計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第3章局域異步通信課件

1、第3章 局域異步通信第1頁，共54頁。本章學(xué)習(xí)要求掌握：概念（異步傳輸、波特率、比特 率、傳輸模式、幀化差錯(cuò)）理解：RS-232異步字符傳輸了解：調(diào)制解調(diào)器傳輸流程應(yīng)用：DB-25接口第2頁，共54頁。概述異步傳輸?shù)谋匾杂秒娏靼l(fā)送位串RS-232異步字符傳輸硬件帶寬數(shù)據(jù)傳輸速率與幀化差錯(cuò)傳輸模式第3頁，共54頁。3.1 異步傳輸?shù)谋匾詮V義上，若發(fā)送器與接收器之間在發(fā)送數(shù)據(jù)前無需協(xié)調(diào)（如發(fā)送器和接收器不同步），則這種通信稱為異步；技術(shù)上，若發(fā)送的電信號(hào)中不包含接收器用來確定位串何時(shí)結(jié)束的信息，則該通信硬件歸納為異步的。 第4頁，共54頁。3.2 用電流發(fā)送位串通過在介質(zhì)鏈路上（通常是電纜或?qū)?/p>

2、線）發(fā)送電壓脈沖來工作 ，信號(hào)的電平由它所代表的比特位決定，一個(gè)正電壓值代表比特0，而一個(gè)負(fù)電壓值代表比特1。 第5頁，共54頁。波形圖Vt圖3-1 正負(fù)電壓用于在導(dǎo)線上發(fā)送位串。本例中發(fā)送器用負(fù)電壓表示1，正電壓表示0 1 0 1 0 0 1第6頁，共54頁。3.3 RS-232異步字符傳輸存在的問題解決問題第7頁，共54頁。3.3.1 通信標(biāo)準(zhǔn) 國際電信聯(lián)盟-電信標(biāo)準(zhǔn)化部 （ITU-T)電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA)電子電氣工程師協(xié)會(huì) (IEEE)通信標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械特性 電氣特性 控制和時(shí)序 功能特性 第8頁，共54頁。3.3.2 RS-232概要制定者：電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA，RS-232又稱為EIA-

3、232。內(nèi)容：定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE，Data Terminal Equipment）和數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備（DCE，Data Circuit-terminating Equipment）之間接口的機(jī)械、電氣以及功能特性。第9頁，共54頁。DTE 和 DCE網(wǎng)絡(luò) DTEDCEDCEDTERS-232標(biāo)準(zhǔn)第10頁，共54頁。3.3.2 RS-232概要版本：從最早在1962年以RS-232（推薦標(biāo)準(zhǔn)）名字發(fā)布以來，RS-232標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了若干次的修訂。最新的一個(gè)版本，即RS-232-D，不僅定義了使用的連接頭的類型，還定義了具體的電纜和插頭以及每一個(gè)針腳的功能。應(yīng)用：用于在計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器、鍵盤

4、或終端之類的設(shè)備之間傳輸字符。第11頁，共54頁。RS-232介紹機(jī)械特性電氣特性控制和時(shí)序功能特性第12頁，共54頁。3.3.3 RS-232機(jī)械特性S-232標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械規(guī)范規(guī)定的接口是兩端分別有一個(gè)陽性和陰性的DB-25針腳連接頭的25線電纜。電纜倡導(dǎo)不可超過50英尺（大約15米）。 第13頁，共54頁。3.3.4 RS-232電氣特性標(biāo)準(zhǔn)的電氣規(guī)范規(guī)定了在DTE設(shè)備和DCE設(shè)備之間任何一個(gè)方向上傳輸數(shù)據(jù)所采用的電壓值和信號(hào)類型。發(fā)送數(shù)據(jù)起始位、終止位第14頁，共54頁。3.3.4.1 發(fā)送數(shù)據(jù) RS-232標(biāo)準(zhǔn)指出了所有數(shù)據(jù)必須以邏輯1和邏輯0（稱為傳號(hào)和空白）形式傳輸，采用非歸零（NR

