第2章计算机网络的数据通信与交换技术

计算机网络原理与技术计算机科学与技术专业MajorofComputerScienceandTechnology主讲：郭银章教授第一讲：计算机网络的发展历史与工作原理第二讲：计算机网络的数据通信与交换技术第三讲：数据链路层协议及差错控制技术第四讲：局域网IEEE802协议体系及以太网目录提纲第五讲：Internet网络层协议IP/ICMP第六讲：存储转发的路由协议与路由算法第七讲：Internet传输层协议TCP/UDP计算机网络与INTERNET原理及技术第二讲：计算机网络数据通信与数据交换技术2.1数据通信的基本模型及概念2.3数据通信的调制编码技术2.4数据传输的多路复用技术2.5数据传输的交换接入技术2.6物理层简介及传输介质计算机网络与INTERNET原理及技术2.2数据传输系统与传输模式1、通信系统的模型通信的五个要素：信源、信宿、变换器、反变换器和信道。任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术噪声信源变换器信道反变换器信宿信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息通信系统的任务2、通信系统的基本概念信息（Information）：是人们对现实世界的事物存在方式及其运动状态的认识，是人们进行交换的基本单元。数据(Data)：是信息的数字化形式，通常被广义的理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。是传递（携带）信息的实体。(1)模拟数据是随时间连续变化的函数，在一定范围内连续的无数个值。(2)数字数据是随时间离散变化的函数，在一定范围内取值有限。2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术2、通信系统的基本概念信号(Signal)：数据的物理量编码，数据以信号的形式传播。模拟信号是在某一区间上是一种连续变化的电信号。具有波动性、持续性和无穷性。数字信号是在某一区间上是一种离散变化的电信号。具有离散性、跃变性和有限性2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术tta)模拟信号b)数字信号2、通信系统的基本概念信道：是信号的传输系统，分为模拟传输系统和数字传输系统(1)模拟传输系统：仅能传输模拟信号的通信系统．模拟数据的模拟信号可以通过调制实现直接传输，数字数据则需要通过调制和解调的过程，将其转化为模拟信号才能传输．(2)数字传输系统：仅能传输数字信号的通信系统．数字信号可以直接传输，模拟数据则要通过编码解码的过程转化为数字信号才能进行传输．2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术3、通信系统的性能指标比特率：也称为数据传输速率，速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率是指单位时间内所传输的二进制位流的位数，速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s,Gb/s等。其中：b为bit，即比特。1K=210≈103字节；1M=220≈106字节;1G=230≈109字节;波特率：每秒传送的码元数:1B=1/T=（log2M）bps其中M是信号的编码级数。也可以写成：比特率C=BXlog2M一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）。2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术3、通信系统的性能指标波特率：其中，码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始3、通信系统的性能指标误码率：信道传输可靠性指标：P=错误的码元数/传输的总码元数。利用率：分信道利用率和网络利用率两种。信道利用率=数据有效传输时间/信道总的占用时间。网络利用率=信道利用率的加权平均值。带宽：在通信系统中是指信号通频带的宽度，可传输信号的最高频率与最低频率之差。在计算机网络中，是指信道所能传输的最高速率。传输延时：由发送延时、传播延时、处理延时、排队延时组成。(1)发送延时=数据块的长度（bit）/信道带宽（bit/s）(2)传播延时=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术3、通信系统的性能指标传输延时：(3)处理延时=节点接收到分组后的处理时间。(4)排队延时=分组在传输过程中，经过通信子网的不同路由节点的排队等待时间。2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点B结点A在发送器产生发送时延(即发送时延)在队列中产生排队时延数据链路交换节点存储转发而产生的处理时延目标节点4、信道容量奈奎斯特定律：用于无噪情况下的理想低通信道2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术C=2Wlog2MM最大数据率(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bps例如：话音级线路(3000Hz)的信道容量计算，如右图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。奈奎斯特定律表明网络传输速率越高，对于网络的带宽要求越高，4、信道容量香农定律：Shannel公式：高斯噪声干扰信道2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术C=Wlog2(1+SN)C=传输率，单位b/sW=带宽，单位HzS/NdB信噪比（dB分贝）的定义S/NdB=10log10S/N1010dBNSNS即：例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则C=3000*log2(1+1000)≈30Kbps4、信道容量实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声a）衰减：信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比降低b）延迟：信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。