介質(zhì)訪問(wèn)與局域網(wǎng)

第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)一、數(shù)據(jù)、信息

信息是人對(duì)現(xiàn)實(shí)世界事物存在方式或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的某種認(rèn)識(shí);數(shù)據(jù)是把事件的某些屬性規(guī)范化后的表現(xiàn)形式;信號(hào)是數(shù)據(jù)的具體的物理表現(xiàn)。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念雪六角形涼白色信息數(shù)據(jù)信號(hào)例子

2.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的概念信息：人對(duì)雪花和馬的認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)：文字，二進(jìn)制數(shù)，十進(jìn)制數(shù)信號(hào)：電壓，光，磁場(chǎng)強(qiáng)度2.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的概念兩種不同類型的信號(hào)：A.時(shí)間、溫度、電波、聲音B.字符，二進(jìn)制數(shù)，電脈沖信號(hào)中沒(méi)有斷開(kāi)或不連續(xù)的的地方；信號(hào)僅取一些有限數(shù)目的值；二、信號(hào)與信號(hào)傳輸

2.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的概念模擬量的特點(diǎn)：波動(dòng)性；持續(xù)變化；反映事物的本質(zhì)；在電信業(yè)已經(jīng)被廣泛使用超過(guò)100年；數(shù)字量的特點(diǎn)：離散性；躍變性；設(shè)備性能先進(jìn)，較為便宜；2.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的概念數(shù)據(jù)傳輸：2.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的概念信道：傳輸信號(hào)的一條通路，有傳輸線和傳輸設(shè)備組成。一條傳輸線上可以有多條信道帶寬（Bandwidth）(HZ)信號(hào)帶寬：信號(hào)的頻率范圍.信道帶寬：信道上能夠傳輸?shù)男盘?hào)的最大頻率范圍300HZ3400HZ三、基本術(shù)語(yǔ)

2.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的概念數(shù)據(jù)傳輸速率——bps(bitpersecond)，單位時(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：Kbps、Mbps、Gbps與Tb/s，其中：

1Kbps=10^3bps

1Mbps=10^6bps

1Gbps=10^9bps

1Tbps=10^12bps

三、基本術(shù)語(yǔ)

2.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的概念碼元——信號(hào)傳送的基本單位，通常一個(gè)碼元包含一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)位。碼元傳輸速率——又稱為碼元速率或傳碼率。其定義為每秒鐘傳送碼元的數(shù)目，單位為“波特”,常用符號(hào)“Baud”表示，簡(jiǎn)寫(xiě)為“B”。數(shù)據(jù)傳輸速率與碼元傳輸速率Rb=RB㏒2NRb—數(shù)據(jù)傳輸速率RB——碼元傳輸速率N—每個(gè)碼元包含的二進(jìn)制位數(shù)信道利用率指出某信道有百分之幾的時(shí)間是被利用的（有數(shù)據(jù)通過(guò)）。完全空閑的信道的利用率是零。差錯(cuò)率差錯(cuò)率是衡量傳輸質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

1.碼元差錯(cuò)率指正在傳輸?shù)拇a元總數(shù)中發(fā)生差錯(cuò)的碼元數(shù)所點(diǎn)的比例（平均值），簡(jiǎn)稱誤碼率。

Pe=N/M(式中M為碼元傳輸總數(shù)，N為錯(cuò)誤接受碼元數(shù)）

當(dāng)統(tǒng)計(jì)的碼元數(shù)很大時(shí)，它與理論上的碼元差錯(cuò)概率很接近，故用同一符號(hào)Pe表示。

2.比特差錯(cuò)率

指在傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)中發(fā)生差錯(cuò)的比特?cái)?shù)所占的比例（平均值）。例如Peb=10^4，意味著平均傳送10000個(gè)比特，要發(fā)生一個(gè)比特的差錯(cuò)。在二進(jìn)制傳輸中，碼元差錯(cuò)率即是比特差錯(cuò)率，而在多進(jìn)制傳輸中可由碼元差錯(cuò)率求出比特差錯(cuò)率。

2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)一、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

