重慶郵電大學(xué)-現(xiàn)代通信技術(shù)課件-數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)通信緒論數(shù)據(jù)通信是現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)，它連接了世界各地的人們和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息共享和交互。數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，從最初的簡(jiǎn)單通信方式到如今的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)體系，為人類社會(huì)帶來(lái)了巨大的改變。本課程將深入探討數(shù)據(jù)通信的核心概念、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，幫助你掌握現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本原理。數(shù)據(jù)通信概述數(shù)據(jù)通信是指通過(guò)通信線路將數(shù)據(jù)從一個(gè)地點(diǎn)傳送到另一個(gè)地點(diǎn)的過(guò)程。它涵蓋了數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、處理和交換等方面，是現(xiàn)代社會(huì)信息化不可或缺的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等。它使得人們可以隨時(shí)隨地獲取信息，進(jìn)行遠(yuǎn)程交流和協(xié)作，提高工作效率和生活質(zhì)量。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成數(shù)據(jù)源例如：計(jì)算機(jī)、手機(jī)、傳感器發(fā)送器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合傳輸?shù)男盘?hào)傳輸介質(zhì)例如：雙絞線、光纖、無(wú)線電波接收器將接收到的信號(hào)還原為數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)分類按傳輸介質(zhì)分類有線通信系統(tǒng)：使用電纜或光纖等物理介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如雙絞線、同軸電纜、光纖等。按傳輸方式分類無(wú)線通信系統(tǒng)：利用無(wú)線電波、微波、紅外線等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)等。按網(wǎng)絡(luò)規(guī)模分類局域網(wǎng)（LAN）：覆蓋范圍較小的網(wǎng)絡(luò)，如學(xué)校、辦公室、家庭等。按網(wǎng)絡(luò)范圍分類廣域網(wǎng)（WAN）：覆蓋范圍較廣的網(wǎng)絡(luò)，如跨越多個(gè)城市、國(guó)家甚至全球的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，提供數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)連接和信息共享等服務(wù)。企業(yè)網(wǎng)絡(luò)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)利用數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部通信、數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)流程管理。移動(dòng)通信移動(dòng)通信技術(shù)依賴數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和多媒體服務(wù)。數(shù)據(jù)通信技術(shù)發(fā)展1早期的電報(bào)和電話數(shù)據(jù)通信的萌芽2計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的興起互聯(lián)網(wǎng)的誕生3移動(dòng)通信的普及無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展4云計(jì)算和大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通信的未來(lái)數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)OSI模型OSI模型是一個(gè)七層模型，為數(shù)據(jù)通信定義了標(biāo)準(zhǔn)化的參考模型。它為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了一個(gè)框架，使不同廠商的設(shè)備能夠互操作。TCP/IP模型TCP/IP模型是一個(gè)四層模型，用于描述互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的組織和關(guān)系。它定義了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸方式，以及網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)如何互相通信。物理層物理層是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的底層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或光信號(hào)，并通過(guò)物理介質(zhì)進(jìn)行傳輸。它定義了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的物理連接，包括網(wǎng)絡(luò)接口卡、電纜類型、信號(hào)編碼和傳輸速率等。物理層傳輸介質(zhì)雙絞線成本低廉，易于安裝，應(yīng)用廣泛。同軸電纜抗干擾能力強(qiáng)，適合傳輸高速數(shù)據(jù)。