第2章數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)

第二章數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)本章基本內(nèi)容：2.1工業(yè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本組成概念2.2數(shù)據(jù)的表示方式（編碼技術(shù)）2.3信號的傳輸方式(基帶傳輸、載波傳輸、頻帶傳輸）2.4數(shù)據(jù)通信方式2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.6傳輸介質(zhì)2.7信道共享2.8差錯(cuò)控制技術(shù)2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

通信：通過各種介質(zhì)將信息從一個(gè)地點(diǎn)、一個(gè)人或一臺設(shè)備傳送到另一個(gè)地點(diǎn)、另一個(gè)人或設(shè)備的過程。典型的通信系統(tǒng)如圖所示。發(fā)送的一方稱為信源，接收的一方稱為信宿。信息：通信的目的是交換信息，信息的表達(dá)形式可以是數(shù)字、文字、語音、圖象、圖形等。廣義地說，信息就是消息所包含的內(nèi)容和解釋。數(shù)據(jù)：是傳遞信息的載體，是事物的表示形式，可以是描述事物的數(shù)字、字母、符號及其組合，是信息數(shù)字化的結(jié)果。連續(xù)變化的數(shù)據(jù)稱為模擬數(shù)據(jù)，具有離散值的數(shù)據(jù)稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。二進(jìn)制代碼是計(jì)算機(jī)中最常見的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

信號：是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的表示形式。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，信號具有聲、光、電等多種表現(xiàn)形式。如果信號是連續(xù)變化的，稱為模擬信號；如果信號不是連續(xù)變化的，稱為數(shù)字信號。模擬數(shù)據(jù)可以通過模擬信號傳輸，也可以通過數(shù)字信號傳輸；同樣，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以通過模擬信號和數(shù)字信號兩種方式傳輸。在每種方式中，數(shù)據(jù)對應(yīng)的具體傳輸信號狀態(tài)稱為數(shù)據(jù)編碼。

信號（模擬信號，數(shù)字信號）一般說來，模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號或數(shù)字信號。因此我們有以下四種情況： （1）模擬數(shù)據(jù)、模擬信號。 （2）模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字信號。 （3）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、模擬信號。 （4）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、數(shù)字信號。下圖給出了模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號的示意圖。信號帶寬：信號通常是以電磁波的形式傳送的，信號電磁波的頻率范圍稱為信號帶寬。數(shù)字信號具有無限的帶寬，但是，在數(shù)字信號中大部分能量都集中在某段頻率上，這段頻率也稱為信號帶寬或信號有效帶寬。數(shù)據(jù)通信：依據(jù)通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在兩個(gè)功能單元之間傳遞數(shù)據(jù)叫做數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信的整個(gè)過程可以概括為：把數(shù)據(jù)以信號的形式從發(fā)射端傳送到接收端，并在接收端還原成原來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信中傳送的是數(shù)據(jù)（即字母、數(shù)字及其他符號），若信源本身發(fā)出的是數(shù)字信號，無論采用什么傳輸方式，都稱為數(shù)據(jù)通信?；鶐盘枺盒旁炊嗽行盘査紦?jù)的頻率范圍叫做基本頻帶，簡稱基帶。這種未經(jīng)頻率變換（調(diào)制）的原始信號，叫做基帶信號。具體講,計(jì)算機(jī)二進(jìn)制的比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號是典型的矩形脈沖信號;矩形脈沖信號的固有頻帶稱做基帶,矩形脈沖信號就叫做基帶信號;

信道：是信號傳輸?shù)耐?，也叫物理信道，由發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的設(shè)備以及二者間的傳輸介質(zhì)組成。在物理信道的基礎(chǔ)上，只考慮發(fā)、送雙方的通路關(guān)系，叫做邏輯信道。傳送模擬信號的信道叫做模擬信道，傳送數(shù)字信號的信道叫做數(shù)字信道。什么是信道帶寬？指信道上能夠傳送信號的最大頻率范圍，也就是信道可傳信號的最高頻率與最低頻率之差。例如：一條普通電話線路的帶寬為300～3400Hz。當(dāng)信號的帶寬大于信道的帶寬時(shí)，信號就不能在該信道上正確傳送，或者傳送出的信號將失真。要進(jìn)一步理解帶寬的概念，以人的聽覺系統(tǒng)為例：人耳所能感受的聲波頻率范圍是20～20000HZ，低于這個(gè)范圍的叫次聲波，高于這個(gè)范圍的叫超聲波，人的聽覺系統(tǒng)無法將次聲波或超聲波傳遞到大腦，所以用20000HZ減去20HZ所得的值就好比是人的聽覺系統(tǒng)的帶寬。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的信道傳輸?shù)牟皇锹暡ǎ请姶挪?，它的帶寬就是所能傳輸電磁波的最大有效頻率減去最小有效頻率所得的值。信道容量：也叫信道的最大傳信速率，與信道帶寬一樣，信道容量也是衡量信道通信能力的指標(biāo)，它指一個(gè)信道在傳輸差錯(cuò)率趨于零的情況下可能傳輸最大信息量的能力，是一個(gè)理想的極限值，一般用單位時(shí)間內(nèi)最大可傳送信息的比特?cái)?shù)表示。正確傳輸時(shí)，要求數(shù)據(jù)的傳輸速率不大于信道容量。信道容量--數(shù)據(jù)傳輸速率信道容量--數(shù)據(jù)傳輸速率★數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上，等于每秒鐘傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進(jìn)制比特?cái)?shù)，單位為比特/秒，bps；

