數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 課件 第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)本章提要數(shù)據(jù)通信的基本概念傳輸介質(zhì)信號編碼數(shù)據(jù)交換技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)通信1.信息、數(shù)據(jù)和信號通信的目的是交換信息。信息的載體可以是多媒體，包含聲、文、圖等。被傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼稱數(shù)據(jù)，是信息的載體。信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的表示形式，信號包括模擬和數(shù)字。2.1.2.數(shù)據(jù)通信模型數(shù)據(jù)通信：將數(shù)據(jù)信息通過適當(dāng)?shù)木€路從一端傳到另一端。兩類：模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)。補(bǔ)充：模擬通信系統(tǒng)普通的電話、廣播、電視等都屬于模擬通信系統(tǒng)。補(bǔ)充：數(shù)字通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信、數(shù)字電話以及數(shù)字電視都屬于數(shù)字通信系統(tǒng)。2.1.3.數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（1）數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)通信速率：指數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)乃俣取７譃閮煞N：數(shù)據(jù)傳輸速率和信號傳輸速率。信號傳輸速率RB：又稱波特率，單位時間內(nèi)傳送的信號個數(shù)，單位為波特/秒（Baud/s），；數(shù)據(jù)傳輸速率Rb：又稱為比特率，單位時間內(nèi)傳送的二進(jìn)制位個數(shù)，單位為比特/秒（bit/s）；注意區(qū)分二者?。∧慰固睾拖戕r(nóng)定理(續(xù))1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。B=2W（Baud）--------(W為信道帶寬)在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。奈奎斯特和香農(nóng)定理(續(xù))香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的數(shù)據(jù)傳輸速率。信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率C可表達(dá)為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。奈奎斯特和香農(nóng)定理(續(xù))舉例：信道帶寬W=3.1KHz，S/N=2000，則

C=3100*log2(1+2000)≈34Kbit/s香農(nóng)公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限，則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。2.1.3數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）（2）誤比特率：指二進(jìn)制數(shù)據(jù)位在數(shù)據(jù)傳輸中出錯的概率，是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤比特率=錯誤比特?cái)?shù)/傳輸總比特?cái)?shù)（3）信道容量是指單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財(cái)?shù)，用每秒比特?cái)?shù)（bps）表示。2.1.3數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）(4)信道是信號傳輸?shù)耐ǖ?，包括傳輸媒體和通信設(shè)備。傳輸媒體：電纜、光纖、電磁波等。通信設(shè)備：路由器、交換機(jī)等。(5)

