1、高级计算机网络,第2章 网络通信技术,第二章 网络通信技术,数据通信参数,1,数据传输方式,2,3,4,差错控制手段,多路复用技术,5,数据交换技术,1.数据通信参数,信息(information) ： 是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识，通信系统传递的内容。 数据(data) ： 数据是传递信息的载体，量化的信息，分为模拟数据与数字数据。 信号(signal)： 数据的电的表达形式，是电磁或电流编码，分为模拟信号与数字信号。 信道(channel)： 表示向某一方向传输信息的媒介，分信道和数字信道，双向传送需要二个信道。 介质与信道的关系：介质是物理线路或物理信道，一个物理信道可
2、利用频分或时分多路复用技术划分成多个信道，又叫逻辑信道。,1.数据通信参数,模拟数据 在数学形式上表现为连续函数的数据 例如声音大小是连续变化的，所以声波是模拟数据 数字数据 计算机存储器中以0与1形式存储的数据是数字数据 计算机中的信息总是以数字数据形式存储 模拟信号 连续的电流或电压，是连续的时间函数，取值无限。由温度、压力等各种传感器产生和输出。 数字信号 电流或电压的矩形脉冲信号，由计算机等数字设备产生或输出。,1.数据通信参数,数据传输率：比特/秒 bps （bit per secend） 调制速率： 载波信号的频率 单位是Baud 波特率，B1/T ，即载波信号调制周期T的倒数。
3、载波信号一般是正弦函数的模拟信号，在数字数据模拟传输时用数字信号对载波信号进行调制。 调制速率与数据传输率的关系：bps = B 2 N N:在一个调制周期内的有效调制状态数 误码率：Pe Ne/N 出错的位数/总的传输位数。网络介质的误码率：10-9、10-13 编码效率 ： 又表示数据的传输效率=传输的有效数据与有效数据加冗余 数据之比。 一个报文分组的有效数据2Kbit，控制信息64Kbit，其编码效率：=2/(2+64),信道的最高码元传输速率,任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会受到各种干扰的影响从而产生失真。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道输出端的波形失真就
4、越严重。,1.数据通信参数,奈氏(Nyquist)准则,理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W 码元/s,W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),信道的最高码元传输速率,1.数据通信参数,奈氏(Nyquist)准则的另一种形式,信道的最高码元传输速率,理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W码元/s,W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz),不能通过,能通过,0,频率(Hz),W (Hz),不能通过,1.数据通信参数,信道的最高码元传输速率,实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。 码元和比特(bit)是两
5、个不同的概念。 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“码元/秒”在数量上却有一定的关系。 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“码元/秒”在数值上相等。 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M 码元/s传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。,1.数据通信参数,1948年，Claude Shannon给出了计算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，称为Shannon公式：,其中： W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的高斯噪声功率。,信道的极限信息传输速率,1.数据通信参数,应用Sh
6、annon公式计算例题：,某条电缆上的带宽为2MHz，信噪比为30dB，问在这条电缆上能达到的最大数据传输率是多少？,得：S/N=1000，所以,1.数据通信参数,信道的极限信息传输速率,信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低很多。,注意：,1.数据通信参数,奈氏准则和Shannon公式的应用范围,1.数据通信
