計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程-第2章 數(shù)據(jù)通信概述

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程清華大學(xué)出版社2012年1月第2章數(shù)據(jù)通信概述第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.1數(shù)據(jù)和信號(hào)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼稱為數(shù)據(jù)，它包括預(yù)先約定的具有某種含義的數(shù)字、字母圖形、圖像、語(yǔ)言等。信號(hào)是數(shù)據(jù)的電編碼或電磁編碼，有線信號(hào)采用電編碼，無(wú)線信號(hào)采用電磁編碼。信號(hào)有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種形式，模擬信號(hào)是連續(xù)變化的信號(hào)，如電話線上的電波，數(shù)字信號(hào)是離散變化的二進(jìn)制數(shù)字脈沖信號(hào)，如計(jì)算機(jī)中的電信號(hào)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.2數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)

1.數(shù)據(jù)傳輸速率指?jìng)鬏斁€路上傳輸信息的速度，有數(shù)據(jù)傳輸速率和信號(hào)傳輸速率兩種表示方法：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率又稱比特率，指單位時(shí)間內(nèi)所傳送的二進(jìn)制位的個(gè)數(shù)，單位為比特每秒，表示為bps或b/s。數(shù)據(jù)傳輸速率可用公式表示為：S=(1/T)log2N

第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.2數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)

（2）信號(hào)傳輸速率又稱波特率或調(diào)制速率，指單位時(shí)間內(nèi)所傳送的信號(hào)的個(gè)數(shù)，單位為波特（baud），可用如下公式表示：B=1/T（3）比特率與波特率的關(guān)系兩者之間在數(shù)值上存在如下關(guān)系：S=Blog2N第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.2數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)

2.誤碼率表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)位在傳輸中出錯(cuò)的概率，可用如下公式表示：Pe=Ne/N其中，Pe為誤碼率，Ne為出錯(cuò)的位數(shù)，N為傳輸?shù)目偽粩?shù)。3.信道容量指信道所能承受的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為bps。

第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.2數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)

信道容量有兩種衡量的方法：（1）奈奎斯特公式（Nyquist）（對(duì)有限帶寬無(wú)噪聲信道）C=2Hlog2N，其中，C為最大數(shù)據(jù)速率（信道容量），H為信道的帶寬（Hz），N為一個(gè)脈沖所表示的有效狀態(tài)數(shù)，即調(diào)制電平數(shù)。例：若某信道帶寬為4KHz，任何時(shí)刻信號(hào)可取0、1、2、3這四種電平之一，則信道容量為：C=2Hlog2N=2×4K×log24=16Kbps第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.2數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)

（2）香農(nóng)公式（Shannon）（對(duì)有限帶寬隨機(jī)噪聲信道）C=Hlog2（1+S/N），其中，H為信道的帶寬（Hz），S為信道內(nèi)信號(hào)的功率，N為信道內(nèi)服從高斯分布的噪聲的功率，S/N是信噪比，通常用10log10S/N表示，單位dB（分貝）。例：計(jì)算信噪比為30dB，帶寬為4KHz的信道最大容量：由30db=10log10S/N，得出S/N=1000，則C=4K×log2（1+1000）≈40Kbps。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.2數(shù)據(jù)通信的技術(shù)指標(biāo)

4.三個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系數(shù)據(jù)速率用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的快慢，是信道的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率；信道容量用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的能力，是信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率；誤碼率用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.3半雙工與全雙工

數(shù)據(jù)傳輸按信息傳送的方向與時(shí)間可以分為：?jiǎn)喂?、半雙工、全雙工三種傳輸方式。單工數(shù)據(jù)傳輸方式指的是兩個(gè)數(shù)據(jù)站之間只能沿一個(gè)指定的方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.3半雙工與全雙工

半雙工數(shù)據(jù)傳輸方式是兩個(gè)數(shù)據(jù)站之間可以在兩個(gè)方向上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但不能同時(shí)進(jìn)行。全雙工數(shù)據(jù)傳輸方式是在兩個(gè)數(shù)據(jù)站之間，可以兩個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.4信道多路復(fù)用技術(shù)

信號(hào)傳輸?shù)耐贩Q為信道，是信號(hào)從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩怂?jīng)過(guò)的傳輸介質(zhì)。為了提高信道利用率，使多個(gè)信號(hào)沿同一信道傳輸而互不干擾的技術(shù)，稱為多路復(fù)用技術(shù)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.4信道多路復(fù)用技術(shù)

