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1 計算機網(wǎng)絡(luò)實用教程 經(jīng)濟管理學(xué)院管科系 2 第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信方式了解數(shù)據(jù)編碼技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)和數(shù)據(jù)交換技術(shù)數(shù)據(jù)通信的主要性能指標(biāo) 3 2 1數(shù)據(jù)通信的基本概念 一 數(shù)據(jù) 信息和信號在計算機網(wǎng)絡(luò)中 數(shù)據(jù)通信是指在計算機之間 計算機與終端以及終端與終端之間傳送表示字符 數(shù)字 語音 圖像的二進制代碼0 1比特序列的過程 1 信息 Information 是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征 它反映了客觀事物的存在形式和運動狀態(tài) 信息的載體可以是數(shù)字 文字 語音 圖形或圖像等 4 2 數(shù)據(jù) Data 是信息的載體 信息則是數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容和解釋 信息涉及數(shù)據(jù)所表示的內(nèi)涵 而數(shù)據(jù)涉及信息的表現(xiàn)形式 數(shù)據(jù)是通信雙方交換的具體內(nèi)容 但在計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中 數(shù)據(jù)通常被廣義地理解為在網(wǎng)絡(luò)中存儲 處理和傳輸?shù)亩M制數(shù)字編碼 3 信號 Signal 簡單地講就是數(shù)據(jù)在信道中傳輸時的具體表現(xiàn)形式 在數(shù)據(jù)通信中 數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為適合在通信信道上傳輸?shù)碾娋幋a 電磁編碼或光編碼 信息可通過兩種方式被發(fā)送 模擬方式和數(shù)字方式 這兩種方式均使用電壓產(chǎn)生相應(yīng)的信號 5 1 模擬信號模擬信號是指信號的幅度隨時間作連續(xù)變化的信號 使用可變電壓以產(chǎn)生連續(xù)波 也因為這個原因?qū)е铝藬?shù)據(jù)發(fā)送的不精確 模擬信號的一個優(yōu)點是它能對細(xì)節(jié)進行表示 但是噪聲 或來自其他源的干擾 會嚴(yán)重地影響模擬信號 比數(shù)字信號更易于出錯 因此模擬信號對于數(shù)據(jù)發(fā)送并不是最佳選擇 6 2 數(shù)字信號數(shù)字信號在時間上是不連續(xù)的 離散性的信號 一般由脈沖電壓1和0兩種狀態(tài)組成 在數(shù)字信號中每個脈沖被稱為一個二進制數(shù)或位 數(shù)字脈沖在一個短時間內(nèi)維持一個固定的值 然后快速變?yōu)榱硪粋€值 相對于模擬信號 數(shù)字信號傳輸數(shù)據(jù)時更可靠些 7 隨著信號的傳播 信號能量會逐漸減少 這就是信號的衰減 模擬信號和數(shù)字信號存在著衰減 為了補償衰減 要經(jīng)常對數(shù)字信號和模擬信號進行轉(zhuǎn)發(fā) 也即使將信號重新放大 以使它們傳播得更遠(yuǎn) 1 模擬信號的轉(zhuǎn)發(fā) 在模擬信號轉(zhuǎn)發(fā)過程中會出現(xiàn)這樣的問題 當(dāng)它被轉(zhuǎn)發(fā)時信號幅度將增強 同時伴隨的被累積的噪聲幅度也將增強 這種雜亂無章的增強將使得模擬信號變形更加嚴(yán)重 下圖顯示了因噪聲而變形并在隨后又被放大的模擬信號的波形 因噪聲變形繼而被放大的模擬信號 8 2 數(shù)字信號的轉(zhuǎn)發(fā) 相對于模擬信號 數(shù)字信號被轉(zhuǎn)發(fā)時 實際上是將原始信號以不變形的 并且無噪聲的形式重新發(fā)送 該過程也被稱之為波形再生 再生一個數(shù)字信號的設(shè)備被稱之為中繼器 由于數(shù)字傳輸要比依靠可變電壓的模擬傳輸可靠得多 并且數(shù)字發(fā)送幾乎不受噪聲影響 所以大部分網(wǎng)絡(luò)僅限于使用數(shù)字傳輸 因噪聲而變形的數(shù)字信號被轉(zhuǎn)發(fā) 9 也有使用模擬信號傳輸數(shù)據(jù)的情況 比如使用調(diào)制解調(diào)器連接兩個系統(tǒng) 在發(fā)送端 調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號調(diào)制成模擬信號 通過傳輸模擬信號的電話線傳輸 在接收端 調(diào)制解調(diào)器將數(shù)字信號解調(diào)成模擬信號 Modem 調(diào)制解調(diào)器 是Modulator 調(diào)制 Demodulator 解調(diào) 這個詞反映了該設(shè)備的功能 二 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以看成是以計算機為中心 用通信線路與分布于遠(yuǎn)地的數(shù)據(jù)終端設(shè)備連接起來 進行數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng) 它由計算機 終端設(shè)備 通信線路和信號變換器等組成 其中計算機和數(shù)據(jù)終端設(shè)備是數(shù)據(jù)的信源和信宿 如下圖所示 10 信源和信宿 各種計算機和終端設(shè)備都是數(shù)據(jù)終端設(shè)備 DTE 它們是數(shù)據(jù)的信源和信宿 或者既是信源又是信宿 是連接在網(wǎng)上的計算機系統(tǒng) 輸入輸出設(shè)備的總稱 具有根據(jù)通信協(xié)議控制通信的功能 