1、计算机通信与网络Computer Telecommunications & Networks,第2章 数据通信技术基础,数据通信是为了实现计算机与计算机或计算机与终端之间信息交互而产生的一种通信技术，是计算机与通信相结合的产物。 数据通信着重于数据的传输，不涉及数据所表示的原始信息，而计算机通信则着重于信息的交互。,内容概要,内容纲要,数据通信的基本概念 数据传输方式 数据传送技术 多路复用技术 数据交换技术 差错控制技术 数据通信接口特征,2.1数据通信的基本概念,1、数据、信息和信号2、数据通信系统3、传输媒体4、数据通信系统的性能指标,2.1数据通信的基本概念,1、 数据、信息和信号,数
2、据通常是指预先约定的具有某种含义的数字、字母和符号的组合。信号数据在传输过程中的电磁波的表示形式。 信息涉及数据的内容和解释。,2.1数据通信的基本概念,1、 数据、信息和信号,“模拟的”(analogous)连续变化的。“数字的”(digital)取值是离散的。调制把数字信号转换为模拟信号的过程。解调把模拟信号恢复为数字信号的过程。,2.1数据通信的基本概念,数据和信号,模拟数据,数字数据,信息,数据,模拟信号,数字信号,在某个区间产生连续的值,产生离散的值,是一种连续变化的电磁波,是一系列的电压脉冲,信号,1、 数据、信息和信号,2.1数据通信的基本概念,1、 数据、信息和信号,2.1数据
3、通信的基本概念,2、 数据通信系统,2.1数据通信的基本概念,2、 数据通信系统,信源和信宿：信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。信号转换设备：是将信源发出的信息转换成适合于在信道上传输的信号的设备。,2.1数据通信的基本概念,2、 数据通信系统,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,PC 机,2.1数据通信的基本概念,双绞线 同轴电缆 光缆 地面微波 卫星微波 无线电波 红外线技术,3、 传输媒体,3、传输媒体,双绞线,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯套层,屏蔽层,绝缘
4、层,绝缘层,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,2.1数据通信的基本概念,3、传输媒体,绞合的目的：可以减少相邻线对的相互干扰，同时增强了导线的机械强度。双绞线可用于模拟传输和数字传输。价格低，安装方便，但带宽窄，抗干扰性能较差。,双绞线,2.1数据通信的基本概念,3、传输媒体,同轴电缆,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,2.1数据通信的基本概念,3、传输媒体,由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较好的抗干扰特性（特别是高频段），适合高速数据传输。通常按特性阻抗数值不同，可分为两类：50 同轴电缆：数据通信中传输基带信号75 同轴电缆：模拟传输系统（CATV）,同轴电缆,2.1
5、数据通信的基本概念,3、传输媒体,光缆,远供电源,光纤及包层,填充物,外护套,包带层,包层,纤芯,（a）光缆结构剖面图,（b）光波在纤芯中传播,2.1数据通信的基本概念,3、传输媒体,光波利用光的全反射原理通过纤芯传导。光纤通信衰耗小，距离长，抗干扰能力强，传输容量大，保密性好。多模光纤：多条不同入射角光线在一条光纤中传输。单模光纤：直径只有一个光波长大小，直线传输。,光缆,2.1数据通信的基本概念,3、传输媒体,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,2.1数据通信的基本概念,3、传输媒体,光缆,高折射率(纤芯)
6、,低折射率(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,2.1数据通信的基本概念,3、传输媒体,光纤,多模光纤,2.1数据通信的基本概念,电信领域使用的电磁波的频谱,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅无线电,调频无线电,海事无线电,光纤,电视,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 102
7、4,移动无线电,2.1数据通信的基本概念,3、传输媒体,无线电波（全向传播) 可以在自由空间各个方向传播，人们可以根据需要使用不同频段进行不同通信。微波通信（直线传播)地面接力微波：在地面建立若干微波中继站，中继站将前一站信号接收，放大后转发到下一站，实现“接力”式传输。卫星通信：将微波中继站放在卫星上实现。通信建立远，覆盖面积大。,2.1数据通信的基本概念,2.1数据通信的基本概念,4、 数据通信系统的技术指标,传码速率：传码速率又称为调制速率、波特率，记作NBd，是指在数据通信系统中，每秒钟传输信号码元的个数，单位是波特（Baud）。传信速率：又称为比特率，记作Rb，是指在数据通信系统中，
