1、第三章 数据通信与通信网基础,二、通信系统模型,数据、信息、信号及三者关系 数据(Data)是信息的载体。模拟、数字 信息(Information)是对数据的解释，是该数据的内容和含义。 信号(Signal)是数据的电磁或电子编码，是数据的表示形式。 模拟信号：信号的幅度随时间呈连续变化的信号 数字信号：离散的信号，由脉冲电压0和1两种状态组成,关系：通信的根本目的是传输信息，而信息往往以具体的数据形式来表现，数据通过媒体传送时又必须转换为一定形式的信号，因此，通信归根结底是在一定的传输媒体上传送电信号，从而实现传送数据，交换信息的目的,随着科学技术的不断发展，人们传递信息的手段也在不断进步，
2、从本质上说，无论是电话、电报、图像、计算机还是短波与移动通信等，都可以抽象地概括为如下图所示的一般通信系统模型。,通信系统模型,三、数据传输方式,数据传输方式：并行、串行,并行数据传输 由0和1组成的二进制值可以组成n比特的位组。计算机使用和生成以比特组为单位的数据，就象我们在英语会话时用词而不是一个个的字母来交流一样。通过分组，我们可以一次发送n个比特而不是一个比特。这称为并行传输。,并行传输的优势在于速度。当其他因素相同时，并行传输将比串行传输的速度快n倍，但同时也存在一个严重缺点：费用高。为进行数据传输，并行传输需要M条通信线路,数据传输方式,数据传输方式：并行、串行,串行数据传输 在串
3、行传输中，比特是一个一个依次发送的因此在两个通信设备之间传输数据只需要一条通信信道，而不是n条。,串行传输相对于并行传输的优点是：因为只需要一条通信信道，串行传输的费用只是并行传输的n分之一。,单工通信单工通信方式就是数据信号只能从信道的一端单方向地传送到另一端；一端固定为发送方，一端固定为接受方。,数据传输控制方式：按信号传送方向+时间分,单工通信实例：无线电广播、电视、BP机,半双工通信半双工通信方式就是数据可从信道的一端到另一端，也可反方向来传输，但是不能在两个方向上同时传输。,半双工通信实例：对讲机,全双工通信全双工通信方式就是数据信号可以从信道的一端传到另一端同时可反方向来传输，也就
4、是支持数据信号在两个方向上同时进行传输。,全双工通信实例：电话通信、计算机网络,连接方式,点对点连接方式多点连接方式,基带传输与频带传输,(1)基带传输数据通信中，表示计算机中二进制比特序列的数字信号是矩形脉冲信号。矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带（简称为基带）。这种矩形脉冲信号就叫做基带信号。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。基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号，具有速率高和误码率低等优点。,数字数据的数字信号编码,1）不归零码（NRZ：Non-Return to Zero） 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，高电平表示“1”
5、，低电平表示“0”。 缺点：a 难以分辨一位的结束和另一位的开始；b 发送方和接收方必须有时钟同步；优点：容易实现。,数字数据的数字信号编码,2）曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。 优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。,数字数据的数字信号编码,3）差分曼彻斯特码（Differential Manchester） 原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。 优点：时钟、数据分离，便于提取。,
6、(2) 频带传输 是利用模拟信道传输数据信号的方法,根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术： 幅移键控法 Amplitude-shift keying (ASK) 频移键控法 Frequency-shift keying (FSK) 相移键控法 Phase-shift keying (PSK,幅移键控ASK,1）幅移键控法（调幅）幅移就是把频率、相位作为常量，而把振幅作为变量，即：。,频移键控FSK,2）频移键控法（调频）频移就是把振幅、相位作为常量，而把频率作为变量，即：,相移键控PSK,3）相移键控法（调相）相移就是把振幅、频率作为常量，而把相位
7、作为变量，即：,模拟数据的数字信号编码,模拟信号转化为数字信号的方法：脉冲编码调制方法。（Pulse Code Modulation）PCM。分三个步骤：采样量化编码采样定理: F采样2Fmax1）常用的PCM技术 将模拟信号振幅分成多级（2n），每一级用 n 位表示。 例如：贝尔系统的 T1 载波将模拟信号分成128级，每次采样用7位二进制数表示。,PCM举例（4位编码）,四、多路复用技术,由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。 在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，被称为多路复用,多路复用器,多路译码器,N
