第1章計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概述1.5數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

本章主要內(nèi)容數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識

通信系統(tǒng)模型調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號正文正文源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)PC機(jī)輸出信息m’傳輸系統(tǒng)輸入信息m發(fā)送的信號S(t)源點發(fā)送器接收器噪聲輸入數(shù)據(jù)d(t)接收的信號r(t)輸出數(shù)據(jù)d’(t)終點通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)模型(續(xù)1)源系統(tǒng)源點它是生成數(shù)據(jù)的設(shè)備。如計算機(jī)輸出的數(shù)字比特流。發(fā)送器通常源點生成的數(shù)據(jù)要通過發(fā)送器編碼后才能夠成為在傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸?shù)碾姶判盘?。典型的發(fā)送器是調(diào)制器，它將計算機(jī)輸出的數(shù)字比特流轉(zhuǎn)換成可在電話網(wǎng)上傳輸?shù)哪M信號。傳輸系統(tǒng)傳輸線或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目的系統(tǒng)接收器接收來自傳輸系統(tǒng)的信號，并將其轉(zhuǎn)換成終點可處理的信息。典型的接收器是解調(diào)器，它把來自傳輸線路上的模擬信號進(jìn)行解調(diào)，還原出發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)字比特流。

終點獲取來自接收器數(shù)據(jù)的設(shè)備。1-信息、數(shù)據(jù)和信號1、信息通信是在源點與終點之間傳遞信息。信息和消息是兩個不同概念的名詞。消息是指能向人們表達(dá)客觀物質(zhì)運動和主觀思維活動的文字、符號、數(shù)據(jù)、語音和圖像等。它具有兩個特點為：①能被通信雙方所理解；②可以相互傳遞。信息是指包含在消息中對通信者有意義的內(nèi)容。消息是信息的載體，消息中可能包含有信息。信息、數(shù)據(jù)和信號2、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是對某一事實的不經(jīng)解釋并賦予一定含義的數(shù)字、字母、文字等符號及其組合的原始表達(dá)。是消息的一種表示形式，是傳達(dá)某種意義或信息的實體。當(dāng)信息被表示為數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)中就包含了信息。因此，信息可以通過解釋數(shù)據(jù)來產(chǎn)生。數(shù)據(jù)分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)具有連續(xù)的值(如聲音等)，而數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)則具有離散的值(如文本等)。信息、數(shù)據(jù)和信號3、信號信號的分類信號是數(shù)據(jù)的具體表示形式。目前常用的是電信號。對數(shù)據(jù)通信有用的幾種分類方法。(1)模擬信號與數(shù)字信號(2)連續(xù)信號與離散信號(3)隨機(jī)信號與確定信號(4)周期信號與非周期信號信息、數(shù)據(jù)和信號信號的特性信號的特性表現(xiàn)在時間特性和頻率特性兩個方面。時間特性主要指信號隨時間變化的特性。信號隨時間變化的表現(xiàn)包含了信號的全部信息量。頻率特性是指信號可用頻譜函數(shù)來表示的特性。頻譜函數(shù)表征信號的各頻率成分，以及各頻率成分的振幅和相位。2-傳輸信道1、信道概述廣義信道將傳輸媒體和完成各種形式的變換功能的設(shè)備都包含在內(nèi)的信道。根據(jù)具體的研究對象和關(guān)心的問題，可定義不同類型的廣義信道。如調(diào)制信道、編碼信道等。狹義信道僅指傳輸媒體的信道。廣義信道（編碼信道）傳輸系統(tǒng)源點編碼器調(diào)制器載波機(jī)載波機(jī)解調(diào)器解碼器終點狹義信道廣義信道（調(diào)制信道）傳輸信道信道的功能具有兩面性：它既為信號提供傳輸通路，又對信號造成損害(如衰減和畸變)。實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形數(shù)字信號通過實際信道的兩種情況⑴有失真，尚可識別⑵失真大，無法識別

