1、第2章 数据通信与广域网技术,本章学习要求：掌握：数据通信的基本概念了解：传输介质类型及主要特性了解：无线与卫星通信技术的基本概念掌握：数据编码的类型和基本方法了解：基带传输的基本概念掌握：频带传输的基本概念掌握：多路复用的分类与特点掌握：广域网中的数据交换技术类型与工作原理 掌握：差错控制方法,2.1 数据通信的基本概念,2.1.1 信息、数据与信号通信的目的是交换信息，信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息是它们的组合；为了传送这些信息，首先要将字母、数字、语音、图形或图像用二进制代码的数据来表示；为了传输二进制代码的数据，必须将它们用模拟或数字信号编码的方式表示；
2、数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的模拟或数字信号的过程。,信息编码标准ASCII 码被国际标准化组织ISO接受，成为国际标准ISO 646，又称为国际5号码;它用于计算机内码，也用做数据通信中的编码标准;ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符;字符分为图形字符与控制字符两类。图形字符包括数字、字母、运算符号、商用符号等。,多媒体网络应用随着计算机技术的发展，多媒体技术得到广泛应用；利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输是通信技术研究的重要内容之一；与文本、图形信息传输相比较，语音、图像信息传输要求数据通信系统具有高速率与低延时的特
3、性；如果每帧图像由1024768个点阵组成，图像颜色有256种，每个点阵用1字节二进制数表示，每秒传送30帧图像，则每秒需要传送235,929,601字节；如果传送数字化的语音信号，每秒对语音信号进行22,050次取样，每次取样值用1字节表示，则单声道每秒需要传送22,050字节；双声道立体声每秒需要传送44,100字节；多媒体技术在网络中的应用对数据通信系统提出更高要求。,信号的概念信号是数据在传输过程中电信号的表示形式；模拟信号（analog signal）的信号电平是连续变化的；数字信号（digital signal）是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；按照在传输介
4、质上传输的信号类型，通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。,模拟信号与数字信号波形,2.1.2 数据传输类型与通信方式,数据传输类型 模拟通信 数字通信 数据通信方式 串行通信、并行通信 单工通信、半双工或全双工通信同步方式 同步通信 异步通信,串行通信与并行通信,单工、半双工与全双工通信,同步通信与异步通信,2.2 传输介质及主要特性,2.2.1 传输介质的主要类型双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道,传输介质的特性物理特性：传输介质物理结构的描述；传输特性：传输介质允许传送数字或模拟信号，以及 调制技术、传输容量、传输的频率范围；连通特性：允许点-点或多点连接；地理范围：传输介质
5、最大传输距离；抗干扰性：传输介质防止噪声与电磁干扰对传输数据 影响的能力；相对价格：器件、安装与维护费用。,2.2.2 双绞线的主要特性 屏蔽双绞线 STP与非屏蔽双绞线UTP,2.2.3 同轴电缆的主要特性 粗同轴电缆 细同轴电缆,2.2.4 光纤的主要特性,2.3 无线与卫星通信技术,2.3.1 电磁波谱与移动通信,2.3.2 无线通信视距传播与电离层反射,2.3.3 微波通信微波信号没有绕射功能，两个微波信号只能在可视情况下才能正常接收；大气对微波信号的吸收与散射影响较大。,2.3.4 蜂窝无线通信频分多址接入（FDMA）时分多址接入（TDMA）码分多址接入（CDMA）,2.3.5 卫星
6、通信,2.4 数据编码技术,2.4.1 数据编码类型,2.4.2 模拟数据编码方法,2.4.3 数字数据编码方法,2.4.4 脉冲编码调制方法,PCM用于数字语音系统：声音分为128个量化级；每个量化级采用7位二进制编码表示；采样速率为8000样本/秒；数据传输速率应达到7位8000/秒=56Kbps；如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示;数据传输速率应达到8位8000/秒=64Kbps。,基带传输的定义 在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉冲信号;矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号;在数字通信信道上，直接传送基带
7、信号的方法称为基带传输;发送端将数据经过编码器变换变为基带信号，例如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;接收端用解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号。,2.5 数据传输的重要概念,2.5.1 通信信道带宽对数据传输的影响,2.5.2 数据传输速率与信道带宽的关系数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标；数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒，记做bps；常用的数据传输速率单位有：Kbps、Mbps与Gbps 1Kbps=1103 bps 1Mbps=1106 bps 1Gbps=1109 bps,信道速率的极限值奈奎斯特准则：二进制数据信号的最大数
8、据传输速率Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz）的关系为Rmax=2f（bps）香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N 的关系为Rmax=Blog2（1+S/N），其中 S/N为信噪比,2.6 多路复用技术,2.6.1 多路复用技术的分类频分多路复用FDM波分多路复用WDM时分多路复用TDM,2.6.2 频分多路复用在一条通信线路设计多路通信信道，每路信道的信号以不同载波频率调制，各个载波频率不重叠,2.6.3 波分多路复用光纤通道采用波长分隔多路复用方法，简称为波分复用WDM。在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分
9、复用DWDM,2.6.4 时分多路复用时分多路复用将信道的传输时间划分为若干时间片，每个用户分得一个时间片，在每个用户占有的时间片内，用户使用信道的全部带宽,同步时分多路复用与统计时分多路复用,2.7 广域网中的数据交换方法,2.7.1 线路交换方式线路交换是面向连接的服务；两台计算机通过通信子网进行数据交换之前，首先要在通信子网中建立一个实际的物理线路连接；线路交换要经过三个阶段：建立连接、数据传输与释放连接；线路交换方式的优点：通信实时性强，适用于交互式会话类通信；线路交换方式的缺点：对突发性通信不适应，系统效率低，系统没有存储数据的能力，不能平滑交通量。,线路交换方式的工作原理,2.7.
