1、第二章 数据通信基础,内容提要,数据通信的基本概念 差错控制 数据交换方式,2.1 数据通信的基本概念,2.1.1 数据通信的定义与特点 数据通信依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息。数据通信的特点（与电话和电报通信相比）： （1）计算机与计算机之间的通信，需要严格定义的通信协议或标准； （2）数据传输的准确性和可靠性要求高，要求具有很低的误码率，而且 可以自动检错并纠正； （3)传输速率高，要求接续和传输响应时间快； （4）通信持续时间差异较大； （5）数据通信具有灵活的接口能力。,2.1 数据通信的基本概念,2.1.2数据通信系统的模型,数 据 电 路 终 端 设
2、备,2.1.2 数据通信系统的模型,数据终端设备DTE：输入输出设备，由计算机或终端加通信/控制传输器组成，实现数据的输入输出、数据处理和存储及通信控制等。 数据电路终端设备DCE：数字信号的变换设备。作用：在电信传输网络能提供的信道特性和质量的基础上，实现正确的数据传输，并实现收发之间的同步。传输信道分类：频分模拟：调制-解调，modem时分数字：不需modem,2.1.2 数据通信系统的模型,一个简单的数据通信系统模型,2.1.1 数据通信系统的模型,源点： 源点设备产生要传输的数据 发送器：源点生成的数据要通过发送器编码后才能够在传输系统上传输。 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将
3、其轮换为能够被目的设备处理的信号。 终点： 终点设备从接收器获取传送来的信号。,2.1.2 数据通信系统的模型,信号传输方式 1.模拟传输利用模拟信号来传输数值数据，是一种传统的传输方式。为了利用已有的线路，需要在模拟线路上传输计算机数据。 2.数字传输利用数字信号来传输数据，性能优于模拟传输。因此，现在我国的长途线路都已基本实现数字化，以后的方向是所有的地方都使用数字传输。,2.1.2 数据通信系统的模型,数据电路在线路或信道上加接上信号变换设备（调制解调器或数字接口适配器）之后形成的二进制比特流通路.数据电路=传输信道（专用或交换信道）+数据电路终端连接方式分五种：点到点专线连接点到多点专
4、线连接点到多点集中连接多点到多点复用连接通过交换网连接,2.1.2 数据通信系统的模型,数据链路数据链路=数据电路+通信/传输控制器定义：按照信息的特定方式（信息速率和编码均相同）进行操作的两个或两个以上终端装置与互联线路的组合体。,2.1.3 数据通信系统的指标,有效性给定信道内所传送信息量的大小。衡量指标：信息传输速率（传信率） 单位：比特每秒（bps）比特：度量信息量大小的单位二进制、M进制系统可靠性在给定信道内接收到的信息的可靠程度。衡量指标：误码率误码率=出现错误的比特数 /传输的总比特数（二进制系统）=出现错误的码元(符号）数/传输的总码元（符号）数（M进制系统）,2.1.4 数字
5、信号与传输代码,数据和信号 1.数据数据是运送信息的实体。有模拟数据和数字数据之分。 2.信号信号是数据的电气或电磁的表现。有模拟信号和数字信号之分。 模拟信号：连续变化的信号，如话音信号和广播电视信号 数字信号：离散变化的信号，如计算机通信所用的二进制代码“1”和“0”组成的高低电平信号。,2.1.4 数字信号与传输代码,3.数字信号的基本形式数字信号：在时间上和幅度上均取有限离散数值的电信号。,二进制代码和对应信号之间的关系,2.1.4 数字信号与传输代码,4.数字信号的码型 传输线路的码型要求：（1）无直流成分（2）减少高频分量（3) 抗干扰性（4）便于时钟信号的提取（5）较好的传输效率
6、（6）设备简单，易于实现基带信号的码型（1）单极不归零码 （4）双极性不归零码（2）单极归零码 （5）差分编码（3）双极性归零码 （6）双相脉冲编码,2.1.5 数字信号的传输,基带信号传输基带信号：由微机或终端输出的，未经任何频率变换的电压或电流信号。例如：二进制数的“0”用低电平表示；“1”用高电平表示。基带信号传输特点：信号不经过调制，可进行波形变换；信道具有较宽的频带特性（0频-几百或几千赫兹）；传输距离受限，一般不大于2.5km。,2.1.5 数字信号的传输,频带信号传输频带传输（载波传输）：借助于正弦波将基带信号的频谱搬移（调制)变为线路允许的某一频带范围内的模拟信号后再传输的方法
7、。特点：远距离传输主要技术：调制解调调制解调器：完成数字信号与模拟信号之间的转换，便于在模拟线路上传输数字信号。三种调制方式：幅移键控、频移键控、相移键控,2.1.5 数字信号的传输,宽带信号传输宽带：比音频带更宽的频带宽带传输：应用宽频带传输的系统。多为模拟信号系统，可容纳全部广播，并进行高速数据传输。宽带信号传输优点：能将图像、声音和数据信息在一个信道中传输，具有多用途；可将一条宽带信道划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，使信道容量大幅增加；传输距离比基带远。,2.1.7 通信介质,双绞线 1.外形2.分类 UTP: 非屏蔽双绞线 STP: 屏蔽双绞线,2.1.7 通信介质,3.UTP的
