2数据通信基础

章：,节：,Slide：,2-,74,一 计算机网络基础,工aaaaaaaaaa,单击此处编辑母版标题样式,2 数据通信基础,第2章 网络数据通信基础,本章学习要求：,了解,数据通信的概念,认识模拟传输与数字传输技术,掌握数据传输类型,掌握数据交换技术,掌握多路复用技术,认识差错控制,方法,2.1,数据通信的基本概念,1、通信技术的发展及概念,古时候的通信,近现代时期的通信,附：20世纪10项重大通信信息技术,1838年,莫尔斯发明有线电报,，开始了电通信阶段。其重要性在于提出了一个新的完整的通信方法，即包括数据通信设备与数据编码的完整的方法。,1895年 无线电报，马可尼利用无线电波技术试验成功无线电报机。,1918年 载波通信，改变了一对线传送一路电话的局面，能够在同一物理介质上传送多个音频电话信号。,电视20年代电视的发明深刻地改变了人们的生活，它加大了信息传播速度和信息量，使世界开始变小。,电子计算机1946年2月10日，世界上第一台电子计算机ENIAC 正式宣告诞生。计算机被认为是本世纪最重要的发明。,6.集成电路微电子技术的突破性发展，使人类的信息传输能力、信息处理能力有了空前的提高。,7.光纤通信光纤通信的出现，使通信线路资源变得极大丰富，并寻求到一种真正能够承担起未来信息化基础设施传输平台的物理介质。,8.卫星通信1960年8月，美国发射“回声一号”卫星，这是人类使用人造天体实现通信所迈出的第一步。卫星通信将人类带入了太空通信时代。,9.蜂窝移动通信70年代，美国贝尔实验室研制成功了先进移动电话系统AMPS并于1979年在芝加哥试运行，这是世界第一个蜂窝模拟移动通信系统。,10.因特网1969年，美国国防部出资兴办一个计算机网络ARPANET，它是因特网的前身。因特网的出现把人类社会推入了信息时代，把地球变成了一个没有距离的村落。,通信的概念：,广义上讲，用任何方法，通过任何媒介将信息从一个地方发送到另一个地方，就是通信。,当今，普遍采用电信号来进行信息的传递，数据通信是指建立在特定通信协议的基础上，利用各种数据传输技术，以实现在长距离的通信终端之间传递数据信息。,2、数据通信系统的构成和基本原理,数据终端设备-DTE,数据通信设备-DCE,通常将计算机或终端与数据传输线路连接起来，达到传输、收集、分配和处理数据目的的系统，称其为数据通信系统。,数据通信主要是针对计算机系统之间的数据传输和信息处理，其中包含了通信和信息处理两方面的含义。通常点到点的通信系统包括,信源,，,信道,和,信宿,三个部分。,网络中数据通信的常用术语,信息,数据,信号,通信信道,数据传输,信息、数据、信号,通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合,为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制数据来表示,-,数据,为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字编码的方式表示,信号,数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码,0,、,1,比特序列的模拟或数字信号的过程,数据,被定义为有意义的实体，而信息是指数据的内容和解释。对于数据通信来说被传输的二进制代码称之为“数据,”,（,DATA,），数据是信息的载体，数据涉及对事物的表示形式，信息涉及对数据的所表示的内容。,数据通常分为模拟数据和数字数据两种形式。模拟数据是指在某个区间内产生的连续的数值。而数字数据是指产生的离散的数值。,信号,信号是数据的表示形式，或称为数据的电子编码、电磁编码，它使数据能以适当的形式在介质上传输。信号有模拟信号和数字信号两种基本形式。,模拟信号,(analog signal),是指在一定数值范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号。见图,(a),数字信号,(digital signal),是一种离散的脉冲序列。见图,(b),通信信道,通信信道是指电信号沿发送器到接收器的通路，它包括传输介质及其有关的中间通信设备。在数据通信系统中经常采用的传输介质有双绞线、光纤、电话线以及卫星通信等。,数据传输,数据传输是指电信号把数据从发送端传送到接收端的过程。通信信道为数据信号从发送端到接收端提供了电通路，但也会使信号畸变和带来噪声和干扰，其结果是使数据在传输后造成差错。同时，通信信道的介质特性不同，信息传输率也会不同。