第二章-数据通信基础知识课件

第二章第二章 数据数据通信基础知识通信基础知识2.1 数据通信的理论基础数据（数据（Data）：传递（携带）信息的实体。传递（携带）信息的实体。信息（信息（Information）：数据的内容或解释。数据的内容或解释。信号（信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。码），数据以信号的形式在介质中传播。模拟信号、数字信号模拟信号、数字信号基带（基带（Base band）、）、宽带（宽带（Broad band）信道（信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。传送信息的线路（或通路）。比特（比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即的比特数（即数据数据传送速率）。传送速率）。码元（码元（Code 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。带宽（带宽（Band width，BW）：信道传输能力的度量。信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：lBW fmax fmin 单位：赫兹（Hz）在计算机网络中，用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。l例如：传统以太网理论上每秒可以传输一千万比特，它的带宽为10Mb/s。时延（时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。间。时延时延=处理时延处理时延+排队时延排队时延+发送时延发送时延+传播时延传播时延l处理时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间l排队时延排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间l发送时延发送时延=数据位数/信道带宽l传播时延传播时延=d/s d:距离，s:介质中信号传播速度(0.7c)误码率误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。值。信息编码信息编码：将信息用二进制数表示的方法。将信息用二进制数表示的方法。例如：例如：ASCII编码、编码、BCD编码等编码等数据编码数据编码：将数据用物理量表示的方法。：将数据用物理量表示的方法。例如：字符例如：字符A的的ASCII编码为编码为01000001，其数，其数据编码可能为据编码可能为0 01 10 00 00 00 00 01 1t t信号的传输方式基带传输基带传输就数字信号而言，它是一个离散的方波，“0”代表低电平，“1”代表高电平，这种方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号，因此，基带实际上就是数字信号所占用的基本频带。基带传输是在信道中直接传输数字信号，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。信号的传输方式 频带传输频带传输所谓频带传输是指将数字信号调制成音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。可见，在采用频带传输方式时，要求发送端和接收端都要安装调制器和解调器。在实现远距离通信时，经常借助于电话线路，此时就需要利用频带传输方式。利用频带传输，不仅解决了利用电话系统传输数字信号的问题，而且可以实现多路复用，以提高传输信道的利用率。信号的传输方式宽带传输宽带传输宽带传输采用75的CATV电视同轴电缆或光纤作为传输媒体，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（Cable Modem）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。可利用宽带传输系统来实现声音、文字和图像的一体化传输，这也是通常所说的“三网合一”，即语音网、数据网和电视网合一。另外，使用Cable Modem上网就是基于宽带传输系统实现的。数据的串行传输和并行传输 并行通信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。数据的串行传输和并行传输串行通信数据流以串行方式在一条信道上传输，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。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。波特（波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：Rbit=Rbaud log2M 上式中：上式中：M-信号的编码级数，信号的编码级数，Rbit-比特率，比特率，Rbaud-波特率波特率一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。l例如：当波特率为例如：当波特率为9600时时w若M=2，数据传输率为9600b/sw若M=16，数据传输率为38.4kb/s数据通信系统的模型数据通信系统的模型通信的三个要素：通信的三个要素：信源、信宿和信道信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声噪声信源信源编码编码调制调制信道信道解调解调解解码码信宿信宿编码器：编码器：数据数据适合传输的适合传输的信号信号便于识别、纠错便于识别、纠错调制器：调制器：信号信号适合传输的形适合传输的形式式按按频率、幅度、相位频率、幅度、相位解解码器：传输码器：传输信号信号原始原始数据数据解调器：接收波形解调器：接收波形数字数字信号信号序列序列信息信息数据数据信号信号在介质上传输在介质上传输信号信号数据数据信息信息通信系统的任务通信系统的任务信息通过通信系统传输信息通过通信系统传输把携带信息的数据用物理信号形式通过介质把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。