計算機網絡第2章1 (1)

1、第第二二章章 數據通信基礎數據通信基礎v2.1 2.1 數據通信系統(tǒng)數據通信系統(tǒng)v2.2 2.2 信號和數據編碼信號和數據編碼v2.3 2.3 線路配置和傳輸方式線路配置和傳輸方式v2.4 2.4 多路復用技術多路復用技術v2.5 2.5 數據交換技術數據交換技術v2.6 2.6 錯誤檢測和控制錯誤檢測和控制2.1 2.1 數據通信系統(tǒng)數據通信系統(tǒng)v計算機網絡技術是計算機技術和數據通信技計算機網絡技術是計算機技術和數據通信技術相結合的產物。術相結合的產物。2 2.1 1.1 1 數據通信系統(tǒng)的組成數據通信系統(tǒng)的組成v信源：產生要發(fā)送數據的設備信源：產生要發(fā)送數據的設備v發(fā)送設備：對數據進行編碼

2、的設備發(fā)送設備：對數據進行編碼的設備v傳輸系統(tǒng)：傳輸線路或網絡傳輸系統(tǒng)：傳輸線路或網絡v接收設備：將接收的信號變成數據接收設備：將接收的信號變成數據v信宿：目的系統(tǒng)信宿：目的系統(tǒng)信源發(fā)送設備傳輸系統(tǒng)接收設備信宿源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數據發(fā)送的信號接收的信號輸出數據源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC 機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數據通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機2 2.1 1.1 1 數據通信系統(tǒng)應解決的主要問題數據通信系統(tǒng)應解決的主要問題v提高傳輸系統(tǒng)的利用率提高傳輸系統(tǒng)的利用率v接口、編碼、同步接口、編碼、同步v交換

3、管理交換管理v差錯控制差錯控制v流量控制流量控制 v尋址和路由尋址和路由v恢復恢復v報文格式報文格式2 2.2 2 信號和數據編碼信號和數據編碼v計算機網絡中傳送的信息是計算機網絡中傳送的信息是0 0、1 1的數字化信的數字化信息，通過編碼將數字信息變成電磁或光信號息，通過編碼將數字信息變成電磁或光信號在傳輸媒體上傳輸。表示數字信息的信號可在傳輸媒體上傳輸。表示數字信息的信號可是模擬信號也可以是數字信號。是模擬信號也可以是數字信號。2 2.2 2.1 1 模擬信號和數字信號模擬信號和數字信號v模擬信號：隨時間而連續(xù)變化的信號模擬信號：隨時間而連續(xù)變化的信號v模擬信號又可以分為簡單模擬信號和復雜

4、模擬信號又可以分為簡單模擬信號和復雜模擬信號模擬信號v簡單模擬信號（正弦波信號簡單模擬信號（正弦波信號 ）v數學表達式：數學表達式：x(t)=Asin(2ft+)v三個參數：振幅，頻率，相位三個參數：振幅，頻率，相位振幅時間周期T周期T周期T振幅振幅振幅振幅時間時間時間時間偏移1/4周期（90度）偏移3/4周期（270度）偏移2/4周期（180度）無偏移（0度）v復雜模擬信號復雜模擬信號v復雜模擬信號可以被分解為多個正弦波的迭加復雜模擬信號可以被分解為多個正弦波的迭加v數字信號：是離散的、值的變化是瞬時數字信號：是離散的、值的變化是瞬時發(fā)生的信號。發(fā)生的信號。比特間隙111000001s=8比

