数据通信技术基础.pptx

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1、3.1 数据通信基本知识 3.1.1 信息、数据与信号 信息是在人们之间传递的知识，数据是信息的具体表现形式，其本身是各种各样的物理符号或它们的组合。信息涉及到数据的内容和解释。信号是数据的电子或电磁编码，数据必须经过编码转换为电信号后才能在传输介质中传输。数据和信号都有两种不同的形式一种称为模拟数据和信号另一种称为数字数据和信号。存在两种数据、两种信号，就有四种类型的编码组合即数字数据分别编码成数字信号或模拟信号，模拟数据分别编码成模拟信号或数字信号。第1页/共104页3.1.2 通信的基本要求 通信的双方完成一次通信需要满足三个基本要求：一是双方有通信的愿望；二是通信的双方之间有信息传递的

2、信道，也即是说通信要经过传输介质以及有关的传输设备；三是通信双方要遵循通信的规则和约定，即通信双方按照通信协议传输信息，并能理解这些通信协议。第2页/共104页信道信道与电路并不等同，信道表示信号的通路，一般是用来表示向某一个方向传输信息的媒体一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。信道与传输介质也是有区别的传输介质是指用于连接两个或多个网络节点的物理传输线路。通信信道建立在传输介质之上包括传输介质和通信设备。第3页/共104页差错率差错率/误码率误码率由于噪声的影响和信道带宽的限制，信号可能发生失真。差错率/误码率：传输比特总数与其中出错比特数的比值 Pe=出错比特数传输/比特总数

3、例：传输10000bit,有2bit出错，Pe 2/10000 差错率越高表示信道的质量越差 信道的差错率与信号的传输速率 和传输距离成正比第4页/共104页3.1.3 数据通信传输系统模型 一个数据通信系统由源系统、传输系统、目的系统三部分组成 图3.1 数据通信系统的模型接收的信号发送的信号输入信息输出信息输入数据输出数据目的系统源系统传输系统信源变换器信宿反变换器信道第5页/共104页 信源：信息的发送者，是发出各种信息（语言、文字、图象或者数据）的信息源 信宿：信息的接收者，信息传输的目的地；载体：传送信息的媒体；（信道）注意：噪声的存在和对通信的影响信源信宿载体（信道）噪声源通信系统

4、的基本组成通信系统的基本组成第6页/共104页 变换器：将信源发出的信息变换成载体（信道）上可传输的格式；反变换器：将载体（信道）上可传输的信息变换成信宿可识别/处理的格式。信源信宿载体（信道）噪声源反变换器变换器通信系统的基本组成通信系统的基本组成第7页/共104页3.1.4 信道的最大容量 信道传输数据的能力是受到限制的，信道的最大容量与信道的带宽有关。奈奎斯特定理的公式为（理想信道）：C=2H log2 L(bps)香农在1936年给出了有热噪声信道的最大容量，香农定理的公式为：C=H log2(1+S/N)(bps)第8页/共104页3.1.5 调制速率和数据传输率 在计算机网络中信号

5、的传输有两种数据速率即调制速率和位数据速率。调制速率也称为码元速率、波形速率或信号速率指的是每秒种发送信号的数目，单位为波特(baud)。数据传输率为每秒种发送的二进制位数单位为bps，读作每秒位。两种数据速率之间的关系为：C=B log2 N(bps)其中：C为数据传输率；B为调制速率；N为一个信号可能取值的个数。第9页/共104页波特率（信道速率）:指调制设备每秒可调制的符号个数，即信道上每秒传输的符号个数。数据传输速率：信道在单位时间内可以传输的最大比特数波特率和数据传输速率之间的关系 数据传输速率波特率log2N (N-每个符号的取值个数，或可调制的线路状态数）0111001001 1

