第2章 数据通信基础.ppt

1.数据通信系统 2.数据通信方式 3.数据交换技术 4.差错控制技术 5.习题第第2章章 数据通信基础数据通信基础本章主要内容本章主要内容1.掌握数据通信系统的基本概念2.了解数据通信方式3.掌握数据交换技术4.掌握多路复用技术5.掌握差错控制技术 2.1 数据通信系统数据通信系统主要内容：主要内容：数据通信的基本概念数据通信的基本概念 数据通信系统模型数据通信系统模型2.1.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 1 信息信息 2 数据数据 3 信号信号1 信息信息v信息（信息（InformationInformation）是客观事物属性和相互联系是客观事物属性和相互联系特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运特性的表征，它反映了客观事物的存在形式和运动状态。例如事物的运动状态、结构、温度、性动状态。例如事物的运动状态、结构、温度、性能等都是信息的不同表现形式。信息可以以文字、能等都是信息的不同表现形式。信息可以以文字、声音、图形、图像等各种不同形式存在。声音、图形、图像等各种不同形式存在。2 数据数据v信息可以用数字的形式来表示，数字化的信息称信息可以用数字的形式来表示，数字化的信息称为数据。为数据。v数据可以分为模拟数据和数字数据两种。数据可以分为模拟数据和数字数据两种。w模拟数据的取值是连续的，例如日常生活中人的语音强度、电压高低、温度等都是模拟数据。w数字数据的取值是离散的，例如计算机中的二进制数据只有“0”、“1”两种状态。现在大多数的数据传输都是数字数据传输，本章所提到的数据也多指数字数据。3 信号信号图图2-1 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号v信号信号:就是携带信息的传输介质。信号按其参量取值的就是携带信息的传输介质。信号按其参量取值的不同，分为模拟信号和数字信号。模拟信号是指在时间不同，分为模拟信号和数字信号。模拟信号是指在时间上和幅度取值上都连续变化的信号，数字信号是指在时上和幅度取值上都连续变化的信号，数字信号是指在时间上离散的、在幅值上经过量化的信号，它一般是由间上离散的、在幅值上经过量化的信号，它一般是由0 0、1 1二进制代码组成的数字序列。二进制代码组成的数字序列。2.1.2 数据通信系统模型数据通信系统模型 图图2-2 数据通信系统模型数据通信系统模型v信信息息的的传传递递是是通通过过通通信信系系统统来来实实现现的的。如如图图2-22-2所所示示是是通通信信系系统统的的基基本本模模型型。在在通通信信系系统统中中产产生生和和发发送送信信息息的的一一端端叫叫做做信信源源，接接收收信信息息的的一一端端叫叫做做信信宿宿，信信源源和和信信宿宿之之间间的的通通信信线线路路称称为为信信道道。信信息息在在进进入入信信道道时时要要经经过过变变换换器器变变换换为为适适合合信信道道传传输输的的形形式式，经经过过信信道道的的传传输输，在在进进入入信信宿宿时时要要经经过过反反变变换换器器变变换换为为适适合合信信宿宿接接收收的的形形式式。信信号号在在传传输输过过程程中中会会受受到到来来自自外外部部或或信信号号传传输输过过程程本本身身的的干干扰扰，噪噪声声源源是是信信道道中中的的噪噪声声以以及及分分散散在通信系统其他各处噪声的集中表示。在通信系统其他各处噪声的集中表示。2.1.2 数据通信系统模型数据通信系统模型 数据通信系统的主要技术指标数据通信系统的主要技术指标:1.数据传输率：又称比特率，它是指每秒钟所传输的二进制代码的有效位数，单位为比特/每秒（记作bps）。2.波特率：它是指每秒钟发送的码元数，单位为波特（baud）。波特率也称波形速率或码元速率。3.信道容量：信道所能支持的最大数据传输速率。4.误码率：它是指传输出错的码元数占传输总码元数的比例。5.吞吐量：单位时间内整个网络能够处理的信息总量，单位是字节/秒或位/秒。6.信道的传播延迟：信号在信道中传播，从源端到达目的端需要一定的时间，这个时间叫做传播延迟。