计算机网络-CH03-数据通信技术基础

第3章数据通信技术基础南京邮电大学计算机学院计算机系统与网络教学中心网络技术与应用ComputerNetworkTechnologyandApplication教学大纲要求理解数据、信号基本概念，掌握通信速率、信道容量、时延等性能指标的计算；了解传输介质及其特性；掌握多路复用的基本概念，了解多路复用的各种方法；掌握数据交换的概念，了解常用的数据交换技术；了解差错产生的原因，理解差错控制的基本原理，掌握CRC的编码和检测方法。内容纲要数据通信的基本概念传输介质多路复用技术数据交换技术差错控制技术内容纲要数据通信的基本概念传输介质多路复用技术数据交换技术差错控制技术3.1数据通信的基本概念1、信息、数据和信号2、数据通信系统3、数据通信系统的性能指标1、信息、数据和信号数据(data)——通常是指预先约定的具有某种含义的数字、符号和字母的组合。信号(signal)——数据在传输过程中的电磁波的表示形式。“模拟的”(analogous)——连续变化的。“数字的”(digital)——取值是离散的。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。信道——表示向某一方向传送数据的传输介质。3.1数据通信的基本概念数据和信号模拟数据数字数据信息数据模拟信号数字信号有意义的实体涉及数据的内容和解释在某个区间产生连续的值产生离散的值是数据的电磁(或电子)编码涉及到事物的形式是一种连续变化的电磁波是一系列的电压脉冲信号1、信息、数据和信号3.1数据通信的基本概念模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号数字发送器1、信息、数据和信号3.1数据通信的基本概念2、数据通信系统信源(源系统)信号转换设备信宿(目的系统)信号转换设备传输媒体(信道)发送部分接收部分传输系统3.1数据通信的基本概念2、数据通信系统信源和信宿：信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。信号转换设备：是将信源发出的信息转换成适合于在信道上传输的信号的设备。3.1数据通信的基本概念2、数据通信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正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机3.1数据通信的基本概念2、数据通信系统数据通信系统举例电话网ModemModem(a)用户通过电话网拨号通信电话网ModemModem(a)用户通过电话网拨号通信因特网3.1数据通信的基本概念2、数据通信系统数据通信系统举例(b)局域网用户通过Internet上网通信SiSiInternetSiSiToken-ring3.1数据通信的基本概念3、数据通信系统的技术指标传码速率：传码速率又称为调制速率、波特率，记作NBd，是指在数据通信系统中，每秒钟传输信号码元的个数，单位是波特（Baud）。传信速率：又称为比特率，记作Rb，是指在数据通信系统中，每秒钟传输二进制码元的个数，单位是比特/秒（bit/s,或kbit/s或Mbit/s）。数据传输速率3.1数据通信的基本概念3、数据通信系统的技术指标数据传输速率1001011t0+3VT2T3T4T5T6T7T-3V图2-10二电平信号00t0+3VT2T3T4T5T-3V图2-11四电平信号00110110-6V+6V••••3.1数据通信的基本概念3、数据通信系统的技术指标[例2-1]若信号码元持续时间为1×10-4秒，试问传送8电平信号，则传码速率和传信速率各是多少？解：由于T=1×10-4秒，所以传码速率NBd=1/T=10000波特由于传送的信号是8电平，所以，M=8。则传信速率Rb=NBdlog2M=30000bit/s。数据传输速率3.1数据通信的基本概念3、数据通信系统的技术指标信道带宽信号带宽：(bandwidth)是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。模拟信道：表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路带宽(通频带)。数字信道：“带宽”是所能传送的“最高数据率”同义语，单位是“比特每秒”。3.1数据通信的基本概念3、数据通信系统的技术指标信道带宽常用的带宽单位是•千比每秒，即kb/s（103b/s）•兆比每秒，即Mb/s（106b/s）•吉比每秒，即Gb/s（109b/s）•太比每秒，即Tb/s（1012b/s）请注意：在计算机界，数据量的表示K=210,M=220,G=230,T=240。3.1数据通信的基本概念时间轴上信号的宽度随速率的增大而变窄，对应的信号频率增加，则占用带宽也增加。每秒106个比特时间1010111s带宽为1Mb/s时间每秒4106个比特0.25s带宽为4Mb/s带宽3、数据通信系统的技术指标3.1数据通信的基本概念3、数据通信系统的技术指标误码率和误组率误码率：在一定时间内接收到出错的比特数e1与总的传输比特数e2之比。Pe＝（e1/e2)×100％误组率：在一定时间内接收出错的组数b1与总的传输组数b2之比。Pb＝（b1/b2)×100％3.1数据通信的基本概念发送时延（传输时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。发送时延=数据块长度（比特）信道带宽（比特/秒）时延3、数据通信系统的技术指标3.1数据通信的基本概念传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。传播时延=信道长度（米）信号在信道上的传播速率（米/秒）时延3、数据通信系统的技术指标3.1数据通信的基本概念处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分。处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。