二、信道1、信道容量----指物理信道上能夠傳輸?shù)男畔⒌淖畲竽芰?。單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘吭酱螅诺赖膫鬏斈芰驮綇?qiáng)，信道容量越大。提高信道傳輸能力的方法之一，就是提高信道的帶寬。2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)“帶寬”(bandwidth)本來(lái)是指信號(hào)具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。頻帶寬度——信號(hào)所擁有的頻率范圍現(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”的同義語(yǔ)，單位是“比特每秒”，或b/s(bit/s)。二、信道2、線路連接方式點(diǎn)--點(diǎn)連接多點(diǎn)連接2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)2、數(shù)據(jù)并行傳輸與串行傳輸并行傳輸串行傳輸并行傳輸：數(shù)據(jù)的每一位分別用一根數(shù)據(jù)線傳輸。串行傳輸：數(shù)據(jù)的所有位通過(guò)一根線傳輸。01010101010101012.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式：

單工通信雙工通信半雙工通信全雙工通信單工通信2.3數(shù)據(jù)傳輸方式半雙工通信2.3數(shù)據(jù)通信方式全雙工通信2.3數(shù)據(jù)通信方式2.4基帶傳輸與頻帶傳輸一、基帶傳輸直接以數(shù)字信號(hào)的形式在信道上傳輸，稱為基帶傳輸。1、基帶傳輸系統(tǒng)組成：信源編碼器解碼器信宿0010110100101101不歸零編碼NRZ(Non-Return-Zero)曼徹斯特編碼(ManchesterEncoding)差（微）分曼徹斯特編碼（DifferentialManchesterEncoding）

2、基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼：----數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用數(shù)字信號(hào)表示

2.4基帶傳輸與頻帶傳輸不歸零碼NR2（Non－Returntozero）NR2碼用直流電平“1”和“0”表示二進(jìn)制的“1”和“0”。例：正電平（比如+5V）表示“1”，用負(fù)電平（比如-5V）表示“0”在一個(gè)二進(jìn)制位的寬度內(nèi)電平保持不變。2.4基帶傳輸與頻帶傳輸優(yōu)點(diǎn)：NRZ碼是最容易實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上是直接將計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號(hào)加到通信線路上，未作任何處理，代價(jià)也最低。缺點(diǎn)：接收方無(wú)法判斷一位的開(kāi)始和結(jié)束，即不具備同步特性；容易受到干擾

曼徹斯特（Manchester）編碼是目前應(yīng)用最廣泛的編碼方法之一。特點(diǎn)：在每個(gè)位時(shí)間內(nèi)（一般在中間）有一次信號(hào)跳變，使接收端可以利用這一跳變信號(hào)作為提取一位數(shù)據(jù)。例如，用正跳變表示0，用負(fù)跳變表示1

曼徹斯特編碼的優(yōu)點(diǎn)是：①由于每一位的中間都有一次電平跳變，因此提取電平跳變可以作為收發(fā)雙方的同步信號(hào)，發(fā)送曼徹斯特編碼時(shí)無(wú)需另發(fā)同步信號(hào)。這是自同步信號(hào)得到廣泛應(yīng)用的主要原因。②不受幅值干擾的影響。曼徹斯特編碼的缺點(diǎn)：傳輸效率低，因?yàn)槊恳晃灰加脙蓚€(gè)波形。

差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼是對(duì)曼徹斯特編碼的改進(jìn)：（1）每一位中間的跳變只作提取時(shí)鐘之用；（2）每一位數(shù)據(jù)的值根據(jù)起始處有無(wú)跳變來(lái)決定。例如，每位開(kāi)始時(shí)有跳變表示數(shù)據(jù)“0”，每位開(kāi)始時(shí)無(wú)跳變表示數(shù)據(jù)“1”。

模擬數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)編碼

與模擬信號(hào)傳輸相比，數(shù)字信號(hào)傳輸失真小，誤碼率低，數(shù)據(jù)傳輸速率高。模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字化就是要把連續(xù)信號(hào)分別割成若干個(gè)離散信號(hào)，再將這些離散信號(hào)定量化，用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)表示。脈沖碼調(diào)制PCM是最常用的模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的編碼方法。

PCM技術(shù)

