第2章数据通信基础.ppt

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1、1主 编 裴有柱 电子工业出版社电子工业出版社计算机网络基础(第2版)中等职业教育国家规划教材 要点：要点：数据通信的基本概念 数据编码技术 数据传输方式 交换技术。 目标：目标： 了解数据编码技术、数据传输方式及交换技术的基本概念，掌握数据通信中数据、信号、传输及传输速率的基本概念。 * * 本章学习要点、目标、导读本章学习要点、目标、导读： 导读：导读： 本章是计算机网络实现数据通信的基础理论部分，首先介绍的是数据通信的一些基本概念，然后介绍了数据通信中使用的编码技术，在此基础上学习数据传输方式和交换技术，从而为后续课程打下基础。 2 2.1 1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 2.

2、2 数据编码技术数据编码技术 2.3 数据传输类型数据传输类型 2.4 数据传输方式数据传输方式 2.5 交换技术交换技术 本章小结本章小结习题习题22.6 多路复用技术多路复用技术 2. 1 2. 1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 数据通信是两个实体间数据的传输和交换。数据传输是传播处理信号的数据通信，将源站的数据编码成信号，沿传输介质传播至目的站。数据传输的品质取决于被传输信号的品质和传输介质的特性。 图2.1（a）是一个简单的通信模型，通信系统的基本作用是在两个实体间交换数据。图2.1(b)是通信系统的一个实例，工作站通过公共电话网和一个服务器通信。在这个模型中的关键部分是： 源

3、：源：产生要发送的数据的设备。 发送器：发送器： 对信号进行转换或编码以产生能在特定传输系统中传输的电磁信号。 传输系统：传输系统： 连接源和目的地的传输线或复杂的网络。 接收器：接收器： 从传输系统接收信号并转换成目的站设备能处理的信号。 目的站：目的站： 从接收器输入数据的设备。 数据通信的过程中涉及到的基本概念：数据通信的过程中涉及到的基本概念： 1. 1. 数据数据 模拟数据是指在某个区间产生的连续的值。例如，声音、视频、温度和压力等都是连续变化的值。数字数据是指在某个区间产生的离散的值。例如，文本信息和整数。 2信号信号 信号是数据的表示形式，或称数据的电磁编码或电子编码。它使数据能

4、以适当的形式在通信介质上传输。 信号有模拟信号和数字信号两种基本形式：信号有模拟信号和数字信号两种基本形式： 模拟信号是在一定的数值范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号（例如某些物理量的测量结果，模拟计算机的输出等）。这种电信号可以按照不同频率在各种通信介质上传输。 数字信号是一种离散的脉冲序列（例如数字计算机的输出，数字仪表的测量结果等）。它用恒定的正电压和负电压来表示二进制的0和1值，这种脉冲序列可以按照不同的速率在通信介质上传输。 3传输传输 数据传输是指用电信号把数据从发送端传送到接收端的过程。传输信道为数据信号从发送端传送到接收端提供了电通路。传输信道可能是由同轴电缆、光

5、纤、双绞线等构成的有线线路，也可能是由地面微波接力或卫星中继等构成的无线线路，还可能是有线线路和无线线路的结合。传输信道给予数据信号传输提供了通路，但可能会使信号畸变，以至于带来噪声和干扰，还会使信息传输速率受到限制。 模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示。 模拟信号和数字信号都可在合适的传输介质上传输。 模拟传输是一种不考虑信号内容的信号传输方法。而数字传输与信号的内容有关。 在局域网中，主要采用数字传输技术。在广域网中则以模拟传输为主。随着光纤通信技术的发展，广域网中越来越多地开始用数字传输技术，它在价格和传输质量上优于模拟传输。 4传输速率传输速率 数据传输速率是指每秒钟所

6、能传输的位数，可用b/s（单位/秒）来表示，它可按下式计算： S=(1/T)log2N 其中，T为脉冲宽度（全宽码情况）或脉冲重复周期（归零码情况）；N是一个脉冲所表示的有效状态，即调制电平数。 对于在数据传输系统中普遍采用的单位脉冲，只有两个有效状态，即N=2。这时，其传输速率为： S=(1/T) log22=1/T 该式表示每秒位数等于单位脉冲的重复频率。 另一种度量传输速度的单位是波特，也称调制速率。它反映了数据经过调制后的传输速率，也就是数据在调制过程中调制状态的每秒转换次数。调制速率为：B=1/T该式与传输速率的关系为：S=B log2N 在二元制调制方式中，B=1/T。习惯上两者可

