数据通讯基础

 

数据通讯概念：数字传输与模拟传输，基带传输与频带传输。

复用技术：时分复用，频分复用，码分复用，统计时分复用。

数据交换方式：电路交换，报文交换，分组交换，信元交换

 

数据通讯是人与机，机与机之间的通讯，要求准确性和可靠行比较高，传输快，可持续，可扩展性和传输响应时间快速，可灵活的通讯。

信道：信道是数据传输的通路，分为有线信道和无线信道。 也分为逻辑信道和物理信道。

信道传输按信息传送的方向和时间分为：单工，半双工，全双工。

单工：单向传输，传统的电视，电台，没有交互性

半双工：能够传输两个方向的数据，可是在一段时间内只能接受一个方向的数据通讯，双向交替。好比对讲机的通讯。

全双工：两个方向的传输可以同时进行。电话

 

串行通讯：数据以位流在一条信道上传输，费用低（单线路），传输效率也低，为并行的1/8，收发保证同步，适用于计算机之间通讯与远程通讯，通讯线路的主要传输方式。

并行通讯：数字信号与组的方式在多个并行信道上同时传输，速度快，不存在字符同步问题。费用高 并行线路间存在电平干扰，适合近距离高速度通讯（计算机内部通讯）

 

二线电路与四线电路

二线自己是模拟的，传输短，抗干扰弱，电话与电信用户局是典型应用

四线电路自己由两对线路完成，一对发送，一对接受。电信各用户局之间的线路一般是四线电路。

 

传输指标

传输速率，误码率，误位率，信道带宽，信道容量，时延，传播时延带宽积和往返时延。

传输速率  波特/秒

传输速率RB=信息速率RbXlog2^M(采用的进制）

 

信道带宽与信道容量

信道带宽是指信道中传输的信息在不失真的状况下所占的频率范围，单位Hz

由信道物理特性所决定。

信道容量是指单位时间内信道上所能传输的最大位数，用位/秒表示。

 

时延

一个报文或分组从一个网络的一端传送到另外一端所需的时间。

传播时延，从一个站点发送数据到目的的站点开始接收数据所需的时间

传播时延=信道长度/信号在信道上的传输速率

通常电缆速度是光速的2/3

 

发送时延，

发送时延是发送数据所须要的时间，从一个站点开始接收数据到数据接收结束所须要的时间

发送时延=须要发送的数据块长度/信道带宽

 

排队时延

数据在交换节点为存储转发而进行的一些必要处理所花费的时间。数据在交换节点等待发送在缓存的队列中排队所经历的时延。

 

总时延=传播时延+发送时延+排队时延

 

模拟信号，电话线上的传送的电信号是模拟用户声音大小的变化而变化。，在时间上或是在幅度上都是连续的。

模拟信号直观，容易实现，但其保密性差和抗干扰能力差。电信号在沿线路的传输过程当中会受到外界和通讯系统内部的各类噪音干扰，噪音和信号混合后难以分开。

 

数字信号

电报通讯中，电报信号是用“点”和“划”组成的电码来表示文字和数字。

有电流表示 1 无电流表示 0  那么点就是 1,0  划就是1，1，1，0 

离散不连续的信号，称为数字信号。

（1）增强了通讯的保密性，语音信号经A/D  模拟转数字 在通过D/A 

  (2)提升了抗干扰的能力，数字信号在传输的过程当中会混入杂音，能够利用电子电路构成的门限电压（阀值）去衡量输入的信号电压，只有经过达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动成功整齐的脉冲。较小的杂音电压到达时，因为它低于阀值而被过滤掉，不会引发电路动做。所以再生的信号与原信号彻底相同。

缺点

技术要求复杂，同步技术要求精度要高。须要收发双方严格实现同步

占有较高带宽

a/d转换产生量化偏差

 

传输差错

 

噪音

热噪音，内调制杂音，串扰，脉冲噪音

热噪音：导体中电子震动引发，时刻存在，幅度较小，强度与频率无关。

脉冲噪音：外界电磁干扰引发，是引发传输差错的主要缘由。冲击噪音引发相邻的多个数据位出错。

串扰：是信号通路之间产生了没必要要的耦合，通常在临近的双绞线之间，或者在运载多个信号的同轴电缆中产生。

内调制杂音：当不一样频率的信号共享同一传输介质的时候，可能致使内调制杂音，内调制杂音的结构产生一些这样的信号，频率是两个频率的和，差，倍数。

 

衰减

信号在传输中，因为媒介的因素，将随时间和距离而减弱的现象。

 

