計算機網(wǎng)絡第2章數(shù)據(jù)通信的基礎知識1

第2章數(shù)據(jù)通信的基礎知識2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.2信道及其主要特征2.3傳輸介質(zhì)2.4數(shù)據(jù)編碼技術2.5多路復用技術2.6數(shù)據(jù)交換技術2.7差錯控制及檢錯2023/2/11第2章數(shù)據(jù)通信的基礎知識學習要求：1.掌握計算機通信中信息、數(shù)據(jù)與信號的基本概念，掌握數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以及數(shù)據(jù)通信的基本過程；2.掌握數(shù)據(jù)通信的主要技術指標：傳輸速率、誤碼率；3.了解模擬通信、數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點；4.掌握信道的主要參數(shù)：帶寬、信道容量；5.掌握串行與并行通信，單工、半雙工與全雙工通信；6.掌握基帶傳輸、頻帶傳輸、了解寬帶傳輸?shù)母拍?023/2/12第2章數(shù)據(jù)通信的基礎知識7.掌握數(shù)據(jù)同步方式，包括位同步、字符同步技術；8.了解雙絞線、同軸電纜、光纜、無線通信信道、衛(wèi)星通信的特點；9.掌握模擬數(shù)據(jù)編碼方法與數(shù)字數(shù)據(jù)編碼的基本原理與主要特點；10.掌握多路復用技術中TDM、FDM、WDM和CDMA的基本工作原理；11.了解數(shù)據(jù)交換技術的類型，掌握分組交換方法的基本工作原理；12.了解數(shù)據(jù)通信中差錯產(chǎn)生的原因與差錯控制技術，掌握循環(huán)冗余編碼CRC的基本工作原理。2023/2/132.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1數(shù)據(jù)通信的一般概念1.通信的目的是傳遞信息(Information)信息(Information)通常是數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像的內(nèi)容或解釋（含義）；數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像是傳遞（攜帶）信息的實體（載體）；數(shù)據(jù)（Data）是用二進制代碼表示的數(shù)字、文字、語音、圖形或圖像。信號(Signal)是數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電磁波、電子脈沖編碼或光信號），也就是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電、光信號表示形式。2023/2/142.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.信息轉(zhuǎn)化過程計算機產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、符號、圖形或圖像的組合；為了傳送這些信息，首先要將每一個字母、數(shù)字、符號或圖形、圖像用二進制代碼表示（目前常用的二進制代碼是美國信息交換標準編碼ASCII碼）；然后將二進制代碼轉(zhuǎn)換成信號，在信道（物理介質(zhì)）上傳輸。2023/2/152.1數(shù)據(jù)通信的基本概念3.數(shù)據(jù)通信 指在不同計算機之間傳送表示字母、數(shù)字、符號或圖形、圖像的二進制代碼0、1比特序列的過程。

數(shù)據(jù)通信的目的是傳遞信息，傳輸?shù)膶ο笫菙?shù)據(jù)，傳輸?shù)男问绞切盘枴?023/2/162.1數(shù)據(jù)通信的基本概念4.通信系統(tǒng)模型

通信的三個要素：信源、信宿和信道信源：一次通信中產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端信宿：一次通信中接收信息的一端信道：信源和信宿之間傳送信息的通道，以通信線路為物質(zhì)基礎2023/2/172.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要構(gòu)成現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（通信子系統(tǒng)或通信子網(wǎng)）： 實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（資源子系統(tǒng)或資源子網(wǎng)）： 由許多主機和終端設備（信息的源和宿）組成，其中的計算機主要用于數(shù)據(jù)的收集和處理。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2023/2/181.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（通信子網(wǎng)）的組成：傳輸線路：信息的傳輸路徑（包括傳輸介質(zhì)和中繼設備） 傳輸介質(zhì)：有線的（如同軸電纜、光纖，雙絞線等），無線的（微波、無線電、紅外線等） 中繼設備：信號在傳輸過程中有衰減，每隔一定距離需要對傳輸信號放大、恢復信號幅度和相位后繼續(xù)傳送調(diào)制解調(diào)器 調(diào)制：數(shù)字信號序列適合傳輸?shù)男问健搭l率、幅度、相位 解調(diào)：接收的波形信號序列2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2023/2/19多路復用器： 多個終端設備共用一條物理信道來傳輸信息所用的設備

