计算机网络2——数据通信技术

null计算机网络 ——数据通信计算机网络 ——数据通信本章内容本章内容1 概述 2 数据通信系统的性能指标 3 数据传输方式 4 调制解调技术 5 编码解码技术 6 信道复用技术 7 网络共享 8 传输媒体1数据通信技术概述1数据通信技术概述 数据通信技术就是计算机网络物理层的技术。 通信是为了交换信息，数据是信息的载体。 数据通过信号进行传输，信号是数据传输的载体。 信号在信道上传输，信道是信号的载体。 信道一般指连接信号发送方和接收方的传输线路，包括铜缆、光纤等有线传输媒体和无线传输媒体。 基本概念基本概念模拟数据：数据在某个区间取连续值 数字数据：数据在某个区间取离散值 模拟信号：信号的取值是连续的 数字信号：信号的取值是离散的 模拟通信：信号源发出模拟数据，以模拟信号的形式通 信 数字通信：信号源发出模拟数据，以数字信号的形式进行传输； 数据通信：信号源发出数字数据2 数据通信系统的性能指标2 数据通信系统的性能指标2.1 信息传输速率和码元传输速率 1. 信息传输速率、带宽和吞吐量 （1） 信息传输速率、数据率、数据传输率 比特率，每秒传输的编码前的数字数据的二进制比特数，单位为比特/秒，即b/s（bit/second） T为传输的电脉冲信号的宽度或周期，N为电脉冲信号所有可能的状态数，数据率为 2.1 信息传输速率和码元传输速率2.1 信息传输速率和码元传输速率（2） 带宽和宽带 在通信领域，通信信道是模拟信道，带宽指信道上能够正常通过的模拟的物理信号的频率范围，即最大最小频率之差，单位为赫兹（Hz），信道的带宽受传输媒体的物理性质的限制。 在计算机领域，带宽 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示传输数字数据的能力，即数字信道所能传输的最大数据速率，单位b/s 宽带即宽的带宽 在通信技术中，宽带解释为宽的频带； 在计算机领域，宽带解释为高的信息传输速率 2.1 信息传输速率和码元传输速率2.1 信息传输速率和码元传输速率（3） 吞吐量 throughput, 用单位时间发送的比特数、字节数或帧数等来表示2.1 信息传输速率和码元传输速率2.1 信息传输速率和码元传输速率2. 码元传输速率（波特率），调制速率 数字数据经线路编码后的传输信号在信道上的传输速率成为码元传输速率，它是指每秒传输的码元数，即每秒钟传输信号变化的次数，单位为波特（baud） T表示调制周期 2.1 信息传输速率和码元传输速率2.1 信息传输速率和码元传输速率3. 信息传输速率与码元传输速率的关系 一般情况下，如果码元状态数为N（N为2的整数次幂），则信息传输速率S和码元传输速率B的关系为：S=Blog2N(b/s) 例：对于波特率B=2000baud，若N分别为2、4和8，则比特率S可以分别达到2000b/s、4000b/s、6000b/s2.2 时延和时延带宽积 2.2 时延和时延带宽积 1.时延 指一个数据块（帧、分组、报文段等）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。时延由以下3个部分组成： （1）发送时间（transmission time） 结点发送数据时把数据块结点送入传输媒体所需要的时间，即从发送数据块的第一个比特开始到发送完最后一个比特所花费的时间。 发送时间=数据块长度/信息传输速率 2.2 时延和时延带宽积 2.2 时延和时延带宽积 （2）传播时延（propagation delay） 承载传输信号的电磁波在一定长度的信道上传播所需要的时间。其计算公式为： 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率 在自由空间中，电磁波以光速传播，光速为 300 000km/s 在铜线或光纤中，电磁波的速度大约降低到光速的2/3，即200 000km/s，相当于1km/5μs或200m/μs 2.2 时延和时延带宽积 2.2 时延和时延带宽积 （3）转发时延 数据块在中间结点转发数据时引起的时延，不同的中间结点有不同的转发时延，例如，路由器转发分组时可能产生如下的时延： 排队时延（queueing delay）：分组在输入和输出缓冲区排队花费的时间，与网络负载状况有关 处理时延（processing delay）：进行转发处理所花费的时间，如首部处理、差错检验、转发时间 2.2 时延和时延带宽积 2.2 时延和时延带宽积 数据块经历的总时延为上述3个部分时延之和： 总时延=发送时间+传播时延+转发时延 时延是计算机网络的一项重要指标，各种时延也影响到网络参数的设计，和时延有关的概念是往返时间（round trip time, RTT），即在TCP连接上报文段往返所经历的时间。 