延时变形

有线传输介质独有的现象。变形是由有线类介质上信号传播速率随着频率而变化所引发的，在一个信号频带中，中心频率附近的信号速度最高，而频带两边的信号速度较低，因此信号变形的的这种效果称为延时变形。因为信号中各类成分延时使得接收到的信息变形的这种效果称为延时变形。因为延时变形，一个码元的信号成分可能溢出到其余的码元，引发信号内部的相互串扰。

 

 

通道速率的计算

码元速率B=2W带宽

数据速率C=Wlog2(1+S/N)

S/N 信噪比

数据速率R=Blog2N

N码元种类（调制技术）（位）

dB=10Xlg（S/N）

因为信噪比的比值一般太大，所以一般使用分贝数（dB）来表示

 

同步方式

异步传输：双方不须要使用某种方式来“对时”数据是按单个的字符来传送，每一个字符被加上开始位和中止位，有时还会加上校验位。传输时，这些位按照次序通过媒体，接收方在线路空闲开始受到开始位，开始传输数据，受到中止位，意味线路开始再次空闲。计算机串口就是典型。异步传输中发送和接受时钟要一致。

 

同步传输：不设置开始中止位，传输一整块数据流必须使用某种方式将传输双方的时钟进行调整。传输一方不停地有规律的定时发出短的脉冲信号，接收方把这些脉冲信号看成时钟调制的依据。同步传输，传输双方须要知道数据块的边界，和异步类似，数据块被加上“前同步码，后同步码” 有时候还会加上校验码。这些组合在传输中称为“帧”。

 

模拟数据使用数字通道传送

模拟数据必须转化为数字信号，才能传输在数字通道，数字化要通过“采样，量化，编码”三个步骤。

1采样

每隔必定时间间隔，取模拟信号的当前值做为样本，这是模拟信号在某一时刻的瞬时值。一个信号以固定的时间间隔，并以高于这个最大主频两倍的速率进行采样，那么这些样本就包含了原信号的全部信息，而后经过低通滤波器。

2量化

取样获得的样本是连续值，须要量化为离散值，使用二进制码来描述这个样本，受到二进制码位数的限制，这个描述必然是近似值。

3编码

编码是将量化后的样本值变成相应的二进制代码

 

数字数据使用模拟通道传送

使用调制，用模拟信号对数字数据进行编码，幅度键控ask，频移编码fsk，相移键控psk，在高速的调制技术中正交相移键控qpsk

，四相键控dpsk。三种基本调制常常结合使用。

 

数字数据使用数字通道传送

使用代码，各类代码的抗噪性和定时能力各不相同。基本的数字编码有单极性码，极性码，双极性码，归零码，不归零码和双相码6种。

长用于局域网的有曼切斯特编码，差分曼切斯特编码，经常使用于广域网的有4b/5b码和8b/10b码

曼切斯特码是一种双相码，用低到高电平转换表示0，用高到低的电平转换表示1。能够实现自动同步，经常使用于10m以太网。

差分曼切斯特编码是在曼切斯特编码基础上加上了翻转特性，遇1翻转，遇0不变。经常使用于令牌环网。每传输1位的信息，就要求线路上有2次电平状态变化2baud，所以要实现100mps的传输速率，就须要200mhz的带宽，编码效率只有50%。

4，5，8，10，B编码，正由于曼切斯特编码的编码效率不高，所以在带宽资源宝贵的广域网以及速率要求更高的局域网中，就出现困难，所以就有mBnB编码，将m位编码成n波特（代码位），每次对m位数据进行编码，将其转为n位符号。

 

频分复用

当传输媒体的有效带宽比传输要求的带宽高，就能够进行频分复用技术。发送端把被传送的各路信号的频率分割开来，将不一样信号分配到不一样的频率段。收音机，电视都使用频分复用技术。

频分复用为了不串扰问题，在相邻的两个信号频率断间有一个“警惕”段。每一个信号的信息带宽为fm，警惕带宽为fg，有n路信号，则信道的频带总带宽为f=nx（fm+fg)

调频，无线广播的频率范围是88-108    电视是108-550   数字是550-750

 

时分复用

传输媒体的传输速率超过信号的数据率，时分复用的每一个数据占用了传输媒体的所有频带带宽，但没有占用所有的时间。每一个信息源在一个分配周期内占用的时间片叫“时隙”时隙中可能传输了数据，也可能填充的空数据。在时分复用中，每一个时隙的使用是固定的

数据率不存在必定的比例状况时，这就难以决定每一个时隙的划分，这是使用“脉冲填充”的方法来协调数据源之间不一样的数据率。在不一样的数据源的数据被填入不一样的附加空数据。达到比例水平。

 

统计时分多路复用

因为时分复用在数据源空闲状态仍然传送该数据源的数据，形成浪费。统计复用是带宽动态分配，异步时分复用，能够动态地将时隙按需分配，不按照时分复用的固定时隙分配。主要应用是数字电视复用器。码率是不恒定的，因此按照复杂程度分配码率，实现统计复用。