6、1 00 10假设调制设备采用调幅调制技术，每秒调制出一个符号，该符号可取四种幅度之一：两种速率的关系第10页/共104页3.1.6 基带传输和频带传输 把基本频率分量对应的矩形脉冲信号称为基本频带，简称为基带，对应的矩形脉冲信号称为基带信号。基带传输就是在数字信道上直接传送基带信号。带宽与信道可以允许通过的信号的最大频率与最低频率有关。频带传输是利用模拟信道传输数据信号，例如，把计算机设备输出的信号进行调制以后再放在传输介质上传输。频带传输有时也称为宽带传输。第11页/共104页基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解 决 这 一

7、问 题，就 必 须 对 基 带 信 号 进 行 调 制(modulation)(modulation)。010011100基带信号调幅调频调相第12页/共104页3.1.7 通信双方信息交互的方式 依据通信的方向讨论，通信双方信息交互的方式有三种基本方式。单向通信，只能有一个方向上的通信，即A只能传给B。双向交替通信，通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送，在某一个时刻仅存在一个方向上的通信。双向同时通信，通信的双方可以同时发送和接收信息。这里需要指明的是，上述三个基本方式是规范的术语，分别对应以前的单工、半双工、全双工。第13页/共104页3.1.8 异步传输和同步传输 在计算机网络和通信

8、网络中都是采用串行传输，这是由于远距离传输要考虑到技术实现上的要求和传输线路的费用。串行传输在具体应用中，又分为异步和同步传输。异步和同步传输都要考虑收发双方的同步，即接收方能够正确的区分所收到数据的每一位。异步传输是一次传输一个字符，字符之间有不确定的间隔，每个字符由1位起始位标识，起始位的值为0，字符由5-8位二进制数组成，例如采用ASCII编码的字符，后跟1-2位停止位，停止位的值为1。同步传输是一次传输一个数据块，数据块的内容可以是若干二进制位，也可以是若干字符，每一位与前一位之间的传输时间是确定的，即是可知的。第14页/共104页 字符内部的各个比特采用固定的时间模式，每个字符独立传

9、输，字符之间间隔任意，用独特的起始位和终止位来限定每个字符。传输效率较低。起 终 始 止 位 1 1 1 0 1 0 1 0 位 线路空闲 线路空闲起始位一个字符下一字符异步传输第15页/共104页接收方如何在时间上与发送方取得同步，以便能够正确地识别和接收发送方发来的数据。字符同步：使接收方可以正确地识别数据群p同步传输时的同步字符（SYN）p接收方在识别到独特的同步字符或同步模式后，才开始真正的数据接收。位同步：使接收方可以正确地接收各个比特p自同步法：接收方直接从数据波中获取同步信号。p外同步法：发送方在发数据前，先向接收方发一串同步时钟序列，接收方根据这一同步时序锁定接收频率。（异步传

10、输的起始/终止位）同步传输第16页/共104页3.2有线传输介质 3.2.1 传输介质的分类 每一种传输介质在数据传输率、传输时延、安装、维护和成本上有不同的特性。适应的网络应用环境也不同。传输介质分为：有线传输介质、无线传输介质。在有线传输介质中，电信号的传播速度是光速的三分之二，即每秒20万Km（千米）在无线传输介质中电信号的传播速度等于光速，为每秒30万Km（千米）。在网络的最低层次上，所有计算机通信都以某种能量形式对数据进行编码，并将这些能量通过传输介质发送。第17页/共104页3.2.2 双绞线 双绞线是由一对相互绝缘的导线缠绕在一起构成的，两条导线缠绕在一起。双绞线在Etherne

11、t网和Token Ring网中用得相当多，它常用作总线型拓扑结构或星形拓扑结构的连线。双绞线分为屏蔽和非屏蔽两大类在这两大类中又分100欧姆非屏蔽电缆、双体电缆、大对数电缆、150欧姆屏蔽电缆和100欧姆屏蔽电缆。图3.2 双绞线第18页/共104页双绞线图示及UTP-5UTP-5的线序第1针第8针图3.5 RJ45插座针脚排列第19页/共104页双绞线两头采用RJ-45标准水晶头；第20页/共104页第21页/共104页双绞线一段5类UTP最大传送距离100m；可使用中继器加大传送距离，最多级连4个；适合楼宇布线。3.2.2 双绞线第22页/共104页双绞线的使用在使用双绞线作为传输介质的快

