數(shù)據(jù)通信與廣域網(wǎng)技術(shù)

數(shù)據(jù)通信與廣域網(wǎng)技術(shù)第1頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

第四節(jié)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號第2頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第四節(jié)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)1.數(shù)據(jù)編碼類型數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變模擬數(shù)據(jù)編碼變數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼振幅鍵控ASK移頻鍵控FSK移相鍵控PSK非歸零碼NRZ曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼第3頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2模擬數(shù)據(jù)編碼方法振幅鍵控（ASK,Amplitude-ShiftKeying）移頻鍵控（FSK,Frequency-ShiftKeying）移相鍵控（PSK,Phase-ShiftKeying）

第4頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六振幅鍵控移頻鍵控移相建控第5頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

010010ωωπ0πππ0ω2ω1ω2數(shù)據(jù)(a)ASK(b)FSK(c)PSKω2ω1ω1第6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼方法非歸零碼(NRZ,Non-ReturnZero)缺點：無法判斷一位的開始與結(jié)束，收發(fā)雙方不能保持同步。可能會存在直流分量。曼徹斯特(Manchester)編碼優(yōu)點：自含時鐘編碼，不含直流分量。缺點：效率低差分曼徹斯特(DifferenceManchester)編碼第7頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六01001011數(shù)據(jù)(a)非歸零碼同步時鐘(b)曼徹斯特編碼(c)差分曼徹斯特編碼第8頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4脈沖編碼調(diào)制方法數(shù)字信號傳輸失真小、誤碼率低、傳輸速率快。如何將模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化？脈沖編碼調(diào)制(PCM,PulseCodeModulation)是模擬信號數(shù)字化的主要方法。第9頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六脈沖編碼調(diào)制的基本操作為采樣量化編碼第10頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六D8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5At0.27≈0.30.62≈0.61.28≈1.31.52≈1.51.26≈1.30.73≈0.70.41≈0.40.12≈0.1(a)樣本量化級二進(jìn)制編碼編碼信號0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)第11頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第五節(jié)基帶傳輸技術(shù)1基帶傳輸?shù)亩x

在數(shù)據(jù)通信中，表示計算機(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本頻帶,簡稱為基帶,矩形脈沖信號就叫做基帶信號;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;第12頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過編碼器變換變?yōu)橹苯觽鬏數(shù)幕鶐盘枺缏鼜厮固鼐幋a或差分曼徹斯特編碼信號;在接收端由解碼器恢復(fù)成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號;基帶傳輸是一種最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。

第13頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2.帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率“帶寬”(bandwidth)本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)傳輸速率”的同義語。數(shù)據(jù)傳輸速率是描述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)；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)制比特數(shù)，單位為比特/秒，記做bps。第14頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位更常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位是千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）請注意：在計算機(jī)界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。第15頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)字信號流隨時間的變化在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。每秒

106

個比特時間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s時間每秒

4

106

個比特0.25s帶寬為4Mb/s第16頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第六節(jié)頻帶傳輸?shù)幕靖拍?.頻帶傳輸?shù)亩x

利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法叫頻帶傳輸。

調(diào)制解調(diào)器（modem）是頻帶傳輸中最典型的通信設(shè)備。第17頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

2調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理在發(fā)送端將計算機(jī)中的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能在電話線上傳輸?shù)哪M信號；在接收端將從電話線路上接收到的模擬信號還原成數(shù)字信號。調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號正文正文PC機(jī)第18頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

第一節(jié)：數(shù)據(jù)通信的基本概念第二節(jié)：傳輸介質(zhì)及其主要特性第三節(jié)：無線與衛(wèi)星通信技術(shù)

第四節(jié)：數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法第五節(jié)：基帶傳輸?shù)幕靖拍?/p>

第六節(jié)：頻帶傳輸?shù)幕靖拍?/p>

第七節(jié)：廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)的類型與工作原理

第八節(jié)：差錯控制方法第二章數(shù)據(jù)通信與廣域網(wǎng)技術(shù)第19頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第七節(jié)廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)

交換技術(shù)的類型與工作原理數(shù)據(jù)通過通信子網(wǎng)的傳輸過程可以分為：線路(電路)交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換第20頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六1.線路交換