由于DTE發(fā)出和接收的都是數(shù)據(jù) 故DTE之間的通路稱為數(shù)據(jù)電路 通信線路上的設(shè)備 信號變換器 信號反變換器及其中間的設(shè)備都是數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備 簡稱數(shù)據(jù)通信設(shè)備 DCE DCE是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的總稱 為用戶提供入網(wǎng)的連接點 常用的調(diào)制解調(diào)器就是DCE 11 信道是傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過的路徑 是連接兩個DTE的線路 包括傳輸介質(zhì)和有關(guān)設(shè)備 一條由通信介質(zhì)構(gòu)成的線路上通常包含多個信道 信號變換器 其作用是將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道上傳輸?shù)男盘?發(fā)送端的信號變換器可以是編碼器或調(diào)制器 接收端的信號變換器可以是譯碼器或解調(diào)器 編碼的目的有兩個 一是將信源輸出的信息變換后便于在信道上傳遞 此為信源編碼 二是將信息再根據(jù)一定規(guī)則加入一些冗余碼元 以便在接收端能正確識別信號 降低出現(xiàn)差錯的概率 此為信道編碼 12 按照DCE之間傳輸?shù)男盘栴愋?又可將通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng) DCE之間傳輸模擬信號的系統(tǒng)是模擬通信系統(tǒng) DCE之間傳輸數(shù)字信號的系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng) 綜上 數(shù)據(jù)通信是一種通過計算機與通信線路相結(jié)合 完成信息傳輸 轉(zhuǎn)接 存儲和處理的通信技術(shù) 13 三 通信線路的連接方式和通信方式1 通信線路的連接方式 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中 計算機與終端設(shè)備之間的通信線路有三種不同的連接 以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合的要求 1 點 點連接 終端和計算機之間直接或通過Modem用線路連接 適用于通信量較大的場合 如下圖所示 14 2 分支式 是多點通過主線路與計算機連接的方式 計算機為控制站 負(fù)責(zé)對各終端的數(shù)據(jù)進行發(fā)送控制和接收控制 各終端為從站 15 3 集線式連接 當(dāng)多個終端設(shè)備都要與距離較遠(yuǎn)的計算機通信時 可把各終端先經(jīng)集中器集中起來 再用一條頻帶較寬的高速線路與計算機連接 2 通信線路的通信方式通信有兩種基本方式 即串行方式和并行方式 通常情況下 并行方式用于近距離通信 串行方式用于距離較遠(yuǎn)的通信 在計算機網(wǎng)絡(luò)中 串行通信方式更具有普遍意義 16 1 并行通信方式在并行數(shù)據(jù)傳輸中有多個數(shù)據(jù)位 例如8個數(shù)據(jù)位 同時在兩個設(shè)備之間傳輸 發(fā)送設(shè)備將8個數(shù)據(jù)位通過8條數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備 還可附加一位數(shù)據(jù)校驗位 接收設(shè)備可同時接收到這些數(shù)據(jù) 不需做任何變換就可直接使用 在計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信通常以并行方式進行 并行的數(shù)據(jù)傳送線也叫總線 如并行傳送8位數(shù)據(jù)就叫8位總線 并行傳送16位數(shù)據(jù)就叫16位總線 如下圖所示 17 2 串行通信方式串行數(shù)據(jù)傳輸時 數(shù)據(jù)是一位一位地在通信線上傳輸?shù)?與同時可傳輸好幾位數(shù)據(jù)的并行傳輸相比 串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫炔⑿袀鬏斅枚?但由于公用電話系統(tǒng)已形成了一個覆蓋面極其廣闊的網(wǎng)絡(luò) 所以 使用現(xiàn)成的電話網(wǎng)以串行傳輸方式通信 對于計算機網(wǎng)絡(luò)來說具有更大的現(xiàn)實意義 串行數(shù)據(jù)傳輸時 先由具有8位總線的計算機內(nèi)的發(fā)送設(shè)備 將8位并行數(shù)據(jù)經(jīng)并一串轉(zhuǎn)換硬件轉(zhuǎn)換成串行方式 再逐位經(jīng)傳輸線到達接收站的設(shè)備中 并在接收端將數(shù)據(jù)從串行方式重新轉(zhuǎn)換成并行方式 18 動畫 19 串行通信又可根據(jù)數(shù)據(jù)在傳輸線上的傳輸方向 分單工通信 半雙工通信和全雙工通信三種 1 單工通信 通信線路上的數(shù)據(jù)始終按一個方向傳送 如下圖所示 2 半雙工通信 數(shù)據(jù)可以雙向傳輸 但同一時刻一個信道只允許單方向傳輸 3 全雙工通信 能同時兩個方向進行通信 有兩個信道 動畫 20 四 數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)通信的任務(wù)是傳輸數(shù)據(jù)信息 希望達到傳輸速度快 出錯率低 信息量大 可靠性高 并且既經(jīng)濟又便于使用維護的目標(biāo) 這些要求可以用一些技術(shù)指標(biāo)加以描述 其中主要的性能指標(biāo)是衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院涂煽啃缘膮?shù) 