数据通信原理简介.ppt
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1、第二章 数据通信原理简介,计算机网络技术及应用,Contents,通信系统简介,1,数据通信相关技术简介,2,通信方式实例,3,2.1.1 通信基本概念,通信的根本目的是为了交换信息 信息是对客观事物属性和特征的描述 信息和消息的关系消息是通信传输和具体对象信息是抽象化的消息 数据是符号化的信息,是传递信息的载体 数字数据和模拟数据,2.1.1 通信基本概念,信号与信道,2.1.2 数据交换方式,数据交换按照某种方式动态地分配传输线路的资源,达到资源优化的目的 分为电路交换、报文交换和分组交换,2.1.2 数据交换方式,三种方式的对比,2.1.2 数据交换方式,(1)电路交换 电路交换在通信之
2、前必须建立一条被通信双方独占的物理通路。通路由通信双方之间的交换设备和设备之间的链路逐段连接而成。通路建立完成后,通信双方开始传送数据,数据传输完成后,被占用的通路才被释放 公众电话网和移动电话网采用的都是电路交换技术,2.1.2 数据交换方式,电路交换的优点通信线路为通信双方专用,数据直达,所以传输数据的时延非常小通信双方之间的物理通路一旦建立,双方可以随时通信,实时性强双方通信时按发送顺序传送数据,不存在数据重新排序的问题;设备比较简单,2.1.2 数据交换方式,电路交换的缺点电路交换连接平均建立的时间较长,尤其是对计算机通信来说电路交换连接建立后,物理通路被通信双方独占,即使通路在个别时
3、间内空闲,也不能供其他用户使用,因而信道利用低电路交换时,数据直达,不同类型、不同规格、不同速率的设备很难协同工作,也难以在通信过程中进行差错控制,2.1.2 数据交换方式,(2)报文交换报文交换以报文为数据交换的单位报文包含了将要发送的完整的数据信息报文长短很不一致报文附带有目标地址、源地址等信息报文在交换结点中采用存储转发的传输方式电子邮件(E-mail)适合采用报文交换方式,2.1.2 数据交换方式,H1,A,子网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,路由器,主机,在结点路由器 A 暂存查找转发表找到转发的端口,在结点路由器 C 暂存查找转发表找到转发
4、的端口,在结点路由器 E 暂存查找转发表找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,(3)分组交换,2.1.2 数据交换方式,报文交换的优点报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路,不存在连接建立时延,用户可随时发送报文由于采用存储转发的传输方式,交换结点具有路由选择功能某条传输路径发生故障时,重新选择另一条路径传输数据,提高了传输的可靠性便于类型、规格和速度不同的设备之间进行通信提供多目标服务允许建立数据传输的优先级,使优先级高的报文优先转发 通信双方不是固定占有一条通信线路,而是在不同的时间逐段地部分占有这条物理通路,因而大大提高了线路的利用率,2.1.2 数据交换方式,报文交换的缺
5、点由于数据进入交换结点后要经历存储和转发的过程,包括接收报文、检验正确性、排队和发送等,从而引起转发时延。网络的通信量愈大,造成的时延就愈大,因此报文交换的实时性差,不适合传送实时或交互式业务的数据只适用于数字信号由于报文长度没有限制,而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文,当输出线路被占用时,还可能要存储几个完整报文等待转发,这要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本,减少结点的缓冲存储器的容量,有时要把等待转发的报文存在磁盘上,这进一步增加了传送时延,2.1.2 数据交换方式,分组交换分组交换仍采用存储转发传输方式,但将一个报文首先分割为若干个较短的分组,然后再把这些携带源地址、
6、目的地址和编号信息的分组逐个发送出去,2.1.2 数据交换方式,加速了数据在网络中的传输;简化了存储管理;减少了出错机率,适用于计算机通信,分组交换的优点和缺点,仍然存在存储转发时延;降低了通信效率;分组交换可能出现分组失序、丢失或重复,2.1.2 数据交换方式,H1,A,子网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化!,路由器,主机,分组交换,2.1.3 数据传输方式,数据传输与数据交换的关系微观与宏观本小节要介绍数据传输方式1.基带传输与频带传输2.有线传输与无线传输3.单工、半双工与全双工传输4.串行方式传输与并
7、行方式传输5.异步方式与同步方式传输,2.1.3 数据传输方式,1.基带传输与频带传输数字信号不经过调制,直接在线路中传输的方式称为基带传输 频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传输,最后在接收端进行解调的通信方式,2.1.3 数据传输方式,2.有线传输与无线传输有线:双绞线通信、电缆通信和光缆通信 无线:声音、电磁波,2.1.3 数据传输方式,3.单工、半双工和全双工单工方式中数据只能单方向传输 广播、遥控器、电视 半双工指在同一时刻,只允许数据在一个方向上传输 对讲机全双工指可以同时进行双向数据传输 固定电话、手机,2.1.3 数据传输方式,4.串行方式与并行方式 串行传输方式指使用一条
8、数据线将数据一位一位地传输。串行方式只需要很少的数据线就可以在系统间交换信息,特别适用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信并行传输方式使用几条数据线将数据分段同时进行传输,传输速度快,根据计算机的字长,通常是以8位、16位或32位为传输单位,一次传送一个字长的数据,适合于外部设备与微机之间进行近距离、大量和快速的信息交换,2.1.3 数据传输方式,5.异步方式与同步方式 同步传输方式以比特为传输单位,要求收发双方具有完全同步的时钟信号,使用时需要在传送数据的最前面附加特定的同步字符,使发收双方建立同步,此后便在同步时钟的控制下逐位发送或接收同步方式效率较高以太网和光纤等的数据传输都是
