計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用第2章 數(shù)據(jù)通信基

1、2.1通信的相關(guān)概念 2.1.1通信系統(tǒng)模型 1.通信的基本術(shù)語通信的基本術(shù)語v 通信通信是通過某種媒體進(jìn)行的信息傳遞。v 信息信息是指數(shù)據(jù)中包含的有意義的內(nèi)容。它是通過數(shù)據(jù)來表示的，數(shù)據(jù)是信息的載體。v 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分為離散型數(shù)據(jù)和連續(xù)型數(shù)據(jù)。v 信號信號是指隨時間變化的物理量。2.通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型 3.通信系統(tǒng)的組成通信系統(tǒng)的組成 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由以下幾部分組成。 （1)信源 信源是發(fā)出信息的源，其作用是把各種可能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成原始電信號。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。 （2)變換器 （3）信道 信道是指傳輸信號的通道，可以是有線的，也可以是無線的，有線和無線均有多種傳輸媒質(zhì)。 （4）反變換

2、器 反變換器的基本功能是完成變換器的反變換，即進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解碼等。 （5）信宿 信宿是傳輸信息的歸宿， （6）噪聲源2.1.2 數(shù)據(jù)通信過程數(shù)據(jù)通信過程整個通信過程分為以下5個階段:v（1）通信線路的建立 v（2）數(shù)據(jù)傳輸鏈路建立v（3）數(shù)據(jù)及控制信息的傳輸v（4）數(shù)據(jù)傳輸鏈路的拆除v（5）通信線路的拆除 2.1.3 通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo) 用傳輸速率、信道容量、帶寬以及可靠性等指標(biāo)對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行定量分析。 1.傳輸速率 傳輸速率是指單位時間內(nèi)傳輸信息的數(shù)量。它是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸能力的重要指標(biāo)，可分別用數(shù)據(jù)信號速率和調(diào)制速率兩種方法來表示。 （1）數(shù)據(jù)信號速率 指單位時間

3、內(nèi)所傳送的二進(jìn)制代碼的有效位數(shù)，單位為：位/秒，記作b/s。 計算公式為： S=(1/T)log2N (b/s) （2）信號傳輸速率（調(diào)制速率） 信號調(diào)制過程中，單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)，單位為：Baud。用于表示調(diào)制器之間信號傳輸?shù)乃俾?。v2.帶寬 帶寬是描述傳輸系統(tǒng)的一個重要的參數(shù)。信號是由特定的電磁波來傳輸?shù)?，而電磁波都有一定的頻率范圍，信號的帶寬是指信號的頻帶寬度，在實際應(yīng)用中指信號能量比較集中的那個頻率范圍。對模擬信道帶寬的單位是：赫茲（Hz），對數(shù)字信道帶寬的單位為：比特/秒（bps）。v3.離散的信道容量離散的信道容量v4.數(shù)據(jù)的最大傳輸速率數(shù)據(jù)的最大傳輸速率v5.帶寬、數(shù)

4、據(jù)傳輸速率和信道容量的關(guān)系帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率和信道容量的關(guān)系v6.誤碼率誤碼率v7.傳輸延遲傳輸延遲 傳輸延遲=發(fā)送和接收處理時間+電信號響應(yīng)時間+中間轉(zhuǎn)發(fā)時間+通信傳輸延遲 2.2 通信的基本方式2.2.1并行通信與串行通信 并行通信用于計算機(jī)內(nèi)部各部件之間或近距離設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，而串行通信常有用于計算機(jī)與計算機(jī)或計算機(jī)與終端設(shè)備之間遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。計算機(jī)與外部設(shè)備之間的并行通信通過計算機(jī)的并行接口（LPT）進(jìn)行；串行通信則是通過串行接口（COM）進(jìn)行。 v1.并行通信并行通信 所謂并行傳輸，是指至少有8個數(shù)據(jù)位同時在兩臺設(shè)備之間傳輸,發(fā)送端與接收端有8條數(shù)據(jù)線相連，發(fā)送端同時發(fā)送8個

