盛立軍《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)》第二章

.,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ),.,第2章,數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ),.,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，因此，數(shù)據(jù)通信技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。要研究計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，首先要研究數(shù)據(jù)通信技術(shù)。數(shù)據(jù)通信就是指通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)以某種信號(hào)方式從一處傳送到另一處。本章主要講解與數(shù)據(jù)通信有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括數(shù)據(jù)通信的基本概念、數(shù)據(jù)通信方式、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)同步方式、信道復(fù)用技術(shù)、數(shù)據(jù)交換技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)等內(nèi)容。,.,學(xué)習(xí)目標(biāo),.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),在當(dāng)今信息社會(huì)中，通信是人們獲取、傳遞和交換信息的重要手段。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)等新型技術(shù)的不斷發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代通信中出現(xiàn)了如數(shù)字通信、衛(wèi)星通信、光纖通信等具有代表性的新領(lǐng)域。而在這些新領(lǐng)域中，數(shù)字通信尤為重要，它是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本節(jié)我們將簡(jiǎn)單介紹數(shù)字通信的基本概念和系統(tǒng)模型。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念,信息,信息是對(duì)客觀事物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和存在形式的反映，可以是客觀事物的形態(tài)、大小、結(jié)構(gòu)、性能等描述，也可以是客觀事物與外部之間的聯(lián)系。信息的載體可以是數(shù)字、文字、語(yǔ)音、圖形和圖像等。計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備產(chǎn)生和交換的信息都是由二進(jìn)制代碼表示的字母、數(shù)字或控制符號(hào)的組合。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是傳遞信息的實(shí)體，是信息的一種表現(xiàn)形式。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種。其中，用于描述連續(xù)變化量的數(shù)據(jù)稱為模擬數(shù)據(jù)，如聲音、溫度等；用于描述不連續(xù)變化量的數(shù)據(jù)稱為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，如文本信息、整數(shù)等。,提示,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),信號(hào),信號(hào)是攜帶信息的介質(zhì)，是數(shù)據(jù)的一種電磁編碼。信號(hào)一般以時(shí)間為自變量，以表示信息（或數(shù)據(jù)）的某個(gè)參量（振幅、頻率或相位）為因變量。信號(hào)按其因變量的取值是否連續(xù)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。,（a）模擬信號(hào)圖2-1模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),（b）數(shù)字信號(hào)圖2-1模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào),雖然模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)有著明顯的差別，但它們?cè)谝欢l件下也是可以相互轉(zhuǎn)化的。模擬信號(hào)可以通過(guò)采樣、量化、編碼等步驟變成數(shù)字信號(hào)，而數(shù)字信號(hào)也可以通過(guò)解碼、平滑等步驟變換為模擬信號(hào)。信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)三者的關(guān)系是：信息一般用數(shù)據(jù)來(lái)表示，而數(shù)據(jù)通常需要轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)進(jìn)行傳輸。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成,信息的傳遞是通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一般由信源、信號(hào)變換器、通信信道、信宿等構(gòu)成，如圖2-2所示。,圖2-2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型,.,信源就是信息的產(chǎn)生和發(fā)送端，是發(fā)出待傳送信息的人或設(shè)備。信宿就是信息的接收端，是接收所傳送信息的人或設(shè)備。