計算機網(wǎng)絡第三講數(shù)據(jù)通信基礎

第三講數(shù)據(jù)通信基礎

課程回顧

提問

?1.從邏輯功能上可以將計算機網(wǎng)絡分成哪幾個部

分？

?2.計算機網(wǎng)絡有哪些主要的拓撲結構？

新課講解

本次課介紹如下知識

?數(shù)據(jù)通信的基本概念

?數(shù)據(jù)傳輸方式

?數(shù)據(jù)編碼技術和時鐘同步

?數(shù)據(jù)交換技術

?多路復用技術

?差錯控制方法

>PSDN

通信系統(tǒng)的模型>ATM

>ISDN

>DDN

>802.3

LAN

>802.4

>802.5

>FDDI

數(shù)據(jù)通信的基本概念

?數(shù)據(jù)(Data)：對某一客觀現(xiàn)象的物理度量，即信息的表

達方式，如數(shù)字、文字、聲音、圖形、圖像等。

?信息(Information)則是從一批數(shù)據(jù)中分析、統(tǒng)計得出的

有用數(shù)據(jù)，即有用的知識或信息。

?信號(Signal)：與某一實際數(shù)據(jù)對應的、以電磁波形式表

示的連續(xù)或者離散數(shù)據(jù)。即數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電

磁波表示形式。

?信源：通信過程中產(chǎn)生和發(fā)送信息的設備或計算機。

?信宿：通信過程中接收和處理信息的設備或計算機。

一、數(shù)據(jù)通信的基本概念

?信道(Channel)：信源和信宿之間的通信線路。

傳送信息的線路(或通路)，由通訊線路、交換

設備、中間處理設備等組成。

?物理信道分為有線信道和無線信道。

?數(shù)據(jù)通信：發(fā)送方將要發(fā)送的數(shù)據(jù)轉換成信號，

通過物理信道傳送到數(shù)據(jù)接受方的過程。

一、數(shù)據(jù)通信的基本概念

?編碼器：數(shù)據(jù)一適合傳輸?shù)男盘枴阌谧R

M糾錯

?調制器：信號一適合傳輸?shù)男问健搭l率、

幅度、相位

?解碼器：傳輸信號一原始數(shù)據(jù)

?解調器：接收波形一數(shù)字信號序列

數(shù)據(jù)通信的基本概念

?模擬數(shù)據(jù)通信和數(shù)字數(shù)據(jù)通信一一兩種不同類型的量

?模擬信號：時間、溫度、電波、聲音

＞信號中沒有斷開或不連續(xù)的的地方；

?數(shù)字信號：字符，二進制數(shù)，電脈沖

＞信號僅取一些有限數(shù)目的值；

?、數(shù)據(jù)通信的基本概念

?模擬與數(shù)字的特點

模擬：數(shù)字：

波動性；離散性；

持續(xù)變化；躍變性；

反映事物的本質；設備性能先進,

在電信業(yè)已經(jīng)被廣泛較為便宜；

(a)模擬信號(b)數(shù)字信號

'、數(shù)據(jù)通信的基本概念

?數(shù)據(jù)通信

模擬數(shù)據(jù)模擬信號

電話

(a)模擬數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸

數(shù)字數(shù)據(jù)模擬信號

Y-------------調--------制-------/-解調器V

Cb)數(shù)字數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸

模擬數(shù)據(jù)一―—數(shù)字信號

------------A編碼角率碼器一?