★常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：Kbps、Mbps、Gbps與Tb/s，其中：

1Kbps=1×103bps1Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps1Tbps=1×1012bps★對于二進(jìn)制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為

S=1/T(b/s)其中，T為發(fā)送每一比特所需要的時(shí)間。例如：如果在通信信道上發(fā)送一比特0、1信號所需要的時(shí)間是1ms，那么信道的數(shù)據(jù)傳輸速率為1000b/s。噪聲：信號在傳輸過程中受到的干擾稱為噪聲，干擾可能來自外部，也可能由信號傳輸過程本身產(chǎn)生。噪聲過大將影響被傳送信號的準(zhǔn)確性。模擬傳輸與數(shù)字傳輸：以模擬信號的形式在信道上傳送數(shù)據(jù)稱為模擬傳輸；以數(shù)字信號的形式傳送數(shù)據(jù)稱為數(shù)字傳輸?；鶐鬏敚涸跀?shù)字通信信道上直接傳送數(shù)據(jù)基帶信號的傳輸方法稱為基帶傳輸；頻帶傳輸：在進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通常將基帶信號進(jìn)行調(diào)制，再通過帶通型模擬信道傳輸調(diào)制后的信號，接收方通過解調(diào)得到原來的基帶信號，這種傳輸方式稱為頻帶傳輸。調(diào)制解調(diào)（modem）是頻帶傳輸中最典型的通信設(shè)備。利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法稱為頻帶傳輸；但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，尤其是光纖通信等技術(shù)的成熟，直接利用數(shù)字信道傳送數(shù)據(jù)已經(jīng)突破了原有基帶傳輸?shù)牟蛔悖梢赃m應(yīng)更高的傳輸速度和更遠(yuǎn)的距離。傳輸速率：指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘浚窃u價(jià)通信速度的重要指標(biāo)傳輸效率：指整個(gè)傳送的數(shù)據(jù)中有效的原始數(shù)據(jù)所占的比例，在同樣的傳輸速率下，傳輸效率越高，意味著整個(gè)傳輸?shù)男畔⒘吭酱?。什么是誤碼率?

誤碼率是指二進(jìn)制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，它在數(shù)值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N為傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總數(shù)，Ne為被傳錯(cuò)的碼元數(shù)；誤碼率應(yīng)該是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)之一；對于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據(jù)實(shí)際傳輸要求提出誤碼率要求；實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制比特，要折合成二進(jìn)制比特來計(jì)算；(8B6T編碼方案）)差錯(cuò)的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，在實(shí)際測量一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時(shí)，只有被測量的傳輸二進(jìn)制比特?cái)?shù)越大，才會越接近于真正的誤碼率值。2.2數(shù)據(jù)的編碼技術(shù)信源編碼在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的端設(shè)備中將原始的信息轉(zhuǎn)換成用代碼表示的數(shù)據(jù)的過程。信號編碼(本課程討論對象)

又叫做信道編碼，是將數(shù)據(jù)的信源編碼形式（或原始存在的數(shù)字形式）變換到某一種適合于信道傳輸?shù)男盘栃问降倪^程。2.2.1模擬數(shù)據(jù)編碼方法

典型的模擬通信信道是公用電話通信信道，它是專為傳輸語音信號設(shè)計(jì)的，但可以通過調(diào)制和解調(diào)（頻帶傳輸）傳送數(shù)字信號。載波信號為U(t)=UmSIN(ωt+φ)，其信號特征包括振幅、頻率和相角。分別對應(yīng)三種不同的編碼方法。

1.振幅鍵控ASK(amplitude-shiftkeying)對于載波函數(shù):U(t)=UmSIN(ωt+φ)

U(t)=UmSIN(ωt+φ)數(shù)據(jù)1時(shí)

U(t)=0數(shù)據(jù)0時(shí)2.移頻鍵控FSK（Frequency—ShiftKeying）U(t)=UmSIN(ωt+φ)數(shù)據(jù)0時(shí)：

U(t)=UmSIN(ω⒈t+φ)數(shù)據(jù)1時(shí)：

U(t)=UmSIN(ω⒉t+φ)ω⒈ω⒉ω⒉ω⒈ω⒈ω⒈3.移相鍵控PSK（Phase—ShiftKeying）

-----絕對移相鍵控U(t)=UmSIN(ωt+φ)數(shù)據(jù)0時(shí)：

U(t)=UmSIN(ωt+π)載波信號相位為π；數(shù)據(jù)1時(shí)：

U(t)=UmSIN(ωt)載波信號相位為0。3.移相鍵控PSK（Phase—ShiftKeying）

-----相對移相鍵控?cái)?shù)據(jù)0，載波信號相位不變化；數(shù)據(jù)1，載波信號相位偏移π。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬編碼波形總結(jié)多相移相鍵控0011010010為例，數(shù)據(jù)每2位為一組，四種狀態(tài)：u(t)=umsin（ωt+3π/2）二進(jìn)制數(shù)字“11”umsin(ωt+π)二進(jìn)制數(shù)字“10”umsin（ωt+π/2）二進(jìn)制數(shù)字“01”umsin(ωt)二進(jìn)制數(shù)字“00”2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼

單極性編碼:

用0電平表示二進(jìn)制“0”，用正電平表示二進(jìn)制“1”