2.2 数据通信方式数据通信方式v主要内容主要内容并行传输与串行传输并行传输与串行传输异步传输与同步传输异步传输与同步传输基带传输与频带传输基带传输与频带传输数据传输方向数据传输方向多路复用技术多路复用技术2.2.1 并行传输与串行传输并行传输与串行传输 v并行传输：并行传输：v如如图图2-32-3所所示示，它它是是一一次次同同时时将将待待传传送送信信号号经经由由n n个个通通信信信信道道同同时时发发送送出出去去。因因此此，并并行行传传输输需需要要n n个个传传输输信信道道，使使待待传传送送信号的各位能同时沿着各自的信道并行地传输。信号的各位能同时沿着各自的信道并行地传输。图图2-3 并行通信并行通信2.2.1 并行传输与串行传输并行传输与串行传输 v串行传输：串行传输：v如如图图2-42-4所所示示，它它是是指指一一位位一一位位地地传传输输，从从发发送送端端到到接接收收端端只只需需要要一一个个通通信信信信道道，经经由由这这条条通通信信信信道道逐逐位位地地将将待待传传送送信信号号的每个二进制代码依次发送。的每个二进制代码依次发送。图图2-4 串行通信串行通信2.2.2 异步传输与同步传输异步传输与同步传输 图图2-5 异步传输异步传输v异步传输：异步传输：v每每个个字字符符（6-86-8个个二二进进制制位位）作作为为一一个个单单元元独独立立传传输输，字字符符之之间间的的传传输输间间隔隔任任意意。为为了了标标志志字字符符的的开开始始和和结结尾尾，在在每每个个字字符符的的开开始始加加一一位位起起始始位位，结结尾尾加加1 1位位、1.51.5位位或或2 2位位停停止止位位，构构成成一一个个个个的的“字字符符”。起起始始位位对对接接收收方方的的时时钟钟起起置置位位作作用用，接接收收方方时时钟钟置置位位后后只只要要在在8 81111位的传送时间内准确，就能正确接收一个字符。位的传送时间内准确，就能正确接收一个字符。2.2.2 异步传输与同步传输异步传输与同步传输 图图2-6 同步传输同步传输v同步传输：同步传输：v同同步步传传输输方方式式与与异异步步传传输输方方式式不不同同，它它不不是是对对每每一一个个字字符符单单独独进进行行同同步步，而而是是对对一一组组字字符符组组成成的的数数据据块块进进行行同同步步。同同步步的的方方法法不不是是加加一一位位停停止止位位，而而是是在在数数据据块块前前面面加加特特殊殊模模式式的的位位组组合合或或同同步步字字符符（SYNSYN），并并且且通通过过位位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。2.2.3 基带传输与频带传输基带传输与频带传输 v基基带带传传输输：在数据通信中，人们把矩形脉冲信号叫做基带信号。在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输。v频频带带传传输输：人们把利用模拟信道传输数据信号的传输方式叫做频带传输。v宽宽带带传传输输：在频带传输中，如果调制成的模拟信号的频率比音频范围还宽，则称为宽带传输。例如在有线电视网上通过线缆调制解调器进行高速的数据通信，则称为宽带传输。2.2.4 数据传输方向数据传输方向 v按按数数据据传传输输方方向向来来分分，数数据据传传输输方方式式可可以以分分为为单单工工、半半双工和全双工三种方式：双工和全双工三种方式：l l单单工工：信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。发送方不能接收，接收方不能发送。例如，无线电广播和电视广播都是单工通信的例子。l l半半双双工工：信号可以双向传送，但必须交替进行，一个时间只能向一个方向传送。例如，航空和航海无线电台以及对讲机都是以这种方式通信的。l l全全双双工工：信号可以双向同时传送，例如现代的电话通信就是以这种方式通信的。