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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。,第2章 数据通信基础知识,本章内容,数据通信系统,基本概念,传输介质,数据编码,多路复用技术,数据交换技术,差错控制,数据通信性能指标,1/85,1,2.1数据通信系统,源系统,源点：源点设备产生通信网络要传输数据。,发送器：通常源点生成数据要经过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。,目标系统,接收器：接收传输系统传送过来信号，并将其转换为能够被目标设备处理信息。,终点：终点设备从接收器获取传送来信息。,传输系统,能够是简单物理通信线路,也能够是连接源系统和目标系统之间复杂网络设备,噪声,信源,发送器,信道,接收器,信宿,源系统,目标系统,2/85,2,数据通信基本过程,5个阶段,包含两项内容：,数据传输,和,通信控制,过程 与打电话比较,建立物理连接,拨号，拨通对方,建立逻辑连接,相互确认身份,数据传输,相互通话,断开逻辑连接,相互确认要结束通话,断开物理连接,双方挂机,*注意，并不是全部数据通信都需要全部5个阶段。,3/85,3,2.2基本概念,数据与信号,信道,通信方式,传输方式,同时方式,4/85,4,2.2.1数据与信号,数据（Data）,传递（携带）信息实体。,信息（Information）,数据内容或解释。,信号（Signal）,数据物理量编码（通常为电编码），数据以信号形式在介质中传输,5/85,5,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，仅包含有限数目标信号值。最常见是二值信号,t,a）模拟信号,t,b）数字信号,6/85,6,周期信号,信号由不停重复固定模式组成（如正弦波）,非周期信号,信号没有固定模式和波形循环（如语音音波信号）。,t,T,T,T,t,T,T,T,周期信号,非周期信号,t,t,7/85,7,信息编码,：,将信息用二进制数表示方法,比如：ASCII编码、BCD编码等,数据编码,：将数据用物理量表示方法,比如：字符“A”ASCII编码为01000001，其数据编码可能为,0,1,0,0,0,0,0,1,t,8/85,8,信息经过数据通信系统进行传输过程,把携带,信息,数据,用物理,信号,形式经过信道传送到目标地,信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输,编码,：数据,适合传输数字信号便于同时、识别、纠错,调制,：数字信号,适合传输形式按频率、幅度、相位,解调,：接收波形,数字信号,解码,：数字信号,原始数据,信息,数据,信号,在信道上传输,信号,数据,信息,数据编码,调制,解调,数据解码,01000001,“A”,01000001,“A”,信道,信息编码,信息解码,9/85,9,不一样类型信号在不一样类型信道上传输有4种情况：,数据,：模拟数据 数字数据,信号,：模拟信号 数字信号,信道,：模拟信道 数字信道,10/85,10,模拟传输和数字传输所使用技术,语音,移频,调制,模拟,数字,模拟,模拟,PCM编码,数字,数字,数字编码,数字,模拟数据，模拟信号,数字数据，模拟信号,数字数据，数字信号,模拟数据，数字信号,1010,1010,调制,11/85,11,编码与调制区分,编码,：用数字信号承载数字或模拟数据,调制,：用模拟信号承载数字或模拟数据,Encoder,Decoder,数字或,模拟数据,数字信号,x,(,t,),g,(,t,),数字或,模拟数据,编码与解码,数字信道,发送方,接收方,g,(,t,),编码,解码,12/85,12,调制与解调,数字或,模拟数据,Modulator,Demodulator,数字或,模拟数据,模拟信号,g,(,t,),s,(,t,),g,(,t,),载波,模拟信道,发送方,接收方,调制,解调制,13/85,13,2.2.2 信道,信道（Channel）,：传送信息线路（或通路）,数字信道,：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据信道,计算机网络中主要采取数字信道进行数据传输,ADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网,模拟信道,：以连续模拟信号形式传输数据信道,CATV、无线电广播、电话拨号线路,14/85,14,数字通信与模拟通信,数字通信,在数字信道上实现模拟信息或数字信息传输,模拟通信,在模拟信道上实现模拟信息或数字信息传输,数字通信优点,抗噪声（干扰）能力强,能够控制差错，提升了传输质量,便于用计算机进行处理,易于加密、保密性强,能够传输语音、数据、影像，通用、灵活,计算机通信仅在不得已情况下，才会采取模拟通信，如经过电话线拨号上网。