第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第一頁，共41頁。教學(xué)目標(biāo)與教學(xué)要求本章主要介紹與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的一些數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識。通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)該理解數(shù)據(jù)通信的基本概念和常用術(shù)語；理解多路復(fù)用技術(shù)及應(yīng)用；理解分組交換技術(shù)及在通信網(wǎng)絡(luò)的工作過程；了解數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)和通信方式；了解數(shù)據(jù)通信中的編碼方法與傳輸技術(shù)、差錯(cuò)控制技術(shù)。教學(xué)目標(biāo):教學(xué)要求:知識要點(diǎn)能力要求相關(guān)知識基本概念理解數(shù)據(jù)通信的基本概念通信模型、通信方式、技術(shù)指標(biāo)等數(shù)據(jù)編碼理解模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼數(shù)字編碼多路復(fù)用理解多路復(fù)用技術(shù)及應(yīng)用多路復(fù)用技術(shù)分組交換理解分組交換技術(shù)及應(yīng)用分組交換技術(shù)差錯(cuò)控制了解常見的差錯(cuò)控制技術(shù)差錯(cuò)控制編碼第二頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信是計(jì)算機(jī)與通信相結(jié)合而產(chǎn)生的一種通信方式。數(shù)據(jù)通信依照通信協(xié)議，利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在兩個(gè)功能單元之間傳遞數(shù)據(jù)信息。PC機(jī)可以通過公共電話網(wǎng)與另一端的PC機(jī)通信。2.1.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型第三頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念1.信息、數(shù)據(jù)和信號1）數(shù)據(jù)2）信息3）信號2.信道和帶寬2.1.2數(shù)據(jù)通信的常用術(shù)語第四頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念1.串行通信和并行通信按照通信中字節(jié)使用的信道數(shù)，數(shù)據(jù)通信方式可分為串行通信和并行通信。1）串行通信2.1.3數(shù)據(jù)通信方式第五頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2）并行通信2.1.3數(shù)據(jù)通信方式第六頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.3數(shù)據(jù)通信方式2.單工、半雙工和全雙工通信第七頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.4數(shù)據(jù)通信中的同步方式同步是數(shù)字通信中必須解決的一個(gè)重要問題。所謂同步，就是要求通信的收、發(fā)雙方在時(shí)間基準(zhǔn)上保持一致。1.異步傳輸在異步傳輸中，數(shù)據(jù)被劃分成字符分組獨(dú)立進(jìn)行傳輸。第八頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.4數(shù)據(jù)通信中的同步方式2.同步傳輸同步方式通信時(shí)，通信收/發(fā)雙方共用一個(gè)時(shí)鐘，這是同步通信區(qū)分于異步通信的最顯著的特點(diǎn)。共用的時(shí)鐘可使用單獨(dú)的時(shí)鐘線來傳輸，也可把時(shí)鐘信號與數(shù)據(jù)信號混合編碼，在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)也傳輸了時(shí)鐘。第九頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的任務(wù)是傳輸數(shù)據(jù)信息，希望達(dá)到傳輸速率快、信息量大、可靠性高的目的。涉及的技術(shù)指標(biāo)有數(shù)據(jù)傳輸速率、誤碼率和信道容量。1.數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率是指傳輸線路上傳輸信息的速率，有數(shù)據(jù)傳輸速率和信號傳輸速率兩種表示方法。1）信號傳輸速率信號傳輸速率又稱波特率或調(diào)制速率，指單位時(shí)間內(nèi)所傳送的信號的個(gè)數(shù)，單位為波特（baud）。2.1.5數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標(biāo)第十頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2）數(shù)據(jù)傳輸速率數(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b/s或bps。3）比特率與波特率的關(guān)系比特率與波特率都是衡量信息在傳輸線路上傳輸快慢的指標(biāo)，但兩者針對的對象有所不同，比特率針對的是二進(jìn)制位數(shù)傳輸，波特率針對信號波形的傳輸。

