計算機網(wǎng)絡(luò)吳功宜編著PPT課件

1、本章學習要求： 掌握：數(shù)據(jù)通信的基本概念 了解：傳輸介質(zhì)類型及主要特性 了解：無線與衛(wèi)星通信技術(shù)的基本概念 掌握：數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法 了解：基帶傳輸?shù)幕靖拍?掌握：頻帶傳輸?shù)幕靖拍?掌握：多路復用的分類與特點 掌握：廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換技術(shù)類型與工作原理 掌握：差錯控制方法第1頁/共68頁2.1 數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念第2頁/共68頁信息、數(shù)據(jù)與信號 通信的目的是交換信息， 信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像，計算機產(chǎn)生的信息是它們的組合； 為了傳送這些信息，首先要將字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像用二進制代碼的數(shù)據(jù)來表示； 為了傳輸二進制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模

2、擬或數(shù)字信號編碼的方式表示； 數(shù)據(jù)通信是指在不同計算機之間傳送表示字母、數(shù)字、符號的二進制代碼0、1比特序列的模擬或數(shù)字信號的過程。 第3頁/共68頁信息編碼標準 ASCII 碼被國際標準化組織ISO接受，成為國際標準ISO 646，又稱為國際5號碼; 它用于計算機內(nèi)碼，也用做數(shù)據(jù)通信中的編碼標準; ASCII碼采用7位二進制比特編碼，可以表示128個字符; 字符分為圖形字符與控制字符兩類。圖形字符包括數(shù)字、字母、運算符號、商用符號等。 第4頁/共68頁多媒體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)得到廣泛應(yīng)用； 利用數(shù)字通信系統(tǒng)來實現(xiàn)多媒體信息的傳輸是通信技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一； 與文本、

3、圖形信息傳輸相比較，語音、圖像信息傳輸要求數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有高速率與低延時的特性； 如果每幀圖像由1024768個點陣組成，圖像顏色有256種，每個點陣用1字節(jié)二進制數(shù)表示，每秒傳送30幀圖像，則每秒需要傳送235,929,601字節(jié)； 如果傳送數(shù)字化的語音信號，每秒對語音信號進行22,050次取樣，每次取樣值用1字節(jié)表示，則單聲道每秒需要傳送22,050字節(jié)；雙聲道立體聲每秒需要傳送44,100字節(jié)； 多媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用對數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)提出更高要求。 第5頁/共68頁信號的概念 信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中電信號的表示形式； 模擬信號（analog signal）的信號電平是連續(xù)變化的； 數(shù)字信

4、號（digital signal）是用兩種不同的電平去表示0、1比特序列的電壓脈沖信號表示； 按照在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栴愋?，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)兩種。 第6頁/共68頁模擬信號與數(shù)字信號波形第7頁/共68頁數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式第8頁/共68頁 數(shù)據(jù)傳輸類型 模擬通信 數(shù)字通信 數(shù)據(jù)通信方式 串行通信、并行通信 單工通信、半雙工或全雙工通信 同步方式 同步通信 異步通信第9頁/共68頁串行通信與并行通信第10頁/共68頁單工、半雙工與全雙工通信第11頁/共68頁一個或多個SYN字符控制字符數(shù)據(jù)字符SYNSYN控制字符t字節(jié)5字節(jié)4字節(jié)3字節(jié)3字節(jié)2字節(jié)1bbbbbbb終止位

5、(邏輯 0 )起始位(邏輯 1 )6543210同步通信與異步通信第12頁/共68頁2.2 傳輸介質(zhì)及主要特性傳輸介質(zhì)及主要特性第13頁/共68頁傳輸介質(zhì)的主要類型 雙絞線 同軸電纜 光纖電纜 無線與衛(wèi)星通信信道第14頁/共68頁傳輸介質(zhì)的特性 物理特性：傳輸介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的描述； 傳輸特性：傳輸介質(zhì)允許傳送數(shù)字或模擬信號，以及 調(diào)制技術(shù)、傳輸容量、傳輸?shù)念l率范圍； 連通特性：允許點-點或多點連接； 地理范圍：傳輸介質(zhì)最大傳輸距離； 抗干擾性：傳輸介質(zhì)防止噪聲與電磁干擾對傳輸數(shù)據(jù) 影響的能力； 相對價格：器件、安裝與維護費用。第15頁/共68頁雙絞線的主要特性 屏蔽雙絞線 STP與非屏蔽雙絞線U

