数据通信基础教案

一、教学目标：

1.了解数据通信的基本概念

2.了解数据传输方式

3.理解数据交换技术

4.理解差错检验与校正技术

二、教学重点、难点

数据通信的数据传输方式、数据交换技术、差错检验与校正技术

三、教学方法

教师讲解、演示、提问；

四、教具使用

计算机一台、多媒体幻灯片演示

五、教学内容

一、数据通信的基本概念

（一）信息、数据、信号

1、数据

是把时间的某些属性规范化后的表现形式，可被识别、也可被描述。1）数据的内容是事件的反映或描述；2）数据以某种媒体为载体，即数据是存储在媒体上的。数据可以分成两类：模拟数据和数字数据。

2、信息：信息是对客观事物的反映,可以是对物质的形态、大小、结构、性能等全部或部分特性的描述，也可表示物质与外部的联系。信息有各种存在形式。

3、信号：是数据的具体无力表现，具有确定的物理描述

数据是信息的载体，信息是数据的内涵，信号是数据的具体体现形式

（二）信道和信道容量

1．基本概念

信道是传送信号的一条通道，可以分为物理信道和逻辑信道。

物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，由传输及其附属设备组成。

逻辑信道也是指传输信息的一条通路，但在信号的收、发节点之间并不一定存在与之对应的物理传输介质，而是在物理信道基础上，由节点设备内部的连接来实现。

2．信道的分类

信道按使用权限可分为专业信道和共用信道。

信道按传输介质可分为有线信道、无线信道和卫星信道。

信道按传输信号的种类可分为模拟信道和数字信道。

3．信道容量

信道容量是指信道传输信息的最大能力，通常用数据传输率来表示。

即单位时间内传送的比特数越大，则信息的传输能力也就越大，表示信道容量大。

（三）码元和码字

在数字传输中，有时把一个数字脉冲称为一个码元，是构成信息编码的最小单位。

计算机网络传送中的每一位二进制数字称为“码元”或“码位”，例如二进制数字10000001是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”。

（四）数据通信系统主要技术指标

1．比特率：比特率是一种数字信号的传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数，单位用比特每秒（bps）或千比特每秒（Kbps）表示。

2．波特率：波特率是一种调制速率，也称波形速率。在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特（baud）。

3．误码率：误码率指信息传输的错误率，也称误码率，是数据通信系统在正常工作情况下，衡量传输可靠性的指标。

4．吞吐量：吞吐量是单位时间内整个网络能够处理的信息总量，单位是字节/秒或位/秒。在单信道总线型网络中，吞吐量=信道容量×传输效率。

5．通道的传播延迟：信号在信道中传播，从信源端到达信宿端需要一定的时间，这个时间叫做传播延迟（或时延）。

（五）带宽与数据传输率

1.信道带宽

信道带宽是指信道所能传送的信号频率宽度，它的值为信道上可传送信号的最高频率减去最低频率之差。

带宽越大，所能达到的传输速率就越大，所以通道的带宽是衡量传输系统的一个重要指标。

2.数据传输率

数据传输率是指单位时间信道内传输的信息量，即比特率，单位为比特/秒。

一般来说，数据传输率的高低由传输每一位数据所占时间决定，如果每一位所占时间越小，则速率越高。

二、数据传输方式

（一）数据通信系统模型

（二）数据线路的通信方式

根据数据信息在传输线上的传送方向，数据通信方式有：单工通信半双工通信双工通信

（三）信道的通讯方式

1. 串行通信：数据在一个信道上一位一位依次传输。

特点：

（1）.通信线路数小，线路利用率高适合于远距离传输。

（2）.在发送端和接收端需要并/串转换和串/并转换。

（3）.需要实施同步措施，以确保不产生错字。

2. 并行通信：数据在多个信道上同时传输。

特点：

（1）.不需要对传输代码进行时序转换

（2）.需要数据线数目多。

（3）.传输速率高。

三、数据交换技术

通常使用四种交换技术：

电路交换

报文交换

分组交换

（一）电路交换

电路交换（也称线路交换）

是一种直接交换方式，是多个输入线和多个输出线之间直接形成传输信息的物理链路，一般分为电路建立、数据传送和电路释放三个阶段

特点：

呼损

不同速率和不同电码之间的用户不能进行交换

信息延时短，且固定不变

用于连续、大批量数据传输

（二）报文交换

又称为存储转发，报文是交换的单位，主要包括报文的正文信息，发和收节点的地址信息以及各种控制信息。

要求网络每个节点有较大的存储空间，延时性强，多条报文可以共享一条通信通道

不同速率的节点可以连接，可以进行数据格式转换，建立报文传输优先权。

缺点：不利于实时交互通信

（三）分组交换分组交换也称包交换，又称为：包交换，是针对报文交换的缺点而提出的改进方式

属于存储转发交换方式，以比报文更短的“分组”为单位进行交换传输

数据报传输分组交换和虚拟电路传输分组交换

报文分组交换方式是把长的报文分成若干个较短的报文组，报文组是交换单位，交换要包括分组编号，各组报文可按不同的路径进行传输，到达目的节点后，重新组成报文。

较报文传输优点：

数据传输灵活

转发延时性降低

转发差错少，对差错容易进行恢复处理

便于控制转发

增加了目的节点对报文的加工处理时间和复杂性

虚拟电路传输分组交换源节点和目的节点之间建立一条逻辑通路。每个分组除了包含数据以外还包括一个虚电路标识符。在预先建立好的这个路径上，每个节点都知道把这些分组引导到哪里去，不再需要路由选择判定。

