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1、1,数据通信的基础知识,本章内容信道 传输介质数据编码多路复用技术数据交换技术差错控制及检错,2,1.1 基本概念,数据及计算机通信术语数据（Data）：传递（携带）信息的实体。信息（Information）：是数据的内容或解释。信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编码），数据以信号的形式在介质中传播。模拟信号、数字信号基带（Base band）、宽带（Broad band）基带传输是指在通信电缆上原封不动地传输由计算机或数据通信终端产生的0或1数字脉冲信号。大多数局域网(LAN)使用的都是基带传输。直接使用数字信号传输数据时，数字信号几乎要占用整个频带。频带越宽，传输线路的电容电
2、感等对传输信号波形衰减的影响越大。基带传输的距离一般不超过2km，超过时需通过称为中继器的设备对信号进行放大，以延长传输距离。宽带传输是指传输介质在信息传输时能够支持较宽的频带，一般在300MHz400MHz左右。系统设计时将此频带分割成若干个子频带，通过使用多路复用方法，在一个信道中可以同时传播声音、图像和数据多种信息，使系统具有多种用途。,3,数据、信息,信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识;数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式;信号是数据的具体的物理表现。,4,数据通信的基本概念,雪六角形凉白色,信息,数据,信号,例子,5,数据通信的基本概念,信息：人对雪花和马的认识数
3、据：文字，二进制数，十进制数信号：电压，光，磁场强度,6,信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的比特数（即数据传送速率）。码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单元。,7,同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元从何时开始 同步脉冲也可位于码元的中部 一个码元也可有多个同步脉冲相对应,t,码元1,码元2,码元3,码元4,码元5,信号,同步脉冲,t,8,波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率）。比特率、波特率和信号编码级数的关系如下：Rbit=Rbaud log2M 上式中：M-信号的
4、编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。例如：当波特率为9600时若M=2，数据传输率为9600b/s若M=16，数据传输率为38.4kb/s,9,误码率：信道传输可靠性指标，是一个概率值。传输中的误码/所传输的总码数 信息编码：将信息用二进制数表示的方法。例如：ASCII编码、BCD编码等数据编码：将数据用物理量表示的方法。例如：字符A的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,10,带宽（Band width，BW）信道传输能力的度量。在传统的通信工程中
5、：BW fmax fmin 单位：赫兹（Hz）,100 300 500 700 900,频率,带宽=900-100=800,11,在计算机网络中，一般用每秒允许传输的二进制位数作为带宽的计量单位。主要单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。例如：传统以太网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽为10Mb/s。在理解带宽这个概念之前，我们首先来看一个公式：带宽=时钟频率x总线位数/8，从公式中我们可以看到，带宽和时钟频率、总线位数是有着非常密切的关系的。其实在一个计算机系统中，不仅显示器、内存有带宽的概念，在一块板卡上，带宽的概念就更多了，完全可以说是带宽无处不在。那到底什么是带宽呢？带宽的
6、意义又是什么？简单的说，带宽就是传输速率，是指每秒钟传输的最大字节数（MB/S），即每秒处理多少兆字节，高带宽则意味着系统的高处理能力。为了更形象地理解带宽、位宽、时钟频率的关系，我们举个比较形象的例子，工人加工零件，如果一个人干，在大家单个加工速度相同的情况下，肯定不如两个人干的多，带宽就象是加工零件的总数量，位宽仿佛工人数量，时钟工作频率相当于加工单个零件的速度，位宽越宽，时钟频率越高则总线带宽越大,其好处也是显而易见的。,12,时延（Delay）：信息从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延=处理时延+排队时延+发送时延+传播时延处理时延=对数据进行处理和错误校验所需的时间排队时延=数据
7、在中间结点等待转发的延迟时间发送时延=数据位数/信道带宽传播时延=d/s d:距离，s:介质中信号传播速度(0.7c),13,延迟在每个步跳中产生的延迟可分为四种,处理时延:校验错误确定输出链路排队时延:在输出链路中等待被发送 取决于路由器的拥塞程度,14,发送时延:R=链路带宽(b/s)L=分组长度(bits)将分组位流发送到链路上的时间=L/R,传播时延:d=物理链路的长度s=介质中的信号传播速度(2x108 m/s)传播延迟=d/s,注意:s 和 R 是完全不同的两个概念!,15,时延带宽乘积：某一信道所能容纳的比特数。时延带宽乘积=带宽传播时延例如，某信道的时延带宽乘积为100万比特，
