1,第2章 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識,本章內(nèi)容 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 基本概念 傳輸介質(zhì) 數(shù)據(jù)編碼 多路復(fù)用技術(shù) 數(shù)據(jù)交換技術(shù) 差錯(cuò)控制 數(shù)據(jù)通信性能指標(biāo),2,2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),源系統(tǒng) 源點(diǎn)：源點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生通信網(wǎng)絡(luò)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 發(fā)送器：通常源點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)要通過發(fā)送器編碼后才能夠在傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸。 目的系統(tǒng) 接收器：接收傳輸系統(tǒng)傳送過來的信號，并將其轉(zhuǎn)換為能夠被目的設(shè)備處理的信息。 終點(diǎn)：終點(diǎn)設(shè)備從接收器獲取傳送來的信息。 傳輸系統(tǒng) 可以是簡單的物理通信線路 也可以是連接源系統(tǒng)和目的系統(tǒng)之間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,3,數(shù)據(jù)通信的基本過程,5個(gè)階段 包含兩項(xiàng)內(nèi)容：數(shù)據(jù)傳輸和通信控制 過程 與打電話比較 建立物理連接 撥號，撥通對方 建立邏輯連接 互相確認(rèn)身份 數(shù)據(jù)傳輸 互相通話 斷開邏輯連接 互相確認(rèn)要結(jié)束通話 斷開物理連接 雙方掛機(jī),*注意，并不是所有的數(shù)據(jù)通信都需要全部5個(gè)階段。,4,2.2基本概念,數(shù)據(jù)與信號 信道 通信方式 傳輸方式 同步方式,5,2.2.1數(shù)據(jù)與信號,數(shù)據(jù)（Data） 傳遞（攜帶）信息的實(shí)體。 信息（Information） 數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。 信號（Signal） 數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號的形式在介質(zhì)中傳播,6,模擬信號 時(shí)間上連續(xù)，包含無窮多個(gè)信號值 數(shù)字信號 時(shí)間上離散，僅包含有限數(shù)目的信號值。最常見的是二值信號,t,a） 模擬信號,b） 數(shù)字信號,7,周期信號 信號由不斷重復(fù)的固定模式組成（如正弦波） 非周期信號 信號沒有固定的模式和波形循環(huán)（如語音的音波信號）。,周期信號,非周期信號,8,信息編碼：將信息用二進(jìn)制數(shù)表示的方法 例如：ASCII編碼、BCD編碼等 數(shù)據(jù)編碼：將數(shù)據(jù)用物理量表示的方法 例如：字符“A”的ASCII編碼為01000001，其數(shù)據(jù)編碼可能為,9,信息通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸?shù)倪^程 把攜帶信息的數(shù)據(jù)用物理信號形式通過信道傳送到目的地 信息和數(shù)據(jù)（二進(jìn)制位）不能直接在信道上傳輸 編碼：數(shù)據(jù)適合傳輸?shù)臄?shù)字信號便于同步、識別、糾錯(cuò) 調(diào)制：數(shù)字信號適合傳輸?shù)男问桨搭l率、幅度、相位 解調(diào)：接收波形數(shù)字信號 解碼：數(shù)字信號原始數(shù)據(jù),10,不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種情況：,11,模擬傳輸和數(shù)字傳輸所使用的技術(shù),12,編碼與調(diào)制的區(qū)別 編碼：用數(shù)字信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù) 調(diào)制：用模擬信號承載數(shù)字或模擬數(shù)據(jù),Encoder,Decoder,數(shù)字或 模擬數(shù)據(jù),數(shù)字信號,x(t),g(t),數(shù)字或 模擬數(shù)據(jù),編碼與解碼,數(shù)字信道,發(fā)送方,接收方,g(t),編碼,解碼,13,調(diào)制與解調(diào),14,2.2.2 信道,信道（Channel）：傳送信息的線路（或通路） 數(shù)字信道：以數(shù)字脈沖形式（離散信號）傳輸數(shù)據(jù)的信道 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要采用數(shù)字信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域網(wǎng) 模擬信道：以連續(xù)模擬信號形式傳輸數(shù)據(jù)的信道 