数据通信基础-1

目录

• 数据通信基础-1
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  • 计算机网络的定义
  • 服务的分层协议实现
    • OSI 模型（自上往下）
    • TCP/IP 模型（自上往下）
  • 数据传输基础知识
    • 数据通信基础知识
      • 数据通信的基本概念
    • 数据通信的基本模式
      • 模拟通信
      • 数字通信
    • 数据传输基础
    • 通信线路的通信方式
    • 常用概念与术语一
    • 常用概念与术语二
      • 异步通信
      • 同步通信
      • 常用概念与术语三
      • 常用概念与术语四

计算机网络的定义

• 计算机网络

  • 地理位置上分散的、为能够相互共享（硬件，软件，信息）资源的方式而连接起来的、并且各自具有独立功能的计算机系统之集合
  • 计算机间通信的目的是为共享硬、软件、信息资源
  • 各计算机功能独立，地域可以分散
  • 计算机网络应具有网络操作系统

• 计算机网络的定义

  • 凡将具有独立功能的两个以上计算机系统，通过通信设备和线路（或无线）将其连接起来，由功能完善的网络软件（网络协议，操作系统等）实现网络资源共享和信息交换的系统

服务的分层协议实现

OSI 模型（自上往下）

• 应用层
• 表示层
• 会话层
• 传输层
• 网络层
• 数据链路层
• 物理层

TCP/IP 模型（自上往下）

• 应用层
  • 应用层
  • 表示层
  • 会话层
• 传输层
• 网络层
• 主机至网络
  • 数据链路层
  • 物理层

数据传输基础知识

• 数据通信基础知识
• 常用术语
  • 异步通信与同步通信
  • 串行与并行
  • 带宽
• 数据编码与远程通信

数据通信基础知识

数据通信的基本概念

• 信息-Information
  • 从哲学的观点看，信息是一种带普遍性的关系属性，是物质存在方式及其运动规律、特点的外在表现
  • 信息是客观世界内同物质、能源并列的三大基本要素之一 (控制论的创始人——美国科学家诺伯特•维纳)
• 信息的特点
  • 可识别性、可存储性、可扩充性、可压缩性、可传递性、可转换性、特定范围有效性
  • 信息具有主观和客观的两重性
  • 信息不守恒
• 数据
  • 任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号
  • 数据是传递信息的实体，而信息是数据的内容或解释
• 信号 (Signal)
  • 发送机将人或机器产生的数据转换为适合在通信信道上传输的电编码、电磁编码或光编码。这种在信道上传输的特定形式编码叫做信号
  • 信号包括模拟信号或数字信号
• 模拟信号 (Analog Signal)
  • 模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号
  • 模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的，其因变量取值是连续的
• 数字信号 (Digital Signal)
  • 数字信号是指表示消息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号
• 数字与模拟
  • 模拟信号与数字信号在一定条件下它们是可以相互转化的
  • 模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号 (A/D)
  • 数字信号也可以通过解码、平滑等步骤恢复为模拟信号 (D/A)
  • 确定性-丰富性
• 信道
  • 在数据通信系统中，信道是传送信号的通路

数据通信的基本模式

• 发送方：数据（信息）编码为信号
• 信号通过能量传递
• 目的地：信号解码并还原为数据（信息）
• 能量：电能、光能、无线电波、声波、...
• 各种能量传输模式都有其特点

模拟通信

• 优点
  • 结构简单
  • 成本低
• 缺点
  • 保密性差
  • 抗扰性差

数字通信

• 优点
  • 抗干扰能力强
  • 可实现高质量的远距离通信
  • 能适应各种通信业务
  • 能实现高保密通信
  • 通信设备的集成化和微型化
• 缺点
  • 占用频带较宽
  • 技术要求复杂
  • 进行模/数转换时会带来量化误差

数据传输基础

数据编码简介

• 模拟信号与数字信号
• 进制
  • 10进制，12进制，玛雅-20进制，巴比伦-60进制
• 十进制数
  • 基数 10 —— 遵循逢 10 进位
  • 数码 10 个 — 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9
  • 表示：$(123.5{)}_{10}$ 或 $123.5D$ 或 $123.5$
  • 数值大小计算
• 二进制数
  • 莱布尼兹 (AD1646 - 1716)，易经 (BC500~200)
  • 基数 2 —— 遵循逢 2 进位
  • 数码 2 个 —— 0，1
  • 表示：$(101101.1{)}_2$ 或 $101101.1B$
  • 优点
    • 数字装置简单可靠
    • 只有两个数码0和1，每一位数都可用任何具有两个不同稳定状态的元件来表示
    • 基本运算规则简单，运算操作方便
    • 适合逻辑运算
  • 缺点
    • 表达信息所需位数多
• 十六进制数

通信线路的通信方式

• 通信线路连接方式：为适应不同的需要，通信线路采用不同的连接方式
  • 点对点方式
  • 多点方式

常用概念与术语一

• 串行通信
  • 每次由源到目的传输的数据只有一位，距离较远的情况
  • 成本因素，远距离通信一般采用串行传输技术
  • 相关标准：EIA-232、EIA-422、EIA-485、USB、IEEE1394
• 并行通信
  • 局域网 距离近，多位数据同时传输。 计算机内部的数据多是并行传输。
  • LPT、PCI
  • C=B*L/8(B/s)
  • 33MHz，32位-132MB/s
  • 66MHz,133MHz,266MHz,533MHz

常用概念与术语二

• 异步通信
  • 发送与接收方在发送数据前不进行协调
• 同步通信
  • 同步
    • 帧同步
    • 位同步

异步通信

起始位 字符编码 奇偶校验 终止位

• 信息以字符为单位传送
  • 每个字符由发送方异步产生，有随机性；
  • 字符一般采用多位二进制编码；
  • 需要辅助位，每个字符可能需要用 10 位或 11 位才能传送
• 特点：
  • 传输效率低；
  • 主要用于字符终端与计算机之间的通信。
• RS-232 异步字符传输标准

同步通信

同步位模式（一个或多个） 可变长度的位数据块

同步字符（一个或多个） 可变长度的字符数据块

• 信息是以报文为单位传送：
  • 传输开始时，以同步字符使收发双方同步；
  • 从传输信息中抽取同步信息，修正同步，保证正确采样。
• 特点：
  • 可以不间断地传输信息，传输效率较高；
  • 字符间减少了辅助信息；
  • 传输的信息中不能有同步字符出现，透明性较差。

常用概念与术语三

• 单工
  • 信息只能单向传输，监视信号可回送
• 半双工
  • 信息可以双向传输，但在某一时刻只能单向传输。
• 全双工
  • 信息可以同时双向传输。

常用概念与术语四

• 信道带宽——带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差 $W$
• 信道容量——某个信道传输数据速率上限，也叫作信道的最大传输速率，$bps$。
• 奈奎斯特定理——有限带宽、无噪声信道的最大传输速率公式，$C=2W{\log }_{2}V(\mathrm{bps})$（低通条件）。$W$ 代表信道的带宽。$V$ 是信号有效状态的数量。
• 香农（Shannon）定理：有噪声信道的最大传输速率与带宽的关系，$C=W{\log }_2(1+S/N)(\mathrm{bps})$。$C$ 表示信道容量（最大传输速率），$W$ 代表信道的带宽。$S$ 是信号能量，$N$ 是噪声能量，$S/N$ 是信噪比，用来描述信道的质量