计算机网络技术-第2章_数据通信基础要点

1第2章数据通信基础问题原由数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、数据编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术和差错控制等技术。教学重点能力要求掌握:数据通信的基本概念、差错控制方法。了解：数据传输技术的基本方式。熟悉:多路复用技术、数据交换技术、差错控制技术等。2§2.1数据通信的基本概念§2.6差错检测与控制§2.5数据交换技术§2.4多路复用技术§2.2数据通信方式§2.3数据编码技术本章目录3知识结构网络数据通信数据通信的基本概念数据交换技术异步传输与同步传输多路复用技术数据编码技术电路交换分组交换报文交换数据传输方向数据通信方式频分多路复用时分多路复用基带传输与频带传输数据通信系统信息、信号和数据模拟传输和数字传输信道带宽和信道容量码分多路得用差错检测与控制差错控制方法差错检测方法数据编码类型数据编码方法串行通信与并行通信波分多路复用4§2.1数据通信的基本概念2.1.1数据通信系统1、数据通信系统的基本结构任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线路称为信道。在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如下图所示。通信系统的基本结构数据+噪音噪音源信源信道信宿52.1.1数据通信系统2、数据通信类型在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。(1)模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号,由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如下图所示。模拟通信系统结构信源调制器解调器信宿信道噪音源62.1.1数据通信系统(2)数字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统。数字通信系统通常由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如下图所示。数字通信系统结构信源编码器解码器信宿信道噪音源由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组成，其结构模型如下页图所示。72.1.1数据通信系统在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统中的连接如下页图所示。信宿噪音源信道编码器信源译码器信源编码器信源解调器调制器信道信道译码器数字通信系统结构模型82.1.1数据通信系统以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信,还是实现数字通信,都涉及到一系列的技术问题，包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。调制解调器的功能作用电话线电话交换网计算机Modem电话机Modem电话机计算机电话线91、信息信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。2、数据数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。⑴模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的、例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。⑵数字数据：在时间上是离散的，在幅值上是经过量话的,它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。2.1.2信息、信号和数据103、信号信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述，如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。2.1.2信息、信号和数据11模拟传输是传输模拟信号的一种方法，这些信号与模拟数据或数字数据无关，它们可以代表模拟数据，如声音；也可以代表数字数据，如通过调制解调器变换了的二进制数据。模拟信号传送一定距离后，由于幅度衰减而失真变形，所以在长距离传送时，需在沿途加若干放大器将信号放大。相反，数字传输是用以数字信号形式传输的。它可以直接传输二进制数据或编码的二进制数据（为了更适合传输介质的要求），也可以传输数字化了的模拟数据，如数字化了的声音。模拟数据和数字数据两者均可由模拟信号和数字信号表示和传输。通常，模拟数据是时间的函数并占有一定的频率范围，这种数据可直接由占有相同频率范围的电磁信号表示。2.1.3模拟传输和数字传输122.1.3模拟传输和数字传输模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号⑴模拟信号：是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如右图（a）所示。⑵数字信号：是离散的不连续的电信号，通常用“高”和“低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据，如右图(b)所示。132.1.4信道带宽和信道容量1、信道带宽（ChannelBroadband）信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（调制速率）表示。信道带宽由信道的物理特性所决定，例如电话线路的频率范围在300～3400Hz，那么，它的带宽范围也在300～3400Hz。信道宽度用W表示。2、信道容量（ChannelCapacity）信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用时间内最大可传送的字节数来表示。信道容量由信道带宽F、可使用的时间T以及信道质量决定。信道容量和信道带宽具有正比关系，带宽越宽，则容量越大，传输效率也就越高。关于信道容量的计算有两条著名的定理。