第02章-數(shù)據(jù)通信(第5版)

第2章數(shù)據(jù)通信與廣域網(wǎng)技術1信息、數(shù)據(jù)與信號中間的關系是什么？數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構如何？通信方式有那幾種類型？有哪些常用的傳輸介質(zhì)？其類型及主要特性是什么？數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法是什么？數(shù)據(jù)通信速率的定義是什么？帶寬是什么？什么是多路復用技術？其分類與各自的特點？廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)如何交換的？其交換技術有哪些？計算機網(wǎng)絡中采用什么差錯控制方法？本章討論以下問題：2問題：信息、數(shù)據(jù)與信號中間的關系是什么？32.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

2.1.1信息、數(shù)據(jù)與信號2.1.2數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式42.1.1信息、數(shù)據(jù)與信號通信的目的是交換信息，什么是信息？如何表示信息？如何傳遞信息？數(shù)據(jù)如何傳遞？傳遞信息轉換為傳遞數(shù)據(jù)信息如何轉換為相應的數(shù)據(jù)？編碼技術為了傳輸二進制代碼的數(shù)據(jù)，必須將它們用模擬或數(shù)字信號編碼的方式表示。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。5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ISO646，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。

6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（analogsignal）的信號電平是連續(xù)變化的；數(shù)字信號（digitalsignal）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；7

模擬信號與數(shù)字信號波形8問題：數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構如何？通信方式有那幾種類型？92.1.2數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式

網(wǎng)絡中兩臺計算機的通信過程（數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構）

10數(shù)據(jù)傳輸類型、數(shù)據(jù)通信方式數(shù)據(jù)傳輸類型：數(shù)字或模擬信號串行通信、并行通信單工通信、半雙工或全雙工通信數(shù)據(jù)通信中的關鍵技術：同步技術同步通信異步通信11串行通信、并行通信12單工通信、半雙工或全雙工通信13同步技術——字符同步14問題:有哪些常用的傳輸介質(zhì)？其類型及主要特性是什么？152.2傳輸介質(zhì)及其主要特性2.2.1傳輸介質(zhì)的主要類型主要傳輸介質(zhì)雙絞線同軸電纜光纖電纜無線與衛(wèi)星通信信道16物理特性：傳輸介質(zhì)物理結構的描述；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、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。傳輸介質(zhì)的特性：172.2.2雙絞線的主要特性屏蔽雙絞線STP非屏蔽雙絞線UTP18STPUTP

抗拉線？19制作網(wǎng)線2021雙絞線種類3類（帶寬16Mbps）5類（帶寬100Mbps）3類（帶寬16Mbps）4類（帶寬20Mbps）5類（帶寬100Mbps）超5類（帶寬155Mbps）6類（帶寬200Mbps）非屏蔽雙絞線雙絞線

屏蔽雙絞線222.2.3同軸電纜的主要特性粗同軸電纜細同軸電纜23細纜24細纜25光纖262.2.4光纖的主要特性27光纖的種類多模光纖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖28典型的光纖傳輸系統(tǒng)結構發(fā)光二極管光電二極管2930312.3無線與衛(wèi)星通信技術2.3.1電磁波譜與移動通信322.3.2無線通信無線電通信使用的頻段覆蓋的從低頻到特高頻。高頻無線電波可以沿地表傳播、電離層反射傳播。(a)地波傳播(b)天波傳播地球表面地球表面電離層332.3.2無線通信

缺點：易受天氣等因素影響，信號幅度變化較大，容易被干擾。優(yōu)點：技術成熟，應用廣泛，能以較小的發(fā)射功率傳輸?shù)捷^遠的地方。(a)地波傳播(b)天波傳播地球表面地球表面電離層342.3.3微波通信

