1、网络技术基础数据通信基础主讲：边琦主讲：边琦20063第2章 数据通信的基础知识 n2.1基本概念n2.2信息及其主要特性n2.3传输介质n2.4数据编码n2.5多路复用技术n2.6数据交换技术n2.7差错控制及检错本章学习目标 记忆数据通信的基本概念了解数据通信的主要构成与信息主要特性记忆主要传输介质的特性理解数据编码了解多路复用技术、交换技术理解差错控制2.1基本概念通信系统模型通信系统模型n(1)信息（Information）是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。n(2)数据（Data）一般可以理解为“信息的数字化形式”或“数字化的信息形式”。狭义的“
2、数据”通常是指具有一定数字特性的信息，如统计数据、气象数据、测量数据及计算机中区别于程序的计算数据等。但在计算机网络系统中，数据通常被广义地理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。n(3)信号（Signal）简单地讲就是携带信息的传输介质。在通信系统中我们常常使用的电信号、电磁信号、光信号、载波信号、脉冲信号、调制信号等术语就是指携带某种信息的具有不同形式或特性的传输介质。数据通信系统的主要构成1.数据传输系统：传输线路调制解调器多路复用器交换机2.数据处理系统：终端设备计算机系统3.教材图2.2数据通信系统数据通信基本过程n第一阶段：建立通信线路，形成物理通道n第三阶段：传送控制信号
3、与数据信号n第二阶段：建立数据传输链路，建立通信同步n第四阶段：通信结束后，双方发送确认结束n第五阶段：交换机断开连接发送端发送端交换机交换机交换机交换机接收端接收端数据通信的性能指标n1、传输速率：单位时间内所传输的数据量。可以采用两种方式作为表示方式。n（1）码元速率：RB（波特率）n（2）信息速率：Rbn对于M进制：Rb RBlog2Mn二进制信号信息量：0、1（每一脉冲表示1个信息）n四进制信号的信息量：00、01、10、11n每一脉冲表示2个信息n（教材图2.3二进制信号与四进制信号波形）数据通信的性能指标n2、误码率：指接收消息的错误码元数在传输消息的总码元数中所占的比例。n信道的
4、出错率n一般要求低于106信道的性能指标n信道容量：信道上所允许的最大数据传输速率。nITUT规定n带宽：可传送信号最高频率与最短频率之差。n如ADSL:话音通道（4KHz）、上行通道（10-50）下行通道（1MHz）n带宽与速度：1.54Mb/s2.2信息及主要特点n1、数据信道和模拟信道010101100数据信道和模拟信道n1、模拟信道传送数字信道传送n数字通信系统的任务是传输数字信息，数字信息可能来自数据终端设备的原始数据信号，也可能来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号。n频带信号：指音频模拟信号，即带宽为300Hz-3400Hz的普通电话信号。n基带信号：在计算机数据通信中，主要指
5、数字信号，它是一种矩形波，其分量的频率范围相差很大。信道的传输速率n信道容量：nC 2 W log 2Mn其中：W是信号的带宽n2W是最高信号速率nM表示采用的信号进制n如：电话线传送信号，W3100HZ采用二进制信号，C就是2W，即6200 b/s，若采用四进制信号，利用公式：C18600 b/s通信线路连接方式n1、点点方式：n2、分支连接方式：n3、集线连接方式：中心结点终端结点中心结点终端结点终端结点网络核心中心结点终端结点终端结点终端结点数据传输方式通信方式n信道的交互方式是指在一条物理信道上所允许的信号流动方向。可以有以下三种基本方式：n（1）单向通信。又称单工通信，即只能有一个方
6、向的通信，而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。n（2）双向交替通信。又称半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（或同时接收），这种通信方式往往是一方发送另一方接收。n（3）双向同时通信。又称全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息。电话就是全双工。发方发方收方收方A方方A方方B方方B方方并行与串行传输n在数据传输时，一条线路同一时刻只能传输信号的1位。如果将信号的各位分别在多条线路同时传输时，则称为并行传输；如果只用一条线，让信号以位为单位顺序传输，就称为串行传输。数数据据通通信信设设备备数数据据通通信信设设备备111001011110