5、數(shù)據(jù)位（其中1位可以用作校檢位），接收端同時接收8條數(shù)據(jù)位。計算機(jī)內(nèi)部通過總線進(jìn)行的通信就屬于并行通信。v2.串行通信串行通信 所謂串行通信方式，是指發(fā)送端一次只發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)位。因此，所需數(shù)據(jù)線的數(shù)目大大減少，各數(shù)據(jù)位依次通過通信線路傳輸，如圖2-3所示。由于在計算機(jī)內(nèi)部總線上傳輸?shù)氖遣⑿袛?shù)據(jù)，要與外部設(shè)備進(jìn)行串行通信，因此，在發(fā)送端需把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，在接收端則需將串行數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。 2.2.2單工、半雙工和全雙工通信單工、半雙工和全雙工通信 通信線路由一個或多個信道組成，根據(jù)信道在某一時間信息傳輸?shù)姆较?，通信又可以分為單工、半雙工和全雙工3種通信方式。 1.單工通信單

6、工通信 2.半雙工通信半雙工通信 3.全雙工通信全雙工通信圖2-5 半雙工通信圖2-6 全雙工通信 2.2.3點(diǎn)到點(diǎn)式與廣播式通信點(diǎn)到點(diǎn)式與廣播式通信v 1.廣播式通信廣播式通信v 2.點(diǎn)到點(diǎn)式通信點(diǎn)到點(diǎn)式通信 2.2.4 基帶通信與寬帶通信基帶通信與寬帶通信v1.基帶通信基帶通信 v 2.寬帶通信寬帶通信 2.3 通信中的編碼技術(shù) 2.3.1 編碼概念與類型編碼概念與類型在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，由于傳輸?shù)男枰?，?shù)據(jù)信號必須進(jìn)行調(diào)制或編碼，使得與傳輸介質(zhì)和協(xié)議相適應(yīng)。根據(jù)信源和信道的不同，數(shù)據(jù)的調(diào)制和編碼有以下4種情況： （l）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼 （2）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼 （3）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字

7、信號編碼 （4）模擬數(shù)據(jù)的模擬信號編碼v2.3.2 模擬數(shù)據(jù)的編碼模擬數(shù)據(jù)的編碼v1.取樣取樣 取樣是指在每隔固定長度的時間點(diǎn)上采取抽取模擬數(shù)據(jù)的瞬時值，作為從這一次取樣到下一次取樣之間該模擬數(shù)據(jù)的代表值。v2.量化量化 量化就是把取樣得到的不同的離散幅值，按照一定的量化級轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)據(jù)值，并取整數(shù)，得到離散信號的具體數(shù)值。v3.編碼編碼 編碼是將量化后的離散值轉(zhuǎn)換為一定數(shù)位的二進(jìn)制數(shù)。 圖2-7 脈沖編碼調(diào)制(PCM)原理 模擬信號數(shù)字化的三個步驟： (1)采樣：以采樣頻率Fs把模擬信號的值采出； (2)量化：使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值； (3)編碼：將離散值轉(zhuǎn)換成一定位數(shù)的二進(jìn)制

8、數(shù)碼。 2.3.3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼1.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼指用物理信號（如：電信號）的波形來表示數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。通?？梢杂貌煌问降碾娦盘柌ㄐ蝸肀硎緮?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字信號是離散的、不連續(xù)的電壓或電流的脈沖序 圖2-8 不歸零碼 圖2-9 曼徹斯特碼及差分曼徹斯特碼 (3）差分曼徹斯特碼 以上3種編碼各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇時應(yīng)注意：第一，脈沖寬度越大，發(fā)送信號的能量就越大，這對于提高接收端的信噪比有利；第二，脈沖時間寬度與傳輸頻帶寬度成反比關(guān)系，因 v2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼v 使用模擬通信系統(tǒng)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時，需要借助于調(diào)制解調(diào)裝置，把數(shù)字信號（

9、基帶脈沖）調(diào)制成模擬信號，使其變?yōu)檫m合于模擬通信線路傳輸?shù)男盘?。?jīng)過調(diào)制的信號稱為已調(diào)信號，已調(diào)信號通過線路傳輸?shù)浇邮斩耍诮邮斩私?jīng)過解調(diào)恢復(fù)為原始基帶脈沖信號。圖2-10 幅度鍵控圖2-11 頻移鍵控 圖2-12絕對相移鍵控圖2-13相對相移鍵控 2.4 多路復(fù)用與同步技術(shù)多路復(fù)用與同步技術(shù) 2.4.1同步技術(shù)同步技術(shù) 1.同步傳輸方式同步傳輸方式v 2.異步傳輸方式異步傳輸方式圖2-14 同步方式的同步結(jié)構(gòu) 異步方式由于附加了起始位和停止位，增加了傳輸開銷，所以，傳輸效率有所下降。但如果出現(xiàn)錯誤，只需重發(fā)一個字符即可。這種方式控制簡單，實現(xiàn)容易，適合于低速率場合。 基本原理是允許兩個或多個