模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字化包括三個(gè)步驟：即采樣、電平量化和編碼。采樣就是每隔一定的時(shí)間對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣。采樣所得到的值就代表采樣間隔內(nèi)模擬信號(hào)的值采樣頻率越高（或者說(shuō)采樣時(shí)間間隔越?。?，根據(jù)采樣值恢復(fù)原始模擬信號(hào)的準(zhǔn)確性就越高。理論研究指出，如果以等于或大于通信道帶寬2倍的速率定時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，就可以足夠準(zhǔn)確地重現(xiàn)原始信號(hào)。對(duì)采樣值進(jìn)行取整、量化后，下一步就是進(jìn)行編碼了編碼是用若干位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示采樣并取整得到的量化幅度PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語(yǔ)音數(shù)字化。實(shí)際編碼時(shí)，將聲音分為128個(gè)量化級(jí)，每個(gè)采樣值采用7位二進(jìn)制編碼表示。由于采樣速率為8000次/秒，因此利用數(shù)字信道傳輸聲音時(shí)，要求信道的傳輸速率要達(dá)到7×8000bit/s=5bkbps。二、頻帶傳輸將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)傳輸，則稱為頻帶傳輸。1、頻帶傳輸系統(tǒng)組成：信源調(diào)制器解調(diào)器信宿信道調(diào)制解調(diào)010100011001010001102.4基帶傳輸與頻帶傳輸2、頻帶傳輸?shù)恼{(diào)制方式：

載波信號(hào)：Asin(ft+Φ)AM:幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying-ASK）FM:頻移鍵控（FrequencyShiftKeying-FSK）PM:相移鍵控（PhaseShiftKeying-PSK2.4基帶傳輸與頻帶傳輸例：AM:幅移鍵控2.4基帶傳輸與頻帶傳輸FM:頻移鍵控2.4基帶傳輸與頻帶傳輸PM:相移鍵控2.4基帶傳輸與頻帶傳輸通信系統(tǒng)構(gòu)成小結(jié)1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

2、基帶傳輸與頻帶傳輸：：

一、異步傳輸2.5數(shù)據(jù)傳輸同步方式同步傳輸

（a）單同步格式（b）雙同步格式2.5數(shù)據(jù)傳輸同步方式

1.電路交換1）概念A(yù)BCD發(fā)送呼叫信號(hào)傳輸1.交換2.發(fā)送呼叫信號(hào)傳輸1.交換2.發(fā)送呼叫信號(hào)傳輸1.作出反應(yīng)2.發(fā)送回應(yīng)信號(hào)2.6交換技術(shù)2）電路交換特點(diǎn):1.有通話的建立過(guò)程2.通話建立以后源與目的間有一條專用的通路存在優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性強(qiáng)管理簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：信道利用率低呼叫時(shí)間長(zhǎng)可靠性差適合業(yè)務(wù)：實(shí)時(shí)交互式業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)量傳輸2.6交換技術(shù)報(bào)文交換1）概念A(yù)DCB發(fā)送報(bào)文傳輸?shù)却?發(fā)送傳輸?shù)却?發(fā)送傳輸報(bào)文號(hào)目的地址源地址數(shù)據(jù)校驗(yàn)2.6交換技術(shù)傳輸延遲 ABCD2）報(bào)文交換特點(diǎn):1.無(wú)呼叫建立和專用通路2.存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)式的發(fā)送技術(shù)2.6交換技術(shù)分組交換1）概念報(bào)文號(hào)報(bào)文分組號(hào)目的地址源地址分組數(shù)據(jù)校驗(yàn)2.6交換技術(shù)2）分組交換特點(diǎn):1.無(wú)呼叫建立和專用通路2.存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)式的發(fā)送技術(shù)3.將數(shù)據(jù)分成有大小限制的分組后發(fā)送優(yōu)點(diǎn)：無(wú)固定的物理連接可靠性強(qiáng)（差錯(cuò)控制、迂回路由）信道利用率高（共享物理信道）缺點(diǎn)：實(shí)時(shí)性差協(xié)議復(fù)雜適合業(yè)務(wù)：突發(fā)性業(yè)務(wù)可靠性要求高的業(yè)務(wù)（如計(jì)算機(jī)通信）2.6交換技術(shù)4、三種交換技術(shù)對(duì)比:A.存在呼叫建立；專有線路上不傳送數(shù)據(jù)時(shí)浪費(fèi)資源B.沒(méi)有呼叫建立；只有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才占用線路C.除了B的特點(diǎn)外，在發(fā)送分組時(shí)可以分別選擇不同的路徑提高了線路利用率和傳送速率1、對(duì)線路的利用率2.6交換技術(shù)12345H1H22.6交換技術(shù)三種交換技術(shù)對(duì)比:A:固定的傳輸速率、會(huì)有呼叫阻塞B,C:可以使用優(yōu)先級(jí)A:實(shí)時(shí)性強(qiáng)B,C:存在時(shí)延和額外開(kāi)銷2.6交換技術(shù)分組交換的兩種方式（a）數(shù)據(jù)報(bào)（b）虛電路回顧同步技術(shù)位同步---使用同步位同步內(nèi)同步—從數(shù)據(jù)中提取同步信號(hào)外同步—外部時(shí)鐘電路提供同步時(shí)鐘字符同步—采用同步符同步同步符（如SNY01111110）透明傳輸（避免假同步）如0比特插入法。同步通信與異步通信異步通信—位同步同步傳輸—字符同步多路復(fù)用技術(shù):用一條高速線路傳送多條低速線路的數(shù)據(jù)分類：頻分多路復(fù)用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）時(shí)分多路復(fù)用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）波分多路復(fù)用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