实现统计复用的关键

1，如何对图像序列随时进行复杂程度的评估

2，如何适时进行视频业务的带宽动态分配。

 

波分复用

频分复用的一种形式，应用于光纤通讯，不一样波长的光线经过同一根光纤传播，和频分复用同样，每一个信道有本身的频率范围。也称为色分复用。

 

数据交换方式

电路交换是一种直接的交换方式，提供了一条临时的专用通道，能够是物理的，也能够是逻辑的。（公用电话网普遍使用的交换方式是电路交换）

特色：电路交换须要在两站间创建一条专用通讯链路须要一段时间，叫作呼叫创建时间，在通讯链路创建工程中因为交换网繁忙等缘由，而是创建失败，交换网则要拆除已创建的部分电路，用户须要挂掉重播，称为呼损。

信道是专用的，利用率比较低。

优点：提供给用户的是“透明通路”，交换网对用户信息的编码方式，信息格式以及传输控制程序都不加限制，有双方决定。在·传输的过程当中，在每一个节点的延时均可以忽略，数据以固定的数据率传输，除了传播延时，没有其余的延时，适用于实时大批量连续的数据传输。

 

存储交换

输入的信息在交换设备控制下先存入缓冲存储器暂存，并对存储的数据进行一些必要的处理，等待输出线路空闲时，再输出。

存储交换分为报文交换和报文分组交换。

 

报文交换

报文交换网中，网络节点一般为一台专用的计算机，配备足够的外存，按照目的地址转发到下一个合适的节点，被称为存储转发。

报文中有源地址和目的地址，差错检查和纠错，流量控制，速率控制，编码转换。

报文交换不要求交换网为通讯双方预先创建一条专用的数据通路，不存在创建电路和拆除电路的过程，每一个节点在存储转发中都要校验，纠错功能，数据传输的可靠性高。

缺点：因为采用对报文完整的接受和存储，检错，纠错，转发，产生了节点延时，而且交换对报文长度没有限制，报文能够很长，这是就可能使报文长时间占用某两节点之间的链路，不利于实时交互通讯。

 

报文分组交换

这是对报文交换缺点所作的一种手段。

把很长的报文分红若干较短的，标准的“报文分组”，以组为单位进行发送，暂存和转发。加入分组编号，最好在接收端将各报文分组按编号顺序再从新组成报文。

优势：报文分组短，在各个不一样的节点传送比较灵活。分组路径自行选择，没必要等待其余分组到齐，报文短，传输中差错较少且一旦出错容易纠正。

报文到达目的节点，先去掉附加的冗余控制信息，再按编号组原来的报文，传送给用户。配合节点机和通讯软件完成。（不一样传输路径，可能产生失序，重复，丢失等状况)

数据报

对于短报文，一个报文分组就足够容纳所传送的数据信息。单个报文分组叫作数据报，每一个分组的传送是单独处理，自己携带有足够的信息。数据报服务是无链接的服务。

虚电路

为了弥补报文分组交换方式的不足，减轻目的节点对报文分组进行重组的负担。在发送者和接受者之间创建一条逻辑电路，一条物理链路能够创建多条逻辑链路。虚电路一经创建就要赋予虚电路好，反映信息的传输通道。这样报文就没必要要再注明所有地址，相应地缩短了信息量。

两种创建虚电路的方法：

交换虚电路：像打电话同样，临时创建客户之间的虚电路，一次完整通讯，分为3个阶段，呼叫创建，数据传送，拆线。适用于数据传输量小，随机性强的场合。

永久虚电路：如同租用专线同样，在客户之间创建固定的通路。它的创建有网络管理中心预先根据客户需求而设定，只有数据传输阶段，没有了创建与拆线。

 

信元交换

ATM采用的交换方式，很大程度就是按照虚电路方式进行分组交换，信息被分红信元来传递，而包含同一用户信息的信元不须要在传输链路上周期性出现。

ATM协议包括物理层，ATM层，ATM适配层，和高层，物理层负责ATM信元的线路编码，并将信元递交给物理介质。传输汇聚层从ATM层接受信元。组装成适当格式后传送给物理介质子层。。无信息传输时，由传输层插入空闲信元，以保持信元流的连续。接受端,传输汇聚层历来自物理介质子层的位流中提取信元，验证信元头，删去空闲信元。传递给ATM层

