第二章数据通信基础课件

物物联网通信技网通信技术第二章第二章数据通信基数据通信基础通信系通信系统模型模型发送端信息源的作用是把各种可能的消息转换成原始的电信号。为了使该原始信号适合在信道中传输，由发送设备对原始信号进行某种处理或变化，然后再传送到信道中进行传输。信道是指信号传输的通道。在接收端，接收设备的作用是与发送设备相反，其作用是从接收信号中尽可能地恢复出原始信号，而受信者（也称信宿）是将复原的原始信号转换成相应的消息。噪声源是信道中的噪声及分布在通信系统其它各处的噪声的集中表示。21 数据通信的基本概念数据通信的基本概念2.1.1信息和数据1信息信息是对客观事物的反映,可以是对物质的形态、大小、结构、性能等全部或部分特性的描述，也可表示物质与外部的联系。信息有各种存在形式。通信中所传输的信息是多种多样的，符号、文字、话音、图形图像等都是信息多样的表现。不同的信息可分为两种类型，第一类称作离散信息，另一类称为连续信息。n离散信息：是指信息的状态是可数的或离散的，例如数据、符号等，离散信息也称为数字信息。n连续信息：是指其状态是连续变化的，如连续变化的语言、图像等，连续信息也称为模拟信息。模拟数据(AnalogData)是由传感器采集得到的连续变化的值，例如温度、压力，以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像。数字数据(DigitalData)则是模拟数据经量化后得到的离散的值，例如在计算机中用二进制代码表示的字符、图形、音频与视频数据。2数据信息可以用数字、文字的形式来表示，数字化、文字表述的信息称为数据。数据可以分成两类：模拟数据和数字数据。为了能传递信息，各种信息需转换为电信号，即信息与电信号之间必须有一一对应的关系。通常，信息被承载在电信号的某一参量上，如果电信号的参量承载的是离散消息，则该参量必须是离散取值的，这种信号称为数字信号。如果电信号的参量连续取值，则这样的信号称为模拟信号。按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号，可以相应地把通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。2.1.2 信道和信道容量1信道信道是传送信号的一条通道，可以分为物理信道和逻辑信道。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，由传输及其附属设备组成。逻辑信道也是指传输信息的一条通路，但在信号的收、发节点之间并不一定存在与之对应的物理传输介质，而是在物理信道基础上，由节点设备内部的连接来实现。一般来讲逻辑信道是按照所传送的信息进行分类的，比如业务信道、控制信道。信道的分类信道按使用权限可分为专业信道和共用信道。信道按传输介质可分为有线信道、无线信道和卫星信道。信道按传输信号的种类可分为模拟信道和数字信道。2信道容量信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用数据传输率来表示。即单位时间内传送的比特数越大，则信息的传输能力也就越大，表示信道容量大。对于一个于一个给定的定的信道信道环境，在境，在传送差送差错率（即率（即误码率）任意率）任意趋近于零的情近于零的情况下，况下，单位位时间内可以内可以传输的的信息量。信息量。克劳德艾尔伍 德香农（ClaudeElwoodShannon，1916年4月30日2001年2月2 6日）是 美 国 数 学 家、信息论的创始人。2信道容量香香农指出，指出，对于高斯白噪声信道来于高斯白噪声信道来说，信道的最大数据，信道的最大数据信号速率信号速率(或称最大或称最大传信率、信道容量信率、信道容量)为，C=Blog 2(1+S/N)3.32Blg(1+S/N)这里，里，C是信道容量，是信道容量，单位位bps；B是是传输信道信道带宽，单位位Hz；S/N是接收机是接收机输入端信号功率与噪声功入端信号功率与噪声功 率之比，率之比，单位是倍。位是倍。香香农公式揭示了信道的信噪比与公式揭示了信道的信噪比与带宽之之间的关系，当的关系，当B B、S S和和N N确定后，信道容量也就确定了。确定后，信道容量也就确定了。2信道容量由香由香农公式可以得出几点重要公式可以得出几点重要结论：1 1）任何一种信道都有它的信道容量。如果信源的）任何一种信道都有它的信道容量。