第02章数据通信与广域网新.docx
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第02章数据通信与广域网新
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计算机网络教程
（第3（第3版）
第2章数据通信与广域网技术
本章学习要求：
掌握：
数据通信的基本概念了解：
传输介质类型及主要特性了解：
无线与卫星通信技术的基本概念掌握：
数据编码的类型和基本方法了解：
基带传输的基本概念掌握：
频带传输的基本概念掌握：
多路复用的分类与特点掌握：
广域网中的数据交换技术的类型与工作原理掌握：
差错控制方法
2.1数据通信的基本概念
2.1.1信息、数据与信号通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合；为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。
信息编码标准
ASCII码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO646，又称为国际5号码;它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准;ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符;字符分为图形字符与控制字符两类。
图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。
多媒体网络应用
随着计算机技术的发展，多媒体技术得到了广泛应用；利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一；与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特性；如果每帧图像由1024×768个点阵组成，图像颜色有256种，每个点阵用1字节二进制数表示，每秒钟传送30帧图像，那么每秒钟需要传送235,929,601字节；如果传送数字化的语音信号，每秒钟对语音信号进行22,050次取样，每次取样值用1字节表示，
信号的概念
信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（analogsignal）的信号电平是连续变化的；数字信号（digitalsignal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；按照在传输介质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。
模拟信号与数字信号波形
v（t）
t（a）v（t）
t（b）
2.1.2数据传输类型与通信方式
网络中两台计算机的通信过程
资源子网
通信子网
CCPE主机HACCPA
CCPF主机HBCCPB
CCPC
CCPD
网络通信系统设计中要解决的几个基本问题：
数据传输类型模拟通信数字通信数据通信方式串行通信、并行通信单工通信、半双工或全双工通信同步方式同步通信异步通信
串行通信与并行通信
b7b6b5b4b3b2b1b0发送端串行通信信道（a）发送端b0b1b2b3b4b5b6b7并行通信信道接收端b0b1b2b3b4b5b6b7接收端
（b）
单工、半双工与全双工通信
发送单向通道（a）发送双向通道接收（b）发送接收接收
发送双向通道接收（c）
接收发送
同步通信与异步通信
SYNSYN一个或多个SYN字符控制字符数据字符控制字符
字节5
字节4
字节3
字节2
字节1
t
b6
b5b4
b3
b2
b1b0
终止位（逻辑"0"）
起始位（逻辑"1"）
2.2传输介质及其主要特性
2.2.1传输介质的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道
传输介质的特性：
物理特性：
传输介质物理结构的描述；传输特性：
传输介质允许传送数字或模拟信号，以及调制技术、传输容量、传输的频率范围；连通特性：
允许点-点或多点连接；地理范围：
传输介质最大传输距离；抗干扰性：
传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力；相对价格：
器件、安装与维护费用。
2.2.2双绞线的主要特性屏蔽双绞线STP非屏蔽双绞线UTP
铜线绝缘层外屏蔽层外部保护层
（a）屏蔽双绞线铜线绝缘层外部保护层
（b）非屏蔽双绞线
2.2.3同轴电缆的主要特性粗同轴电缆细同轴电缆
内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层
2.2.4光纤的主要特性
光纤包层外部保护层
（a）保护层
包层光纤包层保护层（b）
发送端光纤输入光电转换LED光信号PIN
接收端
光电转换
输出
2.3无线与卫星通信技术
2.3.1电磁波谱与移动通信
f（Hz）10
0
10
2
10
4
10
6
10
8
10微波
10
10
12
10
14
10
16
10
18
10
20
10
22
10
24
无线电
红外
X-射线
-射线γ
可见光
45678910
紫外线
111213141516
f（Hz）10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
10
双绞线同轴电缆
卫星通信
光纤
地面微波通信无线电（AM）无线电（FM）电视频道频段LFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF
2.3.2无线通信
视距传播
地球表面
电离层反射
电离层
地球表面
2.3.3微波通信
微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视情况下才能正常接收；大气对微波信号的吸收与散射影响较大。
2.3.4蜂窝无线通信
多址接入方法：
频分多址接入（FDMA）时分多址接入（TDMA）码分多址接入（CDMA）
2.3.5卫星通信
卫星
卫星
多点接收
地球表面
多点接收发送
2.4数据编码技术
2.4.1数据编码类型
振幅键控ASK模拟数据编码移频键控FSK移相键控PSK数据编码方法非归零码NRZ数字数据编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码
2.4.2模拟数据编码方法
0数据1ω001ω0（a）ASKω2（b）FSKπ（c）PSK（绝对）+0（d）PSK（相对）+π+0+0+π+00ππ0πω1ω2ω1ω2ω1
2.4.3数字数据编码方法
数据01001011（a）非归零码同步时钟
（b）曼彻斯特编码
（c）差分曼彻斯特编码
2.4.4脉冲编码调制方法
A1.5
1.52≈1.51.28≈1.31.26≈1.30.73≈0.70.62≈0.6
1.00.50.27≈0.30D8D7D6D5D4（a）样本D1D2D3D4D5D6D7D8量化级14713151363二进制编码00010100011111011111110101100011（b）编码信号D3D2D1t0.41≈0.40.12≈0.1
PCM用于数字语音系统：
