課件第2部分?jǐn)?shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

1、第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與實訓(xùn)教程1說明：本課件的配套教材為：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與實訓(xùn) 出版社 編著如果選用本套教材，并需要完整的各章課件，請與作者聯(lián)系。電話：E-mail：通信地址：2本章主要內(nèi)容掌握數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本概念了解數(shù)據(jù)通信方式掌握數(shù)據(jù)交換技術(shù)掌握多路復(fù)用技術(shù)掌握差錯控制技術(shù) 32.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要內(nèi)容：數(shù)據(jù)通信的基本概念 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型42.1.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念1 信息 2 數(shù)據(jù)3 信號51 信息信息（Information）是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運(yùn)動狀態(tài)。例如事物的運(yùn)動狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、溫度、性能等都是信息的不同表現(xiàn)形式。信

2、息可以以文字、聲音、圖形、圖像等各種不同形式存在。 62 數(shù)據(jù)信息可以用數(shù)字的形式來表示，數(shù)字化的信息稱為數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種。模擬數(shù)據(jù)的取值是連續(xù)的，例如日常生活中人的語音強(qiáng)度、電壓高低、溫度等都是模擬數(shù)據(jù)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的取值是離散的，例如計算機(jī)中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)只有“0”、“1”兩種狀態(tài)?，F(xiàn)在大多數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸都是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，本章所提到的數(shù)據(jù)也多指數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。 73 信號信號就是攜帶信息的傳輸介質(zhì)。信號按其參量取值的不同，分為模擬信號和數(shù)字信號。模擬信號是指在時間上和幅度取值上都連續(xù)變化的信號，數(shù)字信號是指在時間上離散的、在幅值上經(jīng)過量化的信號，它一般是由0、1二進(jìn)制代碼組成的數(shù)

3、字序列。圖2-1 模擬信號與數(shù)字信號82.1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型 圖2-2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型信息的傳遞是通過通信系統(tǒng)來實現(xiàn)的。如圖2-2所示是通信系統(tǒng)的基本模型。在通信系統(tǒng)中產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫做信源，接收信息的一端叫做信宿，信源和信宿之間的通信線路稱為信道。信息在進(jìn)入信道時要經(jīng)過變換器變換為適合信道傳輸?shù)男问?，?jīng)過信道的傳輸，在進(jìn)入信宿時要經(jīng)過反變換器變換為適合信宿接收的形式。信號在傳輸過程中會受到來自外部或信號傳輸過程本身的干擾，噪聲源是信道中的噪聲以及分散在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。 92.1.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：l數(shù)據(jù)傳輸率：又稱比特率，它是指每

4、秒鐘所傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位數(shù)，單位為比特/每秒（記作bps）。 l波特率：它是指每秒鐘發(fā)送的碼元數(shù)，單位為波特（baud）。波特率也稱波形速率或碼元速率。l信道容量：信道所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。 l誤碼率：它是指傳輸出錯的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例。l吞吐量：單位時間內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)能夠處理的信息總量，單位是字節(jié)/秒或位/秒。l信道的傳播延遲：信號在信道中傳播，從源端到達(dá)目的端需要一定的時間，這個時間叫做傳播延遲。102.2 數(shù)據(jù)通信方式主要內(nèi)容：并行傳輸與串行傳輸異步傳輸與同步傳輸基帶傳輸與頻帶傳輸數(shù)據(jù)傳輸方向多路復(fù)用技術(shù)112.2.1 并行傳輸與串行傳輸 圖2-3 并行通信并行傳輸： 如

5、圖2-3所示，它是一次同時將待傳送信號經(jīng)由n個通信信道同時發(fā)送出去。因此，并行傳輸需要n個傳輸信道，使待傳送信號的各位能同時沿著各自的信道并行地傳輸。 122.2.1 并行傳輸與串行傳輸 圖2-4 串行通信串行傳輸： 如圖2-4所示，它是指一位一位地傳輸，從發(fā)送端到接收端只需要一個通信信道，經(jīng)由這條通信信道逐位地將待傳送信號的每個二進(jìn)制代碼依次發(fā)送。 132.2.2 異步傳輸與同步傳輸 圖2-5 異步傳輸異步傳輸： 每個字符（6-8個二進(jìn)制位）作為一個單元獨立傳輸，字符之間的傳輸間隔任意。為了標(biāo)志字符的開始和結(jié)尾，在每個字符的開始加一位起始位，結(jié)尾加1位、1.5位或2位停止位，構(gòu)成一個個的“字

