第2章 数据通信基础

1、吉林财经大学 管理科学与信息工程学院Chapter 2 Chapter 2 数据通信基础数据通信基础学习目标学习目标l掌握数据通信的基本概念掌握数据通信的基本概念l掌握几种编码方法掌握几种编码方法l理解多路复用技术理解多路复用技术l了解数据交换技术了解数据交换技术学习完本章课程，您应该能够：学习完本章课程，您应该能够：第二章第二章 数据通信基础数据通信基础第二章第二章 数据数据通讯基础通讯基础数据通信是计算机和通信相结合产生的一种通信方式和业务。所谓的数据通信就是将数据用电信号或光信号表示，并通过传输媒体正确地传输给接收者。传输媒体所构成的传输信道并不是完全理想的，存在着传输失真和噪声干扰，可

2、能使信号发生差错，因此需要通信双方进行必要的差错控制。同时，为了使整个通信过程有序进行，通信双方必须建立共同遵守的规则协议和约定，并按照协议和约定进行通信，这样才能实现有意义的数据通信。例如:摩尔斯Morse code电码、电报数据通信系统构成传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机通过两个计算机通过电话网络通信实例说明数据通信系统构成数据通信系统组成数据通信系统组成 从宏观上讲，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系

3、统和目的系统。 源源系统一般包括以下两个部分：系统一般包括以下两个部分：l源点（信源）：产生要发送数据的设备，把数据原始信号化，例如个人计算机l发送器：一般来说，信源所产生的数据需要经过形式上的变换才适合在传输系统中传送。发送设备将数据信息进行编码，将数据信息变换成可在传输系统中传送的信号并将信号送给传输系统。例如调制解调器可将它所连接的计算机产生的数据变换成能在电话网中传送的模拟信号。调制解调器有内置、外置两种。ADSL调制解调器与传统调制解调器不同。数据通信系统组成数据通信系统组成 目的系统目的系统一般也包括以下两个部分：一般也包括以下两个部分：l接收器：接收器接收信号，将信号变换成信宿可

4、处理的数据信息。例如，调制解调器从电话网络中接收模拟信号，并将模拟信号变换成数据信息传递给计算机。l终点（信宿）：终点从接收器接收传输系统传送过来的信号，并还原成数据。终点又称为目的站。数据通信系统组成数据通信系统组成l传输系统传输系统l传输系统可以是一条简单的传输线路，也可以是一个比较复杂的网络。（例如：BP寻呼机系统包括计算机服务器调制解调器线路 调整解调器 发射机 BP机）数据通信数据通信系统组成系统组成l实例说明数据通信系统组成计算机通信系统组成计算机通信系统组成 一个计算机通信系统由7个部分组成，它包括：l发送方的数据终端设备（DTE）：用来发送数据的设备，可以是计算机、工作站、终端

5、等。l发送方的数据电路通信设备（DCE）：用来实现数字信号和模拟信号的转换，可以是替调制解调器（Modem使用模拟信道）或数据业务单元（DSU使用数字信道）。l接收方的数据电路通信设备：用来实现模拟信号和数字信号的转换。l传输媒体：从发送方到接收方的物理路径，可以是有线，也可以使无线的。l接收方的数据终端设备：用来接收数据的设备，可以是计算机、工作站或终端。l数据：是通信所传输的信息，可以使文本、数字、图像、声音或视频，或他们的组合。l协议：是通信规则的组合，负责协调通信，两个设备能够进行通信的前提是必须执行同样的协议，即相当于使用同一种语言。如：中国人和日本人说话，无法沟通，但可以选择英语，

6、大家都说英语，即以英语为协议。一个数据通信协议详细定义了通信的时间、方法、过程等问题。标准 网络的发展离不开标准的制订和应用，标准不仅使不同的计算机之间可能实现通信，而且可以使符合标准的产品得到推广，从而扩大生产规模，降低生产和使用成本。标准化是解决网络互通、资源浪费、开发风险、开发周期等问题的重要手段。l事实标准：事实标准是指非由标准化组织制定的，而是由处于技术领先地位的企业、企业集团制定(有的还需行业联盟组织认可)，由于广泛使用而得到发展普及的标准。如DVD、IBM PC体系结构；l认证标准：得到国家或国际公认机构正式认证并采纳的标准；如：RS-232、IEEE802等。国际标准化组织l国

7、际标准化组织（ISO，International Standards Organization） l国 际 电 信 联 盟 （ I T U - U I n t e r n a t i o n a l Telecommunications Union-Telecommunication Standards Sector） l电气与电子工程师协会（IEEE，Institute of Electrical And Electronics Engineers） l电子工业协会（EIA，Electronic Industries Association） l美国国家标准协会（ANSI，American

8、National Standards Institute） lInternet架构委员会（IAB，Internet Architecture Board） l国际电子技术委员会（IEC，International Electro technical Commission） 国际标准化组织国际标准化组织 国际标准化组织（ISO ， International Standards Organization）l世界上最著名的国际标准化组织之一，是一个全球性的非政府组织。1947年正式成立，总部在日内瓦。l工作程序：如果由某个国家标准化组织觉得在某个领域需要有一个国际标准，就成立一个工作组，由该工作组

