第2章數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)21數(shù)據(jù)通信概述

第2章數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)《現(xiàn)代通信系統(tǒng)》課程2023/2/61第2章數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

2.1

數(shù)據(jù)通信概述

2.2

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.3

局域網(wǎng)2.4TCP/IP2.5Internet和廣域網(wǎng)2023/2/62信息、數(shù)據(jù)、信號信息：是人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認(rèn)識;數(shù)據(jù)：信息的表示形式（載體），是把事物的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式;可以是字母、數(shù)字等的組合。信號：信息的傳輸形式，是數(shù)據(jù)的物理表現(xiàn)。信息必須被轉(zhuǎn)化為電磁信號、光信號才能傳輸。通信是為了交換信息（Information）。2.1數(shù)據(jù)通信概述2023/2/63例子信息：是人對現(xiàn)實世界事物存在方式或運動狀態(tài)的某種認(rèn)識。數(shù)據(jù)：是把事物的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式;是信息的表示形式。信號：是數(shù)據(jù)的具體的物理表現(xiàn)。是信息的傳輸形式。tv2.1數(shù)據(jù)通信概述2023/2/64模擬信號與數(shù)字信號模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和模擬信號、數(shù)字信號2.1數(shù)據(jù)通信概述2023/2/65指通過某種系統(tǒng)由發(fā)送者傳遞給接收者的信號傳輸過程。通信一致伴隨人類的生存和發(fā)展，自有人類活動就產(chǎn)生通信。分為四個發(fā)展階段：通信？2.1數(shù)據(jù)通信概述2023/2/66第一階段：以語言為主，通過人力、烽火等原始手段傳遞信息。第二階段：文字、印刷。（增加了信息傳播的手段）第三階段：郵政、電報、電話、廣播。（進(jìn)入電氣時代，擴(kuò)大信息傳播范圍）第四階段：信息時代，通過電子設(shè)備、光媒體傳遞數(shù)據(jù)、圖像、文本等?，F(xiàn)代通信技術(shù):借助電子電氣設(shè)備及光等媒介，在兩點之間傳輸信息。2.1數(shù)據(jù)通信概述2023/2/67數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)通信是指依照通信協(xié)議，在兩個設(shè)備之間利用傳輸媒體進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)通信＝數(shù)據(jù)處理＋數(shù)據(jù)傳輸可實現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)、計算機(jī)與終端以及終端與終端之間的數(shù)據(jù)信息傳遞。2.1數(shù)據(jù)通信概述2023/2/68終端：對互聯(lián)網(wǎng)而言，“終端”泛指一切能夠接入網(wǎng)絡(luò)的計算設(shè)備，如個人電腦、網(wǎng)絡(luò)電視、可上網(wǎng)手機(jī)、PDA等。2.1數(shù)據(jù)通信概述2023/2/692.1.1數(shù)據(jù)通信的特點2.1.1數(shù)據(jù)通信的特點（1）數(shù)據(jù)通信是人—計算機(jī)或計算機(jī)—計算機(jī)之間的通信，通信過程可能沒有人的直接參與，為了保證通信的順利進(jìn)行，必須采用嚴(yán)格統(tǒng)一的傳輸控制規(guī)程（通信協(xié)議）。所謂“規(guī)程”就是在通信過程中計算機(jī)必須遵守的一系列“約定”。（2）數(shù)據(jù)通信的傳輸速率極高。2023/2/610（3）數(shù)據(jù)通信要求誤碼率≤10-7～10-9，而語音及電視業(yè)務(wù)僅要求誤碼率≤10-4，即數(shù)據(jù)通信可靠性要求高，因此必須采用嚴(yán)格的差錯控制技術(shù)。（4）數(shù)據(jù)通信的突發(fā)度高。所謂“突發(fā)度”是指數(shù)據(jù)通信的峰值速率與平均速率之比。2.1.1數(shù)據(jù)通信的特點2023/2/6112.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖2-1-1所示。從圖中看出，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）、數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）和傳輸信道三部分組成。

