计算机基础课件 第2章 数据通信原理简介

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1、第二章 数据通信原理简介 计算机网络技术及应用Contents通信系统简介 1数据通信相关技术简介 2通信方式实例 32.1.1 通信基本概念v通信的根本目的是为了交换信息 v信息是对客观事物属性和特征的描述 v信息和消息的关系 消息是通信传输和具体对象 信息是抽象化的消息 v数据是符号化的信息，是传递信息的 载体 数字数据和模拟数据2.1.1 通信基本概念v信号与信道2.1.2 数据交换方式v数据交换 按照某种方式动态地分配传输线路的资源，达 到资源优化的目的 分为电路交换、报文交换和分组交换2.1.2 数据交换方式v三种方式的对比2.1.2 数据交换方式v（1）电路交换 电路交换在通信之前

2、必须建立一条被通信双方 独占的物理通路。通路由通信双方之间的交换 设备和设备之间的链路逐段连接而成。通路建 立完成后，通信双方开始传送数据，数据传输 完成后，被占用的通路才被释放 公众电话网和移动电话网采用的都是电路交换 技术 2.1.2 数据交换方式v电路交换的优点 通信线路为通信双方专用，数据直达， 所以传输数据的时延非常小 通信双方之间的物理通路一旦建立，双 方可以随时通信，实时性强 双方通信时按发送顺序传送数据，不存 在数据重新排序的问题； 设备比较简单2.1.2 数据交换方式v电路交换的缺点 电路交换连接平均建立的时间较长，尤 其是对计算机通信来说 电路交换连接建立后，物理通路被通信

3、 双方独占，即使通路在个别时间内空闲 ，也不能供其他用户使用，因而信道利 用低 电路交换时，数据直达，不同类型、不 同规格、不同速率的设备很难协同工作 ，也难以在通信过程中进行差错控制2.1.2 数据交换方式v（2）报文交换 报文交换以报文为数据交换的单位 报文包含了将要发送的完整的数据信息 报文长短很不一致 报文附带有目标地址、源地址等信息 报文在交换结点中采用存储转发的传输 方式 电子邮件（E-mail）适合采用报文交换方 式 2.1.2 数据交换方式H1A子网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组路由器主机在结点路由器 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口在结点路由器 C

4、暂存 查找转发表 找到转发的端口在结点路由器 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口最后到达目的主机 H5v（3）分组交换 2.1.2 数据交换方式v报文交换的优点 报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信 线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文 由于采用存储转发的传输方式，交换结点具有路由选 择功能某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路 径传输数据，提高了传输的可靠性 便于类型、规格和速度不同的设备之间进行通信 提供多目标服务 允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转发 通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的 时间逐段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了 线路的

5、利用率2.1.2 数据交换方式v报文交换的缺点 由于数据进入交换结点后要经历存储和转发的过程， 包括接收报文、检验正确性、排队和发送等，从而引 起转发时延。网络的通信量愈大，造成的时延就愈大 ，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互 式业务的数据 只适用于数字信号 由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地 接收传来的整个报文，当输出线路被占用时，还可能 要存储几个完整报文等待转发，这要求网络中每个结 点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲 存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上 ，这进一步增加了传送时延2.1.2 数据交换方式v分组交换 分组交换仍采用存储转发传输方

6、式，但 将一个报文首先分割为若干个较短的分 组，然后再把这些携带源地址、目的地 址和编号信息的分组逐个发送出去2.1.2 数据交换方式加速了数据在 网络中的传输 ；简化了存储 管理；减少了 出错机率，适 用于计算机通 信分组交换的优 点和缺点仍然存在存储 转发时延；降 低了通信效率 ；分组交换可 能出现分组失 序、丢失或重 复2.1.2 数据交换方式H1A子网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！路由器主机v分组交换 2.1.3 数据传输方式v数据传输与数据交换的关系 微观与宏观 v本小节要介绍数据传输方式 1. 基带传输与频带传输 2

7、. 有线传输与无线传输 3. 单工、半双工与全双工传输 4. 串行方式传输与并行方式传输 5. 异步方式与同步方式传输2.1.3 数据传输方式v1. 基带传输与频带传输 数字信号不经过调制，直接在线路中传输的方 式称为基带传输 频带传输是指信号经过调制后再送到信道中传 输，最后在接收端进行解调的通信方式 2.1.3 数据传输方式v2. 有线传输与无线传输 有线：双绞线通信、电缆通信和光缆通信 无线：声音、电磁波2.1.3 数据传输方式v3. 单工、半双工和全双工 单工方式中数据只能单方向传输 广播、遥控器、电视 半双工指在同一时刻，只允许数据在一个方向 上传输 对讲机 全双工指可以同时进行双向

8、数据传输 固定电话、手机 2.1.3 数据传输方式v4. 串行方式与并行方式 串行传输方式指使用一条数据线将数据一位一 位地传输。串行方式只需要很少的数据线就可 以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计 算机、计算机与外设之间的远距离通信 并行传输方式使用几条数据线将数据分段同时 进行传输，传输速度快，根据计算机的字长， 通常是以8位、16位或32位为传输单位，一次 传送一个字长的数据，适合于外部设备与微机 之间进行近距离、大量和快速的信息交换2.1.3 数据传输方式v5. 异步方式与同步方式 同步传输方式以比特为传输单位，要求收发双方具有 完全同步的时钟信号，使用时需要在传送数据的最前 面附

