网络技术基础第二章.docx

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网络技术基础第二章

第二章数据通信基础

本章主要内容

2.1数据通信的基本概念

2.2信号同步与编码

2.3数据通信系统模型

2.4传输方式

2.5多路复用技术

2.6传输差错检测与校验

2.1数据通信的基本概念

2.1.1信号与信道

a、信号（signal）

计算机内部的数据（文字/数值/图像/声音等）均要转换为通信线路上电信号或光信号才能传送。

通信信号一般可分为两类：

◆模拟信号（analogsignal）

连续变化值（如数学中之实数）。

　自然界产生的物理量一般均为模拟信号。

◆数字信号（digitalsignal）

　离散变化值（如数字中之整数）。

　计算机内部传输和处理的均为矩形脉冲形式的数字信号（1和0），又称为“基带信号”。

信号的特性有：

振幅（变化的大小）、频率（变化的快慢）、相位（变化的时间）。

振幅越大、频率越高，信号传送的距离越远（如高音喇叭）。

b、信道（channel）

所谓“信道”，顾名思义，就是通信信号传输的“通道”。

信道与实际通信线路并不等同。

一条通信线路往往包括一条发送信道和一条接收信道。

信道一般也可分为两类：

◆模拟信道专用于传送模拟信号

◆数字信道专用于传送数字信号

无论是模拟信号还是数字信号,在传输过程中都要变成适合信道传输的信号形式，否则就会因传输衰减等原因变得无法使用.

信源是模拟数据，在模拟信道上传输——模拟通信

信源是模拟数据，在数字信道上传输——数字通信

信源是数字数据，在模拟信道或数字信道上传输——数据通信

c、带宽（bandwidth）

信号所占据的频率范围称为信号的带宽。

信道能传送的频率范围称为信道的带宽。

信道带宽必须大于被传送的信号的带宽，否则就会出现失真。

对模拟信号，带宽为通信信道所能提供的频率宽度（范围）；

对数字信号，带宽为通信信道每秒能传送的二进制位数（bps）。

一般认为具有8～10Mbps及以上数据传输速率的网络称为“宽带网”。

最新发展还有所谓“广带”（broadband）无线接入技术，其传输速率≥10兆位/秒。

高质量的欣赏型电影点播需要6M以上带宽。

低质量的网络新闻型视频点播只需几十到几百bps。

2.1.2信道的主要技术指标

①比特率R（数据率）:

每秒传输多少二进制代码位数，单位：

bps或b/s。

②信道容量C：

信道能够传送的最大数据率，单位：

bps或b/s。

当信道上传送的数据率大于信道允许的数据率时，将因严重失真而失效。

·奈奎斯特（H.Nyquist）定理（用于有限带宽无噪声的理想信道）:

H-信道带宽（Hz）L-数字信号离散值数（电平数，物理状态数）

·香农（C.Shannon）定理（用于受噪声干扰的信道，所求为上限值）:

H-信道带宽（Hz）S-信号的平均功率，N-噪声的平均功率

S/N-信噪比（如果信噪比X单位为db，则式中X=10lgS/N,即S/N=10x/10）

【计算示例】

对于带宽为4kHz的信道,若有8种不同的物理状态来表示数据,信噪比为30db,试问按奈奎斯特定理,最大限制的数据速率是多少?

若按香农定理,最大限制的数据速率是多少?

③波特率B（码元速率）：

数字信号经调制后的传输速率（每秒传送的　码元个数，即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数），单位：

Baud。

B=1/T（T-调制周期）

波特率B与数据率R在数值上不一定相等。

R=Blog2L（C=Rmax=Bmaxlog2L）

许多情况下，通常信号只取两种不同的状态（0和1），即L=2，此时R=B。

④信道的时延：

信号从信道的一端传到另一端所需的时间（电信号在电缆中的传播速度约为光速的77%）。

⑤吞吐量：

信道在单位时间内成功传输的总信息量，bps

⑥出错率（误码率）：

计算机网络中要求低于10-6，即平均每传送1兆位，才错1位。

2.1.3调制技术：

信号转换以适应信道

调制（modulation）

通信信号在类型不匹配的信道上传输时，必须进行“调制”。

a.数字信号在模拟信道上传输

要进行调制（数模转换），以解决失真等问题。

调制机理：

信号+载波

◆幅移键控（ASK，调幅）

用载波的不同振幅分别代表1和0

◆频移键控（FSK，调频）

用两个不同频率的载波分别代表1和0

◆相移键控（PSK，调相）

用载波的相位变化代表1和0

b.模拟信号在数字信道上传输

要先进行脉冲编码调制（PCM,PulseCodeModulation）:

◆取样：

按信号最高频率fmax的两倍频率取样可精确还原（NyquistTheorem，奈奎斯特定理）

◆量化：

将取样获得的脉冲信号在振幅上进行数值分级（我国标准中量化分为256个等级）

◆编码：

将量化后的数值转换为对应的二进制编码

奈奎斯特定理

◆奈奎斯特指出，如果媒体传输的最大频率为f，那么接受方只要以每秒2f次的频率进行采样，就能完整地重现信号

◆只要接受方以1/（2f）秒的时间间隔进行采样，或者每个周期采样两次（一周期=1/f），就能重现信号。

举例来说，若最大频率为4000Hz，则接受方每秒只需采样信号8000次。

换句话说，只要每隔1/8000秒采样一次，就能完整地恢复信号。

模拟信号脉码调制：

采样→量化→编码

2.2信号同步与编码

2.2.1脉冲编码方案

数字信号传输需要解决的问题是数字数据的数字信号表示及收发两端之间的信号同步两个方面。

对于传输数字信号来说，最常用的方法是用不同的电压电平来表示两个二进制数字，即数字信号由矩形脉冲组成。

a）单极性脉冲

b）双极性脉冲

c）单极性归零脉冲

d）双极性归零脉冲

e）交替双极性归零脉冲

脉冲编码方案比较

a）单极性不归零码，无电压表示“0”，恒定正电压表示“1”，每个码元时间的中间点是采样时间，判决门限为半幅电平。

b）双极性不归零码，“1”码和“0”码都有电流，“1”为正电流，“0”为负电流，正和负的幅度相等，判决门限为零电平。

c）单极性归零码，当发“1”码时，发出正电流，但持续时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲；当发“0”码时，仍然不发送电流。

d）双极性归零码，其中“1”码发正的窄脉冲，“0”码发负的窄脉冲，两个码元的时间间隔可以大于每一个窄脉冲的宽度，取样时间是对准脉冲的中心。

归零码和不归零码、单极性码和双极性码的特点

不归零码在传输中难以确定一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法使发送器和接收器之间进行定时或同步；归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。

　　单极性码会积累直流分量，这样就不能使变压器在数据通信设备和所处环境之间提供良好绝缘的交流耦合，直流分量还会损坏连接点的表面电镀层；双极性码的直流分量大大减少，这对数据传输是很有利的。

2.2.2常用编码方式

为了保证收发两端的信号同步，计算机内部的数据不宜直接送到信道上作信号传输，一般需要先进行编码转换，以保证数据传输的正确性。

常用编码方式有：

◆不归零（NRZ，NonReturntoZero）编码

◆曼彻斯特（Manchester）编码

◆差分曼彻斯特（DifferentialManchester）编码

◆4B/5B编码

a.不归零（NRZ）编码

◆编码特点

用两个不为零的电压表示1和0（零电平表示无信号）

优点：

简单直观

缺点：

不能保证同步（接收方无法准确判断每个比特起始位置）

为什么NRZ编码不能保证传输同步?

原因：

收发双方脉冲时钟不可能精确一致（计时漂移）

传输不同步：

如何理解？

问题在于：

连续多个相同数据的采样节奏

b.曼彻斯特编码（ManchesterCode）

编码特点：

◆用信号的变化来保持发送设备和接收设备之间的同步。

用电压的变化来分辨0和1，即从高电平到低电平的跳变代表0，而从低电平到高电平的跳变代表1。

下图给出了比特串10100110的曼彻斯特编码。

如图所示，信号的保持不会超过一个比特位的时间间隔。

即使是由若干个0或1组成的数字序列，信号也将在每个时间间隔的中间发生跳变。

从而使接收设备的时钟与发送设备的时钟保持一致。

曼彻斯特编码的一个缺点是需要双倍的带宽。

也就是说，信号跳变的频率是NRZ编码的两倍。

c.差分曼彻斯特编码

◆差分曼彻斯特（DifferentialManchester）编码

和曼彻斯特编码一样，在每个比特时间间隔的中间，信号都会发生跳变。

区别在于每个时间间隔的开始处。

0将使信号在时间间隔的开始处发生跳变。

而1将使信号保持它在前一个时间间隔尾部的取值。

因此，根据信号初始值的不同，0将使信号从高电平跳到低电平，或从低电平跳到高电平。

接收端通过检查每个时间间隔开始处信号有无跳变来区分0和1。

c.4B/5B编码

◆4B/5B编码

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码每个比特需要多达两次信号状态跳变，这就意味10Mbps的数据速率将线路上的信号状态每秒变化20M次（20M波特），编码效率只有50%（常用于LAN中）。

