03計(jì)算機(jī)通信基礎(chǔ)

1、第3講 數(shù)據(jù)通信的基本概念1本章主要內(nèi)容2.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)中的基本概念2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)2.3 傳輸介質(zhì)(局域網(wǎng)）2.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬煞N方式2.5 數(shù)據(jù)通信方式2.6 數(shù)據(jù)交換方式2.7 信道多路復(fù)用技術(shù)2.8 數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)校驗(yàn)和糾正2.9 本章小結(jié)22.1 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)中的基本概念2.1.1 信息、數(shù)據(jù)與信號2.1.2 碼元與碼字2.1.3 信道及信道容量2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)1.比特率S:2.波特率B:3.出錯(cuò)率:4.帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率:2.4 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬煞N方式2.4.1 模擬傳輸2.4.2 數(shù)字傳輸3數(shù)據(jù)通信方式按傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)并行通信串行通信按數(shù)據(jù)在

2、信道上的傳輸方向單工通信半雙工通信全雙工通信按數(shù)據(jù)交換方式線路交換報(bào)文交換分組交換同步傳輸異步傳輸按傳輸?shù)男盘栴愋湍M通信數(shù)據(jù)通信42.5 數(shù)據(jù)通信方式2.5.1 單工、半雙工與全雙工通信2.5.2 兩線制和四線制2.5.3 同步傳輸和異步傳輸52.5.1 單工、半雙工與全雙工通信數(shù)據(jù)通信的線路工作模式分為單工、半雙工和全雙工3種。 1.單工通信方式。在單工信道上信息只能在一個(gè)方向傳送。發(fā)送方不能接收，接受方不能發(fā)送。 2.半雙工通信方式。在半雙工信道上，通信雙方可以交替發(fā)送和接收信息，但不能同時(shí)發(fā)送和接收。 3.全雙工通信方式。61、單工通信（雙線制）數(shù)據(jù)信號固定地從發(fā)送端A傳送到接收端B。

3、理論上只需要一根線，但實(shí)際中還有一根控制信號線。例：電視信號的傳送AB數(shù)據(jù)信道監(jiān)控信道串行數(shù)據(jù)通信的3種方式72、半雙工通信（雙線制+開關(guān)）允許數(shù)據(jù)信號雙向傳送，但不能同時(shí)進(jìn)行。該方式要求A、B端都有發(fā)送裝置和接收裝置。要想改變傳輸方向，需要利用開關(guān)進(jìn)行切換。例：無線電對講機(jī)。發(fā)收收發(fā)數(shù)據(jù)信道監(jiān)控信道83、雙工通信（四線制）發(fā)收收發(fā)數(shù)據(jù)信道數(shù)據(jù)信道監(jiān)控信道監(jiān)控信道例：電話，雙方同時(shí)通話。全雙工通信效率高，控制簡單，但造價(jià)高，適用于計(jì)算機(jī)之間的通信。92.5.2 兩線制和四線制兩線制是指在兩個(gè)通信調(diào)制解調(diào)器之間有兩條物理連接線互相連接，兩線制通常工作于半雙工方式，只是在低速時(shí)可工作于全雙工方式。

4、四線制是指在兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器之間有四條物理連接線，其中兩條用于發(fā)送信號，兩條用于接收信號，故可以實(shí)現(xiàn)全雙工操作。102.5.3 異步傳輸與同步傳輸1.異步傳輸 異步傳輸即把各個(gè)字符分開傳輸，字符與字符之間插入同步信息。2. 同步傳輸 異步傳輸不適合于傳送大的數(shù)據(jù)塊，而同步傳輸在傳送連續(xù)的數(shù)據(jù)塊時(shí)比異步傳輸更有效。11 1 0 1 1 0 0 1 1 起始位 校驗(yàn)位 停止位 1、異步傳輸 異步傳輸方式中，一次只傳輸一個(gè)字符。每個(gè)字符用一位起始位引導(dǎo)、一位停止位結(jié)束。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送方可發(fā)送連續(xù)的停止位。接收方根據(jù)“1”至“0”的跳變來判斷一個(gè)新字符的開始,然后接收字符中的所有位。 缺點(diǎn)：一是

