4.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

1、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1基本概念數(shù)據(jù)、信息和信號(hào)數(shù)據(jù)：是把時(shí)間的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式，可被識(shí)別、也可被描述。1）數(shù)據(jù)的內(nèi)容是事件的反映或描述；2）數(shù)據(jù)以某種媒體為載體，即數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在媒體上的信息：是人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界事物存在方式或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的某種認(rèn)識(shí)。以數(shù)值、文字、圖形、聲音以及動(dòng)畫等方式表示；是人們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工整理以后所得到的有用的數(shù)據(jù)信號(hào)：是數(shù)據(jù)的具體無(wú)力表現(xiàn)，具有確定的物理描述數(shù)據(jù)是信息的載體，信息是數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，信號(hào)是數(shù)據(jù)的具體體現(xiàn)形式2學(xué)習(xí)要點(diǎn)信道帶寬與信道容量信道復(fù)用技術(shù)同步與異步傳輸數(shù)據(jù)編碼3信道帶寬與信道容量(1)基本概念 通信系統(tǒng)模型 信道的概念：傳送信息的通路 電路是物理上的通路，

2、信道是邏輯上的通路 信道從傳輸?shù)男盘?hào)類型來(lái)分可以分為數(shù)字信道和模擬信道 信道從傳輸?shù)慕橘|(zhì)來(lái)分可以分為有線信道和無(wú)線信道 4(2)信道的通訊方式 單工方式：數(shù)據(jù)傳送只能單方向進(jìn)行 半雙工方式：數(shù)據(jù)傳送可以雙向進(jìn)行，但同一時(shí)間只能由一方發(fā)往另一方向 全雙工方式：數(shù)據(jù)傳送可以雙向進(jìn)行，同一時(shí)間可以雙向地傳送數(shù)據(jù) 5(2)信道的通訊方式 串行通信：數(shù)據(jù)在一個(gè)信道上一位一位依次傳輸。 特點(diǎn)：1.通信線路數(shù)小，線路利用率高適合于遠(yuǎn)距離傳輸。2.在發(fā)送端和接收端需要并/串轉(zhuǎn)換和串/并轉(zhuǎn)換。3.需要實(shí)施同步措施，以確保不產(chǎn)生錯(cuò)字。 6(2)信道的通訊方式 并行通信：數(shù)據(jù)在多個(gè)信道上同時(shí)傳輸。 特點(diǎn)：1.不需要

3、對(duì)傳輸代碼進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換2.需要數(shù)據(jù)線數(shù)目多。3.傳輸速率高。 7(3)信道帶寬與信道容量信道帶寬：在信道內(nèi)不存在噪聲和干擾的情況下，收發(fā)設(shè)備能夠傳送的最大信號(hào)數(shù)，單位為Hz，除了信道帶寬，還有信號(hào)帶寬和通頻帶寬。信道帶寬由傳輸介質(zhì)、接口部件、傳輸設(shè)備、傳輸協(xié)議及傳輸信息的特性等因素所決定。 信道容量 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)信道上在理想情況下所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)，單位bps 信道帶寬與信道容量的關(guān)系 香農(nóng)定律 C = W*Log2(1+S/N) 其中D為信道容量，W為信道帶寬，k為信道傳輸?shù)倪壿嫈?shù)值 ;其中C為信道容量，W為信道帶寬，S/N為信號(hào)噪聲功率之比 ,當(dāng)N接近于0時(shí)，適用奈奎斯特定律 D = 2

4、W*Log2k 8傳輸延遲傳輸延遲=發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的處理時(shí)間+電信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間+介質(zhì)中轉(zhuǎn)時(shí)間 電信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間： 9信道復(fù)用 多路復(fù)用是指在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，允許兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源共享同一個(gè)傳輸介質(zhì)，就像每一個(gè)數(shù)據(jù)源都有自己的信道一樣，在信號(hào)的接收端必須可以將復(fù)合信號(hào)分離出來(lái)。目前有四種技術(shù)： 頻分多路復(fù)用（FDMA） 波分多路復(fù)用（WDMA） 時(shí)分多路復(fù)用（TDMA） 碼分多路復(fù)用（CDMA）10（1）頻分多路復(fù)用 在物理信道能提供比單個(gè)原始信號(hào)寬得多的帶寬的情況下，我們就可將該物理信道的總帶寬分割成若干個(gè)和傳輸?shù)膯蝹€(gè)信道帶寬相同（或略為寬一點(diǎn)）的子信道，每一個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)，這就是頻分多路

