CH2-a數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

1、1第二章第二章 數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 2.1.1 2.1.1 一些基本概念一些基本概念 l 通信：信源與信宿之間的信息傳遞l 數(shù)字通信：在信道中采用數(shù)字信號傳輸離散化處理的模擬信息（例如語音、圖象）。l 數(shù)據(jù)通信：數(shù)字信源之間的通信。一般是指計算機(jī)之間、或計算機(jī)/終端之間的信息傳輸，更多地是指計算機(jī)數(shù)據(jù)的通信。l 信道：向通信的一方傳送信息的線路，一條通信線路往往包含多個信道。信道通常分成模擬信道和數(shù)字信道。l 基帶信號是將由不同電壓表示的數(shù)字信號1或0直接送到線路上傳輸，而頻帶信號則是將數(shù)字信號調(diào)制后形成的模擬信號送到線路上傳輸。2.12.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識

2、2.1.2 2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)l 傳輸介質(zhì)指傳輸信息的載體，分成有線介質(zhì)、無線介質(zhì)。l 常見的有線傳輸介質(zhì)主要有雙絞線（對稱電纜）及光纖等。l 常見的無線傳輸介質(zhì)主要有超短波及微波視距傳播、衛(wèi)星中繼等。通信衛(wèi)星空中移動站陸上移動站地方站地方站海上移動站中央站通信樞紐海軍艦艇站遠(yuǎn)洋輪船站l 雙絞線是由一對相互絕緣的金屬導(dǎo)線絞合而成。雙絞線廣泛用于市話中繼線、局域網(wǎng)和控制系統(tǒng)通信網(wǎng)中。l 雙絞線分為屏蔽雙絞線和無屏蔽雙絞線兩種。l 屏蔽雙絞線傳輸誤碼率約為10-610-8，無屏蔽雙絞線傳輸誤碼率約為10-510-6。l 目前，常用的雙絞線主要有5類線、超5類線和6類線。u五類線（

3、CAT5）：最高頻率帶寬為100MHz，最高傳輸率為100Mbps，用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，主要用于100BASE-T和1000BASE-T網(wǎng)絡(luò)，最大網(wǎng)段長為100m，采用RJ形式的連接器。u超五類線（CAT5e）：主要用于千兆位以太網(wǎng)（1000Mbps）。u六類線（CAT6）：六類布線的傳輸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超五類標(biāo)準(zhǔn)，最適用于傳輸速率高于1Gbps的應(yīng)用。（一）雙絞線（一）雙絞線l 光纖是以華人科學(xué)家、2009年諾貝爾物理學(xué)獎得主高錕提出的理論為基礎(chǔ)，1970年由美國康寧公司首先研制成功。l 光纖的結(jié)構(gòu)呈圓柱形，內(nèi)部是纖芯，外部是包層，纖芯采用二氧化硅，摻以鍺、磷等

4、材料制成，直徑約575m，包殼采用純二氧化硅制成，直徑100150m。光纖的最外層是塑料涂層，用以保護(hù)纖芯。纖芯的折射率比包殼的折射率高1%左右。因而可以使光聚集在纖芯與包殼的界面之間向前傳播，形成光波導(dǎo)。l 如果纖芯的直徑足夠細(xì)（5m 以內(nèi)），則光在光波導(dǎo)內(nèi)的傳播只有一種模式，這樣的光纖稱為單模光纖；如果纖芯比較粗，則在光波導(dǎo)內(nèi)同時會有多種沿不同途徑傳播的模式，這樣的光纖稱為多模光纖。單模光纖比多模光纖具有更高的傳輸速率。（二）光導(dǎo)纖維（光纖）（二）光導(dǎo)纖維（光纖）l 光纖的潛在頻帶寬度非常巨大，目前商用已達(dá)到2Gbps40Gbps的速率傳輸，而采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)時，單一光纖在

5、100公里距離實現(xiàn)單向傳輸可利用數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)10.2Tbit/s。單一光纖在7300公里距離實現(xiàn)單向傳輸可利用數(shù)據(jù)吞吐量3Tbit/s。l 光纖不會受外界電磁波的干擾。同時本身也不釋放能量，因此外界也不易竊取其數(shù)據(jù)。光纖還具有損耗低、線徑細(xì)、重量輕、不怕腐蝕、節(jié)省有色金屬等優(yōu)點。l 光纖的主要缺點是不易分接線路，可彎曲半徑小也會增加安裝施工的難度。光纖通信誤碼率可低至10-10。l 光纖在進(jìn)行通信時，首先在發(fā)送端經(jīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，然后經(jīng)光纖送至接收端，再經(jīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將光信號轉(zhuǎn)成電信號，完成整個通信過程。（二）光纖（續(xù)）（二）光纖（續(xù)）l 無線信道通過電磁波在空氣中傳播，比較常用

