計算機網(wǎng)絡原理及應用第2章 數(shù)據(jù)通信基

第2章

數(shù)據(jù)通信基礎

2.1通信的相關概念

2.1.1通信系統(tǒng)模型1.通信的基本術語

通信是通過某種媒體進行的信息傳遞。信息是指數(shù)據(jù)中包含的有意義的內(nèi)容。它是通過數(shù)據(jù)來表示的，數(shù)據(jù)是信息的載體。數(shù)據(jù)分為離散型數(shù)據(jù)和連續(xù)型數(shù)據(jù)。信號是指隨時間變化的物理量。2.通信系統(tǒng)模型

3.通信系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由以下幾部分組成。（1)信源信源是發(fā)出信息的源，其作用是把各種可能數(shù)據(jù)轉換成原始電信號。信源可分為模擬信源和數(shù)字信源。（2)變換器（3）信道信道是指傳輸信號的通道，可以是有線的，也可以是無線的，有線和無線均有多種傳輸媒質。（4）反變換器反變換器的基本功能是完成變換器的反變換，即進行解調、譯碼、解碼等。（5）信宿信宿是傳輸信息的歸宿，（6）噪聲源2.1.2數(shù)據(jù)通信過程

整個通信過程分為以下5個階段:（1）通信線路的建立（2）數(shù)據(jù)傳輸鏈路建立（3）數(shù)據(jù)及控制信息的傳輸（4）數(shù)據(jù)傳輸鏈路的拆除（5）通信線路的拆除2.1.3通信系統(tǒng)技術指標

用傳輸速率、信道容量、帶寬以及可靠性等指標對數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行定量分析。1.傳輸速率傳輸速率是指單位時間內(nèi)傳輸信息的數(shù)量。它是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸能力的重要指標，可分別用數(shù)據(jù)信號速率和調制速率兩種方法來表示。（1）數(shù)據(jù)信號速率指單位時間內(nèi)所傳送的二進制代碼的有效位數(shù)，單位為：位/秒，記作b/s。計算公式為：S=(1/T)log2N(b/s)（2）信號傳輸速率（調制速率）信號調制過程中，單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)，單位為：Baud。用于表示調制器之間信號傳輸?shù)乃俾省?.帶寬帶寬是描述傳輸系統(tǒng)的一個重要的參數(shù)。信號是由特定的電磁波來傳輸?shù)?，而電磁波都有一定的頻率范圍，信號的帶寬是指信號的頻帶寬度，在實際應用中指信號能量比較集中的那個頻率范圍。對模擬信道帶寬的單位是：赫茲（Hz），對數(shù)字信道帶寬的單位為：比特/秒（bps）。3.離散的信道容量4.數(shù)據(jù)的最大傳輸速率5.帶寬、數(shù)據(jù)傳輸速率和信道容量的關系6.誤碼率7.傳輸延遲傳輸延遲=發(fā)送和接收處理時間+電信號響應時間+中間轉發(fā)時間+通信傳輸延遲

2.2通信的基本方式

2.2.1并行通信與串行通信并行通信用于計算機內(nèi)部各部件之間或近距離設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，而串行通信常有用于計算機與計算機或計算機與終端設備之間遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。計算機與外部設備之間的并行通信通過計算機的并行接口（LPT）進行；串行通信則是通過串行接口（COM）進行。

1.并行通信所謂并行傳輸，是指至少有8個數(shù)據(jù)位同時在兩臺設備之間傳輸,發(fā)送端與接收端有8條數(shù)據(jù)線相連，發(fā)送端同時發(fā)送8個數(shù)據(jù)位（其中1位可以用作校檢位），接收端同時接收8條數(shù)據(jù)位。計算機內(nèi)部通過總線進行的通信就屬于并行通信。2.串行通信所謂串行通信方式，是指發(fā)送端一次只發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)位。因此，所需數(shù)據(jù)線的數(shù)目大大減少，各數(shù)據(jù)位依次通過通信線路傳輸，如圖2-3所示。由于在計算機內(nèi)部總線上傳輸?shù)氖遣⑿袛?shù)據(jù)，要與外部設備進行串行通信，因此，在發(fā)送端需把并行數(shù)據(jù)轉換成串行數(shù)據(jù)，在接收端則需將串行數(shù)據(jù)再轉換為并行數(shù)據(jù)。

2.2.2單工、半雙工和全雙工通信通信線路由一個或多個信道組成，根據(jù)信道在某一時間信息傳輸?shù)姆较颍ㄐ庞挚梢苑譃閱喂?、半雙工和全雙工3種通信方式。