5、復(fù)用。11（2）波分多路復(fù)用 在光纖信道上使用的波分多路復(fù)用（WDM）是頻分多路復(fù)用的一個(gè)擴(kuò)展。12（3）時(shí)分多路復(fù)用 時(shí)分多路復(fù)用是將一條物理線路按時(shí)間分成一個(gè)個(gè)的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片常稱為一幀，每幀長(zhǎng)125s，幀再分為若干時(shí)隙，輪換地為多個(gè)信號(hào)所使用。每一個(gè)時(shí)隙由一個(gè)信號(hào)（也即一個(gè)用戶）占用，在占有的時(shí)隙內(nèi)，該信號(hào)使用通信線路的全部帶寬。13（4）碼分多路復(fù)用 前向和反向采用頻分多路復(fù)用，在同一載波的碼分信道上使用不同的碼型與用戶對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的共享。14同步與異步通信 同步，就是接收端要按發(fā)送端所發(fā)送的每個(gè)碼元的重復(fù)頻率以及起止時(shí)間來(lái)接收數(shù)據(jù)。 在通信時(shí)，接收端要校準(zhǔn)自己的時(shí)間和重復(fù)頻率

6、，以便和發(fā)送端取得一致，這一過(guò)程稱為同步過(guò)程。 目前，傳輸信息的同步方式有異步方式和同步方式兩種。15（1）異步方式 異步方式又稱為起止同步方式，它把各個(gè)字符分開傳輸，字符之間插入同步信息。它在要傳輸?shù)淖址霸O(shè)置起始位，在信息代碼和校驗(yàn)位（一般總共為8比特）結(jié)束以后，再設(shè)置12位比特的終止位，表示該字符已結(jié)束。終止位也反映了平時(shí)不進(jìn)行通信時(shí)的狀態(tài)。各字符之間的間隔是任意的、不同步的，但在一個(gè)字符時(shí)間之內(nèi)，收發(fā)雙方各數(shù)據(jù)位必須同步，所以這種通信方式又稱為起止同步方式。16（2）同步式 同步式要求不管是否傳輸信息代碼，每個(gè)比特位必須在收發(fā)兩端始終保持同步，中間沒(méi)有間斷時(shí)間，即為比特位同步。 當(dāng)不傳

7、送信息代碼時(shí)，在線路上傳送的是全1或其他特定代碼，在傳輸開始時(shí)用同步字符SYN（編碼為01111110）使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。當(dāng)搜索到SYN同步字符時(shí)，接收端開始接收信息，此后就從傳輸信息中檢測(cè)同步信息。一般在高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中采用同步式。17數(shù)據(jù)信號(hào)編碼(1)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成 從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組成部分來(lái)看，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，一般有以下幾個(gè)部分組成：數(shù)據(jù)終端設(shè)備，通信控制器，通信信道，信號(hào)變換器。18(2)數(shù)字信號(hào)編碼 1）單極性碼 表示信號(hào)的電壓或電流是單極性的，即邏輯“1”用高電平或正向電流表示，而邏輯“0”用0電平表示。 單極性碼有不歸零型（NRZ）和歸零型（RZ）兩種。19(2

8、)數(shù)字信號(hào)編碼 2）雙極性碼 用正負(fù)電平來(lái)分別代表邏輯“1”和邏輯“0”。同樣也有歸零型和不歸零型之分， 常用的RS-232就是一種典型的不歸零型雙極性二元碼接口電路。比起單極性碼來(lái)，雙極性碼的可靠性要高，抗干擾性強(qiáng)。20(2)數(shù)字信號(hào)編碼 3）曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼曼徹斯特碼：在每一個(gè)碼元時(shí)間間隔內(nèi)，當(dāng)發(fā)送0時(shí)，在間隔的中間時(shí)刻電平從低向高跳變；當(dāng)發(fā)送1時(shí)，在間隔的中間時(shí)刻電平從高向低跳變。這類碼元的特點(diǎn)是在每一碼元的時(shí)間間隔內(nèi)，至少有一次跳變。21(2)數(shù)字信號(hào)編碼 3）曼徹斯特碼和差分曼徹斯特碼差分曼徹斯特碼：在每一個(gè)碼元的時(shí)間間隔內(nèi)，無(wú)論發(fā)1或發(fā)0，在間隔的中間都有電平的跳變。發(fā)送