9、提出委员会草案，在得到所有成员的多数赞成后，制定一个修订文档，称为国际标准草案，并且在成员中传阅评价，最后投票获准后成为国际标准。l它主要由美国国家标准协会（ANSI，它制定了ASCII码，是一个非赢利性的民间标准化团体，但它实际上已成为美国国家标准化中心，是美国在ISO中的代表）和其他国家的国家标准组织的代表组成。最突出的贡献就是对开发系统的研究，我们目前绝大多数的网络教材还以OSI参考模型为基准。WAPI争端争端l2006年3月7日，WAPI在成为国际标准的快速流程投票阶段中失利，约二成的国际标准化组织(ISO)会员支持WAPI，八成以上的会员支持英特尔主导开发的IEEE802.11i。

10、l中国无线局域网安全强制标准WAPI是WLAN Authentication and Privacy Infrastructure的英文缩写，由西安捷通通信公司研发。l其最大的区别是安全加密的技术不同：WAPI使用的是一种名为“无线局域网鉴别与保密基础架构(WAPI)”的安全协议，而802.11B则采用“有线加强等效保密(WEP)”安全协议。制订制订WAPI的原因的原因l出于安全性考虑。无线局域网来说，安全性方面非常脆弱，因为现行的无线网络产品大多数都采用802.11B作为无线传输协议，这种协议的优点是传输速率能达到11M，与有线局域网的传输速度相近，而且覆盖范围达100米。但是“成也何萧，败

11、也何萧”。正是其传输速度快，覆盖范围广，才使它在安全方面非常脆弱, WIFI加密技术经历了WEP、WPA、WPA2的演化，每一次都极大提高了安全性和破解难度，然而由于其单向认证的缺陷，这些加密技术均已经被破解并公布。WPA于2008年被破解。WPA2则于2010年上半年被黑客破解并在网上公布。因为数据在传输的过程中都曝露都空中，很容易被别有用心的人截取数据包。而且其核心技术掌握在别国人手中，他们既然能制定得出来就一定有办法破解，所以在安全方面成了政府和商业用户使用WLAN的一大隐患。所以我国强制性地要求相关商业机构执行WAPI标准能更有效地保护数据的安全。家庭无线网络破解,蹭网.应对方法:ma

12、c地址绑定过滤, 关闭ssid广播制订制订WAPI的原因的原因l出于利益方面的考虑。我国是个经济蓬勃发展的发展中国家，许多产品都拥有巨大的发展空间，尤其是高科技产品。但是，在以前，我国在高科技产品方面丧失了很多的机会，由于极少有自主核心技术和自己业界标准的产品，造成了颇为被动的局面：DVD要被外国人收取大量的专利费，GPRS、CDMA1X等等的标准都掌握在外国人手里，我们只能乖乖地将大把的钞票送给人家去买人家的标准，而自己则像个替人“打工”的工人，只能去搞CEO、去帮人组装产品。所以，有人说“一流的企业卖标准、二流的企业卖技术、三流的企业卖产品”。但是，现在机会来了。WLAN（无线局域网）在我

13、国是一个新兴的新生事物，发展势头迅猛。以整合无线模块的迅驰笔记本电脑的销售情况来看，似乎不错，我国的WLAN的市场潜力很大。我国现在制定自己的WLAN传输协议标准，从长远来看，将会取得很大的经济利益。国际电信联盟国际电信联盟l产生背景：AT&T的前身是由电话发明人贝尔于1877年创建的美国贝尔电话公司。曾长期垄断美国长途和本地电话市场。 1984年，美国司法部依据反托拉斯法拆分AT&T，分拆出一个继承了母公司名称的新AT&T公司(专营长途电话业务)和七个本地电话公司(即“贝尔七兄弟”)，美国电信业从此进入了竞争时代。除此之外，美国还约有1500个独立的私有电话公司。有了

14、这么多的服务提供者，为了实现全球范围通信的兼容性，就需要确定一个大家共同遵守的标准，这些标准主要由国际电信联盟制定。国际电信联盟国际电信联盟l国际电信联盟的前身是国际电报电话咨询委员会（CCITT）成立于1865年，1947年成为联合国机构ITU下属3个部门之一（ITU分为ITU-R无线电通信部；ITU-D电信发展部；ITU-T电信标准部）。lITU的成员包括各国电信主管部门及各种各样的科研机构、工业组织、电信组织、电话通信方面的权威人士，负责对世界范围内的电话、电报、数据通信提出技术性建议。它定义了众所周知的V系列和X系列标准。如：定义了广域网技术中的x.25,帧中继Frame Relay等

15、。电气与电子工程师协会电气与电子工程师协会l电气与电子工程师协会（IEEE，Institute of Electrical And Electronics Engineers）l是全球最大的专业技术学会，会员达几十万人。由计算机和工程学专业人士组成，负责计算机、电气电子等专业标准的制定，他制定了大量网络标准，使得各个厂家产品互通，目前IEEE制定的局域网标准占据当今主导地位，如：802.x协议族（802.3以太网标准CSMA/CD、802.4令牌总线网标准、802.5令牌环网标准Token Ring）。许多IEEE标准最终成为ISO的标准，如：IEEE802被ISO采纳后确定为ISO8002。

16、电子工业协会电子工业协会l电子工业协会（EIA，Electronic Industries Association）l主要成员是电子公司和电信设备制造商，它也是ANSI的成员。主要制定设备间的电气标准（电气连接合数据的物理传输），在数据通讯领域，它定义了网络连接线缆标准，如：RS232、V35、568A/568B布线标准等。美国国家标准协会美国国家标准协会l美国国家标准协会（ANSI，American National Standards Institute）l是国际标准化组织美国的代表，ANSI标准广泛应用于各个领域，在网络方面定义了FDDI光纤分布式数据接口标准，ASCII码。与与Inte