光纖帶寬高，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。無(wú)線介質(zhì)靈活方便，應(yīng)用廣泛，但安全性較低。物理層編碼技術(shù)NRZ-L編碼使用電平的高低代表0和1，例如高電平代表1，低電平代表0。曼徹斯特編碼每個(gè)比特在中間都包含一個(gè)跳變，跳變沿代表0，跳變下降代表1。差分曼徹斯特編碼每個(gè)比特的開(kāi)始都包含一個(gè)跳變，跳變代表0，無(wú)跳變代表1。物理層調(diào)制技術(shù)1模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，以便在模擬傳輸介質(zhì)上傳輸。2載波調(diào)制利用載波信號(hào)的某些參數(shù)（如幅度、頻率或相位）來(lái)表示數(shù)字信號(hào)。3解調(diào)技術(shù)在接收端將模擬信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)，完成數(shù)據(jù)傳輸。物理層同步技術(shù)時(shí)鐘同步確保發(fā)送方和接收方時(shí)鐘保持一致，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。同步方法包括同步時(shí)鐘和異步時(shí)鐘，分別使用公共時(shí)鐘和獨(dú)立時(shí)鐘。同步技術(shù)包括位同步、字符同步和幀同步，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴Ｎ锢韺有旁氡扰c誤碼率信噪比(SNR)信號(hào)功率與噪聲功率之比誤碼率(BER)傳輸數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤比特的比例關(guān)系信噪比越高，誤碼率越低數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的第二層，負(fù)責(zé)將來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)幀封裝成數(shù)據(jù)幀，并在物理鏈路上進(jìn)行傳輸。幀封裝數(shù)據(jù)鏈路層將來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀，并添加幀頭和幀尾，用于識(shí)別數(shù)據(jù)幀的起始和結(jié)束。物理鏈路傳輸數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)在物理鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并處理數(shù)據(jù)幀的傳輸過(guò)程中的差錯(cuò)和流量控制。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分類面向比特協(xié)議專注于數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕ㄟ^(guò)校驗(yàn)和、重傳等機(jī)制確保數(shù)據(jù)完整性。面向幀協(xié)議將數(shù)據(jù)分組為幀，并添加幀頭和幀尾，用于標(biāo)識(shí)和控制幀的傳輸。常見(jiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議以太網(wǎng)協(xié)議(Ethernet)是目前使用最廣泛的局域網(wǎng)協(xié)議，它定義了數(shù)據(jù)幀格式，物理層連接方式，以及數(shù)據(jù)傳輸方式。無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議(Wi-Fi)使用無(wú)線電波傳輸數(shù)據(jù)，允許設(shè)備在沒(méi)有物理連接的情況下連接到網(wǎng)絡(luò)，例如使用無(wú)線路由器。藍(lán)牙協(xié)議(Bluetooth)是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，用于連接移動(dòng)設(shè)備，例如手機(jī)、耳機(jī)和智能手表，以交換數(shù)據(jù)和建立連接。數(shù)據(jù)鏈路層差錯(cuò)控制檢錯(cuò)使用校驗(yàn)和、奇偶校驗(yàn)、循環(huán)冗余校驗(yàn)等技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中檢測(cè)數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。糾錯(cuò)通過(guò)冗余編碼，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤。常見(jiàn)的糾錯(cuò)碼包括漢明碼和循環(huán)冗余碼。數(shù)據(jù)鏈路層流量控制1防止擁塞流量控制確保數(shù)據(jù)不會(huì)淹沒(méi)接收方，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。2協(xié)調(diào)速度發(fā)送方和接收方協(xié)調(diào)速度，防止數(shù)據(jù)丟失或延遲。3滑動(dòng)窗口滑動(dòng)窗口技術(shù)允許發(fā)送方發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，無(wú)需等待確認(rèn)，提高效率。數(shù)據(jù)鏈路層接入控制介質(zhì)訪問(wèn)控制在共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)設(shè)備共享同一個(gè)傳輸介質(zhì)。接入控制負(fù)責(zé)管理設(shè)備對(duì)介質(zhì)的訪問(wèn)權(quán)限，以避免沖突和數(shù)據(jù)丟失。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用無(wú)線信道進(jìn)行通信，接入控制負(fù)責(zé)分配無(wú)線資源，如頻率和時(shí)間槽，并進(jìn)行身份驗(yàn)證和安全控制。