1、第二章 數據通信原理簡介,計算機網絡技術及應用,Contents,通信系統簡介,1,數據通信相關技術簡介,2,通信方式實例,3,2.1.1 通信基本概念,通信的根本目的是為了交換信息 信息是對客觀事物屬性和特征的描述 信息和消息的關系 消息是通信傳輸的具體對象 信息是抽象化的消息 數據是符號化的信息，是傳遞信息的載體 數字數據和模擬數據,2.1.1 通信基本概念,信號與信道,2.1.2 數據交換方式,數據交換 按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源，達到資源優化的目的 分為電路交換、報文交換和分組交換,2.1.2 數據交換方式,三種方式的對比,2.1.2 數據交換方式,（1）電路交換 電路交換在

2、通信之前必須建立一條被通信雙方獨占的物理通路。通路由通信雙方之間的交換設備和設備之間的鏈路逐段連接而成。通路建立完成后，通信雙方開始傳送數據，數據傳輸完成后，被占用的通路才被釋放 公眾電話網和移動電話網采用的都是電路交換技術,2.1.2 數據交換方式,電路交換的優點 通信線路為通信雙方專用，數據直達，所以傳輸數據的時延非常小 通信雙方之間的物理通路一旦建立，雙方可以隨時通信，實時性強 雙方通信時按發送順序傳送數據，不存在數據重新排序的問題； 設備比較簡單,2.1.2 數據交換方式,電路交換的缺點 電路交換連接平均建立的時間較長，尤其是對計算機通信來說 電路交換連接建立后，物理通路被通信雙方獨占

3、，即使通路在個別時間內空閑，也不能供其他用戶使用，因而信道利用低 電路交換時，數據直達，不同類型、不同規格、不同速率的設備很難協同工作，也難以在通信過程中進行差錯控制,2.1.2 數據交換方式,（2）報文交換 報文交換以報文為數據交換的單位 報文包含了將要發送的完整的數據信息 報文長短很不一致 報文附帶有目標地址、源地址等信息 報文在交換結點中采用存儲轉發的傳輸方式 電子郵件（E-mail）適合采用報文交換方式,2.1.2 數據交換方式,報文交換的優點 報文交換不需要為通信雙方預先建立一條專用的通信線路，不存在連接建立時延，用戶可隨時發送報文 由于采用存儲轉發的傳輸方式，交換結點具有路由選擇功

4、能某條傳輸路徑發生故障時，重新選擇另一條路徑傳輸數據，提高了傳輸的可靠性 便于類型、規格和速度不同的設備之間進行通信 提供多目標服務 允許建立數據傳輸的優先級，使優先級高的報文優先轉發 通信雙方不是固定占有一條通信線路，而是在不同的時間逐段地部分占有這條物理通路，因而大大提高了線路的利用率,2.1.2 數據交換方式,報文交換的缺點 由于數據進入交換結點后要經歷存儲和轉發的過程，包括接收報文、檢驗正確性、排隊和發送等，從而引起轉發時延。網絡的通信量愈大，造成的時延就愈大，因此報文交換的實時性差，不適合傳送實時或交互式業務的數據 只適用于數字信號 由于報文長度沒有限制，而每個中間結點都要完整地接收

5、傳來的整個報文，當輸出線路被占用時，還可能要存儲幾個完整報文等待轉發，這要求網絡中每個結點有較大的緩沖區。為了降低成本，減少結點的緩沖存儲器的容量，有時要把等待轉發的報文存在磁盤上，這進一步增加了傳送時延,2.1.2 數據交換方式,H1,A,子網,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 發送分組,路由器,主機,在結點路由器 A 暫存 查找轉發表 找到轉發的端口,在結點路由器 C 暫存 查找轉發表 找到轉發的端口,在結點路由器 E 暫存 查找轉發表 找到轉發的端口,最后到達目的主機 H5,（3）分組交換,2.1.2 數據交換方式,分組交換 分組交換仍采用存儲轉發傳輸方式，但

6、將一個報文首先分割為若干個較短的分組，然后再把這些攜帶源地址、目的地址和編號信息的分組逐個發送出去,2.1.2 數據交換方式,加速了數據在網絡中的傳輸；簡化了存儲管理；減少了出錯機率，適用于計算機通信,分組交換的優點和缺點,仍然存在存儲轉發時延；降低了通信效率；分組交換可能出現分組失序、丟失或重復,2.1.2 數據交換方式,H1,A,子網,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 發送分組,H2 向 H6 發送分組,注意分組路徑的變化！,路由器,主機,分組交換,2.1.3 數據傳輸方式,數據傳輸與數據交換的關系 微觀與宏觀 本小節要介紹數據傳輸方式 1. 基帶傳輸與頻帶傳輸

