数据通讯的基础知识.ppt

1,第2章 数据通信的基础知识,2.1 基本概念2.2 信息及其主要特征2.3 传输介质2.4 数据编码2.5 多路复用技术2.6 数据交换技术2.7 差错控制及检错,2,2.1基本概念,1、数据通信系统的构成2、数据通信的术语及概念信息 数据 信号信源 信宿 信道 比特 码元信号传输速率 数据传输速率带宽 误码率 时延,3,数据通信系统的构成数据传输系统：传输线路有线介质、无线介质传输设备调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等数据处理系统：计算机、终端等设备,4,数据通信基本过程,5个阶段包含两项内容：数据传输和通信控制 过程 与打电话比较建立物理连接 拨号，拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份数据传输 互相通话断开逻辑连接 互相确认要结束通话断开物理连接 双方挂机,*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。,5,信息（Information）：指有用的知识或消息。数据（Data）：信息的表达方式。(数字/模拟数据)信号（Signal）：数据的电磁或电子编码，数据以信号的形式在介质中传播。(数字/模拟信号),2、数据通信的术语及概念,6,信源：即通信过程中产生和发送信息的设备。信宿：即通信过程中接收和处理信息的设备。信道（Channel）:传送信息的线路（或通路）。比特（bit）：即一个二进制位。码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单元。,7,信息通过数据通信系统的传输过程把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输,噪声：外界：闪电、串扰、电气设备内部：介质特性（衰减失真、延迟变形）,8,信号传输速率（波特率,码元速率）：单位时间里传送信号波形的个数，单位 为波特（Baud）。,数据传输速率（信息速率，比特率）：单位时间里传送二进制数据的位数，单位b/s、简写位bps。,9,二者的关系：Rbit=Rbaud log2M Rbit-比特率，Rbaud-波特率，M-信号的编码级数,例如：当波特率为9600时若M=2，数据传输率为9600b/s若M=16，数据传输率为38.4kb/s,10,带宽（Band width，BW）:信道传输能力的度量。在传统的通信工程中：BW fmax fmin 单位：赫兹（Hz）在计算机网络中，一般用数据传输速率作为带宽的计量单位。,误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。,时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+排队时延+发送时延+传播时延,11,2.2 信息及其主要特征,1、数字通信与模拟通信2、信道的最大数据传输率3、数据传输方式信道的通信方式数据的传输方式数据同步方式,12,1.数字通信与模拟通信,模拟信号和数字信号模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值。以信号的参量（幅度、相位、频率）表示数据。数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值信号以某一瞬间的状态表示数据。,13,模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。模拟通信：利用信道来传递模拟数据的过程。CATV、无线电广播、电话拨号线路,数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。数字通信：利用信道来传递数字数据的过程。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网、数字电话、数字电视,14,模拟通信系统模型,数字通信系统模型,15,数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强便于用计算机进行处理，便于纠错易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。,16,Nyquist公式：用于无噪声理想的通信道Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。例如，话音级线路的带 宽约为3.1kHz，根据上 式计算的信道最大数据 传输率如右表所示,2.信道的最大数据传输率,M 最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s,17,非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。,18,Shannon公式：用于有噪声干扰信道例：信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000，则 C=3100log2（1+2000）34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。,信噪比的单位也可用分贝(dB)表示：S/NdB=10log10 S/N所以，若S/NdB=30dB，则S/N=1000。,19,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C=2W log2M用于理想信道（这样的信道存在吗？）数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=W log2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,20,3.数据传输方式,信道的通信方式数据的传输方式数据同步方式,21,发送器,接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A站,B站,可同时,不可同时,一、信道的通信方式,22,二、数据的传输方式基带/频带/宽带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。,23,串行通信与并行通信,数据流以串行方式在一条信道上传输,数据以成组方式在多个并行信道上同时传输，如：计算机中的总线,24,串行通信与并行通信的比较,1、在相同的发送时钟下，并行通信的数据传输速率将大于串行通信。2、并行通信需要多个并行信道，实现昂贵。3、并行通信方式适合于近距离通信（如计算机中）而在远程通信中一般采用串行通信方式。,25,三、数据同步方式 同步：接收端按照发送端发送每个码元的频率或起止时间来接收数据，即在时间上取得一致。目的是使接收端能正确的接收数据,三个层次上的同步：位位同步字符字符同步帧(Frame)帧同步,26,位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步：外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,27,1）异步传输：a、每个字符作为一个独立的整体进行发送 b、在每个字符前增加一个起始位（逻辑0），字符后紧 跟一个或多个停止位（逻辑1）。c、实现简单，但数据传送效率较低。,字符同步：从一连串位流中，区分出字符的起始和终止位，解码得到所需字符。,28,2）同步传输：特点：a、在传送字符串的前后加一个或多个以上的同步字符SYN。b、传输效率高，传输速率较快，适合大批量数据传送及高速传输。