2.2.5 多路复用技术多路复用技术1 1 频分多路复用频分多路复用 2 2 时分多路复用时分多路复用 3 3 波分多路复用波分多路复用 4 4 码分多路复用码分多路复用1 频分多路复用频分多路复用图图2-7 频分多路复用频分多路复用v 当当介介质质的的有有效效带带宽宽超超过过传传输输信信号号带带宽宽时时，可可以以把把多多个个信信号号调调制制在在不不同同的的载载波波频频率率上上，从从而而在在同同一一介介质质上上实实现现同同时时传传送送多多路路信信号号，即即将将信信道道的的可可用用频频带带（带带宽宽）按按频频率率分分割割多多路路信信号号的的方方法法划划分分为为若若干干互互不不交交叠叠的的频频段段，每每路路信信号号占占据据其其中中一一个个频频段段，从从而而形形成成许许多多个个子子信信道道，如如图图2-72-7所所示示；在在接接收收端端用用适适当当的的滤滤波波器器将将多多路路信信号号分分开开，分分别别进进行行解解调调和和终终端端处处理理，这这 种种 技技 术术 称称 为为 频频 分分 多多 路路 复复 用用（FDMFDM，Frequency Frequency Division Division MultiplexingMultiplexing）。）。图图2-8 频分多路复用系统原理频分多路复用系统原理2 时分多路复用时分多路复用图图2-9 TDM子信道子信道v 将将传传输输时时间间划划分分为为许许多多个个短短的的互互不不重重叠叠的的时时隙隙，而而将将若若干干个个时时隙隙组组成成时时分分复复用用帧帧，用用每每个个时时分分复复用用帧帧中中某某一一固固定定序序号号的的时时隙隙组组成成一一个个子子信信道道，每每个个子子信信道道所所占占用用的的带带宽宽相相同同，每每个个时时分分复复用用帧帧所所占占的的时时间间也也是是相相同同的的（如如图图2-92-9所所示示），即即在在同同步步TDMTDM中中，各各路路时时隙隙的的分分配配是是预预先先确确定定的的时时间间且且各各信信号号源源的的传传输输定定时时是是同同步步的的。对对于于TDMTDM，时时隙隙长长度度越越短短，则则每每个个时时分分复复用用帧帧中中所所包包含含的的时时隙隙数数就就越越多多，所所容容纳纳的的用用户户数数也也就就越越多多，其其原原理如图理如图2-102-10所示。所示。图图2-10 TDM原理原理3 波分多路复用波分多路复用v波波分分多多路路复复用用:是是指指在在一一根根光光纤纤上上能能同同时时传传送送多多个个波波长长不不同同的的光光载载波波的的复复用用技技术术。通通过过WDMWDM，可可使使原原来来在在一一根根光光纤纤上上只只能能传传输输一一个个光光载载波波的的单单一一光光信信道道，变变为为可可传传输输多多个个不不同同波波长长光光载载波波的的光光信信道道，使使得得光光纤纤的的传传输输能能力力成成倍倍增增加加，也也可可以以利利用用不不同波长沿不同方向传输来实现单根光纤的双向传输。同波长沿不同方向传输来实现单根光纤的双向传输。v 此此 外外，还还 有有 光光 频频 分分 多多 路路 复复 用用（optical optical frequency frequency division division multiplexingmultiplexing，OFDMOFDM）、密密 集集 波波 分分 多多 路路 复复 用用（dense dense wave wave division division multiplexingmultiplexing，DWDMDWDM）、光光时时分分多多路路复复用用（optical optical time time division division multiplexingmultiplexing，OTDMOTDM）、光光码码分分多多路路复复用用（optical optical code code division division multiplexingmultiplexing，OCDMOCDM）技术等。技术等。4 码分多路复用码分多路复用v码码分分多多路路复复用用(code(code divisionmultiplexingdivisionmultiplexing，CDMCDM）是一种用于移动通信系统的新技术，CDM利用扩频通信中的不同码型的扩频码之间的相关性，为每个用户分配一个扩频编码，以区别不同的用户信号。发送端可用不同的扩频编码，分别向不同的接收端发送数据；同样，接收端用不同的进行解码，就可得到不同发送端送来的数据，实现了多址通信。CDM的特点是频率和时间资源均为共享。