①多路到一路的轉(zhuǎn)換 ②一路到多路的轉(zhuǎn)換交換機： 在許多（幾百至幾萬）個終端相互通信時，實現(xiàn)暫時連接、傳輸信息的設備2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2023/2/1102.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（資源子網(wǎng):計算機類設備）：終端設備用戶與數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)之間的接口，用戶通過它來獲取數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的服務；基本功能：向網(wǎng)絡中的計算機系統(tǒng)發(fā)送信息及接收來自計算機系統(tǒng)的信息。計算機系統(tǒng)主要職責：進行數(shù)據(jù)的收集和處理，是數(shù)據(jù)處理的核心；兼顧某些數(shù)據(jù)通信任務和一些管理工作。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2023/2/1113.數(shù)據(jù)通信基本過程：通信過程：數(shù)據(jù)從發(fā)送端出發(fā)到數(shù)據(jù)被接收端接收的整個過程傳輸數(shù)據(jù)通信控制：執(zhí)行輔助操作（不交換數(shù)據(jù)）典型通信過程的五個階段（對比：打電話的過程）：2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念→建立邏輯連接建立物理連接→數(shù)據(jù)傳送→斷開邏輯連接→斷開物理連接2023/2/1124.數(shù)據(jù)通信的技術指標數(shù)據(jù)通信速率（傳輸速率）：數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)乃俣葦?shù)據(jù)通信速率分為三種：碼元速率、信息速率和消息速率碼元速率RB：每秒中傳送的碼元數(shù)，單位為波特/秒（Baud/s）

，又稱為波特率；信息速率Rb：每秒中傳送的信息量，單位為比特/秒（bit/s），又稱為比特率；消息速率Rm：單位時間內(nèi)所傳送消息的數(shù)量。 例如，在傳送計算機信息時，其單位可以是字符/秒。 在不同設備中，隨著編碼方式和信號形式的不同，消息速率也就不同。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2023/2/113對于一個用二進制表示的信號（兩級電平），每個碼元包含1個比特信息，其信息速率與碼元速率相等；對于一個用四進制（兩位二進制）表示的信號（四級電平），每個碼元包含了2個比特信息，因此，它的信息速率應該是碼元速率的2倍。碼元：時間軸上的一個信號的編碼單元（一定寬度的電平信號）。2023/2/1142.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

一般來說，對于采用M進制電平（log2M位二進制）傳輸信號時，信息速率和碼元速率之間的關系是：

Rb=RBlog2M2023/2/1152.1數(shù)據(jù)通信的基本概念誤碼率：衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的重要參數(shù)誤碼率Pe： 碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中 被傳錯的概率；誤比特率Pb（誤位率）： 在傳輸中出錯比特的概率；誤字符率Pw：

在傳輸中出錯的字符的概率。2023/2/1162.2信道及其主要特征2.2.1數(shù)字信道和模擬信道模擬信號（電磁波） 隨時間連續(xù)變化的信號，信號的某種參量（幅度、相位、頻率等）可以表示要傳送的信息。

特征：時間上連續(xù)，包含無窮多個值數(shù)字信號（電壓脈沖） 離散的信號，以其某一瞬間的狀態(tài)表示它們傳送的信息 特征：時間上離散，包含有限多個預定值，并且轉(zhuǎn)換幾乎是瞬時的ta)模擬信號tb)數(shù)字信號2023/2/1172.2信道及其主要特征數(shù)字信道: 以數(shù)字脈沖形式傳輸數(shù)據(jù)的信道稱為數(shù)字信道。相應的通信系統(tǒng)稱為數(shù)字通信系統(tǒng)。 計算機通信、數(shù)字電話以及數(shù)字電視都屬于數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬信道: 以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道稱為模擬信道。相應的通信系統(tǒng)稱為模擬通信系統(tǒng)。