5、每一個(gè)字符都要加上輔助位造成傳輸效率降低；二是由于收發(fā)雙方的時(shí)鐘差異決定了這種方式傳輸速率不能太高，常用在低速傳輸中。 12 2、同步傳輸 同步傳輸時(shí)，為使接收雙方能判別數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束，還需要在每個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始處和結(jié)束處各加一個(gè)幀頭和一個(gè)幀尾，加有幀頭、幀尾的數(shù)據(jù)稱為一幀。幀頭和幀尾的特性，取決于傳送數(shù)據(jù)塊是面向字符的還是面向位的。 面向字符的：采用特殊字符； 面向位的：采用特殊的“位”系列，如 01111110。 幀頭 數(shù)據(jù)塊 幀尾 一個(gè)或多個(gè) 結(jié)束控制 SYNC 字符 132.6 數(shù)據(jù)交換方式 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，常常需要通過有中間節(jié)點(diǎn)的線路來將數(shù)據(jù)從源地發(fā)送到目的地，以此實(shí)現(xiàn)通信。數(shù)據(jù)經(jīng)

6、編碼后在通信線路上進(jìn)行傳輸，按數(shù)據(jù)傳送技術(shù)劃分，交換網(wǎng)絡(luò)又可分為電路交換網(wǎng)、報(bào)文交換網(wǎng)和分組交換網(wǎng)。 數(shù)據(jù)交換問題的提出：電路交換存儲交換報(bào)文交換分組交換數(shù)據(jù)報(bào)交換虛電路交換數(shù)據(jù)交換142.6.1 線路交換線路交換(circuit switching)最典型的例子就是“電話通信”，如圖所示，我們大家都有打電話的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)我們要和對方進(jìn)行通信時(shí)，首先撥號發(fā)出呼叫請求，經(jīng)過交換機(jī)的轉(zhuǎn)接，對方聽到呼叫的鈴聲，拿起電話進(jìn)行語音通信。15(B2(交換機(jī)(交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)A1B1C1D1A2C2D2電路交換161、線路交換原理 線路交換是指數(shù)據(jù)傳輸期間，在源站點(diǎn)與目的站點(diǎn)之間建立專用電路鏈接，

7、數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之前，電路一直被占用，而不能被其他節(jié)點(diǎn)所使用。用電路交換技術(shù)完成的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷以下三個(gè)階段。1. 電路的建立 2. 數(shù)據(jù)傳輸 3. 電路拆除 172、電路交換技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及特點(diǎn)1)優(yōu)點(diǎn) 數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，數(shù)據(jù)不會丟失且保持原來的序列。2)缺點(diǎn) 在某些情況下，電路空閑時(shí)的信道容易被浪費(fèi)；在短時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)電路建立和拆除所用的時(shí)間得不償失。因此，它適用于系統(tǒng)間要求高質(zhì)量的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。3)特點(diǎn) 線路為專用。182.6.2 報(bào)文交換 問題的提出： 當(dāng)端點(diǎn)間交換的數(shù)據(jù)具有隨機(jī)性和突發(fā)性時(shí)，采用電路交換方法的缺點(diǎn)是信道容量和有效時(shí)間的浪費(fèi)。采用報(bào)文交換則不存在這種問題。報(bào)文交換屬于

8、存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換。191. 報(bào)文交換原理 報(bào)文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報(bào)文，報(bào)文就是站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長度不限且可變。當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送報(bào)文時(shí)，它將一個(gè)目的地址附加到報(bào)文上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文上的目的地址信息，把報(bào)文發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一直逐個(gè)節(jié)點(diǎn)地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到整個(gè)報(bào)文并檢查無誤后，就暫存這個(gè)報(bào)文，然后利用路由信息找出下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，再把整個(gè)報(bào)文傳送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，端與端之間無需先通過呼叫建立連接。 202. 報(bào)文交換的特點(diǎn) 1)報(bào)文從源點(diǎn)傳送到目的地采用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)方式，在傳送報(bào)文時(shí)，一個(gè)時(shí)刻僅占用一段通道。 2)在交換節(jié)點(diǎn)中需要緩沖存儲，報(bào)文需要排隊(duì)，故報(bào)文交換不能滿