2.2 时延和时延带宽积 2.2 时延和时延带宽积 2. 时延带宽积（比特） 即传播时延和带宽的乘积： 时延带宽积=传播时延×带宽 例：一链路的传播时延为500μs，带宽为100Mb/s,则时延带宽积为50 000比特 时延带宽积又称为比特长度，即以比特为单位的链路长度 2.3 误码率和误比特率 2.3 误码率和误比特率 误码率和误码比特率表示计算机网络和数据通信系统的可靠性，它们是统计指标。 1. 误码率:衡量信道传输质量的重要参数pc， 是传输的码元被传错的概率，当传输的码元总数很大时， pc可以近似为： pc =传错的码元数/传输的码元数 2.3 误码率和误比特率 2.3 误码率和误比特率2. 误比特率：比特误码率（bit error rate） BER，是传输的比特被传错的概率，当传输的总比特数很大时，误码比特率pb可以近似为： pb =传错的比特数/传输的比特总数 计算机网络的速率一般用信息传输速率即比特率，传输差错也一般使用比特误码率，有时成为误码率。一般，当pb ≦10-6，属于正常通信范围。 局域网和光纤传输有更低的比特误码率 2.4 奈奎斯特准则与香农定理 2.4 奈奎斯特准则与香农定理 奈奎斯特准则和香农定理给出了传输信道的极限传输能力，称为信道容量（channel capacity）,用信道的最大信息传输速率来表示。 1. 奈奎斯特准则 对于一个带宽为W的无噪声低通信道，最高的码元传输速率SMAX为2倍的W，单位为baud,即 SMAX =2W（baud） 2.4 奈奎斯特准则与香农定理 2.4 奈奎斯特准则与香农定理 如果编码方式的码元状态数为L，那么信道的极限信息传输速率即信道容量Smax： Smax =2W log2L（b/s） 2.4 奈奎斯特准则与香农定理 2.4 奈奎斯特准则与香农定理 例：对于带宽为100M Hz的5类非屏蔽双绞线，其最高码元传输速率为200M baud，如果编码方式的码元状态数M为4，则信道的极限传输速率为 因为信道总是有噪声的，所以奈奎斯特准则给出的是理论上的上限。 信息传输速率越高，要求信道的带宽越高，对传输媒体和设备的要求越高。 2.4 奈奎斯特准则与香农定理 2.4 奈奎斯特准则与香农定理 2. 香农定理 有高斯白噪声干扰情况下的信道容量 Cmax =W log2（1+S/N）（b/s） W为信道带宽，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。 S/N为信噪比，通常用10log10（S/N）表示，单位为分贝（dB） 例S/N=1000时， 信噪比为30 dB 奈氏准则和香农公式 在数据通信系统中的作用范围 奈氏准则和香农公式 在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输 系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息 3 数据传输方式 3 数据传输方式3.1 单工、全双工和半双工传输 1. 单工传输（单向传输） 指在一个单一不变的方向上进行信息传输的通信方式，只有一个方向不变的单向通道连接了两个设备。例：打印机 3.1 单工、全双工和半双工传输 3.1 单工、全双工和半双工传输 2. 全双工传输（双工传输、双向传输） 指两设备之间存在两条不同方向的信息传输通道，它们可以同时在两个方向上传输数据 逻辑概念，实现问题 3.1 单工、全双工和半双工传输3.1 单工、全双工和半双工传输 3. 半双工传输（双向分时传输） 指两个设备之间虽然有两个通信通道，但是在任何一段时间中，只能有一个设备发送数据，另一个设备接收数据，不能像全双工那样双向同时传输数据。 电话通信 null3.2 异步传输和同步传输3.2 异步传输和同步传输1. 同步 接收方要正确判断接收到的发送方的码元序列的状态，必须在合适的时刻去测试判断接收到的码元。 帧同步：接收方必须知道收到的帧的起始时刻和结束时刻，以便接收方时钟对准帧的起始位置，开始和结束接收数据。 