，也可反之。2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼

1)非歸零編碼NRZ-L:

用負(fù)電平表示二進(jìn)制“1”，用正電平表示二進(jìn)制“0”

非歸零反向編碼NRZI:用電平的是否跳變表示鄰接的數(shù)據(jù)，電平發(fā)生跳變表示鄰接的數(shù)據(jù)為“1”，

電平不跳變表示鄰接的數(shù)據(jù)為“0”

。

2）信號交替反轉(zhuǎn)碼（AMI）和偽三元碼

兩種編碼都是雙極碼，即用三個(gè)電平表示二進(jìn)制的數(shù)據(jù)。

信號交替反轉(zhuǎn)碼AMI中:

“0”用無電壓狀態(tài)表示，

“1”由極性上交替進(jìn)行的正脈沖或負(fù)脈沖表示偽三元碼中:

“1”用無電壓狀態(tài)表示，

“0”由交替的正、負(fù)脈沖表示。

3)曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼無論是曼徹斯特編碼還是差分曼徹斯特編碼,數(shù)據(jù)位的中間位置都出現(xiàn)電平的跳變曼徹斯特編碼:數(shù)據(jù)位中間的跳變由正電平到負(fù)電平的跳變表示“0”;

由負(fù)電平到正電平的跳變表示“1”差分曼徹斯特編碼:每一位數(shù)據(jù)的中間電平的跳變不表示數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)位開始邊界發(fā)生跳變表示“0”，在數(shù)據(jù)位開始邊界不發(fā)生跳變表示“1”，幾種數(shù)字編碼

PCM操作包括：采樣、量化與編碼3部分。

1.采樣:每隔一定的時(shí)間間隔對連續(xù)的模擬信號采樣,這樣模擬信號就成為離散的模擬信號,用它來近似的代表原信號。根據(jù)采樣定理，采樣頻率f為f≥2fmax，式中fmax為原信號的最高頻率。

2.量化：量化是將采樣獲得的樣本幅度按量化級決定取值的過程。經(jīng)過量化后的樣本幅度為離散的量級值，已不是連續(xù)值。這依據(jù)精度要求決定。

3.編碼：編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進(jìn)制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。如果有K個(gè)量化級，則二進(jìn)制的位數(shù)為㏒2K2.2.3模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼2.3數(shù)據(jù)通信方式網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾個(gè)基本問題：數(shù)據(jù)傳輸類型模擬通信數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信方式串行通信、并行通信單工通信、半雙工或全雙工通信同步方式同步通信異步通信2.3.1串行通信與并行通信

串行通信是指數(shù)據(jù)流以串行方式在一條信道上傳輸。并行通信是指數(shù)據(jù)以成組的方式在多個(gè)并行信道上同時(shí)進(jìn)行傳輸，由選通鎖存信號作雙方的同步之用。2.3數(shù)據(jù)通信方式2.3.2異步傳輸和同步傳輸

在串行通信中，發(fā)送方和接收方步調(diào)不一致很容易導(dǎo)致“漂移”現(xiàn)象，從而使數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)差錯(cuò)。異步傳輸和同步傳輸是兩種常見的同步方式。1）異步傳輸

數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇亲址?，每個(gè)字符作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行發(fā)送。在一個(gè)字符的傳輸過程中，收發(fā)雙方基本保持同步，所謂異步只是指字符間間隔的不確定性。2）同步傳輸數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菐?，幀由多個(gè)字符組成,字符間沒有間隙,字符前后也沒有起始位和停止位。位同步 每一位都要求同步，對應(yīng)的傳輸叫做同步傳輸，包括外同步和自同步。幀同步幀同步是在每個(gè)幀的開始和結(jié)束部位都附加標(biāo)志序列，接收端通過檢測這些標(biāo)志實(shí)現(xiàn)與發(fā)送端幀級別上的同步。2.3.3單工、半雙工與全雙工通信

2.4

數(shù)據(jù)的基帶傳輸和頻帶傳輸

2.4.1基帶傳輸基帶傳輸直接傳輸數(shù)字信號，良好的基帶傳輸性能意味著矩形信號通過信道后產(chǎn)生較小的失真。1）基帶傳輸信號的傅里葉分析任何信號都有時(shí)域、頻域兩種表現(xiàn)形式，二者之間滿足傅里葉變換。

任何一個(gè)物理可以實(shí)現(xiàn)的信道都具有有限的頻帶寬度，所以要達(dá)到矩形脈沖信號的絕對無失真?zhèn)鬏斒遣豢赡艿摹?/p>

脈沖信號頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)

脈沖信號頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)與矩形脈沖的脈寬τ成反比，可見脈沖越窄，要求信道的帶寬就越寬。2）信道對數(shù)據(jù)傳輸速率的影響

奈奎斯特第一準(zhǔn)則和香農(nóng)定理進(jìn)一步揭示了信道對數(shù)據(jù)傳輸速率的影響。信息傳輸速率：每秒傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)代碼的比特?cái)?shù)，單位為比特/秒（bps）,簡稱數(shù)據(jù)傳輸速率或比特率。調(diào)制速率：是指每秒鐘傳輸信號碼元的數(shù)目，又叫碼元速率或波特率，單位是1/S，稱為波特（baud）。對于數(shù)字信號，一個(gè)數(shù)字脈沖電平就是一個(gè)碼元，波特率是每秒鐘傳輸數(shù)字脈沖電平個(gè)數(shù)；對于模擬信號，一種載波調(diào)制狀態(tài)是一個(gè)碼元，波特率是調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制速率。非理想信道實(shí)際的信道上存在三類損耗：衰減、延遲、噪聲。a）衰減