8、这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。,管道体积=时延带宽乘积,16,往返时延（Round-Trip Time，RTT）：从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认所经历的时间RTT2传播时延传输可靠性两个含义：数据能正确送达数据能有序送达（当采用分组交换时）,17,1.数据通信的一般概念,通信的三个要素：信源、信宿和信道,任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信号产生干扰，称为“噪声”。外界：闪电、串扰、电气设备内部：介质特性（衰减、延迟与频率有关）,18,信息通过数据通信系统的传输过程把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地信息和数据（二进制位）不能直接
9、在信道上传输编码：数据适合传输的数字信号便于同步、识别、纠错调制：数字信号适合传输的形式按频率、幅度、相位解调：接收波形数字信号解码：数字信号原始数据,19,2.数据通信系统的构成,数据传输系统传输线路有线介质、无线介质传输设备调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等调制解调器等网络接入设备也称为DCE（Data Circuit Equipment）数据处理系统：计算机、终端等又分为：源系统（信源发送器）：发出数据的计算机目的系统（信宿接收器）：接收数据的计算机计算机、终端等设备也称为DTE（Data Terminal Equipment）,20,数据通信基本过程,5个阶段包含两项内容：数据传
10、输和通信控制 过程 与打电话比较建立物理连接 拨号，拨通对方 建立逻辑连接 互相确认身份数据传输 互相通话断开逻辑连接 互相确认要结束通话断开物理连接 双方挂机,*注意，并不是所有的数据通信都需要全部5个阶段。,21,1.2 信道及其主要特征,1.数字信道和模拟信道数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道。计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道。CATV、无线电广播、电话拨号线路,22,模拟信号和数字信号模拟信号时间上连续，包含无穷多个信号值数字信号时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的是二值
11、信号,t,a）模拟信号,b）数字信号,23,周期信号和非周期信号周期信号信号由不断重复的固定模式组成（如正弦波）非周期信号信号没有固定的模式和波形循环（如语音的音波信号）。,周期信号,非周期信号,24,数字通信与模拟通信数字通信在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输模拟通信在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输数字通信的优点抗噪声（干扰）能力强可以控制差错，提高了传输质量便于用计算机进行处理易于加密、保密性强可以传输语音、数据、影像，通用、灵活计算机通信仅在不得已的情况下，才会采用模拟通信，如通过电话线拨号上网。,25,2.信道的最大数据传输率,Nyquist公式：用于无噪声理想低通信道N
12、yquist公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。例如，话音级线路的带 宽约为3.1kHz，根据上 式计算的信道最大数据 传输率如右表所示,M 最大数据率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s16 24800 b/s32 31000 b/s,26,非理想信道实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。例如：数据传输速率为56kb/s时，持续时间0.01s的干扰会破坏约560个比特。,27,Shannon公式：用于有噪声干扰信道例：信道带宽W=3.1kHz，S/
13、N=2000，则 C=3100log2（1+2000）34kb/s 即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。,信噪比的单位也可用分贝(dB)表示：S/NdB=10log10 S/N所以，若S/NdB=30dB，则S/N=1000。,28,Nyquist公式和Shannon公式的比较,C=2W log2M用于理想信道（这样的信道存在吗？）数据传输率随信号编码级数增加而增加。C=W log2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。,29,3.通信网络中