5、特間隙，比特率=8bps1s振幅時間v比特間隙：比特間隙：發(fā)送一比特所用時間。發(fā)送一比特所用時間。v比特率：比特率：每秒鐘發(fā)送的比特數。單位是每秒鐘發(fā)送的比特數。單位是bpsv有效帶寬：有效帶寬：數字信號是由多個頻率信號的疊加數字信號是由多個頻率信號的疊加而而 成，如果只傳輸有重要振幅分量的頻率信成，如果只傳輸有重要振幅分量的頻率信號，而輸出端能夠以合理的精度恢復信號，則號，而輸出端能夠以合理的精度恢復信號，則這個上限頻率就是有效帶寬。這個上限頻率就是有效帶寬。 v介質帶寬：介質帶寬：傳輸介質只能傳輸某些頻率范圍內傳輸介質只能傳輸某些頻率范圍內的信號。的信號。v信道容量：信道容量：傳輸介質可以

6、傳輸的最大比特率，傳輸介質可以傳輸的最大比特率，依賴于編碼技術。依賴于編碼技術。數字信號通過實際的信道數字信號通過實際的信道 v有失真，但可識別v失真大，無法識別 實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形v1924 1924 年，奈奎斯特年，奈奎斯特(Nyquist(Nyquist) )就推導出了著名就推導出了著名的的奈氏準則奈氏準則。v奈奎斯特給出了無噪聲奈奎斯特給出了無噪聲( (理論狀態(tài)理論狀態(tài)) )情況下碼元情況下碼元速率與信道帶寬的關系：速率與信道帶寬的關系：v B=2B=2H Hv其中：其中：

7、H H是信道的帶寬；是信道的帶寬；v與數據傳輸率的關系：與數據傳輸率的關系：v C=2C=2H Hlog2log2N Nv香農（香農（ShannonShannon）定理）定理v實際的信道總是要受到噪聲的干擾，香農實際的信道總是要受到噪聲的干擾，香農（ShannonShannon）定理描述了有限帶寬有隨機熱噪）定理描述了有限帶寬有隨機熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬和信號噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬和信號噪聲功率比之間的關系。聲功率比之間的關系。v香農定理的公式香農定理的公式: : vC=HC=Hlog2log2(1(1S/N)S/N) v其中：其中：H H是信道帶寬，是信道帶寬，S S是

8、平均信號功率，是平均信號功率，N N是是平均噪聲功率，信噪比（平均噪聲功率，信噪比（S/NS/N）通常用分貝）通常用分貝（dBdB）表示，）表示，v分貝數分貝數=10=10log10log10（S/NS/N） v例題例題1 1：電話線的帶寬為：電話線的帶寬為3kHz3kHz，每個碼元可能，每個碼元可能取取1616個值，求最大的數據傳輸率？個值，求最大的數據傳輸率？v根據根據(Nyquist(Nyquist) )定律：定律：v C=2C=2H Hloglog2 2N N=2=23kHz3kHzlog2log21616v =2 =23 34=24kbps4=24kbpsv例題例題2 2：信噪比為：

9、信噪比為30db30db，帶寬為，帶寬為3kHz3kHz，最大數，最大數據傳輸率為多少？據傳輸率為多少？v根據根據ShannonShannon定理：定理：v C=HC=Hlog2 log2 (1(1S/N)S/N)v =3kHz =3kHzlog2 log2 (1+1000)(1+1000) =30kbps =30kbps2 2.2 2.2 2 數字數字數字編碼數字編碼v編碼：將信息用信號來表示的方法。編碼：將信息用信號來表示的方法。v信息有模擬信息和數字信息，信號有模擬信信息有模擬信息和數字信息，信號有模擬信號和數字信號。所以編碼的方式就有四種：號和數字信號。所以編碼的方式就有四種：數字數字

10、數字，數字數字，數字模擬，模擬模擬，模擬數字，數字，模擬模擬模擬。模擬。v數字數字數字編碼就是用數字信號來表示數字數字編碼就是用數字信號來表示數字信息。信息。v在這種編碼形式下，由計算機產生的在這種編碼形式下，由計算機產生的0、1比比特序列被轉換成一串可以在導線上傳輸的脈特序列被轉換成一串可以在導線上傳輸的脈沖電壓沖電壓(有兩種電壓值有兩種電壓值)。v這種編碼有很多種這種編碼有很多種,介紹幾種常見的介紹幾種常見的:v單極性編碼單極性編碼v電壓是單極性電壓是單極性,高電平表示高電平表示1、低電平表示、低電平表示0。缺點是有直流電平，要求帶寬高，無法同步缺點是有直流電平，要求帶寬高，無法同步(需依