17、rnet相关的组织相关的组织l因特网工程任务组（IETF）Internet Engineering Task Force，成立于1985年，主要任务是负责互联网技术规范的制订。是一个由为互联网技术工程及发展做出贡献的专家自发参与和管理的国际民间机构。大量的技术性工作均由其内部的各类工作组协作完成。包括：lInternet架构委员会（IAB）负责定义整个互联网的架构，是IETF的最高技术决策机构。l因特网工程指导组（IESG）负责技术管理和互联网标准制定进程，是IETF实施决策机构。lIAB负责形成各种网络标准，一个RFC文件在成为官方标准前一般至少要经历三个阶段：建议标准、草案标准、因特网标准

18、。RFC文档文档lRFC(Request For Comments)-意即“请求注解”，包含了关于Internet的几乎所有重要的文字资料，RFC享有网络知识圣经之美誉。通常，当某家机构或团体开发出了一套标准或提出对某种标准的设想，想要征询外界的意见时，就会在Internet上发放一份RFC，对这一问题感兴趣的人可以阅读该RFC并提出自己的意见；绝大部分网络标准的指定都是以RFC的形式开始，经过大量的论证和修改过程，由主要的标准化组织所指定的，但在RFC中所收录的文件并不都是正在使用或为大家所公认的，也有很大一部分只在某个局部领域被使用或并没有被采用，一份RFC具体处于什么状态都在文件中作了明

19、确的标识。第二章第二章 数据通信基础数据通信基础信号信号通信的目的是交换信息， 信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像，计算机产生的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合。计算机网络中传送的信息，无论是语音、图像、数字化数据或字符等，必须先转化成0、1比特系列的数字化信息，然后再转化成电磁信号在传输媒体上传输。表示数字信息的信号可以是模拟信号也可以是数字信号。基本概念 l数据：事先约定的、具有某种含义的数字或字母（或符号）以及他们的组合。数据是信息的载体，从形式上，又可以分为模拟数据和数字数据两种。l信息：信息输数据的内容和解释。l信号：信号时数据的电磁或电子编码，是数据在传输过程

20、中的表示形式。在网络系统中，通过传输介质传输的数据都称之为信号。信号的类型与传输介质和网络设备等因素有关，如适用于不同传输介质的电信号、光信号、微波信号等，其中电信号可以分为模拟信号和数字信号两种形式。l信道：在通信系统中，各种信号都要通过传输介质才能从一端传输到另一端，信道就是通信双方以传输介质为基础的信号传递通道。从微观上讲，信道是指信号在通过传输介质时所占用的一段频带。基本概念 l模拟数据：在某个区间产生连续的值。诸如：声音、视频，温度和压力变化等。l数字数据：离散的值，如文本、整数等。l模拟信号：信号电平是连续变化的；由持续变化的电平构成，在图像上表现为正弦波或余弦波形。l数字信号：信

21、号是离散的脉冲序列，通过一串特定的电平序列来表示数据。在图像上，数字信号通常表现为一个矩形波，如下图。例如计算机使用的数字信号是用两种不同的电平去表示0、1比特序列的电压脉冲信号表示；l以数字脉冲形式传输数据的信道成为数字信道相应的通信系统称为数字通信系统。以连续模拟信号形式传输数据的信道称为模拟信道，相应的通信系统成为模拟通信系统。基本概念 l数据传输率(比特率和波特率)：比特率是每秒所发送的比特数。而波特率是每秒所发送的信号单元数。当一个信号单元可以代表一个或多个比特时，波特率小于等于比特率。波特率决定了发送信号所需的带宽。l误码率：错误码元在总传输码元中所占的比率。l载波信号：在模拟传输

22、中，发送设备产生一个高频信号作为基波来承载信息信号。这个基波就称为载波信号，其频率就成为载波频率。发送方通过改变载波信号的一个或多个特性（振幅、频率和相位）将数字信息调制到载波信号上。载波信号的这种改变被称为调制，带有信息的载波信号被称为调制信号。第二章第二章 数据通信基础数据通信基础编码编码 编码是指如何将信息用信号来表示，不同的信号选择不同的信道传输，才能获得较好的传输质量。信息有两种，数字信息或是模拟信息。信号有两种，模拟信号和数字信号。所以编码的方式就有四种：模拟模拟：最早的电话系统、无线广播（AM、FM）。模拟数字：将模拟数据转化为数字形式后，就可以使用先进的数字传输和交换设备。如：

23、录像带转为VCD，马赛克现象，IP电话。数字模拟：有些传输介质只适合于传输模拟信号，如光纤和无线信道。数字数字：为了数据同步、提高传输效率等目的，将现有的数字信号重新编码。如计算机汉字信息编码，机内码-交换码-输出码见关系。四种编码方式的实现方法四种编码方式的实现方法 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器四种编码方式的实现方法四种编码方式的实现方法l模拟-模拟：通过改变频率、振幅和相位的技术实现数据编码。l模拟-数字：通过对模拟信号的采样、量化技术实现数据编码（采样密度越大，还原越真实，如磁带-MP3，录像带-VCD。l数