7、01011110010111100101数据同步方式n为了让计算机的各部件间协调工作，必须靠时钟进行定时与定序，发收两端校对时间就称为同步。n按照传输的数据长度可以分为：n1、位同步n2、字节级同步n3、帧级同步位同步n位同步就是使接收端接收的每一位数据信息都要和发送端准确地保持同步。n方式：n外同步：发送数据前发送同步信号校正n内同步：数据信息波形本身提取同步信息字节级同步n两端每次以字节为单位传输数据，并在字节两端加特殊记号，作为开始与结束。n优点：n接收方按字节来接收，虽然会出现时钟差异，但由于字节短，差错较少。n异步机制与同步机制。同步传输与异步传输n同步传输：接收端与发送端具有共同时
8、钟。n位级同步与帧级同步采用同步控制方式n异步传输：接收端与发送端不需要严格的时间标准也称为起止同步方式n字节级同步性异步控制方式帧级同步n规定链路中数据块长度；采用帧同步时，在每个数据块两端加前文与后文。n（a）面向字符序列的数据块中加控制字符SYNn（b）面向位流的数据块中增加01111110作为开始与结束标志。n注：若数据流中有“01111110”，则每五个1后加“0”，接收方删除。n帧级同步采用同步控制方式2.3传输介质n有线传输：n同轴电缆n双绞线电缆n光纤n无线传输：n地面微波n卫星n红外线同轴电缆n可分为粗缆与细缆有线传输介质n同轴电缆分类同轴电缆分类nRG-8（50）粗缆n基带
9、同轴电缆nRG-58（50）细缆n基带同轴电缆nRB-62（75）CATVn基带同轴电缆Coaxial CableCoaxial cable consists of a hollow outer cylindrical conductor that surrounds a single inner wire made of two conducting elements.粗同轴电缆粗同轴电缆n数据速率：10Mbit/sn采用曼彻斯特编码n网段长500Mn利用收以发器、转发器n可用四个转发器n长度可达到：2.5Kmn采用总线结构细同轴电缆细同轴电缆n数据速率：10Mbit/sn采用曼彻斯特编码n
10、网段长200M（185M）n利用T型插座、转发器n每个段内可有30个站点n可用四个转发器n采用总线结构细缆细缆相应设备相应设备BNC接头T型接头BNC接口工作站同轴细缆网卡BNC终接器双绞线电缆n可以分为非屏蔽双绞线与屏蔽双绞线，非屏蔽双绞线也可分为3类、5类、6类等UTPSTP有线传输介质n双双绞线分类绞线分类：n非屏蔽双绞线（UTP）q1003类UTP:电话线、数据线（16M）q1005类UTP：100M内达100Mq1503类UTPn屏蔽双绞线（STP）q1505类STPCollision Domain:Extended by a Hubs 双绞线双绞线n数据速率：10Mbit/sn采用
11、曼彻斯特编码n采用星型结构n网段长100Mn利用集线器、级连n可用四级级连n（采用早期的3类线）光纤n光纤：q可传导光线的纤维介质q分为单模与多模光纤驱动器光源光检测器放大器电信号光信号电信号光纤传送电信号的过程Fiber Optic Cable光纤传输方式n单模光纤：n光沿着光纤的方向传输n多模光纤：n利用光的反射特性n初使角度不同可同时传输信号无线传输介质n传输方式：定向和全向传输n介质：n地面微波：距离与干扰带来损耗n卫星n红外线传输介质比较n选择原则：n各种介质的电气特性n性能与价格的比较n功能实现的基本要求n环境等要求2.4数据信号分析与编码n数字通信系统的任务是传输数字信息，数字信
12、息可能来自数据终端设备的原始数据信号，也可能来自模拟信号经数字化处理后的脉冲编码信号。数据传输方式n基带传输：n方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号。在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输。n频带传输：n数据信号调制成模拟信号的传输。n宽带传输：n传输大于1Mb/s的广域网技术数字信号的模拟调制n通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据模拟信号调制方式有以下三种（如图2-5所示）。（1）幅移键控方式（ASK，Amplitude-Shift Keying）（2）频移键控方式（FSK，Frequency-Shift Keying）
