1、1计算机网络技术学习情境学习情境1 任务任务4 网络数据传输网络数据传输2任务任务4 利用示波器查看数据传输的信号利用示波器查看数据传输的信号 任务描述任务描述：通过波形可以形象地理解电信号的传输，因为示波器可以根据信号参数的不同，生成不同波形。通过示波器来观察各种信号的波形形状，加深对信号编码与调制的理解。34.1 数据到信号的编码数据到信号的编码 调制是在发送端将数据放到正弦波上转换为模拟信号的过程。经过调制的信号可以在模拟信道上传输，它通过调制器完成。解调是在接收端把接收到的模拟信号还原成原来信号的过程。它通过解调器完成。载波信号主要包含了幅度、频率和相位三个重要的参数，所以所有的调制技
2、术都涉及这三个参数中一个或几个的变化。4（1）模拟数据调制为模拟信号模拟数据由模拟信号传输时不需进行变换，但是它要在高频下进行调制，输出信号也是一种频率极高的模拟信号。最常用的两种调制技术分别是幅度调制(AM)和频率调制(FM)。幅度调制技术中，载波的幅度会随着原始模拟数据幅度变化而变化。调制过程中只是改变了载波的幅度而频率没有发生改变。5（2）频率调制技术中，高频载波的频率随着原始模拟信号的频率的而变化。此调制过程中，载波频率会发生波动，而载波的幅度是不变的。6（2）数字数据调制为模拟信号该调制过程也是围绕着振幅、频率、相位这三个载波信号的特性进行，所以分为三种调制方式：幅移键控法（ASK）
3、、频移键控法（FSK）、相移键控法（PSK）。幅移键控法(AmplitudeShift Keying，ASK)是通过改变载波信号的振幅来表示数字信号的“0”和“1”。有幅度值表示“1”，无幅度值表示“0”，波形的频率和初始相位不变。它实现简单，但是抗干扰性能差，在音频线路上一般只能达到1200bps。频移键控法(FrequencyShift Keying，FSK)是通过改变载波信号的频率来表示数字信号的“0”和“1”。用高频率表示“1”，低频率表示“0”。它的抗干扰能力强，但是占用较宽的带宽。相移键控法(PhaseShift Keying，PSK)是通过改变载波的初始相位来表示数字信号的“0”
4、或“1”，波形的幅度和频率不变。用相位的绝对值来表示“0”或“1”。正弦波初始相位0表示“0”，初始相位表示“1”。78 2数据的编码技术 调制技术是把数据调制成模拟信号进行传输，而编码技术是将数据变换为数字信号，其中也有两个基本概念：编码和解码。编码是将模拟数据或数字数据变换成数字信号。解码指在接收端将数字信号变换成原来的形式。（1）数字数据编码为数字信号 数字信号其实就是用两个电平来表示两个二进制数字。无电压(也就是无电流)用来表示“0”，而恒定的正电压用来表示“1”。9常见的数字数据的数字信号编码有以下几种。双极性不归零码（BNRZ），如图（a）所示。相应的编码规则是在每一码元时间间隔内
5、，发正电流表示“1”，发负电流表示“0”。正的幅度值和负的幅度值相等，所以被称为双极性码。它的判决门限定为零电平，接收信号的值在零电平以上，判为“1”；在零电平以下，判为“0”。曼彻斯特编码，如图（b）所示。相应的编码规则是在每一码元时间间隔内，当传送“0”时，电平从低向高跳变；当传“1”时，电平从高向低跳变。每一位的中间都有一次电平的跳变。该编码技术的优点是不包含直流分量，本身跳变可作为同步时钟使用。差分曼彻斯特码，如图（c）所示。相应的编码规则是在每一码元时间间隔内，用每位开始处有无跳变表示数据，开始有跳变表示“0”，开始无跳变表示“1”。每位中间的跳变只作为同步时钟，不代表数据。该编码技
6、术的缺点是编码效率低。1011 将模拟信号变换为数字信号的常用方法是脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)，简称脉码调制。脉码调制以采样定理为基础，其编码过程包括采样、量化和编码三步。采样：每隔一定的时问对连续模拟信号采样，采样得到的信号就成为一组离散的脉冲信号序列（PAM）。量化：这是一个分级过程，把采样所得到的PAM脉冲按量级进行比较并且“取整”，此时脉冲序列就成为了数字信号。编码：用以表示采样序列量化后的量化幅度，它用一定位数的二进制码表示。12134.2 数据的传输过程数据的传输过程 1数据传输技术（1）数据传送方式 数据传送有两种方式：并行传输和串行传输。
