数据通信基础概念知识.ppt

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1,1.3数据通信基础知识,1.3.1数据通信的基本概念1.信息信息的载体:

数字、字符、声音、图象等。

计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母，数字或控制符的组合。

因此，为了传送信息，必须对信息中包含的每一个字符进行编码。

用二进制代码表示信息中的每个字符就是编码。

2,2.常用的二进制编码格式,在数据通信中,要进行编码,就要采用一定的编码标准.那么目前最常用的编码标准就是ASCII码.它既是计算机内码的标准,也是数据通信的编码标准.ASCII码用7位二进制数表示一个字母、数字或符号。

如：

“A”-1000001“1”-0110001,3,3.数据和信号,数据:

在网络中传输的二进制代码称为数据.数据是传输信息的载体.数据和信息的区别在于:

数据是信息的表示形式,而信息则是数据的内容和解释.对于数据通信系统来说,他关心的是信息的表示方式和传输方法.如,如何将表示信息的二进制比特通过传输介质,在计算机系统之间进行传递.,4,信号:

是数据在传输过程中的表示形式.根据数据表示方式的不同,可以把信号分为数字信号和模拟信号.

（1）数字信号:

是一种离散的电信号.

（2）模拟信号:

是一种连续变化的电信号.,5,4.信道及信道的分类,

（1）信道:

是数据信号传输的必经之路,它一般由传输线路和传输设备组成.,通信系统基本模型,数据传输系统模型,6,

（2）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,一般由传输介质和通信设备组成.逻辑信道:

是在物理信道的基础上,在节点内部实现了其他”连接”,通常把这些”连接”称为逻辑信道.因此,同一条物理信道上可以提供多条逻辑信道.（3）有线信道和无线信道（4）模拟信道和数字信道,7,根据信道中传输的不同类型的数据信号,可以将物理信道分成模拟信道和数字信道.模拟信道中传输的是模拟信号,而数字信道中传输的是数字信号.如果要在模拟信道上传输由计算机直接输出的二进制数字脉冲信号,就需要在信道两边分别安装调制解调器,对数字脉冲信号和模拟信号进行调制和解调.,8,（5）专用信道和公共交换信道5.码元和码字码元:

在数据通信中,时间轴上的一个信号编码单元被称为码元.而习惯上,把计算机网络传输的每一位二进制代码称为”码元”或”码位”.如:

“A”-1000001,那我们说这个信号是由7个码元组成的序列.而这个序列通常被称为”码字”.,9,6.数据包和数据帧数据包:

在数据传输时,通常将较大的数据块分割成较小的数据段,并且在这些数据段上附加一些信息（如,目标地址,源地址,校验码等）.这些数据段及其附加信息称为数据包.（IP层）数据帧:

在实际传输时,还要将数据包进一步分割成更小的数据单位,这就是数据帧.（链路层）,10,1.3.2通信系统的主要技术指标1.数据传输速率S（比特率）比特率:

是一种数字信号的传输速率,它是指在有效带宽上,单位时间内所传送的二进制代码的有效位数.常用b/s,Mb/s等单位来表示.2.波形调制速率B（波特率）波特率:

是一种调制速率,它是指数字信号经过调制后的速率,即经过调制后的模拟信号每秒钟的变化次数.具体来讲,在数据传输过程中,线路上每秒钟传输的波形个数就是波特率B.,11,假设T表示每个波形的持续时间,则调制速率可以表示为:

.比特率和波特率之间有下列关系:

其中,n为一个脉冲信号所表示的有效状态数.对于多相调制来说,n表示相的数目.如,在二相调制中,n=2,所以S=B,但在多相（n大于2）调制时,则有SB.（见表1-2）,12,3.带宽对于模拟信道来说,带宽是指物理信道的频带宽度.意思是指,信道允许传送信号的最高频率和最低频率之差,单位为Hz,kHz,MHz等.对于数字信道来说,带宽是指在信道上能够传送的数字信号的速率,即数据传输速率S.单位为b/s或bps.,13,4.信道容量是指物理信道能够传输数据的最大能力.当信道上传输的数据速率大于信道所允许的数据速率时,信道就不能用来传输数据了.1948年香农经研究得出了著名的香农公式该公式指出,信道的带宽和信噪比越高,则信道的容量就越高.在网络设计中,一定要注意所用的数据传输速率一定要低于信道容量所规定的数值.,14,5.带宽,数据传输速率和信道容量的关联6.误码率误码率是指二进制码元在数据传输中被传错的概率,也称出错率.可表示为:

15,1.3.3数据传输方式,1.并行传输一次同时传输若干比特的数据.2.串行传输一次只能传输1比特的数据.,串行通信与并行通信,16,串行数据通信具有以下三种方式:

（1）单工通信.