ATM层：负责生成信元

通常流量控制GFC：仅在UNI信元中存在，ATM只在端设备与用户设备处进行流控制。

虚路径标识符VPI：在ATM中，若干虚通道组成一个虚路径，并以/vp做为网络管理单位，至关于X.25中的逻辑信道群号。

虚通道表示符VCI:标志一个VPI群中的惟一呼叫，在呼叫创建是分配，呼叫结束时释放。ATM中呼叫由VPI和VCI共同决定。惟一决定。

净荷类型PTI，用于指示信息字段的信息是用户信息仍是网络信息。

信元抛弃优先级CLP，当clp为1 表示当网络拥塞时能够抛弃该信元：相反0 不能

信头差错控制HEC，为了提升处理效率，ATM仅进行信头差错控制，以防VOI/VCI差错

用户与网络之间接口UNI：ATM终端机和ATM网间的通讯接口

网络与网络之间接口NNI：ATM网络与ATM网络的通讯接口

 

ATM高层

这是一个与业务相关的高层。按速率，分5层

1为定位速率UBR，对传输速率没有指定，但可靠性要求很高，尽力去传输，用于传输IP分组

2不变位速率CBR，面向链接，有固定的带宽要求，适用实时的话音和视频信号传输，即模拟铜线和光纤通道。

3可变为速率ABR，只须要指定峰值和谷值，用于突发性的通信

4可变位速率VBR，容许随时可变的带宽，但必须指定峰值，带宽，最大突发数据长度和必须维持的的最低速率。

5用户或厂家自定义的服务，当须要传输压缩的视频流数据时，采用的服务类别最好是rt-VBR

 

ATM适配层

AAL是高层和ATM层间的接口

AAL1：这种通讯类型适用与面向持续，而且在接续点检具备定时关系，不变率业务

AAL2：和aal1类似，与aal1的区别在于aal2为可变位率，所以其传输的为是随业务的变法而变法。

AAL3/4：消息模式适合固定大小或可变长度的真数据，流模式合适传输低延时的低俗可变长数据分组。面向链接无无链接服务

AAL5：这个针对计算机行业提出，无链接，可变位，不须要传输到远端的定时信息，主要用于写道ip数据分组。

 

广播

概念：多个节点共享一个通讯信道，节点以广播形式发布信息，该节点发出的信息会被其余处源节点因此节点接收到。

 

 

传输介质

双绞线：分为UTP非屏蔽双绞线和STP屏蔽双绞线。

直通线：两端T568A/B

交叉线：一端A一端B

同轴电缆：传输信号的铜芯和用于屏蔽的导体是共轴的，

基带同轴电缆（粗同轴电缆）宽带同轴电缆（细同轴电缆）

同轴电缆是一种屏蔽电缆，传输距离长，信号稳定。在高档监视器，音响设备中常常用来传输音频，视频信号。（组网中，一个节点发送故障，就会影响整个线缆上的全部机器）

 

光纤

传输频道宽，通讯容量大，耗损低，电磁绝缘性好，重量轻，工做性能可靠。

光纤分单模光纤和多模光纤

单模光纤：纤芯直径很小，在给定的的工做波长只能以单一模式传输，传输频带宽，量大。像一条线传输，传输远，造价比较高，须要激光做为光源，通常用于广域网主干网络

多模光纤：给定的工做波长上能以多个模式同时传输的光纤，数据传输速率小于单模光纤，当时相对便宜，能够以发光二极管做为光源，通常是局域网组网的传输介质。

 

无线电

导体中电流强弱的改变会产生无限电波，经过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波电波经过空间传播达到收信端，电波引发的电磁场变化又会在导体中产生电流，经过解调将信息从电流变化中提取出来，达到信息的传递。

频率范围3KHz-300GHz

长波：波长>1000m,频率30khz-300khz

中波：波长100-1000m，频率300khz-3mhz

短波：波长10-100m，频率3mhz-30mhz

超短波：波长1-10m，频率30mhz-300mhz

微波：1mm-1m，频率300mhz-300ghz

无线电能够被电离层反射，所以被普遍用于通讯。

中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通讯。短波去有较强的电离层反射能力，适用于环球通讯。超短波和微波的绕射能力较差，可做为视距或者超视距中继通讯。

低频无线电穿透能力强，随传输距离增长能量迅速减弱

高频无线电则受障碍物。天气影响大。

微波

经过一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，数字微波产生了一个革命性的变化，现今的卫星通讯，移动通讯，全数字电视传输，经过高速有线无线的接入。

 

微波优势（陆地微波，卫星微波）

1频带宽，通讯容量大，多波道同时工做互不影响。

2抗干扰，噪声不积累，微波线路中，采用数字信号进行处理再生中继器，不会随着传输距离的增长噪声积累，模拟微波通讯的线路是积累的。

3保密性强。采用随机码对输入信息进行扩展频谱编码处理，而后调制。

4通讯灵活，移动性高

 

检错于纠错

奇偶校验

海明码和恒比码

循环冗余校验码（网络通讯及磁盘存储）