《计算机网络原理》第三章 数据通信技术

3.1 概述

3.2 数据通信理论基础

主要内容

• 信号在通信信道上传输时的数学表示及其所受到的限制。
• 传输介质是利用电压、电流、光信号等物理量的变化来传送二进制位流
• 可将电压、电流等表示称为时间的单值函数f(t)
• 这样就可以用数学的方法来描述信号的变化，并对其进行数学分析
  

3.2.1 傅里叶分析

• 傅里叶证明：任何正常的周期为T的函数g(t)，都可以由无限个正弦和余弦函数组成
• 
  

3.2.2 周期矩形脉冲信号的频谱特性

• 对于不同傅里叶分量的衰减不同，因此引起输出的失真
• 通过信道的谐波次数越多，信号越逼真
• 
  

3.3 数据通信系统模型

3.3.1 数据通信系统基本结构

数据在通信信道上的各种传输方式及其所采用的技术

• 数据通信系统的基本结构
  • 
• 数据通信系统的任务
  • 把携带信息的数据用物理信号形式通过介质（信道）传送到目的地
  • 信息和数据不能直接在介质上传输
  • 解决方法：信息（原始）->数据（存储）->信号（在介质上传输）
    

3.3.2 数据与信号

• 数据表示
  • 模拟数据 连续值
  • 数字数据 离散值
• 数据传输方式
  • 模拟信号
  • 数字信号
• 信号发送方式
  • 模拟信号发送（模拟信道）
  • 数字信号发送（数字信道）
• 数据同步方式
  • 同步是指接收端严格地按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据，也就是要在时间基准上必须取得一致。
  • 根据同步的对象不同可分为：
    • 位同步
      • 
    • 字符同步
      • 字符同步有异步制和同步制两种方式
        • 异步制字符同步
        • 
        • 同步制字符同步
        • 
    • 帧同步
• 模拟信号和数字信号的发送
  • 模拟信号发送（模拟信道）
    • 
  • 数字信号发送（数字信道）
    • 
      

3.3.3 信道通信方式

为适用不同需要，通信线路采用不同连接方式

• 点-点方式
  • 
• 多点方式
  • 

通信方式

• 从信息传送方向和时间的关系角度研究
  • 单工通信方式
    • 特点：信息只能单向传输，监视信号可回送。
    • 
  • 半双工通信方式
    • 特点：信息可以双向传输，但是在某一时刻只能单向传输。
    • 
  • 全双工通信方式
    • 特点：信息可以同时双向传输，一般采用四线式结构。
    • 
      

3.3.4 数据传输方式

• 基带传输和频带传输
  • **基带信号：**信源发出的没有经过调制的原始电信号
  • 将基带信号直接送到通信线路上的传输方式称为基带传输
    • 由模拟信号信源变换得到的信号称为模拟基带信号
    • 由计算机产生的二进制信号称为数字基带信号
  • 将基带信号经过调制后送到通信线路上的传输方式称为频带传输。
• 数字数据的基带传输
  • 基带传输：在传输时直接使用基带信号
    • 基带传输是一种最基本的传输方式，一般低电平0高电平1
    • 适用低速和高速的各种情况
    • 因基带信号占用频率很宽，对传输线有一定的要求
  • 核心内容：编码方式
• 数字数据的模拟传输（频带传输）
  • 频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，使其变为适合于线路传送的信号。
  • 调制：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。
  • 解调：调制的范转换
  • 调制解调器MODEM
    • 调制器是波形变换器，将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形。（不改变数据内容）
    • 解调器是波形识别器，将经过调制器变换过的模拟信号恢复成元凯的数字信号，识别不正确则产生误码。
• 宽带传输（光纤）
  

3.4 传输媒介

• 传输介质的分类
  • 有线介质
    • 同轴电缆、双绞线、光纤等
    • 特点：需布线、抗干扰性能好。
  • 无线介质
    • 通过大气进行各种形式的传播
    • 微波、红外线、卫星等
    • 特点：无需布线，抗干扰性差
• 传输介质的选择
  • 安全性
  • 电磁干扰
  • 费用
  • 速度
  • 信号衰减
    

3.4.1 电磁波谱

电磁波的频率f，波长D，其在真空中的传播速度c基本关系：
DF=C

3.4.2 双绞线

• 由按螺旋结构排列的两根绝缘线构成。线为铜线或铜包钢。
• 双绞线既可以传输模拟信号，也可以传输数字信号。
• 具体带宽取决于铜线的粗细，传输的距离和采用的技术
• 双绞线可分为：STP屏蔽双绞线和UTP无屏蔽双绞线。
  • 
• 多采用点到点的连接方式。
• 抗干扰性能取决于适当的屏蔽和线对的扭曲程度，在低频传输时接近于同轴电缆。
  