2.1.5數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標(biāo)第十一頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.誤碼率誤碼率表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)位在傳輸中出錯(cuò)的概率。誤碼率主要用于衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，其他衡量數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的指標(biāo)還有誤字率和誤組率等，原理類似。3.信道容量信道容量指信道所能承受的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位b/s或bps。信道容量受信道的帶寬限制，信道帶寬越寬，一定時(shí)間內(nèi)信道上傳輸?shù)男畔⒕驮蕉唷捴肝锢硇诺赖念l帶寬度，即信道允許的最高頻率和最低頻率之差。按信道頻率范圍的不同，通常可將信道分為窄帶信道（0Hz～300Hz）、音頻信道（300Hz～3400Hz）和寬帶信道（3400Hz以上）3類。2.1.5數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標(biāo)第十二頁，共41頁。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念從上面幾點(diǎn)可以看出：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；而誤碼率用于衡量信道傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。2.1.5數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標(biāo)第十三頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)1.模擬數(shù)據(jù)通信模擬數(shù)據(jù)通信主要有以下兩種典型形式：1）模擬信道傳輸模擬數(shù)據(jù)。典型的例子是聲音在普通電話系統(tǒng)中的傳輸。2）模擬信道傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。2.2.1模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信第十四頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)2.數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信1）數(shù)字信道傳輸模擬數(shù)據(jù)。需要對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字信號編碼，這一工作可通過編碼解碼器完成，把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。編碼解碼器的原理與調(diào)制解調(diào)器正好相反。2）數(shù)字信道傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。典型的例子是將兩個(gè)計(jì)算機(jī)通過RS-232C串行口直接通信。2.2.1模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信第十五頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)3.兩種數(shù)據(jù)通信技術(shù)的比較模擬數(shù)據(jù)通信長距離傳輸時(shí)，需用放大器增加信號中的能量，這樣雖克服了衰減，但增加了噪聲。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信長距離傳輸時(shí)，用中繼器增加信號中的能量，既可克服衰減，又不增加噪聲，可以做到信號的完全復(fù)原。因此，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信有著更為廣闊的發(fā)展前景。2.2.1模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信第十六頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)是以離散的“0”和“1”的比特序列表示的，而信號是數(shù)據(jù)的載體。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼，就是要解決數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號表示問題，即通過對數(shù)字信號進(jìn)行編碼來表示數(shù)據(jù)，這一工作由網(wǎng)絡(luò)上的硬件完成2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼第十七頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)1.不歸零編碼又可分為單極性不歸零編碼和雙極性不歸零編碼。2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼第十八頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)2.歸零編碼又可分為單極性歸零編碼和雙極性歸零編碼。2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼第十九頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)3.自同步編碼自同步碼是指在傳輸信息的同時(shí)，將時(shí)鐘同步信號一起傳輸過去。這樣，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)就不必通過其他信道傳輸同步信號。局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)通信常使用自同步碼，典型代表是曼徹斯特編碼（ManchesterEncoding）和差分曼徹斯特編碼（DifferentManchesterEncoding。2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼第二十頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)2.2.2數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼曼徹斯特編碼：每一位的中間（1/2周期處）有一跳變，該跳變既作為時(shí)鐘信號（同步用），又作為數(shù)據(jù)信號。