24、字-模拟：通过对数字信号的调制技术实现数据编码。如：调整解调。l数字-数字：通过改变编码方式重新进行数据编码。如：DVD-RMVB，CD-MP3。数字模拟编码l计算机之间的远程通讯通常采用频带传输技术。使用频带传输技术就要把数字信号转换成模拟信号。频带传输的基础是载波，载波是频率固定的连续模拟信号，在数据通信系统中采用频带传输数据就要要利用调制技术把基带脉冲信号调制成可以远程传输的模拟信号，通常是通过调制解调器来实现的。l数字信号可以通过调制技术在模拟信道上传输。（如ADSL、MODEM）数字模拟编码l常见的数字信号的调制都选用正弦波作为载波，由于正弦波有三个参数：振幅、频率和相位，因此理论上

25、也就有3种不同调制方法。l一个正弦波可以通过三个要素来定义：振幅、频率和相位。当我们改变其中的任意一个要素时，就有了波的另一种形式。如果我们用原来的波代表二进制1时，那么波的变化形式就可以用来代表二进制0，反之亦然。l最常用的数字模拟编码机制有四种：幅移键控（ASK）、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和正交调幅(QAM)。 幅移键控(ASK)1001振幅时间在幅移键控(ASK)技术中，通过改变载波信号的强度来表示二进制0、1，而振幅改变的同时，频率和相位则保持不变。哪个振幅代表0，哪个振幅代表1则由系统设计者决定。比特时延是表示一个比特所需要的时间区段。在每个比特时延中信号的最大振幅是一

26、个常数值，其值与所代表的比特(0或1)有关。ASK传输技术受噪声影响很大，数据速率较低，在实际应用中较少使用。频移键控(FSK)1001振幅时间 在频移键控(FSK)技术中，通过改变载波信号的频率来表示二进制0、1，而频率改变的同时，振幅和相位则保持不变。 在每个比特时延中信号的频率是一个常数值，其值与所代表的比特(0或1)有关。 FSK避免了ASK中的噪声问题。FSK技术的限制因素是载波的物理容量，对带宽要求相对高。相移键控(PSK)1001振幅时间在相移键控(PSK)技术中，通过改变载波信号的相位来表示二进制0、1，而相位改变的同时，最大振幅和频率则保持不变。例如，用0度相位代表0，拥18

27、0度相位表示1。这种PSK技术称为二相位PSK，或2-PSK。信号之间的相位差为180度。 相移键控(PSK)00111001振幅时间同样，可以用四种不同相位的正弦信号分别表示00、01、10和11。例如，用0度相位代表0度，用90度相位表示01，用180度相位代表10，用2700相位表示11。这样每种相位的正弦信号可以表示两位二进制信息。这种PSK技术称为四相位PSK，或4-PSK，或Q-PSK。信号之间的相位差为90度。2.3.2.3 相移键控(PSK)2-PSK 星座图4-PSK 星座图8-PSK 星座图0100110110000001010011100101110111同样的道理，也可

28、以采用8-PSK技术，这样每种相位的正弦信号可以表示3位二进制信息。但信号之间的相位差为45度。对于PSK技术，可以用一种称为星座表或相位状态图的图形来描述相位值和比特值之间的对应关系。图给出了2-PSK、4-PSK和8-PSK的星座表。正交调幅(QAM)lPSK编码技术受到设备检测相位微小变化能力的限制。这个因素限制了它的潜在的比特率的提高。ASK，FSK和PSK只利用了正弦波三个特性中的一个来进行编码。 l正交调幅(QAM)编码是将ASK和PSK结合起来的编码方法。l设在相位上有x种变化，在振幅上有y种变化，于是总共就有了x乘y种可能的变化进行编码。例如：2振幅、4相位的正交调幅 编码。0

29、01振幅时间000010011100101110111两种两种16-QAM星座图星座图 正交调幅(QAM)也可以用星座图来描述。下图描述了两种16-QAM星座图。模拟信号的解调基本分3个过程：采样、量化、编码数字数字编码l对于传输数字信号来说，最普遍而且最容易的办法就是用两个电压电平来表示两个二进制数字。如用无电压表示0，恒定的正电压（5V）表示1。l在这种编码形式下，由计算机产生的0、1比特序列被转换成一串可以在导线上传输的脉冲电压。l根据不同电压表示数据的不同，把数字数字编码分为三大类：单极性编码；极化编码；双极性单极性编码；极化编码；双极性编码编码。单极性编码l单极性编码是最简单最基本的

30、一种数字信息数字信号的编码形式。数字传输系统通过在介质上发送脉冲电压进行运作。单极性编码的名称指的是电压只有一极。因此，二进制的两个状态只有一个进行了编码，通常是1，由正电压表示。另一个状态0，则由零电压或是线路空闲来表示。11100000振幅时间单极性编码l单极性编码存在两个问题：直流分量直流分量和同步问题同步问题。l直流分量的问题直流分量的问题：由于单极性编码信号的平均振幅不等于零，所以存在一个直流分量。而一般的通信信道没有处理直流分量的能力，如微波、光纤。即使有，发送器和接收器就只进行交流耦合，直流分量也无法通过。 l同步的问题同步的问题：当一个信号不发生改变时，接收端无法知道每个比特的

31、开始和结束。当数据流中有一长串连续的0或1的时候，信号是没有变化的，接收端无法知道每个比特的开始和结束，只能依赖时间因素，如果收发两端的时钟频率有差异，接收端就会多读入一位或少读入一位。比如，将1000位0看成为999位0，或者看成为1001位0。l解决单极性传输的同步控制问题的一个方案是利用一条独立并行的线路来传输时钟脉冲。但这将增加传输线路，从而增加了开销。极化编码l极化编码采用两个电压：一个正电压，一个负电压。通过使用两个电压，减轻了单极性编码中的直流分量问题。l极化编码最常见的有三种：1.1.非归零编码（非归零编码（NRZNRZ）；）；2.2.归零编码归零编码(RZ)(RZ)；3.3.