CATV、無線電廣播、電話撥號線路,15,數(shù)字通信與模擬通信 數(shù)字通信 在數(shù)字信道上實(shí)現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸 模擬通信 在模擬信道上實(shí)現(xiàn)模擬信息或數(shù)字信息的傳輸 數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn) 抗噪聲（干擾）能力強(qiáng) 可以控制差錯(cuò)，提高了傳輸質(zhì)量 便于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理 易于加密、保密性強(qiáng) 可以傳輸語音、數(shù)據(jù)、影像，通用、靈活 計(jì)算機(jī)通信僅在不得已的情況下，才會采用模擬通信，如通過電話線撥號上網(wǎng)。,16,2.2.3 通信方式,單工 數(shù)據(jù)單向傳輸（例：無線電廣播） 半雙工 數(shù)據(jù)可以雙向交替?zhèn)鬏?，但不能在同一時(shí)刻雙向傳輸（例：對講機(jī)） 全雙工 數(shù)據(jù)可以雙向同時(shí)傳輸（例：電話） 需要具有兩條物理上獨(dú)立的傳輸線路； 或者需要具有一條物理線路上的兩個(gè)信道，分別用于不同方向的信號傳輸。,17,發(fā)送器,接收器,發(fā)送器/接收器,發(fā)送器/接收器,發(fā)送器/接收器,發(fā)送器/接收器,單工方式：,半雙工方式：,全雙工方式：,A站,B站,可同時(shí),不可同時(shí),18,基帶傳輸：不需調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送。 例如：以太網(wǎng)（局域網(wǎng)） 頻帶傳輸：數(shù)字信號調(diào)制成音頻模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。 例如：通過電話網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù) 寬帶傳輸：把信號調(diào)制成頻帶為幾十MHZ到幾百M(fèi)HZ的模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。 例如：閉路電視的信號傳輸,2.2.4 傳輸方式,19,同步的因素： 同步脈沖頻率 數(shù)據(jù)從什么時(shí)候開始，什么時(shí)候結(jié)束 位邊界 數(shù)據(jù)塊邊界 數(shù)據(jù)通信中需要在三個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)同步： 位位同步 字符字符同步 幀(Frame)幀同步,2.2.5 同步方式,20,同步脈沖：用于碼元的同步定時(shí)，識別碼元從何時(shí)開始 同步脈沖也可位于碼元的中部 一個(gè)碼元也可有多個(gè)同步脈沖相對應(yīng),t,碼元1,碼元2,碼元3,碼元4,碼元5,信號,同步脈沖,t,21,目的：使接收端與發(fā)送端在時(shí)間基準(zhǔn)上一致 外同步發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同步脈沖信號，接收方用接收到的同步信號來鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。 自同步通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)編碼信號中包含同步信號，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號提取同步信號來鎖定自己的時(shí)鐘脈沖頻率。,位同步,22,目的：找到正確的字符邊界 常用的為起止式（異步式）。在這種方式中，每個(gè)字符的傳輸需要： 1個(gè)起始位、58個(gè)數(shù)據(jù)位、1、1.5或2個(gè)停止位 采用這種同步方式的通信也稱“異步通信” 起止式的優(yōu)缺點(diǎn)： 頻率的漂移不會積累，每個(gè)字符開始時(shí)都會重新獲得同步 每兩個(gè)字符之間的間隔時(shí)間不固定 增加了輔助位，所以傳輸效率低 例如，采用1個(gè)起始位、 8個(gè)數(shù)據(jù)位、 2個(gè)停止位時(shí)，其傳輸效率為8/1173,字符同步,23,目的：識別一個(gè)幀的起始和結(jié)束 幀（Frame）：數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位包含數(shù)據(jù)和控制信息的數(shù)據(jù)塊 面向字符的以同步字符（SYN，16H）來標(biāo)識一個(gè)幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀 面向比特的以特殊位序列（7EH，即01111110）來標(biāo)識一個(gè)幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀,7EH,7EH,幀同步,24,2.3 傳輸介質(zhì),磁介質(zhì) 高帶寬、低費(fèi)用、高延時(shí)（小時(shí)） 在通信中很少使用 例：7GB/8mm磁帶，1000盤/505050cm3，24h可送到任何地方。 