8、每秒钟传输二进制码元的个数，单位是比特/秒（bit/s,或kbit/s或Mbit/s）。,数据传输速率,2.1数据通信的基本概念,4、 数据通信系统的技术指标,数据传输速率,2.1数据通信的基本概念,4、 数据通信系统的技术指标,例2-1若信号码元持续时间为110-4秒，试问传送8电平信号，则传码速率和传信速率各是多少？ 解：传码速率RB=1/T=10000波特 8电平信号，所以，M=8。 则传信速率Rb = RBlog2 M =30000bit/s。,数据传输速率,2.1数据通信的基本概念,4、 数据通信系统的技术指标,信道带宽,信号带宽：指信号具有的频带宽度，单位是赫兹等。模拟信道：表示通
9、信线路允许通过的信号频带范围就称为线路带宽(通频带)。 数字信道：“带宽”是所能传送的“最高数据率”同义语，单位是“比特每秒”。,2.1数据通信的基本概念,4、 数据通信系统的技术指标,信道带宽,常用的带宽单位是千比每秒，即 kb/s （103 b/s）兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，数据量的表示 K = 210 , M = 220, G = 230, T = 240。,2.1数据通信的基本概念,4、 数据通信系统的技术指标,误码率和误组率,误码率：在一定时间内接收到出错的比特数ne与
10、总的传输比特数n之比。 Pe（ne/n) 100误组率：在一定时间内接收出错的组数nBe与总的传输组数nB之比。 PB（nBe/nB) 100,2.1数据通信的基本概念,发送时延（传输时延 ）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。,发送时延 =,数据块长度（比特）,信道带宽（比特/秒）,时延,4、 数据通信系统的技术指标,2.1数据通信的基本概念,传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。,传播时延 =,信道长度（米）,信号在信道上的传播速率（米/秒）,时延,4、 数据通信系统的技术指标,2.1
11、数据通信的基本概念,处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。,时延,4、 数据通信系统的技术指标,2.1数据通信的基本概念,数据从源点经过网络传送，到达目的点所经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：,总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延,时延,4、 数据通信系统的技术指标,2.1数据通信的基本概念,提高链路带宽减小了数据的发送时延。提高网络传输速率，减小网络传输时延，主要是减少发送时延和处理时延。,时延,4、 数据通信系统的技术指标,2.1数据通信的基本概念,时延,4、 数据通信系统的
12、技术指标,例2-3若AB两台计算机之间的距离为1000km，假定在电缆内信号的传播速度是2108m/s，试对下列类型的链路分别计算发送时延和传播时延。 （1）数据块长度为108bit，数据发送速率为1Mb/s； （2）数据块长度为1000bit，数据发送速率为1Gbit/s,2.2数据传输方式,1、并行传输与串行传输2、异步传输与同步传输3、单工、半双工和全双工传输4、模拟传输和数字传输,2.2数据传输方式,并行传输,1、并行传输与串行传输,并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。,2.2数据传输方式,串行传输,1、并行传输与串行传输,串行传输指的是组成字符的若干位二进制
13、码排列成数据流在一条信道上逐位顺序传输。,2.2数据传输方式,异步传输,2、异步传输与同步传输,在发送每一个字符代码（即字符的数据位）时，都要在前面加上一个起始位，表示一个字符的开始；后面加上一个停止位，表示一个字符的结束。,2.2数据传输方式,同步传输,2、异步传输与同步传输,2.2数据传输方式,3、单工、半双工和全双工传输,单工传输只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。半双工传输通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。全双工传输通信的双方可以同时发送和接收信息。,2.3数据传送技术,1、数据序列的电信号表示2、信道容量的概念3、基带传输4、频带传输5、数字数