位同步：在起始位置对准的前提下，接收时钟和发送时钟应该有同样的频率和特定的相位关系 网同步：实现网络中的所有结点有统一的基准定时时钟 采用准同步方式和主从同步方式3.2 异步传输和同步传输 3.2 异步传输和同步传输 在数字传输中，根据同时传输的位数的不同： 并行通信：传输的数据按一定的位数组 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 时传送，需要多条通信线，通常用在近距离通信，如计算机内部、计算机和外设之间 串行通信：传输数据的各比特在通信线路上按先后次序依次传送，一般只需要两条通信线，适合远距离通信。 串行通信中又分为两种传输方式： 异步传输和同步传输 nullnull 异步传输（起止式）：以字符为单位进行数据传输，每一个字符前后各加一个起始位和一个停止位，实现字符同步，通信的双方各自使用独立的基准定位时钟，但要约定同样的传输速率，以实现位同步。异步传输的字符格式异步传输每次传送的字符位数是可以选择指定的，有5、6、7、8比特等 异步传输速率常用的选择有：300，600，1200，2400，3600，9600，19200 b/s 异步传输的效率比较低，适用范围：键盘与主计算机， RS-232C接口nullRS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中应用最广泛的标准总线。 null同步传输：以帧数据块为单位进行传送，使用特殊的标志进行帧同步，界定一个帧的始末。由于一个信息帧可以包含的位数很多，同步传输还必须进行严格的位同步，一般是内同步方式。 适用于快速的和较大规模的信息传输。如：网络通信同步传输与异步传输的特点同步传输与异步传输的特点 异步传输存在一个潜在的问题，即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。 一个常见的例子是计算机键盘与主机的通信。按下一个字母键、数字键或特殊字符键，就发送一个8比特位的ASCII代码。键盘可以在任何时刻发送代码，这取决于用户的输入速度，内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符。 例如在键盘上数字“1”，按照8比特位的扩展ASCII编码，将发送“00110001”，同时需要在8比特位的前面加一个起始位，后面一个停止位。 异步传输的实现比较容易，由于每个信息都加上了“同步”信息，产生了较多的开销，适用于传输量较小的低速设备。 同步传输与异步传输的特点同步传输与异步传输的特点同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符，它就在接下来的数据到达时接收它们。另外，同步传输的开销也比较少。 例如，一个典型的帧可能有500字节（即4000比特）的数据，其中可能只包含100比特的开销。这时，增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%，这与异步传输中25 %的增值要小得多。 随着数据帧中实际数据比特位的增加，开销比特所占的百分比将相应地减少。但是，数据比特位越长，缓存数据所需要的缓冲区也越大，这就限制了一个帧的大小。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。 同步传输与异步传输的特点同步传输与异步传输的特点同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。 异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。 基带信号：将数字信号“1”或“0”直接用两种不同的电压表示， 然后送到线路上去传输的高低电压不断交替的信号 基带（baseband）指未经调制的信号所占用的频带，即把数字数据转换为数字传输信号时它所固有的频带，它们的频谱一般从0开始。 基带传输：将基带信号直接送到线路上传输 频带信号：将基带信号进行调制后形成的模拟信号 频带传输：将频带信号送到线路上去传输3.3 频带传输与基带传输 频带传输：将数字数据模拟化，借助于模拟的正弦载波信号，用数字数据调制载波，将数字数据寄生在载波的某个参数上，借助于模拟信道进行传输。 频带传输方式可以利用调制解调技术和频分多路复用（FDM）技术实现 基带传输是计算机网络最基本最重要的一种传输方式，LAN一般都采用基带传输。 在传输数字数据之前需进行编码，转换为数字传输信号，即用不同的电平和波形来代表数字“0”和“1” 可利用时分多路复用（TDM）来实现 宽带传输：将不同信号调制后分别移到一条电缆的不同频段进行传输，不仅各路信号不会互相干扰，还提高了线路的利用率 4 调制解调技术4 调制解调技术调制：数字数据模拟化 解调：模拟数据数字化 用一个正弦信号作为载波，用被传输的数字数据去调制它，调制后作为传输信号。