總?cè)萘?710008Gb，總時(shí)間=246060s=86400s 傳送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s 若讓劉翔來傳送1盤10GB的磁帶，在110m（12.91s）內(nèi)其傳輸速率是多少？ 金屬導(dǎo)體 雙絞線、 同軸電纜(粗、細(xì)) 光纖 無線介質(zhì) 無線電、微波、衛(wèi)星、紅外線,25,同軸電纜（Coaxial Cable，CC） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用基帶同軸電纜 阻抗50，有粗同軸和細(xì)同軸兩種 應(yīng)用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)） 性能：10Mb/s，500m/185m,26,雙絞線（Twist Pair，TP）,螺旋絞合的雙導(dǎo)線 每根4對、25對、1800對 典型連接距離100m（LAN） RJ45插座、插頭 優(yōu)缺點(diǎn)： 成本低 組裝密度高、節(jié)省空間 安裝容易（綜合布線系統(tǒng)） 平衡傳輸（高速率） 抗干擾性一般 連接距離短,應(yīng)用領(lǐng)域：電話網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng),27,屏蔽雙絞線(STP) 非屏蔽雙絞線(UTP),以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音，應(yīng)用較少,雙絞線外無任何屏蔽層，應(yīng)用廣泛,常用的雙絞線：3類（16Mb/s） 和5類（155Mb/s）兩種,28,雙絞線的連接標(biāo)準(zhǔn) 色彩標(biāo)記和連接方法： 交叉線：交換機(jī)交換機(jī)、PC-PC、HUB-HUB(標(biāo)準(zhǔn)端口) 直連線：PC/路由器交換機(jī)/HUB、HUB-HUB(級連端口),交叉線 EIA-568B,直連線 EIA-568A,29,光纖（Optical Fiber，OF） 依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳播 優(yōu)缺點(diǎn)： 傳輸帶寬高：僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（100Gb/s） 傳輸損耗小，適合長距離傳輸 抗干擾性能極好、誤碼率低、保密性好 輕便 價(jià)格較高 需要光電轉(zhuǎn)換 纖芯材料： 塑料 二氧化硅 （高純玻璃）,30,光纖傳輸原理光的反射 光從折射率高的介質(zhì)入射到折射率低的介質(zhì)時(shí)會產(chǎn)生折射。折射量取決于兩種介質(zhì)的折射率。當(dāng)入射角臨界值時(shí)產(chǎn)生全反射，不會泄漏。 纖芯折射率高，玻璃包層折射率低 亮度調(diào)制：有光脈沖-1，無光脈沖-0 光傳輸系統(tǒng)：光源、介質(zhì)、光檢測 光源：850nm/1300nm/1500nm，發(fā)光二極管/激光二極管 光檢測器：光電二極管PIN/雪崩二極管APD 單向傳輸，雙向需兩根光纖 應(yīng)用領(lǐng)域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器連接,31,多模光纖(MMF) 單模光纖(SMF)：光纖的直徑接近一個(gè)光波波長,32,典型的光纜,單芯光纜,多芯光纜,常見規(guī)格：纖芯50um緩變型-MMF 62.5um緩變型/增強(qiáng)型-MMF 8.3um突變型-SMF 包層125um,33,高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu),芯,封套,外套,加強(qiáng)芯,光纖,外鞘,加強(qiáng)芯,光纖束,34,無線介質(zhì)（信號在大氣或外層空間自由傳播） 使用電磁波或光波攜帶信息 優(yōu)缺點(diǎn)： 無需物理連接 適用于長距離或不便布線的場合 易受干擾 反射，為障礙物所阻隔 主要類型： 無線電、地面微波 通信衛(wèi)星 紅外線,35,微波通信 通過地面站之間接力傳送 接力站之間距離：50 100 km 速率：每信道 45 Mb/s,地球,地面站之間的直視線路,微波傳送塔,36,地球同步衛(wèi)星 與地面站相對固定位置 使用三顆衛(wèi)星即可覆蓋全球 傳輸延遲時(shí)間長（270ms） 廣播式傳輸 應(yīng)用領(lǐng)域： 電視傳輸 長途電話 專用網(wǎng)絡(luò) 廣域網(wǎng),35,784 km,地球,37,激光傳輸 將激光束調(diào)制成光脈沖傳輸數(shù)據(jù) 特點(diǎn)： 激光的頻率更高，可獲得更高的帶寬 激光束的方向性好，不受電磁干擾的影響，不怕偷聽 受天氣影響 只能在短距離通信中使用,38,紅無線通信 紅外傳輸系統(tǒng)利用墻壁或屋頂反射紅外線從而形成整個(gè)房間內(nèi)的廣播通信系統(tǒng) 特點(diǎn)： 紅外通信的設(shè)備相對便宜，可獲得較高的帶寬 傳輸距離有限，而且易受室內(nèi)空氣狀態(tài)（例如有煙霧等）的影響,39,短波通信 基站與終端之間通信采用無線鏈路 應(yīng)用領(lǐng)域：移動(dòng)通信、無線局域網(wǎng)（WLAN）,基站覆蓋的無線電區(qū)域,基站,用戶計(jì)算機(jī)和終端,40,常用傳輸介質(zhì)的比較,41,2.4數(shù)據(jù)編碼,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼 使數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)能在數(shù)字信道上傳輸 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制編碼 使數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)能在模擬信道上傳輸 模擬信號的數(shù)字編碼 使模擬數(shù)據(jù)能在數(shù)字信道上傳輸,42,1. 