,29,30,2.3 传输介质,金属导体双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线电、微波、卫星、红外线,31,双绞线（Twist Pair，TP）,应用领域：电话网络、计算机局域网,屏蔽双绞线（STP：screend twisted pair）非屏蔽双绞线（UTP：unscreend twisted pair）,32,EIA/TIA颁布的六类线缆标准,lCat1：适用于电话和低速数据通信；lCat2：适用于ISDN及T1/E1，支持高达16MHz的数据通信；lCat3：适用于10Base-T或100Mbps的100Base-T4，支持高达20MHz的数据通信；lCat5：适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4，支持高达100MHz的数据通信。lCat5e：抗串扰、衰减等性能上比5类提高。lCat6：适用于1000Mbps的1000Base-TX，支持高达1000MHz的数据通信。,33,同轴电缆（coaxial cable）,n50电缆（基带同轴电缆）：专门用于传输数字信号，使用曼切斯特编码，数据速率达10M（4 100 M）bps，主要用于局域以太网。n75电缆（宽带同轴电缆）：用于模拟和数字信号传输，采用频分多路复用技术，频带达300400MHz。有线电视系统CATV中的标准传输电缆。,34,光纤（Optical Fiber）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播,单向传输，双向需两根光纤,35,多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)：,光传输系统：光源、介质、光检测光源：发光二极管/激光二极管光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD,36,优点：支持极高的频带宽度，数据传输速率高(大于100Mbps)衰减极低，传输距离远且抗干扰能力，安全性与和保密性能强。线缆成本高并且连接比较复杂。应用：主要用于长距离的数据传输和网络的主干线，或被用于有危险的、高压的或容易泄漏信号的恶劣环境。,37,无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）使用电磁波或光波携带信息优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔主要类型：无线电地面微波、通信卫星红外线,38,无线电基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）,基站覆盖的无线电区域,基站,用户计算机和终端,39,地面微波通过地面站之间接力传送接力站之间距离：50-100 km速率：每信道 45 Mb/s,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,40,地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网,35,784公里,地球,41,常用传输介质的比较（p46表2.1）,42,2.4 数据编码,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：,数据：模拟数据 数字数据信号：模拟信号 数字信号,43,模拟传输和数字传输所使用的技术,44,编码与调制的区别编码：用数字信号承载数字或模拟数据调制：用模拟信号承载数字或模拟数据,Encoder,Decoder,数字或模拟数据,数字信号,x(t),g(t),数字或模拟数据,编码与解码,数字信道,发送方,接收方,g(t),编码,解码,45,调制与解调,46,编码方法：不归零码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码不归零码（NRZ，Non-Return to Zero）二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用5V表示1，5V表示0；缺点：不具备自同步机制，传输时必须使用外同步,1.数字数据的数字信号编码,47,曼彻斯特编码（Manchester Coding）缺点：需双倍的传输带宽,48,差分曼彻斯特编码（Differential）每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表示0和1，有跳变代表0，无跳变代表1。,49,三种数字编码的波形图,50,2.数字数据的调制,原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号 S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、初相位,三种常用的调制技术：幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）频移键控FSK（Frequency Shift Keying）相移键控PSK（Phase Shift Keying）,51,ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1,52,3.模拟数据的数字信号编码,采用脉冲编码调制PCM技术（Pulse Coded Modulation）采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号。例如：电话语音信号在数字信道上传输,53,PCM编码过程举例,54,语音信号的数字化语音带宽f2倍语音最大频率）样本量化级数：256级（8bit/每样本）数据率：8000次/s*8bit=64kb/s每路PCM信号的速率=64kb/s,55,2.5 多路复用技术,多路复用（MUX）：多个信息源共享一个公共信道目的：提高线路利用率适用场合：当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时类比：公共运输系统,56,复用的基本思想：把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据。复用方法频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）按频率划分不同的信道，如CATV系统波分复用WDM（Wave Division Multiplexing）按波长划分不同的信道，用于光纤传输时分复用TDM（Time Division Multiplexing）按时间划分不同的信道，目前应用最广泛码分复用CDM（Code Division Multiplexing）按地址码划分不同的信道，非常有发展前途,57,频分复用FDM原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。,CH2,CH1,CH3,原带宽,CH1,CH2,CH3,移频后带宽,CH1,CH2,CH3,带宽复用信号,f,复用器,58,时分复用TDM原理：把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。在通信网络中应用极为广泛。也称同步时分复用,59,由于每路数据总是使用每个时间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。一个时间片内传输的多路数据称为帧。时分复用的典型例子：PCM信号的传输把多个话路的PCM语音数据用TDM的方法装成帧（帧中还包括了帧同步信息和信令信息）每帧在一个时间片内发送每个时隙承载一路PCM信号,60,统计（异步）TDMSTDMTDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。