數(shù)據(jù)通信與通信網(wǎng)基礎資料PPT課件

1、內容提要內容提要 3.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念 3.2 數(shù)據(jù)通信方式 3.3 傳輸介質 3.4 數(shù)據(jù)編碼技術 3.5 多路復用技術 3.6 數(shù)據(jù)交換技術 3.7 通信網(wǎng)簡介 3.8 習題 第1頁/共75頁3.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念 數(shù)據(jù)通信：完成計算機之間、計算機與終端以及終端與終端之間的信息傳遞的通信方式和通信業(yè)務。 3.1.1 通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 一.通信系統(tǒng)的基本模型 1.五個基本組件 發(fā)送設備 發(fā)送機 信道 接收機 接收設備 圖3-1 通信系統(tǒng)基本模型 2.信息傳輸系統(tǒng)：發(fā)送機、信道和接收機 第2頁/共75頁 二. 通信系統(tǒng)的發(fā)展 1.19世紀80年代-20世紀50年代 以PSTN(

2、Public Switched Telephone Network：公共開關電話網(wǎng))技術為主的電話網(wǎng) 主要業(yè)務：語音。 2.20世紀60年代 以PCM(Pulse Code Modulation：脈(mi)碼(m)調制)技術為主的數(shù)字傳送網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng) 主要業(yè)務：語音。 3.20世紀70年代 以數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和分組交換技術為主的網(wǎng)絡 主要業(yè)務：數(shù)據(jù)。 4.20世紀80年代 以綜合業(yè)務數(shù)字和移動通信技術為主的網(wǎng)絡 主要業(yè)務：語音、數(shù)據(jù)、視頻和圖像等。 第3頁/共75頁 三.相關的概念 1信息和數(shù)據(jù) (1)信息(information)：通過通信系統(tǒng)所傳遞的內容。 (2)數(shù)據(jù)(Data)：通過通信系統(tǒng)所

3、傳遞信息的形式的實體 數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)兩種類型。 2信號 信號(Signal)：在信道上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的編碼。 第4頁/共75頁 無論哪(n)種(zhng)信號，都是以電磁波的形式進行傳輸?shù)模?信號分模擬信號和數(shù)字信號兩種類型。 圖3-2 模擬信號與數(shù)字信號波形 第5頁/共75頁 3信道 信道(Channel)：傳送信號的通路 即傳輸路線，傳輸介質。 信道分模擬信道和數(shù)字信道兩種類型。 影響信道質量的兩個主要參數(shù)是信道帶寬和信道最大傳輸速率。 第6頁/共75頁 4信道帶寬 某個信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍，即最大有效頻率減去最小有效頻率所得的值。 5數(shù)據(jù)傳輸速率與信道最大傳輸速率

4、(1)數(shù)據(jù)傳輸速率：信道每秒所能傳輸?shù)亩M制比特數(shù)，為bps(比特每秒)，其他單位還有Kbps、Mbps、Gbps。 (2)信道的最大傳輸速率/信道容量：某個信道數(shù)據(jù)傳輸速率的上限。 第7頁/共75頁 無論采用何種編碼技術，某個信道上的數(shù)據(jù)傳輸速率不可能超過此信道的信道容量。 信道帶寬越寬，信道傳輸速率越高。帶寬=速率 。第8頁/共75頁 6.波特率(Baud) 信號每秒種變化的次數(shù)。 數(shù)據(jù)傳輸速率= ，其中M表示信號的編碼級數(shù)。 第9頁/共75頁 波特率與數(shù)據(jù)傳輸速率成正比關系。 第10頁/共75頁 7.吞吐量 信道在單位時間內成功傳輸?shù)男畔⒘?單位：bps)。 四影響信道質量的因素 (1)

5、信道帶寬 (2)最大傳輸速率 (3)利用率：吞吐量/最大數(shù)據(jù)傳輸速率第11頁/共75頁 (4)延遲：從發(fā)送者發(fā)送第一位數(shù)據(jù)開始，到接收者成功地收到最后一位數(shù)據(jù)為止所經歷的時間。傳輸延遲：與數(shù)據(jù)傳輸速率和發(fā)送機/接收機的處理速度有關。傳播延遲：與傳播距離有關。 (5)抖動：延遲的實時變化。與機器處理能力和信道擁擠程度有關。 (6)差(ch)錯(cu)率比特差錯率：二進制比特位在傳輸過程中被誤傳的概率。分組差錯率：數(shù)據(jù)分組被誤傳的概率。 第12頁/共75頁3.2 數(shù)據(jù)通信方式 3.2.1 并行傳輸與串行傳輸 1.串行傳輸：將待發(fā)送的每個字符的二進制代碼按由低位到高位的順序依次發(fā)送。需要一條信道，成