32、双相位码。双相位码。非归零编码（NRZ）l在非归零编码中，信号的电压值或正或负，线路空闲意味着没有任何信号正在传输中，而在单极性编码中，线路空闲代表比特0。l非归零码有两种：（1 1）非归零电平编码）非归零电平编码(NRZ-L)(NRZ-L)；（2 2）非归零反相编码（）非归零反相编码（NRZ-INRZ-I）。）。两种非归零编码l非归零电平编码(NRZ-L)：在NRZ-L编码方式中，信号的电平是根据它所代表的比特位来决定的。一个正电压代表比特1，而一个负电压代表比特0。 l非归零反相编码（NRZ-I）：在非归零反相编码（NRZ-I）方式中，信号电平的一次翻转代表1，没有电平的变化代表0。l相对

33、于非归零电平编码来说，信号电平的翻转能提供一种同步机制。但一长串连续的0仍会给同步造成问题。据统计，连续的比特1出现的几率比连续的比特0出现的几率大。11100000振幅时间振幅时间下一比特为1，发生电平翻转非归零电平编码非归零反相编码归零编码(RZ)l归零制编码(RZ)使用了三个电平：正电平、负电平和零。在归零制编码(RZ)中，信号变化不是发生在比特之间而是发生在比特内。在每个比特间隙的中间，信号将归零。正电压到零的跳变代表比特1，而负电压到零的跳变代表比特0。每个比特中间的跳变可用于同步。 11100000振幅时间这些跳变用于同步双相位编码 l双相位编码中，信号在每比特间隙的中间发生改变但

34、并不归零，而是转为相反的一极。每个比特中间的跳变可用于同步。双相位编码有两种方式：曼彻斯特曼彻斯特编码编码和差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码。曼彻斯特编码 l曼彻斯特编码在每个比特间隙中间引入跳变来表示不同的比特和同步信息。一个正电平到负电平的跳变代表比特1，而一个负电平到正电平的跳变代表比特0。与归零编码相比，曼彻斯特编码仅需要两种电平。差分曼彻斯特编码 l在差分曼彻斯特编码中，比特间隙中间的跳变用于携带同步信息。每个比特间隙的开始位置有跳变代表比特0，没有跳变则代表比特1。图3-11显示了同一比特模式的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 双极性编码 l双极性编码，和

35、归零编码一样，也是用三个电平值：正电平、负电平和零。但是和归零编码不同的是，电平0在双极性编码中是代表比特0的，正负电平交替代表比特1。如果第一个比特1由正电平代表，则第二个比特1由负电平代表，第三个比特1由正电平代表，等等。l共有三种双极性编码：信号交替反转码信号交替反转码(AMI)、8 8零替换零替换编码编码(B8ZS)和高密度双极性高密度双极性3 3零编码零编码(HDB3)。信号交替反转码信号交替反转码l信号交替反转码(AMI)是双极性编码种最简单的一种。0电平代表二进制0，二进制1由交替的正负电平代表。l通过对每次出现的1进行电平的交替反转，AMI实现了两个目标：l直流分量基本为零；l

36、一长串的比特1可以进行同步。但是对于一长串的比特0没有同步确保机制。11100010振幅时间代表比特1的电平交替反转第二章第二章 数据通信基础数据通信基础传输模式分类传输模式分类 数据传输模式是数据在信道上传输所采取的方式。计算机与另外的计算机进行网络通信，需要经过多个阶段：计算机内数据的传输、计算机和外部设备间数据传输、外部设备间数据传输、外设和计算机间传输等等。在这个传输过程中，不同的信道采取的传输模式不同。 传输模式分类：l按照数据代码传输顺序：并行传输和串行传输；l按照传输的同步方式：同步传输和异步传输；l按照数据传输流向和时间关系：单工、半双工和全双工数据传输；l按照数据信号特点：基

37、带传输、频带传输和宽带数据传输。串行和并行传输 按照代码传输顺序，传输模式分为并行传输和串行传输两种。l在串行传输中，每个时钟脉冲只发送一个比特，它只使用一条线路，逐个地传送每个比特。通信网络和计算机网络中的数据传输都是以串行方式进行的 .l在并行传输时，在每个时钟脉冲到来时，多个比特被同时发送，每个比特使用单独的一条线路。串行和并行传输01101100设备1设备2设备1设备201101100并行传输串行传输并行传输常应用于近距离传输，例如计算机内部以及和外部高速设备之间的通信，计算机内的数据总线就是并行传输的例子,早期打印机和计算机通过并行口就是通过并行方式连接的。并行传输不适合于长距离通信