14、站点的连接方式,30,4.串行通信与并行通信,串行通信指数据流一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可，易于实现。并行通信是一次同时传送一个字节（字符）,即8个码元。并行传送传输速率高，但传输设备要增加7倍，一般用于近距离范围要求快速传送的地方.如计算机与输出设备打印机 的通信一般是采用并行传送。串行传送虽然速率低，但节省设备，是目前主要采用的一种传 输方式，特别是在远程通信中一般采用串行通信方式。,31,5.数据传输方式,单/双工通信单/双向传输单工：数据单向传输（例：无线电广播）半双工：数据可以双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输（例：对讲机）全双工：数据可以双向同时传输（例：
15、电话）需要具有两条物理上独立的传输线路；或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输。,32,发送器,接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A站,B站,可同时,不可同时,33,基带/频带/宽带传输基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如：以太网（局域网）频带传输：数字信号调制成音频(:20Hz-20KHz)模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：通过电话网络传输数据宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如：闭路电视的信号传输,34
16、,DNS,写入脉冲,读出脉冲,缓冲存储器,数字交换网络,数字网示意图,从输入数字码流中提取,本局时钟,在通信信号的传输过程中，同步是十分重要的，如果不能同步，就会在数字交换机的缓存器中产生信息比特的溢出和取空，导致数字流的滑动损伤，造成数据出错。,35,数据同步方式目的是使接收端与发送端在时间基准上一致：同步脉冲频率数据从什么时候开始，什么时候结束位边界数据块边界数据通信中需要在三个层次上实现同步：位位同步字符字符同步帧(Frame)帧同步,36,位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：外同步发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己
17、的时钟脉冲频率。自同步通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。,37,在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示0或1，有跳变为0，无跳变为1。,38,字符同步：找到正确的字符边界。常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停止位采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。起止式的优缺点：频率的漂移不
18、会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其传输效率为8/1173,39,帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧（Frame）：数据链路中的传输单位包含数据和控制信息的数据块面向字符的以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧,7EH,7EH,40,1.3 传输介质,磁介质高带宽、低费用、高延时（小时）在通信中很少使用 金属导体双绞线、同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线
19、电、微波、卫星、红外线,41,双绞线（Twist Pair，TP）,-螺旋绞合的双导线-每根4对、25对、1800对-典型连接距离100m（LAN）-RJ45插座、插头-优缺点：成本低 组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般 连接距离短,应用领域：电话网络、计算机局域网,42,双绞线（Twisted Pair）,双绞线减少相互间的干扰电缆常常包括多对双绞线双绞线分为两类：屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）非屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）3类UTP：常用来传输话音5类UTP：可以100Mbps传
20、输数据超5类UTP：支持的数据速率更高,43,物理层中的传输媒体,(a)Category 3 UTP.(b)Category 5 UTP.,双绞线,44,物理层中的传输媒体,双绞线,45,平行线的噪声干扰,46,双绞线的噪声干扰,47,双绞线小结,一般在一根线内有多对，常在21800对之间；双绞线分为：UTP（非屏蔽双绞线）成本低，安装容易，易受外部 或附近双绞线的干挠；STP（屏蔽双绞线）：在线的外层加上金属包层来屏蔽 外界的干挠，成本高，安装难度大；根据1995年的电子工业协会EIA公布的标准EIA-586-A，其中100的3类UTP和5类UTP，STP是150，其中CAT3和CAT5的区
21、别在于旋绞次数，CAT5一般是34次/英寸，而CAT3则是34次/英尺；,48,49,UTP的主要性能参数和用途,50,51,2023/3/4,双绞网线的正线反线制作方法及应用场合,从性价比和可维护性出发，大多数局域网使用非屏蔽双绞线(UTPUnshielded Twisted Pair)作为布线的传输介质来组网。,网线由一定距离长的双绞线与RJ45头组成。,双绞线,RJ45头,52,2023/3/4,双绞线做法有两种国际标准：EIA/TIA568A和EIA/TIA568B 如图：,双绞网线的正线反线制作方法及应用场合,53,2023/3/4,双绞网线的正线反线制作方法及应用场合,54,202
