第4章数据通信课件电子教案幻灯片.pptx

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1、第第4 4章章 数据通信数据通信通信技术专业教学资源库石家庄邮电职业技术学院通信概论课程目 录 数据通信概述01 数字数据编码02 数据传输03 数据交换04 数据通信网054.1 数据通信概述数据通信概述v4.1.1 数据通信的概念及特点数据通信的概念及特点v4.1.2 数据通信系统组成数据通信系统组成v4.1.3 数据通信网络互连数据通信网络互连v4.1.4 通信协议通信协议v4.1.5 IP地址地址4.1.1 数据通信的概念及特点数据通信的概念及特点v数据通信是通信技术和计算机技术相结合产生的一种通信方式。v数据通信通过数据传输信道将数据终端与数据通信网络联结起来，而使不同地点的数据终端

2、实现软、硬件和信息资源的共享。数据通信的特点数据通信的特点v实现的计算机之间或计算机与人之间的通信，需要定义严格的通信协议或标准。v数据传输的准确性和可靠性高误码率小于109 ，而语音和电视系统只有103。v传输速率高v通信持续时间差异较大，传输流量具有突发性 v数据通信具有灵活的接口功能，以满足各式各样的计算机和终端间的相互通信。4.1.2 数据通信系统组成数据通信系统组成v数据通信系统由三部分组成：计算机、数据电路终接设备（DCE）、数据传输信道。计算机由数据输入设备、输出设备CPU/存储器和通信控制器组成。数据电路由传输信道及其两端的数据电路终接设备（DCE）组成，完成数据传输的功能。图

3、4-2 数据通信系统的组成v（1）计算机）计算机v数据输入、输出设备是操作人员与终端之间的界面。vCPU是中央处理器，存储器用来存储计算机信息的。v通信控制器是数据电路和计算机系统的接口。v（2）数据电路终接设备（）数据电路终接设备（DCE）v信号变换器和其他的网络通信设备又统称为数据电路终接设备（Data Circuit-terminating Equipment，DCE）。v（3）传输信道）传输信道v传输信道是信息在信号变换器之间传输的通道。（a）同轴电缆（d）电缆（c）网线（b）光缆图4-6传输介质实例v（4）数据电路与数据链路）数据电路与数据链路v数据电路是传输信道加上两端的DCE设备

4、，实现数据传输功能。v数据链路是在数据电路基础上，加上通信控制规程以实现可靠的数据传输。4.1.3 数据通信网络互连数据通信网络互连v数据通信网可以按照覆盖范围划分为局域网（LAN）、城域网（MAN)、广域网（WAN) 。v1、局域网v局域网（LAN：Local Area Network）通常为某一单位私有网络，覆盖范围小于20公里。v常用的局域网拓扑结构有：星型、总线型。v通信介质有：网线、光纤等。1、局域网、局域网2、城域网、城域网v城域网（MAN）覆盖整个城市，覆盖范围在几公里几百公里之间。一般为公有网络，也有由大企业组成的私有网络，如某个城市的教育城域网如图所示。v功能：向各分散的局域

5、网提供服务，使用户能有效地利用网上资源。v传输媒介主要是光纤。2、城域网、城域网3、广域网、广域网v广域网（WAN ）是覆盖范围较广的数据通信网络。它常利用公共网络系统提供的便利条件进行传输，可以分布在一个城市、一个国家乃至全球范围。覆盖范围在几公里几千公里，如北京某局域网与广州和上海局域网通过广域网连接在一起，如图所示。v广域网一般为公有网，但一些跨国的大公司建立的企业网拥有自己的广域网，如Lucent， Cisco、华为等。v广域网的拓扑结构根据定位不同，结构有所不同。骨干网络采用分布或网状结构；基层网与本地网采用树型或星型连接。3、广域网、广域网4、 网络互连设备网络互连设备v交换机（S

6、witch）v路由器（Router）v网关（Gateway）网关网关图4-11 网关的功能示意图互联网由局域网和广域网组成互联网 局域网局域网广域网路由器结点交换机相距较远的局域网通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网 4.1.4 通信协议通信协议1、 通信协议通信协议通信协议：通信双方完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。协议的三要素：vWhat（语义）vHow（语法）vWhen（时序）2、 网络体系分层结构网络体系分层结构图4-14 网络层次结构3、开放系统互连参考模型（、开放系统互连参考模型（OSI参考模型）参考模型）物理层 链路层网络层 传 输层会话层 表示层 应用层 v

7、国际标准化组织ISO于1981年制定了开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI/RM）。v每层完成一定的功能，每层都直接为其上层提供服务，并且所有层次都互相支持。OSI的数据流向的数据流向OSI参考模型与邮寄流程的比较参考模型与邮寄流程的比较图4-17 OSI参考模型与邮寄流程的比较示意图邮路海陆空邮路邮区中心局邮件分检层邮政传输层实现投递层异类邮件处理层综合服务层传递以邮袋为单位的物品或信件链路层1234567网络层传输层会话层表示层应用层物理层分检：按路径分类包裹或信件，并进行转运处理总包运输实现一次投递传送不同类