38、首先，在长距离上使用多条线路要比使用一条单独线路昂贵。其次，长距离传输要求适用较粗的导线，从而降低信号的衰减。这时要把它们捆到一条单独的电缆里相当困难。第三，短距离时，同时发送的比特总能够几乎同时收到。但长距离时，导线上的电阻会或多或少地阻碍比特的传输，从而使他们的到达稍块或稍慢，将给接收端带来麻烦。串行传输每次只能发送一个比特位，所以其速度比较慢。但是它比较便宜，计算机网络中使用串行传输。注意双绞线中的8芯线并非是并行传输。 单工、半双工和全双工通信 按照数据传输方向和时间关系划分：l在单工模式中，通信是单向进行的，一条链路的两个站点中只有一个可以进行传输，另一个只能接收。l无线电广播或有线

39、电视及无线电视广播就属于这种类型。在计算机网络中很少使用。l但是在数据通信系统中，接收方需要对接收的数据进行检验，检查出错误需要发送方重发，正确要返回确认信息，因此就必须附有一条控制信道，传递控制信息。数据流向单工、半双工和全双工通信l在半双工模式中，每个站点都可以发送和接收，但是不能同时发送和接收。当其中一个设备在发送时，另一个只能接收，反之亦然。 l在半双工模式中，无论哪一方开始传输，就使用信道的整个带宽。现实生活中的对讲机就属于这种类型。第一次数据流向第二次数据流向单工、半双工和全双工通信l在全双工模式（或称双工模式）中，两个站点可以同时进行发送和接收。 在同一时刻，位于通信线路两端的设

40、备既是信源又是信宿。l在全双工模式中，两个方向的信号共享链路带宽。这种共享可以两种方式进行：要么链路具有两条物理上独立的传输路径，一条发送，一条接收；要么将信道带宽一分为二，同时传输两个方向的信号。以太网采用4线方式实现全双工数据传输,1对回路用于发送,一对回路用于接收。而光纤不同，仅需收发各1根。l现代计算机网络通信设备基本上都属于全双工通信设备，但是为了兼容于以前设备，基本上都支持三种通信模式，而且是自适应。但是在路由器和交换机等专用通信设备各别项目应用时，在对通信端口数据传输方式设定时必须硬性规定两端方式一致。数据流向同步传输和异步传输 按照数据传输同步方式划分：l在通信过程中，发送方和

41、接收方在时间上保持一致才能准确地传输数据，这就叫同步。l同步传输成块地传送字符或比特流，字符之间不加开始位和停止位。这些成块的字符或比特流被组合成数据帧，或称为帧。数据帧的具体组织形式随协议而定。l同步传输中，同步分为两级实施：l（1）二进制位的同步。发送方和接收方的时钟频率必须保持严格一致，否则会导致偏离错位。可以有两种做法。一种是在接收端和发送端之间单设一条线传送时钟脉冲；另一种是采用自同步编码，如曼彻斯特编码等。l（2）数据帧的同步。在数据帧前后加上起始和结束标志，使得接收端能了解数据帧的起始和结束 。数据帧数据帧 设备1设备2synsyncontroldataerrorendsynsy

42、ncontroldataerrorend数据帧数据帧的具体组织形式虽然随协议而定，不同的协议虽然有不同的组织形式，但数据帧有许多公共的特征。数据帧的第一部分是同步字符(SYN)，或者是一个特定的比特组合，用于通知接收方一个帧已经到达。他类似于异步传输中的开始位，还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致。数据帧的第二部分是控制域，可能包含下列元素：源地址，指出数据帧从哪里来。目的地址，指出数据帧到哪里去。数据的实际字节数。序列号，在传送多帧的情况下，数据帧可能无法按顺序到达目的地，接收方序列号对数据帧进行重新排序。帧类型，不同的协议定义了不同种类的帧，是控制帧还是数据帧。数据帧的第三个部

43、分是数据域，也就是要发送的信息。第四部分是错误检查域，用来检测和校正传输错误。第五部分是帧结束标记，用于表示该帧已经结束，没有别的即将到达的比特了。同步传输和异步传输l异步传输指报文被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。l异步传输存在一个潜在的问题，因为接收方并不知道数据什么时候到达，在他检测到数据并做出反应之前，第一个比特已经过去了。l因此，每次异步传输都以一个开始位开头，他通知接收方数据已经到达了。这就给了接收方响应、接收和缓存数据的时间。l在传输结束时，一个停止位表示一次传输的终止。收发双方约定每一位的持续时间，使接收端严格跟踪发

44、送端的时标，当时标略有偏移时，可利用每个比特组起始位的电平跳变重新同步。异步传输1110011000 1010011000 1100011000开始位停止位开始位停止位开始位停止位两次传输的时间间隙在异步传输中，当没有数据发送时，发送器发送连续的停止位1，开始位使信号变成0，其它的比特位使信号随比特值而变化。最后，停止位使信号重新变为1，该信号一直保持到下一个开始位到达。接收器根据从1到0的跳变来识别一个新字符的开始。图中是用异步传输方式传送数字字符的示意图。从左到右发送了：00110001、00110010、00110011即ASCII编码的1、2、3。异步传输不需要同步，因而实现简单，但起

45、始位和结束位冗余较大，效率低。异步传输被设计用于低速设备，比如键盘。另外，它的开销比较多，例如上面的例子，每8个比特的传输就得多传输两个比特（一个开始位和一个停止位）。开销较大，效率较低。基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输l按照信号特点可以分为：基带传输、频带传输和宽带传输l基带是指调制前原始信号所占用的频带，是原始信号所固有的基本频带。在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输，基带传输的信号即可以是模拟信号也可以是数字信号，具体类型有信源决定，目前主要是数字信号。采用基带传输技术的系统称为基带传输系统。l在计算机中，表示计算机二进制的比特序列的数字数据信号是典型的矩形脉

