計算機網(wǎng)絡管理—第2章數(shù)據(jù)通信基礎技術

1、計算機網(wǎng)絡技術計算機網(wǎng)絡技術(第二版）第二版）主編主編 傅建民傅建民中國水利水電出版社中國水利水電出版社第2章 數(shù)據(jù)通信技術基礎 &本章任務l數(shù)據(jù)通信的基本概念 l數(shù)據(jù)的傳輸方式 2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念l2.1.1 數(shù)據(jù)、信息、信號或信道l1數(shù)據(jù)l數(shù)據(jù)是指描述物體的數(shù)字、字母或符號，有模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)之分。 l2信息l信息是人腦對客觀物質的反映，既可以是對物質的形態(tài)、大小、結構、性能等特性的描述，也可以是物質與外部的聯(lián)系。l3信號l信號是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的表示形式，是用于傳輸?shù)碾娮?、光或電磁編碼，有模擬信號和數(shù)字信號之分。l模擬信號（也稱為連續(xù)信號）是隨時間連續(xù)變

2、化的電流、電壓或電磁波。 l數(shù)字信號（也稱為離散信號）是一系列離散的電脈沖。 l模擬信號和數(shù)字信號可通過參量(幅度)來表示：圖2-1 模擬信號、數(shù)字信號的表示 l4信道和帶寬l信道是傳輸信號的通路，一條傳輸線路上可以存在多個信道。l信號帶寬指信號的頻率范圍，而信道帶寬是信道上能夠傳輸信號的最大頻率范圍。注意:信號帶寬不能大于信道帶寬，否則信號在信道上無法實現(xiàn)通信。l2.1.2 數(shù)據(jù)的編碼技術l1模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)的表示l信息在信源/信宿處以模擬/數(shù)字數(shù)據(jù)形式存在，而在信道中以模擬/數(shù)字信號形式存在。l模擬信號和數(shù)字信號都可以在合適的傳輸媒體上進行傳輸(如圖2-2)； 圖2-2 模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字數(shù)

3、據(jù)的模擬信號、數(shù)字信號的傳輸表示 (a) (c) (b) (d) l(1) 模擬數(shù)據(jù)通信l模擬數(shù)據(jù)通信是用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)，有以下兩種形式：l模擬信道傳輸模擬數(shù)據(jù),如上圖（b） l模擬信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù),如上圖（b）l (2) 數(shù)字數(shù)據(jù)通信l數(shù)字數(shù)據(jù)通信是用數(shù)字信道傳輸數(shù)據(jù)，有以下兩種形式：l數(shù)字信道傳輸模擬數(shù)據(jù),如上圖（c） 數(shù)字電話通信是它的一個應用模型，如下圖所示。圖2-3 數(shù)字信道傳輸模擬數(shù)據(jù)l數(shù)字數(shù)據(jù)可以用數(shù)字信號來表示。如上圖（d ）l(3) 兩種數(shù)據(jù)通信的長距離傳輸及信號衰減的克服l模擬信號無論表示模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字數(shù)據(jù),在傳輸一定距離后都會衰減?？朔霓k法是用放大器來增強信號的能量

4、，但噪音分量也會增強，以至引起信號畸變。l數(shù)字信號長距離傳輸也會衰減，克服的辦法是使用中繼器，把數(shù)字信號恢復為0、1的標準電平后繼續(xù)傳輸。2數(shù)據(jù)的編碼數(shù)據(jù)的編碼l(1) 數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼l數(shù)字信號編碼的工作由網(wǎng)絡上的硬件完成，常用的編碼方法有以下三種：l不歸零碼NRZ（non-return to zero）l不歸零碼又可分為單極性不歸零碼和雙極性不歸零碼。 a)單極性不歸零碼與脈沖 b)雙極性不歸零碼與脈沖 圖2-4 不歸零碼 l歸零碼l歸零碼是指編碼在發(fā)送“0”或“1”時，在一碼元的時間內會返回初始狀態(tài)（零），如圖2-5所示。l歸零碼可分為單極性歸零碼和雙極性歸零碼.c)單極性歸零碼與

5、脈沖d)雙極性歸零碼與脈沖 e)交替雙極性歸零碼與脈沖圖2-5 歸零碼l自同步碼l自同步碼是指編碼在傳輸信息的同時，將時鐘同步信號一起傳輸過去。這樣，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r就不必通過其它信道發(fā)送同步信號。l局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信常使用自同步碼，典型代表是曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼，如圖2-6所示。圖2-6 曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼 注：1、曼徹斯特編碼在信號1/2處跳變時，從高到低跳變?yōu)椤?”；從低到高跳變?yōu)椤?”。 2、查分曼徹斯特編碼在信號開始時，有跳變?yōu)椤?；無跳變?yōu)椤?”。l為了利用廉價的公共電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的遠程通信，必須將發(fā)送端的數(shù)字信號變換成能夠在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)囊纛l信