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼,不歸零碼（Non-Return to Zero， NRZ ） 二進(jìn)制數(shù)字0、1分別用兩種電平來表示； 常用5V表示1，5V表示0； 缺點(diǎn)： 存在直流分量，傳輸中不能有變壓器或電容； 不具備自同步機(jī)制，傳輸時(shí)必須使用外同步。 曼徹斯特編碼（Manchester Coding） 用電壓的變化表示0和1。 規(guī)定在每個(gè)碼元的中間發(fā)生跳變 高低的跳變代表0，低高的跳變代表1 每個(gè)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-Synchronizing Code）。 缺點(diǎn)：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號速率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。 差分曼徹斯特編碼（Differential Manchester Coding，DMC） 每個(gè)碼元的中間仍要發(fā)生跳變。 用碼元開始處有無跳變來表示0和1 ，有跳變代表0，無跳變代表1。,43,三種數(shù)字編碼的波形圖,44,2. 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的調(diào)制,三種常用的調(diào)制技術(shù)： 幅移鍵控ASK （Amplitude Shift Keying） 頻移鍵控FSK （Frequency Shift Keying） 相移鍵控PSK （Phase Shift Keying） 原理：用數(shù)字信號對載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制。 載波信號 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,45,ASK：用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1 FSK：用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1 PSK：用載波的起始相位的變化表示0和1,46,3. 模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼,采樣定理： 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，則從采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號。 要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號，模擬數(shù)據(jù)要在數(shù)字線路上傳輸，必須將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 PCM編碼： 采樣：按一定間隔對語音信號進(jìn)行采樣 量化：把每個(gè)樣本舍入到最接近的量化級別上 編碼：對每個(gè)舍入后的樣本進(jìn)行編碼 編碼后的信號稱為PCM信號（ Pulse Coded Modulation，脈碼調(diào)制）。,47,語音信號的數(shù)字化 語音帶寬f2倍語音最大頻率） 樣本量化級數(shù)：256級（8b/每樣本） 數(shù)據(jù)率：8000次/s8b = 64kb/s 每路PCM信號的速率 = 64kb/s,48,PCM編碼過程舉例,49,2.5 多路復(fù)用技術(shù),多路復(fù)用：多個(gè)信息源共享一個(gè)公共信道 為何要復(fù)用？提高線路利用率 適用場合：當(dāng)信道的傳輸能力大于每個(gè)信源的平均傳輸需求時(shí) 類比：公共運(yùn)輸系統(tǒng)（鐵路、海運(yùn)、航空）,50,復(fù)用的基本思想： 把公共共享信道用某種方法劃分成多個(gè)子信道，每個(gè)子信道傳輸一路數(shù)據(jù)。 復(fù)用方法 頻分復(fù)用FDM （Frequency Division Multiplexing） 按頻率劃分不同的信道，如CATV系統(tǒng) 時(shí)分復(fù)用TDM （Time Division Multiplexing） 按時(shí)間劃分不同的信道，目前應(yīng)用最廣泛 波分復(fù)用WDM （Wave Division Multiplexing） 按波長劃分不同的信道，用于光纖傳輸 碼分復(fù)用CDM （Code Division Multiplexing） 按地址碼劃分不同的信道，非常有發(fā)展前途,51,頻分復(fù)用FDM 原理：整個(gè)傳輸頻帶被劃分為若干個(gè)頻率通道，每路信號占用一個(gè)頻率通道進(jìn)行傳輸。