第2章网络数据通信基础OK

《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3计算机网络实用教程《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3第2章网络数据通信基础本章主要章节有：2.1数据通信基础知识2.2数据传输2.3数据编码与纠错2.4多路复用技术2.5数据交换技术2.6传输介质《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-32.1数据通信基础知识通信（communicate）是指通信双方通过某种方式或媒介进行的信息交流与传递。科技发展使通信逐渐实现电子化，现阶段的通信可被理解为：利用电子等技术手段，借助电、光信号实现从一地向另一地消息的有效传递和交换。网络数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信。其传送数据的目的不仅仅是为了交换数据，更主要是为了利用计算机来处理数据。可以说它是将快速传输数据的通信技术和数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而给用户提供及时准确的数据。数据通信系统是通信系统的一种，因此，先了解一下通信系统的知识。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-32.1数据通信基础知识2.1.1信息、数据和信号信息：是客观事物状态与运动特征的一种描述，形式多种多样，可以是文字，数字，声音，图形，图像等。数据：运送信息的实体。从数据通信的角度来看，数据可以被定义为计算机可识别的任何有意义的实体。在数据通信中，数据的形式多种多样，比如文字文本、图形、电子表格、数据库文件、音频或视频文件、电子邮件等在不同的应用场合，同一形式的数据可以有不同的解释和内涵的信息。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3按照取值的方式，数据可以分为模拟数据和数字数据两种形式。信号是数据的具体物理表现，是数据的电磁或电子编码。信号在通信系统中可以分为模拟信号和数字信号，如图所示数字信号与模拟信号图示《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-32.1.2通信系统组成1.通信系统的一般模型通信的目的是实现消息的交流与传递。由于设备的具体构造、系统业务功能及实现技术上存在差异，不同的通信系统具有各自独有的构成环节，但任何形式的通信系统均可按通信系统的原理组成概括成统一的系统模型。以简单的点对点通信为例，如图所示通信系统模型信源发送设备信道接收设备信宿噪声（发送端）（接收端）《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3上图可见，通信系统模型基本包括五个部分:信源、调制、信道、解调、信宿。各部分功能如下：信源：也称信息源或发终端，它的作用是将信息转换成原始电信号。电信号作为信息的表现形式携带着待传输的信息。发送设备：将信源和信道匹配起来，即对信源产生的原始电信号进行某种变换，使其适合在信道中传输。在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式。信道：信号的传输的物理通道,信号通过信道进行传输。噪声：是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。接收设备：功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等，是发送设备进行变换的反变换，即将接收到的信号进行与调制器相反的变换,还原为原始的信息,送给信息接收者(信宿)。信宿：也称受信者或收终端，是信息的接收者。它的作用是将复原的原始电信号转换成相应的消息，例如电话机将对方传来的电信号还原成了人的语音。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-32.模拟通信系统一般地，信道中传输的是模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成可由一般通信系统模型略加改变而成。这里，一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别为调制器、解调器所代替。目的是将基带信号转换其频带适合在信道传输的信号也就是调制。信源调制器信道解调器信宿噪声源《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换。一是把连续消息变换成电信号（发端信源完成）和把电信号恢复成最初的连续消息（收端信宿完成）。由信源输出的电信号（基带信号）由于它具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号而送到信道中去。因此，模拟通信系统里常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有消息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-33.数字通信系统信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统。数字通信的基本特征是，它所传输的消息或信号具有“离散”或“数字”的特性，从而使数字通信具有许多特殊的问题，系统的基本模型也比传统的模拟通信系统的模型要复杂。数字通信系统概括成一个统一的模型可用下图。图2-4数字通信系统模型信源信源编码加密信道编码调制噪声信道信道解码解调信宿信源解码解密《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3数字通信系统基本模型的各部分功能：信源编码与译码：信源编码有两个作用，其一：进行模/数变换；其二，设法降低数字信号的数码率，即数据压缩。信源译码是信源编码的逆过程。信道编码与译码：数字信号在信道中传输时，由于噪声，干扰等的影响，会造成差错。信道编码是在原来的数字序列中引入某些作为差错控制的码字，以实现自动检错和纠错，当然这时会降低信息传输速率，使数字信号适应信道所进行的变换称为信道编码。