數據通信技術基礎

• 數據通信的基本概念
• • 信息、數據和信號
  • 數據通信系統
  • 數據通信系統的性能指標
  • • 數據傳輸速率（傳碼速率、傳信速率）
    • 【例】求傳碼速率和傳信速率
    • 信道帶寬（模擬信道、數字信道）、誤碼率
    • 【例】求誤碼率
    • 時延（發送時延、傳播時延、處理時延）
    • 【例】計算發送時延和傳播時延
    • 信道容量（奈氏準則、香農公式）
    • 【例】奈氏準則求信道容量、香農公式求最大信息傳輸速率
• 傳輸介質
• • 有線的傳輸介質（雙絞線、同軸電纜、光纖）
  • 無線的傳輸介質（無線電波、地面微波、衛星微波、紅外線）
• 多路復用技術（頻分、時分、碼分、波分復用）
• • 頻分復用 FDM（Frequency Division Multiplexing）
  • 時分復用 TDM（Time Division Multiplexing）
  • 碼分復用 CDM（Code Division Multiplexing）
  • 波分復用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）
• 數據交換技術（電路交換、報文交換、分組交換）
• • 電路交換
  • 報文交換
  • 分組交換
  • 三者比較
• 差錯控制技術
• • 差錯控制原理（概述、隨機差錯、突發差錯、基本思想）
  • 差錯控制方式（檢錯重發、前向糾錯、混合糾錯檢錯、信息反饋）
  • 差錯控制編碼（奇偶校驗碼、循環冗余碼）
  • • 奇偶校驗碼
    • 循環冗余碼
    • • 模2加減法、模2除法
    • 【例】循環冗余碼編碼示例
    • 【例】循環冗余碼檢錯

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數據通信的基本概念

信息、數據和信號

數據通信系統

數據通信系統的性能指標

數據傳輸速率（傳碼速率、傳信速率）

• 傳碼速率：又稱為調制速率、波特率，記作 N_Bd，是指在數據通信系統中，每秒鐘傳輸信號碼元的個數，單位是波特（Baud）。

• 傳信速率：又稱為比特率，記作R_b，是指在數據通信系統中，每秒鐘傳輸二進制碼元的個數，單位是比特/秒（bit/s，或 kbit/s 或 Mbit/s）。
  千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
  兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
  吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
  太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）

【例】求傳碼速率和傳信速率

信道帶寬（模擬信道、數字信道）、誤碼率

• 信號帶寬：(bandwidth)是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
• 模擬信道：表示通信線路允許通過的信號頻帶范圍就稱為線路帶寬(通頻帶)。
• 數字信道：“帶寬”是 所能傳送的“最高數據率” 同義語，單位是“比特每秒”。

【例】求誤碼率

誤碼率：在一定時間內接收到出錯的比特數e1與總的傳輸比特數e2之比。
公式：P_e = (e₁ / e₂) x 100%

時延（發送時延、傳播時延、處理時延）

發送時延：又稱為傳輸時延，發送數據時，使數據塊從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。

• 信道帶寬：數據在信道上的發送速率。常稱為數據在信道上的傳輸速率。
  

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傳播時延：電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。

• 信號傳輸速率（即發送速率）和信號在信道上的傳播速率是完全不同的概念。
  

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處理時延：交換結點為存儲轉發而進行一些必要的處理所花費的時間。

• 結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延是處理時延中的重要組成部分。
• 處理時延的長短往往取決于網絡中當時的通信量。
  

數據從源點到達目的點所經歷的總時延就是發送時延、傳播時延和處理時延之和；

【例】計算發送時延和傳播時延

信道容量（奈氏準則、香農公式）

• 信道容量：是指在一定的條件下（誤碼率，噪聲，帶寬等），給定通信路徑（信道）上所能達到的最大數據傳輸速率。
• 奈氏準則：在理想的條件下，即一個無噪聲，帶寬為W赫茲的信道，其傳碼速率最高為2W波特。
  
