第2章数据通信系统--21数据通信概述分析课件.ppt

1、第第2章章 数据通信系统数据通信系统现代通信系统现代通信系统课程课程2022-12-161第2章 数据通信系统 2.1 数据通信概述数据通信概述 2.2 计算机网络体系结构计算机网络体系结构 2.3 局域网局域网 2.4 TCP/IP 2.5 Internet和广域网和广域网2022-12-162信息、数据、信号信息、数据、信号信息：是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认信息：是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识识;数据：数据：信息的表示形式（载体）信息的表示形式（载体），是把事物的某些属性规，是把事物的某些属性规范化后的表现形式范化后的表现形式;可以是字母、数字等的组合。可以

2、是字母、数字等的组合。信号：信息的信号：信息的传输形式传输形式，是数据的物理表现。信息必须被，是数据的物理表现。信息必须被转化为电磁信号、光信号才能传输。转化为电磁信号、光信号才能传输。通信是为了交换信息（通信是为了交换信息（InformationInformation）。）。2.1 数据通信概述2022-12-163例子例子 信息：是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。信息：是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。数据：是把事物的某些属性规范化后的表现形式数据：是把事物的某些属性规范化后的表现形式;是是信息的表示信息的表示形式形式。信号：是数据的具体的物理表现。是信号：是数

3、据的具体的物理表现。是信息的传输形式信息的传输形式。tv2.1 数据通信概述2022-12-164模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号放大器调制器PCM编码器调制器数字发送器模拟数据模拟数据数字数据模拟数据模拟信号数字信号模拟信号数字信号模拟数据、数字数据和模拟信号、数字信号模拟数据、数字数据和模拟信号、数字信号2.1 数据通信概述2022-12-165指通过某种系统由指通过某种系统由发送者发送者传递给传递给接收者接收者的的信号传输过程。信号传输过程。通信一致伴随人类的生存和发展，自有人通信一致伴随人类的生存和发展，自有人类活动就产生通信。分为四个发展阶段：类活动就产生通信。分为四个发展阶段：

4、v通信？通信？2.1 数据通信概述2022-12-166第一阶段：以语言为主，通过人力、烽火等原始手段第一阶段：以语言为主，通过人力、烽火等原始手段传递信息。传递信息。第二阶段：文字、印刷。（增加了信息传播的手段）第二阶段：文字、印刷。（增加了信息传播的手段）第三阶段：邮政、电报、电话、广播。（进入电气时第三阶段：邮政、电报、电话、广播。（进入电气时代，扩大信息传播范围）代，扩大信息传播范围）第四阶段：信息时代，通过电子设备、光媒体传递数第四阶段：信息时代，通过电子设备、光媒体传递数据、图像、文本等。据、图像、文本等。现代通信技术现代通信技术:借助电子电气设备及光等媒介，在两点借助电子电气设备

5、及光等媒介，在两点之间传输信息。之间传输信息。2.1 数据通信概述2022-12-167数据通信数据通信数据通信数据通信是指依照通信协议，在两个设备之间利用传输媒体传输媒体进行的数据交换数据交换。数据通信数据处理数据传输数据通信数据处理数据传输可实现计算机与计算机、计算机与终端终端以及终端与终端之间的数据信息传递。2.1 数据通信概述2022-12-168终端：终端：对互联网而言，对互联网而言，“终端终端”泛指一切能够接入网泛指一切能够接入网络的计算设备，如个人电脑、网络电视、可上网络的计算设备，如个人电脑、网络电视、可上网手机、手机、PDA等。等。2.1 数据通信概述2022-12-169（

6、1）数据通信是人计算机或计算机计算机之间的通信，通信过程可能没有人的直接参与，为了保证通信的顺利进行，必须采用严格统一的传输控制规程（通信协议）。所谓“规程”就是在通信过程中计算机必须遵守的一系列“约定”。（2）数据通信的传输速率极高。）数据通信的传输速率极高。2022-12-1610（3）数据通信要求误码率）数据通信要求误码率 10-710-9，而语音及电，而语音及电视业务仅要求误码率视业务仅要求误码率 10-4，即数据通信可靠性要求，即数据通信可靠性要求高，因此必须采用严格的高，因此必须采用严格的差错控制技术差错控制技术。（4）数据通信的突发度高。）数据通信的突发度高。所谓所谓“突发度突发