6、本低，效率低，適合于遠程通信。 2.并行傳輸：將表示一個字符的8位二進制代碼通過8條并行的通信信道同時發(fā)送出去，每次發(fā)送一個字符代碼，需要n條信道，成本高，效率高，適合于近距離通信。 第13頁/共75頁圖3-5 串行通信與并行通信 第14頁/共75頁 3.2.2 異步傳輸與同步傳輸 1異步傳輸(asynchronism) 每個字節(jié)作為一個單元獨立傳輸，字節(jié)之間的傳輸間隔任意，為了標志字節(jié)的開始和結尾，在每個字節(jié)的開始加1位起始位，結尾加1位、1.5位或2位停止位，構成一個新的數(shù)據(jù)單元進行傳輸。 圖3-6 異步傳輸 第15頁/共75頁 2同步傳輸(synchronization) 同步傳輸方式由

7、字符同步和位同步共同構成。 (1)字符同步：對一組字符組成的數(shù)據(jù)塊通過在其前面加特殊模式的位組合或同步字符(SYN)進行同步，然后進行整體的傳輸。 (1)位同步：每一位要進行同步。內同步：編碼技術內含同步時鐘信號。外同步：由通信線路設備提供同步時鐘信號。 第16頁/共75頁 01111110 01111110 B A X 01111110 SYN SYN B A X SYN 同步字符（一個或多個） 同步位模式（一個或多個） 可變長度的位數(shù)據(jù)塊 可變長度的字符數(shù)據(jù)塊 圖3-7 同步傳輸 第17頁/共75頁 3.2.3 數(shù)據(jù)傳輸方向 按照信號傳送方向與時間的關系可分為單工通信，半雙工通信和全雙工通

8、信。 圖3-8 單工、半雙工與全雙工通信 第18頁/共75頁 3.2.4 連接方式 1、點到點連接方式 計算機 計算機 調制解調器 調制解調器 公共交換 電話網(wǎng) 圖3-9 點到點連接方式 第19頁/共75頁 2、多點連接方式 通信 服務器 終端 終端 終端 圖3-10 多點連接 第20頁/共75頁 3.2.5 基帶傳輸與頻帶傳輸 1基帶傳輸 (1)基帶信號：表示二進制序列的矩形脈(mi)沖(chng)信號。 (2)基帶/基本頻帶：表示二進制序列的矩形脈沖的固有頻帶。 (3)基帶傳輸：直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸。 【特點】數(shù)字信號、速率高、誤碼率低。 第21頁/共75頁 2頻帶傳輸 利用

9、模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法稱為頻帶傳輸。 【特點】模擬信號、價格便宜、容易實現(xiàn)。第22頁/共75頁3.3 傳輸介質 1.傳輸介質：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理路徑，它是傳輸數(shù)據(jù)的物理基礎。 局域網(wǎng)：雙絞線；通信干(gn)線(xin)：光纜；跨國界傳輸：衛(wèi)星。 第23頁/共75頁 3.3.1 雙絞線圖3-11 雙絞線的結構示意圖 第24頁/共75頁 1.串擾：當兩根非常接近的銅線都在傳輸電信號時，就會出現(xiàn)一定的電磁干擾，叫做串擾。 解決的方法：將兩根線互相絞在一起可以減少一定的串擾。 2.雙絞線的特性(1)傳輸距離：100米(2)傳輸?shù)男盘枺簲?shù)字信號或模擬信號 (3)傳輸速率：10Mb

10、os、100Mbps(線的直徑越大，傳輸距離越短，傳輸速率越高)。第25頁/共75頁 3.雙絞線的分類：(1)非屏蔽雙絞線UTP(Un-shielded Twisted Pair)：抗干擾差、成本低、傳輸距離近(100米)。(2)屏蔽雙絞線STP(Shielded Twisted Pair)：抗干擾好、性能好、成本高、傳輸距離遠(幾十千米)。 4.UTP的分類：1、2、3、4、5五類，其中3類多用于30Mbps以下的數(shù)據(jù)傳輸，5類用于100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸或150Mbps的ATM數(shù)據(jù)傳輸。第26頁/共75頁 3.3.2 同軸電纜 第27頁/共75頁 1.同軸電纜的特性(1)傳輸距離：幾千米(