10、2 存储转发交换方式发送的数据与目的地址、源地址、控制信息按照一定格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网；通信子网中的结点是通信控制处理机，它负责完成数据单元的接收、差错校验、存储、路选和转发功能。,存储转发交换方式分类数据通过通信子网传输时可以有报文（message）与报文分组（packet）两种方式；报文传输：不管发送数据的长度是多少，都把它当作一个逻辑单元发送；报文分组传输：限制一次传输数据的最大长度，如果传输数据超过规定的最大长度，发送结点就将它分成多个报文分组发送。,报文和报文分组结构由于分组长度较短，在传输出错时，检错容易并且重发花费的时间较少；限定分组最大数据长度，有
11、利于提高存储转发结点的存储空间利用率与传输效率；公用数据网采用分组交换技术。,存储转发方式的优点由于通信子网中的通信控制处理机可以存储分组，多个分组可以共享通信信道，线路利用率高；通信子网中通信控制处理机具有路选功能，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳路径；可以平滑通信量，提高系统效率；分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性；通过通信控制处理机可对不同速率的线路进行转换，也可对不同的数据代码格式进行变换。,2.7.3 数据报方式数据报是分组存储转发的一种形式；在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建
12、立“线路连接”；源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径；每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。,数据报方式的工作原理,数据报方式的特点同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；同一报文的不同分组到达目的结点时可能出现乱序、重复与丢失现象；每个分组在传输过程中必须带目的地址与源地址；数据报方式报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。,2.7.4 虚电路方式虚电路方式试图将数据报方式与线路交换方式结合起来，处分发挥两种方法的优点，以达到最佳的数据交换效果;数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需预先建立连接。虚电路方式在分
13、组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接的虚电路;虚电路方式与线路交换方式相同，整个通信过程分为三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放。,虚电路方式的工作原理,虚电路方式的特点在每次分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条逻辑连接。这是因为不需要真正去建立一条物理链路，连接发送方与接收方的物理链路已经存在；一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的结点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做差错检测，而不需要做路径选择；每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接。,2.8 差错控制方法,2.
14、9.1 差错产生的原因与差错类型传输差错是接收的数据与发送数据不一致的现象;差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错（或随机错）；冲击噪声引起的差错是突发差错（或突发错）；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。,传输差错产生过程,2.9.2 误码率的定义误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数；误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一；对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率
15、越低越好，根据实际传输要求提出误码率要求；差错出现具有随机性，实际测量一个传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。,2.9.3 检错码与纠错码纠错码 每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能发现出错，但不能确定哪位是错的，并且不能自己纠正传输差错。,2.9.4 循环冗余编码工作原理,标准CRC生成多项式G（x）CRC-12 G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 G（x）=x16+x15+x2+1CRC-CCITT G（x）=x16+x12+x5+1CRC-3
16、2 G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,CRC校验码的检错能力CRC校验码能检查出全部单个错；CRC校验码能检查出全部离散的二位错；CRC校验码能检查出全部奇数个错；CRC校验码能检查出全部长度小于等于K位的突发错；CRC校验码能以1-(1/2)K-1的概率检查出长度为(K+1)位的突发错；如果K=16，该CRC校验码能检查出小于或等于16 位的所有突发错，并能以1-(1/2)16-1=99.997的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为0.003%。,2.9.5 差错控制机制停止等待方式,连续工作方式拉回方式选择
17、重发方式,2.9 小结,数据通信技术是网络技术发展的基础。数据通信是指在不同计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二进制代码0、1比特序列的过程；目前数据通信中应用最广泛的编码标准是ASCII码；信号是数据在传输中的电信号表示形式。按在传输介质上传输的信号类型，可分为模拟信号和数字信号两类；传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是实际传送信息的载体。常用的传输介质包括：双绞线、同轴电缆、光纤电缆、无线与卫星通信信道；在数据通信技术中，利用模拟信道通过调制解调器传输模拟信号的方法称为频带传输；利用数字信道直接传输数字信号的方法称为基带传输,数据传输速率是描述数据传输系统的重要指标，即每秒传输数据的二进制比特数（单位为bps）；多路复用技术是解决在一条物理线路上建立多条并行通信信道的问题。多路复用可以分为：频分多路复用、波分多路复用与时分多路复用；计算机之间的数据交换主要采用分组交换技术。在采用存储转发方式的广域网中，分组交换可以采用数据报或虚电路方式；误码率是指二进制码元在数据传输系统中传输出错的概率，它是衡量数据传输系统在正常工作状态下的传输可靠性的参数；循环冗余编码（CRC）是目前应用最广、检错能力很强的一种检错码编码方法。,