22、3/3/4,双绞网线的正线反线制作方法及应用场合,双绞线的连接方法：直通线缆和交叉线缆。,直通线缆的水镜头两端都遵循568A或568B标准，双交线的每组线在两端是一一对应的，颜色相同的在两端水晶头的相应槽中保持一致。它主要用在交换机（或集线器）Uplink口连接交换机（或集线器）普通端口或交换机普通端口连接计算机网卡上。,55,2023/3/4,双绞网线的正线反线制作方法及应用场合,交叉线缆的水晶头一端遵循568A，而另一端则采用568B标准，即A水晶头的1、2对应B水晶头的3、6，而A水晶头的3、6对应B水晶头的1、2，它主要用在交换机（或集线器）普通端口连接到交换机（或集线器）普通端口或网
23、卡连网卡上。,56,水晶头的八根针脚的定义（拿着水晶头，头部朝向自己，塑料弹片朝下，从右到左依次为1、2、3、4、5、6、7、8）,57,2023/3/4,双绞网线的正线反线制作方法及应用场合,网线的制作：主要用到的工具,58,2023/3/4,双绞网线的正线反线制作方法及应用场合,测线器的使用,网线测试仪,在把水晶头的两端都做好后即可用网线测试仪进行测试，如果测试仪上8个指示灯都依次为绿色闪过，证明网线制作成功。如果出现任何一个灯为红灯或黄灯，都证明存在断路或者接触不良现象。注：直通线测试仪上的灯应该是依次顺序的亮。交叉双绞线那测试仪的一段的闪亮顺序应该是3、6、1、4、5、2、7、8。,5
24、9,光纤（Optical Fiber）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低，保密性好轻便价格较高需要光电转换纤芯材料：塑料二氧化硅（高纯玻璃）,60,光纤（Optical Fiber）,光纤传送电信号的过程单模光纤：直线，距离更长，数据速率更高多模光纤：折射,61,光纤,光纤是宽带网络中多种传输媒介中最理想的一种，它的特点是传输容量大，传输质量好，损耗小，中继距离长等。而光纤通信系统的构成如图所示：,62,光纤的组网范例,63,光纤,物理特性 物理成份：5100um芯，超纯 SiO
25、2，成本高，生产工艺难度大，传输距离远；多塑纤维，成本低，但传输距离短 构成：根据光纤的波长分为多模和单多模光纤；多模是光线沿着光纤以多种角度不断被包层反射而向前传播，多模指反射角的多样性；其波长为0.85um，单模是指光纤的芯缩小到与波长相当，此时相当于光沿直线在光纤的轴芯上传播。单模光纤由于减少了反射过程中光能量被包层材料吸收，故损耗小，能传输的更远；但由于要把光纤的芯拉的更细；1.3um，所以工艺难度大，成本高。（光纤芯直径是单模8.3um，多模是50um和 62.5um两种）速度：2.4G，5G，10G在推广，20G正在研制，无中继达20Km以上；影响光纤的因素：衰减和色散,64,传输
26、原理 用10141015HZ的光，利用光的折射和全反射原理;,折射率作为衡量它的一个标准。其定义为：cos(a)/cos(b),65,利用不同的介质密度的差异，引起全反射,66,传输过程 电信号驱动器光源光纤信号（光纤）光检波器放大器电信号 发送端：发光二极管LED，可见光，多模；注入型激光二极管ILD，激励性电效应，单模，昂贵，有稳态和激发态 接收端：光检测 PIN检测器，PN结中加纯硅，价格低，灵敏度低 APP检测器，雪崩光电二极管，灵敏度高 光调制：ASK调制，复用技术（WDM，DWDM）光纤传输的优点：轻便、低衰减和大容量,67,传输模式,Mode,Singlemode,Step-in
27、dex,Multimode,Graded-index,68,传输模式-多模突变,Multimode step-index fiber,69,传输模式-多模渐变,Multimode graded-index fiber,70,传输模式-单模,Single-mode fiber,71,同轴电缆（Coaxial Cable）计算机网络中使用基带同轴电缆阻抗50，有粗同轴和细同轴两种应用：总线局域网（以太网）性能：10Mb/s，500米/185米,72,无线介质（信号在大气或外层空间自由传播）使用电磁波或光波携带信息优缺点：无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰反射，为障碍物所阻隔主要类型：
28、无线电、地面微波通信卫星红外线,73,无线电基站与终端之间通信采用无线链路应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）,基站覆盖的无线电区域,基站,用户计算机和终端,74,地面微波通过地面站之间接力传送接力站之间距离：50-100 km速率：每信道 45 Mb/s,地球,地面站之间的直视线路,微波传送塔,75,地球同步卫星与地面站相对固定位置使用3颗卫星即可覆盖全球传输延迟时间长（270ms）广播式传输应用领域：电视传输长途电话专用网络广域网,35,784公里,地球,76,常用传输介质的比较（p46表2.1）,77,1.4 数据编码,不同类型的信号在不同类型的信道上传输有4种情况：,78,模拟传