该通路是虚拟的，不是专用的。

四、信道复用

多路复用是指在数据传输系统中，允许两个或多个数据源共享同一个传输介质，就像每一个数据源都有自己的信道一样，在信号的接收端必须可以将复合信号分离出来。

目前有四种技术：

  频分多路复用（FDMA）

  波分多路复用（WDMA）

  时分多路复用（TDMA）

  码分多路复用（CDMA）

（1）频分多路复用

在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽的情况下，我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信道带宽相同（或略为宽一点）的子信道，每一个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。

（2）波分多路复用

光纤信道上使用的波分多路复用（WDM）是频分多路复用的一个扩展。

（3）时分多路复用

时分多路复用是将一条物理线路按时间分成一个个的时间片，每个时间片常称为一帧，每帧长125s，帧再分为若干时隙，轮换地为多个信号所使用。每一个时隙由一个信号（也即一个用户）占用，在占有的时隙内，该信号使用通信线路的全部带宽。

（4）码分多路复用

前向和反向采用频分多路复用，在同一载波的码分信道上使用不同的码型与用户对应，实现时间上的共享。

五、同步与异步通信

同步，就是接收端要按发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据。

在通信时，接收端要校准自己的时间和重复频率，以便和发送端取得一致，这一过程称为同步过程。

目前，传输信息的同步方式有异步方式和同步方式两种。

（1）异步方式

异步方式又称为起止同步方式，它把各个字符分开传输，字符之间插入同步信息。它在要传输的字符前设置起始位，在信息代码和校验位（一般总共为8比特）结束以后，再设置1－2位比特的终止位，表示该字符已结束。终止位也反映了平时不进行通信时的状态。各字符之间的间隔是任意的、不同步的，但在一个字符时间之内，收发双方各数据位必须同步，所以这种通信方式又称为起止同步方式。

（2）同步式

同步式要求不管是否传输信息代码，每个比特位必须在收发两端始终保持同步，中间没有间断时间，即为比特位同步。

当不传送信息代码时，在线路上传送的是全1或其他特定代码，在传输开始时用同步字符SYN（编码为01111110）使收发双方进入同步。当搜索到SYN同步字符时，接收端开始接收信息，此后就从传输信息中检测同步信息。一般在高速传输数据的系统中采用同步式。

六、差错检验与校正

在实际通信系统中，误差主要来自通信设备和传输媒质两个方面。对数字通信设备而言，有很好的可靠性和稳定性，其本身产生差错的可能性是很少的。至于传输媒质，由于干线采用了光缆，也很少有差错。因此差错主要来自传输媒质中的模拟本地环路以及无线通信环境。原因在两个方面：一是媒质的传输特性，使传输的数据信号产生幅度失真、相位失真和频率偏移，导致码间干扰；二是各种外界干扰（雷电、火花）引起突发差错，造成一串数据信息的破坏。通常电话专线的信道误码率（含Modem）是10-4~10-5，电话交换网的信道误码率是10-3~10-4，而数据通信业务要求误码率小于10-9。在改进信道各部分如媒质选择，均衡、滤波措施、提高Modem质量等不奏效或经济上不能承受的情况下，必须在数据链路两端采用差错控制技术。

  误差控制技术的核心是采用高效的纠错检错编码方法，将这些冗余码附加在信息中一起传送。常用的校验方式

有奇偶校验和循环冗余码校验。

（一）奇偶校验

采用奇偶校验时，若其中两位同时发生错误，则会发生没有检测出错误

的情况。

（二）校验和方式

将数据帧中的信息按一定位数分组，然后顺序相加，有进位则最后将进位放到数据后面一起相加，最后生成校验码。

（二）循环冗余码校验。

这种编码对随机差错和突发差错均能以较低的冗余充进行严格的检查。

小结：

1.数据通信的的一些基本知识

2.三种交换方式的基本工作原理

3.两种差错校验方法：奇偶校验和循环冗余校验

作业：

本章课后选择题

1.什么是信息、数据？试举例说明它们之间的关系。

2.什么是信道？常用的信道分类有几种？

3.什么是比特率？什么是波特率？请举例说明两者之间的联系和区别。

4.什么是带宽、数据传输率与信道容量？有何异同？

5.何谓单工、半双工和全双工通信？请举例说明它们的应用场合。

6.在数据通信系统中，常用数据传输方式有哪几种？简述它们的基本原理。

7.在计算机网络中，数据交换的方式有哪几种？各有什么优缺点？

8.何谓虚电路？何谓数据报？

9.在数据通信系统中，如何进行差错控制？