12、速以太网100Base-T中存在着三个标准：100Base-TX100Base-T2100Base-T4其中：100Base-T4标准要求使用全部的4对线进行信号传输，另外两个标准只要求2对线。而在快速以太网中最普及的是100Base-TX标准。3.2.2 双绞线第23页/共104页UTP电缆中颜色和序号的对应关系一般按照EIATIA 568A或568B布线标准中规定的线序标准来制作。3.2.2 双绞线第24页/共104页一般的10BASE-T和100BASE-TX规定，以太网上各设备使用1、2线作为发送线，3、6线作为接收线。计算机发送接收12363.2.2 双绞线第25页/共104页计算机

13、发送接收计算机发送接收1236利用UTP线缆连接时线对的通信关系：交叉网线计算机发送接收集线器发送接收1236平行网线计算机发送接收计算机发送接收12363.2.2 双绞线第26页/共104页3.2.3 铜轴电缆 同轴电缆是最早用于数据网和局域网的一种线缆类型。它中央是铜芯，铜芯外包着一层绝缘层，绝缘层外是一层屏蔽层，屏蔽层把电线很好地包起来，再往外就是外层了。用于局域网的同轴电缆有两种塑料外层屏蔽网层铜芯绝缘层图3.7 同轴电缆构造第27页/共104页同轴电缆传输距离较双绞线远。电缆较硬，不易弯曲，不适合楼宇布线。细缆可用于计算机连接，粗缆用于局域网主干线缆同轴电缆安装需要AUI接口和BNC

14、接口。3.2.3 铜轴电缆第28页/共104页3.2.3 铜轴电缆第29页/共104页3.2.4 光纤 光纤具有圆柱形的形状，由传输光波的玻璃纤芯以及包围在纤芯外面的反射层组成，形成三部分：纤芯、包层和护套。光纤通信系统是以光波为载体、光导纤维为传输媒体的通信方式,起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。可以这样理解：光源是光波产生的根源；光纤是传输光波的导体；光发送机的功能是产生光束，将电信号转变成光信号，再把光信号导入光纤；光接收机的功能负责接收从光纤上传输的光信号，并将它转变成电信号，经解码后再作相应处理。第30页/共104页光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯

15、中传输的方式是不断地全反射第31页/共104页输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤第32页/共104页第33页/共104页光纤与电缆线相比的优缺点 光纤传输的优点：因为传输的是光，所以不会引起电磁干扰也不会被干扰；光纤传输信号的距离比电缆线远得多，线路损耗低；与电信号相比，传输频带宽，通信容量大。线径细,重量轻；抗化学腐蚀能力强；光纤制造资源丰富。光纤在应用中的不足之处：安装需要专门设备以保证光纤的端面平整以便光能透过；当一根光纤在护套中断裂（如被弯成直角），要确定其位置是非常困难的；修复断裂光纤也很困难 第34页/共104页3.3 无线传输介质 3.3.1 电磁

16、波谱在无线传输介质（指自由空间）中，电磁波沿自由空间传播传播速度为光速。无线传输介质也称为非导向传输媒体。无线传输介质需要采用电磁波谱的某些可用频带。第35页/共104页电磁波谱的频谱 100无线电微波红外紫外X射线伽马射线10210410610810101012101410161018102010221024可见光1051061071081091010101110121013101410151016双绞线同轴电缆低频波 无线电AM无线电FM卫星地面微波光纤LFMF HFVHF UHFEHFSHFTHF图3.10 电磁波谱的频谱和在通信中的应用f(HZ)f(HZ)TV波段第36页/共104页3