（2）半双工通信.（3）全双工通信,单工、半双工与全双工通信,17,1.3.4数据传输类型及相应技术在数据通信过程中,传输的数据信号类型不同,所使用的技术也不同,通常分为基带传输和频带传输.1.基带传输与数字信号的编码

（1）基带信号和基带传输基带信号:

就是数字信号,也称为数字基带信号.基带传输:

在线路上直接传输基带信号的方法称为基带传输.,18,在基带传输中,必须解决两个最基本的问题:

基带信号的编码问题;收发双方的同步问题.

（2）基带信号的编码问题常采用的编码方式有三种:

不归零编码编码规则.用正电压表示”1”,用负电压表示“0”.NRZ编码的特点与同步信号优点:

简单,容易实现.,19,缺点:

收发双方无法保持同步.为了保证收发同步,必须在发送NRZ编码的同时,用另一个信道同时发送同步时钟信号.曼彻斯特编码（Manchester）编码规则每比特的周期T分为前后两个相等的部分.前半周期传送该码元值的反码,后半周期传送该码元值的原码.中间的电平跳变作为双方的同步信号,20,特点与同步信号差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）编码规则每个码元值无论是”1”,还是”0”,中间都有一次电平跳变,这个跳变可以作为同步信号使用.如果码元值为”0”,则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反;如果码元值为”1”,则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同.,21,数字数据到数字信号的编码方法,22,2.频带传输与模拟信号的调制

（1）调制,解调与频带传输在频带传输中常用普通电话线作为传输介质电话线的带宽一般在3003400Hz之间.传统的电话通信信道是为传输语音信号而设计的,它不适于直接传输频带很宽,又集中在低频段的计算机产生的数字基带信号.为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输,必须将数字信号转换成模拟信号.,23,为此,需要在发送端选取音频范围的某一频率的正（余）弦模拟信号作为载波,用它运载所要传输的数字信号,并通过电话信道将其送至另一端;在接收端再将数字信号从载波上分离出来,恢复为原来的数字信号波形.这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为频带传输.在发送端将数字信号转换为模拟信号的过程称为调制.相应的调制设备称为调制器.,24,在接收端把模拟信号恢复为数字信号的过程称为解调,相应的的设备称为解调器.同时具备调制和解调功能的设备称为调制解调器.

（2）模拟信号的调制在调制过程中选用的载波信号可以表示为:

其中,A:

振幅,:

角频率,:

相位,这三个量是载波信号的3个可变电参量.,25,这三个量是正弦波的控制参数,也称为调制参数,它们的变化将对正弦波的波形产生影响.通过改变这三个参数来实现对模拟信号编码时,就会产生三种不同的调制方式:

幅度调制（调幅）频率调制（调频）相位调制应当注意的是每次在改变一个电参数时,要固定另外两个.,26,幅度调制（ASK）在幅度调制中,频率和相位是常数,振幅是变量,也就是说,载波的幅度随发送的数字信号的值而变化.例如,可以用具有幅度的载波信号表示二进制数字”1”,用幅度为0的载波信号表示二进制数字”0”.其电压波形的数学表达式为:

特点:

技术简单,信号容易实现,但抗干扰能力差.,数字”1”,数字”0”,27,模拟数据信号的编码方法,28,频率调制（FSK）在频率调制中,振幅和相位是常数,频率为变量.其电压波形的数学表达式为:

特点:

电路简单,抗干扰能力强,但频带利用率低.因此,FSK适用于传输速率较低的数字信号.,数字”1”,数字”0”,29,相位调制（PSK）振幅和频率为常数,相位为变量.相位调制可以分为:

绝对调相,相对调相和多相调制.绝对调相的调制规则用相位的绝对值表示数字信号”0”和”1”.例如:

用初始相位表示数字”1”,用初始相位表示数字”0”,则电压波形的数学表达式为:

30,相对调相的调制规则用当前波形的初始相位,相对于前一个波形的初始相位的偏移值来表示数字”0”和”1”.例如:

用表示数字信号”0”,用来表示数字信号”1”.,31,多相调制以上讨论的是两相调制的方法,即用两个不同的相位值来分别表示二进制数值”0”和”1”.但是在模拟信号的通信系统中,人们经常用多相调制的方法,来达到提高数据传输速率的目的.与两相调制类似的是,在多相调制中也存在绝对调相和相对调相之分.,32,例如,在四相调制中,可以将待发送的数字信号按两个比特为一组进行编组,一共有四组:

00,01,10,11,这样,在调相信号的传输过程中,相位每发生一次变化,便可以传送两个比特的数据.同理,在8相调制中,如果将待发送的数字信号按每3个比特一组进行编组,那么一共有8种组合.那么,在调相信号传输的过程中,相位每发生一次改变,便可以传送3个比特的数据.（见表1-3）,33,相位调制的特点是:

占用的频带较窄,抗干扰性能好,其中相对调相有更高的抗干扰性能.1.3.5数据传输中的同步技术在网络中,收发双方是通过通信介质连接起来的,当发送方将数据发送出去后,接收方如何识别这些数据位并将它们组合成字符呢?

这些问题的解决都要靠交换数据的设备之间的定时机制来实现.这个定时机制就是我们所说的同步技术,同步技术需要解决的主要问题如下:

34,何时开始发送数据发送过程中双方的数据传输速率是否一致.持续时间是多少发送时间间隔是多少.统一接收方和发送方动作的措施以及使得通信双方在时间基准上保持一致的技术就称为同步技术.常用的同步技术有:

异步传输方式和同步传输方式两种.,35,1.异步传输方式

（1）什么是异步传输方式所谓异步传输方式就是在被传送的字符前后加起止位,实现定时的传输方式.这种传输方式是以一个字符为单位进行数据传输的,并且在每个字符代码的前后附加上起始位和停止位（这些标记数据起止的位又称为成帧信息）.,36,异步传输方式,工作过程如下:

平时在线路上没有信号时,线路上处于空号状态即高电平状态;一旦接收端检测到传输线路从高电平跳向低电平,也即接收端收到起始位,说明发送端已经开始传输数据.那么接收端利用传输线的这种电平跳变,启动内部时钟,使其对准接收信息的每一位进行采样,以确保正确的接收.当接收端收到停止位时,标志着传输结束.,37,

（2）异步传输的特点各位以串行方式发送,并附加有起止位作为标示.字符之间通过空号来分隔。

优点：

设备简单，技术容易，费用低。

缺点：

由于每个字符都需要添加附加位因此，开销大。

38,2.同步传输方式

（1）什么是同步传输在传输过程中，大的数据块一起发送，在数据块的前后附加一些特殊的字符作为成帧信息。

这些成帧信息使得发送端和接收端建立起一个同步的传输过程，另外，它们还用来区分和间隔连续传输的数据块。

由于同步传输是以数据块的方式传输的因而线路的使用效率较高，但也加重了DEC的负担。

39,

（2）同步传输的特点在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块的方式传输的。

在位流中采用同步字符来保证定时。

用于同步传输的成帧信息（同步信号）的位数较异步方式少，因此，同步传输的效率比异步传输的效率高。

40,（3）同步传输的时钟信号同步传输要求严格的时序与时钟，以保证连续的数据块能正确地传输，否则出错后重传的数量较大。

实现同步时钟有外同步和内同步2这种方法。

采用单独的数据线传输时钟信号在传输双方之间，除数据传输线之外，还需要专门的时钟传输线，因此，这种方法被称为外同步。

其工作原理是：

把发送端的时钟信号作为基本时钟信号，通过时钟线传输到接收端，而接收端以此为依据，,41,对被接收的数据进行采样，完成数据的接收工作。

也可以采用相反的方法，将接收端的时钟信号通过时钟线，传回发送端，而发送端则按此时钟信号为基准信号向接收端发送数据，以达到时钟同步的目的。

这种方法适用于短距离高速传输的场合。

42,采用信号编码的方法传输时钟信号假如数据传输的距离较远，为了降低投资，除数据传输线外，不再专门铺设时钟传输线，因此，这种方法称为内同步。

其工作原理是：

把时钟信号与数据信号一起编码，形成一个新的代码发送到接收端。

接收端收到编码后进行解码，从中分离出时钟信号并用此时钟信号作为接收端的工作时钟，以达到同步时钟的目的。

这种方法常用在基带局域网的数据传输中。

43,1.3.6多路复用技术

（1）什么是多路复用技术多路复用技术就是在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。

（2）多路复用技术的实质和工作原理实质：

共享物理信道，更加有效地利用通信线路。

工作原理：

首先将一个区域的多个用户信息通过多路复用器汇集起来，然后，将汇集起来的信息群通过一条物理线路传送到接收,44,设备的复用器，最后，接收设备端的复用器再将信息群分离成单个的信息，并将其发送给多个用户。