6、號，經(jīng)傳輸后再在接收端將音頻信號逆變換成對應的數(shù)字信號。 圖2-7 遠程系統(tǒng)中的調制解調器 l模擬信號傳輸?shù)幕A是載波l載波信號可以表示為正弦波形式：f(t)=Asin(t+)，其中幅度A、頻率和相位的變化均影響信號波形，即載波的三大要素：幅度、頻率和相位，數(shù)字數(shù)據(jù)可以針對載波的不同要素或它們的組合進行調制。 l通過改變這三個參數(shù)可實現(xiàn)對模擬信號的編碼。相應的調制方式分別稱為幅度調制ASK、頻率調制FSK和相位調制PSK。 圖2-8 數(shù)字調制的三種基本形式l幅度調制l幅度調制簡稱調幅，也稱為幅移鍵控（ASK amplitude-shift keying）l調制原理：用兩個不同振幅的載波分別表示

7、二進制值0和1。圖2-9 幅度調制l頻率調制l頻率調制簡稱調頻，也稱為頻移鍵控（FSK frequency-shift keying）l調制原理：用兩個不同頻率的載波分別表示二進制值0和1。圖2-10 頻移鍵控l相位調制l絕對相移鍵控 l絕對相移鍵控用兩個固定的不同相位表示數(shù)字“0”和“1”（見圖2-11），用公式可表示為：U ( t ) = Um sin( t + )數(shù)字“1” = Um sin( t + 0 ) 數(shù)字“0”圖2-11 絕對相移鍵控l相對相移鍵控法 l相對相移鍵控用載波在兩位數(shù)字信號的交接處產生的相位偏移來表示載波所表示的數(shù)字信號。最簡單的相對調相方法是：與前一個信號同相表示

8、數(shù)字“0”，相位偏移180度表示“1”，如圖2-12所示。這種方法具有較好的抗干擾性。圖2-12 相對相移鍵控 l(4) 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼l模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼最常用的方法是脈沖編碼調制（PCM pulse code modlation）l理論基礎（香農采樣定理）l若對連續(xù)變化的模擬信號進行周期性采樣，只要采樣頻率大于等于有效信號最高頻率或其帶寬的兩倍，則采樣值便可包含原始信號的全部信息，利用低通濾波器可以從這些采樣中重新構造出原始信號。l PCM工作步驟圖2-13 原始模擬信號l采樣：根據(jù)采樣頻率，隔一定的時間間隔采集模擬信號的值，得到一系列模擬值，如圖2-14所示。l量化：將采樣得

9、到的模擬值按一定的量化級（本例采用16級）進行取整，得到一系列離散值，如圖2-15所示。圖2-14 對采樣值量化l編碼：將量化后的離散值數(shù)字化，得到一系列二進制值；然后將二進制值進行編碼，得到數(shù)字信號,如圖2-15。 圖2-15 將量化編碼l經(jīng)過上面的處理過程，原來的模擬信號經(jīng)PCM編碼后得到如圖2-3-13所示的系列二進制數(shù)據(jù)。圖2-16 模擬數(shù)據(jù)的PCM編碼l2.1.3 數(shù)據(jù)的通信模型l數(shù)據(jù)通信是計算機與通信相結合而產生的一種通信方式和通信業(yè)務，其基本作用是完成兩個實體間數(shù)據(jù)的交換。l如圖2-17是通信系統(tǒng)的一個實例，工作站可以通過公共電話網(wǎng)與另一端的服務器通信，也可以在公共電話網(wǎng)間交換聲

10、音信號。圖2-17 通信系統(tǒng)實例 l一個簡單的通信系統(tǒng)模型如圖2-18所示。圖2-18 通信系統(tǒng)模型l這個模型的主要組成部分是：l1信源/信宿 l信源指信息的來源或發(fā)送者，信宿指信息的歸宿或接收者。l在計算機網(wǎng)絡中，信源和信宿可以是計算機或終端等設備。l 2信道l信道是傳輸信號的通路，由傳輸線路及相應的附屬設備組成。 l同一條傳輸線路上可以有多個信道。例如：一條光纜可以同時供幾千人通話，有幾千條電話信道。l3噪聲l噪聲是指信號在傳輸過程中受到的干擾，按產生的原因可分為內部噪聲和外部噪聲。l4變換器l變換器的主要功能是在信源或信宿與信道之間進行信號的變換。 l2.1.4 通信系統(tǒng)主要技術指標（傳