2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成2023/2/612數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構(gòu)成圖中所示為左端的數(shù)據(jù)終端與右端的主計算機(jī)進(jìn)行點對點的通信。

2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成2023/2/6131.數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE） DTE（DateTerminalEquipment）是計算機(jī)網(wǎng)中用于處理用戶數(shù)據(jù)的設(shè)備，從簡單的數(shù)據(jù)終端（甚至I/O設(shè)備）到復(fù)雜的中心計算機(jī)均可稱為DTE。輸入/輸出設(shè)備傳輸控制器

2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成2023/2/6142.數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE）

DCE（DateCircuit-terminalEquipment）屬于網(wǎng)絡(luò)終接設(shè)備，調(diào)制解調(diào)器、線路接續(xù)控制設(shè)備及與線路連接的其他數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備稱為DCE。調(diào)制解調(diào)器（Modem）：把DTE送來的數(shù)字信號變換為模擬信號再送往信道，或把信道送來的模擬信號變換為數(shù)字信號再送往DTE。

2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成2023/2/615DSU與CSU如果信道是數(shù)字信道，DCE由數(shù)據(jù)服務(wù)單元（DataServiceUnit，DSU）和信道服務(wù)單元（ChannelServiceUnit，CSU）組成。DSU的功能：把面向DTE的數(shù)字信道上的數(shù)據(jù)信號變換成雙極性的數(shù)字信號、包封的形成/還原、定時信號的產(chǎn)生與提??；CSU的功能：完成信道特性的均衡、信號整形、環(huán)路檢測等。

2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成2023/2/6163.數(shù)據(jù)電路：由DCE與信道一起構(gòu)成。4.數(shù)據(jù)鏈路：數(shù)據(jù)電路加上兩端的傳輸控制器、通信控制器構(gòu)成。鏈路（link）是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何的交換節(jié)點。兩個計算機(jī)之間的通路往往由許多鏈路串接而成。

2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)構(gòu)成2023/2/6172.1.3通信軟件

用來控制相關(guān)硬件，對系統(tǒng)中的各種資源進(jìn)行全面的管理、調(diào)度和分配，保障系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)和服務(wù)。通信軟件通常指以下五類軟件：（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和協(xié)議軟件（2）網(wǎng)絡(luò)通信軟件（3）網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件（4）網(wǎng)絡(luò)管理軟件（5）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件

2.1.3通信軟件2023/2/6182.1.4傳輸代碼

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)終端設(shè)備或計算機(jī)輸出的數(shù)據(jù)信息以字母、數(shù)字、字符和符號表示。為了傳遞這些信息，必須用二進(jìn)制的代碼來代表不同的字母、數(shù)字、字符和符號。

目前廣泛使用美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼（ASCII，

AmericanStandardCodeforInformationInterchange），是基于拉丁字母的一套電腦編碼系統(tǒng)，主要用于顯示現(xiàn)代英語和其他西歐語言。。

2.1.4傳輸代碼2023/2/6192023/2/6202023/2/6212.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式1.并行傳輸與串行傳輸并行傳輸指的是數(shù)據(jù)以成組的方式在多條并行的信道上同時傳輸。優(yōu)點：收發(fā)雙方不存在字符同步的問題；缺點：必須同時有多條并行信道可供使用；串行傳輸是數(shù)字流以串行方式在一條信道上傳輸。優(yōu)點：只需要一條信道，易于實現(xiàn)；缺點：存在收發(fā)雙方如何實現(xiàn)字符同步的問題；

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/622并行通信通常用于計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部及與外設(shè)之間大量頻繁的數(shù)據(jù)傳輸。在這種方式中，每個數(shù)據(jù)編碼的各個比特都是同時發(fā)送的。從發(fā)送端到接收端的信道需要用相應(yīng)的若干根傳輸線。