传送到目的地。信息和数据（信息和数据（0 0、1 1比特）不能直接在介质上传输比特）不能直接在介质上传输。系统组成数据终端设备通信控制器通信信道信号变换器数据通信的方向数据通信的方向单工：数据单向单工：数据单向传输传输（无线电广播）（无线电广播）半双工：数据半双工：数据可以可以双向双向传输传输，但不能，但不能在在同同一时刻双向一时刻双向传输传输（对讲机）（对讲机）全全双工：数据可同时双向双工：数据可同时双向传输传输（电话）（电话）两个方向的信号共享链路带宽：两个方向的信号共享链路带宽：1 1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2 2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输输周期信号和非周期信号周期信号和非周期信号周期信号：信号由不断重复的固定模式组成周期信号：信号由不断重复的固定模式组成（如正弦（如正弦波）波）非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环非周期信号：信号没有固定的模式和波形循环（如语（如语音的音波信号）音的音波信号），能被分解成无数个周期信号的叠加。，能被分解成无数个周期信号的叠加。ttT TT TT TT TT TT T周期信号周期信号数据通信的基本方式数据通信的基本方式数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。数据的信道。模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。道。模拟数据通信：用来出书模拟数据或数字数据对模拟数据通信：用来出书模拟数据或数字数据对应的模拟信号。使用某一频率的电磁波做为载波应的模拟信号。使用某一频率的电磁波做为载波数字数据通信：直接利用数字传输技术在数字设数字数据通信：直接利用数字传输技术在数字设备之间传输数字数据，或模拟数据对应的数字信备之间传输数字数据，或模拟数据对应的数字信号号模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值tta)模拟信号b)数字信号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 仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信。如用如用modemmodem通过拨号线路传输数字信号通过拨号线路传输数字信号。2.2 数据信息的调制与编码模拟数据的模拟调制幅度调制（AM)频率调制（FM）相位调制数字数据的模拟调制：数字数据的模拟调制：幅移键控、频移键控和相移键控幅移键控、频移键控和相移键控 幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）ASK是通过改变载波信号的幅度值表示数字信号“1”、“0”，以幅度A1表示数字信号的“1”，用载波幅度A2表示数字信号的“0”（通常A1取1，A2取0），而载波信号的参数f 和恒定。频移键控FSK（Frequency Shift Keying）FSK是通过改变载波信号频率的方法表示数字信号“1”、“0”，用f 1表示数字信号“1”，用f 2表示数字信号“0”，而载波信号的A和不变。相移键控PSK（Phase Shift Keying）PSK是通过改变载波信号的相位值表示数字信号“1”、“0”，而载波信号的A和f不变。PSK包括两种类型：绝对调相l绝对调相使用相位的绝对值，为0表示数字信号“1”，、为表示数字信号“0”。相对调相l相对调相使用相位的相对偏移值，当数字数据为0时，相位不变化，而数字数据为1时，相位要偏移。数字数据的编码利用数字通信信道直接传输数字数据信号的方法称作数字信号的基带传输，而数字数据在传输之前，需要进行数字编码。数字数据的编码方式有三种：不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。不归零编码（Non-Return to Zero，NRZ）lNRZ编码规定可用负电平表示逻辑“1”，用正电平表示逻辑“0”，反之亦然。曼彻斯特编码（Manchester）l曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一，其特点是每一位二进制信号的中间都有跳变，若从低电平跳变到高电平，就表示数字信号“1”，若从高电平跳变到低电平，就表示数字信号“0”；差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）l差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。其特点是每一位二进制信号的跳变依然提供收发端之间的同步，但每位二进制数据的取值，要根据其开始边界是否发生跳变来决定，若一个比特开始处存在跳变则表示“0”，无跳变则表示“1”。数字数据编码的示例2.3 数据的同步技术 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传输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，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，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23位，所以适合于低速通信。