6、的有超短波和微波通信、衛(wèi)星通信等，超短波信道誤碼率一般小于10-4，微波信道和衛(wèi)星通信誤碼率一般小于10-6。l 超短波頻率介于30300MHz之間，微波頻率介于300MHz300GHz之間。當(dāng)無線電波工作在超短波和微波波段時，電磁波基本上沿視線傳播，在地面上的傳輸距離有限，最大一般不超過60公里。l 衛(wèi)星通信簡單地說就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信，主要使用微波波段。衛(wèi)星通信系統(tǒng)由衛(wèi)星和地球站兩部分組成，具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋地域廣、傳播穩(wěn)定可靠、傳輸容量大等突出的優(yōu)點。用于中繼通信的衛(wèi)星有軌道為圓形的低軌道衛(wèi)星、中軌道衛(wèi)星、同步靜止衛(wèi)星和軌道為橢

7、圓形的低軌道衛(wèi)星。（三）無線信道（三）無線信道2.1.3 2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸方式l數(shù)據(jù)傳輸方式是指數(shù)據(jù)在信道上傳遞所采取的方式l分類u按數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚣皶r間關(guān)系：單工、半雙工、（全）雙工u按數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)捻樞颍翰⑿?、串行u按數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐疥P(guān)系：同步、異步（一）單工、半雙工和雙工數(shù)據(jù)傳輸（一）單工、半雙工和雙工數(shù)據(jù)傳輸發(fā)端信道收端發(fā)端信道收端收端發(fā)端發(fā)端信道收端收端發(fā)端信道(a)(b)(c)l 單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，如圖(a)所示。l 半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時進(jìn)行收發(fā)的工作方式，如圖(b)所示。l 全雙工通信：通信雙方能夠同時進(jìn)行收發(fā)消息的工作

8、方式，如圖(c)所示。（二）同步傳輸和異步傳輸（二）同步傳輸和異步傳輸l 異步傳輸每次傳送一個字符，因此也叫字符同步方式。l 接收時鐘不需要與發(fā)送時鐘同步，除非時鐘偏差超過50（這是不太可能的），不會引起采樣出錯。l 異步通信方式簡單易實現(xiàn)，但傳輸效率較低。起始位1位奇/偶校驗位1位字符5-8位停止位1、1.5、2位下1個起始位線路空閑線路空閑l 同步通信傳輸以字符塊或位塊為單位進(jìn)行，一塊一般有幾千個數(shù)據(jù)位。l 發(fā)送時鐘和接收時鐘必須同步。目前一般采用自同步法，即從所接收的數(shù)據(jù)中提取時鐘特征。l 除使雙方時鐘同步外，還必須在數(shù)據(jù)塊前面加上前文，數(shù)據(jù)塊后面加上后文。l 前文、后文加上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)

9、信息構(gòu)成了一個完整的同步傳輸方式下的數(shù)據(jù)單位，稱為幀。（三）并行傳輸和串行傳輸（三）并行傳輸和串行傳輸l 串行傳輸是構(gòu)成字符的二進(jìn)制碼元在一條信道上以位（碼元）為單位、按時間順序逐位在信道上傳輸?shù)姆绞?。串行傳輸時，發(fā)送端按位發(fā)送，接收端逐位接收，同時還要對所傳輸?shù)淖址右源_認(rèn)，所以收發(fā)雙方要采取同步措施，否則接收端將不能正確區(qū)分出所傳輸?shù)淖址?，失去通信的意義。串行傳輸速度慢，但是只需要一條傳輸信道，線路投資少，易于順序，是計算機(jī)通信采用的主要形式。如圖(a)所示。l 并行傳輸是構(gòu)成字符的二進(jìn)制碼元在并行信道上同時傳輸?shù)姆绞?。并行傳輸是一次傳輸一個字符，如微機(jī)內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)碼或地址碼，收發(fā)雙方

