数据通信基础知识综述课件

数据通信基础知识基本概念基本概念数据传输技术数据传输技术数据交换技术数据交换技术本章学习目标理解数据通信系统中的术语理解数据通信系统中的术语掌握数据交换技术掌握数据交换技术2.1数据通信技术传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机数据通信系统数据通信系统数据通信系统数据通信系统主要内容 模拟数据通信和数字数据通信模拟数据通信和数字数据通信1 1 数据及计算机通信术语数据及计算机通信术语2 2 数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信3 3 数据通信系统数据通信系统数据通信中的主要技术指标数据通信中的主要技术指标1 1 数据传输速率数据传输速率2 2 信道容量信道容量3 3 误码率误码率 通信方式通信方式 1 1 并行通信方式和串行通信方式并行通信方式和串行通信方式 2 2 数据的传输方式数据的传输方式2.1.1模拟数据通信和数字数据通信1 1 数据及计算机通信术语数据及计算机通信术语信信息息（InformationInformation）：人人们们对对现现实实世世界界事事物物存存在在方方式式或或运运动动状状态态的的某某种种认认识识。表表示示信信息息的的形形式式可可以以使使数数值值、文文字字、图图形形、声声音音、图图像像、动画等。是数据的内容或解释。动画等。是数据的内容或解释。数数据据（DataData）：传传递递（携携带带）信信息息的的实实体体。数数据据可可以以分分为为模模拟拟数数据据和和数字数据。数字数据。信信号号（SignalSignal）：数数据据的的电电子子或或电电磁磁编编码码，数数据据以以信信号号的的形形式式在在介介质质中传播。中传播。（模拟信号模拟信号、数字信号数字信号）信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机信源：通信过程中产生和发送信息的设备或计算机信宿：通信过程中接受和处理信息的设备或计算机信宿：通信过程中接受和处理信息的设备或计算机信道信道（ChannelChannel）：传送信息的线路。信道分为数字信道和模拟信道：传送信息的线路。信道分为数字信道和模拟信道模拟的和数字的数据、信号模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值时间上连续，包含无穷多个信号值数字信号数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号是二值信号ta）模拟信号tb）数字信号信道以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网以连续模拟信号形式传输数据的信道。CATV、无线电广播、电话拨号线路数字信道数字信道模拟信道模拟信道模模拟拟信信号号能能在在数数字字信信道道上上传传输输吗吗？数数字字信信号号能能在在模拟信道上传输吗？模拟信道上传输吗？模模拟拟数数据据能能在在数数字字信信道道上上传传输输吗吗？数数字字数数据据能能在在模拟信道上传输吗？模拟信道上传输吗？2 2 数字通信与模拟通信数字通信与模拟通信数字通信数字通信在数字信道上实现模拟数据或数字数据的传输在数字信道上实现模拟数据或数字数据的传输模拟通信模拟通信在模拟信道上实现模拟数据或数字数据的传输在模拟信道上实现模拟数据或数字数据的传输数字通信的优点数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理便于用计算机进行处理易于加密、保密性强易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活可以传输语音、数据、影像，通用、灵活3数据通信系统通信的三个要素：通信的三个要素：信源信源、信宿信宿和和信道信道噪声噪声信源信源发送器发送器信道信道接收器接收器信宿信宿源系统源系统目的系统目的系统任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号产生干扰，称为号产生干扰，称为“噪声噪声”。外界：闪电、串扰、电气设备外界：闪电、串扰、电气设备内部：介质特性（衰减、延迟与频率有关）内部：介质特性（衰减、延迟与频率有关）（1 1）信息通过数据通信系统的传输过程）信息通过数据通信系统的传输过程信息和数据不能直接在信道上传输信息和数据不能直接在信道上传输把携带信息的数据用物理把携带信息的数据用物理信号信号形式通过信道传送到目的地形式通过信道传送到目的地编码编码：数据：数据适合传输的数字信号适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错便于同步、识别、纠错调制调制：数字信号：数字信号适合传输的形式适合传输的形式按频率、幅度、相位按频率、幅度、相位解调解调：接收波形：接收波形数字信号数字信号解码解码：数字信号：数字信号原始数据原始数据数据编码数据编码调制调制解调解调数据解码数据解码01000001A01000001A信息信息数据数据信号信号在信道上传输在信道上传输信号信号数据数据信息信息信道信道（2）数据传输过程中的问题模模拟拟信信号号传传输输过过程程中中会会有有衰衰减减和和噪噪声声，衰衰减减会会使使信信号号变变弱弱，放放大大后后，噪噪声声也也会会增增强强，信信号畸变。