2.7多路復(fù)用技術(shù)一、頻分多路復(fù)用（FDM-FrequencyDivisionMultiplexing）應(yīng)用:無(wú)線電廣播,電視特點(diǎn):信號(hào)被劃分成若干通道(頻道,波段),每個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞2.7多路復(fù)用技術(shù)二、時(shí)分多路復(fù)用（TDM-TimeDivisionMultiplexing）

特點(diǎn)：多條低速線路輪流使用同一條高速線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞應(yīng)用：電話主干線路2.7多路復(fù)用技術(shù)同步時(shí)分復(fù)用STDM，SynchronizationTime-DivisionMultiplexing）原理：根據(jù)信號(hào)路數(shù)分配時(shí)間片，時(shí)間片輪流分配給每路信號(hào)每路信號(hào)在時(shí)間片使用完畢以后，把物理信道讓給下一路信號(hào)使用。TDM優(yōu)點(diǎn):是控制簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)容易。TDM的缺點(diǎn)：某用戶無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該通道，將會(huì)造成帶寬浪費(fèi)。異步(統(tǒng)計(jì))TDM——STDM

改進(jìn)：每路信號(hào)用戶不固定占用某個(gè)時(shí)間片，有空槽就將數(shù)據(jù)放入。

三、波分多路復(fù)用（WDM-WavelengthDivisionMultiplexing）

應(yīng)用：光纜線路原理：整個(gè)波長(zhǎng)頻帶被劃分為若干個(gè)波長(zhǎng)范圍，每個(gè)用戶占用一個(gè)波長(zhǎng)范圍來(lái)進(jìn)行傳輸。2.7多路復(fù)用技術(shù)三、碼分多路復(fù)用（CDMA）用戶可在同一時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信,但使用的是基于碼型的分割信道的方法即每個(gè)用戶分配一個(gè)地址碼,各個(gè)碼型互不重又疊,通信各方之間不會(huì)相互干擾,且抗干攏能力強(qiáng).

2.7多路復(fù)用技術(shù)碼分多路復(fù)用技術(shù)應(yīng)用用于無(wú)線通信系統(tǒng),特別是移動(dòng)通信系統(tǒng).它不僅可以提高通信的話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皽p少干擾對(duì)通信的影響,而且增大了通信系統(tǒng)的容量.筆記本電腦或個(gè)人數(shù)字助理(PersonalDataAssistant,PDA)以及掌上電腦(HandedPersonalCOmputer,HPC)等移動(dòng)性計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信就是使用了這種技術(shù)。2.8差錯(cuò)檢驗(yàn)和控制1.差錯(cuò)類型隨機(jī)差錯(cuò)；突發(fā)差錯(cuò)差錯(cuò)產(chǎn)生原因：1、線路本身對(duì)信號(hào)的影響2、信號(hào)在線路兩端的反射3、相鄰線路之間產(chǎn)生的干擾4、電磁干擾等外界干擾傳輸質(zhì)量的衡量------誤碼率2.差錯(cuò)檢測(cè)碼奇偶校驗(yàn)碼循環(huán)冗余校驗(yàn)碼海明碼一、水平奇偶校驗(yàn)例子：字符ASCII水平奇校驗(yàn)H10010001a11000010m11011010g11001110n11011100c11000111o11011110垂直奇校驗(yàn)011111012.8.1差錯(cuò)檢測(cè)碼二、循環(huán)冗余碼(CRC)前提:發(fā)送方和接受方必須事先商定一個(gè)二進(jìn)制數(shù)G(x)(生成多項(xiàng)式),發(fā)送端:計(jì)算校驗(yàn)和,將校驗(yàn)和加在數(shù)據(jù)末尾,使這個(gè)帶校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)能被G(x)除盡.接收端:收到帶校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)后,用G(x)去除它,如果有余數(shù),則傳輸出錯(cuò)實(shí)現(xiàn):用簡(jiǎn)單的硬件(移位寄存器電路)即可2.8.1差錯(cuò)檢測(cè)碼校驗(yàn)碼的計(jì)算方法：1、將信息碼擴(kuò)展出冗余位（冗余位數(shù)=生成式位數(shù)-1）2、用生成式去除擴(kuò)展后的信息碼（按模二算法），余數(shù)即作為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼3、將校驗(yàn)碼加到信息碼上形成傳輸碼元傳送出去。接收方用收到的帶校驗(yàn)和的信息碼，與約定好的生成式相除，余數(shù)為零正校驗(yàn)正確。數(shù)據(jù)=1101011011G(x)(生成多項(xiàng)式)=10011循環(huán)冗余碼(CRC)例子：傳輸碼元=數(shù)據(jù)（移位后）+余數(shù)