從高到低的跳變表示數(shù)字“1”，從低到高的跳變表示數(shù)字“0”。以太網(wǎng)使用曼徹斯特編碼。差分曼徹斯特編碼：每一位的中間（1/2周期處）有一跳變，但是，該跳變只作為時(shí)鐘信號（同步用）。數(shù)據(jù)信號根據(jù)每位開始時(shí)有無跳變進(jìn)行取值：無跳變表示數(shù)字“1”，有跳變表示數(shù)字“0”。第二十一頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)要在模擬信道上傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，首先數(shù)字信號要轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號（調(diào)制），即用模擬信號作為載波運(yùn)載要傳送的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。載波信號可以表示為正弦波形式：f（t）=Asin（ωt+?）。其中，幅度A、周期（頻率）ω和相位?的變化均影響信號波形。因此，只要通過改變這3個(gè)參數(shù)就可實(shí)現(xiàn)模擬信號編碼，相應(yīng)的調(diào)制方式分別稱為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制，2.2.3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼第二十二頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)1.幅度調(diào)制2.頻率調(diào)制3.相位調(diào)制2.2.3數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號編碼第二十三頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)由于數(shù)字信號傳輸失真小、誤碼率低、數(shù)據(jù)傳輸速率高，因此傳統(tǒng)的模擬信息如語音、圖像信息的數(shù)字化已成為發(fā)展的必然趨勢。模擬數(shù)據(jù)要在數(shù)字信道中傳輸則必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號也稱模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。最常用的方法是脈沖編碼調(diào)制（pulsecodemodulation，PCM）。PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語音數(shù)字化。在發(fā)送端通過PCM編碼器將語音信號變?yōu)閿?shù)字化語音數(shù)據(jù)，通過通信信道傳送到接收端，接收端再通過PCM解碼器將它還原成語音信號。數(shù)字化語音數(shù)據(jù)（如wave文件，壓縮后成為mp3文件）還可以存儲在計(jì)算機(jī)中。2.2.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼第二十四頁，共41頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)1.基帶傳輸在數(shù)據(jù)通信中，由計(jì)算機(jī)數(shù)字設(shè)備直接發(fā)出的信號是二進(jìn)制數(shù)字信號，是典型的矩形脈沖信號，其頻譜包括直流、低頻和高頻等多種成分。在數(shù)字信號頻譜中，把直流（0頻率）開始到能量集中的一段頻率范圍稱為基本頻帶，簡稱為基帶。因此，“0”、“1”形式的數(shù)字信號被稱為數(shù)字基帶信號，在信道中直接傳輸這種基帶信號就稱為基帶傳輸。在基帶傳輸中，整個(gè)信道只傳輸一路信號，通信信道利用率低。由于在近距離范圍內(nèi)，基帶信號的功率衰減不大，從而信道容量不會發(fā)生變化，因此，在局域網(wǎng)中通常使用基帶傳輸技術(shù)。使用基帶傳輸方式，需要對數(shù)字信號進(jìn)行編碼來表示數(shù)據(jù)。2.2.5基帶傳輸與頻帶傳輸?shù)诙屙摚?1頁。2.2數(shù)據(jù)編碼與傳輸技術(shù)2.頻帶傳輸因?yàn)檫h(yuǎn)距離通信信道多為模擬信道，例如，傳統(tǒng)的電話網(wǎng)只適用于傳輸音頻范圍（300Hz～3400Hz）的模擬信號，不適用于直接傳輸頻帶很寬、但能量集中在低頻段的數(shù)字基帶信號。頻帶傳輸就是先將基帶信號（數(shù)字信號）轉(zhuǎn)換成便于在模擬信道中傳輸?shù)?、具有較寬頻率范圍的模擬信號（稱為頻帶信號），再將這種頻帶信號在模擬信道中傳輸，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離通信通常采用的是頻帶傳輸。基帶信號與頻帶信號的轉(zhuǎn)換是由調(diào)制解調(diào)技術(shù)完成的。2.2.5基帶傳輸與頻帶傳輸?shù)诙?，?1頁。2.3多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用（Multiplexing）是指在一條物理信道上同時(shí)傳輸多路信息。多路復(fù)用是數(shù)據(jù)通信的一個(gè)常用技術(shù)，解決如何在單一的物理通信線路上建立多條并行通信信道的問題。2.3.1多路復(fù)用技術(shù)的基本概念第二十七頁，共41頁。2.3多路復(fù)用技術(shù)頻分多路復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）一般用于傳輸模擬信號的通信系統(tǒng)。當(dāng)介質(zhì)的有效帶寬超過被傳輸?shù)男盘枎挄r(shí)，可以把多個(gè)信號調(diào)制在不同的載波頻率上，從而在同一介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳送多路信號。2.3.2頻分多路復(fù)用第二十八頁，共41頁。2.3多路復(fù)用技術(shù)一個(gè)典型的FDM系統(tǒng)如圖所示。使用FDM的前提是：物理信道的可用帶寬要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于各源信號的帶寬。