,15/85,15,2.2.3 通信方式,单工,数据单向传输,（例：无线电广播）,半双工,数据能够双向交替传输，但不能在同一时刻双向传输,（例：对讲机）,全双工,数据能够双向同时传输,（例：电话）,需要含有两条物理上独立传输线路；,或者需要含有一条物理线路上两个信道，分别用于不一样方向信号传输。,16/85,16,发送器,接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,发送器/接收器,单工方式：,半双工方式：,全双工方式：,A站,B站,可同时,不可同时,17/85,17,基带传输,：不需调制，编码后数字脉冲信号直接在信道上传送。,比如：以太网（局域网）,频带传输,：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。,比如：经过电话网络传输数据,宽带传输,：把信号调制成频带为几十MH,Z,到几百MH,Z,模拟信号后再传送，接收方需要解调。,比如：闭路电视信号传输,2.2.4 传输方式,18/85,18,同时原因：,同时脉冲频率,数据从什么时候开始，什么时候结束,位边界,数据块边界,数据通信中需要在三个层次上实现同时：,位位同时,字符字符同时,帧(Frame)帧同时,2.2.5 同时方式,19/85,19,同时脉冲：用于码元同时定时，识别码元从何时开始,同时脉冲也可位于码元中部,一个码元也可有多个同时脉冲相对应,t,码元1,码元2,码元3,码元4,码元5,信号,同时脉冲,t,20/85,20,目标：,使接收端与发送端在时间基准上一致,外同时,发送端发送数据之前发送同时脉冲信号，接收方用接收到同时信号来锁定自己时钟脉冲频率。,自同时,经过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同时信号，接收方从数据编码信号提取同时信号来锁定自己时钟脉冲频率。,位同时,21/85,21,目标：,找到正确字符边界,惯用为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符传输需要：,1个起始位、58个数据位、1、1.5或2个停顿位,采取这种同时方式通信也称“异步通信”,起止式优缺点：,频率漂移不会积累，每个字符开始时都会重新取得同时,每两个字符之间间隔时间不固定,增加了辅助位，所以传输效率低,比如，采取1,个起始位、8个数据位、2个停顿位时，其传输效率为8/11,73,起始位,数据位,停顿位,字符间隔不固定,1个字符时间,逻辑“0”,逻辑“1”,字符同时,22/85,22,目标,：识别一个帧起始和结束,帧（Frame）,：数据链路中传输单位包含数据和控制信息数据块,面向字符以同时字符（SYN，16H）来标识一个帧开始，适合用于数据为字符类型帧,面向比特以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧开始，适合用于任意数据类型帧,帧起始,控制信息,数据,帧结束,校验和,0,n,bit,8bit,8bit,832,m,7EH,7EH,帧同时,23/85,23,2.3 传输介质,磁介质,高带宽、低费用、,高延时（小时）,在通信中极少使用,例：7GB/8mm磁带，1000盘/505050cm,3,，24h可送到任何地方。,总容量=710008Gb，总时间=246060s=86400s,传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s,若让刘翔来传送1盘10GB磁带，在110m（12.91s）内其传输速率是多少？