《数据通信原理》课件

《数据通信原理》欢迎来到《数据通信原理》课程本课程旨在全面介绍数据通信领域的核心概念、技术和应用我们将深入探讨数据通信系统的各个层面，从基础理论到前沿技术，帮助你构建坚实的数据通信知识体系通过学习本课程，你将能够理解现代通信网络的运作方式，掌握关键技术，并为未来的学习和工作打下坚实的基础课程简介课程目标主要内容适用人群理解数据通信的基本原理，掌握关键技术，数据通信的基本概念、系统结构、信号基计算机科学、通信工程及相关专业的学生，了解现代通信网络的应用通过案例分析，础知识、信号编码与调制、信道编码与信对数据通信技术感兴趣的工程师和技术人培养解决实际问题的能力，为未来的学习道控制、数据链路层协议、多路访问技术、员，以及希望了解现代通信网络运作方式和工作打下基础局域网和广域网技术、因特网通信协议等的读者数据通信基本概念数据、信号与信息模拟通信与数字通信12数据是信息的载体，信号是数模拟通信传输连续信号，数字据的传输形式理解三者之间通信传输离散信号了解两者的关系是数据通信的基础的特点和应用场景数据通信系统的组成3包括信源、信宿、传输系统等理解各组成部分的功能和相互作用数据通信系统结构分层结构协议与接口数据通信系统通常采用分层结构，协议定义了通信双方的规则，接如OSI模型和TCP/IP模型分层结口定义了通信双方的连接方式构简化了系统设计和维护理解协议和接口的重要性数据封装与解封装数据在传输过程中需要进行封装和解封装，以保证数据的完整性和正确性了解封装和解封装的过程信号基础知识频率幅度相位信号的频率是指信号在信号的幅度是指信号的信号的相位是指信号的单位时间内变化的次数，最大值，单位是伏特V起始角度，单位是弧度单位是赫兹Hz频率幅度反映了信号的强度rad相位描述了信号是信号的重要参数的初始状态信号编码与调制编码1将数据转换成适合在信道中传输的信号形式例如，、曼NRZ彻斯特编码等调制2将基带信号转换成适合在高频信道中传输的信号形式例如，、、等ASK FSKPSK解调3接收端将接收到的信号还原成原始数据解调是调制的逆过程信道编码与信道控制信道编码通过增加冗余信息，提高数据传输的可靠性例如，奇偶校验、校验、纠错码等CRC信道控制对信道进行管理和控制，提高信道利用率例如，流量控制、拥塞控制等差错控制检测和纠正数据传输过程中产生的错误例如，协议等ARQ数据链路层协议协议HDLC2高级数据链路控制协议，用于在两个节点之间进行可靠的数据传输协议PPP1点对点协议，用于在两个节点之间建立连接常用于拨号上网以太网协议用于局域网中的数据传输例如，3协议CSMA/CD多路访问技术空分多址1在不同的空间位置使用不同的信道时分多址2将时间分成若干个时隙，每个用户占用一个时隙频分多址3将频率分成若干个频段，每个用户占用一个频段码分多址4为每个用户分配一个唯一的码字，通过码字来区分不同的用户多路访问技术允许多个用户共享同一个信道，提高信道利用率局域网技术以太网1目前最流行的局域网技术采用协议CSMA/CD无线局域网2采用标准例如，IEEE

802.11Wi-Fi令牌环网3采用令牌传递的方式进行数据传输广域网技术广域网WAN覆盖范围广，用于连接不同地区的局域网常见的广域网技术包括MPLS、VPN、专线等集线器、交换机和路由器集线器交换机路由器物理层设备，简单地转发信号所有端口共数据链路层设备，根据MAC地址转发数据网络层设备，根据IP地址转发数据实现不享带宽每个端口独占带宽同网络之间的互联因特网通信协议因特网采用协议簇进行通信协议簇包括、、、等协议模型与模型类似，但更加实用TCP/IP TCP/IP TCP IP HTTP SMTP TCP/IP OSI协议簇TCP/IP协议协议TCP IP传输控制协议，提供可靠的、面向连接的数据传输服务例如，网际协议，提供无连接的、尽力而为的数据传输服务IP协议是因三次握手、流量控制、拥塞控制等特网的核心协议和是协议簇中最核心的两个协议它们共同实现了可靠的数据传输TCPIPTCP/IP地址与子网划分IP地址子网掩码1IP2用于标识因特网上的设备用于确定地址的网络部分和IP IP地址分为和两种类型主机部分子网掩码与地址IPv4IPv6IP进行与运算，可以得到网络地址子网划分3将一个大的网络划分成若干个小的子网，可以提高网络利用率和安全性例如，技术VLSM域名系统与URL域名系统DNS将域名转换成地址采用分布式结构，提高了系统的可靠性IP DNS统一资源定位符URL用于标识因特网上的资源包括协议、域名、端口号、路径等信息URL应用层协议HTTPSMTPFTP超文本传输协议，用于万维网的数据传输简单邮件传输协议，用于电子邮件的发送文件传输协议，用于文件的上传和下载电子邮件系统SMTP1用于发送电子邮件客户端将邮件发送到服务器SMTPPOP3/IMAP2用于接收电子邮件客户端从服务器下载邮件POP3/IMAPMIME3用于支持多种类型的邮件内容例如，文本、图片、附件等万维网系统协议HTTP客户端发送请求，服务器返回响应是无状态HTTP HTTPHTTP协议HTML超文本标记语言，用于描述网页的结构和内容浏览器用于解析代码，并显示网页的内容HTML即时通信服务器2用于存储用户信息和转发消息服务器需要处理大量的并发请求客户端1用户通过客户端发送和接收消息例如，、微信等QQ协议用于客户端和服务器之间的通信例如，

