第2部分 数据通信的基础知识

计算机网络基础第2部分数据通信的基础知识〖主要内容〗数据通信基本概念，多路复用技术，编码技术，数据交换技术，差错检测与校正。〖教学重点〗数据通信概念，数据编码技术，循环冗余码，FDM和TDM。数据通信是通过某种类型的介质把数据从一个地点向另一个地点传送的通信方式。是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式，为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。2.1基本概念2.1.1数据通信定义及特点数据通信是计算机与计算机或计算机与其他数据终端之间存储、处理、传输和交换信息的一种通信技术，是计算机技术与通信技术相结合的产物，它克服了时间和空间上的限制，使人们可以利用终端在远距离同时使用计算机，大大提高了计算机的利用率，扩大了计算机的应用范围，也促进了通信技术的发展。1.数据通信的定义数据通信是依照通信协议，路由数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。2.数据通信的特点数据通信实现的是机与机或人与机之间的通信数据传输的准确性和可靠性要求高传输速率高，要求接续和传输响应时间快数据通信具有灵活的接口能力以满足各式各样的计算机和终端间的相互通信2.1.2信息、数据和信号通信的目的是为了交换信息，因此只要保证被传输的二进制码（信息在计算机中的表示）在传输过程中不出现错误。数据：指被传输的二进制代码信息：是数字、字母和符号的组合。信息的载体可以包含语音、音乐、图形图像、文字和数据等到多种媒体。信息在传递过程中通常用二进制代码表示的（如ASCII码）信号：是数据在传输过程中的表示形式，有模拟信号和数字信号两种在通信系统中，数据以模拟信号（波形连续变换的电信号）或数字信号（离散信号）的形式由一端传输到另一端模拟通信系统：指传输模拟信号的系统数字通信系统：指传输数字信号的系统2.1.3数据通信系统的基本结构1.基本概念信源：指产生和发送信息的一端信宿：指接收信息的一端tA连续的模拟信号101011离散的数字信号tA第2章数据通信的基础知识信源与信宿通过通信线路（即两节点间连线称为链路）进行通信的信道：是指两地间传输数据信号的通路，即信号的传输通道，包括传输媒体和通信设备通路：是指从信源到信缩的一串节点和通信连线物理信道和逻辑信道：物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一种通路，在信号的接收和发送之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在此物理信道的基础上，还在节点内部实现了其他“连接”，通常把这些“连接”称为逻辑信道。因此，同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。网络节点分转节点和访问节点两类。转节点是支持网络连接性能的节点，它通过通信线路来转接和传递信息。访问节点是信息交换的源节点和目标节点，起信源和信宿的作用。(关于节点与结点区别)2.数据通信系统的基本结构通信系统中若没有噪声则是一种理想模型，而实际上噪声是或多或少存在的，因此为了保证在信源和信宿之间能够实现正确的信息传输与交换，除了使用一些克服干扰以及差错的检测和控制方法外，还要借助于其他各种通信技术来解决这个问题，如调制、编码、复用等等。注：数据通信的基本目的是在两用户之间交换信息。数据通信系统是指以电子计算机为中心，用通信线路连接分布在远地的数据终端设备而完成数据通信的系统。数据通信系统也可以看成是这样三个基本组成部分：数据终端设备DTE、数据电路终端设备DCE和传输信道。数据终端设备DTE：是数据通信系统的输入和输出设备，其主要功能是完成数据的输入与输出、数据处理和存储以及通信控制等。数据电路终端设备DCE是数据信号的变换设备，其作用是在电信传输网络能提供的信道特性和质量的基础上实现正确的数据传输，并实现收发之间的同步。如调制解调器设备2.1.3.1模拟通信系统模拟通信系统是指传输模拟信号的数据通信系统，通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声组成。如：普通的电话、广播、电视等。模拟通信系统工作原理：将信源所产生的原始模拟信号经过调制后再通过信道传输，到达信宿后再通过解调器将信号解调出来。2.1.3.2数字通信系统信源信宿噪声（干扰）信道调制器噪声源信道信源解调器信宿噪声源信道信源编码器调制器信源信道编码器调制器信道译码器信源译码器信宿计算机网络基础数字通信系统是指传输数据信号的数据通信系统，由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪声源组成。如：计算机通信、数字电话、数字电视等。在数字通信系统中，若信源发出的是模拟信号，则要经过信源编码器对模拟信号进行调制编码使其成为数字信号；若信源发出的是数字信号，仍然要进行数字编码。信源编码有两个作用：一是实现数/模转换，一是降低信号的误码率。信源译码则是其逆过程。信道编码是为了能够自动地检测出错误或纠正错误所采用的检错编码或纠错编码。信道译码则是其逆过程。从信道编码器输出的数字信号还是基带信号，除了近距离能够直接传输外，通常为了与采用的信道相匹配，要将基带信号经过调制变换成频带信号再传输，这就是调制器的任务；解调器正是它的逆过程。2.1.4通信信道的分类1.按传输介质分类(1)有线信道：是指使用有形的媒体作为传输介质的信道，如电话线、双绞线、同轴电缆和光缆。(2)无线信道：是指以电磁波在空间传播方式传送信息的信道，如无线电、微波、红外线和卫星通信信道。2.按传输信号类型分类(1)模拟信道：是指能传输模拟信号的信道。如语音信号。若利用模拟信道传送数字信号要经过数/模（A/D）转换。(2)数字信道：是指能传输离散数字信号的信道，如计算机间的通信。利用数字信道传输数字信号虽然不需要进行转换但仍然要进行数字编码。3.按使用方式分类(1)专用信道：是指一种连接于用户设备之间的固定电路，通常是由电信部门或国家建立的，如铁路(2)公用信道：也即公共交换信道，是指一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的信道，如公共电话交换网。2.1.5数据通信的技术指标2.1.5.1数据通信速率1.传输速率：是指数据在信道中传输的速度。