第2章计算机网络基础课件.pptx

第第 2 2 章章 数据通信基础数据通信基础本章重点：通信方式；传输媒体；信号调制技术；差错控制技术第1页/共42页2.1 2.1 数据通信基本知识数据通信基本知识本讲重点：通信方式；数字通信与模拟通信。第2页/共42页一、通信方式一、通信方式单向传输且固定传输方向单向传输且固定传输方向任一时刻只能单向传输任一时刻只能单向传输但可以改变传输方向但可以改变传输方向允许同时进行双向传输允许同时进行双向传输第3页/共42页二、数字通信和模拟通信二、数字通信和模拟通信数字信号和模拟信号的区别n数字信号和模拟信号失真原因数字信号和模拟信号失真原因n数字信号再生和模拟信号放大过程数字信号再生和模拟信号放大过程n数字信号优于模拟信号的地方数字信号优于模拟信号的地方n数字信号适用环境数字信号适用环境第4页/共42页数字信号和模拟信号的区别数字信号和模拟信号的区别用两种电平表示数字用两种电平表示数字0 0和和1 1的信号。的信号。幅度连续的信号。幅度连续的信号。二、数字通信和模拟通信二、数字通信和模拟通信第5页/共42页数字和模拟信号失真的原因数字和模拟信号失真的原因失真从字义上理解是指失真从字义上理解是指信号发生了变化。但这信号发生了变化。但这里是指构成信号的各次里是指构成信号的各次谐波之间关系发生变化。谐波之间关系发生变化。简单的放大无法解决失简单的放大无法解决失真问题。真问题。二、数字通信和模拟通信二、数字通信和模拟通信第6页/共42页数字信号再生过程数字信号再生过程发送和处理设备大多是数字设备。发送和处理设备大多是数字设备。数字信号容易再生，在存在中继电路的情况下，远距数字信号容易再生，在存在中继电路的情况下，远距离传输不失真。离传输不失真。有些物理链路，如光纤适合传输数字信号。有些物理链路，如光纤适合传输数字信号。二、数字通信和模拟通信二、数字通信和模拟通信第7页/共42页数字信号适用环境数字信号适用环境数字信号也是由多数字信号也是由多 次谐波信号构成。次谐波信号构成。同样存在失真，而且传同样存在失真，而且传输速率越高、传输距离越输速率越高、传输距离越远，失真越严重。远，失真越严重。适合高带宽线路，近距适合高带宽线路，近距离传输环境。离传输环境。不适合低带宽线路，远不适合低带宽线路，远距离传输环境：距离传输环境：用户线用户线。无噪声情况下，单次谐波信号只有衰减，无噪声情况下，单次谐波信号只有衰减，没有失真：可用于低带宽线路、远距离没有失真：可用于低带宽线路、远距离传输环境。传输环境。二、数字通信和模拟通信二、数字通信和模拟通信第8页/共42页2.2 2.2 传输媒体传输媒体本讲主要内容：同轴电缆；双绞线；光纤。第9页/共42页主要内容同轴电缆；双绞线；光纤；三种传输媒体的性能区别；传输媒体和网络特性。2.2 2.2 传输媒体传输媒体第10页/共42页一、同轴电缆一、同轴电缆用于总线形以太网；用于总线形以太网；较好的频率特性；较好的频率特性；不易布线。不易布线。中心导体传输信号；中心导体传输信号；外导体屏蔽层作为地线；外导体屏蔽层作为地线；接地好坏影响信号传输质量。接地好坏影响信号传输质量。第11页/共42页二、双绞线二、双绞线用于星形以太网。用于星形以太网。支持全双工通信方式。支持全双工通信方式。容易布线。容易布线。目前常见双绞线有：目前常见双绞线有：5 5类：类：100Mbps100Mbps；5e5e类：类：1000Mbps1000Mbps；6 6类：类：1000Mbps1000Mbps。纽绞在一起的两个导线成为一对双绞线；纽绞在一起的两个导线成为一对双绞线；一对双绞线构成单个信道；一对双绞线构成单个信道；4对双绞线构成线缆；对双绞线构成线缆；双绞线抗干扰。双绞线抗干扰。双绞线质量取决于：导线、纽绞密度、绝缘层和双绞线质量取决于：导线、纽绞密度、绝缘层和外套材料外套材料第12页/共42页三、光纤三、光纤单模光纤用于高速、远距离；单模光纤用于高速、远距离；多模光纤用于低速、近距离；多模光纤用于低速、近距离；适合全双工通信。