9、1時(shí)，間隔開始時(shí)刻電平不跳變，發(fā)送0時(shí)，間隔開始時(shí)刻電平會(huì)跳變。22(3)模擬信號(hào)編碼 1）幅移鍵控（ASK）振幅調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)幅制，也就是用數(shù)字的基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的振幅。它是把頻率和相位定為常量，而振幅為變量，每一種振幅值代表一種信息元。這個(gè)方法叫做幅移鍵控ASK。23(3)模擬信號(hào)編碼 2）頻移鍵控（FSK）頻率調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)頻制，是用數(shù)字的基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的頻率。它把振幅和相位定為常量，而頻率為變量，每一種頻率值代表一種信息元。這個(gè)方法叫做頻移鍵控FSK。24(3)模擬信號(hào)編碼 3）相移鍵控（PSK）相位調(diào)制簡(jiǎn)稱調(diào)相制，是用數(shù)字的基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的相位。它把振幅和頻率定為

10、常量，而相位為變量，每一種相位值代表一種信息元。這個(gè)方法叫做相移鍵控PSK。25(3)模擬信號(hào)編碼 3）相移鍵控（PSK）上述中只有兩種相位的調(diào)相方式稱為兩相調(diào)制。為了提高信息的傳輸速率，還經(jīng)常采用四相調(diào)制和八相調(diào)制方式。這兩種調(diào)制方式的數(shù)字信息的相位分配情況如圖所示。26(4)基帶傳輸與寬帶傳輸 終端設(shè)備把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖電信號(hào)時(shí)，這個(gè)原始的電信號(hào)所固有的頻帶，稱為基本頻帶，簡(jiǎn)稱基帶。在信道中直接傳送基帶信號(hào)時(shí)，稱為基帶傳輸。采用模擬信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，往往只占有有限的頻譜，對(duì)應(yīng)基帶傳輸將其稱為頻帶傳輸。經(jīng)過(guò)高頻調(diào)制后的信號(hào)為數(shù)字基帶信號(hào)，在信道中傳送數(shù)字基帶信號(hào)稱為寬帶傳輸。27(5)數(shù)據(jù)編

11、碼技術(shù) 脈沖調(diào)制（PCM）采樣、量化、編碼 增量調(diào)制（DM）28(6)調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制就是用基帶脈沖對(duì)載波波形某個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，形成適合于線路傳送的信號(hào)。 當(dāng)已調(diào)制信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)，再進(jìn)行解調(diào)，即將經(jīng)過(guò)調(diào)制器變換過(guò)的模擬信號(hào)去掉載波恢復(fù)成原來(lái)的基帶數(shù)字信號(hào)。 實(shí)際使用時(shí)，常將調(diào)制器和解調(diào)器合裝在一個(gè)設(shè)備，使線路的一端同時(shí)具有調(diào)制和解調(diào)功能，稱此設(shè)備叫調(diào)制解調(diào)器（MODEM）。它與遠(yuǎn)程終端或計(jì)算機(jī)之間的接口用V.24或RS-232C標(biāo)準(zhǔn)。29(7)模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)比較30(7)模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)比較31數(shù)據(jù)交換技術(shù)一般交換網(wǎng)絡(luò)H1H2H3H4H5H6ABCDEF網(wǎng)絡(luò)終端中間節(jié)點(diǎn)32電路交換是一

12、種直接交換方式，是多個(gè)輸入線和多個(gè)輸出線之間直接形成傳輸信息的物理鏈路，一般分為電路建立、數(shù)據(jù)傳送和電路釋放三個(gè)階段特點(diǎn)：呼損不同速率和不同電碼之間的用戶不能進(jìn)行交換信息延時(shí)短，且固定不變用于連續(xù)、大批量數(shù)據(jù)傳輸33報(bào)文交換又稱為存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，報(bào)文是交換的單位，主要包括報(bào)文的正文信息，發(fā)和收節(jié)點(diǎn)的地址信息以及各種控制信息。要求網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有較大的存儲(chǔ)空間，延時(shí)性強(qiáng)，多條報(bào)文可以共享一條通信通道不同速率的節(jié)點(diǎn)可以連接，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，建立報(bào)文傳輸優(yōu)先權(quán)。缺點(diǎn)：不利于實(shí)時(shí)交互通信34分組交換又稱為：包交換，是針對(duì)報(bào)文交換的缺點(diǎn)而提出的改進(jìn)方式屬于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換方式，以比保溫更短的“分組”為單位進(jìn)行