7、以通用。在多元制调制方式中，S与B两者是有区别的。 2.2 2.2 数据编码技术数据编码技术 编码是将数据（模拟或数字）变换成能够在传输介质上传输和处理的信号的过程。信号必须进行编码，使得与传输介质相适应。 解码是在接收端，将信号变换成原来形式。在数据传输系统中，主要采用如下三种数据编码技术：即数字数据的模拟信号编码、数字数据的数字信号编码、模拟数据的数字信号编码。2.2.12.2.1数字数据的模拟信号编码数字数据的模拟信号编码 这种编码方式是将数字数据调制成模拟信号进行传输。通常调制数字数据用三种载波特性（振幅，频率和相位）之一来表示，并由此产生三种基本调制方式，参见图2.2。 1幅移键控法

8、ASK（Amplitude Shift Keying）是用载波频率的两个不同振幅来表示两个二进制值。在有些情况下，用振幅恒定载波的存在与否来表示两个二进制值。ASK方式易受增益变化的影响，是一种效率较低的调制技术。在音频电话线路上，通常只能达到1200b/s的传输速率。 2频移键控法FSK（Frequency Shift Keying）是用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值。这种调制方式不易受干扰的影响，比ASK方式的编码效率高。在音频电话线路上，其传输速率为1200b/s或更高。 3相移键控法PSK（Phase Shift Keying）是用载波信号的相位移动来表示二进制数据。在图

9、2.2（c）中，信号相位与前面信号串同相位的信号表示0，信号相位与前面信号串反相位的信号表示1。PSK方式也可以用于多相反调制，如在四相调制中可把每个信号串编码为两位。PSK方式具有较强的抗干扰能力，而且比FSK方式编码效率更高。在音频线路上，传输速率可达9600b/s。 这些基本调制技术也可以组合起来使用。常见的组合是PSK和FSK方式的组合及PSK和ASK方式的组合。 2.2.22.2.2数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码 传输数字信号最普遍而且最容易的办法是用两个电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。使用正电压（高）表

10、示1也是很普遍的，称为不归零制（NRZ，Non-return to zero）如图2.3(a)所示。 不归零制（NRZ）传输也有若干缺点，它难以决定一位的结束和另一位的开始，需要有某种方法来使发送器和接收器进行定时或同步。另外，如果传输中1或0占优势的话，那么在每位时间内将有累积的直流分量。 这样，使用变压器，并在数据通信设备和所处环境之间提供良好的绝缘的交流耦合是不可能的。此外，直流分量可使连接点产生电腐蚀或其他损坏。 0 0 1 1 0 1图2.3 数字信号的编码 克服上述缺点的另一个编码方案是曼彻斯特编码，见图2.3（b），这种编码通常用于局部网络传输。在曼彻斯特编码方式中，每一位的中间

11、有一个跳变。位中间的跳变既作为时钟，又作为数据；从高到低的跳变表示1，从低到高的跳变表示0。有时，人们也使用称之为差动曼彻斯特编码的修改格式。在这种情况下，位中间的跳变仅提供时钟定时，用每位周期开始时有无跳变来表示0或1的编码。在上述两种情况下，由于时钟和数据包含于信号数据流中，所以这种编码被称为自同步编码。 2.2.32.2.3模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码 利用数字信号来对模拟数据进行编码的最常见的例子是脉冲代码调制（PCM,Pulse Code Modulation），它常用于对声音信号进行编码。脉冲代码调制是以采样定理为基础的，采样定理指出： 如果在规则的时间间隔内，以高

12、于两倍最高有效信号频率的速率对信号f(t)进行采样的话，那么，这些采样值就包含了原始信号的全部信息。利用低通滤波器可以从这些采样中重新构造出函数f(t)。 如果声音数据限于4000Hz以下的频率，那么每秒钟8000次的采样就可以完整地表示声音信号的特征。然而，值得注意的是，这只是模拟采样。为了转换成数字采样，必须给每一个模拟采样值指定一个二进制代码。 一般来说，人们使用称之为非线性编码（Nonlinear Encoding）的技术来改进脉冲代码调制方案。 2. 3 2. 3 数据传输类型数据传输类型 在数据传输过程中，可以用数字信号和模拟信号两种方式进行。因此，数据在信道中也分为基带传输和频带