17、.3.2 无线电传输 无线电通信在无线电广播和电视广播中已经广泛使用。在低频段和中频波段内，无线电波可以轻易的通过障碍物，沿地球表面传播。但信号能量随着与信号源距离增大而急剧衰减，使得传输距离收到限制。在高频、甚高频波段内，地表电波会被地球吸收。但会被离地表几百千米高度的带电粒子层-电离层反射回地面，可以传播到很远的距离。第37页/共104页3.3.3 微波传输 微波(microwave)通信通常是指利用在1GHz10GHz频率范围内的电磁波来进行通信。和低频的无线电波不同的是微波是沿着直线传播的，而不是向各个方向扩散，而地球表面是弯曲的，其传播距离受到限制。在相距几十公里的距离之间需要建设微

18、波接力中继站，像接力赛跑那样，一站接一站补充能量。微波通信的优点是：适应的业务种类多，可传输长途电话、电报、蜂窝移动电话、广播电视、图像、文本数据等信息；工作在波段lGHz10GHz频率范围，其信道的容量大；微波传输质量高，不容易受工业干扰和天电干扰，这两者的主要频谱比微波低的多；与同样效果的有线通信建设比较，微波通信建设周期快、投资少；微波通信的可靠性高。第38页/共104页3.3.4 红外线传输 红外线传输通信是利用电磁波频谱红外频段进行通信频率范围1012Hz1014Hz，红外线传输主要用于短距离的通信，通信距离一般在十几米范围内。红外线的发送与接收装置硬件相对便宜且容易制造，也不需要天

19、线红外通信不宜在室外使用。红外线传输也用于数据通信和计算机网络。第39页/共104页3.3.5 激光传输 激光能直接在空中传输具有能在很长的距离内保持聚焦(即定向)的特点。作为物理传输媒体，它和微波通信在直线传输上有相似性激光同样不能被遮挡，而且对雨雪和雾都比较敏感，这限制了它的应用。第40页/共104页3.3.6 卫星传输 卫星是指围绕地球转动的物体。天体卫星和人造卫星1962年第一颗人造地球卫星发射成功，开创了天际通信的里程碑。通信卫星可以看作是一个空间微波中继器通信卫星上一般12-20个异频雷达接收机，每个都有36MHz-50MHz的带宽，异频雷达接收机对相应的波段进行监听，上行波束从地

20、面卫星站传向卫星，下行波束从卫星传向地面站，下行波束覆盖范围很广。通信卫星返回地面的信号可以在卫星上通过放大器放大。卫星传输采用的波段为微波波段。第41页/共104页卫星通信的特点 通信与地面两个节点的位置无关，也即传送一条报文的成本与距离无关卫星的一个重要特性是收发器向上千个地面站发送一条报文的时间与向一个地面站发送该报文所用的时间基本相同。卫星传输具有很低的出错率。上行地 面站地球表面图3.11 卫星通信下行第42页/共104页3.4 信道复用技术 复用技术用于在一个信道上同时传输多路信号，这样可以充分利用信道的传输能力。复用可以实现的前提是信道的传输能力大于传输一路信号的需求，体现在两个

21、方面：一是信道的带宽很宽，而传输一路信号所需的带宽很窄。另一方面是信道的数据传输率很高，而一路信号所需的数据传输率很低，这样在能力很强的信道上仅传输一路信号就很浪费。第43页/共104页3.4.1 频分复用FDM 信道的带宽很宽，信道的可用带宽大于一路信号所需的带宽，把信道划分为多个子信道，每个子信道传输一路信号。在子信道之间要留有隔离频带，对每路信号以不同频率的载波进行调制，使其适应不同子信道频段的要求，传输到目的地后再恢复为原始信号。子信道N图3.13 频分复用FDMF2F1子信道1子信道2T第44页/共104页3.4.2 时分复用TDM 时分复用TDM（Time Division Mul