声音分为128个量化级；每个量化级采用7位二进制编码表示；采样速率为8000样本/秒；8000/数据传输速率应达到7位×8000/秒=56Kbps；如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位×8000/秒=64Kbps。
2.5基带传输技术
2.5.1基带传输的定义在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号;在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输;在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号;基带传输是一种最基本的数据传输方式。
2.5.2通信信道带宽对基带传输的影响
E（t）（a）0E（t）（b）0E（t）（c）0E（t）（d）0E（t）（e）0t012345678ttE（t）01234ttE（t）012ttE（t）01ttE（t）012345678910t01100010E（t）
2.5.3数据传输速率的定义与信道速率的极限
数据传输速率的定义数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标；数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做bps；常用的数据传输速率单位有：
Kbps、Mbps、Gbps与Tb/s，其中：
1Kbps=1×103bps1Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps1Tbps=1×1012bps
信道速率的极限值
奈奎斯特准则：
二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz）的关系为Rmax=2·f（bps）；香农定理：
在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N的关系为Rmax=B·log2（1+S/N）S/N为信噪比；
2.6频带传输技术
2.6.1频带传输的定义利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输；调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备。
2.6.2调制解调器的基本工作原理
在发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；在接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数字信号。
电话机电话机
电话线电话线计算机Modem电话交换网Modem计算机
FSK方式Modem的工作原理
电话机电话机电话交换网解调器计算机调制器计算机
1270Hz1001
OSC组合器
1270Hz带通滤波器
滤波器1组合器100
1070Hz
OSC
1070Hz带通滤波器
滤波器
Modem实现全双工通信的工作原理
电话交换网计算机modemmodem计算机
发送端
调制器
带通滤波器fol=1170Hz
带通滤波器fol=1170Hz
解调器
发送端
接收端
解调器
带通滤波器foh=2125Hz
带通滤波器foh=2125Hz
调制器
接收端
电话交换网通频带下频带010上频带1
1070Hz
1270Hz
2025Hz
2225Hz
fol=1170Hz
foh=2125Hz
2.6.3调制解调器的分类与应用
外置Modem与计算机的连接
调制解调器
电源插座
电话插座
计算机
电话机
2.7多路复用技术
多路复用的工作原理
多路复用器
高速通信线路
多路复用器
2.7.1多路复用技术的分类
频分多路复用FDM波分多路复用WDM时分多路复用TDM
2.7.2频分多路复用
在一条通信线路设计多路通信信道;每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;各个载波频率是不重叠的,一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。
信道1信道2160信道31646872信道1信道2信道3
1
频率（kHz）（c）
300
3100
60
64频率（kHz）（b）
68
72
频率（Hz）（a）
2.7.3波分多路复用
光纤通道技术采用了波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM;在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM；目前单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gbps。
功率光纤1的波谱光纤1波长光纤2的波谱光纤2波长共享光纤的波谱功率波长波长光纤4的波谱光纤3功率光纤3的波谱
共享光纤光栅光栅光纤4功率
功率
波长
2.7.4时分多路复用
时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；每个用户分得一个时间片；在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。
193比特帧（125微秒）信道1信道2信道3信道4信道24
1
07位数据位帧开始位校验位
时分多路复用的分类
同步时分多路复用
时间片1124时间片2时间片n
……
n
1
3
……
n
……
1
2
3
4
……
n
统计时分多路复用
1245
时间片1
时间片257
时间片n
……
m
1
2
……
m
……
1
2
3
4
……
m
2.8数据交换方法
数据通过通信子网的传输过程可以分为：
报文与报文分组交换线路交换与存储转发交换
2.8.1线路交换方式
线路交换是面向连接的服务；两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；线路交换在数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接的三个阶段；线路交换方式的优点：
通信实时性强，适用于交互式会话类通信；线路交换方式的缺点：
对突发性通信不适应，系统效率低，系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。
线路交换方式的工作原理
结点B结点A主机HA结点C结点D主机HB
线路建立
呼叫请求
呼叫应答数据传输报文或报文分组应答线路释放释放请求
释放应答
2.8.2存储转发交换方式
存储转发交换方式与线路交换方式的主要区别：
发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。
存储转发交换方式分类：
数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（packet）两种方式；报文传输：
不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；报文分组传输：