傳輸信道信道和電路是兩個不同的概念。它是電路的邏輯部件。通常用來表示某一個方向傳送信息的媒體，一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。傳輸信道信道分類(1)模擬信道和數(shù)字信道按照信道上傳輸?shù)男盘柗N類分為：模擬信道允許傳輸波形連續(xù)變化的模擬信號的信道。其傳輸特性可用等效的四端網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)來表示。模擬信道又可分為恒參信道和變參信道。其質(zhì)量可用失真和輸出信噪比來衡量。數(shù)字信道只允許傳輸離散取值的數(shù)字信號的信道。其質(zhì)量可用差錯率和差錯序列的統(tǒng)計特性來衡量。傳輸信道(2)單工、半雙工和全雙工信道按照信道上信號傳送方向與時間的關(guān)系分為：單工信道半雙工信道全雙工信道(3)專(租)用信道和公用信道按照使用信道的方法分為：專用信道公用信道2-傳輸信道(續(xù)4)(4)有線信道和無線信道按照信道采用傳輸媒體的不同分為：有線信道以有形的導(dǎo)向傳輸媒體(如雙絞線、同軸電纜、光纜)為傳輸媒體的信道。無線信道以非導(dǎo)向傳輸媒體(如宇宙空間)為傳輸媒體的信道。利用現(xiàn)有信道來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是一種既經(jīng)濟(jì)又可行的方案，但必須了解信道的特點，以及它對傳輸數(shù)據(jù)信號的影響和限制。2-傳輸信道(續(xù)5)2、信道容量對于給定的信道環(huán)境，傳輸速率與誤碼率有何關(guān)系？或者說，在一定的誤碼率條件下，傳輸速率是否存在一個極限值？信息論證明了這個極限值的存在，并稱其為信道容量。信道容量對于給定的信道環(huán)境，在傳輸差錯率(即誤碼率)趨向零的情況下，單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)男畔⒘??；蛘咝诺廊萘渴切诺涝趩挝粫r間里所能傳輸?shù)淖畲笏俾?。其單位是比?秒(bit/s)。2-傳輸信道(續(xù)6)(1)模擬信道的信道容量香農(nóng)定律指出：在信號平均功率受限的高斯白噪聲信道中，計算信道容量的理論公式為(2-6)(b/s)上式中，

是信道帶寬，以Hz為單位；是平均信號噪聲功率比，為信號功率，為噪聲功率。這里的噪聲為正態(tài)分布的加性高斯白噪聲。高斯白噪聲在整個頻域具有均勻分布的功率譜密度及噪聲的概率密度函數(shù)服從高斯分布(正態(tài)分布)。2-傳輸信道(續(xù)7)香農(nóng)公式的重要結(jié)論：①任何一條信道都有其信道容量。如信源的傳輸速率小于或等于信道容量，則理論上就存在一種編碼方法，使得進(jìn)行無差錯傳輸。②信道容量與帶寬和信噪比有關(guān)。增加帶寬可以提高信道容量，從而改善通信質(zhì)量。這就是常用的帶寬互換功率的方法。編碼和調(diào)制是實現(xiàn)帶寬與信噪比互換的手段。③如果B→∞，則信道容量并不會趨向于無限大，而是趨于常數(shù)。這里為單位頻帶內(nèi)的噪聲功率。④如考慮到信道容量是傳輸?shù)男畔⒘縄與傳輸時間t之比，則香農(nóng)公式可改寫為。說明B和T之間也存在某種互換關(guān)系。

2-傳輸信道(續(xù)8)(2)數(shù)字信道的信道容量奈奎斯特認(rèn)為，即使是理想信道（無噪聲、無碼間干擾），它的傳輸能力也是有限的。對于一條有限帶寬、無噪聲的理想信道信道容量的計算公式：M是被傳輸信號的取值狀態(tài)數(shù)。上式表明，對于給定的帶寬可以通過增加信號取值的狀態(tài)數(shù)來提高信道容量。但這將會加重接收器的負(fù)擔(dān)。也即在每個信號碼元時間內(nèi)，必須從M個可能的狀態(tài)中區(qū)分出一個狀態(tài)來。同時，傳輸線上的噪聲和其他損傷也將會限制的實際取值。(2-10)(b/s)2-傳輸信道(續(xù)9)3、傳輸方式和傳輸速率(1)傳輸方式

①基帶傳輸和頻帶傳輸按照傳輸系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)信號過程中是否搬移其頻譜，傳輸方式可分兩類：基帶傳輸指不搬移信號頻譜的傳輸體制。頻帶傳輸指利用調(diào)制解調(diào)器搬移信號頻譜的傳輸體制。之所以搬移頻譜是為了適應(yīng)信道的頻率特性。2-傳輸信道(續(xù)10)②串行傳輸和并行傳輸按照傳輸數(shù)據(jù)的時空順序，傳輸方式可分為兩類：串行傳輸指數(shù)據(jù)在一個信道上按位依次傳輸?shù)姆绞?。其特點是：所需線路數(shù)少，投資省，線路利用率高；在發(fā)送和接收端需要分別進(jìn)行并/串和串/并轉(zhuǎn)換；收發(fā)之間必須實施同步。適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

并行傳輸指數(shù)據(jù)在多個信道上同時傳輸?shù)姆绞健Ｆ涮攸c是：在終端裝置和線路之間不需要對傳輸代碼作時序變換；需要n條信道的傳輸設(shè)施，故其成本較高。適用于要求傳輸速率高的短距離數(shù)據(jù)傳輸。2-傳輸信道(續(xù)11)串行傳輸