6、符” 。起始位對接收方的時鐘起置位作用，接收方時鐘置位后只要在811位的傳送時間內(nèi)準(zhǔn)確，就能正確接收一個字符。142.2.2 異步傳輸與同步傳輸 圖2-6 同步傳輸同步傳輸： 同步傳輸方式與異步傳輸方式不同，它不是對每一個字符單獨進(jìn)行同步，而是對一組字符組成的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在數(shù)據(jù)塊前面加特殊模式的位組合或同步字符（SYN），并且通過位填充或字符填充技術(shù)保證數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)不會與同步字符混淆。 152.2.3 基帶傳輸與頻帶傳輸 l基帶傳輸：在數(shù)據(jù)通信中，人們把矩形脈沖信號叫做基帶信號。在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸。 l頻帶傳輸：人們把利用

7、模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的傳輸方式叫做頻帶傳輸。 l寬帶傳輸：在頻帶傳輸中，如果調(diào)制成的模擬信號的頻率比音頻范圍還寬，則稱為寬帶傳輸。例如在有線電視網(wǎng)上通過線纜調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)通信，則稱為寬帶傳輸。 162.2.4 數(shù)據(jù)傳輸方向 按數(shù)據(jù)傳輸方向來分，數(shù)據(jù)傳輸方式可以分為單工、半雙工和全雙工三種方式： l單工：信號只能向一個方向傳輸，任何時候都不能改變信號的傳送方向。發(fā)送方不能接收，接收方不能發(fā)送。例如，無線電廣播和電視廣播都是單工通信的例子。l半雙工：信號可以雙向傳送，但必須交替進(jìn)行，一個時間只能向一個方向傳送 。例如，航空和航海無線電臺以及對講機(jī)都是以這種方式通信的。 l全雙工：信號可以

8、雙向同時傳送，例如現(xiàn)代的電話通信就是以這種方式通信的。 172.2.5 多路復(fù)用技術(shù)1 頻分多路復(fù)用 2 時分多路復(fù)用 3 波分多路復(fù)用 4 碼分多路復(fù)用181 頻分多路復(fù)用圖2-7 頻分多路復(fù)用 當(dāng)介質(zhì)的有效帶寬超過傳輸信號帶寬時，可以把多個信號調(diào)制在不同的載波頻率上，從而在同一介質(zhì)上實現(xiàn)同時傳送多路信號，即將信道的可用頻帶（帶寬）按頻率分割多路信號的方法劃分為若干互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其中一個頻段，從而形成許多個子信道，如圖2-7所示；在接收端用適當(dāng)?shù)臑V波器將多路信號分開，分別進(jìn)行解調(diào)和終端處理，這種技術(shù)稱為頻分多路復(fù)用（FDM，F(xiàn)requency Division Multiple

9、xing）。 圖2-8 頻分多路復(fù)用系統(tǒng)原理192 時分多路復(fù)用圖2-9 TDM子信道 將傳輸時間劃分為許多個短的互不重疊的時隙，而將若干個時隙組成時分復(fù)用幀，用每個時分復(fù)用幀中某一固定序號的時隙組成一個子信道，每個子信道所占用的帶寬相同，每個時分復(fù)用幀所占的時間也是相同的（如圖2-9所示），即在同步TDM中，各路時隙的分配是預(yù)先確定的時間且各信號源的傳輸定時是同步的。對于TDM，時隙長度越短，則每個時分復(fù)用幀中所包含的時隙數(shù)就越多，所容納的用戶數(shù)也就越多，其原理如圖2-10所示。圖2-10 TDM原理203 波分多路復(fù)用 波分多路復(fù)用是指在一根光纖上能同時傳送多個波長不同的光載波的復(fù)用技術(shù)。