CC)模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸

數(shù)據(jù)通信的基本概念

?數(shù)據(jù)通信中的主要技術指標

?碼元(CodeCell)：時間軸上的一個信號編碼單

元，即一個二進制“位”一一比特(Bit)o

?比特率(BitRate)：數(shù)據(jù)傳輸速率(bps,b/s)o

單位時間傳送的比特數(shù)，用于描述數(shù)字信道的傳

輸能力，即發(fā)送、接收雙方及中間交換的處理能

另。

數(shù)據(jù)通信的基本概念

?數(shù)據(jù)通信中的主要技術指標

?數(shù)據(jù)傳輸率的計算公式：

S=(Log2N)/T(1-1)

/式中：S——數(shù)據(jù)傳輸率，每秒比特(b/s)

/T——信號周期，即測量取樣時間間隔，單位

秒(S)O

/N——量化電平數(shù)，測量值劃分成N個級別，

一般N=2,4,8,16,log2AA是比特數(shù)

(b)。

數(shù)據(jù)通信的基本概念

?例1—1脈碼調制系統(tǒng)PCM(PlusCode

Modulation)每秒鐘測量取樣8000次，256個

量化電平，求數(shù)據(jù)傳輸率。

?解：信號周期T=1/8000,

量化電平數(shù)N=256=28

由公式可知

S=8X8000=6400(b/s)=64Kb/s

一、數(shù)據(jù)通信的基本概念

?數(shù)據(jù)通信中的主要技術指標

?帶寬(Bandwidth)：信號或信道占據(jù)的頻率范圍

?誤碼率(Biterrorrate)：信道傳輸可靠性指標。傳輸時

出錯比特數(shù)與總傳送比特數(shù)之比。用公式表示為：

Ph=Be/B

P：比特出錯率，一般用百分數(shù)％表示。

?bJ

?B,：傳輸出錯比特數(shù)。

?B：總傳送比特數(shù)。

一、數(shù)據(jù)通信的基本概念

?信道容量(Channelcapadty)：信道的最大數(shù)據(jù)率

香農公式:最大數(shù)據(jù)傳輸速率C=Blog2(1+S/N)(bps)

C：信道容量，即信道最大傳輸率(b/s)o

B：信道頻帶(Hz)o

S：信道中信號功率。

N：信道中電磁噪聲功率。

信道中信噪比用分貝dB數(shù)表示，分貝定義式：

dB=\G\gS/N

數(shù)據(jù)通信的基本概念

例1—2已知信噪比為30dB,帶寬為4kHz,求信

道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

解由公式可知

V10lg(S/N)=30

JS/N=1030/10=1000

???C=4000log2(1+1000>40kbps

■、數(shù)據(jù)通信的基本概念

?通信方式

?數(shù)據(jù)通信中，按數(shù)據(jù)通道數(shù)目及數(shù)據(jù)流方向分

為并行通信、串行通信，單向、雙向通信等。

并行數(shù)據(jù)傳輸

?并行通信傳輸中有多個數(shù)據(jù)位，同

時在兩個設備之間傳輸。發(fā)送設備

將這些數(shù)據(jù)位通過對應的數(shù)據(jù)線傳

送給接收設備，還可附加一位數(shù)據(jù)

校驗位。接收設備可同時接收到這

些數(shù)據(jù)，不需要做任何變換就可直

接使用O

?并行方工主要用于近距離通信。計

算機內的總線結構就是并行通信的

例子。

?優(yōu)點是傳輸速度快，處理簡單。

串行傳輸數(shù)據(jù)

?串行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)是一位一位地在通

信線上傳輸?shù)?，先由具有幾位總線的計算

機內的發(fā)送設備，將幾位并行數(shù)據(jù)經(jīng)并一

串轉換硬件轉換成串行方式，再逐位經(jīng)傳

輸線到達接收站的設備中，并在接收端將

數(shù)據(jù)從串行方式重新轉換成并行方式，以

供接收方使用。

?串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫炔⑿袀鬏斅枚?