7、一般并行传输用于计算机内部各部件之间或近距离设备之间的数据传输，而串行传输一般用于计算机与计算机或计算机与终端之间远距离的数据传输。并行传输一般是通过计算机的并行接口(LTP)进行的，而串行传输一般通过串行接口(COM)进行。14 并行传输 一次同时将待传送信号经由n（n1）个通信信道同时发送出去。它以字符（8个二进制位）为单位，一次传输一个字节的信号，所以传输信道需要8根数据线，同时还需要其他的控制信号线。由于并行传输一次只传输一个字符，所以收发双方没有字符同步的问题。并行传输优点是速度快，适应于短距离通信。缺点是费用高，维修不易，易受干扰。1516 串行传输 它是数据一位一位地传输，从发送
8、端到接收端只需要一个通信信道，经由该通信信道逐位地将待传送信号的每个二进制代码依次发送。它适用于远距离的数据传输。由于计算机内部操作大多使用并行传输方式，因此当数据通信采用串行传输方式时，发送端需要通过并串转换装置将并行数据位流变为串行数据位流，然后送到信道上传输，在接收端再通过串并转换还原成8位并行数据流。17（2）数据同步的方式 同步是指接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率和起止时问接收数据 常用的同步技术有两种：同步传输方式和异步传输方式。这两种传输方式的区别在于发送和接收设备的时钟是异步的，还是同步的。同步传输 同步传输方式传输时是将一个大的数据块(一组数据或一个报文)一起发送的
9、 异步传输 异步传输方式就像使用键盘输入字符到主机一样，它允许码字之间存在不确定的空闲时间。异步传输也叫做起止式传输，它以字符为单位 18 2.多路复用技术 多路复用技术是指在同一个物理信道上同时传输多路信号，实现通信信道共享的一套技术。常用的多路复用技术有：频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)和波分多路复用(WDM)等。（1）频分多路复用技术（Frequency Division Multiplexing，FDM）频分多路复用技术主要是利用了传输介质的带宽优势，当传输介质的有效带宽远远超过被传输的信号带宽时，就可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现多路信号并行传
10、输 1920 频分多路复用技术的优点是信道的利用率极高，允许复用的路数较多，分路也非常方便，并且频度越大，它能容纳的用户数就越多。缺点是设备比较复杂，不仅需要大量的调制器、解调器和滤波器，而且在接收端还要提供相关载波。另外，由于在传输过程中的非线性失真及频分复用信号抗干扰性能差，不可避免地会产生路际串音干扰。所以一般情况下，都采用多级调制的方法。21（2）时分多路复用技术（Time Division Multiplexing，TDM）时分多路复用技术是利用了传输介质的高传输速率的优势，如果传输介质的传输速率远超过单一信源要求的数据传输速率时，就可以将一条线路按工作时间先划分周期，每一周期再进一
11、步划分成若干时间片t1，t2，t3，tn，再将时间片轮流分配给多个信源来使用，在每个周期的每个时间片ti内，线路只提供给一对终端使用。TDM又有两种实现方式：同步时分多路复用(Synchronous Time-division Multiplexing)和异步时分多路复用(Asynchronous Time-division Multiplexing)2223（3）波分多路复用(Wave-length Division Multiplexing，WDM)波分多路复用的原理与频分多路复用的类似，但它主要用于光纤通信。只是光信号是用波长而不用频率来表示所使用的光载波，因此它被称为波分多路复用。WD
