計算機網(wǎng)絡(luò)：第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

1、第二章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2.2 信號和數(shù)據(jù)編碼2.3 線路配置和傳輸方式2.4 多路復(fù)用技術(shù)2.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.6 錯誤檢測和控制2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。2.1.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成信源：產(chǎn)生要發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備發(fā)送設(shè)備：對數(shù)據(jù)進行編碼的設(shè)備傳輸系統(tǒng)：傳輸線路或網(wǎng)絡(luò)接收設(shè)備：將接收的信號變成數(shù)據(jù)信宿：目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數(shù)據(jù)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2.1.

2、1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)應(yīng)解決的主要問題提高傳輸系統(tǒng)的利用率接口、編碼、同步交換管理差錯控制流量控制 尋址和路由恢復(fù)報文格式2.2 信號和數(shù)據(jù)編碼計算機網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息是0、1的數(shù)字化信息，通過編碼將數(shù)字信息變成電磁或光信號在傳輸媒體上傳輸。表示數(shù)字信息的信號可是模擬信號也可以是數(shù)字信號。2.2.1 模擬信號和數(shù)字信號模擬信號：隨時間而連續(xù)變化的信號模擬信號又可以分為簡單模擬信號和復(fù)雜模擬信號簡單模擬信號（正弦波信號 ）數(shù)學(xué)表達式：x(t)=Asin(2ft+)三個參數(shù)：振幅，頻率，相位復(fù)雜模擬信號復(fù)雜模擬信號可以被分解為多個正弦波的迭加數(shù)字信號：是離散的、值的變化是瞬時發(fā)生的信號。比特間隙：發(fā)送一比

3、特所用時間。比特率：每秒鐘發(fā)送的比特數(shù)。單位是bps有效帶寬：數(shù)字信號是由多個頻率信號的疊加而成，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(fù)信號，則這個上限頻率就是有效帶寬。 介質(zhì)帶寬：傳輸介質(zhì)只能傳輸某些頻率范圍內(nèi)的信號。信道容量：傳輸介質(zhì)可以傳輸?shù)淖畲蟊忍芈?，依賴于編碼技術(shù)。數(shù)字信號通過實際的信道 有失真，但可識別失真大，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1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準則。奈奎斯特給出了無噪聲(理論狀態(tài))情況下碼元

4、速率與信道帶寬的關(guān)系： B=2H其中：H是信道的帶寬；與數(shù)據(jù)傳輸率的關(guān)系： C=2Hlog2N香農(nóng)（Shannon）定理實際的信道總是要受到噪聲的干擾，香農(nóng)（Shannon）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功率比之間的關(guān)系。香農(nóng)定理的公式: C=Hlog2(1S/N) 其中：H是信道帶寬，S是平均信號功率，N是平均噪聲功率，信噪比（S/N）通常用分貝（dB）表示，分貝數(shù)=10log10（S/N） 例題1：電話線的帶寬為3kHz，每個碼元可能取16個值，求最大的數(shù)據(jù)傳輸率？根據(jù)(Nyquist)定律： C=2Hlog2N=23kHzlog216 =234=24

5、kbps例題2：信噪比為30db，帶寬為3kHz，最大數(shù)據(jù)傳輸率為多少？根據(jù)Shannon定理： C=Hlog2 (1S/N) =3kHzlog2 (1+1000) =30kbps香農(nóng)公式表明 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。 若信道帶寬或信噪比沒有上限,則信道的極限信息傳輸速率也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 請注意 對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就

6、是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。 2.2.2 數(shù)字數(shù)字編碼編碼：將信息用信號來表示的方法。信息有模擬信息和數(shù)字信息，信號有模擬信號和數(shù)字信號。所以編碼的方式就有四種：數(shù)字數(shù)字，數(shù)字模擬，模擬數(shù)字，模擬模擬。數(shù)字數(shù)字編碼就是用數(shù)字信號來表示數(shù)字信息。在這種編碼形式下，由計算機產(chǎn)生的0、1比特序列被轉(zhuǎn)換成一串可以在導(dǎo)線上傳輸?shù)拿}沖電壓(有兩種電壓值)。這種編碼有很多種,介紹幾種常見的:單極性編碼電壓是單極性,高電平表示1、低電平表示0。缺點是有直流電平，要求帶寬高，無法同步(需依賴附加線)。極化編碼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，減輕了單極性編碼中的