7、 2. 有線傳輸與無線傳輸 3. 單工、半雙工與全雙工傳輸 4. 串行方式傳輸與并行方式傳輸 5. 異步方式與同步方式傳輸,2.1.3 數據傳輸方式,1. 基帶傳輸與頻帶傳輸 數字信號不經過調制，直接在線路中傳輸的方式稱為基帶傳輸 頻帶傳輸是指信號經過調制后再送到信道中傳輸，最后在接收端進行解調的通信方式,2.1.3 數據傳輸方式,2. 有線傳輸與無線傳輸 有線：雙絞線通信、電纜通信和光纜通信 無線：聲音、電磁波,2.1.3 數據傳輸方式,3. 單工、半雙工和全雙工 單工方式中數據只能單方向傳輸 廣播、遙控器、電視 半雙工指在同一時刻，只允許數據在一個方向上傳輸 對講機 全雙工指可以同時進行雙

8、向數據傳輸 固定電話、手機,2.1.3 數據傳輸方式,4. 串行方式與并行方式 串行傳輸方式指使用一條數據線將數據一位一位地傳輸。串行方式只需要很少的數據線就可以在系統間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信 并行傳輸方式使用幾條數據線將數據分段同時進行傳輸，傳輸速度快，根據計算機的字長，通常是以8位、16位或32位為傳輸單位，一次傳送一個字長的數據，適合于外部設備與微機之間進行近距離、大量和快速的信息交換,2.1.3 數據傳輸方式,5. 異步方式與同步方式 同步傳輸方式以比特為傳輸單位，要求收發雙方具有完全同步的時鐘信號，使用時需要在傳送數據的最前面附加特定的同步字

9、符，使發收雙方建立同步，此后便在同步時鐘的控制下逐位發送或接收 同步方式效率較高 以太網和光纖等的數據傳輸都是同步方式 異步通信以字符為數據傳輸單位，在發送時，字符之間的時間間隔可以是任意的。為了讓接收端作好準備，能夠正確地將每一個字符接收下來，必須在每一個字符的開始和結束的地方加上標志，即加上開始位和停止位 異步通信的好處是通信設備簡單、便宜，但傳輸效率較低，因為開始位和停止位的開銷所占比例較大 PC機提供的標準通信接口都是異步的，如常用的USB接口等,2.1.4 常用性能指標,1,帶寬,2,波特率,3,誤碼率,2.1.4 常用性能指標,1帶寬 帶寬表示通信系統傳輸數據能力的上限，是衡量通信

10、性能的重要標準，這一概念最初來自模擬通信領域，指某個系統所能有效傳輸的最低頻率信號和最高頻率信號之間的“寬度”，因此又叫頻寬，單位是赫茲。一般來講，帶寬越大，信道的傳輸能力就越強，單位時間內發送的數據量就越大 后來帶寬這一名詞被擴展到數字通信領域。數字信道不用頻率衡量，所以帶寬的單位不再是赫茲，而是每秒鐘傳輸的碼元個數。數字通信中的帶寬實際上就是波特率,2.1.4 常用性能指標,2波特率與比特率 數字信號的基本單位是碼元，波特率指通信中每秒傳輸的碼元數量，其單位為波特（Baud）。1Baud表示1碼元/秒。在計算機網絡中，所用的碼元是二進制碼元比特，波特率就變成了比特率，即比特/秒（bit/s

11、，或簡寫為bps）。網絡中描述帶寬時常常把單位省略。例如，帶寬是10M，實際上是10Mb/s，表示這個網絡傳輸數據能力的上限是每秒鐘10M個比特,2.1.4 常用性能指標,3誤碼率 由于信道不理想或噪聲的干擾，以致在接收端收到的碼元可能出現錯誤，比如發送的信號是“1”,而接收到的信號卻是“0”，這叫誤碼。誤碼的多少用誤碼率來衡量。誤碼率的定義是：數字通信系統中單位時間內出錯的碼元數與發送的總碼元數之比。誤碼率是衡量數據傳輸準確性的指標，單位時間內的誤碼越多，誤碼率越大 一般來講，局域網可接受的最高限度誤碼率為10-10，在這個比例以下，出現的誤碼不會降低網絡的性能，因為所有的網絡軟硬件都按這個