接收端

發(fā)送端01001010并/串轉(zhuǎn)換串/并轉(zhuǎn)換01001100并行傳輸發(fā)送端接收端2-傳輸信道(續(xù)12)③異步傳輸和同步傳輸在串行傳輸時，發(fā)收雙方必須實現(xiàn)的同步有三種，即比特同步、字符同步和塊(或幀)同步。其實現(xiàn)方法可分為兩類：異步傳輸01010010起始位停止位線路空閑1個字符傳送方向2-傳輸信道(續(xù)13)同步傳輸┅同步標(biāo)志幀信息傳送方向幀信息同步標(biāo)志┅異步/同步傳輸?shù)膮^(qū)別是：異步傳輸?shù)陌l(fā)送器的接收器的時鐘是不同步的，而同步傳輸兩者的時鐘是同步的。2-傳輸信道(續(xù)14)④單工、半雙工和全雙工按照數(shù)據(jù)信號在信道上的傳送方向與時間的關(guān)系，傳輸方式可分為三類：單工指兩個站之間只能沿一個指定的方向傳送數(shù)據(jù)信號。半雙工指兩個站之間可以在兩個方向上傳送數(shù)據(jù)信號，但不能同時進(jìn)行。又稱“雙向交替”模式。全雙工指兩個站之間可以在兩個方向上同時傳送數(shù)據(jù)信號。2-傳輸信道(續(xù)15)

(a)單工通信(單向通信)(b)半雙工通信(雙向交替通信)(c)全雙工通信(雙向同時通信)A站A站A站B站B站B站2-傳輸信道(續(xù)16)(2)傳輸速率傳輸速率指單位時間內(nèi)傳送的信息量，是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸能力的一個重要指標(biāo)。常用的有兩種傳輸速率：調(diào)制速率(或波特率、碼元速率)表示信號在調(diào)制過程中，單位時間內(nèi)信號波形的變換次數(shù)。其單位是波特。在數(shù)據(jù)通信中，單位調(diào)制信號波被稱為碼元，因而調(diào)制速率也可定義為每秒鐘傳輸?shù)男盘柎a元個數(shù)，所以調(diào)制速率又稱為碼元傳輸速率(簡稱碼元速率)。(Baud)(2-11)2-傳輸信道(續(xù)17)數(shù)據(jù)信號速率(或傳信率、比特率)指單位時間內(nèi)通過信道的信息量。其單位是比特/秒。式中，n為并行傳輸?shù)耐窋?shù)；Ti為第i路單位調(diào)制信號波的時間長度(s)；Mi為第i路調(diào)制信號波的狀態(tài)數(shù)。常用的數(shù)據(jù)信號速率的單位還有

1kb/s＝1000b/s，1Mb/s＝1000kb/s，1Gb/s＝1000Mb/s，1Tb/s＝1000Gb/s。調(diào)制速率與數(shù)據(jù)信號速率的關(guān)系(b/s)(2-12)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)1、速率速率是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最重要的一個性能指標(biāo)。指計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)在信道上單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。其單位是b/s(bit/s或bps)。有時也用kb/s，Mb/s，Gb/s

等。又稱數(shù)據(jù)率(datarate)或比特率(bitrate)。比特(bit)是計算機(jī)中數(shù)據(jù)量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。bit來源于binarydigit，意思是一個“二進(jìn)制數(shù)字”，因此一個比特就是二進(jìn)制數(shù)字中的一個1或0。速率指的是額定速率或標(biāo)稱速率。它與許多因素（如主機(jī)的處理能力、信道容量、信道的擁塞狀況等）有關(guān)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)2、帶寬帶寬(bandwidth)原指某個信號所占有的頻帶寬度。單位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。過去通信線路傳送模擬信號，通信線路允許傳送的信號頻率范圍稱為線路的帶寬。如話音信號的帶寬是3.1kHz(300Hz～3400Hz)。如今網(wǎng)絡(luò)的通信線路傳送數(shù)字信號，帶寬表示網(wǎng)絡(luò)的通信線路傳送數(shù)據(jù)的能力，即從網(wǎng)絡(luò)中的某一點到另一點所能達(dá)到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率，單位是比特/秒(b/s)。更常用的單位是：千比/秒或kb/s(103b/s)；兆比/秒或Mb/s(106b/s)；吉比/秒或Gb/s(109b/s)和太比/秒或Tb/s(1012b/s)。數(shù)字信號流隨著時間的變化關(guān)系在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄。每秒

106

個比特時間1

01

0

111

s帶寬為1Mb/s時間每秒

4

106

個比特0.25s帶寬為4Mb/s計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)3、吞吐量吞吐量(throughput)指單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)(或信道、接口)的數(shù)據(jù)量，其單位是比特/秒(b/s)。有時也可用字節(jié)/秒(B/s)或幀/秒。吞吐量常用于對某個實際網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)行性能測試。吞吐量受網(wǎng)絡(luò)的帶寬或網(wǎng)絡(luò)的額定速率的限制。如100M以太網(wǎng)，典型的吞吐量僅為70Mb/s。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)4、時延指數(shù)據(jù)(一個報文或分組或比特)從網(wǎng)絡(luò)(或鏈路)的一端傳送到另一端所需要的時間。時延由四個部分組成：(1)發(fā)送時延(transmissiondelay)

指主機(jī)或路由器發(fā)送數(shù)據(jù)幀所需要的時間，也就是從發(fā)送數(shù)據(jù)幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。也稱傳輸時延。發(fā)送時延=數(shù)據(jù)幀長度（比特）信道帶寬（比特/秒）(2)傳播時延