同步传输方式同步传输方式的信息格式是一组字符或一个二进制位组成的数据块（帧）。对这些数据，不需要附加起始位和停止位，而是在发送一组字符或数据块之前先发送一个同步字符SYN（以01101000表示）或一个同步字节（01111110），用于接收方进行同步检测，从而使收发双方进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。在同步传送时，由于发送方和接收方将整个字符组作为一个单位传送，且附加位又非常少，从而提高了数据传输的效率。所以这种方法一般用在高速传输数据的系统中，比如计算机之间的数据通信。信道复用技术 信道复用的目的是让不同的计算机连接到相同的信道上，共享信道资源。四种信道复用方式：频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM和码分复用。频分多路复用FDMFDM是把信道的可用频带分成多个互不交叠的频段（带），每个信号占其中一个频段。接收时用适当的滤波器分离出不同信号，分别进行解调接收。时分多路复用TDMTDM又分为同步时分复用（Synchronous Time Division Multiplexing，STDM）和异步时分复用（Asynchronous Time Division Multiplexing，ATDM）。波分多路复用WDMWDM主要用于全光纤网组成的通信系统。波分复用就是光的频分复用。人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，可以做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号,提高了光纤的传输能力。最初，在一根光纤上只能复用两路光载波信号，随着技术的发展，在一根光纤上复用的路数越来越多。现在已达到在一根光纤上复用80路或更多路数的光载波信号，这种复用方式就是密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)。同步时分复用STDMSTDM采用固定时间片分配方式，将传输信号的时间按特定长度连续地划分成特定时间段（一个周期），再将每一时间段划分成等长度的多个时隙，每个时隙以固定的方式分配给各路数字信号，各路数字信号在每一时间段都顺序分配到一个时隙。由于在同步时分复用方式中，时隙预先分配且固定不变，无论时隙拥有者是否传输数据都占有一定时隙，形成了时隙浪费，其时隙的利用率很低。异步时分复用异步时分复用技术又被称为统计时分复用，它能动态地按需分配时隙，避免每个时间段中出现空闲时隙。ATDM就是只有当某一路用户有数据要发送时才把时隙分配给它。当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。电路的空闲时隙可用于其他用户的数据传输。在所有的数据帧中，除最后一个帧外，其他所有帧均不会出现空闲的时隙，从而提高了资源的利用率，也提高了传输速率。数据交换技术电路交换 电路交换（Circuit Switching）也称为线路交换，是一种直接的交换方式，为一对需要进行通信的节点之间提供一条临时的专用通道，即提供一条专用的传输通道，既可以是物理通道又可以是逻辑通道（使用时分或频分复用技术）。这条通道是由节点内部电路对节点间传输路径经过适当选择、连接而完成的，是一条由多个节点和多条节点间传输路径组成的链路。电路交换通信的三个阶段 电路建立通过源节点请求完成交换网中相应节点的连接过程，这个过程建立起一条由源节点到目的节点传输通道。数据传输电路建立完成后，就可以在这条临时的专用电路上传输数据，通常为全双工传输。电路交换通信的三个阶段电路拆除在完成数据传输后，源节点发出释放请求信息，请求终止通信，若目的节点接受释放请求，则发回释放应答信息。在电路拆除阶段，各节点相应地拆除该电路的对应连接，释放由该电路占用的节点和信道资源。电路交换的特点呼叫建立时间长且存在呼损。电路交换的信道利用率低。对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。适用于实时大批量连续的数据传输。数据交换技术存储转发交换 存储转发交换（Store and Forward Switching）报文存储转发交换报文分组存储转发交换l数据报l虚电路 报文存储转发交换对于数字数据通信，广泛使用的是报文交换技术;在报文交换中，每一个报文由传输的数据和报头组成，报头中有源地址和目标地址。节点根据报头中的目标地址为报文进行路径选择。并且对收发的报文进行相应的处理。报文交换的特点源节点和目标节点在通信时不需要建立一条专用的通路；与电路交换相比，报文交换没有建立电路和拆除电路所需的等待和时延；电路利用率高，节点间可根据电路情况选择不同的速度传输，能高效地传输数据；要求节点具备足够的报文数据存放能力，一般节点由微机或小型机担当；数据传输的可靠性高，每个节点在存储转发中，都进行差错控制，即检错和纠错。由于采用了对完整报文的存储/转发，节点存储/转发的时延较大，不适用于交互式通信。分组交换分组交换属于“存储/转发”交换，它不像报文交换以报文为单位进行交换、传输，而是以更短的、标准的“报文分组”（Packet）为单位进行交换传输。假如A站有一份比较长的报文要发送给C站。则它首先将报文按规定长度划分成若干分组，每个分组附加上地址及纠错等其他信息，然后将这些分组顺序发送到交换网的节点C。分组交换又分为数据报交换和虚电路交换。数据报分组交换交换网把进网的任一分组都当作单独的“小报文”来处理，而不管它属于哪个报文的分组，就像报文交换中把一份报文进行单独处理一样。这种分组交换方式简称为数据报传输方式，作为基本传输单位的“小报文”被称为数据报（datagram）。