1、第2章 数据通信技术,数据通信技术是计算机网络的数据交换基础。为了使计算机之间能相互通信、进行数据传输，就需要将计算机处理的数字信号转换成可以在网上传输的光、电信号，以便通过传输介质进行传输 本章将介绍与数据数据通信相关的技术，包括通信信道、编码、信道复用、数据交换、数据的安全性与完整性等内容,2.1.1 信息、数据、信号和信道 信息（information）：是用来辨别事物的符号，把事物的某些特征（或属性）按一定规则规范化后的一种表现形式。信息具有以下的特点： 各符号所表达的事物特性是固定不变的。 信息符号需要以某种媒体作为载体,2.1 数据及其表现形式,数据：是信息的表现形式，将数据表现为
2、电子或电气特性，称为信号，信号在传输过程中的通道称为信道。,2.1.1 信息、数据、信号和信道,数据与信息之间的关系,信号：是时间的函数，如果信号随时间而连续变化，称为模拟信号；如果信号是随时间的跳跃波形，称为数字信号。严格讲，传输是对信号而言，而通信是相对于数据而言,2.1.1 信息、数据、信号和信道（续）,经电话线传送的计算机数据,信道（channel）：通信双方以传输介质为基础的信号传递通道。从微观上讲，信道是指信号在通过传输介质时所占用的一段频带，它在准许信号通过的同时，对信号的传输进行限制。一个完整的信道包括相关的传输介质和连接设备。 归纳：数据是信息的表现形式，信号是数据的电子或电
3、气特性。信号在传输过程中的通道称为信道,2.1.1 信息、数据、信号和信道（续）,通信的概念：通信就是将数据从一个地方传送到另一个地方的过程。传送数据的方式是多种多样的，但是要想顺利地传送数据，每种通信方式都必须包含信源、传输介质和信宿：,2.2 数据通信模型,一个完整的通信模型,数据通信：通信系统中所传输的是数据信息 数据通信过程是数据从信源经过传输介质传输到达信宿的过程,2.2.1 数据通信的过程,计算机之间的通信过程需定义严格的通信协议和标准 通常语音和电视系统的误码率为10-2，而数据通信系统的要求为10-8 数据通信系统中，由于计算机和终端设备类型多样，通信速率、编码格式、同步方式和
4、通信规程有较大差别 模拟信号在传输过程中可以有一定的衰减和噪声（失真）。而数字传输和内容紧密相关，数据位的任何差错，都可能影响对数据的正确理解 信号在传送过程中存在衰减，因此在模拟通信系统中使用放大器，而在数字通信系统中则使用中继器,2.2.2 数据通信的特点,数据通信：通信系统中所传输的是数据信息 数据通信过程是数据从信源经过传输介质传输到达信宿的过程,2.2.3 数据电路连接方式,带宽是指通信信道的容量。信道带宽也分为模拟信道带宽和数字信道带宽两种。模拟信道的带宽如图所示，信道带宽W=f2f 1,2.3.1 带宽,二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，近似等于：Pe=Ne/N，是衡量数据
5、传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一； 对于一个实际的数据传输系统，要根据实际传输要求提出误码率要求； 对于实际数据传输系统，要将非二进制数据折合成二进制比特来计算； 差错的出现具有随机性，在实测一个系统时，当被测的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值,2.3.2 误码率,2.4.1 基带传输 计算机二进制数字信号是典型的矩形脉冲，其固有频带称为基带，信号叫做基带信号； 在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输； 发送接收过程：传送的数据需经过编码器变换为能直接传输的基带信号，再由接收端解码器恢复成与发端相同的矩形脉冲信号,2.4 信号传输方式,频带传输就是把基带
6、数字信号经过调制，变换成模拟信号后在公共电话线上传输 频带传输是一种模拟传输，但频带传输却与传统的模拟传输不同,2.4.2 频带传输,宽带是比音频带宽更宽的频带。它包括了大部分的无线电频谱，可以容纳全部的广播信号，能够进行高速数据传输 对于局域网来说，宽带是指专门用于使用模拟信号传输的同轴电缆，通常还指可以在传输介质上进行频分多路复用方式的传输技术。由于数字信号的频带很宽，必须先将其转换成模拟信号后才能在宽带网络中传输。宽带网络中的多条信道，通常采用频带传输技术，传输的是模拟信号，所以宽带传输系统属于模拟信号传输系统,2.4.3 宽带传输,2.5.1 数据编码类型 信息编码：将信息用二进制数表
7、示，如ASCII码，形如0、1的位串，便于计算机处理； 数据编码：用合适的物理量表示数据，便于分别在模、数信道上传输，4种组合，常用的有： 1）数字数据的模拟信号编码 2）数字数据的数字信号编码 3）模拟数据的数字信号编码,2.5 数据编码技术,模拟的和数字的数据、信号,2.5.2 数字数据转模拟信号调制,将计算机表示的数字数据转换为模拟量，便于模拟信道传输，如电话网。基本原理：用数字信号对正弦载波的不同参量进行调制。载波 u(t) = Um cos (t+),2.5.2 数字数据转模拟信号调制,有三种常用的调制技术： 幅移键控ASK(Amplitude Shift Keying)，调幅用载波
8、的两个不同振幅表示0(0v)和1(+5v) 频移键控FSK(Frequency Shift Keying)，调频用载波的两个不同频率表示0和1 相移键控PSK(Phase Shift Keying)，调相用载波的相位变化表示0和1。,2.5.2 数字数据转模拟信号调制,2.5.3 数字数据转数字信号编码,不归零制(NRZ，Non-Return to Zero)0、1用两种电平表示。缺点：同步困难、有直流分量 曼彻斯特编码(Manchester code)在每个码元的中间发生跳变：高 低1，低高0 每个码元中间都发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端与发送设备的时钟保持一致 曼