大部分信源和信宿設(shè)備都是計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DataTerminalEquipment，DTE）。,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),通信信道是傳送信號(hào)的一條通路，由傳輸線路和傳輸設(shè)備組成。同一個(gè)傳輸介質(zhì)上可以同時(shí)存在多條信號(hào)通路，即一條傳輸線路上可以有多個(gè)通信信道。信道類(lèi)型是由所傳輸?shù)男盘?hào)決定的，用來(lái)傳輸模擬信號(hào)的信道稱為模擬信道，用來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)的信道稱為數(shù)字信道。,.,信號(hào)變換器的作用是將信源發(fā)出的數(shù)據(jù)變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘?hào)，或?qū)⑿诺郎蟼鱽?lái)的信號(hào)變換成可供信宿接收的數(shù)據(jù)。發(fā)送端的信號(hào)變換器可以是編碼器或調(diào)制器，接收端的信號(hào)變換器相對(duì)應(yīng)的就是譯碼器或解調(diào)器。,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到的干擾稱為噪聲。噪聲可能來(lái)自外部，也可能由信號(hào)傳輸過(guò)程本身產(chǎn)生。噪聲雖然不算嚴(yán)格意義上的通信系統(tǒng)組成部分，但噪聲過(guò)大將影響被傳送的信號(hào)的真實(shí)性或正確性。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),描述數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的大小和傳輸質(zhì)量的好壞，往往需要運(yùn)用信道帶寬、比特率、波特率、信道容量和誤碼率等技術(shù)指標(biāo)。,信道帶寬是指信道中傳輸?shù)男盘?hào)在不失真的情況下所占用的頻率范圍，即傳輸信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差。例如，若某通信線路可以不失真地傳送2MHz10MHz的信號(hào)，則該通信線路的信道帶寬為8MHz。,.,波特率又稱作波形速率或調(diào)制速率。它是指數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，在線路上每秒鐘傳送的波形個(gè)數(shù)。其單位是波特，記作baud。設(shè)一個(gè)波形的持續(xù)周期為T(mén)，則波特率B可按下式計(jì)算：B=1/T（baud）,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),比特率又稱數(shù)據(jù)傳輸速率，是指數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，用每秒鐘所傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位數(shù)表示，單位為比特/秒（記作b/s或bps）。比特率S可按下式計(jì)算：S=Blog2N（bps）式中B是波特率，N是一個(gè)波形代表的有效狀態(tài)數(shù)。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),提示,信道容量一般是指物理信道能夠傳輸信息的最大能力，它的大小由信道的帶寬、可使用的時(shí)間、傳輸速率以及信道質(zhì)量（即信號(hào)功率與干擾功率之比）等因素決定。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),誤碼率，也稱出錯(cuò)率，是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的重要指標(biāo)。誤碼率等于傳輸出錯(cuò)的碼元數(shù)占傳輸總碼元數(shù)的比例。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一般要求數(shù)字信號(hào)誤碼率低于10-6。,信號(hào)在信道中的傳輸，從信源到信宿需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間叫做傳播延遲（也叫時(shí)延）。傳播延遲與信源和信宿間的距離有關(guān)，也與具體的通信信道中的信號(hào)傳播速度有關(guān)。,.,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),在信道中，信號(hào)功率與噪聲功率的比值稱為信噪比（Signal-to-NoiseRatio）。如果用S表示信號(hào)功率，用N表示噪聲功率，則信噪比應(yīng)被表示為S/N。在實(shí)際傳輸中，更多地使用10lg10（S/N）來(lái)表示信噪比，單位是分貝（dB）。對(duì)于S/N等于10的信道，則稱其信噪比為10dB；同樣的道理，如果信道的S/N等于100，則稱其信噪比為20dB；以此類(lèi)推。一般來(lái)說(shuō)，信噪比越大，說(shuō)明混在信號(hào)里的噪聲越小，因此信噪比應(yīng)該越高越好。,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,設(shè)計(jì)一個(gè)通信系統(tǒng)時(shí)，首先要確定的是采用串行通信方式，還是采用并行通信方式。采用串行通信方式只需要在收發(fā)雙方之間建立一條通信信道；采用并行通信方式時(shí)，收發(fā)雙方之間必須建立多條并行的通信信道。信號(hào)在通信信道上的傳輸是有方向的，根據(jù)數(shù)據(jù)在某一時(shí)間信息傳輸?shù)姆较蚝吞攸c(diǎn)，數(shù)據(jù)通信方式可分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,2.2.1并行傳輸與串行傳輸,數(shù)據(jù)的傳輸方式有并行傳輸和串行傳輸兩種。,.,并行傳輸,2.2數(shù)據(jù)通信方式,（a）圖2-3并行傳輸與串行傳輸,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,（b）圖2-3并行傳輸與串行傳輸,并行傳輸?shù)乃俾矢?