,61,时分复用数字载波复用标准,T-标准（北美、日本）E-标准（欧洲、中国、南美）E1（一次群）标准每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（时隙）。每个时隙可容纳8bit。通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。E1速率=（32x8bit）/125us=2.048 Mb/s对E1进一步复用，还可构成E2到E5等高次群。E5可承载7680个话路，数据率约为565Mb/s。新的TDM标准是同步光网络（SONET）和ITU-T的同步数字系列（SDH）。常用的线路速率为（近似值）155Mb/s，622Mb/s，2.5Gb/s和10Gb/s。,62,E1-帧格式,E1线路也可以用于计算机通信,63,波分复用光的频分复用原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。,64,码分复用CDM原理：每个用户把发送信号用接收方的地址码序列编码（任意两个地址码序列相互正交）。不同用户发送的信号在接收端被叠加，然后接收者用同样的地址码序列解码。由于地址码的正交性，只有与自己地址码相关的信号才能被检出，由此恢复出原始数据。地址码序列两两相互正交：码序列A、B，应满足 AB=0，A B=0，A A=1，A A=-1 其中 为内积运算。在无线移动通信中应用广泛。,65,2.6 数据交换技术,什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源。例如，电话交换系统实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。,66,电路交换在通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。物理线路或复用信道过程：建立连接通信释放连接特点：面向连接的优缺点：建立连接的时间长；线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。不适用于计算机通信例如：建立连接的时间为0.5秒，计算机以1Mb/s的速率发送10k字节。线路利用率？,67,报文交换以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。特点：无连接的（例：电报）整个报文（Message）作为一个整体一起发送。优缺点：没有建立和拆除连接所需的等待时间；线路利用率高；传输可靠性较高；报文大小不一，造成存储管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；出错后整个报文全部重发。比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会？,68,分组交换（包交换）将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。分组交换有两种交换方式：数据报方式和虚电路方式,69,数据报方式（Datagram）各分组独立地确定路由（传输路径）不能保证分组按序到达,数据报方式不能保证分组按序到达,分组可能通过多个路径穿越网络,70,虚电路方式（Virtual Circuit）通信前预先建立一条逻辑连接虚电路虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源也需要三个过程：建立数据传输拆除提供的是“面向连接”的服务能够保证分组按序到达但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是断续地依次占用传输路径上各个链路段可以看成是采用了电路交换思想的分组交换永久虚电路PVC和交换虚电路SVC,71,分组通过预先建立好的虚电路穿越网络,72,分组交换有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。优缺点：对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快；转发延时小适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性好。需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。,73,三种交换方式的事件顺序,74,2.7 差错控制与检错,差错控制:在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。产生差错的原因：信号衰减和热噪声信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射，串扰；冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。,75,差错控制编码：检错码和纠错码纠错码在计算机通信中很少使用差错控制的基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。,76,自动请求重传Automatic Repeat Request（ARQ）停等 ARQ每发送一帧就需要一个应答帧只重传刚才出错的帧Go-back-N ARQ每发送N帧需要一个应答帧需重传后面（N-i+1）帧（0iN）选择重传 ARQ每发送N帧需要一个应答帧只重传出错的帧,77,检错码主要有两种编码方法：奇偶校验（Parity Checking）在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。例如：1100010增加偶校验位后为11100010若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。只能用于面向字符的通信协议中。只能检测出奇数位错，偶数位错则不能检出。,78,循环冗余校验（CRC,Cyclic Redundancy Check）差错检测原理：收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方根据发送的数据和G(x)计算出CRC校验和并把它加在数据的末尾。接收方则用G(x)去除接收到的数据，若有余数，则传输有错。CRC校验的关键是如何计算校验和。,79,*CRC校验和的计算以数据块（帧,Frame）为单位进行校验将数据块构成的位串看成是系数为0或1的多项式如110001，可表示成多项式 x5+x4+1若G(x)为r阶，帧为m位，其多项式为M(x)，则在帧后面添加r个0，成为m+r位，相应多项式2rM(x)按模2除法用2rM(x)除以G(x)：商Q(x)，余R(x)即：2rM(x)=G(x)Q(x)+R(x)按模2加法把2rM(x)与余数R(x)相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x)：即：T(x)=2rM(x)+R(x)实际上，T(x)=2rM(x)+R(x)=G(x)Q(x)(模2运算)所以，若接收的T(x)正确，则它肯定能被G(x)除尽。,80,本章小结,本章内容覆盖了数据通信的方方面面！信道（数字/模拟信号，数字模拟信道，调制/编码，信道带宽，最大传输能力，数字通信基本过程）传输媒体（有线/无线，双绞线/光纤）编码与调制（数字编码，幅度/频率/相位调制，脉码调制-PCM）多路复用（FDM,TDM,WDM,CDM）数据交换技术（电路交换，报文交换，分组交换）差错控制（差错检测，差错控制）,81,作业：P62:1,2,4,5,11,12,13,15,