11、2)傳輸?shù)男盘枺簲?shù)字信號或模擬信號 (3)傳輸速率：50Mbps-400Mbps第28頁/共75頁 2.同軸電纜的分類 (1)基帶同軸電纜：阻抗為50，傳輸數(shù)字信號。 粗纜：局域網(wǎng)主干，2500米，數(shù)千臺設備 細纜：用戶桌面連接，180米，數(shù)千臺設備(2)寬帶同軸電纜：阻抗為75，既可傳輸模擬信號，也可傳輸數(shù)字信號，傳輸距離可達幾KM，傳輸速率可達300400 Mb/s。第29頁/共75頁 3.3.3 光纜 圖3-13 光纖結構與原理示意圖 第30頁/共75頁 1.光纜的特性(1)傳輸距離：幾千米幾十千米(2)傳輸?shù)男盘枺耗M信號或數(shù)字信號 (3)傳輸速率：100MB/S2GB/S 2.光纜的

12、分類 (1)室外光纜：保護好，強度高，內含多根光纖 (2)室內光纖：韌性好，單根光纖，容易安裝單模：細，單向傳輸，性能好，成本高多模：粗，多向傳輸，性能差，成本低第31頁/共75頁 3.3.4 無線傳輸介質 圖3-14 各通信類型使用的電磁波譜范圍 第32頁/共75頁 在計算機網(wǎng)絡領域，無線通信介質主要是微波和衛(wèi)星。 第33頁/共75頁3.4 數(shù)據(jù)編碼技術 數(shù)據(jù)編碼方法 模擬數(shù)據(jù)編碼 振幅鍵控 （ASK） 移頻鍵控（FSK） 移相鍵控（PSK） 非歸零碼（NRZ） 曼徹斯特編碼 差分曼徹斯特編碼 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼 第34頁/共75頁 3.4.1 模擬數(shù)據(jù)編碼方法：數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號 調制(Modil

13、ation)：將數(shù)字數(shù)據(jù)變換成模擬信號的過程，調制器(Modulator)； 解調(Demodulation)：將模擬信號變換成數(shù)字數(shù)據(jù)的過程，解調器(Demodulator)； 調制解調器(Modem)：同時具備調制和解調的設備。第35頁/共75頁 1調幅（ASK）/振(zhn)幅(f)鍵控 特點：容易實現(xiàn)，技術簡單，抗干擾能力較差。 2調頻（FSK）/移頻鍵控 特點：容易實現(xiàn)，技術簡單，抗干擾能力較強，最常用。 3調相（PSK）/移相鍵控 特點：較難實現(xiàn)，技術復雜，抗干擾能力較強。 第36頁/共75頁圖3-15 模擬數(shù)據(jù)信號的編碼方法 第37頁/共75頁 在實際使用過程中，上述三種方法是綜

14、合應用的。 第38頁/共75頁 3.4.2 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法：數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)字信號 0 1 0 1 1 0 0 1 0 數(shù)字數(shù)據(jù) （a）NRZ 編碼 NRZ 編碼的 同步時鐘 （b）曼徹斯特編碼 （c）差分曼徹斯特 編碼 圖3-17 數(shù)字數(shù)據(jù)到數(shù)字信號的編碼方法 第39頁/共75頁 1非歸零編碼（Non-Return to Zero，NRZ） 方法： 用高電平表示“1”，低電平(非0)表示“0” 特點： 編碼簡單，容易實現(xiàn) 需要同步時鐘信號 0或1的個數(shù)不等時，會有直流分量第40頁/共75頁 2曼徹斯特編碼（Manchester） 方法： 特點： 編碼簡單； 內含同步時鐘(一個周期時刻的跳變)；

15、不含直流分量； 不論0或1，其一個周期的前半個周期和后半個周期總是相異的。 ”?！?，從高到低表示“從低到高表示“必須發(fā)生跳變；一個周期的中間時刻01第41頁/共75頁 3差分曼徹斯特編碼（Difference Manchester） 方法： 特點： 不論0或1，其一個周期的前半個周期和后半個周期總是相異的； 第一個二進制的編碼有兩種可能?！薄！保话l(fā)生跳變表示“發(fā)生跳變表示“一個周期的開始時刻必須發(fā)生跳變；一個周期的中間時刻10第42頁/共75頁 3.4.3 脈沖編碼調制方法：模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號 1采樣 以一定的時間間隔將模擬信號的電平幅度值取出來作為樣本。 2量化 將采樣樣本幅度按量化級決定取

16、值的過程，即將連續(xù)值變?yōu)殡x散值。 3編碼 用相應位數(shù)的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。第43頁/共75頁D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5A At t0.270.30.270.30.620.60.620.61.281.31.281.31.521.51.521.51.261.31.261.30.730.70.730.70.410.40.410.40.120.10.120.1（a）（a）樣本樣本量化級量化級二進制編碼二進制編碼編碼信號編碼信號0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8（b）（b）樣本