4B/5B编码以4个比特为一组进行编码，编码位数为5个。

（从25=32个可能的编码中取出24=16个来表示0～F，使每组编码中0的个数不超过3个，1的个数不少于2个）。

编码效率达80%（100Mbps→125M波特）。

4B/5B用于百兆位以太网，8B/10B用于千兆位以太网。

2.3数据通信系统模型

2.3.1数据通信系统模型

【数据通信】数字计算机或其他数字终端装置之间的通信。

其特点是：

其信源和信宿产生和接收的都是数字信号。

2.3.2数据通信系统的组成

DTE（DataTerminalEquipment，数据终端设备）如连网的微机（信源或信宿）

DCE（DataCircuit-terminalEquipment，数据电路端接设备）如MODEM

2.4传输方式

2.4.1基带传输

所谓”基带传输”，是指信道上传输的是没有经过调制的数字信号。

数据通信中，编码器输出的信号都是数字基带信号。

使用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占用了传输电缆所允许的整个频段（０至最高允许频率），所以同一时间同一电缆中只能传送一种信号（基带信号均为数字脉冲信号，不经调制直接输送）。

基带传输需要解决两个问题：

·基带数字信号的编码

·收发两端之间的同步问题

基带传输常用编码方法：

曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码，后者技术复杂，但抗干扰性强。

基带传输在局域网上用得较多,信号频率高,传输速度也大大快于频带传输（通常10～50Mbps）

传输电缆：

５０Ω同轴电缆或双绞线等

2.4.2频带传输

基带传输必须使用有线信道,且传输距离有限。

为了进行远距离传输，需要借助调频振荡信号（载波）来运载。

利用调制来传输数字信号的方式称为“频带传输”（使用模拟信号传输数据时，往往只占用有限的频谱）。

其传输信号可通过”多路复用技术”在同一电缆中形成多个传输频道，所以同一时间同一电缆可由不同频道分别传送数据、声音、图形、图像等不同信号，又称”宽带传输”。

频带传输的优点是可在同一线路或信道上同时传送几路数据,使信道利用率提高。

传输电缆：

７５Ω同轴电缆、光缆等。

基带传输与频带传输比较

基带传输宽带传输

传输数字信号传输模拟信号

占用整个频段可采用多路复用技术

双向传输单向传输

几千米范围几十千米范围

传输速度快传输速度较慢

适合于LAN适合于远程连接的各种网络

2.4.3数据传输的同步方式

比特的传送和接收是通过收发两端的定时时钟来控制的。

发送端利用它的时钟来决定每个数据位的起始和结束。

在接收端，时钟被用来确定对信号进行采样取值的位置和间隔时间。

一般情况下，使两个独立的时钟精确同步是不太可能的，它们都产生自己的漂移，引起两个连接采样之间的间隔发生变化。

由于接收时钟和发送时钟的差异，接收端可能对代表1位的信号采样两次，从而多产生1位，也可能跳过1位。

如图所示，发送端发出的位串0010，因为时钟漂移，结果被接收端错误地认为是00110或010。

a.异步传输

异步传输是基于这样的事实：

在一定的比特数目内，时钟漂移的程度是有限的。

它让接收端的时钟在某一时间点上跟一个发送端的时钟信号同步，并开始自己的独立走时，在误差积累到采样发生错误之前，可以保证正确接收到若干位。

在异步传输中，数字以字符为单元发送。

每个字符的长度一般为5～8位。

在每个字符前设置1位起始位，在每个字符后设置1～2位停止位。

同步仅在每个字符接收期间维持，接收端在每个新字符的开头都将开始重新进行同步（时钟校准）。

异步传输中，任何两个字符之间的时间间隔可以是随机的、不同步的（故称“异步”）。

异步方式实现简单，设备低廉，但传输效率低（每个字符须加2～3位作起止位），适用于低速（每秒10～1500个字符）的终端或电传打印设备，以及使用MODEN传送数字数据的拨号电话线路。