13、交換傳輸數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換和虛擬電路傳輸分組交換35數(shù)據(jù)報(bào)傳輸分組交換報(bào)文分組交換方式是把長(zhǎng)的報(bào)文分成若干個(gè)較短的報(bào)文組，報(bào)文組是交換單位，交換要包括分組編號(hào)，各組報(bào)文可按不同的路徑進(jìn)行傳輸，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，重新組成報(bào)文。較報(bào)文傳輸優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸靈活轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)性降低轉(zhuǎn)發(fā)差錯(cuò)少，對(duì)差錯(cuò)容易進(jìn)行恢復(fù)處理便于控制轉(zhuǎn)發(fā)增加了目的節(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)文的加工處理時(shí)間和復(fù)雜性36虛電路傳輸分組交換源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立一條邏輯通路。每個(gè)分組除了包含數(shù)據(jù)以外還包括一個(gè)虛電路標(biāo)識(shí)符。在榆縣建立好的這個(gè)路徑上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道把這些分組引導(dǎo)到哪里去，不再需要路由選擇判定。該通路是虛擬的，不是專用的。37三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)性能比

14、較1.電路交換需設(shè)置完全的通路，在釋放前被獨(dú)占2.報(bào)文交換采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，報(bào)文需排隊(duì)，不適合交互式通信3.分組交換與報(bào)文交換類似，但報(bào)文被分成分組傳送，使數(shù)據(jù)網(wǎng)中最廣泛使用的交換技術(shù)38傳輸誤差與檢測(cè)(1)傳輸誤差的原因 在實(shí)際通信系統(tǒng)中，誤差主要來(lái)自通信設(shè)備和傳輸媒質(zhì)兩個(gè)方面。對(duì)數(shù)字通信設(shè)備而言，有很好的可靠性和穩(wěn)定性，其本身產(chǎn)生差錯(cuò)的可能性是很少的。至于傳輸媒質(zhì)，由于干線采用了光纜，也很少有差錯(cuò)。因此差錯(cuò)主要來(lái)自傳輸媒質(zhì)中的模擬本地環(huán)路以及無(wú)線通信環(huán)境。原因在兩個(gè)方面：一是媒質(zhì)的傳輸特性限制，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生幅度失真、相位失真和頻率偏移，導(dǎo)致碼間干擾；二是各種外界干擾（雷電、火花）引

15、起突發(fā)差錯(cuò)，造成一串?dāng)?shù)據(jù)信息的破壞。通常電話專線的信道誤碼率（含Modem）是10-410-5，電話交換網(wǎng)的信道誤碼率是10-310-4，而數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)要求誤碼率小于10-9。在改進(jìn)信道各部分如媒質(zhì)選擇，均衡、濾波措施、提高M(jìn)odem質(zhì)量等不奏效或經(jīng)濟(jì)上不能承受的情況下，必須在數(shù)據(jù)鏈路兩端采用差錯(cuò)控制技術(shù)。 誤差控制技術(shù)的核心是采用高效的糾錯(cuò)檢錯(cuò)編碼方法，將這些冗余碼附加在信息中一起傳送。 39(2)奇偶校驗(yàn)碼 奇偶校驗(yàn)碼有奇數(shù)校驗(yàn)碼和偶數(shù)校驗(yàn)碼兩種。無(wú)論信息位有多少，校驗(yàn)位總是1位。奇偶校驗(yàn)碼能夠檢測(cè)奇數(shù)個(gè)錯(cuò)碼。設(shè)為一個(gè)字符或分組，當(dāng)校驗(yàn)位直接位于字符后面時(shí)，稱垂直校驗(yàn)碼。40(3)校驗(yàn)和方

16、式 將數(shù)據(jù)幀中的信息按一定位數(shù)分組，然后順序相加，有進(jìn)位則最后將進(jìn)位放到數(shù)據(jù)后面一起相加，最后生成校驗(yàn)碼。Hello FrienD.4865+6c6c=b4de+6f20=123f148 65 6c 6c 6f 20 46 72 65 69 6e 64 2e02123f1+4672=16a63+6569=1cfcc1cfcc+6e64=23e303e30+2e02=6c3241(4)循環(huán)碼CRC校驗(yàn) 如果一個(gè)碼組的每一次循環(huán)移位是另一碼組，這種碼組叫做循環(huán)碼。循環(huán)碼可以用線性方程確定，且可以用代數(shù)方法進(jìn)行分析研究，同時(shí)其循環(huán)移位特性又使所需的編解碼設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。 42循環(huán)碼的編解碼步驟43循環(huán)碼的編解碼實(shí)現(xiàn) 1）發(fā)送端的編碼電路 發(fā)送端的編碼電路根據(jù)生成多項(xiàng)式用寄存器和異或門等構(gòu)成。例如 過(guò)程如下：S2打在信息位輸入端，S1閉合，信息輸出同時(shí)反饋，信息輸出一位，移位寄存器同時(shí)向右移一次。信息位輸完后，S2打在R3端，S1打開，移位寄存器內(nèi)生成的監(jiān)督碼依次隨信息輸出。 44循環(huán)碼的編解碼實(shí)現(xiàn) 2）接收端的解碼