12、要求建立。最理想的情況當然是誤碼為0，但這實際上不能達到。標準中低于10-12的誤碼率就被規定為零誤碼率,2.2 數據通信相關技術簡介,1,2,3,數據編碼技術,信道復用技術,差錯控制技術,2.2.1 數據編碼,2.2.1 數據編碼,1. 非歸零編碼（NonReturn to Zero Code，NRZ） NRZ編碼方案用信號的幅度表示二進制數據，通常用正電壓表示數據“1”，負電壓表示數據“0”，即所謂的“雙極性”編碼；電壓無需回到零值，故稱“非歸零碼” NRZ編碼的優點是：發送能量大，有利于提高接收端信噪比；在信道上占用頻帶較窄。信噪比指信道中正常信號與噪聲的功率之比，信噪比越大，說明信號的

13、品質越好 NRZ碼的主要缺點是：當數據流中連續出現“0”或“1”時，接收端不容易分辨信號的開始和結束，如果使用同步傳輸方式，必須采用某種方法在發送端和接收端之間提供必要的同步信號。同時，這種編碼有直流分量，將導致信號的失真與畸變，而且無法使用一些交流耦合的線路和設備；抗噪性能差 由于NRZ 碼的諸多缺點，基帶數字信號傳輸中很少采用這種編碼，它只適合短距離傳輸,2.2.1 數據編碼,2. 曼徹斯特編碼（Manchester Encoding） 曼徹斯特編碼是一種同步時鐘編碼技術，常用于局域網傳輸。在曼徹斯特編碼中，每一位信號的中間都發生跳變，從低到高的變化表示“0”，從高到低表示“1”。由于電壓

14、變化發生在每一個碼元的中間，接收端可以方便地利用它作為同步時鐘，因此這種編碼也稱為自同步碼。10Mb/s以太網采用曼徹斯特編碼,2.2.1 數據編碼,3. 差分曼徹斯特編碼（Differential Manchester）。 差分曼徹斯特碼是曼徹斯特碼的改進形式，二者的區別在于，差分曼徹斯特碼每位中間的跳變只作為同步時鐘信號，數據“0”和“1”的取值用信號的相位變化來表示：若每位信號的起始處有跳變則為“0”；無變化則為“1”。差分曼切斯特碼比曼切斯特碼的變化要少，因此適合傳輸更高速的信息。令牌環（Token-Ring）網采用差分曼徹斯特編碼 曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的特點是每一位均用不同

15、電平的兩個半位來表示，因而始終能保持直流的平衡。兩種曼徹斯特編碼是將時鐘信息包含在數據流中，在傳輸代碼信息的同時，也將時鐘同步信號一起傳輸到對方，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但在這兩種編碼中，每一個比特都被轉換成兩個電平，所以數據傳輸效率只有非歸零碼的1/2,2.2.1 數據編碼,4. DNRZ編碼（Differential NRZ） DNRZ編碼是一種NRZ編碼的改進形式，它也是用信號的相位變化來表示二進制數據的，每個信號碼元的起始處有變化表示數據“1”，而無變化表示數據“0”。DNRZ編碼不僅保持了NRZ編碼的優點，同時提高了信號的抗干擾性和易

16、同步性。 近年來，DNRZ成為主流的信號編碼技術，在100Mb/s以太網等高速網絡中都采用了DNRZ編碼。其原因是在高速網絡中要求盡量降低信號的傳輸帶寬，以利于提高傳輸的可靠性和降低對傳輸介質帶寬的要求。DNRZ具有很高的編碼效率，符合高速網絡對信號編碼的要求。,2.2.2 信道復用,信道往往允許多路信號同時傳輸。這稱為信道復用,2.2.2 信道復用,1. 頻分復用（Frequency Division Multiplexing，FDM） 頻分復用就是將用于傳輸信道的總帶寬劃分成若干個子頻帶（或稱子信道），每一個子信道傳輸一路信號 頻分復用的最大優點是信道復用率高，允許復用的路數多，分路也很方

17、便，因此它成為目前模擬通信的主要復用方式，特別是在有線通信和微波通信系統中應用十分廣泛。頻分復用的主要缺點是設備比較復雜。,2.2.2 信道復用,2.時分復用 就是將提供給整個信道傳輸信息的時間劃分成若干時間片，稱為時隙，并將這些時隙分配給每一個信號源使用，每一路信號在自己的時隙內獨占信道進行數據傳輸 如果時隙事先規劃分配好且固定不變，則稱為同步時分復用，其優點是時隙分配固定，控制方式簡單；缺點是當某信號源沒有數據傳輸時，它所對應的信道會出現空閑，而其他繁忙的信道無法占用這個空閑的信道，因此會降低線路的利用率。 統計時分復用（Statistic Time-Division Multiplexi