,金属导体,双绞线、同轴电缆(粗、细),光纤,无线介质,无线电、微波、卫星、红外线,24/85,24,同轴电缆,（Coaxial Cable，CC）,计算机网络中使用基带同轴电缆,阻抗50,，有粗同轴和细同轴两种,应用：总线局域网（以太网）,性能：10Mb/s，500m/185m,铜芯,绝缘层,外导体屏蔽层,保护套,25/85,25,双绞线,（Twist Pair，TP）,螺旋绞合双导线,每根4对、25对、1800对,经典连接距离100m（LAN）,RJ45插座、插头,优缺点：,成本低,组装密度高、节约空间,安装轻易（综合布线系统）,平衡传输（高速率）,抗干扰性普通,连接距离短,应用领域：电话网络、计算机局域网,内导体芯线,绝缘,内屏蔽,外屏蔽,外套,26/85,26,屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP),以铝箔屏蔽以降低干扰和串音，应用较少,双绞线外无任何屏蔽层，应用广泛,惯用双绞线：3类（16Mb/s）,和5类（155Mb/s）两种,27/85,27,双绞线连接标准,色彩标识和连接方法：,交叉线：交换机交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口),直连线：PC/路由器交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口),线对,色彩码,1,白蓝，蓝,2,白橙，橙,3,白绿，绿,4,白棕，棕,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,交叉线,EIA-568B,直连线,EIA-568A,28/85,28,光纤,（Optical Fiber，OF）,依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传输,优缺点：,传输带宽高：,仅受光电转换器件限制（100Gb/s）,传输损耗小，适合长距离传输,抗干扰性能极好、误码率低、保密性好,轻便,价格较高,需要光电转换,纤芯材料：,塑料,二氧化硅,（高纯玻璃）,29/85,29,光纤传输原理光反射,光从折射率高介质入射到折射率低介质时会产生折射。折射量取决于两种介质折射率。当入射角临界值时产生全反射，不会泄漏。,纤芯折射率高，玻璃包层折射率低,亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0,光传输系统：光源、介质、光检测,光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管,光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD,单向传输，双向需两根光纤,应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接,30/85,30,多模光纤(MMF),单模光纤(SMF),：,光纤直径靠近一个光波波长,多束光线以不一样反射角传输,激光器,包层，折射率低,纤芯，折射率高,亮度调制,光检波器,激光器,光检波器,单束光线沿直线传输,31/85,31,经典光缆,单芯光缆,多芯光缆,玻璃封套,塑料外套,玻璃内芯,玻璃内芯,塑料外套,玻璃封套,外壳,常见规格：纤芯50,u,m缓变型-MMF,62.5um缓变型/增强型-MMF,8.3um突变型-SMF,包层125um,32/85,32,高密度多芯光缆,剖面结构,芯,封套,外套,加强芯,光纤,外鞘,加强芯,光纤束,33/85,33,无线介质,（,信号在大气或外层空间自由传输）,使用电磁波或光波携带信息,优缺点：,无需物理连接,适合用于长距离或不便布线场所,易受干扰,反射，为障碍物所阻隔,主要类型,：,无线电、地面微波,通信卫星,红外线,34/85,34,微波通信,经过地面站之间接力传送,接力站之间距离：50 100 km,速率：每信道,45 