网络工程师复习之数据通信基础篇（２）
网络工程师复习之数据通信基础篇（２）
5.传输媒体的选择
传输媒体的选择取决于以下诸因素:网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。
双绞线的显著特点是价格便宜,但与同轴电缆相比,其带宽受到限制。对于单个建筑物内的低通信容量局域网来说,双绞线的性能价格比可能是最好的。
同轴电缆的价格要比双绞线贵一些,对于大多数的局域网来说,需要连接较多设备而且通信容量相当大时可以选择同轴电缆。
光纤作为传输媒体,与同轴电缆和双绞线相比具有一系列优点:频带宽、速率高、体积小、重量轻、衰减小、能电磁隔离、误码率低等,因此,在国际和国内长话传输中的地位日益提高,并已广泛用于高速数据通信网。随着光纤通信技术的发展和成本的降低,光纤作为局域网的传输媒体也得到了普遍采用,光纤分布数据接口FDDI就是一例。
目前,便携式计算机已经有了很大的发展和普及,由于可随身携带,对可移动的无线网的需求将日益增加0元线数字网类似于蜂窝电话网,人们随时随地可将计算机接入网络,发送和接收数据。移动无线数字网的发展前景将是十分美好的。
四.数据通讯基本概念
●数据(Data):传递(携带)信息的实体。
●信息(Information):是数据的内容或解释。
●信号(Signal):数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。
●模拟信号与数字信号
●基带(Base band)与宽带(Broad band)
●信道(Channel):传送信息的线路(或通路)
●比特(bit):信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。
●码元(Code Cell):时 间轴上的一个信号编码单元
●同步脉冲:用于码元的同步定时，识别码元的开始。同步脉冲也可位于码元的中部，一个码元也可有多个同步脉冲相对应。
●波特(Baud):码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。
1 Baud = log2M (bit/s)
其中M是信号的编码级数。也可以写成:Rbit = Rbaud log2M
上式中:Rbit-比特率，Rbaud-波特率。
一个信号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。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。
例如，M=16，波特率为9600时，数据传输率为38.4kbit/s
●误码率:信道传输可靠性指标，是概率值
信息编码:将信息用二进制数表示的方法。
数据编码:将数据用物理量表示的方法。
例如:字符‘A’的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001
●带宽:带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹(Hz)为单位计量。
在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位:Kb/s，Mb/s，Gb/s，一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。
●时延
△信息从网络的一端传送到另一端所需的时 间
△时延之和=处理时延 排队时延 发送时延 传播时延
△处理时延=分组首部和错误校验等处理(微秒)
△排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时 间
△发送时延=数据位数/信道带宽
△传播时延=d/s(毫秒)d:距离 s:传播速度≈光速
●时延带宽乘积:某一链路所能容纳的比特数。
时延带宽乘积=带宽×传播时延。例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。
●往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)
从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时 间RTT≈2×传播时延，传输可靠性两个含义:
1、数据能正确送达
2、数据能有序送达(当采用分组交换时)
信息通信系统传输
1、信道及其主要特征:数字信道和模拟信道
●数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。
●模拟信道:以连续模拟信号形式传输数据的信道。
模拟信号和数字信号
●模拟信号:时 间上连续，包含无穷多个信号值
●数字信号:时 间上离散，仅包含有限数目的信号值
周期信号和非周期信号
●周期信号:信号由不断重复的固定模式组成(如正弦波)
●非周期信号:信号没有固定的模式和波形循环(如语音的音波信号)。
2、数字数据的传输方式
●基带传输:不需调制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。例如:以太网
●宽带传输:数字信号需调制成频带模拟信号后再传送，接收方需要解调。例如:通过电话模拟信道传输。例如:闭路电视的信号传输。
3、数据同步方式:目的是使接收端与发送端在时 间基准上一致 (包括开始时 间、位边界、重复频率等)。
有三种同步方法:位同步、字符同步、帧同步。
●位同步:目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，有下面两种方式:
△外同步——发送端发送数据时同时发送同步时钟信号，接收方用同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
△自同步——通过特殊编码(如曼彻斯特编码)，这些数据编码信号包含了同步信号，接收方从中提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。
●字符同步:以字符为边界实现字符的同步接收，也称为起止式或异步制。每个字符的传输需要:1个起始位、5～8个数据位、1，1.5，2个停止位。