10、數(shù)據(jù)源共享同一個傳輸介質(zhì)，就像每個數(shù)據(jù)源都有自己的信道一樣，在發(fā)送端將若干個彼此無關(guān)的信號合并為一個能在一個共用信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號，在信號的接收端將復(fù)合信號分離出原來的若干個彼此無關(guān)的信號（如圖2-16所示）。不論一個多路復(fù)用系統(tǒng)中輸入或輸出端的數(shù)量多少，都只需要一條傳輸線路。圖2-16多路復(fù)用原理 配置多路復(fù)用線路有多種不同方法，多路復(fù)用器的類型也各異。常用的多路復(fù)用技術(shù)有頻分多路復(fù)用（FDM）、時分多路復(fù)用（TDM）、統(tǒng)計時分多路復(fù)用（STDM）和波分多路復(fù)用（WDM）等。 圖2-17 頻分多路復(fù)用 頻分多路復(fù)用技術(shù)適用于模擬信號。例如，將FDM用在電話系統(tǒng)中，傳輸?shù)拿恳宦氛Z音信號的頻譜

11、一般在300Hz3000Hz， 僅占用一根傳輸線的可用總帶寬的一部分，通常雙絞電纜的可用帶寬是100kHz，v1.頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用2.時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用v3.波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用 波分多路復(fù)用（簡稱WDM）的原理同頻分多路復(fù)用相似，主要用于光纖通信。它是利用不同波長的光在一條光纖上同時傳輸多路信號。 圖圖2-18 時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用 圖2-19 波分多路復(fù)用 在波分多路復(fù)用系統(tǒng)中，從光纖1進(jìn)入的光波將傳送到光纖3，從光纖2進(jìn)入的光波將傳送到光纖4。由于這種波分復(fù)用系統(tǒng)是固定的，因此，從光纖1進(jìn)入的光波就不能傳送到光纖4。 目前，常用的有以下目前，常用的有以下3種數(shù)據(jù)交換

12、技術(shù)。種數(shù)據(jù)交換技術(shù)。 （1）電路交換（）電路交換（Circuit Switching）；）； （2）存儲）存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換（轉(zhuǎn)發(fā)交換（Store-and-Forward Switching ）；）； （3）快速分組交換（）快速分組交換（Fast Packet Switching）。）。 2.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換技術(shù)v2.5.1電路交換電路交換 電路交換是一種直接交換方式，它源于電話交換網(wǎng)，由交換機(jī)負(fù)責(zé)在兩個通信站點(diǎn)之間建立一條物理專用線路。 2.5.2存儲存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換轉(zhuǎn)發(fā)交換 存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換是源于傳統(tǒng)的電報傳輸方式發(fā)展而來的一種數(shù)據(jù)交換技術(shù)，它不像電路交換那樣需要通過呼叫建立起物理的傳輸

13、通路，而是以接力方式，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間逐段傳送，直到系統(tǒng)目的端。 圖2-21 存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換原理1.報文交換報文交換v2.分組交換分組交換 報文分組交換簡稱“分組交換”或包交換。最早在APRANET上運(yùn)用。這種方式是把報文分成若干個長度較短的分組（Packet），也稱“包”，以分組為單位進(jìn)行暫存、處理和轉(zhuǎn)發(fā)。每個分組按格式須附加收發(fā)地址標(biāo)志、分組編號、分組的起始、結(jié)束標(biāo)志和差錯校驗信息等，以供存儲轉(zhuǎn)發(fā)之用。 v2.5.3快速分組交換快速分組交換 快速分組交換（Fast Packet Switching，簡稱FPS）是一種協(xié)議簡化、只有核心網(wǎng)絡(luò)功能的交換技術(shù)，它提供高速、高吞吐量、低時延的服