9、足實(shí)時(shí)通信的要求。213. 報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn) 1)電路利用率高。由于許多報(bào)文可以分時(shí)共享兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通道，所以對于同樣的通信量來說，對電路的傳輸能力要求較低。 2)在電路交換網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)通信量變得很大很大時(shí)，就不能接受新的呼叫。而在報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)上，通信量大時(shí)仍然可以接收報(bào)文，不過傳送延遲會增加。 3)報(bào)文交換系統(tǒng)可以把一個(gè)報(bào)文發(fā)送到多個(gè)目的地，而電路交換網(wǎng)絡(luò)很難做到這一點(diǎn)。 4)能夠建立報(bào)文的優(yōu)先權(quán)。 5)報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。224.報(bào)文交換的缺點(diǎn) 1)不能滿足實(shí)時(shí)或交互式的通信要求，報(bào)文經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間長且不定。 2)有時(shí)節(jié)點(diǎn)收到過多的數(shù)據(jù)而無足夠空間存儲或不能及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，

10、就不得不丟棄報(bào)文，而且發(fā)出的報(bào)文不按順序到達(dá)目的地。 報(bào)文交換適用于長報(bào)文、無實(shí)時(shí)性通信要求的場合，不適合會話式通信，是我國公用電報(bào)網(wǎng)中采用的交換技術(shù)。23分組交換是報(bào)文分組交換的簡稱，又稱包交換。它是報(bào)文交換的一種改進(jìn)，它將報(bào)文分成若干個(gè)分組，每個(gè)分組的長度有一個(gè)上限，有限長度的分組使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的存儲能力降低了，分組可以存儲到內(nèi)存中，提高了交換速度。每個(gè)分組中包括數(shù)據(jù)和目的地址。其傳輸過程在表面上看與報(bào)文交換類似，但由于限制了每個(gè)分組的長度，因此大大地改善了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的一種交換技術(shù)。 2.6.3 分組交換24數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù)分組11010011101

11、 報(bào)文發(fā)送端首部分組數(shù) 據(jù)首部分組首部數(shù) 據(jù)發(fā)送發(fā)送發(fā)送在前發(fā)送接收端數(shù) 據(jù)首部數(shù) 據(jù)首部數(shù) 據(jù)首部11010011101 25 分組交換與報(bào)文變換最大的不同點(diǎn)是：(1) 把數(shù)據(jù)傳送單位的最大長度限制在較小的范圍內(nèi)，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需要的存儲量低了。(2) 分組是較小的傳輸單位，只有出錯(cuò)的分組才會被重發(fā)，因此大大降低了重發(fā)的比例和開銷，提高了交換速度。 26分組交換有虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報(bào)分組交換兩種。虛電路方式(virtual circuit) 虛電路方式又分為兩種：呼叫虛電路和 永久虛電路。 呼叫虛電路方式也要經(jīng)歷以下三個(gè)過程。 建立虛電路 交換數(shù)據(jù)拆除虛電路 27呼叫虛電路方式 1、虛電路

12、 28在數(shù)據(jù)報(bào)方式中，每個(gè)分組的傳送是被單獨(dú)處理的，就像報(bào)文交換中的報(bào)文一樣也是獨(dú)立處理的。每個(gè)分組被稱為一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)自身攜帶足夠的地址信息。一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)后，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)中的地址信息和節(jié)點(diǎn)所存儲的路由信息，找出一個(gè)合適的出路，把數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在整個(gè)過程中，沒有虛電路建立，中間節(jié)點(diǎn)要為每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)作路由選擇。 2、數(shù)據(jù)報(bào)方式(data gram) 29圖2-12 數(shù)據(jù)報(bào)方式 30虛電路方式與數(shù)據(jù)報(bào)方式相比，其不同點(diǎn)在于：(1) 虛電路方式是面向連接的交換方式，常用于兩端點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換量大的情況，能提供可靠的通信功能，保證每個(gè)分組正確到達(dá)，且保持原來的順序。 但虛電路方