頻分多路復(fù)用技術(shù)成熟、實(shí)現(xiàn)簡單，主要用于模擬信道的復(fù)用，廣泛應(yīng)用于廣播電視等領(lǐng)域，也可用于寬帶計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。2.3.2頻分多路復(fù)用第二十九頁，共41頁。2.3多路復(fù)用技術(shù)波分多路復(fù)用（WaveDivisionMultiplexing，WDM）主要用于全光纖組成的通信系統(tǒng)。光纖通道采用了波長分割多路復(fù)用技術(shù)，因?yàn)楣馐且环N頻率較高的電磁信號，所以上波多路分復(fù)用也是頻分多路復(fù)用的一種特殊形式。2.4.3波分多路復(fù)用第三十頁，共41頁。2.3多路復(fù)用技術(shù)時(shí)分多路復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）主要用于傳輸數(shù)字信號的通信系統(tǒng)。時(shí)分多路復(fù)用將物理信道按時(shí)間分成多個(gè)等長的時(shí)間片，輪流、交替的分配給多路信號源，這樣使多路輸入信號能共享物理信道。2.4.4時(shí)分多路復(fù)用第三十一頁，共41頁。2.3多路復(fù)用技術(shù)時(shí)分多路復(fù)用如圖所示。2.4.4時(shí)分多路復(fù)用第三十二頁，共41頁。2.4分組交換技術(shù)在兩個(gè)互連的設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信是最簡單的。但是，網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都直接兩兩相連是不現(xiàn)實(shí)的，通常要經(jīng)過多次中間結(jié)點(diǎn)才能將數(shù)據(jù)從信源逐點(diǎn)傳送到信宿，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)互連設(shè)備之間的通信。這些中間結(jié)點(diǎn)并不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容，它的功能只是提供一個(gè)交換設(shè)備，把數(shù)據(jù)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)結(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的地。數(shù)據(jù)在各結(jié)點(diǎn)間的傳輸過程稱為數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)絡(luò)中常用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)可分為兩大類：線路交換（CircuitExchanging）和“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”交換，其中“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”交換技術(shù)又可分為報(bào)文交換（MessageExchanging）和分組交換（PacketExchanging）。分組交換是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的一種交換技術(shù)。2.4.1分組交換概念第三十三頁，共41頁。2.4分組交換技術(shù)分組交換采用“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”的方式，但不像報(bào)文交換方式那樣以“報(bào)文”為交換單位，而是把報(bào)文“分”若干比較短的“報(bào)文分組"（或稱為包），如圖所示。分組交換技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可以分成數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram，DG）方式和虛電路（VirtualCircuit，VC）方式。2.4.1分組交換概念第三十四頁，共41頁。2.4分組交換技術(shù)數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram，DG）是報(bào)文分組存儲一轉(zhuǎn)發(fā)的一種形式。在數(shù)據(jù)報(bào)方式中，結(jié)點(diǎn)間不需要建立從源主機(jī)到目的主機(jī)的固定連接。源主機(jī)所發(fā)送的每一個(gè)分組都獨(dú)立地選擇一條傳輸路徑。每個(gè)分組在通信子網(wǎng)中可以通過不同傳輸路徑，從源主機(jī)到達(dá)目的主機(jī)。2.4.2數(shù)據(jù)報(bào)交換第三十五頁，共41頁。2.4分組交換技術(shù)2.數(shù)據(jù)報(bào)的特點(diǎn)1）同一報(bào)文的不同分組可以由不同的傳輸路徑通過通信子網(wǎng)。2）同一報(bào)文的不同分組到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)可能出現(xiàn)亂序、重復(fù)和丟失現(xiàn)象。3）每一個(gè)分組在傳輸過程中都必須帶有目的地址和源地址。4）報(bào)文傳輸延遲較大，適用于突發(fā)性通信，不適用于長報(bào)文、會話式通信。2.4.2數(shù)據(jù)報(bào)交換第三十六頁，共41頁。2.4分組交換技術(shù)數(shù)據(jù)報(bào)在分組發(fā)送之前，發(fā)送方與接收方之間不需要預(yù)先建立連接。而虛電路（VirtualCircuit，VC）在分組發(fā)送前，需要在發(fā)送方與接收方之間建立一條邏輯通路，如圖所示。每個(gè)分組除了包含數(shù)據(jù)之外還包含一個(gè)虛電路標(biāo)識符。在預(yù)先建好的路徑上的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都知道把這些分組引導(dǎo)到哪里去，不再需要路由選擇判定。之所以稱為“虛”電路，是因?yàn)檫@條電路不是專用的。2.4.3虛電路交換第三十七頁，共41頁。2.4分組交換技術(shù)2.虛電路的特點(diǎn)1）在每次分組發(fā)送之前，必須在發(fā)送方與接收方之間建立一條邏輯連接。這是因?yàn)椴恍枰嬲ソ⒁粭l物理鏈路，連接雙方的物理鏈路