指電磁波在信道中傳播一定距離所花費的時間。例：自由空間中電磁波的傳播速率為3.0×105km/s銅線電纜中電磁波的傳播速率為2.3×105km/s

光纜中電磁波的傳播速率為2.0×105km/s注意：發(fā)送速率和信號在信道上的傳播速率是兩個完全不同的概念。傳播時延=信道長度（米）電磁波在信道上的傳播速率（米/秒）(3)處理時延

指主機(jī)或路由器為處理分組所花費的時間。包括分析分組的首部、從分組中提取數(shù)據(jù)部分、進(jìn)行差錯檢驗或查找適當(dāng)?shù)穆酚傻取?/p>

(4)排隊時延指分組進(jìn)入路由器后，需先在輸入隊列中排隊等待處理，以及處理完畢后在輸出隊列中排隊等待轉(zhuǎn)發(fā)的時間。排隊時延的長短往往與網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時的通信量有關(guān)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的通信量很大時，會發(fā)生隊列溢出，使分組丟失，這相當(dāng)于處理時延為無窮大。注意：上述哪一種時延在總時延中占主導(dǎo)地位，必須具體分析。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)歷的總時延就是傳輸時延、傳播時延和處理時延和排隊時延之和：總時延=發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延發(fā)送時延傳播時延發(fā)送器處理時延結(jié)點B100110101101010010┅輸入隊列結(jié)點A輸出隊列處理器排隊時延傳播時延發(fā)送時延處理和排隊時延時間tA站B站例：一個長度為100MB(M表示220=1048576)的數(shù)據(jù)塊在帶寬為1Mb/s(M表示106)，長度為的光1000km的光纜信道上傳輸時的各種時延：

發(fā)送時延100

1048576

8/106=838.9s

傳播時延1000km為5ms，1km為5

s（傳播速率為2.0×105km/s）

處理時延視計算機(jī)處理速度而定。結(jié)論：總時延基本上取決于發(fā)送時延。

往返時延往返時延RTT(Round-TripTime)表示從發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送端收到來自接收端的確認(rèn)應(yīng)答所經(jīng)歷的時延。如果接收端收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送確認(rèn)，這相當(dāng)于傳播時延的兩倍。例：設(shè)某段鏈路的傳播時延為20ms，則它的往返時延RTT＝40ms。在復(fù)雜的互聯(lián)網(wǎng)中，往返時延應(yīng)包括各中間結(jié)點的處理時延和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的發(fā)送時延。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)5、時延帶寬積時延帶寬積是指時延與帶寬之乘積。時延帶寬積=傳播時延

帶寬(傳播)時延鏈路帶寬鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。相當(dāng)于管道的體積，表示該鏈路中可以容納的比特數(shù)。5、時延帶寬積例：設(shè)某段鏈路的傳播時延為20ms，帶寬為10Mb/s。則時延帶寬積為20

10-3

10

106=20

105

bit

。它表示，若發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則在發(fā)送的第一個比特即將到達(dá)終點時，發(fā)送端已經(jīng)發(fā)送了20萬個比特，這20萬個比特正在鏈路上傳輸。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)6、利用率利用率分為信道利用率和網(wǎng)絡(luò)利用率。信道利用率指在規(guī)定時間內(nèi)信道上用于傳輸數(shù)據(jù)時間的比例。完全空閑的信道的利用率是零。網(wǎng)絡(luò)利用率指全網(wǎng)絡(luò)的信道利用率的加權(quán)平均值。通常，信道利用率力求高些，但并非越高越好。時延與網(wǎng)絡(luò)利用率的關(guān)系根據(jù)排隊論的理論，當(dāng)某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也就迅速增加。若令

D0表示網(wǎng)絡(luò)空閑時的時延，D表示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的時延，則在適當(dāng)?shù)募俣l件下，可以用下面的簡單公式表示

D和

D0之間的關(guān)系：U

是網(wǎng)絡(luò)的利用率，數(shù)值在0到1之間。

時延D利用率U10D0時延急劇增大時延與利用率的關(guān)系一些擁有較大主干網(wǎng)的ISP都把信道利用率控制U控制在50%以內(nèi)，否則就要采取擴(kuò)容措施，增大線路的帶寬。傳輸信道(續(xù)18)4、傳輸損傷被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的端到端連接的每個環(huán)節(jié)都可能受到傷害，ITU稱這種傷害為傳輸損傷。誤碼(Error)

指在信號傳輸過程中碼元發(fā)生的差錯，即接收與發(fā)送數(shù)字信號之間單個數(shù)字之間的差異。抖動(Jitter)

指碼元出現(xiàn)的時刻隨時間頻繁地變化，也就是各有效瞬間相對于理想時間位置的短時偏移。漂移(Wander)