Mb/s,地球,地面站之间直视线路,微波传送塔,35/85,35,地球同时卫星,与地面站相对固定位置,使用三颗卫星即可覆盖全球,传输延迟时间长（270ms）,广播式传输,应用领域：,电视传输,长途电话,专用网络,广域网,35,784,km,地球,36/85,36,激光传输,将激光束调制成光脉冲传输数据,特点：,激光频率更高，可取得更高带宽,激光束方向性好，不受电磁干扰影响，不怕偷听,受天气影响,只能在短距离通信中使用,37/85,37,红无线通信,红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内广播通信系统,特点：,红外通信设备相对廉价，可取得较高带宽,传输距离有限，而且易受室内空气状态（比如有烟雾等）影响,38/85,38,短波通信,基站与终端之间通信采取无线链路,应用领域：移动通信、无线局域网（WLAN）,BS,基站覆盖无线电区域,BS,基站,用户计算机和终端,39/85,39,惯用传输介质比较,传输介质,传输方式,速率,/,工作频带,传输距离,性能,价格,应用,双绞线,宽带,基带,1Gb/s,模拟,:10km,数字,:500m,很好,低,模拟,/,数字信号传输,50,同轴电缆,基带,10Mb/s,3km,很好,较低,基带数字信号,75,同轴电缆,宽带,450MHz,100km,很好,较低,模拟电视、数据及音频,光纤,基带,40Gb/s,20km,以上,很好,较高,远距离高速数据传输,微波,宽带,46GHz,几百,km,好,中等,远程通信,卫星,宽带,110GHz,18000km,很好,高,远程通信,40/85,40,2.4数据编码,数字数据数字信号编码,使数字数据能在数字信道上传输,数字数据调制编码,使数字数据能在模拟信道上传输,模拟信号数字编码,使模拟数据能在数字信道上传输,41/85,41,1.数字数据数字信号编码,不归零码（,Non-Return to Zero，NRZ）,二进制数字0、1分别用两种电平来表示；,惯用5V表示1，5V表示0；,缺点：,存在直流分量，传输中不能有变压器或电容；,不具备自同时机制，传输时必须使用外同时。,曼彻斯特编码（,Manchester Coding）,用电压改变表示0和1。,要求在,每个码元中间发生跳变,高低跳变代表0，低高跳变代表1,每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此改变提取出来作为同时信号。这种,编码也称为自同时码（Self-Synchronizing Code）。,缺点：需要双倍传输带宽（即信号速率是数据速率2倍）。,差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Coding，DMC,）,每个码元中间,仍要发生跳变。,用,码元开始处,有没有跳变来表示0和1,，有跳变代表0，无跳变代表1。,42/85,42,三种数字编码波形图,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,时钟,NRZ,Manchester,差分,Manchester,43/85,43,2.数字数据调制,三种惯用调制技术,：,幅移键控ASK（Amplitude Shift Keying）,频移键控FSK（Frequency Shift Keying）,相移键控PSK（Phase Shift Keying）,原理：用数字信号对载波不一样参量进行调制。,载波信号,S,(,t,)=,A,cos(,t,+,),S,(,t,)参量包含：,幅度,A,、,频率,、,初相位,调制就是要使,A、,或,随数字基带信号改变而改变,44/85,44,ASK：用载波两个不一样振幅表示0和1,FSK：用载波两个不一样频率表示0和1,PSK：用载波起始相位改变表示0和1,0,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,ASK,FSK,PSK,45/85,45,3.模拟数据数字信号编码,采样定理：,假如模拟信号最高频率为,F,，若以2,F,采样频率对其采样，则从采样得到离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。,要转换模拟数据主要是电话语音信号，模拟数据要在数字线路上传输，必须将其转换成数字信号。,PCM编码：,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靠近量化级别上,编码,：对每个舍入后样本进行编码,编码后信号称为,PCM,信号（Pulse Coded Modulation，脉码调制）。