如果信源的传信率信率R R小于或等于信道容量小于或等于信道容量C C，则在理在理论上存在一种方法，即通上存在一种方法，即通过适当的适当的编码，使得信源的，使得信源的输出能以任意小的差出能以任意小的差错率通率通过信道信道进行行传输；如果；如果R R大于大于C C，那么，无差，那么，无差错传输在理在理论上上是不可能的。是不可能的。2 2）信道容量）信道容量C C与与带宽B B和信噪比和信噪比S/NS/N有关。有关。对于于给定的定的C C，若减小若减小B B，则必必须增大增大S/NS/N，即提高信号，即提高信号强度；反之，若度；反之，若有有较大的大的带宽，就可以降低信噪比。由此可，就可以降低信噪比。由此可见，宽带系系统具有具有较好的抗干好的抗干扰能力。因此，能力。因此，当信噪比很低当信噪比很低时，为了保了保证通信通信质量，常采用量，常采用宽带系系统，通，通过增加信道增加信道带宽并随之相并随之相应增加信号增加信号带宽来提高信道容量，从而改善通来提高信道容量，从而改善通信信质量。量。这就是常用的就是常用的带宽替替换功率功率办法。法。2信道容量由香由香农公式可以得出几点重要公式可以得出几点重要结论：3 3）当信道的噪声是高斯白噪声）当信道的噪声是高斯白噪声时，香，香农公式中的噪声功公式中的噪声功率不是常数，它与率不是常数，它与带宽B B有关。有关。设单位位频带内的噪声功率内的噪声功率为N N0 0,单位位Watt/HWatt/HZ Z。噪声功率。噪声功率N=NN=N0 0B B，带入香入香农公式得，公式得，C=BlogC=Blog2 2(1+S(1+S/（N N0 0B B）)当当B B时，最大信道容量，最大信道容量C CMaxMax为，该公式表明，当公式表明，当S S和和N N0 0一定一定时，信道容量，信道容量C C虽随着随着带宽B B增增大而增大大而增大，但，但当当B B时，C C并不会并不会趋向于无限大，而是向于无限大，而是趋于常数于常数1.44S/N1.44S/N0 0。2.1.3 码元和码字在数字传输中，有时把一个数字脉冲称为一个码元，是构成信息编码的最小单位。计算机网络传送中的每一位二进制数字称为“码元”或“码位”，例如二进制数字是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”。2.1.4 数据通信系统主要技术指标1比特率：比特率是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数，单位用比特每秒（bps）或千比特每秒（Kbps）表示。2波特率：波特率是一种调制速率，也称波形速率。在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特（baud）。已知8进制数字信号的传输速率为1600波特，试问变换成2进制数字信号时的传输速率为多少bps?Rb=1600log28=4800bps3误码率：误码率指信息传输的错误率，也称误码率，是数据通信系统在正常工作情况下，衡量传输可靠性的指标。4吞吐量：吞吐量是单位时间内整个网络能够处理的信息总量，单位是字节/秒或位/秒。在单信道总线型网络中，吞吐量=信道容量传输效率。5通道的传播延迟：信号在信道中传播，从信源端到达信宿端需要一定的时间，这个时间叫做传播延迟（或时延）。2.1.5 带宽与数据传输率1.信道带宽信道带宽是指信道所能传送的信号频率宽度，它的值为信道上可传送信号的最高频率减去最低频率之差。带宽越大，所能达到的传输速率就越大，所以通道的带宽是衡量传输系统的一个重要指标。2.数据传输率数据传输率是指单位时间信道内传输的信息量，即比特率，单位为比特/秒。一般来说，数据传输率的高低由传输每一位数据所占时间决定，如果每一位所占时间越小，则速率越高。2.2.1 数据线路的通信方式根据数据信息在传输线上的传送方向，数据通信方式有：单工通信半双工通信双工通信单工数据传输：两站之间只能沿指定方向传输数据，反向传联络信号半双工数据传输：两站之间可以沿两个方向传输数据，但两个方向不能同时传输双工数据传输:两站之间可以同时两个方向传输数据2.2.2 数据传输方式数据传输方式依其数据在传输线原样不变地传输还是调制变样后再传输，可分为基带传输、频带传输和宽带传输等方式。1.基带传输基带传输又叫数字传输，是指把要传输的数据转换为数字信号，使用固定的频率在信道上传输。它要求信道具有较宽的通信频带。基带传输不需要调制、解调，设备花费少，适用于较小范围的数据传输。2.频带传输频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。3.宽带传输通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号。