數據通訊基礎

時間 2020-08-02

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數據通訊概念：數字傳輸與模擬傳輸，基帶傳輸與頻帶傳輸。緩存

複用技術：時分複用，頻分複用，碼分複用，統計時分複用。網絡

數據交換方式：電路交換，報文交換，分組交換，信元交換異步

數據通訊是人與機，機與機之間的通訊，要求準確性和可靠行比較高，傳輸快，可持續，可擴展性和傳輸響應時間快速，可靈活的通訊。ide

信道：信道是數據傳輸的通路，分爲有線信道和無線信道。也分爲邏輯信道和物理信道。性能

信道傳輸按信息傳送的方向和時間分爲：單工，半雙工，全雙工。編碼

單工：單向傳輸，傳統的電視，電臺，沒有交互性視頻

半雙工：能夠傳輸兩個方向的數據，可是在一段時間內只能接受一個方向的數據通訊，雙向交替。好比對講機的通訊。接口

全雙工：兩個方向的傳輸可以同時進行。電話隊列

串行通訊：數據以位流在一條信道上傳輸，費用低（單線路），傳輸效率也低，爲並行的1/8，收發保證同步，適用於計算機之間通訊與遠程通訊，通訊線路的主要傳輸方式。ip

並行通訊：數字信號與組的方式在多個並行信道上同時傳輸，速度快，不存在字符同步問題。費用高並行線路間存在電平干擾，適合近距離高速度通訊（計算機內部通訊）

二線電路與四線電路

二線自己是模擬的，傳輸短，抗干擾弱，電話與電信用戶局是典型應用

四線電路自己由兩對線路完成，一對發送，一對接受。電信各用戶局之間的線路一般是四線電路。

傳輸指標

傳輸速率，誤碼率，誤位率，信道帶寬，信道容量，時延，傳播時延帶寬積和往返時延。

傳輸速率波特/秒

傳輸速率RB=信息速率RbXlog2^M(採用的進制）

信道帶寬與信道容量

信道帶寬是指信道中傳輸的信息在不失真的狀況下所佔的頻率範圍，單位Hz

由信道物理特性所決定。

信道容量是指單位時間內信道上所能傳輸的最大位數，用位/秒錶示。

時延

一個報文或分組從一個網絡的一端傳送到另外一端所需的時間。

傳播時延，從一個站點發送數據到目的的站點開始接收數據所需的時間

傳播時延=信道長度/信號在信道上的傳輸速率

通常電纜速度是光速的2/3

發送時延，

發送時延是發送數據所須要的時間，從一個站點開始接收數據到數據接收結束所須要的時間

發送時延=須要發送的數據塊長度/信道帶寬

排隊時延

數據在交換節點爲存儲轉發而進行的一些必要處理所花費的時間。數據在交換節點等待發送在緩存的隊列中排隊所經歷的時延。

總時延=傳播時延+發送時延+排隊時延

模擬信號，電話線上的傳送的電信號是模擬用戶聲音大小的變化而變化。，在時間上或是在幅度上都是連續的。

模擬信號直觀，容易實現，但其保密性差和抗干擾能力差。電信號在沿線路的傳輸過程當中會受到外界和通訊系統內部的各類噪音干擾，噪音和信號混合後難以分開。

數字信號

電報通訊中，電報信號是用「點」和「劃」組成的電碼來表示文字和數字。

有電流表示 1 無電流表示 0 那麼點就是 1,0 劃就是1，1，1，0

離散不連續的信號，稱爲數字信號。

（1）增強了通訊的保密性，語音信號經A/D 模擬轉數字在通過D/A

(2)提升了抗干擾的能力，數字信號在傳輸的過程當中會混入雜音，能夠利用電子電路構成的門限電壓（閥值）去衡量輸入的信號電壓，只有經過達到某一電壓幅度，電路纔會有輸出值，並自動成功整齊的脈衝。較小的雜音電壓到達時，因爲它低於閥值而被過濾掉，不會引發電路動做。所以再生的信號與原信號徹底相同。

