第2章计算机网络原理通信基础.ppt

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第2章,数据通信技术基础,内容,2.1数据通信技术2.1.1模拟数据通信和数字数据通信2.1.2数据通信中的主要技术指标2.1.3通信方式2.2数据编码技术和时钟同步2.2.1数字数据的模拟信号编码2.2.2数字数据的数字信号编码2.2.3模拟信号的数字编码2.2.4多路复用技术2.2.5异步传输和同步传输,2.3数据交换技术2.3.1电路交换的工作原理2.3.2报文交换的工作原理2.3.3分组交换的工作原理2.3.4各种数据交换技术的性能比较2.4传输媒体2.4.1有线传输媒体2.4.2无线传输媒体2.4.3常用接口及其标准2.5差错控制方法2.5.1差错的产生原因及其控制方法2.5.2常见差错控制编码,2.1数据通信技术2.1.1数据通信和模拟通信,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,PC机,几个术语,数据（data）运送信息的实体。

信号（signal）数据的电气的或电磁的表现。

“模拟的”（analogous）连续变化的。

“数字的”（digital）取值是离散数值。

调制把数字信号转换为模拟信号的过程。

解调把模拟信号转换为数字信号的过程。

模拟的和数字的数据、信号,2.1.2主要技术指标,数据通信的任务是传输数据,希望达到速度出错率低、信息量大、可靠性高,并且既经济又便于使用维护。

1.数据传输速率,数据传输速率-每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或b/s。

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

数字信号通过实际的信道,失真不严重失真严重,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）,2.信道容量,信道容量表示一个信道的最大数据传输速率，单位：

位/秒（bps）,奈氏（Nyquist）准则,每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。

Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。

理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud,W是理想低通信道的带宽，单位为赫（Hz）,不能通过,能通过,0,频率（Hz）,W（Hz）,香农公式,信道的极限信息传输速率C可表达为C=Wlog2（1+S/N）b/sW为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。

奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围,源系统,传输系统,目的系统,传输系统,源点,终点,发送器,接收器,输入信息,输出信息,3.误码率,它是衡量数据通信系统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。

误码率公式：

Pe=Ne/N式中Ne为其中出错的位数；N为传输的数据总数。

2.1.3通信方式,数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：

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。

异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。

并行通信方式,并行通信传输中有多个数据位，同时在两个设备之间传输。

串行通信方式,串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的。

串行通信的方向性结构,单向通信（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。

双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。

数字数据的传输方式,基带传输：

不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。

例如：

以太网频带传输：

数字信号需调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。

例如：

通过电话模拟信道传输宽带传输：

数字信号需调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调例如：

闭路电视的信号传输早期：

利用宽带同轴电缆在0-300MHz的频带上传输信息的技术。

现在:

传输速率大于1Mb/s的广域网接入技术。

如ADSL,DDN,2.2数据编码技术和时钟同步,2.2.1数字数据的模拟信号编码为了利用廉价的公共电话交换网实现计算机之间的远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。

实现数字信号与模拟信号互换的设备称作调制解调器（Modem）。

调制解调器,数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。

对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅ASK,调频FSK,调相PSK,调制解调器的作用,调制解调器（modem）包括：

调制器（Modulator）：

把要发送的数字信号转换为频率范围在3003400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。

解调器（DEModulator）：

把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。

调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。

若识别不正确，则产生误码。

在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。

几种最基本的调制方法,调制就是进行波形变换（频谱变换）。

最基本的二元制调制方法有以下几种：

调幅（AM）：

载波的振幅随基带数字信号而变化。

调频（FM）：

载波的频率随基带数字信号而变化。

调相（PM）：

载波的初始相位随基带数字信号而变化。

2.2.3模拟信号的数字编码,对模拟数据进行数字信号编码的最常见例子是脉码调制PCM（PulseCodeModulation）,它常用于对声音信号进行编码图2-11脉码调制（PCM）原理,2.2.2数字数据的数字信号编码,1.数字数据的数字信号表示a）单极性脉冲b）双极性脉冲c）单极性归零脉冲d）双极性归零脉冲e）交替双极性归零脉冲,脉码调制PCM,2.2.4多路复用技术,多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。

FDMTDMCDMWDM,频分复用,频率,时间,频率1,频率2,频率3,频率4,频率5,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7,01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm,波分复用WDM,波分复用就是光的频分复用。

复用器,分用器,码分复用CDM,常用的名词是码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。

2.2.5异步传输和同步传输,异步传输方式中，一次只传输一个字符。

每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。

在没有数据发送时，发送方可发送连续的停止位。

接收方根据1至0的跳变来判断一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。

同步传输时，为使接收双方能判别数据块的开始和结束，还需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧。