8、标准1类线到6类线，实际使用的主要是3类线和5类线，尤其是所谓的超5类线。第3类UTP ：该电缆的传输特性最高规格为16MHz，用于语音传输及最高传输速率为10Mbps的数据传输。第4类UTP ：该类电缆的传输特性最高规格为20MHz，用于语音传输和最高传输速率为16Mbps的数据传输。第5类UTP ：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输特性的最高规格为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输。超5类UTP：支持千兆及ATM网的应用。,2.1.7 通信介质,4.双绞线的特点 结构简单，容易安装，普通UTP较便宜。 有一定的传输速率。 具有较高的容性阻
9、抗，信号衰减较大，传输距离有限（100m）。 有辐射，容易被窃听。,2.1.7 通信介质,同轴电缆1.外形2.分类 粗缆（直径为1.47cm） 细缆（直径为0.70厘米） 基带电缆（室内，50） 宽带电缆（室外，75）,2.1.7 通信介质,3.同轴电缆的特点 频带较宽，传输率较高。 损耗较低，传输距离较远（200m,500m）。 辐射低，保密性好，抗干扰能力强。 架设安装方便，容易分支。 宽带电缆可实现多路复用传输。,2.1.7 通信介质,光纤 1.外形光纤(optical fiber)是一种传输光束的细微而柔韧的介质，通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。,(a
10、)一根光纤的侧视图,外壳,外套,封套,(b)一束三根光纤的剖面图,芯,2.1.7 通信介质,2. 光纤的传输特性通常封套较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角，如下左图所示。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。下右图画出了光波在纤芯中传播的示意图。 折射角 包层,入射角 纤芯,2.1.7 通信介质,3.光纤的分类 玻璃光纤：纤芯及包层均用玻璃，损耗小，成本高。用于远距离宽带传输。 塑料光纤：纤芯为玻璃，包层为塑料，损耗大，成本低。短距离基带传输。 单模光纤：芯径小，只有
11、一个入射角，光源必须用激光，成本高，带宽宽，耗散极小，效率高，适于高速度长距离传输。 多模光纤：芯径大，多个入射角，光源可以用LED(发光二极管），成本低，耗散大，效率低，适于低速度短距离传输。,2.1.7 通信介质,4.光纤的特点 衰减少，无中继传输距离远 带宽宽，传输速率高，传输能力强 不受电磁干扰，抗干扰能力强，无辐射，保密性好 重量轻，容量大，十分适合多媒体通信 光纤断裂的检测和修复都很困难,2.1.7 通信介质,5.两类光源的对比,2.1.7 通信介质,电磁频谱,无线电传输,2.1.7 通信介质,无线电传输1.特性 容易产生 全方向传播 可以传输很长的距离 可以穿透建筑物 易产生干扰
12、 低频部分能很好的穿越障碍物，但随着离开源越远，能量急剧减少 高频部分，按直线传播，并且会受到障碍物的阻挡 会被雨水吸收,2.1.7 通信介质,2.两种传播方式,(a) 在VLF、LF和MF波段，无线电沿着地面传播 (b) 在HF波段，无线电波会被地面吸收，但却可以被电离层折射回来,2.1.7 通信介质,微波传输, 直线传播 信噪比很高 发射端和接收端的天线必须精确地相互对齐 良好的布局各发射端和各接收端，可以避免干扰 不能穿透障碍物，需要中继塔 4GHz以上的微波易被水吸收,2.1.7 通信介质,卫星通讯 一个卫星可工作在多个频段，工作频段一般在几G到几十G； 同步卫星：卫星与地球保持相对静
13、止，三颗同步卫星即可覆盖全球； 传输时延大，240ms-300ms,2.1.8 信息的传输,三种通信方式（1）单向通信又称为单工通信，即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。,（2）双向交替通信 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送,2.1.8 信息的传输,（3）双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。,2.1.8 信息的传输,传输方式 并行：数字信号以成组的方式在多个并行信道上传输。优点：传输速率高；发收双方不存在字符同步。缺点：需要多个并行信道，成本增加；并行线路之间互相干扰影响传输质量；不适合长距离传输。串行：将比特流在一条信道上逐