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/623串行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線上傳輸?shù)?。因為計算機(jī)內(nèi)部操作多采用并行傳輸方式，因此，在實際采用串行傳輸時，要使用轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行并/串和串/并轉(zhuǎn)換。

串行數(shù)據(jù)傳輸

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/6242.異步傳輸與同步傳輸通信過程中，發(fā)送方和接收方必須在時間上保持一致步調(diào)，亦同步，才能準(zhǔn)確傳送信息。解決方法：要求接收端根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的起止時間和始終頻率，來校正自己的時間基準(zhǔn)與始終頻率，這個過程成為位同步或者碼元同步。數(shù)據(jù)傳輸時常用的同步方式有兩種：異步傳輸方式同步傳輸方式

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/625異步傳輸方式也稱為起止式同步方式。以字符（多個碼元組成）作為傳輸單位，為了實現(xiàn)字符同步，在傳送一個字符序列時，在字符的開始和末尾加上兩個碼元，分別表示該字符的起始和停止，稱為起始位和停止位。起始位長度為1個碼元，極性為“0”；停止位長度為1~2個碼元，極性為“1”。

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/626同步傳輸方式：又稱獨立同步方式，這種方式收發(fā)雙方要保證比特同步；字符同步是通過同步字符SYN來實現(xiàn)的。SYN的作用：一是當(dāng)收端收到2個以上的SYN就開始與發(fā)端同步，并按每8位碼組成一個字符；二是當(dāng)報文發(fā)完，但尚未斷開與收端的聯(lián)系，用SYN維持雙方的同步；

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/627數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?/p>

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/628

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/6293.單工、半雙工和全雙工通信（1）單工通信凡是利用一條物理信道只能進(jìn)行單向信息傳輸?shù)耐ㄐ?，稱之為單工通信。單工通信

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/630（2）半雙工通信半雙工通信是指可以進(jìn)行雙向傳輸，但由于只有一條物理信道（2線制），因此，同一時刻只限于一個方向傳輸。半雙工通信

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/631（3）全雙工通信全雙工通信是指通信雙方在任何時刻，均可進(jìn)行雙向通信，無任何限制，這種制式往往用于實時數(shù)據(jù)交換，它需要具有兩條以上的物理信道（3線制或4線制)。全雙工通信

2.1.5數(shù)據(jù)傳輸方式2023/2/6322.1.6差錯檢測及控制1.差錯的檢測在計算機(jī)與計算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)時，誤碼率要求低于≤10-7～10-9。因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，要采取一定的方法發(fā)現(xiàn)差錯并糾正差錯，這稱為“差錯控制”。檢錯碼：能發(fā)現(xiàn)錯誤的碼；糾錯碼：能糾正錯誤的碼。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/633數(shù)字信號在傳輸過程中受到干擾的影響，使信號波形變壞，發(fā)生誤碼，可以采用一些方法解決。差錯出現(xiàn)原因

外界噪聲

傳輸中碼間串?dāng)_解決方法

合理地設(shè)計基帶信號，選擇調(diào)制、解調(diào)方式，采用均衡技術(shù)，提高發(fā)送功率等因素，使誤比特率降低。

差錯控制編碼。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/634誤碼的類型

隨機(jī)誤碼錯碼出現(xiàn)是隨機(jī)的、錯碼之間統(tǒng)計獨立。由隨機(jī)噪聲引起存在隨機(jī)誤碼的信道稱為隨機(jī)信道

突發(fā)誤碼錯碼成串集中出現(xiàn)，在很短的時間出現(xiàn)大量錯碼，而過后又存在較大的無錯碼位，且差錯之間是相關(guān)的例如：脈沖噪聲，信道中衰落存在這種差錯的信道稱為突發(fā)信道

