点：对根的依赖性大。 2.4 网络拓扑结构和网络传输介质 2.4.1 计算机网络的拓扑结构 网状结构 优点： 具有较高的可靠性 。某一线路或节点有故障时，不会 影响整个网络的工作。 缺点：结构复杂，需要路由选择和流控制功能，网络控制软 件复杂，硬件成本较高，不易管理和维护。 2.4.2 传输媒体 传输媒体是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路， 计算机网络中采用的传输媒体分有线和无线两大类。 有线传输媒体主要有双绞线、同轴电缆和光纤，无线传输 媒体主要有微波、卫星、红外线和激光等。 1、双绞线 (TP)-由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。双绞线一 般分为非屏蔽双绞线 (UTP)和屏蔽双绞线 (STP)。计算机网络中最常用 的是第三类和第五类非屏蔽双绞线。 同轴电缆：基带同轴电缆 仅用于数字传输，阻抗为 50，并使用曼彻斯特编 码，数据传输速率最高可 达 10Mbps。宽带同轴电缆 可用于模拟信号和数字信 号传输，阻抗为 75，主 要用于 CATV 光纤 -由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成 的。光纤具有宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、 传输距离远等优点。按使用的波长区的不同分为单模 和多模光纤通信方式。