14、位传输。缺点：需解决收发之间的同步问题，否则无法区分每一个码字；传输效率低。优点：设备成本低。,2.1.8 信息的传输,同步方法对于串行传输，为了有效区分到达接收方的比特流，得到正确译码，需要采用字符码组的同步传输。（1）异步传输方式（起止式同步）以字符为单位进行同步；每一字符的起止时刻任意；在每个字符前设置“起”信号，在结尾处设置“止”信号；,异步传输方式（起止式同步）字符可单独或者连续发送，字符与字符的间隔期可以连续发送“1”状态；仅在传输字符时，收发时钟才需要在每一位上同步，同步方法发端有信息发送时，将自己从不传信息的平时状态转为起始态，接收端检测出极性改变时，利用极性的反转启动接受时钟
15、，以实现收发的同步。优点:每个字符本身就包含了同步信息，不需要线路上设置专门的同步设备，收发简单。缺点：开销大，降低了线路的有效性。,2.1.8 信息的传输,同步方法（2）同步传输方式以固定时钟节拍串行发送数字信号的方法。建立收发方的同步时钟；不管是否传送信息，都要求收发两端的时钟均必须在每个比特上保持一致(比特同步或位同步）；数据一般以组（帧）为单位发送，在帧的开头和结尾需加入特定字符作为起始或者结束的标志；线路上无信息传输时，选择传全1或全0或01交替序列。实现时钟同步的两种方法：外同步法：专门的时钟信号线，适合短距离；自同步法：从接受数据信息波形中直接提取同步信号。,2.1.8 信息的传
16、输,复用方式信道复用技术又称之为多路复用技术。所谓“多路复用技术”就是把多个不同的信号同时在一条传输线路上进行传输的技术。常用的方法有： 频分复用FDM 时分复用TDM 统计时分复用STDM 波分复用WDM 密集波分复用DWDM 码分复用CDM,2.1.8 信息的传输,（1）频分复用这种信道共享技术主要适用于模拟信道环境中。特征：将信道的可用带宽按每路信号所需的频率空间划分为许多个子信道，每个子信道供传输一路信号，其原理如图所示。,2.1.8 信息的传输,（2）时分多路复用这种信道共享技术主要适用于数字信道环境中。特征：将信道的可用时间按单位时间划分为若干个时间片（子信道），每个时间片供传输一
17、路信号，其原理如图所示。,2.1.8 信息的传输,（3）统计时分多路复用（STDM）技术这种信道共享技术主要适用于数字传输系统中。特征：统计时分复用是一种改进的时分复用，其特征在于对每路信号不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，其原理如图所示。,2.1.8 信息的传输,（4）波分多路复用这种信道共享技术主要适用于数字传输系统中。特征： 波分复用就是光的频分复用。 在一路光纤上复用两路光载波信号称为波分复用。 在一路光纤上复用80路或更多路数光载波信号称为密集波分复用。,2.1.9 资源分配与共享,点-点式信道的资源共享固定式分配将信道划分（采用频分或时分复用）为若干子信道（不一定平均），固
18、定分配 给每一用户；缺点：资源浪费按需分配将信道划分为若干子信道，当用户需要进行通信时，需以某种方式提出申请，若有空闲的子信道，可以赋予该用户使用权。优点：提高信道利用率。 缺点：需增加网络节点处理能力；没申请到的用户需再申请，增加时延。排队分配统计复用或异步时分复用。不划分信道，也不需要事先申请，将需要发送的信息划分为一定长度的数据单元，并将其送入网络节点进行排队。缺点：节点具有存储能力和排队管理能力；需标识收发两端的用户地址，增加开销。,2.1.9 资源分配与共享,网络链路的共享基于信道的共享通信双方在通信之前必须先建立物理信道，并保持连通，才可进行通信。基于排队的共享两个通信的用户在通信
19、过程中可以不必完整地占用一条端到端的物理通路，而是让数据在链路上一段一段地传过去。在不同的时间内部分地占用通路。,2.1.9 资源分配与共享,广播信道的共享（1）ALOHAALOHA的由来 ALOHA 乃Additive Link On-Line HAwaii system简写，ALOHA恰好还是夏威夷方言的“你好”。 ALOHA网是计算机网络早期发展中一个著名的网络，也是第一个无线计算机网络，现仍在运行之中。,ALOHA网的特征 因群岛位置的散布，网络拓扑采用了星型结构； 为节省费用和易于组网，网络中各站点的通信采用了无线传输介质。 由于采用无线电信道，考虑到无法申请更多的频率点，因而所有站
20、点都使用统一的频率通过主机交换信息。,2.1.9 资源分配与共享,2.1.9 资源分配与共享,广播信道的共享（2）CSMA 传输前监听 如果信道空闲，传送整个帧 如果信道忙，推迟传送,2.2 差错控制,产生传输差错的原因（1）信道中的随机噪声引起的随机性差错特点：单个码元出现差错，码元之间互不影响（2）信道中的脉冲干扰、信号衰落和瞬时中断等因素造成的突发性差错特点：码元成批出现突发性错误，前后码元的差错具有相关性提高可靠性、降低误码率的方法（1）改善传输信道的电特性，如提高通信线路和调制解调器的质量；（2）采用检错、纠错技术减少信道差错。,2.2 差错控制,差错控制的方式（1）检错反馈重发方式
