计算机网络---数据通信基础

Posted 2022-12-13 FANCY PANDA

目录

2.1 数据通信系统

2.1.1 数据通信系统组成

2.1.2 数据通信系统应解决的主要问题

2.1.3 数据通信的主要技术指标

2.2 信号与数据编码

2.2.1 模拟与数字信号

2.2.2 数字—数字编码

2.2.3 数字—模拟编码

2.2.4 奈氏定理

2.2.5 香农定理

2.3 线路配置和传输模式

2.3.1 线路配置

2.3.2 传输模式

2.4 多路复用技术

2.4.1 频分多路复用

2.4.2 时分多路复用

2.4.3 波分多路复用

2.4.4 码分多路复用

2.5 传统数据交换技术

2.5.1 电路交换

2.5.2 报文交换

2.5.3 分组交换

2.6 错误检测编码

2.6.1 奇偶校验码

2.6.2 循环冗余（CRC）校验码

2.6.3 检查和

---

2.1 数据通信系统

2.1.1 数据通信系统组成

1. 信源
2. 发送设备
3. 传输设备
4. 接收设备
5. 信宿

2.1.2 数据通信系统应解决的主要问题

• 提高传输系统的利用率
• 接口、编码和同步
• 交换管理
• 检错和纠错
• 流量控制
• 寻址和路由
• 恢复
• 报文格式
• 网络管理

2.1.3 数据通信的主要技术指标

（1）码元速率（B）

码元速率又称为信号速率，指每秒传送的码元数，单位是“波特”（baud）

（2）数据传输率（C）

数据传输率又称为信息速率，指每秒传送的信息量，单位是“比特/秒”

对于M进制的信号，信息速率大于码元速率：2（M）

（3）误码率

指错误接收的报文码元数在传输报文总码元数中占的比例

（4）误比特率

指错误接收的比特数在传输报文总比特中占的比例

2.2 信号与数据编码

2.2.1 模拟与数字信号

1.模拟信号

2.数字信号

2.2.2 数字—数字编码

1.单极性编码

单极性编码是最简单最基本的一种数字信息—数字信号的编码形式；数字传输系统通过在介质上发送脉冲电压进行通信。“单极性”指的是电压只有一极。因此，二进制的两个状态只有一个进行了编码，通常1，表示正电压；0表示零电压或线路空闲。

单极性编码存在的问题

• 直流分量的问题
• 同步的问题

2.极化编码

极化编码采用两个电压：一个正电压，一个负电压。

常见的3中极性编码：非归零编码（NRZ）、归零编码（RZ）、双相位编码（NRZ-I）

非归零编码中（非归零电平编码，非归零反相编码），信号的电压值或正或负，线路空闲意味着没有传输任何信号；而在单极性编码中，线路空闲表示比特0.

双向位编码中（曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码），信号在每比特间隙的中间发生改变但并不归零，而转为相反的一极

3.双极性编码

3种双极性编码：信号交替反转码、零替换编码、高密度双极性3零编码

2.2.3 数字—模拟编码

一个正弦波三要素：振幅、频率、相位

1.幅移键控（ASK）

通过改变载波信号的强度（振幅）来表示二进制0、1

2.频移键控（FSK）

通过改变载波信号的频率来表示二进制0、1

3.相移键控（PSK）

通过改变载波信号的相位来表示二进制0、1

 

4.正交调幅（QAM）

2.2.4 奈氏定理

码元携带的信息量由码元的离散值个数决定。

码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。

W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹

数据速率指单位时间内信道上传送的信号量。数字信道的通频带决定了信道中不能失真的传输脉冲序列的最高速率，即信道容量

2（N）（bps）

R表示数据速率，N为一个脉冲信号所表示的有效状态

2.2.5 香农定理

香农定理给出了信道信息传送速率的上限和信道信噪比及带宽的关系

2（1+S/N）

Rmax是信道支持的最大速度

W是信道的带宽

S是平均信号功率

N是平均噪声功率

S/N是信噪比

• 信道容量由带宽及信噪比决定，增大带宽、提高信噪比可以增大信道容量
• 在要求的信道容量一定的情况下，提高信噪比可以降低带宽的需求，增加带宽可以降低信噪比的需求
• 香农公式给出了信道容量的极限

2.3 线路配置和传输模式

2.3.1 线路配置

• 点到点连接
• 多点连接

2.3.2 传输模式

1.单工、半双工和全双工通信模式

2.串行和并行传输模式

2.4 多路复用技术

2.4.1 频分多路复用

频分多路复用（Frequency-division multiplexing，FDM），是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术

2.4.2 时分多路复用

时分多路复用（Time-Division Multiplexing，TDM）一种数字或者模拟（较罕见）的多路复用技术。使用这种技术，两个以上的信号或数据流可以同时在一条通信线路上传输，其表现为同一通信信道的子信道。但在物理上来看，信号还是轮流占用物理信道的

2.4.3 波分多路复用

2.4.4 码分多路复用

码分多路复用是采用不同的编码来区分各路原始信号的一-种复用方式。与FDM和TDM不同,它既共享信道的频率，又共享时间。下面举一个 直观的例子来理解码分复用，如下图所示

2.5 传统数据交换技术

2.5.1 电路交换

电路交换：在两个设备之间创建一条临时的物理连接，因此可以把电路交换机看作是一个多路开关

特点：在通信开始前，要在两个通信设备之间建立起一条完全被通信双方占用的物理通路

步骤：

1. 电路建立
2. 数据传输
3. 电路拆除

2.5.2 报文交换

报文交换的原理：在报文的传输过程中，由网络的中间节点将报文暂时存储起来，检查它的正确性和完整性，然后再发往下一个节点

 