11、賴附加線需依賴附加線)。11100000振幅時間v極化編碼極化編碼v極化編碼采用兩個電壓：一個正電壓，一個極化編碼采用兩個電壓：一個正電壓，一個負電壓。通過使用兩個電壓，減輕了單極性負電壓。通過使用兩個電壓，減輕了單極性編碼中的直流分量問題。編碼中的直流分量問題。v極化編碼最常見的有三種：極化編碼最常見的有三種：1.非歸零編碼非歸零編碼（NRZ）；）；2.歸零編碼歸零編碼(RZ)；3.雙相位碼。雙相位碼。 v非歸零編碼非歸零編碼 11100000振幅時間振幅時間下一比特為1，發(fā)生電平翻轉非歸零電平編碼非歸零反相編碼v雙相位編碼雙相位編碼 v雙相位編碼中，信號在每比特間隙的中間發(fā)雙相位編碼中，信

12、號在每比特間隙的中間發(fā)生改變但并不歸零，而是轉為相反的一極。生改變但并不歸零，而是轉為相反的一極。每個比特中間的跳變可用于同步。雙相位編每個比特中間的跳變可用于同步。雙相位編碼有兩種方式：曼徹斯特編碼和差分曼徹斯碼有兩種方式：曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。特編碼。 v曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼在每個比特間隙中間引入跳變來在每個比特間隙中間引入跳變來表示不同的比特和同步信息。一個負電平到正表示不同的比特和同步信息。一個負電平到正電平的跳變代表比特電平的跳變代表比特1 1，一個正電平到負電平，一個正電平到負電平的跳變代表比特的跳變代表比特0 0v在差分曼徹斯特編碼中，比特間隙中間的跳變在差分曼徹斯

13、特編碼中，比特間隙中間的跳變用于攜帶同步信息。每個比特間隙的開始位置用于攜帶同步信息。每個比特間隙的開始位置有跳變代表比特有跳變代表比特0，沒有跳變則代表比特，沒有跳變則代表比特1。2 2.2 2.3 3 數字數字模擬編碼模擬編碼v利用模擬信號表示數字信息的技術。常用的利用模擬信號表示數字信息的技術。常用的技術是調制技術。用模擬信號的幅值、頻率、技術是調制技術。用模擬信號的幅值、頻率、相位來代替數字相位來代替數字1和和0。v問題問題:v為什么要用模擬信號表示數字信息為什么要用模擬信號表示數字信息?v(主要是利用有限帶寬系統(tǒng)傳輸數字數據主要是利用有限帶寬系統(tǒng)傳輸數字數據) 幾個相關的概念：幾個相

14、關的概念：比特率比特率S S：每秒所發(fā)送比特數：每秒所發(fā)送比特數 單位：單位：bit/s (Bps)bit/s (Bps)波特率波特率B B：每秒發(fā)送的信號單元數：每秒發(fā)送的信號單元數單位：波特單位：波特(Baud) (Baud) 載波信號：發(fā)送設備產生一個高頻信號作載波信號：發(fā)送設備產生一個高頻信號作為基波來承載信息信號。這個基波就稱為為基波來承載信息信號。這個基波就稱為載波信號。這個過程叫調制。載波信號。這個過程叫調制。v幅移鍵控幅移鍵控(ASKAmplitude shift key)v用載波的不同幅度代替數字用載波的不同幅度代替數字1，0v例如：高幅表示例如：高幅表示0，低幅表示，低幅表