,46/85,46,语音信号数字化,语音带宽,f,2倍语音最大频率）,样本量化级数：256级（8b/每样本）,数据率：8000次/s8b=64kb/s,每路PCM信号速率=64kb/s,模拟,语音信号,采样时钟,PCM 信号,采样电路,量化和编码,数字化,语音信号,f,4kHz,f,s,=8kHz,47/85,47,PCM编码过程举例,语音信号,011 100 011 011 001 100,PCM 输出,3,4,3,3,1,4,011,100,011,011,001,100,PCM 信号,（有量化误差）,3.2,3.9,2.8,3.4,1.2,4.2,PAM信号,48/85,48,2.5 多路复用技术,多路复用,：多个信息源共享一个公共信道,为何要复用？提升线路利用率,适用场所：当信道传输能力大于每个信源平均传输需求时,类比：公共运输系统（铁路、海运、航空）,DEMUX,复用器,解复用器,共享信道,MUX,信源,信宿,49/85,49,复用基本思想：,把公共共享信道用某种方法划分成多个子信道，每个子信道传输一路数据,。,复用方法,频分复用FDM（,Frequency Division Multiplexing,）,按频率划分不一样信道，如CATV系统,时分复用TDM（Time,Division Multiplexing,）,按时间划分不一样信道，当前应用最广泛,波分复用WDM（Wave,Division Multiplexing,）,按波长划分不一样信道，用于光纤传输,码分复用CDM（Code,Division Multiplexing,）,按地址码划分不一样信道，非常有发展前途,50/85,50,频分复用,FDM,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。,CH2,CH1,CH3,原带宽,CH1,CH2,CH3,移频后带宽,MUX,CH1,CH2,CH3,带宽复用信号,f,复用器,51/85,51,时分复用,TDM,原理：把时间分割成小时间片，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。在通信网络中应用极为广泛。,A2,A1,A3,原始信号,D2,D1,D3,数字化信号,MUX,复用后数据流,时隙号,1,2,3,1,D3,D2,D,1,时间片1,2,时间片2,D,1,时隙,D2,复用器,t,52/85,52,因为每路数据总是使用每个时间片固定时隙，所以这种时分复用也称为,同时时分复用,。,一个时间片内传输多路数据称为,帧,。,时分复用经典例子：PCM信号传输,把多个话路PCM语音数据用TDM方法装成帧（帧中还包含了帧同时信息和信令信息）,每帧在一个时间片内发送,每个时隙承载一路PCM信号,53/85,53,统计（异步）TDMSTDM,TDM缺点：某用户无数据发送，其它用户也不能占用该时隙，将会造成带宽浪费。,STDM：用户不固定占用某个时隙，有空时隙就将数据放入。,A,B,C,D,待发数据,t,1,t,2,t,3,A,1,B,1,C,1,D,1,C,2,D,2,A,2,B,2,时间片1,时间片2,同时TDM,带宽浪费,A,1,B,1,B,2,时间片1,时间片2,统计TDM,可用带宽,C,2,54/85,54,时分复用数字载波复用标准,T-标准（北美、日本）,E-标准（欧洲、,中国,、南美）,E1（一次群）标准,每125us为一个时间片，每时间片分为32个通道（时隙）。每个时隙可容纳8b。,通道0用于同时，通道16用于信令，其它30个通道用于传输30个PCM话音数据。,E1速率=（32x8b）/125us=2.048 Mb/s,对E1深入复用，还可组成E2到E5等高次群。,E5可承载7680个话路，数据率约为565Mb/s。,新TDM标准是同时光网络（SONET）和ITU-T同时数字系列（SDH）。惯用线路速率为（近似值）,155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s和10Gb/s。,55/85,55,E1-帧格式,E1线路也能够用于计算机通信,0,1,2,16,31,时间片125,m,s=32 时隙，2.048 Mb/s,帧同时,信令,30 路数字语音数据（PCM数据）+2 路控制,用户话路,用户话路,15,17,56/85,56,波分复用,光频分复用,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。