2.3 数据交换技术数据交换技术v主要内容：主要内容：电路交换电路交换 报文交换报文交换分组交换分组交换高速交换技术高速交换技术2.3.1 电路交换电路交换 v使使用用电电路路（线线路路）交交换换（Circuit Circuit SwitchingSwitching）方方式式，就就是是通通过过网网络络中中的的节节点点在在两两个个站站之之间间建建立立一一条条专专用用的的通通信信线线路路。最最普普通通的的线线路路交交换换例例子子是是电话系统。电话系统。v线路交换方式的通信包括三种状态：线路交换方式的通信包括三种状态：（1 1）线路建立）线路建立 （2 2）数据传送）数据传送 （3 3）线路拆除）线路拆除 2.3.1 电路交换电路交换 v电路交换特点：电路交换特点：（1 1）线线路路交交换换中中的的每每个个节节点点都都是是电电子子式式或或电电子子机机械械式式的的交换设备，它不对传输的信息进行任何处理；交换设备，它不对传输的信息进行任何处理；（2 2）数据传输开始前必须建立两个工作站之间实际的物）数据传输开始前必须建立两个工作站之间实际的物理连接，然后才能通信；理连接，然后才能通信；（3 3）通道在连接期间是专用的，线路利用率较低；）通道在连接期间是专用的，线路利用率较低；（4 4）除链路上的传输延时外，不再有其他的延时，在每）除链路上的传输延时外，不再有其他的延时，在每个结点的延时是很小的；个结点的延时是很小的；（5 5）整个链路上有一致的数据传输速率，连接两端的通）整个链路上有一致的数据传输速率，连接两端的通信节点必须同时工作信节点必须同时工作 。2.3.2 报文交换报文交换 v报文交换报文交换（Message ExchangingMessage Exchanging）v采采取取 “存存储储-转转发发”（Store-and-ForwardStore-and-Forward）数数据据以以报报文文（MessageMessage）的的方方式式发发出出，报报文文中中除除包包括括用用户户所所要要传传送送的的信信息息外外，还还有有源源地地址址和和目目的的地地址址等等信信息息。报报文文从从源源节节点点发发出出后后，经经过过一一系系列列的的中中间间节节点点到到达达目目的的节节点点。各各中中间间节节点点收收到到报报文文后后，先先暂暂时时存存储储起起来来，然然后后分分析析目目的的地地址址、选选择择路路由由并并排排队队等等候候，待待需需要要的的线线路路空空闲闲时时将将它它转转发发到到下下一一个个节节点点，并并最最终终到到达达目目的的节节点点。其其中中的的交交换换节节点点要要有有足足够够大大的的存存储储空空间间，用用以以缓缓冲冲收收到到的的长长报报文文。交交换换节节点点对对各各个个方方向向上上收收到到的的报报文文排排队队，寻寻求求下下一一个个转转发发节节点点，然后转发出去。然后转发出去。2.3.2 报文交换报文交换 v报文交换比线路交换有以下优点：报文交换比线路交换有以下优点：（1 1）线线路路效效率率较较高高，因因为为许许多多报报文文可可以以分分时时共共享享一一条条节节点点到节点的通道。到节点的通道。（2 2）不不需需要要同同时时使使用用发发送送器器和和接接收收器器来来传传输输数数据据，网网络络可可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。（3 3）在在线线路路交交换换网网上上，交交换换网网络络仍仍可可接接收收报报文文，只只是是传传输输延迟会增加。延迟会增加。（4 4）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。（5 5）根根据据报报文文的的长长短短或或其其他他特特征征能能够够建建立立报报文文的的优优先先权权，使得一些短的、重要的报文优先传递。使得一些短的、重要的报文优先传递。（6 6）报文交换网可以进行速度和代码的转换。）报文交换网可以进行速度和代码的转换。2.3.3 分组交换分组交换 v分组交换（分组交换（Packet SwitchingPacket Switching）兼有报文交换和线路交换的兼有报文交换和线路交换的优点。分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的优点。分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度。