29、输和数字传输所使用的技术,79,编码与调制的区别编码：用数字信号承载数字或模拟数据调制：用模拟信号承载数字或模拟数据,Encoder,Decoder,数字或模拟数据,数字信号,x(t),g(t),数字或模拟数据,编码与解码,数字信道,发送方,接收方,g(t),编码,解码,80,调制与解调,81,1.数字数据的数字信号编码,使数字数据能在数字信道上传输把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类：不归零码和曼彻斯特编码不归零码（NRZ，Non-Return to Zero）二进制数字0、1分别用两种电平来表示；常用5V表示1，5V表示0；缺点：存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；不具备自同步
30、机制，传输时必须使用外同步。,82,曼彻斯特编码（Manchester Coding）用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变：高低的跳变代表0，低高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。差分曼彻斯特编码（Differential）每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表示0和1，有跳变代表0，无跳变代表1。,83,三种数字编码的波形图,84,2.数字数据的调制,使数字数据能在模拟信道上传输三种常用的调制
31、技术：幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）频移键控FSK（Frequency Shift Keying）相移键控PSK（Phase Shift Keying）原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。载波信号 S(t)=Acos(t+)S(t)的参量包括：幅度A、频率、初相位调制就是要使A、或随数字基带信号的变化而变化,85,ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变化表示0和1,86,3.模拟数据的数字信号编码,使模拟数据能在数字信道上传输采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，
32、则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号（脉码调制,Pulse Coded Modulation）。,87,语音信号的数字化语音带宽f2倍语音最大频率）样本量化级数：256级（8bit/每样本）数据率：8000次/s*8bit=64kb/s每路PCM信号的速率=64kb/s,88,PCM,采样信号：基于nyquist理论,3.2,3.9,2.8,3.4,1.
33、2,4.2,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,原始信号,PAM脉冲（采样）,PCM 脉冲（量化）有量化差错,011100011011001100,PCM 输出（编码）,89,1.5 多路复用技术,多路复用技术就是将多路信号组合在一条物理 信道上进行传输，到接收端再用专门的设备将 各路信号分离开来。这样使一条物理信道资源 被多路信号共享。多路复用技术包括:频分多路复用(FDM)时分多路复用(TDM)波分多路复用(WDM)码分多址(CDMA),90,Multiplexing vs.No Multiplexing,91,多路复用技术,频分多路复用(FDM)时分多
34、路复用(TDM)波分多路复用(WDM)码分多址(CDMA),92,频分多路复用(FDM),频分多路复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）当传输介质的可用带宽超过各路给定信号所需带宽的总和时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，这就是频分多路复用。,93,频分多路利用（FDM）图,94,频分多路复用(续),95,频分多路复用带宽分配例,f,A,96,FDM 多路复用过程例,FDM多适用于模拟信号传输,97,FDM 解多路复用过程例,98,FDM 中的移频与叠加（频谱）,99,FDM 多路复用与解复用全过程例,100,
35、多路复用技术,频分多路复用(FDM)时分多路复用(TDM)波分多路复用(WDM)码分多址(CDMA),101,时分多路复用(TDM),时分多路复用 TDM（Time Division Multiplexing）：当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时，可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用，每一路信号在自己的时间片内独占信道传输，这就是时分多路复用。时分多路复用可分为同步TDM和异步TDM。,102,时分多路利用,103,时分多路复用(续),时分多路复用TDM多用来传输数字信号，但并不局限于传输数字信号，有时也可以用来分时传输模拟信号。另外，对于
36、模拟信号，有时可把TDM和FDM结合起来一起使用，比如第二代移动电话的GSM标准中，将一个传输系统的可用频带频分成许多子信道，每个子信道再利用时分多路复用来细分。,104,时分多路复用(续),TDM多适用于数字信号传输,105,时分多路复用(续),106,统计(异步)TDM STDM,TDM的缺点：某用户无数据发送，其他用户也不能占用该 通道，将会造成带宽浪费。改进：使用统计时分多路复用（STDM），用户不固 定占用某个通道，有空时间片就将数据放入。,统计TDM,各数据之前要附有该路地址，以便接收方能分出各路信号,107,TDM 和 STDM 的比较,108,多路复用技术,频分多路复用(FDM