8、邮件的标准化处理提供各种便民服务、如邮包、信函等提供各种应用服务，如FTP、QQ等处理异类数据的表示、格式转换及安全实现一次连接的通信操作提供下接、上传数据操作提供连接和路由选择操作传输以帧为单位的数据包通过物理介质，传送、接收原始的比特流4、TCP/IP协议簇协议簇vTCP/IP协议簇是一组协议，它由100多种相互关联的协议组成，其中：TCP协议和IP协议为核心协议。vTCP/IP（Transmission control protocol/ Internet protocol，传输控制协议/网际协议）是一种网际互联通信协议，其目的在于实现网际间各种异构网络和异种计算机的互联通信。vIP协议

9、负责数据的传输，TCP协议负责数据传输的可靠性。4.1.5 IP地址地址v1、IPv4地址vIPv4地址由32位二进制比特组成，每8位为一段，共分为4段，段间用“.”分隔。为了易于阅读，IP地址的每一段表示为其对应的十进制数字，称为“点分十进制”表示形式。例如“211.70.248.3” 。v分类的IPv4地址分为A、B、C、D、E五类。IPv4地址分类及结构地址分类及结构v1126属A类地址，128191 属B类地址，192223属C类地址，224239 D类地址。4.1.5 IP地址地址v2、IPv6地址vIPv6地址128位长，用冒号将128比特分割成8个16比特的部分，每个部分包括4位

10、的16进制数字。 例如：3ffe:3700:1100:0001:d9e6:0b9d:14c6:45eev冒号十六进制记法可以允许零压缩v冒号十六进制记法可结合有点分十进制记法的后缀4.2 数据编码数据编码v4.2.1 信源编码信源编码v4.2.2 信道编码信道编码4.2.1 信源编码信源编码v信源编码（提高有效性）（1）模拟信号数字化（2）提高信源的效率、去除冗余度v信道编码 （提高可靠性）（1）将信号变换为适合信道传输的信号（2）增加纠错能力，减少差错4.2.1 信源编码信源编码波形编码是直接把时域波形变换为数字代码序列，比特率通常在16 kb/s64 kb/s范围内，接收端重建信号的质量好

11、。（PCM、ADPCM、DM）参量编码是利用信号处理技术，提取语音信号的特征参量， 再变换成数字代码，其比特率在4.8 kb/s以下，但接收端重建(恢复)信号的质量不够好。（LPC）混合编码是介于波形编码和参量编码之间的一种编码，即在参量编码的基础上,引入了一定的波形编码的特征,来达到改善自然度的目的,其比特率4.8kb/s 16 kb/s。（RPELPC）4.2.2 信道编码信道编码v1、信道编码基本原理v差错控制编码是通过增加冗余码来达到提高可靠传输的目的的。正如生活中我们运送货物，需要为货物打好包装，易碎的物品放在箱子内，再放入减震装置一样，这样做的目的是为了货物不丢失或不容易破碎。4.

12、2.2 信道编码信道编码v2、信道编码分类v（1）按码组的功能分，有检错码和纠错码两类。v（2）按码组中监督码元与信息码元之间的关系分，有线性码和非线性码两类。v（3）按照信息码元与监督码元的约束关系，又可分为分组码和卷积码两类。4.3 数据传输数据传输v4.3.1数据传输类型及方式数据传输类型及方式v4.3.2数据通信系统的主要质量指标数据通信系统的主要质量指标4.3.1数据传输类型及方式数据传输类型及方式常见的数据传输分类形式有：v模拟传输和数字传输v串行传输和并行传输v同步传输和异步传输v基带传输和频带传输v单工、半双工和全双工传输1、串行传输和并行传输、串行传输和并行传输并行传输：数据

13、在一条信道上按位依次传输的方式称为串行传输（见图4-22）。串行传输：数据在多条信道上同时传输的方式称为并行传输（见图4-23）。2、同步传输和异步传输、同步传输和异步传输 异步传输又称起止同步法，是面向字符的传输，即每传送一个字符都要求在字符码前面加一个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验码后面加一个停止位，表示字符结束（见图4-24（a）。 同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，在同步传输中，数据的发送一般以组（或帧）为单位，在组或帧的开始和结束需加上预先规定的起始序列和结束序列作为标志。有两种同步方式，即字符同步和帧同步，分别如图4-24（b）和图4-24（c）所示。 图