,计算机之间的数据传输随着传输距离的增加，传输的准确性会受到很大的影响，数据通信所关注的正是独立于端点的计算机或其他数据信号源之外的数据传输过程,3、数据通信的主要技术指标,在数据通信中有很多技术指标，下面将对这些指标进行简单的介绍。,传输速率,信道带宽,出错率,数据延迟,传输速率（,码元速率,（RB）,数据速率,（Rb）,报文速率,（Rm）,）,数据速率,数据速率是指传送的信息量每秒，单位为,bit/s，,记为,bps（bit per second）,。由于二进制信号每个码元含1个bit信息，故码元速率和数据速率在数值上是相等的。但对于M进制信号，数据速率大于码元速率，,信道带宽,信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占据的频率范围，通常也被称为信道的通频带，它是由信道的物理特性所决定的。,如：电话频率范围300Hz-3400Hz,带宽越大，信道容量越大。要提高信号的传输率，信道就要有足够的带宽，目前人们也常用信道带宽来表示信道容量。,出错率,出错率是衡量数据通信系统或信道传输可靠性的一个指标。它一般指传输中出现错误码元（或bit）的个数占传输总码元（或bit）数的比例，即误码率。但有时也指传输中错误的字符数、信息组数，它们的表示公式如下：,1）误码率（Pe）,Pe=接收中错误的码元数/传输的总码元数,2）误bit率（Pb）,3）误字符率（Pw）,4）误组率（PB）,数据延迟,对信道而言，延迟用来表示网络中相距最远的两个站点之间的传播时间。对于网络上的某一站点来讲，延迟表示从接收信息到将该信息再转发出去的时间。,2.2,模拟传输与数字传输,数据是一组有意义的实体，信号则是对数据的电磁或电子编码，数据信号可用于表示任何信息。可以把数据理解成有意义的逻辑实体，而信号则是逻辑数据在实际传输介质中的表现形式。在数据通信中，各种数据在计算机中存储和处理都必须被转换为0或1表示的二进制数据，这些0或1表示的二进制数据串必须被转换成通信信号才能在通信线路中进行传输，也就是,将数字数据串转换成模拟信号或者其他信号，这种对数字数据进行信号转换的方法就是数据编码技术。,数据转换与编码,在通信系统中，模拟信号在时间和振幅上都是连续的，它虽然直观、易于实现，但是存在保密性差、抗干扰能力弱等缺点。,数字信号的振幅取值为离散的，信号振幅的数值被限制在有限的离散数值内，数字信号的保密性较高，而且抗干扰能力强；但其存在占用频带较宽、处理技术复杂等缺点。,数据转换,数据编码类型,模拟信道传输数字信号的简化模型,1、模拟传输,模拟信号和数字信号都能够在合适的传输媒体上进行传输，即模拟传输和数字传输。模拟信号可以表示模拟数据，也可以表示数字数据。无论哪种情况，在传输一定距离之后，模拟信号都将衰减。为了实现长距离传输，模拟传输系统要用放大器来增强信号的能量，但同时也会使噪音分量加大，以至引起信号畸变。,在数据发送端，信源发送的是,基带信号,，即没有经过转换的原始信号，只有通过调制解调器将基带信号转换为适合模拟信道传输的,频带信号,后才能够在模拟信道中传输；而在数据的接收端，需要通过调制解调器将接收到的频带信号转换为基带信号后，接收方才能够顺利地读取和接收发送端发送的信号。,数字数据的模拟信号编码,模拟信号的发送基础是一种称为,载波信号,的连续的频率恒定的信号，通常会采用载波的,3,种特性之一对数字数据进行编码：振幅、频率、相位。,幅移键控法（,ASK,，,Amplitude-shift Keying,）,通过正弦载波信号的振幅变换来进行编码的，振幅是关于基带数字信号的变量，每种振幅代表了数字信号元。,频移键控法（,FSK,，,Frequency-shift Keying,）,通过正弦载波信号的频率的变换来进行编码的,相移键控法（,PSK,，,Phase-shift Keying,）,通过正弦载波信号的相位变换来进行编码的,2、数字传输,1）数字数据的数字传输,数字信号可以直接采用基带传输，所谓基带就是指基本频带。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，这是一种最简单的传输方式。,基带传输时，需要解决数字数据的数字信号表示以及收发两端之间的信号同步问题。对于传输数字信号来说，使用高、低电平的方式来表示1、0这两个二进制数字是将数字数据转换成数字信号最简单的办法。,常用的数字信号编码方式有多种。