8、个信源,N个输出,1条线路多个信道,多路复用原理,多路复用技术,常用的有三种方法： 频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing） 波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 时分复用 TDM（Time Division Multiplexing） 主要用于数字数据传输 T1线路，分成 24 个信道,频分多路复用（FDM）,频带被划分为若干个逻辑信道 每个信号被调制到不同的载波频率 载波频率之间有间隙，保证信号不会重叠,频分多路复用（FDM）,92,通道1,通道2,通道3,80,84,84,88,88,92,80,8
9、4,88,调频前,调频后,多路复用以后,频率(Hz),频率(kHz),频率Hz,300,3400,用户在分配到一定的频带后，自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间内占用不同的带宽资源。,2.时分多路复用TDM 时分复用是把时间划分为一段段等长的时分复用帧。时分复用的所有用户是在不同的时间占用所有的带宽资源。对于模拟信号,有时可以把时分多路复用和频分多路复用技术结合起来使用。一个传输系统,可以频分成许多条子通道,每条子通道再利用时分多路复用技术来细分。在宽带局域网络中可以使用这种混合技术。,时分多路复用与频分多路复用的比较,FDM系统效率较高，充分利用了传输媒介的带宽，实现也相
10、对容易，但FDM系统所需载波量大，所需设备随着输入信号的增多而增多 TDM直接提供数字传输信道，非常适合于数据传输和其他数字信号的传输；抗干扰能力强,波分多路复用（WDM）,在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种 由于受到目前电/光和光/电转换的速度的限制，对于带宽可达25000GHz 的光纤来说，目前一般可以利用的数据传输率可达10Gbps。如采用波分多路复用技术，在一根光纤上发送8个波长的光波，假设每个波长可以支持10Gbps的数据传输率，则一根光纤所能支持的最大数据传输率将达到80Gbps,波分多路复用,光纤1 光谱,光纤2 光谱,共享光纤上的光谱,能量,能量,能量,波分多路复用（WD
11、M）,码分复用：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰,每一个站分配不同的码片，不同站码片相互正交； 发送的的每一位二进制数扩展为码片（1码片，0码片取反）； 码片同步情况下，多个移动站可以同时发送，基站能够分离出不同移动站发送的数据（码片序列）。,一、线路交换方式（电路交换方式） 与电话交换方式的工作过程很类似； 两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接，然后再进行数据通信； 在通信中自始至终使用该条链路进行信息传输，而不允许其它计算机和终端同时共享该条链路。,五、数据交换技术,一、线路交换方式（电路交换方式） 线路交换方式的通信过程
12、线路建立阶段：如果主机H1要向主机H2传输数据，首先要通过通信子网在主机H1与主机H2之间建立线路连接。主机H1首先向通信子网中节点A发送“呼叫请求包”，其中含有需要建立线路连接的源主机地址与目的主机地址。节点A根据目的主机地址，根据路选算法，如选择下一个节点为B，则向节点B发送“呼叫请求包”。其它节点动作基本类同。至此，从“主机H1-节点A-节点B-节点C-节点D-主机H2”的专用物理线路连接建立完成。,一、线路交换方式（电路交换方式） 线路交换方式的通信过程 数据传输阶段：在主机H1与主机H2通过通信子网的物理线路连接建立以后，主机H1与主机H2就可以通过该连接实时、双向交换数据。 线路释
13、放阶段：在数据传输完成后，就要进入路线释放阶段。一般可以由主机H1向主机H2发出“释放请求包”，主机H2同意结束传输并释放线路后，将向节点D发送“释放应答包”，然后按照节点C-节点B-节点A-主机H1次序，依次将建立的物理连接释放。这时，此次通信结束。,一、线路交换方式（电路交换方式） 线路交换方式的特点 线路连接过程完成后，在两台主机之间已建立的物理线路连接为此次通信专用，电路利用率低； 通信子网中的结点交换设备不能存储数据，不能改变数据内容，并且不具备差错控制能力； 信息传输效率较高。,二、存储转发,将输入端口到来的数据包缓存起来，先检查数据包是否正确，并过滤掉错误。确定包正确后，取出目的