18、ng，STDM），也叫異步時分復用，仍然是將用戶的數據劃分為一個個數據單元，不同用戶的數據單元按照時分的方式來共享信道，但是不再固定分配時隙，而是動態分配時隙，即不再使用物理特性來標識不同用戶，而是使用數據單元中的若干比特，也就是使用邏輯的方式來標識用戶。這種方法提高了設備利用率，但是技術復雜性也比較高，所以這種方法主要應用于高速遠程通信過程中，例如，異步傳輸方式ATM。兩種時分復用的示意圖見下。,2.2.2 信道復用,2.2.2 信道復用,3.碼分復用是靠不同的編碼來區分各路原始信號的一種復用方式。碼分復用實質上是一種擴頻技術，用戶將二進制數據中的“0”和“1”分別擴展為一串稱為“碼片”的二

19、進制序列，發送到信道當中。不同用戶分配到的“碼片”不相同，而且互相正交，因此多個用戶的數據可以疊加在一起傳送，最后在接收端使用各自的碼片對總體信號進行“解碼”，就可以得到各自的原始信號。 碼分復用和頻分復用及時分復用比較起來，頻分復用的特點是各個子信道共享總信道的時間，但頻率互相隔離；時分復用則共享總信道的所有頻率，但時間上分為很多時隙，分開使用；在碼分復用方式中，各用戶在時間和頻率上均共享總信道，因此，信道的效率高，系統的容量大。 碼分復用現在已廣泛使用在移動通信中。聯通CDMA（碼分多址）就是碼分復用的一種方式。,2.2.2 信道復用,4.波分復用(WDM) 在光通信領域，人們習慣按波長而

20、不是按頻率來命名。因此，波分復用本質上也就是光的頻分復用。WDM是在一根光纖上承載多個波長的光，相當于將1根光纖轉換為多條“虛擬”光纖，當然每條虛擬光纖獨立工作在不同波長上。由于WDM系統技術的經濟性與有效性，使之成為當前光纖通信網絡擴容的主要手段。 隨著技術的發展，在一根光纖上復用的光信號越來越多，于是就有了密集波分復用。在密集波分復用中，不同光信號的波長之差很小，一般只有0.8或1.6納米，這樣極大地提高了光纖的傳輸容量。,2.2.3 差錯控制,通信中，接收的數據與發送數據不一致的現象稱為傳輸差錯。差錯控制，就是檢查是否出現差錯以及如何糾正差錯。 1. 差錯產生的原因 造成傳輸差錯的主要原

21、因： （1）信道上存在噪聲，噪聲與原始信號疊加，從而出現差錯 （2）信道特性不理想使被傳輸的信號產生失真,2.2.3 差錯控制,2.2.3 差錯控制,2. 差錯類型 根據出錯信號的位置和數量，數字信號傳輸中常見的錯誤有兩種：單比特錯誤和突發錯誤,2.2.3 差錯控制,3. 差錯控制方法 差錯控制的基本方式有3種：前向糾錯、檢錯重發、混合糾錯,2.2.3 差錯控制,（1）前向糾錯方式（Forward Error Correction，FEC） 又稱自動糾錯方式。在這種方式中，發送端將信息碼元按一定規則附加上監督碼，構成需要發送的碼字。當接收端收到碼字，發現有差錯且在其糾錯能力之內時，能自動將碼字

22、糾正。 目前，FEC方式廣泛應用于太空和衛星通信中。,2.2.3 差錯控制,（2）檢錯重發方式（Auto Repeat Request，ARQ） 又稱自動重傳方式。在這種方式中，發送端發送的碼元中加入了具有檢錯能力的監督碼，接收端則按照給定的規則判決傳輸中有無錯誤產生。如果發現錯誤，就通過反向信道把這一判決結果反饋給發送端， ARQ方式在計算機網絡、計算機設備之間的通信中獲得了廣泛的應用。其缺點是：需要反饋信道，信息傳輸效率低，不適合實時傳輸系統。,2.2.3 差錯控制,（3）混合糾錯方式（Hybrid Error Correction，HEC） 混合糾錯方式是前向糾錯方式和檢錯重發方式的結合