14、務(wù)。FPS往往是指ATM交換，但廣義的FPS包括幀中繼（FR）與信元中繼（CR）。幀中繼采用可變長度幀，適用于LAN互聯(lián)。v1.幀中繼幀中繼FR交換交換v2.ATM信元交換信元交換 所謂ATM（Asynchronous Transfer Mode Switching）是異步傳輸模式的簡稱，它是CCITT為B-ISDN制定的信息傳送標(biāo)準(zhǔn)。ATM采用異步時分復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，這種交換方式綜合了分組交換和線路交換的優(yōu)點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)的處理工作十分簡單。與同步時分交換TDM（如數(shù)字程控交換）所不同的是，ATM用戶信息與時隙的位置在不同的幀中，不是固定不變的，這就是“異步”的含義。 圖2-22 ATM遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)

15、2.6 差錯控制技術(shù)差錯控制技術(shù)v2.6.1差錯產(chǎn)生的原因與類型差錯產(chǎn)生的原因與類型 在數(shù)據(jù)通信過程中，由于干擾和設(shè)備故障的影響，難免存在傳送的符號發(fā)生失真的情況。電信號在傳輸信道上由發(fā)送端傳送到接收端的過程中,其所經(jīng)過的信道為數(shù)據(jù)信號提供通路的同時，也會引入噪聲和干擾，使數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)差錯。v2.6.2差錯控制的方法差錯控制的方法 在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)信號是一串由二進(jìn)制數(shù)字序列構(gòu)成的比特流，當(dāng)它通過信道傳輸時，干擾信號有可能使某個或某些比特的值發(fā)生變化，使接收時可能發(fā)生兩種錯誤：將原來的“l(fā)”變成了“0”或使“0”變成了“l(fā)”，因而形成傳輸差錯。任何一種可靠的通信系統(tǒng)都必須要有

16、能力檢出和糾正這些差錯，實現(xiàn)這種能力的前提條件就是對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行差錯控制編碼。圖2-23 差錯控制的工作方式v2.6.3差錯控制編碼差錯控制編碼-檢錯碼與糾錯檢錯碼與糾錯碼碼 差錯控制編碼的目的是為了使數(shù)據(jù)在傳輸之后能檢測（糾正）已出現(xiàn)的差錯。只具有檢錯能力的編碼稱為檢錯碼；既能檢錯又具有自動糾錯能力的編碼則稱為糾錯碼。 在數(shù)據(jù)通信和計算機(jī)通信的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中建議采用的幾種編碼有：奇偶校驗碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗碼等。其中，奇偶校驗碼和循環(huán)冗余校驗碼是單純的檢錯碼。v1.奇偶校驗碼奇偶校驗碼 奇偶校驗是一種最基本的校驗方法。它是簡單地通過附加一個檢驗位來使得碼字中“1”的個數(shù)保持為奇數(shù)或偶數(shù)的編

17、碼方法，它是一種能力很有限的檢驗碼。圖2-24 奇偶校驗碼v2.循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼 循環(huán)冗余校驗碼CRC（Cyclic Redundancy Code）又稱多項式碼。v 循環(huán)冗余檢驗的基本原理為：任何一個由二進(jìn)制數(shù)位組成的代碼都可以和一個只含有0和1兩個系數(shù)的多項式建立一一對應(yīng)的關(guān)系。 例如：信息位為1011001，則對應(yīng)的多項式為x6 + x4 +x3+1，而多項式x 5 + x 3 + x 2 + 1對應(yīng)的代碼為 101101。 由于在信道上發(fā)送的碼字多項式為T(x)= xrK(x)+ R(x)，若傳輸無差錯，則接收方收到的碼字也對應(yīng)此多項式。將接收的碼字多項式除以G(x)，則有： T(x)= xrK(x) + R(x) = G(x)Q(x)+ R(x)+ R(x) 由于加法采用的是半加運(yùn)算，即異或運(yùn)算，所以：R(x)+ R(x)= 0。則運(yùn)算結(jié)果為：T(x)= xrG(x) Q(x)。也就是說T(x)能被G(x)整除。因此，當(dāng)余式為零時，則傳輸無差錯，否則傳輸有差錯。（1）可檢測出所有奇數(shù)個錯；）可檢測出