调制改变了载波的特征参数以便携带数字数据。 正弦信号： 4 调制解调技术 4 调制解调技术4.1 幅移键控(ASK)/调幅AM 载波的振幅随基带数字信号而变化 4.2 频移键控(FSK)/调频FM 载波的频率随基带数字信号而变化 4.3 相移键控(PSK)/调相PM 载波的初始相位随基带数字信号而变化 null数字数据的三种调制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 5 编码解码技术 5 编码解码技术 编码的原因： 更利于在接收端区分“0”与“1”值； 可以在传输信号中携带时钟，便于接收端提取定时时钟信号 合理的编码方式可以适合信道的传输特性，充分利用信道的传输能力 null基带数字信号常用的编码方式null不归零制编码（NRZ）：用不同的电平信号表示数字“0”和“1”，这一电平信号要占满整个码元宽度，中间不归零。 单极性NRZ：+5V表示“1”，0V表示“0” 双极性NRZ：+5V表示“1”，-5V表示“0” NRZI非归零反相编码 ：编码时，对数字“1”，信号电平在正负之间发生变化；而数字“0”，信号电平不变化 null曼彻斯特编码（相位编码）：对应于每一数据位的中间位置都有一个跳变，用跳变的相位表示数字“0”和“1”，正跳变表示数字“0” ，负跳变表示数字“1” 此编码的优点是： 接收方容易利用每个数据位中间位置的跳变生成同步时钟信号，不需要单独传送时钟，即内同步方式，又称自带时钟码（self-clocking code） 利用跳变的相位容易判断“0”和“1” 因为每个数据位中间都有跳变，因此无直流分量 null差分曼彻斯特编码：在每一数据位的中间也有一个跳变，用来生成同步时钟信号，不用来表示数字“0”/“1”，它是用每位开始是否有跳变来表示数字“0”/“1”，若每位开始有跳变表示“0” ，无跳变表示“1” 6 信道复用技术6 信道复用技术 为了节约成本，应该尽量把多路通信复用到一条物理干线上，充分利用传输线路的带宽。 空分多路复用：SDM 频分多路复用：FDM 时分多路复用：TDM 波分多路复用：WDM 码分多路复用（码分多址）：CDMA 多路复用 多路复用 6.1 频分多路复用（FDM）6.1 频分多路复用（FDM）传输介质的可用带宽分隔成一个频段 适用于模拟信号 数字数据首先经调制解调器转换成模拟信号 null 频分多路复用FDM频分复用 频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 56.2 时分多路复用(TDM) 6.2 时分多路复用(TDM) 传输介质的可用时间分成时隙 适用于数字信号 时分多路复用类型 隔位扫描 隔字符扫描 数字信号分级 6.3 统计时分多路复用(STDM) 6.3 统计时分多路复用(STDM) STDM动态的按需分配时隙，时隙位置与数据源没有固定的对应关系，一个数据源所占用的时隙不是周期性的出现，是无规律的。用户可以利用TDM中的空闲时隙，从而提高了时隙的利用率。 在每一个时隙中必须有地址字段，使接收端能根据此正确的分离出个路数据nullTDM与STDM时分复用 时分复用 频率时间BCDBCDBCDBCD…6.4 波分多路复用(WDM) 6.4 波分多路复用(WDM) 在一根光纤上传输多路不同波长的光信号，在发送端将多个光信号复合在一起，送到一根光纤上传输，在接收端由复合的信号分离出原来的光信号。WDM比单波长的传输容量可以大几十倍甚至更高。 由于光信号频率不同导致的不同颜色称为色分多路复用。 WDM传送的光信号 波分复用 WDM 波分复用 WDM 波分复用就是光的频分复用。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8  2.5 Gb/s 1310 nm20 Gb/s复 用 器分 用 器EDFA120 km6.5 码分复用 CDM 6.5 码分复用 CDM 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 码片序列(chip sequence) 码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 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。 