1、第3讲 数据通信的基本概念,本章主要内容,2.1 数据通信基础中的基本概念 2.2 数据通信系统的几项技术指标 2.3 传输介质(局域网） 2.4 数据传输的两种方式 2.5 数据通信方式 2.6 数据交换方式 2.7 信道多路复用技术 2.8 数据传输中的差错校验和纠正 2.9 本章小结,2.1 数据通信基础中的基本概念,2.1.1 信息、数据与信号 2.1.2 码元与码字 2.1.3 信道及信道容量,2.2 数据通信系统的几项技术指标 1.比特率S: 2.波特率B: 3.出错率: 4.带宽与数据传输速率:,2.4 数据传输的两种方式,2.4.1 模拟传输 2.4.2 数字传输,并行通信 串
2、行通信,单工通信 半双工通信 全双工通信,线路交换 报文交换 分组交换,同步传输 异步传输,模拟通信 数据通信,2.5 数据通信方式,2.5.1 单工、半双工与全双工通信 2.5.2 两线制和四线制 2.5.3 同步传输和异步传输,2.5.1 单工、半双工与全双工通信,数据通信的线路工作模式分为单工、半双工和全双工3种。1.单工通信方式。在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收，接受方不能发送。 2.半双工通信方式。在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。 3.全双工通信方式。,1、单工通信（双线制）,数据信号固定地从发送端A传送到接收端B。 理论上只需
3、要一根线，但实际中还有一根控制信号线。 例：电视信号的传送,串行数据通信的3种方式,2、半双工通信（双线制+开关）,允许数据信号双向传送，但不能同时进行。该方式要求A、B端都有发送装置和接收装置。要想改变传输方向，需要利用开关进行切换。 例：无线电对讲机。,3、双工通信（四线制）,例：电话，双方同时通话。 全双工通信效率高，控制简单，但造价高，适用于计算机之间的通信。,2.5.2 两线制和四线制,两线制是指在两个通信调制解调器之间有两条物理连接线互相连接，两线制通常工作于半双工方式，只是在低速时可工作于全双工方式。 四线制是指在两个调制解调器之间有四条物理连接线，其中两条用于发送信号，两条用于
4、接收信号，故可以实现全双工操作。,2.5.3 异步传输与同步传输,1.异步传输异步传输即把各个字符分开传输，字符与字符之间插入同步信息。 2. 同步传输异步传输不适合于传送大的数据块，而同步传输在传送连续的数据块时比异步传输更有效。,1 0 1 1 0 0 1 1起始位 校验位 停止位,1、异步传输异步传输方式中，一次只传输一个字符。每个字符用一 位起始位引导、一位停止位结束。在没有数据发送时，发 送方可发送连续的停止位。接收方根据“1”至“0”的跳变来 判断一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。,缺点：一是每一个字符都要加上辅助位造成传输效率降低；二是由于收发双方的时钟差异决定了这种方式
5、传输速率不能太高，常用在低速传输中。,2、同步传输 同步传输时，为使接收双方能判别数据块的开始和结束，还需要在每个数据块的开始处和结束处各加一个帧头和一个帧尾，加有帧头、帧尾的数据称为一帧。帧头和帧尾的特性，取决于传送数据块是面向字符的还是面向位的。面向字符的：采用特殊字符；面向位的：采用特殊的“位”系列，如01111110。,帧头 数据块 帧尾,一个或多个 结束控制SYNC 字符,2.6 数据交换方式,在计算机网络中，常常需要通过有中间节点的线路来将数据从源地发送到目的地，以此实现通信。数据经编码后在通信线路上进行传输，按数据传送技术划分，交换网络又可分为电路交换网、报文交换网和分组交换网。
6、,数据交换问题的提出：,电路交换,报文交换,数据报交换,虚电路交换,2.6.1 线路交换,线路交换(circuit switching)最典型的例子就是“电话通信”，如图所示，我们大家都有打电话的经验，当我们要和对方进行通信时，首先拨号发出呼叫请求，经过交换机的转接，对方听到呼叫的铃声，拿起电话进行语音通信。,电路交换,1、线路交换原理线路交换是指数据传输期间，在源站点与目的站点之间建立专用电路链接，数据传输结束之前，电路一直被占用，而不能被其他节点所使用。用电路交换技术完成的数据传输要经历以下三个阶段。 1. 电路的建立 2. 数据传输 3. 电路拆除,2、电路交换技术的优缺点及特点,1)优
7、点数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。 2)缺点在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费；在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。因此，它适用于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。 3)特点线路为专用。,2.6.2 报文交换,问题的提出：当端点间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换方法的缺点是信道容量和有效时间的浪费。采用报文交换则不存在这种问题。报文交换属于存储转发交换。,1. 报文交换原理,报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址