11、輸率、誤碼率、信道容量） l1數(shù)據(jù)傳輸速率l數(shù)據(jù)傳輸速率是指傳輸線路上傳輸信息的速度，有數(shù)據(jù)傳輸速率和信號傳輸速率兩種表示方法。l(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率l數(shù)據(jù)傳輸速率又稱比特率，指單位時間內所傳送的二進制位的個數(shù)，單位為比特每秒，表示為bps或b/s。數(shù)據(jù)傳輸速率可用如下公式表示：l其中，lS 表示比特率lT 表示脈沖寬度lN 表示一個脈沖所表示的有效狀態(tài)數(shù)，即調制電平數(shù)，通常為2的整數(shù)倍。l例如，一連續(xù)信號f = 1200Hz，每個信號可表示4個不同的狀態(tài)，則數(shù)據(jù)傳輸速率（比特率）為2400bps：l(2) 信號傳輸速率l信號傳輸速率又稱波特率或調制速率，指單位時間內所傳送的信號的個數(shù)，單位為

12、baud（波特），可用如下公式表示：lB = 1 / Tl其中，B 波特率，T 信號周期。l例如，若一連續(xù)信號f = 1200Hz，則B = 1/T = 1200（波特）l2誤碼率 l誤碼率表示二進制數(shù)據(jù)位在傳輸中出錯的概率，可用如下公式表示：lPe = Ne / Nl其中，Pe 誤碼率，Ne 出錯的位數(shù)，N 傳輸?shù)目偽粩?shù)。l例如，若數(shù)據(jù)傳輸10000個bit，接收經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有一個bit錯了，則誤碼率lPe = 10-5l誤碼率主要用于衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量 l3信道容量l信道容量指信道所能承受的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為bps或b/s。l 4三個指標之間的關系l數(shù)據(jù)速率用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的快慢，

13、是信道的實際數(shù)據(jù)傳輸速率；l信道容量用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的能力，是信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率；l誤碼率用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。2.2 數(shù)據(jù)的傳輸方式數(shù)據(jù)的傳輸方式 l2.2.1 基帶傳輸與頻帶傳輸l1基帶傳輸 l在數(shù)字信號頻譜中，把直流（零頻）開始到能量集中的一段頻率范圍稱為基本頻帶，簡稱為基帶。因此，數(shù)字信號被稱為數(shù)字基帶信號，在信道中直接傳輸這種基帶信號就稱為基帶傳輸。l在基帶傳輸中，整個信道只傳輸一種信號，通信信道利用率低。l由于在近距離范圍內，基帶信號的功率衰減不大，從而信道容量不會發(fā)生變化，因此，在局域網(wǎng)中通常使用基帶傳輸技術。l在基帶傳輸中，需要對數(shù)字信號進行編碼來表示數(shù)據(jù)。l2

14、頻帶傳輸l遠距離通信信道多為模擬信道，例如，傳統(tǒng)的電話（電話信道）只適用于傳輸音頻范圍（300-3400Hz）的模擬信號，不適用于直接傳輸頻帶很寬、但能量集中在低頻段的數(shù)字基帶信號。l頻帶傳輸就是先將基帶信號變換（調制）成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較高頻率范圍的模擬信號（稱為頻帶信號），再將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸。l計算機網(wǎng)絡的遠距離通信通常采用的是頻帶傳輸。l基帶信號與頻帶信號的轉換是由調制解調技術完成的。l2.2.2 并行傳輸與串行傳輸l1并行通信方式l并行通信傳輸中有多個數(shù)據(jù)位，同時在兩個設備之間傳輸。發(fā)送設備將這些數(shù)據(jù)位通過對應的數(shù)據(jù)線傳送給接收設備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗位。接

15、收設備可同時接收到這些數(shù)據(jù)，不需要做任何變換就可直接使用。l并行方式主要用于近距離通信。計算機內的總線結構就是并行通信的例子。這種方法的優(yōu)點是傳輸速度快，處理簡單。 圖2-20 并行數(shù)據(jù)傳輸l串行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線上傳輸?shù)?，先由具有幾位總線的計算機內的發(fā)送設備，將幾位并行數(shù)據(jù)經(jīng)并-串轉換硬件轉換成串行方式，再逐位經(jīng)傳輸線到達接收站的設備中，并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉換成并行方式，以供接收方使用 圖2-21 串行數(shù)據(jù)傳輸l2.2.3 單工、雙工與半雙工l串行數(shù)據(jù)通信的方向性結構有三種，即單工、半雙工和全雙工。 l單工數(shù)據(jù)傳輸只支持數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸；l半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許