但對于覆蓋面極其廣闊的公用電話系統(tǒng)來

說具有更大的現(xiàn)實意義。

單工、半雙工、全雙工

?串行通信的方向性結構有三種，即單工、半雙工和全

雙工。

＞單工數(shù)據(jù)傳輸只支持數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸；

＞半雙工數(shù)據(jù)傳輸允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，但是，

在某一時刻，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，它實際

上是一種切換方向的單工通信；

＞全雙工數(shù)據(jù)通信允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，因

止匕全雙工通信是兩個單工通信方式的結合，它要求

發(fā)送設備和接收設備都有獨立的接收和發(fā)送能力。

單工、半雙工、全雙工

<c）個叔1

數(shù)字信號同步方式

?同步方法：模擬或是數(shù)字信號通信的基本要求是接收

端應知道發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的開始時間和結束時間。目

前的兩種同步方式有：異步傳輸方式和同步傳輸方式。

■同步傳輸方式是以固定的時鐘頻率來發(fā)送串行信號的。

同步傳輸方式有被稱為比特同步傳輸方式。

＞實現(xiàn)同步傳輸方式的同步時鐘有兩種方法：

,一種是外部同步法，該方法是在傳輸線路中加一條時

鐘信號線，以連接到接收設備的時鐘上。

,另一種是自同步法，該方法是讓接收端的調制解調器

從接收數(shù)據(jù)信息中直接提取同步信號，并以此獲得同

步的時鐘頻率。自同步法通常用于遠距離的傳輸。

數(shù)字信號同步方式

＞同步傳輸方式避免了異步傳輸方式中每個字符都需要

附加信息的缺點，因此效率較高。但實現(xiàn)起來有點復

雜，所以通常用于需要高速傳輸?shù)木W(wǎng)絡。

■異步傳輸方式又稱為起止同步傳輸方式。這是最早使

用和最簡單的一種同步方式。

＞這種方式是以字符為單位進行同步的。在通信過程中,

發(fā)送端會給一個字符加上開始和結尾信息，即在字符

前設置“起”信號和在結尾處設置“止”信號。

＞異步傳輸方式的優(yōu)點是每一個字符本身就包括了字符

的同步信息，不需要在線路兩段專門設置同步設備。

其缺點是每發(fā)一個信息就要添加起止信號，造成了附

加數(shù)據(jù)開銷。異步傳輸方式目前仍被廣泛使用。

同步通信與異步通信

SYNSYN.....................

XZ

一個或多個控制字符數(shù)據(jù)字符控制字符

SYN字符

:、數(shù)據(jù)傳輸方式

?數(shù)據(jù)傳輸時，對線路頻帶資源的使用方式有兩種：基帶傳輸與寬帶傳輸。

?基帶傳輸

/在數(shù)據(jù)通信中，表示計算機二進制的比特序列的數(shù)字數(shù)據(jù)信號是典型的

矩形脈沖信號,

/矩治脈沖若號的固有頻帶稱做基本頻帶,簡稱為基帶,矩形脈沖信號就叫

做基帶信號；

/在數(shù)字通信信道上，直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸；

/在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過編碼器變換變?yōu)橹苯觽鬏數(shù)幕鶐盘枺?/p>

例如：曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼信號；

/在接收端由解碼器恢復成與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號；

/基帶傳輸是一種最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。

/基帶傳輸時要注意保持收發(fā)雙方同步。

?寬（頻）帶傳輸，利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法，對多路信號采用

不同的載波頻率進行調制，每一路信號占用一定寬度的頻帶資源，在同

一條通信線路上可同時傳送多路信號，這樣在遠距離通信時有利于節(jié)約

線路資源。調制解調器（modem）是頻帶傳輸中最典型的通信設備。

數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法

?不歸零NRZ(None-returntoZero)編碼：亦稱全編

碼，即在數(shù)字信號“0”或“"持續(xù)時間，信號電平不

變，與代碼寬度相同。如圖a所示。

?二進制數(shù)字0、1分別用兩種電平來表示。

常用一5V表示1,+5丫表示0。

?缺點：存在直流分量，傳輸中不能使用變壓器；不具

備自同步機制，必須使用外同步。

■歸零RZ(ReturnZero)編碼亦稱窄脈沖，數(shù)字信號脈

沖寬度小于“0”、“甘持續(xù)時間，即小于代碼寬度，

每一窄脈沖在數(shù)字代碼未變之前就以歸零。如圖b所示。

圖1?11歸零碼、不歸零碼及取樣脈沖

數(shù)

功

圖L

脈

字

信(C

取

11樣

號

道

沖

字

數(shù)