8、信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无需先通过呼叫建立连接。,2. 报文交换的特点,1)报文从源点传送到目的地采用“存储-转发“方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。2)在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。,3. 报文交换的优点,1)电路利用率高。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。2)在电路交换网络上，当通信量变得很大很大时，就不能
9、接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。3)报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。4)能够建立报文的优先权。5)报文交换网络可以进行速度和代码的转换。,4. 报文交换的缺点,1)不能满足实时或交互式的通信要求，报文经过网络的延迟时间长且不定。2)有时节点收到过多的数据而无足够空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文，而且发出的报文不按顺序到达目的地。,报文交换适用于长报文、无实时性通信要求的场合，不适合会话式通信，是我国公用电报网中采用的交换技术。,分组交换是报文分组交换的简称，又称包交换。它是报文交换的一种改进，
10、它将报文分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。每个分组中包括数据和目的地址。 其传输过程在表面上看与报文交换类似，但由于限制了每个分组的长度，因此大大地改善了网络传输性能。它是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。,2.6.3 分组交换,首部,首部,首部,发 送,发 送,接收端,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,11010011101 00101001110,分组交换与报文变换最大的不同点是： (1) 把数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，这样每个节点所需要的存储量低了。 (2) 分组是较小
11、的传输单位，只有出错的分组才会被重发，因此大大降低了重发的比例和开销，提高了交换速度。,分组交换有虚电路分组交换和数据报分组交换两种。 虚电路方式(virtual circuit)虚电路方式又分为两种：呼叫虚电路和 永久虚电路。呼叫虚电路方式也要经历以下三个过程。 建立虚电路 交换数据 拆除虚电路,呼叫虚电路方式,1、虚电路,在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的，就像报文交换中的报文一样也是独立处理的。每个分组被称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。 一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所存储的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报发送到下一个节点。 在
12、整个过程中，没有虚电路建立，中间节点要为每个数据报作路由选择。,2、数据报方式(data gram),图2-12 数据报方式,虚电路方式与数据报方式相比，其不同点在于： (1) 虚电路方式是面向连接的交换方式，常用于两端点之间数据交换量大的情况，能提供可靠的通信功能，保证每个分组正确到达，且保持原来的顺序。但虚电路方式有一个弱点，当某个节点或某条链路出故障而彻底失效时，则所有经过故障点的虚电路将立即破坏，导致本次通信失败。 (2) 数据报方式是面向无连接的交换方式，适用于交互式会话中每次传送的数据报很短的情况。,2.6.4 快速分组交换,1. 帧中继交换帧中继交换是在开放系统互连(OSI/RM
13、)参考模型的第二层，即数据链路层上使用简化的方式传送和交换数据的一种方式。 2. 信元交换信元交换将信息通过适配层切割成固定长度的信元，每个信元由5个字节的首部和48字节的信元净荷组成。 3. 光分组交换光分组交换的关键步骤有光分组的产生、同步、缓存、再生，光分组头重写及分组之间的光功率的均衡等。,帧中继的主要特点是:使用光纤作为传输介质,因此误码率极低,能实现近似无差错传输,减少了进行差错校验的开销,提高了网络的吞吐量；帧中继是一种宽带分组交换,使用复用技术时,其传输速率可高达44.6Mbps。但是,帧中继不适合于传输诸如话音、电视等实时信息,它仅限于传输数据。,多路复用技术概述 把许多单个
14、信号在一个信道上同时传输的技术。频分多路复用FDM 在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下，将该物理信道的总带宽分割成若干个传输单个信号带宽相同的子信道。时分多路利用TDM 把传输信号的时间进行分割，即将整个传输时间划分成许多的时间间隔（时间片），使多路信号在不同的时间片内轮流交替地传送。,2.7 多路复用技术,FDM适用于模拟信号。例如双绞线的可用带宽是100KHZ，因此，在同一根双绞线上采用频分复用技术可多路传输多达？路电话。频分多路复用器把传输介质的可用带宽分成一个个频段，每个输入装置分配到一个频段。每个频段也称一个子信道。,2.7 信道多路复用技术,1.频分多路复用,多路