22、tiplexing）技术的依据是信道的数据传输率大于一路信号传输所需要的数据传输率可以把传输时间分成时间片帧，每一时间片帧包含若干时间隙，每个时间隙对应一路信号的若干位 64321556432115 64321f时间片帧时间片帧时间片帧图3.14 时分复用TDM第45页/共104页FDM和 TDMFDM频率时间TDM频率时间4用户示例:第46页/共104页3.4.3 TDM与FDM的比较 TDM中在某一微小的时间间隔只有一路信号在传输每一路信号传输占用信道的全部带宽FDM中在某一微小的时间间隔有多路信号在传输。每一路信号占用部分带宽在应用中TDM适合数字信号的传输FDM适合模拟信号传输许多应用

23、是先进行FDM，然后再进行TDM，即两种复用技术综合使用。第47页/共104页3.4.4 波分复用WDM 在光纤信道上采用波分复用WDM。波分复用是光的频分复用WDM是FDM的一个变种频率和波长之间满足关系式：f c，这里f 为频率，c为光速，为波长。每根光纤上光信号的波长不同，两根光纤连接到一个棱柱或衍射光栅上，两束光通过棱柱或衍射光栅合成到一根共享的光纤上。传输到远方的目的地后，再用棱柱或衍射光栅将它们分解开，交给接收方。第48页/共104页波分复用WDM图示71557 nm61556nm51555 nm41554 nm31553nm21552 nm11551nm01550 nm01550

24、 nm11551 nm21552 nm31553 nm41554 nm51555 nm61556 nm71557 nm120 KmEPFA图3.15 波分复用的概念82.5Gbps1310 nm20 Gbps复用分用器复用分用器第49页/共104页3.4.5 空分复用SDM 空分复用SDM（Space Division Multiplexing）采用对空间划分的方法架设多条传输线路在每一条线路上传输一路信号。例如在电线杆之间架设多条线路，用于多条话音信号线，连接到电话用户。第50页/共104页3.4.6 统计复用 统计复用是对时分复用的改进也称为统计时分复用STDM（Statistic Tim

25、e Division Multiplexing）。在时分复用中各路信号的时隙是固定分配好了的每一路信号与复用的其它各路信号之间的时间间隔是固定的从这个意义上讲，各路信号是同步传输的。第51页/共104页时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧第52页/共104页时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧第53页/共104页时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧T

26、DM帧TDM帧第54页/共104页时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧第55页/共104页时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。第56页/共104页统计时分复用 STDM(Statistic TDM)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用第57页/共104页3.5 数据编

27、码技术 模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号 调制器PCM编码器数字发送器放大器调制器图3.17 两种数据与两种信号的组合模拟信号数字数据数字数据模拟数据模拟数据数字信号模拟信号数字信号第58页/共104页3.5.1 数字数据编码为模拟信号为了使计算机数据能在模拟信道，例如模拟电话网上传输需要对计算机设备输出的数字数据或数字信号进行变换为模拟信号。第59页/共104页调制依据：模拟信号的三要素 （幅度、频率和相位）幅度相位周期=频率的倒数1 0 1 0 1 1 0本例仅采用两种不同的幅度。调幅：（幅度调制或移幅键控法ASK）：将不同的数据信息（0和1）调制成不同幅度 但相同频率的载

28、波信号；调制方法（调幅）第60页/共104页 调频：将不同的数据信息（0和1）调制幅度相同,但不同频率的载波信号；1 0 1 0 1 1 0本例的相位变化值为180度。1 0 1 0 1 1 0本例仅采用两种不同的频率。调相：（相位调制或移相键控法PSK）：利用相邻载波信号的相位变化值来表示相邻信号是否具有相同的数据信息值，此时的幅度和频率均不发生变化；调频和调相第61页/共104页3.5.2 数字数据编码为数字信号 用高电平标识1、低电平标识0的二进制数据信号不能直接放在信道上传输，这种不归零制编码NRZ存在接收方无法在连续1或连续0时区分出每一位的问题。解决问题的方法是在（1/2）T加上同