17、 量化級 二進制編碼 編碼信號 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 1 4 7 13 15 13 6 3 0001 0100 0111 1101 1111 1101 0110 0011 圖3-18 PCM工作原理示意圖 第44頁/共75頁3.5 多路復用技術 多路復用技術(Multiplexing)：當傳輸介質的帶寬超過了傳輸單個信號所需要的帶寬時，通過在一條介質上同時攜帶多個傳輸信號的方法來提高傳輸系統(tǒng)的利用率的技術。 3.5.1 多路復用技術的基本原理高速通信線路多路復用器多路復用器 多路 復用器 多路 復用器 高速通信線路 圖3-19 多路復用原理示意圖 第45頁/共75頁

18、多路復用的基本原理：將一個區(qū)域的多個用戶信息通過多路復用器進行匯集，然后將匯集后的信息群通過一條物理線路傳送到接收設備，接收設備通過多路復用器將信息群分離成各個單獨的信息，再分發(fā)到多個用戶。 3.5.2 頻分多路復用(FDM) 基本原理：用于模擬電路系統(tǒng)，在一條通信線路上同時傳輸多路信號，每路信號以不同的載波頻率進行調制，而且各個載波頻率完全獨立，即載波形成的信號不會互相重疊，所以各路信號可以成功地在介質上傳輸。第46頁/共75頁 圖3-20 頻分多路復用原理示意圖 第47頁/共75頁 3.5.3 波分多路復用(WDM) 基本原理：用于光纖通信，在一條光纖上同時傳輸多路信號，每路信號的波長不同

19、。 共享光纖光柵光柵光纖1光纖2光纖1光纖2光纖 1 光纖 2 光柵 光柵 光纖 1 光纖 2 共享光纖 圖3-21 WDM原理示意圖 第48頁/共75頁 3.5.3 時分多路復用(TDM) 基本原理：將信道用于傳輸?shù)臅r間劃分為若干個時間片，每個用戶分得一個時間片，在其占有的時間片內，用戶使用通信信道的全部帶寬。 圖3-22 時分多路復用原理示意圖 第49頁/共75頁 1同步時分多路復用(STDM) 將時間片預先分配給各個信道，并且時間片固定不變。 2異步時分多路復用(ATDM)/統(tǒng)計時分多路復用 圖3-23 同步與統(tǒng)計時分多路復用 第50頁/共75頁 (1)靜態(tài)統(tǒng)計時分多路復用(周期性)：設

20、復用的信道數(shù)為m，每個周期T分為n個時間片，允許mn，即將每個周期內的各個時間片只分配給那些需要發(fā)送數(shù)據(jù)的信道。 (2)動態(tài)統(tǒng)計時分多路復用(非周期性)：時間片序號與信道號之間不再存在固定的對應關系，而是按需分配。第51頁/共75頁3.6 數(shù)據(jù)交換技術 定義：資源子網(wǎng)中的兩臺聯(lián)網(wǎng)的計算機之間通過通信子網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g。 3.6.1 線路交換 1.基本原理：資源子網(wǎng)中兩臺聯(lián)網(wǎng)的計算機通過通信子網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換之前，要在通信子網(wǎng)中建立一條實際的專用的物理線路連接。 第52頁/共75頁 圖3-24 線路交換方式工作原理 第53頁/共75頁 2.線路交換過程 (1)線路建立階段 (2)數(shù)據(jù)傳輸階段

21、(3)線路釋放階段第54頁/共75頁 3.特點(1)中間結點一般是電子或機電結合的交換設備；(2)交換設備和線路有模擬和數(shù)字兩種類型；(3)建立的物理連接線路是專用的；(4)中間結點不能存儲數(shù)據(jù)，也不能改變數(shù)據(jù)內容，并且沒有差錯控制能力。第55頁/共75頁 4.優(yōu)點：實時性強，適用于交互式會話類通信。 5.缺點(1)不適用于突發(fā)性通信，系統(tǒng)效率低；(2)沒有數(shù)據(jù)存儲能力，不能平滑交通量(擁擠控制)；(3)沒有差錯控制能力，也無法糾錯。第56頁/共75頁 3.6.2 報文交換 1.基本原理：數(shù)據(jù)發(fā)送者將用戶信息(待發(fā)送的數(shù)據(jù))連同目的地址等輔助信息合在一起，形成一定格式的報文發(fā)往中間結點，各中間