,F,2,F,1,F,3,光谱,F,1,F,2,F,3,共享光纤光谱,光纤2,光纤3,光纤1,共享光纤,棱柱/衍射光栅,57/85,57,码分复用,CDM,原理：,每个用户把发送信号用接收方地址码序列进行编码,（任意两个地址码序列相互正交）。不一样用户发送信号在接收端被迭加，然后接收者用一样地址码序列解码。因为地址码正交性，只有与自己地址码相关信号才能被检出，由此恢复出原始数据。,地址码序列必须两两相互,正交,：,码序列A、B，应满足,A,B=0，A,B,=0，A,A=1，A,A,=-1,其中,为内积运算。,在无线移动通信中应用广泛。,58/85,58,2.6 数据交换技术,什么是交换？,按某种方式动态地分配传输线路资源,。,比如，电话交换机在用户呼叫时为用户选择一条可用线路进行接续。用户挂机后则断开该线路，该线路又可分配给其它用户。,最初交换：人工转接交换,为何要采取交换技术？,节约线路投资，提升线路利用率。,实现交换方法主要有：,电路交换,、,报文交换,和,分组交换,。,59/85,59,电路交换,在通信双方之间建立一条暂时专用线路过程。,能够是真正物理线路，也能够是一个复用信道。,特点：数据传输前需要建立一条端到端通路。称为“,面向连接,”（经典例子：电话）,过程：,建立连接,通信,释放连接,优缺点：,建立连接时间长；,一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；,无纠错机制；,建立连接后，传输延迟小。,不适合用于计算机通信：因为计算机数据含有突发性特点，真正传输数据时间不到10%。,比如：建立连接时间为0.5s，计算机以1Mb/s速率发送10KB。线路利用率？,60/85,60,电话网络中电路交换,电路交换也能在多路复用信道上实现,在物理线路某个信道上建立连接,61/85,61,报文交换,以报文为单位进行“,存放-转发,”交换技术。,在交换过程中，交换设备将接收到报文先存放下来，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目标地。这种数据传输技术称为,存放-转发,。,传输之前不需要建立端到端连接,，仅在相邻节点传输报文时建立节点间连接。称为“,无连接,”（经典例子：电报）,整个报文（Message）作为一个整体一起发送。,优缺点：,没有建立和拆除连接所需等候时间；,线路利用率高；,传输可靠性较高；,报文大小不一，造成存放管理复杂；,大报文造成存放转发延时过长，且对存放容量要求较高；,犯错后整个报文全部重发。,类比：下载时若无断点续传功效，一旦犯错你会怎样做？,62/85,62,分组交换（包交换）,将报文分割成若干个大小相等分组（Packet）进行存放转发。,数据传输前不需要建立一条,端到端,通路也是“,无连接,”。,有强大纠错机制、流量控制、拥塞控制和路由选择功效。,优缺点：,对转发节点存放要求较低，能够用内存来缓冲分组速度快；,转发延时小适合用于交互式通信；,某个分组犯错能够仅重发犯错分组效率高；,各分组可经过不一样路径传输，容错性好。,需要分割报文和重组报文，增加了端站点负担。,分组交换有两种交换方式：,数据报方式和虚电路方式,63/85,63,数据报方式（Datagram）,各分组,独立地确定路由,（传输路径）,不能确保分组按序抵达,，所以目标站点需要按分组编号,重新排序,和组装,数据报方式不能确保分组按序抵达,分组可能经过多个路径穿越网络,64/85,64,虚电路方式（Virtual Circuit）,通信前预先建立一条逻辑连接,虚电路,虚电路是由其路径上全部交换机中路由表定义逻辑连接,类比：铁路系统（旅客/列车:分组，铁路网:网络，火车站:节点）,“西安北京”这条线路能够看成是一条虚路径,也需要三个过程：,建立数据传输拆除,建立虚电路时，交换机将预留传输时所需全部资源,虚电路路由在建立时确定，传输数据时则不再需要,数据传输时只需指定虚电路号，分组即可按虚电路路由穿越网络“数字管道”,提供是“面向连接”服务,但却没有像电路交换那样一直占用一条端到端物理通道，只是,断续地依次占用传输路径上各个链路段,与铁路系统类比！