14、据传输,2.3数据传送技术,1、数据序列的电信号表示,数据序列,单极性不归零码,单极性归零码,双极性不归零码,双极性归零码,0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1,2.3数据传送技术,1、数据序列的电信号表示,数据序列,伪三元编码,曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码,0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1,信道容量是指在一定的条件下，给定通信路径（信道）上所能达到的最大数据传输速率。,2.3数据传送技术,2、信道容量的概念,无噪声的情况下，在带宽为W的信道，其最大的数据传输速率C（信道容量）为 C=2Wlog2M,奈奎斯特(Nyquist)定理,2.3数据传送技术,2、信道容量的概
15、念,2.3数据传送技术,2、信道容量的概念,例2-6 一个无噪声的话音带宽为4000Hz，采用8相调制解调器传送二进制信号，试问信道容量是多少？,带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率 C(信道容量） 可表达为 C = W log2(1+S/N) W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S / N为信噪功率比,2.3数据传送技术,2、信道容量的概念,香农(Shannon)定理,例2-7 一个数字信号通过两种物理状态经信噪比为20dB的3kHz带宽的信道传送，其数据率不会超过多少？,应用举例,2.3数据传送技术,2、信道容量的概念,解：已知信噪比电平为20dB，则信噪功率比 S/N =
16、 100 C = 3000log2(1+100)=30006.66=19.98 kbit/s 数据率不会超过19.98 kbit/s,2.3数据传送技术,3、基带传输,基带信号,矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带(简称为基带) 。,在数字信道上，计算机中的数据是以矩形脉冲信号直接传送的，这种传送方法称为基带传输。,2.3数据传送技术,4、频带传输,频带传输又称为调制传输，就是先将基带信号变换成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的信号（频带信号），再将这种频带信号在信道中传输。,以数字数据控制载波的幅度，称为数字调幅，又称幅移键控，简称ASK。以数字数据控制载波的相位，称为数字调相，又称相
17、移键控，简称PSK。以数字数据控制载波的频率，称为数字调频，又称频移键控，简称FSK。,4、频带传输,数字数据的模拟传输,2.3数据传送技术,4、频带传输,2.3数据传送技术,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,2.4多路复用,信道复用技术是在一条传输信道中传输多路信号，以提高传输媒体的利用率。或指多路信号共享同一条信道的资源(频率、占用时间等),2.4多路复用,1、 频分复用2、 时分复用3、 码分复用4、 波分复用,2.4多路复用,1、频分复用,频分复用是指将传输信道按频率划分成不同的子信道来实现多路复用，每条子信道传输一路信号的复用方式。采用调制技术，将信号搬
18、移到信道相应的频段上。,2.4多路复用,1、频分复用,频率1,频率3,频率2,频率4,时间,频率,2.4多路复用,2、时分复用,时分复用是采用时间分片方式来实现传输信道的多路复用。静态时分复用：多个数据终端的信号分别在不同的预定时隙内传输，其分配关系固定，收发双方保持同步，又称同步时分复用。若无数据传输时，对应时隙空闲。效率较低。,2.4多路复用,2、时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,2.4多路复用,2、时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,2.4多路复用,2、时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,B,D,A,A,A,
19、A,2.4多路复用,2、时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,2.4多路复用,2、时分复用,动态时分复用又称异步时分复用，或称统计时分复用（STDM），是按需分配媒体资源，提高了传输媒体的利用率。动态时分复用中，用户数据传输速率之和可以大于高速线路传输容量。动态时分复用中需要使用缓冲存储和流量控制技术来保证数据正确传送。,2.4多路复用,2、时分复用,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,静态时分复用,#2,#3,#4,用户,2.4多路复用,2、时分复用,用户,A,B,C,D,a,b,