142.1.4信道带宽和信道容量⑴奈奎斯特(Nyquist)定理：1942年,H.Nyquist证明，任何一个信号如果通过带宽为W（Hz）的理想低通滤波器，若每秒取样2W次，就可以完整地重现该滤波过后的信号。在理想条件下(无噪音有限带宽W的信道)，其最大的数据传输速率C（信道容量）为：式中：N为离散性信号或电平的个数。【例2-1】一个无噪音的3000Hz信道传输二进制信号，试问信道容量（可允许的数据传输速率）是多少？解：由于传输的二进制信号是“1”、“0”两个电平，即N=2，W=3000Hz，则信道容量：152.1.4信道带宽和信道容量式中：Rmax为最大功率；W为信道带宽；L为信道上传输的信号可取的离散值的个数。【例2-2】一个数字信号通过两种物理状态，经信噪比为20dB的3kHz带宽信道传送，其数据率不会超过多少？⑵香农（Shannon）定理：1948年，ClaudeShannon在Nyquist定理基础上进而给出了在噪音的环境中，信道容量将与信噪功率比有关。信道容量与信道带宽之间的关系：式中：N为噪音功率；S为信号功率。信道传输的信息多少完全由带宽所决定。此时，信道中的每秒所传输的最大比特数由奈奎斯特（Nyquist）准则决定：16数据传输的质量参数是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数。有效性主要由数据传输速率、调制速率、信道带宽、通信容量、误码率、传输延迟等来衡量；可靠性一般用数据传输的误码率指标来衡量；比特率和波特率是用来描述系统传输率的参量。数据传输单位（DataTransferUnit）数据传输单位通常可用比特、码元、码字、码字来表示。⑴比特：是二进制的缩写，即计算机常用术语“位”，在数据通信中用来度量消息的信息量。⑵码元：是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位的通称。例如二进制数字1000001是由7个码元组成的序列。⑶码字：在7位ASCII码中，1000001这7个码元组成的序列代表字母A，通常将这个字母A称为“码字”。2.1.5其他相关术语172.1.5其他相关术语1、数据传输速率（DataTransferSpeed）数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数，又称为比特率，用bps标记，表示每秒传输的二进制位数，单位用比特/每秒表示，它可由下式确定：式中：T为数字信号脉冲重复周期；N为一个脉冲信号代表的有效状态数，是2的整数倍。例如二进制的一个脉冲可以表示“0”和“1”两个状态，故N＝2。Log2N为单位脉冲能表示的比特数，如N＝4时表示一个单位脉冲为2bit。一个数字脉冲也称为一个码元，N为一个码元所取的有效离散值个数,若一个码元仅可取0和1两种离散值,则N＝2；若一个码元可取00、01、10、11四种离散值，则N＝4。182.1.5其他相关术语2．波特率波特率也称调制速率，或码元速率。码元对应于网络中传输的每一位二进制数字。调制速率是脉冲信号在调制过程中信号状态变化的次数，或者说是信号经过调制后的传输速率，单位是波特（Baud），通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。3．误码率误码率是衡量数据通信系统或通信信道传输可靠性的一个参数。其定义是：二进制位在传输中被传错的概率。当所传送的数字序列足够长时，它近似地等于被传错的二进制位与所传输总位数的比值。在计算机网络中，误码率要求低于10-6，即平均每传输1兆位，才允许错l位。4．传播速度在通信线路上，信号在单位时间内传送的距离称为传播速度。192.1.5其他相关术语5、延迟（时延，Delay）时延是指一个报文或分组从一条链路的一端传送到另一端所需的时间，它包括3部分：时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延⑴发送时延：发送数据时使数据块(分组或报文)从结点进入到传输媒体所需要的时间。发送时延（传输时延）＝数据块长度／信道宽度⑵传播时延：电磁波在信道上的传播一定的距离所需要花费的时间速度传播时延＝信道长度/电磁波在信道上的传播速度(m/s)⑶处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行一些必要处理所花费的时间。处理时延的长短取决于数据通信系统中当时的通信量。当通信量很大时，还会发生溢出，使分组丢失。202.1.5其他相关术语【例2-3】若A、B两台计算机之间的距离为1000km,假设在电缆内信号的传播速度是2×108m/s,试对下列两种链路分别计算发送时延和传播时延。⑴数据块长度为108bit，数据发送速率为1Mbps；⑵数据块长度为1000bit，数据发送速率为1Gbps；解：根据上述计算发送时延公式和计算传播时延公式，分别求出不同链路的不同时延。⑴发送时延＝108bit/(1Mbps)＝100s传播时延＝1000bit/(2×108m/s)＝5ms⑵发送时延＝1000bit/(1Gbps)＝1μs传播时延＝1000km/(2×108m/s)＝5ms通过此例说明，并非信道带宽越宽，数据在信道上跑的速度越快。21§2.2数据通信方式2.2.1串行通信与并行通信1、串行通信（SerialTransmission）串行通信是指数据以串行方式，在一条信道上传输。在计算机中，通常是用8位的二进制代码来表示一个字符。在数据通信中，串行传输方式如下图所示。接收设备发送设备1234567812387645并行到串行的转换串行到并行的转换串行通信示意图222.2.1串行通信与并行通信接收设备发送设备12345678校验数据位1数据线2、并行通信（ParallelTransmission）并行通信是指数据以成组的方式在多个并行信道上传输。将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去，这种工作方式称为并行通信，如下图所示。并行通信示意图23在数据通信系统中，整个计算机通信系统能否正确有效地工作，在相当程度上依赖于是否能很好地实现同步。目前,串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即同步通信方式和异步通信方式。1、同步传输（Synchronous）⑴位同步：在数据通信过程中，接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率，这个过程就叫做位同步。实现位同步的方法主要有以下两种：