3、等XMPP MQTT视频会议系统视频编码1将视频数据压缩成适合在网络中传输的格式例如，、等H.264H.265音频编码2将音频数据压缩成适合在网络中传输的格式例如，、等AAC Opus网络传输3将视频和音频数据通过网络传输到接收端需要保证实时性和可靠性物联网和5G物联网1将各种设备连接到因特网，实现智能化管理和控制应用场景广泛5G2第五代移动通信技术，具有高速率、低时延、大连接的特点融合3物联网和技术的融合，将推动各行各业的智能化升级5G物联网基本架构感知层网络层应用层物联网通常采用三层架构感知层、网络层和应用层感知层负责数据采集，网络层负责数据传输，应用层负责数据处理和应用通信协议和标准MQTT CoAPZigbee轻量级的消息队列协议，适用于资源受限的约束应用协议，适用于低功耗设备低功耗、低速率的无线通信技术，适用于短设备距离通信网络架构5G网络采用全新的网络架构，包括核心网和无线接入网核心网实现了控制面和数据面的分离，无线接入网采用了大规模等技术5G MIMO关键技术5G大规模毫米波网络切片MIMO通过使用大量的天线，提高信道容量和频使用高频频段，提供更大的带宽实现超将网络划分成多个逻辑网络，每个网络满谱效率大幅提升网络速率和容量高速率的数据传输足不同的业务需求实现灵活的网络配置和管理无线传输基础电磁波天线信道123无线通信的载体电磁波具有频率、用于发射和接收电磁波天线的性能电磁波传播的媒介无线信道具有复波长、幅度等参数直接影响无线通信的质量杂性和时变性信号传播模型自由空间传播模型阴影衰落模型适用于视距传播信号强度随着考虑了障碍物对信号的遮挡信距离的增加而减小号强度具有随机性多径衰落模型考虑了信号的多径传播信号强度具有快速变化性信道容量与信道编码信道容量信道编码指信道能够可靠传输的最大数据速率通过增加冗余信息，提高数据传输的香农公式给出了信道容量的理论上限可靠性例如，Turbo码、LDPC码等调制和解调技术模拟调制1例如，、、模拟调制适用于模拟信号的传输AM FMPM数字调制2例如，、、、数字调制适用于数字信号的ASK FSKPSK QAM传输自适应调制3根据信道条件动态调整调制方式提高频谱效率和数据速率多址接入技术TDMA时分多址，将时间分成若干个时隙，每个用户占用一个时隙FDMA频分多址，将频率分成若干个频段，每个用户占用一个频段CDMA码分多址，为每个用户分配一个唯一的码字，通过码字来区分不同的用户移动通信系统概述移动终端2例如，手机、平板电脑等移动终端通过无线信道与基站进行通信基站1用于提供无线覆盖基站负责与移动终端进行通信核心网用于实现移动性管理、呼叫控制等功能3核心网连接到因特网和其他网络蜂窝移动通信系统小区1基站覆盖的区域每个小区分配不同的频率或码字频率复用2在不同的小区使用相同的频率，提高频谱利用率切换3当移动终端从一个小区移动到另一个小区时，需要进行切换，保证通信的连续性关键技术2G/3G/4G2G

1、主要提供语音服务GSM CDMA3G

2、提供语音和数据服务WCDMA CDMA20004G3提供高速率的数据服务LTE网络安全网络安全是指保护网络系统免受未经授权的访问、使用、泄露、破坏或修改常见的网络安全威胁包括恶意软件、钓鱼攻击、DDoS攻击等密码学基础对称加密非对称加密哈希算法加密和解密使用相同的密钥例如，AES、加密和解密使用不同的密钥例如，RSA、将任意长度的数据转换成固定长度的哈希值DES等ECC等哈希算法具有单向性和抗碰撞性网络安全应用网络安全技术广泛应用于、防火墙、入侵检测系统等用于实现安全的数据传输，防火墙用于阻止未经授权的访问，入侵检测系VPN VPN统用于检测网络攻击数据加密与认证数据加密数据认证将数据转换成不可读的形式，保护数据的机密性常用的加密算验证数据的来源和完整性常用的认证技术包括数字签名、消息法包括对称加密和非对称加密认证码等防火墙和入侵检测防火墙入侵检测系统12IDS位于网络边界，用于阻止未经用于检测网络攻击IDS可以分授权的访问防火墙可以根据析网络流量，并报警可疑的行规则过滤数据包为入侵防御系统3IPS可以自动阻止网络攻击是的增强版IPS IDS前沿技术软件定义网络网络功能虚拟化SDN NFV将网络的控制面和数据面分离，将网络功能部署在通用的硬件平实现灵活的网络配置和管理台上，降低网络建设和维护成本人工智能AI应用于网络安全、网络优化等方面例如，可以用于检测网络攻击和预AI测网络流量未来网络发展量子通信6G第六代移动通信技术，将提供更高的速率、更低的时延和更大的连利用量子力学的原理进行数据传输，具有更高的安全性接数结论与展望《数据通信原理》是通信技术的基础，它支撑着我们现代社会的各种通信应用通过本课程的学习，我们不仅了解了数据通信的基本概念和技术，还对未来的网络发展趋势有了更清晰的认识希望同学们能够继续深入学习，为构建更智能、更安全、更高效的通信网络贡献力量随着、物联网、人工智能等技术的不5G断发展，数据通信领域将迎来更加广阔的发展前景。