23、，其監督碼既有檢錯能力，也有一定自動糾錯能力。接收端檢查差錯情況，如果錯誤在碼元的糾錯能力范圍以內，則自動糾錯，如果超過了碼元的糾錯能力，但能檢測出來，則經過反饋信道請求發送端重發。 該方式特別適合于復雜的短波信道，近年來在衛星通信中也得到了較廣泛的使用。,2.2.3 差錯控制,發送端加入的冗余信息一般有檢錯碼和糾錯碼兩種 檢錯碼只能檢查出是否發生錯誤，不能定位錯誤的位置，因此也就無法更正錯誤。而糾錯碼既能發現錯誤，也能糾正錯誤，只是相對于檢錯碼，一般要有更多的冗余信息。,2.2.3 差錯控制,（1）檢錯碼 常用的檢錯碼有奇偶校驗碼和循環冗余碼 奇偶校驗是奇校驗和偶校驗的統稱，指在原信息后面附

24、加一個監督元，使得碼字中“1”的個數是奇數或偶數,2.2.3 差錯控制,循環冗余碼 （Cyclic Redundancy Code， CRC）。循環冗余碼又稱為多項式碼，其工作方法是根據原始信息產生一串冗余碼，附加在信息位后面一起發送到接收端，接收端收到的信息按發送端形成循環冗余碼同樣的算法進行校驗，如果發現錯誤，則通知發送端重發 任何一個由二進制數位串組成的代碼，都可以唯一表示為一個只含有“0”和“1”兩種系數的多項式。例如，代碼1010111對應的多項式為X6+X4+X2+X+1。同樣，多項式X5+X3+X2+X+1對應的代碼為101111。CRC碼在發送端編碼和接收端校驗時，都可以利用事

25、先約定的生成多項式G(X)計算得到,2.2.3 差錯控制,目前廣泛使用的生成多項式主要有以下四種。 CRC12 = X12+X11+X3+X2+1 CRC16 = X16+X15+X2+1（IBM公司） CRC16 = X16+X12+X5+1（國際電報電話咨詢委員會CCITT） CRC32 = X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1,2.2.3 差錯控制,冗余碼的計算方法是，假定生成多項式最高次冪是r，則先將信息碼后面補r個“0”，然后將補零之后的信息碼除以G(X),2.2.3 差錯控制,糾錯碼：以海明碼為例,2.3 通信方式實例,4,3

26、,2,1,無線電波通信,微波通信,衛星通信,蜂窩移動通信,2.3.1 無線電波通信,無線電波是波長在1毫米以上的電磁波，又可以細分為長波、中波、短波、超短波和微波等。長波的波長為1000米以上；中波波長介于100米與1000米之間，短波波長10米100米；超短波波長1米10米，所以又為米波；微波波長1毫米1米。、 無線電波主要有三種傳播方式：地表傳播、電離層傳播和沿直線傳播,2.3.1 無線電波通信,2.3.2 微波通信,微波波長1毫米1米，是分米波、厘米波和毫米波的總稱，嚴格意義上也屬于無線電波。 微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。由于微波穿透電離層的能力很強，不能

27、利用電離層反射方式傳播，而且又不能像長波那樣繞過障礙物，所以只能采用直線方式傳播。 由于地球的球形表面和地表的障礙物，微波信號的覆蓋范圍在很大程度上依賴于天線的高度，天線越高，信號傳輸的距離越遠。典型的做法是將天線安裝在塔頂，而塔建立在山頂等盡可能高的地方。即便如此，傳輸距離仍嫌不夠，只好采用中繼接力的方式延長距離,2.3.3 衛星通信,衛星通信采用的電磁波信號屬于微波范疇，因此衛星通信的基本原理和微波通信一樣，只不過它的中繼站是繞地球軌道運行的衛星。由于衛星的高度很高，所以雖然在衛星通信中地球曲面引起的距離限制被大大地削弱，信號只需一次中繼就可以跨越陸地與海洋。,2.3.3 衛星通信,用于通

28、信的衛星有地球同步衛星和低軌道衛星 同步衛星運行在赤道上空約35406千米處，這個軌道上的衛星在地面上看來好像在天空中靜止不動的一樣，因此被稱為地球同步衛星。但是，一顆同步衛星不可能覆蓋整個地球，在同步軌道上至少需要三顆等距離的衛星互相呈120分布，才能提供全球通信服務。 地球同步衛星的覆蓋區域固定，在這個覆蓋區內任何帶有相應衛星天線的地球站之間可以實現不間斷通信。不過，同步衛星與地面的距離還是太遠，地面站設備不可能做得太小，更不要說用手持設備直接與衛星通信了。,2.3.3 衛星通信,解決這一問題的方法是使用低軌道（Low Earth Orbit，LEO）衛星。但如果用LEO衛星實現全球通信，衛星的數量需要大大增加。原因在于衛星軌道越低