12、M和FDM，不同之处在于光波频率很高，WDM是利用不同波长的光，通过共享光纤实现远距离传输多路信号。该技术利用光学系统中的衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。24 3.数据交换技术 所谓交换技术就是采用交换机或结点机等交换系统，通过路由选择技术在欲进行通信的双方之间建立物理的或逻辑的连接形成一条通路，实现通信双方的信息传输和交换的一种技术。常用的数据交换方式有两大类：电路交换方式(Circuit Switching)和存储转发交换方式(Store and Forward Switching)。后一种方式中按照被转接的信息单位不同，又可进一步分为报文交换和报文分组交换。25（1）电路
13、交换技术（Circuit Switching）它是指在电路交换网络中，通过网络结点在两个工作站之间建立一条专用的通信电路。该方式的通信过程包括以下3个阶段。建立电路：在传输任何数据之前，都要先建立端到端(站到站)的线路，即在源结点和目的结点间建立一条由各个中间交换结点分段连接所组成的通信电路。传输数据：当通信电路建立以后，就可通过这条专用电路从站点A将数据传送到站点B。当然传输的数据可以是数字数据，也可以是模拟数据。拆除电路：通信结束后，应由一方立即拆除电路，供其他用户使用。拆除线路信号必须传送到电路所经过的各个结点，以便重新分配资源。2627（2）报文交换技术（Message Switchi
14、ng）报文交换属于存储转发交换，其主要原理是把待传送的信息先存储起来，等到信道空闲时再发出去。只要有足够长的存储时间，就能够把信道忙碌和空闲的状态均匀化，有效地压缩了必需的信道容量和转接设备容量，而且利用它的中间存储可以平滑通信和充分利用信道。报文交换的工作过程如下：发信端将发往收信端的信息分割成一份份的报文正文，再连同收信地址等辅助信息形成一份份的报文。2829（3）报文分组交换技术（Packet Switching）CCITT（现已改名为ITU）给报文分组下的定义是：一组包含数据和呼叫控制信号(例如地址)的二进制数，把它作为个组合整体加以交换，按规定的格式排列这些数据、呼叫信号及可能附加的
15、差错控制信息。报文分组交换中通常采用两种方法来管理分组流：虚电路和数据报。虚电路在虚电路中，数据在传送之前，发送方和接收方先建立起一条逻辑上的连接,该路径上各个结点都有缓冲设备并服从于这条逻辑线路的和转发，也就是按照逻辑连接的方向和接收的次序进行排队需要进行路径判断和选择，就好像收发双方有一条专用通道一样。发送方依次发送的每个数据报经过若干次存储转发后，按顺序到达接收方，双方一旦完成数据交换就拆除这条虚电路。数据报在数据报中，每个数据报都被独立地处理，同时，每个结点根据一个路由选择算法为每个数据报选择一条路径，使它们的目的地相同。30（4）三种交换技术的优缺点在电路交换方式中，数据传输可靠、迅
16、速、不丢失且保持原来的序列，但是线路空闲时的信道容量被浪费。当数据传输不长时，线路的建立和拆除反而得不偿失。它比较适合于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。在报文交换技术中，线路效率较高，不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前暂时存储报文，它能把一个报文发送到多个目的地，能够建立报文的优先权，可以进行速度和代码的转换并截获发往未运行的终端的报文。但是，它不能满足实时或交互式的通信要求，不能用于声音连接，也不适合交互式终端到计算机的连接。由于传输延迟大，需要网络结点有大容量的存储设备。在虚电路分组交换技术中，它能用于两端之间的长时间数据交换，提供了更可靠的通信功能，保