有效性主要由數(shù)據(jù)傳輸速率 信道帶寬和傳輸延遲等指標(biāo)來衡量 可靠性一般用數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率指標(biāo)來衡量 1 信道帶寬信號占據(jù)的頻率范圍 稱為信號的帶寬 信道帶寬是指在該通信線路上能不失真地傳送信號的頻率范圍 21 2 數(shù)據(jù)傳輸速率與信道最大傳輸速率所謂數(shù)據(jù)傳輸速率 是指每秒能傳輸?shù)亩M制信息位數(shù) 單位為位 秒 bitspersecond 記作bps或b s 信道的傳輸能力是有一定限制的 某個信道傳輸數(shù)據(jù)的速率有一個上限 叫做信道的最大傳輸速率 又叫信道容量 信道容量表征一個信道傳輸數(shù)據(jù)的能力 單位也用位 秒 bps 信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別在于 前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率 是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限 而后者則表示實際的數(shù)據(jù)傳輸速率 22 3 誤碼率誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標(biāo) 它定義為二進制數(shù)據(jù)位傳輸時出錯的概率 設(shè)傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)總數(shù)為N位 其中出錯的位數(shù)為Ne 則誤碼率表示為 Pe Ne N計算機網(wǎng)絡(luò)中 一般要求誤碼率低于10 6 可若誤碼率達不到這個指標(biāo) 可以通過差錯控制方法進行檢錯和糾錯 23 2數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)一 數(shù)據(jù)傳輸方式在網(wǎng)絡(luò)中 數(shù)據(jù)有兩種傳輸方式 基帶傳輸和頻帶傳輸 在數(shù)據(jù)通信中 表示計算機中二進制比特序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號是典型的矩形脈沖信號 人們把矩形脈沖信號的固有頻帶稱為基本頻帶 簡稱為基帶 這種矩形脈沖信號就叫做基帶信號 在數(shù)字通信信道上 直接傳送基帶信號的方法稱為基帶傳輸 基帶傳輸在基本不改變數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號波形的情況下直接傳輸數(shù)字信號 具有速率高和誤碼率低等優(yōu)點 在計算機網(wǎng)絡(luò)通信中被廣泛采用 1 基帶傳輸 是指計算機信息的數(shù)字傳輸 24 2 頻帶傳輸 是指利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法 在計算機的遠(yuǎn)程通信中 現(xiàn)有的電話交換網(wǎng)屬于模擬通信信道 是不能直接傳輸原始的電脈沖信號的 也就是基帶信號了 因此就需要利用頻帶傳輸 就是用基帶脈沖對載波波形的某些參量進行控制 使這些參量隨基帶脈沖變化 這就是調(diào)制 經(jīng)過調(diào)制的信號稱為已調(diào)信號 已調(diào)信號通過線路傳輸?shù)浇邮斩?然后經(jīng)過解調(diào)恢復(fù)為原始基帶脈沖 這種頻帶傳輸不僅克服了目前許多長途電話線路不能直接傳輸基帶信號的缺點 而且能實現(xiàn)多路復(fù)用的目的 從而提高了通信線路的利用率 不過頻帶傳輸在發(fā)送端和接收端都要設(shè)置調(diào)制解調(diào)器 25 note 寬帶是指比音頻帶更寬的頻帶 它包括大部分電磁頻譜 利用寬帶進行的傳輸稱為寬帶傳輸 這樣的系統(tǒng)稱為寬帶傳輸系統(tǒng) 寬帶傳輸系統(tǒng)屬于模擬信號傳輸系統(tǒng) 它能夠在同一信道上進行數(shù)字信息和模擬信息傳輸 寬帶傳輸系統(tǒng)可以容納全部廣播信號 并可進行高速數(shù)據(jù)傳輸 26 二 數(shù)據(jù)同步方式通信過程中收 發(fā)雙方必須在時間上保持協(xié)調(diào) 實現(xiàn)字符或數(shù)據(jù)塊之間在起止時間上協(xié)調(diào)同步的常用方法有異步傳輸和同步傳輸兩種 1 異步傳輸 異步傳輸將比特分成小組進行傳送 小組可以是8位的1個字符或更長 發(fā)送方可以在任何時刻發(fā)送這些比特組 而接收方從不知道它們會在什么時候到達 一個常見的例子是計算機鍵盤與主機的通信 按下一個字母鍵 數(shù)字鍵或特殊字符鍵 就發(fā)送一個8比特位的ASCII代碼 鍵盤可以在任何時刻發(fā)送代碼 這取決于用戶的輸入速度 內(nèi)部的硬件必須能夠在任何時刻接收一個鍵入的字符 27 異步傳輸方式中 一次只傳輸一個字符 每個字符用一位起始位引導(dǎo) 一位停止位結(jié)束 起始位為 0 占一位時間 停止位為 1 占1 2位的持續(xù)時間 在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時 發(fā)送方可發(fā)送連續(xù)的停止位 稱空閑位 接收方根據(jù) 1 至 0 的跳變來判別一個新字符的開始 然后接收字符中的所有位 異步傳輸?shù)膶崿F(xiàn)比較容易 由于每個信息都加上了 同步 信息 因此產(chǎn)生了較多的開銷 在下面的例子 每8個比特要多傳送兩個比特 總的傳輸負(fù)載就增加25 對于數(shù)據(jù)傳輸量很小的低速設(shè)備來說問題不大 但對于那些數(shù)據(jù)傳輸量很大的高速設(shè)備來說 25 的負(fù)載增值就相當(dāng)嚴(yán)重了 28 舉個例子 假設(shè)你在終端上輸入數(shù)字3 2 1 按照8比特位的擴展ASCII編碼 前面以0開頭 