1.單工通信

2.半雙工通信3.全雙工通信

圖2-5半雙工通信圖2-6全雙工通信

2.2.3點到點式與廣播式通信1.廣播式通信2.點到點式通信

2.2.4基帶通信與寬帶通信1.基帶通信2.寬帶通信

2.3通信中的編碼技術

2.3.1編碼概念與類型在計算機網(wǎng)絡中，由于傳輸?shù)男枰?，?shù)據(jù)信號必須進行調制或編碼，使得與傳輸介質和協(xié)議相適應。根據(jù)信源和信道的不同，數(shù)據(jù)的調制和編碼有以下4種情況：（l）數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼

（2）數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼（3）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼（4）模擬數(shù)據(jù)的模擬信號編碼2.3.2模擬數(shù)據(jù)的編碼1.取樣取樣是指在每隔固定長度的時間點上采取抽取模擬數(shù)據(jù)的瞬時值，作為從這一次取樣到下一次取樣之間該模擬數(shù)據(jù)的代表值。2.量化量化就是把取樣得到的不同的離散幅值，按照一定的量化級轉換為對應的數(shù)據(jù)值，并取整數(shù)，得到離散信號的具體數(shù)值。3.編碼編碼是將量化后的離散值轉換為一定數(shù)位的二進制數(shù)。圖2-7

脈沖編碼調制(PCM)原理模擬信號數(shù)字化的三個步驟：

(1)采樣：以采樣頻率Fs把模擬信號的值采出；

(2)量化：使連續(xù)模擬信號變?yōu)闀r間軸上的離散值；

(3)編碼：將離散值轉換成一定位數(shù)的二進制數(shù)碼。2.3.3數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼1.數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼

數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼指用物理信號（如：電信號）的波形來表示數(shù)字數(shù)據(jù)。通?？梢杂貌煌问降碾娦盘柌ㄐ蝸肀硎緮?shù)字數(shù)據(jù)。數(shù)字信號是離散的、不連續(xù)的電壓或電流的脈沖序圖2-8不歸零碼圖2-9曼徹斯特碼及差分曼徹斯特碼(3）差分曼徹斯特碼

以上3種編碼各有優(yōu)缺點，選擇時應注意：第一，脈沖寬度越大，發(fā)送信號的能量就越大，這對于提高接收端的信噪比有利；第二，脈沖時間寬度與傳輸頻帶寬度成反比關系，因2.數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬編碼

使用模擬通信系統(tǒng)傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)時，需要借助于調制解調裝置，把數(shù)字信號（基帶脈沖）調制成模擬信號，使其變?yōu)檫m合于模擬通信線路傳輸?shù)男盘枴＝?jīng)過調制的信號稱為已調信號，已調信號通過線路傳輸?shù)浇邮斩?，在接收端?jīng)過解調恢復為原始基帶脈沖信號。圖2-10幅度鍵控圖2-11頻移鍵控圖2-12絕對相移鍵控圖2-13相對相移鍵控2.4多路復用與同步技術

2.4.1同步技術

1.同步傳輸方式2.異步傳輸方式圖2-14同步方式的同步結構異步方式由于附加了起始位和停止位，增加了傳輸開銷，所以，傳輸效率有所下降。但如果出現(xiàn)錯誤，只需重發(fā)一個字符即可。這種方式控制簡單，實現(xiàn)容易，適合于低速率場合?；驹硎窃试S兩個或多個數(shù)據(jù)源共享同一個傳輸介質，就像每個數(shù)據(jù)源都有自己的信道一樣，在發(fā)送端將若干個彼此無關的信號合并為一個能在一個共用信道上傳輸?shù)膹秃闲盘?，在信號的接收端將復合信號分離出原來的若干個彼此無關的信號（如圖2-16所示）。不論一個多路復用系統(tǒng)中輸入或輸出端的數(shù)量多少，都只需要一條傳輸線路。圖2-16多路復用原理配置多路復用線路有多種不同方法，多路復用器的類型也各異。常用的多路復用技術有頻分多路復用（FDM）、時分多路復用（TDM）、統(tǒng)計時分多路復用（STDM）和波分多路復用（WDM）等。圖2-17頻分多路復用頻分多路復用技術適用于模擬信號。例如，將FDM用在電話系統(tǒng)中，傳輸?shù)拿恳宦氛Z音信號的頻譜一般在300Hz～3000Hz，僅占用一根傳輸線的可用總帶寬的一部分，通常雙絞電纜的可用帶寬是100kHz，1.頻分多路復用

2.時分多路復用3.波分多路復用

波分多路復用（簡稱WDM）的原理同頻分多路復用相似，主要用于光纖通信。它是利用不同波長的光在一條光纖上同時傳輸多路信號。

圖2-18時分多路復用圖2-19波分多路復用在波分多路復用系統(tǒng)中，從光纖1進入的光波將傳送到光纖3，從光纖2進入的光波將傳送到光纖4。由于這種波分復用系統(tǒng)是固定的，因此，從光纖1進入的光波就不能傳送到光纖4。目前，常用的有以下3種數(shù)據(jù)交換技術。（1）電路交換（CircuitSwitching）；