数据同步方式,目的是使接收端与发送端在时间基准上一致（包括开始时间、位边界、重复频率等）。

有三种同步方法：

位同步字符同步帧同步,数据同步方式,为了让计算机的各部件协调工作，需要靠时钟对其分别定时和定序。

接收和发送的时序协调也要靠时钟定时，决定发送方每一位的起始和终止，接收方对信号的每一位的采样取值和时间间隔。

完全同步是不可能的。

需要对每一个间隔，校对一次时间。

我们将收发段校对时间称为收发两端的同步。

一般在帧级、字节级和位级进行。

1）位同步：

位同步又称同步传输，它是使接收端对每一位数据都要和发送端保持同步。

实现位同步的方法可分为外同步法和自同步法两种。

外同步发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码,详见冯P462.4），这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

2）字符同步：

可分为异步制和同步制；以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。

每个字符的传输需要：

1个起始位、58个数据位、1，1.5，2个停止位。

（如图3所示）,同步制：

同步传输时，不是以字符为单位的，而是面向成组传递。

它在一组信息的开头和结尾有开始和结束传递的信息位。

3）帧同步：

识别一个帧的起始和结束。

帧（Frame）数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块。

面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧。

2.3数据交换技术,数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。

2.3.1电路交换,传统的数据交换方式有电路交换和存储交换。

电路交换电路交换要经过3个阶段建立通路传输数据撤消通路,主机B,主机C,主机D,结点A,结点B,结点E,结点F,结点G,结点C,结点D,通信子网,主机A,电路交换:

三个过程,1）电路建立：

在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。

若主机B要与主机C连接，主机B先向与其相连的B节点提出请求，然后B节点在通向C节点的路径中找到下一个支路。

比如C节点选择经E节点的电路，在此电路上分配一个未用的通道，并告诉E它还要连接G节点；E再呼叫G，建立电路BCEG，最后，节点G完成到主机B的连接。

这样主机B与主机C之间就有一条专用电路BCEG，用于主机B与主机C之间的数据传输；2）数据传输：

电路BCEG建立以后，数据就可以从B发送到C，再由C交换到E；E经G发送数据。

在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。

3）电路拆除：

数据传输结束后，由某一方（B或G）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。

电路交换的特点,1）由于需要建立连接过程，建立连接需要时间，因此适合传输大量数据，而传输少量数据时效率不高。

2）连接一旦建立，便可以固定的速率传输数据，除了传输延迟外，不再有别的延迟。

3）一旦连接成功，就建立了一条临时专线，即使不通信，他人也不可使用。

缺点:

线路的利用率比较低不适合少量的突发性数据的传输要求收发双方不“忙”，有相同的数据传输速率不能完成编码格式、通信规程等方面的转换中间节点不具备差错控制能力当网络通信量很大时，会使线路的连接失败,优点:

传输的实时性好，适合实时性要求高的交互式信息的传输。

存储转发交换,分为报文交换和报文分组交换特点信道的利用率高可以对数据单元进行差错检查和纠正每个节点可以动态选择路径，不存在呼叫失败可以平衡网络的流量分布，提高网络的整体性能没有呼叫请求的等待时间，对于数据量小和突发性数据的传输有比较高的效率节点可以进行数据编码、传输速率的转换等工作每个节点要有一定的处理和存储能力实时性比电路交换差,2.3.2报文交换的工作原理,报文（Message）交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。

当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。

在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。

这种数据传输技术即存储-转发（store-and-forwardswitching）。

缺点：

报文大小不一，造成存储管理复杂。

大报文造成存储转发的延时过长；出错后整个报文全部重发。

2.3.3分组交换,分组交换也称包交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。

在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。

分组交换技术包括数据报分组（datagram）和虚电路（virtualcircuit）分组两种方式。

优点：

对转发节点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快；转发延时小适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性,数据报方式,数据报分组交换原理与特点,在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。

每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。

一个节点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一节点。

由于各数据报所走的路径不一定相同，因此不能保证各个数据报按顺序到达目的地，有的数据报甚至会中途丢失。

整个过程中，没有虚电路建立，但要为每个数据报做路由选择。

适合于突发性通信，不适合于长报文通信,虚电路方式,虚电路分组交换原理与特点,在虚电路分组交换中，为了进行数据传输，网络的源节点和目的节点之间要先建一条逻辑通路。

每个分组除了包含数据之外还包含一个虚电路标识符。

在预先建好的路径上的每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。

最后，由某一个站用清除请求分组来结束这次连接。

它之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的。

虚电路分组交换的主要特点是：

在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。

但并不像电路交换那样有一条专用通路，分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在线路上进行排队等待输出。

报文分组交换特点,减少了延迟出现误码后，只重发有误码的分组在接收下一个分组的同时，就可以转发上一个分组，提高了吞吐量由于分组比较短，可以存储在内存中，减少了存储时间技术实现比较复杂,快速分组交换,包括帧中继（FrameRelay）和异步传输模式（ATM）。

在第五章详述。

2.4传输媒体,传输媒体是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，计算机网络中采用的传输媒体分有线和无线两大类。

导向传输媒体,双绞线屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）无屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光缆,各种电缆,铜线,铜线,聚氯乙烯套层,聚氯乙烯套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,无屏蔽双绞线UTP,屏蔽双绞线STP,同轴电缆,-螺旋绞合的双导线，1mm-每根4对、25对、1800对-典型连接距离100m（LAN）-连接部件：