限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。
报文和报文分组结构
报文报文号目的地址源地址数据校验
报文分组
报文号
报文分组号
目的地址
源地址
报文分组数据
校验
由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用的是分组交换技术。
存储转发方式的优点
由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；可以平滑通信量，提高系统效率；分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。
2.8.3数据报方式
数据报是分组存储转发的一种形式；在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。
数据报方式的工作原理
ACKp1结点CACKpp2主机Hp1结点A
A1
结点Ep
1
ACK
ACKp2结点Dp
2
p1p2结点BACKpACK主机H
B
2
结点F
结点G
数据报方式的特点
同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址；数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。
2.8.4虚电路方式
虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果;数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。
虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路;虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为以下三个阶段：
虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。
虚电路方式的工作原理
主机H
A
结点E
结点F
结点A
结点C
结点D
主机H
B
结点B
结点G
虚电路建立
呼叫请求
呼叫应答p1
1
p2
p1p2p1p2ACKACK
数据传输ACK虚电路拆除
释放请求
释放应答
虚电路方式的特点
在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。
这是因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。
分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择；每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。
2.8.5ATM交换方式
ATM的基本数据传输单元是信元；信元长度固定为53字节；信元包括5字节的信元头与48字节的用户数据。
53字节信元头5字节用户数据48字节
物理链路、虚通路与虚通道的关系
物理链路（PhysicalLink）虚通路（VP，VirtualPath）虚通道（VC，VirtualChannel）VCVirtualChannel
物理链路虚通路虚通道
支持远程教学的ATM网
ATM交换机ATM网络ATM网络ATM端用户声音ATM交换机文本ATM接口卡视频ATM交换机ATM端用户ATM交换机
ATM端用户
2.9差错控制方法
2.9.1差错产生的原因与差错类型传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象;差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；通信信道的噪声分为两类：
热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。
传输差错产生过程
传输数据数据信号波形
信源
通信信道
信宿
数据
噪声（a）
数据+噪声
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
噪声
数据信号与噪声信号叠加后的波形
采样时间接收数据原始数据001100111100101111000011000100
出错的位（b）
2.9.2误码率的定义
误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：
Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数；误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一；对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数
2.9.3检错码与纠错码
纠错码：
每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。
检错码:
分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。
2.9.4循环冗余编码工作原理
发送方接收方发送数据f（x）生成多项式G（x）f（x）.xR（x）=Q（x）+G（x）G（x）
k
发送数据f'（x）生成多项式G（x）f'（x）.xR'（x）=Q（x）+G（x）G（x）
k
实际发送:
f（x）.x+R（x）
k
R'（x）=R（x）R'（x）=R（x）
接收正确接收出错
数据字段校验字段f（x）.x
k
R（x）发送
CRC检错方法举例
G（x）
11001
10011001101100110111
001000000001001
Q（x）kf（x）.x
R（x）
110011发送数据比特序列
1001CRC校验码比特序列
带CRC校验码的发送数据比特序列
11001
1001100111110011111
0010010010010
标准CRC生成多项式G（x）
CRC-12CRC-16CRC-CCITTCRC-32G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1G（x）=x16+x15+x2+1G（x）=x16+x12+x5+1G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
CRC校验码的检错能力
CRC校验码能检查出全部单个错；CRC校验码能检查出全部离散的二位错；CRC校验码能检查出全部奇数个错；CRC校验码能检查出全部长度小于等于K位的突发错；CRC校验码能以[1-（1/2）K-1]的概率检查出长度为（K+1）位的突发错；如果K=16，则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16位的所有的突发差错，并能以1-（1/2）161=99.997％的概率检查出长度为17位的突发错，，漏检概率为0.003%。
2.9.5差错控制机制
反馈重发纠错实现机制
发送端校验码编码器接收端信源发送装置传输信道反馈信号
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