第3章數(shù)據通信與通信網基礎

1、第3章 數(shù)據通信與通信網基礎 內容提要 3.1 數(shù)據通信的基本概念 3.2 數(shù)據通信方式 3.3 傳輸介質 3.4 數(shù)據編碼技術 3.5 多路復用技術 3.6 數(shù)據交換技術 3.7 通信網簡介 3.8 習題 3.1 數(shù)據通信的基本概念 數(shù)據通信：完成計算機之間、計算機與終端以 及終端與終端之間的信息傳遞的通信方式和 通信業(yè)務。 3.1.1 通信系統(tǒng)和數(shù)據通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)和數(shù)據通信系統(tǒng) 一一.通信系統(tǒng)的基本模型通信系統(tǒng)的基本模型 1.五個基本組件五個基本組件 發(fā)送設備 發(fā)送機 信道 接收機 接收設備 圖3-1 通信系統(tǒng)基本模型 2.信息傳輸系統(tǒng)：發(fā)送機、信道和接收機信息傳輸系統(tǒng)：發(fā)送機、信道和接

2、收機 二二. 通信系統(tǒng)的發(fā)展通信系統(tǒng)的發(fā)展 1.19世紀80年代-20世紀50年代 以PSTN(Public Switched Telephone Network：公共開關電話網)技術 為主的電話網 主要業(yè)務：語音。 2.20世紀60年代 以PCM(Pulse Code Modulation：脈(mi)碼(m)調制)技術為主的數(shù)字 傳送網和衛(wèi)星通信網 主要業(yè)務：語音。 3.20世紀70年代 以數(shù)據網絡和分組交換技術為主的網絡 主要業(yè)務：數(shù)據。 4.20世紀80年代 以綜合業(yè)務數(shù)字和移動通信技術為主的網絡 主要業(yè)務：語音、數(shù)據、視頻和圖像等。 三三.相關的概念相關的概念 1信息和數(shù)據 (1)信息

3、(information)：通過通信系統(tǒng)所傳遞 的內容。 (2)數(shù)據(Data)：通過通信系統(tǒng)所傳遞信息的 形式的實體 數(shù)據分為模擬數(shù)據和數(shù)字數(shù)據兩種類型。 2信號 信號(Signal)：在信道上所傳輸?shù)臄?shù)據的編碼。 無論哪(n)種(zhng)信號，都是以電磁 波的形式進行傳輸?shù)模?信號分模擬信號和數(shù)字信號兩種類型。 圖3-2 模擬信號與數(shù)字信號波形 3信道 信道(Channel)：傳送信號的通路 即傳輸路 線，傳輸介質。 信道分模擬信道和數(shù)字信道兩種類型。 影響信道質量的兩個主要參數(shù)是信道 帶寬和信道最大傳輸速率。 4信道帶寬 某個信道能夠傳送電磁波的有效頻率范圍，即 最大有效頻率減去最小有

4、效頻率所得的值。 5數(shù)據傳輸速率與信道最大傳輸速率 (1)數(shù)據傳輸速率：信道每秒所能傳輸?shù)亩M制 比特數(shù)，為bps(比特每秒)，其他單位還有 Kbps、Mbps、Gbps。 (2)信道的最大傳輸速率/信道容量：某個信道數(shù) 據傳輸速率的上限。 無論采用何種編碼技術，某個信道上的 數(shù)據傳輸速率不可能超過此信道的信道 容量。 信道帶寬越寬，信道傳輸速率越高。帶 寬=速率 。 6.波特率(Baud) 信號每秒種變化的次數(shù)。 數(shù)據傳輸速率= ，其中M表示 信號的編碼級數(shù)。 波特率與數(shù)據傳輸速率成正比關系。 7.吞吐量 信道在單位時間內成功成功傳輸?shù)男畔⒘?單 位：bps)。 四影響信道質量的因素四影響信

5、道質量的因素 (1)信道帶寬 (2)最大傳輸速率 (3)利用率：吞吐量/最大數(shù)據傳輸速率 (4)延遲：從發(fā)送者發(fā)送第一位數(shù)據開始，到接收者成功 地收到最后一位數(shù)據為止所經歷的時間。 傳輸延遲：與數(shù)據傳輸速率和發(fā)送機/接收機的處 理速度有關。 傳播延遲：與傳播距離有關。 (5)抖動：延遲的實時變化。與機器處理能力和信道擁擠 程度有關。 (6)差(ch)錯(cu)率 比特差錯率：二進制比特位在傳輸過程中被誤傳的 概率。 分組差錯率：數(shù)據分組被誤傳的概率。 3.2 數(shù)據通信方式 3.2.1 并行傳輸與串行傳輸并行傳輸與串行傳輸 1.串行傳輸：將待發(fā)送的每個字符的二進 制代碼按由低位到高位的順序依次發(fā)