,不归零编码,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,信号编码方式,2）模拟数据的数字传输-脉冲编码调制（PCM）编码,通常情况下，使用脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）能够将模拟信号转换成数字信号。PCM将模拟信号转换成数字信号的过程分为采样、量化和编码3个步骤。,采样-,要保证不失真地还原出初始的模拟信号，采样频率不能低于模拟信号自身最高频率（,fm,）的2倍。这就意味着需要按照采样时间周期,T,（,T,1/(2,fm,)）的时间间隔测量模拟信号的幅度值。,量化 -,量化是将采样幅度值赋予一个整数值。在这里,使用数字2的倍数来,对其进行量化。,编码 -,编码是将量化后的结果转化成二进制代码,。,采样、量化与编码的过程,2.3,数据传输类型,数据的传输类型，可以按照不同的分类方法进行划分，下面将介绍几种常用的数据传输类型。,1）按传输信号的类型分：,基带传输、频带传输 与宽带传输,2）按数据传输的方式分：,并行传输和串行传输,3）按数据传输的方向分：,单工通信、半双工通信和全双工通信,1、基带传输、频带传输与宽带传输,基带传输,频带传输,宽带传输,基带传输,所谓基带，是一个原始信号所占有的基本频带，若信号具有基本频带时，称为基带信号。通常情况下，没有经过调制的原始信号都是基带信号，可以是模拟的或者是数字的信号。基带传输是一种最简单的传输方式，它将基带信号直接送到信道上进行传输。基带信号所占有频带很宽，基带传输时需要独占信道的带宽，传输易于衰减，传输距离受到限制。,频带传输,将基带信号调制后形成的模拟信号称为频带信号，将频带信号通过信道进行传输则称为频带传输。频带传输的优点是传输距离长，缺点是信道容量有限。,宽带传输,多路的基带信号、音频信号和视频信号通过调制后，可以利用一条电缆的不同频段来传输，其中各条信号互相不会干扰，这种传输方式称为宽带传输。宽带传输一般指传输介质的频带宽度为,300MHz,400MHz,。宽带传输提高了传输介质的利用率。,2、并行传输和串行传输,从传输数据的方式来看，可将数据传输分为串行传输和并行传输两类。,串行传输,并行传输,串行传输,在串行传输中，在发送端和接收端利用一条通信信道，发送端按照字符所包含的比特顺序逐位传送。在传输的过程中，需要在收发双方的接口上加上并/串转换设备。由于串行传输方式费用低、实现方便，因此这种方式在计算机网络中被广泛使用。,串行传输方式,并行传输,在并行传输中，发送端和接收端提供了多条通信信道，发送端按照字符顺序逐个传送，每位能发送多个比特，每个比特通过一条信道。并行传输的优点是传输速度快，缺点是系统成本高，因此它多用于近距离传输数据。,3、单工通信、半双工通信和全双工通信,按照通信双方数据通信时数据在信道中的传输方向，数据传输分为单工通信、半双工通信和全双工通信3种方式。,单工通信,半双工通信,全双工通信,单工通信,半双工通信,全双工通信,单工通信、半双工通信和全双工通信示意图,三种通信方式,单工通信,是指数据通过一条信道，只能向一个方向传送，数据只能从,A,站到,B,站。在数据的发送端只有发送装置，接收端只有接收装置，而不需要同时具有发送和接收装置。,半双工通信,是指数据在一条通信信道中，可实现两方向上传送，但在某个时刻只能单向传送。通信双方都可以发送或接收数据，但不能同时发送或接收。在半双工通信时，当一方发送时，另一方只能接收。通信双方都需要备有发送装置和接收装置，通过开关来进行切换，交替发送或接收。,全双工通信,是指通信双方能够同时发送或接收信息。要实现全双工通信，需要通信双方都具备发送装置和接收装置，并且需要两条信道。,数据通信的同步技术,在数据通信的过程中，需要迫切地解决数据同步的问题，这是保证数据信号正确发送和接收的一个重要前提。无论是并行传输还是串行传输，都需要进行数据同步操作。在网络数据传输中，并行传输是通过增加控制信号线来保证数据的同步；串行传输是通过严格的通信协议来保证数据的同步。,数据通信的同步技术,串行数据通信是由若干个比特位组合成字符，再由多个字符组合成报文。实际传输时，以比特流的形式按位传输。这里，同步保证了接收端接收的数据与发送端发送的数据一致，即正确区分数据位、数据字节和报文。为此，同步操作必须解决位同步、字符同步和块同步3个问题。,数据通信的同步技术,位同步：接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时间基准与时钟频率，以确保区分信号中的每个比特。,字符同步：保证收发双方能够正确传输字符的过程称为字符同步，它能够正确区分信号中的每个字符。