,能够看成是采取了电路交换思想分组交换,能够确保分组按序抵达,永久虚电路PVC和交换虚电路SVC,65/85,65,分组经过预先建立好虚电路穿越网络,66/85,66,三种交换方式事件次序,呼叫请求,呼叫应答,数据,A,B,C,D,寻路延迟,线路交换,分组,1,分组,2,分组,3,A,B,C,D,分组交换,分组,4,t,报文,A,B,C,D,排队延迟,报文交换,67/85,67,各种交换方式,68/85,68,2.7 差错控制,什么是差错控制？,在通信过程中，发觉、检测差错并进行纠正,为何要进行差错控制？,不存在理想信道传输总会犯错,与语音、图像传输不一样，计算机通信要求极低差错率。,产生差错原因：,信号衰减和热噪声；,信道电气特征引发信号幅度、频率、相位畸变；,信号反射，串扰；,冲击噪声，闪电、大功率电动机启停等。,69/85,69,差错控制,基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，通知是否正确接收。,实际采取差错控制技术,自动请求重传（Automatic Repeat Request,ARQ）,停等 ARQ,每发送一帧就需要一个应答帧,只重传刚才犯错帧,帧编号只需0和1即可,Go-back-N ARQ,每发送,N,帧需要一个应答帧,需重传前面（,N,-,i,+1）帧（0,i,N,）,帧编号从0到,N,-1,选择重传 ARQ,每发送,N,帧需要一个应答帧,只,重传犯错帧,前向纠错（FEC-Forward Error Control,FEC）,混合方式Hybrid（FEC-ARQ）,70/85,70,奇偶校验,（Parity Checking）,能够在两个级别上实现：,在原始数据字节最高位（或最低位）增加一个奇偶校验位，使结果中1个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。,比如：1100010增加偶校验位后为11100010,若接收方收到字节奇偶校验结果不正确，就能够知道传输中发生了错误。,在通信过程中实现：在发送时增加奇偶校验位。,只能用于面向字符通信协议中。,只能检测出奇数个位错，偶数个位错则不能检出。,71/85,71,循环冗余校验,（Cyclic Redundancy Check,CRC）,差错检测原理：,收发双方约定一个,生成多项式,G,(,x,),，发送方依据发送数据和,G,(,x,)计算出,CRC校验和,并把它加在数据末尾。接收方则用,G,(,x,)去除接收到数据，若有余数，则传输有错。,校验和是16位或32位二进制位串。,CRC校验关键是怎样,计算校验和,。,72/85,72,*,CRC校验和计算,以数据块（帧,Frame）为单位进行校验,将数据块组成位串看成是系数为0或1多项式,如110001，可表示成多项式 x,5,+x,4,+1,若,G,(,x,)为,r,阶，帧为,m,位，其多项式为,M(x),，则在帧后面添加,r,个0，成为,m+r,位，对应多项式,2,r,M(x),按,模2除法,用,2,r,M(x),除以,G(x),：商,Q(x),，余,R(x),即：,2,r,M(x)=G(x)Q(x)+R(x),按,模2加法,把,2,r,M(x),与余数,R(x),相加，结果就是要传送带校验和帧多项式,T(x)：,即：,T(x)=2,r,M(x)+R(x),实际上，,T(x)=2,r,M(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x),=G(x)Q(x),(模2运算),所以，若接收,T(x),正确，则它必定能被,G(x,),除尽,。,73/85,73,CRC校验码检错能力：,可检出全部奇数个错；,可检出全部单位/双位错；,可检出全部,G,(,x,),长度突发错。,惯用生成多项式G(x)：,CRC16=,x,16,+,x,15,+,x,2,+1,CRC32=,x,32,+,x,26,+,x,23,+,x,22,+,x,16,+,x,11,+,x,10,+,x,8,+,x,7,+,x,5,+,x,4,+,x,2,+,x,+1,74/85,74,校验和,发送方算法,将待发送进行校验和运算字符串分成若干16位位串，每个位串看成一个二进制数，这里字符串不关注其语义。,将IP、ICMP、TCP或UDPPDU首部中校验和字段设置为0，该字段也参加校验和运算。,对这些16位二进制数进行1补码和（ones complement sum）运算，累加结果再取反作为校验和，并放置到PDU校验和字段中。