6、送。 需要一條信道，成本低，效率低，適合 于遠程通信。 2.并行傳輸：將表示一個字符的8位二進制 代碼通過8條并行的通信信道同時發(fā)送 出去，每次發(fā)送一個字符代碼，需要n 條信道，成本高，效率高，適合于近距 離通信。 圖3-5 串行通信與并行通信 3.2.2 異步傳輸與同步傳輸異步傳輸與同步傳輸 1異步傳輸(asynchronism) 每個字節(jié)作為一個單元獨立傳輸，字節(jié)之間的傳輸間隔 任意，為了標志字節(jié)的開始和結尾，在每個字節(jié)的開 始加1位起始位，結尾加1位、1.5位或2位停止位，構 成一個新的數(shù)據單元進行傳輸。 圖3-6 異步傳輸 2同步傳輸(synchronization) 同步傳輸方式由字

7、符同步和位同步共同構成。 (1)字符同步：對一組字符組成的數(shù)據塊通過在 其前面加特殊模式的位組合或同步字符(SYN) 進行同步，然后進行整體的傳輸。 (1)位同步：每一位要進行同步。 內同步：編碼技術內含同步時鐘信號。 外同步：由通信線路設備提供同步時鐘信 號。 01111110 01111110 B A X 01111110 SYN SYN B A X SYN 同步字符（一個或多個） 同步位模式（一個或多個） 可變長度的位數(shù)據塊 可變長度的字符數(shù)據塊 圖3-7 同步傳輸 3.2.3 數(shù)據傳輸方向數(shù)據傳輸方向 按照信號傳送方向與時間的關系可分為單 工通信，半雙工通信和全雙工通信。 圖3-8 單

8、工、半雙工與全雙工通信 3.2.4 連接方式 1、點到點連接方式 計算機 計算機 調制解調器 調制解調器 公共交換 電話網 圖3-9 點到點連接方式 2、多點連接方式 通信 服務器 終端 終端 終端 圖3-10 多點連接 3.2.5 基帶傳輸與頻帶傳輸基帶傳輸與頻帶傳輸 1基帶傳輸 (1)基帶信號：表示二進制序列的矩形脈 (mi)沖(chng)信號。 (2)基帶/基本頻帶：表示二進制序列的矩 形脈沖的固有頻帶。 (3)基帶傳輸：直接傳送基帶信號的方法稱 為基帶傳輸。 【特點特點】數(shù)字信號、速率高、誤碼率低。數(shù)字信號、速率高、誤碼率低。 2頻帶傳輸 利用模擬信道傳輸數(shù)據信號的方法稱為頻 帶傳輸。

9、 【特點特點】模擬信號、價格便宜、容易實現(xiàn)。模擬信號、價格便宜、容易實現(xiàn)。 3.3 傳輸介質 1.傳輸介質：數(shù)據傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接 收器之間的物理路徑，它是傳輸數(shù)據的 物理基礎。 局域網：雙絞線；通信干(gn)線(xin)： 光纜；跨國界傳輸：衛(wèi)星。 3.3.1 雙絞線雙絞線 圖3-11 雙絞線的結構示意圖 1.串擾：當兩根非常接近的銅線都在傳輸電信號 時，就會出現(xiàn)一定的電磁干擾，叫做串擾。 解決的方法：將兩根線互相絞在一起可以減少 一定的串擾。 2.雙絞線的特性 (1)傳輸距離：100米 (2)傳輸?shù)男盘枺簲?shù)字信號或模擬信號 (3)傳輸速率：10Mbos、100Mbps(線的直徑越 大，傳

10、輸距離越短，傳輸速率越高)。 3.雙絞線的分類： (1)非屏蔽雙絞線UTP(Un-shielded Twisted Pair)： 抗干擾差、成本低、傳輸距離近(100米)。 (2)屏蔽雙絞線STP(Shielded Twisted Pair)：抗 干擾好、性能好、成本高、傳輸距離遠(幾十 千米)。 4.UTP的分類：1、2、3、4、5五類，其中3類多 用于30Mbps以下的數(shù)據傳輸，5類用于 100Mbps的數(shù)據傳輸或150Mbps的ATM數(shù)據傳 輸。 3.3.2 同軸電纜 1.同軸電纜的特性 (1)傳輸距離：幾千米 (2)傳輸?shù)男盘枺簲?shù)字信號或模擬信號 (3)傳輸速率：50Mbps-400M