指碼元各有效瞬間相對于理想時間位置的長期緩慢偏移。傳輸信道(續(xù)21)5、傳輸質(zhì)量(1)衰減和增益當(dāng)信號沿傳輸媒體傳播時，其部分能量轉(zhuǎn)換成熱能或被傳輸媒體所吸收，而導(dǎo)致信號強(qiáng)度不斷減弱或增強(qiáng)的現(xiàn)象。D=10lg(P2/P1)=20lg(V2/V1)=20lg(I2/I1)注意：單位是分貝dB，分貝是相對差別的度量。系統(tǒng)中某些點的功率電平可用絕對功率來表示，其單位是dBm。m表示以1mW為參考的功率單位。信號功率電平也可用相對于某個基準(zhǔn)點的電平來表示，其單位是dBr。r表示相對的意思。傳輸信道(續(xù)22)(2)失真信號通過傳輸系統(tǒng)時，其波形可能發(fā)生畸變的現(xiàn)象。衰減失真(或振幅失真)由衰減隨頻率的變化而引起的失真。衰減失真來源于電纜及系統(tǒng)中的濾波器。相位失真(或群延時失真)由線路的相位-頻率特性的非線性或不同頻率分量的傳播速度不一致所引起的失真。上述失真對數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绊懯鞘沟么a元信號波形展寬，從而引起碼間串?dāng)_現(xiàn)象。傳輸信道(續(xù)23)(3)畸變衰減和失真是引起信號波形畸變的主要原因。畸變有兩種：規(guī)則畸變和不規(guī)則畸變。規(guī)則畸變信號波形按一定的法則有規(guī)律地發(fā)生的代碼畸變。偏畸變正偏—使“1”時間伸長，而“0”時間縮短。負(fù)偏—使“1”時間縮短，而“0”時間伸長。特性畸變正特性畸變—使短“1”和短“0”兩者都伸長。負(fù)特性畸變—使短“1”和短“0”兩者都縮短。不規(guī)則畸變信號波形無規(guī)律地發(fā)生的代碼畸變。傳輸信道(續(xù)24)(4)噪聲和干擾在數(shù)據(jù)信號的傳輸過程中，所引入的一些額外的非期望信號。傳輸信道(續(xù)26)噪聲對數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)挠绊憘鬏斝诺?續(xù)27)(5)信噪比指信號通路某一點上的信號功率與混在信號中的噪聲功率之比值。(dB)(2-19)信噪比一般是在接收端測量。信噪比越高，意味著噪聲的含量越低，接收端易于從接收到的信號中恢復(fù)出初始信號，同時也意味著可使用較少的中繼轉(zhuǎn)發(fā)器。傳輸信道(續(xù)28)(6)誤碼率①

平均誤碼率指單位時間內(nèi)接收到的出錯碼元數(shù)占總碼元數(shù)中的比例。(2-20)

式中，ne表示系統(tǒng)傳統(tǒng)出錯的碼元數(shù)，n表示系統(tǒng)傳輸?shù)目偞a元數(shù)。平均誤碼率與選擇的測量時間有關(guān)。在日常的維護(hù)測試中，ITU-T規(guī)定測試時間為15min。

傳輸信道(續(xù)29)(6)

誤碼率(續(xù))②誤碼秒平均時間百分?jǐn)?shù)ITU-T建議用一個相當(dāng)長的時間(TL=1個月)內(nèi)確定的平均誤碼率(BER)超過某一誤碼閾值(BERth)和各個時間間隔（T0）的平均百分?jǐn)?shù)來度量誤碼損傷的嚴(yán)重程度。若取T0=1s，BERth=0，當(dāng)BER＞BERth時，則稱為誤碼秒。ITU要求誤碼秒平均時間百分?jǐn)?shù)不得超過8%。若取T0=1s，BERth=1×10-3，當(dāng)BER＞BERth時，則稱為嚴(yán)重誤碼秒。ITU要求嚴(yán)重誤碼秒平均時間百分?jǐn)?shù)低于0.2%。傳輸信道(續(xù)30)(7)頻帶利用率指單位傳輸帶寬所能實現(xiàn)的傳輸速率。頻帶利用率是描述數(shù)據(jù)傳輸速率與帶寬之間關(guān)系的一個指標(biāo)。在衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的效率時，既要考慮到傳輸速率，又要考慮到傳輸信號所占用頻帶寬度?；?baud/Hz)(bit/(s·Hz)(2-21)1.5數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)本節(jié)主要內(nèi)容1.5.2數(shù)據(jù)通信方式1.5.3多路復(fù)用技術(shù)1.5.4差錯控制1.5.2理解數(shù)據(jù)通信方式

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，從不同的角度看有多種不同的通信方式。本任務(wù)學(xué)習(xí)、掌握并行通信和串行通信以及單工、半雙工和全雙工通信的基本概念。補(bǔ)充：1、并行通信和串行通信并行通信并行通信是指多個數(shù)據(jù)位同時在設(shè)備之間進(jìn)行傳輸。并行通信可同時傳送多個二進(jìn)制位，一般適用于短距離、要求傳輸速度高的場合，常用于計算機(jī)內(nèi)部各部件之間的數(shù)據(jù)傳輸。計算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)通信線路－總線。串行通信串行通信是指一次只有一個數(shù)據(jù)位在設(shè)備之間傳輸。串行傳輸信道將一個由若干位二進(jìn)制數(shù)表示的字按位進(jìn)行有序的傳輸，串行通信常用于計算機(jī)與計算機(jī)或與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。2、單工、半雙工和全雙工通信