信

，

是

上

傳

的

輸

就

代

表

“1

、

沖

“

脈

F的,

，

道

實

在

上

際

信

數(shù)

為

字

減

了

少

流

信

分

的

號

直

采

量

用

積b)

累

，

雙

的

極

交

替

是

性

使

正

沖

脈

，

負

數(shù)

在

沖

個

脈

總

相

致

上

大

體

同

量

分

直(c

流

，

趨

于

零

。

數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法

?曼徹斯特編碼(Manchestercode)

＞用電壓的變化表示。和1。

＞規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變：

＞高一低的跳變——0,低一高的跳變——1

??,每個碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出

來作為同步信號，使接收端的時鐘與發(fā)送設備的時鐘保

殍一致。

，曼徹斯特編碼也稱為自同步碼(Self-Synchronizing

Code)。它具有自同步配制，無需外向步信號。

＞缺點：需要雙倍的傳輸帶寬(即信號速率是數(shù)據(jù)速率的

2倍)。

?差分曼徹斯特編碼(DifferentialManchester

code)

＞與曼徹斯特編碼相同，在每個碼元的中間，信

號都會發(fā)生跳變；不同之處在于：

用在碼元開始處有無跳變來表示。和1。

/碼元開始處有跳變——0

/碼元開始處無跳變——1

圖1?12曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼

(a)

(b)

曼徹斯特編碼

(c)

差分

曼徹斯特編碼

二數(shù)據(jù)編碼技術和時鐘同步

?數(shù)字信號模擬傳輸一一調制與解調

＞由于高頻信號抗干擾能力強，易于遠距離、高效率傳輸，因

此在信號傳輸時，常將低頻信號搭載在高頻信號上傳輸，到

達目的地后再將原始信號從高頻信號上取出來；起搭載作用

的高頻信號稱為載波，猶如運輸貨物的車輛，原始信號猶如

貨物；

＞將原始信號搭載在高頻載波上的過程稱為調制-相當于貨物裝

車；

＞在接收端將原始信號從高頻信號上取出來的過程稱為解調制、

簡稱解調-相當于貨物運到后卸貨。

＞而用低頻信號控制高頻信號參數(shù)--調制后的波形稱為調制波。

三、模擬數(shù)據(jù)編碼方法

?數(shù)字信號模擬傳輸一一調制與解調

＞為了利用廉價的公共電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的遠程通信,

必須將發(fā)送端的數(shù)字信號變換成能夠在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)?/p>

音頻信號，經(jīng)傳輸后再在接收端將音頻信號逆變換成對應的

數(shù)字信號。實現(xiàn)數(shù)字信號與模擬信號互換的設備稱作調制解

調器(Modem)。下圖為遠程系統(tǒng)中的調制解調器

游隅榭賭號覆卦得

JITLr\J\T\JUL

TSAI-Modem/珊旭微'Modem一工作邨

公共電話交換網(wǎng)中使用調制解調器的必

要性

?公共電話交換網(wǎng)是一種頻帶模擬信道，音頻信號

頻帶為300Hz?3400Hz,而數(shù)字信號頻寬為0Hz?

幾千兆Hz。若不加任何措施利用模擬信道來傳輸

數(shù)字信號，必定出現(xiàn)極大的失真和差錯。所以，

要在公共電話網(wǎng)上傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)，必須將數(shù)字信

號變換成電話網(wǎng)所允許的音頻頻帶范圍300Hz?

3400Hzo

模擬數(shù)據(jù)編碼方法_____________

?三種常用的調制技術：

>幅移鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying),調幅

a頻移鍵控FSK(FrequencyShiftKeying),調頻

>相移鍵控PSK(PhaseShiftKeying)，調相

基本原理：用數(shù)字信號對載波的不同參量進行

調制。

?載波丫⑴=Acos(wt+(p)