分为RB和Rb码元速率RB：每秒中传送的码元数，即波特率，波特/秒（Baud/s）信息速率Rb：每秒中传送的信息量，即比特率，比特/秒（bit/s或bps）两者关系如下：Rb=RBlog2M（其中M为采用的进制）例：对于采用八进制进行传输信号，则其信息速率就是码元速率的3倍。2.码元速率与信息速率的比较方法：确定进制码元间的关系：如数字信号采用四级电平即四进制，则一个四进制码元对应二个二进制码元（4=22）确定数字信号对应的电平：如数字信号为01100001110110，则四进制数据为1201312，其电平符号（用A、B、C、D由高到低表示）为CBDCACB画出波形图：ABCD第2章数据通信的基础知识2.1.5.2误码率和误比特率误码率Pe：是指码元在传输过程中，错误码元占总传输码元的概率。（多进制系统中）误比特率Pb：是指在信息传输过程中，错误的比特数占总传输的比特数的概率。（二进制系统中）2.1.5.3信道带宽与信道容量信道带宽：是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，即信道频带，用赫兹Hz表示，信道带宽是由信道的物理特性所决定的信道容量：是指单位时间内信道上所能传输的最大比特数，用比特/秒（bit/s或bps）表示注：(1)数据传输速率定义数据传输速率在数值上等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，计作bps。对于二进制数据传输速率S＝1/T（T为发送每一比特所需要的时间）(2)带宽与数据传输速率1924年，柰奎斯特推导出具有理想低通矩形特性的信道，在无噪声情况下的最高速率与带宽关系的公式，这就是柰奎斯特准则。柰奎斯特准则指出：如果间隔为π/ω（ω＝2πf）通过理想通信信道．．．．．．传输脉冲信号，则前后码元之间不产生相互窜扰。因此对于二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B＝f）的关系为：Rmax=2f（bps）香农定理指出：在有噪声的信道上．．．．．．．传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N（S为信道中传送信号的平均功率、N为信道中的随机噪声功率）的关系是：Rmax＝Blog2(1+S/N)。(3)时延(delay或latency)时延是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延是由以下几个不同的部分组成的：A．传播时延传播时延是从一个站点开始发送数据到目的站点开始接收数据所需要的时间。传播时延的计算公式是：传播时延＝信道长度÷信道上的传播速率B．发送时延发送时延是发送数据所需要的时间，即从一个站点开始接收数据到数据接收结束所需要的时间。发送时延的计算公式是：发送时延=数据块长度÷信道带宽C．排队时延这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所经历的时延。D．传输时延/总时延数据经历的总时延就是以上三种时延之和：总时延/传输时延=传播时延+发送时延+排队时延传输出错的码元数传输的总码元数Pe=传输出错的比特数传输的总比特数Pb=计算机网络基础网络性能的两个度量——传播时延和带宽——相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即[(传播时延)×(带宽)]。链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。在计算机网络中，往返时延也是一个重要的性能指标，它表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延。2.2数据的传输2.2.1串/并行通信并行通信：是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输。优点：传输速度快、收发双方不存在字符同步问题缺点：由于采用多条并行线路，增加了费用、并行线路间存在电平干扰适用范围：近距离和高速率的通信（是计算机内的主要传输方式）串行通信：是指数据以比特流逐位在一条信道上传输优点：费用低（一条线路）缺点：传输效率低（为并行通信速率的1/8）、收发双方要保证同步适用范围：计算机之间通信和远程通信（它是通信线路的主要传输方式）2.2.2通信线路的连接方式1.点对点的线路连接点对点的线路连接就是在发送端和接收端之间采用一条线路连接。线路形式：专用线路、租用线路或交换线路连接类型：点对点连接、点对多点式集中连接2.多点线路连接多点线路连接是指各个站点通过一条公共通信线路连接线路形式：空间分享线路（同时发送数据）、时间分享线路（轮流发送数据）连接类型：点对多点式连接、多点对多点复用式连接2.2.3信道的通信方式单工通信：指单向通信信道，数据信号仅沿一个方向传输，发送方只发不收而接收方只收不发（只能是单方向的）。如：无线电广播和电视半双工通信：指信号可以沿两个方向传送（在不同的时刻）,但同一时刻一个信道只允许单方向传送，SASBSA集中器SB……SBSASBSBSBSBSASASB复用器复用器发端收端01110010b0b7b2b1b3b4b5b6发端收端01110010b0b7b2b1b3b4b5b6第2章数据通信的基础知识即两个方向的传输只能交替进行。如：对讲机、步话机、计算机网络端到端的通信全双工通信：指数据可以同时沿相反的两个方向进行双向传输，如：电话机2.2.4信号的传输方式1.基带传输基带是指离散矩形波固有的频带基带信号是指离散矩形波（用0、1表示的离散矩形波信号）基带传输是指在信道中直接传输数字信号的传输方式，且传输媒体的整个带宽都被基带信号占用，双向地传输信息。基带传输的频带可以从0Hz（直流）到几百MHz，甚至几千MHz，由于传输线路的电容对传输信号的波形影响很大，因此传输距离不大于2.5KM，否则就要使用再生重发器增加功率来延长传输距离，所以电话通信线路一般是不能满足基带传输要求的。2.频带传输频带传输是指将数字信号调制成音频信号（300～3400Hz）后再进行发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号的传输方式。由此可见，频带传输首先要把信源端的数字信号调制成可长途传输的模拟信号，即数/模转换；而在信宿端则正好相反，即模/数转换。特点：发送端和接收端要安装调制解调器