这样就可以利用一对多路复用器和一条物理通信线路来代替多套发送和接收设备与多条通信线路。

多路复用原理示意图,45,（3）多路复用技术的分类频分复用（FDM）时分复用（TDM）波分复用（WDM）其他常用的复用技术还有：

空分复用（SDM）以及动态时分复用等。

2.频分复用在实际通信中，物理信道的可用带宽往往大于单个给定信号的带宽，FDM技术正是利用了这一特点。

46,采用FDM技术时，将信道按频率划分为多个子信道，每个子信道可以传送一路信号。

频分多路复用原理示意图,47,3.时分复用技术（TDM）如果信道允许的传输速率大大超过每路信号需要的传输速率，就可以采用时分复用技术时分复用技术的工作原理：

将各路传输信号按时间进行分割，即将每个单位传输时间划分为许多时间片（时隙）每路信号使用其中的一个时隙进行传输，由多个时隙组成的帧称为时分复用帧。

这样就可以使多路输入信号在不同的时隙内轮流、交替使用物理信道进行传输。

48,时分多路复用原理示意图,49,时分复用示例,50,TDM和FDM的区别4.波分复用技术（WDM）,WDM原理示意图,51,1.3.7广域网中的数据交换技术通常将数据在通信子网中节点间的数据传输过程统称为数据交换，对应的技术称为数据交换技术。

常用的数据交换技术分为两类：

线路交换技术存储转发交换技术。

存储转发交换技术又可分为报文交换技术和分组交换技术。

ATM技术：

ATM是一种高速分组交换技术。

52,1线路交换方式,线路交换的典型应用,53,线路交换方式,和电话交换类似，在线路交换方式中，当两台计算机要通过通信子网进行数据交换时，首先要在通信子网中建立一条实际的物理通路。

54,典型的线路交换过程,55,典型的线路交换过程,56,线路交换的特点,主要特点：

在线路建立完成之后，该物理线路连接只为此次通信专用。

通信子网中的结点交换设备不能存储数据不能改变数据的内容，并且不具备差错控制的能力。

优点：

适用于实时通信和交互式会话类通信以及一次通信需要传输大量的数据。

缺点：

对突发性通信不适应，系统效率低；系统不具有存储数据的能力，不能平滑通信量；系统没有差错控制的能力，无法发现和纠正传输过程中发生的数据差错。

57,2存储转发交换方式,

（1）存储转发的基本概念存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别:

发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。

58,存储转发方式的优点,由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；可以平滑通信量，提高系统效率；分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。

59,存储转发的分类,存储转发主要分为两种类型:

报文交换（message）报文分组交换（packet）如果在发送发送数据时,不管发送数据的长度是多少,都把它当成一个逻辑单元,在发送的数据上加上目的地址、源地址和控制信息，按一定的格式打包后组成一个报文，这种方式被称为报文交换。

60,存储转发的分类,分组交换：

就是在发送数据时，限制数据单元的最大长度，发送站将一个长报文分成多个报文分组，接收站在收到这些报文分组时，按顺序重新组成一个长报文。

61,分组交换的优点：

由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用的是分组交换技术。

2.存储转发的分类,存储转发的分类,62,分组交换技术,分组交换技术在实际应用中，又分成两种类型：

数据报方式（datagram）虚电路方式（VC-VirtualCircuit）,数据报方式,在数据报方式中，分组在传送时，不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机的。

63,分组交换技术,数据报方式的工作原理示意图,64,数据报方式的特点,分组交换技术,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结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；每一个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；使用数据报方式，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。

65,虚电路方式,虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，充分发挥两种方式的优点，以达到最佳的数据交换效果;数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。

虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路;虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：