，但傳輸線路和設(shè)備都需要增加若干倍，一般用于短距離并要求快速傳輸?shù)牡胤?。串行傳輸可以?jié)省線路和設(shè)備，利于遠(yuǎn)程傳輸，所以廣泛用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸中，通信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸都是以串行方式進(jìn)行的。,串行傳輸,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,2.2.2單工、半雙工和全雙工通信,根據(jù)信號(hào)在信道上的傳輸方向，數(shù)據(jù)通信分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,單工通信,單工通信又稱為單向通信。在單工通信中，數(shù)據(jù)信號(hào)固定地從發(fā)送端傳送到接收端，即信息流僅沿一個(gè)方向流動(dòng)，如圖2-4所示。如無(wú)線電廣播采用的就是單工通信。,圖2-4單工通信,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,半雙工通信,半雙工通信又稱為雙向交替通信。在半雙工通信中，數(shù)據(jù)信號(hào)可雙向傳送，但不能在兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行。通信雙方都具有發(fā)送器和接收器，但在同一時(shí)刻信道只能容納一個(gè)方向的信息傳輸，如圖2-5所示。例如，無(wú)線電對(duì)講機(jī)采用的就是半雙工通信，當(dāng)甲方講話時(shí)，乙方無(wú)法講話；等甲方講完后，乙方才能開(kāi)始講話。,圖2-5半雙工通信,.,2.2數(shù)據(jù)通信方式,全雙工通信,全雙工通信又稱為雙向同時(shí)通信。在全雙工通信中，同一時(shí)刻雙方能在兩個(gè)方向上傳輸數(shù)據(jù)信息，它相當(dāng)于把兩個(gè)相反方向的單工通信方式組合起來(lái)，如圖2-6所示。例如，打電話時(shí)，雙方可以同時(shí)講話。全雙工通信效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。,圖2-6全雙工通信,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),2.3.1數(shù)據(jù)傳輸同步方式,當(dāng)發(fā)送端將數(shù)據(jù)發(fā)送出去后，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，收發(fā)雙方要同步處理數(shù)據(jù)。所謂同步，就是指接收端按照發(fā)送端所發(fā)送的每個(gè)碼元的重復(fù)頻率以及起止時(shí)間來(lái)接收數(shù)據(jù)，也就是通信雙方在發(fā)、收時(shí)間上必須保持一致；否則，數(shù)據(jù)傳輸就會(huì)發(fā)生丟包或重復(fù)讀取等錯(cuò)誤。根據(jù)通信雙方協(xié)調(diào)方式不同，同步方式有兩種：異步傳輸和同步傳輸。,.,異步傳輸,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),異步傳輸又稱為起止式傳輸。發(fā)送端可以在任何時(shí)刻向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，且將每個(gè)字符（58位）作為一個(gè)獨(dú)立的整體進(jìn)行發(fā)送，字符間的間隔時(shí)間可以任意變化。為了便于接收端識(shí)別這些字符，發(fā)送端需要在每個(gè)字符的前后分別加上一位或多位信息作為它的起始位和停止位，如圖2-7（a）所示。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),如圖2-7（b）所示，如果傳送的字符由7位二進(jìn)制位組成，那么在其前后各附加起始位和停止位，甚至還有校驗(yàn)位，其字符長(zhǎng)度將達(dá)10位。很顯然，由于輔助位多，這種同步方式傳輸效率較低，適用于低速通信。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),同步傳輸,同步傳輸要求數(shù)據(jù)的發(fā)送端和接收端始終保持時(shí)鐘同步。同步傳輸具體又分為面向字符的同步和面向位的同步，如圖2-8所示。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),在同步傳輸中將整個(gè)字符組作為一個(gè)單位進(jìn)行傳送，且附加位比較少，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。這種方式一般用于高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。但是要求收發(fā)雙方的時(shí)鐘嚴(yán)格同步，加重了數(shù)據(jù)通信設(shè)備的負(fù)擔(dān)。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中出現(xiàn)與同步字符（或同步字節(jié)）相同的數(shù)據(jù)，則需要額外的技術(shù)來(lái)解決；如果一次傳輸有錯(cuò)，則需要將該次傳輸?shù)恼麄€(gè)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行重傳。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),2.3.2數(shù)字信號(hào)的傳輸技術(shù),在數(shù)據(jù)通信中，計(jì)算機(jī)等產(chǎn)生的信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，即“1”和“0”。若要在相應(yīng)的信道中傳輸，需轉(zhuǎn)換成適合傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)。數(shù)字信號(hào)在信道中的傳輸技術(shù)分為基帶傳輸和頻帶傳輸兩類(lèi)。