?丫⑴的參量包括：幅度A、頻率3、相位(P

?調制就是要使這三個參量隨數(shù)字基帶信號的變

業(yè)而變化

三種調制方式波形圖

?信號傳輸速率--單位時間內通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)，單

位為波特，記作Baud。

計算公式：B=1/T(Baud)(1-4)式中T為

信號碼元的寬度，即信號周期，單位為秒。

信號傳輸速率，也稱碼元速率、調制速率或波特率。

由(1-1)、(1-4)式得：

S=B*log2N(bps)(2—5)

模擬信號數(shù)字傳輸一一采樣、量化、編碼

?模擬信號轉換成數(shù)字信號需經(jīng)過采樣、量化、編

碼

?采樣：每隔一定時間間隔取一個測量值。

?量化：對每個樣本舍入到量化級別上。即將采樣

最大值分為N個等級，所有采樣值按這N個等級

量化處理，N取2的指數(shù)，PCM系統(tǒng)中，N=256

?編碼：將量化后的每一個采樣值,編寫成為M位

二進制比特，M=log2N

圖1?15采樣、量化、編碼過程示意圖

?如圖所示，采樣頻率為10、量化等級為8,得到

30比特編碼。

110010000001010001010100011100演碼

110010000001010001010100011100

編碼"in—三nrilnnnrrm::

四、數(shù)據(jù)交換技術____________

為降低通信線路造價，大型網(wǎng)絡主要采用部分連接的拓

撲結構。

兩個端節(jié)點之間的通信連接一般都要通過中間節(jié)點的轉

接，中間節(jié)點要在它所連接幾條線路中選擇一條進行接

續(xù)。

就像電話交換機為通話雙方接續(xù)線路一樣,這個過程被

稱為交換。

實現(xiàn)交換的方法主要有：電路交換、報文交換、

分組交換。

交換網(wǎng)絡的拓撲結構

。=通信網(wǎng)絡結點

I1=網(wǎng)絡站

電路交換

?交換設備在通信雙方找出一條實際的物理線路的過程。（最早的電路

交換連接是由電話接線員通過插塞建立的,現(xiàn)在則由計算機化的程控

交換機實現(xiàn)。）

特點：數(shù)據(jù)傳輸前需要建立一條端到端的通路。

呼叫--建立連接一傳輸一掛斷

優(yōu)缺點：

建立連接的時間長；

一旦建立連接就獨占線路，線路利用率低;

無糾錯機制；

建立連接后，傳輸延遲小。

電路交換的工作模式

報文交換

報文：發(fā)送的整塊數(shù)據(jù)。

報文交換:整個報文作為一個整體一起發(fā)送。報文

交換類似于發(fā)送信件。

在交換過程中，交換設備將接收到的報文先存儲，

待信道空閑時再轉發(fā)出去，一級一級中轉，直到目的

地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術稱為存儲■轉發(fā)。

缺點：

工著艮文大小不一，造成緩沖區(qū)管理復雜。

2）大報文造成存儲轉發(fā)的延時過長；

3）出錯后整個報文全部重發(fā)。

存儲轉發(fā)技術

采

ftft

用

本地郵政海淀郵政

存支局支局

市總局按地

儲

址往省市郵

ft

轉政局投寄郵

沈陽市郵政局7

件、發(fā)往天

本地郵政省市郵政

發(fā)津的郵件投支局收到

支局局收到各

到天津市市郵政局

的地局來的

來的郵件

北京市郵政總局郵件按地

郵按地址交

址發(fā)往各

給用戶一

支局

政支局把發(fā)天津市郵政局

往外地郵

通件投到市

河西區(qū)郵政

總局

信支局

用戶

工投寄

長沙市郵政局

郵件東城郵政

作支局

模本地郵政

支局

式

本地郵政

支局

分組交換（包交換）

?分組（包）：報文劃分成更小的等長數(shù)據(jù)段，加上控制信息組成的首

部報頭（源地址、目的地址）。

?分組交換:將報文劃分為若干個大小相等的分組（Packet）進行存儲轉

發(fā)。

?優(yōu)點：

1）港儲量要求較小，可以用內存來緩沖分組一速度快;