22、結點收到報文后，將它全部存儲到本地硬盤，直到輸出線路有空閑時，再轉發(fā)到下一個中間結點，直至到達目的結點。第57頁/共75頁 2.優(yōu)點 (1)不需要預先建立電路和事后拆除電路； (2)在中間結點可以進行差錯校驗和代碼轉換。 3.缺點(1)每個中間結點必須有較大容量的硬盤等存儲器；(2)當報文很大時，會明顯增加延時。第58頁/共75頁 3.6.3 分組交換-現(xiàn)在最常用的數(shù)據(jù)交換技術 一、數(shù)據(jù)報交換 1.基本原理：改進的報文交換方式，在發(fā)送之前，首先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)分成若干個分組，每個分組可以獨立地選擇一條傳輸路徑到達目的結點。所有分組都到達目的地時，分組進行重組，還原為最初的數(shù)據(jù)。第59頁/共75頁

23、 圖3-25 數(shù)據(jù)報方式工作原理示意圖 第60頁/共75頁 2.特點(1)同一報文的不同分組可以由不同的傳輸路徑通過通信子網(wǎng)；(2) 每一個分組在傳輸過程中都必須帶有目的地址和源地址； (3) 同一報文的不同分組到達目的結點時可能出現(xiàn)亂序、重復與丟失現(xiàn)象；(4)數(shù)據(jù)報方式報文傳輸延遲較大，適用于突發(fā)性通信，不適用于長報文、會話式通信。第61頁/共75頁 二、虛電路交換 圖3-26 虛電路方式工作原理示意圖 第62頁/共75頁 1.基本原理：數(shù)據(jù)報交換技術和線路交換技術相結合。 2.數(shù)據(jù)交換過程(1)虛電路建立階段(2)數(shù)據(jù)傳輸階段(3)虛電路拆除階段第63頁/共75頁 3.特點(1)在每次分組

24、發(fā)送之前，必須在發(fā)送方和接收方之間建立一條邏輯連接；(2)一次通信的所有分組都通過這條虛電路順序傳送，每個分組不必帶目的地址、源地址等輔助信息，也不會出現(xiàn)分組丟失、重復與亂序的現(xiàn)象；(3)分組通過虛電路上的每個結點時，結點只需要做差錯控制，無須做路徑選擇；(4)通信子網(wǎng)中每個結點可以和任何結點建立多條虛電路連接。第64頁/共75頁3.7 通信網(wǎng)簡介 3.7.1 電話撥號網(wǎng)-PSTN 1.PSTN (Public Switched Telephone Network)公用交換電話網(wǎng)。 2.適用于電話撥號上網(wǎng)； 3.需要一個Modem(9.6Kbps56Kbps)； 4.下載速率56Kbps，上傳

25、速率33.6Kbps。 您 的 計 算機 調 制 解 調器 市 內 電 話網(wǎng) ISP 公 司 的 調 制 解 調器 因 特 網(wǎng) ISP 的 服 務 器 第65頁/共75頁 3.7.2 公用分組交換網(wǎng)-X.25 1.公用分組交換網(wǎng)(X.25)是一個以數(shù)據(jù)通信為目的的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)； 2.由CCITT(International Telephone and Telegraph Consultative Committee,國際電話與電報顧問委員會)提出； 3.X.25類似于PSTN，在模擬電話線路上進行數(shù)據(jù)交換； 4.采用分組交換技術；速率64Kbps； 5.中國的X.25是CHINAPAC，1989

26、年投入使用。 第66頁/共75頁 3.7.3 數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng) 1.數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)(DDN：Digital Data Network)/數(shù)據(jù)租用專線/專線：是一個高帶寬，高質量的公共數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。 2.中國的DDN是ChinaDDN，最高速率2Mbps； 3.中國的CERNET就是由ChinaDDN來實現(xiàn)跨省市連接的。 Internet CERNET 電 信 DDN網(wǎng) 絡 用 戶 局 域 網(wǎng) Etherent 圖3-27 通過DDN進行網(wǎng)絡連接示例 第67頁/共75頁 3.7.4 幀中繼 1.一種新的公用數(shù)據(jù)交換網(wǎng)。對X.25作了簡化，減少了中間結點的處理時間(差錯控制)，使網(wǎng)絡的帶寬得到了充公的利用，極大地提高了網(wǎng)絡的吞吐量，因而被稱為快速分組交換。 2.幀中繼采用面向連接方式。 3.中國的幀中繼：64Kbps2Mbps。 第68頁/共75頁 3.7.5 綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)-ISDN 1. 綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)ISDN（Integrated Services Digital Network）是將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