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),基帶傳輸,由計(jì)算機(jī)等直接發(fā)出的數(shù)字信號(hào)是一連串矩形電脈沖信號(hào)，包含直流、低頻和高頻等多種成分。在其頻譜中，從零頻開(kāi)始到能量集中的一段頻率范圍稱為基本頻帶，簡(jiǎn)稱為基帶。在線路上直接傳輸數(shù)字基帶信號(hào)就稱為基帶傳輸。基帶傳輸中，發(fā)送端需要用編碼器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，然后在接收端由譯碼器進(jìn)行解碼才能恢復(fù)發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用以下三種編碼方法。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-9常用二進(jìn)制編碼方法,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-9常用二進(jìn)制編碼方法,這種編碼的優(yōu)點(diǎn)是收發(fā)雙方可以根據(jù)自帶的“時(shí)鐘”信號(hào)來(lái)保持同步，無(wú)須專(zhuān)門(mén)傳遞同步信號(hào)的線路，因此這種編碼方法通常用于局域網(wǎng)傳輸。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-9常用二進(jìn)制編碼方法,基帶傳輸是一種最簡(jiǎn)單的傳輸方式，它抗干擾能力強(qiáng)、成本低，但是由于基帶信號(hào)含有從直流到高頻的頻率特性，傳輸時(shí)必須占用整個(gè)信道，因此通信信道利用率低。另外，基帶傳輸信號(hào)衰減嚴(yán)重，傳輸?shù)木嚯x受到限制，因此常用于局域網(wǎng)。,.,頻帶傳輸,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信時(shí)，最經(jīng)常使用的仍然是普通的電話線。電話信道的帶寬為3.1kHz，只適用于傳輸音頻范圍300Hz3400Hz的模擬信號(hào)，不適用于直接傳輸頻帶很寬而且又集中在低頻段的數(shù)字基帶信號(hào)。因此必須將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)進(jìn)行傳輸。一般采用的方法是發(fā)送端在音頻范圍選擇某一頻率的正（余）弦波作為載波，用它寄載所要傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，通過(guò)電話信道將其送至接收端；在接收端再將數(shù)字信號(hào)從載波上分離出來(lái)，恢復(fù)為原來(lái)的數(shù)字信號(hào)波形。這種利用模擬信道實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)姆椒ǚQ為頻帶傳輸。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-10頻帶傳輸,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),知識(shí)庫(kù),調(diào)制解調(diào)器（Modem），俗稱“貓”，是在發(fā)送端通過(guò)調(diào)制將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，而在接收端通過(guò)解調(diào)再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的一種裝置。Modem有各種各樣的分類(lèi)方法，例如按照接入Internet的方式不同，可將Modem分為撥號(hào)Modem和專(zhuān)線Modem；又例如按照接口類(lèi)型不同，可將Modem分為外置Modem、內(nèi)置Modem、PC卡式移動(dòng)Modem等。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),模擬信號(hào)傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，載波信號(hào)可以表示為：,其中，振幅A、角頻率、相位是載波信號(hào)的三個(gè)可變參量，它們是正弦波的控制參數(shù)，也稱為“調(diào)制參數(shù)”，它們的變化將對(duì)正弦載波的波形產(chǎn)生影響。為此，我們可以通過(guò)改變這三個(gè)參量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)的編碼。,ASK方式是指載波的幅度A隨發(fā)送的數(shù)字信號(hào)而變化，以不同振幅表示二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”，如圖2-11（a）所示。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但抗干擾能力差，調(diào)制效率低。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-11數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬信號(hào)編碼,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),FSK方式是指用兩個(gè)靠近載波頻率的不同頻率1和2分別表示二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”，如圖2-11（b）所示。移頻鍵控的電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，但頻帶的利用率低。,PSK方式只是以載波的相位變化來(lái)表示數(shù)據(jù)。在二相制情況下，二進(jìn)制數(shù)字“0”和“1”分別用不同相位載波信號(hào)波形表示，如圖2-11（c）和圖2-11（d）所示。