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

第二章

數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

12.1.1一些基本概念

通信：信源與信宿之間的信息傳遞數(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）。數(shù)據(jù)通信：數(shù)字信源之間的通信。一般是指計(jì)算機(jī)之間、或計(jì)算機(jī)/終端之間的信息傳輸，更多地是指計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的通信。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(gè)信道。信道通常分成模擬信道和數(shù)字信道。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。2.1

數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識2.1.2數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)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)。常見的有線傳輸介質(zhì)主要有雙絞線（對稱電纜）及光纖等。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。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。雙絞線分為屏蔽雙絞線和無屏蔽雙絞線兩種。屏蔽雙絞線傳輸誤碼率約為10-6～10-8，無屏蔽雙絞線傳輸誤碼率約為10-5～10-6。目前，常用的雙絞線主要有5類線、超5類線和6類線。五類線（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。超五類線（CAT5e）：主要用于千兆位以太網(wǎng)（1000Mbps）。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）雙絞線光纖是以華人科學(xué)家、2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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。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、磷等材料制成，直徑約5～75μm，包殼采用純二氧化硅制成，直徑100～150μm。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)。如果纖芯的直徑足夠細(xì)（5μm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(shí)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）光纖的潛在頻帶寬度非常巨大，目前商用已達(dá)到2Gbps～40Gbps的速率傳輸，而采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)時(shí)，單一光纖在100公里距離實(shí)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(shí)現(xiàn)單向傳輸可利用數(shù)據(jù)吞吐量3Tbit/s。光纖不會受外界電磁波的干擾。同時(shí)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(diǎn)。光纖的主要缺點(diǎn)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。光纖在進(jìn)行通信時(shí)，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(gè)通信過程。（二）光纖（續(xù)）無線信道通過電磁波在空氣中傳播，比較常用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。超短波頻率介于30～300MHz之間，微波頻率介于300MHz～300GHz之間。當(dāng)無線電波工作在超短波和微波波段時(shí)，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。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(diǎn)。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)星和軌道為橢圓形的低軌道衛(wèi)星。（三）無線信道2.1.3數(shù)據(jù)傳輸方式數(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分類按數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚣皶r(shí)間關(guān)系：單工、半雙工、（全）雙工按數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)捻樞颍翰⑿?、串行按?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)傳輸單工通信：消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑鐖D(a)所示。半雙工通信：通信雙方都能收發(fā)消息，但不能同時(shí)進(jìn)行收發(fā)的工作方式，如圖(b)所示。全雙工通信：通信雙方能夠同時(shí)進(jìn)行收發(fā)消息的工作方式，如圖(c)所示。（二）同步傳輸和異步傳輸異步傳輸每次傳送一個(gè)字符，因此也叫字符同步方式。接收時(shí)鐘不需要與發(fā)送時(shí)鐘同步，除非時(shí)鐘偏差超過50％（這是不太可能的），不會引起采樣出錯(cuò)。異步通信方式簡單易實(shí)現(xiàn)，但傳輸效率較低。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(gè)數(shù)據(jù)位。發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)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(shí)鐘特征。除使雙方時(shí)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。前文、后文加上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息構(gòu)成了一個(gè)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(shí)間順序逐位在信道上傳輸?shù)姆绞?。串行傳輸時(shí)，發(fā)送端按位發(fā)送，接收端逐位接收，同時(shí)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(jì)算機(jī)通信采用的主要形式。如圖(a)所示。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(shí)傳輸?shù)姆绞?。并行傳輸是一次傳輸一個(gè)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數(shù)據(jù)基帶傳輸與頻帶傳輸目前，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(shí)要想傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，必須經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)。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。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線路，必要時(shí)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?；鶐鬏斢捎谛盘栴l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(shí)，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。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(shí)間離散、幅度離散等）來控制正弦載波的振幅、頻率和相位，就可以獲得所謂的幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。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(shí)際應(yīng)用中調(diào)制技術(shù)和解調(diào)技術(shù)在一個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器。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。2.1.5 差錯(cuò)控制編碼（一）差錯(cuò)控制原理

噪聲或其他干擾信號導(dǎo)致差錯(cuò)，差錯(cuò)用誤碼率來衡量。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(diǎn)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(cuò)和突發(fā)差錯(cuò)。一般來說，針對隨機(jī)差錯(cuò)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(cuò)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）差錯(cuò)控制原理（續(xù)）