号畸变。数数字字信信号号长长距距离离传传输输也也会会衰衰减减，使使用用中中继继器器比较容易恢复。比较容易恢复。例如：数字信号通过实际的信道失真不严重失真不严重失真严重失真严重 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)2.1.2数据通信中的主要技术指标评价评价数据通信的好与坏有两个数据通信的好与坏有两个标准标准：传输速度，传输质量传输速度，传输质量1 1 数据传输速率数据传输速率比特（比特（bitbit）：即一个二进制位。：即一个二进制位。比特率：比特率：为每秒传输的比特数为每秒传输的比特数bpsbps或或b/sb/s。码元（码元（Code cellCode cell）：时间轴上的一个信号编码单元。：时间轴上的一个信号编码单元。波波特特：每每秒秒传传送送的的码码元元数数，又又称称波波特特率率。单单位位为为波波特特 BaudBaud。数据的传输速率数据的传输速率信号的传输速率信号的传输速率2信道容量信信道道容容量量表表示示一一个个信信道道的的最最大大数数据据传传输输速速率率，单位：位单位：位/秒秒(bps)(bps)离散的信道容量离散的信道容量连续的信道容量连续的信道容量带宽带宽是是通通信信信信道道的的宽宽度度，是是信信道道频频率率上上界界与与下下界界之之间间之之差差，是是介介质质传传输输能能力力的的度度量量，常常以以赫赫兹兹（HzHz）为为单单位位计计量量。在在计计算算机机网网络络中中，一一般般使使用用每每秒秒位位数数(b/sb/s 或或bps)bps)作为带宽的计量单位。主要单位：作为带宽的计量单位。主要单位：kb/skb/s，Mb/sMb/s，Gb/sGb/s一一个个以以太太局局域域网网理理论论上上每每秒秒可可以以传传输输1 1千千万万比比特特，它它的的带宽相应为带宽相应为10Mb/s10Mb/s。带宽和宽带带宽和宽带带宽是速率带宽是速率对宽带传输的错误概念对宽带传输的错误概念有有些些人人愿愿意意用用“汽汽车车在在公公路路上上跑跑”来来比比喻喻“比比特特”在在网网络络上上传传输输，认认为为宽宽带带传传输输的的好好处处就就是是传传输输更更快快，好好比比汽汽车车在在高高速速公公路路上上可可以以跑跑得得更更快快一一样样。对对于于这这种种比比喻喻一一定定要谨慎对待要谨慎对待错误的概念ABAB宽带线路窄带线路在宽带线路上比特传播得快 在窄带线路上比特传播得慢 常见的错误是混淆了两种速率常见的错误是混淆了两种速率在网络中有两种不同的速率：在网络中有两种不同的速率：信号信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，秒，或公里或公里/秒）秒）计算机向网络发送计算机向网络发送比特的速率比特的速率（比特（比特/秒）秒）正确的概念A AB BA AB B宽带线路窄带线路宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。只是车距缩短了只是车距缩短了数据传输技术1 1 并行并行通信方式和通信方式和串行串行通信方式通信方式（1 1）并并行行通通信信传传输输中中有有多多个个并并行行信信道道，同同时时在两个设备之间传输。在两个设备之间传输。传输速度快，近距离传输传输速度快，近距离传输（2）串行通信方式串串行行数数据据传传输输时时，数数据据流流以以串串行行方方式式在在一一条条信信道上传输的道上传输的 。适合远距离传输适合远距离传输单工通信工通信只能有一个只能有一个方向的通信方向的通信而没有反方而没有反方向的交互。向的交互。半双工通信半双工通信通信的双方通信的双方都可以都可以发送送信息，但不信息，但不能双方同能双方同时发送送(当然当然也就不能同也就不能同时接收接收)。全双工通信全双工通信通信的双方通信的双方可以同可以同时发送和接收信送和接收信息。息。串行通信的方向性结构如如广广播播和和电电视视节节目目的的传传送送以以及及寻寻呼呼系系统统都都属于单工通信的例子。属于单工通信的例子。警警察察使使用用的的“对对讲讲机机”和和军军队队使使用用的的“步步话机话机”全双工通信典型的应用就是电话系统。全双工通信典型的应用就是电话系统。2数据的传输方式基带基带/频带频带/宽带传输宽带传输基基带带传传输输：不不需需调调制制，编编码码后后的的数数字字脉脉冲冲信信号号直直接接在在信信道上传送。道上传送。例如：以太网（局域网）例如：以太网（局域网）频频带带传传输输：数数字字信信号号调调制制成成音音频频模模拟拟信信号号后后再再传传送送，接接收方需要解调。收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据例如：通过电话网络传输数据宽宽带带传传输输：把把信信号号调调制制成成频频带带为为几几十十MHZMHZ到到几几百百MHZMHZ的的模模拟信号拟信号后再传送，接收方需要解调。后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输例如：闭路电视的信号传输2.2数据编码技术不同类型的数据在不同类型的信道上传输有不同类型的数据在不同类型的信道上传输有4 4种情况：种情况：数据数据：模拟数据：模拟数据 数字数据数字数据信号信号：模拟信号：模拟信号 数字信号数字信号 信道信道：模拟信道：模拟信道 数字信道数字信道编码编码2.3数据交换技术什么是交换？