第3章 数据通信及通信网络基础3

1、 第3章 数据通信与通信网络基础章节授课说明：教学周次 第一周授课方式理论讲授（3课时）授课内容数据通信的基本概念 数据通信方式数据通信方式通信网简介 3.1数据通信的基本概念 3.2数据通信方式 3.3 传输介质3.4 通信网简介3.1数据通信的基本概念数据通信是指在计算机之间，计算机与终端之间以及终端与终端之间传送表示字符，数字，语音，图像的二进制代码0、1比特序列的过程。3.1.1数据、信息与信号 1.信息与数据信息(Information)可以是语音、图像、文字等各种形式，是人们要通过通信系统传递的内容；信息总是与一定的形式相联系，这种形式实体就是数据。可以说，数据是传递信息的实体，而

2、信息是数据的内容或解释。数据又分为模拟数据和数字数据，模拟数据的取值是连续的；数字数据的取值只在有限个离散的点上取值。数字数据比较容易存储、处理和传输，模拟数据经过处理也很容易变成数字数据。数字数据传输也有它的缺点，比如系统庞大、设备复杂，所以在某些需要简化设备的情况下，模拟数据传输还会被采用。 2.信号如图3-1中，发送机的功能是将人或机器产生的信息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电/光编码叫做信号。图3-1 模拟信号与数字信号波形 信号可以是模拟信号或数字信号。按照在传输介质上传输的信号类型，可以将通信系统分为模拟通信系统与数字通信系统两种。3.1.

3、2 数据通信系统 通信系统的作用是传递信息。图3-1所示的是通信系统的基本模型。其中，我们把除去两端设备的部分叫做信息传输系统。信息传输系统由三个主要部分组成： 发送机、信道和接收机。 图3-2 通信系统基本模型 1.信源和信宿 信源就是信息的发送端，是发出待传信息的人或设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传信息的人或设备。大部分信源和信宿都是计算机或其他数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE) 2.信道 在数据通信系统中，信道是传送信号的通路。信道本身也可以是模拟的或数字方式的。根据信号的不同，通信系统可以分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统主要分为数字

4、电话通信系统和数据通信系统两大类，如图3-3所示。 图3-3 通信系统分类图 3.信号变换器 信号变换的作用是将信源发出的信息变成适合在信道上传输的信号。对应不同的信源和信道，信号变换器有不同的组成和变换功能。 4.噪声源 一个通信系统客观上是不可地存在着噪声干扰的，而这些干扰分布在数据传输的各个部分。为分析或研究问题方便，通常把他们等效为一个作用于信道上的噪声源。 5.数据通信、数字通信与模拟通信要在业务类型上，数据通信系统主要提供数据服务，传送的主要是数据信息，即离散的二进制数字信号序列，也就是以数字信息为 数据通信系统可以说是通信系统的子集。它们的区别主主；而通信系统的服务类型除数据之外

5、，还包括语音(如电台广播)、视频(如电视网)等。数据通信系统的发送机、接收机和信道的功能都与通信系统一致。 有时数据通信系统的概念会有延伸，如通过模拟电话信道传输计算机输出的数字信号，有时也归入数据通信的讨论范围。广义上讲，除去利用模拟信号传输模拟数据的通信方式，其他通信系统都可以看作数据通信系统的研究范畴。 图3-4 数据传输系统模型3.2 数据通信方式3.2.1 并行传输方式与串行传输方式 数据传输有并行与串行两种方式。在计算机中，通常是用8位的二进制代码来表示一个字符。在数据通信中，人们可以按图3-5（a）所示的方式，将待传送的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送，这种工作方

6、式称为“串行传输”。在数据通信中，人们也可以按图3-5（b）所示的方式，将表示一个字符的8位二进制代码通过8条并行的通信信道同时发送出去，每次发送一个字符代码，这种工作方式称为“并行传输”。 图3-5 串行通信与并行通信 显然，采用串行传输方式只需要在收发双方之间建立一条通信信道；采用并行通信方式，收发双方之间必须建立并行的多条通信信道。对于远程通信来说，在同样传输速率的情况下，并行通信在单位时间内所传送的码元数是串行通信的n倍（在这个例子中n=8）。由于需要建立多个通信信道，并行通信方式造价较高。因此，在远程通信中，人们一般采用串行通信方式。3.2.2 异步传输方式与同步传输方式 的每一位的