16、數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，注：在某一時刻，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，它實際上是一種切換方向的單工通信；l全雙工數(shù)據(jù)通信允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸， l全雙工通信是兩個單工通信方式的結合，它要求發(fā)送設備和接收設備都有獨立的接收和發(fā)送能力， l2.2.4 異步傳輸與同步傳輸l1異步傳輸l在數(shù)據(jù)通信中，異步傳輸又稱群同步，是指傳輸?shù)男畔⒈环殖扇舾伞叭骸薄?l(1) 異步傳輸分組的組成l在異步傳輸中，數(shù)據(jù)被劃分成字符分組獨立進行傳輸。該小組包含起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位（可選項）和停止位，具體如下：l 1 bit起始位：表示字符的開始l 58bit數(shù)據(jù)位：表示要傳輸?shù)淖址麅热輑 1bit校驗位：用于進行奇

17、校驗或偶校驗l 12bit終止位：表示接收字符結束l2同步傳輸l同步傳輸又稱位同步，它是使接收端對每一位數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持同步。l實現(xiàn)位同步的方法可分為外同步法和自同步法兩種。l2.2.5 多路復用技術l多路復用是指在一條物理信道上同時傳輸多路信息。工作原理見下圖：圖2-27 多路復用原理l優(yōu)點：l(1)僅需一條傳輸線路，可節(jié)省成本、安裝與維護費用l(2)傳輸線路的容量得到充分的利用l2.2.6 數(shù)據(jù)交換技術l數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后在通信線路上進行傳輸，按數(shù)據(jù)傳送技術劃分，交換網(wǎng)絡又可分為電路交換網(wǎng)、報文交換網(wǎng)和分組交換網(wǎng)。圖2-31為一個交換網(wǎng)絡的拓撲結構 圖2-31 交換網(wǎng)絡的拓撲結構 l(1)

18、電路交換的三個過程l電路建立：在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，要先經(jīng)過呼叫過程建立一條端到端的電路。如圖2.14所示 l數(shù)據(jù)傳輸：電路ABC建立以后，數(shù)據(jù)就可以從A發(fā)送到B，再由B交換到C；C也可以經(jīng)B向A發(fā)送數(shù)據(jù)。在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態(tài)。l電路拆除：數(shù)據(jù)傳輸結束后，由某一方（A或C）發(fā)出拆除請求，然后逐節(jié)拆除到對方節(jié)點。l(2) 電路交換技術的優(yōu)缺點及其特點l優(yōu)點：數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，數(shù)據(jù)不會丟失且保持原來的序列。l缺點：在某些情況下，電路空閑時的信道容易被浪費：在短時間數(shù)據(jù)傳輸時電路建立和拆除所用的時間得不償失。因此，它適用于系統(tǒng)間要求高質量的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。l特點

19、：在數(shù)據(jù)傳送開始之前必須先設置一條專用的通路。在線路釋放之前，該通路由一對用戶完全占用。對于猝發(fā)式的通信，電路交換效率不高。 圖2-32 電路交換和報文交換l2報文交換的工作原理 l(1) 報文交換原理l報文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報文，報文就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。 l每個節(jié)點在收到整個報文并檢查無誤后，就暫存這個報文，然后利用路由信息找出下一個節(jié)點的地址，再把整個報文傳送給下一個節(jié)點。l因此，端與端之間無需先通過呼叫建立連接。 l(2) 報文交換的特點l報文從源點傳送到目的地采用存儲-轉發(fā)方式，在傳送報文時，一個時刻僅占用一段通道。l在交換節(jié)點中需要緩沖存儲，報文需要排隊，故報文交換不能滿足實時通信的要求。l(3) 報文交換的優(yōu)點l電路利用率高。由于許多報文可以分時共享兩個節(jié)點之間的通道，所以對于同樣的通信量來說，對電路的傳輸能力要求較低。l在電路交換網(wǎng)絡上，當通信量變得很大很大時，就不能接受新的呼叫。而在報文交換網(wǎng)絡上，通信量大時仍然可以接收報文，不過傳送延遲會增加。l報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地，而電路交換網(wǎng)絡很難做到這一點。l報文交換網(wǎng)絡可以進行速度和代碼的轉換。l(4) 報文交換的缺點l不能滿足實時或交互式的通信要求，報文經(jīng)過網(wǎng)絡的延遲時間長且不定。l有時節(jié)點收到過多的數(shù)據(jù)而無空間