10、通過WDM，可使原來在一根光纖上只能傳輸一個光載波的單一光信道，變?yōu)榭蓚鬏敹鄠€不同波長光載波的光信道，使得光纖的傳輸能力成倍增加，也可以利用不同波長沿不同方向傳輸來實現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸。 此外，還有光頻分多路復(fù)用（optical frequency division multiplexing，OFDM）、密集波分多路復(fù)用（dense wave division multiplexing，DWDM）、光時分多路復(fù)用（optical time division multiplexing，OTDM）、光碼分多路復(fù)用（optical code division multiplexing，OCDM）技

11、術(shù)等。 214 碼分多路復(fù)用 碼分多路復(fù)用（code division multiplexing，CDM）是一種用于移動通信系統(tǒng)的新技術(shù)，CDM利用擴(kuò)頻通信中的不同碼型的擴(kuò)頻碼之間的相關(guān)性，為每個用戶分配一個擴(kuò)頻編碼，以區(qū)別不同的用戶信號。發(fā)送端可用不同的擴(kuò)頻編碼，分別向不同的接收端發(fā)送數(shù)據(jù)；同樣，接收端用不同的進(jìn)行解碼，就可得到不同發(fā)送端送來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了多址通信。CDM的特點是頻率和時間資源均為共享。222.3 數(shù)據(jù)交換技術(shù)主要內(nèi)容：電路交換 報文交換分組交換高速交換技術(shù)232.3.1 電路交換 使用電路（線路）交換（Circuit Switching）方式，就是通過網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在兩個站之

12、間建立一條專用的通信線路。最普通的線路交換例子是電話系統(tǒng)。線路交換方式的通信包括三種狀態(tài)： （1）線路建立 （2）數(shù)據(jù)傳送 （3）線路拆除 242.3.1 電路交換 電路交換特點：（1）線路交換中的每個節(jié)點都是電子式或電子機(jī)械式的交換設(shè)備，它不對傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行任何處理；（2）數(shù)據(jù)傳輸開始前必須建立兩個工作站之間實際的物理連接，然后才能通信；（3）通道在連接期間是專用的，線路利用率較低；（4）除鏈路上的傳輸延時外，不再有其他的延時，在每個結(jié)點的延時是很小的；（5）整個鏈路上有一致的數(shù)據(jù)傳輸速率，連接兩端的通信節(jié)點必須同時工作 。252.3.2 報文交換 報文交換（Message Exchangi

13、ng）采取 “存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”（Store-and-Forward）數(shù)據(jù)以報文（Message）的方式發(fā)出，報文中除包括用戶所要傳送的信息外，還有源地址和目的地址等信息。報文從源節(jié)點發(fā)出后，經(jīng)過一系列的中間節(jié)點到達(dá)目的節(jié)點。各中間節(jié)點收到報文后，先暫時存儲起來，然后分析目的地址、選擇路由并排隊等候，待需要的線路空閑時將它轉(zhuǎn)發(fā)到下一個節(jié)點，并最終到達(dá)目的節(jié)點。其中的交換節(jié)點要有足夠大的存儲空間，用以緩沖收到的長報文。交換節(jié)點對各個方向上收到的報文排隊，尋求下一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，然后轉(zhuǎn)發(fā)出去。 262.3.2 報文交換 報文交換比線路交換有以下優(yōu)點：（1）線路效率較高，因為許多報文可以分時共享一條節(jié)點到節(jié)點

14、的通道。（2）不需要同時使用發(fā)送器和接收器來傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)可以在接收器可用之前，暫時存儲這個報文。（3）在線路交換網(wǎng)上，交換網(wǎng)絡(luò)仍可接收報文，只是傳輸延遲會增加。（4）報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地。（5）根據(jù)報文的長短或其他特征能夠建立報文的優(yōu)先權(quán)，使得一些短的、重要的報文優(yōu)先傳遞。（6）報文交換網(wǎng)可以進(jìn)行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。272.3.3 分組交換 分組交換（Packet Switching）兼有報文交換和線路交換的優(yōu)點。分組交換與報文交換的工作方式基本相同，形式上的主要差別在于，分組交換網(wǎng)中要限制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位的長度。分組交換包括數(shù)據(jù)報和虛電路兩種方法。在數(shù)據(jù)報中，每個數(shù)據(jù)包

