计算机网络基础(第二章)

计算机网络基础第二章数据通信基础知识本章学习任务掌握数据通信的基本概念；特别是熟悉信道容量的计算；掌握数据通信系统的模型；熟悉数据通信的方式，数据传输的方式及各自的特点；掌握数据的调制的基本方法；掌握数据编码的原理及不同编码方法的特点；数据通信的基本概念信息：任何可用二进制表示的内容；数据：有用的信息；模拟数据：取值连续的数据数字数据：取值离散的数据信号：信息和数据在介质中传递的形式；模拟信号：取值连续的信号数字信号：取值离散的信号基带信号：未经调制的数字信号宽带信号：多路复用的信号信道信息传输的必经之路物理信道：用来传送信号的物理通路；逻辑信道：连接，非独占比特和码元比特：信息传送的单位；码元：信号的单位；数据传输的速率信息传送的速率为比特率；信息速率R信号传送的速率为波特率；信号速率B，也称为符号速率或调制速率。R＝B×WW：每码元携带的信息位数。误码率：信息传送过程中出错的位数。误码率＝错误比特数/总比特数信道容量Nyquist公式：理想低通矩形特性的信道下最高码元传输速率C＝2×T（波特）＝2×T×W（bps）T：带宽理想带通信道下最高码元传输速率C＝TShannon公式：在信噪比为S/N时信道的极限传输速率C=T×)/1(log2NS数据通信系统的模型数据通信系统的模型数据终端设备：即数据的生成者和使用者，它根据协议控制通信的功能通信控制器：它的功能除进行通信状态的连接、监控和拆除等操作外，还可接收来自多个数据终端设备的信息，并转换信息格式数据通信设备：它的功能是把通信控制器提供的数据转换成适合通信信道要求的信号形式通信信道：通信信道是信息在数据通信设备之间传输的通道噪声：传输过程中受到的干扰。数据通信方式根据允许的传输方向，数据通信方式可以分为三种：单工：数据只能沿一个方向传输；半双工：允许数据沿两个方向传输，但在任一时刻信息只能在一个方向传输；双工：允许信息同时沿两个方向传输。数据传输的方式并行与串行并行传输：数据以成组的方式在多条并行信道上同时传输。优点：速率高缺点：传输设备投资大串行传输：数据流以串行的方式，在一条信道上依次传输优点：节省设备，费用低缺点：慢同步与异步异步传输：在发送信息前，要在前面加上起始信号，后面加上终止信号。同步传输：以同步的时钟节拍来收发信息。模拟数据通信与数字数据通信数字数据通信的优越性：各类信息均可以以数字形式表示数字数据易实现差错检测，保证传输的可靠性数字数据易实现加密，保证传输的安全性。数字技术发展迅速。基带信号在模拟信道传输中的问题基带信号含多种频率成分，有些在线路带宽之外，不能全部通过信道，造成信号失真。基带信号的各个频率成分的延迟，衰减不同，又造成失真。干扰信号，波形失真易导致误码，传输速率越快，失真越严重。数据的调制和解调调制就是用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使得这些参量随基带信号的变化而变化。基本的调制方式：调幅、调频、调相幅度键控ASKAmplitude-ShiftKeying移频键控FSKFrequency-ShiftKeying相位键控PSKPhrase-ShiftKeying绝对移相键控相对移相键控组合调制方法为了达到更高的传输速率，每一码元要携带更大的信息量，就要将多种调制方法组合使用。................rt调制解调器包括了发信号用的调制器和收信号用的解调器。如无特殊说明，就是为了一条话路使用的，多条话路合用的是宽带调制解调器。调制器的作用是波形变换，将基带数字信号的波形变换成适于信道传输的波形；解调器就是波形识别器，将信号还原成原来的数字信号。数据的编码不归零码归零码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码不归零码NoneReturnZero单极性不归零码：零电平表示0，正电平表示1双极性不归零码：负电平表示0，正电平表示1特点：无法判断每一位的开始和结束；有直流分量；归零码ReturnZero单极性归零码：零电平表示0，正脉冲表示1；双极性归零码：负脉冲表示0，正脉冲表示1；交替双极性归零码：零电平表示0，正负脉冲交替表示1；特点：无法判断每一位的开始和结束严重的直流分量曼彻斯特编码ManchesterEncoding双相码，用电平的跳变表示二进制数据。低到高的跳变表示0，高到低的跳变表示1；特点：电平的跳变既表示时钟又表示数据；实现了自同步，不用另外发送同步信号；没有直流分量的累积效应；信号频率提高。差分曼彻斯特编码DifferentialManchesterEncoding对曼彻斯特编码的改进。每比特中间的跳变仅用作同步；每比特开始的跳变表示数据：有跳变表示0，无跳变表示1；特点：与曼彻斯特编码相似。