7、参数,第二章 网络通信技术,数据通信参数,1,数据传输方式,2,3,4,差错控制手段,多路复用技术,5,数据交换技术,15,数据通信的基本概念,数据、信息、信号,信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识; 数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式; 信号是数据的具体的物理表现。,16,雪 六角形 凉 白色,信息,数据,信号,例子,17,信息：人对雪花和马的认识数据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度,18,两种不同类型的量：,A.时间、温度、电波、声音,B.字符，二进制数，电脉冲,信号中没有断开或不连续的的地方；,信号仅取一些有限数目的值；,信号与信号传输,19,模拟：
8、波动性；持续变化；反映事物的本质；在电信业已经被广泛使用超过100年；,数字：离散性；跃变性；设备性能先进，较为便宜；,模拟信号与数字信号的特点,20,（a）模拟信号 （b）数字信号,21,数据传输：,2.数据传输方式,数据传输,模拟传输,数字传输,模拟信号的模拟传输,模拟信号的数字传输,数字信号的模拟传输,数字信号的数字传输,其中：模拟信号的数字传输，是指把模拟信号数字化后传输；数字信号的模拟传输，是指传输用数字信号对载波信号进行调制后的模拟信号。,23,数据通信系统构成,噪声,数据通信系统模型,24,数据编码技术,不归零编码NRZ(Non-Return-Zero) 曼彻斯特编码(Manch
9、ester Encoding) 差（微）分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）,(1) 数字数据用数字信号表示,25,1、不归零编码 NRZ 和归零编码 RZ,2.数据传输方式,1 0 1 1 0 0 1,不归零码,归零码,同步,不归零是指在一个码元中信号电平没有回到零电平。,码元：一个脉冲所占的时间、位置,归零和不归零码都需要独立的同步电路或同步传输线路，独立的同步电路能够产生误差积累，而同步传输线路需要增加传输线路。不归零码因连续的0或1产生直流分量积累，不利变压器耦合的隔离。,2、曼彻斯特编码,2.数据传输方式,把一个码元分成两部分：起始位和同
10、步位。用同步位的跳变方向代表二进制的0和1，向上跳为0，向下跳为1。,1 0 1 1 0 0 1,曼彻斯特编码波形：,起始位 同步位,3、差分曼彻斯特编码,2.数据传输方式,把一个码元分成两部分：起始位和同步位。用起始位有无变化代表0和1 ，有变化为0，无变化为1。,1 0 1 1 0 0 1,起始位 同步位,差分曼码编码波形：,起始高电平 起始低电平,曼彻斯特编码是10M以太网的编码方案 差分曼彻斯特编码是IBM令牌环网的编码方案,30,(2) 数字数据用模拟信号表示(调制）,载波信号：Asin(2nft+),AM:幅移键控（Amplitude Shift Keying-ASK）载波的振幅随
11、基带数字信号而变化。 FM:频移键控（Frequency Shift Keying-FSK） 载波的频率随基带数字信号而变化。 PM:相移键控（Phase Shift Keying-PSK） 载波的初始相位随基带数字信号而变化。,31,调制：频谱搬移,一种正交调制 QAM,QAM (Quadrature Amplitude Modulation),r,(r, ),可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。,由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。,若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端
12、进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。,2.数据传输方式,33,（3）模拟数据用数字信号表示,脉冲编码调制（PCM ）,34,增量调制（DM ）,基带信号和调制信号,基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到信道上去传输。 调制信号则是将基带信号进行调制，然后送到信道中传输。 根据载波 Asin(t + )的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用调制技术。,2.数据传输方式,基带传输： 方波固有的频带称为基带。在信道上直接传送基带信号称为基带传输。 即直接数字信号的传输。 基带传输适合在短距离的局域网介质，如基带同轴电缆、双绞线电缆中应用。 基带传输的同步问题：