15、示1。v調幅收音機調幅收音機AM是是ASK的例子。的例子。v缺點是抗干擾能力差。缺點是抗干擾能力差。1001振幅時間v頻移鍵控頻移鍵控(FSKFrequency shift key)v用載波的不同頻率表示用載波的不同頻率表示1和和0v例如例如:高頻表示高頻表示0，低頻表示，低頻表示1v調頻收音機是調頻收音機是FSK的例子的例子v優(yōu)點是抗干擾能力比優(yōu)點是抗干擾能力比ASK好好1001振幅時間v相移鍵倥（相移鍵倥（PSKPhase shift key）v調制載波的相位：不同的相位表示調制載波的相位：不同的相位表示1和和0。v例如：相位例如：相位0標示標示0，相位，相位180表示表示11001振幅時

16、間vPSK可以用更多的狀態(tài)表示二進制位，是調可以用更多的狀態(tài)表示二進制位，是調制技術主要應用的技術。制技術主要應用的技術。v例如，用例如，用0相位代表相位代表00，用，用90相位表示相位表示01，用用180相位代表相位代表10，用，用270相位表示相位表示11。這樣。這樣每種相位的正弦信號可以表示兩位二進制信每種相位的正弦信號可以表示兩位二進制信息。息。 1001振幅時間2-PSK104-PSK100001118-PSK100000010110001011101111PSK調相技術調相技術v正交調幅正交調幅(QAM):ASK(QAM):ASK和和PSKPSK結合起來的編碼方法結合起來的編碼方法

17、001振幅時間000010011100101110111vA/D數據采集，主要應用自動控制系統(tǒng)數據采集，主要應用自動控制系統(tǒng)v需要需要3步步:采樣：將連續(xù)的模擬信號離散化采樣：將連續(xù)的模擬信號離散化量化：離散的采樣值用量化：離散的采樣值用2進制位數量化進制位數量化編碼：對量化后的數據用編碼：對量化后的數據用2進制編碼進制編碼 PCM脈沖編碼調制脈沖編碼調制模擬模擬 數字編碼數字編碼0 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1v采樣定理（采樣定理（Shannon) )：采樣頻率大于信號：采樣頻率大于信

18、號最高頻率的最高頻率的2 2倍。倍。模擬模擬模擬編碼模擬編碼v有線電視，電話系統(tǒng)等有線電視，電話系統(tǒng)等v聲音信號的頻率范圍：聲音信號的頻率范圍：20HZ20KHZv主要能量集中在主要能量集中在300HZ 3000HZ 之間之間v波特率與比特率的關系為：波特率與比特率的關系為：vS = BS = BLogLog 2 2N N （ N N：碼元狀態(tài)數）：碼元狀態(tài)數）v例如：例如：v兩相調制兩相調制( (單個調制狀態(tài)對應單個調制狀態(tài)對應1 1個二進制位個二進制位) )的的比特率等于波特率；比特率等于波特率；v四相調制四相調制( (單個調制狀態(tài)對應單個調制狀態(tài)對應2 2個二進制位個二進制位) )的的比

19、特率為波特率的兩倍；比特率為波特率的兩倍；v八相調制八相調制( (單個調制狀態(tài)對應單個調制狀態(tài)對應3 3個二進制位個二進制位) )的的比特率為波特率的三倍。比特率為波特率的三倍。2 2.3 3 線路配置和傳輸方式線路配置和傳輸方式v線路配置是指兩個或兩個以上的設備連接到線路配置是指兩個或兩個以上的設備連接到線路的方式。線路的方式。v傳輸方式是比特流從一個設備傳到另一個設傳輸方式是比特流從一個設備傳到另一個設備的方式備的方式2 2.3 3.1 1 線路配置線路配置點對點點對點多點連接多點連接2 2.3 3.2 2 傳輸模式傳輸模式單工、半雙工、雙工通信單工、半雙工、雙工通信數據流向第一次數據流向