7、度”是指数据通信的峰值速率与平均是指数据通信的峰值速率与平均速率之比。速率之比。2022-12-1611数据通信系统基本构成如图数据通信系统基本构成如图2-1-1所示。从图所示。从图中看出，数据通信系统由数据终端设备（中看出，数据通信系统由数据终端设备（DTE）、）、数据电路终接设备（数据电路终接设备（DCE）和传输信道三部分组成。和传输信道三部分组成。2022-12-1612数据通信系统的构成数据通信系统的构成图中所示为左端的数据终端与右端的主计算机进行点对点的通信。图中所示为左端的数据终端与右端的主计算机进行点对点的通信。2022-12-1613DTE（Date Terminal Equi

8、pment）是）是计算机计算机网中用于处理用户数据的设备，从简单的数据终端网中用于处理用户数据的设备，从简单的数据终端（甚至（甚至I/O设备）到复杂的中心计算机均可称为设备）到复杂的中心计算机均可称为DTE。输入输入/输出设备输出设备传输控制器传输控制器2022-12-1614属于网络终接设备，调制解调器、线路接续控制设备及与线路连接的其他数据传输设备称为DCE。调制解调器（Modem）：把DTE送来的数字信号变换为模拟信号再送往信道，或把信道送来的模拟信号变换为数字信号再送往DTE。2022-12-1615DSU与CSU 如如果信道是数字信道，果信道是数字信道，DCE由数据服务单元（由数据服

9、务单元（Data Service Unit，DSU）和信道服务单元（和信道服务单元（Channel Service Unit，CSU）组成。组成。DSU的功能：把面向的功能：把面向DTE的数字信道上的数据信号变换成的数字信道上的数据信号变换成双极性的数字信号、包封的形成双极性的数字信号、包封的形成/还原、定时信号的产生与提还原、定时信号的产生与提取；取；CSU的功能：完成信道特性的均衡、信号整形、环路检测的功能：完成信道特性的均衡、信号整形、环路检测等。等。2022-12-1616由由DCE与信道一起构成。与信道一起构成。数据电路加上两端的传输控制器、数据电路加上两端的传输控制器、通信控制器构

10、成。通信控制器构成。链路（链路（link）是一条无源的点到点的物理线路段，是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何的交换节点。两个计算机之间的通路往中间没有任何的交换节点。两个计算机之间的通路往往由许多链路串接而成。往由许多链路串接而成。2022-12-1617用来控制相关硬件，对系统中的各种资源进行全面的管理、调度和分配，保障系统正常运转和服务。2022-12-1618在数据通信系统中，数据终端设备或计算机输出的数据信息以字母、数字、字符和符号表示。为了传递这些信息，必须用二进制的代码来代表不同的字母、数字、字符和符号。目前广泛使用美国信息交换标准码（ASCII，American Sta

11、ndard Code for Information Interchange），是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言。2022-12-16192022-12-16202022-12-1621并行传输指的是数据以成组的方式在多条并行的信道上同时传输。优点：收发双方不存在字符同步的问题；缺点：必须同时有多条并行信道可供使用；串行传输是数字流以串行方式在一条信道上传输。优点：只需要一条信道，易于实现；缺点：存在收发双方如何实现字符同步的问题；2022-12-1622并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁的数并行通信通常用于计算机系统内部及与外设之间大量频繁

12、的数据传输。在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发据传输。在这种方式中，每个数据编码的各个比特都是同时发送的。从发送端到接收端的信道需要用相应的若干根传输线。送的。从发送端到接收端的信道需要用相应的若干根传输线。信道8信道7信道6信道5信道4信道3信道2信道1发送端接收端2022-12-1623串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的。因为计串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的。因为计算机内部操作多采用并行传输方式，因此，在实际采用串行传输算机内部操作多采用并行传输方式，因此，在实际采用串行传输时，要使用转换设备进行并时，要使用转换设备进行并/串和串串和串/并转换。

13、并转换。发送端接收端并串转换并串转换87654321876543218 7 6 5 4 3 2 1串行数据传输串行数据传输2022-12-1624l 通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持一致步调，亦同步，才能准确传送信息。l解决方法：要求接收端根据发送数据的起止时间和始终频率，来校正自己的时间基准与始终频率，这个过程成为位同步或者码元同步。l数据传输时常用的同步方式有两种：异步传输方式同步传输方式2022-12-1625异步传输方式异步传输方式 也称为也称为起止式同步方式起止式同步方式。以字。以字符（多个码元组成）作符（多个码元组成）作为为传输单位，为了实现字符同步，在传送一个字符序列时