信道的損耗引起信號強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。b）延遲信號中的各種頻率成分在信道上的延遲時(shí)間各不相同，在接收端會產(chǎn)生信號畸變。c）噪聲

熱噪聲：由導(dǎo)體內(nèi)的熱擾動(dòng)引起，又稱為白噪聲。

串?dāng)_：信道間產(chǎn)生的不必要的耦合。例：多對雙絞線

脈沖噪聲：非連續(xù)、隨機(jī)、振幅較大。多由外部電磁干擾造成（閃電、大功率電機(jī)啟動(dòng)等）。噪聲將破壞信號，產(chǎn)生誤碼。持續(xù)時(shí)間0.01s的干擾可以破壞約560個(gè)比特（56Kbps）。Shannel公式：高斯噪聲干擾信道S/N信噪比（dB分貝）C=Wlog2(1+SN)S/NdB=10log10S/N例：信道帶寬W=3KHz，信噪比為30dB，則

C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsNyquist公式和Shannel公式的比較●C=2Wlog2M

此公式說明數(shù)據(jù)傳輸率C隨信號編碼級數(shù)增加而增加。M為編碼級數(shù).●C=Wlog2(1+S/N)

無論采樣頻率多高，信號編碼分多少級，此公式給出了信道能達(dá)到的最高傳輸速率。原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。2.4.2頻帶傳輸

頻帶傳輸是利用模擬通信信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的方式。1.調(diào)制解調(diào)器的工作原理

（1）調(diào)制（2）解調(diào)

實(shí)際的傳輸中要求通信的雙方都需要同時(shí)具備發(fā)送和接收受的能力，這時(shí)可以通過上下兩個(gè)頻帶來解決。Bell103標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了FSKmodem上下頻帶的編碼規(guī)則：上頻帶：下頻帶：

2modem

按照不同的分類方式，modem可分為多個(gè)種類，如按介質(zhì)，可分為有線modem和無線modem；按外型，可分為外接modem、內(nèi)插modem和袖珍modem；按數(shù)據(jù)傳輸速率，可分為低速modem、中速modem和高速modem；按通信線路，可分為撥號modem和專線modem；按操作狀態(tài)，可分為異步modem和同步modem；另外，還可以按調(diào)制方式、數(shù)據(jù)壓縮方式等多種分類方式。

2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)

數(shù)據(jù)交換技術(shù)主要是討論通信雙方如何通過子網(wǎng)有序地交換數(shù)據(jù)，大體上可分為線路交換方式和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式包括報(bào)文交換和分組交換。2.5.1線路交換方式

雙方在通信時(shí)在通信子網(wǎng)中具有一個(gè)實(shí)際的物理連接，這一物理連接是二者間的專用通信線路。

線路交換方式工作原理圖節(jié)點(diǎn)１節(jié)點(diǎn)２節(jié)點(diǎn)３節(jié)點(diǎn)４2.5.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式

發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息按一定格式組成數(shù)據(jù)單元進(jìn)入子網(wǎng)。通信控制處理機(jī)實(shí)現(xiàn)接收、差錯(cuò)校驗(yàn)、存儲、路選和轉(zhuǎn)發(fā)功能。優(yōu)點(diǎn)：共享通信信道，線路利用率高； 動(dòng)態(tài)得到最佳路徑，平滑網(wǎng)絡(luò)通信量；可以差錯(cuò)控制，提高了可靠性；可以對不同通信速率、不同代碼格式進(jìn)行交換。 缺點(diǎn)：較大的傳輸延遲；增加了通信設(shè)備的開銷。存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式可以分為兩類：報(bào)文交換（messageswitching）與報(bào)文分組交換（packetswitching）。報(bào)文交換與報(bào)文分組交換結(jié)構(gòu)

如下所示：1）報(bào)文交換

不管數(shù)據(jù)量多少，所有交換的數(shù)據(jù)都打成一個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣有利于保證一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完整性，但不同大小的數(shù)據(jù)包給網(wǎng)絡(luò)中的通信設(shè)備增加了負(fù)擔(dān)，而且增加了傳輸延遲的不確定性。2）報(bào)文分組交換

限制數(shù)據(jù)包的最大長度，將一個(gè)長報(bào)文分成多個(gè)報(bào)文分組。便于交換機(jī)中的存儲和處理，傳輸時(shí)延較小且變化范圍不大，提高了存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式的實(shí)時(shí)性能。另外，一旦出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，只需要重傳對應(yīng)的報(bào)文分組，不必重新傳輸整個(gè)報(bào)文。

報(bào)文分組交換技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中又分為兩類：數(shù)據(jù)報(bào)（DG，datagram）方式與虛電路（VC，virtualcircuit）方式。

數(shù)據(jù)報(bào)方式對于每個(gè)數(shù)據(jù)包的存儲、處理、轉(zhuǎn)發(fā)都是獨(dú)立發(fā)送的，每個(gè)分組中都必須有目的地址和源地址，同一報(bào)文的不同報(bào)文分組可以通過不同的路徑，那就有可能在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)報(bào)文分組的亂序、重復(fù)、丟失。 數(shù)據(jù)報(bào)技術(shù)較為靈活，可以躲開某一區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的擁塞，提高了傳輸?shù)目煽啃?；不必預(yù)先呼叫，報(bào)文較少時(shí)效率高。數(shù)據(jù)報(bào)方式工作原理示意圖