37、)时分多路复用(TDM)波分多路复用(WDM)码分多址(CDMA),109,波分多路复用(WDM),目前一根单模光纤的传输速率可达到 2.5Gb/s，如能采用色散补偿技术解决光纤传输中的色散问题(指光脉冲中由于不同频率分量传输速率不同导致信号失真产生误码的现象)，则一根单模光纤的传输速率可达到10Gb/s，这已是当前单个光载波信号传输的极限值。,110,波分多路复用(续),波分多路复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是光的频分复用。不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜（或衍射光栅）合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同
38、的设备将各路光波分开。这样复用后，可以使光纤的传输能力成几倍几十倍的提高。,111,多路复用技术,频分多路复用(FDM)时分多路复用(TDM)波分多路复用(WDM)码分多址(CDMA),112,码分多址(CDMA),每个比特时间分成m个码片，每个站分配一个唯 一的m比特码片序列。当某个站欲发送“1”时，它就在信道中发送它的码片序列，当欲发送“0”时，就发送它的码片序列的反码。满足条件：不同的码片序列之间是相互正交的。由于原始数字信号的频率被扩展，这种通信方 式又叫做扩频通信。,113,码片序列,每个站被指派一个唯一的 m 位码片序列。如发送比特 1，则发送自己的 m 位码片序列如发送比特 0，
39、则发送该码片序列的二进制反码 例如，S 站的 8 位码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011发送比特 0 时，就发送序列 11100100 为数学运算方便，将S 站的码片序列表示成(1 1 1+1+1 1+1+1),114,设向量 S 表示站 S 的码片向量，T 表示站T的码片向量。两个不同站的码片序列正交，必须向量 S 和T 的归一化内积(inner product)为 0：例如：设 S(1 1 1+1+1 1+1+1),T=(1 1+1 1+1+1+1 1),则,码片序列间要相互正交,115,推 论,由可推知：,116,CDMA 接收,CDMA接收时，接
40、收站从空中收到多站发送信号后的线性叠加码片序列的和。将其与某一发送站码片序列进行归一化内积运算，则可恢复出该站发送的数据。设接收站接收到的码片序列和为S，接收站要听码片序列为C的站发出的数据，并设站A发送1，站B发送0，站C发送1，则接收站计算C站发出的数据为：,117,1.6 数据交换技术,什么是交换？按某种方式动态地分配传输线路资源。例如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用的线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。最初的交换：人工转接交换为什么要采用交换技术？节省线路投资，提高线路利用率。实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。,118,电路交换在
41、通信双方之间建立一条临时专用线路的过程。可以是真正的物理线路，也可以是一个复用信道。特点：数据传输前需要建立一条端到端的通路。称为“面向连接的”（典型例子：电话）过程：建立连接通信释放连接优缺点：建立连接的时间长；一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；无纠错机制；建立连接后，传输延迟小。不适用于计算机通信：因为计算机数据具有突发性的特点，真正传输数据的时间不到10%。例如：建立连接的时间为0.5秒，计算机以1Mb/s的速率发送10k字节。,119,电话网络中的电路交换电路交换也能在多路复用信道上实现在物理线路的某个信道上建立连接,120,报文交换以报文为单位进行“存储-转发”交换的技术。在交换
42、过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。传输之前不需要建立端到端的连接，仅在相邻结点传输报文时建立结点间的连接。称为“无连接的”（典型例子：电报）整个报文（Message）作为一个整体一起发送。优缺点：没有建立和拆除连接所需的等待时间；线路利用率高；传输可靠性较高；报文大小不一，造成存储管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高；出错后整个报文全部重发。比较：下载时若无断点续传功能，一旦出错你会怎样做？,121,分组交换（包交换）将报文分割成若干个大小相等的分组（Packet）进行存储转发。数据传
43、输前不需要建立一条端到端的通路也是“无连接的”。有强大的纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功能。优缺点：对转发结点的存储要求较低，可以用内存来缓冲分组速度快；转发延时小适用于交互式通信；某个分组出错可以仅重发出错的分组效率高；各分组可通过不同路径传输，容错性好。需要分割报文和重组报文，增加了端站点的负担。分组交换有两种交换方式：数据报方式和虚电路方式,122,数据报方式（Datagram）各分组独立地确定路由（传输路径）不能保证分组按序到达，所以目的站点需要按分组编号重新排序和组装,数据报方式不能保证分组按序到达,分组可能通过多个路径穿越网络,123,虚电路方式（Virtual Circu