13、式有一個(gè)弱點(diǎn)，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)或某條鏈路出故障而徹底失效時(shí)，則所有經(jīng)過故障點(diǎn)的虛電路將立即破壞，導(dǎo)致本次通信失敗。(2) 數(shù)據(jù)報(bào)方式是面向無連接的交換方式，適用于交互式會話中每次傳送的數(shù)據(jù)報(bào)很短的情況。 312.6.4 快速分組交換1. 幀中繼交換 幀中繼交換是在開放系統(tǒng)互連(OSI/RM)參考模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層上使用簡化的方式傳送和交換數(shù)據(jù)的一種方式。2. 信元交換 信元交換將信息通過適配層切割成固定長度的信元，每個(gè)信元由5個(gè)字節(jié)的首部和48字節(jié)的信元凈荷組成。3. 光分組交換 光分組交換的關(guān)鍵步驟有光分組的產(chǎn)生、同步、緩存、再生，光分組頭重寫及分組之間的光功率的均衡等。幀中繼的主要特點(diǎn)是

14、:使用光纖作為傳輸介質(zhì),因此誤碼率極低,能實(shí)現(xiàn)近似無差錯(cuò)傳輸,減少了進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)的開銷,提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量；幀中繼是一種寬帶分組交換,使用復(fù)用技術(shù)時(shí),其傳輸速率可高達(dá)44.6Mbps。但是,幀中繼不適合于傳輸諸如話音、電視等實(shí)時(shí)信息,它僅限于傳輸數(shù)據(jù)。32多路復(fù)用技術(shù)概述把許多單個(gè)信號在一個(gè)信道上同時(shí)傳輸?shù)募夹g(shù)。 頻分多路復(fù)用FDM在物理信道的可用帶寬超過單個(gè)原始信號所需帶寬的情況下，將該物理信道的總帶寬分割成若干個(gè)傳輸單個(gè)信號帶寬相同的子信道。 時(shí)分多路利用TDM把傳輸信號的時(shí)間進(jìn)行分割，即將整個(gè)傳輸時(shí)間劃分成許多的時(shí)間間隔（時(shí)間片），使多路信號在不同的時(shí)間片內(nèi)輪流交替地傳送。2.7 多路復(fù)

15、用技術(shù)33 FDM適用于模擬信號。例如雙絞線的可用帶寬是100KHZ，因此，在同一根雙絞線上采用頻分復(fù)用技術(shù)可多路傳輸多達(dá)？路電話。頻分多路復(fù)用器把傳輸介質(zhì)的可用帶寬分成一個(gè)個(gè)頻段，每個(gè)輸入裝置分配到一個(gè)頻段。每個(gè)頻段也稱一個(gè)子信道。2.7 信道多路復(fù)用技術(shù)1.頻分多路復(fù)用34多路復(fù)用技術(shù)fCH1CH2CH3fffCH3CH2CH1 保護(hù)頻帶MUXFDM 頻譜搬移，將信號的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號的帶寬不相互重疊。352.時(shí)分多路復(fù)用 時(shí)分多路復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)是將一條物理線路按時(shí)間分成一個(gè)個(gè)的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片常稱為一幀(F

16、rame)，每幀長125s，再分為若干時(shí)隙，輪換地為多個(gè)信號所使用。 36TDM適用于數(shù)字信號。把可用時(shí)間分成大小相同的時(shí)隙。A1B1C1TDMTDMA2B2C2A1A1B1C1B1C137時(shí)分多路復(fù)用可分為同步時(shí)分多路復(fù)用和異步時(shí)分多路復(fù)用。同步時(shí)分多路復(fù)用：時(shí)間片與數(shù)據(jù)源一一對應(yīng)。異步時(shí)分多路復(fù)用：時(shí)間片按照需求動(dòng)態(tài)分配。383.波分復(fù)用技術(shù) 波分復(fù)用，指在同一根光纖上同時(shí)傳送多個(gè)波長不同的光載波，光載波間隔僅0.8或1.6nm。394.碼分多址技術(shù)碼 碼分復(fù)用CDM是另一種共享信道的方法，它是一種用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的共享信道的新技術(shù)，筆記本電腦或PDA(Personal Data Assi