29、步时钟信号。码元1111100000图3.19 数字数据到数字信号编码基带数字信号曼切斯特编码信号差分曼码编码信号第62页/共104页3.5.3 模拟数据编码为数字信号 脉冲编码调制PCM（Pulse Code Modulation）是用于模拟数据编码为数字信号的技术。PCM技术的实现有三个步骤：采样；量化；编码。PCM技术的实现基础是依据采样定理。(1/2)T 采样间隔幅度/样本值图3.20 模拟数据编码为数字信号t第63页/共104页原始模拟信号 第64页/共104页(1)采样。根据采样频率，隔一定的时间间隔采集模拟信号的值，得到一系列模拟值。第65页/共104页(2)量化。将采样得到的模

30、拟值按一定的量化级（本例采用16级）进行“取整”，得到一系列离散值。第66页/共104页（3）编码。将量化后的离散值数字化，得到一系列二进制值；然后将二进制值进行编码，得到数字信号 模拟数据的PCM编码 第67页/共104页脉冲编码调制（PCM）举例：每路话音信号频率带宽4kHz，每秒采样8000次，通过PCM编码以后是一个80008（位）的数据流，数据率64Kbps。各路经过PCM编码的64Kbps的信号。第68页/共104页3.5.4 模拟数据编码为模拟信号 模拟数据可以通过电磁感应变化转换为模拟信号例如话音数据通过电话系统转换为模拟信号，之后在模拟电话网中传输，例如最早的电话系统，这里不

31、再赘述。第69页/共104页3.6 交换技术 3.6.1 交换技术的用途 传统的交换技术有电路交换报文交换分组交换。现在较多使用的交换技术有信元交换，用在ATM网络中。第70页/共104页3.6.2 电路交换 电路交换是面向连接的通信双方在通信之前先建立一条连接，然后在建立的连接上传输数据，数据传输完后释放连接。在通信的过程中通信的双方独占这一连接。连接建立过程需要一定的时间若连接经过的节点和线路有空闲的资源则允许连接建立，否则不允许建立连接。电路交换适宜实时通信的应用生活中的电话通信就是采用电路交换的通信。第71页/共104页电路交换主叫被叫交换机摘 机拨号音号 码回铃音振 铃摘 机通 话通

32、 话挂 机催挂音挂 机 呼 叫消息传输释放单交换机 电路交换过程：3.6.2 电路交换第72页/共104页电路交换特点：通信前需建立连接，连接建立后，线路被通信双方独占，适合传输大量数据；连接建立后，以固定速率（一般较低）传输数据；线路利用率低；不适宜突发通信，不能对传输中的数据进行检错纠错；适宜于模拟信息传输和大批量连续数字信息的实时传输。3.6.2 电路交换第73页/共104页存储转发交换存储转发交换节点收到一个分组，先暂时存储下来，在检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去。在传输过程中不要求建立专用线路，报文从源节点到目的节点的过程中，由中间节点存储，在线路

33、不忙时转发。是与电路交换相对的一种形式，不需要实现建立连接。报文交换和分组交换都属于存储转发交换。第74页/共104页3.6.3 报文交换 报文交换双方通信的数据组成报文的格式报文是节点之间传输的数据节点先接收报文，进行存储，然后根据线路的情况决定通过线路向其它节点转发第75页/共104页3.6.3 报文交换报文交换特点:不要求建立专用线路，没有建立和释放连接过程；从发送结点发出后，中间节点存储转发，直到目的站点；可根据网络流量动态选择路径，线路利用率和系统效率高。报文的大小是不固定的报文整块发送，存储转发时延大、需大容量存储介质、出错后需全部重发，传输效率低第76页/共104页3.6.4 分

34、组交换 分组交换把需要传输的数据（报文）分成长度固定的分组节点对分组进行存储转发。分组的大小比报文小的多在节点的时延比较小，即使传输出现差错，重传的数据量也比较小。计算机数据的传输具有突发性的特点，若采用电路交换，线路的利用率会非常低只有分组交换适合计算机数据的传输。分组交换可以分为面向连接的虚电路分组交换无连接的数据报分组交换。第77页/共104页3.6.4 分组交换报文交换和分组交换的区别报文号报文号目的地址目的地址源地址源地址数据数据校验校验报文号报文号分组分组1目的地址目的地址源地址源地址分组数据分组数据校验校验报文号报文号分组分组n目的地址目的地址源地址源地址分组数据分组数据校验校验