●字符同步的性能评估:
△频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新同步。
△每两个字符之间的间隔时 间不固定。
△增加了辅助位，所以效率低。例如，采用1个起始位、 8个数据位、 2个停止位时，其效率为8/11<72%。
●帧同步:识别一个帧的起始和结束。
△帧(Frame)数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块。
△面向字符的——以同步字符(SYN，16H)幢晔兑桓鲋〉目迹视糜谑菸址嘈偷闹 ?BR>
△面向比特的——以特殊位序列(7EH，即01111110)来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧。
4、信道最大数据传输率
●奈奎斯公式:用于理想低通信道
C = 2W×log2 M
C = 数据传输率，单位bit/s
W = 带宽，单位Hz
M = 信号编码级数
奈奎斯公式为估算已知带宽信道的最高数据传输速率提供了依据。
●非理想信道
实际的信道上存在损耗、延迟、噪声。损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。延迟会使接收端的信号产生畸变。噪声会破坏信号，产生误码。持续时 间0.01s的干扰会破坏约560个比特(56Kbit/s)
△香农公式:有限带宽高斯噪声干扰信道
C = W log2 (1 S/N) S/N: 信噪比
例:信道带宽W=3.1KHz，S/N=2000，则
C = 3100*log2(1 2000) ≈ 34Kbit/s
即该信道上的最大数据传输率不会大于34Kbit/s
●奈奎斯公式和香农公式的比较
△C = 2W log2M
数据传输率C随信号编码级数增加而增加。
△C = W 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。
原因:噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。
5、数据编码
●编码与调制的区别
△用数字信号承载数字或模拟数据——编码
△用模拟信号承载数字或模拟数据——调制
●数字数据的数字信号编码:把数字数据转换成某种数字脉冲信号常见的有两类:不归零码和曼彻斯特编码。
△不归零码(NRZ，Non-Return to Zero)二进制数字0、1分别用两种电平来表示，常常用-5V表示1， 5V表示0。缺点:存在直流分量，传输中不能使用变压器;不具备自同步机制，传输时必须使用外同步。
△曼彻斯特编码(Manchester Code)用电压的变化表示0和1，规定在每个码元的中间发生跳变:高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1。每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码(Self-Synchronizing Code)。缺点:需要双倍的传输带宽(即信号速率是数据速率的2倍)。
△差分曼彻斯特编码(Differential ～)每个码元的中间仍要发生跳变，用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。
●数字数据的调制编码，三种常用的调制技术:
△幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying)
△频移键控FSK (Frequency Shift Keying)
△相移键控PSK (Phase Shift Keying)
基本原理:用数字信号对载波的不同参量进行调制。
载波 S(t) = Acos(ωt ψ)
S(t)的参量包括: 幅度A、频率ω、初相位ψ，调制就是要使A、ω或ψ随数字基带信号的变化而变化。
△ASK:用载波的两个不同振幅表示0和1。
△FSK:用载波的两个不同频率表示0和1。
△PSK:用载波的起始相位的变化表示0 和1。
●模拟数据的数字信号编码
采样定理:如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。
要转换的模拟数据主要是电话语音信号，语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤:
△采样:按一定间隔对语音信号进行采样
△量化:对每个样本舍入到量化级别上
△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
6、多路复用技术
复用:多个信息源共享一个公共信道。为何要复用?——提高线路利用率。
适用场合:当信道的传输能力大于每个信源的平均传输需求时。
复用类型
△频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)
△波分复用WDM (Wave Division Multiplexing)
△时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
●频分复用原理:整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。
●波分复用——光的频分复用。原理:整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。
●时分复用原理:把时 间分割成小的时 间片，每个时 间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。由于每路数据总是使用每个时 间片的固定时隙，所以这种时分复用也称为同步时分复用。
时分复用的典型例子:PCM信号的传输，把多个话路的PCM话音数据用TDM的方法装成帧(帧中还包括了帧同步信息和信令信息)，每帧在一个时 间片内发送，每个时隙承载一路PCM信号。
●统计(异步)TDM——STDM
TDM的缺点:某用户无数据发送，其他用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。
