北航计算机网络课件第2章.

第二章数据通信基础2.1数据通信系统2.2信号和数据编码2.3线路配置和传输方式2.4多路复用技术2.5数据交换技术2.6错误检测和控制2.1数据通信系统计算机网络技术是计算机技术和数据通信技术相结合的产物。2.1.1数据通信系统的组成信源：产生要发送数据的设备发送设备：对数据进行编码的设备传输系统：传输线路或网络接收设备：将接收的信号变成数据信宿：目的系统信源发送设备传输系统接收设备信宿源系统目的系统传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机2.1.1数据通信系统应解决的主要问题提高传输系统的利用率接口、编码、同步交换管理差错控制流量控制寻址和路由恢复报文格式2.2信号和数据编码计算机网络中传送的信息是0、1的数字化信息，通过编码将数字信息变成电磁或光信号在传输媒体上传输。表示数字信息的信号可是模拟信号也可以是数字信号。2.2.1模拟信号和数字信号模拟信号：随时间而连续变化的信号模拟信号又可以分为简单模拟信号和复杂模拟信号简单模拟信号（正弦波信号）数学表达式：x(t)=Asin(2πft+Ф)三个参数：振幅，频率，相位振幅时间周期T周期T周期T振幅振幅振幅振幅时间时间时间时间偏移1/4周期（90度）偏移3/4周期（270度）偏移2/4周期（180度）无偏移（0度）复杂模拟信号复杂模拟信号可以被分解为多个正弦波的迭加数字信号：是离散的、值的变化是瞬时发生的信号。比特间隙111000001s=8比特间隙，比特率=8bps1s振幅时间比特间隙：发送一比特所用时间。比特率：每秒钟发送的比特数。单位是bps有效带宽：数字信号是由多个频率信号的叠加而成，如果只传输有重要振幅分量的频率信号，而输出端能够以合理的精度恢复信号，则这个上限频率就是有效带宽。介质带宽：传输介质只能传输某些频率范围内的信号。信道容量：传输介质可以传输的最大比特率，依赖于编码技术。数字信号通过实际的信道有失真，但可识别失真大，无法识别实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。奈奎斯特给出了无噪声(理论状态)情况下码元速率与信道带宽的关系：B=2×H其中：H是信道的带宽；与数据传输率的关系：C=2×H×log2N香农（Shannon）定理实际的信道总是要受到噪声的干扰，香农（Shannon）定理描述了有限带宽有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽和信号噪声功率比之间的关系。香农定理的公式:C=H×log2(1＋S/N)其中：H是信道带宽，S是平均信号功率，N是平均噪声功率，信噪比（S/N）通常用分贝（dB）表示，分贝数=10×log10（S/N）例题1：电话线的带宽为3kHz，每个码元可能取16个值，求最大的数据传输率？根据(Nyquist)定律：C=2×H×log2N=2×3kHz×log216=2×3×4=24kbps例题2：信噪比为30db，带宽为3kHz，最大数据传输率为多少？根据Shannon定理：C=H×log2(1＋S/N)=3kHz×log2(1+1000)=30kbps香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽或信噪比没有上限,则信道的极限信息传输速率也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。请注意对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。2.2.2数字—数字编码编码：将信息用信号来表示的方法。信息有模拟信息和数字信息，信号有模拟信号和数字信号。所以编码的方式就有四种：数字—数字，数字—模拟，模拟—数字，模拟—模拟。数字—数字编码就是用数字信号来表示数字信息。在这种编码形式下，由计算机产生的0、1比特序列被转换成一串可以在导线上传输的脉冲电压(有两种电压值)。这种编码有很多种,介绍几种常见的:①单极性编码电压是单极性,高电平表示1、低电平表示0。缺点是有直流电平，要求带宽高，无法同步(需依赖附加线)。11100000振幅时间②极化编码极化编码采用两个电压：一个正电压，一个负电压。通过使用两个电压，减轻了单极性编码中的直流分量问题。极化编码最常见的有三种：1.非归零编码（NRZ）；2.归零编码(RZ)；3.双相位码。非归零编码11100000振幅时间振幅时间下一比特为1，发生电平翻转非归零电平编码非归零反相编码双相位编码双相位编码中，信号在每比特间隙的中间发生改变但并不归零，而是转为相反的一极。每个比特中间的跳变可用于同步。双相位编码有两种方式：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。曼彻斯特编码在每个比特间隙中间引入跳变来表示不同的比特和同步信息。一个负电平到正电平的跳变代表比特1，一个正电平到负电平的跳变代表比特0在差分曼彻斯特编码中，比特间隙中间的跳变用于携带同步信息。每个比特间隙的开始位置有跳变代表比特0，没有跳变则代表比特1。2.2.3数字—模拟编码利用模拟信号表示数字信息的技术。常用的技术是调制技术。用模拟信号的幅值、频率、相位来代替数字1和0。问题:为什么要用模拟信号表示数字信息?