13、 网络中的数字信号采用串行方式传输，为使收发双方实现同步传输，需要同步信号以实现位同步（块同步）。 几种解决同步问题的编码方案：1、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码；2、4B/5B & NRZ -1编码。,2.数据传输方式,第二章 网络通信技术,数据通信参数,1,数据传输方式,2,3,4,差错控制手段,多路复用技术,5,数据交换技术,在数据传输中，发现错误纠正错误的方法 差错原因： 噪声 1、热噪声 (内部噪声): 信道固有的由电子热运动产生的幅度一定、频谱宽。可在设计信道时用提高信噪比来解决。 2、冲击噪声：由外部电磁干扰产生的、持续时间长、强度大。是差错产生的主因。可以造成：1、位差错 2、
14、块淹没,3.差错控制手段,例如：在10M以太网中1ms传输10k个位，以太帧长64-1518字节，512-12144位，持续1ms的干扰足以淹没掉一个帧。雷电或大容量的工业电器的干扰持续时间很容易超过传输一个帧的时间并将其覆盖掉。,两种查错方式： 1、前向纠错（FEC)：让所传数据携带的冗余信息能够发现并纠正错误。 2、反馈重发(ARQ)：让所传数据携带的冗余信息能够发现但不纠正错误。依靠反馈信息让发送方重发。,3.差错控制手段,第二章 网络通信技术,数据通信参数,1,数据传输方式,2,3,4,差错控制手段,多路复用技术,5,数据交换技术,复用是指在一个宽带介质中传输多路信号，即一路信号所需传
15、输带宽远小于介质的传输能力。用以提高介质的传输效率（利用率）。,4.多路复用技术,4.多路复用技术,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,频分复用(FDM)把一个频带较宽的介质划分成若干条窄带信道，每个信道分给一个用户传送数据。 传输模拟信号或频带信号。,4.多路复用技术,频分复用(FDM)把一个频带较宽的介质划分成若干条窄带信道，每个信道分给一个用户传送数据。 传输模拟信号或频带信号。,4.多路复用技术,频分复用(FDM)把一个频带较宽的介质划分成若干条窄带信道，每个信道分给一个用户传送数据。,FDM器,FDM器,发 收,U1,U12,60K-63.4-64K,U2,
16、64K-68K,104K-108K,实例：CCITT/ITU把12路语音复用在60-108KHz的频带上。为避免相互干扰，有600Hz的隔离频带。,波分复用(WDM),4.多路复用技术,1550 nm 0 1551 nm 11552 nm 21553 nm 31554 nm 41555 nm 51556 nm 61557 nm 7,0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,波分复用就是光的频分复用 ，即用光的不同光谱进一步划分光纤信道,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20
17、 Gb/s,复 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,时分复用(TDM) 是个数字化过程,多条低速线路轮流使用同一条高速线路进行数据传递。分为同步时分复用和异步时分复用。,4.多路复用技术,同步时分复用：将介质的传输时间按周期T划分成时间片t（时隙），使多个用户按T周期性占用t传送数据。,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,4.多路复用技术,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,4.多路复用技术,同步时分复用：将介质的传输时间按周期T划分成时间片t（时隙），使多个用户按T周期性占用t传送数据。,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,
18、A,B,D,4.多路复用技术,同步时分复用：将介质的传输时间按周期T划分成时间片t（时隙），使多个用户按T周期性占用t传送数据。,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,4.多路复用技术,同步时分复用：将介质的传输时间按周期T划分成时间片t（时隙），使多个用户按T周期性占用t传送数据。,4.多路复用技术,典型同步时分复用的例子（电话连接）： CCITT指定标准：,把24路语音信号利用PCM和TDM复用在一个介质中 （7+1）24+1=193位 组成一个帧，用125 s 传输 193位/125 s=1.544Mbps 1.544Mbps/24路=64kbps/路 T1载波的速
19、率是1.544Mbps,T1载波：北美、日本,E1载波：欧洲、中国,把30路语音信号利用PCM和TDM复用在一个介质中，加2路控制，即32个时隙组成一帧 （7+1）（30+2）=256位 组成一个帧，用125 s 传输 256位/125 s=2.048Mbps 2.048Mbps/32路=64kbps/路 E1的速率是2.048Mbps,同步时分复用的特点：（1）用户周期性的占用与t对应的固定的时间片传输数据。（2）在同一时刻，介质中只有一个用户占用介质的全部传输带宽，多个用户在各自的t(时隙)内独占介质的全部传输带宽。,4.多路复用技术,异步时分复用异步是指用户数据与 t 没有一一对应的关系