20、c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,2.4多路复用,3、码分复用,码分多址 CDMA 复用 (Code Division Multiple Access)。每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。需使用扩频技术。,2.4多路复用,3、码分复用,每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0，则发送该码片序列二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
21、发送比特 0 时，就发送序列 11100100。,2.4多路复用,4、波分复用,波分复用就是光的频分复用，即在一根光纤上传输多路光载波信号。,2.5数据交换技术,交换是一种集中和转接的概念。采用交换方式，利用集中和转接的概念，通过选择和复用技术，可以提高线路资源的利用率，简化网络拓扑结构，降低网络成本。,网络拓扑结构,交换节点,用户线,全连通,2.5数据交换技术,交换节点转发信息的方式，就称为交换方式。,2.5数据交换技术,电路交换,报文交换,分组交换,存储 - 转发,交换技术,2.5数据交换技术,电路交换：电路交换是在发送端和接收端之间，建立一条临时专用物理通路，供通信双方专用，直到双方通信
22、完毕才能拆除。,特点： 时延小，实时性好 信道资源利用率低，有呼损 没有任何差错控制措施，不利于传输可靠性要求高的突发性数据业务。,2.5数据交换技术,1、电路交换,2.5数据交换技术,A B C D,t,1、电路交换,2.5数据交换技术,2、报文交换,原理 将数据信息封装成报文，报文中包含有控制信息、源地址和目的地址，各交换节点以存储转发的方式进行数据交换（在交换机的缓存中排队，分析，确定路由，等待出线空闲时送出）。,A B C D,t,2.5数据交换技术,2、报文交换,2.5数据交换技术,2、报文交换,(1) 交换节点采用存储转发方式对每份报文完整地加以处理，提高了线路的利用率。(2)每份
23、报文中含有报头，包含收、发双方的地址，可以一对多地传送报文。(3) 报文交换可进行速率、码型的变换，具有差错控制措施。(4)存储转发时延大，随机性也大，过负荷时将会导致报文延迟。,2.5数据交换技术,2、报文交换,2.5数据交换技术,3、分组交换,分组交换是数据量有限的报文交换。,A B C D,2.5数据交换技术,3、分组交换,优点：（1）可实现多路通信功能。（2）采用统计时分多路复用，提高了线路利用率。（3）能够实现不同类型的数据终端设备之间的通信。（4）数据传输质量高、可靠性高。,2.5数据交换技术,3、分组交换,由于采用存储转发方式处理分组，所以分组在网内的平均时延可达几百毫秒。每个分
24、组附加的分组标题，增加开销，不适合于在实时性要求高、信息量大的环境中应用。分组交换技术比较复杂，涉及到网络的流量控制、差错控制、编码、速率的变换方法和接口；网络的管理和控制的智能化等 。,2.5数据交换技术,3、分组交换,差错，就是在通信接收端收到的数据和发送端发送的数据不一致的情况。差错控制的目的：用来提高数据传输的可靠性与传输效率 。,2.6差错控制技术,2.6差错控制技术,1、差错控制原理 2、差错控制的方式 3、差错控制编码,随机差错 原因： 信道热噪声 特点： 随机的、单个的突发差错 原因： 脉冲噪声（如闪电） 特点： 成片的、连续的,2.6差错控制技术,1、差错控制原理,差错产生的
25、原因,2.6差错控制技术,在发送的数据码元序列中加入监督位，并进行某种变换，使它们和原来相互独立的数据码元之间具有某种约束关系。在接收端检测接收的数据码元和监督码元的约束关系，如果这种约束关系被破坏，则接收端就可以发现传输中的错误，甚至纠正错误。,1、差错控制原理,检错码可以发现传输错误，但不能自动纠正纠错码可以自动纠正传输错误。差错控制是以降低效率为代价的。,2.6差错控制技术,1、差错控制原理,自动请求重发：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。前向纠错：接收端不仅能在收到的信码中发现有错码，而且能够纠正错码。混合方式：对少量差错予以自动纠正，而超过其纠正能力的差错则通过
26、重发的方法加以纠正。,2.6差错控制技术,2、差错控制的方式,2.6差错控制技术,码间距离（d） ：两个码字的对应位取值不同的个数。例：1000100110110001汉明距离（d0） ：一个有效编码集中，任意两个码字的码间距离的最小值。即一组编码中的最小码距。,码间距离 d = 3,3、差错控制编码,汉明距离与纠错检错能力如果要能检测 e 个差错，则编码集的汉明距离至少为 e + 1；如果要能纠正 t 个差错，则编码集的 汉明距离至少为 2 t + 1；如果要能检测 e 个差错，同时能纠正 t 个差错（ e t ） ，则编码集的汉明距离至少为 e + t + 1；,2.6差错控制技术,2.6