46、冲信号;l矩形脉冲信号的固有频带称做基本频带,简称为基带,矩形脉冲信号就叫做基带信号;l在发送端，基带传输的数据经过编码器变换变为直接传输的基带信号，例如：不归零码、差分不归零码、曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码信号;基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输l在接收端由解码器恢复成与发送端相同的矩形脉冲信号;l由此可见，计算机网络中的基带传输是指在某一频率上采用数字方式进行信号的传输，信号以离散的脉冲形式在网上传输。这种通信方式在通信过程中只传输一种数字信号，占用通信介质上的所有容量，也就是占有了通信介质上的所有带宽。l基带传输支持双向通信，但这种系统在某一时刻只能有一台设备进行

47、数据通信，占用信道。l基带传输是一种最基本的数据传输方式，成本较低，易于安装调试。基带传输通常用于短距离的数据通信中，传输电路为双绞线等对称电缆。常见的以太网就采用的是基带传输。基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 频带传输就是把基带数字信号经过调制，变换成模拟信号后在公共电话线路上传输。l指把代表二进制数据的1和0信号，通过调制解调器变成具有一定频带范围的模拟信号进行传输。到达接收端后，再把模拟信号解调成原来的数字信号。比如电话电路，一般频带范围为300-3400Hz，基带信号不能通过，所以要把基带信号调制到电话电路的频带范围内传输。频带传输可实现远距离的数据通信。l频带

48、传输与基带传输不同，基带传输中，基带信号占用了信道的全部带宽，而频带传输的模拟信号通常由某一个或几个频率组成，占用了一个频带，即整个信道的一部分。l计算机网络的远程通信一般都为频带传输。如：modem基带传输、频带传输和宽带传输基带传输、频带传输和宽带传输 宽带传输：将信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，称为宽带传输l当通信介质带宽足够大时，一个通信信道可以被划分为多个逻辑基带信道，允许多个不同频率的模拟信号在网络上同时传输，相互之间不产生冲突，因此宽带传输系统的数据传输率比较高。l宽带传输系统中的数据是单向的，所以在常见的网络中要么使用两个不同的频率来分别发送和接收信号，要么使

49、用两条传输介质发送和接收信号。宽带传输传输的是模拟信号。如：ADSL、CATV。线路配置l线路配置是指两个或两个以上的设备连接到链路的方式。为实现通信，两个设备必须以某种方式同时连接到同一条链路上。l在数据通信中经常出现数据电路、数据通信和通信线路这样3个不同的概念。其中，通信线路是用于传输数据信号所使用的物理线路；通信信道是通信线路中传递信号时所使用的通道；数据电路是由DCE和通信信道组成的。l通信线路和通信信道之间的关系类似于公路与车道之间的关系，一条公路相当于一条通信线路，而在公路上划分的每一个车道则相当于通信信道。在数据通信系统中，每一个数据电路构成一个通信信道，占用通信线路的部分或全

50、部资源。线路配置 l有两种线路配置方式：点到点连接和点到多点连接。l一个点到点连接提供了两个设备之间的专用链路。整个信道的容量都被用于这两个设备之间的传输。一般用于传输信息量很大，速率很高的业务。例如：两台计算机之间的直接相连和计算机与终端之间的直接连线，这种连接方式采用专用线路连接，也可以利用交换网络建立连接。l一个多点连接的线路是两个以上的设备共享一条链路的线路配置方式。在多点连接的环境中，信道的容量是通过某种途径共享的。如：无线传输、同轴电缆网络、信道的多路复用技术等。第二章第二章 数据通信基础数据通信基础数据交换技术数据交换技术l每当由多个设备存在的时候，就有如何把每一对设备连接起来，

51、使得任何一对设备能够通信的问题。如果在每一对设备之间连接一条物理链路，每一条物理链路的利用率就会很低，而且当设备很多的时候，物理链路的数目很多，代价过于昂贵。所以，在每一对设备之间连接一条物理链路是不现实的。l使用点到多点连接技术，如总线技术，尽管可以减少物理链路的数目，但又受到传输范围和设备数目的限制。所以，点到多点连接技术只适用于传输范围有限并且设备数目有限的情况。l在现代通信系统中，所有的通信都不是在固定的线路中进行的，就像一个用户家中的电话不是固定地连接到某个电话上，而是可以与通信网络中的任何一部电话通信。比较好的解决方法是使用交换技术。l交换是在两个或多个设备之间建立临时连接，将多条

52、物理链路连接在一起，在两个设备之间形成一条临时通信路经，使得没有物理链路直接连接的两个或多个设备之间能够通信。电路交换的特点电路交换的特点 l两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 更多的电话机互相连通更多的电话机互相连通l5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 使用交换机使用交换机l人们发现,要让所有的电话机都两两相连接是不现实的.lN 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。l于是人们认识到，要想使得每一部电话能够很方便地和另一部电话进行通信，就应当是用电话交换机将这些电话连接起来。 交换机交换机交