差錯(cuò)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(cuò)。糾錯(cuò)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(cuò)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(cuò)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?，是以犧牲傳輸?shù)挠行裕ㄋ俾剩榇鷥r(jià)換取的。（二）幾種常用的簡單差錯(cuò)控制編碼1、奇偶校驗(yàn)碼在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛應(yīng)用。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(gè)數(shù)為偶數(shù)（稱為偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（稱為奇校驗(yàn)）。接收端按同樣規(guī)律檢查。只能發(fā)現(xiàn)單個(gè)或奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，而不能檢測出偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤，也不能糾錯(cuò)。設(shè)碼組長度為n，表示為（an-1an-2...a1a0），其中前n-l位為信息碼元，第n位為監(jiān)督位，則：2、水平奇偶校驗(yàn)碼將經(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(shí)則按列的順序傳輸，接收端仍將碼元排列成發(fā)送時(shí)的矩陣形式，然后按行進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。由于行按進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，因此稱為水平奇偶校驗(yàn)碼。采用這種方法可以發(fā)現(xiàn)某一行上所有奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤以及所有長度不大于方陣中行數(shù)的突發(fā)錯(cuò)誤。3、水平垂直奇偶校驗(yàn)碼水平垂直奇偶校驗(yàn)碼，是將水平奇偶校驗(yàn)碼推廣到二維奇偶校驗(yàn)碼，又稱行列校驗(yàn)碼和方陣碼。方法：是對水平校驗(yàn)方陣中的每一列再進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。這種碼比水平奇偶校驗(yàn)碼有更強(qiáng)的檢錯(cuò)能力，它能發(fā)現(xiàn)某行或某列上的奇數(shù)個(gè)錯(cuò)誤和長度不大于行數(shù)（或列數(shù)）的突發(fā)錯(cuò)誤；還有可能檢測出偶數(shù)個(gè)錯(cuò)碼，因?yàn)槿绻啃械谋O(jiān)督位不能在本行檢出偶數(shù)個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，則在列的方向上有可能檢出；還能糾正一些錯(cuò)碼。（三）循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼循環(huán)冗余檢驗(yàn)（CyclicRedundaryChecks，CRC）碼是一種循環(huán)碼，只能檢錯(cuò)而不能糾錯(cuò)。CRC碼具有很強(qiáng)的檢錯(cuò)能力，而且編碼器及譯碼器都很容易實(shí)現(xiàn)，因而在數(shù)據(jù)通信中得到廣泛應(yīng)用。CRC校驗(yàn)碼通過給信息報(bào)文加上一些檢查位，構(gòu)成一個(gè)特定的待傳報(bào)文，使它所對應(yīng)的多項(xiàng)式能夠被生成多項(xiàng)式G(x)除盡（模2運(yùn)算）,接收方收到報(bào)文后，用來檢查收到的報(bào)文。如果用

G(x)去除收到的報(bào)文多項(xiàng)式，可以除盡表示傳輸無誤，否則說明收到的報(bào)文不正確。碼多項(xiàng)式是指用一個(gè)多項(xiàng)式p(x)表示一個(gè)n位的信息：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(xiàng)多項(xiàng)式表示為：（三）循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼 設(shè)M(x)表示信息報(bào)文的多項(xiàng)式，G(x)為指定的生成多項(xiàng)式，T(x)表示附加了檢查位以后的實(shí)際傳輸報(bào)文的多項(xiàng)式，那么T(x)應(yīng)該被G(x)除盡。得到T(x)的步驟如下： ①構(gòu)成多項(xiàng)式，即在信息報(bào)文低位端附加r個(gè)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，，m＝12，r＝4。＝10110110010000。 ②求G(x)去除的余數(shù)R(x)。 本例中R(x)＝10110110010000／10101的余數(shù)＝0001。計(jì)算余數(shù)是一個(gè)模2除法運(yùn)算。 ③構(gòu)成一個(gè)能被G(x)除盡的T(x)， 本例中T(x)＝1011011010010000＋0001＝1011011010010001。

假定接收端收到的報(bào)文為，如果余數(shù)為0，傳輸無錯(cuò)，否則有錯(cuò)。常用CRC碼常用CRC碼有CRC－16、CRC－CCITT和CRC－32碼，其生成多項(xiàng)式分別為：CRC