14、4-24 异步传输和同步传输示意图3、基带传输和频带传输、基带传输和频带传输基带：电信号所固有的基本频带，基带通常从直流和低频开始。频带：将信号进行调制，利用载波运载所要传输的信号，接收端解调，恢复原来的信号。图4-25基带传输示意图 图4-27频带传输示意图基带信号编码基带信号编码数字调制数字调制4、单工、半双工和全双工、单工、半双工和全双工4.3.2数据通信系统的主要质量指标数据通信系统的主要质量指标数据通信系统的主要质量指标包括：v传输速率v误码率v信道容量v带宽1、传输速率、传输速率（1）信息传输速率）信息传输速率 ：单位时间内所传递的信息量（二进制代码的有效位数）。 信息传输速率Rb

15、简称比特率等。它表示单位时间内传递的平均信息量或比特数，单位是比特/秒，可记为bit/s ，或 b/s ，或bps。NTRb2log11、传输速率、传输速率（2）码元传输速率）码元传输速率 （又称波特率）：它表示单位时间内传输码元的数目，简称符号速率，单位是波特（Baud），记为B。 式中，N为码元的进制数。例如码元速率为1200B，采用八进制（N=8）时，信息速率为3600bit/s；采用二进制（N=2）时，信息速率为1200bit/s，可见，二进制的码元速率和信息速率在数量上相等。TRB1NRRBb2log2、误码率、误码率指接收码元中错误码元数占传输总码元数的比例。接收总码元数接收码元中

16、错误码元数eP3、信道容量、信道容量表征一个信道传输数据的最大能力，单位：bit/s、bps。（1）奈奎斯特定理（Nyquist）-数字通信系统（2）香农定理（Shannaon）-模拟通信系统NC2logB2NSC1logB24、带宽、带宽v在通信领域里，带宽的意思就是指信息传输能力。 模拟系统：用赫兹(Hz)来表示 模拟设备的带宽就是模拟介质传输所使用的最高频率和最低频率之差。 数字系统：每秒所传输的信息量来计量(bit/s) ADSL上网的速率: 上行：3.5Mbit/s 下行：24Mbit/s 以太网上网的速率: 10Mbit/s 、100Mbit/s 到桌面4.4 数据交换数据交换v4

17、.4.1电路交换电路交换v4.4.2分组交换分组交换v4.4.3ATM交换交换v4.4.4IP交换交换v4.4.5MPLS交换交换4.4.1电路交换电路交换v电路交换是最早出现的一种交换方式。v电路交换要求输入线与输出线建立一条物理通道。 直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方 。v电路交换基本过程包括呼叫建立、信息传递、电路拆除三个阶段。网络节点通信终端电路交换的特点电路交换的特点v（1）优点：数据传输可靠、迅速，数据不会丢失且保持原来的序列。v（2）缺点：在某些情况下，电路空闲时的信道容易被浪费；在短时间数据传输时电路建立和拆除所用的时间得不偿失。v因此，它适用于系统间要求高质量的大量

18、数据传输的情况。4.4.2分组交换分组交换v1、分组交换的原理v2、分组交换采用的路由方式v3、分组交换的特点v4、电路交换和分组交换的比较1、分组交换的原理、分组交换的原理v分组交换的原理是：信息以分组为单位进行存储转发。源节点把报文分为若干个分组，在中间节点存储转发，目的节点再按发端顺序把分组合成报文。2、分组交换采用的路由方式、分组交换采用的路由方式v分组交换采用的路由方式有：数据报（datagram）和虚电路（virtual circuit）方式。v（1）数据报 每个分组被独立地传输v（2）虚电路 在数据传输前，通过发送呼叫请求分组建立端到端的虚电路；一旦建立，同一呼叫的数据分组沿这一

19、虚电路传送；呼叫终止，清除分组拆除虚电路。 虚电路方式的连接为逻辑连接，并不独占线路。3、分组交换的特点、分组交换的特点v（1）传输质量高。v（2）可靠性高。v（3）可实现不同种类终端之间的通信。v（4）分组多路通信。v（5）技术实现较复杂。4、电路交换和分组交换的比较、电路交换和分组交换的比较4.4.3ATM交换交换v1、ATM信元vATM技术将数字化话音、数据及图像等所有的数字信息分割成固定长度的数据块，在每个数据块前加上一个包含地址等控制信息的信元头，从而构成一个信元（Cell），实际上是固定长度的分组。每个信元包含5字节的信息头与48字节的信息段。v以53字节的等长信元为传输单位。4.