14、地址，通过查找表找到想要发送的输出端口地址，然后将该包发送出去。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支持不同速度的输入输出端口间的交换,二、存储转发 报文交换的基本原理 报文交换不事先建立物理电路，当发送方有数据要发送时，它把要发送的数据当作一个整体交给中间交换设备，中间交换设备先将报文存储起来，然后选择一条合适的空闲输出线将数据转发给下一个交换设备，如此循环往复直至将数据发送到目的结点。,二、报文交换方式 报文交换的特点 线路效率较高，因为许多报文可以分时共享一条节点到节点的通道； 网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报
15、文； 报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地； 根据报文的长短或其他特征能够建立报文的优先权，使得一些短的、重要的报文优先传递，且可以进行速度和代码的转换。,三、分组交换方式 分组交换的基本原理 分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度,一般选128B。 发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收节点将接收到的分组重新组装成信息或报文。,三、分组交换方式 分组交换的特点 具有分段差错流量控制功能，传输质量高； 对线路动态多路复用，传输效率高； 可在不同种
16、类的终端之间通信； 服务质量(QoS)可靠，经济性好； 分组头部增加开销，不适宜传送实时性要求高的数据。,四、三种交换方式的比较 线路交换：在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有； 报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式； 分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文。,电路交换 报文交换 分组交换,六、数据通信主要指标,数据通信的主要性能指标是衡量数据传输有效性和可靠性的参数 有效性：数据传输速率、信道带宽、传输延迟 可靠性：数据传输的误码率,带宽或频宽,带宽这一概念等
17、同于频宽。带宽是衡量信道通信性能的重要指标之一。 在模拟通信领域里，通常用传输模拟信号的最低频率和最高频率之间的“宽度”来表示模拟信道的最大通信能力，这一“宽度”称之为带宽，也指频宽，单位是赫兹(Hz),数据传输速率： 信道每秒能传输的二进制比特数，bps(Bit Per Second)。,信道最大传输速率：和带宽有直接关系波特率吞吐量,信道的最大容量,奈奎斯特（Nyquist）公式：（无噪声信道） C=2Wlog2M M信号有效状态的数量； W 信道带宽 C 信道容量 香农（Shannon）公式 （有噪声信道） C=Wlog2(1+S/N) W 信道带宽 C 信道容量 S/N 信噪比,S/N
18、=Ps/Pn,(S/N)db=10log10(S/N),误码率,误码率就是一个衡量数据在规定时间内数据传输精确性的质量指标。 误码率=传输中的误码数/所传输的总码数*100% 在局域网里造成数据传输错误的原因很多，主要有： 信道上存在噪声。如噪声与数据信号叠加就会产生差错； 信道性能低，造成传输信号的失真。如使用劣质的通信介质都可能导致信号失真。 在网络通信中，一般可接收的最高误码率为10-10，即100亿个二进制传输出现一个错误码。,分组交换网,1970年由CCITT指定用于分组交换数据网的协议-X.25。 X.25使用面向连接的服务，确保分组按序传递。它主要为了解决当时许多不同的公共网络的
19、互联问题指定的。,虚电路服务虚电路服务类似于电话网采用的交换方式，在发送数据之前，需要在发送方和接收方之间建立一条逻辑电路（即虚电路），然后在这条虚电路上传输分组，传输完毕后需要拆除虚电路。,X.25支持的虚电路服务 交换虚电路：计算机希望发送数据包时临时生成，一旦建成，所有后续数据包都会沿着这条虚电路顺序传输直到本次通信结束，虚电路拆除为止； 永久虚电路：只要一次建立后不再拆除，每次通信数据沿着相同的虚电路传输，通信结束后也不拆除。,帧中继 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。,帧中继与X.25协议的主要差别帧中继是继X.25后发展起来的数据通信方式。从原理上看，帧中继与X.25都同属于分组交换。与X.25协议的主要差别有： （1）帧中继带宽较宽。 （2）与X.25相比，帧中继在操作处理上做了大量的简化。不需要考虑传输差错问题，其中间节点只做帧的转发操作，不需要执行接收确认和请求重发等操作，差错控制和流量均交由高层端系统完成，大大缩短了节点的时延，提高了网内数据的传输速率。,非对称数字用户线ADSL有线电视网络,