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶以防相互干擾。,CH2,CH1,CH3,原帶寬,CH1,CH2,CH3,移頻后帶寬,CH1,CH2,CH3,帶寬復(fù)用信號,f,復(fù)用器,52,時(shí)分復(fù)用TDM 原理：把時(shí)間分割成小的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片分為若干個(gè)時(shí)隙，每路數(shù)據(jù)占用一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行傳輸。在通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用極為廣泛。,53,由于每路數(shù)據(jù)總是使用每個(gè)時(shí)間片的固定時(shí)隙，所以這種時(shí)分復(fù)用也稱為同步時(shí)分復(fù)用。 一個(gè)時(shí)間片內(nèi)傳輸?shù)亩嗦窋?shù)據(jù)稱為幀。 時(shí)分復(fù)用的典型例子：PCM信號的傳輸 把多個(gè)話路的PCM語音數(shù)據(jù)用TDM的方法裝成幀（幀中還包括了幀同步信息和信令信息） 每幀在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)發(fā)送 每個(gè)時(shí)隙承載一路PCM信號,54,統(tǒng)計(jì)（異步）TDMSTDM TDM的缺點(diǎn)：某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送，其他用戶也不能占用該時(shí)隙，將會造成帶寬浪費(fèi)。 STDM：用戶不固定占用某個(gè)時(shí)隙，有空時(shí)隙就將數(shù)據(jù)放入。,55,時(shí)分復(fù)用數(shù)字載波復(fù)用標(biāo)準(zhǔn),T-標(biāo)準(zhǔn) （北美、日本） E-標(biāo)準(zhǔn) （歐洲、中國、南美） E1（一次群）標(biāo)準(zhǔn) 每125us為一個(gè)時(shí)間片，每時(shí)間片分為32個(gè)通道（時(shí)隙）。每個(gè)時(shí)隙可容納8b。 通道0用于同步，通道16用于信令，其他30個(gè)通道用于傳輸30個(gè)PCM話音數(shù)據(jù)。 E1速率 = （32x8b）/125us = 2.048 Mb/s 對E1進(jìn)一步復(fù)用，還可構(gòu)成E2到E5等高次群。 E5可承載7680個(gè)話路，數(shù)據(jù)率約為565Mb/s。 新的TDM標(biāo)準(zhǔn)是同步光網(wǎng)絡(luò)（SONET）和ITU-T的同步數(shù)字系列（SDH）。常用的線路速率為（近似值） 155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s和10Gb/s。,56,E1-幀格式,E1線路也可以用于計(jì)算機(jī)通信,57,波分復(fù)用光的頻分復(fù)用 原理：整個(gè)波長頻帶被劃分為若干個(gè)波長范圍，每路信號占用一個(gè)波長范圍來進(jìn)行傳輸。,58,碼分復(fù)用CDM 原理：每個(gè)用戶把發(fā)送信號用接收方的地址碼序列進(jìn)行編碼（任意兩個(gè)地址碼序列相互正交）。不同用戶發(fā)送的信號在接收端被迭加，然后接收者用同樣的地址碼序列解碼。由于地址碼的正交性，只有與自己地址碼相關(guān)的信號才能被檢出，由此恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。 地址碼序列必須兩兩相互正交： 碼序列A、B，應(yīng)滿足 AB =0，A B =0，A A =1，A A =-1 其中 為內(nèi)積運(yùn)算。 在無線移動(dòng)通信中應(yīng)用廣泛。,59,2.6 數(shù)據(jù)交換技術(shù),什么是交換？ 按某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路資源。 例如，電話交換機(jī)在用戶呼叫時(shí)為用戶選擇一條可用的線路進(jìn)行接續(xù)。用戶掛機(jī)后則斷開該線路，該線路又可分配給其他用戶。 最初的交換：人工轉(zhuǎn)接交換 為什么要采用交換技術(shù)？ 節(jié)省線路投資，提高線路利用率。 實(shí)現(xiàn)交換的方法主要有：電路交換、報(bào)文交換和分組交換。,60,電路交換 在通信雙方之間建立一條臨時(shí)專用線路的過程。 可以是真正的物理線路，也可以是一個(gè)復(fù)用信道。 特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸前需要建立一條端到端的通路。稱為“面向連接的”（典型例子：電話） 過程：建立連接通信釋放連接 優(yōu)缺點(diǎn)： 建立連接的時(shí)間長； 一旦建立連接就獨(dú)占線路，線路利用率低； 無糾錯(cuò)機(jī)制； 建立連接后，傳輸延遲小。 不適用于計(jì)算機(jī)通信：因?yàn)橛?