虚电路建立、数据传输与虚电路释放。

66,虚电路方式,67,虚电路方式,68,采用虚电路交换时,链路连接状态的建立,虚电路方式举例,虚电路交换机的连接状态由VC表中的每个连接记录组成。

一个连接记录包括以下几部分：

输入接口，此VC的分组从该接口到达。

输入VCI，虚电路标示，包含在每个到达的分组中。

输出接口，此VC的分组从该接口离开交换机。

输出VCI，用于输出分组。

69,虚电路方式举例,假设从主机A到主机B要经过3个交换机,分别是交换机1、交换机2和交换机3，如下图。

70,虚电路方式举例,71,虚电路方式举例,交换机1的虚电路表记录,交换机2的虚电路表记录,交换机3的虚电路表记录,2,5,1,3,11,0,0,7,3,4,7,11,72,虚电路方式的特点,在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。

因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；一次通信中的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。

分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择；通信子网中每个结点可以和其他结点建立多条虚电路连接。

73,虚电路方式与线路交换方式的不同之处,虚电路是在传输分组时建立起的逻辑连接，称为“虚电路”是因为这种电路不是专用的。

每个结点到其他结点间可能有无数条虚电路存在；一个结点可以同时与多个结点之间具有虚电路；每条虚电路支持特定的两个结点之间的数据传输。

由于虚电路方式具有分组交换与线路交换两种方式的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。

74,3ATM的工作原理,ATM交换是对虚电路方式的进一步发展；在ATM网中，主机在发送数据之前，首先要将数据组织成若干个信元。

由于信元格式固定，因此可以减少交换机的处理负荷这就为交换机的高速交换创造了条件；象虚电路方式一样，在ATM方式中，数据传输之前，先要建立连接（逻辑连接），每个信元不需要带目的地址、源地址等信息，只带上VCI就可以了，ATM交换机根据信元的VCI结合路由表中的记录，就可以将信元送到合适的交换机输出端口。

75,几个重要概念,在讨论ATM工作原理之前，首先要了解三个术语：

物理链路（physicallink）、虚通路（VP，virtualpath）和虚通道（VC,virtualchannel）物理链路：

它是连接ATM交换机-ATM交换机、ATM交换机-ATM主机物理线路。

每条物理链路可以包含一条或多条虚通路VP，每条VP又可以包含一条或多条虚通道VC。

76,几个重要概念,虚通路两个ATM端用户间建立的连接被称为虚通路连接。

两个ATM设备间的链路被称为虚通路链路。

一条虚通路连接是由多段虚通路链路组成的。

每段虚通路链路VPL都是由VPI来标示的。

每条虚通路中可以有单向或双向的数据流，ATM技术支持不对称的数据速率，即允许两个方向的数据速率不同。

77,几个重要概念,78,虚通道在虚通道一级，两个ATM端用户建立的连接被称为虚通道连接；两个ATM设备间的链路被称为虚通道链路（VCL）一条虚通道连接由多条虚通道链路组成，每一条虚通道链路都用虚通道标示符（VCI）来标示；虚通道中的数据流可以是单向的，也可以是双向，当虚通道双向传输信元时，两个方向的通信参数可以是不同的。

几个重要概念,79,几个重要概念,80,ATM应用的例子,支持远程教学的ATM网,81,应用特点分析：

学生对文本信息的实时性要求不高，对语音和视频信息的实时性要较高。

文本、语音和视频的信息量相差很大。

ATM应用的例子,对于这种应用需求，传统的数据通信网无法满足，但是，我们可以通过ATM网络来实现这种需求。

因为，ATM网络允许为不同的应用分配不同的带宽，这样，我们就可以分别为传输文本、语音和视频的不同虚通道VC分配不同的传输速率。

82,ATM应用的例子,83,1.3.8差错控制方法技术1.差错产生的原因和差错类型,传输差错通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象；差错控制检查是否出现差错以及如何纠正差错；通信信道的噪声分为两类：

热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；引起突发差错的位长称为突发长度；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。

84,传输差错产生过程,85,误码率的定义,二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：

Pe=Ne/N其中，N为传输的二进制比特总数；Ne为被传错的比特数。

86,讨论,误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数；对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。

87,检错码与纠错码,纠错码：

每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。

检错码:

分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能发现出错，但不能确定哪一比特是错的，并且自己不能纠正传输差错。

88,常用的检错码,奇偶校验码垂直奇（偶）校验水平奇（偶）校验水平垂直奇（偶）校验（方阵码）循环冗余编码CRC目前应用最广的检错码编码方法之一,89,循环冗余编码工作原理,90,举例,91,标准CRC生成多项式G（x）,CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1CRC-32G（x）=x32+x26