15、复用技术,频谱搬移，将信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠。,2.时分多路复用时分多路复用TDM (Time Division Multiplexing)是将一条物理线路按时间分成一个个的时间片，每个时间片常称为一帧(Frame)，每帧长125s，再分为若干时隙，轮换地为多个信号所使用。,TDM适用于数字信号。把可用时间分成大小相同的时隙。,A1,B1,C1,TDM,TDM,A2,B2,C2,A1,A1,B1,C1,B1,C1,时分多路复用可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用。 同步时分多路复用：时间片与数据源一一对应。异步时分多路复用：时间片按照需求动态分配。
16、,3.波分复用技术波分复用，指在同一根光纤上同时传送多个波长不同的光载波，光载波间隔仅0.8或1.6nm。,4.码分多址技术码,码分复用CDM是另一种共享信道的方法，它是一种用于移动通信系统的共享信道的新技术，笔记本电脑或PDA(Personal Data Assistant)以及HPC(Handed Personal Computer)等移动性计算机的连网通信都会大量用到码分复用技术。 实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频率进行通信 。 在CDMA中，每一个比特的时间再划分为m个短的时间片，称为码片(chip)，通常m的值是64或128。,2.8
17、 数据传输中的差错校验和纠正,2.8.1 纠错码与检错码 2.8.2 奇偶校验 2.8.3 方块校验 2.8.4 循环冗余校验,原因：传输线路上的噪声现象。 内部因素：噪音脉冲、衰减、延迟失真等；外部因素有电磁干扰、 工业噪音等。如何提高数据传输质量： 一是改进信道的性能，降低误码的概率 第二是采用纠正错码的方法，差错控制。,2.8.1 纠错码与检错码,纠错码是指发送端在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接受译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。 检错码是指发送端在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确
18、，如果存在错误，它不能纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧，把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。目前广泛采用的检错码有奇偶校验码、方块码和循环冗余码等。,2.8.2 奇偶校验,奇偶校验(VRC)又叫字符校验，或叫垂直冗余校验VRC (vertical redundancy code)。它是在每个字符编码的后面，另外增加一个二进制位。该位叫做校验位，其主要目的是使整个编码中的“1”或“0”的个数成为奇数或偶数。如果使编码中“1”的个数成为奇数则叫做奇校验，反之，则叫做偶校验。 奇偶校验并不是一种十分安全可靠的检错方法，如果有偶数个数据位在传输来说
19、，奇偶校验是一种令人满意的检错法。通常偶校验常用于异步传输或低速传输，而奇校验常用于同步传输。,例如：信息字 奇校验 偶校验0110001 01100010 01100011,2.8.3 方块校验,也称方阵校验，是在水平校验的基础上实施垂直校验。 这种编码可以检测出除相互补偿的偶数个错（两个字符的相同位同时出错）以外的所有错， 并具有纠正一位错的能力。需要指出的是为保证最后一位的填充，水平垂直奇/偶校验码常采用偶校验。,2.8.4 循环冗余校验,循环冗余校验CRC (circular redundancy code)不产生奇偶校验码，而是把整个数据块当作一个连续的二进制数据。基本思想是：将校验
20、和加在数据帧的末尾，使这个带校验和的数据帧的多项式能被生成多项式除尽。当接收方收到带有校验和的帧时，用去除它，如果在传送过程中无差错，则也应该除尽，即余数应为0；如果有余数，则传输出错，应要求对方重新发送一次。采用冗余校验之后，其误码率比方块码的误码率可以再降低13个数量级，所以循环冗余校验法在数据通信系统中被广泛应用。,最精确，最常用的检错技术CRC。对数据块（帧）进行校验。CRC已添加到网络协议中，用硬件集成到网卡里。 核心思想：模2除法。模2除法中加减不进位、借位。1-0=1 0-1=1 1-1=0 0-0=0 CRC思想：取一个（n+1）bit的除数P，专家精心挑选，使出现检测不到差错
21、的概率到最小。将数据块后面加上n个0，除以除数P，得到n bit个余数作为校验码。加到数据位后面，发送到对方由对方进行验证。 举例：P=110101 如果发送的数据为111011011101，求其校验码。 解：P共6位，在除数后加5个0，模2运算，得到11010 校验码。不足补0。 举例：已知X3+X2+1为生成多项式，信息位多项式为X7+X5+1，则CRC码的冗余多项式是什么？,循环冗余校验CRC有两个显著特点： 首先，循环码适合于用代数方法来分析码的结构，并可用代数方法设计各种实用的、有较强纠错能力的码,且无需很长的码长； 其次，由于码的循环特性，所需的编译设备较简单，易于实现。因此，循环冗余校验CRC在数据传输中得到了最广泛的应用。,
