第02章数据通信与广域网新.docx

1、第02章数据通信与广域网新 本文由陈慕景贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 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

2、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ISO 646，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

3、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1024768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

4、（analog signal）的信号电平是连续变 化的； 数字信号（digital signal）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HA CCPA CCPF 主机HB CCPB 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

5、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 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 发送端 串行通信信道 (a) 发送端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 并 行 通 信 信 道 接收端 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 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 SYN SYN 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 b5 b4 b3 b2

6、b1 b 0 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

7、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 可见光 4 5

8、 6 7 8 9 10 紫外线 11 12 13 14 15 16 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 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 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（TD

9、MA） 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 1 0 0 1 0 (a)ASK 2 (b)FSK (c)PSK(绝对) +0 (d)PSK(相对) + +0 +0 + +0 0 0 1 2 1 2 1 2.4.3 数字数据编码方法 数据 0 1 0 0 1 0 1 1 (a)非归零码 同步时钟 (b)曼彻斯特编码

10、(c)差分曼彻斯特编码 2.4.4 脉冲编码 调制方法 A 1.5 1.521.5 1.281.3 1.261.3 0.730.7 0.620.6 1.0 0.5 0.270.3 0 D8 D7 D6 D5 D4 (a) 样本 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 量化级 1 4 7 13 15 13 6 3 二进制编码 0001 0100 0111 1101 1111 1101 0110 0011 (b) 编码信号 D3 D2 D1 t 0.410.4 0.120.1 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

11、； 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

12、; 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) 0 E(t) (b) 0 E(t) (c) 0 E(t) (d) 0 E(t) (e) 0 t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t t E(t) 0 1 2 3 4 t t E(t) 0 1 2 t t E(t) 0 1 t t E(t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 t 0 1 1 0 0 0 1 0 E(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

13、 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 = 1103 bps 1Mbps = 1106 bps 1Gbps = 1109 bps 1Tbps = 11012 bps 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=2f（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 = Blog2（1+S/N） S/N为信噪比； 2.6

14、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 1270Hz 1 0 0 1 OSC 组合器 1270Hz 带通滤波器 滤波器 1 组合器 1 0 0 1070H

15、z 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 modem modem 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 0 1 0 上频带 1 1070Hz 1270Hz 2025Hz 2225Hz f ol =1170Hz f oh =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

16、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2 1 60 信道3 1 64 68 72 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

17、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

18、2 信道3 信道4 信道24 1 0 7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1 1 2 4 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 1 2 4 5 时间片1 时间片2 5 7 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

19、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H A 结点C 结点D 主机H B 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

20、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

21、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

22、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 ACK p1 结点C ACK p p2 主机H p1 结点A A 1 结点E p 1 ACK ACK p2 结点D p 2 p1 p2 结点B ACK p ACK 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

23、 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 p1 p2 p1 p2

24、ACK ACK 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。 2.8.5 ATM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；

25、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（Physical Link） 虚通路（VP，Virtual Path） 虚通道（VC，Virtual Channel） VC Virtual Channel 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

26、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 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0

27、 0 1 0 0 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

28、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). x R(x) =Q(x)+ G(x) G(x) k 发送数据 f (x) 生成多项式 G(x) f(x). x R(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 CR

29、C检错 方法举例 G(x) 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 Q(x) k f(x) .x R(x) 1 1 0 0 1 1 发送数据 比特序列 1 0 0 1 CRC校验码 比特序列 带CRC校验码的 发送数据比特序列 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 标准CRC生成多项式G（x） CRC-12 CRC-16 CRC-CCITT CRC-32 G（x）=

30、x12+x11+x3+x2+x+1 G（x）= x16+x15+x2+1 G（x）= x16+x12+x5+1 G（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