多路复用技术在一条物理线路上建立多个通信信道的技术。实质：将一个区域的多个用户数据通过发送多路复用器进行汇集，然后将汇集后的数据通过一条物理线路进行传送，接收多路复用器再对数据进行分离，分发到多个用户。数据交换技术电路交换报文交换分组交换电路交换建立物理连接，数据传输，拆除连接特点：适于实时和交互通信场合；高速，可靠，数据按发送顺序到达；传输效率低；建立物理连接的过程长；不适用于不同速率的设备相互通信；报文交换存储转发式工作，发方不考虑传输路径；同一时刻，报文仅占用一段通道，传输效率较高；线路带宽由多个用户按需分配；可以把同一个报文发给多个用户；可以进行速率和编码转换；中间结点易阻塞；要求有大存储容量；报文携带地址信息，增加开销；报文不一定按发送顺序到达。分组交换虚电路方式：通信前建立逻辑连接，通信完毕拆除连接；数据传输过程中无需路由选择；分组按发送顺序到达；数据报方式：分组不一定按发送顺序到达；灵活性高，一条路失效可以走另一条；不用建立连接；头部信息增加开销。交换方式交换特点优点缺点适用场合电路交换建立专用通信线路。建立、维护、拆除连接高可靠、高带宽、无冲突高费用、浪费要求高质量的大量数据传输报文交换报文逐结点分段传送线路效率高收发不用同时工作同时发送到多个目的地传输容量加大不实时、可被截获非交互式通信分组交换数据划分成分组，存储转发。虚电路、数据报方式高效率不同种类的终端可通信高可靠同时发送多个目的传送短报文和灵活的处理报文信元交换定长分组高效率、高可靠实时性强差错控制技术产生差错的原因：信号在物理信道传输过程中，由于各种因素会引起信号的失真，使得接收的信息与发送的不一致。内部因素：信号在物理信道中传送时，由于线路本身的电气特性造成的信号衰减，延迟和波形失真，串扰等；外部因素：来自外界的干扰，噪声。差错编码发方在数据块中加入冗余信息，用于帮助收方判断在传输过程中是否出错，该信息称为差错编码。检错码：只能检查出错误纠错码：不但可以检查出错误，而且还可以改正。编码效率＝有效数据位/整个码长水平奇偶校验在信息字段后加校验位使得该串信息位中1的总数为奇数（奇校验）或为偶数（偶校验）的方法。特点：校验字段在信息字段后，仅占1比特。仅能测出奇数个错，但无法指出出错位。通常在异步方式中用偶校验，同步方式中用奇校验；编码效率＝Q/(Q+1)Q：信息位数信息字段奇校验码偶校验码01100010110001001100011垂直奇偶校验组校验编码效率=PQ/P(1+Q)Q行P列011100100101010101011101010101011011010010信息组奇校验偶校验水平垂直奇偶校验在水平校验的基础上实施垂直校验；编码效率＝PQ/(1+P)(1+Q)0111001000101011010101101010101010100101偶校验偶校验信息方阵CRC校验循环冗余校验，是一种应用广泛的检错码，又称为多项式编码；信息多项式，校验多项式，码多项式；生成多项式；模二运算。CRC校验能查出全部单个错；能查出全部离散的二位错；能查出全部奇数个错；能查出全部长度小于或等于K位突发错；CRC16能以99.997％的概率查出长度位17位的突发错。纠错码不仅能查出错误，还能改正错误；典型代表：海明码差错控制方式检错重发：发方发检错码，收方进行差错检测，有错则重发。这种体制称为ARQ（AutomaticRepeatRequest）。适用于非实时系统；前向纠错：发方发纠错码，收方检验并纠正错误。适用于实时系统。混合纠错方式停止等待协议收方收到数据，校验无错，则交给上层；同时向发方发确认信息ACK，发方收到ACK后才能发下一帧。收方使用CRC校验，若出错，向发方发NACK，要求重发。连续ARQGo-back-NARQ为了提高吞吐量，就要减少等待时间，以往每发一帧就等待变为发多帧再等。但应答中要说明这是对谁的应答。滑动窗口协议选择重传ARQ只重传出错的帧，接收窗口增大，只要在窗口中的序号，即使不连续，也接收下来，待所有帧收到后交上层处理。小结数据通信的基本概念：信息，数据，信号；比特，码元；比特率，波特率；信道的极限速率，奈奎斯特公式，香农公式；数据通信系统的模型，DTE，通信控制器，DCE数据通信的方式：单工，半双工，双工；数据传输的方式：同步，异步；并行，串行；数据调制的方式：ASK，FSK，PSK数据的编码：不归零码，归零码，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码；小结多路复用技术：FDM，TDM，STDM，WDM；数据交换技术：电路交换，报文交换，分组交换。虚电路方式和数据报方式；差错产生的原因，差错编码，检错码，纠错码；奇偶校验码；CRC校验码；海明码；差错控制的方式：检错重发，前向纠错，混合纠错。