信道帶寬是由信道的物理特性所決定的(單位HZ)例如，電話線路的頻率范圍在300～3400Hz，則它的帶寬300～3400Hz。2.2.1數(shù)據(jù)通信方式1、串行通信和并行通信2、單工、半雙工和全雙工通信3、基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸4、數(shù)據(jù)通信的同步方式：異步方式同步方式2.2數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)1、串行通信和并行通信并行通信數(shù)據(jù)在多個并行信道上同時進(jìn)行傳輸。并行通信的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但費(fèi)用高，僅適合于近距離和高速率的通信。串行通信數(shù)據(jù)流以串行方式在一條信道上傳輸，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部都采用并行通信。串行通信的優(yōu)點(diǎn)是收、發(fā)雙方只需要一條傳輸信道，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，但速度比較低。2、數(shù)據(jù)傳輸方向（1）單工通信單工方式指通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號僅沿一個方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收而不能發(fā)送。（2）半雙工通信半雙工通信是指信號可以沿兩個方向傳送，但同一時刻一個信道只允許單方向傳送，即兩個方向的傳輸只能交替進(jìn)行，而不能同時進(jìn)行。（3）全雙工通信全雙工通信是指數(shù)據(jù)可以同時沿相反的兩個方向作雙向傳輸。比如，電話通話。2.2.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐郊夹g(shù)同步問題在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送端與接收端采用串行通信時，通信雙方要交換數(shù)據(jù)，需要有高度的協(xié)同動作，彼此間傳輸數(shù)據(jù)的速率、每個比特的持續(xù)時間和間隔都必須相同。通常使用的同步技術(shù)有兩種：異步方式同步方式（1）異步傳輸方式（字符同步）異步方式實(shí)現(xiàn)比較容易，但每傳輸一個字符都需要多使用2～3位，所以適合于低速通信。（2）同步傳輸方式在同步傳送時，由于發(fā)送方和接收方數(shù)據(jù)塊作為一個單位傳送，且附加位又非常少。使用場合：高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，比如計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。異步傳輸和同步傳輸?shù)膮^(qū)別1異步傳輸是面向字符的傳輸，而同步傳輸是面向比特的傳輸。2異步傳輸?shù)膯挝皇亲址絺鬏數(shù)膯挝皇菢E。3異步傳輸通過字符起止的開始和停止碼抓住再同步的機(jī)會，而同步傳輸則是以數(shù)據(jù)中抽取同步信息。4異步傳輸對時序的要求較低，同步傳輸往往通過特定的時鐘線路協(xié)調(diào)時序。5異步傳輸相對于同步傳輸效率較低。2.2.3信號傳輸方式1、基帶傳輸2、頻帶傳輸3、寬帶傳輸2.2.4數(shù)據(jù)編碼技術(shù)信道分為模擬信道和數(shù)字信道，而依賴于信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)字編碼(NRZ、曼徹斯特等)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(數(shù)字信道)調(diào)制(ASK、FSK、PSK等)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(模擬信道)脈沖編碼調(diào)制PCM模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(數(shù)字信號)調(diào)制（AM、FM、PM等）模擬數(shù)據(jù)模擬信號(模擬信道)1.調(diào)制與解調(diào)2.模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制傳統(tǒng)的電話通信信道是為傳輸語音信號設(shè)計(jì)的，用于傳輸音頻300Hz～3400Hz的模擬信號，不能直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。對模擬數(shù)據(jù)調(diào)制的基本方法有三種：幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。2.模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制2.模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制2.模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制2.模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制2.模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制模擬數(shù)據(jù)的調(diào)制示例2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼方式有三種：非歸零碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼

非歸零(non-returntozero)編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼的示例2.2.5多路復(fù)用技術(shù)信道復(fù)用的目的是讓不同的計(jì)算機(jī)連接到相同的信道上，共享信道資源。原因：1、線路費(fèi)用高

2、傳輸介質(zhì)容量一般高于單一信道通信量2.2.5多路復(fù)用技術(shù)三種信道復(fù)用方式：頻分復(fù)用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)時分復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplexing)波分復(fù)用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)（1）頻分多路復(fù)用FDM(模擬)FDM是把信道的可用頻帶分成多個互不交疊的頻段（帶），每個信號占其中一個頻段。接收時用適當(dāng)?shù)臑V波器分離出不同信號，分別進(jìn)行解調(diào)接收。（2）時分多路復(fù)用TDM時分多路復(fù)用是將一條物理信道的傳輸時間分成若干個時間片，按一定的次序輪流給給個信號源使用。(使用時分的前提是什么？)TDM又分為同步時分復(fù)用（SynchronousTimeDivisionMultiplexing，STDM）和異步時分復(fù)用（AsynchronousTimeDivisionMultiplexing，ATDM）。STDM采用固定時間片分配ATDM采用動態(tài)時間片分配（2-1）同步時分復(fù)用STDM（2-2）異步時分復(fù)用異步時分復(fù)用技術(shù)又被稱為統(tǒng)計(jì)時分復(fù)用，它能動態(tài)地按需分配時間片，避免每個時間段中出現(xiàn)空閑時隙。（2-2）異步時分復(fù)用由于每個時間片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中必須包含地址域，因此在提高傳輸介質(zhì)利用率的同時也降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸率（3）波分多路復(fù)用WDMWDM主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)。波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。傳輸介質(zhì)與信道(補(bǔ)充)傳輸介質(zhì)與信道是不同范疇的概念傳輸介質(zhì)是指傳輸信號的物理載體信道提供了傳輸某種信號所需的帶寬，著重體現(xiàn)介質(zhì)的邏輯特性一個傳輸介質(zhì)可能同時提供多個信道一個信道也可能由多根傳輸介質(zhì)級聯(lián)而成2.3數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)交換的基本概念：通常將數(shù)據(jù)在通信子網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸過程稱為數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中常用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)可分為兩大類：線路交換和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換其中存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換交換技術(shù)又可分為：