缺點

技術要求複雜，同步技術要求精度要高。須要收發雙方嚴格實現同步

佔有較高帶寬

a/d轉換產生量化偏差

傳輸差錯

噪音

熱噪音，內調製雜音，串擾，脈衝噪音

熱噪音：導體中電子震動引發，時刻存在，幅度較小，強度與頻率無關。

脈衝噪音：外界電磁干擾引發，是引發傳輸差錯的主要緣由。衝擊噪音引發相鄰的多個數據位出錯。

串擾：是信號通路之間產生了沒必要要的耦合，通常在臨近的雙絞線之間，或者在運載多個信號的同軸電纜中產生。

內調製雜音：當不一樣頻率的信號共享同一傳輸介質的時候，可能致使內調製雜音，內調製雜音的結構產生一些這樣的信號，頻率是兩個頻率的和，差，倍數。

衰減

信號在傳輸中，因爲媒介的因素，將隨時間和距離而減弱的現象。

延時變形

有線傳輸介質獨有的現象。變形是由有線類介質上信號傳播速率隨着頻率而變化所引發的，在一個信號頻帶中，中心頻率附近的信號速度最高，而頻帶兩邊的信號速度較低，因此信號變形的的這種效果稱爲延時變形。因爲信號中各類成分延時使得接收到的信息變形的這種效果稱爲延時變形。因爲延時變形，一個碼元的信號成分可能溢出到其餘的碼元，引發信號內部的相互串擾。

通道速率的計算

碼元速率B=2W帶寬

數據速率C=Wlog2(1+S/N)

S/N 信噪比

數據速率R=Blog2N

N碼元種類（調製技術）（位）

dB=10Xlg（S/N）

因爲信噪比的比值一般太大，所以一般使用分貝數（dB）來表示

同步方式

異步傳輸：雙方不須要使用某種方式來「對時」數據是按單個的字符來傳送，每一個字符被加上開始位和中止位，有時還會加上校驗位。傳輸時，這些位按照次序通過媒體，接收方在線路空閒開始受到開始位，開始傳輸數據，受到中止位，意味線路開始再次空閒。計算機串口就是典型。異步傳輸中發送和接受時鐘要一致。

同步傳輸：不設置開始中止位，傳輸一整塊數據流必須使用某種方式將傳輸雙方的時鐘進行調整。傳輸一方不停地有規律的定時發出短的脈衝信號，接收方把這些脈衝信號看成時鐘調製的依據。同步傳輸，傳輸雙方須要知道數據塊的邊界，和異步類似，數據塊被加上「前同步碼，後同步碼」有時候還會加上校驗碼。這些組合在傳輸中稱爲「幀」。

模擬數據使用數字通道傳送

模擬數據必須轉化爲數字信號，才能傳輸在數字通道，數字化要通過「採樣，量化，編碼」三個步驟。

1採樣

每隔必定時間間隔，取模擬信號的當前值做爲樣本，這是模擬信號在某一時刻的瞬時值。一個信號以固定的時間間隔，並以高於這個最大主頻兩倍的速率進行採樣，那麼這些樣本就包含了原信號的全部信息，而後經過低通濾波器。

2量化

取樣獲得的樣本是連續值，須要量化爲離散值，使用二進制碼來描述這個樣本，受到二進制碼位數的限制，這個描述必然是近似值。

3編碼

編碼是將量化後的樣本值變成相應的二進制代碼

數字數據使用模擬通道傳送

使用調製，用模擬信號對數字數據進行編碼，幅度鍵控ask，頻移編碼fsk，相移鍵控psk，在高速的調製技術中正交相移鍵控qpsk

，四相鍵控dpsk。三種基本調製常常結合使用。

數字數據使用數字通道傳送

使用代碼，各類代碼的抗噪性和定時能力各不相同。基本的數字編碼有單極性碼，極性碼，雙極性碼，歸零碼，不歸零碼和雙相碼6種。

長用於局域網的有曼切斯特編碼，差分曼切斯特編碼，經常使用於廣域網的有4b/5b碼和8b/10b碼

曼切斯特碼是一種雙相碼，用低到高電平轉換表示0，用高到低的電平轉換表示1。能夠實現自動同步，經常使用於10m以太網。

差分曼切斯特編碼是在曼切斯特編碼基礎上加上了翻轉特性，遇1翻轉，遇0不變。經常使用於令牌環網。每傳輸1位的信息，就要求線路上有2次電平狀態變化2baud，所以要實現100mps的傳輸速率，就須要200mhz的帶寬，編碼效率只有50%。