下面的比特將被發(fā)送 00110001對應(yīng)數(shù)字1Ascii值 4900110010對應(yīng)數(shù)字2Ascii值 5000110011對應(yīng)數(shù)字3Ascii值 51假設(shè)我們分別發(fā)送每個數(shù)字 從左到右 傳輸信號如下圖所示 每次開始位把信號電平拉高 以通知接收方后面還跟著其他的比特 當(dāng)數(shù)字所對應(yīng)的比特位全部到達以后 停止位把信號電平降低 信號一直保持低電平 直到下一個開始位把信號電平重新拉高 29 在異步傳輸這種工作方式下起始位和結(jié)束位是用來實現(xiàn)字符的協(xié)調(diào)同步 每兩個字符之間的時間間隔是任意長的 但每個字符所占用的時間固定 也就是發(fā)送每一位的時間固定 每一位占用的時間的倒數(shù)稱為波特率 可以簡單地理解 異步傳輸通過約定傳輸速率來實現(xiàn)位同步 通過起始位和結(jié)束位來實現(xiàn)字符同步 這種方式實現(xiàn)起來簡單 不需要修改硬件設(shè)計 異步傳輸?shù)娜秉c 一是每一個字符都要加上輔助位造成傳輸效率降低 二是由于收發(fā)雙方的時鐘差異決定了這種方式傳輸速率不能太高 常用在低速傳輸中 30 2 同步傳輸 同步傳輸?shù)谋忍胤纸M要大得多 它不是獨立地發(fā)送每個字符 而是把它們組合起來一起發(fā)送 我們將這些組合稱為數(shù)據(jù)幀 或簡稱為幀 數(shù)據(jù)幀的第一部分包含一組同步字符 它是一個獨特的比特組合 類似于前面提到的起始位 用于通知接收方一個幀已經(jīng)到達 但它同時還能確保接收方的采樣速度和比特的到達速度保持一致 使收發(fā)雙方進入同步 幀的最后一部分是一個幀結(jié)束標(biāo)記 與同步字符一樣 它也是一個獨特的比特串 類似于前面提到的停止位 用于表示在下一幀開始之前沒有別的即將到達的數(shù)據(jù)了 31 同步傳輸通常要比異步傳輸快速得多 接收方不必對每個字符進行開始和停止的操作 一旦檢測到幀同步字符 它就在接下來的數(shù)據(jù)到達時接收它們 另外 同步傳輸?shù)拈_銷也比較少 例如 一個典型的幀可能有500字節(jié) 即4000比特 的數(shù)據(jù) 其中可能只包含100比特的開銷 這時 增加的比特位使傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)增加2 5 這與異步傳輸中25 的增值要小得多 隨著數(shù)據(jù)幀中實際數(shù)據(jù)比特位的增加 開銷比特所占的百分比將相應(yīng)地減少 但是 數(shù)據(jù)比特位越長 緩存數(shù)據(jù)所需要的緩沖區(qū)也越大 這就限制了一個幀的大小 另外 幀越大 它占據(jù)傳輸媒體的連續(xù)時間也越長 在極端的情況下 這將導(dǎo)致其他用戶等得太久 32 同步傳輸方式下以固定的時鐘節(jié)拍來發(fā)送數(shù)據(jù)信號 字符間順序相連 既無間隙也無插入字符 以數(shù)據(jù)幀為傳送單位 數(shù)據(jù)幀 次 收發(fā)雙方的時鐘與傳輸?shù)拿恳晃粐?yán)格對應(yīng) 以達到位同步 在開始發(fā)送一幀數(shù)據(jù)之前先發(fā)送固定長度的幀同步字符 再發(fā)送數(shù)據(jù)幀 最后發(fā)送幀終止字符 這樣來保證字符同步 同步傳輸有較高的傳輸效率 但實現(xiàn)起來較復(fù)雜 常用于高速傳輸中 33 在異步通訊時 基本單位是字符 傳輸時字符間異步 字符內(nèi)各位同步 雙方不需要嚴(yán)格同步 即使有百分之幾的差異也可以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸 同步通訊時 字符與字符間和字符內(nèi)部的位與位之間都需要嚴(yán)格同步 所以發(fā)送雙方要使用同一時鐘源 其實 同步和異步的最大區(qū)別就是 字符與字符間的傳送一個是異步 一個是同步 而在字符內(nèi)的位與位之間 兩者都是同步的 同步傳輸和異步傳輸?shù)闹饕獏^(qū)別 34 3數(shù)據(jù)編碼 由于數(shù)據(jù)信號分成模擬數(shù)據(jù)信號和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號 而信道又分成模擬信道和數(shù)字信道 這樣就構(gòu)成了四種數(shù)據(jù)的傳輸形式 模擬數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在模擬信道上傳輸模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸 35 1 模擬數(shù)據(jù)在模擬信道上傳輸?shù)湫偷睦邮窃捯粜盘栐谄胀ǖ碾娫捪到y(tǒng)中傳輸 一般人的語音頻率范圍是300 3400Hz 為了進行傳輸 在線路上給它分配一定的帶寬 國際標(biāo)準(zhǔn)取4KHz為一個標(biāo)準(zhǔn)話路所占用的頻帶寬度 36 2 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在模擬信道上傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)要進入到模擬信道以前要有一個變換器進行數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換 以便能在模擬信道上傳輸 這樣的一個變換過程叫調(diào)制 注意 這個調(diào)制過程并不改變數(shù)據(jù)的內(nèi)容 僅是把數(shù)據(jù)的表示形式進行了改變 這個變換器又叫做調(diào)制器 而當(dāng)調(diào)制后的模擬信號傳到接收端以后 在接收端也有一個變換器再對這個信號進行反變換 即又把它變回數(shù)字信號 這樣的一個變換過程叫解調(diào) 這個變換器又叫解調(diào)器 