PSK電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),知識(shí)庫(kù),模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼是將連續(xù)的信號(hào)波形用有限個(gè)離散（不連續(xù)）的值近似代替的過(guò)程，其中最常用的方法就是脈沖編碼調(diào)制（PCM）技術(shù)，簡(jiǎn)稱脈碼調(diào)制。PCM一般通過(guò)采樣、量化和編碼3個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。（1）采樣：將原信號(hào)波形的時(shí)間坐標(biāo)按照固定的時(shí)間間隔離散化，以模擬數(shù)據(jù)的最大值（或平均值）作為樣本，代替模擬數(shù)據(jù)在某一區(qū)間的值。（2）量化：量化是指對(duì)采樣得到的樣本值按量化分級(jí)并取整。（3）編碼：將量化取整的樣本值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制編碼。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),2.3.3多路復(fù)用技術(shù),在同一介質(zhì)上，同時(shí)傳輸多個(gè)有限帶寬信號(hào)的方法，被稱為多路復(fù)用（Multiplexing）。將多路復(fù)用技術(shù)引入通信系統(tǒng)，目的是充分利用通信線路的帶寬，提高通信介質(zhì)利用率。多路復(fù)用技術(shù)可以分為頻分多路復(fù)用、時(shí)分多路復(fù)用、波分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用等多種形式，最常用的是頻分多路復(fù)用和時(shí)分多路復(fù)用。,頻分多路復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）,任何信號(hào)只占據(jù)一個(gè)寬度有限的頻率，而信道可被利用的頻率要比一個(gè)信號(hào)的頻率寬得多，因而可以利用頻率分割的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)信道的多路復(fù)用。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-12頻分多路復(fù)用的電話系統(tǒng),.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),所有電話信號(hào)的頻帶本來(lái)都是一樣的，即標(biāo)準(zhǔn)頻帶0.3KHz3.4KHz。利用頻率變換，使每路電話信號(hào)占有4KHz的帶寬，然后將三路電話信號(hào)搬到頻段的不同位置，就形成了一個(gè)帶寬為12KHz的頻分多路復(fù)用信號(hào)。當(dāng)信號(hào)到達(dá)接收端后，接收端就可以將各路電話信號(hào)用濾波器區(qū)分開(kāi)。由此可見(jiàn)，信道的帶寬越大，容納的電話路數(shù)就會(huì)越多。隨著通信信道質(zhì)量的提高，在一個(gè)信道上同時(shí)傳送的電話路數(shù)會(huì)越來(lái)越多。頻分多路復(fù)用主要用于寬帶模擬線路中，最典型的是有線電視系統(tǒng)。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),時(shí)分多路復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）,時(shí)分復(fù)用是利用時(shí)間分隔方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用的，它將一個(gè)傳送周期劃分為多個(gè)時(shí)間間隔，讓多路信號(hào)分別在不同的時(shí)間間隔內(nèi)傳送。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)主干網(wǎng)的復(fù)用采用的就是時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),圖2-13數(shù)字電話系統(tǒng)的基群采樣周期,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),表2-1T1和E1系列多路復(fù)用標(biāo)準(zhǔn),.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),波分多路復(fù)用（WaveDivisionMultiplexing，WDM）,波分多路復(fù)用技術(shù)是頻率分割技術(shù)在光纖媒體中的應(yīng)用，主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)中。所謂波分多路復(fù)用是指在一根光纖上能同時(shí)傳送多個(gè)波長(zhǎng)不同的光載波的復(fù)用技術(shù)，它實(shí)質(zhì)上是利用了光具有不同波長(zhǎng)的特征。WDM技術(shù)的原理與FDM十分類(lèi)似，不同的是它利用波分復(fù)用設(shè)備將不同信道的信號(hào)調(diào)制成不同波長(zhǎng)的光，并復(fù)用到光纖信道上；在接收端，又采用波分設(shè)備分離不同波長(zhǎng)的光。用于波分復(fù)用的設(shè)備，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端分別稱為分波器和合波器。WDM技術(shù)使得光纖的傳輸能力成倍增加，也可以利用不同波長(zhǎng)沿不同方向傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸。除WDM外，還有光頻分多路復(fù)用（OFDM）、密集波分多路復(fù)用（DWDM）、光時(shí)分多路復(fù)用（OTDM）、光碼分多路服用（OCDM）技術(shù)等。光纖的密集波分技術(shù)可極大地增加光纖信道的數(shù)量，從而充分利用光纖的潛在帶寬，是今后計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用的重要技術(shù)。