[IT认证]网络工程师 数据通信.ppt

第二章 数据通信基础,数据通信基本模型,数据通信系统组成,数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成 信源：数据的发送方(可能是模拟数据，也可能是数字数据)信宿：数据的接收方称为信宿 信道：信源和信宿之间传送信号的物理通道信号变换器：把信源所要发送的数据转换成适合于在信道上传输的信号，或者相反，把从信道上接收的信号转换成信宿所能识别的数据,模拟信号,连续变化-是关于时间的连续函数,数字信号,离散的脉冲信号，关于时间的非连续函数,信号传送与信道带宽,信道带宽 信道中信号的频谱范围 信道带宽与信号传送：信道的带宽至少要能保证基频信号（基次谐波）的通过；而且信道带宽越宽，信道中所能通过的高次谐波的次数就越高，从而在接收端信号还原后的失真就越小。,信道带宽与数据传输速率,数据传输速率：数据传输中线路上每秒内传输的二进制数据位数，其单位为bps（bit per second）由脉冲信号的Fourier分析可知：脉冲越窄，数据传输速率越高，但为了使信号不失真通过通信信道所需要的信道带宽越高。波特率：单位时间内通过的码元的速率。注：当码元取两个离散值时即携带的为二进制，则波特率数据传输速率，如果码元取四个离散值即携带的为两位二进制，则数据传输速率2波特率,Nyquist 定理,e.g.一个无噪声的带宽为3KHZ的信道若用于传送二进制数（V=2），则最大数据传输速率不可能高于6000bps.,Nyquist 定理给出了有限带宽的无噪声信道的最大数据传输速率：最大数据传输速率=2Hlog2V(b/s)其中，H为信道带宽，V表示被传信号的电平级数。,Shannon 定理,Shannon 定理给出了有限带宽的噪声信道的最大数据传输速率：最大数据传输速率=Hlog2(1+S/N)其中，H为信道带宽，S/N为信道的信噪比。分贝与信噪比的关系为：Db=10lgS/N,Shannon 定理,e.g.一个信噪比为30db、带宽为3KHZ的信道若用于传送数据，则不管使用多少级的信号电平，其最大数据传输速率绝不可能高于3000log2(1+1000)bps.,误码率,表示传输二进制位时出现差错的概率Pc=Ne(出错的位数)/N(传送的总位数),传输介质,传输介质：泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，主要指用来连接各个通信处理设备的物理介质。类型：有线介质和无线介质性能指标：物理特性、传输特性、地理范围、抗干扰性、价格（包括安装与维护费用）,传输介质,光纤多模光纤单模光纤铜介质双绞线UTPSTP同轴电缆线基带同轴电缆线细缆粗缆宽带同轴电缆线无线,UTP线缆的分类（续）,其中只有CAT 3、CAT 4、CAT 5、CAT 5E和CAT 6可以用于局域网。CAT 5的传输速率为10Mbps至100Mbps，阻抗为100Ohm，线缆的最大传输距离为100米。CAT 5e第五类连接链路的最高工作频率为100MHz。宽带链路。使用5E、6类缆及同类别器件(接插硬件、跳线、连接头、插座)进行安装。宽带链路的最高工作频率为200MHz250MHz,UTP线缆的实施,直通电缆（straight-through cable）交叉电缆（crossover cable）全反电缆（rollover cable）,直通电缆（straight-through cable）,直连线可用于将计算机连入到HUB或交换机的以太网口，或者用于连接交换机与交换机（必须是电缆两端连接的端口只有一个端口被标记上X时）。EIA/TIA 568-B标准的直通线的线序排列图如下右图,双绞线一端,双绞线另一端,交叉电缆（crossover cable）,交叉线用于将计算机与计算机直接相连、交换机与交换机直接相连（必须是电缆两端连接的端口同时被标记上X，或者都未标明X时），EIA/TIA568-B标准的交叉线线序排列如右下图所示,双绞线一端,双绞线另一端,全反电缆（rollover cable）,全反线又称为控制线（console cable），或称反接线。用于连接一台工作站到交换机或路由器的控制端口，以访问这台交换机或路由器，直通电缆两端的RJ45连接器的电缆都具有完全相反的次序，EIA/TIA568-B标准的反接线线序排列如右下图所示。