由于計算機和終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信一般是雙向的 因此在數(shù)據(jù)通信的雙方既有用于發(fā)送信號的調(diào)制器又有用于接收信號的解調(diào)器 所以把這兩個設(shè)備合在一起形成通常所說的調(diào)制解調(diào)器 Modem 37 基本原理 用數(shù)字信號對載波的不同參量進行調(diào)制 載波S t Acos t S t 的參量包括 幅度A 頻率 初相位 調(diào)制就是要使A 或 隨數(shù)字基帶信號的變化而變化 從而實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信號的編碼 三種常用的調(diào)制技術(shù) 幅移鍵控ASK AmplitudeShiftKeying 通過改變載波信號振幅來表示數(shù)字信號1和0 技術(shù)簡單 抗干擾能力差 頻移鍵控FSK FrequencyShiftKeying 通過改變載波信號角頻率來表示數(shù)字信號1和0 技術(shù)簡單 抗干擾能力強 相移鍵控PSK PhaseShiftKeying 通過改變載波信號的相位值來表示數(shù)字信號1和0 技術(shù)復(fù)雜 抗干擾能力強 38 39 3 模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸用數(shù)字信道傳輸模擬數(shù)據(jù)時 需要對模擬數(shù)據(jù)進行脈沖編碼調(diào)制 PCM PCM是將模擬電話信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號 要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號 語音信號要在數(shù)字線路上傳輸 必須將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 PCM的基本過程包括采樣 量化和編碼三部分 采樣定理 奈奎斯特定理 如果模擬信號的最高頻率為F 若以2F的采樣頻率對其采樣 則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號 利用PCM技術(shù)將語音數(shù)字化需要經(jīng)過三個步驟 采樣 按一定間隔對語音信號進行采樣量化 對每個樣本舍入到量化級別上編碼 對每個舍入后的樣本進行編碼編碼后的信號稱為PCM信號 脈碼調(diào)制 PulseCodedModulation 40 標(biāo)準(zhǔn)的電話信號的最高頻率為3 4KHz 為方便起見 取最高頻率為4KHz 那么取樣頻率就是8KHz 相當(dāng)于每秒鐘采樣8000次 下一步是進行編碼 在我國使用的PCM體制中 電話信號是采用7bit編碼 也就是說 將取樣后的模擬電話信號量化為128個不同等級中的一個 41 PCM轉(zhuǎn)換過程舉例 42 4 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸這種方式最典型的例子是在兩個裝有Windows操作系統(tǒng)的計算機上 利用Windows中自帶的 直接電纜連接 功能把兩個計算機通過串行口或并行口直接相連 在這種情況下通信的雙方發(fā)出的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)以及在信道上所傳輸?shù)娜慷际菙?shù)字信號 把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種數(shù)字脈沖信號常見的編碼有 不歸零編碼 non returntozero NRZ 曼徹斯特編碼 Manchester 差分曼徹斯特編碼 differenceManchester 43 1 不歸零編碼原理 用兩種不同的電平分別表示二進制信息 0 和 1 低電平表示 0 不能用0伏電平表示 高電平表示 1 常常用 5V表示0 5V表示1 NRZ碼的主要缺點是 當(dāng)數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)0或1時 接收端很難以分辨1個信號位的開始或結(jié)束 必須采用某種方法在發(fā)送端和接收端之間提供必要的信號定時同步 同時 當(dāng)0和1的個數(shù)不等時 這種編碼還會產(chǎn)生直流分量的積累問題 這將導(dǎo)致信號的失真與畸變 使傳輸?shù)目煽啃越档?并且由于直流分量的存在 使得無法使用一些交流耦合的線路和設(shè)備 因此 一般的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都不采用這種編碼方式 44 2 曼徹斯特編碼原理 用電壓的變化表示0和1 規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變 高 低的跳變代表1 低 高的跳變代表0每個碼元中間都要發(fā)生跳變 接收端可將此變化提取出來作為同步信號 這種編碼也稱為自同步碼 Self SynchronizingCode 缺點 需要雙倍的傳輸帶寬 即信號速率是數(shù)據(jù)速率的2倍 45 10Mb s以太網(wǎng) Ethernet 采用這種曼徹斯特碼 46 3 差分曼徹斯特編碼原理 差分曼徹斯特編碼是對曼徹斯特編碼的改進 它的編碼規(guī)則如下 每個 碼元值 無論是 1 還是 0 中間都有一次電平跳變 這個跳變做同步之用 若碼元值為 0 則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相反 若碼元值為 1 則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相同 若碼元值為 0 則開始處出現(xiàn)電平跳變 反之碼元值為 1 開始處不發(fā)生跳 47 令牌環(huán) Token Ring 