3.4.3 同轴电缆

• 同轴电缆是一个空心外部导体围裹着一个内部导体。
• 同轴电缆按照阻抗分为：
  • 
• 一般采用多点连接方式
• 抗干扰性和价格介于双绞线和光纤之间。
  

3.4.4 光纤

• 由三个同心部分组成：纤芯、包层和护套。
• 光纤可由塑料、玻璃或超高纯石英玻璃组成。
  • 不同的材料构成的光纤的损耗、传输距离和价格也不同
• 光纤通过光信号的有无 来表示二进制0和1。
• 发送方需要电光转换设备，接收方需要光电转换设备
• 布线中直接使用的是光缆，一根光缆由多根光纤组成。
• 
• 光纤的分类
  • 单模光纤
  • 多模光纤
  • 模式：是一个与很多参数有关的量，可理解为偏振方向，单模光纤可以传输多种波长，但每个波长只能有一种模式。
  • 常用的三个波长窗口
    • 
  • 
    

3.4.5 无线媒介

• 电磁频谱
• 无线电传输
  • 固定终端点（基站）和终端之间是无线链路
  • 
• 微波传输
  • 
• 红外线和毫米波
• 光波传输
• 卫星通信
  • 
    

3.5 数据编码

3.5.1 信号编码

• 数字数据的编码
  • 
  • 不归零编码（NRZ）低0高1
    • 缺点：难以界定数据位的起始，直流分量可能引起连接点损坏。
  • 曼彻斯特编码
    • 每一位的中间跳变，下降1，上升0或相反
  • 差分曼彻斯特编码
    • 每一位的中间跳变，有跳变0，无跳变1
      

3.5.2 调制编码

• 常用的调制技术
  • 根据载波的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术：
    • 
    • 幅移键控法（ASK）调幅
      • 
    • 频移键控法（FSK）调频
      • 
    • 相移键控法（PSK）调相
      • 
        

3.5.3 模拟数据数字化编码

• 模拟数据数字传输时解决模拟信号数字化问题
  • 也被称为脉冲代码调制PCM
  • 也根据Nyquist原理进行采样
  • 将模拟信号振幅分为多级（2^n），每一级用n位表示
• 常用的PCM技术
  • 差分脉冲代码调制
    • 原理：不是将振幅值数字化，而是根据前后两个采样值的差进行编码，输出二进制数字
  • PCM转换过程举例
    • 采样-量化-编码
    • 
  • PCM转换波形图
    • 
      

3.6 数据通信性能指标

3.6.1 时延

• 计算机网络中，时延指一个数据块（帧、分组、报文段）从链路或网络的一端传送到另一端所需要的时间。
• 时延包括
  • 发送时延
  • 传播时延
  • 转发时延
    • 排队时延
    • 访问时延
    • 处理时延
• 时延带宽积即传播时延和带宽的乘积：时延带宽积 = 传播时延*带宽
• 时延带宽积又称为比特长度，即以比特为单位的链路长度
  

3.6.2 传输速率

信息传输速率与码元传输速率

• 信息传输速率是指是指每秒传输的编码前的数字数据的二进制位数，单位是比特/秒，即b/s，bps。
  • 信息传输速率又被称为比特率
  • 计算机网络中，和信息传输速率具有同样含义的另一个术语称为带宽
• 数字数据经线路编码后的传输信号在信道上的传输速率称为码元传输速率，它是指每秒传输的码元数，即每秒钟传输信号变化的次数，单位是波特/秒（baud/s）

波特率和比特率

• 波特率RB
  • 信号每秒钟变化的次数，也称调制速率
• 比特率Rb
  • 每秒钟传送的二进制位数
• 一个新网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。一个码元中可以传送多个比特。
• Rb = RB log2 V（V为电平的级数）
• 编码效率 = Rb/RB
  

3.6.3 可靠性

• 误码率
  • 误码率是指传输的数据被传错的概率
• 误比特率 = 传错的比特数/传输的总比特数
  • 误帧率、误分组率
    

3.6.4 信道极限容量

• 早在1924年，尼奎斯特就认识到这一根本性限制，并推导出一个有限带宽无噪声信道的最大数据传输速率的表达式；

• 尼奎斯特证明：如果一个任意信号通过带宽为H的低通滤波器，那么每秒采样2H就能完整地重现通过这个滤波器的信号。

• 1948年，香农进一步把尼奎斯特的结论扩展到随机（动态）噪声影响的信道。

• 奈氏准则：用于理想低通信道

  • 
  • Nyquist公式为估算已知带宽无噪声信道的最高速率提供了依据。

• 香农定理：高斯噪声干扰信道

  • 

• 奈氏准则和香农定理的比较

  • C = 2H log2V 此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。
  • C = H log2(1+S/N) 无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。即噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。
    