普通的電話、廣播、電視等都屬于模擬通信系統(tǒng)。2023/2/1182.2信道及其主要特征1.用模擬信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在進入信道之前需要經(jīng)過調(diào)制，變換成模擬的調(diào)制信號（調(diào)制器）。信號到達信宿時要解調(diào)，將模擬信號還原為數(shù)字數(shù)據(jù)（解調(diào)器）。調(diào)制器和解調(diào)器組合在一起稱為調(diào)制解調(diào)器。2023/2/1192.2信道及其主要特征模擬通信的優(yōu)點：調(diào)制信號的頻譜窄，信道利用率高模擬通信的缺點：信道的傳輸衰減大易受噪聲干擾2023/2/1202.2信道及其主要特征2.用數(shù)字信道傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)可以直接傳輸計算機所產(chǎn)生的數(shù)字數(shù)據(jù)，即二進制數(shù)據(jù)或經(jīng)過二進制編碼的數(shù)據(jù)。數(shù)字通信的優(yōu)點：抗噪聲（干擾）能力強可以控制差錯，提高了傳輸質(zhì)量便于用計算機進行處理易于加密、保密性強數(shù)字設備集成度高，價格相對便宜2023/2/1212.2信道及其主要特征數(shù)字通信的缺點：頻帶要求寬，信道利用率低

計算機網(wǎng)絡中僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信。 如用modem通過撥號線路傳輸數(shù)字信號。2023/2/1222.2信道及其主要特征2.2.2信道重要參數(shù)1.信道帶寬信道中傳輸?shù)男盘栐诓皇д娴那闆r下所占用的頻率范圍，通常稱為信道的通頻帶，單位用赫茲（Hz）表示。信道帶寬是由信道的物理特性所決定的，例如，電話線路的頻率范圍在300～3400Hz，則它的信道帶寬300～3400Hz

；2023/2/1232.2信道及其主要特征2.信道容量（信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率

）：單位時間內(nèi)信道上所能傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)，用每秒比特數(shù)（bps）表示。當傳輸?shù)男盘査俾食^信道的最大信號速率時，就會產(chǎn)生失真。信道容量是衡量一個信道傳輸數(shù)字信號能力的重要參數(shù)。 “帶寬”同“速率”之間關系如何？ 由于信道帶寬總是有限的，以及信道干擾的存在，信道的數(shù)據(jù)傳輸速率總會有一個上限，并且和帶寬有相應關系。2023/2/1242.2信道及其主要特征理想信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率Nyquist準則指出：通過理想通信信道傳輸窄脈沖信號，如果脈沖信號間隔為 ，則前后碼元（信號）之間不產(chǎn)生相互串擾。碼元（信號）的最大傳輸速率RBmax與通信信道帶寬W（單位為Hz）的關系可以推導如下：

2023/2/1252.2信道及其主要特征Nyquest準則描述了有限帶寬、無噪聲信道的最大碼元傳輸速率與信道帶寬的關系：數(shù)據(jù)傳輸速率（信息速率）同碼元速率之間關系：

Rb

=RBlog2M信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率同信道帶寬的關系為：

Rbmax

=RBmaxlog2M=2Wlog2M2023/2/1262.2信道及其主要特征M最大速率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bps例如：話音級線路(3000Hz)的信道容量計算，如右圖所示。Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高速率提供了依據(jù)。Nyquist

公式（用于理想信道）：其中：C為信道容量（最大傳輸速率，bps）；W為信道帶寬（Hz）；M為離散性信號或電平的級數(shù)2023/2/1272.2信道及其主要特征非理想信道最大數(shù)據(jù)傳輸速率

實際的信道上存在三類損耗：衰減、延遲、噪聲。a）衰減 信道的損耗引起信號強度減弱，導致信噪比S/N降低。 信（號）噪（聲）比S/N：在傳輸?shù)哪硞€特定點上有用信號功率（能量）S與噪聲功率（能量）N的比值。信噪比(S/N)dB

（dB分貝）：2023/2/1282.2信道及其主要特征b）延遲 信號中的各種頻率成分在信道上的延遲時間各不相同，在接收端會產(chǎn)生信號畸變。c）噪聲熱噪聲：由導體內(nèi)的熱擾動引起，又稱為白噪聲。串擾：信道間產(chǎn)生的不必要的耦合。例：多對雙絞線脈沖噪聲：非連續(xù)、隨機、振幅較大。多由外部電磁干擾造成（閃電、大功率電機啟動等）。噪聲將破壞信號，產(chǎn)生錯誤碼，導致信噪比S/N降低。2023/2/1292.2信道及其主要特征Shannel公式：在有高斯噪聲（熱噪聲）的干擾信道上傳輸數(shù)據(jù)信號時，數(shù)據(jù)最大傳輸速率C同信道帶寬W、信號與噪聲功率比S/N的關系為：例：信道帶寬W=3KHz，信噪比為30dB，求數(shù)據(jù)最大傳輸速率。C=傳輸速率，單位bpsW=信道帶寬，單位HzSN=信號與噪聲功率比值2023/2/130Nyquist公式和Shannel公式的比較：

理想信道中數(shù)據(jù)最大傳輸速率C隨信號編碼級數(shù)增加而增加。

無論采樣頻率多高，信號編碼分多少級，此公式給出了信道能達到的最高傳輸速率。信號編碼級數(shù)不能無限增長的原因：真實信道存在損耗。2.2信道及其主要特征2023/2/1312.2信道及其主要特征2.2.3通信線路連接方式1.