6、TP銅線絕緣層外屏蔽層外部保護層（a ） 屏蔽雙絞線（a ） 屏蔽雙絞線銅線絕緣層外部保護層（b ） 非屏蔽雙絞線（b ） 非屏蔽雙絞線第16頁/共68頁同軸電纜的主要特性 粗同軸電纜 細同軸電纜第17頁/共68頁光纖的主要特性第18頁/共68頁2.3 無線與衛(wèi)星通信技術(shù)無線與衛(wèi)星通信技術(shù)第19頁/共68頁電磁波譜與移動通信第20頁/共68頁無線通信 視距傳播與電離層反射第21頁/共68頁微波通信 微波信號沒有繞射功能，兩個微波信號只能在可視情況下才能正常接收； 大氣對微波信號的吸收與散射影響較大。 第22頁/共68頁蜂窩無線通信 頻分多址接入（FDMA） 時分多址接入（TDMA） 碼分多址接

7、入（CDMA） 第23頁/共68頁衛(wèi)星通信 第24頁/共68頁2.4 數(shù)據(jù)編碼技術(shù)數(shù)據(jù)編碼技術(shù)第25頁/共68頁數(shù)據(jù)編碼類型數(shù)據(jù)編碼方法模擬數(shù)據(jù)編碼數(shù)字數(shù)據(jù)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第26頁/共68頁模擬數(shù)據(jù)編碼方法第27頁/共68頁數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法01001011數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)(a)非歸零碼同步時鐘(b)曼徹斯特編碼(c)差分曼徹斯特編碼第28頁/共68頁脈沖編碼調(diào)制方法第29頁/共68頁PCM用于數(shù)字語音系統(tǒng)： 聲音分為128個量化級； 每個量化級采用7位二進制編碼表示； 采樣速率為8000樣本/秒； 數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到7位8000/

8、秒=56Kbps； 如果每個量化級采用7+1=8位二進制編碼表示; 數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達到8位8000 /秒= 64Kbps。第30頁/共68頁基帶傳輸?shù)亩x 在數(shù)據(jù)通信中，表示計算機二進制的比特序列的數(shù)字數(shù)據(jù)信號是典型的矩形脈沖信號; 矩形脈沖信號的固有頻帶稱做基本頻帶,簡稱為基帶,矩形脈沖信號就叫做基帶信號; 在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸; 發(fā)送端將數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼器變換變?yōu)榛鶐盘?，例如曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼信號; 接收端用解碼器恢復成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號。 第31頁/共68頁2.5 數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾拍顢?shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾拍畹?2頁/共68頁E(t)E(t)E(

9、t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)E(t)000000ttttt1 2 3 4 5 6 7 8 9 1001100010(a)(b)(c)(d)(e)0 10 1 20 1 2 3 40 1 2 3 4 5 6 7 8ttttt通信信道帶寬對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懙?3頁/共68頁數(shù)據(jù)傳輸速率與信道帶寬的關(guān)系 數(shù)據(jù)傳輸速率是描述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要技術(shù)指標； 數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上，等于每秒鐘傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進制比特數(shù)，單位為比特/秒，記做bps； 常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：Kbps、Mbps與Gbps 1Kbps = 1103 bps 1Mbps = 1106 bps 1Gbps

10、= 1109 bps第34頁/共68頁信道速率的極限值 奈奎斯特準則：二進制數(shù)據(jù)信號的最大數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與通信信道帶寬B（B=f，單位Hz）的關(guān)系為Rmax=2f（bps） 香農(nóng)定理：在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號時，數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與信道帶寬B，信噪比S/N 的關(guān)系為Rmax = Blog2（1+S/N），其中 S/N為信噪比第35頁/共68頁2.6 多路復用技術(shù)多路復用技術(shù)第36頁/共68頁多路復用技術(shù)的分類 頻分多路復用FDM 波分多路復用WDM 時分多路復用TDM第37頁/共68頁頻分多路復用 在一條通信線路設(shè)計多路通信信道，每路信道的信號以不同載波頻率調(diào)制，各個載波頻率