17、stant)以及HPC(Handed Personal Computer)等移動(dòng)性計(jì)算機(jī)的連網(wǎng)通信都會大量用到碼分復(fù)用技術(shù)。實(shí)際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA，每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻率進(jìn)行通信 。在CDMA中，每一個(gè)比特的時(shí)間再劃分為m個(gè)短的時(shí)間片，稱為碼片(chip)，通常m的值是64或128。 402.8 數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)校驗(yàn)和糾正2.8.1 糾錯(cuò)碼與檢錯(cuò)碼2.8.2 奇偶校驗(yàn)2.8.3 方塊校驗(yàn)2.8.4 循環(huán)冗余校驗(yàn) 41原因：傳輸線路上的噪聲現(xiàn)象。內(nèi)部因素：噪音脈沖、衰減、延遲失真等；外部因素有電磁干擾、工業(yè)噪音等。如何提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量：一是改進(jìn)信道的性能，降

18、低誤碼的概率第二是采用糾正錯(cuò)碼的方法，差錯(cuò)控制。422.8.1 糾錯(cuò)碼與檢錯(cuò)碼糾錯(cuò)碼是指發(fā)送端在發(fā)送每一組信息時(shí)發(fā)送足夠的附加位，接收端通過這些附加位在接受譯碼器的控制下不僅可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，而且還能自動(dòng)地糾正錯(cuò)誤。檢錯(cuò)碼是指發(fā)送端在發(fā)送每一組信息時(shí)發(fā)送一些附加位，接收端通過這些附加位可以對所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷看其是否正確，如果存在錯(cuò)誤，它不能糾正錯(cuò)誤而是通過反饋信道傳送一個(gè)應(yīng)答幀，把這個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)果告訴給發(fā)送端，讓發(fā)送端重新發(fā)送該信息，直至接收端收到正確的數(shù)據(jù)為止。目前廣泛采用的檢錯(cuò)碼有奇偶校驗(yàn)碼、方塊碼和循環(huán)冗余碼等。 432.8.2 奇偶校驗(yàn)奇偶校驗(yàn)(VRC)又叫字符校驗(yàn)，或叫垂直冗余校驗(yàn)VR

19、C (vertical redundancy code)。它是在每個(gè)字符編碼的后面，另外增加一個(gè)二進(jìn)制位。該位叫做校驗(yàn)位，其主要目的是使整個(gè)編碼中的“1”或“0”的個(gè)數(shù)成為奇數(shù)或偶數(shù)。如果使編碼中“1”的個(gè)數(shù)成為奇數(shù)則叫做奇校驗(yàn)，反之，則叫做偶校驗(yàn)。奇偶校驗(yàn)并不是一種十分安全可靠的檢錯(cuò)方法，如果有偶數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)位在傳輸來說，奇偶校驗(yàn)是一種令人滿意的檢錯(cuò)法。通常偶校驗(yàn)常用于異步傳輸或低速傳輸，而奇校驗(yàn)常用于同步傳輸。 例如：信息字 奇校驗(yàn) 偶校驗(yàn) 0110001 01100010 01100011442.8.3 方塊校驗(yàn) 也稱方陣校驗(yàn)，是在水平校驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)施垂直校驗(yàn)。這種編碼可以檢測出除相互補(bǔ)償?shù)呐紨?shù)個(gè)錯(cuò)（兩個(gè)字符的相同位同時(shí)出錯(cuò)）以外的所有錯(cuò)， 并具有糾正一位錯(cuò)的能力。需要指出的是為保證最后一位的填充，水平垂直奇/偶校驗(yàn)碼常采用偶校驗(yàn)。 452.8.4 循環(huán)冗余校驗(yàn)循環(huán)冗余校驗(yàn)CRC (circular redundancy code)不產(chǎn)生奇偶校驗(yàn)碼，而是把整