7、开始时间和持续时间，这样才能正确地接收发送方发来的数据。数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收满足上述要求的办法有两种： 异步传输方式和同步传输方式。1. 异步传输方式 工作原理是： 每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。为了标志字节的开始和结尾，在每个字符的开始加一位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位，构成一个个的“字符”。这里的“字符”指异步传输的数据单元，不同于“字节”，一般略大于一个字节，如图3-6所示。 图3-6 异步传输方式异步传输方式的特点是： 每个字符代码前后的起始和停止位标识字符的开始和结束; 起始和停止位兼作线路两端的同步时钟，不再需要额外时钟

8、同步; 字符之间间隔任意; 速率较低，适合于误码率高及对数据速率要求低的线路。2. 同步传输方式 同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合（如01111110）或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。上述同步传输技术叫做字符同步，如图3-7所示。为了保证数据的正确传输，这种传输方式在每一位还要进行位同步。位同步的方式有两种： 内同步和外同步。 图3-7同步传输方式 内同步指某些编码技术内含时钟信号。外同步指由通信线路设备提供同步时钟信号，该同步信号与

9、数据编码一同传输，以保证线路两端数据传输同步。 总之，同步传输方式由字符同步和位同步共同构成。它的优点是开销少、效率高，适合以较高的速率传输数据；缺点是整个数据块一旦有一位错传，就必须重传整个数据块的内容。3.2.3 数据传输方向 如图3-8（c）所示，在全 数据通信按照信号传送方向与时间的关系，可以分为三种： 单信、半双工通信和全双工通信。 如图3-8（a）所示，在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。只能向一个方向传送的通信信道，只能用于单工通信方式中。 如图3-8（b）所示，在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须交替进行，一个时间只能向一个方向传

10、送。可以双向传送信号，但必须交替进行的通信信道，只能用于半双工通信方式中。双工通信方式中，信号可以同时双向传送。可以双向同时传送信号的通信信道，才能实现全双工通信，自然也就可以用于单工或半双工通信。 图3-8 单工、半双工与全双工通信3.2.4 连接方式 数据通信的连接方式有两种，即点到点连接方式和多点连接方式。 图3-9所示的是典型的点到点的连接方式，Modem一旦拨号连通之后，这条线路就被通信双方占用，不会有第三者再插进来。如果通信双方采用专线连接，还可以省去用Modem拨号的过程。 图3-9 点到点连接方式 如图3-10所示，各个通信终端共用一条通信主线路的通信方式叫做多点连接。这种方式

11、的优点是节省线路，缺点是需要解决多个终端同时通信时产生的线路争用问题。 图3-10 多点连接3.2.5 基带传输与频带传输1. 基带传输 把矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带（简称为基带）。在数字通信信道上，直接传送基带信号的方法称为基带传输。 在发送端基带传输的信源数据经过编码器变换，变为直接传输的基带信号，在接收端由解码器恢复成与发送端相同的数据。基带传输是一种最基本的数据传输方式。基带传输在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号，具有速率高和误码率低等优点，在计算机网络通信中被广泛采用。2. 频带传输 为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数字数据信号的传输，必须首先将

12、数字信号转换成模拟信号。 将利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输。在频带传输中，调制解调器是最典型的通信设备。调制解调器的作用是： 当它作为数据的发送端时，将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号；当它作为数据的接收端时，将电话线上的模拟信号转换成能在计算机中识别的数字信号。 频带传输的优点是可以利用现有的大量模拟信道通信，价格便宜，容易实现。它的缺点是速率低，误码率高。3.3 传输介质 传输介质是指数据传输系统中发送器和接收器之间的物理路径，它是传输数据的物理基础。传输介质分为有线和无线两大类。有线传输介质包括双绞线、同轴电缆和光缆；无线传输介质严格地分为无线电、微波、卫星

13、、移动通信等各种通信介质，通常笼统地称做无线传输介质。现在比较流行的使用方式为： 局域网由双绞线连接到桌面，光缆作为通信干线，卫星用于跨国界传输。3.3.1 双绞线双绞线是最廉价且使用面最广的导向传输媒体。它是由两根彼此绝缘的铜线组成，这两根线按照规则的螺旋状绞合在一起，每根铜线的直径大约为1mm。这样做的目的主要是减少电磁干扰，提高传输质量。双绞线可以用于模拟信号传输或数字信号传输，传输速率根据线的粗细和长短而不同，一般来说，线的直径越大，传输距离越短，传输速率越高。计算机局域网中经常使用的双绞线分为两类： 屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）； 非屏蔽双绞线。屏