5、Z-L）編碼，其中0對(duì)應(yīng)正電壓而1對(duì)應(yīng)負(fù)電壓。 對(duì)應(yīng)的電壓值必須在315V或-3-15V之間 第15頁，共54頁。3.3.4.1 發(fā)送數(shù)據(jù)電壓+15+3允許區(qū)域未定義區(qū)域未定義區(qū)域允許區(qū)域時(shí)間1 0 1 0NRZ-L編碼0-3-15第16頁，共54頁。3.3.4.1 發(fā)送數(shù)據(jù)注意RS-232允許發(fā)送器在任何時(shí)刻發(fā)送一個(gè)字符，并可在發(fā)送一個(gè)字符前延遲任意長的時(shí)間。 一旦開始傳輸一個(gè)字符，發(fā)送硬件依次將所有的位全部送出，在位與位之間沒有延遲。 RS-232硬件在導(dǎo)線上不存在零伏狀態(tài)，當(dāng)發(fā)送器不再發(fā)送時(shí)，它使導(dǎo)線處于一個(gè)負(fù)電壓狀態(tài)，而這代表1。 第17頁，共54頁。3.3.4.2 起始位、終止位由于

6、接收器并不能對(duì)線路的空閑狀態(tài)（處于1）和一位真正的1做出，RS-232標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)送器在傳輸字符的各位之前先傳輸一位額外的0，這一附加位就是起始位（start bit）。在一個(gè)字符結(jié)束與下一個(gè)字符開始之前，RS-232要求發(fā)送器必須使線路保持空閑狀態(tài)至少達(dá)到某一最小時(shí)間，通常所選定的最小時(shí)間就是傳輸一位所需時(shí)間，這一位就是終止位（stop bit） 。 第18頁，共54頁。3.3.4.2 起始位、終止位V15-15t空閑 開始 1 0 1 1 0 1 0 停止 空閑第19頁，共54頁。3.3.5 RS-232控制和時(shí)序在RS-232接口中的25根可用的導(dǎo)線中只有4根用于數(shù)據(jù)功能，余下的21根都用

7、于諸如控制、時(shí)序、接地以及測試等功能。 這些導(dǎo)線上傳輸?shù)碾妷撼^+3V稱為“開”狀態(tài)，低于-3V稱為“關(guān)”狀態(tài)。 第20頁，共54頁。RS-232標(biāo)準(zhǔn)中控制信號(hào)的電氣規(guī)范 時(shí)間電壓0+3+15-3-15開關(guān)允許區(qū)間未定義區(qū)間未定義區(qū)間允許區(qū)間第21頁，共54頁。3.3.6 RS-232功能特性DB-25DB-9第22頁，共54頁。DB-25第23頁，共54頁。DB-25針腳定義1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 11 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 接地 保護(hù) 發(fā)送的數(shù)據(jù) 接收的數(shù)據(jù) 發(fā)送請(qǐng)求 清除發(fā)送 DCE設(shè)備 就緒 信號(hào)地線 接收

8、線 信號(hào)檢 測器 保留（測 試） 保留（測 試） 未定義 輔助接收 信號(hào)檢測 器 輔助清除發(fā)送 輔助數(shù)據(jù)傳輸 DCE設(shè)備到DTE設(shè)備發(fā)送方信號(hào)基準(zhǔn)時(shí)鐘 輔助數(shù)據(jù)接收 本地回饋 DCE設(shè)備到DTE 設(shè)備接收方信號(hào)基 準(zhǔn)時(shí)鐘 輔助發(fā)送請(qǐng)求 DTE設(shè)備就緒 振鈴指示 遠(yuǎn)程回饋和信號(hào)質(zhì)量檢測 數(shù)據(jù)信號(hào)速率選擇DTE設(shè)備到DCE設(shè)備發(fā)送方信號(hào)基準(zhǔn)時(shí)鐘 測試模式 第24頁，共54頁。DB-9第25頁，共54頁。DB-9針腳定義1 2 3 4 5 6 7 8 9 載波檢測 發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù)據(jù) DTE設(shè)備 就緒 信號(hào)地線 DCE設(shè)備就緒 發(fā)送請(qǐng)求 清除發(fā)送 振鈴指示 第26頁，共54頁。3.3.7 RS-23