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)具有突發(fā)性的特點(diǎn)，真正傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間不到10%。 例如：建立連接的時(shí)間為0.5s，計(jì)算機(jī)以1Mb/s的速率發(fā)送10KB。線路利用率？,61,電話網(wǎng)絡(luò)中的電路交換 電路交換也能在多路復(fù)用信道上實(shí)現(xiàn) 在物理線路的某個(gè)信道上建立連接,62,報(bào)文交換 以報(bào)文為單位進(jìn)行“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”交換的技術(shù)。 在交換過程中，交換設(shè)備將接收到的報(bào)文先存儲下來，待信道空閑時(shí)再轉(zhuǎn)發(fā)出去，一級一級中轉(zhuǎn)，直到目的地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)稱為存儲-轉(zhuǎn)發(fā)。 傳輸之前不需要建立端到端的連接，僅在相鄰節(jié)點(diǎn)傳輸報(bào)文時(shí)建立節(jié)點(diǎn)間的連接。稱為“無連接的”（典型例子：電報(bào)） 整個(gè)報(bào)文（Message）作為一個(gè)整體一起發(fā)送。 優(yōu)缺點(diǎn)： 沒有建立和拆除連接所需的等待時(shí)間； 線路利用率高； 傳輸可靠性較高； 報(bào)文大小不一，造成存儲管理復(fù)雜； 大報(bào)文造成存儲轉(zhuǎn)發(fā)的延時(shí)過長，且對存儲容量要求較高； 出錯(cuò)后整個(gè)報(bào)文全部重發(fā)。 類比：下載時(shí)若無斷點(diǎn)續(xù)傳功能，一旦出錯(cuò)你會怎樣做？,63,分組交換（包交換） 將報(bào)文分割成若干個(gè)大小相等的分組（Packet）進(jìn)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。 數(shù)據(jù)傳輸前不需要建立一條端到端的通路也是“無連接的”。 有強(qiáng)大的糾錯(cuò)機(jī)制、流量控制、擁塞控制和路由選擇功能。 優(yōu)缺點(diǎn)： 對轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的存儲要求較低，可以用內(nèi)存來緩沖分組速度快； 轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)小適用于交互式通信； 某個(gè)分組出錯(cuò)可以僅重發(fā)出錯(cuò)的分組效率高； 各分組可通過不同路徑傳輸，容錯(cuò)性好。 需要分割報(bào)文和重組報(bào)文，增加了端站點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。 分組交換有兩種交換方式： 數(shù)據(jù)報(bào)方式和虛電路方式,64,數(shù)據(jù)報(bào)方式（Datagram） 各分組獨(dú)立地確定路由（傳輸路徑） 不能保證分組按序到達(dá)，所以目的站點(diǎn)需要按分組編號重新排序和組裝,數(shù)據(jù)報(bào)方式不能保證分組按序到達(dá),分組可能通過多個(gè)路徑穿越網(wǎng)絡(luò),65,虛電路方式（Virtual Circuit） 通信前預(yù)先建立一條邏輯連接虛電路 虛電路是由其路徑上的所有交換機(jī)中的路由表定義的邏輯連接 類比：鐵路系統(tǒng)（旅客/列車:分組，鐵路網(wǎng):網(wǎng)絡(luò)，火車站:節(jié)點(diǎn)） “西安北京”這條線路可以看成是一條虛路徑 也需要三個(gè)過程：建立數(shù)據(jù)傳輸拆除 建立虛電路時(shí)，交換機(jī)將預(yù)留傳輸時(shí)所需的所有資源 虛電路的路由在建立時(shí)確定，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)則不再需要 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)只需指定虛電路號，分組即可按虛電路的路由穿越網(wǎng)絡(luò)“數(shù)字管道” 提供的是“面向連接”的服務(wù) 但卻沒有像電路交換那樣始終占用一條端到端的物理通道，只是斷續(xù)地依次占用傳輸路徑上各個(gè)鏈路段與鐵路系統(tǒng)類比！ 可以看成是采用了電路交換思想的分組交換 能夠保證分組按序到達(dá) 永久虛電路PVC和交換虛電路SVC,66,分組通過預(yù)先建立好的虛電路穿越網(wǎng)絡(luò),67,三種交換方式的事件順序,68,各種交換方式,69,2.7 差錯(cuò)控制,什么是差錯(cuò)控制？ 在通信過程中，發(fā)現(xiàn)、檢測差錯(cuò)并進(jìn)行糾正 為何要進(jìn)行差錯(cuò)控制？ 不存在理想的信道傳輸總會出錯(cuò) 與語音、圖像傳輸不同，計(jì)算機(jī)通信要求極低的差錯(cuò)率。 產(chǎn)生差錯(cuò)的原因： 信號衰減和熱噪聲； 信道的電氣特性引起信號幅度、頻率、相位的畸變； 信號反射，串?dāng)_； 沖擊噪聲，閃電、大功率電動(dòng)機(jī)的啟停等。