有时可用排队时延作为处理时延。时延3、数据通信系统的技术指标3.1数据通信的基本概念数据从源点经过网络传送，到达目的点所经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延时延3、数据通信系统的技术指标3.1数据通信的基本概念时延1011001…发送器队列在链路上产生传播时延结点B结点A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点A向结点B发送数据链路3、数据通信系统的技术指标3.1数据通信的基本概念所谓高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高链路带宽减小了数据的发送时延。提高网络传输速率，减小网络传输时延，主要是减少发送时延和处理时延。时延3、数据通信系统的技术指标3.1数据通信的基本概念时延3、数据通信系统的技术指标[例2-3]若AB两台计算机之间的距离为1000km，假定在电缆内信号的传播速度是2×108m/s，试对下列类型的链路分别计算发送时延和传播时延。（1）数据块长度为108bit，数据发送速率为1Mb/s；（2）数据块长度为1000bit，数据发送速率为1Gbit/s3.1数据通信的基本概念信道容量3、数据通信系统的技术指标信道容量是指在一定的条件下，给定通信路径（信道）上所能达到的最大数据传输速率。信道容量噪声误码率带宽数据传输速率3.1数据通信的基本概念信道容量3、数据通信系统的技术指标奈奎斯特定理：任意一个信号如果通过带宽为W（Hz）的理想低通滤波器，当每秒传输2W码元，就可实现无码元间干扰传输。在理想的条件下，即无噪声有限带宽为WHz的信道，其最大的数据传输速率C（即信道容量）为：C=2Wlog2M3.1数据通信的基本概念信道容量3、数据通信系统的技术指标香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C(信道容量）可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/s•W为信道的带宽（以Hz为单位）；•S为信道内所传信号的平均功率；•N为信道内部的高斯噪声功率。香农(Shannon)定理3.1数据通信的基本概念内容纲要数据通信的基本概念传输介质多路复用技术数据交换技术差错控制技术把两根互相绝缘的铜导线并排放置，再用规则的方法绞合起来。绞合的导线可以减少相邻线对的相互干扰。多对绞合导线构成了双绞线电缆。双绞线可用于模拟传输和数字传输。价格低，安装方便，但带宽窄，抗干扰性能较差。3.2传输介质1、双绞线1、双绞线铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP3.2传输介质A扭绞距线径0.4～1.4mmB近端串扰远端串扰1、双绞线3.2传输介质同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有较好的抗干扰特性（特别是高频段），适合高速数据传输。通常按特性阻抗数值不同，可分为两类：•50Ω同轴电缆：数据通信中传输基带信号•75Ω同轴电缆：模拟传输系统（CATV）2、同轴电缆3.2传输介质2、同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体3.2传输介质光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成。纤芯很细，直径为8－100um，且折射率较高，包层相对折射率较低。多根光纤构成光缆。光波利用光的全反射原理通过纤芯传导。通过传递光脉冲进行通信。光纤通信衰耗小，距离长，抗干扰能力强，传输容量大，保密性好。•多模光纤：多条不同入射角光线在一条光纤中传输。•单模光纤：直径只有一个光波长大小，直线传输。3、光纤3.2传输介质3、光纤远供电源光纤及包层填充物外护套包带层包层纤芯（a）光缆结构剖面图（b）光波在纤芯中传播3.2传输介质折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯3、光纤3.2传输介质高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射3、光纤3.2传输介质输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤3、光纤3.2传输介质4、无线的传输介质在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距离较远的情况下，使用无线传输方式，成本较低。信息技术的发展，人们要求在运动中进行电话通信或计算机通信。无线电波可以在自由空间各个方向传播，实现多种通信。这种通信不使用前述的各种导向传输媒体，故称为“非导向传输媒体”。3.2传输介质电信领域使用的电磁波的频谱无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波调幅无线电调频无线电海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电3.2传输介质无线传输所使用的频段很广，人们可以根据需要使用不同频段特性进行通信。传统无线电：长波、中波、短波甚高频、特高频、超高频、极高频微波通信（2－40GHz，直线传播)•地面接力微波：在地面建立若干微波中继站，中继站将前一站信号接收，放大后转发到下一站，实现“接力”式传输。•卫星通信：将微波中继站放在卫星上实现。通信建立远，覆盖面积大。4、无线的传输介质3.2传输介质地面微波的工作频率范围一般为1～20GHz，其特点是直线传播，因此只能在视距范围内进行传输。由于受到地形和天线高度的限制，两微波站间的通信距离一般为30～50km。地面微波4、无线的传输介质3.2传输介质卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度