虛電路方式虛電路方式將數(shù)據(jù)報(bào)與線路交換方式相結(jié)合，在報(bào)文分組發(fā)送之前，必須建立一條預(yù)定的路由連接（邏輯連接），之后報(bào)文分組都沿著這條路由傳遞，由于報(bào)文分組走同一條虛電路，所以除呼叫外其它分組不必帶目的地址、源地址，只需差錯(cuò)控制，不必路由選擇，延遲較小，到達(dá)時(shí)不會丟失、重復(fù)、亂序。而且，與線路交換不同點(diǎn)在于每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以建立多條虛電路。虛電路方式工作原理示意圖2.5.3不同交換技術(shù)的比較

線路交換適合于高負(fù)荷持續(xù)通信，尤其是會話式通信、語音通信、圖象通信，不適合突發(fā)性通信；報(bào)文交換適合于長報(bào)文、無實(shí)時(shí)要求的通信，不適合會話式通信；數(shù)據(jù)報(bào)適合于靈活的突發(fā)短報(bào)文傳輸，不適合會話和有實(shí)時(shí)性要求的通信；虛電路適合實(shí)時(shí)、固定對象、長報(bào)文通信，也適合會話式通信和語音、動(dòng)態(tài)圖象及圖形通信要求。2.6傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)大致可分為有線介質(zhì)和無線介質(zhì)，常用的有線介質(zhì)有雙絞線、同軸電纜、光纖等；無線介質(zhì)指在空間傳播的電磁波，常用的方法有：地面微波、衛(wèi)星微波、紅外通信、蜂窩通信等。介質(zhì)的特性主要有： （1）物理特性：物理結(jié)構(gòu) （2）傳輸特性：信號，調(diào)制技術(shù)、容量、頻率范圍 （3）連通特性：點(diǎn)—點(diǎn)，多點(diǎn)連接 （4）地理范圍：最大傳輸距離 （5）抗干擾性：抗電磁等干擾能力 （6）價(jià)格：器件，安裝與維護(hù)2.6.1雙絞線

分為非屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線兩種。雙絞線由兩根相互絕緣的銅導(dǎo)線按一定的規(guī)則螺旋絞合在一起構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)可以減弱電磁干擾。

保護(hù)套雙絞線對圖2-9UTP電纜2.6.2同軸電纜

同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線、內(nèi)絕緣層、屏蔽層、外絕緣層、塑料保護(hù)層五部分構(gòu)成。

50Ω同軸電纜又稱為基帶同軸電纜，分為粗纜和細(xì)纜。

75Ω同軸電纜是寬帶同軸電纜。

同軸電纜的聯(lián)接2.6.3光纖光傳輸系統(tǒng)三個(gè)組成部分

光纖是一種傳輸光信號的傳輸媒介，其從中心到外面分別為纖芯、包層、保護(hù)層。纖芯是由石英、玻璃或塑料制成的光導(dǎo)纖維。有效光信號能在從纖芯到包層的界面上發(fā)生全反射，從而保證光信號低衰減、長距離傳輸。光纖可分為突變多模光纖、漸變多模光纖和單模光纖，其中單模光纖性能最好，突變多模光纖最差。2.6.4無線傳輸

在一些無法使用有線通信情況下，無線通信就成為必要的通信手段。常用的無線通信方式有地面微波、衛(wèi)星微波、紅外通信和蜂窩傳輸?shù)?。地面微波利用微波的直線傳輸特性，通信受地表曲率的影響，可采用“接力”的辦法，微波的頻率范圍為2GHz-40GHz。衛(wèi)星微波通信是用地球同步通信衛(wèi)星作為微波通信的中繼站。紅外通信一般用于室內(nèi)和較近距離。蜂窩傳輸中，將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分為一個(gè)個(gè)蜂窩單元，每個(gè)單元都由一個(gè)基站控制。2.7信道共享

當(dāng)信道的傳輸能力高于兩個(gè)通信設(shè)備間的要求時(shí)，可以讓多個(gè)數(shù)據(jù)信道共享這一信道。2.7.1多路復(fù)用技術(shù)

1）頻分多路復(fù)用（FDM） 將物理信道的總帶寬劃分為多條較小帶寬的信道，各信道間還要略留一個(gè)保護(hù)頻帶。

2）時(shí)分多路復(fù)用（TDM）每個(gè)用戶分得一個(gè)時(shí)間片，在這一時(shí)間片內(nèi)用戶使用全部帶寬。

2.7.2競爭的介質(zhì)訪問方法競爭的介質(zhì)訪問方法是基帶總線網(wǎng)絡(luò)中常用的介質(zhì)訪問控制方法。在總線網(wǎng)絡(luò)中不存在集中控制，節(jié)點(diǎn)平等爭用發(fā)送時(shí)間，用戶節(jié)點(diǎn)爭用介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)是隨機(jī)的

1）ALOHA方法

純ALOHA網(wǎng)中，任何節(jié)點(diǎn)只要有數(shù)據(jù)要發(fā)送就立即發(fā)送，然后等待一段時(shí)間。若在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到接收節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答，即判斷為發(fā)送成功。如果在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)送節(jié)點(diǎn)未收到接收節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，則認(rèn)為傳輸出錯(cuò)，重發(fā)數(shù)據(jù)。