,块同步：保证收发双方能够正确传输数据块的过程称为块同步，它正确区分信号块（报文）。,数据通信的同步技术,异步传输,同步传输,异步传输,1、以字符为单位独立传输是异步传输的特点。在数据进行异步传输时，在每个字符的前后需要添加起始位和终止位，以此表示一个字符的开始和结束。在起始位和终止位之间是58位的字符数据。,2、在异步传输中，收发双方通过事先约定的一个传输速率来实现,位同步,；通过起始位和终止位实现,字符同步,；使用传送的特殊控制字符实现,块（帧）同步,。,3、异步传输的特点如下：,实现简单：每个字符的起始时刻任意，字符与字符间的时间间隔也是任意的，传送的数据中不需要包含时钟信号。,传输效率较低：每个字符都要加上起始位和终止位，因此造成了传输效率较低。,传输速率低：收发双方的传输速率总会有差异，常用于低速的终端操作。,同步传输,在数据同步传输中，实现数据帧同步的方法是通过在数据块前后加上帧头和帧尾标记，接收端根据这个标记来正确判定数据块（帧）的开始和结束位置。,同步传输有两种方式，一种是面向字符的同步传输，另一种是面向比特的同步传输，下面将对面向比特的同步传输进行讲解。,在面向比特的同步传输中，数据块是以比特流来处理的。传输的数据是比特位构成的数据块（帧），其前后加上标志序列FLAG，以此来标识数据块的开始与结束。,2.4,数据交换技术,计算机网络中数据的传输采用了以数据交换的方式，从交换技术的发展过程来看，数据交换技术主要经历了电路交换、报文交换、分组交换的发展过程。下面将详细介绍这3种数据交换技术。,1、电路交换技术,2、报文交换技术,3、分组交换技术,1、电路交换技术,电路交换技术是指在发送端和接收端之间建立起一条实际的专用线路进行数据传输，并且在整个数据传输期间，该专用线路一直为收发两端占用，直到数据传输结束才被释放。,电路交换技术包含,3,个主要的通信阶段。,线路建立阶段,-,建立端对端的线路。,数据传输阶段,-,数据在建立的线路上进行传输。,线路拆除阶段,-,当数据通信完后，通信双方应该释放建立起的通信线路。,电路交换特点,在电路交换技术中，其优点在于数据的传输延时很小，数据传输实时性好，交换设备成本较低等；而其缺点在于通信网络利用率低，费用较高，不具备存储数据的能力和差错控制能力，无法检测和纠正传输过程中的数据差错。,电路交换比较适于信息量大、长报文的固定用户间的通信。,2、报文交换技术,报文交换技术是发送方与接收方事先不需要建立连接，而是先将数据组装成报文，发送到本地交换机，等到连接该交换机的中继线路空闲时，再根据确定的路由将报文转发到目的交换机。由于每份报文的头部都含有完整的目的地址，所以每条路径不是固定分配给某一用户的，而是由多个用户进行统计复用的。数据报文以“存储,-,转发”的方式在通信网内传输。,报文交换技术的主要特点如下：,传输效率高：报文交换可以同时将数据报文发送给多个目的地址，传输效率高。,灵活性高：数据报文的发送可随时进行，只要用户有发送数据的需要，就能够立即将数据发送到通信网络中。,传输延迟较大,3、分组交换技术,分组交换技术，又称为包交换技术。在分组交换技术中，分组是交换的基本数据单元，它分组是将报文分成若干个片段，每个片段封装上目的地址、源地址及相关控制信息而构成。同报文交换方式相比，分组交换方式在各交换节点之间的数据传送更为灵活，交换节点不必等待整个报文的所有分组全部到齐，而是一个分组、一个分组地转发。这样可以大大降低节点所需的存储容量，也缩短了网路时延。另外，较短的分组比报文大大减少了差错的产生，提高了传输的可靠性。,分组交换可采用数据报分组交换和虚电路分组交换两种传输方式。,数据报分组交换,虚电路分组交换,虚电路分组交换,虚电路分组交换方式是面向连接的服务提供方式，在数据发送之前要建立一条逻辑连接，连接建立后，分组数据将在这条逻辑连接上传输。虚电路技术建立的是逻辑信道，而并不是电路交换中具有一条专用的独占物理信道。,通过数据报分组交换和虚电路分组交换两种传输方式，分组交换提供了更灵活和有效的服务，可以根据数据通信的要求提供不同的服务。,2.5,多路复用技术,在数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体的带宽或容量是有限的，为了有效地利用通信线路，往往希望一个信道可以同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(MultIPlexing)。