9、2性能歸納RS-232是在計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器或ASCII終端之間實(shí)現(xiàn)短距離異步串行通信的一個(gè)流行標(biāo)準(zhǔn)。RS-232在每一字符前用一個(gè)起始位作前導(dǎo)，在每個(gè)字符后跟隨至少一位的空閑周期，并且傳輸每一位都使用相同的時(shí)間。字符之間可以相隔若干空閑周期。第27頁，共54頁。3.4 硬件帶寬硬件限制帶寬第28頁，共54頁。3.4.1 硬件限制實(shí)際上，沒有一種電子設(shè)備能在瞬間將一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為另一個(gè)電壓，而且沒有一種導(dǎo)線能從容地傳導(dǎo)電流。因此，電壓的升降都需要一小段時(shí)間。 第29頁，共54頁。3.4.2 帶寬每條線路對(duì)于可以承載的信號(hào)的頻率都有一個(gè)上限和一個(gè)下限，這個(gè)限定范圍就稱之為帶寬。 300 600 3

10、000 3300 2400 Hz用于數(shù)據(jù)傳輸 3000 Hz用于語音傳輸用于語音傳輸 用于數(shù)據(jù)傳輸 第30頁，共54頁。3.5 數(shù)據(jù)傳輸速率與幀化差錯(cuò) 數(shù)據(jù)傳輸速率 比特率（Bit Rate） 波特率（Baud Rate） 帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率 奈奎斯特采樣定理（Nyquist Sampling Theorem） 香農(nóng)定理（Shannon Theorem） 誤碼率幀化差錯(cuò)（Framing Error）第31頁，共54頁。3.5.1 數(shù)據(jù)傳輸速率 比特率是每秒鐘傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的二進(jìn)制數(shù)(比特?cái)?shù))，單位為比特/秒（bit/second或bit per second），記作b/s或bps。 第32頁

11、，共54頁。3.5.1 數(shù)據(jù)傳輸速率例3.1 早期的RS-232通常以每秒300位的速率工作，而現(xiàn)在每秒9600位和每秒19200位的速率更為常見。試用比特率給予描述。比特率 300bps；9600bps；19200bps。第33頁，共54頁。3.5.1 數(shù)據(jù)傳輸速率波特率表示傳輸硬件的工作效率，即每秒傳輸?shù)男盘?hào)單元數(shù)，其中信號(hào)單元由一些比特組成。 第34頁，共54頁。比特率和波特率在討論計(jì)算機(jī)的效率的時(shí)，比特率更為重要我們想要知道處理每段報(bào)文要花費(fèi)多長時(shí)間。但在數(shù)據(jù)傳輸方面，我們更關(guān)注在兩地之間移動(dòng)的效率，不管是一段段移還是一塊塊移。需要的信號(hào)單元越少，系統(tǒng)效率就越高，傳輸更多比特所需的帶寬

12、就更少；因此我們更重視波特率。波特率決定了發(fā)送信號(hào)所需的帶寬。 第35頁，共54頁。比特率和波特率比特率等于波特率乘以每個(gè)信號(hào)單元表示的比特?cái)?shù)，波特率等于比特率除以每個(gè)信號(hào)移位表示的比特?cái)?shù)。比特率總是大于或等于波特率。 第36頁，共54頁。比特率和波特率例3.2 對(duì)簡單的RS-232模式來說，每個(gè)信號(hào)表示一位二進(jìn)制，因此波特率就等于每秒中的信號(hào)數(shù)，等于每秒鐘傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)。這樣，9600波特率意味著每秒傳輸9600位。 第37頁，共54頁。比特率和波特率例3.3 對(duì)每個(gè)信號(hào)攜帶4比特的一個(gè)模擬信號(hào)來說如果每秒發(fā)送1000個(gè)信號(hào)單元，求出波特率與比特率？解答 波特率 信號(hào)單元的個(gè)數(shù) 每秒100

13、0波特比特率 波特率 每個(gè)信號(hào)單元的比特?cái)?shù) 1000 4 4000bps第38頁，共54頁。比特率和波特率例3.4 一個(gè)信號(hào)的比特率是3000bps，如果每個(gè)信號(hào)單元攜帶6比特，問波特率是多少？解答 波特率 比特率/每個(gè)信號(hào)單元的比特?cái)?shù) 3000/6 每秒500波特 第39頁，共54頁。3.5.2 帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率奈奎斯特采樣定理 香農(nóng)定理 兩個(gè)定律從定量的角度描述了“帶寬”與“速率”的關(guān)系 第40頁，共54頁。奈奎斯特采樣定理在帶寬為B的傳輸系統(tǒng)上，所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率以每秒位數(shù)表示時(shí)可達(dá)到2B。更為一般地，如果傳輸系統(tǒng)使用K種不同電壓而不是兩種，奈奎斯特定理指出，以每秒位數(shù)表示的最