适合全双工通信。光纤传输光信号过程光纤传输光信号过程光线在光导纤维中全反射；光线在光导纤维中全反射；有光脉冲有光脉冲/无光脉冲表示无光脉冲表示1/0；多模单模光纤的本质是光纤直径；多模单模光纤的本质是光纤直径；光纤直径大，多束光进入，导致色散。光纤直径大，多束光进入，导致色散。第13页/共42页三、光纤三、光纤双绞线双绞线费用低。费用低。距离短（距离短（100m)。光纤光纤适合户外铺设；适合户外铺设；无中继传输距离远；无中继传输距离远；费用高。费用高。第14页/共42页四、三种传输媒体比较四、三种传输媒体比较随着综合布线系统的兴起和普及，星形和树形网络结构成为主流，同轴电缆及对应的总线形网络结构已退出市场；双绞线便宜、铺设方便，但无中继传输距离短、易受电磁干扰；光纤不受电磁干扰、无中继传输距离远、传输速率高，但费用高。第15页/共42页五、传输媒体和网络特性五、传输媒体和网络特性传输媒体和网络拓扑结构；传输媒体和通信方式；传输媒体和网络通信距离。第16页/共42页传输媒体和网络拓扑结构传输媒体和网络拓扑结构同轴电缆n总线形总线形n星形星形n树形树形n可靠性低可靠性低n冲突域冲突域n轻负荷轻负荷n双绞线双绞线n光纤光纤n可靠性高可靠性高n交换式交换式n交换到无限交换到无限五、传输媒体和网络特性五、传输媒体和网络特性第17页/共42页n距离远距离远n抗电磁干扰好抗电磁干扰好n抗压、抗渗透强抗压、抗渗透强传输媒体和网络传输距离传输媒体和网络传输距离同轴电缆双绞线n距离短距离短n电磁环境要求高电磁环境要求高n抗压、抗渗透差抗压、抗渗透差n范围小范围小n室内室内n低速率低速率n光纤光纤n城域网城域网n校园网校园网n高速率高速率五、传输媒体和网络特性五、传输媒体和网络特性第18页/共42页n全双工全双工传输媒体和通信方式传输媒体和通信方式双绞线光纤n半双工半双工n冲突域冲突域n距离短距离短n轻负荷轻负荷n同轴电缆同轴电缆n交换式交换式n光纤远距离光纤远距离n交换到无限交换到无限n综合布线系统综合布线系统五、传输媒体和网络特性五、传输媒体和网络特性第19页/共42页2.3 2.3 信号调制技术信号调制技术本讲主要内容引入信号调制技术的原因；振幅键控调制技术；移频键控调制技术；移相键控调制技术；正交幅度调制技术。第20页/共42页一、引入信号调制技术的原因一、引入信号调制技术的原因基带信号由多次谐波信号组成；多次谐波信号构成的带宽和基带信号传输速率成正比；信号失真与信号频率范围与传输距离成正比。低带宽、远距离信道不适合传输基带信号！第21页/共42页将数字信号转换成单次谐波将数字信号转换成单次谐波信号后，通过类似用户线这信号后，通过类似用户线这样的低带宽、远距离线路进样的低带宽、远距离线路进行传输。行传输。数字通信由于失真问题，数字通信由于失真问题，只适合高带宽线路，近距只适合高带宽线路，近距离传输环境。离传输环境。存在需要较远距离无中存在需要较远距离无中继通信且线路带宽较低的继通信且线路带宽较低的应用环境，如：应用环境，如：用户线用户线。无噪声情况下，单次谐波信号只有衰减，无噪声情况下，单次谐波信号只有衰减，没有失真：可用于低带宽线路、远距离没有失真：可用于低带宽线路、远距离传输环境。传输环境。这种将数字信号转换成单次这种将数字信号转换成单次谐波信号的技术就是信号调谐波信号的技术就是信号调制技术。制技术。一、引入信号调制技术的原因一、引入信号调制技术的原因第22页/共42页调制解调技术调制技术是将数字信号转换成模拟信号的技术，解调技术则是将模拟信号转换成数字信号的过程。数字信号是直接表示二进制数0 0和1 1的信号，它具有两种不同的状态。而用于调制数字信号的模拟信号是正弦波信号（这里被称为载波信号），它具有三个基本特征：幅值、频率和相位。因此，可用两个基本特征不同的模拟信号表示数字信号的两种不同的状态，因而引出三种基本调制技术：调幅、调频和调相。一、引入信号调制技术的原因一、引入信号调制技术的原因第23页/共42页移幅键控调制技术移幅键控调制技术(ASK)(ASK)数字信号数字信号1 1和和0 0两两种状态。