数据报分组交换的特点 同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复或丢失现象；每一个报文在传输过程中都必须带有源节点地址和目的节点地址；使用数据报方式时，数据报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。虚电路分组交换虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，所有分组都必须沿着事先建立的虚电路传输，用户不需要发送和接收数据时清除连接。虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，在计算机网络中得到广泛的应用。虚电路的特点虚电路在每次报文分组发送之前，必须在源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接，也包括虚电路建立、数据传输和虚电路拆除三个阶段。报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，只需要携带虚电路标识号。报文分组到达目的节点不会出现丢失、重复与乱序的现象；报文分组通过每个虚电路上的节点时，节点只需要做差错检测，而不需要做路径选择。通信子网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。三种交换方式的事件顺序三种交换方式的事件顺序呼叫请求呼叫应答数数据据A AB BC CD D分组分组1 1分组分组2 2分组分组3 3报文报文A AB BC CD DA AB BC CD D寻路延迟排队延迟线路交换线路交换报文交换报文交换分组交换分组交换差错控制技术 根据数据通信系统的模型，当数据从信源发出，经过通信信道传输，由于信道总存在着一定的噪声，数据到达信宿端后，接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的叠加。接收端在取样时钟作用下接收数据，并根据阈值电平判断信号电平。如果噪声对信号的影响非常大时，就会造成数据的传输错误，数据通信中的实际情况通信信道中的噪声 通信信道中的噪声分为热噪声和冲击噪声。热噪声l是由传输媒体的电子热运动产生的，其特点是时刻存在，幅度小，干扰强度与频率无关，但频谱很宽，属于随机噪声。l由热噪声引起的差错属于一种随机差错。冲击噪声l是由外界电磁干扰引起的，与热噪声相比，冲击噪声的幅度较大，是引起差错的主要原因。冲击噪声持续时间与数据传输中每个比特的发送时间相比，可能较长，因而冲击噪声引起的相邻多个数据位出错呈突发性。l冲击噪声引起的传输差错称为突发差错。差错产生的原因在通信过程中出现的传输差错，是由随机差错和突发差错共同构成的，而造成差错可能的原因包括：在数据通信中，信号在物理信道上的线路本身的电气特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸形和衰减；电气信号在线路上产生反射噪声的回波效应；相邻线路之间的串线干扰；大气中的闪电、电源开关的跳火、自然界磁场的变化以及电源的波动等外界因素。差错的控制 在数据通信中，原发送信息，不具备抗干扰性能，如果引入冗余度后，就可以使新的码组具有一定的抗干扰能力。例如，两个码元构成四种码组00、01、10、11，无法检错，而使用三个码元，有用码组为000、011、101和110；目前差错控制常采用冗余编码方案，检测和纠正信息传输中产生的错误。冗余编码思想就是：把要发送的有效数据在发送时按照所使用的某种差错编码规则加上控制码（冗余码），当信息到达接收端后，再按照相应的校验规则检验收到的信息是否正确。差错编码差错检测编码：奇偶校验码；水平垂直奇偶校验码；CRC循环冗余码等；差错纠错编码：海明码；卷积码；奇偶校验码采用奇偶校验法，在每个字符的数据位传输之前，先检测并计算奇偶校验位，然后将其附加在后；根据采用的奇偶校验位是奇数还是偶数，推出一个字符包含“1”的数目，接收机重新计算收到字符的奇偶校验位，并确定该字符是否出现传输差错；若每个字符只采用一个奇偶校验位时，只能发现单个比特差错，如果有两个或两个以上比特出错，奇偶校验位无效；异步传输和面向字符的同步传输均采用奇偶校验技术；循环冗余码CRCCRC是一种较为复杂的校验方法，它先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算，并根据余数得出一个校验码，然后将这个校验码附加在信息数据帧之后发送出去。接收端接收数据后，将包括校验码在内的数据帧再与约定的数据进行除法运算，若余数为“0”，就表示接收的数据正确，若余数不为“0”，则表明数据在传输的过程中出错。停止等待协议在停止等待ARQ方式中，发送端在发送完一个数据帧后，要等待接收端返回的应答信息，若应答为确认信息（ACK）时，发送端才可以继续发送下一个数据帧；若应答为不确认帧（NAK）时，发送端需要重发这个数据帧。停止等待ARQ协议非常简单，由于是一种半双工的协议，因此系统的通信效率低。连续ARQ协议工作原理发送方发完一帧后，不必停下来等待对方的应答，可以连续发送若干帧；如果在发送过程中收到接收方的肯定应答，可以继续发送；若收到对其中某一帧的否认帧，则使用某种ARQ方式重发数据；优点连续发送提高了信道利用率；连续ARQ协议包括选择ARQGo-Back-N ARQARQ选择ARQ与Go-Back-N的比较采用选择ARQ方式时，由于接收到的数据帧有可能是乱序的，因此，接收端必须提供足够的缓存先将每个数据帧保存下来，然后对数据帧重新排序。但由于该方式仅重发出错的数据帧，因此，信道利用率高。对于Go-Back-N方式，接收到的数据帧是按顺序排列的，因而接收端不需要太多的缓存，但由于发送端要将出错数据之后的已发送数据帧重新发送，致使信道利用率相对较低。