報(bào)文交換、分組交換2.3.1電路交換方式首先要建立一個實(shí)際的物理線路連接，其中可能穿過多個交換局，每個交換局都必須提供連接一旦建立連接，整個通路將被獨(dú)占，數(shù)據(jù)在鏈路中進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)中無需包含目的地址數(shù)據(jù)傳送完畢釋放線路2.3.1電路交換方式(電話)電路交換在數(shù)據(jù)傳輸過程中要經(jīng)過三個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、釋放連接優(yōu)點(diǎn)：通信實(shí)時性強(qiáng)，適用交互式會話類通信缺點(diǎn)：對突發(fā)性通信不適應(yīng)，效率低、系統(tǒng)無存儲能力、沖突概率高、無差錯控制等特點(diǎn)：電路交換是面向連接的服務(wù)電路交換方式的工作原理2.3.2存儲交換方式報(bào)文交換1）物理數(shù)據(jù)傳輸過程要跨越多少個節(jié)點(diǎn)(通常是路由器)，只要下一節(jié)點(diǎn)不忙，該數(shù)據(jù)即發(fā)送2）數(shù)據(jù)的傳輸不需建立連接，數(shù)據(jù)的傳輸是一站一站往下送，所以數(shù)據(jù)中必須包含目的地址，采用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。3）線路利用率高4）數(shù)據(jù)傳輸過程中，可能延時較大，不可估計(jì)5）中間節(jié)點(diǎn)需有足夠大緩存，但報(bào)文大小不定，所以緩存通常設(shè)置在硬盤中2.3.2存儲交換方式分組交換1）與報(bào)文交換相似，只是將報(bào)文分為若干個定長的分組，每個分組為一個子報(bào)文2）數(shù)據(jù)中必須包含目的地址，采用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，線路利用率高3）數(shù)據(jù)傳輸過程中，可能延時較大，不可估計(jì)4）中間節(jié)點(diǎn)必須有緩存，但分組大小固定，所以緩存通常設(shè)在內(nèi)存中5）分組發(fā)送與接收的順序可能不一致，接收時可能需要重組交換技術(shù)圖示分組交換分為：數(shù)據(jù)報(bào)方式

虛電路方式數(shù)據(jù)報(bào)方式數(shù)據(jù)報(bào)是分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)的一種形式；在數(shù)據(jù)報(bào)方式中，分組傳送之間不需要預(yù)先在源主機(jī)與目的主機(jī)之間建立“線路連接”；源主機(jī)所發(fā)送的每一個分組都可以獨(dú)立地選擇一條傳輸路徑；每個分組在通信子網(wǎng)中可能是通過不同的傳輸路徑到達(dá)目的主機(jī)。數(shù)據(jù)報(bào)方式的工作原理實(shí)例：數(shù)據(jù)報(bào)方式主機(jī)A通信子網(wǎng)主機(jī)D數(shù)據(jù)報(bào)方式主機(jī)C主機(jī)B虛電路方式將電路交換的概念引入到分組傳輸虛電路建立

傳輸方發(fā)起連接請求，中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)路徑信息建立交換表，在交換表內(nèi)，節(jié)點(diǎn)為連接分配一個虛電路號與輸出端口號關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)傳輸分組中無目的地址，只有虛電路號，接收分組時在路由表中檢查虛電路號，轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)端口虛電路釋放

虛電路方式的工作原理實(shí)例：虛電路方式主機(jī)A主機(jī)C通信