頻率在100MHz～10GHz之間的信號叫做微波信號；微波信號只能進行視距傳播；由于微波信號的波長比較短，因此可以利用尺寸較小的拋物面天線，就可以將微波信號能量集中在一個很小的波束內(nèi)發(fā)送出去，這樣就可以用很小的發(fā)射功率來進行遠距離通信；微波信號的頻率很高，因此可以獲得較大的通信帶寬，特別適合于衛(wèi)星通信與城市建筑物之間的通信。35為了提高覆蓋區(qū)域的系統(tǒng)容量與充分利用頻率資源，人們提出了小區(qū)制的概念；將一個大區(qū)制覆蓋的區(qū)域劃分成多個小區(qū)，在每個小區(qū)（cell）中設立一個基站（basestation），通過基站在用戶的移動臺（mobilestation）之間建立通信；由若干個小區(qū)構成的覆蓋區(qū)稱為區(qū)群。由于區(qū)群的結構酷似蜂窩，因此小區(qū)制移動通信系統(tǒng)又稱為蜂窩移動通信系統(tǒng)。2.3.4蜂窩無線通信36在每個小區(qū)設立一個（或多個）基站，它與若干個移動站建立無線通信鏈路；區(qū)群中各小區(qū)的基站之間可以通過電纜、光纜或微波鏈路與移動交換中心連接；移動交換中心通過電路與市話交換局連接，從而構成一個完整的蜂窩移動通信的網(wǎng)絡結構。蜂窩移動通信系統(tǒng)結構示意圖：37蜂窩移動通信發(fā)展的歷史1995年出現(xiàn)的第一代移動通信是模擬方式，用戶的語音信息以模擬信號方式傳輸?shù)摹?997年出現(xiàn)的第二代（2ndGeneration，2G）移動通信：GSM移動通信(無線接口采用TDMA技術)、CDMA移動通信（無線接口采用窄帶碼分多址CDMA技術）兩種。第三代（3rdGeneration，3G）移動通信網(wǎng)絡提供的話音、數(shù)據(jù)、視頻圖像等業(yè)務。能夠在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的無縫漫游，使用手機來處理音樂、圖像、視頻，瀏覽網(wǎng)頁，參加電話會議，開展電子商務活動。第四代（4G）移動通信技術正在研究中。382.3.5衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信具有通信距離遠、費用與通信距離無關、覆蓋面積大、不受地理條件限制、通信信道帶寬大、可進行多址通信與移動通信的優(yōu)點，成為現(xiàn)代主要的通信手段之一。衛(wèi)星通信的工作原理示意圖：39問題：數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法是什么？402.4數(shù)據(jù)編碼技術2.4.1數(shù)據(jù)編碼類型412.4.2模擬數(shù)據(jù)編碼方法

422.4.3數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法

43曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼是應用最廣泛的編碼方法之一；曼徹斯特編碼的規(guī)則是：每比特的周期T分為前T/2與后T/2兩部分；通過前T/2傳送該比特的反碼，通過后T/2傳送該比特的原碼；曼徹斯特編碼的優(yōu)點是：每個比特的中間有一次電平跳變，兩次電平跳變的時間間隔可以是T/2或T，利用電平跳變可以產(chǎn)生收發(fā)雙方的同步信號；曼徹斯特編碼信號稱為“自含鐘編碼”信號，發(fā)送曼徹斯特編碼信號時無需另發(fā)同步信號。44差分曼徹斯特（differencemanchester）編碼差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進；差分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼不同點是：每比特的中間跳變僅做同步使用，每比特的值根據(jù)其開始邊界是否跳變來決定；某個比特開始處發(fā)生電平跳變表示傳輸二進制“0”；不發(fā)生跳變表示傳輸二進制“1”。452.4.4脈沖編碼調(diào)制方法

脈沖編碼調(diào)制（PCM）是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法；PCM的工作原理示意圖：46脈碼調(diào)制PCM體制：采樣、量化與編碼采樣周期Tt信號t采樣1001001111000010t編碼解碼t還原t47采樣采樣是隔一定的時間間隔，將模擬信號的電平幅度取出作為樣本，讓其表示原來的信號；采樣頻率f應為：f≥2B或f=1/T≥2·fmax。其中，B為通信信道帶寬，T為采樣周期，fmax為信道允許通過的信號最高頻率；如果以大于或等于通信信道帶寬2倍的速率對信號采樣，其樣本可以包含足以重構原模擬信號的所有信息。48量化量化是將樣本幅度按量化級決定取值的過程；經(jīng)過量化后的樣本幅度為離散的量級值，已不是連續(xù)值；49編碼AD8D7D6D5D4D3D2D100.51.01.5t0.27≈0.30.62≈0.61.28≈1.31.52≈1.51.26≈1.30.73≈0.70.41≈0.40.12≈0.1(a)采樣過程樣本量化級二進制編碼編碼信號0001010001111101111111010110001136131513741D1D2D3D4D5D6D7D8(b)編碼過程50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)傳輸速率應達到7位×8000/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)傳輸速率應達到8位×8000/秒=64Kbps。PCM用于數(shù)字語音系統(tǒng)51問題：數(shù)據(jù)通信速率的定義是什么？帶寬是什么？52數(shù)據(jù)傳輸速率的定義