b.同步传输

使接收端接收的每一位数据信息都与发送端准确保持同步，所以每次发送的数据块长度可以很大。

实现的方法有：

①自同步法在传输的信号中嵌入时钟信息，使接收端能从接收的信号波形中提取时钟信息（如采用曼彻斯特/差分曼彻斯特编码，每一位中间的波形跳变即为时钟信息）。

②外同步法在发送端和接收端之间提供单独的时钟线路，或发送端在发送数据前先发一串同步时钟脉冲（同步字符串），接收端按这个时钟频率调整采样频率。

2.4.4通信方式

按数据传输方向分：

【单工simplex】数据只能单向传送（如看电视，无法将信息反传给电视台），主要用于数据采集系统。

【半双工half-duplex】数据可以双向传送但无法同时传送（如对讲机）,一般用于计算机网络非主干线路。

【全双工full-duplex】数据可以同时双向传送（如打电话双方可以同时对讲），主要用于计算机间通信。

按数据传输顺序分：

【并行通信】并行通信传输中有多个数据位同时在两个设备之间传输。

并行方式适用于近距离通信，优点是传输速度快，处理简单。

【串行通信】串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由计算机内的发送设备，将几位并行数据经并--串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式。

串行方式适用于远程通信，其速度要比并行传输慢得多，但传输线路费用低，且可利用现在的公用电话系统进行计算机连网通信。

2.5多路复用技术

多路复用技术（multiplexing）

多路复用技术就是把许多个单个信号在一个信道上同时传输的技术。

SDM（空分复用技术）各子信道是一独立的物理链路（如一条电缆中包含成百对线路）

FDM（频分多路复用技术）好比将本来一条公路的运输，变成又在公路上空分不同空域高度同时进行多层陆空运输（适用于模拟信号传输）——电台广播

TDM（时分多路复用技术）好比将本来只专门为一个人提供服务变成分时为众人提供服务，之所以能够”复用”，是因为数据在接收后处理的过程往往远大于数据传输的过程——甚至接收后只是存储起来（适用于数字信号传输）

WDM（波分复用技术）在一根光纤传输两个光波（通过波长为1310nm和1550nm），主要用于接入网，很少用于长距离传输。

DWDM（密集波分复用技术）即能将几种不同波长的光信号组合起来（合波）通过光纤进行传输，又能将光纤中组合传输的光信号分开（分波）送入几个不同通信设备的一种光学技术。

目前16波和32波DWDN技术已完全成熟并得到广泛应用，48波和96波也开始商用化，200波系统实例室研究也见诸报道。

国内10GDWDM宽带光网已进入商业化阶段。

两种常用的多路复用技术

频分多路复用FDM和时分多路复用TDM是两种最常用的多路复用技术。

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是“频分多路复用”。

“时分多路复用”则是将一条物理信道按时间分成若干个时间片轮流地分配给多个信号使用。

每一时间片由复用的一个信号占用，这样，利用每个信号在时间上的交叉，就可以在一条物理信道上传输多个数字信号。

时分多路复用技术不仅局限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。

2.6传输差错检测与校验

2.6.1传输差错的产生

信号在物理信道中传输时，线路本身电器特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电器信号在线路上产生反射造成的回音效应、相邻线路间的串扰以及各种外界因素（如大气中的闪电、开关的跳火、外界强电流磁场的变化、电源的波动等）都会造成信号的失真。

在数据通信中，将会使接收端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致，从而造成由“0”变成“1”或由“1”变成“0”的差错。