2）轉發(fā)延時小——適用于交互式通信；

3）某個分組出錯僅重發(fā)該分組一效率高；

4）各分組可通過不同路徑傳輸，可靠性高。

?特點：

工）’藪據(jù)傳輸前不需要建立一條端到端的通路。

2）有強大的糾錯機制、流量控制和路由選擇功能。

數(shù)據(jù)報分組交換

數(shù)據(jù)報方式是通信子網(wǎng)將進入子網(wǎng)的分組當作“小報文”處

，節(jié)點主機（T

通信子網(wǎng)

虛電路分組交換

在發(fā)送任何分組前，先建立一條端到端的邏輯連接,各結點不需為每個分組作路

徑判定，但分組在每個結點上仍需緩沖、排隊。

IBM兼容機

"節(jié)點主機C

通信子網(wǎng)

數(shù)據(jù)報分組交換與虛電路分組交換

?數(shù)據(jù)報：無連接的服務；虛電路：面向連接的服務

?數(shù)據(jù)報一每個分組作為一個獨立的信息單位傳送

?特征：不需要連接，也無需確認

?完整的網(wǎng)絡地址（源和目的）一信道利用率低

?不保證按序到達；每個分組均需進行路由選擇

?虛電路一傳輸前先建立一條邏輯連接，傳輸結束后拆除

?特征：需要建立連接

?僅在建立連接時需要全網(wǎng)地址，傳輸時用虛電路號

?按序到達；僅在建立連接時需要路由選擇

?兩類虛電路：

?永久虛電路一租用后便永久建立，退租后拆除。

?交換虛電路一需要通信時建立，通信結束便拆除。

三種交換方式的事件順序

呼叫請求信號

（C）

交換技術特性比較

電路交換數(shù)據(jù)報分組交換虛電路分組交換

專用的傳輸通路不是專用的不是專用的‘

r

連續(xù)傳送數(shù)據(jù)傳送分組傳送分組

不存儲報文傳遞前必需存儲分組傳遞前必須存儲分組1

為整個對話建立通路為每個分組建立路徑為整個對話建立路徑’

呼叫建立延遲分組傳輸延遲呼叫建立延遲，分組

傳輸延遲

忙信號表示被呼叫用若分組沒有傳遞出去，通知發(fā)送者連接沒有

戶處于忙狀態(tài)必須通知發(fā)送者被接受

交換技術特性比較

超載可能阻塞呼叫的超載增加分組的延遲超載會阻塞呼叫的建

建立，但已建立的立，并增加分組的

呼叫不發(fā)生延遲延遲

小的交換結點.

機電的或計算機的交小的交換結點

換結點

用戶負責報文丟失保單個分組由網(wǎng)絡負責網(wǎng)絡負責分組序列

護

速度和代碼轉換.

一般沒有速度和代碼速度和代碼轉換

轉換

固定的傳輸帶寬動態(tài)利用帶寬動態(tài)利用帶寬1

呼叫建立后沒有開銷每個分組中有開銷位每個分組中有開銷位

位

多路復用技術

多路復用技術:用一條高速線路傳送多條低速線路的數(shù)據(jù)。

為何要復用？線路成本

分類：

?頻分多路復用(FDM-FrequencyDivisionMultiplexing)

?時分多路復用(TDM-TimeDivisionMultiplexing)

頻分復用FrequencyDivision

Multiplexing

?原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每個用

戶占用一個頻率通道。頻率通道之間留有防護頻帶

時分復用TimeDivisionMultiplexing

?原理：把時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個通道（時

隙），每個用戶占用一個通道傳輸數(shù)據(jù)。

A1

A時間片

A2

心

A3

IA

原始信號數(shù)字化信號適用于數(shù)字信號傳輸

統(tǒng)計（異步）TDM——STDM

?TDM的缺點：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也

不能占用該通道，將會造成帶寬浪費。

?改進：統(tǒng)計時分多路復用（STDM）,用戶不固

定占用某個通道，有空槽就將數(shù)據(jù)放入。

帶寬浪費

同步TDM

孰g|恩||口2

同期1

可用帶寬