數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)值上，等于每秒鐘傳輸構成數(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、Gbps與Tb/s，其中：1Kbps=1×103bps1Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps1Tbps=1×1012bps帶寬：通常將數(shù)字信道的最高數(shù)據(jù)傳輸率稱為“帶寬”。2.5數(shù)據(jù)傳輸中的重要概念53信道速率的極限值問題的提出傳輸信號的信道可能會受到各種干擾而引起信號失真，從而導致接受方的誤識別。任何傳輸介質(zhì)，其可能支持的傳輸速率總會受到一定限制。

問題：對于一個給定的信道，在理想情況下，其極限傳輸速率取決于什么呢？Nyquist定理和Shannon定理從理論上給出了恰當?shù)恼f明54信道速率的極限值——Nyquist準則信道的最高碼元傳輸速率(描述信號的傳輸速度)典型公式

理想低通信道的最高碼元傳輸速率Rmax=2f(Baud)其中：

B=f為理想低通信道的帶寬，單位為赫（Hz）；

Baud稱為波特，為碼元傳輸速率的單位，1波特代表每秒傳送1個碼元。含義：每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個碼元。55信道速率的極限值——Nyquist準則碼元與信息量

碼元是承載信息的基本信號單位。比如用脈沖信號表示數(shù)據(jù)時，一個單位脈沖就是一碼元，如圖2-13所示。用單位脈沖表示的碼元

一碼元的信息量是由碼元所能表示的數(shù)據(jù)有效狀態(tài)值個數(shù)決定的，若一碼元有00、01、10、11四個有效狀態(tài)值，則一碼元能攜帶2bit的信息。

101010101056信道速率的極限值——香農(nóng)定理公式：信道的極限信息傳輸速率Rmax=BLog2（1+S/N）

其中B為信道的帶寬；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)的高斯噪聲功率；S/N為信噪比。意義：信道的帶寬越大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方法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。57奈氏準則與香農(nóng)定理的作用范圍源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點終點發(fā)送器接收器輸入信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制圖2-1458問題：什么是多路復用技術？其分類與各自的特點？592.6多路復用技術2.6.1多路復用技術的基本概念定義：把多個不同的信號同時在一條傳輸線路上進行傳輸?shù)募夹g。分類：頻分多路復用FDM；波分多路復用WDM；時分多路復用TDM；碼分多路復用（CDM或CDMA）。共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術60多路復用系統(tǒng)的結構與功能612.6.2頻分多路復用每路信道的信號以不同的載波頻率進行調(diào)制;各個載波頻率是不重疊的,一條通信線路就可以同時獨立地傳輸多路信號。

62頻分復用頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5632.6.3波分多路復用

光纖通道技術采用了波長分隔多路復用方法，簡稱為波分復用WDM;波分復用是在一根光纖上復用多路光載波信號，是光頻段的頻分多路復用技術。642.6.4時分多路復用

時分多路復用是將信道用于傳輸?shù)臅r間劃分為若干個時間片；每個用戶分得一個時間片；在每個用戶占有的時間片內(nèi)，用戶使用通信信道的全部帶寬。頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀65時分多路復用工作原理示意圖66問題：廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)如何交換的？其交換技術有哪些？672.7數(shù)據(jù)交換方法2.7.1廣域網(wǎng)的主要特點廣域網(wǎng)建設投資很大，管理困難，一般是由電信運營商負責組建與維護，為需要進行遠距離數(shù)據(jù)通信的用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務，并為用戶提供接入廣域網(wǎng)的服務與技術，因此，它實際上是一種公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡PDN。隨著接入網(wǎng)技術的成熟，將核心交換技術與接入技術分開，這樣廣域網(wǎng)技術主要研究遠距離、寬帶核心交換技術。廣域網(wǎng)主要有以下三種服務類型：專線服務線路交換服務分組交換服務682.7.2線路交換方式線路交換是面向連接的服務；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；線路交換在數(shù)據(jù)傳輸過程中要經(jīng)過建立連接、數(shù)據(jù)傳輸與釋放連接的三個階段；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，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。