改进:用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。
7、差错控制
与语音、图像传输不同，计算机通信要求极低的差错率。产生差错的原因:
△信号衰减和热噪声
△信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变;
△信号反射，串扰;
△冲击噪声，闪电、大功率电机的启停等。
差错控制的基本方法是:接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错检测主要有两种方法:
●奇偶校验(Parity Checking)
在原始数据字节的最高位增加一个奇偶校验位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。例如1100010增加偶校验位后为11100010，若接收方收到的字节奇偶校验结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。此方法只能用于面向字符的通信协议中，只能检测出奇数个比特位错。
●循环冗余校验 (CRC, Cyclic Redundancy Check)
差错检测原理:将传输的位串看成系数为0或1的多项式。收发双方约定一个生成多项式G(x)，发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。校验和是16位或32位的位串，CRC校验的关键是如何计算校验和。
●差错控制技术
△自动请求重传Automatic Repeat Request (ARQ)
△停等 ARQ
△Go-back-N ARQ
△选择重传 ARQ
5.传输媒体的选择
传输媒体的选择取决于以下诸因素:网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。
双绞线的显著特点是价格便宜,但与同轴电缆相比,其带宽受到限制。对于单个建筑物内的低通信容量局域网来说,双绞线的性能价格比可能是最好的。
同轴电缆的价格要比双绞线贵一些,对于大多数的局域网来说,需要连接较多设备而且通信容量相当大时可以选择同轴电缆。
光纤作为传输媒体,与同轴电缆和双绞线相比具有一系列优点:频带宽、速率高、体积小、重量轻、衰减小、能电磁隔离、误码率低等,因此,在国际和国内长话传输中的地位日益提高,并已广泛用于高速数据通信网。随着光纤通信技术的发展和成本的降低,光纤作为局域网的传输媒体也得到了普遍采用,光纤分布数据接口FDDI就是一例。
目前,便携式计算机已经有了很大的发展和普及,由于可随身携带,对可移动的无线网的需求将日益增加0元线数字网类似于蜂窝电话网,人们随时随地可将计算机接入网络,发送和接收数据。移动无线数字网的发展前景将是十分美好的。
四.数据通讯基本概念
●数据(Data):传递(携带)信息的实体。
●信息(Information):是数据的内容或解释。
●信号(Signal):数据的物理量编码(通常为电编码)，数据以信号的形式传播。
●模拟信号与数字信号
●基带(Base band)与宽带(Broad band)
●信道(Channel):传送信息的线路(或通路)
●比特(bit):信息量的单位。比特率为每秒传输的二进制位个数。
●码元(Code Cell):时 间轴上的一个信号编码单元
●同步脉冲:用于码元的同步定时，识别码元的开始。同步脉冲也可位于码元的中部，一个码元也可有多个同步脉冲相对应。
●波特(Baud):码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率)。
1 Baud = log2M (bit/s)
其中M是信号的编码级数。也可以写成:Rbit = Rbaud log2M
上式中:Rbit-比特率，Rbaud-波特率。
一个信号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。换句话说，一个码元中可以传送多个比特。
例如，M=16，波特率为9600时，数据传输率为38.4kbit/s
●误码率:信道传输可靠性指标，是概率值
信息编码:将信息用二进制数表示的方法。
数据编码:将数据用物理量表示的方法。
例如:字符‘A’的ASCII编码(是信息编码的一种)为01000001
●带宽:带宽是通信信道的宽度，是信道频率上界与下界之间之差，是介质传输能力的度量，在传统的通信工程中通常以赫兹(Hz)为单位计量。
在计算机网络中，一般使用每秒位数(b/s 或bps) 作为带宽的计量单位。主要单位:Kb/s，Mb/s，Gb/s，一个以太局域网理论上每秒可以传输1千万比特，它的带宽相应为10Mb/s。
●时延
△信息从网络的一端传送到另一端所需的时 间
△时延之和=处理时延 排队时延 发送时延 传播时延
△处理时延=分组首部和错误校验等处理(微秒)
△排队时延=数据在中间结点等待转发的延迟时 间
△发送时延=数据位数/信道带宽
△传播时延=d/s(毫秒)d:距离 s:传播速度≈光速
●时延带宽乘积:某一链路所能容纳的比特数。
时延带宽乘积=带宽×传播时延。例如，某链路的时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特到达目的端时，源端已发送了100万比特。
●往返时延 (Round-Trip Time ，RTT)
从信源发送数据开始，到信源收到信宿确认所经历的时 间RTT≈2×传播时延，传输可靠性两个含义:
1、数据能正确送达
2、数据能有序送达(当采用分组交换时)
信息通信系统传输
1、信道及其主要特征:数字信道和模拟信道
●数字信道:以数字脉冲形式(离散信号)传输数据的信道。
●模拟信道:以连续模拟信号形式传输数据的信道。
模拟信号和数字信号
●模拟信号:时 间上连续，包含无穷多个信号值
●数字信号:时 间上离散，仅包含有限数目的信号值
周期信号和非周期信号
●周期信号:信号由不断重复的固定模式组成(如正弦波)
●非周期信号:信号没有固定的模式和波形循环(如语音的音波信号)。
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