13、传输。 2.3.12.3.1基带传输基带传输 在数据通信中，表示二进制数据信号是典型的矩型脉冲。我们把矩型脉冲信号的固有频带称做基本频带（简称为基带）。矩型脉冲信号就叫做基带信号。在通道上直接传输基带信号的方法称为基带传输。在发送端基带传输的信源数据经过编码器变换， 变为直接传输的基带信号。在接收端由解码器恢复成与发送端相同的数据。基带传输是一种最基本的数据传输方式。 2.3.22.3.2频带传输频带传输 频带传输是指利用模拟通信信道传输数字信号的方法。由于电话网是用于传输语音信号的模拟通信信道，并且是目前覆盖面最广的一种通信方式，因此利用模拟通信信道进行数据通信也是最普遍的通信方式之一。为利

14、用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模拟信号。为此，要在发送端选取音频范围的某一频率的正 （余）弦模拟信号作为载波，用它运载所要传输的信号，通过电话信道将其送到另一 端；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的信号波形。其中，由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程成为“调制”，相应的调制设备成为“调制器”；在接收端把模拟信号还原为数字数据信号的过程成为“解调”，相应的解调设备成为“解调器”。同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器”。 2. 4 2. 4 数据传输方式数据传输方式 在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间以某种方式保持

15、同步，接收端必须知道它所接收的数据流每一位的开始时间和结束时间，以确保数据接收的正确性。为此，通信双方必须遵循同一通信规程，使用相同的同步方式进行数据传输。根据通信规程所定义的同步方式，可分为异步传输和同步传输两大类。 2.4.1 2.4.1 异步传输异步传输 异步传输是以字符为单位的数据传输，其数据格式如图2.4(a)所示。每个字符都要附加1个起始位1 个停止位，以标记字符的开始和结束。此外，还要附加1位奇偶校验位，可以选择奇校验或偶校验方式对该字符简单的差错控制。起始位对应于二进制值0，以低电平表示，占用1位的宽度。停止位对应于二进制值1，以高电平表示，占用12位宽度。一个字符占用58位，

16、具体取决于数据所采用的字符集。例如，电报码字符为5位、ASCII码字符为7位、汉字码则为8位。起始位和结束位（停止位）结合起来，便可实现字符的同步。 发送端与接收端除了采用相同的数据格式（字符的位数、停止位的位数、有无校验位及校验方式等）外，还必须采用相同的传输速率。典型的标准速率为300b/s、600b/s、1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s和19200b/s。 异步传输又称为起止式异步通信方式。其优点是简单、可靠、常用于面向字符传输的、低速的异步通信场合。例如，主计算机与终端之间的交互式通信通常采用这种方式。 2.4.2 2.4.2 同步传输同步传输 同步传输是

17、以数据块为单位的数据传输。每个数据的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，标记一个数据块的开始和结束，如图2.4(b)所示。 根据同步通信规程，同步传输又分为面向字符的同步传输和面向位流的同步传输。 1面向字符的同步传输。面向字符的同步传输。 在面向字符的同步传输中，每个数据块的头部用一个或多个同步字符SYN来标记数据块的开始；尾部用另一个唯一的字符ETX来标记数据块的结束。其中，这些特殊字符的位模式与传输的任何普通字符都有显著的差别。典型的面向字符的同步通信规程是IBM公司的二进制同步通信规程BISYNC。 2面向位流的同步传输面向位流的同步传输 在面向位流的同步传输中，每个数据块的头

18、部和尾部用一个特殊的比特序列（如01111110）来标记数据块的开始和结束。数据块将作为位流来处理，而不是作为字符流来处理。为了避免在数据 流中出现标记块开始和结束的特殊位模式，通常采用位插入的方法，即发送端总是在所发送的数据流中，每当出现连续的五个1后便插入一个0，接收端在接收数据流时，如果检测到连续五个1的序列，就检查其后的一位数据，若该位是0，则删除它；若该位为1，则表示数据块的结束，转入结束处理。典型的面向位流的同步通信规程是高级数据链路控制（HDLC）规程和同步数据链路控制（SDLC）规程。 传号 1 0 0 0 0 0 1 0 传号 数据块（二进制位流） 起 校 停始 字符码 验

19、止位 位 位 (a)异步传输 块开始标志 块结束标志 (b) 同步传输（面向位流） 图 2.4异步传输和同步传输的数据格式2 25 5 交换技术交换技术 在网络中常常要通过中间节点把数据从源站点发送到目的站点，以此实现通信。这些中间节点并不关心数据内容，它的目的只提供一个交换设备，把数据从一个节点传向另一个节点，直至达到目的地。网络中通常使用三种交换技术：线路交换、报文交换和分组交换。 2.5.1 2.5.1 线路交换线路交换 在线路交换（Circuit Switching）中，通过网络节点在两个工作站之间建立一条专用的通信线路。最典型的例子是电话交换系统。采用线路交换方式进行通信时，两个工作