15、被獨立地處理，每個節(jié)點根據(jù)一個路由選擇算法，為每個數(shù)據(jù)包選擇一條路徑，使它們的目的地相同。 在虛電路中，數(shù)據(jù)在傳送以前，發(fā)送和接收雙方在網(wǎng)絡(luò)中建立起一條邏輯上的連接，但它并不是像電路交換中那樣有一條專用的物理通路，該路徑上各個節(jié)點都有緩沖裝置，服從于這條邏輯線路的安排，也就是按照邏輯連接的方向和接收的次序進(jìn)行輸出排隊和轉(zhuǎn)發(fā)，這樣每個節(jié)點就不需要為每個數(shù)據(jù)包作路徑選擇判斷，就好像收發(fā)雙方有一條專用信道一樣。28三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)的比較 三種數(shù)據(jù)交換技術(shù)總結(jié)如下：（1）電路交換：在數(shù)據(jù)傳送之前需建立一條物理通路，在線路被釋放之前，該通路將一直被一對用戶完全占有。（2）報文交換：報文從發(fā)送方傳送到接收

16、方采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式。 （3）分組交換：此方式與報文交換類似，但報文被分成組傳送，并規(guī)定了分組的最大長度，到達(dá)目的地后需重新將分組組裝成報文。 292.3.4 混合交換 混合交換采用動態(tài)時分復(fù)用技術(shù)，將一部分帶寬分配給電路交換用，而將另一部分帶寬分配給分組交換用。典型的ATM（Asynchronous Transfer Mode，異步傳輸模式）、DQDB（分布式隊列雙總線）等均屬混合交換，它們同時提供等時電路交換和分組交換服務(wù)。FR（Frame Relay，幀中繼）交換是在分組交換技術(shù)上發(fā)展起來的快速分組交換技術(shù)。 302.4 差錯控制技術(shù)主要內(nèi)容：錯誤產(chǎn)生原因及控制方法 奇偶校驗碼海明碼循環(huán)

17、冗余校驗碼312.4.1 錯誤產(chǎn)生原因及控制方法 錯誤產(chǎn)生的原因：（1）由熱噪聲引起的隨機(jī)錯誤（2）由沖擊噪聲引起的突發(fā)錯誤差錯控制編碼： 差錯控制編碼是指發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先向數(shù)據(jù)塊中加入一些冗余信息，使數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)建立某種形式的關(guān)聯(lián)，接收端通過驗證這種關(guān)聯(lián)關(guān)系是否存在，來判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出錯，這種在數(shù)據(jù)塊中加入冗余信息的過程稱為差錯控制編碼。 322.4.2 奇偶校驗碼 奇偶校驗碼（Parity Code）： 奇偶校驗是一種簡單有效的校驗方法。這種方法通過在編碼中增加一位校驗位來使編碼中1的個數(shù)為奇數(shù)（奇校驗）或都為偶數(shù)（偶校驗）。目前常的奇偶校驗碼有三種： （1）水平奇偶校

18、驗碼 （2）垂直奇偶校驗碼 （3）水平垂直校驗碼331 水平奇偶校驗碼【例2-1】字符“word”，其ASCII編碼對應(yīng)的二進(jìn)制串為：1110111 1101111 1110010 1100100。其水平偶校驗和水平奇校驗碼如表2-1所示。 表2-1 水平奇偶校驗碼 342 垂直奇偶校驗碼【例2-2】對于32位數(shù)據(jù)1001100100。其垂直偶校驗和垂直奇校驗碼如表2-2所示。 表2-2 垂直奇偶校驗碼 353 水平垂直校驗碼【例2-3】對于32位數(shù)據(jù)1001100100。其水平垂直奇校驗和偶校驗碼如表2-3所示。 表2-3 水平垂直奇校驗和偶校驗碼 362.4.3 海明校驗碼 海明碼是由貝爾實驗室的R. Hamming在1950年提出的，它也是利用奇偶性來檢錯和糾錯的校驗方法。海明碼的構(gòu)成方