采用多路復(fù)用技術(shù)的主要原因：（1）通信線路的架設(shè)費(fèi)用較高，需要盡可能地充分使用每個(gè)信道的容量，盡可能不重復(fù)建設(shè)通信線路；（2）一個(gè)物理信道（傳輸介質(zhì)）所具有的通信容量往往大于單個(gè)通信過(guò)程所需要的容量要求，如果一個(gè)物理信道僅僅為一個(gè)通信過(guò)程服務(wù)，必然會(huì)造成信道容量資源的浪費(fèi)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.4信道多路復(fù)用技術(shù)

常用的多路復(fù)用技術(shù)有：1.頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing)技術(shù)就是將傳輸信道的總帶寬劃分成若干個(gè)子頻帶(或稱子信道)，每一個(gè)子信道傳輸1路信號(hào)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.4信道多路復(fù)用技術(shù)

2.時(shí)分復(fù)用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）技術(shù)就是將提供給整個(gè)信道傳輸信息的時(shí)間劃分成若干時(shí)間片(簡(jiǎn)稱時(shí)隙)，并將這些時(shí)隙分配給每一個(gè)信號(hào)源使用，每一路信號(hào)在自己的時(shí)隙內(nèi)獨(dú)占信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.4信道多路復(fù)用技術(shù)

3.波分復(fù)用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)本質(zhì)上是頻分復(fù)用。WDM是在1根光纖上承載多個(gè)波長(zhǎng)(信道)系統(tǒng)，將1根光纖轉(zhuǎn)換為多條“虛擬”纖，每條虛擬纖獨(dú)立工作在不同波長(zhǎng)上。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.4信道多路復(fù)用技術(shù)

4.碼分多址（CDMA）技術(shù)CDMA的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼(PN)進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去；接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.4信道多路復(fù)用技術(shù)

5.空分復(fù)用（SDM，SpaceDivisionMultiplexing）技術(shù)即多對(duì)電線或光纖共用1條纜的復(fù)用方式。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

數(shù)據(jù)交換可以分為電路交換、報(bào)文交換和分組交換三種。1.電路交換當(dāng)用戶之間要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，交換中心在用戶之間建立一條暫時(shí)的數(shù)據(jù)電路。其通信過(guò)程分為以下三個(gè)階段：（1）線路建立階段（2）數(shù)據(jù)傳輸階段（3）線路拆除階段第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

電路交換的缺點(diǎn)是：（1）線路接通后即為專用信道，因此線路利用率低。（2）線路建立時(shí)間較長(zhǎng)，造成有效時(shí)間的浪費(fèi)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

電路交換的缺點(diǎn)是：（3）只要通信雙方建立的線路中任何一點(diǎn)出現(xiàn)故障，就必須重新?lián)芴?hào)建立新的連接。（4）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備相差很大，使用電路交換，不同類型、不同規(guī)格、不同速率的計(jì)算機(jī)很難互相進(jìn)行通信。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

電路交換適用于高負(fù)荷的持續(xù)通信和實(shí)時(shí)性要求較強(qiáng)的場(chǎng)合（如會(huì)話式通信），不適合突發(fā)性通信。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

2.報(bào)文交換在報(bào)文交換方式中，發(fā)信端用戶首先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)編成報(bào)文，連同收信地址等輔助數(shù)據(jù)一起發(fā)往本地交換中心，在那里把它們完整地存儲(chǔ)起來(lái)并作適當(dāng)處理。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)是：（1）傳輸可靠性高，它可以有效地采用差錯(cuò)校驗(yàn)和重發(fā)技術(shù)；（2）線路利用率高，它可以把多條低速電路集中成高速電路傳輸，并且可以使多個(gè)用戶共享一個(gè)信道；第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

（3）使用靈活，它可以進(jìn)行代碼變換、速率變換等預(yù)處理工作，因而它能在類型、速率、規(guī)程不同的終端之間傳輸數(shù)據(jù)。但是，報(bào)文交換不適合會(huì)話型和實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

報(bào)文交換的缺點(diǎn)是：（1）報(bào)文交換的實(shí)時(shí)性差，不適合傳送實(shí)時(shí)或交互式業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)。（2）報(bào)文交換只適用于數(shù)字信號(hào)。（3）要求網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)結(jié)點(diǎn)有較大的緩沖區(qū)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

3.分組交換把數(shù)據(jù)分割成若干個(gè)長(zhǎng)度較短（一般不超過(guò)128個(gè)字符）的分組，每個(gè)分組內(nèi)除數(shù)據(jù)信息外還包括控制信息，它們?cè)诮粨Q機(jī)內(nèi)作為一個(gè)整體進(jìn)行交換。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