,双绞线一端,双绞线另一端,双绞线的实施,RJ-45连接器,RJ-45插座,RJ-45模块,UTP的实施,EIA/TIA为UTP定义了RJ-45连接器RJ-45连接器是凸型接头，压在线缆的末端RJ-45插座是凹型组件,光纤的组成,光纤一般由5个部分组成：纤芯覆层（cladding）缓冲层（buffer）加强材料(a strength material)外套,多模光纤,由于光纤的纤芯很大，光线穿越光纤时可以使用的路径很多，所以称为多模光纤。多模光纤一般采用62.5或50m的纤芯，再加上直径为125 m的覆层，这种光纤一般表示为62.5/125或50/125一般采用LED和VCSEL（直腔面发射激光器）做光源传输距离没有单模光纤远一般用作局域网的主干。多模光纤的外套一般是橙色,单模光纤,单模光纤的纤芯很小，因此只有一种模式的光通过纤芯一般为8到10m，最常见的是9 m，覆盖层为125 m，表示为9/125采用激光做光源，因此光很强传输速率比多模光纤高，距离远，一般用作楼间的连接或广域网连接,中继器,中继器再生放大信号，从而扩大网络规模和最大传输距离中继器是基于比特级进行信号的再生放大在10兆以太网使用中继器扩大网络规模时要满足4个中继器的规则,HUB,HUB是多端口的中继器一般中继器只有两个端口，而HUB有4到24个端口集线器从一个端口收到数据后，从其它所有端口(源端口除外)转发该信号,网桥,是数据链路层设备网桥的功能是做出关于是否将信号传递到网络中下一个网段的智能决定网桥也可以用于连接不同的协议和介质,网桥的类型,源路由网桥(主要用在TOKEN RING网络中)透明网桥,透明网桥,网桥中保存有一张表，叫MAC表网桥中MAC表的内容是学习到的网桥的工作原理是边学习边工作,网桥的工作原理,当网桥从网络上接收到数据帧后，学习到数据帧的源MAC地址，并将其插入到MAC表中然后网桥表中查找目的MAC地址以确定是否过滤该数据帧，决策过程如下：如果目的设备所在的网段与数据帧相同，则不转发该帧如果目的设备位于不同的网段上，网桥则将帧转发到适当的网段哪果目的地址对网桥是未知，或是广播或组播地址，则将数据帧转发到除源端口以外的所有端口，这个过程称为泛洪,网关,当连接两个完全不同结构的网络时，必须使用网关它是能够连接不同网络的软件和硬件的结合产品,数字数据编码,数字数据编码的任务是如何将二进制比特转换成适合在数字信道上传送的数字信号不归零编码NZR：当1出现时电平翻转、当0出现时电平不翻转曼彻斯特编码：每一个比特的中间均有一个跳变，从高到低为0，从低到高为1，10M以太网中差分曼彻斯特编码：比特值根据其开始边界是否发生跳变来决定，每比特的开始无跳变表示1，有跳变表示0，用在令牌环网中,目前常用的数字编码,Manchester 差分 Manchester4B/5B，甚至8B/10B,数字调制技术,幅移键控(ASK)频移键控(FSK)相移键控(PSK)将以上进行组合，如ASK和PSK结合起来，开成幅度相位复合调制，每一个码元表示4位二进制数，见表3-3,脉冲编码调制(PCM),取样(取样频率=模拟信号最高频率的二倍，则可无失真还原)量化(量化为离散值)编码例子：如语音数字化，在数字信道上传输的语音信号的速率为56Kbps,数据通信方式,按数据传输的方向吩，可有三种不同的通信方式：单工通信单双工通信全双工,数据传输方式,异步传输：即把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息，也叫起止式。传输效率不高，不适合于传送大的数据块同步传输：发送方在发送数据之前先发送同步字符SYN，接收方只要检测到连接两个以上的SYN就确认已进入同眇状态，准备接收信息。,数据交换技术,B,C,A,E,D,H1,H3,HA与H3通信需要经过若干个中间节点A、B、C或A、B、D、C或A、E、D、C或A、E、D、B、C。这些节点都是交换节点。,HA,HB,常用的数据交换方式有：一种是电（线）路交换；另一种是存储转发交换，它又分为：报文交换和报文分组交换。报文分组交换（简称：分组交换）又提供：数据报服务和虚电路服务。,数据交换方式1、电（线）路交换2、存储转发交换 分组交换：数据报服务方式 虚电路服务方式,1、线路交换（circuit switching）方式与电话交换方式相同。三个阶段：建立实际的物理线路、数据传输和线路释放。（1）线路建立阶段。