c）噪声：热噪声、串扰、脉冲噪声。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术4、信道容量2.1、数据通信的基本概念及模型第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术Nyquist公式和Shannel公式的比较●C=2Wlog2M此公式说明数据传输率C随信号编码级数以及网络的带宽增加而增加。最大传输速率C给出的是一个理论上的极限值。●C=Wlog2(1+S/N)无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。（1）、单工、半双工和全双工模式单工模式：在发送器与接收器之间只有一个单向传输通道，信息只能沿着一个方向传输。在单工模式中，只需要一条通信信道。半双工模式：又称为双向交替通信模式，通信信道是双向的，发送和接收设备同时具有发送和接收功能，但是在某一时刻只能在一个方向传输信息。一般用于通信设备和信道没有足够带宽支持的情况，或者需要通信双方的通信顺序交替进行的场合，如：对讲机等。全双工模式：又称为双向同时通信模式。同时需要两条不同方向的通信信道，发送和接收设备同时具有发送和接收功能。吞吐量达，一般网络和手机都是全双工模式。2.2、数据通信的传输系统与传输模式第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术1、数据传输模式（2）、并行传输与串行传输模式并行传输：将计算机中的一个字或字节的各位分别在多条线路上同时传输，每个比特使用单独的一条线路的传输方式称为并行传输。其优点是传送速率高，收发双方不存在字符间的同步问题，缺点是需要多个信道，增加了设备的成本，另外并行线路的电平相互干扰也会影响传输质量，主要用于短距离的计算机内部通信。串行传输：串行通信就是将比特流逐位在一条信道上传送。需要解决的是收发双方如何保持字符同步的问题。这种传输方式的优点是易于实现和维护，通常用于远程通信。比如高效率总线接口PCI-E,新型的磁盘SATA接口都是串行传输方式。第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术2.2、数据通信的传输系统与传输模式1、数据传输模式（3）、同步传输与异步传输模式：异步传输：又称为起止同步方式，它是以字符为单位进行同步，以字符为传输单位，每个字符要附加1位起始位和1位停止位，以标记一个字符的开始和结束。并以此实现数据的同步。所谓异步传输是指字符与字符之间的时间间隔可变，不需要严格限制他们之间的时间关系。第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术D5D4D3D2D1D0D7D6起始位（1bit）字符信息（7-8bit）停止位（1-2bit）异步传输模式优点是每一个字符本身包括了本字符的同步信息，不需要在线路两段设置专门的同步设备。实现简单，控制容易，适用于面向字符的、低速的异步通信场合。缺点是通信开销大，通信效率低。2.2、数据通信的传输系统与传输模式1、数据传输模式（3）、同步传输与异步传输模式：同步传输：同步传输是以固定时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方式，收发双方一般采用同一同步时钟，保证接受方采样和到达速度一致。其数据格式如下。第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术同步传输模式要求收发两端的时钟必须在每个比特上保持一致。传送时在每个帧的首部添加一个或两个以上的同步字符sync,帧内每个字符不再需要增加起止位。同步传输分为面向字符和面向位的两种方式。sync字符组结束控制字符2.2、数据通信的传输系统与传输模式1、数据传输模式（3）、同步传输与异步传输模式：第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术面向位的同步传输方式：最著名的面向位的同步传输规程是高级数据链路控制HDLC。在一帧的开始和末尾附加指定位模式“01111110”，用它作为同步标志进行帧同步。不定长的数据字段携带用户数据，与异步相比，可以传输大的数据块。为了防止伪同步，在发送信息是，遇到5个连续的1时，插入一个0.在接收过程中，遇到五个1时去掉后面的0代码，恢复为发送前的状态。这些功能由硬件电路完成。01111110地址控制数据FCS01111110比特888可变1682.2、数据通信的传输系统与传输模式1、数据传输模式（4）基带传输与频带传输模式第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术频带传输数字数据转换成模拟信号（调制），借助于模拟信道（电话传输系统）进行传输。FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)基带传输基带(baseband）数字数据进行编码变为的数字信号所占用的频带;用数字信道进行传输。TDM(TimeDivisionMultiplexing)2.2、数据通信的传输系统与传输模式1、数据传输模式2、数字载波系统与准同步数字系列PDHCCITT有两类PDH：北美24路PCM的T1标准和欧洲32路的PCM的E1标准。T1-标准(北美、日本)数字载波系统是20世纪60年代由美国的AT&T发明，将24路话音模拟信号通过PCM技术转化为数字信号，然后采用准同步时分复用技术PDH，复合传输的系统，其数字信号的格式为DS1（DIGITALSignal1）即T1标准：1.544Mbps.PCM的采样频率为8000次／S，每次对24路话音信号轮流采样一遍，每路采样用8位编码，则24X8＝192位，在加一位定帧位，构成DS1信号的193位．所以T1(DS1)的速率为：193位X8000次／S＝1.544Mbps第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术光谱2.2、数据通信的传输系统与传输模式2、数字载波系统与准同步数字系列PDH第二讲：计算机网络的数据通信与数据交换技术光谱信道１信道2信道24123456781234567812345678｀｀｀｀｀｀｀｀｀｀｀125us193位24个信道用于数据，１位用