9、彻斯特编码也称为自同步码，无需外同步信号。缺点：需双倍带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。 差分曼彻斯特编码(Differential Manchester code)在码元开始处有跳变0，码元开始处无跳变1,2.5.3 数字数据转数字信号编码（续）,2.5.4 模拟数据转数字信号采样,将连续的模拟信号波形用有限个离散的值近似代替变为数字信号。典型应用PCM。三个步骤： （1）采样对时间坐标的离散化； （2）量化对每个样本舍入到量化级别，幅度离散化； （3）编码对每个舍入后的样本进行编码：二进制码。例： -话音信道带宽 2倍话音最大频率） -量化级数：256级 （8位二进制码表示） -数据率：
10、8000次/s * 8bit = 64Kb/s （64000bps）,2.5.4 模拟数据转数字信号采样,2.6 数据传输方式,2.6.1 并行传输和串行传输 1并行传输（Parallel Transmission）多个数据位（比特流）同时在设备之间进行传输，如同多车道高速公路上行驶的汽车 2串行传输(Serial Transmission)只有一条数据传输线，任一时刻只能传输一位二进制数,串行通信与并行通信,串行通信与并行通信,2.6.2 同步传输与异步传输,同步的概念：使接收端与发送端在时间基准上一致(包括开始时间、位边界、重复频率等)任何两个系统间时钟不可能完全准确同步。随着时钟漂移的积
11、累，会产生接收方取值位置和时间间隔的错位。解决办法，每隔一定时间间隔，发、收两端校对一下时间。这种方法称为同步,2.6.2 同步传输与异步传输,三种同步方法： 帧同步（同步传输） 字符同步（异步传输） 位同步 帧同步 帧（Frame）由一定长度（取决于所用协议）的数据和控制信息组成的数据块 帧同步：识别一个帧的起始和结束，方法是在数据块的两端加上前文和后文。分为两类：,2.6.2 同步传输与异步传输,字符同步（异步传输）通信两端每次以字节为单位传输数据，以字节两端的特殊记号表示字节的开始和结束，实现收发两端的同步；不传送时，信道一直处于高电平“1”的停止态；用一位低电平（“0”状态）表示起始位
12、；接着传送一个字符；最后用1位或2位的高电平表示停止位。,2.6.2 同步传输与异步传输,位同步使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，双方使用发送方时钟达到完全同步外同步法：在发、收双方间另提供时钟线路，发送方在每个比特周期都向接收方发送一个同步脉冲，这种方法很少用自同步法：利用特殊编码（如曼彻斯特或微分曼彻斯特编码），让数据信号自己携带时钟信号,2.6.3 单工、半双工和全双工通信,单工、半双工与全双工通信（数据流动的方向）单工：数据单向传输（无线电广播）半双工：数据可以双向传输，但不同时，相当于可切换方向的单工通信（对讲机）全双工：数据可同时双向传输（电话）两个方向的信号共享链路带宽
13、1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输,2.7 多路复用技术,2.7.1 多路复用技术的分类 复用：多个信息源共享一个公共信道。节约成本 频分多路复用FDM 主要用于模拟信号传输 光波分多路复用WDM 光纤传输 时分多路复用TDM 主要用于数字信号传输,2.7 多路复用技术,2.7.2 频分多路复用FDM 在一条物理信道划分多路逻辑信道； 各逻辑信道的信号使用不同的载波频率； 各载波频率互不重叠，一条通信线路就可同时传输多路信号。,2.7 多路复用技术,频分多路复用图示,2.7 多路复用技术,2.7.3 波分多路复用WDM 波分复用即光的频分复用
14、采用波长分隔； 发送端将不同波长的光信号组合，复用到一根光纤上，在接收端解复用，并送入不同的终端。,波分复用 WDM,2.7 多路复用技术,2.7.4 时分多路复用TDM 将物理信道按时间分成时间片(时隙)，轮流分配给各个用户（信源）； 在其占有的时隙内，用户使用信道的全部带宽。因为时隙极短，每个用户感觉自己在独享信道。,2.7 多路复用技术,时分多路复用的分类 同步TDM：时间片与数据源一一对应，而不管数据源是否有数据发送，接收端根据时间片序号区分各路数据； 异步TDM：各时间片动态分配给各路信号，又称统计TDM。,2.8 数据交换技术,数据在通信子网的传输，通信双方无法直接进行点到点的连接
15、，因此需要中间设备（中间结点）的转接交换，可以分为：线路交换（circuit switching)存储转发交换报文交换（message switching)分组交换（packet switching),2.8.1 线路交换方式,是一种面向连接的服务； 通信双方通过通信子网进行数据交换前，要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接； 数据传输过程中要经过建立连接、数据传输与释放连接三个阶段； 优点：实时性强，适于交互式会话类通信； 缺点：对突发通信不适应，系统效率低，没有存储数据的能力，不能平滑交通量。,2.8.2 存储转发交换方式（Store and forward）,存储转发过程,H1,A,交