21、（2）前向纠错方式（3）混合纠错方式,2.2 差错控制,常用的检、纠错码（1）等重码（恒比码）码集中每个码组中“1”和“0”个数保持恒定比例。（2）奇偶码将要传输的数据码元分组，然后在每一分组的后面附加上一位校验位，使该码组与包含检验位在内的码字中“1”的个数为奇数（奇校验）或偶数(偶校验）。缺点：仅能检测出错误，不能定位。,单比特奇偶校验: 检测单个比特错误,常用的检、纠错码,（3）方阵检验码（行列监督码）,二维奇偶校验: 检测和纠正单个常用的检、纠错码比特错误,常用的检、纠错码,(4) 循环冗余校验码将数据帧的位串看成子数为0或1的多项式，将校验和加在帧的末尾，使这个带校验和的帧的多项式能
22、被G(x)除尽。当接收方收到校验和的帧时，用G(x)去除它，如果有余数，则传输出错。在实践中被广泛应用 （ATM，HDLC),常用的检、纠错码,如果要: D*2r XOR R = nG 两边都异或R，得到: D*2r = nG XOR R 即: D*2r 除以G,得到余数 R,2.2 数据交换方式,电路交换 数据交换过程 第一步：建立连接 第二步：交换数据 第三步：释放连接 电路交换的特性 数据交换前需建立起一条从发端到收端的物理通路 在数据交换的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输信道 交换双方可实时进行数据交换而不会存在任何延迟,2.2 数据交换方式,电路交换的特点（1）信息传输时延小；
23、（2）电路是透明的；（3）信息传送吞吐量大 电路交换的缺点（1）占用的带宽是固定的，网络资源利用率低；（2）信道是专用的，没有数据传输时其它用户也不能用，数据通信的效率低；（3）通信双方需要在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等完全兼容，不同速率好不同协议之间的用户不能通信。（4）存在呼损。,2.2 数据交换方式,电路交换存在的问题 计算机之间的数据交换往往具有突发性和间歇性特征，而对电路交换而言，用户支付的费用则是按用户占用线路的时间来收费的 不够灵活。只要在通话双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对紧急和重要通信是很不利的。,结论：电路交换技术不适合于
24、计算机间的数据交换。,2.2 数据交换方式,报文交换根据报文传输的特点， 采用存储-转发技术，提高线路的利用率。网络节点具有信息处理、存储和路由选择功能。,2.2 数据交换方式,报文交换的优点（1）报文交换过程中没有电路接续，不独占信道，可多路复用，提高了线路利用率；（2）无呼损；（3）容易实现不同类型终端之间的通信，输入输出电路功率和编码方式可以不同。报文交换的缺点（1）长报文存储转发时，在交换机中产生较大的时延；（2）交换机具有高速处理能力及大的存储容量。,2.2 数据交换方式,分组交换 分组交换的原理采用存储-转发的方式，同时将报文分割成若干较短的按一定格式组成的分组进行交换和传输。 分
25、组交换工作流程 (1) 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段,报文,1101000110101010110101011100010011010010,2.2 数据交换方式,分组交换的工作流程 （2）每一个数据段前面添加上首部构成分组,2.2 数据交换方式,分组交换的工作流程 (3) 分组交换网以“分组”作为数据传输单元 (4) 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）,2.2 数据交换方式,分组交换的工作流程 (5) 接收端收到分组后剥去首部还原成报文,2.2 数据交换方式,分组交换的工作流程 (6) 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文,2.2 数据交换方式,分组交换的优点 （1）采用存储-转发的方式，不需要独占信道，无呼损； （2）信息传输时延小，能较好满足会话型通信的要求； （3）向用户提供不同速率、不同代码及同步方式，为不同通信规程的数据终端间能相互作用提供了会话环境。 （4）统计时分复用，提高了线路利用率； （5）可靠性高。 分组交换的缺点（1）实现技术复杂（2）附加的附属信息较多,2.2 数据交换方式,快速交换方式（1）快速电路交换改进电路交换中的建链与拆链时间（2）快速分组交换大幅减少分组长度、取消用户信息在分层模型中低层的误码检测及重传、采用虚通路和虚通道方式传输信息以免去信元在收端的重新定序、以硬件代替软件实现以简化协议。,