呼叫请求；呼叫应答（2）数据传输阶段通信双方交换报文或报文分组（会话）（3）线路释放阶段释放请求；释放应答,B,C,A,E,D,H1,H4,H2,H3,若是线路交换方式，则首先在H4和H2之间建立一条实际的电路，分别经过节点A、B、C和D，然后在H4和H2之间传输数据，最后再释放链路。,呼叫,呼叫,呼叫,呼叫确认,数据块,流 向,时 间,A B C D,电路交换方式连接过程见P38图2-23,线路交换方式的特点：建立起直接的物理线路连接，为此次通信专用，交换设备不存储数据，不能改变数据的内容，不具备差错控制能力。优点：实时性强，适用于交互式会话类通信。缺点：对突发性通信不适应，系统效率低；不具备存储转发能力，不能平滑交通量；不具备差错控制能力。,2、存储转发交换（Store and Forward Exchanging）,（1）存储转发交换的原理：交换设备先将收到的数据缓存对存储的信息进行处理待指定输出线空闲时，再分别将信息转发出去。,缓冲存储,信息处理和转发,输 入,输 出,（2）报文存储转发和分组存储转发 存储转发交换又分为报文存储转发交换和分组存储转发交换两类。报文存储转发过程：先把待传送的信息拆分为多个正文段；再在每个正文段附加一个报头和报尾；然后，以报文为单位在交换网络的各节点间传送。如下图所示。,流 向,时 间,A B C D,报文交换方式,报文,报文,报文,报文分组(或分组）交换过程：把报文分成若干个段，再在每个段附加分组头和尾构成分组。分组交换与报文交换类似，只是规定了分组的长度，并且在发送端对报文进行分组，在接收端必须将分组进行重新组织。,报文分组,分组1,分组1,分组1,流 向,时 间,A B C D,报文分组交换方式注意：分组到达目的地的先后秩序并非恒定。可能是先发送的后到达，后发送的先到达。,分组2,分组2,分组3,分组3,分组2,分组3,分组交换网是当今公用数据交换网中主要的交换技术。分组交换技术又分为两类：数据报(DG,Data Gram)方式和虚电路(VC,Virtual Circuit)方式。,数据报方式特点：同一个报文的不同分组可以不经过同一路径到达目的地；同一个报文的分组到达目的地时可能出现乱序、重复和丢失现象；每个分组在传输过程中都必须带有源地址和目的地址；延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,R,R,R,R,1,2,主机,主机,在主机1和主机2之间没有固定的路径。,虚电路方式 可以发挥数据报方式与线路交换方式的优点，达到最佳数据交换效果。三个阶段：虚电路（一条逻辑连接）建立阶段；数据传输阶段；虚电路拆除阶段。,R,R,R,R,1,2,多协议路由器,路由器,主机,主机,在主机1和主机2之间有固定的路径（一条虚电路）：,虚电路服务方式的特点：在发送之前，先建立一条逻辑连接；分组不必带目的地址、源地址等辅助信息，而且分组到达目的地时不会出现乱序、重复和丢失现象；CCP不需要进行路由选择，但还需要做差错控制工作；一个CCP可以和其他多个CCP建立虚电路连接虚电路方式在计算机网络中得到了广泛的应用。,（3）交换技术小结WAN中使用的数据交换技术主要有：线路交换；存储转发交换：报文存储转发交换；分组存储转发交换：()数据报方式()虚电路方式,多路复用,目的是为了提高线路的利用率频分多路复用FDM：ADSL是典型的频分多路复用，在PSTN使用的双绞线上划分出3个频段，0到4KHz用来传送传统的语音，20到50KHz传计算机上传的数据，140到1100KHz或150到500KHz传送从服务器上下载的数据信息，还有线电视系统时分多路复用TDM：典型的是贝尔系统的T1载波，T1载波是将24路音频信道复用在一条通信线路，统计时分：如ATM波分多路复用WDM码分多址CDMA，用于无线通信,SONET,同步光纤网络光纤多路复用标准：OC1速率为51.84，其它的OC后面的数字为多少，则将OC1的速率乘以数字,3、检错码与纠错码 两种差错控制方案：纠错码方案：接收端能发现传输差错，并且能自动纠正；检错码方案：仅发现差错，但并不纠正。常用的检错码有：奇偶校验码 循环冗余码,4、循环冗余码（CRC）CRC（Cyclic Redundancy Check）是在所传送的k位信息后面附加一 个r位检验序列。