16、换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送数据,结点交换机,主机,在结点交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,存储转发方式的优点,中间结点可以存储数据，多个数据单元共享通信信道，线路利用率高； 中间结点具有路选功能，可动态选择最佳路径； 可以平滑通信量，提高系统效率； 每个中间结点均要进行差错检查与纠错处理，可以减少传输错误，提高系统可靠性； 可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。,存储转发的分类,
17、报文（message）与报文分组（packet）两种： 报文：一个完整的逻辑单元，数据长度不等； 报文分组：把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段（又分数据报和虚电路）。 较短的分组传输出错易检错，重发时间较少； 有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率； 公用数据网采用的是分组交换技术。,报文和报文分组结构,数 据,数 据,数 据,首部,首部,首部,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,2.8.3 数据报方式（Datagram）,数据报是分组存储转发的一种形式； 分组传送时不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”
18、； 源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径； 每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。,数据报的工作原理,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1向H5发送分组,H2向H6发送分组,路径可能变化,网络随时接受主机发送的分组（即数据报） 网络为每个分组独立地选择路由。,数据报方式特点,同一报文的不同分组可经不同路径传输； 同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象； 每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址； 数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,2.8.4 虚电路方式（
19、Virtual Circuit）,试图将数据报与线路交换结合起来，充分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果； 分组发送前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路； 通信过程也分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。,虚电路的工作原理,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1 要和 H5 通信,H1 先向 H5 发一个特定格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若 H5 同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。,虚电路的特点,每次分组发送前，必须在已有的物理链路的发送、接收端之间建立一条逻辑连接； 一次通信的所有分
20、组都通过该虚电路顺序传送，分组不必带目、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会丢失、重复与乱序； 分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择； 一个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。,虚电路与数据报的比较,2.9 差错控制方法,物理通路物理层的传输技术没考虑差错控制； 链路(link)：一条无源的点到点的物理线路段，中间没有交换结点； 数据链路(data link)：在物理线路上，用通信协议控制数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路； 适配器（即网卡）是用来实现协议的硬件和软件。一般的适配器都包括数据链路层和物理层两层的功能。,2.9 差错控制方法,2.9.1 差错产生的原因与差错类型 传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象； 差错控制是检查是否出错及如何纠错； 通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声； 由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错； 冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错； 传输差错由随机差错与突发差错共同构成,2.9 差错控制方法,2.9.2 检错码与纠错码 纠错码：每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。 检错码:分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息； 接收端能够发现出错，但不能确定哪位是错的，并且自己不能纠正传输差错。如奇偶校验 传输差错,