17、证每个分组正确到达且保持原来的顺序。缺点就是当一个结点或某条链路出故障而彻底失效时，所有经过故障点的虚电路将立即被破坏。在数据报分组交换技术中，没有了呼叫建立阶段，传输少数几个分组的速度比虚电路方式更加简便灵活，还可以绕过故障区而到达目的地。但是它不能保证分组的按序到达，数据的丢失也不会立即知晓。31（4）三种交换技术的优缺点 在电路交换方式中，数据传输可靠、迅速、不丢失且保持原来的序列，但是线路空闲时的信道容量被浪费。它比较适合于系统间要求高质量的大量数据传输的情况。在报文交换技术中，线路效率较高，不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前暂时存储报文，它能把一个报文发
18、送到多个目的地，能够建立报文的优先权，可以进行速度和代码的转换并截获发往未运行的终端的报文。但是，它不能满足实时或交互式的通信要求，不能用于声音连接，也不适合交互式终端到计算机的连接。由于传输延迟大，需要网络结点有大容量的存储设备。32 在虚电路分组交换技术中，它能用于两端之间的长时间数据交换，提供了更可靠的通信功能，保证每个分组正确到达且保持原来的顺序。缺点就是当一个结点或某条链路出故障而彻底失效时，所有经过故障点的虚电路将立即被破坏。在数据报分组交换技术中，没有了呼叫建立阶段，传输少数几个分组的速度比虚电路方式更加简便灵活，还可以绕过故障区而到达目的地。但是它不能保证分组的按序到达，数据的
19、丢失也不会立即知晓。33（5）其他几种高速交换技术现在比较新的高速交换技术主要有：数字语音插空技术、帧中继技术、信元交换技术等。数字语音插空技术（Digital Speech Interpolation，DSI）利用数字语音插空技术能提高线路交换的传输能力。DSI技术仅当传输语音信号时，才向通话用户分配通道，其余时刻可把通道分配给数据通信。帧中继（Frame Relay）信息以帧的形式有效地进行传送，使用逻辑连接；完成了信道的动态复用，带宽利用率高，可以实现点到多点的连接；简化了X.25的第三层功能，链路层只保留核心子集部分（省去帧编号、流量控制、应答、监视等机制）；最大帧长1600Byte/
20、frame，适用于网间传输的数据单元，协议开销减少；可占用未预定、未使用的带宽，提高了整个网络资源的利用率，满足用户发送大量数据和突发性业务量的要求。34 异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）异步传输模式(ATM)采用信元进行交换。信元由53个字符组成，前5个字符为信头，完成寻址的功能，后48个字符为信息域。它采用统计时分复用技术，可将一个物理通道划分成不同业务特性的多条虚电路提供给用户，实现网络资源的按需分配；具有时延小、实时性好的特点；可提供多种业务、多种用户接口；可实现任意速率的接入，用户改变速率方便灵活；它简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，
21、信元格式固定；采用了一些有效的业务流量控制机制，对网上用户数据进行实时监控，把网络拥塞发生的可能性降到最小。354.3 差错控制差错控制 1.差错控制方法 采用差错控制方法，它是利用编码的手段将传输中产生的错码检测出来，并加以纠正。在数据通信系统中，差错控制包括差错检测和差错纠正两部分，具体的方法主要有以下几种。（1）自动请求重发（Automatic Request For Repeat，ARQ）在该方式中，接收端只进行差错检测，一旦检测出所接收信息中有错，便自动要求发送端重发，直至收到正确的码字（合法编码）为止。3637（2）前向纠错法（Forward Error Correction，FE
22、C）前向纠错方式不需要反馈信道传送请求重发消息，但必须用纠错码。接收端收到消息码之后，纠错译码器不仅能发现差错而且能自动纠正差错，然后将正确的消息送给接收器。但是所用的译码设备比复杂，而且纠错码与信道噪声干扰情况有关。（3）混合纠错法 混合纠错法是将自动请求重发方法和前向纠错方法相互结合。混合纠错法是由发送端同时发出具有检错和纠错能力的编码，接收端收到编码后检查差错情况，如差错可纠正，则自动纠正；如差错很多，超出了纠错能力，则产生的反馈信息经反馈信道送回发送端要求重发。38（4）反馈检测方法 该方法中，接收端将收到的每组(或帧)信息码复制后再原封不动地发回发送端，在发送端与刚发的信息码相比较。