串行通信的方向性結(jié)構(gòu)

按照信號在信道上傳送方向與時間的關(guān)系單工通信通信信道是單向信道，數(shù)據(jù)信號僅沿一個固定方向傳輸，發(fā)送方只能發(fā)送不能接收，接收方只能接收而不能發(fā)送，任何時候都不能改變信號傳送方向。計算機(jī)和打印機(jī)之間通信全雙工通信數(shù)據(jù)可以同時沿相反的兩個方向雙向傳輸。這是計算機(jī)通信常用的方式，可大大提高傳輸速率。半雙工通信信號可以沿兩個方向傳送，但同一時刻一個信道只允許單方向傳送信號，即兩個方向的傳輸只能交替進(jìn)行，不能同時進(jìn)行。對講機(jī)、步話機(jī)3、同步傳輸和異步傳輸同步是指在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送端與接收端采用串行通信時，通信雙方交換數(shù)據(jù)時需要有高度的協(xié)同動作，彼此間傳輸數(shù)據(jù)的速率、每個比特的持續(xù)時間和間隔都必須相同。通常使用的同步技術(shù)有異步傳輸和同步傳輸兩種1．同步傳輸同步傳輸（SynchronousTransmission）又稱同步通信，采用位同步（即按位同步）技術(shù)，以固定的時鐘頻率串行發(fā)送數(shù)字信號。通信雙方必須建立準(zhǔn)確的同步系統(tǒng)，并在其控制下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊前加入控制字符SYN，雙方以同一時鐘頻率工作。數(shù)據(jù)傳輸效率比較高，一般用在高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。包括比特同步和數(shù)據(jù)塊（字符）同步兩種方式。通信設(shè)備簡單、便宜，但傳輸效率較低（因為開始位和停止位的開銷所占比例較大）