信道编码的目的就是提高通信系统抗干扰能力，尽可能的控制差错，实现可靠通信。加密与解密：为了保证所传信息的安全，可有效的对基带信号进行人为扰乱，即加上密码，这叫加密。在接收端就需要对收到的信号进行解密。调制与解调：数字调制的任务是把各种数字基带信号转换成适合于信道传输的数字调制信号（已调信号或频带信号）。数字解调是数字调制的逆过程。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3数字通信特点1.抗干扰能力强。2.采用差错控制技术，改善传输质量。3.易于加密处理。4.易于存储、处理和交换。5.设备易于集成。6.占用信道频带较宽。7.易于与现代技术相结合构成综合数字网和综合业务数字网。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-32.2数据传输从通信双方的分工及数据传输方向的不同角度考虑问题，数据传输通常有以下几种。1.按消息传送的方向与时间分对于点对点之间的通信，按消息传送的方向与时间，通信方式可分为单工通信、半双工通信及全双工通信三种。（1）单工通信。消息只能单方向进行传输的一种通信工作方式，即在某一时间通信双方只能进行一种通信工作的方式。单工通信的例子很多，如广播、遥控、无线寻呼等。（2）半双工通信方式。通信双方都能收发消息，但不能同时进行收和发的工作方式。对讲机、收发报机等都是这种通信方式。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3（3）全双工通信。通信双方可同时进行双向传输消息的工作方式。在这种方式下，双方都可同时进行收发消息，互不干扰。生活中如电话、手机等均属于全双工通信。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-32.按数据排序方式分在通信中，按照数据排列顺序的方式不同，可将传输方式分为串行传输和并行传输。（1）串行传输。将代表信息的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的通信方式。（2）并行传输。将代表信息的数字信号序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输的通信方式。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-33.按通信网络形式分通信的网络形式通常可分为三种：点对点直通方式、分支方式和交换方式。如图所示，（a）点对点直通方式、（b）分支方式、（c）交换方式。终端A终端B终端C交换设备终端N(c)终端A终端B(a)转接站终端A终端B终端C(b)终端N…《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-34.按被传输的数据信号的特点分按被传输的数据信号的特点，可以将数据传输方式分为基带传输、频带传输和数字数据传输。基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号数字基带传输通信系统模型《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-32.3数据编码与纠错所谓的编码就是用二进制码组表示有固定电平的量化值。实际上量化是在编码过程中同时完成的。由于二进制码具有较高的抗干扰能力，并易于再生，因此在信源编码中一般采用二进制码。在通信系统中，根据不同的目的，编码可分为信源编码和信道编码（即误差控制编码）。信源编码是为了提高数字信号的有效性以及为了使模拟信号数字化而采取的编码。而信道编码是为了降低误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3信源编码，广义地说就是对输出信号的变换，即把信源输出的信号变换成适宜于信道传送的信号。一般信源输出的每个符号所能载荷的信息量远大于该信源符号的实际信息量，因此信源编码的主要目标是压缩每个信源符号的平均比特数或信源误码率，提高传输效率。信源编码的功能是将模拟信号变换成数字信号，即完成模数变换的任务。以避免模拟信号在传输过程中的失真现象，且能够实现信源的无失真恢复。对信源编码的要求是在保持原有信号真实性的前提下尽量减少信号的比特率。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3根据压缩编码的实现方式，可将信源压缩编码方法分为统计编码、预测编码、变换编码和识别编码，如下表所示。统计编码：是指利用消息或消息序列出现概率的分布特性，寻找其出现概率与码字长度间的最佳匹配，也成概率匹配编码，其目的是使总的代码长度最短。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3预测编码：是利用信号之间的相关醒来预测未来的信号，通过对预测的误差进行编码来压缩数据量。变换编码：是一种非常有效的现实真编码方法。其基本思想是利用信号都在不同函数空间分布的不同，选择合适的函数变换，将信号从一种信号空间变换到另一种更有利于进行压缩编码，然后再对变换系数进行编码。识别编码：是通过对信号的特征进行分解，与汇集这些基本特性的样本进行比较对照识别，选择失真最小的样本编码。识别编码的效率很高，是压缩编码研究的热点之一。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3码型指的是代码的编码规律，即把量化后的所有量化级，按其量化电平的大小次序排列起来，并列出各对应的码字，这种对应关系的整体就称为码型。在信源编码中常用的二进制码型有三种：自然二进制码、折叠二进制码和反射二进制码(又称格雷码)。表2-2列出了用4位二进制码表示16个量化级时的这3种码型。《计算机网络实用教程》北京：科学出版社，ISBN:978-7-03-034297-3(1)自然二进码。从左至右其权值分别为8、4、2、1，故有时也被称为8-4-2-1二进制码。它是一般的十进制正整数的二进制表示，编码简单、易记，而且译码可以逐比特独立进行。如设二进码为，则便是其对应的十进数（表示量化电平值）。这种“可加性”可简化译码器的结构。(2)折叠二进码。折叠码是由自然二进码演变而来的一种符号幅度码