虛擬網(wǎng)絡(luò)接入虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)允許在物理網(wǎng)絡(luò)之上創(chuàng)建多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，接入控制負(fù)責(zé)管理虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的通信，并進(jìn)行隔離和安全控制。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的路由和尋址。IP地址網(wǎng)絡(luò)層使用IP地址來(lái)標(biāo)識(shí)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。路由協(xié)議路由協(xié)議用于選擇數(shù)據(jù)包的最佳傳輸路徑。網(wǎng)絡(luò)層尋址和路由1IP地址用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)設(shè)備。2子網(wǎng)掩碼區(qū)分網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)地址。3路由表存儲(chǔ)路由信息，用于數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。4路由協(xié)議用于更新路由表，確保數(shù)據(jù)包能找到最優(yōu)路徑。常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)，是網(wǎng)絡(luò)層最重要的協(xié)議，它負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)之間傳遞數(shù)據(jù)包。ICMP協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)，用于檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接是否正常，并發(fā)送錯(cuò)誤信息。ARP協(xié)議地址解析協(xié)議(ARP)，用于將IP地址轉(zhuǎn)換為物理地址(MAC地址)。RARP協(xié)議逆地址解析協(xié)議(RARP)，用于將物理地址轉(zhuǎn)換為IP地址。傳輸層服務(wù)傳輸層提供端到端的通信服務(wù)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從一個(gè)應(yīng)用程序傳遞到另一個(gè)應(yīng)用程序。協(xié)議常見(jiàn)的傳輸層協(xié)議包括TCP和UDP，它們提供不同的服務(wù)質(zhì)量和可靠性保證。傳輸層服務(wù)面向連接服務(wù)類似于打電話，需要先建立連接才能傳輸數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸，適用于對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求較高的應(yīng)用，如文件傳輸。無(wú)連接服務(wù)類似于寄信，不需要先建立連接，數(shù)據(jù)包直接發(fā)送，速度快，適用于對(duì)數(shù)據(jù)可靠性要求較低的應(yīng)用，如網(wǎng)頁(yè)瀏覽。復(fù)用和分用多個(gè)應(yīng)用程序可以共享同一個(gè)傳輸層連接，傳輸層會(huì)根據(jù)不同的端口號(hào)進(jìn)行復(fù)用和分用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓蚕怼Ａ髁靠刂苽鬏攲涌梢钥刂茢?shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。常?jiàn)傳輸層協(xié)議1TCP傳輸控制協(xié)議(TCP)是一種面向連接的協(xié)議，它提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。它確保數(shù)據(jù)按順序到達(dá)，并處理丟失或損壞的數(shù)據(jù)包。TCP通常用于需要高可靠性的應(yīng)用程序，例如電子郵件、文件傳輸和網(wǎng)頁(yè)瀏覽。2UDP用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(UDP)是一種無(wú)連接的協(xié)議，它提供快速、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸。UDP不保證數(shù)據(jù)按順序到達(dá)，也不處理丟失或損壞的數(shù)據(jù)包。UDP通常用于對(duì)數(shù)據(jù)丟失和延遲不敏感的應(yīng)用程序，例如視頻流、在線游戲和語(yǔ)音聊天。應(yīng)用層應(yīng)用層是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的最高層，直接與用戶交互。應(yīng)用協(xié)議應(yīng)用層定義了各種應(yīng)用協(xié)議，例如HTTP、FTP、SMTP等。用戶服務(wù)應(yīng)用層為用戶提供各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、文件傳輸、電子郵件等。常見(jiàn)應(yīng)用層協(xié)議HTTP超文本傳輸協(xié)議，用于網(wǎng)頁(yè)瀏覽和數(shù)據(jù)傳輸。SMTP簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議，用于電子郵件發(fā)送。FTP文件傳輸協(xié)議，用于文件上傳和下載。IM即時(shí)通訊協(xié)議，用于實(shí)時(shí)聊天和信息交流。數(shù)據(jù)通信發(fā)展趨勢(shì)數(shù)據(jù)通信技術(shù)不斷發(fā)展，未來(lái)將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：高速率、大容量：隨著數(shù)據(jù)量的爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度和容量的要求越來(lái)越高。移動(dòng)化、泛在化：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的