網(wǎng)采用這種差分曼徹斯特編碼 48 后兩種曼徹斯特編碼主要用于中速網(wǎng)絡(luò) Ethernet為10Mb s Token Ring最高為16Mb s 中 而高速網(wǎng)絡(luò)并不采用曼徹斯特編碼技術(shù) 其原因是它的信號速率為數(shù)據(jù)速率的兩倍 即對于10Mb s的數(shù)據(jù)速率 則編碼后的信號速率為20Mb s 對于100Mb s的高速網(wǎng)絡(luò)來說 200Mb s的信號速率無論對傳輸介質(zhì)的帶寬的要求 還是對傳輸可靠性的控制都未免太高了 將會增加信號傳輸技術(shù)的復(fù)雜性和實現(xiàn)成本 難以推廣應(yīng)用 因此 高速網(wǎng)絡(luò)主要采用兩級的DNRZ編碼方案 而中速網(wǎng)絡(luò)采用曼徹斯特編碼方案 盡管它增加了傳輸所需的帶寬 但在實現(xiàn)起來簡單易行 49 4多路復(fù)用技術(shù) 在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中 傳輸媒體的帶寬或容量往往超過傳輸單一信號的需求 為了有效地利用通信線路 希望一個信道同時傳輸多路信號 這就是所謂的多路復(fù)用技術(shù) Multiplexing 采用多路復(fù)用技術(shù)能把多個信號組合起來在一條物理信道上進行傳輸 在遠(yuǎn)距離傳輸時可大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用 50 復(fù)用 多個信息源共享一個公共信道為何要復(fù)用 提高線路利用率 多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)是指在同一傳輸介質(zhì)上 同時 傳送多路信號的技術(shù) 因此 多路復(fù)用技術(shù)也就是在一條物理線路上建立多條通信信道的技術(shù) 51 在多路復(fù)用技術(shù)中主要用到兩個設(shè)備 多路復(fù)用器和多路分配器 多路復(fù)用器 Multiplexer 在發(fā)送端根據(jù)某種已約定的規(guī)則把多個低速 低帶寬 的信號合成一個高速 高帶寬 的信號 多路分配器 Demultiplexer 在接收端根據(jù)同一規(guī)則把高速信號分解成多個低速信號 多路復(fù)用器和多路分配器統(tǒng)稱為多路器 MUX 52 多路復(fù)用類型頻分復(fù)用FDM FrequencyDivisionMultiplexing 波分復(fù)用WDM WaveDivisionMultiplexing 時分復(fù)用TDM TimeDivisionMultiplexing 53 1 頻分多路復(fù)用 FDM 頻分復(fù)用是將一定帶寬的信道分成若干個有較小頻帶的子信道 每個子信道供一個用戶使用 傳輸時 先將各個用戶的信號調(diào)制到不同的頻段 然后進行傳輸 接收的時候再按不同的頻率接收 頻分復(fù)用技術(shù)常用于模擬信號傳輸 如無線電廣播 電視和載波電話等 必須與調(diào)制解調(diào)技術(shù)結(jié)合使用 采用頻分多路復(fù)用時數(shù)據(jù)在各子信道上是并行傳輸?shù)?被分開的各子信道的中心頻率不相重合 且各信道之間留有一定的空閑頻帶 以保證數(shù)據(jù)在各子信道上的可靠傳輸 一個信道故障時不影響其他信道 54 如 一根CATV系統(tǒng)電纜的帶寬大約為500MHz 可同時傳送80個頻道的電視節(jié)目 每個頻道6MHz的帶寬中又進一步劃分為聲音子通道 視頻子通道及彩色子通道 每個頻帶兩邊都留有一定的保護頻帶 防止相互串?dāng)_ 動畫 55 2 時分多路復(fù)用 TDM TDM的工作原理 首先 將各路傳輸信號按時間進行分割 即將每個單位傳輸時間劃分為許多時間片 時隙 然后各子通道按時間片輪流占用帶寬 時間片的大小可以按一次傳送一位 一個字節(jié)或一個固定大小的數(shù)據(jù)塊所需要的時間來確定 這樣 就可以使多路輸入信號在不同的時隙內(nèi)輪流 交替地使用物理信道進行傳輸 和頻分復(fù)用一樣 時分復(fù)用也是將許多輸入合并在一起來發(fā)送 但由于時分復(fù)用技術(shù)主要用于數(shù)字信號 所以和頻分復(fù)用把信號合成一個單一的復(fù)雜的信號的做法不同 時分復(fù)用保持了信號物理上的獨立性 而邏輯上把它們合并在一起 56 異步時分復(fù)用 AsynchronousTDM 為解決同步時分復(fù)用的時隙的浪費問題 產(chǎn)生了異步時分復(fù)用 AsynchronousTDM 技術(shù) 這種技術(shù)也稱統(tǒng)計時分復(fù)用或智能時分復(fù)用 利用這種技術(shù)可以動態(tài)地分配時隙 避免信道空閑 具體執(zhí)行過程為在某一用戶申請的情況下 才把時隙分配給它 在線路空閑時期可以讓別的設(shè)備來使用信道 按照子通道動態(tài)利用情況的不同 時分多路復(fù)用又可分為 同步時分復(fù)用 SynchronousTDM 采用的是信道的固定時間分配方式 這種方法將時間分成若干個時隙 每個時隙分配給不同的用戶 在任意時刻整個通路上只有一個特定用戶的信號 在這種方式下 無論用戶使用與否 時隙都不會被其他設(shè)備占用 正是由于這一點 造成了信道資源的浪費 動畫 動畫 57 3 波分多路復(fù)用 WDM 波分復(fù)用實際上就是光的頻分復(fù)用 主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng) 具體指在一根光纖上能同時傳送多個波長不同的光載波的復(fù)用技術(shù) 58 FDM 或WDM 技術(shù)是以頻段的不同來區(qū)分地址的 其特點是獨占頻段而共享時間 TDM則是共享頻段而獨占時間 相當(dāng)于在統(tǒng)一頻段內(nèi)不同相位上發(fā)送和接受信息 而頻率資源共享 4 碼分多路復(fù)用 CDM 59 