(CircuitExchanging)線路交換方式的工作原理結(jié)點A呼叫請求呼叫應(yīng)答報文或報文分組應(yīng)答釋放請求釋放應(yīng)答線路建立數(shù)據(jù)傳輸線路釋放結(jié)點B結(jié)點C結(jié)點D主機(jī)H主機(jī)HAB第21頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六回顧一下電路交換的特點兩部電話機(jī)只需要用一對電線就能夠互相連接起來。

第22頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六更多的電話機(jī)互相連通5部電話機(jī)兩兩相連，需10對電線。N部電話機(jī)兩兩相連，需N(N–1)/2對電線。當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量很大時，這種連接方法需要的電線對的數(shù)量與電話機(jī)數(shù)的平方成正比。

第23頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六使用交換機(jī)當(dāng)電話機(jī)的數(shù)量增多時，就要使用交換機(jī)來完成全網(wǎng)的交換任務(wù)?！?/p>

交換機(jī)第24頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六“交換”的含義在這里，“交換”(switching)的含義是：轉(zhuǎn)接——把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通起來。從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態(tài)地分配傳輸線路的資源。第25頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六電路交換的特點電路交換的三個階段：建立連接通信釋放連接第26頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六電路交換舉例A和B通話經(jīng)過四個交換機(jī)通話在A到B的連接上進(jìn)行((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA第27頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六電路交換舉例C和D通話只經(jīng)過一個本地交換機(jī)通話在C到D的連接上進(jìn)行((((交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA第28頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六電路交換傳送計算機(jī)數(shù)據(jù)效率低計算機(jī)數(shù)據(jù)具有突發(fā)性。這導(dǎo)致通信線路的利用率很低。第29頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式

存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式與線路交換方式的主要區(qū)別：發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息按照一定格式組成一個數(shù)據(jù)單元（報文或報文分組）進(jìn)入通信子網(wǎng)；通信子網(wǎng)中的結(jié)點是通信控制處理機(jī)，它負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)單元的接收、差錯校驗、存儲、路選和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

第30頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式的優(yōu)點由于通信子網(wǎng)中的通信控制處理機(jī)可以存儲分組，多個分組可以共享通信信道，線路利用率高；通信子網(wǎng)中通信控制處理機(jī)具有路選功能，可以動態(tài)選擇報文分組通過通信子網(wǎng)的最佳路徑；分組在通過通信子網(wǎng)中的每個通信控制處理機(jī)時，均要進(jìn)行差錯檢查與糾錯處理，因此可以減少傳輸錯誤，提高系統(tǒng)可靠性；第31頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式分類：

數(shù)據(jù)通過通信子網(wǎng)傳輸時可以有報文（message）與報文分組（packet）兩種方式；報文傳輸(MessageExchanging，也叫報文交換)：不管發(fā)送數(shù)據(jù)的長度是多少，都把它當(dāng)作一個邏輯單元發(fā)送；報文分組傳輸(PacketExchanging，也叫分組交換)：限制一次傳輸數(shù)據(jù)的最大長度，如果傳輸數(shù)據(jù)超過規(guī)定的最大長度，發(fā)送結(jié)點就將它分成多個報文分組發(fā)送。第32頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六報文和報文分組結(jié)構(gòu)

由于分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易并且重發(fā)花費的時間較少；限定分組最大數(shù)據(jù)長度，有利于提高存儲轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點的存儲空間利用率與傳輸效率；公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用的是分組交換技術(shù)。第33頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六

報文交換網(wǎng)絡(luò)的主要缺點：經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)時的延遲較長且不固定，不能滿足實時或交互式的通信要求。因此，這種方式不能用于聲音連接，也不適合交互式終端到計算機(jī)的連接。第34頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六分組交換(PacketExchanging)分組交換很像報文交換，所不同的是：在分組交換網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)被劃分成固定長度的分組(Packet)。第35頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六報文分組交換的原理（一）在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸?shù)?6頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)報文分組交換的原理（二）每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。首部首部首部分組

1分組

2分組

3請注意：現(xiàn)在左邊是“前面”第37頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六分組交換的原理（三）分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端（假定接收端在左邊）。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3第38頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六分組交換的原理（四）接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。數(shù)據(jù)首部分組