10、不存在同步問題，而且速度快。但是并行傳輸需要并行信道，所以線路投資大，不適宜于遠(yuǎn)距離傳輸。如圖(b)所示。2.1.4 2.1.4 數(shù)據(jù)基帶傳輸與頻帶傳輸數(shù)據(jù)基帶傳輸與頻帶傳輸l目前，用于傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的線路有兩類：一類是數(shù)字通信線路，其上可以直接傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)；另一類是模擬通信線路，這時要想傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，必須經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)。l因此，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸有相應(yīng)的兩種方式：基帶傳輸方式和頻帶傳輸方式。（一）基帶傳輸（一）基帶傳輸l 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以攜帶離散或連續(xù)消息轉(zhuǎn)換成數(shù)字0或l信號形式在信道中傳輸，稱為基帶傳輸。l 在基帶傳輸中，傳輸信號的頻率范圍從0到幾兆赫，要求信道有較高的頻率特性。一般需要選擇專用的傳輸

11、線路，必要時還需要對數(shù)字信號必須進(jìn)行編碼才能進(jìn)行傳輸，常用的編碼方法有非歸零碼NRZ、HDB3碼、曼徹斯特碼（雙相碼）等等。l 基帶傳輸由于信號頻率可以很低，甚至可能含有直流成份，因此也叫直流傳輸。傳輸線路的電容對傳輸信號的波形影響很大，因此傳輸距離受到限制，一般不超過2.5km。當(dāng)超過此距離時，需要通過轉(zhuǎn)發(fā)器增加功率和信號整型來延長距離。（二）頻帶傳輸（二）頻帶傳輸l 頻帶傳輸是指代表數(shù)據(jù)的二進(jìn)制0或l通過調(diào)制解調(diào)器，變換成具有一定頻帶范圍的模擬數(shù)據(jù)信號進(jìn)行傳輸。l 在數(shù)字頻帶傳輸中，數(shù)字調(diào)制可以利用數(shù)字基帶信號具有的特征（時間離散、幅度離散等）來控制正弦載波的振幅、頻率和相位，就可以獲得所

12、謂的幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。l 完成調(diào)制功能的設(shè)備叫調(diào)制器，完成解調(diào)功能的設(shè)備叫解調(diào)器。在實際應(yīng)用中調(diào)制技術(shù)和解調(diào)技術(shù)在一個設(shè)備中實現(xiàn)，這種設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器。l 調(diào)制解調(diào)器提供了數(shù)字環(huán)境和模擬環(huán)境的接口。所以調(diào)制解調(diào)器又可以看成是模擬通路的數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備。2.1.52.1.5 差錯控制編碼差錯控制編碼（一）（一）差錯控制原理差錯控制原理 l 噪聲或其他干擾信號導(dǎo)致差錯，差錯用誤碼率來衡量。l 隨機(jī)噪聲對數(shù)據(jù)傳輸影響很大，而其中的脈沖噪聲（如工業(yè)點火噪聲、閃電和電氣開關(guān)通斷產(chǎn)生的噪聲等）和起伏噪聲（熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲）對數(shù)據(jù)信號的影響將導(dǎo)致隨機(jī)差錯和突發(fā)差錯。l 一般來說，針對

13、隨機(jī)差錯的編譯碼方法與設(shè)備比較簡單，成本較低，而效果顯著；而突發(fā)差錯的編譯碼方法與設(shè)備比較復(fù)雜，成本較高，而效果不如前者顯著。（一）（一）差錯控制原理（續(xù)）差錯控制原理（續(xù)） l 差錯控制的基本思想是通過對信息序列作某種變換，使原來彼此獨(dú)立、相關(guān)性很小的信息碼元序列產(chǎn)生某種相關(guān)性，從而在接收端有可能依據(jù)這種相關(guān)的規(guī)律來檢查，進(jìn)而識別或糾正傳輸信息序列的差錯。l 糾錯編碼方法大多是按照某種規(guī)律在用戶信息序列中插入一定數(shù)量的新碼元，這些新碼元稱為監(jiān)督碼元。它們不受用戶的控制，最終也不送給接收用戶，只是系統(tǒng)在傳輸過程中為了減少傳輸差錯而采用的一種處理過程。由于監(jiān)督碼元的加入，信道傳輸速率就要高于原始

14、信息序列速率，若信道所允許的傳輸速率一定的話，則為了引入糾錯編碼，就要降低用戶輸入的信息速率。由此可見，通過抗干擾編碼來提高傳輸?shù)目煽啃裕且誀奚鼈鬏數(shù)挠行裕ㄋ俾剩榇鷥r換取的。（二）（二）幾種常用的簡單差錯控制編碼幾種常用的簡單差錯控制編碼1 1、奇偶校驗碼、奇偶校驗碼l 在計算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛應(yīng)用。l 規(guī)則：發(fā)送端將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼元分組，在每組數(shù)據(jù)后面附加一位監(jiān)督位，使得該碼組連同監(jiān)督位在內(nèi)的“1”的個數(shù)為偶數(shù)（稱為偶校驗）或奇數(shù)（稱為奇校驗）。接收端按同樣規(guī)律檢查。l 只能發(fā)現(xiàn)單個或奇數(shù)個錯誤，而不能檢測出偶數(shù)個錯誤，也不能糾錯。l 設(shè)碼組長度為n，表示為（an-1an-2.a1