14、，在传输单位，为了实现字符同步，在传送一个字符序列时，在字符的开始和末尾加上两个码元，分别表示该字符的起始和字符的开始和末尾加上两个码元，分别表示该字符的起始和停止，称为起始位和停止位。停止，称为起始位和停止位。起始位长度为起始位长度为1个码元，极性为个码元，极性为“0”；停止位长度为；停止位长度为12个码元，极性为个码元，极性为“1”。2022-12-1626 同步传输方式同步传输方式：又称独立同步方式，这种方式收发双方要又称独立同步方式，这种方式收发双方要保证比特同步；字符同步是通过同步字符保证比特同步；字符同步是通过同步字符SYN来实现来实现的。的。SYN的作用：一是当收端收到的作用：一

15、是当收端收到2个以上的个以上的SYN就开始与发就开始与发端同步，并按每端同步，并按每8位码组成一个字符；二是当报文发完，位码组成一个字符；二是当报文发完，但尚未断开与收端的联系，用但尚未断开与收端的联系，用SYN维持双方的同步；维持双方的同步；2022-12-1627数据传输的同步数据传输的同步2022-12-16282022-12-1629（1 1）单工通信）单工通信凡是利用一条物理信道只能进行单向信息传输的通信，称之为凡是利用一条物理信道只能进行单向信息传输的通信，称之为单工通信。单工通信。单工通信单工通信2022-12-1630（2 2）半双工通信）半双工通信 半双工通信是指可以进行双向

16、传输，但由于只有一条物理信道半双工通信是指可以进行双向传输，但由于只有一条物理信道（2 2线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输。线制），因此，同一时刻只限于一个方向传输。发收收发数据信道监控信号AK1K2B半双工通信半双工通信2022-12-1631（3 3）全双工通信）全双工通信 全双工通信是指通信双方在任何时刻，均可进行双向通信，全双工通信是指通信双方在任何时刻，均可进行双向通信，无任何限制，这种制式往往用于实时数据交换，它需要具有两无任何限制，这种制式往往用于实时数据交换，它需要具有两条以上的物理信道（条以上的物理信道（3 3线制或线制或4 4线制线制)。发收收发数据信道监控信号数据

17、信道监控信号全双工通信全双工通信2022-12-1632 在计算机与计算机之间传输数据时，误码率要求低于10-710-9。因此，在进行数据传输时，要采取一定的方法发现差错并纠正差错，这称为“差错控制差错控制”。检错码：能发现错误的码；纠错码：能纠正错误的码。2022-12-1633数字信号在传输过程中受到干扰的影响，使信号波形变坏，发生误码，可以采用一些方法解决。差错出现原因v 外界噪声v 传输中码间串扰解决方法v 合理地设计基带信号，选择调制、解调方式，采用均衡技术，提高发送功率等因素，使误比特率降低。v 差错控制编码。2022-12-1634误码的类型误码的类型v 随机误码随机误码错码出现

18、是随机的、错码之间错码出现是随机的、错码之间统计独立统计独立。由随机噪声引起由随机噪声引起存在随机误码的信道称为随机信道存在随机误码的信道称为随机信道v 突发误码突发误码错码错码成串集中出现成串集中出现，在很短的时间出现大量错码，而过后又存在较大的在很短的时间出现大量错码，而过后又存在较大的无错码位，无错码位，且且差错之间是相关的差错之间是相关的例如：脉冲噪声，信道中衰落例如：脉冲噪声，信道中衰落存在这种差错的信道称为突发信道存在这种差错的信道称为突发信道2022-12-1635 n 在信息码上附加一定位数的监督码元，使其与信息位按某在信息码上附加一定位数的监督码元，使其与信息位按某种规则相互

19、关联；种规则相互关联；n 若数据在传输过程中发生差错，关联关系被破坏，从而可若数据在传输过程中发生差错，关联关系被破坏，从而可 检出和检出和/或纠正错误。或纠正错误。2022-12-1636 差错控制技术的种类 检错重发 前向纠错 反馈校验 混合纠错 检错删除 2022-12-16371、检错检错重发法重发法ARQ(Automatic Repeat Request)：差错控制方法差错控制方法发发收收有错码有错码无错码无错码双向信道双向信道检错重发（检错重发（ARQARQ）的优点主要表现在：）的优点主要表现在：（1 1）只需要少量的冗余码，就可以得到极低的输出误码率；）只需要少量的冗余码，就可以