11、bps 2.同軸電纜的分類 (1)基帶同軸電纜：阻抗為50，傳輸數(shù)字信號。 粗纜：局域網主干，2500米，數(shù)千臺設備 細纜：用戶桌面連接，180米，數(shù)千臺設備 (2)寬帶同軸電纜：阻抗為75，既可傳輸模擬 信號，也可傳輸數(shù)字信號，傳輸距離可達幾 KM，傳輸速率可達300400 Mb/s。 3.3.3 光纜 圖3-13 光纖結構與原理示意圖 1.光纜的特性 (1)傳輸距離：幾千米幾十千米 (2)傳輸?shù)男盘枺耗M信號或數(shù)字信號 (3)傳輸速率：100MB/S2GB/S 2.光纜的分類 (1)室外光纜：保護好，強度高，內含多根光纖 (2)室內光纖：韌性好，單根光纖，容易安裝 單模：細，單向傳輸，性能

12、好，成本高 多模：粗，多向傳輸，性能差，成本低 3.3.4 無線傳輸介質 圖3-14 各通信類型使用的電磁波譜范圍 在計算機網絡領域，無線通信介質主要 是微波和衛(wèi)星。 3.4 數(shù)據編碼技術 數(shù)據編碼方法 模擬數(shù)據編碼 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 數(shù)字數(shù)據編碼 3.4.1 模擬數(shù)據編碼方法：數(shù)字數(shù)據模擬數(shù)據編碼方法：數(shù)字數(shù)據模模 擬信號擬信號 調制(Modilation)：將數(shù)字數(shù)據變換成模擬 信號的過程，調制器(Modulator)； 解調(Demodulation)：將模擬信號變換成 數(shù)字數(shù)據的過程，解調器

13、(Demodulator)； 調制解調器(Modem)：同時具備調制和解 調的設備。 1調幅（ASK）/振(zhn)幅(f)鍵控 特點：容易實現(xiàn)，技術簡單，抗干擾能力 較差。 2調頻（FSK）/移頻鍵控 特點：容易實現(xiàn)，技術簡單，抗干擾能力 較強，最常用。 3調相（PSK）/移相鍵控 特點：較難實現(xiàn)，技術復雜，抗干擾能力 較強。 圖3-15 模擬數(shù)據信號的編碼方法 在實際使用過程中，上述三種方法是綜 合應用的。 3.4.2 數(shù)字數(shù)據編碼方法：數(shù)字數(shù)據數(shù) 字信號 0 1 0 1 1 0 0 1 0 數(shù)字數(shù)據 （a）NRZ 編碼 NRZ 編碼的 同步時鐘 （b）曼徹斯特編碼 （c）差分曼徹斯特 編

14、碼 圖3-17 數(shù)字數(shù)據到數(shù)字信號的編碼方法 1非歸零編碼（Non-Return to Zero， NRZ） 方法： 用高電平表示“1”，低電平 (非0)表示“0” 特點： 編碼簡單，容易實現(xiàn) 需要同步時鐘信號 0或1的個數(shù)不等時，會有直流分量 2曼徹斯特編碼（Manchester） 方法： 特點： 編碼簡單； 內含同步時鐘(一個周期時刻的跳變)； 不含直流分量； 不論0或1，其一個周期的前半個周期和 后半個周期總是相異的。 ”?！保瑥母叩降捅硎尽皬牡偷礁弑硎尽?必須發(fā)生跳變；一個周期的中間時刻 01 3差分曼徹斯特編碼（Difference Manchester） 方法： 特點： 不論0或1

15、，其一個周期的前半個周期和 后半個周期總是相異的； 第一個二進制的編碼有兩種可能。 ”?！?，不發(fā)生跳變表示“發(fā)生跳變表示“一個周期的開始時刻 必須發(fā)生跳變；一個周期的中間時刻 10 3.4.3 脈沖編碼調制方法：模擬數(shù)據脈沖編碼調制方法：模擬數(shù)據數(shù)字信號數(shù)字信號 1采樣 以一定的時間間隔將模擬信號的電平幅度值取 出來作為樣本。 2量化 將采樣樣本幅度按量化級決定取值的過程，即 將連續(xù)值變?yōu)殡x散值。 3編碼 用相應位數(shù)的二進制代碼表示量化后的采樣樣 本的量級。 D8D7D6D5D4D3D2D1 0 0.5 1.0 1.5 A A t t 0 0. .2 27 70 0. .3 3 0 0. .6