3.7 信道复用技术

由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。
常用方法：

• 时分复用TDM
• 频分复用FDM
• 波分复用WDM
• 码分复用CDM
  

3.7.1 频分、时分复用

• 频分多路复用FDM
  • 当传输介质的带宽大于单个信号的要求时，为有效利用传输系统，将多个信号同时在一条传输线路上传输的技术是频分多路复用。
  • FDM的实现
    • 通过调制将不同信号的频率调制到不同的频率范围
    • 将多路信号合成一路频率范围更大的信号进行发送
    • 在接收方再通过解调将信号重新还原成多路信号
    • 
• 时分多路复用TDM
  • 当传输介质的位传输率大于单个信号的要求时，为有效的利用传输系统，将多个信号同时在同一条线路上传输的技术叫时分多路复用。
  • 
  • 实现方式：
    • 传输时将时间分成等长的时间片
    • 通过时间片轮转方式将时间片依次分配给指定的信号；
    • 在接收方也通过时间片轮转的方式在指定的时间片依次接收指定的信号。
      

3.7.2 统计时分复用

• 同步时分多路复用
  • 
• 异步（统计）时分多路复用
  • 
    

3.7.3 波分复用

波分多路复用WDM

• 整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围来进行传输。
• 
  

3.7.4 码分复用

码分多路复用CDM

• 内涵等同于CDMA
• 允许多个用户在同一时刻使用相同频带进行通信；
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型
• 抗干扰能力强
• 有效增大系统的通信容量
• 最初是用于军事通信，随着CDMA设备的价格和体积大幅度下降，现已广泛应用于民用移动通信中，特别是无线局域网中。
• CDMA工作原理
  • 比特时间进一步划分为m（或64或128）个短的时间段，称为码片
  • 每个站被指派一个唯一的m位码片序列
    • 发送比特1，则发送m位码片序列
    • 发送比特0，则发送码片序列的二进制反码
  • 任意两个码片序列（S，T）必须满足正交关系
    • 
  • 
    

3.8 数字传输系统

3.8.1 PCM体制

• 
• E1 = 2.048Mbit/s
• T1 = 1.544Mbit/s
• 
  

3.8.2 SONET与SDH

目前的数字传输复用速率存在着诸多缺点，其中最主要的是以下两个方面：速率标准不统一和不是同步传输；

• 为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做**同步光纤网SONET **(Synchronous Optical Network)。
  • SONET体系结构
    • 
• ITU-T以美国的SONET标准为基础，制订出了**国际标准同步数字系列SDH **(Synchronous Digital Hierarchy)，即1988年通过的G.707~G.709等三个建议书。
  

3.9 数据交换技术

交换：在多结点通信网络中，为有效利用通信设备和线路，一般希望动态地设定通信双方间的线路，动态地接通或断开通信线路，称为“交换”。
交换方式分类：

• 电路交换
• 存储交换
  • 报文交换
  • 分组交换
  • 信元交换
• 混合交换
• 

• **电路交换                      报文交换               分组交换**
  

3.9.1 电路交换

直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方

• 三个阶段：
  • 建立电路
  • 传输数据
  • 拆除电路
• 主要特点：
  • 在发送数据前，必须建立点到点的临时、专用的物理通路
  • 建立物理通路的时间较长，数据传输延迟较短
    • 如：电话网络
    • 
      

3.9.2 报文交换

• 原理
  • 信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发
  • 
• 特点：
  • 线路利用率高
  • 要求中间结点（网络通信设备）缓冲大
  • 延迟时间长
    

3.9.3 分组交换

• 原理
  • 信息以分组为单位进行存储转发，源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。
  • 分组：比报文还小的信息段，通常有最大长度的限制
  • 信元：大小固定的信息段
• 特点：
  • 网络结点设备中不预先分配资源
  • 线路利用率高
  • 结点存储器利用率高
  • 易于重传，可靠性高
  • 易于开始新的传输，让紧急信息优先通过
  • 额外信息增加
• 分组交换分为数据报和虚电路
  • 数据报
    • 每个分组独立路由
    • 适于传送少量分组，省去呼叫建立过程，速度快
    • 可以较好处理拥塞
    • 比较可靠
    • 
  • 虚电路
    • 所有分组只作一次路由
    • 发送分组钱需要建立虚电路
    • 相对数据报，网络在处理拥塞时困难，不可靠
    • 
      