13、（3）相移键控方式（PSK，Phase-Shift Keying）0 1 0 1 0 1 1 0 0 基带信号 幅移键控ASK 频移键控FSK 相移键控PSK 图图2-11 对基带数字信号的几种调制方法对基带数字信号的几种调制方法数字编码n二进制数字信号的编码方式：n1、单极性码与双极性码：单极性即利用有无电流表示，而双极性用正负电流表示。n2、归零码与不归零码n最终是否在无电流处停留曼彻斯特n克服不归零制编码缺点的一种编码方案是曼彻斯特（Manchester）编码，它是一种自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息。n另一种曼彻斯特编码的变种叫做差分曼彻斯特编码，它的编码规则是：若码元为1，则其
14、前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是或，在每个码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。1 0 1 1 0 0 高H 低L“1”高电平“0”低电平 中间跳“0”上跳“1”下跳 中间总有跳变“0”开头跳 高H 低L 高H 低L（a）不归零制编码（b）曼彻斯特编码（c）差分曼彻斯特编码 图图2-13 常用数字信号编码常用数字信号编码10110001模拟数据的数字信号编码 n脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）是波
15、形编码中最重要的一种方式，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等均获得了极为广泛的应用，现在的数字传输系统大多采用PCM体制。PCM最初并不是用来传送计算机数据的，采用它是为了解决电话局之间中继线不够，使一条中继线不只传送一路而是可以传送几十路电话。PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。（教材图2.25）2.5信道的多路复用技术n一条物理信道可能分为几条逻辑信道n在复杂拓扑结构的网络上，两点之间的通信并不一定要有一条专门的物理线路，而可以由其内部节点间的连接来实现n多路复用：指在一个物理信道上同时传送多个信号，或是把一个物理信道分成多个逻辑信道，以提高信道利用率。2.5.1 频分多路复用
16、 n当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）。可用频段频率时间子信道A子信道B子信道C子信道D图2.24 FDM子信道示意图FDM子信道示子信道示意图意图 nFDM系统的原理示意图如图所示，它假设有6个输入源，分别输入6路信号到频分多路器F
17、DM-MUX，多路器将每路信号调制在不同的载波频率上（例如f1，f2，f6）。每路信号以其载波频率为中心，占用一定的带宽，此带宽范围称作一个通道，各通道之间通常用保护频带隔离，以保证各路信号的频带间不发生重叠。通道（1）通道（2）通道（3）通道（4）通道（5）通道（6）多路复用器MUXMUX源1源2源3源4源5源6目标1目标2目标3目标4目标5目标6多路复用器FDM原理原理返回本节返回本节2.5.2 时分多路复用 nTDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的
18、时间也是相同的，即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如图所示。可用频段频率时间图2.28 TDM子信道示意图A B C D A B C D A B C D A B C D组成子信道A的时隙时分复用帧图2.29 TDM原理2多路复用器MUX源1源2源3源4源5源6多路复用器MUX目标1目标2目标3目标4目标5目标63 4 5 6 1 2 3 4 516TDM子信道示意图子信道示意图 TDM原理原理返回本节返回本节2.5.3光波分多路复用技术nWDM技术：在一根
