数据通信基础

数据传输系统

组成

数据传输系统由结点、收发器和信道组成(结点和收发器可能在同一个终端,比如电脑中的网卡)

结点

可以是终端、服务器或者交换机等设备,用于产生需要传输的二进制位流或接受二进制位流

收发器

连接发送端的收发器将数据转换成信号,连接接收端的收发器实现将信号还原成数据。调制解调器就是一个收发器实例

信道

信号传播通道,有各种不同的信道,如光信号信道、电信号信道、有线信道、无线信道、单段物理链路信道和多段物理链路组合信道等。信道分为点对点连接方式和多点连接方式(广播通信)

数据通信方式

  • 单工通信:又称单向通信,指数据只能沿一个固定方向传输,即传输是单向的,而且任何时候都不能改变数据传输方向
  • 半双工通信:又称双向交替通信,指数据允许沿两个方向传输,任一时刻只能沿一个方向传输数据。两端设备都允许发送、接收数据,但任一时刻不能同时既发送又接收数据
  • 全双工通信 :又称双向同时通信,指允许同时沿两个方向传输数据,这种通信方式下,两端设备之间必须同时存在两个方向的信道。一般情况下,采用全双工通信方式的数据传输系统,信道连接方式为点对点连接方式,且两个设备由双向信道(允许同时双向通信的信道)互连

数据传输系统的分类

  • 数字传输系统:用数字信号传输二进制位流
  • 模拟传输系统:用模拟信号传输二进制位流

信号

周期性的数字信号和模拟信号都可以通过傅里变换分解为许多频率不同、幅度不等的正弦波信号。正弦波信号有幅度、周期和初始相位三参数:f(t)=Asin(ωt+φ)。用于合成周期性数字信号的不同频率的正弦波信号称为谐波

带宽(模拟带宽)

这里的带宽(Hz)和网络带宽(bps:数据的传输速率)不是一个概念,这个带宽表示在某一种介质中,在0到某个频率f的这段范围内,信号的振幅在传输过程中不会衰减,而在f这个频率之上的所有频率的振幅将会有不同程度的衰减。这段在传输过程中不会明显减弱的频率的宽度称为带宽。通产情况下的带宽是指从0到使得接收能量保留一半的那个频率位置,而不是上面那个严格的f

数字信号

幅度为有限离散值的信号称为数字信号。改变幅度时,直接从一种幅度跳转到另一种幅度。将幅度只有两种离散值的数字信号称为基带信号,基带信号正好可以表示二进制位中的0和1,因此基带信号常常作为最常用的表示二进制位流的数字信号。由有限次谐波合成的接近原始周期性数字信号的信号称为拟合周期性数字信号

模拟信号

幅度连续的信号称为模拟信号,模拟信号也可以通过有限的谐波模拟而成,由有限次不同频率正弦波信号合成的接近原周期性模拟信号的信号称为拟合周期性模拟信号

信号的失真

数字信号和模拟信号都会引发失真,这就是不同的介质带宽是不同的,会造成某些频率的衰减

编码和调制

编码

将二进制位流转换成数字信号的过程称为编码。将数字信号转换成二进制位流称为解码,解码是编码的逆过程。

编码的方式

  • 基带信号表示
  • 4级幅度的数字信号:0伏表示00、1伏表示01、2伏表示10、3伏表示11。

码元长度和码元

数字信号中,某个离散值维持不变的最小时间单位称为码元长度。每一个码元长度内的信号称为码元,码元是信号的基本单位。单位时间内传输的码元数称为波特率(数字信号速率),他应该是码元长度的倒数。对于基带信号,数据传输速率等于波特率,4级幅度的数字信号的数据传输速率等于2倍的波特率。如果一个数字信号有n个离散值,那么它的码元可以表示的二进制位就为log2^n(如基带信号和4级幅度的数字信号)。如果数字信号的波特率为B,那么数据传输速率S = log2^n * B,于是数据传输速率受波特率和幅度的离散值影响,但是波特率越高,带宽要求越高,而幅度越多,还原能力就越差,所以实际情况应该权衡考虑而不是一味的增大波特率和幅度级数

特别注意,这里的波特率和网络交换技术 一文中的信号传播速度不是一个概念,信号传播速度是每秒传送的距离,而波特率是每秒传送的码元数

调制

把二进制位转换成模拟信号的过程称为调制,把模拟信号转换成二进制位流的过程称为解调。

调制的方法

  • 振幅键控调制技术(ASK):用两种不同幅度的载波信号来表示两个不同的二进制数值,通常一种幅度为0,另一种幅度采用正常值
  • 移频键控调制技术(FSK):用两种不同频率的信号来表示两个不同的二进制数值
  • 移相键控调制技术(PSK):通过改变载波的相位来表示不同的二进制数值
    • 相对移相:二进制数0的信号和前面信号相同相位,二进制数1的信号和前面信号相反相位(180°),信号根据当前情况去沿用或不沿用前面的信号
    • 绝对移相:二进制数0和二进制数1分别用两种不同的相反相位(相差180°)的载波信号表示,信号是固定的