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),碼分多路復(fù)用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）,CDM技術(shù)是一種用于移動(dòng)通信系統(tǒng)的新技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是微波擴(kuò)頻通信。擴(kuò)頻通信的特征是使用比發(fā)送的數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機(jī)碼對(duì)載荷數(shù)據(jù)的基帶信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成寬帶低功率頻譜密度的信號(hào)來(lái)發(fā)射。CDM利用擴(kuò)頻通信中不同碼型的擴(kuò)頻碼之間的相關(guān)性為每個(gè)用戶分配一個(gè)擴(kuò)頻編碼，以區(qū)別不同的用戶信號(hào)。發(fā)送端可用不同的擴(kuò)頻編碼，分別向不同的接收端發(fā)送數(shù)據(jù)；同樣，接收端進(jìn)行相應(yīng)的解碼就可得到不同發(fā)送端送來(lái)的數(shù)據(jù)。CDM的特點(diǎn)是頻率和時(shí)間資源均為共享。因此，在頻率和時(shí)間資源緊缺的情況下，CDM技術(shù)將獨(dú)具魅力，這也是CDM受到人們普遍關(guān)注的原因。,.,2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),提示,FDM或WDM技術(shù)是以頻段的不同來(lái)區(qū)分地址的，其特點(diǎn)是獨(dú)占頻段而共享時(shí)間。TDM則是共享頻段而獨(dú)占時(shí)間，相當(dāng)于在同一頻段內(nèi)不同的相位上發(fā)送和接收信息，而頻率資源共享。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通常采用部分連接的方式，不相鄰節(jié)點(diǎn)之間的通信只能通過(guò)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)接來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些中轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)稱為交換節(jié)點(diǎn)，它們并不處理流經(jīng)的數(shù)據(jù)，只是簡(jiǎn)單地將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至到達(dá)目的地。數(shù)據(jù)交換技術(shù)就是用來(lái)解決資源子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)如何通過(guò)通信子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換問(wèn)題的。通常使用的數(shù)據(jù)交換技術(shù)有3種：電路（線路）交換、報(bào)文交換和分組交換。,2.4.1電路交換,在電話系統(tǒng)中，當(dāng)用戶進(jìn)行撥號(hào)時(shí)，電話系統(tǒng)中的交換機(jī)（TelephoneSwitch）在呼叫者的電話與接收者的電話之間建立了一條實(shí)際的物理線路，通話便建立起來(lái)；此后兩端的電話一直使用該專(zhuān)用線路，直到通話結(jié)束才能拆除該線路。電話系統(tǒng)中用到的這種交換方式叫做電路交換（CircuitSwitching）技術(shù)。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),電路交換技術(shù)的通信過(guò)程包括線路建立、數(shù)據(jù)傳輸和線路釋放3個(gè)過(guò)程。在數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸之前，呼叫信號(hào)必須經(jīng)過(guò)若干個(gè)交換機(jī)，得到各交換機(jī)的認(rèn)可，并最終傳到被呼叫方。這個(gè)過(guò)程常常需要10秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。對(duì)于許多應(yīng)用（如商店信用卡確認(rèn)）來(lái)說(shuō)，過(guò)長(zhǎng)的電路建立時(shí)間是不合適的。另外，在電路交換系統(tǒng)中，物理線路的帶寬是預(yù)先分配好的。對(duì)于已經(jīng)預(yù)先分配好的線路，即使通信雙方都沒(méi)有數(shù)據(jù)要交換，線路帶寬也不能為其他用戶所使用，從而造成帶寬的浪費(fèi)。雖然電路交換技術(shù)存在上述缺點(diǎn)，但它有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，第一是傳輸延遲小，唯一的延遲是物理信號(hào)的傳播延遲，因?yàn)橐坏┙⑽锢磉B接，便不再需要交換開(kāi)銷(xiāo)；第二是一旦線路建立，通信雙方便獨(dú)享該物理線路，不會(huì)與其他通信發(fā)生沖突。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),2.4.2報(bào)文交換,報(bào)文交換（MessageSwitching）屬于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式交換，事先并不建立物理電路，當(dāng)發(fā)送方有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，它將要發(fā)送的數(shù)據(jù)當(dāng)做一個(gè)整體交給中間交換設(shè)備，中間交換設(shè)備先將報(bào)文存儲(chǔ)起來(lái)，然后選擇一條合適的空閑輸出線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)交換設(shè)備，如此循環(huán)往復(fù)直至將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。采用這種技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)就是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。