1數(shù)據(jù)首部分組

2數(shù)據(jù)首部分組

3收到的數(shù)據(jù)第39頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分組交換的原理（五）最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉(zhuǎn)發(fā)時也沒有被丟棄。報文1101000110101010110101011100010011010010第40頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六分組交換網(wǎng)的示意圖H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1向H5發(fā)送分組H2向H6發(fā)送分組注意分組路徑的變化！結(jié)點交換機(jī)主機(jī)第41頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六注意分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)過程H1A分組交換網(wǎng)BDECH5H6H4H2H3H1

向

H5

發(fā)送分組結(jié)點交換機(jī)主機(jī)在結(jié)點交換機(jī)

A

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結(jié)點交換機(jī)

C

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口在結(jié)點交換機(jī)

E

暫存查找轉(zhuǎn)發(fā)表找到轉(zhuǎn)發(fā)的端口最后到達(dá)目的主機(jī)

H5第42頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六注意結(jié)點交換機(jī)有多個端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速鏈路結(jié)點交換機(jī)123412341

2

3

412

3

41

2

3

4第43頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六結(jié)點交換機(jī)在結(jié)點交換機(jī)中的輸入和輸出端口之間沒有直接連線。結(jié)點交換機(jī)處理分組的過程是：把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）；查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找出到某個目的地址應(yīng)從哪個端口轉(zhuǎn)發(fā)；把分組送到適當(dāng)?shù)亩丝谵D(zhuǎn)發(fā)出去。

第44頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六主機(jī)和結(jié)點交換機(jī)的作用不同主機(jī)是為用戶進(jìn)行信息處理的，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分組，從網(wǎng)絡(luò)接收分組。結(jié)點交換機(jī)對分組進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，最后把分組交付給目的主機(jī)。第45頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六分組交換的優(yōu)點高效動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。靈活以分組為傳送單位和查找路由。迅速不必先建立連接就能向其他主機(jī)發(fā)送分組；充分使用鏈路的帶寬?？煽客晟频木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議；自適應(yīng)的路由選擇協(xié)議使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性。第46頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六分組交換帶來的問題分組在各結(jié)點存儲轉(zhuǎn)發(fā)時需要排隊，這就會造成一定的時延。分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷。第47頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六三種交換的比較P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文ABCDABCDABCD報文交換電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報文P2P1連接釋放第48頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六第八節(jié)差錯控制方法1差錯產(chǎn)生的原因與差錯類型傳輸差錯是通過通信信道后接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象;差錯控制是檢查是否出現(xiàn)差錯以及如何糾正差錯；通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲；由熱噪聲引起的差錯是隨機(jī)差錯，或隨機(jī)錯；沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯（BurstError），或突發(fā)錯；在通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯，是由隨機(jī)差錯與突發(fā)差錯共同構(gòu)成的。第49頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六傳輸差錯產(chǎn)生過程信源通信信道信宿數(shù)據(jù)噪聲數(shù)據(jù)+噪聲(a)001100111100011111000011000100010110011001010傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信號波形噪聲數(shù)據(jù)信號與噪聲信號疊加后的波形采樣時間接收數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)出錯的位(b)第50頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六2誤碼率的定義

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；對于一個實際的數(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)實際傳輸要求提出誤碼率要求；差錯的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，在實際測量一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進(jìn)制比特數(shù)越大，才會越接近于真正的誤碼率值。

第51頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六3檢錯碼與糾錯碼

糾錯碼：每個傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯。檢錯碼:分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯的冗余信息；接收端能夠發(fā)現(xiàn)出錯，但不能確定哪位是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯。常用的方法有：奇偶校驗、循環(huán)冗余編碼（CRC,CyclicRedundancyCode)第52頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六4.循環(huán)冗余編碼工作原理

發(fā)送方接收方發(fā)送數(shù)據(jù)f(x)生成多項式G(x)f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)實際發(fā)送:f(x)xk.+R(x)數(shù)據(jù)字段校驗字段f(x)R(x)發(fā)送數(shù)據(jù)f'(x)生成多項式G(x)R'(x)=R(x)接收正確R'(x)=R(x)接收出錯發(fā)送f'(x)xk.G(x)=Q(x)+R'(x)G(x)第53頁，共58頁，2023年，2月20日，星期六CRC檢錯方法舉例

110011000011001G(x)1100110000110011001R(x)100001Q(x)f(x).xk110011發(fā)送數(shù)據(jù)比特序列CRC校驗碼比特序列1001帶CRC校驗碼的發(fā)送數(shù)據(jù)比特序列11