69線路交換方式的工作原理結點A呼叫請求呼叫應答報文或分組應答釋放請求釋放應答線路建立數(shù)據(jù)傳輸線路釋放結點B結點C結點D主機A主機B702.7.3

存儲轉發(fā)交換方式

什么是存儲轉發(fā)技術？H1H2通信子網(wǎng)IP分組發(fā)送進程接收進程路由器（IMP）71存儲轉發(fā)交換方式分類：

根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)單元，可以分為：報文傳輸（message）

：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（packet）

：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)送結點就將它分成多個報文分組發(fā)送。72什么是報文、報文分組？101010100000110001……………...101010100000111001首部數(shù)據(jù)首部數(shù)據(jù)首部數(shù)據(jù)報文

分組分組分組首部報文和報文分組結構73報文和報文分組比較

什么分組交換？公用數(shù)據(jù)網(wǎng)采用的是分組交換技術。分組交換技術在實際應用中，可以有：數(shù)據(jù)報和虛電路兩種類型。報文分組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)742.7.4數(shù)據(jù)報方式

數(shù)據(jù)報是分組存儲轉發(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。對照數(shù)據(jù)報的特點，講解下圖：75數(shù)據(jù)報方式的工作原理H1H2通信子網(wǎng)IP分組H1發(fā)送給H2的分組可能沿著不同路徑傳送數(shù)據(jù)報服務發(fā)送進程接收進程路由器（IMP）762.7.5虛電路方式

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要預先建立連接。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，整個通信過程分為以下三個階段：虛電路建立、數(shù)據(jù)傳輸與虛電路釋放階段。77虛電路方式的工作原理呼叫請求呼叫應答釋放請求釋放應答數(shù)據(jù)傳輸虛電路拆除p1p1p1p2p2p2ACKACKACK1結點A結點E結點F結點B結點G結點D結點C主機B主機A虛電路建立78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。一次通信的所有分組都通過這條虛電路順序傳送，因此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點時，結點只需要做差錯檢測，而不需要做路徑選擇。79ATM交換方式

ATM的基本數(shù)據(jù)傳輸單元是信元；信元長度固定為53字節(jié)；信元包括5字節(jié)的信元頭與48字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)。53字節(jié)信元頭用戶數(shù)據(jù)48字節(jié)5字節(jié)80問題：計算機網(wǎng)絡中采用什么差錯控制方法？812.8差錯控制方法2.8.1差錯產(chǎn)生的原因與差錯類型傳輸差錯是通過通信信道后接收的數(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)差錯共同構成的。

82傳輸差錯產(chǎn)生過程信源通信信道信宿數(shù)據(jù)噪聲數(shù)據(jù)+噪聲(a)001100111100011111000011000100010110011001010傳輸數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信號波形噪聲數(shù)據(jù)信號與噪聲信號疊加后的波形采樣時間接收數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)出錯的位(b)832.8.2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。842.8.3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；接收端能夠發(fā)現(xiàn)出錯，但不能確定哪位是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯。852.8.4循環(huán)冗余編碼工作原理

CRC方法的檢錯原理設要被傳輸?shù)亩M制比特流長度為m，引入n個附加比特，作為所謂的校驗比特；將m位要被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特與n位校驗比特組合在一起進行傳輸；接收方根據(jù)所收到的n+m個二進制比特判斷所收數(shù)據(jù)是否正確。862.8.4循環(huán)冗余編碼工作原理

如何確定校驗比特的值？設M代表m位要傳輸?shù)臄?shù)據(jù),N代表n個0，有W為：W＝MN再設P為一個給定的二進制比特串，P的長度為(n+1)位。n個校驗位的取值等于W除以P所得余數(shù)。其中，運算過程遵從mod2運算法則