如CATV、ISDN等。2.2.2 数据传输方式基带传输适合短距离的数据输，传输距离在100米内，在音频市话、计算机网络通信中被广泛采用。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数的局域网使用基带传输，如以太网、令牌环网。频带传输是数字基带信号经调制变换，成为能在公用电话线上传输的模拟信号，模拟信号经模拟传输媒体传送到接收端后，再还原成原来信号的传输。这种频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，但是频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器，将基带信号变换为通带信号再传输。频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道(如模拟电话交换网)通信.价格便宜。2.2.2 数据传输方式宽带传输是传输模拟信号，数据传输速率范围为0400Mbs，而通常使用的传输速率是5Mbs10Mbs。它可以容纳全部广播，并可进行高速数据传输。宽带传输系统多是模拟信号传输系统。一般说，宽带传输与基带传输相比有以下优点：(1)能在一个信道中传输声音、图像和数据信息，使系统具有多种用途；(2)一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加；(3)宽带传输的距离比基带远，因数字基带直接传送数字，传输的速率愈高，传输的距离愈短。2.2.3 异步异步传输与同步与同步传输在进行串行通信时，数据和联络信号使用同一条传输线路，所以收发双方必须遵守事先约定好的规则才能进行通信。这些规则精确地规定了数据通信的格式和时序。这些为数据通信而制定的规则、约定、标准称为通信协议。一个通信协议主要又三个要素构成：第一，语法：即用户数据和控制信息的结构和格式；第二，语义：即需要发出何种控制信息，如一块数据的开始和结束等；第三，时序：即对数据实现顺序的详细说明。1、异步通信、异步通信异步通信异步通信是指通信的是指通信的发送与接收送与接收设备使用各自的使用各自的时钟控制数据的控制数据的发送和接收送和接收过程。程。为使双方的收使双方的收发协调，要求，要求发送和接收送和接收设备的的时钟尽可能一致。尽可能一致。异步通信是异步通信是以字符（构成的以字符（构成的帧）为单位位进行行传输，字符与字符之，字符与字符之间的的间隙（隙（时间间隔）是任意的，但每个字隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的符中的各位是以固定的时间传送的，送的，即即字符之字符之间是异步的是异步的（字符之（字符之间不一不一定有定有“位位间隔隔”的整数倍的关系），的整数倍的关系），但但同一字符内的各位是同步的同一字符内的各位是同步的（各位（各位之之间的距离均的距离均为“位位间隔隔”的整数倍）。的整数倍）。异步通信的数据格式异步通信的数据格式：异步通信的特点异步通信的特点：不要求收发双方时钟的：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加每个字符要附加23位用于起止位，各帧位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。之间还有间隔，因此传输效率不高。同步通信同步通信时要建立要建立发送方送方时钟对接收方接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数数据的位之据的位之间的距离均的距离均为“位位间隔隔”的整数倍，同的整数倍，同时传送的字符送的字符间不留不留间隙，即隙，即保持位同步保持位同步关系，关系，也保也保持字符同步持字符同步关系。关系。发送方送方对接收方的同步可以通接收方的同步可以通过两种方法两种方法实现。外同步外同步 自同步自同步面向字符的同步格式面向字符的同步格式：此时，传送的数据和控制信息都必须由规定的字符集此时，传送的数据和控制信息都必须由规定的字符集（如（如ASCII码）中的字符所组成。图中码）中的字符所组成。图中帧头为帧头为1个或个或2个同个同步字符步字符SYN（ASCII码为码为16H）。）。SOH为序始为序始字符字符（ASCII码为码为01H），表示标题的开始，），表示标题的开始，标题标题中包含源地中包含源地址、目标地址和路由指示等信息。址、目标地址和路由指示等信息。