27、差错控制技术,3、差错控制编码,奇偶校验码码重为奇数或偶数的(n , n-1)系统分组码,监督关系假设将（n，n-1）的奇偶监督码的码字记作：an-1,an-2,a1,a0， 其中a0为监督码元，其余为信息码元，则各码元满足：,循环冗余码 （CRC）是一种特殊的线性分组码。循环冗余码各码组中的码元循环左移(或右移)，所形成的码组仍然是一个许用码组(全零码组除外)，称为循环性。循环冗余码具有较高的检错能力。,2.6差错控制技术,3、差错控制编码,循环冗余码（CRC）,2.6差错控制技术,例如 A4=0111001，对应的码多项式为 ：,码多项式,(n，k)循环码中，码字 A =an-1 an-2
28、 a1 a0 ，它对应的码多项式为：,生成多项式：常数项必须为1 ，并且g(x)是 xn+1 的一个因式。,生成多项式 g(x),2.6差错控制技术,CRC-16,CRC-CCITT,CRC-32,标准生成多项式,3、差错控制编码,2.6差错控制技术,选择 r 阶生成多项式 G(x) ，rnk在数据帧末尾加 r 个0，形成多项式 xrM(x) xrM(x) R(x) G(x) G(x)移项得： xrM(x) R(x) Q(x) G(x) 发送循环码多项式 T(x) = xrM(x) R(x)检错标准：接收端检测T(x) / G(x)是否为零, Q(x) ,循环冗余码CRC的编码和检错,3、差错
29、控制编码,2.6差错控制技术,3、差错控制编码：循环冗余码CRC的编码和检错,2.6差错控制技术,2.6差错控制技术,3、差错控制编码：循环冗余码CRC的编码和检错,2.6差错控制技术,3、差错控制编码：循环冗余码CRC的编码和检错,得出的余数 R 不为 0，就表示检测到差错。一旦检测出差错，就丢弃这个出现差错的帧。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。,3、差错控制编码,循环冗余码（CRC）,2.6差错控制技术,码长为n，信息位为k， 则监督位数 r = n -kr个监督位构造出r个监督关系式来指示一位错码的n 种可能位置： 2r 1 n 或
30、 2r k + r + 1,2.6差错控制技术,3、差错控制编码,汉明码,r3= c7 c6 c5 r2= c7 c6 c4r1= c7 c5 c4,2.6差错控制技术,3、差错控制编码,汉明码校验位生成式,S1= c7 c6 c5 r3S2= c7 c6 c4 r2S3= c7 c5 c4 r1,2.6差错控制技术,3、差错控制编码,汉明码偶校验关系,2.6差错控制技术,3、差错控制编码,汉明码,例2-8 假如在接收端收到码字0000011，请判断是否有错？如何纠正？解：按以上校正因子的计算式 可得：S1= c7 c6 c5 r3=0，S2= c7 c6 c4 r2=1，S3= c7 c5
31、c4 r1=1，因为三个校正因子不全为0，说明码字有错，错误位置为S=S1S2S3=011=3，即信息位c4有错，将c4上的0变为1，即可纠正错误。最后去掉校验位，得到正确信息位为0001。,2.6差错控制技术,3、差错控制编码,汉明码,数据、信息和信号的概念数据通信系统传输媒体数据通信系统性能的指标 传输方式 Nyquist（奈奎斯特）定理和Shannon（香农）定理,本章小结,基带传输和频带传输 复用技术交换技术差错控制技术,本章小结,2.4多路复用,3、码分复用,每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。如发送比特 0，则发送该码片
32、序列二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),2.4多路复用,3、码分复用,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。,2.4多路复用,令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,3、码分复用,2.4多路复用,3、码分复用,令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)， 向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入公式就可看出这两个码片序列是正交的。,2.4多路复用,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,3、码分复用,2.4多路复用,3、码分复用,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx + Tx,规格化内积 S Sx,规格化内积 S Tx,数据码元比特,发送端,接收端,