同步傳輸?shù)膬煞N方式：（1）外同步：發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)前先向接收端發(fā)送一串用于同步的時鐘脈沖，接收端收到同步信號后，對其進(jìn)行頻率鎖定，然后以同步頻率為準(zhǔn)接收數(shù)據(jù)。（2）自同步：發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)時，將時鐘脈沖作為同步信號包含在數(shù)據(jù)流中同時傳送給接收端，接收端從數(shù)據(jù)流中辨別同步信號，再據(jù)此接收數(shù)據(jù)。自同步傳輸中，接收端是從接收到的信號波形中獲得同步信號，因而稱為自同步。2．異步傳輸異步傳輸（AsynchronousTransmission）又稱異步通信，采用“群”同步技術(shù)。這種技術(shù)根據(jù)一定的規(guī)則，將數(shù)據(jù)分成不同的群，每一個群的大小不確定，即每個群包含的數(shù)據(jù)量也不確定。這種技術(shù)是在位同步基礎(chǔ)上進(jìn)行的同步，要求發(fā)送端與接收端在一個群內(nèi)必須保持同步。異步傳輸方式中，通信雙方各自使用獨立的定位時鐘。兩個字符之間的時間間隔是不固定的，而在一個字符內(nèi)各位的時間間隔是固定的。每傳送1個字符（5位到8位），都要在每個字符碼前加1個起始位，表示字符代碼的開始；在字符代碼和校驗碼后面加1或2個停止位，表示字符結(jié)束。接收方根據(jù)起始位和停止位判斷一個新字符的開始，以保持通信雙方的同步。簡單，有開銷，速率低。3．同步傳輸與異步傳輸?shù)膮^(qū)別（1）異步傳輸是面向字符的傳輸，而同步傳輸是面向比特的傳輸。（2）異步傳輸?shù)膯挝皇亲址?，同步傳輸?shù)膯挝皇菐?。?）異步傳輸通過字符起始位和停止位抓住再同步的機(jī)會，同步傳輸從數(shù)據(jù)中抽取同步信息。（4）異步傳輸對時序的要求較低，同步傳輸往往通過特定的時鐘線路協(xié)調(diào)時序。（5）異步傳輸相對于同步傳輸效率較低。1.5.3多路復(fù)用技術(shù)為有效利用傳輸通信線路，可以同時把多個信號送往傳輸介質(zhì)，以提高傳輸效率，即將多路信號復(fù)用在一條物理線路上。這種技術(shù)稱為多路復(fù)用技術(shù)。多個信息源共享一個公共信道，把多個低速信道合成一個高速信道的方法1．頻分多路復(fù)用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每個用戶占用一個頻率通道。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶。2．時分多路復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplexing)：把時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個通道（時隙），每個用戶占用一個通道傳輸數(shù)據(jù)。3．波分多路復(fù)用(WDM,WavelengthDivisionMultiplexing)：整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每個用戶占用一個波長范圍來進(jìn)行傳輸。4．碼分多路復(fù)用（CDMA）碼分多路復(fù)用技術(shù)根據(jù)不同的編碼來區(qū)分各路原始信號，通過和各種多址技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了各種接入技術(shù)。碼分多路復(fù)用技術(shù)是一種用于移動通信系統(tǒng)的技術(shù)。筆記本電腦和掌上電腦等移動終端的連網(wǎng)通信將會大量使用碼分多路復(fù)用技術(shù)。1.5.4差錯控制通信的目的是進(jìn)行信息的傳輸。傳輸過程中任何信息的丟失或損壞，都將對通信雙方產(chǎn)生重要的影響。因此，如何實現(xiàn)無差錯的數(shù)據(jù)傳輸是一個非常重要的問題。差錯控制技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)闹饕侄巍１救蝿?wù)將學(xué)習(xí)差錯控制技術(shù)中的差錯控制方法和差錯控制編碼。1．差錯控制所謂差錯，是指在數(shù)據(jù)通信中，接收端接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象。差錯的表現(xiàn)形式有失真、丟失、失序。差錯控制是指數(shù)據(jù)通信過程中，發(fā)現(xiàn)、檢測差錯并對差錯進(jìn)行糾正，從而把差錯限制在數(shù)據(jù)傳輸所允許的盡可能小的范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。差錯控制的主要途徑：一是選用高可靠性的設(shè)備和傳輸介質(zhì)，并輔以相應(yīng)的保護(hù)和屏蔽措施，以提高傳輸?shù)目煽啃?；二是通過通信協(xié)議實現(xiàn)差錯控制，在通信協(xié)議中，通過差錯控制編碼實現(xiàn)差錯的檢測和控制。2．差錯的產(chǎn)生原因傳輸中的差錯大都是由噪聲引起的。①隨機(jī)噪聲（熱噪聲，散彈噪聲，傳輸媒介）引起的傳輸差錯為隨機(jī)差錯。熱噪聲由傳輸介質(zhì)的電子熱運動產(chǎn)生。②沖擊噪聲（突發(fā)噪聲，如雷電、開關(guān)等）引起的傳輸差錯為突發(fā)差錯。沖擊噪聲由外界電磁干擾引起，與熱噪聲相比，沖擊噪聲幅度較大，是引起傳輸差錯的主要原因。隨機(jī)差錯一般出錯數(shù)據(jù)位不相鄰，只要有相當(dāng)?shù)男旁氡染洼^小。突發(fā)差錯一般會引起相鄰多個數(shù)據(jù)位出錯，需采用差錯控制方法。3．差錯控制方法（1）前向糾錯（FEC，F(xiàn)orwardErrorCorrection）發(fā)送端根據(jù)一定的編碼規(guī)則對信息進(jìn)行編碼，形成糾錯碼，然后通過信道傳輸；接收端接收到信息后，如果檢測到接收信息有錯，則通過一定的算法，確定差錯的具體位置，并自動加以糾正。物理實現(xiàn)簡單，無需反復(fù)重發(fā)而延誤傳輸時間，對實時傳輸有利，但是糾錯設(shè)備比較復(fù)雜。無須反饋信道，適合單向數(shù)字信號傳輸。比較著名的前向糾錯碼有海明碼和BCH碼。（2）自動重發(fā)請求（ARQ，AutomaticRepeatreQuest)發(fā)送端根據(jù)一定的編碼規(guī)則對信息進(jìn)行編碼，形成檢錯碼發(fā)送；當(dāng)接收方收到后能檢測出差錯，但不能確定錯誤位置，通過反饋信道要求發(fā)送端重發(fā)原信息，直到接收端認(rèn)可為止，從而實現(xiàn)糾錯。接受端無須糾錯，設(shè)備簡單。可用于雙向數(shù)據(jù)通信。比較著名的檢錯碼有奇偶校驗碼和循環(huán)冗余碼。（3）反饋檢驗法接收端將收到的信息碼原封不動地發(fā)回發(fā)送端，與原發(fā)信息碼比較。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則發(fā)送端重發(fā)。反饋檢驗的方法、原理和設(shè)備都比較簡單，但需系統(tǒng)提供雙向信道。差錯控制編碼的基本思想是在被傳輸信息中增加一些冗余碼，利用附加的冗余碼元和信息碼元之間的約束關(guān)系加以校驗，以檢測和糾正錯誤。目前廣泛使用的檢錯碼有奇偶校驗碼和循環(huán)冗余碼2、差錯控制編碼