STX为文始为文始字符字符（ASCII码为码为02H），表示传送的数据块开始。），表示传送的数据块开始。数据块数据块是是传送的正文内容，由多个字符组成。数据块后面是传送的正文内容，由多个字符组成。数据块后面是组终组终字符字符ETB（ASCII码为码为17H）或）或文终字符文终字符ETX（ASCII码码为为03H）。然后是）。然后是校验码校验码。典型的面向字符的同步规程如典型的面向字符的同步规程如IBM的二进制同步规程的二进制同步规程BSC。面向位的同步格式面向位的同步格式：此时，将数据块看作数据流，并用序列作为开始和结束标此时，将数据块看作数据流，并用序列作为开始和结束标志。为了避免在数据流中出现序列时引起的混乱，发送方总志。为了避免在数据流中出现序列时引起的混乱，发送方总是在其发送的数据流中每出现是在其发送的数据流中每出现5个连续的个连续的1就插入一个附加的就插入一个附加的0；接收方则每检测到；接收方则每检测到5个连续的个连续的1并且其后有一个并且其后有一个0时，就删除时，就删除该该0。典型的面向位的同步协议如典型的面向位的同步协议如ISO的高级数据链路控制规程的高级数据链路控制规程HDLC和和IBM的同步数据链路控制规程的同步数据链路控制规程SDLC。同步通信的特点同步通信的特点是以特定的位组合是以特定的位组合“01111110”作为帧的作为帧的开始和结束标志，所传输的一帧数据可以是任意位。所以传开始和结束标志，所传输的一帧数据可以是任意位。所以传输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。输的效率较高，但实现的硬件设备比异步通信复杂。同步通信与异步通信区同步通信与异步通信区别：1.同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。2.同步通信效率高；异步通信效率较低。3.同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。4.同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。2.3 数据交换技术通常使用四种交换技术：电路交换报文交换分组交换信元交换。2.3.1 电路交换电路交换（也称线路交换）在电路交换方式中，通过网络节点（交换设备）在工作站之间建立专用的通信通道，即在两个工作站之间建立实际的物理连接。一旦通信线路建立，这对端点就独占该条物理通道，直至通信线路被取消。电路交换的主要优点是实时性好，由于信道专用，通信速率较高；缺点是线路利用率低，不能连接不同类型的线路组成链路，通信的双方必须同时工作。电路交换必定是面向连接的，电话系统就是这种方式。电路交换的三个阶段：电路建立阶段数据传输阶段拆除电路阶段(数据数据甲甲乙乙交交换机机电路交路交换技技术数据数据数据数据数据数据2.3.2 报文交换报文是一个带有目的端信息和控制信息的数据包。报文交换采取的是“存储转发”（Store-and-Forward）方式，不需要在通信的两个节点之间建立专用的物理线路。报文交换的主要缺点是网络的延时较长且变化比较大，因而不宜用于实时通信或交互式的应用场合。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(messageswitching)。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在，报文交换已经很少有人使用了。FDCA报文交文交换技技术存存储数据数据,将将数据数据发送送给CBE存存储数据数据,将数将数据据发送送给D存存储数据数据,将将数据数据发送送给F存存储数据数据,将数据将数据发送送给乙乙甲甲乙乙数据数据2.3.3 分组交换分组交换也称包交换，它是报文交换的一种改进，也属于存储-转发交换方式，但它不是以报文为单位，而是以长度受到限制的报文分组（Packet）为单位进行传输交换的。分组也叫做信息包，分组交换有时也称为包交换。分组在网络中传输，还可以分为两种不同的方式：数据报和虚电路。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1向H5发送分组H2向H6发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机 提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃 提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网数据报提供的服务是不可靠的，它不能保证服务质量。