20、4.3ATM交换交换v1、ATM信元A信 息队列已分配信元：A，B未分配信元：t5个字节ATM信元ATM复用线BAAABA信头净荷48个字节4.4.3ATM交换交换v2、ATM的虚电路v虚通道（Virtual Channel，VC）v虚路径（Virtual Path，VP）4.4.3ATM交换交换v3、ATM交换原理4.4.3ATM交换交换v3、ATM交换原理4.4.4IP交换交换vIP交换的产生背景是IP技术与ATM技术在宽带多媒体通信中的竞争和融合。vIP交换（IP Switch）是Ipsilon公司开发的一种高效的IP over ATM技术。v将网络交换机（L2层）的速度和路由器（L3层

21、）的灵活性结合起来，这就是IP交换，也称为第三层交换。v“路由一次，交换多次”。IP交换模型交换模型特性重叠模型集成模型地址二套（IP和ATM地址）一套（IP地址）选路协议IP和ATM选路协议IP选路协议地址解析功能需要不需要ATM信令需要不需要IP映射至直通连接专用协议不需要需要实例IPOA、LANE、MPOAIP交换、标记交换、ARIS、MPLSIP交换的工作原理交换的工作原理v（1）对默认信道上传来的数据分组进行存储转发v（2）向上游节点发送改向消息v（3）收到下游节点的改向消息v（4）在ATM直通连接上传送分组4.4.5MPLS交换交换v多协议标签交换（Multiprotocol La

22、bel Switch，MPLS）技术是IP交换的一种。vMPLS交换已成为IP网络运营商提供增值业务的主要手段。1、MPLS网络结构网络结构vMPLS网络由核心部分的标签交换路由器（Label Switched Router ，LSR）和接入部分的标签边缘路由器（Label Edge Router，LER）组成。2、MPLS网络中的标签交换过程网络中的标签交换过程3、MPLS的标签的标签vMPLS的包头结构包括20bit的标签，3bit的EXP（实验字段），1bit的S（栈底指示符）和8bit的TTL（Time To Live，生存期字段）。4.5 数据通信网数据通信网v4.5.1数据通信网的

23、发展及网络结构数据通信网的发展及网络结构v4.5.2Internetv4.5.3数据中心数据中心4.5.1数据通信网的发展及网络结构数据通信网的发展及网络结构专线或电报专线或电报发展年代发展年代60年代年代70年代年代80年代年代话 音 容 量 加倍FRN、ATM、Internet90年代年代分组交换及分组交换及DDNLAN及及ISDN在数据网络发展早期我们经历了中国公用分组交换数据网（CHINAPAC）、中国公用数字数据网（CHINADDN）、中国公用帧中继网（CHINAFRN）等多个基础数据网络的发展阶段。数据通信网的网络结构数据通信网的网络结构4.5.2Internetv1、Intern

24、et的起源v2、Internet的应用v3、中国的Internet骨干网1、Internet的起源的起源t1、Internet的起源的起源A网络B网络路由器云图4-46 互联网示意图C网络2、Internet的应用的应用v（1）收发电子邮件v（2）上网浏览或冲浪v（3）查询信息v（4）电子商务v（5）SOHO（小型家庭办公室)v（6）丰富人们的闲暇生活3、中国的、中国的Internet骨干网骨干网v初期的中国四大Internet骨干网有：CHINANET（中国公用计算机互联网）、CHINAGBN（中国金桥信息网）、CERNET（中国教育和科研计算机网）、CSTNET（中国科技网）。v在这些公用

25、物理通信链路为基础，后来又建成了：中国联通（UNINET）、中国网络通信网（CNCNET）、 中国移动通讯网（CMNET）等公共互联网。3、中国的、中国的Internet骨干网骨干网4.5.3数据中心数据中心v1、IDC简介v互联网数据中心（Internet Data Center，IDC）就是电信部门利用已有的互联网通信线路、带宽资源，建立标准化的电信专业级机房环境，为企业、政府提供服务器托管、租用以及相关增值等方面的全方位服务。4.5.3数据中心数据中心v2、IDC起源v20世纪60年代，大型机时期出现的重要数据的灾难备份中心可以说是IDC的雏形。v1996年，美国的Exodus提出了“I

26、DC”的概念。vIDC起源于ICP对网络高速互联的需求。4.5.3数据中心数据中心v3、IDC业务v电信运营商提供的基本IDC业务可分资源类、增值类、应用类三大类。v资源类业务主要有：服务器托管、服务器租用、虚拟主机、机柜租用等业务；v增值类业务主要是：域名代注册、集团邮箱申请、存储空间租用及数据备份、容灾备份、网络安全服务、门户网站映像、网站广告、网络游戏服务、负载均衡服务等业务；v应用类业务主要是：企业网站设计及制作、企业移动办公系统研发、应用系统研发、电子商务等业务。v讲课视频、课件、动画、习题等资源，请参见：讲课视频、课件、动画、习题等资源，请参见：智慧职教智慧职教-资源库资源库-通信概论通信概论课程课程智慧职教智慧职教-MOOC学院学院-通信概论通信概论课程课程爱课程爱课程-中国大学中国大学MOOC -通信概论通信概论课程课程章节网络资源章节网络资源