15、a0），其中前n-l位為信息碼元，第n位為監(jiān)督位，則：10121 aaaann2 2、水平奇偶校驗碼、水平奇偶校驗碼l 將經(jīng)過奇偶監(jiān)督編碼的碼元序列排成矩陣，每行為一組奇偶監(jiān)督碼，但發(fā)送時則按列的順序傳輸，接收端仍將碼元排列成發(fā)送時的矩陣形式，然后按行進(jìn)行奇偶校驗。由于行按進(jìn)行奇偶校驗，因此稱為水平奇偶校驗碼。l 采用這種方法可以發(fā)現(xiàn)某一行上所有奇數(shù)個錯誤以及所有長度不大于方陣中行數(shù)的突發(fā)錯誤。信息碼元監(jiān)督碼元11100110001110100110101000011101100010000100110011101113 3、水平垂直奇偶校驗碼、水平垂直奇偶校驗碼l 水平垂直奇偶校驗碼，是將水

16、平奇偶校驗碼推廣到二維奇偶校驗碼，又稱行列校驗碼和方陣碼。l 方法：是對水平校驗方陣中的每一列再進(jìn)行奇偶校驗。l 這種碼比水平奇偶校驗碼有更強(qiáng)的檢錯能力，它能發(fā)現(xiàn)某行或某列上的奇數(shù)個錯誤和長度不大于行數(shù)（或列數(shù)）的突發(fā)錯誤；還有可能檢測出偶數(shù)個錯碼，因為如果每行的監(jiān)督位不能在本行檢出偶數(shù)個錯誤時，則在列的方向上有可能檢出；還能糾正一些錯碼。（三）（三）循環(huán)冗余檢驗碼循環(huán)冗余檢驗碼l 循環(huán)冗余檢驗（Cyclic Redundary Checks，CRC）碼是一種循環(huán)碼，只能檢錯而不能糾錯。l CRC碼具有很強(qiáng)的檢錯能力，而且編碼器及譯碼器都很容易實現(xiàn)，因而在數(shù)據(jù)通信中得到廣泛應(yīng)用。l CRC校驗

17、碼通過給信息報文加上一些檢查位，構(gòu)成一個特定的待傳報文，使它所對應(yīng)的多項式能夠被生成多項式G(x)除盡（模2運(yùn)算）, 接收方收到報文后，用 來檢查收到的報文。如果用 G(x)去除收到的報文多項式，可以除盡表示傳輸無誤，否則說明收到的報文不正確。l 碼多項式是指用一個多項式p(x) 表示一個n位的信息：l 式中 為二進(jìn)制信息1或0，例如二進(jìn)制信息10110101有八位，可用系數(shù)為1，0、1、1、0、1、0、1的八項多項式表示為：012211.)(axaxaxaxpnnnn) 1,.,1 , 0(niai1)(2457xxxxxp（三）（三）循環(huán)冗余檢驗碼循環(huán)冗余檢驗碼設(shè)M(x)表示信息報文的多項

18、式，G(x)為指定的生成多項式，T(x) 表示附加了檢查位以后的實際傳輸報文的多項式，那么T(x)應(yīng)該被G(x)除盡。得到T(x)的步驟如下：構(gòu)成多項式 ，即在信息報文低位端附加r個0，使它包含 m+r位。其中m是M(x)的位數(shù)，r是G(x)的最高次數(shù)。比如M(x)101101101001， ，m12，r4。 10110110010000。求G(x)去除 的余數(shù)R(x) 。本例中R(x)1011011001000010101的余數(shù)0001。計算余數(shù)是一個模2除法運(yùn)算。構(gòu)成一個能被G(x)除盡的T(x)，本例中T(x) 101101101001000000011011011010010001。假定接收端收到的報文為 ，如果 余數(shù)為0，傳輸無錯，否則有錯。)()(xMxxMxr1)(24xxxG)(xMx)(xMx)()()(xRxMxxT)(xT)(/ )(xGxT常用常用CRCCRC碼碼l 常用CRC碼有CRC16、 CRCCCITT和 CRC32碼，其生成多項式分別為：11621516xxxCRC151216xxxCCITTCRC1322457810111