14、蔽双绞线与非屏蔽双绞线的结构如图3-11所示。其中，图3-11（a）给出了屏蔽双绞线的结构，图3-11（b）给出了非屏蔽双绞线的结构。 图3-11 双绞线的结构示意图3.3.2 同轴电缆同轴电缆由同轴的内外两个导体组成，内导体是一根金属线，外导体（也称外屏蔽区）是一根圆柱形的套管，一般是细金属线编织成的网状结构，内外导体之间有绝缘层，如图3-12所示。另外，同轴电缆的两端需要有终结器（用50或75的电阻连接内外导体），中间连接需要收发器、T形头、筒形连接器等器件。 图3-12 同轴电缆的结构示意图.3 3.3光缆 将多条光纤组成一束，就可以构成一条光缆。光纤是网络传输介质中性能最好、应用前途最

15、广泛的一种。光纤的结构如图3-13所示。 图3-13 光纤结构与原理示意图3.3.4 无线传输介质无线传输介质包括： 无线电、微波、卫星、移动通信等，各种无线传输介质对应的电磁波谱范围如图。 图3-14 各通信类型使用的电磁波谱范围3.4 通信网简介计算机网络（主要指广域网和城域网）需要借助电信部门的公用通信网络系统作为它的通信链路进行网络通信。通信网的基础是电信技术和计算机技术的结合，而完成计算机之间、计算机与终端以及终端与终端之间的信息传递的通信方式和通信业务就是数据通信。通信网提供数据通信服务，它是由电信部门或公司向大众提供的公用服务，一般是有偿性的。数据通信服务目前最主要的用途之一是计

16、算机联网。下面列举几种典型的数据通信服务，它们多数都可以用于计算机广域网或城域网通信。3.4.1 公共交换电话网使用公共交换电话网（Public Switched Telephone Network, PSTN）作为通信线路，借助传输速率为9.6Kbps56Kbps 的Modem，可以实现计算机网络的远程连接，如将计算机通过电话拨号的方式接入Internet，在普通的电话线上实现Internet上高速下载。其主要技术原理是利用数字代码取代调制，也就是将联网的计算机终端设备与公共交换电话网直接进行数字连接，全程使用数字电话网，其下载速率可以高达56Kbps，上传最高速率为33.6Kbps。3.4

17、.2 公用分组交换网X.25X.25是国际电报电话咨询委员会（Consultative Committee on International Telephone and Telegraph, CCITT）提出的关于公用分组交换网的建议，它往往也是对X.25标准的数据通信服务的代称。它类似于公用电话交换网，可以向用户提供通信子网服务。总体来说，X.25是一种比较老式的数据通信服务，它主要应用在线路质量不可靠的模拟电话线路上，效率很低，速率一般小于或等于64Kbps。X.25对数据通信量不是很大，线路质量不好的用户还是比较不错的选择，而且它的协议在技术细节上很有代表性。3.4.3 数字数据网数字数

18、据网（DDN）实际上是我们常说的数据租用专线，有时简称专线。它由DDN交换机和传输线路（如光缆和双绞线）组成。图3-15显示了一个局域网络通过DDN与CERNET连接，并借助CERNET接入Internet。DDN除了不提供虚拟租用线路服务外，在传输技术上与帧中继十分类似。它也是数字式的，传输介质可以是光纤、铜缆或微波等。它主要用于点到点的局域网连接。DDN几乎不使用差错控制、流量控制等，性能价格比较好。 图3-15 通过DDN进行网络连接示例3.4.4 帧中继帧中继是近年来发展起来的数据通信服务。它面向的是需要高带宽、低费用、额外开销低的用户群。帧中继是面向连接的方式，它的目标是为局域网互联

19、提供合理的速率和较低的价格。它可以提供点到点的服务，也可以提供一点到多点的服务。它采用了两种关键技术，一是虚拟租用线路，一是“流水线”方式。帧中继通过其虚拟租用线路与专线竞争，而在PVC市场又通过其较高的速率(一般为1.5Mbps)与X.25竞争，在目前还是一种比较有市场的数据通信服务。3.4.5 综合业务数字网综合业务数字网（ISDN）是以电话综合数字网（Integrated Digital Network，IDN）为基础发展而成的通信网，它以公共交换电话网作为通信网络，即利用电话线进行数据传输。它提供端到端的数字连接，承载包括语音和非语音在内的多种电信业务。它的基本特性是在各用户之间实现以