• 信噪比： $（dB）=10lo{g}_{10}（S/N）$
• 香農定理：信道的極限信息傳輸速率 C(信道容量） 可表達為：$C=Wlo{g}_2(1+S/N)b/s$
  W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；
  S / N為信道內信號和噪聲的功率之比；

【例】奈氏準則求信道容量、香農公式求最大信息傳輸速率

傳輸介質

有線的傳輸介質（雙絞線、同軸電纜、光纖）

雙絞線：

• 雙絞線可用于模擬傳輸和數字傳輸。
  

同軸電纜：

• 同軸電纜由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層以及保護塑料外層組成。
• 由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜具有較好的抗干擾特性（特別是高頻段），適合高速數據傳輸。
  

光纖：

• 物理原理是不停地發生全反射，使信號向前傳播 。

• 多模光纖：會產生一定程度的失真。

• 單模光纖：脈沖形狀幾乎不變，可用于長距離傳輸，價格比多模更貴。
  

• 光纖的優點： 通信容量大； 傳輸距離遠； 串擾小，信號傳輸質量高； 光纖抗電磁干擾，保密性好； ……

• 光纖的缺點： 切斷和連接操作技術復雜； 不易維護； ……

無線的傳輸介質（無線電波、地面微波、衛星微波、紅外線）

無線傳輸出現的原因：

• 在交通不便、施工不便的地方（高山、海洋、城市），或距離較遠的情況下，使用無線傳輸方式，成本較低。
• 信息技術的發展，人們要求在運動中進行電話通信或計算機通信。
• 無線電波可以在自由空間各個方向傳播，實現多種通信。這種通信不使用前述的各種導向傳輸媒體，所以又稱為“非導向傳輸媒體”。

無線傳輸所使用的頻段很廣，人們可以根據需要使用不同頻段特性進行通信。

• 傳統無線電：長波、中波、短波、 甚高頻、特高頻、超高頻、極高頻
• 微波通信（2－40GHz，直線傳播)
  • 地面接力微波：在地面建立若干微波中繼站，中繼站將前一站信號接收，放大后轉發到下一站，實現“接力”式傳輸。
  • 衛星通信：將微波中繼站放在衛星上實現。通信建立遠，覆蓋面積大。

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無線電波

• 無線電波是一個廣義的概念，從含義上講，無線電波是全向傳播，而微波是定向傳播。
• 無線電波不同頻段用于不同通信方式：
  2400 ~ 2483.5MHz，用于藍牙通信；
  3 ~ 30 MHz，用于短波通信；
  300 ~ 3000KHz，用于中波通信；
  …

地面微波

• 地面微波的工作頻率范圍一般為1～20 GHz，其特點是直線傳播，因此只能在視距范圍內進行傳輸。由于受到地形和天線高度的限制，兩微波站間的通信距離一般為 30～50 km。
  
  衛星微波
• 只要地球赤道上空的同步軌道上，等距離地放置3顆相隔120度的衛星，就能基本上實現全球的通信。
• 衛星通信的最大特點是通信距離遠，且通信費用與通信距離無關。同步衛星發射出的電磁波能輻射到地球上的通信覆蓋區的跨度達18000多公里。
  

紅外線

• 紅外線技術已經在計算機通信中得到了應用 ，例如兩臺筆記本電腦對著紅外接口，可傳輸文件。
• 紅外線鏈路只需一對收發器，可調制不相干的紅外光，在視線距離的范圍內傳輸，具有很強的方向性。
  

多路復用技術（頻分、時分、碼分、波分復用）

隨著電子技術和計算機技術的發展，通信終端和交換設備的性能不斷提高，而價格卻迅速降低。
對于有線的傳輸媒介來說，由于資源有限，制造成本增加，即使采用原料豐富的光纖線路，但鋪設費用也在增長。其投資在整個通信網絡占有的比重越來越大。
對于無線傳輸媒介來說，有限的可用頻率更是一種非常寶貴的通信資源。