这三个方法都是改变载波信号(正弦波信号)三个参数中的一个来进行调制,我们也可以该表其中两个来调制,这种技术叫着正交调制技术

码元长度和码元

模拟信号中,指维持正弦波信号(或余弦波信号)幅度、频率和相位不变的最短时间长度称为码元长度。每一段码元长度内的信号称为码元。理想情况下,模拟信号的波特率等于2倍带宽(奈奎斯特证明信号经过一个带宽为B的低通滤波器,那么只要进行每秒2B次采样,就可以重构出该信号),最大传输速率S = 2 * BW * log2^n(BW为带宽,这就是奈奎斯特准则)。而在不理想的情况下:RS = BW * log2^(1+S/N)(S/N为信号信噪比),香农定理表明,存在随机热噪声的信道中,信道最大传输速率取决于信道带宽和经过信道传播的信号的信噪比,与信号的编码或调制技术无关

差错控制

出错

发送端发送的二进制位流与接收端接收到的二进制位流不一致

检错码

为了使得接收端能够检测出数据传输过程中发生的错误而添加的附加信息,如果数据是D,检错码是C:C = f(D)。计算检错码C的函数f最好具备以下特点:

  • 不同的数据D对应着不同的C
  • C的位数远小于D且固定
  • 函数f计算过程简单

检错码生成方式

  1. 检验和
    • 将数据分为长度固定(一般是字节的整数倍)的数据段,根据反码运算规则累加分段后产生的每一段数据,将累加结果取反作为检错码C。数据分段反码相加取反
  2. 循环冗余检验(Cyclic Redundancy Check,CRC)
    • 假定传输的数据为M(x)=11000011
    • 找一个除数G(x)=10011,G(x)最高位指数为r=4
    • 11000011 * 2^r =110000110000
    • 110000110000 / 10011得到的余数R
    • R就是数据11000011的检错码
    • 检错过程: 接收到的数据(M(x)’× 2r– R )/ G(x),如果整除, 说明M(x)= M(x)’,否则M(x) ≠ M(x)’
    • 关键是找除数G(x) ,G(x)称为生成多项式

目前Internet中常用的检错码是检验和与循环冗余检验(CRC),CRC的检错能力远大于检验

确认和重传

通过检错码的方式确认数据正确与否后,如果正确接收方需要发送应答帧,如果不正确则不发送应答帧,如果发送端在计时器内没有收到应答帧则重传。发送端没有接收到应答帧有可能是数据错误,又有可能是发送方没后接收到应答帧,这样可能造成接收端重复接收数据,为了解决这个问题,可以在发送时增加一个序号,接收端可以根据序号确认是否为重复接收,这样应答帧也需要增加一个序号表示应答哪一个数据,这个序号就是在发送端数据序号加1。发动端可以连续发送数据,比如连续发送序号为1和2的数据,接收端接收到以后回复一个序号为3的序号,说明序号为1和2数据已经收到。一般用两位二进制位表示序号,循环重复使用,这样序号相同的没有被确认的数据帧只能有一帧,接收端能够区分序号相同的不同数据帧

例题

假定信道传输速率为1Gbps,信道长度为2km,信号传播速率为(2/3)c,每一帧数据帧的长度为1000B,每一帧确认应答帧的长度为20B。如果发送端发送完当前数据帧后,必须等待,直到接收到接收端发送的确认应答帧后,才能发送下一帧数据帧。求发送端的最大吞吐率。(即停止等待算法下的发送端最大吞吐率)

吞吐率

吞吐率S就是一段时间内的平均传输速率如果某段时间T内传输的二进制位数为N,S = N/T

T = T=发送端发送数据帧时间+数据帧的信号传播时间+接收端发送应答帧时间+应答帧信号传播时间

T=(1000×8)/109+(2×103)/(2×108)+(20×8)/109+(2×103)/(2×108)=2.816×10-5

S = =(1000×8)/(2.816×10-5)= 284Mbps

传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介,用于构成数据传输系统中两个收发器之间的信道。传输媒体分为导向传输媒体和非导向传输媒体,常见导向传输媒体同轴电缆、双绞线和光纤。非导向媒体就为自由空间

同轴电缆

粗同轴电缆和细同轴电缆的接入方式不同,另外粗同轴电缆有一个外置的收发器

双绞线

优点:

  1. 可以实现全双工通信
  2. 价格便宜
  3. 柔软性好,容易布线

缺点:

  1. 频率特性不及同轴电缆
  2. 抗干扰能力差

光纤

光纤是光导纤维的简写,是一种由玻璃或塑料制成的纤维。光纤通信是指利用光纤传播光脉冲进行的通信过程。有光
脉冲相当于数字信号1,没有光脉冲相当于数字信号0。

  • 单模光纤:10-80km
  • 多模光纤:<250m

双绞线和光纤是互补性很强的两种传输媒体,双绞线和光纤成为主流的传输媒体

数据传输系统的功能

数据传输系统的主要功能有三个:

  1. 将二进制位流转为信号
  2. 传输信号
  3. 差错控制

这就是OSI七层参考体系中物理层和链路层的定义的功能,而在TCP/IP体系结构中,就是网络接口层的功能

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