20、得到极低的输出误码率；（2 2）有一定的自适应能力；）有一定的自适应能力；某些不足主要表现在：某些不足主要表现在：（1 1）需要反向信道，故不能用于单向传输系统，并且实现重发控制比较复杂；）需要反向信道，故不能用于单向传输系统，并且实现重发控制比较复杂；（2 2）通信效率低，不适合严格实时传输系统。）通信效率低，不适合严格实时传输系统。2022-12-1638差错控制方法差错控制方法2、前向、前向纠错纠错法法FEC(Forword ErrorCorrection)发发收收自己纠正自己纠正单向信道单向信道设备复杂设备复杂l发送端经信道编码后可以发出具有纠错能力的码字；接收端译码后不仅可以发现错误

21、码，而且可以判断错误码的位置并予以自动纠正。l不需要反向信道传送重发指令，也没有因反复重发而产生的时延，实时性好l与检错重发相比，需要加入更多的差错控制码元，设备复杂特点：无需反馈信道，无需重传，延时小；传输序列中冗余量较大。运用在移动通信系统、军事系统通信中。2022-12-16393、反馈校验法、反馈校验法发发收收是否有错是否有错双向信道双向信道效率低效率低 信信 源源 编码器编码器 缓冲器缓冲器重发控制重发控制 双双 向向 信信 道道 解码器解码器 指令产生指令产生 输出缓冲输出缓冲 收收 信信 者者正确时输出正确时输出错误时删除错误时删除自动请求自动请求ARQ方框图方框图2022-12

22、-16404、混合纠错方式HEC(Hybrid ErrorCorrection)混合纠错方式是前向纠错方式和检错重发方式的结合。2022-12-1641 5、检错删除（deletion)在接收端发现错码后，立即将其删除，不要求重发 用于少数特定系统，发送码元有大量多余度，删除部分接收码元不影响应用2022-12-1642ARQ系统原理方框图系统原理方框图自动请求重传系统自动请求重传系统（ARQ）通信系统在接收端检测到传输错误并自动告知发送方，通信系统在接收端检测到传输错误并自动告知发送方，请求发送方重发，称为自动请求重发，简称反馈重传。请求发送方重发，称为自动请求重发，简称反馈重传。2022-

23、12-1643 该系统接收端在收到的信码中检测出错码时，即设法通知发送端重发，直到正确收到为止。所谓检测出错码，是指在若干接收码元中知道有一个或一些是错的，但不一定知道该错码的准确位置。3种最流行的ARQ方式 停止 等待式ARQ 具有回拉功能的连续ARQ-拉后ARQ系统 具有选择性重发功能的连续ARQ-选择重发ARQ系统2022-12-1644 停止等待ARQ系统 数据按分组发送。每发送一组数据后发送端等待接收端的确认(ACK)答复，然后再发送下一组数据。图中的第3组接收数据有误，接收端发回一个否认(NAK)答复。这时，发送端将重发第3组数据。系统是工作在半双工状态，时间没有得到充分利用，传输

24、效率较低。接收码组接收码组ACKACKNAKACKACKNAKACKt1233455发送码组发送码组12334556t有错码组有错码组有错码组有错码组2022-12-1645 拉后ARQ系统 发送端连续发送数据组，接收端对于每个接收到的数据组都发回确认(ACK)或否认(NAK)答复。例如，图中第5组接收数据有误，则在发送端收到第5组接收的否认答复后，从第5组开始重发数据组。在这种系统中需要对发送的数据组和答复进行编号，以便识别。显然，这种系统需要双工信道 接收数据接收数据有错码组有错码组有错码组有错码组910 1110 1112214365798576ACK1NAK5NAK9ACK5发送数据发

25、送数据576952143679810 1110 11 12重发码组重发码组重发码组重发码组2022-12-1646 选择重发ARQ系统 它只重发出错的数据组，因此进一步提高了传输效率。具有选择性重发功能的连续ARQ也需要全双工连接，但它只要求错误的消息重发，然后发射机从先前停止的地方继续发送原序列而不重发已经正确接收的消息。接收数据接收数据有错码组有错码组有错码组有错码组9214365759810 11131412发送数据发送数据995852143671011131412重发码组重发码组重发码组重发码组NAK9ACK1NAK5ACK5ACK92022-12-1647 ARQ的主要优点：和前向纠

