第2节数据通信基础2012-02-28

1第2章数据通信的基础知识2由一部《手机》想到的….3本节内容•信道•传输介质•数据编码•多路复用技术•数据交换技术•差错控制及检错42.1基本概念数据及计算机通信术语•数据（Data）：传递（携带）信息的实体。•信息（Information）：是数据的内容或解释。•信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。模拟信号、数字信号基带（Baseband）、宽带（Broadband）•信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。•比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。•码元（Codecell）：时间轴上的一个信号编码单元。5同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始●同步脉冲也可位于码元的中部●一个码元也可有多个同步脉冲相对应t码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲t6•波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：Rbit=Rbaudlog2M上式中：M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。•例如：当波特率为9600时若M=2，数据传输率为9600b/s若M=16，数据传输率为38.4kb/s7•误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。•信息编码：将信息用二进制数表示的方法。例如：ASCII编码、BCD编码等•数据编码：将数据用物理量表示的方法。例如：字符‘A’的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为01000001t8•带宽（Bandwidth，BW）信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：•BW≈fmax－fmin单位：赫兹（Hz）在计算机网络中，一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。•例如：传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特，带宽10Mb/s。•时延（Delay）:信息从网络一端传送到另一端所需的时间。•时延=处理时延+排队时延+发送时延+传播时延•处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间•排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间•发送时延=数据位数/信道带宽•传播时延=d/sd:距离，s:介质中信号传播速度(≈0.7c)9•时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。•时延带宽乘积=带宽×传播时延•例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。信道带宽传播时延管道体积=时延带宽乘积10•往返时延（Round-TripTime，RTT）：从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认所经历的时间•RTT≈2×传播时延•传输可靠性•两个含义：•数据能正确送达•数据能有序送达（当采用分组交换时）111.数据通信的一般概念通信的三个要素：信源、信宿和信道噪声信源发送器信道接收器信宿源系统目的系统任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号产生干扰，称为“噪声”。外界：闪电、串扰、电气设备内部：介质特性（衰减、延迟－与频率有关）12信息通过数据通信系统的传输过程•把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地•信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输•编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错•调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位•解调：接收波形→数字信号•解码：数字信号→原始数据信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息数据编码调制解调数据解码01000001‘A’01000001‘A’信道132.数据通信系统的构成数据传输系统•传输线路有线介质、无线介质•传输设备调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等•调制解调器等网络接入设备也称为DCE（DataCircuitEquipment）数据处理系统：计算机、终端等•分为：•源系统（信源＋发送器）：发出数据的计算机•目的系统（信宿＋接收器）：接收数据的计算机•计算机、终端等设备也称为DTE(DataTerminalEquipment)DCEDTEDTEDCE14数据通信基本过程5个阶段包含两项内容：数据传输和通信控制过程与打电话比较•建立物理连接拨号，拨通对方•建立逻辑连接互相确认身份•数据传输互相通话•断开逻辑连接互相确认要结束通话•断开物理连接双方挂机*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。152.2信道及其主要特征1.数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。•计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输•ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。•CATV、无线电广播、电话拨号线路16模拟信号和数字信号•模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值模拟信号能在数字信道上传输吗？•数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号数字信号能在模拟信道上传输吗？ta）模拟信号tb）数字信号17周期信号和非周期信号•周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）•非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。tTTTtTTT周期信号非周期信号tt18数字通信与模拟通信•数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输•模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点•抗噪声（干扰）能力强•可以控制差错，提高了传输质量•便于用计算机进行处理•易于加密、保密性强•可以传输语音、数据、影像，通用、灵活•计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。192.信道的最大数据传输率Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。•例如，话音级线路的带宽约为3.1kHz，根据上式计算的信道最大数据传输率如右表所示C=2Wlog2MC=数据传输率，单位b/sW=带宽，单位HzM=信号编码级数M最大数据率26200b/s412400b/s818600b/s1624800b/s3231000b/s20010110011001010010110011001010010110111001000误码位传输数据：信号：噪声：信号与噪声叠加：采样时序：接收数据：原始数据：非理想信道•实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。•例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。21Shannon公式：用于有噪声干扰信道例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则C=3100×log2（1+2000）≈34kb/s即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。信噪比的单位也可用分贝(dB)表示：S/NdB=10log10S/N所以，若S/NdB=30dB，则S/N=1000。C=Wlog2（1+S/N）C:传输率，单位b/sW:带宽，单位HzS/N:信噪比22Nyquist公式和Shannon公式的比较C=2Wlog2M•用于理想信道（这样的信道存在吗？）•数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=Wlog2（1+S/N）•用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）•无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。•原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。233.通信网络中站点的连接方式点-点连接主站交换连接集线式连接次站次站次站中心站集中器交换机多点连接244.数据传输方式单/双工通信——单/双向传输•单工：数据单向传输（例：无线电广播）•半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）•全双工：数据可以双向同时传输（例：电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。25A站B站发送器接收器发送器/接收器发送器/接收器发送器/接收器发送器/接收器单工方式：半双工方式：全双工方式：可同时不可同时26基带/频带/宽带传输•基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）•频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据•宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输27数据同步方式•目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束位边界数据块边界•数据通信中需要在三个层次上实现同步：位——位同步字符——字符同步帧(Frame)——帧同步28位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：•外同步——发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。•自同步——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。发送站同步信号数据接收的同步信号锁定后的同步信号接收站接收站收到的数据数据29字符同步：找到正确的字符边界。•常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：1个起始位、5～8个数据位、1、1.5或2个停止位•采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。•起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；•例如，采用1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其传输效率为8/11≈73％起始位数据位停止位字符间隔不固定1个字符时间逻辑“0”逻辑“1”30帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧（Frame）：数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块•面向字符的——以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧•面向比特的——以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH312.3传输介质磁介质高带宽、低费用、高延时（小时）——在通信中很少使用例：7GB/8mm磁带，1000盘/50*50*50cm3，24h可送到任何地方。总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s若让刘翔来传送1盘10GB的磁带，在110米内其传输速率是多少？金属导体双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线电、微波、卫星、红外线32双绞线（TwistPair，TP）--螺旋绞合的双导线--每根4对、25对、1800对--典型连接距离100m（LAN）--RJ45插座、插头--优缺点：成本低组装密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套33屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音，应用较少双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛常用的双绞线：3类（16Mb/s）和5类（155Mb/s）两种34双绞线的连接标准•色彩标记和连接方法：•交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)•直连线：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线EIA-568B直连线EIA-568A35光纤（OpticalFiber）