20、站之间应具有实际的物理连接，这种连接是由节点之间的各段线路组成，每一段线路都为此连接提供一条通道。线路交换方式的通信过程分为如下三个阶段： 1线路建设阶段线路建设阶段 开始传送数据之前，必须建立端对端（站对站）的线路。首先，源站点把和目的站建立连接的请求发送给一个交换节点，交换节点在通向目的站的路由选择表中找出下一条路由，并为该条线路分配一个未用信道；然后，把连接请求传送到下一个节点。这样通过各个中间交换节点的分段连接，使源站和目的站之间建立起一条现实的物理连接。 2数据传送阶段数据传送阶段一旦线路连接建立起来后，就可以通过这条专用的 线路来传输数据。数据可以是数字的（来自终端或主机），也可以

21、是模拟的（如声音）。传输的信号形式可以采用数字信号，也 可以采用模拟信号。这种连接通常是全双工方式，数据可以双向传输。 3线路拆除阶段线路拆除阶段 当数据传输结束后，应拆除连接，以释放该连接所占用的专用资源。两个工作站中的任意一个工作站都可以发出拆除连接的请求。由于在数据传输开始之前必须建立连接通路，因此通路中的每对节点之间的信道容量必须是可用的，每个节点必须具有处理连接操作的内部交换能力，能够分配信道和选择网络路由。 信道容量在连接期间是专用的，即使没有数据传送，别人也不能使用。所以线路交换的效率可能是很低的。对于声音信号的连接，利用率要高一些，但仍然达不到100%。对于计算机之间的连接，在

22、连接的大部分时间内，信道容量可能是空闲的。就网络性能而论，在线路建立阶段有一个延迟，而在数据传输阶段除了线路的传播延时之外，不再有其他的延迟，因此实时传输性能比较好。 2.5.2 2.5.2 报文交换报文交换 报文交换（Message Switching）是网络通信的另一种完全不同的方法。在这种交换方式辑单位），就把目的地址添加在报文中一起发送出去。该报文将在网络上从一个节点被传送到另一个节点。在每个节点中，要接收整个报文并进行暂时存储，然后经过路由选择再发送到下一个节点。 在线路交换网络中，每个节点都是电子式或电子机械式的交换设备，它按接收时的位速通用计算机，报文输入时，它有足够的存储空间用

23、于缓存报文的接收。报文在一个节点的延迟的时间等于接收全部报文信息的时间加上排队等待发送到下一个节点的时间。这种方式也称为“存储转发”报文方式。在某种情况下，与工作站相连的节点和某些中央节点还可以报文存档，生成永久记录。 2.5.3 2.5.3 分组交换分组交换 分组交换（Packet Switching）试图综合报文交换和线路交换的优点，并使两者缺点能够相互弥补。 分组交换与报文交换十分相似。形式上的主要判别在于：在分组交换网络中，要限制所传输的数据单位的长度，典型的长度限制范围为一千到数千比特。而报文交换网络中的报文长度则要长得多。此外，从工作站的情况来看，超过最大长度的报文必须分成较小的传

24、输单元方可发送，每次只能发送一个单元。为了区别这两种交换技术，分组交换中的数据单元称为分组（Packet）。在每个分组中都包含有数据和目的地址，其传输过程与报文交换方式相类似，只是分组一般不存档，暂存的副本主要为了纠错。从表面上看，分组交换与报文交换相比没有什么特别的优点。但事实上，限制数据单元的最大长度对改善网络性能将产生显著的效果。在分组交换 网中，通常采用数据报和虚电路两种方式来管理这些分组流。 1数据报数据报 在数据报（Datagram）方式中，每个分组独立地进行处理，如同报文交换网络中每个报文独立地处理那样。但是，由于网络的中间交换节点对每个分组可能选择不同的路由，因而到达目的地时，

25、这些分组可能不是按发送的顺序到达，因此目的站必须设法把它们按顺序重新排列。在这种技术中，独立处理的每个分组称为“数据报”。 2虚电路虚电路 在虚电路(Virtual Circuit)方式中，在发送任何分组之前，需要先建立一条逻辑连接。即在源站点和目的站点之间的各个节点上事先选定一条网络路由，然后，两个站点便可以在这条逻辑连接上，即虚电路上交换数据。每个分组除了包含数据之外还得包含一个虚电路标识符。在预先建立好的路由上每个节点都必须按照既定的路由传输这些分组，无需重新选择路由。当数据传输完毕后，由其中的任意一个站点发出拆除连接的请示分组，终止本地连接。虚电路方式的传输过程与线路交换方式类似，也是