种状态。用一种幅值的载波用一种幅值的载波信号表示信号表示1 1对应的对应的状态。状态。用另一种幅值的载波信号表示用另一种幅值的载波信号表示0 0对对应的状态。但两种载波信号的其他应的状态。但两种载波信号的其他两种特征：频率和相位相同。两种特征：频率和相位相同。如果载波信号频率如果载波信号频率2400Hz,2400Hz,如何计算如何计算数字信号的传输速数字信号的传输速率？率？二、移幅键控调制技术二、移幅键控调制技术第24页/共42页三、移频键控调制技术三、移频键控调制技术移频键控调制技术移频键控调制技术(FSK)(FSK)数字信号数字信号1 1和和0 0两两种状态。种状态。用一种频率的载波用一种频率的载波信号表示信号表示1 1对应的对应的状态。状态。用另一种频率的载波信号表示用另一种频率的载波信号表示0 0对对应的状态。但两种载波信号的其他应的状态。但两种载波信号的其他两种特征：幅值和相位相同。两种特征：幅值和相位相同。第25页/共42页四、移相键控调制技术四、移相键控调制技术移相键控调制技术移相键控调制技术(PSK)(PSK)数字信号数字信号1 1和和0 0两两种状态。种状态。用一种相位的载波用一种相位的载波信号表示信号表示1 1对应的对应的状态。状态。用另一种相的载波信号表示用另一种相的载波信号表示0 0对应对应的状态。两种载波信号的相位差为的状态。两种载波信号的相位差为180180，但其他两种特征：幅值和但其他两种特征：幅值和频率相同。频率相同。调相有绝对相位调相有绝对相位和相对相位之分。和相对相位之分。第26页/共42页五、正交幅度调制技术五、正交幅度调制技术如果采用上述三种调制方法，数字信号的传输速率是无法提高的。如果将在幅度调制方法中，将信号幅值分为4 4级，则可以表示4 4种不同的状态中的一种。而2 2位数字信号可以组合成4 4中不同的状态，因此，一次信号变化可以传输两位二进制数。C=WlogC=Wlog2 2L L C C：数字信号传输速率：数字信号传输速率W W：载波信号带宽：载波信号带宽L L：信号级数：信号级数可以推广到频率调制和相位调制技可以推广到频率调制和相位调制技术中，但由于术中，但由于4kHz4kHz带宽限制，频率调制带宽限制，频率调制的信号级数无法增加。的信号级数无法增加。真能够通过无限增加信号级数来增真能够通过无限增加信号级数来增加数字信号传输速率？加数字信号传输速率？能否通过同时改变幅值和相位增加能否通过同时改变幅值和相位增加信号级数？信号级数？第27页/共42页用4 4种不同相位和4 4种不同的幅值构成1616种不同的信号状态，用来表示4 4位二进制数。五、正交幅度调制技术五、正交幅度调制技术第28页/共42页2.4 2.4 差错控制技术差错控制技术本讲重点差错控制概述；检错码与数据检错；停止等待算法；连续ARQARQ。第29页/共42页一、差错控制概述一、差错控制概述邮政服务系统并不可靠，如何在不可靠的邮政服务系统的基础上，保证寄信人至收信人之间的可靠通信：差错控制技术寄信人寄信人寄信人寄信人邮政服务系统邮政服务系统信件中途丢失。信件中途丢失。信件损坏。信件损坏。收信人检验确认。收信人检验确认。寄信人定时重发。寄信人定时重发。检错、纠错码。检错、纠错码。可靠传输机制。可靠传输机制。第30页/共42页二、检错码与数据检错二、检错码与数据检错常见检错码奇偶效验码：奇数位错。检验和：连续多位错。循环冗余码：多处偶发性连续多位错网络传输错误类型网络传输错误类型n连续多位错连续多位错n多处偶发性错多处偶发性错适用网络通信的检错码适用网络通信的检错码n检验和检验和n循环冗余码循环冗余码第31页/共42页检错码是一组添加的冗余信息；检错码和数据之间存在关联，可以简单表示成：检错码F F（数据）；接收端通过检测检错码和数据的关联是否改变来判别数据是否出错。