110101101111102.8.1差錯(cuò)檢測(cè)碼已知：信息碼:110011信息多項(xiàng)式:K(X)=X5+X4+X+1

生成多項(xiàng)式:G(X)=X4+X3+1求：循環(huán)冗余碼和碼字。解（1）生成碼:11001冗余位4位（2）(X5+X4+X+1)*X4的積是X9+X8+X5+X4

對(duì)應(yīng)的碼是1100110000。

按模二算法除以生成式

100001←Q(X)

G(x)→11001)1100110000←F(X)*Xr

11001，

10000

11001

1001←R(X)(冗余碼)則傳輸碼元=1100111001例2.已知：接收碼字:1100111001多項(xiàng)式:T(X)=X9+X8+X5+X4+X3+1生成碼:11001生成多項(xiàng)式:G(X)=X4+X3+1求：碼字的正確性。若正確，則指出冗余碼和信息碼。解：1)用字碼除以生成碼

100001←Q(X)

G(x)→11001)1100111001←F(X)*Xr＋R(x)

11001，

11001

11001

0←S(X)(余數(shù))余數(shù)為0，所以碼字正確。2)因r=4，所以冗余碼是：11001，信息碼是:110011三、海明碼原理：加入足夠冗余位，將冗余位分別放置在2的冪的位置上，每個(gè)冗余位都是一組比特的奇偶校驗(yàn)位。具體步驟：例：7位數(shù)1、加入冗余位滿足2r>=m+r+1r=42、將r放在r的冪的位置上，即1、2、4、8、位上3、r1是所有d0為1的位的偶校驗(yàn)，r2是所有d1位的偶校驗(yàn)，依次類推即可得出校驗(yàn)碼。2.8.1差錯(cuò)檢測(cè)碼例如：發(fā)送信息：1011，采用偶校驗(yàn)，求海明碼（1）增加冗余位r滿足2r>=m+r+1

r=3（2）加入冗余位后信息碼為101r31r2r1（3）求r1，r2，r3r1=位置碼第1位為1的各信息位的校驗(yàn)和（偶校驗(yàn)）r2=位置碼第1位為1的各信息位的校驗(yàn)和r3=位置碼第1位為1的各信息位的校驗(yàn)和信息碼為101r31r2r1r1=d1+d3+d5+d7的偶校驗(yàn)位r1=1+1+1同理r2=d2+d3+d6+d7偶校驗(yàn)位r2=1+0+1=0r3=則信息碼為校驗(yàn)方同樣將收到的信息位進(jìn)行求出r3r2r1的值，若為零，則正確。否則r3r2r1的值則為出錯(cuò)位的編碼。d1001d2010d3011d4100d5101d6110d7111位置碼網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制通常采用重發(fā)機(jī)制，常用協(xié)議有：停等協(xié)議連續(xù)ARQ協(xié)議滑動(dòng)窗口協(xié)議2.9.2差錯(cuò)檢驗(yàn)和控制一、停止等待協(xié)議的工作原理：

2.9.2網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制二、連續(xù)ARQ協(xié)議工作原理：連續(xù)ARQ協(xié)議，即采用連續(xù)自動(dòng)請(qǐng)求重傳方案。發(fā)送方可以連續(xù)發(fā)送一系列信息幀，即不用等待前一幀被確認(rèn)便可發(fā)送下一幀。這就需要在發(fā)送方設(shè)置一個(gè)較大的緩沖存儲(chǔ)空間，用以存放若