9、同步方式异步通信以字符为数据传输单位,在发送时,字符之间的时间间隔可以是任意的。为了让接收端作好准备,能够正确地将每一个字符接收下来,必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志,即加上开始位和停止位异步通信的好处是通信设备简单、便宜,但传输效率较低,因为开始位和停止位的开销所占比例较大PC机提供的标准通信接口都是异步的,如常用的USB接口等,2.1.4 常用性能指标,1,带宽,2,波特率,3,误码率,2.1.4 常用性能指标,1带宽带宽表示通信系统传输数据能力的上限,是衡量通信性能的重要标准,这一概念最初来自模拟通信领域,指某个系统所能有效传输的最低频率信号和最高频率信号之间的“宽度”,因此又
10、叫频宽,单位是赫兹。一般来讲,带宽越大,信道的传输能力就越强,单位时间内发送的数据量就越大后来带宽这一名词被扩展到数字通信领域。数字信道不用频率衡量,所以带宽的单位不再是赫兹,而是每秒钟传输的码元个数。数字通信中的带宽实际上就是波特率,2.1.4 常用性能指标,2波特率与比特率数字信号的基本单位是码元,波特率指通信中每秒传输的码元数量,其单位为波特(Baud)。1Baud表示1码元/秒。在计算机网络中,所用的码元是二进制码元比特,波特率就变成了比特率,即比特/秒(bit/s,或简写为bps)。网络中描述带宽时常常把单位省略。例如,带宽是10M,实际上是10Mb/s,表示这个网络传输数据能力的上
11、限是每秒钟10M个比特,2.1.4 常用性能指标,3误码率由于信道不理想或噪声的干扰,以致在接收端收到的码元可能出现错误,比如发送的信号是“1”,而接收到的信号却是“0”,这叫误码。误码的多少用误码率来衡量。误码率的定义是:数字通信系统中单位时间内出错的码元数与发送的总码元数之比。误码率是衡量数据传输准确性的指标,单位时间内的误码越多,误码率越大一般来讲,局域网可接受的最高限度误码率为10-10,在这个比例以下,出现的误码不会降低网络的性能,因为所有的网络软硬件都按这个要求建立。最理想的情况当然是误码为0,但这实际上不能达到。有标准中低于10-12的误码率就被规定为零误码率,2.2 数据通信相
12、关技术简介,1,2,3,数据编码技术,信道复用技术,差错控制技术,2.2.1 数据编码,1.非归零编码(NonReturn to Zero Code,NRZ)NRZ编码方案用信号的幅度表示二进制数据,通常用正电压表示数据“1”,负电压表示数据“0”,即所谓的“双极性”编码;电压无需回到零值,故称“非归零码”NRZ编码的优点是:发送能量大,有利于提高接收端信噪比;在信道上占用频带较窄。信噪比指信道中正常信号与噪声的功率之比,信噪比越大,说明信号的品质越好NRZ码的主要缺点是:当数据流中连续出现“0”或“1”时,接收端不容易分辨信号的开始和结束,如果使用同步传输方式,必须采用某种方法在发送端和接收
13、端之间提供必要的同步信号。同时,这种编码有直流分量,将导致信号的失真与畸变,而且无法使用一些交流耦合的线路和设备;抗噪性能差由于NRZ 码的诸多缺点,基带数字信号传输中很少采用这种编码,它只适合短距离传输,2.2.1 数据编码,2.曼彻斯特编码(Manchester Encoding)曼彻斯特编码是一种同步时钟编码技术,常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中,每一位信号的中间都发生跳变,从低到高的变化表示“0”,从高到低表示“1”。由于电压变化发生在每一个码元的中间,接收端可以方便地利用它作为同步时钟,因此这种编码也称为自同步码。10Mb/s以太网采用曼彻斯特编码,2.2.1 数据编码,3.差分曼
14、彻斯特编码(Differential Manchester)。差分曼彻斯特码是曼彻斯特码的改进形式,二者的区别在于,差分曼彻斯特码每位中间的跳变只作为同步时钟信号,数据“0”和“1”的取值用信号的相位变化来表示:若每位信号的起始处有跳变则为“0”;无变化则为“1”。差分曼切斯特码比曼切斯特码的变化要少,因此适合传输更高速的信息。令牌环(Token-Ring)网采用差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示,因而始终能保持直流的平衡。两种曼彻斯特编码是将时钟信息包含在数据流中,在传输代码信息的同时,也将时钟同步信号一起传输到对方,每位编码中有一跳变,
15、不存在直流分量,因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但在这两种编码中,每一个比特都被转换成两个电平,所以数据传输效率只有非归零码的1/2,2.2.1 数据编码,4.DNRZ编码(Differential NRZ)DNRZ编码是一种NRZ编码的改进形式,它也是用信号的相位变化来表示二进制数据的,每个信号码元的起始处有变化表示数据“1”,而无变化表示数据“0”。DNRZ编码不仅保持了NRZ编码的优点,同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。近年来,DNRZ成为主流的信号编码技术,在100Mb/s以太网等高速网络中都采用了DNRZ编码。其原因是在高速网络中要求尽量降低信号的传输带宽,以利于提高传输的可
16、靠性和降低对传输介质带宽的要求。DNRZ具有很高的编码效率,符合高速网络对信号编码的要求。,2.2.1 数据编码,2.2.2 信道复用,信道往往允许多路信号同时传输。这称为信道复用,2.2.2 信道复用,1.频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)频分复用就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带(或称子信道),每一个子信道传输一路信号,因此要求总频率宽度大于各个子信道频率的总和。频分复用的最大优点是信道复用率高,允许复用的路数多,分路也很方便,因此它成为目前模拟通信的主要复用方式,特别是在有线通信和微波通信系统中应用十分广泛。频分复用的主要缺点是设
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- 数据通信 原理 简介
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