9、加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后 便在同步时钟的控制下逐位发送或接收 同步方式效率较高 以太网和光纤等的数据传输都是同步方式 异步通信以字符为数据传输单位，在发送时，字符之 间的时间间隔可以是任意的。为了让接收端作好准备 ，能够正确地将每一个字符接收下来，必须在每一个 字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和 停止位 异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但传输效 率较低，因为开始位和停止位的开销所占比例较大 PC机提供的标准通信接口都是异步的，如常用的 USB接口等2.1.4 常用性能指标1带宽2波特率3误码率2.1.4 常用性能指标v1带宽 v带宽表示通信系统传输数据能力的上

10、限，是衡量 通信性能的重要标准，这一概念最初来自模拟通 信领域，指某个系统所能有效传输的最低频率信 号和最高频率信号之间的“宽度”，因此又叫频宽 ，单位是赫兹。一般来讲，带宽越大，信道的传 输能力就越强，单位时间内发送的数据量就越大 v后来带宽这一名词被扩展到数字通信领域。数字 信道不用频率衡量，所以带宽的单位不再是赫兹 ，而是每秒钟传输的码元个数。数字通信中的带 宽实际上就是波特率2.1.4 常用性能指标v2波特率与比特率 v数字信号的基本单位是码元，波特率指通 信中每秒传输的码元数量，其单位为波特 （Baud）。1Baud表示1码元/秒。在计算 机网络中，所用的码元是二进制码元比特 ，波特

11、率就变成了比特率，即比特/秒（ bit/s，或简写为bps）。网络中描述带宽时 常常把单位省略。例如，带宽是10M，实际 上是10Mb/s，表示这个网络传输数据能力 的上限是每秒钟10M个比特2.1.4 常用性能指标v3误码率 v由于信道不理想或噪声的干扰，以致在接收端收 到的码元可能出现错误，比如发送的信号是“1”,而 接收到的信号却是“0”，这叫误码。误码的多少用 误码率来衡量。误码率的定义是：数字通信系统 中单位时间内出错的码元数与发送的总码元数之 比。误码率是衡量数据传输准确性的指标，单位 时间内的误码越多，误码率越大 v一般来讲，局域网可接受的最高限度误码率为10- 10，在这个比例

12、以下，出现的误码不会降低网络 的性能，因为所有的网络软硬件都按这个要求建 立。最理想的情况当然是误码为0，但这实际上不 能达到。有标准中低于10-12的误码率就被规定为 零误码率2.2 数据通信相关技术简介123数据编码 技术信道复用 技术差错控制 技术2.2.1 数据编码v 1. 非归零编码（NonReturn to Zero Code，NRZ） v NRZ编码方案用信号的幅度表示二进制数据，通常用正电 压表示数据“1”，负电压表示数据“0”，即所谓的“双极性”编 码；电压无需回到零值，故称“非归零码” v NRZ编码的优点是：发送能量大，有利于提高接收端信噪 比；在信道上占用频带较窄。信噪

13、比指信道中正常信号与 噪声的功率之比，信噪比越大，说明信号的品质越好 v NRZ码的主要缺点是：当数据流中连续出现“0”或“1”时， 接收端不容易分辨信号的开始和结束，如果使用同步传输 方式，必须采用某种方法在发送端和接收端之间提供必要 的同步信号。同时，这种编码有直流分量，将导致信号的 失真与畸变，而且无法使用一些交流耦合的线路和设备； 抗噪性能差 v 由于NRZ 码的诸多缺点，基带数字信号传输中很少采用 这种编码，它只适合短距离传输2.2.1 数据编码v2. 曼彻斯特编码（Manchester Encoding） v曼彻斯特编码是一种同步时钟编码技术， 常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，

14、 每一位信号的中间都发生跳变，从低到高 的变化表示“0”，从高到低表示“1”。由于电 压变化发生在每一个码元的中间，接收端 可以方便地利用它作为同步时钟，因此这 种编码也称为自同步码。10Mb/s以太网采 用曼彻斯特编码2.2.1 数据编码v 3. 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester）。 v 差分曼彻斯特码是曼彻斯特码的改进形式，二者的区别在 于，差分曼彻斯特码每位中间的跳变只作为同步时钟信号 ，数据“0”和“1”的取值用信号的相位变化来表示：若每位 信号的起始处有跳变则为“0”；无变化则为“1”。差分曼切 斯特码比曼切斯特码的变化要少，因此适合传输更高速的 信息

15、。令牌环（Token-Ring）网采用差分曼彻斯特编码 v 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的特点是每一位均用不 同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。 两种曼彻斯特编码是将时钟信息包含在数据流中，在传输 代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方，每 位编码中有一跳变，不存在直流分量，因此具有自同步能 力和良好的抗干扰性能。但在这两种编码中，每一个比特 都被转换成两个电平，所以数据传输效率只有非归零码的 1/22.2.1 数据编码v4. DNRZ编码（Differential NRZ） vDNRZ编码是一种NRZ编码的改进形式，它也是 用信号的相位变化来表示二进制数据的，每个信

16、 号码元的起始处有变化表示数据“1”，而无变化表 示数据“0”。DNRZ编码不仅保持了NRZ编码的优 点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。 v近年来，DNRZ成为主流的信号编码技术，在 100Mb/s以太网等高速网络中都采用了DNRZ编码 。其原因是在高速网络中要求尽量降低信号的传 输带宽，以利于提高传输的可靠性和降低对传输 介质带宽的要求。DNRZ具有很高的编码效率， 符合高速网络对信号编码的要求。2.2.1 数据编码2.2.2 信道复用v信道往往允许多路信号同时传输。这称为 信道复用 2.2.2 信道复用v1. 频分复用（Frequency Division Multiplexing， FDM） v频分复用就是将用于传输信道的总带宽划 分成若干个子频带（或称子信道），每一 个子信道传输一路信号,因此要求总频率宽 度大于各个子信道频率的总