點－點連接方式

在發(fā)送端和接收端之間采用一條線路(交換線路)連接。適用場合用戶端是較為分散的數(shù)據(jù)終端設備，因地理分散，不能和其他終端合用線路或被集中器集中；用戶端是傳輸信息量 很大的數(shù)據(jù)終端設備；用戶端是速率比較高 的批量數(shù)據(jù)終端設備2023/2/1322.2信道及其主要特征交換方式：點到點之間的連接由交換設備實現(xiàn)，比如通過公用電話交換網(wǎng)實現(xiàn)點-點的連接。2023/2/1332.2信道及其主要特征2.分支連接方式（多點線路）各個站點通過一條公共通信線路連接。集中式控制：在一條公共通信線路上有控制轉(zhuǎn)接站，各站點直接通信必須通過轉(zhuǎn)接站轉(zhuǎn)接。分布式控制：沒有控制轉(zhuǎn)接站，各站點可直接進行通信。2023/2/1342.2信道及其主要特征在多點線路連接方式中，一條線路被所有的站點共享。若所有的站點可以同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則這條線路在空間上是共享的，通常采用頻分復用或波分復用技術傳輸數(shù)據(jù)；若所有的站點只能輪流使用線路發(fā)送數(shù)據(jù)時，那么它在時間上是共享的，通常采用時分復用技術傳輸數(shù)據(jù)。2023/2/1352.2信道及其主要特征3.集線連接方式用終端集中器將較遠的多個終端集中起來，再用一條高速線路同中心節(jié)點計算機相連。終端集中器：線路匯集站2023/2/1362.2信道及其主要特征2.2.4數(shù)據(jù)的傳輸方式1.信道的通信方式

信道的通信方式是指信號在信道上傳輸所采取的方式。 通常有如下兩種分類方法按信號編碼傳輸?shù)捻樞蚍譃椋捍袀鬏敽筒⑿袀鬏敯葱盘杺鬏數(shù)牧飨蚝蜁r間關系分為：單工、半雙工和全雙工傳輸2023/2/1372.2信道及其主要特征并行傳輸和串行傳輸1）并行傳輸數(shù)據(jù)以成組的方式在多個并行信道上同時進行傳輸。優(yōu)點：速度快；不需要另外的措施就可實現(xiàn)收發(fā)雙方的字符同步。缺點：需要傳輸信道多、設備復雜、成本高，僅適合于近距離和高速率的通信2023/2/1382.2信道及其主要特征2）串行傳輸數(shù)據(jù)流以串行方式在一條信道上傳輸（由于計算機內(nèi)部都采用并行通信，因此，數(shù)據(jù)在發(fā)送之前，要將計算機中的字符進行并/串變換，在接收端再通過串/并變換，還原成計算機的字符結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)串行通信。）優(yōu)點：收、發(fā)雙方只需要一條傳輸信道，易于實現(xiàn)，成本低，適于遠距離傳送。缺點：為解決收、發(fā)方 字符同步，需要外加同 步措施，速度比較低2023/2/1392.2信道及其主要特征