11、不重疊第38頁/共68頁波分多路復用 光纖通道采用波長分隔多路復用方法，簡稱為波分復用WDM。在一根光纖上復用80路或更多路的光載波信號稱為密集波分復用DWDM第39頁/共68頁時分多路復用 時分多路復用將信道的傳輸時間劃分為若干時間片，每個用戶分得一個時間片，在每個用戶占有的時間片內(nèi)，用戶使用信道的全部帶寬 第40頁/共68頁 同步時分多路復用與統(tǒng)計時分多路復用 第41頁/共68頁2.7 廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換方法廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換方法第42頁/共68頁線路交換方式 線路交換是面向連接的服務(wù)； 兩臺計算機通過通信子網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換之前，首先要在通信子網(wǎng)中建立一個實際的物理線路連接； 線路交換要經(jīng)過

12、三個階段：建立連接、數(shù)據(jù)傳輸與釋放連接； 線路交換方式的優(yōu)點：通信實時性強，適用于交互式會話類通信； 線路交換方式的缺點：對突發(fā)性通信不適應(yīng)，系統(tǒng)效率低，系統(tǒng)沒有存儲數(shù)據(jù)的能力，不能平滑交通量。 第43頁/共68頁線路交換方式的工作原理第44頁/共68頁存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式 發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址、控制信息按照一定格式組成一個數(shù)據(jù)單元（報文或報文分組）進入通信子網(wǎng)； 通信子網(wǎng)中的結(jié)點是通信控制處理機，它負責完成數(shù)據(jù)單元的接收、差錯校驗、存儲、路選和轉(zhuǎn)發(fā)功能。 第45頁/共68頁存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式分類 數(shù)據(jù)通過通信子網(wǎng)傳輸時可以有報文（message）與報文分組（packet）兩種方式； 報文傳

13、輸：不管發(fā)送數(shù)據(jù)的長度是多少，都把它當作一個邏輯單元發(fā)送； 報文分組傳輸：限制一次傳輸數(shù)據(jù)的最大長度，如果傳輸數(shù)據(jù)超過規(guī)定的最大長度，發(fā)送結(jié)點就將它分成多個報文分組發(fā)送。第46頁/共68頁報文和報文分組結(jié)構(gòu) 由于分組長度較短，在傳輸出錯時，檢錯容易并且重發(fā)花費的時間較少； 限定分組最大數(shù)據(jù)長度，有利于提高存儲轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點的存儲空間利用率與傳輸效率； 公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用分組交換技術(shù)。報文分組報文分組報文報文報文號目的地址源地址校驗報文號目的地址源地址報文分組數(shù)據(jù)校驗報文分組號數(shù)據(jù)第47頁/共68頁存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式的優(yōu)點 由于通信子網(wǎng)中的通信控制處理機可以存儲分組，多個分組可以共享通信信道，線路利用率高； 通

14、信子網(wǎng)中通信控制處理機具有路選功能，可以動態(tài)選擇報文分組通過通信子網(wǎng)的最佳路徑； 可以平滑通信量，提高系統(tǒng)效率； 分組在通過通信子網(wǎng)中的每個通信控制處理機時，均要進行差錯檢查與糾錯處理，因此可以減少傳輸錯誤，提高系統(tǒng)可靠性； 通過通信控制處理機可對不同速率的線路進行轉(zhuǎn)換，也可對不同的數(shù)據(jù)代碼格式進行變換。 第48頁/共68頁數(shù)據(jù)報方式 數(shù)據(jù)報是分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)的一種形式； 在數(shù)據(jù)報方式中，分組傳送之間不需要預(yù)先在源主機與目的主機之間建立“線路連接”； 源主機所發(fā)送的每一個分組都可以獨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目的主機。第49頁/共68頁數(shù)據(jù)報方式的工作