16、 62 20 0. .6 6 1 1. .2 28 81 1. .3 3 1 1. .5 52 21 1. .5 5 1 1. .2 26 61 1. .3 3 0 0. .7 73 30 0. .7 7 0 0. .4 41 10 0. .4 4 0 0. .1 12 20 0. .1 1 （a a） 樣樣 本本量量化化級級二二進進制制編編碼碼編編碼碼信信號號 0001 0100 0111 1101 1111 1101 0110 00113 6 13 15 13 7 4 1D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 （b b） 樣本 量化級 二進制編碼 編碼信號 D1 D2 D3 D4

17、D5 D6 D7 D8 1 4 7 13 15 13 6 3 0001 0100 0111 1101 1111 1101 0110 0011 圖3-18 PCM工作原理示意圖 3.5 多路復用技術 多路復用技術(Multiplexing)：當傳輸介質的帶寬超過了 傳輸單個信號所需要的帶寬時，通過在一條介質上同 時攜帶多個傳輸信號的方法來提高傳輸系統(tǒng)的利用率 的技術。 3.5.1 多路復用技術的基本原理多路復用技術的基本原理 高速通信線路 多路 復用器 多路 復用器 多路 復用器 多路 復用器 高速通信線路 圖3-19 多路復用原理示意圖 多路復用的基本原理：將一個區(qū)域的多個用戶 信息通過多路復

18、用器進行匯集，然后將匯集 后的信息群通過一條物理線路傳送到接收設 備，接收設備通過多路復用器將信息群分離 成各個單獨的信息，再分發(fā)到多個用戶。 3.5.2 頻分多路復用頻分多路復用(FDM) 基本原理：用于模擬電路系統(tǒng)，在一條通信線 路上同時傳輸多路信號，每路信號以不同的 載波頻率進行調制，而且各個載波頻率完全 獨立，即載波形成的信號不會互相重疊，所 以各路信號可以成功地在介質上傳輸。 圖3-20 頻分多路復用原理示意圖 3.5.3 波分多路復用波分多路復用(WDM) 基本原理：用于光纖通信，在一條光纖上 同時傳輸多路信號，每路信號的波長不 同。 共享光纖 光柵光柵 光纖1 光纖2 光纖1 光

19、纖2 光纖 1 光纖 2 光柵 光柵 光纖 1 光纖 2 共享光纖 圖3-21 WDM原理示意圖 3.5.3 時分多路復用時分多路復用(TDM) 基本原理：將信道用于傳輸?shù)臅r間劃分為若干 個時間片，每個用戶分得一個時間片，在其 占有的時間片內，用戶使用通信信道的全部 帶寬。 圖3-22 時分多路復用原理示意圖 1同步時分多路復用(STDM) 將時間片預先分配給各個信道，并且時間片固定不變。 2異步時分多路復用(ATDM)/統(tǒng)計時分多路復用 圖3-23 同步與統(tǒng)計時分多路復用 (1)靜態(tài)統(tǒng)計時分多路復用(周期性)：設復 用的信道數(shù)為m，每個周期T分為n個時 間片，允許mn，即將每個周期內的各 個

20、時間片只分配給那些需要發(fā)送數(shù)據的 信道。 (2)動態(tài)統(tǒng)計時分多路復用(非周期性)：時 間片序號與信道號之間不再存在固定的 對應關系，而是按需分配。 3.6 數(shù)據交換技術 定義：資源子網中的兩臺聯(lián)網的計算機之 間通過通信子網進行數(shù)據傳輸?shù)募夹g。 3.6.1 線路交換線路交換 1.基本原理：資源子網中兩臺聯(lián)網的計算 機通過通信子網進行數(shù)據交換之前，要 在通信子網中建立一條實際的專用的物 理線路連接。 圖3-24 線路交換方式工作原理 2.線路交換過程線路交換過程 (1)線路建立階段 (2)數(shù)據傳輸階段 (3)線路釋放階段 3.特點 (1)中間結點一般是電子或機電結合 的交換設備； (2)交換設備和

21、線路有模擬和數(shù)字兩 種類型； (3)建立的物理連接線路是專用的； (4)中間結點不能存儲數(shù)據，也不能 改變數(shù)據內容，并且沒有差錯控制能力。 4.優(yōu)點：實時性強，適用于交互式會話類 通信。 5.缺點 (1)不適用于突發(fā)性通信，系統(tǒng)效率 低； (2)沒有數(shù)據存儲能力，不能平滑交 通量(擁擠控制)； (3)沒有差錯控制能力，也無法糾錯。 3.6.2 報文交換報文交換 1.基本原理：數(shù)據發(fā)送者將用戶信息(待發(fā) 送的數(shù)據)連同目的地址等輔助信息合在 一起，形成一定格式的報文發(fā)往中間結 點，各中間結點收到報文后，將它全部 存儲到本地硬盤，直到輸出線路有空閑 時，再轉發(fā)到下一個中間結點，直至到 達目的結點。