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/635

差錯控制的基本原理

在信息碼上附加一定位數(shù)的監(jiān)督碼元，使其與信息位按某種規(guī)則相互關(guān)聯(lián)；

若數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生差錯，關(guān)聯(lián)關(guān)系被破壞，從而可

檢出和/或糾正錯誤。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/636差錯控制技術(shù)的種類檢錯重發(fā)前向糾錯反饋校驗混合糾錯檢錯刪除

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/6371、檢錯重發(fā)法ARQ(AutomaticRepeatRequest)：差錯控制方法發(fā)收有錯碼無錯碼雙向信道檢錯重發(fā)（ARQ）的優(yōu)點主要表現(xiàn)在：（1）只需要少量的冗余碼，就可以得到極低的輸出誤碼率；（2）有一定的自適應(yīng)能力；某些不足主要表現(xiàn)在：（1）需要反向信道，故不能用于單向傳輸系統(tǒng)，并且實現(xiàn)重發(fā)控制比較復(fù)雜；（2）通信效率低，不適合嚴(yán)格實時傳輸系統(tǒng)。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/638差錯控制方法2、前向糾錯法FEC(ForwordErrorCorrection)發(fā)收自己糾正單向信道設(shè)備復(fù)雜發(fā)送端經(jīng)信道編碼后可以發(fā)出具有糾錯能力的碼字；接收端譯碼后不僅可以發(fā)現(xiàn)錯誤碼，而且可以判斷錯誤碼的位置并予以自動糾正。不需要反向信道傳送重發(fā)指令，也沒有因反復(fù)重發(fā)而產(chǎn)生的時延，實時性好與檢錯重發(fā)相比，需要加入更多的差錯控制碼元，設(shè)備復(fù)雜特點：無需反饋信道，無需重傳，延時?。?/p>

傳輸序列中冗余量較大。

運用在移動通信系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)通信中。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/6393、反饋校驗法發(fā)收是否有錯雙向信道效率低

信源

編碼器緩沖器重發(fā)控制

雙向信道

解碼器

指令產(chǎn)生

輸出緩沖

收信者正確時輸出錯誤時刪除自動請求ARQ方框圖

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/6404、混合糾錯方式HEC(HybridErrorCorrection)混合糾錯方式是前向糾錯方式和檢錯重發(fā)方式的結(jié)合。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/6415、檢錯刪除（deletion)在接收端發(fā)現(xiàn)錯碼后，立即將其刪除，不要求重發(fā)用于少數(shù)特定系統(tǒng)，發(fā)送碼元有大量多余度，刪除部分接收碼元不影響應(yīng)用

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/642ARQ系統(tǒng)原理方框圖自動請求重傳系統(tǒng)（ARQ）通信系統(tǒng)在接收端檢測到傳輸錯誤并自動告知發(fā)送方，請求發(fā)送方重發(fā)，稱為自動請求重發(fā)，簡稱反饋重傳。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/643該系統(tǒng)接收端在收到的信碼中檢測出錯碼時，即設(shè)法通知發(fā)送端重發(fā)，直到正確收到為止。所謂檢測出錯碼，是指在若干接收碼元中知道有一個或一些是錯的，但不一定知道該錯碼的準(zhǔn)確位置。3種最流行的ARQ方式停止–等待式ARQ具有回拉功能的連續(xù)ARQ---拉后ARQ系統(tǒng)具有選擇性重發(fā)功能的連續(xù)ARQ---選擇重發(fā)ARQ系統(tǒng)

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/644停止等待ARQ系統(tǒng)數(shù)據(jù)按分組發(fā)送。每發(fā)送一組數(shù)據(jù)后發(fā)送端等待接收端的確認(rèn)(ACK)答復(fù)，然后再發(fā)送下一組數(shù)據(jù)。圖中的第3組接收數(shù)據(jù)有誤，接收端發(fā)回一個否認(rèn)(NAK)答復(fù)。這時，發(fā)送端將重發(fā)第3組數(shù)據(jù)。系統(tǒng)是工作在半雙工狀態(tài)，時間沒有得到充分利用，傳輸效率較低。接收碼組ACKACKNAKACKACKNAKACKt1233455發(fā)送碼組12334556t有錯碼組有錯碼組