44、it）通信前预先建立一条逻辑连接虚电路虚电路是由其路径上的所有交换机中的路由表定义的类比：铁路系统（旅客/列车:分组，铁路网:网络，火车站:节点）“西安北京”这条线路可以看成是一条虚路径也需要三个过程：建立数据传输拆除建立虚电路时，交换机将预留传输时所需的所有资源虚电路的路由在建立时确定，传输数据时则不再需要数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路的路由穿越网络“数字管道”提供的是“面向连接”的服务但却没有像电路交换那样始终占用一条端到端的物理通道，只是断续地依次占用传输路径上各个链路段与铁路系统类比！可以看成是采用了电路交换思想的分组交换能够保证分组按序到达永久虚电路PVC和交换虚电路S
45、VC,124,分组通过预先建立好的虚电路穿越网络,125,三种交换方式的事件顺序,126,2.7 差错控制与检错,什么是差错控制？在通信过程中，发现、检测差错并进行纠正为何要进行差错控制？不存在理想的信道传输总会出错与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。产生差错的原因：信号衰减和热噪声信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射，串扰；冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。,127,差错控制的基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错控制技术自动请求重传Automatic Repeat Request（ARQ）停等 ARQ每发送一帧就需要一个应答帧
46、只重传刚才出错的帧Go-back-N ARQ每发送N帧需要一个应答帧需重传前面（N-i+1）帧（0iN）选择重传 ARQ每发送N帧需要一个应答帧只重传出错的帧,128,差错控制编码：检错码和纠错码纠错码在计算机通信中很少使用检错码主要有两种编码方法：奇偶校验（Parity Checking）可以在两个级别上实现：在原始数据字节的最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。例如：1100010增加偶校验位后为11100010若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。只能用于面向字符的通信
47、协议中。只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。,129,在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC(Cyclic Redundancy Check)的检错技术。1.循环冗余码CRC的工作方法在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，需重发,130,计算机网络中使用最为广泛的检错码：纠错码的编码效率较低，差错控制经常采用检错码ARQCRC码原理：把0或1的二进制串与系数只有0和1的多项式进行一一对应，如1001101，则对应的多项式为：G(x)=x6+x3+x2+x0CRC又称为多项式码：二进制比特串和一个
48、只有0和1两个系数的多项式一一对应k位信息位对应于一个(k-1)次多项式K(x)r位冗余位对应于一个(r-1)次多项式R(x)信息位冗余位（k+r）对应于一个(n-1)次多项式T(x)=xrK(x)+R(x)编码的基本思想是找一个生成多项式G(x)（r次多项式，最高位的系数为1），xrK(x)除以G(x)得到的余式为冗余位R(x)接收方的码字除以G(x)，如果余式为0表示无错。,131,例1：已知：信息码:101001 信息多项式:K(X)=X5+X3+1 生成码:1101 生成多项式:G(X)=X3+X2+1(r=3)求：循环冗余码和码字。,132,解：1)(X5+X3+1)*X3的积是：X
49、8+X6+X3 对应的码是：101001000 2)积G(X)(按模二算法)。由计算结果知冗余码是001，码字就是101001001。,133,常用的CRC多项式：,CRC-32：x32+x26+x23+x22+x16+x12+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x1+1 CRC-12：x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC-16：x16+x15+x2+1 CRC-CCITT：x16+x12+x5+1 9道磁带机的CRC多项式：x9+x6+x5+x4+x3+1,134,小结,本章内容覆盖了数据通信的方方面面！信道（数字/模拟信号，数字模拟信道，调制/编码，信道带宽，最大传输能力，数字通信基本过程）传输媒体（有线/无线，双绞线/光纤）编码与调制（数字编码，幅度/频率/相位调制，脉码调制-PCM）多路复用（FDM,TDM,WDM,CDM）数据交换技术（电路交换，报文交换，分组交换）差错控制（差错检测，差错控制）,