35、报文号报文号分组分组2目的地址目的地址源地址源地址分组数据分组数据校验校验第78页/共104页分组交换实现的关键：分组长度的选择分组越小，冗余量（分组中的控制信息等）在整个分组中所占的比例越大，最终将影响用户数据传输的效率；分组越大，数据传输出错的概率也越大，增加重传的次数，也影响用户数据传输的效率。3.6.4 分组交换第79页/共104页分组交换的应用：X.25分组交换网：分组长度为131字节，包括128字节的用户数据和3字节的控制信息。以太网中：分组长度为64-1518字节左右（较好的线路质量和较高的传输速率下，可以选择较大的分组长度），每个分组包括18字节控制信息。3.6.4 分组交换第

36、80页/共104页3.6.5 传统交换技术的比较 图中A、B、C、D为节点，A为源节点，D为目的节点，垂直方向为时间。图中用时间延迟比较三种交换技术的差异。时间延迟包括连接建立时延、信号的传播时延、数据的传输时延，以及节点的存储转发时延。分组3分组2分组1分组3分组2分组1分组3分组2分组1传播延迟数 据呼叫接收信号ACBDACBD排队时延报文报文报文ACBD（1）电路交换（2）报文交换（3）分组交换图3.21 传统交换技术的比较呼叫连接请求信号第81页/共104页3.6.6 信元交换 信元交换用在ATM网络中。信元长度是固定的。信元可以看作一个很小的快速分组，长度为53个字节，其中信头占5个

37、字节，数据部分占48字节由于信元比较小，在交换节点的时延很小。多种媒体信息都划分或装配为信元，使一个网络中传输多媒体信息成为可能。53字节48字节5字节数据信头图3.22 信元格式第82页/共104页3.7差错控制技术 3.7.1 差错产生的原因 信号在信道上传输会受到噪声的干扰，出现差错，差错是不可避免的。噪声分为内部噪声和外部噪声。用误码率衡量一个信道的质量通常用10的负若干次方描述信道的误码率P：P发生错误的码元数接收的码元总数一般在有线传输介质信道，误码率为10的负5次方，就是说传输100000位有1位错。第83页/共104页3.7.2 差错控制方法 数据通信和计算机网络中的差错控制方

38、法采用编码的方法，分为检错编码和纠错编码。按照差错控制规则计算出校验码，校验码和发送的数据编码组成校验序列一起发送在接收端根据同样的差错控制规则判断传输是否正确。校验码并不是真正要传输的数据信息，是为了检测出差错所必须的冗余信息。差错控制方法分为前向纠错FEC自动请求重发ARQ。第84页/共104页3.7.3 前向纠错及海明校验 1950年R.Hamming提出可以纠正一位差错的编码，称为海明码海明码是前向纠错码。海明码利用监督关系式的校正因子对一位二进制位进行差错判断，找到出错位，纠正就比较容易了，例如把“0”改为“1”。海明码的设计思想是从奇偶校验码开始的。第85页/共104页3.7.4

39、循环冗余校验编码 循环冗余校验编码CRC（Cyclic Redundancy Code）用于ARQ差错校验方法是在数据通信和计算机网络中用的最多的差错控制方法。CRC编码又称为多项式编码可以把任何一个由二进制数位串组成的代码与一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系。在实现CRC运算时，k位要发送的信息位对应一个(k-1)次多项式K(x)，r位冗余位对应一个(r-1)次多项式R(x)，由k位信息位后面加上r位冗余位组成的n=k+r位码字对应一个（n-1）次多项式：T(x)=x rK(x)+R(x)第86页/共104页循环冗余检验的原理循环冗余码是通过一些功能很强的数学算法来达到检错的