在報(bào)文交換中，一般不限制報(bào)文的大小，這就要求網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)中間節(jié)點(diǎn)必須使用磁盤(pán)等外設(shè)來(lái)緩存較大的數(shù)據(jù)塊。同時(shí)某一塊數(shù)據(jù)可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用線路，導(dǎo)致報(bào)文在中間結(jié)點(diǎn)的延遲非常大（一個(gè)報(bào)文在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)間等于接收整個(gè)報(bào)文的時(shí)間加上該報(bào)文在結(jié)點(diǎn)等待輸出線路所需的排隊(duì)延遲時(shí)間），這使得報(bào)文交換不適合交互式數(shù)據(jù)通信。為了解決上述問(wèn)題又引入了分組交換技術(shù)。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),2.4.3分組交換,分組交換（PacketSwitching）又稱為包交換，是報(bào)文交換技術(shù)的改進(jìn)，與報(bào)文交換同屬于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式交換。在分組交換中，用戶的數(shù)據(jù)被劃分成一個(gè)個(gè)大小相同的分組（packet），這些分組被稱為“包”。這些“包”可以被緩存在交換設(shè)備的內(nèi)存而不是磁盤(pán)中，通過(guò)不同的線路到達(dá)同一目的地。由于分組交換能夠保證任何用戶都不能長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)占傳輸線路，因而它非常適合于交互式通信。在分組交換中，根據(jù)傳輸控制協(xié)議和傳輸路徑不同，可將其分為兩種方式：數(shù)據(jù)報(bào)分組交換和虛電路分組交換。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),數(shù)據(jù)報(bào)分組交換,在該方式中，每個(gè)數(shù)據(jù)分組又稱為數(shù)據(jù)報(bào)。發(fā)送方將數(shù)據(jù)報(bào)按順序發(fā)送，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過(guò)程中按照不同的路徑到達(dá)目的地，因此接收方接到的數(shù)據(jù)報(bào)的順序與發(fā)送順序是不同的，接收方還需要按照?qǐng)?bào)文的分組順序?qū)⑦@些數(shù)據(jù)報(bào)組合成完整的數(shù)據(jù)。,虛電路分組交換,虛電路方式是將數(shù)據(jù)報(bào)方式與電路交換方式結(jié)合起來(lái)，在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前，首先在發(fā)送方和接收方之間建立一條通路。通路建立后，數(shù)據(jù)分組將依次沿此路徑進(jìn)行傳輸。因此，接收方接到的數(shù)據(jù)分組的順序與發(fā)送順序是相同的。但是與電路交換不同的是，虛電路方式建立的通路不是一條專(zhuān)用的物理線路，而只是一條路徑，因此被稱為“虛電路”。數(shù)據(jù)分組經(jīng)過(guò)時(shí)，路徑中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)還是需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并等待列隊(duì)輸出。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),2.4.4三種交換技術(shù)的比較,電路交換技術(shù)、報(bào)文交換技術(shù)和分組交換技術(shù)的比較如圖2-14所示。,（a）電路交換（b）報(bào)文交換（c）分組交換圖2-14三種交換技術(shù)的比較,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),比較圖2-14（b）和圖2-14（c），可以看到：在具有多個(gè)分組的報(bào)文中，分組交換中的中間交換設(shè)備在接收第二個(gè)分組之前，就可以轉(zhuǎn)發(fā)已經(jīng)接收到的第一個(gè)分組，即各個(gè)分組可以同時(shí)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)之間傳送，這樣就減少了傳輸延遲，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。分組交換除吞吐量較高外，還提供了一定程度的差錯(cuò)檢測(cè)和代碼轉(zhuǎn)換能力。因此，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)常常使用分組交換技術(shù)，偶爾才使用電路交換技術(shù)，但決不會(huì)使用報(bào)文交換技術(shù)。當(dāng)然，分組交換也存在許多問(wèn)題，比如擁塞、報(bào)文分片和重組。,.,2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù),電路交換和分組交換兩種技術(shù)有許多不同之處，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：,信道帶寬的分配方式不同,電路交換中信道帶寬是靜態(tài)分配的，而分組交換中信道帶寬是動(dòng)態(tài)分配的。在電路交換中已分配的信道帶寬未使用時(shí)都會(huì)被浪費(fèi)掉。而在分組交換中，這些未使用的信道帶寬可以被其他分組所利用，從而提高了信道的利用率。,收發(fā)雙方的傳輸要求不同,電路交換是完全透明的，發(fā)送方和接收方可以使用物理線路支持范圍內(nèi)的任何速率、任意幀格式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而在分組交換中，發(fā)送方和接收方必須按一定的數(shù)據(jù)速率和幀格式進(jìn)行通信。