2.5.3 分组交换

1.分组交换与电路交换的比较：

• 传输链路的使用效率较高
• 由于信息可在中途存储，因此分组交换在开始通信前可以不要求接收端做好准备，也不占用两端的全部链路
• 当网络通信负载很重时，电路交换网会发生阻塞现象，而分组交换网络只会使延迟变长，在良好的流量和拥塞控制下不会发生阻塞
• 采用分组交换的网络可工作于广厂播和多点播送的方式，一个站点发送的信息能为许多站点所接收,而电路交换网络则无此能方
• 在分组交换网络中由于中间节点具有存储功能，中间节点就可以对所传输的信息进校验，同时可提供速率转换、码制转换和格式转换等服务

2.分组交换的两种方法

（1）数据包

在分组交换的数据包方法中，包称为数据包，在传输中每个包都独立与其他包进行处理

（2）虚电路

虚电路是由分组交换通信所提供的面向连接的通信服务

电路交换和虚电路之间的区别是，电路交换在端用户上使用了复用，但在交换机上没有使用；而虚电路可以在交换机中使用复用，所以任何一条链路可以同时为多对设备之间的通信服务

2.6 错误检测编码

数据传输中的错误可分为3种类型：单比特错误；多比特错误、突发错误

单比特错误：数据单元中只有一个比特发生了改变

多比特错误：数据单元中两个或两个以上不联系的比特发生了改变

突发错误：只数据单元中两个或两个以上比特发生了改变

2.6.1 奇偶校验码

1.垂直奇偶校验

2.水平奇偶校验

3.水平垂直奇偶校验

2.6.2 循环冗余（CRC）校验码

先在要发送的帧后面附加一个数，生成一个新帧发送给接收端。当然，这个附加的数不是随意的，它要使所生成的新帧能与发送端和接收端共同选定的某个特定数整除(模2除法)。

到达接收端后，再把接收到的新帧除以这个选定的除数。因为在发送端发送数据帧之前就已通过附加一个数，做了“去余”处理（也就已经能整除了），所以结果应该是没有余数。如果有余数，则表明该帧在传输过程中出现了差错。

CRC码：在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码也叫（N，K）码。
对于一个给定的（N，K）码，可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。 

生成多项式是接受方和发送方的一个约定，也就是一个二进制数，在整个传输过程中，这个数始终保持不变。
CRC校验码位数 = 生成多项式位数 - 1

校验码的具体生成过程：假设要发送的信息用多项式C(x)表示，将C(x)左移R位（可表示成C(x)*xR），这样C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。用 C(x)*xR 除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。 
即：

 

 1. 将待编码的K位信息表示成多项式 C(x)。
 2. 将 C(x)左移 R位，得到 C(x)*xR。
 3. 用R+1位的生成多项式G(x)去除C(x)*xR得到余数R(x)。
 4. 将C(x)*xR与R(x)作模2加，得到CRC码。

多项式和二进制数有直接对应关系：X的最高幂次对应二进制数的最高位，以下各位对应多项式的各幂次，有此幂次项对应1，无此幂次项对应0。可以看出：X的最高幂次为R，转换成对应的二进制数有R+1位。

任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为‘0’和‘1’取值的多项式一一对应。
例如：代码1010111对应的多项式为x6+x4+x2+x+1，而多项式为x5+x3+x2+x+1对应的代码101111。

例3：假设选择的CRC生成多项式为G（X） = X4 + X3 + 1，求出二进制序列10110011的CRC校验码。
解：

 1. 首先把生成多项式转换成二进制数，由G（X） = X4 + X3 + 1可以知道，它一共是5位（总位数等于最高位的幂次加1，即4+1=5），然后根据多项式各项的含义（多项式只列出二进制值为1的位，也就是这个二进制的第4位、第3位、第0位的二进制均为1，其它位均为0）很快就可得到它的二进制比特串为11001。
 2. 因为生成多项式的位数为5，可知CRC校验码的位数为4（校验码的位数比生成多项式的位数少1）。因为原数据帧10110011，在它后面再加4个0，得到101100110000，然后把这个数以“模2除法”方式除以生成多项式，得到的余数，即CRC校验码为0100，如下图所示。

 3. 把上步计算得到的CRC校验码0100替换原始帧101100110000后面的四个“0”，得到新帧101100110100。再把这个新帧发送到接收端。
 4. 当以上新帧到达接收端后，接收端会把这个新帧再用上面选定的除数11001以“模2除法”方式去除，验证余数是否为0，如果为0，则证明该帧数据在传输过程中没有出现差错，否则出现了差错。

2.6.3 检查和

检查和技术常用在高层协议中。在发送方将要发送的整个数据单元分成大小都为n(一般为16）比特的若干段，然后将这些分段采用反码加法算法加在一起，得到一个n比特长的结果。该结果取反后得到一个n比特长的检查和，将检查和当作冗余位加在原始数据单元的末尾,随原始数据单元一起发送给接收方。
接收方按照发送方的方法将整个数据块分成大小为n的若干段，其中最后一段为检查和，然后将这些分段采用反码加法算法加在一起，得到一个n比特长的结果。如果结果为n个1则传输正确，反之是错误的。