20、第二次數據流向數據流向串行和并行傳輸串行和并行傳輸設備設備設備設備v并行特點：并行特點：v一次一次8 8位傳輸，速度快，線路昂貴，距離短位傳輸，速度快，線路昂貴，距離短v串行特點：串行特點：v一次一位傳輸，速度慢，價格便宜一次一位傳輸，速度慢，價格便宜v同步和異步傳輸同步和異步傳輸v異步傳輸用于低速設備，一次傳輸一個字節(jié)。一個異步傳輸用于低速設備，一次傳輸一個字節(jié)。一個字節(jié)一同步。字節(jié)一同步。11000100開始位停止位v同步傳輸用于高速傳輸，對收發(fā)雙方的時鐘同步傳輸用于高速傳輸，對收發(fā)雙方的時鐘要求很高。要求很高。設備1設備2synsyncontroldataerrorendsynsynco

21、ntroldataerrorend數據幀2 2.4 4 多路復用技術多路復用技術v多路復用技術是利用一條鏈路同時傳輸多路多路復用技術是利用一條鏈路同時傳輸多路信號的技術，使用多路復用技術可以最大限信號的技術，使用多路復用技術可以最大限度地利用系統(tǒng)所具有的傳輸能力。度地利用系統(tǒng)所具有的傳輸能力。v有幾種多路復用技術：有幾種多路復用技術：v頻分多路復用技術、時分多路復用技術、波頻分多路復用技術、時分多路復用技術、波分多路復用技術和碼分多路復用技術。分多路復用技術和碼分多路復用技術。IBM 兼容機IBM 兼容機IBM 兼容機復復用用器器復復用用器器IBM 兼容機IBM 兼容機IBM 兼容機2 2.4

22、 4.1 FDM1 FDM和和TDMTDMFDM(Frequency-Division Multiplexing)v頻分多路復用：通過分割線路的帶寬來實現，頻分多路復用：通過分割線路的帶寬來實現，適用于模擬信號。適用于模擬信號。 頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5TDM（Time-Division Multiplexing)v時分多路復用時分多路復用:通過分割時間片來劃分信道，通過分割時間片來劃分信道，每個時間片由一個復用信號占用。適用于數每個時間片由一個復用信號占用。適用于數字信號。字信號。v兩種實現方式：兩種實現方式：v同步時分多路復用、異步時分多路復用同步時分多路復用、異步

23、時分多路復用信道2信道1信道3信道4頻率時間警戒時間間隔v同步時分多路復用同步時分多路復用復用器解復用器AAAABBBBCCCCDDDD1234ABCDABCDABCDABCDABCDABCD幀來自每個發(fā)送設備的數據單元組成一幀AAAABBBBCCCCDDDD頻率時間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 時分復用 頻率時間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 頻率時間BDBDBDAAAA BCCCC D

24、C 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 頻率時間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀v異步時分多路復用異步時分多路復用復用器解復用器AABBCDDD1234幀AABBCDDDA1B2C3A1B2C3D4A1B2D4A1B2D4D4D4D4同步時分復用可能會造成同步時分復用可能會造成線路資源的浪費線路資源的浪費 ABCDaabbcdb cattttt4 個時分復用幀#1acbcd時分復用#2#3#4用戶異步時分復用異步時分復用 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復用比較比較v同步時分多路復用的幀是固定大小的，控制同步時分多路復用的幀是固定大小的，控制簡單，實時性好。信道效率差。簡單，實時性好。信道效率差。v異步時分多路復用能提高系統(tǒng)的利用率，異異步時分多路復用能提高系統(tǒng)的利用率，異步時分多路復用需要一些額外的代價：步時分多路復用需要一些額外的代價：信息單元需附帶地址信息信息單元需附帶地址信息復用器必須有一定的存儲容量復用器必須有一定的存儲容量節(jié)點必須有管理隊列的能力