7、直流分量問題。極化編碼最常見的有三種：1.非歸零編碼（NRZ）；2.歸零編碼(RZ)；3.雙相位碼。 非歸零編碼 雙相位編碼 雙相位編碼中，信號在每比特間隙的中間發(fā)生改變但并不歸零，而是轉(zhuǎn)為相反的一極。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特編碼。 曼徹斯特編碼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。一個負電平到正電平的跳變代表比特1，一個正電平到負電平的跳變代表比特0在差分曼徹斯特編碼中，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有跳變代表比特0，沒有跳變則代表比特1。2.2.3 數(shù)字模擬編碼利用模擬信號表示數(shù)字信息的技術(shù)。

8、常用的技術(shù)是調(diào)制技術(shù)。用模擬信號的幅值、頻率、相位來代替數(shù)字1和0。問題:為什么要用模擬信號表示數(shù)字信息?(主要是利用有限帶寬系統(tǒng)傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)) 幾個相關(guān)的概念：比特率S：每秒所發(fā)送比特數(shù) 單位：bit/s (bps)波特率B：每秒發(fā)送的信號單元數(shù)單位：波特(Baud) 載波信號：發(fā)送設(shè)備產(chǎn)生一個高頻信號作為基波來承載信息信號。這個基波就稱為載波信號。這個過程叫調(diào)制。幅移鍵控(ASKAmplitude shift key)用載波的不同幅度代替數(shù)字1，0例如：高幅表示0，低幅表示1。調(diào)幅收音機AM是ASK的例子。缺點是抗干擾能力差。頻移鍵控(FSKFrequency shift key)用載波的

9、不同頻率表示1和0例如:高頻表示0，低頻表示1調(diào)頻收音機是FSK的例子優(yōu)點是抗干擾能力比ASK好相移鍵倥（PSKPhase shift key）調(diào)制載波的相位：不同的相位表示1和0。例如：相位0標示0，相位180表示1PSK可以用更多的狀態(tài)表示二進制位，是調(diào)制技術(shù)主要應(yīng)用的技術(shù)。例如，用0相位代表00，用90相位表示01，用180相位代表10，用270相位表示11。這樣每種相位的正弦信號可以表示兩位二進制信息。 PSK調(diào)相技術(shù)正交調(diào)幅(QAM):ASK和PSK結(jié)合起來的編碼方法A/D數(shù)據(jù)采集，主要應(yīng)用自動控制系統(tǒng)需要3步:采樣：將連續(xù)的模擬信號離散化量化：離散的采樣值用2進制位數(shù)量化編碼：對量

10、化后的數(shù)據(jù)用2進制編碼 PCM脈沖編碼調(diào)制模擬數(shù)字編碼采樣定理（Shannon)：采樣頻率大于信號最高頻率的2倍。模擬模擬編碼有線電視，電話系統(tǒng)等聲音信號的頻率范圍：20HZ20KHZ主要能量集中在300HZ 3000HZ 之間波特率與比特率的關(guān)系為：S = BLog 2N （ N：碼元狀態(tài)數(shù)）例如：兩相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)1個二進制位)的比特率等于波特率；四相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)2個二進制位)的比特率為波特率的兩倍；八相調(diào)制(單個調(diào)制狀態(tài)對應(yīng)3個二進制位)的比特率為波特率的三倍。010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相2.3 線路配置和傳輸方式線路配置是指兩個或兩個以上的設(shè)備連接到線路的方

11、式。傳輸方式是比特流從一個設(shè)備傳到另一個設(shè)備的方式2.3.1 線路配置點對點多點連接2.3.2 傳輸模式單工、半雙工、雙工通信串行和并行傳輸并行特點：一次8位傳輸，速度快，線路昂貴，距離短串行特點：一次一位傳輸，速度慢，價格便宜同步和異步傳輸異步傳輸用于低速設(shè)備，一次傳輸一個字節(jié)。一個字節(jié)一同步。同步傳輸用于高速傳輸，對收發(fā)雙方的時鐘要求很高。2.4 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)是利用一條鏈路同時傳輸多路信號的技術(shù)，使用多路復(fù)用技術(shù)可以最大限度地利用系統(tǒng)所具有的傳輸能力。有幾種多路復(fù)用技術(shù)：頻分多路復(fù)用技術(shù)、時分多路復(fù)用技術(shù)、波分多路復(fù)用技術(shù)和碼分多路復(fù)用技術(shù)。2.4.1 FDM和TDMFDM(F