分组交换包括数据报和虚电路两种方法。度。分组交换包括数据报和虚电路两种方法。v在数据报中，每个数据包被独立地处理，每个节点根据一个在数据报中，每个数据包被独立地处理，每个节点根据一个路由选择算法，为每个数据包选择一条路径，使它们的目的路由选择算法，为每个数据包选择一条路径，使它们的目的地相同。地相同。v在虚电路中，数据在传送以前，发送和接收双方在网络中建在虚电路中，数据在传送以前，发送和接收双方在网络中建立起一条逻辑上的连接，但它并不是像电路交换中那样有一立起一条逻辑上的连接，但它并不是像电路交换中那样有一条专用的物理通路，该路径上各个节点都有缓冲装置，服从条专用的物理通路，该路径上各个节点都有缓冲装置，服从于这条逻辑线路的安排，也就是按照逻辑连接的方向和接收于这条逻辑线路的安排，也就是按照逻辑连接的方向和接收的次序进行输出排队和转发，这样每个节点就不需要为每个的次序进行输出排队和转发，这样每个节点就不需要为每个数据包作路径选择判断，就好像收发双方有一条专用信道一数据包作路径选择判断，就好像收发双方有一条专用信道一样。样。三种数据交换技术的比较三种数据交换技术的比较 v三三种数据交换技术总结如下：种数据交换技术总结如下：（1 1）电电路路交交换换：在在数数据据传传送送之之前前需需建建立立一一条条物物理理通通路路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有。在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有。（2 2）报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储）报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。转发的方式。（3 3）分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分）分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文。重新将分组组装成报文。2.3.4 混合交换混合交换 v 混合交换采用动态时分复用技术，将一部分带宽混合交换采用动态时分复用技术，将一部分带宽分配给电路交换用，而将另一部分带宽分配给分组分配给电路交换用，而将另一部分带宽分配给分组交换用。典型的交换用。典型的ATMATM（Asynchronous Transfer Asynchronous Transfer ModeMode，异步传输模式）、异步传输模式）、DQDBDQDB（分布式队列双总线）分布式队列双总线）等均属混合交换，它们同时提供等时电路交换和分等均属混合交换，它们同时提供等时电路交换和分组交换服务。组交换服务。FRFR（Frame RelayFrame Relay，帧中继）交换是帧中继）交换是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换技术。在分组交换技术上发展起来的快速分组交换技术。2.4 差错控制技术差错控制技术v主要内容：主要内容：错误产生原因及控制方法错误产生原因及控制方法 奇偶校验码奇偶校验码海明码海明码循环冗余校验码循环冗余校验码2.4.1 错误产生原因及控制方法错误产生原因及控制方法 v错误产生的原因：错误产生的原因：（1 1）由热噪声引起的随机错误）由热噪声引起的随机错误（2 2）由冲击噪声引起的突发错误）由冲击噪声引起的突发错误v差错控制编码：差错控制编码：差错控制编码是指发送端在发送数据之前，先向差错控制编码是指发送端在发送数据之前，先向数据块中加入一些冗余信息，使数据块中的数据建立数据块中加入一些冗余信息，使数据块中的数据建立某种形式的关联，接收端通过验证这种关联关系是否某种形式的关联，接收端通过验证这种关联关系是否存在，来判断数据在传输过程中是否出错，这种在数存在，来判断数据在传输过程中是否出错，这种在数据块中加入冗余信息的过程称为差错控制编码。据块中加入冗余信息的过程称为差错控制编码。