4，5，8，10，B編碼，正由於曼切斯特編碼的編碼效率不高，所以在帶寬資源寶貴的廣域網以及速率要求更高的局域網中，就出現困難，所以就有mBnB編碼，將m位編碼成n波特（代碼位），每次對m位數據進行編碼，將其轉爲n位符號。

頻分複用

當傳輸媒體的有效帶寬比傳輸要求的帶寬高，就能夠進行頻分複用技術。發送端把被傳送的各路信號的頻率分割開來，將不一樣信號分配到不一樣的頻率段。收音機，電視都使用頻分複用技術。

頻分複用爲了不串擾問題，在相鄰的兩個信號頻率斷間有一個「警惕」段。每一個信號的信息帶寬爲fm，警惕帶寬爲fg，有n路信號，則信道的頻帶總帶寬爲f=nx（fm+fg)

調頻，無線廣播的頻率範圍是88-108 電視是108-550 數字是550-750

時分複用

傳輸媒體的傳輸速率超過信號的數據率，時分複用的每一個數據佔用了傳輸媒體的所有頻帶帶寬，但沒有佔用所有的時間。每一個信息源在一個分配週期內佔用的時間片叫「時隙」時隙中可能傳輸了數據，也可能填充的空數據。在時分複用中，每一個時隙的使用是固定的

數據率不存在必定的比例狀況時，這就難以決定每一個時隙的劃分，這是使用「脈衝填充」的方法來協調數據源之間不一樣的數據率。在不一樣的數據源的數據被填入不一樣的附加空數據。達到比例水平。

統計時分多路複用

因爲時分複用在數據源空閒狀態仍然傳送該數據源的數據，形成浪費。統計複用是帶寬動態分配，異步時分複用，能夠動態地將時隙按需分配，不按照時分複用的固定時隙分配。主要應用是數字電視複用器。碼率是不恆定的，因此按照複雜程度分配碼率，實現統計複用。

實現統計複用的關鍵

1，如何對圖像序列隨時進行復雜程度的評估

2，如何適時進行視頻業務的帶寬動態分配。

波分複用

頻分複用的一種形式，應用於光纖通訊，不一樣波長的光線經過同一根光纖傳播，和頻分複用同樣，每一個信道有本身的頻率範圍。也稱爲色分複用。

數據交換方式

電路交換是一種直接的交換方式，提供了一條臨時的專用通道，能夠是物理的，也能夠是邏輯的。（公用電話網普遍使用的交換方式是電路交換）

特色：電路交換須要在兩站間創建一條專用通訊鏈路須要一段時間，叫作呼叫創建時間，在通訊鏈路創建工程中因爲交換網繁忙等緣由，而是創建失敗，交換網則要拆除已創建的部分電路，用戶須要掛掉重播，稱爲呼損。

信道是專用的，利用率比較低。

優點：提供給用戶的是「透明通路」，交換網對用戶信息的編碼方式，信息格式以及傳輸控制程序都不加限制，有雙方決定。在·傳輸的過程當中，在每一個節點的延時均可以忽略，數據以固定的數據率傳輸，除了傳播延時，沒有其餘的延時，適用於實時大批量連續的數據傳輸。

存儲交換

輸入的信息在交換設備控制下先存入緩衝存儲器暫存，並對存儲的數據進行一些必要的處理，等待輸出線路空閒時，再輸出。

存儲交換分爲報文交換和報文分組交換。

報文交換

報文交換網中，網絡節點一般爲一臺專用的計算機，配備足夠的外存，按照目的地址轉發到下一個合適的節點，被稱爲存儲轉發。

報文中有源地址和目的地址，差錯檢查和糾錯，流量控制，速率控制，編碼轉換。

報文交換不要求交換網爲通訊雙方預先創建一條專用的數據通路，不存在創建電路和拆除電路的過程，每一個節點在存儲轉發中都要校驗，糾錯功能，數據傳輸的可靠性高。

缺點：因爲採用對報文完整的接受和存儲，檢錯，糾錯，轉發，產生了節點延時，而且交換對報文長度沒有限制，報文能夠很長，這是就可能使報文長時間佔用某兩節點之間的鏈路，不利於實時交互通訊。