12、requency-Division Multiplexing)頻分多路復(fù)用：通過分割線路的帶寬來實現(xiàn)，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)時分多路復(fù)用:通過分割時間片來劃分信道，每個時間片由一個復(fù)用信號占用。適用于數(shù)字信號。兩種實現(xiàn)方式：同步時分多路復(fù)用、異步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 時分復(fù)用 頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀

13、TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復(fù)用 頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀異步時分多路復(fù)用同步時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費 ABCDaabbcdbcattttt4 個時分復(fù)用幀#1acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶異步時分復(fù)用 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用比較同步時分多路復(fù)用的幀是固定大小的，控制簡單，

14、實時性好。信道效率差。異步時分多路復(fù)用能提高系統(tǒng)的利用率，異步時分多路復(fù)用需要一些額外的代價：信息單元需附帶地址信息復(fù)用器必須有一定的存儲容量結(jié)點必須有管理隊列的能力2.4.2 波分多路復(fù)用WDM(Wavelength Division Multiplexing)波分多路復(fù)用是利用多個激光器在單條光纖上同時發(fā)送多束不同波長激光的技術(shù)。它在一定的帶寬上將輸入的光信號調(diào)制到特定的頻率上，然后將調(diào)制后的信號復(fù)用到一根光纖上。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm

15、 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120 km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3 碼分多路復(fù)用CDMA (Code-Division Multiple Access)碼分多路復(fù)用時根據(jù)碼型結(jié)構(gòu)的不同來實現(xiàn)信號的分割的多路復(fù)用。在CDMA系統(tǒng)中，各個用戶不是靠頻率或時隙來區(qū)分，而是碼型來區(qū)分。用戶使用同一頻率，占用相同的帶寬。在CDMA每個比特被分為m個碼片，每個站點被指定一個唯一的m位碼片(碼型)。當

16、發(fā)送比特1時，站點就發(fā)送其碼片。想發(fā)送0時，站點就發(fā)送其碼片的補碼。例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。A：0 0 0 1 1 0 1 1B：0 0 1 0 1 1 1 0C：0 1 0 1 1 1 0 0D：0 1 0 0 0 0 1 0A:(-1-1-1+1+1-1+1+1)B:(-1-1+1-1+1+1+1-1)C:(-1+1-1+1+1+1-1-1)D:(-1+1-1-1-1-1+1-1)四個重要特性:1.所有碼片序列都是正交的;2.任何碼片序列與自己的標積為1;3.多

17、個站點同時傳輸，信號線性相加;4.要從信號中還原站點比特流，通過計算站點碼片和信息碼片的內(nèi)標積；CDMA 圖示 S 站的碼片序列 S110ttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端例題:CDMA接收方收到(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1),問哪些站點發(fā)送了數(shù)據(jù)?答:只需計算4個站點的內(nèi)積;(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)* (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)/8=1(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)* (-1 -1 +1 -1 +1 +1+1 -1)/8=-1(

18、-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)* (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)/8=0(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)* (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)/8=1結(jié)果是:A、D發(fā)送比特1，B發(fā)送比特0，C沉默2.5 數(shù)據(jù)交換技術(shù)當存在多個通信設(shè)備時，如何使每兩個設(shè)備之間能夠通信問題。交換使得沒有物理鏈路直接連接的兩個或多個設(shè)備之間能夠通信的技術(shù)。傳統(tǒng)的交換方式有三種：電路交換(Circuit Switch)分組交換(Packet Switch)報文交換（Message Switch)隨著交換技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的交換技術(shù)，例如AT

19、M交換（也稱信元交換）和幀中繼等。2.5.1 電路交換電路交換是在兩個設(shè)備之間創(chuàng)建一條臨時的物理連接。所以我們可以把電路交換機看作是一個多路開關(guān)。電路交換的特點是在通信開始之前，要在兩個通信設(shè)備之間建立起一條完全被通信雙方所占用的物理通路。其過程包括以下三個步驟：電路建立數(shù)據(jù)傳輸電路拆除電路交換舉例A 和 B 通話經(jīng)過四個交換機通話在 A 到 B 的連接上進行(交換機交換機交換機交換機用戶線用戶線中繼線中繼線BDCA2.5.2 報文交換報文交換又稱為存儲轉(zhuǎn)發(fā)。它的基本原理是在報文的傳輸過程中，由網(wǎng)絡(luò)的中間結(jié)點將報文暫時存儲起來，檢查它的正確性和完整性，然后再發(fā)往下一個結(jié)點。缺點：在報文交換中，