20、，系统根据用户传输数据的不同性质，动态分配时间片 t，用户数据进入信道的时机是不确定的，其获得的实际传输率根据实际传输结果统计获得，所以又叫统计时分多路复用 。 用于综合业务： 数据、语音、视频。 ATM 异步传输模式即是采用异步时分多路复用技术。,4.多路复用技术,异步传输方式：,异步是指以字符为传输单位，传输的字符间隔不确定。采用异步传输方式的节点，将用户数据组织成字符形式传输，为每一个传输的字符设置一个起始位和停止位，表明字符的开始和结束，以保证接收节点的正确接收。应用于PPP协议、ISDN 、ADSL MODEM等。,4.多路复用技术,码分复用(CDM) 更常用的名词是码分多址复用CD
21、MA。 每个用户都可以在相同时间使用相同的频带通信。各用户之间使用经过挑选的不同编码，不会造成干扰。 这种技术抗干扰能力强。最初用于军事。随着技术进展，设备价格和体积都下降了，已经可以用于民用移动通信。,4.多路复用技术,例如：用户A编码： To send a 1 bit = To send a 0 bit = 用户B编码： To send a 1 bit = 正在接收用户A的接收端解码方法 (As code) x (received chip pattern) User A 1 bit: 6 = 1 User A 0 bit: -6 = 0 User B 1 bit: 0 = unwante
22、d signal ignored,4.多路复用技术,第二章 网络通信技术,数据通信参数,1,数据传输方式,2,3,4,差错控制手段,多路复用技术,5,数据交换技术,5.数据交换技术,介绍数据如何通过通信子网，实现资源子网中两台连网计算机间的数据交换问题。 在早期的广域网中，数据通过通信子网的交换方式分为两类：电路交换方式、存储转发交换方式。,数据交换技术的分类,1、电路交换 2、存储转发交换报文交换报文分组储存转发：（报文分组交换）1）数据报方式：面向无连接的服务 2）虚电路方式：面向连接的服务,5.数据交换技术,1.电路交换方式（电路交换方式）电路交换（circuit exchanging）
23、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。,5.数据交换技术,电路交换方式的通信过程分为以下三个阶段： (1) 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首先向通信子网中结点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。结点A根据目的主机地址，根据路选算法，如选择下一个结点为B，则向结点B发送“呼叫请求包”。结点B接到呼叫请求后，同样根据路选算法，如选择下一个结点为结点C，则向结点C发送“呼叫请求包“。结点C接到呼叫请求
24、后，也要根据路选算法，如选择下一个结点为结点D，则向结点D发送“呼叫请求包“。结点D接到呼叫请求后，向与其直接连接的主机H2发送“呼叫请求包“。主机H2如接受主机H1的呼叫连接请求，则通过已经建立的物理线路连接“结点D-结点C-结点B-结点A“，向主机A发送“呼叫应答包“。至此，从“主机H1-结点A-结点B-结点C-结点D-主机H2“的专用物理线路连接建立完成。该物理连接为此次主机H1与主机H2的数据交换服务。,5.数据交换技术,电路交换方式的通信过程分为以下三个阶段： (2) 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
25、数据。 (3) 线路释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，将向结点D发送“释放应答包“，然后按照结点C-结点B-结点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。,电路交换,5.数据交换技术,电路交换方式的特点：通信双方通过通信子网，在模拟或数字信道上建立专用物理连接，子网的中间节点不储存、不检查、不改变数据分组的结构和内容。优点：实时性强、可交互通信、无节点延迟、适合一次大量数据的传输； 缺点：信道资源的利用效率较低，不能平滑负载和差错控制。,5.数据交换技术,2.存储转发的基本概念
26、存储转发交换（storeandforward exchanging）方式与电路交换方式的主要区别表现在以下两个方面：（1）发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；（2）通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路由和转发功能。,5.数据交换技术,存储转发方式的优点主要有以下几点： (1) 由于通信子网中的通信控制处理机可以存储报文（或报文分组），因此多个报文（或报文分组）可以共享通信信道，线路利用率高。 (2) 通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文（或报文分组）通过通信子网的最佳路径，