14、大數(shù)據(jù)速率D為：D 2Blog2KD的單位為bps，帶寬B單位為Hz。第41頁，共54頁。奈奎斯特采樣定理例3.5 根據(jù)奈奎斯特定理，計(jì)算RS-232模式下采樣兩種電壓編碼數(shù)據(jù)的傳輸速率。 D 2Blog2k 2Blog22 2B第42頁，共54頁。香農(nóng)定理 在有隨機(jī)熱噪聲（電子在線路中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的額外信號(hào)而不是由發(fā)送器發(fā)送的原始信號(hào)）的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率D與信道帶寬B、信號(hào)與噪聲功率比S/N關(guān)系為：D = Blog2( 1+S/N )其中，B是信道的帶寬，S/N是信噪比，而D是用bps表示的數(shù)據(jù)傳輸速度（信道容量，香農(nóng)容量）。 第43頁，共54頁。香農(nóng)定理例3.6 考慮一

15、個(gè)極端的噪聲信道，其中信噪比近似于零，換言之，噪聲很強(qiáng)使得信號(hào)很微弱。對(duì)于該信道，計(jì)算它的香農(nóng)容量.解答 D = Blog2(1+S/N) = Blog2（10）= Blog2(1) = B0 = 0這就是說，該信道傳輸速率（信道容量）是零，與帶寬無關(guān)。換言之，在該信道上不能發(fā)送任何數(shù)據(jù)。第44頁，共54頁。香農(nóng)定理例3.7 計(jì)算常規(guī)電話線理論上的最高比特率。電話線通常的帶寬是3000 Hz（3003300 Hz）。信噪比通常是3162（35dB）。對(duì)于該信道，計(jì)算香農(nóng)容量。解答 D = Blog2(1+S/N) = 3000log2（13162）= 3000log2(3163) = 3000

16、11.62 = 34,860bps 這就是說，電話線上的最高比特率是34,860 bps （ 33.6 Kbps）。如果要想更快地發(fā)送數(shù)據(jù)，則應(yīng)該增加線路的帶寬或改進(jìn)信噪比。 第45頁，共54頁。3.5.3 誤碼率誤碼率：指二進(jìn)制碼元在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，它在數(shù)值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N為傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總數(shù)，Ne為被傳錯(cuò)的碼元數(shù)。第46頁，共54頁。3.5.3 誤碼率注意誤碼率應(yīng)該是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)之一 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據(jù)實(shí)際傳輸要求提出誤碼率要求 對(duì)于實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制比特，要折

17、合成二進(jìn)制比特來計(jì)算差錯(cuò)的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，在實(shí)際測量一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時(shí)，只有被測量的傳輸二進(jìn)制比特?cái)?shù)越大，才會(huì)越接近于真正的誤碼率值 第47頁，共54頁。3.5.4 幀化差錯(cuò) 為使RS-232硬件適應(yīng)性更強(qiáng)，制造商通常將每一元件都設(shè)計(jì)成能在各種波特率下工作。由于發(fā)送端和接收端電壓彼此不一致，或停止位并不在期待的時(shí)刻出現(xiàn)，造成系統(tǒng)記時(shí)器報(bào)告錯(cuò)誤，這類錯(cuò)誤稱為幀化差錯(cuò)（framing error）. 應(yīng)用：BREAK鍵第48頁，共54頁。3.6 傳輸模式傳輸模式：用來定義兩個(gè)互相連接設(shè)備之間信號(hào)流動(dòng)的方向。共有三種傳輸模式：單工、半雙工和全雙工。 第49頁，共54頁。3.6.1 單工模式一條鏈路的兩個(gè)站點(diǎn)中只有一個(gè)可以進(jìn)行發(fā)送，另一個(gè)只能接收 。數(shù)據(jù)流向 主機(jī) 顯示器第50頁，共54頁。3.6.2 半雙工模式在半雙工模式中，每個(gè)站點(diǎn)都可以發(fā)送和接收，但是不能同時(shí)發(fā)送和接收。當(dāng)