多路復用技術是指在一條通信線路中傳輸多路信號，以提高傳輸媒介利用率的技術。

頻分復用 FDM（Frequency Division Multiplexing）

• 當傳輸信道的帶寬較大，而所傳輸的信號只需部分帶寬就可實現有效傳送，則可以在信道中同時傳輸多路信號，每路信號占用部分帶寬。（好比大馬路這么寬，上面只開了一輛車子十分浪費，可以讓很多輛車子在上面開）
• 頻分復用是按頻率劃分不同的子信道，每個子信道占用不同的頻率范圍。采用調制技術，將信號搬移到信道相應的頻段上。
• 頻分復用常用于載波電話系統、電視等。
  

時分復用 TDM（Time Division Multiplexing）

時分復用是采用時間分片方式來實現傳輸信道的多路復用，即每一路信號傳輸都使用信道的全部帶寬，但只能使用其中某個時隙（好比不同的老師，不同時間段在同一個教室里上課）。從如何分配傳輸介質資源的觀點出發，時分多路復用又可分為兩種：

• 靜態時分復用
• 動態時分復用
  

碼分復用 CDM（Code Division Multiplexing）

碼分復用是蜂窩移動通信中迅速發展的一種信號處理方式。

• 常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
• 這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。
• 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。
  
  
  
  

波分復用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）

數據交換技術（電路交換、報文交換、分組交換）

• 交換是一種集中和轉接的概念。
  
• 如果網絡的分布范圍廣，用戶眾多，網絡拓撲結構復雜。多個用戶之間的通信，如果采用點對點直接連接的方式，網絡規模大，費用高，線路利用率低。
  
• 采用交換方式（中間設置為交換機），利用集中和轉接的概念，通過選擇和復用技術，可以提高線路資源的利用率，簡化網絡拓撲結構，降低網絡成本。
  

下圖中，交換機被稱為交換節點，一系列交換節點組成了通信子網（交換子網）。

一個通信網絡由許多交換節點組成，信息在網絡中的傳輸要經過一系列的交換節點，從一條線路轉換的另一條線路，最后到達目的地。

交換節點轉發信息的方式，就稱為交換方式：

• 電路交換
• 報文交換
• 分組交換
  

電路交換

特點：

• 在通信之前，需要在主、被叫用戶之間建立一條物理連接。
• 由于采用了靜態的時分復用，是預分配帶寬，數據到達了交換機不需要排隊等待，這樣做的優點是電路交換是一種實時交換，適用于實時要求高的話音通信 。缺點是即使雙方無數據傳送也白白占用線路，所以線路利用率低。
• 在傳送數據時，沒有任何差錯控制措施，不利于傳輸可靠性要求高的突發性數據業務。

報文交換

特點：

• 交換節點采用存儲－轉發方式對每份報文完整地加以處理。
• 每份報文中含有報頭，包含收、發雙方的地址，以便交換節點進行路由選擇，可以一對多地傳送報文。
• 存儲－轉發時延大，隨機性也大。

分組交換

特點：

• 在數據傳輸之前，不需要建立連接
• 由于提供了動態時分復用，因此提高了通信線路的利用率。
• 網絡的生存性好，當網絡內線路或設備產生故障后，可以自動為 分組選擇一條迂回路由，避開故障點，不會引起通信中斷。
• 由于采用存儲—轉發方式處理分組，所以分組在網絡內的平均時延要比電路交換高。
• 每個分組由于都要包含完整的目的地地址等信息，這些信息都放在附加的分組頭里，都會需要交換機分析處理，所以會增加開銷。