與報(bào)文交換相比，分組交換的優(yōu)點(diǎn)是：（1）總的時(shí)延小；（2）每個(gè)結(jié)點(diǎn)所需要的緩存器容量減小，這有利于提高結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)資源的利用率；（3）傳輸有差錯(cuò)時(shí)，只要重發(fā)一個(gè)或若干個(gè)分組，不必重發(fā)整個(gè)報(bào)文，這樣可以提高傳輸效率。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.5數(shù)據(jù)交換方式

分組交換的缺點(diǎn)是每個(gè)分組要附加一些控制信息，這會(huì)使傳輸效率降低，且報(bào)文越長(zhǎng)傳輸效率就越低。分組交換一般提供兩種基本業(yè)務(wù)：（1）虛電路（2）數(shù)據(jù)報(bào)第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.6數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)控制

數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中難免發(fā)生差錯(cuò)。差錯(cuò)控制編碼可分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。檢錯(cuò)碼只能檢查出傳輸中出現(xiàn)的差錯(cuò)，發(fā)送方只有重傳數(shù)據(jù)才能糾正差錯(cuò)；糾錯(cuò)碼不僅能檢查出差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)，避免了重傳。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.6數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)控制

檢錯(cuò)碼有：奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼、正反碼等。糾錯(cuò)碼有：方陣校驗(yàn)碼、海明碼等。1.奇偶校驗(yàn)碼是在7單位的ASCII代碼后增加一位，使整個(gè)編碼中“1”的個(gè)數(shù)成奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.6數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)控制

2.循環(huán)冗余校驗(yàn)碼

由兩部分組成，前部分是信息碼，后部分是校驗(yàn)碼，如果CRC碼共長(zhǎng)n位，信息碼長(zhǎng)k位，就稱為（n，k）碼。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.6數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)控制

3.正反碼是一種簡(jiǎn)單的能夠糾正差錯(cuò)的編碼，其中冗余位的個(gè)數(shù)與信息位個(gè)數(shù)相同，冗余位與信息位或者完全相同或者完全相反，由信息位“1”的個(gè)數(shù)決定。當(dāng)信息位中有奇數(shù)個(gè)“1”時(shí)，冗余位是信息位的簡(jiǎn)單重復(fù)，否則，冗余位是信息位的反碼。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.6數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)控制

4.方陣校驗(yàn)碼將若干個(gè)需要傳送的信息序列編成方陣，其中每一行相當(dāng)于信息碼字，每行的最后加上一個(gè)校驗(yàn)碼元，進(jìn)行行的奇偶校驗(yàn)。方陣的每一列由不同信息碼字中相同碼位的碼元排成，在每一列的最后也加上一個(gè)校驗(yàn)碼元，進(jìn)行列的奇偶校驗(yàn)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.1數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

2.1.6數(shù)據(jù)傳輸中的差錯(cuò)控制

5.海明碼是一種可以糾正一位差錯(cuò)的編碼，即如果數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中有一位出錯(cuò)，則可以知道出錯(cuò)的位數(shù)并通過(guò)取反將其改正過(guò)來(lái)。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.2傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)是指在網(wǎng)絡(luò)中傳輸信息的載體，是網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送方與接收方之間的物理通路。傳輸介質(zhì)分為有線傳輸介質(zhì)和無(wú)線傳輸介質(zhì)兩大類。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.2傳輸介質(zhì)1.有線傳輸介質(zhì)主要有雙絞線、同軸電纜和光纖。雙絞線和同軸電纜傳輸電信號(hào)，光纖傳輸光信號(hào)。2.無(wú)線傳輸介質(zhì)可將其分為無(wú)線電波、微波、紅外線、激光等。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.2傳輸介質(zhì)

2.2.1雙絞線

雙絞線（簡(jiǎn)稱TP，Twisted-Pair），由兩根絕緣導(dǎo)線相互纏繞而成，將一對(duì)或多對(duì)雙絞線放置在一個(gè)保護(hù)套便成了雙絞線電纜。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.2傳輸介質(zhì)

2.2.2同軸電纜

同軸電纜由繞在同一軸線上的兩個(gè)導(dǎo)體組成，具有抗干擾能力強(qiáng)，連接簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是局域網(wǎng)的傳輸介質(zhì)。同軸電纜分為50Ω和75Ω兩種。第2章數(shù)據(jù)通信概述2.2傳輸介質(zhì)

2.2.3光纖

光纖又稱為光纜或光導(dǎo)纖維，由光導(dǎo)纖維纖芯、玻璃網(wǎng)層和能吸收光線的外殼組成，數(shù)據(jù)在玻璃纖維中通過(guò)光信號(hào)進(jìn)行傳輸。光