如果在一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，其它節(jié)點(diǎn)也發(fā)送數(shù)據(jù)，就會出現(xiàn)沖突，接收節(jié)點(diǎn)不能正確接收數(shù)據(jù)，也就不回送應(yīng)答。發(fā)現(xiàn)傳輸出錯(cuò)后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)隨機(jī)延時(shí)后重新發(fā)送，直到成功為止。純ALOHA方式可以概括為：有數(shù)就發(fā)，發(fā)送后等待應(yīng)答，無應(yīng)答延時(shí)重發(fā)，直至返回應(yīng)答成功。 2）時(shí)間片ALOHA方法

這種方法是將信道時(shí)間分成相等的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片等于（或稍大于）一幀數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間，網(wǎng)上的所有節(jié)點(diǎn)都使用同一時(shí)鐘，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能在每個(gè)時(shí)間片開始的時(shí)刻發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，沖突重發(fā)幀也必須如此，發(fā)生沖突后的處理方法與純ALOHA方式相同。沖突只發(fā)生在時(shí)間片的開始處，避免了一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過程中，其它節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)形成的沖突，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?）載波偵聽多路存取方法（CSMA）

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先要檢測信道上是否有載波信號。測試信道為“空閑”時(shí)，才向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。如果同時(shí)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)幾乎在相同時(shí)刻判斷總線空閑，并同時(shí)發(fā)送了數(shù)據(jù)，那就會產(chǎn)生沖突，造成發(fā)送失敗。CSMA方法又可以分為三種不同的類型：

（1）非堅(jiān)持型（Non-Persistent） 在非堅(jiān)持型CSMA中，一旦監(jiān)聽到信道忙，則不再堅(jiān)持監(jiān)聽，而是向后延遲一個(gè)隨機(jī)時(shí)間段，時(shí)間延遲到后重新監(jiān)聽，若監(jiān)聽到總線空閑，立即發(fā)送。（2）1-堅(jiān)持型（1-Persistent） 在1-堅(jiān)持型的CSMA中，監(jiān)聽到信道忙，則繼續(xù)偵聽，直至空閑時(shí)立即發(fā)送數(shù)據(jù)。如果出現(xiàn)沖突，等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，重復(fù)前面的監(jiān)聽、發(fā)送過程。（3）P-堅(jiān)持型（P-Persistent）

在P-堅(jiān)持型的CSMA中，若信道空閑，則節(jié)點(diǎn)以P概率發(fā)送數(shù)據(jù)、以（1-P）概率推遲τ（τ是信道端到端的傳播時(shí)延的倍數(shù)）時(shí)間發(fā)送；若發(fā)生沖突，則隨機(jī)延遲一段時(shí)間重復(fù)上述過程。4）CSMA/CD帶有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路存取方法

帶有沖突檢測的載波監(jiān)聽多路存取方法CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）是在CSMA方法的基礎(chǔ)上增加了發(fā)送數(shù)據(jù)過程中沖突檢測。（1）數(shù)據(jù)發(fā)送流程

忙、閑狀態(tài)偵聽

網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)在準(zhǔn)備利用信道發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先要偵聽信道的忙、閑狀態(tài)。?沖突檢測

由于信號在線路中傳播需要時(shí)間，因此，沖突檢測也需要一定的時(shí)間，對于基帶總線而言，最壞的情況下檢測到一個(gè)沖突的時(shí)間等于總線上信號最大傳播時(shí)延的兩倍。

信號最大傳播時(shí)延=總線兩點(diǎn)間最大距離/信號傳播速度沖突處理

為了使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能及早正確地判斷出沖突，CSMA/CD還采用了沖突加強(qiáng)措施，沖突加強(qiáng)一般采用4字節(jié)的阻塞（JAM）信號。這樣做的目的是確保有足夠的沖突持續(xù)時(shí)間，以使網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)都知道。 如果發(fā)送過程中出現(xiàn)沖突，在完成“沖突加強(qiáng)”過程后，節(jié)點(diǎn)停止當(dāng)前幀發(fā)送，進(jìn)入重發(fā)狀態(tài)。進(jìn)入重發(fā)狀態(tài)的第一步是計(jì)算重發(fā)次數(shù)。Ethernet協(xié)議規(guī)定一個(gè)幀最大重發(fā)次數(shù)為16。如果重發(fā)次數(shù)超過16次，則認(rèn)為線路故障，系統(tǒng)進(jìn)入“沖突過多”結(jié)束狀態(tài)。如果發(fā)次數(shù)n≤16，則允許節(jié)點(diǎn)延遲后再重發(fā)。

最典型的CSMA/CD后退延遲算法是截止二進(jìn)制指數(shù)后退延遲（TruncatedBinaryExponentialBackoff）算法。該算法可以表示為：τ=2K×R×a式中：τ為節(jié)點(diǎn)重發(fā)應(yīng)后退的延遲時(shí)間，K為沖突次數(shù)，a為沖突窗口時(shí)間，R為隨機(jī)數(shù)，這個(gè)隨機(jī)數(shù)R是網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的地址產(chǎn)生的。為了避免延遲過長，截止二進(jìn)制指數(shù)后退算法限定了作為二進(jìn)制指數(shù)K的范圍，定義K=min(n,10)。所以最大延遲時(shí)間為

