1,计算机网络基础,第二章 数据通信基础,2,第二章 数据通信基础,学习目标 掌握数据通信的基本概念 了解计数据通信的基本方式 了解数据编码技术、多路复用技术、数据交换技术 掌握差错控制方法,3,2.1 数据通信的基本概念,数据及计算机通信术语 数据(Data)：传递(携带)信息的实体。 信息(Information)：是数据的内容或解释。 信号(Signal)：数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。 模拟信号与数字信号 基带(Base band)与宽带(Broad band),4,信道(Channel)：传送信息的线路(或通路) 比特(bit)：信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。 码元(Code Cell)：时间轴上的一个信号编码单元,5,t,码元1,码元2,码元3,码元4,码元5,信号,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应,6,波特(Baud)：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。 1 Baud = log2M (bit/s) 其中M是信号的编码级数。也可以写成 Rbit = Rbaud log2M 上式中：Rbit-比特率，Rbaud-波特率 一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。 换句话说，一个码元中可以传送多个比特。 例如，M=16，波特率为9600时，数据传输率为38.4kbit/s,7,误码率：信道传输可靠性指标，是概率值 信息编码：将信息用二进制数表示的方法。 数据编码：将数据用物理量表示的方法。 例如：字符A的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001，其数据编码可能为,8,带宽 带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹（Hz）为单位计量。 在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位：Kb/s，Mb/s，Gb/s 一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。,9,语音信道带宽的由来,10,时延 信息从网络的一端传送到另一端所需的时间 时延之和=处理时延+排队时延 +发送时延+传播时延 处理时延=分组首部和错误校验等处理（微秒） 排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时间 发送时延=数据位数/信道带宽 传播时延=d/s（毫秒）d:距离 s:传播速度光速,11,时延带宽乘积 某一链路所能容纳的比特数 时延带宽乘积=带宽传播时延 例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。,12,往返时延 (Round-Trip Time ，RTT) 从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时间 RTT2传播时延 传输可靠性 两个含义： 数据能正确送达 数据能有序送达(当采用分组交换时),13,通信系统模型,通信的三个要素：信源、信宿和信道,14,信息通过数据通信系统传输 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(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。 编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错 调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位 解调：接收波形数字信号 解码：数字信号原始数据,15,数据通信基本过程,包含两项内容：数据传输和通信控制 过程 与打电话的对比 建立物理连接 拨号，拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份 数据传送 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,16,2.2 数据通信方式,数字信道和模拟信道 数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。 模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。 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 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的信号值,17,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 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,18,周期信号和非周期信号 周期信号 信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波） 非周期信号 信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。,19,数字通信与模拟通信 数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输 数字通信的优点 抗噪声（干扰）能力强 可以控制差错，提高了传输质量 便于用计算机进行处理 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。,20,通信方式数据流动的方向,单工：数据单向传输（无线电广播） 半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机） 全双工：数据可以双向同时传输（电话） 或者具有两条物理上独立的传输线路 或者具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输,21,数字数据的传输方式,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 频带传输：数字信号需调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：通过电话模拟信道传输 宽带传输：数字信号需调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调 例如：闭路电视的信号传输,22,数据同步方式,目的是使接收端与发送端在时间基准上一致 (包括开始时间、位边界、重复频率等)。 有三种同步方法： 位同步 字符同步 帧同步,23,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时钟信号，接收方用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)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,24,字符同步：以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。 每个字符的传输需要： 1个起始位 58个数据位 1，1.5，2个停止位,起始位,数据位,停止位,间隔, 不固定,25,字符同步的性能评估,频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步 每两个字符之间的间隔时间不固定 增加了辅助位，所以效率低 例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其效率为8/1172,26,帧同步：识别一个帧的起始和结束。 帧(Frame)数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块 面向字符的以同步字符(SYN，16H)来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧 面向比特的以特殊位序列(7EH，即01111110)来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧,27,信道最大数据传输率,Nyquist 公式：用于理想低通信道 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 带宽为3100Hz，根据 上式计算的信道最大 数据率如右表所示,M 最大数据率 (C) 2 6200 bps 4 12400 bps 8 18600 bps 16 24800 bps 32 31000 bps,28,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。 持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s),29,Shannon公式：有限带宽高斯噪声干扰信道 例：信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则 C = 3100*log2(1+2000) 34Kbit/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s,S/N: 信噪比,C = W log2 (1+S/N),30,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C = 2W log2M 数据传输率C随信号编码级数增加而增加。 C = W log2(1+S/N) 无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。 原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,31,2. 数据编码技术,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况,32,模拟传输和数字传输,33,编码与调制的区别 用数字信号承载数字或模拟数据编码 用模拟信号承载数字或模拟数据调制,34,Modulator,Demodulator,数字或 模拟数据,模拟信号,m(t),s(t),m(t),数字或 模拟数据,载波,调制/解调,模拟信道,发送方,接收方,35,1）数字数据的数字信号编码,把数字数据转换成某种数字脉冲信号 常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码 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。 常常用5V表示1，5V表示0。 缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器； 不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。,36,曼彻斯特编码(Manchester Code) 用电压的变化表示0和1。 规定在每个码元的中间发生跳变： 高低的跳变代表0，低高的跳变代表1 每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。 缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。 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1,37,三种数字编码的波形图,38,2）数字数据的调制编码,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) 基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波 S(t) = Acos(t+) S(t)的参量包括： 幅度A、频率 、初相位 调制就是要使A、 或随数字基带信号的变化而变化,39,ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1 FSK：用载波的两个不同频率表示0和1 PSK：用载波的起始相位的变化表示0 和1,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,PSK,40,3）模拟数据的数字信号编码,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，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。 要转换的模拟数据主要是电话语音信号 语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤： 采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：对每个样本舍入到量化级别上 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 (脉码调制, Pulse Coded Modulation),41,话音信道带宽 2倍话音最大频率) 量化级数：256级 (用8位二进制码表示) 数据率：8000次/s*8bit = 64kbit/s 每路PCM信号的速率 = 64000bit/s,模拟话音,采样时钟,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化声音,f4kHz,fs=8kHz,42,PCM转换过程举例,43,2. 多路复用技术,复用：多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？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(铁路、海运、航空),44,复用类型 频分复用FDM (F