,几种常用的多路复用技术,1）频分复用技术FDM,2）时分复用技术TDM,3）码分复用技术CDMA,4) 波分多路复用WDM,1、频分复用技术FDM （Frequency Division Multiplexing）,在物理信道的可用带宽超过单个信号所需带宽的情况下，可将物理信道的带宽分割成若干个与单个信号带宽相同(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。多路不同的信号在传输前，先要通过,频谱搬移技术,将各路信号的带宽搬移到物理信道频谱的不同段上，即使不同信号的带宽不相互重叠，这可以通过采用不同的载波频率进行调制来实现。,频分复用技术中复合信号也称为宽带信号。被复合的各路信号必须是模拟信号。,2、时分复用技术TDM （ Time Division Multiplexing）,若媒介能达到的传输速率超过所传数据的传输速率，则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，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。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。这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大的信息组进行交叉。,时分多路复用过程（用于数字信号，同步时分与异步时分）,3、码分复用技术CDMA,为了区分用户，码分复用技术（CDMA，Code Division Multiplexing Access）给每一个用户分配一个地址码，它是基于码型来分割信道的。这些地址码码型互不重叠，通过扩频技术，所有用户使用不同的扩频编码来共享信道的频率资源。码分复用技术具有抗干扰能力强、隐蔽性好等诸多优点。目前，它主要用于无线计算机网络和移动计算机连网通信。,4、波分多路复用WDM,波分多路复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）是将光纤信道按波长划分成多个波段，每一路光信号占用一个波段，利用衍射光栅实现不同频率光波的合成与分解，从而实现多路信号共享一条光纤。波分多路复用主要在光纤网络中广泛使用。,2.6,差错控制,1、,差错产生的原因与差错类型：,-传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象。差错控制是检查是否出现差错，以及如何来纠正差错的技术与方法,-在通信过程中产生的传输差错由随机差错与突发差错共同构成。,通信信道的噪声分为两类,热噪声：引起的差错是随机差错,冲击噪声：引起的差错是突发差错,差错产生的过程,2、,差错控制编码,人们总希望数据在通信线路中能够,100%,正确无误地传输，但是由于来自信道内部或者外部的干扰，总是会引起数据传输的错误。因此，计算机网络必须具备差错检测和纠正的能力。目前，,检错码,是常用的确保发送正确率的一个方法。接收端需要进行差错控制编码，这样才能够在接收到的数据中及时地发现错码。,1),奇偶校验码,2),循环冗余校验码,（,CRC,）,1)奇偶校验码,所谓奇偶校验码，是指通过在数据二进制串中增加冗余位0或1，使得数据代码中1的个数恒定为奇数或者是偶数，以达到校验的目的。通常情况下，又分为垂直奇偶校验和水平奇偶校验两种类型。,该编码方法简单，但检错能力差，一般用于通信要求较低的环境。,2）循环冗余校验码,当数据发送时，发送方对发送的数据按一定的规则运算而得到一个循环冗余校验码，然后将数据和循环冗余校验码一起构成数据帧发送；而接收方也按照同样的规则进行运算，并根据计算的结果是否有,余数判定,传输中是否有错，整个校验的过程称为循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）。,循环冗余校验实现方法,习 题,（1）数据通信系统由哪些部分构成，请简要说明。,（2）数据通信主要有哪些技术指标？其各自的含义是什么？,（3）数据传输类型有哪些？各自特点是什么？,（4）什么是数据编码技术？数字数据的数字信号编码有哪些方式？,习 题,（5）数据交换技术是指什么？通常有哪几种交换技术？各自的特点是什么？,（6）多路复用技术通常有哪几种？,（7）什么是奇偶校验，如何实现？简述循环冗余校验的实现方法。,实验1,下载一款邮件管理工具，进行参数设置，并用它进行邮件的收发与管理。,下载并安装一款,FTP,服务器端软件，进行参数设置，实现文件上传下载操作。,实现远程连接，通过远程操作在远程机上生成任一文件后保存，最后将该文件下载到本地机。,