15、原理第50頁/共68頁數(shù)據(jù)報方式的特點 同一報文的不同分組可以由不同的傳輸路徑通過通信子網(wǎng)； 同一報文的不同分組到達目的結(jié)點時可能出現(xiàn)亂序、重復與丟失現(xiàn)象； 每個分組在傳輸過程中必須帶目的地址與源地址； 數(shù)據(jù)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。 第51頁/共68頁虛電路方式 虛電路方式試圖將數(shù)據(jù)報方式與線路交換方式結(jié)合起來，處分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點，以達到最佳的數(shù)據(jù)交換效果; 數(shù)據(jù)報方式在分組發(fā)送之前，發(fā)送方與接收方之間不需預(yù)先建立連接。虛電路方式在分組發(fā)送之前，需要在發(fā)送方和接收方建立一條邏輯連接的虛電路; 虛電路方式與線路交換方式相同，整個通信過程分為三個階

16、段：虛電路建立、數(shù)據(jù)傳輸與虛電路釋放。 第52頁/共68頁虛電路方式的工作原理第53頁/共68頁虛電路方式的特點 在每次分組發(fā)送之前，必須在發(fā)送方與接收方之間建立一條邏輯連接。這是因為不需要真正去建立一條物理鏈路，連接發(fā)送方與接收方的物理鏈路已經(jīng)存在； 一次通信的所有分組都通過虛電路順序傳送，報文分組不必帶目的地址、源地址等輔助信息。分組到達目的結(jié)點時不會出現(xiàn)丟失、重復與亂序的現(xiàn)象； 分組通過虛電路上的每個結(jié)點時，結(jié)點只需要做差錯檢測，而不需要做路徑選擇； 每個結(jié)點可以和任何結(jié)點建立多條虛電路連接。 第54頁/共68頁2.8 差錯控制方法差錯控制方法第55頁/共68頁差錯產(chǎn)生的原因與差錯類型

17、傳輸差錯是接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象; 差錯控制是檢查是否出現(xiàn)差錯以及如何糾正差錯； 通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲； 由熱噪聲引起的差錯是隨機差錯（或隨機錯）； 沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯（或突發(fā)錯）； 在通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構(gòu)成的。 第56頁/共68頁傳輸差錯產(chǎn)生過程第57頁/共68頁誤碼率的定義 誤碼率是指二進制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，它在數(shù)值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N為傳輸?shù)亩M制碼元總數(shù)，Ne為被傳錯的碼元數(shù)； 誤碼率應(yīng)該是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)之一； 對于一個實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說

18、誤碼率越低越好，根據(jù)實際傳輸要求提出誤碼率要求； 差錯出現(xiàn)具有隨機性，實際測量一個傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進制比特數(shù)越大，才會越接近于真正的誤碼率值。 第58頁/共68頁檢錯碼與糾錯碼 糾錯碼 每個傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息； 接收端能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯。 檢錯碼 分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯的冗余信息； 接收端能發(fā)現(xiàn)出錯，但不能確定哪位是錯的，并且不能自己糾正傳輸差錯。 第59頁/共68頁循環(huán)冗余編碼工作原理第60頁/共68頁標準CRC生成多項式G（x） CRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1 CRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1 CRC-C

19、CITT G（x）= x16+x12+x5+1 CRC-32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1第61頁/共68頁CRC校驗碼的檢錯能力 CRC校驗碼能檢查出全部單個錯； CRC校驗碼能檢查出全部離散的二位錯； CRC校驗碼能檢查出全部奇數(shù)個錯； CRC校驗碼能檢查出全部長度小于等于K位的突發(fā)錯； CRC校驗碼能以1-(1/2)K-1的概率檢查出長度為(K+1)位的突發(fā)錯； 如果K=16，該CRC校驗碼能檢查出小于或等于16 位的所有突發(fā)錯，并能以1-(1/2)16-1=99.997的概率檢查出長度為17位的突發(fā)錯，漏檢概率為0.0