,循环冗余校验码（CRC）的工作原理,（1）CRC方法的工作原理 设f(x)为一个k阶多项式,其系数是待发送信息的比特序列；例如，待发送的信息序列是1010001101，则对应f(x)=x9+x7+x3+x2+1（k=9)G(x)为一个r 阶的生成多项式，由发收双方预先约定。G（x)有国际标准。,CRC码的产生：检验序列的生成：用xr f(x)除以G(x),得余式R(x)即是检验序列。用模2算术，即加法不进位，减法不借位（异或运算）。例如，G(x)=x5+x4+x2+1,即110101（r=5)x5 f(x)=x14+x12+x8+x7+x5，即101000110100000，也就是f(x)信息序列向左移动r=5位。x5 f(x)/G(x)=（101000110100000）/（110101），得余数为01110，即为检验序列 R(x)=0 x4+x3+x2+x+0 x0(若G(x)为r阶，则R(x)序列为r位）。,编码：用模2减法进行x5 f(x)-R(x)运算，也就是在原信息序列后面附加上检验序列（r位），得到CRC编码（发送序列）。例如，x5 f(x)-R(x)=1010001101 01110，即为发送的序列。,1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1）1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 余数，也就是检验序列（r位，这里 r=6）,接收方同样的G(x)除所收到的序列，若余数为0，则传输无差错。,5、差错控制机制 发现传输出错之后，常用反馈重发ARQ（Automatic Request for Repeat）机制来实现纠错。ARQ的实现方法有两种：停止等待方式和连续工作方式。连续工作方式又分：拉回方式和选择重发方式,1,2,3,4,5,6,2,3,4,5,0,6,7,8,1,2,3,4,5,0,6,7,E,D,D,D,D,ACK0,超时间隔,帧2出错，丢弃，并丢弃随其后连续发送的所有帧（即帧3至帧6）。所以，帧2、帧3、帧4、帧5、帧6都得重传。,发送端,接收端,拉回方式,1,2,3,4,5,6,2,7,8,9,0,10,11,12,1,2,7,8,9,0,10,11,E,ACK0,超时间隔,帧2出错，丢弃，但是随其后连续发送的所有正确帧（帧3至帧6）都被接收方缓存。发送方不再重发帧3、帧4、帧5、帧6,发送端,接收端,6,5,4,3,选择重发方式,海明码,海明距离：一个码字要变成另一个码字时必须改变的最小位数如果两个码字具有海明距离d，则需要d个位差错才能将其中一个码字转换成另一个 为检测出d比特错，需要使用距离为d+1的编码，要纠正d比特错，必须使用距离为2d+1的编码。海明码只能纠单个位错,海明码,从左向右进行编号，位号为2的幂的位（1,2，4,8等）是m个校验位，其余是m个数据位。m1,m2,d3,m4,d5,d6,d7,m8,d9,d10,d11,d12,d13 把每个数据位改为2的幂的和，如11128 校验位的值就为有相应数据位的异或值,例,有数据流1010111，采用海明码编码，则为：m1,m2,1,m4,0,1,0,m8,1,1,1,3125146247124918102811128所以：m1=d3d5d7d9d11=10011=1m2=d3d6d7d10d11=11011=0m4=d5d6d7=010=1m8=d9d10d11=111=1所以为：10110101111,历年所出题-2008上半年上,历年所出题-2008下半年上,历年所出题-2008下半年上,历年所出题-2007下半年上,历年所出题-2006上半年上,2009上上,设信道带宽为3400Hz，采用PCM编码，采样周期为125s，每个样本量化为128个等级，则信道的数据速率为（19）。（19）A.10Kb/sB.16Kb/sC.56Kb/sD.64Kb/s 设数据码字为10010011，采用海明码进行校验，则必须加入（20）比特冗余位才能纠正一位错。（20）A.2B.3C.4D.5曼彻斯特编码的特点是（15），它的编码效率是（16）。（15）A.在“0”比特的前沿有电平翻转，在“1”比特的前沿没有电平翻转B.在“1”比特的前沿有电平翻转，在“0”比特的前沿没有电平翻转C.在每个比特的前沿有电平翻转 D.在每个比特的中间有电平翻转（16）A.50B.60 C.80 D.100,