实际上“尽最大努力交付”的服务就是没有质量保证的服务。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1要和H5通信主机H1先向主机H5发出一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机H5同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。虚电路H1向H5发送的所有分组都沿此虚电路传送。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网同理，主机H2和主机H6通信之前，也要建立虚电路。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。提供虚电路服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量QoS(QualityofService)有较好的保证。两种服务的思路来源不同虚电路服务的思路来源于传统的电信网。电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。网络上传送的报文长度，在很多情况下都很短。用数据报既迅速又经济。若用虚电路，为了传送一个分组而建立虚电路和释放虚电路就显得太浪费网络资源了。数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地址，而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志。这就使分组的控制信息部分的比特数减少，因而减少了额外开销。数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点在使用数据报时，主机承担端到端的差错控制和流量控制。在使用虚电路时，分组按顺序交付，网络可以负责差错控制和流量控制。数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点数据报服务对军事通信有其特殊的意义。当某个结点发生故障时，后续的分组就可另选路由，因而提高了可靠性。但在使用虚电路时，结点发生故障就必须重新建立另一条虚电路。数据报服务还很适合于将一个分组发送到多个地址(即广播或多播)。数据报服务和虚电路服务都各有一些优缺点数据报服务和虚电路服务优缺点的归纳对比的方面 虚电路服务 数据报服务 思路 可靠通信应当 可靠通信应当 由网络来保证 由用户主机来保证连接的建立 必须有 不要目的站地址 仅在连接建立阶段 每个分组都有 使用，每个分组使 目的站的全地址 用短的虚电路号数据报服务和虚电路服务优缺点的归纳对比的方面 虚电路服务 数据报服务分组的转发 属于同一条虚电路 每个分组独立选择 的分组均按照同一 路由进行转发 路由进行转发当结点出 所有通过出故障的 故障结点可能丢失 故障时 结点的虚电路 分组，一些路由 均不能工作 可能会发生变化数据报服务和虚电路服务优缺点的归纳对比的方面 虚电路服务 数据报服务分组的顺序 总是按发送顺序 到达目的站时不一定 到达目的站 按发送顺序 端到端的 可以由分组交换网 由用户主机负责差错处理和 负责也可以由用户 流量控制 主机负责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。2.3.4 信元交换技术信元交换技术（ATM，AsynchronousTransferMode，异步传输模式）ATM是一种面向连接的交换技术，它采用小的固定长度的信息交换单元（一个53Byte的信元），话音、视频和数据都可由信元的信息域传输。它综合吸取了分组交换高效率和电路交换高速率的优点，针对分组交换速率低的弱点，利用电路交换完全与协议处理几乎无关的特点，通过高性能的硬件设备来提高处理速度，以实现高速化。ATM是一种广域网主干线的较好选择。2.4 差错检验与校正数据传输中出现差错有多种原因，一般分成内部因素和外部因素。内部因素有噪音脉冲、脉动噪音、衰减、延迟失真等。外部因素有电磁干扰、太阳噪音、工业噪音等。为了确保无差错地传输，必须具有检错和纠错的功能。常用的校验方式有奇偶校验和循环冗余码校验。2.4.1奇偶校验采用奇偶校验时，若其中两位同时发生错误，则会发生没有检测出错误的情况。2.4.2循环冗余码校验。这种编码对随机差错和突发差错均能以较低的冗余进行严格的检查。