RJ45插座、插头-优缺点：

成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短,由两根彼此绝缘、相互缠绕成螺旋状的铜线组成。

缠绕的目的是减少电磁干扰，提高传输质量。

双绞线,屏蔽双绞线（STP，ShieldedTwistedPair）,以铝箔屏蔽以减少干扰和串音,3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽,屏蔽双绞线,非屏蔽双绞线,非屏蔽双绞线（UTP，UnshieldedTwistedPair）,同轴电缆,基带同轴电缆一条电缆只用于一个信道，特性阻抗为50，用于数字传输宽带同轴电缆一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，特性阻抗为75，用于模拟传输，300450MHz，100km，需要放大器,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,由内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体是一根柱形的套管，一般是金属线编织成的网状结构，内外导体之间有绝缘层。

基带同轴电缆分为：

细缆-阻抗：

50，D=1.02cm，传输速率：

10Mbps-单段距离：

185m、4中继、5段（925m）-两站点间最短距离0.5m，每段最多站点数30-优缺点：

价格低安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力强距离短可靠性差粗缆-阻抗：

50，D=2.54cm，传输速率：

10Mbps-单段距离：

500m、4中继、5段（2500m）-优缺点：

价格稍高安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强距离中等可靠性好,同轴电缆用于10Base2LAN,细同轴电缆，可靠性稍差BNCT型接头连接总线型拓扑用于办公室LAN,细缆,BNC接头,NIC,每段最大长度185m每段最多站点数30,两站点间最短距离0.5m,网络最大跨度925m,网络最多5个段,粗缆在10Base5LAN中的应用,粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强收发器:

发送/接收,冲突检测,电气隔离AUI:

连接件单元接口总线型拓扑用于网络骨干连接,最大段长度500米每段最多站点数100,两站点间最小距离2.5米,粗缆,Vampiretap,BNC端子,收发器,AUI电缆,NIC,网络最大跨度2.5公里,插入式分接头,光纤,纤细、柔韧、能够传导光信号的媒体。

特点：

依靠光波承载信息速率高，通信容量大带宽:

2500030000GHz仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便,光纤传输原理利用了光的反射光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。

折射量取决于两种介质的折射率。

当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。

光纤：

纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0光传输系统：

光源、介质、光检测器光源:

850nm/1300nm/1500nm发光二极管/激光二极管介质:

光纤光检测器:

光电二极管PIN/雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,光纤的工作原理,高折射率（纤芯）,低折射率（包层）,光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,典型的光缆,常见规格：

玻璃内芯50um缓变型MMF62.5um缓变/增强型MMF8.3um突变型SMF玻璃包层125um,非导向传输媒体,无线传输所使用的频段很广。

短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

微波在空间主要是直线传播。

地面微波接力通信卫星通信,无线电,固定终端点（基站）和终端之间是无线链路,基站,用户计算机和终端,基站覆盖的无线电区域,F1,F2,F3=使用的频率,地面微波接力,频率：

100MHz10GHz两个地面站之间传送可视范围距离：

50-100km速率低，几百kb/s,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,地球同步卫星,与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输距离远传输延迟时间长,常用传输媒体的比较,2.4.3常用接口及其标准,在数据通信、计算机网络以及分布式工业控制系统中，经常采用串行通信来交换数据和信息。

交换数据和信息的界面就是接口，为了使不同厂家的产品能够互换或互连，接口在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范，这样的标准规范就是接口标准（或称接口协议）。

接口的标准一般有权威机构颁布。

标准将定义接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程等特性。

基本概念,物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

EIA-232-E接口标准,DTE（DataTerminalEquipment）是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。

DCE（DataCircuit-terminatingEquipment）是数据电路端接设备，它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。

DTE通过DCE与通信传输线路相连,DTE,DCE,DCE,串行比特传输,信号线与控制线,用户环境,通信环境,用户设施,通信设施,DTE,信号线与控制线,用户设施,用户环境,EIA-232/V.24的信号定义,

（1）保护地,

（2）发送数据,（3）接收数据,（4）请求发送,（5）允许发送,（6）DCE就绪,（7）信号地,（8）载波检测,（20）DTE就绪,（22）振铃指示,DTE,DCE,计算机或终端,调制解调器,两个DTE通过DCE进行通信的例子,EIA-232/V.24接口,调制解调器,DTE-A,DTE-B,DCE-A,DCE-B,EIA-232/V.24接口,调制解调器,网络,2.5差错控制方法,差错的产生原因热噪声冲击噪声,差错的控制方法,差错控制的根本目的是发现传输过程中出现的差错并加以纠正。

差错控制的基本工作方式主要基于两种基本思想：

一是通过抗干扰编码，使得系统接收端译码器能发现错误并能准确地判断错误的位置，从而自动纠正它们；二是在系统接收端仅能发现错误，但不知差错的确切位置，无法自动纠错，必须通过请求发送端重发等方式来达到纠正错误的目的。

2.5.2常见差错控制编码,1.奇偶校验码2.循环冗余校验3.二维奇偶监督码4.恒比码5.正反码6.线性分组码,作业,