,計(jì)費(fèi)方法不同,在電路交換中，通信雙方是獨(dú)占信道帶寬的，因此通信費(fèi)用取決于通話時(shí)間和距離，而與通話量無(wú)關(guān)。而在分組交換中，通信費(fèi)用主要按通信流量（如字節(jié)數(shù)）來(lái)計(jì)算，適當(dāng)考慮通話時(shí)間和距離。因特網(wǎng)電話（InternetPhone）就是使用分組交換技術(shù)的一種新型通信方式，它的通話費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電話。,.,2.5差錯(cuò)控制技術(shù),數(shù)據(jù)在信道上傳輸?shù)倪^(guò)程中，由于線路熱噪聲的影響、信號(hào)的衰減、相鄰線路間的串?dāng)_和外界的干擾等各種原因，不可避免地會(huì)造成接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致，這種現(xiàn)象稱為傳輸差錯(cuò)，簡(jiǎn)稱差錯(cuò)。,2.5.1產(chǎn)生差錯(cuò)的原因,差錯(cuò)主要是由外界的干擾引起的。外界的干擾也稱為噪聲干擾，噪聲主要有熱噪聲和沖擊噪聲兩種。（1）熱噪聲是傳輸電路中的電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，它的特點(diǎn)是：持續(xù)存在，幅值較小，幅度較均勻且與頻率無(wú)關(guān)，但頻帶很寬，具有隨機(jī)性。由熱噪聲引起的差錯(cuò)是隨機(jī)差錯(cuò)。,.,2.5差錯(cuò)控制技術(shù),（2）沖擊噪聲是由外界干擾造成的。與熱噪聲相比，沖擊噪聲的幅度很大，持續(xù)時(shí)間短。這類(lèi)噪聲可以搏擊相鄰的多位數(shù)據(jù)位，從而導(dǎo)致更多的差錯(cuò)。沖擊噪聲是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中引起傳輸差錯(cuò)的主要原因。由沖擊噪聲引起的傳輸差錯(cuò)是突發(fā)差錯(cuò)。在通信過(guò)程中產(chǎn)生的差錯(cuò)是由隨機(jī)差錯(cuò)和突發(fā)差錯(cuò)共同構(gòu)成的。此外，信號(hào)的幅度衰減、傳播的速率改變、相鄰兩通條線路的串音等因素也會(huì)引起傳輸差錯(cuò)。,.,2.5差錯(cuò)控制技術(shù),要提高傳輸質(zhì)量，一是要改善傳輸信道的傳輸特性；二是采取差錯(cuò)控制技術(shù)，檢測(cè)和糾正數(shù)據(jù)通信中可能出現(xiàn)的差錯(cuò)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。最常用的差錯(cuò)控制方法是差錯(cuò)控制編碼，即在發(fā)送的報(bào)文中附加校驗(yàn)碼，接收方檢測(cè)到有差錯(cuò)的報(bào)文后進(jìn)行糾錯(cuò)。常用的校驗(yàn)碼有奇偶校驗(yàn)碼和循環(huán)冗余碼。,2.5.2差錯(cuò)控制編碼,.,2.5差錯(cuò)控制技術(shù),奇偶校驗(yàn)碼,奇偶校驗(yàn)碼是最簡(jiǎn)單的校驗(yàn)碼，其編碼規(guī)則是：先將要傳送的數(shù)據(jù)碼元分組，并在每組數(shù)據(jù)后面附加一位冗余位，即校驗(yàn)位，使分組中包括冗余位在內(nèi)的數(shù)據(jù)碼元中“1”的個(gè)數(shù)保持為奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）。在接收端按照同樣的規(guī)則進(jìn)行檢查，只有“1”的個(gè)數(shù)仍符合原定的規(guī)則才認(rèn)為傳輸正確，否則認(rèn)為傳輸出錯(cuò)。例如，傳輸數(shù)據(jù)為“1010010”，采用奇校驗(yàn)時(shí)附加位為“0”，因此傳輸數(shù)據(jù)變?yōu)椤?0100100”。如果接收端收到的數(shù)據(jù)中有一位出錯(cuò)（如10110100），此時(shí)奇校驗(yàn)就可以檢查出錯(cuò)誤。但是若接收到收到的數(shù)據(jù)中有兩位出錯(cuò)（如01100100），此時(shí)奇校驗(yàn)就無(wú)法檢查出錯(cuò)誤。因此，奇偶校驗(yàn)一般只能用于通信要求較低的環(huán)境，且只能檢測(cè)錯(cuò)誤，無(wú)法確認(rèn)錯(cuò)誤位置及糾正錯(cuò)誤。在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸中，所采用的奇偶校驗(yàn)碼分為垂直奇偶校驗(yàn)、水平奇偶校驗(yàn)和水平垂直奇偶校驗(yàn)3種。,.,2.5差錯(cuò)控制技術(shù),循環(huán)冗余碼（CyclicRedundancyCode，CRC）,循環(huán)冗余碼（CyclicRedundancyCode，CRC），又稱為多項(xiàng)式碼，是使用最廣泛且檢錯(cuò)能力很強(qiáng)的一種檢錯(cuò)碼。CRC的工作方法是在發(fā)送端產(chǎn)生一個(gè)冗余碼，附加在信息位后面一起發(fā)送到接收端，接收端收到信息后按照與發(fā)送端形成循環(huán)冗余碼同樣的算法進(jìn)行校驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則通知發(fā)送端重發(fā)。CRC將整個(gè)數(shù)據(jù)塊當(dāng)做一串連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，把各位看成是一個(gè)多項(xiàng)式的系數(shù)，則該數(shù)據(jù)塊就和一個(gè)n次多項(xiàng)式M(X)相對(duì)應(yīng)。例如，信息碼1101表示為多項(xiàng)式為M(X)=X3+X2+X0。,.,2.5差錯(cuò)控制技術(shù),CRC在發(fā)送端編碼和接收端校驗(yàn)時(shí)，可以利用事先約定的生成多項(xiàng)式G(X)來(lái)計(jì)算冗余碼。CRC中使用的生成多項(xiàng)式由協(xié)議規(guī)定，目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中常用的G(X)包括