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/645拉后ARQ系統(tǒng)發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)組，接收端對于每個接收到的數(shù)據(jù)組都發(fā)回確認(rèn)(ACK)或否認(rèn)(NAK)答復(fù)。例如，圖中第5組接收數(shù)據(jù)有誤，則在發(fā)送端收到第5組接收的否認(rèn)答復(fù)后，從第5組開始重發(fā)數(shù)據(jù)組。在這種系統(tǒng)中需要對發(fā)送的數(shù)據(jù)組和答復(fù)進(jìn)行編號，以便識別。顯然，這種系統(tǒng)需要雙工信道接收數(shù)據(jù)有錯碼組有錯碼組91011101112214365798576ACK1NAK5NAK9ACK5發(fā)送數(shù)據(jù)57695214367981011101112重發(fā)碼組重發(fā)碼組

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/646選擇重發(fā)ARQ系統(tǒng)它只重發(fā)出錯的數(shù)據(jù)組，因此進(jìn)一步提高了傳輸效率。具有選擇性重發(fā)功能的連續(xù)ARQ也需要全雙工連接，但它只要求錯誤的消息重發(fā)，然后發(fā)射機(jī)從先前停止的地方繼續(xù)發(fā)送原序列而不重發(fā)已經(jīng)正確接收的消息。接收數(shù)據(jù)有錯碼組有錯碼組921436575981011131412發(fā)送數(shù)據(jù)995852143671011131412重發(fā)碼組重發(fā)碼組NAK9ACK1NAK5ACK5ACK9

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/647ARQ的主要優(yōu)點：和前向糾錯方法相比監(jiān)督碼元較少即能使誤碼率降到很低，即碼率較高；檢錯的計算復(fù)雜度較低；檢錯用的編碼方法和加性干擾的統(tǒng)計特性基本無關(guān)，能適應(yīng)不同特性的信道。ARQ的主要缺點：需要雙向信道來重發(fā)，不能用于單向信道，也不能用于一點到多點的通信系統(tǒng)。因為重發(fā)而使ARQ系統(tǒng)的傳輸效率降低。在信道干擾嚴(yán)重時，可能發(fā)生因不斷反復(fù)重發(fā)而造成事實上的通信中斷。在要求實時通信的場合，例如電話通信，往往不允許使用ARQ法。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/6482.差錯控制編碼差錯控制編碼：常稱為糾錯編碼監(jiān)督碼元：上述4種技術(shù)中除第3種外，都是在接收端識別有無錯碼。所以在發(fā)送端需要在信息碼元序列中增加一些差錯控制碼元，它們稱為監(jiān)督碼元。不同的編碼方法，有不同的檢錯或糾錯能力。多余度：就是指增加的監(jiān)督碼元多少。例如，若編碼序列中平均每兩個信息碼元就添加一個監(jiān)督碼元，則這種編碼的多余度為1/3。編碼效率(簡稱碼率)：設(shè)編碼序列中信息碼元數(shù)量為k，總碼元數(shù)量為n，則比值k/n就是碼率。冗余度：監(jiān)督碼元數(shù)(n-k)和信息碼元數(shù)k之比。理論上，差錯控制以降低信息傳輸速率為代價換取提高傳輸可靠性。

2.1.6差錯檢測及控制2023/2/649糾錯編碼的基本原理簡單例子：3位二進(jìn)制碼組（c1c2c3）,其中ci=0或1。此碼組有8種不同的組合：000001010011100101110111可分別代表不同的信息含義。若將8種碼組都作為有用碼組來使用，比如代表8種天氣情況：000（晴），001（雷），010（雹