二、检错码与数据检错二、检错码与数据检错第32页/共42页奇偶校验码奇偶校验码二、检错码与数据检错二、检错码与数据检错11010011数据0检错码奇校验保证数据和检错码中1的位数为奇数11010011数据1检错码偶校验保证数据和检错码中1的位数为偶数如果数据传输过程中出现单位错，或者奇数位错，如果数据传输过程中出现单位错，或者奇数位错，1 1的位数的的位数的奇偶特性将改变，接收端以此检验数据传输是否出错，由于奇偶特性将改变，接收端以此检验数据传输是否出错，由于网络传输的特性是连续多位错，因此，奇偶校验码的检错作网络传输的特性是连续多位错，因此，奇偶校验码的检错作用在网络传输中有限用在网络传输中有限第33页/共42页将数据分成等长的多段，一般1616位为一段，各段数据按照反码运算规则求和，求和结果取反，为检错码；接收端将数据重新求反后按照反码规则求和，并与检验和相加，将相加结果求反，如果求反结果为0 0，表示数据传输中没有出错。能检测出单段数据中的多位错，有可能检测不出分布在多段数据中的多位错。二、检错码与数据检错二、检错码与数据检错数据数据“01230123”=00110000 00110001 00110010 00110011=00110000 00110001 00110010 0011001111001111 1100111011001111 1100111011001101 1100110011001101 1100110010011101 1001101010011101 100110101 110011101 10011011 10011101 10011011 01100010 01100100 01100010 01100100 检错码检错码检验和检验和第34页/共42页循环冗余检验码二、检错码与数据检错二、检错码与数据检错1101001111010011表示成函数表示成函数X X7 7+X+X6 6+X+X4 4+X+1+X+1假定数据假定数据M(X)M(X)，生成函数，生成函数G(X)G(X)，G(X)G(X)最高阶数最高阶数r rR(X)R(X)是是X Xr r M(X)/G(X)M(X)/G(X)的余数，的余数，R(X)R(X)作为检错码作为检错码如果传输过程中没有出错，则如果传输过程中没有出错，则(X(Xr rM(X)M(X)R(X)/G(X)R(X)/G(X)的余数为的余数为0 0通过精心选择通过精心选择G(X)G(X)，可以检测出极大多数连续多位，可以检测出极大多数连续多位错和其他出错情况。错和其他出错情况。第35页/共42页三、停止等待算法三、停止等待算法检错和确认。检错和确认。定时重发。定时重发。序号防止重复接收。序号防止重复接收。效率问题！效率问题！第36页/共42页三、停止等待算法三、停止等待算法源终端至目的终端往返时延20ms20ms。源终端和目的终端连接网络链路传输速率1Gbps1Gbps。数据长度1KB1KB。求连接网络链路传输效率：（传输效率实际传输的字节数/能够传输的字节数）(10(103 3X8)/(10X8)/(109 9X20X10X20X10-3-3)=4X10)=4X10-4-4。传输效率计算举例传输效率计算举例第37页/共42页四、连续四、连续ARQARQ发送窗口的含义。序号范围。不是按序到达的数据帧的处理。接收窗口的含义。连续连续ARQARQ允许发送端在接收允许发送端在接收到确认应答之前连续发送到确认应答之前连续发送多个数据多个数据第38页/共42页发送窗口发送窗口确认前允许发送的数据序号范围链路效率；序号位数；接收端处理能力；网络带宽。四、连续四、连续ARQARQ第39页/共42页接收窗口接收窗口允许接收的未按序到达的数据序号范围选择重传；序号位数。四、连续四、连续ARQARQ第40页/共42页小结小结普遍采用数字通信，但在低带宽、远距离信道上实现模拟通信；采用模拟通信需要将数字信号调制成模拟信号；差错控制采用检错、确认和重传机制；检错通过附加的检错码实现。第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页