20、整個報文是作為一個整體來處理，由于報文較長，報文傳輸?shù)难舆t很大。報文交換技術(shù)已被淘汰。2.5.3 分組交換分組交換：較長的報文被分為較短的數(shù)據(jù)單元，然后每個數(shù)據(jù)單元被加上一些通信控制信息等內(nèi)容，形成一個信息包(packet)。通信時以包為單位發(fā)送、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。信息包長度一般比報文短得多，因此可以在中間站點的主存隊列中存儲，而且只要信息包到達后就可以轉(zhuǎn)發(fā)，而不必等待很長的報文全部到達?？s短了信息傳輸過程中的延遲時間。報文在發(fā)送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數(shù)據(jù)段。 1101000110101010110101011100010011010010假定這個報文較長不便于傳輸數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù)

21、 據(jù)報文每一個數(shù)據(jù)段前面添加上首部構(gòu)成分組。首部首部首部分組 1分組 2分組 3分組交換網(wǎng)以“分組”作為數(shù)據(jù)傳輸單元。依次把各分組發(fā)送到接收端。數(shù) 據(jù)首部分組 1數(shù) 據(jù)首部分組 2數(shù) 據(jù)首部分組 3接收端收到分組后剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。數(shù) 據(jù)首部分組 1數(shù) 據(jù)首部分組 2數(shù) 據(jù)首部分組 3收到的數(shù)據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)最后，在接收端把收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成為原來的報文。這里我們假定分組在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯，在轉(zhuǎn)發(fā)時也沒有被丟棄。報文1101000110101010110101011100010011010010分組交換與電路交換的比較共享傳輸鏈路，提高使用效率；有流量和擁塞控制，不會發(fā)生阻塞；可工作

22、于廣播和多播的方式；具有提供多種通信設(shè)備互連；分組交換有兩種類型數(shù)據(jù)報虛電路數(shù)據(jù)報在傳輸中每個包都將獨立于其他包進行處理。任何一條鏈路可以同時為多對設(shè)備之間的通信服務(wù)。一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報可能不是次序地到達目的地。重新排序的任務(wù)由傳輸層來完成。虛電路在虛電路方法中，屬于同一次通信的所有包之間的關(guān)系得以維持。路徑是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始之前就被選定。和電路交換的區(qū)別是：虛電路可以同時為多個設(shè)備提供通信服務(wù)，而電路交換是獨占的虛電路有兩種：交換虛電路(SVC)：每條虛電路在需要的時候被創(chuàng)建，而且僅僅在這次通信交換的過程中存在。永久虛電路(PVC)：類似于租用線路，在這種方法中，兩個用戶之間存在一條相同的虛電

23、路，該電路是專門提供給特定用戶的，這條虛電路總是建立好的。在采用虛電路的情況下，僅在建立虛電路時需要目的地址，而進行數(shù)據(jù)傳送時， 每個包不需要攜帶完整的目的地址,而僅需要一個虛電路的號碼標志。這就減少了包的控制信息，從而減少了額外開銷。P1P2P3P4P1P2P3P4P3P4報文報文報文A B C D A B C DA B C D報文交換電路交換分組交換t連接建立數(shù)據(jù)傳送報文P2P1連接釋放數(shù)據(jù)傳送的特點比特流直達終點報文報文報文分組分組分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)存儲轉(zhuǎn)發(fā)例題兩個用戶之間的傳輸線路由3段組成,每段的傳輸延遲為0.001s,呼叫建立時間為0.2s,報文長3200bit,分組大小為1024bit,報頭開銷為16bit,線路數(shù)率9600bps。假設(shè)中間結(jié)點處理時間為零,試問在下列交換下的端到端的延遲:(1)電路交換;(2)報文交換;(3)虛電路;(4)數(shù)據(jù)報分組交換總結(jié)數(shù)據(jù)報：每個數(shù)據(jù)報路由，走的路線不同但都是最優(yōu)的，可能會亂序；虛電路：路由是在呼叫時產(chǎn)生的，呼叫結(jié)束后線路就固定下來，以后的分組攜帶虛電路符按這條虛電路傳輸，不用在路由了。不會亂序；2.6 錯誤檢測和控制檢錯碼