(主要是利用有限带宽系统传输数字数据)几个相关的概念：①比特率S：每秒所发送比特数单位：bit/s(bps)②波特率B：每秒发送的信号单元数单位：波特(Baud)③载波信号：发送设备产生一个高频信号作为基波来承载信息信号。这个基波就称为载波信号。这个过程叫调制。幅移键控(ASK—Amplitudeshiftkey)用载波的不同幅度代替数字1，0例如：高幅表示0，低幅表示1。调幅收音机AM是ASK的例子。缺点是抗干扰能力差。1001振幅时间频移键控(FSK—Frequencyshiftkey)用载波的不同频率表示1和0例如:高频表示0，低频表示1调频收音机是FSK的例子优点是抗干扰能力比ASK好1001振幅时间相移键倥（PSK—Phaseshiftkey）调制载波的相位：不同的相位表示1和0。例如：相位0标示0，相位180表示11001振幅时间PSK可以用更多的状态表示二进制位，是调制技术主要应用的技术。例如，用0相位代表00，用90相位表示01，用180相位代表10，用270相位表示11。这样每种相位的正弦信号可以表示两位二进制信息。1001振幅时间2-PSK104-PSK100001118-PSK100000010110001011101111PSK调相技术正交调幅(QAM):ASK和PSK结合起来的编码方法001振幅时间000010011100101110111A/D数据采集，主要应用自动控制系统需要3步:①采样：将连续的模拟信号离散化②量化：离散的采样值用2进制位数量化③编码：对量化后的数据用2进制编码PCM脉冲编码调制模拟—数字编码001010011100101110111001010011100101110111采样定理（Shannon)：采样频率大于信号最高频率的2倍。模拟—模拟编码有线电视，电话系统等声音信号的频率范围：20HZ~20KHZ主要能量集中在300HZ~3000HZ之间波特率与比特率的关系为：S=B×Log2N（N：码元状态数）例如：两相调制(单个调制状态对应1个二进制位)的比特率等于波特率；四相调制(单个调制状态对应2个二进制位)的比特率为波特率的两倍；八相调制(单个调制状态对应3个二进制位)的比特率为波特率的三倍。010011100基带信号调幅调频调相2.3线路配置和传输方式线路配置是指两个或两个以上的设备连接到线路的方式。传输方式是比特流从一个设备传到另一个设备的方式2.3.1线路配置①点对点②多点连接2.3.2传输模式①单工、半双工、双工通信数据流向第一次数据流向第二次数据流向数据流向②串行和并行传输设备１设备２１０１１１００１设备１设备２１０１１１００１并行特点：一次8位传输，速度快，线路昂贵，距离短串行特点：一次一位传输，速度慢，价格便宜同步和异步传输异步传输用于低速设备，一次传输一个字节。一个字节一同步。11000100０１开始位停止位同步传输用于高速传输，对收发双方的时钟要求很高。设备1设备2synsyncontroldataerrorendsynsyncontroldataerrorend数据帧2.4多路复用技术多路复用技术是利用一条链路同时传输多路信号的技术，使用多路复用技术可以最大限度地利用系统所具有的传输能力。有几种多路复用技术：频分多路复用技术、时分多路复用技术、波分多路复用技术和码分多路复用技术。IBM兼容机IBM兼容机IBM兼容机复用器复用器IBM兼容机IBM兼容机IBM兼容机2.4.1FDM和TDM①FDM(Frequency-DivisionMultiplexing)频分多路复用：通过分割线路的带宽来实现，适用于模拟信号。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5②TDM（Time-DivisionMultiplexing)时分多路复用:通过分割时间片来划分信道，每个时间片由一个复用信号占用。适用于数字信号。两种实现方式：同步时分多路复用、异步时分多路复用信道2信道1信道3信道4频率时间警戒时间间隔同步时分多路复用复用器解复用器AAAABBBBCCCCDDDD1234ABCDABCDABCDABCDABCDABCD帧来自每个发送设备的数据单元组成一帧AAAABBBBCCCCDDDD频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧异步时分多路复用复用器解复用器AABBCDDD1234帧AABBCDDDA1B2C3A1B2C3D4A1B2D4A1B2D4D4D4D4同步时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户异步时分复用用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用比较同步时分多路复用的帧是固定大小的，控制简单，实时性好。信道效率差。异步时分多路复用能提高系统的利用率，异步时分多路复用需要一些额外的代价：①信息单元需附带地址信息②复用器必须有一定的存储容量③结点必须有管理队列的能力2.4.2波分多路复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)波分多路复用是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。它在一定的带宽上将输入的光信号调制到特定的频率上，然后将调制后的信号复用到一根光纤上。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s131