數(shù)據(jù)經(jīng)過常規(guī)的數(shù)據(jù)調(diào)制 成為帶寬為B1的基帶信號 再用擴頻編碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機碼對基帶信號進行擴頻調(diào)制 形成帶寬為B2的功率譜密度極低的擴頻信號 這相當(dāng)于把窄帶B1信號以偽隨機碼規(guī)律分散到寬帶B2上在發(fā)射出去 在接收端用與發(fā)射相同的偽隨機碼做擴頻解調(diào) 壓縮其頻譜 把寬帶信號恢復(fù)成原基帶信號 再用常規(guī)的解調(diào)方法還原數(shù)據(jù)信號 CDM就是利用擴頻通信中的不同碼型的擴頻碼之間的相關(guān)性 為每個用戶分配一個擴頻編碼 以區(qū)分不同的用戶信號 發(fā)送端可用不同的擴頻編碼 分別向不同的接收端發(fā)送數(shù)據(jù) 同樣 接收端用不同的擴頻編碼進行解碼 就可得到不同發(fā)送端送來的數(shù)據(jù) 實現(xiàn)了多路通信 CDM的特點是頻率和時間資源均為共享 因此在頻率和時間資源緊缺的情況下 CDM技術(shù)將受到親睞 60 5交換技術(shù) 經(jīng)編碼后的數(shù)據(jù)在信源和信宿之間進行傳輸?shù)淖罾硐氲姆绞绞窃趦蓚€互連的站點之間直接建立傳輸信道并進行數(shù)據(jù)通信 但實際上 在大范圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中直接連接兩個設(shè)備往往是不現(xiàn)實的 也是不可取的 而常常是通過網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點把數(shù)據(jù)從源站點發(fā)送到目的站點 實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信 這些中間節(jié)點并不關(guān)心數(shù)據(jù)內(nèi)容 而是提供一個交換設(shè)備 使數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點 直至到達目的地為止 數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后在通信信道上進行傳輸 按數(shù)據(jù)傳送技術(shù)劃分 交換網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)交換的方法主要有三種 電路交換 報文交換 和 分組交換 61 1 電路交換 CircuitSwitching 主要是指數(shù)據(jù)傳輸期間 在源站點與目的站點之間建立專用電路鏈接 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之前 電路一直被占用 而不能被其他節(jié)點所使用 用電路交換技術(shù)完成的數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷建立電路 傳輸數(shù)據(jù)和拆除電路三個階段 電路的建立傳輸數(shù)據(jù)之前 必須建立一個端到端的物理連接 這個連接過程實際上就是一個個 節(jié) 點的連續(xù)過程 62 在傳輸數(shù)據(jù)之前 源端先經(jīng)過呼叫過程以建立一條端到端 站到站 的電路 例如在上圖中 信源H1站發(fā)送一個連接請求 信令 到節(jié)點A 請求與H5站建立一個連接 通常的做法是從H1站到節(jié)點A的電路是一條專用線路 這部分的物理連接已經(jīng)存在 節(jié)點A必須在通向節(jié)點E的路徑中找到下一個路由 根據(jù)路徑選擇規(guī)程 節(jié)點A選擇到節(jié)點B的電路 在此電路上分配一個未用的通道 可使用復(fù)用技術(shù) 并告訴B它要連接E節(jié)點 B再呼叫E 并建立電路BE 節(jié)點E完成到H5站的連接 這樣在A與E之間就有了一條專用電路ABE 用于H1站與H5站之間的數(shù)據(jù)傳輸 63 數(shù)據(jù)傳輸在通信線路建立之后 兩站點就可以進行數(shù)據(jù)傳輸了 被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 也可以是模擬數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)既可以從主叫用戶發(fā)往被叫用戶 也可以由被叫用戶發(fā)往主叫用戶 電路ABE建立以后 數(shù)據(jù)就可以從A送到B 再由B傳送到E 也可以從E發(fā)送數(shù)據(jù)通過B到A 這種數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過每個中間節(jié)點時幾乎沒有延遲 并且沒有阻塞的問題 因為是專用線路 在整個數(shù)據(jù)傳輸過程中 所建立的電路必須始終保持連接狀態(tài) 除非有意外的線路或節(jié)點故障而使電路中斷 64 電路拆除數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后 由通信的某一方發(fā)出拆除電路請求 對方作出響應(yīng)并釋放鏈路 釋放動作可由兩站點中任一站點發(fā)起并完成 釋放信號必須傳送到電路所經(jīng)過的各個節(jié)點 以便重新分配資源 被拆除的信道空閑后 可被其他連接請求所使用 動畫 65 電路交換的優(yōu)點是 數(shù)據(jù)傳輸可靠 迅速 數(shù)據(jù)不會丟失且保持原來的序列 電路交換的缺點是 電路接續(xù)時間長 通信雙方占有一條信道后 即使不傳送數(shù)據(jù)其他用戶也不能使用 造成信道容量的浪費 而且當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸階段的持續(xù)時間很短暫時 電路建立和拆除所用的時間也得不償失 