2.4.2 奇偶校验码奇偶校验码 v奇偶校验码（奇偶校验码（Parity CodeParity Code）：v 奇偶校验是一种简单有效的校验方法。这种方法通奇偶校验是一种简单有效的校验方法。这种方法通过在编码中增加一位校验位来使编码中过在编码中增加一位校验位来使编码中1 1的个数为奇数的个数为奇数（奇校验）或都为偶数（偶校验）。（奇校验）或都为偶数（偶校验）。v目前常的奇偶校验码有三种：目前常的奇偶校验码有三种：（1）水平奇偶校验码（2）垂直奇偶校验码（3）水平垂直校验码1 水平奇偶校验码水平奇偶校验码v【例例2-12-1】字字符符“word”word”，其其ASCIIASCII编编码码对对应应的的二二进进制制串串为为：1110111 1110111 1101111 1101111 1110010 1110010 11001001100100。其其水水平平偶偶校校验验和和水水平平奇奇校验码如表校验码如表2-12-1所示。所示。表表2-1 水平奇偶校验码水平奇偶校验码 2 垂直奇偶校验码垂直奇偶校验码v【例例2-22-2】对对于于3232位位数数据据0111011101101111011100100110010001110111011011110111001001100100。其其垂垂直直偶偶校验和垂直奇校验码如表校验和垂直奇校验码如表2-22-2所示。所示。表表2-2 垂直奇偶校验码垂直奇偶校验码 3 水平垂直校验码水平垂直校验码v【例例2-32-3】对对于于3232位位数数据据0111011101101111011100100110010001110111011011110111001001100100。其其水水平平垂垂直奇校验和偶校验码如表直奇校验和偶校验码如表2-32-3所示。所示。表表2-3 水平垂直奇校验和偶校验码水平垂直奇校验和偶校验码 2.4.3 循环冗余校验码循环冗余校验码 v循循环环冗冗余余校校验验码码广广泛泛用用于于数数据据通通信信领领域域和和磁磁介介质质存存储储系系统统中中，它它利利用用生生成成多多项项式式为为k k个个数数据据位位产产生生r r个个校校验验位位来来进进行行编编码码，其编码长度为其编码长度为k+rk+r。vCRCCRC的代码格式为：的代码格式为：2.4.3 循环冗余校验码循环冗余校验码v【例例2-42-4】设设数数据据为为10110101011010，生生成成多多项项式式为为g g（x x）x x4 4+x+1+x+1，采采用（用（7 7，（，（3 3）码，即）码，即k=3k=3，r r4 4，求数据求数据10110101011010的的CRCCRC编码。编码。v 求解过程如下：求解过程如下：余数多项式对应的校验码为：余数多项式对应的校验码为：余数多项式对应的校验码为：余数多项式对应的校验码为：1111,1111,1111,1111,所求的所求的所求的所求的CRCCRCCRCCRC编码为编码为编码为编码为10110101111101101011111011010111110110101111。2.5 练练 习习 题题 1.试分析数据与信号的区别。试分析数据与信号的区别。2.数据通信有哪几种同步方式？它们各自的优缺点是什么？数据通信有哪几种同步方式？它们各自的优缺点是什么？3.主要的数据复用技术有那些？它们各自的适用范围是什么？主要的数据复用技术有那些？它们各自的适用范围是什么？4.什么是单工、半双工和全双工？它们分别适用于什么场合？什么是单工、半双工和全双工？它们分别适用于什么场合？5.什么是基带、频带和宽带传输？什么是基带、频带和宽带传输？6.简述虚电路交换原理，并比较它与数据报交换方式的区别。简述虚电路交换原理，并比较它与数据报交换方式的区别。7.分别采用奇校验和偶校验，计算下列数据的校验位：分别采用奇校验和偶校验，计算下列数据的校验位：（1）1011011（2）01101018.如果接收方收到数据如果接收方收到数据1001101011，对它进行海明码校验时，结果，对它进行海明码校验时，结果为为1001。问哪一位出错了？正确的代码是什么？。问哪一位出错了？正确的代码是什么？9.传输数据为传输数据为1101001，生成多项式为，生成多项式为g（x）x4+x3+1，求，求g（x）所对应的二进制比特串，并计算）所对应的二进制比特串，并计算CRC码。码。