3.10 物理层规程

3.10.1 DTE与DCE

数据终端设备DTE

• 指具有一定的数据处理能力、收发能力的数据输入/输出设备、终端设备或计算机等终端装置。

数据通信设备DCE

• 指自动呼叫应答设备，交换机以及其他一些中间装置的集合，其作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路连接。

3.10.2 物理层接口标准

• ISO/OSI 关于物理层的定义
  • 物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。
  • 物理层的功能
    • 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输。
  • 研究内容
    • 物理连接的启动和关闭，正常数据的传输，以及维护管理。
• 物理层的四个特性
  • 机械特性
    • 主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所采用的规格、引脚的数量和排列情况。
    • 常用的标准接口
      • ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A
      • ISO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM
      • ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449
      • ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22
  • 电气特性
    • 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。
    • 早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIA RS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接收器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。
    • CCITT 标准化的电气特性标准
      • CCITT V.10/X.26：新的非平衡型电气特性，EIA RS-423-A
      • CCITT V.11/X.27 ：新的平衡型电气特性，EIA RS-422-A
      • CCITT V.28：非平衡型电气特性，EIA RS-232-CCCITT X.21/EIA RS-449
  • 功能特性
    • 主要定义各条物理线路的功能。
    • 线路的功能分为四大类：
      • 数据
      • 控制
      • 定时
      • 地
  • 规程特性
    • 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系。
      

3.10.3 EIA-232

• EIA-232-E是美国电子工业协会EIA制订的著名物理层异步通信接口标准
• 它最早是1962年制订的标准RS-232，其中的RS表示EIA的一种“推荐标准”，232是编号。
  

试比较模拟通信方式与数字通信方式的优缺点

• 模拟通信，技术很成熟，就是将【模拟信号】与【载波】进行调制，使其【带有一定载波特性】，又【不失模拟信号的独特性】，接收端通过【低通滤波器】，还原初始模拟信号。
• 数字信号，首先进行采样，对于【采样】幅值进行【编码】，然后进行【调制】，相移键控等，接收端还原即可。
• 区别在于
  • 由于数字通信其传输数字抽样信号，在接收端可以得到还原，所以信号传输率高，距离远。
  • 模拟信号，是对于信号的【直接调制】，与载波相乘，在传输途中有干扰时，对于系统的冲击，是【不可修复】的，所以造成【失真】。
  • 相对而言，数字通信要优于模拟通信。

如何利用话音通道传输计算机数据？

答：需要经过三个步骤【PCM脉冲编码调制】

• 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信号可以通过话音通道传输。

试比较电路交换、报文交换、虚电路交换和数据报交换的特点

• 报文交换不建立专用链路，线路利用率较高，由于【不同报文相差可能较为悬殊】导致传输的【延时较大】且中转结点【缓冲区管理不便】。
• 数据报和虚电路都是分组交换，分组是【有一最大长度限制】的报文。
• 数据报交换完全类似于报文交换。
• 虚电路交换，类似于电路交换，它与线路交换的区别在于：逻辑连接并不意味着别的通信不能使用这条线路。它仍然具有【线路共享】的优点。
• 虚电路与数据报的区别：
  • 虚电路意味着可靠的通信，它涉及更多的技术，需要更大的开销。
  • 没有数据报方式灵活，效率不如数据报方式高。
  • 虚电路适合于交互式通信，**数据报方式更适合于单向地传送短信息。 **
• 电路交换需要在收发双方建立明确的物理电路，且该电路资源为当前会话所独享
  

请画出 **011000101111 **的不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形图

现在需要在一条光纤上发送一系列计算机屏幕图像。屏幕的分辨率为 480 640 像素，每个像素为 24 位。每秒种有 60 幅屏幕图像。请问：需要多少带宽？在 1.30μm 波长上，这段带宽需要多少μm 的波长？

为什么 PCM 采样时间被设置为 125μs？

请比较一下在一个【电路交换】网络与在一个轻负载的【分组交换】网络上，沿 k 跳的路径发送一个 x 比特消息的延迟情况。假设电路建立的时间为 s 秒，每一跳的传播延迟为 d 秒，分组的大小为 p 位，数据传输速率为 b bps。试问在什么条件下分组网络的延迟比较短？

答：对于电路交换，t=s 时电路创建，t=s+x/b 时消息的最后 1 位发送完毕，t=时
消息达到目的地。对于分组交换而言，最后 1 位在 t= x/b 时发送完毕，为到达最
终目的地，最后一个分组必须被中间路由器转发 k-1 次，每次转发时间为 p/b，故总总延时为 x/b+(k-1)p/b+kd.
为使分组交换比电路交换快，必须满足条件 x/b+(k-1)p/b+kd< s+x/b+kd，即 s>(k-
1)p/b。

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