什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源。按某种方式动态地分配传输线路资源。如如，电电话话交交换换机机在在用用户户呼呼叫叫时时为为用用户户选选择择一一条条可可用用的的线线路路进进行行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。最初的交换：人工转接交换最初的交换：人工转接交换为什么要采用交换技术？为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率。节省线路投资，提高线路利用率。实实现现交交换换的的方方法法主主要要有有：电电路路交交换换、报报文文交交换换和和分组交换分组交换。为什么要为什么要为什么要为什么要交换？交换？交换？交换？2.3.1 2.3.1 电路交换电路交换在在通通信信双双方方之之间间建建立立一一条条临临时时专专用用线线路路的的过过程。程。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。过程过程：建立连接建立连接通信通信释放连接释放连接特特点点：数数据据传传输输前前需需要要建建立立一一条条端端到到端端的的通通路路。称为称为“面向连接的面向连接的”（典型（典型例子例子：电话）：电话）电话网络中的电路交换电话网络中的电路交换电路交换也能在多路复用信道上实现电路交换也能在多路复用信道上实现在物理线路的某个信道上建立连接在物理线路的某个信道上建立连接主机主机B主机主机C主机主机D结点结点A结点结点B结点结点E结点结点F结点结点G结点结点C结点结点D通信子网通信子网主机主机A电路交换优缺点：电路交换优缺点：数数据据传传输输可可靠靠、迅迅速速，数数据据不不会会丢丢失失且且保保持持原来的序列。原来的序列。建立连接和拆除的时间长；建立连接和拆除的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；适合于语音通信，不适合于猝发式的通信适合于语音通信，不适合于猝发式的通信不不适适用用于于计计算算机机通通信信：因因为为计计算算机机数数据据具具有有猝猝发发性性的的特点，真正传输数据的时间不到特点，真正传输数据的时间不到10%10%。2.3.2 2.3.2 报文交换报文交换以报文为单位进行以报文为单位进行“存储存储-转发转发”交换的技术。交换的技术。在在交交换换过过程程中中，交交换换设设备备将将接接收收到到的的报报文文先先存存储储，待待信信道道空空闲闲时时再再转转发发出出去去，一一级级一一级级中中转转，直直到到目目的的地地。这种数据传输技术称为这种数据传输技术称为存储存储-转发转发。传传输输之之前前不不需需要要建建立立端端到到端端的的连连接接，仅仅在在相相邻邻结结点点 传传 输输 报报 文文 时时 建建 立立 结结 点点 间间 的的 连连 接接。称为称为“无连接的无连接的”（典型例子：电报）（典型例子：电报）数据传输单位是数据传输单位是报文报文（MessageMessage）报文交换优缺点：报文交换优缺点：线路利用率高；线路利用率高；可以把一个报文发送到多个目的地可以把一个报文发送到多个目的地节点存储转发有时延；节点存储转发有时延；大大报报文文造造成成存存储储转转发发的的延延时时过过长长，且且对对存存储储设设备备存存储储容量要求较高，容量要求较高，传输的必须是数字数据传输的必须是数字数据；出错后整个报文全部重发。出错后整个报文全部重发。类比：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？类比：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？适合于突发通信，不适合于长报文的通信适合于突发通信，不适合于长报文的通信2.3.3 2.3.3 分组交换分组交换将报文分割成若干大小相等的分组（将报文分割成若干大小相等的分组（PacketPacket）进行存储转发。）进行存储转发。数数 据据 传传 输输 前前 不不 需需 要要 建建 立立 一一 条条 端端 到到 端端 的的 通通 路路 是是“无连接的无连接的”。有强大的有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能功能。优缺点：优缺点：对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快；速度快；转发延时小转发延时小适用于交互式通信；适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性好。各分组可通过不同路径传输，容错性好。需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。分组交换有两种交换方式：分组交换有两种交换方式：数据报方式数据报方式和和虚电路方式虚电路方式2.3.4 2.3.4 三种交换方式的事件顺序三种交换方式的事件顺序呼呼叫叫请请求求呼呼叫叫应应答答数数据据ABCD寻路延迟寻路延迟电路交换电路交换分组分组1分组分组2分组分组3 3ABCD分组交换分组交换分组分组4 4t t报文报文ABCD排队延迟排队延迟报文交换报文交换