53、换网络和交换机l一个交换网络由一系列称为交换机的节点相互连接而成。交换机具有在连接到交换机上的两个或多个设备之间建立临时连接的能力。 l例如A和G要通信，交换机1在A和交换机4之间建立临时连接，交换机4在交换机1和交换机5之间建立临时连接，交换机5在交换机4和G之间建立临时连接，这样A和G之间就有了一条临时的通信路经。A654321JIHGFEDCB交换方式分类交换方式分类l在这里，“交换”(switching)的含义是：转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。l从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。l在现代通信系统中，所有的通信（例如电话通信

54、、数据通信等）都不是在固定的线路中进行的。l传统的交换方式由三种：电路交换、报文交换（也称消息交换）、分组交换（也称报交换）l随着交换技术的发展，出现了一些新的交换技术，又称为快速分组交换技术，例如ATM交换（也称信元交换、异步传输模式）和帧中继（FrameRelay）电路交换 l电路交换是在两个设备之间创建一条临时的物理连接。所以我们可以把电路交换机看作是一个多路开关 。l在图所示的电路交换网络中，A和E之间创建了一条临时的物理连接，C和G之间也创建了一条临时的物理连接。通过电路交换机，左边的任何一台计算机可以连接右边的任何一台计算机。 l电路交换机是由n个输入和m个输出的设备。可以在任何一

55、条输入链路和任何一条输出链路之间创建一个临时连接。n和m可以不相等。电路交换机分为空分交换机和时分交换机两种。A21GFEDCB3电路交换过程电路交换过程l电路交换过程：电路交换必定是面向连接的，它分三个阶段：电路建立 、数据传输 、电路拆除。l在使用电路交换打电话之前，必须先拨号建立连接。当拨号的信令通过许多交换机到达被叫用户所连接的交换机时，该交换机就向用户的电话机振铃。在被叫用户摘机且摘机信令传送回到主叫用户所连接的交换机后，呼叫即完成。这时，从主叫端到被叫端就建立了一条连接（物理通道）。此后主叫和被叫双方才能互相通电话。通话完毕挂机后，挂机信令告诉这些交换机，使交换机释放刚才使用的这条

56、物理通路。这种必须经过“建立连接通信释放链接”三个步骤的联网方式称为面向连接的。电路交换过程电路交换过程l电路交换的特点是在通信开始之前，要在两个通信设备之间建立起一条完全被通信双方所占用的物理通路。而这样的通路一般是由两个设备之间的若干节点逐段接通这两个设备之间的物理链路而成的。其过程包括以下三个步骤：l电路建立。从要求进行通信的源站点出发，逐段寻找可以占用的链路，一直到把目的站点接通为止。这个过程一般需要较长的延时。寻找可以占用的链路是交换机的路由功能。l数据传输。电路建立之后，即可进行数据传输。l电路拆除。通信结束后，通信的任何一方可通知电路沿途各节点将电路拆除，供其他站点使用。电路交换

57、举例电路交换举例lA 和 B 通话经过四个交换机l通话在 A 到 B 的连接上进行交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCAA1.通话前先拨号建立连接。 可能只要经过一个交换机（如 A 到 B） 可能要经过多个交换机（如 C 到 D）2.通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。3.通话结束后，挂机释放连接。电路交换的过程电路交换的过程交换机交换机交换机交换机交换机交换机BCD电路交换特点电路交换特点l应当注意的是，用户线归电话用户专用，而对交换机之间拥有大量话路的中继线则是许多用户共享的，正在通话的用户只占用了其中一个话路，在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的固定

58、传输带宽。l电路交换特点：由于计算机数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低。l当使用电路交换来传输计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上，因此线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%，甚至1%。在绝大部分时间里，已被用户占用的通信线路实际上是空闲的。l例如，当用户阅读终端屏幕上的信息或用键盘输入和编辑一份文件时，或计算机正在进行处理而结果尚未返回时，宝贵的通信线路资源实际上并未被利用而是白白浪费了。报文交换 l报文交换又称为存储转发。它的基本原理是在报文的传输过程中，由网络的中间节点将报文暂时存储起来，检查它的正确性和完整性，然后再发往下一个

59、节点。如果下一段链路发生阻塞或损坏，那么这个报文可以存储较长时间再发送。当然，如果有另外的链路可用的话，也可以选择另外的链路发送。 l例：古代邮政通信（中间有驿站，八百里加急是换马换人传递）采用了转发策略。l在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。在报文交换中心，一份份电报被接收下来，穿成纸带。操作员以每份报文为单位，撕下纸带，根据报文的目的地址，拿到相应的发报机转发出去。报文交换特点报文交换特点l在报文交换中，整个报文是作为一个整体来处理的，由于报文一般具有较长的长度，所以一般用外存储器来暂存报文。由于报文交换要在每个中间节点对整

60、个报文进行差错校验，因此必须等到整个报文到达后才可能被转发。当报文比较长时，等待的时间就比较长。如果再考虑到负载较重时的排队时间和外存储器中的存储时间，报文传输的延迟相当大。由于这些缺点，报文交换技术已逐渐被淘汰。分组交换 l分组交换又称为包交换。包交换技术首先使用在ARPA网上。在分组交换中，较长的报文被分为较短的数据单元，然后每个数据单元被加上一些通信控制信息等内容，形成一个信息包(packet)。通信时以包为单位发送、存储和转发。信息包包含数据和包头，包头由通信控制信息(如地址和优先级)、差错控制信息等组成。l信息包长度一般在1千至几千比特，比报文短得多，因此可以在中间站点的主存队列中存储，而不必访问外存。而