,接收方算法,将接收进行校验和运算16位二进制按发送方一样方法进行1补码和运算，包含校验和字段、累加结果再取反。这么，其结果为0，表明传输正确；不然，表明传输有差错。,75/85,75,2.8数据通信性能指标,时延与时延带宽积,误码率与误比特率,信息传输速率与码元传输速率,信道最大传输速率,76/85,76,时延,时延：,一个数据块（帧、分组、报文段等）从链路或网络一端传送到另一端所需要时间。,总时延发送时延+传输时延+转发时延,发送时延,发送时间数据块长度/信息传输速率,传输时延,传输时延信道长度/电磁波在信道上传输速率,转发时延,77/85,77,带宽（Band Width，BW）,：,信道传输能力度量。,在传统通信工程中：,BW,f,max,f,min,单位：赫兹（Hz）,在计算机网络中，用每秒允许传输二进制位数作为带宽计量单位。主要单位：b/s、Kb/s、Mb/s、Gb/s。,比如：传统以太网理论上每秒能够传输一千万比特，它带宽为10Mb/s。,78/85,78,时延带宽乘积,：,某一信道所能容纳比特数。,时延带宽乘积=带宽,传输时延,比如，某信道,时延带宽乘积为100万比特，这意味着第一个比特抵达目标端时，源端已发送了100万比特。,信道,带宽,传输时延,管道体积=时延带宽乘积,79/85,79,误码率与误比特率,误码率：,Pc是指传输码元被传错概率,Pc,传错码元数,传输码元总数,误比特率：,Pb,是指传输比特被传错概率,Pb,传错比特数,传输比特总数,80/85,80,信息传输速率与码元传输速率,信息传输速率,比特（bit）,：即一个二进制位。比特率为每秒传输比特数（即,数据,传送速率）。,信息传输速率：,是指每秒传输编码前数字数据二进制比特数,码元传输速率,码元（Code Cell）,：时间轴上一个信号编码单元。,码元传输速率：,是指每秒传输码元数,普通情况下，假如码元状态数为,M,（,M,为2整数次幂），则,C=B,log,2M,（b/s）,一个码元中能够传送多个比特。,比如：当波特率为9600时,若,M,=2，数据传输率为9600b/s,若,M,=16，数据传输率为38.4kb/s,吞吐量：,单位时间发送比特数、字节数或帧数,81/85,81,信道最大数据传输率,Nyquist公式,：,用于无噪声理想低通信道,Nyquist公式为,估算已知带宽信道最高数据传输速率,提供了依据。,比如，话音级线路带,宽约为3.1kHz，依据上,式计算信道最大数据,传输率如右表所表示,C,=2,W,log,2,M,C,数据传输率，单位b/s,W,带宽，单位Hz,M,信号编码级数,M,最大数据率,2 6200 b/s,4 12400 b/s,8 18600 b/s,16 24800 b/s,32 31000 b/s,82/85,82,非理想信道,实际信道上存在损耗、延迟、噪声。,损耗,引发信号强度减弱，造成,信噪比S/N降低,。,延迟,会使接收端,信号产生畸变,。,噪声,会,破坏信号，产生误码,。,比如：数据传输速率为56kb/s时，连续时间0.01s干扰会破坏约560个比特。,83/85,83,Shannon公式,：,用于有噪声干扰信道,例：,信道带宽W=3.1kH,z,，S/N=，则,C,=3100log,2,（1+）34kb/s,即该信道上最大数据传输率不会大于34kb/s,。,信噪比单位也可用分贝(dB)表示：,S/N,dB,=,10,log,10,S/N,所以，若S/N,dB,=30,dB,，则S/N=1000。,C,=,W,log,2,（1+,S,/,N,）,C,传输率，单位b/s,W,带宽，单位Hz,S/N信噪比,84/85,84,Nyquist公式和Shannon公式比较,C,=2,W,log,2,M,用于理想信道（这么信道存在吗？）,数据传输率随信号编码级数增加而增加。,C,=,W,log,2,（1+,S/N,）,用于有噪声信道（实际信道总是有噪声！）,不论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能到达最大数据传输速率上限。,原因：噪声存在将使编码级数不可能无限增加,。,85/85,85,
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