26、分成三个阶段进行的。但无论何时，每个站点都能与任何站点建立多个虚电路，也能同时和多个工作站建立虚电路。因此，虚电路方式的主要特点是在传输数据之前建立工作站之间的路由。应当注意，这并不像线路交换那样有一条专用的通路。分级信息还要暂存于每 个节点进行排队，等待转发。与数据报方式不同之处在于节点无需为每个分组进行路由选择，每个连接只需进行一次路由选择。 2.5.42.5.4三种数据交换技术比较三种数据交换技术比较 线路交换 在数据传送开始之前必须建立一条完全的通路；在线路释放之前，该通路将被一对用户完全占用。对于猝发式通信线路的利用率不高。 报文交换 报文从源站点传送到目的地采用“存储转发”方式。在

27、传送报文时只占一段通道；在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，报文交换不能满足实时通信的要求。 分组交换报文被分成分组进行传输，并规定了最大的分组长度。在数据报方式中，目的站需要重新组装报文。分组交换技术是网络中使用最为广泛的一种交换技术。 现有的公共数据交换网都采用分组交换技术，像美国的TELENET和TYMNET等。 局域网采用的也是分组交换技术。由于在局域网中，从源站到目的站之间只有一条单一的直接通路，因此，不需要具有像公共数据网中那样的路由选择和交换功能。线路交换技术主要用于计算机交换机CBX （Computerized Branch Exchange）中。 2 26 6 多路

28、复用技术多路复用技术 多路复用技术（Multiplexing）是指为充分利用传输介质在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。常用有两种：频分多路复用（FDM）和时分多路复用（TDM）。 1、频分多路复用、频分多路复用 频分多路复用是以信道频带作为分割对象，在发送端把要传输多路信号用互不重叠的频率分割开，用不同中心频率调制不同的信号，发送时在各自的信道中被传送到接收端，由解调器恢复成原来的波形。为防止相互干扰，各信道之间由保护频带隔开。 2、时分多路复用、时分多路复用 时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用，每个用户分得一个时间片，用户使

29、用信道的所有带宽。 本章小结本章小结 1数据通信的基本概念数据通信的基本概念 数据通信是两个实体间数据的传输和交换，通信系统的作用是在两个实体间交换数据。数据传输中要有数据源系统、传输系统和目的系统，因此要理解数据、信号、传输和传输速率等基本概念。 2数据编码技术数据编码技术 编码是将数据（模拟或数字）变换成能够在传输介质上传输和处理的信号的过程。信号必须进行编码，使得与传输介质相适应。数据要传输必须要编码，数据要接收必须要解码。数据编码有数 字数据的模拟信号编码和数字数据的数字信号编码及模拟数据的数字信号编码。 3数据传输类型数据传输类型 在数据传输过程中，可以用数字信号和模拟信号两种方式进

30、行。因此，数据在信道中也分为基带传输和频带传输。基带传输是指在通道上直接传输基带信号的方法；频带传输是指利用模拟通信信道传输数字信号的方法。 4数据传输方式数据传输方式 数据传输时发送端和接收端必须密切配合，必须遵循同一通信规程，常用的数据传输方式有异步传输和同步传输两大类。 5交换技术交换技术 交换技术只是把数据从源站点发送到目的站点，中间节点不关心数据内容。网络中常使用的交换技术是线路交换、报文交换和分组交换。 6多路复用技术多路复用技术 是指为充分利用传输介质在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。频分多路复用是以信道频带作为分割对象，在发送端把要传输多路信号用互不重叠的频率分割开，然后

31、发送；时分多路复用是以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现发送。 本章习题本章习题 一、名词解释：一、名词解释： 1 数据数据2 信号信号3 传输传输二、填空：二、填空：1 编 码 是 将 模 拟 数 据 或 数 字 数 据 变 换 成 编 码 是 将 模 拟 数 据 或 数 字 数 据 变 换 成_，以便于数据的传输和处理。信号必，以便于数据的传输和处理。信号必须进行须进行_，使得与传输介质相适应。，使得与传输介质相适应。2在数据传输系统中，主要采用如下在数据传输系统中，主要采用如下3种数据种数据编码技术：即编码技术：即 _。 3在数字数据通信中，一个最基本的要求是在数字数据通信中，一个最基本的要求是_以某种方式保持同步，接以某种方式保持同步，接收端必须知道它所接收的数据流每一位的开始时收端必须知道它所接收的数据流每一位的开始时间和结束时间，以确保数据接收的正确性。间和结束时间，以确保数据接收的正确性。4网络中通常使用三种交换技术：网络中通常使用三种交换技术：_。