,70,差錯(cuò)控制的基本方法：接收方進(jìn)行差錯(cuò)檢測，并向發(fā)送方應(yīng)答，告知是否正確接收。 實(shí)際采用的差錯(cuò)控制技術(shù) 自動(dòng)請求重傳（ Automatic Repeat Request, ARQ） 停等 ARQ 每發(fā)送一幀就需要一個(gè)應(yīng)答幀 只重傳剛才出錯(cuò)的幀 幀編號只需0和1即可 Go-back-N ARQ 每發(fā)送N幀需要一個(gè)應(yīng)答幀 需重傳前面（N-i+1）幀（0iN） 幀編號從0到N-1 選擇重傳 ARQ 每發(fā)送N幀需要一個(gè)應(yīng)答幀 只重傳出錯(cuò)的幀 前向糾錯(cuò)（ FEC-Forward Error Control,FEC） 混合方式Hybrid（FEC-ARQ）,71,奇偶校驗(yàn)（Parity Checking） 可以在兩個(gè)級別上實(shí)現(xiàn)： 在原始數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位（或最低位）增加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，使結(jié)果中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）。 例如：1100010增加偶校驗(yàn)位后為11100010 若接收方收到的字節(jié)奇偶校驗(yàn)結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。 在通信過程中實(shí)現(xiàn)：在發(fā)送時(shí)增加奇偶校驗(yàn)位。 只能用于面向字符的通信協(xié)議中。 只能檢測出奇數(shù)個(gè)位錯(cuò)，偶數(shù)個(gè)位錯(cuò)則不能檢出。,72,循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check , CRC） 差錯(cuò)檢測原理： 收發(fā)雙方約定一個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)，發(fā)送方根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)和G(x)計(jì)算出CRC校驗(yàn)和并把它加在數(shù)據(jù)的末尾。接收方則用G(x)去除接收到的數(shù)據(jù)，若有余數(shù)，則傳輸有錯(cuò)。 校驗(yàn)和是16位或32位的二進(jìn)制位串。 CRC校驗(yàn)的關(guān)鍵是如何計(jì)算校驗(yàn)和。,73,*CRC校驗(yàn)和的計(jì)算 以數(shù)據(jù)塊（幀, Frame）為單位進(jìn)行校驗(yàn) 將數(shù)據(jù)塊構(gòu)成的位串看成是系數(shù)為0或1的多項(xiàng)式 如110001，可表示成多項(xiàng)式 x5 + x4 + 1 若G(x)為r階，幀為m位，其多項(xiàng)式為M(x)，則在幀后面添加r個(gè)0，成為m+r位，相應(yīng)多項(xiàng)式2rM(x) 按模2除法用2rM(x)除以G(x)：商Q(x)，余R(x) 即： 2rM(x) = G(x)Q(x)+R(x) 按模2加法把2rM(x)與余數(shù)R(x)相加，結(jié)果就是要傳送的帶校驗(yàn)和的幀的多項(xiàng)式T(x) ： 即：T(x) = 2rM(x) + R(x) 實(shí)際上，T(x)=2rM(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x) =G(x)Q(x) (模2運(yùn)算) 所以，若接收的T(x)正確，則它肯定能被G(x)除盡。,74,CRC校驗(yàn)碼的檢錯(cuò)能力： 可檢出所有奇數(shù)個(gè)錯(cuò)； 可檢出所有單位/雙位錯(cuò)； 可檢出所有G(x)長度的突發(fā)錯(cuò)。 常用的生成多項(xiàng)式G(x)： CRC16=x16+x15+x2+1 CRC32=x32+x26+x23+x22+x16+x11+x10+x8+x7+x5+x4 +x2+x+1,75,校驗(yàn)和 發(fā)送方算法 將待發(fā)送的進(jìn)行校驗(yàn)和運(yùn)算的字符串分成若干16位的位串，每個(gè)位串看成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，這里的字符串不關(guān)注其語義。 將IP、ICMP、TCP或UDP的PDU首部中的校驗(yàn)和字段設(shè)置為0，該字段也參與校驗(yàn)和運(yùn)算。 對這些16位的二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行1的補(bǔ)碼和（ones complement sum）運(yùn)算，累加的結(jié)果再取反作為校驗(yàn)和，并放置到PDU的校驗(yàn)和字段中。 接收方算法 將接收的進(jìn)行校驗(yàn)和運(yùn)算的16位二進(jìn)制按發(fā)送方的同樣方法進(jìn)行1的補(bǔ)碼和運(yùn)算，包括校驗(yàn)和字段、累加的結(jié)果再取反。這樣，其結(jié)果為0，表明傳輸正確；否則，表明傳輸有差錯(cuò)。