20、64Kbps或128Kbps速率为基础的端到端的透明传输。ISDN的速率和接口标准有两种： 一种为基本速率接口，即2B+D，其中B为64Kbps的数字信道，D为16Kbps的控制数字信道；另一种为机群速率接口，即30B+D或23B+D，其中B和D均为64Kbps的数字信道。由于ISDN 完全采用数字信道，因而能获得较高的通信质量与可靠性。同时，ISDN为今后可能出现的新的通信业务提供了可扩展性。图3-16说明了传统的单一服务的电信网向ISDN发展的过程。ISDN具有如下优点。（1） 速率很快。（2） 可靠性强。（3） 可处理几乎所有类型的信息。（4） 可适用的领域宽。（5） 可同时执行多个通信

21、任务。（6） ISDN既可以与ISDN用户也可以与模拟世界中的人们通信。ISDN允许使用现有的模拟设备。 图3-16 传统的电信网向ISDN发展的过程3.4.6 非对称数字用户线非对称数字用户线（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）是一种调制技术，它利用普通电话线进行高速数据传输。ADSL能在现有电话线上传输高带宽数据以及多媒体和视频信息，并且允许数据和话音在一根电话线上同时传输。ADSL技术提供的数据传输速率是不对称的，下行速率是： 1.5Mbps8Mbps，而上行速率最高只有1Mbps。ADSL的最大传输距离为5.5km。与电话拨号和ISDN拨号

22、相比，除传输速度快的优点之外，ADSL还可以给我们带来其他的便利。它采用的是专线的连接方式。ADSL可以做到打电话和上网同时进行，不会互相干扰。 图3-17非对称数字用户线 3.4.7 有线电视网络（Cable Modem） Cable Modem是近几年发展起来的又一种家庭电脑入网的新技术，它是一种以有线电视使用的宽带同轴电缆作为传输介质，利用有线电视网（CATV）提供高速的数据传输的广域网连接技术。Cable Modem除了提供视频信号业务外，还能提供语音、数据等宽带多媒体信息业务。这种技术也具有不对称的特性，其上、下行速率各不相同。Cable Modem的上行速率是768Kbps,下行速

23、率最高可以达到38Mbps。在使用Cable Modem技术时，需对现有CATV系统进行双向改造，使之成为HFC系统，即双向系统。 沙 场 点 兵一.名词解释： 数据通信 基带 频带传输 信道宽带 误码率二.填空题：1. 在计算机网络中，频带传输是指计算机信息的 ，基带传输是指计算机信息的 。2. 通信系统的有效， 和 。3. 性主要由 ，数据通信的目的是交换信息，信息的载体可以是 ， ， ，图形或图像。4. 通信可以分为 和 。5. 通信系统共有 ， ， 和 等指标来衡量；可靠性一般用数据传输的 指标来衡量。3. 回答题1.请叙述数据、信息与信号之间的关系。2. 什么是模拟通信系统与数字通信

24、系统？3. 什么是并行传输？什么是串行传输？4. 什么是异步传输？什么是同步传输？5. 与ISDN相比，非对称数字用户环路ADSL有那些优点? 课下实训：1. 通过网上查阅了解数据通信、数字通信与模拟通信。2. 上网查阅并行传输方式与串行传输方式的工作原理。3. 通过上网查阅了解异步传输方式与同步传输方式。附件：1.传输速率和带宽的区别，信道和通道的区别带宽是指每秒传输的最大字节数，也就是一个信道的最大数据传输速率，单位为“位/秒”(bit/s)。带宽和数据传输速率是有区别的，前者表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率。带宽本来是指某个信号具有的频带宽

25、度，其单位是赫兹，过去的通信主干线路都是用来传送模拟信号（即连续变化的信号），带宽表示线路允许通过的信号频带范围。但是，当通信线路用来传送数字信号时，传送数字信号的速率即数据率就应当成为数字信道的最重要指标，不过习惯上仍延续使用“带宽”来作为“数据率”的同义词。传输速率-一般指的是系统的最大数据传输速率。但也可能不是，如果仅仅就这四个字而言，应该指的是当前的数据传输速率。不过，默认的说法认为是指最大数据传输速率，如果你写论文，就应该写明是“最大数据传输速率”。这个指标指的是数据在信道内每秒钟可以传输多少比特，单位是bit/s，或者bps。二者只是写法不同，意思是一样的。带宽-指的是信道的宽度，单位是Hz。但是，在非正式场合，也经常有人把“最大数据传输速率”说成“带宽”。这也可能是楼主产生迷惑的主要原因。