1024個(gè)時(shí)間片(R×a)。其中重發(fā)次數(shù)n≤16CSMA/CD方法中的數(shù)據(jù)發(fā)送流程可概括為：先聽后發(fā)、邊發(fā)邊聽、沖突停止、（隨機(jī)）延遲再發(fā)。2.7.3確定型介質(zhì)訪問方法

1）令牌環(huán):每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過電纜和干線耦合器接入物理環(huán)形網(wǎng)中，干線耦合器是一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器，轉(zhuǎn)發(fā)從環(huán)路輸入的比特流。耦合器在轉(zhuǎn)發(fā)同時(shí)還對比特流分析，如果發(fā)現(xiàn)和本節(jié)點(diǎn)的地址一致，則轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)，也將數(shù)據(jù)復(fù)制；如果要發(fā)送數(shù)據(jù)且發(fā)現(xiàn)空閑令牌，則變?yōu)槊?biāo)志，即截獲令牌，然后把耦合器的狀態(tài)從轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，發(fā)送數(shù)據(jù)。令牌環(huán)的工作過程(由A向Ｃ節(jié)點(diǎn)發(fā)數(shù)據(jù)）空閑令牌ACBD忙令牌ACBDCBDA空閑令牌ACBD

２）令牌總線

令牌是一種特殊結(jié)構(gòu)的控制幀，管理節(jié)點(diǎn)對總線的訪問權(quán)。令牌總線雖然在物理連接上是總線結(jié)構(gòu)，而在邏輯上構(gòu)成一個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)?？偩€上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都記錄著本站地址（TS），前趨站地址（PS）和后繼站地址（NS），這些地址首尾相接構(gòu)成一個(gè)封閉的環(huán)。令牌總線中的節(jié)點(diǎn)可以從前趨站獲得令牌，并在使用后交給后繼站，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在取得令牌后才能使用公共通信總線去發(fā)送數(shù)據(jù)。

令牌總線網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡圖2.8差錯(cuò)控制技術(shù)

在通信過程中，有效地檢測出錯(cuò)誤，并進(jìn)行糾正，從而提高通信信道傳輸質(zhì)量的方法叫差錯(cuò)控制。

如果發(fā)送方的發(fā)送數(shù)據(jù)速率高于接收方的數(shù)據(jù)接收速率，也會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)和丟失，這種情況的處理一般稱為流量控制。

傳輸差錯(cuò)產(chǎn)生過程2）噪聲熱噪聲：由傳輸介質(zhì)導(dǎo)體和電子器件中的電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，比較小，白噪聲，它引起的差錯(cuò)一般為隨機(jī)錯(cuò)。交調(diào)噪聲：當(dāng)不同頻率的信號共享同一傳輸介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生的噪聲叫交調(diào)噪聲。串音：一般由相互靠近的雙絞線或同軸電纜之間的電氣耦合產(chǎn)生。沖激噪聲：具有突發(fā)性，并且幅度也較大，它由不規(guī)則的脈沖或幅值較高的尖峰脈沖組成，外界電磁干擾是引起這類噪聲的主要原因。它引起的差錯(cuò)一般為突發(fā)錯(cuò).在通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯(cuò)，是由隨機(jī)差錯(cuò)與突發(fā)差錯(cuò)共同構(gòu)成的。2.8.1差錯(cuò)原因與類型

1）傳輸衰耗與延遲畸變

信號的強(qiáng)度隨著通過傳輸介質(zhì)距離的增加而下降，傳輸衰減隨著頻率的增加而增加。傳輸?shù)男盘栍啥喾N頻率成分組成，信號的不同頻率成分傳輸速度不同,到達(dá)接收器的時(shí)刻不同，由此產(chǎn)生的畸變稱為延遲畸變。2.8.2差錯(cuò)控制中的編碼技術(shù)

差錯(cuò)控制編碼的目的是使用一些方法發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)并加以糾正，通常采用在信息碼元的基礎(chǔ)上增加冗余碼元，冗余碼元與信息碼元之間存在一定的關(guān)系，傳輸時(shí)，將信息碼元與冗余碼元組成碼組（碼字）一起傳輸。不同的碼字長度影響了編碼的差錯(cuò)檢測能力。碼字長度長,差錯(cuò)檢測能力強(qiáng)。兩個(gè)等長碼之間對應(yīng)位不同的數(shù)目稱為這兩個(gè)碼組的明距離，簡稱碼距。差錯(cuò)控制的編碼方式基本上有兩類：糾錯(cuò)、檢錯(cuò)重發(fā)編碼效率 信息位k位，冗余位r位，碼字長度n=k+r，效率R=k/n檢錯(cuò)碼:

分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的冗余信息；接收端能夠發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，但不能確定哪位是錯(cuò)的，并且自己不能糾正傳輸差錯(cuò)。糾錯(cuò)碼：每個(gè)傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)糾正傳輸差錯(cuò)。差錯(cuò)控制中的編碼技術(shù)分為兩類：檢錯(cuò)碼11）水平和垂直奇校驗(yàn)例子：字符ASCII水平奇校驗(yàn)H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011110垂直奇校驗(yàn)01111101檢錯(cuò)碼22）循環(huán)冗余碼