40、目的。例如：以太网用32比特的CRC校验码来对上千字节的数据帧进行差错检测。第87页/共104页3.7.4 循环冗余校验编码CRC的基本思想：当发送方想要传输一个k比特的消息K(x)时，实际发送的是包括了r比特监督码R(x)的消息T(x)，我们要做的就是，让T(x)能够让一个生成多项式G(x)整除。第88页/共104页1.编码步骤将待编码的 位信息码组表达为一个 阶多项式：3.7.4 循环冗余校验编码n例如：一个8比特的消息10011010对应多项式第89页/共104页1.编码步骤将信息码组左移 位，形成 ，即 位的信息码组:3.7.4 循环冗余校验编码 n 例如：10011010左移3位，对

41、应多项式：10011010000，其多项式表达为：0000121LLLrrrirnrnCCCCC+-+-第90页/共104页n 生成多项式 是预先选定的，如以太网标准采用的是一个众所周知的32次多项式1.编码步骤用 位的生成多项式 对 作模2除，得到一个商 和一个余数 。3.7.4 循环冗余校验编码 第91页/共104页3.7.4 循环冗余校验编码 1.编码步骤模2运算法则，以加减为基础的四则运算，不考虑进位和借位：加减规则：两数相同为0，两数相异为1上商的原则：部分余数首位为1，商取1 部分余数首位为0，商取0每求一位商，部分余数减少一位。第92页/共104页1.编码步骤模2除1101100

42、0000100110101商部分余数首位为 1部分余数首位为 0余数部分余数首位为 13.7.4 循环冗余校验编码 第93页/共104页1.编码步骤将左移 位的待编码有效信息与余数 作模2加，即得到循环冗余校验码：由于模2加和模2减的规则相同，所以可以得出：3.7.4 循环冗余校验编码 第94页/共104页3.7.4 循环冗余校验编码 2.纠错原理由于此式成立，可得出结论：循环冗余校验码应该能够被生成多项式整除，否则，信息就有差错。第95页/共104页冗余码的计算在发送端，先把数据划分为组。假定每组k 个比特。假设待传送的一组数据 K=101001（现在k=6）。我们在 K 的后面再添加供差错

43、检测用的 r位冗余码一起发送。第96页/共104页冗余码的计算举例 现在 k=6,K=101001,设 r=3,除数 G=1101，被除数是 2rK=101001000。模 2 运算的结果是：商 Q=110101，余数 R=001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2rK+R 即：101001001，共(k+r)位。第97页/共104页110101Q(商)G(除数)11011010010002rK(被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001R(余数)，作为FCS循环冗余检验的原理说明 模2运算法则，以

44、加减为基础的四则运算，不考虑进位和借位：加减规则：两数相同为0，两数相异为1上商的原则：部分余数首位为1，商取1 部分余数首位为0，商取0 每求一位商，部分余数减少一位。第98页/共104页请计算：已知要传送的数据是10110，记作 生成多项式是 求余数 冗余码的计算举例 第99页/共104页接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验(1)若得出的余数 R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。(2)若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 G，那么出现检测不到的差错的概率就很小很

45、小。第100页/共104页帧检验序列 FCS 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS(Frame Check Sequence)。循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。第101页/共104页应当注意 仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据

46、链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。而要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么），还必须再加上确认和重传机制。（解决帧丢失、帧重复、帧失序）第102页/共104页第3章 小结 传输介质分为有线传输介质和无线传输介质。数据通信是指计算机之间或其它数字终端装置之间的通信。信道传输数据的能力是受到限制的信道的最大容量与信道的带宽有关。复用技术用于在一个信道上同时传输多路信号。模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。传统的交换技术有：电路交换、报文交换、分组交换。数据通信和计算机网络中的差错控制方法采用编码的方法，分为：检错编码和纠错编码。第103页/共104页感谢您的观看。第104页/共104页