S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1) CDMA 的重要特点CDMA 的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。 在实用的系统中是使用伪随机码序列。 码片序列的正交关系 码片序列的正交关系 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0： (2-4)码片序列的正交关系举例 码片序列的正交关系举例 令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。 正交关系的另一个重要特性 正交关系的另一个重要特性 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。 码分多路复用（码分多址）：CDMA 码分多路复用（码分多址）：CDMA 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 适用于卫星通信和移动通信中 7 网络共享7 网络共享基于信道的共享——电路交换 基于排队的共享——分组交换 混合共享——在一个数据网络中同时采用电路交换和分组交换三种交换的比较 三种交换的比较 A B C D A B C DA B C D报文交换电路交换分组交换tnull基于排队的存储转发网络分为报文交换和分组交换 主要区别是传输的数据单元不同 在分组交换网中，网络对分组的管理有两种方法： 无连接的数据报和面向连接的虚电路 数据报：两个基本特征 虚电路 混合交换：异步传输方式ATM8 传输媒体 8 传输媒体 Transmission media ,传输介质，是信号传输的物理载体，包括两类：有线传输媒体（导向）和无线传输媒体（非导向），前者一般为铜导线或光纤，后者为自由空间。 8.1 双绞线： 由两条相互绝缘的铜导线组成，相互绞合起来 可以传输模拟信号和数字信号 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 非屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 3类和5类 8.2 同轴电缆 8.2 同轴电缆 硬铜线+绝缘材料+网状导体+保护性材料 有较高的带宽和抗噪性能，比双绞线的屏蔽性更好，在更高速度上可以传输的更远。 50  同轴电缆：传输基带数字信号 75  同轴电缆：模拟信号传输，是有线电视系统CATV中使用的标准电缆，可以达到1G带宽各种电缆各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯 套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆8.3 光纤8.3 光纤 利用光纤传输光脉冲信号进行通信，一般以脉冲出现为1，不出现为0。光纤信道的带宽很高，它可以提供极高的传输速率，而且传输损耗小。 光传输系统主要包括： 光源：发光二极管LED和激光二极管ILD 光纤：极细的石英玻璃或塑料纤维 光敏元件接收装置光线在光纤中的折射 光线在光纤中的折射 折射角入射角 包层 （低折射率的媒体） 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 （高折射率的媒体） 包层纤芯8.3 光纤8.3 光纤光在多模光纤和单模光纤中的传输8.4 无线传输 8.4 无线传输 1. 电磁波频谱 无线电通信的基本原理：在电路上加入一个适当长度的天线，电磁波可以有效地通过天线广播，在距离天线一定范围内可以被接收器收到 电磁波的频谱和应用8.4 无线传输 8.4 无线传输 2. 无线电传输 无线电波位于电磁波频谱的1G Hz以下，易于产生，容易穿过建筑物，传播距离可以很远。 发送与接收通过天线进行，全方向传播，在所有的频率中，无线电波最易受电磁的干扰，这是它的一个严重问题。 8.4 无线传输 8.4 无线传输 3. 微波传输 微波在空间主要是直线传播，可以获得极高的信噪比，但是发射天线和接收天线必须精确地对准。 地面微波通信：微波塔 卫星通信：在地球站之间利用人造同步卫星 8.4 无线传输 8.4 无线传输 4. 红外线传输 应用于很短距离的通信中，传输有方向性，不能穿过坚实的物体，不能在室外应用，因为阳光中有强烈的红外线。 例：遥控装置