三者比較

差錯控制技術

差錯控制原理（概述、隨機差錯、突發差錯、基本思想）

傳輸差錯：通信接收端收到的數據和發送端發送的數據不一致的情況。

由于數據通信系統本身傳輸特性的不理想和外部干擾的存在，傳輸中出現差錯是不可避免的。

差錯控制的目的是采取有效的措施來發現和糾正差錯，以提高數據傳輸的質量。

差錯的分類及產生的原因：

• 隨機差錯
  原因： 信道熱噪聲
  特點： 隨機的、單個的
• 突發差錯
  原因： 脈沖噪聲（如閃電）
  特點： 成片的、連續的

差錯控制的基本思想：
這張圖很形象，傳輸時增加一些看似冗余的數據，實際上可以幫助檢測和糾正差錯。

• 在通信信道中所傳輸的數據碼元是獨立的、隨機的，接收方無法判斷所接收的碼元是否存在差錯。
• 發送的數據碼元序列中加入監督位，并進行某種變換，使它們和原來相互獨立的數據碼元之間具有某種約束關系。
• 由于這些監督位對于表達信息是“冗余”的，差錯控制在一定程度上會降低信息的傳輸效率。
  
• 接收端檢測接收的數據碼元和監督碼元的約束關系，如果發現這種約束關系被破壞，則接收端可以檢測到差錯，甚至可以糾正差錯。
• 如果這種約束關系沒有被破壞，則可以認為沒有差錯。但也存在差錯未被檢測出來的可能性。

差錯控制方式（檢錯重發、前向糾錯、混合糾錯檢錯、信息反饋）

• 檢錯重發：接收端檢測到差錯設法通知發送端重發，如 ARQ。（用的最多）
• 前向糾錯：接收端發現差錯后，直接糾正錯碼。
• 混合糾錯檢錯：少量差錯情況下自動糾正，否則自動請求重傳。（上面兩種的綜合）
• 信息反饋：接收端將收到的數據全部轉發給發送端供發送方比較。（要求高，實時性差）

差錯控制編碼（奇偶校驗碼、循環冗余碼）

差錯控制編碼主要分為：

• 檢錯碼
  • 奇偶校驗碼
  • 循環冗余碼
  • …
• 糾錯碼
  • 漢明碼
  • …

奇偶校驗碼

循環冗余碼

• 編碼規則：
  
  比特序列 ——> 循環碼多項式：
  

模2加減法、模2除法

模2除法需要用到模2加減法，關于模2加減法，其實就是異或操作，規則如下:

// 不需要考慮進位和借位 // 模2加減法就是異或操作: 相同為0, 不同為1 0 ± 0 = 0 1 ± 1 = 0 0 ± 1 = 1 1 ± 0 = 1 例: 1101 ± 1001 = 0100 計算如下:1 1 0 1 ± 1 0 0 1 -----------0 1 0 0

模2除法:
模2除法的特點：每一位除的結果不影響其它位，即不向上一位借位

模2除法原則：

被除數的首位為1，商為1

被除數的首位為0，商為0

模2除法等同于按位異或，要保證每次除完首位都為0，才能進行右移

計算時每次右移一位，當被除數的位數小于除數，其為余數

友情提示：上面模2原則實際上沒有必要看，大體上就是正常除法的步驟，記住模2除法等同于異或，每次除完，下一個被除數去掉首位的0，后面補1位，繼續除。

例：1111000對除數1101做模2除法，先說結果：商1011余111

1 0 1 1 //商 --------------- |1 1 1 1 0 0 0 // 這是被除數, 且首位為1 |1 1 0 1 // 被除數首位為1, 商為1 ---------------|0 1 0 0 0 0 // 拋棄首部的0, 后面補1位|0 0 0 0 // 被除數首位為0, 商為0-----------|1 0 0 0 0 // 拋棄首部的0, 后面補1位|1 1 0 1 // 被除數首位為1, 商為1 ---------|1 0 1 0 // 拋棄首部的0, 后面補1位, 此時后面已經沒得補了|1 1 0 1 // 被除數首部為1, 商為1-------|1 1 1 // 被除數的位數小于除數, 這就是余數

【例】循環冗余碼編碼示例

模 2 除法：

【例】循環冗余碼檢錯

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【计算机网络】数据通信技术基础（数据通信性能指标、传输介质、数据交换技术、差错控制技术）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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