23、如果不一致，说明有差错，发送端再重；如果一致，说明无错，发送端通知接收端将复制的信息接收。这种方法的检错原理和实现很简单，但需要双向信道，而且每组(或帧)信息码至少要在信道中传输两次，效率较低。前向纠错法和混合纠错方法在理论上的优越性，但由于对应的编码译码相当复杂，编码效率很低，因而很少被采用。目前绝大多数通信系统所采用的差错控制方式都是自动请求重发（ARQ）方式。39 2.差错控制编码 差错控制主要的任务就是设计具有检错和纠错能力的检错码。（1）奇偶校验码 奇偶校验码是一种无纠错能力的检错码，其编码规则是先将数据代码分组，在各组数据后面附加一位校验位，使该数据连同校验位在内的码元中“l”的个
24、数为偶数，即为偶校验；为奇数则为奇校验。奇偶校验纠错能力不强，它只能检测出码元中的任意奇数个错误。数据传输时，按奇偶校验码的使用方法，可分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验。40 垂直奇偶校验 发送K=7位数据的同时，在加法器中求K位数据的和，7位数据发送完后，一位校验码附加在K位数据之后一并发出，接收方将7+1位传输代码求和后，与最后一位校验码比较，相同则认为没有出错。水平奇偶校验码 发送K=7位数据时，发送缓冲区中保留发送副本，发送7组数据后，对7组数据的每一行求和得出一个水平奇偶校验码。接收方按相同方法求水平校验和，某一行校验正确则表明该行传输没有出错。垂直奇偶校验、水平奇偶
25、校验过程示意图，4142 水平垂直奇偶校验码 单独使用垂直奇偶校验或水平奇偶校验，差错漏检率都是50%。但将这两种方法结合使用，不仅可以提高准确度，有时还可以确定出错比特的位置，从而纠正该错误 43（2）循环冗余码（Cyclic Redundancy Code，CRC）CRC方法是一种利用多项式除法进行冗余码生成、接收方检验传输是否出错的有效方法，具体叙述如下：由公式T=K+R可知，在K位数据比特后附加上R位冗余码组成T位传输数据。CRC首先用相应的多项式表示K位数据和R位冗余码，由此组成的传输多项式表示T位传输代码。如设K位数据位：1011001，那么对应的K-1次信息多项式K(X)=X6+
26、X4+X3+1；R位冗余码对应一个R-1次的冗余多项式R(X)，如果由给出的K(X)能够确定R(X)，那么就可以从多项式R(X)的系数得到相应的R位冗余码，也就确定了T位传输数据了。CRC方法的关键在于引入一个通信双发预先约定的R次的生成多项式G(X)，然后用XrK(X)去模2除以G(X),得到的余式就是R(X)。44例：传输信息系列为11000110101100,生成多项式G(X）=X4+X3+1，求CRC码的校验系列码。解：将信息写成多项式的形式：K(X）=X13+X12+X8+X7+X5+X3+X2X4K(X),即将信息位左移4位数得：M(X）*X4=X17+X16+X12+X11+X9
27、+X7+X6将左移后的多项式M(X）*X4除去生成多项式G(X），得到余数R(X）：R(X）=(M(X）*X4)mod(G(X）)=1011得到编码多项式T(x)：T(X）=M(X）*X4+R(X）=110001101011001011即CRC码的校验系列码为110001101011001011。45（3）海明码（一位纠错码）海明码是一种可以纠正一位差错的编码。它是利用在信息位为K位，增加R位冗余位，构成一个T=K+R位的码字，然后用R个监督关系式产生的R个校正因子来区分无错和在码字中的N个不同位置的一位错。它必须满足以下关系式：2RN+1或2RK+R+1。46位123456789101112131415*冗余位p1p21p3011p40111001