22、 2.優(yōu)點 (1)不需要預先建立電路和事后拆除電路； (2)在中間結點可以進行差錯校驗和代碼 轉換。 3.缺點 (1)每個中間結點必須有較大容量的硬盤 等存儲器； (2)當報文很大時，會明顯增加延時。 3.6.3 分組交換分組交換-現(xiàn)在最常用的數(shù)據交換技現(xiàn)在最常用的數(shù)據交換技 術術 一、數(shù)據報交換一、數(shù)據報交換 1.基本原理：改進的報文交換方式，在發(fā) 送之前，首先將待發(fā)送的數(shù)據分成若干 個分組，每個分組可以獨立地選擇一條 傳輸路徑到達目的結點。所有分組都到 達目的地時，分組進行重組，還原為最 初的數(shù)據。 圖3-25 數(shù)據報方式工作原理示意圖 2.特點 (1)同一報文的不同分組可以由不同的傳輸路

23、 徑通過通信子網； (2) 每一個分組在傳輸過程中都必須帶有目的 地址和源地址； (3) 同一報文的不同分組到達目的結點時可能 出現(xiàn)亂序、重復與丟失現(xiàn)象； (4)數(shù)據報方式報文傳輸延遲較大，適用于突 發(fā)性通信，不適用于長報文、會話式通信。 二、虛電路交換 圖3-26 虛電路方式工作原理示意圖 1.基本原理：數(shù)據報交換技術和線路交換 技術相結合。 2.數(shù)據交換過程 (1)虛電路建立階段 (2)數(shù)據傳輸階段 (3)虛電路拆除階段 3.特點 (1)在每次分組發(fā)送之前，必須在發(fā)送方和接 收方之間建立一條邏輯連接； (2)一次通信的所有分組都通過這條虛電路順 序傳送，每個分組不必帶目的地址、源地址 等輔

24、助信息，也不會出現(xiàn)分組丟失、重復與 亂序的現(xiàn)象； (3)分組通過虛電路上的每個結點時，結點只 需要做差錯控制，無須做路徑選擇； (4)通信子網中每個結點可以和任何結點建立 多條虛電路連接。 3.7 通信網簡介 3.7.1 電話撥號網-PSTN 1.PSTN (Public Switched Telephone Network)公用交換電 話網。 2.適用于電話撥號上網； 3.需要一個Modem(9.6Kbps56Kbps)； 4.下載速率56Kbps，上傳速率33.6Kbps。 您 的 計 算機 調 制 解 調器 市 內 電 話網 ISP 公 司 的 調 制 解 調器 因 特 網 ISP 的

25、服 務 器 3.7.2 公用分組交換網公用分組交換網-X.25 1.公用分組交換網(X.25)是一個以數(shù)據通信為目 的的公用數(shù)據網； 2.由CCITT(International Telephone and Telegraph Consultative Committee,國際電話與電報顧問 委員會)提出； 3.X.25類似于PSTN，在模擬電話線路上進行數(shù) 據交換； 4.采用分組交換技術；速率64Kbps； 5.中國的X.25是CHINAPAC，1989年投入使用。 3.7.3 數(shù)字數(shù)據網數(shù)字數(shù)據網 1.數(shù)字數(shù)據網(DDN：Digital Data Network)/數(shù)據租用專線/專線： 是

26、一個高帶寬，高質量的公共 數(shù)據通信網。 2.中國的DDN是ChinaDDN，最 高速率2Mbps； 3.中國的CERNET就是由 ChinaDDN來實現(xiàn)跨省市連接 的。 Internet CERNET 電 信 DDN網 絡 用 戶 局 域 網 Etherent 圖3-27 通過DDN進行網絡連接示例 3.7.4 幀中繼幀中繼 1.一種新的公用數(shù)據交換網。對X.25作了 簡化，減少了中間結點的處理時間(差錯 控制)，使網絡的帶寬得到了充公的利用， 極大地提高了網絡的吞吐量，因而被稱 為快速分組交換。 2.幀中繼采用面向連接方式。 3.中國的幀中繼：64Kbps2Mbps。 3.7.5 綜合業(yè)務數(shù)字網綜合業(yè)務數(shù)字網-ISDN 1. 綜合業(yè)務數(shù)字網ISDN（Integrated Services Digital Net