報文分組交換

這是對報文交換缺點所作的一種手段。

把很長的報文分紅若干較短的，標準的「報文分組」，以組爲單位進行發送，暫存和轉發。加入分組編號，最好在接收端將各報文分組按編號順序再從新組成報文。

優勢：報文分組短，在各個不一樣的節點傳送比較靈活。分組路徑自行選擇，沒必要等待其餘分組到齊，報文短，傳輸中差錯較少且一旦出錯容易糾正。

報文到達目的節點，先去掉附加的冗餘控制信息，再按編號組原來的報文，傳送給用戶。配合節點機和通訊軟件完成。（不一樣傳輸路徑，可能產生失序，重複，丟失等狀況)

數據報

對於短報文，一個報文分組就足夠容納所傳送的數據信息。單個報文分組叫作數據報，每一個分組的傳送是單獨處理，自己攜帶有足夠的信息。數據報服務是無鏈接的服務。

虛電路

爲了彌補報文分組交換方式的不足，減輕目的節點對報文分組進行重組的負擔。在發送者和接受者之間創建一條邏輯電路，一條物理鏈路能夠創建多條邏輯鏈路。虛電路一經創建就要賦予虛電路好，反映信息的傳輸通道。這樣報文就沒必要要再註明所有地址，相應地縮短了信息量。

兩種創建虛電路的方法：

交換虛電路：像打電話同樣，臨時創建客戶之間的虛電路，一次完整通訊，分爲3個階段，呼叫創建，數據傳送，拆線。適用於數據傳輸量小，隨機性強的場合。

永久虛電路：如同租用專線同樣，在客戶之間創建固定的通路。它的創建有網絡管理中心預先根據客戶需求而設定，只有數據傳輸階段，沒有了創建與拆線。

信元交換

ATM採用的交換方式，很大程度就是按照虛電路方式進行分組交換，信息被分紅信元來傳遞，而包含同一用戶信息的信元不須要在傳輸鏈路上週期性出現。

ATM協議包括物理層，ATM層，ATM適配層，和高層，物理層負責ATM信元的線路編碼，並將信元遞交給物理介質。傳輸匯聚層從ATM層接受信元。組裝成適當格式後傳送給物理介質子層。。無信息傳輸時，由傳輸層插入空閒信元，以保持信元流的連續。接受端,傳輸匯聚層歷來自物理介質子層的位流中提取信元，驗證信元頭，刪去空閒信元。傳遞給ATM層

ATM層：負責生成信元

通常流量控制GFC：僅在UNI信元中存在，ATM只在端設備與用戶設備處進行流控制。

虛路徑標識符VPI：在ATM中，若干虛通道組成一個虛路徑，並以/vp做爲網絡管理單位，至關於X.25中的邏輯信道羣號。

虛通道表示符VCI:標誌一個VPI羣中的惟一呼叫，在呼叫創建是分配，呼叫結束時釋放。ATM中呼叫由VPI和VCI共同決定。惟一決定。

淨荷類型PTI，用於指示信息字段的信息是用戶信息仍是網絡信息。

信元拋棄優先級CLP，當clp爲1 表示當網絡擁塞時能夠拋棄該信元：相反0 不能

信頭差錯控制HEC，爲了提升處理效率，ATM僅進行信頭差錯控制，以防VOI/VCI差錯

用戶與網絡之間接口UNI：ATM終端機和ATM網間的通訊接口

網絡與網絡之間接口NNI：ATM網絡與ATM網絡的通訊接口

ATM高層

這是一個與業務相關的高層。按速率，分5層

1爲定位速率UBR，對傳輸速率沒有指定，但可靠性要求很高，盡力去傳輸，用於傳輸IP分組