當(dāng)用戶終端或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負(fù)荷過重時 可能出現(xiàn)呼叫不通的情況 即不能建立電路連接 電路交換適用場合 數(shù)據(jù)傳輸要求質(zhì)量高且批量大的情況 在數(shù)據(jù)傳送開始之前必須先建立一條專用的電路 在線路釋放之前 該通路由一對用戶完全占用 電路交換的典型例子是電話通信網(wǎng)絡(luò) 66 2 存儲交換 Storeandforwardswithing 主要是輸入的信息在交換設(shè)備控制下 先在存儲區(qū)暫存 并對存儲的信息進行處理 待指定輸出線空閑時 再分別將信息轉(zhuǎn)發(fā)出去 與電路交換相比 存儲交換具有均衡負(fù)荷 建立電路延遲小等優(yōu)點 但其實時性不好 網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲大 存儲交換又可分為報文交換和報文分組交換兩種方式 67 報文交換 MessageSwitching 報文交換不需在兩個站點之間建立一條專用電路 數(shù)據(jù)傳輸單位是報文 所謂 報文 就是站點一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊 其長度不限并且可變 傳送過程采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式 當(dāng)一個站要發(fā)送報文時 它將一個目的地址附加到報文上 途經(jīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)報文上的目的地址信息 把報文發(fā)送到下一個節(jié)點 一直逐個節(jié)點地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點 每個節(jié)點在收到整個報文并檢查無誤后 就暫存這個報文 然后利用路由信息找出下一個節(jié)點的地址 再把整個報文傳送給下一個節(jié)點 在同一時間內(nèi) 報文的傳輸只占用兩個節(jié)點之間的一段線路 而在兩個通信用戶間的其他線路段 可傳輸其他用戶的報文 不像電路交換那樣必須端到端信道全部占用 68 報文交換節(jié)點通常是一臺小型計算機 它具有足夠的存儲容量來緩沖收到的報文 報文交換的特點 1 報文從源站點傳送到目的站點采用 存儲 轉(zhuǎn)發(fā) 方式 在傳送報文時 一個時刻僅占用一段通道 2 在交換節(jié)點中需要緩沖存儲 報文需要排隊 故報文交換不能滿足實時通信的要求 3 電路利用率高 由于許多報文可以分時共享兩個節(jié)點之間的電路 所以對于同樣的通信量來說 對電路的傳輸能力要求較低 4 報文交換系統(tǒng)可以把一個報文發(fā)送到多個目的地 而電路交換網(wǎng)絡(luò)很難做到這一點 69 報文傳輸實例 第一個使用報文交換的通信系統(tǒng)是電報 在電報系統(tǒng)中 報文在發(fā)送局被穿孔在紙帶上 然后在通信線路上被讀入并轉(zhuǎn)發(fā)到下一個局 在下一個局中它又被穿孔在紙帶上 該局中的操作人員將紙帶撕下來 將其輸入到一臺紙帶閱讀機中 并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一個局 依次進行 直到終點局為止 在電報系統(tǒng)中 位于網(wǎng)絡(luò)主干的每一個局都擁有一臺紙帶穿孔和閱讀機 這種交換局被稱為撕段紙帶式交換局 報文傳輸是不連續(xù)的 所以不適合于傳輸實時信號 如電話通信 電視會議等 電子郵件系統(tǒng)適合采用報文交換方式 70 分組交換 PacketSwitching 分組交換 PacketSwitching 是報文分組交換的簡稱 又稱包交換 它是報文交換的一種改進 它將報文分成若干個分組 每個分組的長度有一個上限 有限長度的分組使得每個節(jié)點所需的存儲能力降低了 分組可以存儲到內(nèi)存中 提高了交換速度 每個分組中包括數(shù)據(jù)以及信源信宿的地址 并且會按照數(shù)據(jù)單元在原數(shù)據(jù)中的位置進行編號 為了便于接受方數(shù)據(jù)的恢復(fù) 每個分組的前面都要加上一個首部 其傳輸過程在表面上看與報文交換類似 但由于限制了每個分組的長度 因此大大地改善了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能 分組交換是計算機網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的一種交換技術(shù) 71 在分組交換網(wǎng)絡(luò)中 分組可以從信源經(jīng)過各不相同的線路傳輸?shù)叫潘?信宿收到這些分組后會重新組裝 恢復(fù)成原始數(shù)據(jù) 在傳輸過程中 每個分組都會在信源和信宿之間尋找一個傳輸時間最快的線路 由于分組的傳輸線路各不相同 所以到達信宿的時間也可能不一樣 這時分組的首部信息便發(fā)揮了作用 信宿根據(jù)分組首部的信息重新組裝數(shù)據(jù) 如果有分組傳錯或丟失 信宿還需要讓信源重新發(fā)送 直到能夠?qū)?shù)據(jù)完全恢復(fù)為止 動畫 72 分組交換與報文變換最大的不同點是 1 把數(shù)據(jù)傳送單位的最大長度限制在較小的范圍內(nèi) 這樣每個節(jié)點所需要的存儲量低了 2 分組是較小的傳輸單位 只有出錯的分組才會被重發(fā) 因此大大降低了重發(fā)的比例和開銷 提高了交換速度 源節(jié)點發(fā)出一個報文的第一個分組后 可以連續(xù)發(fā)出第二個 第三個分組 而第一個分組可能還在半路中 這些分組在各個節(jié)點中被同時接收 處理和發(fā)送 而且可走不同的路徑 這種并行性縮短了整體傳輸時間 并隨時利用網(wǎng)絡(luò)中流量分布的變化而確定盡可能快的路徑 分組交換適用于交互式通信 如終端與主機通信 73 幾種交換方法的時序圖