27、同时可以平滑通信量，提高系统效率。 (3) 报文（或报文分组）在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性。 (4) 通过通信控制处理机，可以对不同通信速率的线路进行速率转换，也可以对不同的数据代码格式进行变换。正是由于存储转发交换方式有以上明显的优点，因此，它在计算机网络中得到了广泛的使用。,5.数据交换技术,存储转发的分类 存储转发交换方式可以分为两类：报文交换（message exchanging）与报文分组交换（packet exchanging）。 如果在发送数据时，不管发送数据的长度是多少，都把它当做一个逻辑单元，那么就可
28、以在发送的数据上加上目的地址、源地址与控制信息，按一定的格式打包后组成一个报文。 另一种方法是限制数据的最大长度，典型的最大长度是1000或几千比特。发送站将一个长报文分成多个报文分组，接收站再将多个报文分组按顺序重新组织成一个长报文。报文分组通常也被称为分组。 由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少，这就有利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率，因此成为当今公用数据交换网中主要的交换技术。 目前，美国的TELENET、TYMNET以及中国的CHINAPAC都采用了分组交换技术。这类通信子网称为分组交换网。,报文交换：,报文是用户不定长的一个完整的数据，长度不定
29、，包括地址和控制信息。长度不定的报文不利于节点的处理。如：缓冲区大小、差错控制、平滑负载等。,控制信息 DATA,报文,5.数据交换技术,报文分组交换： 按一定格式把报文分成组，在信道上传输。,优点： 节点可预分缓冲区收发分组； 可用CRC进行差错控制； 多个报文的分组可分时共享节点间的信道，通过路由选择可优化路径、平滑负载； 对不同的协议进行转换。 不足：在节点产生节点延迟。,5.数据交换技术,报文交换：,分组的一般格式,路由、控制信息 DATA CRC,路由信息：源、目的地址，IP、MAC地址，虚电路号,5.数据交换技术,报文分组交换：数据报交换和虚电路交换,通信双方不需要事先建立专门的连
30、接，每个报文分组都要携带路由信息，节点据此为分组选择下一节点的路由； 同一报文的各分组到达目地的顺序可能乱序、丢失。 节点可对分组做差错控制。 节点有延迟，适合短信息的高效转发。面向非连接的、不可靠的、高效的 例如：网上路由表的更新 UDP和IP协议是面向无连接的数据报方式,数据报方式原理：,5.数据交换技术,分组交换：,虚电路是指被应用在网络中的，被编号的逻辑信道。若干信道中的某条信道。 虚电路分成： 1、两节点间的局部虚电路- 局部连接 2、通信双方间的全程虚电路- 全程连接 全程虚电路由局部虚电路组成 3、呼叫或固定虚电路,虚电路方式原理：,5.数据交换技术,通信双方需先建立专门的逻辑连
31、接：即由源节点的呼叫分组携带源、目的地址象数据报那样穿过子网，在途径的节点填写虚电路表，建立全程连接。 目的节点的应答分组沿建立的连接返回应答后，全程虚电路建成。 报文分组不需携带源、目的地址，携带局部虚电路号，沿着建好的全程虚电路顺序传送。携带的局部虚电路号在各节点被变换。,5.数据交换技术,沿虚电路传送的分组不会乱序、不会丢失，节点对分组做差错控制，有节点延迟。 是面向连接的可靠的服务，适用大量信息的转发 步骤：建立、传输、释放 X25、帧中继、ATM,5.数据交换技术,建立虚电路是通过填写节点的出入境表的数据项完成。拆除虚电路是删除数据项。 例如：,入境 出境,节点C的出入境表,5.数据
32、交换技术,A,B,C,D,E,F,3,10,2,12,5.数据交换技术,数据报方式虚电路方式比较,虚电路的建立、维持、释放需要时间，适合一次可靠地传输大量数据； 数据报无须建立专用电路，随机的选择路径，可快速高效传输报文； 二者可在设计系统时根据需要选择。,5.数据交换技术,Thank You !,第二章作业：,一、缩语解释： PCM、ASK、FSK、PSK、QAM FEC、ARQ FDM、TDM、WDM、MWDM,二、判断,1、（）反馈重发(ARQ)让所传数据携带的冗余信息能够发现但不纠正错误。依靠反馈信息让发送方重发。 2、( )E1的速率是1.544Mbps。 3、（）异步时分多路复用传输的用户数据与t （时隙）没有固定的一一对应关系。 4、（）建立虚电路是通过填写节点的出入境表的数据项完成。拆除虚电路是删除数据项。,1、画110010的四种编码波形；2、举例说明用窄带信道传输数字信号的原理和方法；3、设：M(X)=X7+X5+X4+X G(X)=1110 求传送序列； 4、设：接收序列：100011001011 G(x)=x4+1 验证接收正确与否；5、T1和E1载波的内容； 6、异步和同步时分多路复用的区别； 7、数据报与虚电路原理、特点； 8、异步传输方式。,三、综合,