,76,2.8數(shù)據(jù)通信性能指標(biāo),時(shí)延與時(shí)延帶寬積 誤碼率與誤比特率 信息傳輸速率與碼元傳輸速率 信道的最大傳輸速率,77,時(shí)延,時(shí)延：一個(gè)數(shù)據(jù)塊（幀、分組、報(bào)文段等）從鏈路或網(wǎng)絡(luò)的一端傳送到另一端所需要的時(shí)間。 總時(shí)延發(fā)送時(shí)延 + 傳播時(shí)延 + 轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延 發(fā)送時(shí)延 發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)塊長度/信息傳輸速率 傳播時(shí)延 傳播時(shí)延信道長度/電磁波在信道上的傳播速率 轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延,78,帶寬（Band Width，BW）：信道傳輸能力的度量。 在傳統(tǒng)的通信工程中： BW fmax fmin 單位：赫茲（Hz） 在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，用每秒允許傳輸?shù)亩M(jìn)制位數(shù)作為帶寬的計(jì)量單位。主要單位： b/s 、Kb/s、Mb/s、Gb/s。 例如：傳統(tǒng)以太網(wǎng)理論上每秒可以傳輸一千萬比特，它的帶寬為10Mb/s。,79,時(shí)延帶寬乘積：某一信道所能容納的比特?cái)?shù)。 時(shí)延帶寬乘積=帶寬傳播時(shí)延 例如，某信道的時(shí)延帶寬乘積為100萬比特，這意味著第一個(gè)比特到達(dá)目的端時(shí)，源端已發(fā)送了100萬比特。,80,誤碼率與誤比特率,誤碼率：Pc是指傳輸?shù)拇a元被傳錯(cuò)的概率 Pc 傳錯(cuò)的碼元數(shù) 傳輸?shù)拇a元總數(shù) 誤比特率：Pb是指傳輸?shù)谋忍乇粋麇e(cuò)的概率 Pb 傳錯(cuò)的比特?cái)?shù) 傳輸?shù)谋忍乜倲?shù),81,信息傳輸速率與碼元傳輸速率,信息傳輸速率 比特（bit）：即一個(gè)二進(jìn)制位。比特率為每秒傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)（即數(shù)據(jù)傳送速率）。 信息傳輸速率：是指每秒傳輸?shù)木幋a前的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的二進(jìn)制比特?cái)?shù) 碼元傳輸速率 碼元（Code Cell）：時(shí)間軸上的一個(gè)信號編碼單元。 碼元傳輸速率：是指每秒傳輸?shù)拇a元數(shù) 一般情況下，如果碼元狀態(tài)數(shù)為M（M為2的整數(shù)次冪），則C=B log2M（b/s） 一個(gè)碼元中可以傳送多個(gè)比特。 例如：當(dāng)波特率為9600時(shí) 若M=2，數(shù)據(jù)傳輸率為9600b/s 若M=16，數(shù)據(jù)傳輸率為38.4kb/s 吞吐量：單位時(shí)間發(fā)送的比特?cái)?shù)、字節(jié)數(shù)或幀數(shù),82,信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率,Nyquist公式：用于無噪聲理想低通信道 Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高數(shù)據(jù)傳輸速率提供了依據(jù)。 例如，話音級線路的帶 寬約為3.1kHz，根據(jù)上 式計(jì)算的信道最大數(shù)據(jù) 傳輸率如右表所示,M 最大數(shù)據(jù)率 2 6200 b/s 4 12400 b/s 8 18600 b/s 16 24800 b/s 32 31000 b/s,83,非理想信道 實(shí)際的信道上存在損耗、延遲、噪聲。 損耗引起信號強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。 延遲會使接收端的信號產(chǎn)生畸變。 噪聲會破壞信號，產(chǎn)生誤碼。 例如：數(shù)據(jù)傳輸速率為56kb/s時(shí)，持續(xù)時(shí)間0.01s的干擾會破壞約560個(gè)比特。,84,Shannon公式：用于有噪聲干擾信道 例：信道帶寬W=3.1kHz，S/N=2000，則 C = 3100log2（1+2000） 34kb/s 即該信道上的最大數(shù)據(jù)傳輸率不會大于34kb/s。,信噪比的單位也可用分貝(dB)表示： S/NdB=10log10 S/N 所以，若S/NdB=30dB ，則S/N=1000。,85,Nyquist公式和Shannon公式的比較,C = 2W log2M 用于理想信道（這樣的信道存在嗎？） 數(shù)據(jù)傳輸率隨信號編碼級數(shù)增加而增加。 C = W log2（1+S/N） 用于有噪聲信道（實(shí)際的信道總是有噪聲?。?無論信號編碼級數(shù)增加到多少，此公式給出了有噪聲信道可能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)傳輸速率上限。 原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加。,