（2）存儲-轉發(fā)交換（Store-and-ForwardSwitching）；

（3）快速分組交換（FastPacketSwitching）。

2.5數(shù)據(jù)交換技術

2.5.1電路交換電路交換是一種直接交換方式，它源于電話交換網(wǎng)，由交換機負責在兩個通信站點之間建立一條物理專用線路。

2.5.2存儲-轉發(fā)交換存儲-轉發(fā)交換是源于傳統(tǒng)的電報傳輸方式發(fā)展而來的一種數(shù)據(jù)交換技術，它不像電路交換那樣需要通過呼叫建立起物理的傳輸通路，而是以接力方式，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡的節(jié)點之間逐段傳送，直到系統(tǒng)目的端。

圖2-21存儲-轉發(fā)交換原理1.報文交換2.分組交換

報文分組交換簡稱“分組交換”或包交換。最早在APRANET上運用。這種方式是把報文分成若干個長度較短的分組（Packet），也稱“包”，以分組為單位進行暫存、處理和轉發(fā)。每個分組按格式須附加收發(fā)地址標志、分組編號、分組的起始、結束標志和差錯校驗信息等，以供存儲轉發(fā)之用。

2.5.3快速分組交換快速分組交換（（FastPacketSwitching，簡稱FPS）是一種協(xié)議簡化、只有核心網(wǎng)絡功能的交換技術，它提供高速、高吞吐量、低時延的服務。FPS往往是指ATM交換，但廣義的FPS包括幀中繼（FR）與信元中繼（CR）。幀中繼采用可變長度幀，適用于LAN互聯(lián)。1.幀中繼FR交換2.ATM信元交換所謂ATM（AsynchronousTransferModeSwitching）是異步傳輸模式的簡稱，它是CCITT為B-ISDN制定的信息傳送標準。ATM采用異步時分復用數(shù)據(jù)傳輸技術，這種交換方式綜合了分組交換和線路交換的優(yōu)點，使網(wǎng)絡的處理工作十分簡單。與同步時分交換TDM（如數(shù)字程控交換）所不同的是，ATM用戶信息與時隙的位置在不同的幀中，不是固定不變的，這就是“異步”的含義。

圖2-22ATM遠程網(wǎng)絡2.6差錯控制技術

2.6.1差錯產(chǎn)生的原因與類型在數(shù)據(jù)通信過程中，由于干擾和設備故障的影響，難免存在傳送的符號發(fā)生失真的情況。電信號在傳輸信道上由發(fā)送端傳送到接收端的過程中,其所經(jīng)過的信道為數(shù)據(jù)信號提供通路的同時，也會引入噪聲和干擾，使數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)差錯。2.6.2差錯控制的方法

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信源設備輸出的數(shù)據(jù)信號是一串由二進制數(shù)字序列構成的比特流，當它通過信道傳輸時，干擾信號有可能使某個或某些比特的值發(fā)生變化，使接收時可能發(fā)生兩種錯誤：將原來的“l(fā)”變成了“0”或使“0”變成了“l(fā)”，因而形成傳輸差錯。任何一種可靠的通信系統(tǒng)都必須要有能力檢出和糾正這些差錯，實現(xiàn)這種能力的前提條件就是對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行差錯控制編碼。

圖2-23差錯控制的工作方式2.6.3差錯控制編碼-----檢錯碼與糾錯碼

差錯控制編碼的目的是為了使數(shù)據(jù)在傳輸之后能檢測（糾正）已出現(xiàn)的差錯。只具有檢錯能力的編碼稱為檢錯碼；既能檢錯又具有自動糾錯能力的編碼則稱為糾錯碼。在數(shù)據(jù)通信和計算機通信的有關標準中建議采用的幾種編碼有：奇偶校驗碼、海明碼、循環(huán)冗余校驗碼等。其中，奇偶校驗碼和循環(huán)冗余校驗碼是單純的檢錯碼。1.奇偶校驗碼

奇偶校驗是一種最基本的校驗方法。它是簡單地通過附加一個檢驗位來使得碼字中“1”的個數(shù)保持為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法，它是一種能力很有限的檢驗碼。圖2-24奇偶校驗碼2.循環(huán)冗余碼

循環(huán)冗余校驗碼CRC（CyclicRedundancyCode）又稱多項式碼。循環(huán)冗余檢驗的基本原理為：任何一個由二進制數(shù)位組成的代碼都可以和一個只含有0和1兩個系數(shù)的多項式建立一一對應的關系。例如：信息位為1011001，則對應的多項式為x6+x4+x3+1，而多項式x5+