CRC碼又稱多項(xiàng)式碼，是使用廣泛的檢錯(cuò)碼，效率高。其原理是將信息碼組中的全部M位數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)從XM-1到X0的二進(jìn)制多項(xiàng)式系數(shù)序列，例如11000001對應(yīng)X7+X6+1，110110對應(yīng)X5+X4+X2+X。在發(fā)送數(shù)據(jù)前，收發(fā)雙方預(yù)先約定好一個(gè)多項(xiàng)式，稱為生成多項(xiàng)式，通常生成多項(xiàng)式是多種標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式的一種。假設(shè)所選的生成多項(xiàng)式是一個(gè)K階的多項(xiàng)式(K+1位的二進(jìn)制數(shù))，發(fā)送方將信息碼組中的M位數(shù)據(jù)后添K個(gè)0，相應(yīng)的信息碼碼多項(xiàng)式也就變成一個(gè)（M+K-1）階多項(xiàng)式，將這一多項(xiàng)式與生成多項(xiàng)式相除,在這種運(yùn)算過程中，二進(jìn)制多項(xiàng)式的乘除運(yùn)算與普通代數(shù)多項(xiàng)式的乘除運(yùn)算一樣，加減運(yùn)算相當(dāng)于對應(yīng)系數(shù)的異或運(yùn)算，相除求得一個(gè)（K-1）階的余數(shù)多項(xiàng)式。接上頁

將余數(shù)多項(xiàng)式的系數(shù)作為冗余數(shù)據(jù)加到原來的M位數(shù)據(jù)后，構(gòu)成一個(gè)（M+K）位的碼組，發(fā)送方將這一碼組數(shù)據(jù)發(fā)出。在接收方接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)作為多項(xiàng)式系數(shù)形成一個(gè)（M+K-1）階的多項(xiàng)式，并用這一多項(xiàng)式與生成多項(xiàng)式相除，如果余數(shù)多項(xiàng)式的系數(shù)均為0,則說明傳輸正確；否則，認(rèn)為傳輸出錯(cuò)。循環(huán)冗余編碼工作原理

CRC檢錯(cuò)方法舉例數(shù)據(jù)為110011，生成多項(xiàng)式G（x）的系數(shù)為11001，求發(fā)送方發(fā)出的比特序列。（1）G（x）的系數(shù)為11001，說明多項(xiàng)式階數(shù)K=4；（2）數(shù)據(jù)碼后添加4個(gè)0，新多項(xiàng)式系數(shù)為1100110000；（3）多項(xiàng)式相除，求余數(shù)多項(xiàng)式系數(shù)，多項(xiàng)式的運(yùn)算實(shí)際是系數(shù)間的運(yùn)算：標(biāo)準(zhǔn)CRC生成多項(xiàng)式G（x）CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10

+x8+x7+x5+x4+

x2+x+1CRC校驗(yàn)碼的檢錯(cuò)能力CRC校驗(yàn)碼能檢查出全部單個(gè)錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼能檢查出全部離散的二位錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼能檢查出全部奇數(shù)個(gè)錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼能檢查出全部長度小于等于K位的突發(fā)錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼能以[1-（1/2）K-1]的概率檢查出長度為（K+1）位的突發(fā)錯(cuò)；如果K=16，則該CRC校驗(yàn)碼能全部檢查出小于或等于16位的所有的突發(fā)差錯(cuò)，并能以1-（1/2）16-1=99.997％的概率檢查出長度為17位的突發(fā)錯(cuò)，，漏檢概率為0.003%。3）海明（Hamming）碼

在海明碼的編碼過程中，冗余碼從左至右依次填充到2j（j=0，1，…

，r-1）的位置上，碼組中剩余位填充數(shù)據(jù)位。(*為數(shù)據(jù)，P為冗余檢驗(yàn)位）

2021 22 23 P1P2*P3***

P4***

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如果冗余碼的位數(shù)為r，則存在這樣一個(gè)（2r-1）行×r列的編碼矩陣，矩陣元素等于0或1，并且每一行的元素所組成的二進(jìn)制編碼等于行數(shù)的二進(jìn)制編碼。對于海明糾錯(cuò)碼，要求碼組數(shù)據(jù)與這一矩陣相乘滿足下列關(guān)系：⑴海明碼碼組位長度n，冗余位長度r，數(shù)據(jù)位長度k的關(guān)系⑵冗余碼從左至右依次填充位置⑶如何求得冗余碼⑷接受方如何判斷出錯(cuò)，確定出錯(cuò)誤位并糾錯(cuò)．2.8.3流量控制

通過差錯(cuò)控制技術(shù)中的編碼技術(shù)可以解決在數(shù)據(jù)傳輸中編碼碼組中數(shù)據(jù)位的錯(cuò)誤，但由于干擾原因或者發(fā)送方的數(shù)據(jù)發(fā)出速度大于接收方對數(shù)據(jù)的處理速度，會出現(xiàn)整個(gè)碼組的丟失，從而造成傳輸出錯(cuò)。這時(shí)，就需要一系列技術(shù)保證發(fā)、收雙方在發(fā)、收數(shù)據(jù)速度上的協(xié)調(diào)以及一旦出現(xiàn)差錯(cuò)后正確處理，一般稱為流量控制和差錯(cuò)控制機(jī)制。1）停止等待流量控制

112312322NAK否定應(yīng)答幀2）滑動(dòng)窗口流量控制

（1）發(fā)送方窗口

為克服停止等待方式效率低的不足，可以在接