26、错方法相比 监督码元较少即能使误码率降到很低，即码率较高；检错的计算复杂度较低；检错用的编码方法和加性干扰的统计特性基本无关，能适应不同特性的信道。ARQ的主要缺点：需要双向信道来重发，不能用于单向信道，也不能用于一点到多点的通信系统。因为重发而使ARQ系统的传输效率降低。在信道干扰严重时，可能发生因不断反复重发而造成事实上的通信中断。在要求实时通信的场合，例如电话通信，往往不允许使用ARQ法。2022-12-1648 差错控制编码：常称为纠错编码 监督码元：上述4种技术中除第3种外，都是在接收端识别有无错码。所以在发送端需要在信息码元序列中增加一些差错控制码元，它们称为监督码元。不同的编码方

27、法，有不同的检错或纠错能力。多余度：就是指增加的监督码元多少。例如，若编码序列中平均每两个信息码元就添加一个监督码元，则这种编码的多余度为1/3。编码效率(简称码率)：设编码序列中信息码元数量为k，总码元数量为n，则比值k/n 就是码率。冗余度：监督码元数(n-k)和信息码元数 k 之比。理论上，差错控制以降低信息传输速率为代价换取提高传输可靠性。2022-12-1649纠错编码的基本原理纠错编码的基本原理简单例子：简单例子：3位二进制码组（位二进制码组（c1 c2 c3）,其中其中ci=0或或1。此码组有。此码组有8种不同的组合：种不同的组合：000 001 010 011 100 101

28、110 111可分别代表不同的信息含义。若将可分别代表不同的信息含义。若将8种码组都作为有用种码组都作为有用码组来使用，比如代表码组来使用，比如代表8种天气情况：种天气情况：000（晴晴），），001（雷），（雷），010（雹），（雹），011（阴阴），），100（风），（风），101（云云），），110（雨雨），），111（雪）（雪）2022-12-1650任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变成任一码组在传输中若发生一个或多个错码，则将变成另一信息码组另一信息码组这种编码方法就不具有任何抗干扰能力：这种编码方法就不具有任何抗干扰能力：但如果在但如果在8种码组中，规定只准使用其中种码组

29、中，规定只准使用其中4种来传输信息，种来传输信息，比如，许用码组为：比如，许用码组为：000（晴），（晴），011（阴），（阴），101（云），（云），110（雨）（雨）这种编码这种编码接收端有可能检测码组中出现的一位或接收端有可能检测码组中出现的一位或三位错误，但不能发现两位错码的情况三位错误，但不能发现两位错码的情况接收端收到禁用码组时，就认为发现了错误接收端收到禁用码组时，就认为发现了错误2022-12-1651这种方法这种方法只能检测错误，但不能纠正错误只能检测错误，但不能纠正错误比如：当接收端收到禁用码组比如：当接收端收到禁用码组100时，无法判决哪一位码时，无法判决哪一位码发生了错

30、误发生了错误000（晴）（晴）101（云）（云）110（雨）（雨）错一位错一位100要想纠正错误，需要增加多余度，要想纠正错误，需要增加多余度，比如，只准使用两个码组比如，只准使用两个码组2022-12-1652000（晴）（晴）111（阴）（阴）其他均为禁用码组，则它可检测两个错码或能纠正一个错码。其他均为禁用码组，则它可检测两个错码或能纠正一个错码。如：接收端接收到禁用码组如：接收端接收到禁用码组100，若认为只有一个错码，可纠正，若错码，若认为只有一个错码，可纠正，若错码数不超过数不超过2个，只能检测错误个，只能检测错误4种信息完全可以由种信息完全可以由2位二进制数字来表示，即前两位。位

31、二进制数字来表示，即前两位。可见，第三位完全是多余的，这第三位就作为附加的可见，第三位完全是多余的，这第三位就作为附加的监督码监督码2022-12-1653纠错编码的基本思想纠错编码的基本思想v 发送端按照某种规则在信息序列上发送端按照某种规则在信息序列上附加监督码元附加监督码元，接收端则按照同一规则检查两者间关系接收端则按照同一规则检查两者间关系v 码的检错和纠错能力是用信息量的码的检错和纠错能力是用信息量的冗余冗余来换取的。来换取的。添加的冗余越多，码的检错、纠错能力越强，但信道的添加的冗余越多，码的检错、纠错能力越强，但信道的传输效率下降也越多。传输效率下降也越多。v以以牺牲通信的有效性牺牲通信的有效性（信息传输速率）来提高（信息传输速率）来提高可靠性可靠性2022-12-1654 1.2.3.4.2022-12-16思考题思考题55