19、光纤中能同时传输多个光波信号的技术。n发送端将不同波长的光信号组合起来，复用到一根光纤上，接收端又将组合的光信号分开。2.5.4码分多路复用n利用码型结构的不同来实现信号分割技术，可分为码分多路复用（CDM）和码分多址利用（CDMA）。2.6数据交换技术n把一条线路上的数据转接到另一条线路上，称为数据交换。交换机构输入链路输出链路2.6.1 电路交换n通信双方在进行数据伟送之前先要建立一个实际的物理电路连接，连接的电路被通信的一对用户独占，只有通信结束电路释放后，才能被其它用户使用。n步骤：n建立连接（呼叫）n数据传送n线路拆除（释放）节点A节点B节点C节点D时间呼叫应答数据传输确认释放时间电
20、路交换特点n由于需要连接过程，建立连接需要时间，故适合传输大量数据，少量数据时效率不高。n连接一旦建立，便可以固定速率传输数据，除了传输延迟外，不在有别的延迟n一旦连接成功，就建立了一条临时专线，即使不通话，也被占用，他人不可使用。n适用于模拟信息的传输和实时大批量连续的数字信息传输。2.6.2 报文交换n早期的存储转发技术节点A节点B节点C节点D时间报文确认报文交换技术n报文：需要发送的整个数据块，如一个数据文件、一个文档等。每个报文分为报头、正文和报尾。n优点：n不要求预建立传输通道；线路复用率高；传输可靠性好，可重发或转发。n缺点：n存储转发延时大；不能传输大批量数据；长报文重发影响网络
21、效率。n适用范围小，现在基本不用2.6.3分组交换n分组交换方式是把要传输的报文分成若干个小的数据块，称为分组（Packet），以分组的形式按报文的方式传输，目的地重新组合。n优点：n对中间节点存储要求小；转发延时小；差错小且易处理；n缺点：目的节点加工处理时间与复杂度增加n可分为数据报(Datagram)与虚电路(Virtual Circuit)分组交换n将报文分割成规定长度的信息组分组打包，然后加上标签，按编号一批一批发出。数据报方式n报文打包后，在每个包中有完整的目的地址，每个数据包可以选择不同的路径2 13412342 134数据报方式特点n1、每个分组走过的路径可能不同n2、到达时间
22、不同，需要通过序号来再装n3、数据服务不需要连接n4、传送延时大，适合于突发性通信，不适合于长报文通信。虚电路方式n在发送端与接收端之间找出一条通道，数据在发送时按此信道发送。2 1342 1342 1342 1342 134节点A节点B节点C节点D时间建立虚电路数据传输确认释放虚电路2 134虚电路服务n1、建立虚电路：启动路由算法，呼叫请求分组n2、数据传输：数据打包，按虚电路发送。n3、拆除虚电路。n优点：分组打包有利于纠错n不会占物理通道的每一段电路n在数据包中附加地址少2.6.4快速分组交换n电路交换电路交换分组交换标准分组快速交换X.25帧中继信元中继指定帧中继交换帧中继802.6
23、B-ISDNn分组交换n帧中继交换n信元交换2.7差错控制信源信源信宿信宿信道信道通信信道数据噪声干扰数据11100101101001012.7.1差错产生的原因n传输路线的电气特性n电气信号在传输过程中产生的回音效应n相邻路线之间的串线干扰n其它外界的干扰 差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进行抗干扰差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进行抗干扰编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可靠性，它编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可靠性，它在发送端被传输的信息码元序列中，以一定的编码规则附加在发送端被传输的信息码元序列中，以一定的编码规则附加一些校验码元，接收端利用该规则进行相
24、应的译码，译码的一些校验码元，接收端利用该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错或纠正差错。结果有可能发现差错或纠正差错。在差错控制码中，检错码是指能自动发现出现差错的编在差错控制码中，检错码是指能自动发现出现差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能够自动纠正差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能够自动纠正差错的编码。当然，检错和纠错能力是用信息量的冗余和降低系统的码。当然，检错和纠错能力是用信息量的冗余和降低系统的效率为代价来换取的。效率为代价来换取的。2.7.2差错控制常用的差错控制编码n1奇偶校验码 n奇偶校验码是一种最简单也是最基本的检错码，一维奇偶校验码的编码规则是把信息