值得注意的是：串行和并行的概念是指組成一個字符的各位是依順序逐位傳輸還是并行地傳輸。至于數(shù)據(jù)字符還是逐個依次發(fā)送。2023/2/1402.2信道及其主要特征單工、半雙工和全雙工傳輸1）單工：通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號僅沿一個方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收而不能發(fā)送，任何時候都不能改變信號傳送方向無線電廣播和電視都屬于單工通信監(jiān)視信號2023/2/1412.2信道及其主要特征2）半雙工：數(shù)據(jù)信號可以沿兩個方向傳送，但同一時刻信道只允許單方向傳送，即兩個方向的傳輸只能交替進行，而不能同時進行。通信的雙方都具有發(fā)送器和接收器，當改變傳輸方向時，要通過開關裝置進行切換。半雙工方式在通信中頻繁調(diào)換信道方向，效率低，但節(jié)省傳輸線路，在局域網(wǎng)中取得廣泛應用。監(jiān)視信號AB2023/2/1422.2信道及其主要特征3）全雙工：數(shù)據(jù)可以同時沿相反的兩個方向作雙向傳輸（四線制）電話通話監(jiān)視信號AB2023/2/1432.2信道及其主要特征2.數(shù)據(jù)的傳輸方式基帶傳輸基帶信號：未經(jīng)調(diào)制的電脈沖信號呈現(xiàn)方波形式，所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開始，因而把方波固有的頻帶稱為基帶，方波信號稱為基帶信號?；鶐鬏敚翰徽{(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送。例如：局域網(wǎng)。發(fā)送端編碼器負責完成將信源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直接傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號。接收端譯碼器負責將接收到的電信號進行解碼，恢復發(fā)送端原始的發(fā)送數(shù)據(jù)。缺點：要求信道有從直流到高頻的頻率特性；信號易發(fā)生畸變，傳輸距離近。2023/2/1442.2信道及其主要特征頻帶傳輸：利用模擬信道傳送數(shù)字信號的方式。將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號后再發(fā)送和傳輸，到達接收端時再把模擬信號解調(diào)為數(shù)字信號。發(fā)送端需安裝調(diào)制器，接收端需安裝解調(diào)器，例如：通過電話模擬信道傳輸數(shù)字信號。寬帶傳輸：早期：利用寬帶同軸電纜在0～300MHz的頻帶上傳輸信息的技術；目前：傳輸速率大于1Mb/s的廣域網(wǎng)接入技術，例如ADSL、DDN等。2023/2/1452.2信道及其主要特征3.數(shù)據(jù)同步方式同步： 接收端要嚴格按照發(fā)送端所發(fā)送的每個碼元的重復頻率以及起止時間來接收數(shù)據(jù)，即在時間基準上取得一致，以便能夠正確地識別和接收發(fā)送方發(fā)來的數(shù)據(jù)。同步分為：

位同步字符同步幀同步2023/2/1462.2信道及其主要特征位同步：使接收端接收的每一位數(shù)據(jù)信息都與發(fā)送端保持同步①外同步發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，向接收端先發(fā)送一串同步時鐘信號；接收方按照這個時鐘脈沖頻率來調(diào)整接收時序，并把接收時的時鐘重復頻率鎖定在接收的同步頻率上，以便接收數(shù)據(jù)信息。2023/2/1472.2信道及其主要特征接收過程：校準同步（用控制信號通知發(fā)送方時鐘已同步）用校準后產(chǎn)生的同步信號作為定時信號接收數(shù)據(jù)信息 接收端的時鐘定時信號是由對方送來的，而不是從數(shù)據(jù)信號中提取出來的。2023/2/1482.2信道及其主要特征②自同步從數(shù)據(jù)信號波形的本身提取同步信號的方法。通過特殊編碼，使這些數(shù)據(jù)編碼信號包含了同步脈沖，接收方從編碼信號碼元中提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。相位編碼為典型代表：每位二進制數(shù)據(jù)在位周期 中間必須改變相位；假如規(guī)定數(shù)據(jù)“0”的編碼 輸出信號先負后正，而 “1”信息時是先正后負以太網(wǎng)中所用的曼徹斯特編碼就是一種自同步2023/2/1492.2信道及其主要特征字符同步解決方法：通過字符的邊界實現(xiàn)字符的同步接收2023/2/1502.2信道及其主要特征①異步制（字符的起止式）:每次傳輸一個字符代碼（5-8bits）傳輸時在每一個字符的前后均加上一個特殊的標志，稱為起始位和終止位。通常，起始位為一位，極性為0，終止位為1-2位，極性為12023/2/151每個字符按照獨立的整體進行發(fā)送每一個字符的起始時刻是隨機的、任意的（這就是異步的含義）,但在同一字符內(nèi)碼元的長度是相等的。接收端根據(jù)“線路空閑”（通常極性與終止位一致）到“起始位”的跳變（10）識別一個新的字符，從而區(qū)分一個個字符。2023/2/1522.2信道及其主要特征優(yōu)點：字符同步實現(xiàn)簡單，收發(fā)雙方的時鐘信號不需要一直精確的同步，因為每個字符的起始位都給該字符