·信道本身的随机热噪声随机错误（某位错）,可通过提高信道的信噪比等方法来抑制

·外界原因引起的冲击噪声突发错误（一连串码元均出错）

【突发长度】从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个码元间所有码元的个数

2.6.2误码率

发生差错的码元数

Pe=————————————

接收的总码元数

在计算机网络中，误码率一般要求低于10-6。

2.6.3差错控制编码

最简单的差错控制方法是将每一个数据发送两遍。

接收方将这两遍数据进行比较，如有任何不同，即可认定出错了。

但这样做将使传输速率大大下降，因为不仅数据本身传输时间要加倍，而且逐位比较也要花费大量时间。

差错控制最常用的技术是在每个数据单元中加入一些称为“冗余码”的附加数位（差错控制编码）。

这种技术之所以被称为“冗余校验技术”，因为一旦传输被确认无误，那些附加的冗余数位便被自动丢弃了。

信息位+冗余位=发送的码字

（生活中，输入密码或告诉对方电话号码两遍，第二遍给出的即为“冗余位”）

信息位——要发送的数据

冗余位——差错控制编码

差错控制编码分为：

◆检错码（用于自动发现传输差错的编码）

◆纠错码（不仅能自动发现而且能自动纠正传输差错的编码）

编码效率：

kk

R=——=——

k+rn

　　　　　式中k-码字中信息位数r-码字中冗余位数n-码字总位数

差错控制的两大目标：

尽量降低误码率，尽量提高编码效率

2.6.4差错控制方式

①自动请求重发ARQ（automaticrequestforrepeat）

——自动发现差错并要求对方重发

②前向纠错FEC（ForwardErrorCorrection）

——自动发现并纠正错误

ARQ只需检错码，编码效率高，设备简单，但要求双向信道，发送方要有数据缓冲区。

FEC要用纠错码，编码效率低，设备复杂，但实时性好，只需单向信道。

数据通信中使用更多的还是ARQ差错控制方式。

2.6.5常用检错码

①奇偶校验码（paritycheck）

通过增加冗余位使码字中“1”的个数保持奇数或偶数的编码方法。

简单经济，但漏检率较高。

■垂直奇偶校验

　■水平奇偶校验

　■水平垂直奇偶校验

②循环冗余码（CRC,cyclicredundancycode）

漏检率极低，也便于实现，在计算机网络和数据通信中应用极广。

常用检错码：

奇偶校验

垂直奇偶校验

编码和校验实现最简单

最常用而且最经济的检错技术。

偶校验（even-paritycheck）

使码字中“1”的个数保持偶数

奇校验（odd-paritycheck）

使码字中“1”的个数保持奇数

奇偶校验示意图

奇偶校验示例

垂直奇偶校验可以检测出所有的1位差错，但只能检测差错数为奇数的多位差错或突发差错。

差错漏检率≈1/2。

【例】原始数据000111011，采用偶校验。

则发送端通过线路传输发出的码字为1000111011。

若接收端接收到的是1111111011或0110111011

或1100010011，将均被拒收。

但若接收端接收到的是1110111011或1100011011或1000011010，

仍会通过验收（漏检）。

编码效率：

（设发送的信息块中有p个二进制位,发送时另加一个奇校验位或偶校验位）

p

R=———

p+1

奇偶校验如何产生

水平奇偶校验

差错漏检率＜1/2

编码和校验实现复杂

水平垂直奇偶校验

误码率可减少到原误码率1/100～1/10000，但如某个信息段中出现偶数个差错，而另一个信息段的对应位置处也正好都出现差错，这种差错无法检测出来。

2.6.6常用检错码（CRC）

⏹一种最有效的冗余校验技术。

与基于加法的奇偶校验不同，CRC基于二进制除法。

在CRC中，不是把二进制数位相加来获得一个所需的奇偶数位，而是在数据单元（比如一个字节）的后面附加一个称为“循环冗余码”或“CRC余数”的冗余数位串，使该数据单元可被另一个预先给定的二进制数完全除尽。

接收端将所接收的数据单元用同样的二进制数相除，如果无余数，则可认为所接收的数据单元正确无误，如果有余数，则认定该数据单元已有差错，

⏹CRC所用的冗余位串是通过将数据单元除以预先给定的除数获得。

余数即为“循环冗余码”。

一个有效的“循环冗余码”应具有两种品质：

必须正好比给定的除数少一位，附加到数据串后必须使新形成的位串能被该除数完全除尽。

⏹CRC差错校验的理论和实现都很容易理解。

唯一复杂的是如何获得“循环冗余码”。

以下给出求“循环冗余码”三个基本步骤。

CRC检错码工作示意图

首先，将n位0附加到数据单元的后面。

n比预定的除数（n+1位）少一位。

其次，使用二进制除法将这个新加长的数据单元除以预定的除数。

由此产生的余数即为所谓“循环冗余码”。

最后，用上一步中获得的n位“循环冗余码”替换数据单元中附加的n位0。

如果余数小于n位，可将其高位不足部分设为0。

如果除后余数为0——即原来的数据单元本身可被除数除尽——则“循环冗余码”为n位0。

接收端先收到数据单元，然后又收到”循环冗余码”。

接收端将由这两个部分组成的整个位串作为一个整体用相同的除数相除，以求出CRC余数。

如果传送来的位串没有差错，CRC校验的结果是余数为0，该数据单元被接收。

如果传输过程上位串被改变了，余数为非0，该数据单元被拒收。

CRC漏检率

除了信息块在传送中产生的变化（差错）正好与除数值一模一样的情况，CRC将检测出所有可能的错误。

即使使用上述四位除数，发生漏检的概率也是很低的。

常用的CRC除数（使用13位、17位和33位），可将漏检的概率下降到接近为0。

“循环冗余码”的产生

“循环冗余码”的产生使用所谓“模2”除法。

右图为其过程示意。

第一步，从被除数的高4位中减去4位的除数。

从被除数相应的数位上减去除数的每一位而不影响高一位。

本例中，除数是1101，从被除数的高4位（1001）中减去，得到1