25、码元先分组，在每组最后加一位校验码元，使该码中1的数目为奇数或偶数，奇数时称为奇校验码，偶数时称为偶校验码。n2循环冗余码 n循环冗余码（CRC，Cyclic Redundancy Code）校验（Check）是目前在计算机网络通信及存储器中应用最广泛的一种校验编码方法，它所约定的校验规则是：让校验码能为某一约定代码所除尽；如果除得尽，表明代码正确；如果除不尽，余数将指明出错位所在位置。奇偶校验奇偶校验能发现码组中的单个错码，虽然任何奇数个错码都能被检出，但对两个或多个（偶数个）错码却无能为力，其检错能力是发现单比特错码n奇校验：码字“1”个数为奇数n偶校验：码字“1”个数为偶数纵横奇偶校验b
26、10b11b12b13b14b15b16b17b1pb20b21b22b23b24b25b26b27b2pb30b31b32b33b34b35b36b37b3pb40b41b42b43b44b45b46b47b4pb50b51b52b53b54b55b56b57b5pbm0bm1bm2bm3bm4bm5bm6bm7bmpc0c1c2c3c4c5c6c7cpb10b11b12b13b14b15b16b17b1pb20b21b22b23b24b25b26b27b2pb30b31b32b33b34b35b36b37b3pb40b41b42b43b44b45b46b47b4pb50b51b52b53b
27、54b55b56b57b5pbm0bm1bm2bm3bm4bm5bm6bm7bmpc0c1c2c3c4c5c6c7cp纵横奇偶校验的特性n纵横奇偶校验q有能力发现所有不超过3个错码的出错帧q仅对处在矩形4顶点上的4个错码将无力发现q若每行n位，能检出所有突发长度小于n+2的突发错循环冗余校验n预备知识码组与多项式系数序列的对应码组与多项式系数序列的对应例 1 X4+0 X3+0 X2+1 X+1代表 1 0 0 1 1 模模2 2域内的多项式除法域内的多项式除法模2域内的减法与加法相同（异或）减法举例n11-5=6（十进制）n1011-101=110（二进制）n1011-101=1110（半加
28、）n半加 即 模2域内的减法多项式编码的原理n M(x)为码多项式；n G(x)为 r 次的生成多项式；n以 xr M(x)为被除式，G(x)为除式n 可得到 商式 Q(x)和 余式 R(x)n xr M(x)=Q(x)G(x)+R(x)n xr M(x)+R(x)=Q(x)G(x)n令 T(x)=xr M(x)+R(x)n显然发送的 T(x)是 G(x)的倍式n接收方收到 T(x)，如果不是 G(x)倍式，则为出错帧CRC的含义和演变n在编码理论中，把符合某一规律的码组称作构成码系统的合法码组。若任一个合法码组循环移任意多位之后，仍为合法码组，则这种编码方法得到的是循环码。某些多项式编码产生
29、的码组有n位，又具有(xn+1)为G(x)倍式的特点，它产生出的T(x)就是循环码，因为它循环移任意多位之后，仍能被G(x)除尽。n循环特性常可用于纠错编码。目前常把并非“循环”的多项式编码也叫CRC校验。多项式编码的过程1 0 1 1 1 0 1 01 0 0 11 0 1 0 1 1 0 1 0 0 01 0 0 11 1 1 11 0 0 11 1 0 01 0 0 11 0 1 11 0 0 11 0 0 01 0 0 10 1 0CRC编码、校验步骤n按校验位数在右方添0，形成被除式n以生成多项式为除式n在模2域中做除法，求余式n被除式再与余式做半加得到发送序列n收方边收边做除法，除尽才认可CRC编码（例）n题：信息位10100001，冗余函数为nG（x）=x4+x2+x+1,求解：从题可知 K(x)x6+x4+1G(x)可知冗余码 r=4，所以R(x)=x4*K(x)=x10+x8+x4 所以对应代码为：101000010000计算：得出余数：1101故码字应为：101000011101（7,4）CRC循环码的出错模式循环码的出错模式（G（x）=1011）差错控制协议n差错控制协议ARQ是链路层的一种传输控制协议，它具有流量控制和差错控制等功能。nARQ（检错、自动反馈重发法）q发方使用检错编码、收方检错q根据收方的反馈发方重发出错帧