（1）奇偶校驗碼奇偶校驗是最常用的差錯檢測方法，也是其他差錯檢測方法的基礎(chǔ)。原理是在代碼的最后一位增加一位校驗位后“1”的個數(shù)成奇數(shù)（奇校驗）或成偶數(shù)（偶校驗）。經(jīng)過傳輸后，如果其中一位（包括校驗位）出錯，接收端按同樣的規(guī)則即可發(fā)現(xiàn)錯誤。奇偶校驗分為水平奇偶校驗、垂直奇偶校驗和水平垂直奇偶校驗3種。1）水平奇偶校驗：以字符組為單位，對一組字符中的相同位在水平方向進(jìn)行編碼校驗。數(shù)據(jù)傳輸還是以字符為單位傳輸，先按字符順序進(jìn)行字符的傳輸，最后進(jìn)行校驗位的傳輸。奇偶校驗位與數(shù)據(jù)一起發(fā)送到接收方，接收方檢測奇偶校驗位。對于偶校驗，若接收方發(fā)現(xiàn)1的個數(shù)為奇數(shù)，則說明發(fā)生了錯誤。只有所有列都發(fā)送完畢，錯誤才能夠完全檢查出來，而且接收方可能不能確定哪個列出錯，只能重發(fā)所有列，這增大了通信設(shè)備的負(fù)擔(dān)。檢錯率只有50%。字符位字符1字符2字符3字符4字符5字符6水平校驗位（奇）水平校驗位（偶）位111011101位200001001位301111010位411100110位510000110位601011001位710101001垂直校驗位（奇）110000垂直校驗位（偶）0011112）垂直奇偶校驗：以字符為單位的一種校驗方法。對字符在垂直方向加校驗位構(gòu)成校驗單元。假設(shè)某一字符的ASCII編碼為0011000，根據(jù)奇偶校驗規(guī)則，如果采用奇校驗，則校驗位應(yīng)為1，即00110001；如果采用偶校驗，校驗位應(yīng)為0，即00110000。垂直奇偶校驗檢錯效果高于水平奇偶校驗。3）水平垂直奇偶校驗：將前面兩種校驗方式結(jié)合而成。在水平方向和垂直方向同時進(jìn)行校驗。（2）循環(huán)冗余碼（CRC，CyclicRedundancyCode）使用較廣泛并且檢錯能力較強(qiáng)的一種檢錯碼。CRC的工作過程：在發(fā)送端按一定的算法產(chǎn)生一個循環(huán)冗余碼，附加在信息數(shù)據(jù)幀后面一起發(fā)送到接收端；接收端將收到的信息按同樣算法進(jìn)行除法運算，若余數(shù)為“0”，表示接收的數(shù)據(jù)正確；若余數(shù)不為“0”，表示數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中出錯，請求發(fā)送端重傳數(shù)據(jù)。

①將數(shù)據(jù)信息用多項式K(X)表示。如101011→K(X)=X5+X3+X+1，最高冪次為k。②收發(fā)雙方商定一個生成多項式G(X)。G(X)的最高冪次為r，最高位和最低位系數(shù)必須為1，且r＜k。如取r=4，則G(X)可取為X4+X+1，對應(yīng)二進(jìn)制序列為10011。循環(huán)冗余校驗方法的原理

③發(fā)送端編碼：A．K(X)*Xr即在數(shù)據(jù)信息位的未尾添加r個零；如：1010110000。B．K(X)*Xr/G(X)(模2運算)，余數(shù)為R(X)。如：1010110000/11001，余數(shù)為1001。C．實際傳送的位串多項式T(X)=K(X)*Xr+R(X)

如：1010111001。模2加減的規(guī)則：加法不進(jìn)位，減法不借位，兩數(shù)相同為0，相異為1；模2乘除法與二進(jìn)制運算一樣，做減法時按模2進(jìn)行，減出的值最高位為0則商為0，減出的值最高位為1則商為1。④接收端解碼：將T’(x)/G(X)：

若余數(shù)為0，即T’(x)=T(x)，則傳輸無錯誤若余數(shù)不為0，即T’(x)≠T(x)，則傳輸有錯誤如：1010111001/11001，余數(shù)為零，傳輸無誤如：1110111001/11001，余數(shù)不為零，傳輸出錯舉例說明循環(huán)冗余校驗碼多項式T(x)的具體求法

假設(shè)準(zhǔn)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息碼1101011011，生成多項式為G(x)=x4+x+1①計算信息編碼多項式T(x)M(X)=1101011011G(x)=10011生成多項式的最高次冪r=4，信息碼附加4個0后形成新的多項式。M'(x)：11010110110000②用模2除法求M'(x)/G(x)的余數(shù)③得出要傳輸?shù)难h(huán)冗余校驗碼多項式將余數(shù)1110直接相加加在M(x)的后面得T(x)=11010110111110④接收端對接收到的T(x)進(jìn)行校驗設(shè)接收端接收到的數(shù)據(jù)為多項式T’(x)，將T’(x)除以G(x)：若余數(shù)為0，即T’(x)=T(x)，則認(rèn)為沒有錯誤。若余數(shù)不為0，即T’(x)≠T(x)，認(rèn)為有錯。例：設(shè)信息位為10位，冗余位為5位，生成多項式采用X5+X4+X2+1，試計算傳輸信息為1010001101的CRC編碼。

1010001101的CRC編碼為101000110101110

1101010110

←

Q

商

除數(shù)

P→

110101101000110100000

←

2nM被除數(shù)

110101

111011

110101

111010

110101

111110