数据通信技术基础-第1章计算机基础知识详细

1、PAGE 50计算机网络实用技术PAGE 49第2章 数据通信技术基础 数据通信技术基础第2章数据通信技术的发展与计算机网络技术密切相关,是促进计算机网络技术发展的重要因素之一.因此,学习计算机网络,必然涉及许多关于数据通信的问题,数据通信的任务是利用通信媒体传输信息.数据通信是两实体间的数据传输和交换,在计算机网络中占有十分重要的地位,它是通过各种不同的方式和传输介质,把处在不同地理位置的终端与主计算机或计算机与计算机连接起来,从而完成数据传输、信息交换和通信处理等任务.本章重点介绍与计算机网络有关的数据通信的基本概念、数据传输方式、多路复用技术、数据交换技术和差错控制技术等内容,主要是为计

2、算机网络的学习和实践打好基础.2.1 数据通信的基本概念数据通信就是指计算机与计算机之间交换数据的过程.数据通信系统就是指以计算机为中心,用通信线路连接分布在各地的数据终端设备而执行数据传输功能的系统.2.1.1 简单的通信模型通信系统的基本作用是在发送方(信源)和接收方(信宿)之间传递和交换信息.数据通信系统的基本组成有3个要素:信源、信宿和信道,如图2-1所示,它就是一个简单的数据通信系统模型.图2-1 简单的数据通信系统模型1信源和信宿信源就是信息的发送端,是发出待传送信息的设备;信宿就是信息的接收端,是接收所传送信息的设备.大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备.2信号变换器

3、信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号,如图2-2所示.图2-2 信号变换器的作用对应不同的信源和信宿,信号变换器有不同的组成和变换功能.发送端的信号变换器可以是编码器或调制器,接收端的信号变换器相对应的就是译码器或解调器.编码器的功能是把信源或其他设备输入的信息作相应的变换,使之成为适合在通信信道上传输的信号;译码器的功能是在接收端完成编码的反过程.信源输入的信息可以是离散变化的数字信号也可以是连续变化的模拟信号.调制器的作用是把信源输入的二进制脉冲信号变换(调制)成模拟信号,以便在模拟信道上进行远距离传输;解调器的作用是反调制,即把接收端接收的模拟信号还原成二进制脉

4、冲数字信号.由于网络中绝大多数信息都是双向传输的,所以在大多数情况下,信源也作为信宿,信宿也作为信源;编码器也具有译码功能,译码器也能编码,因此统称为编码译码器;同样调制器也能解调,解调器也能调制,因此统称为调制解调器.2.1.2 数据、信息和信号1数据与信息数据是由数字、字符和符号等组成的,可以用来描述任何概念和事物,是传送信息的载体.数据中的各种数字、字符和符号等在没有被定义前,是没有实际意义的,因此,数据是尚未组织起来的事实的集合,是抽象的.信息则是数据的具体内容和解释,有具体的意义.信息是数据经过加工处理后所得到的,即信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据.信息必须依

5、赖于各种载体才有意义,才能被传递.数据是信息的表示形式,是信息的载体,信息是数据形式的内涵,即数据是信息传送的形式,信息是数据表达的内涵.2信号为了使数据可以在传输介质中传输,必须把数据变换成某种信号(电信号或光信号)的形式.信号是数据的具体物理表示,具有确定的物理描述,是数据的电编码、电磁编码或其他编码等.信号可以分为模拟信号和数字信号.3数字数据与模拟数据表达数据的方式与承载数据的媒体是紧密相关的,不同的媒体能够表达数据的方式是有限的.有两种基本的表达数据的方式,这就是模拟数据和数字数据.当数据采用离散的电信号表示时,这样的数据就是数字数据.数字数据是指有限个离散值,如字符串、整数数列.当

6、数据采用电波表示时,这样的数据就是模拟数据.模拟数据是指在某个区间产生的连续值,如声音、视频、温度、压力.4模拟信号和数字信号模拟信号是在一定范围内可以连续取值的信号,是一种连续变化的电信号,它可以以不同的频率在介质上传输,如正弦波信号,如图2-3所示.图2-3 正弦波信号数字信号是一种离散的脉冲序列信号,它的取值是有限个数,它用恒定的正电压负电压或正电压0电压来表示“1”/“0”,它可以以不同的位速率在介质上传输,如脉冲信号,如图2-4所示.图2-4 脉冲信号2.1.3 数据通信的主要技术指标衡量和评价一个系统的好坏,必须要涉及到系统的主要性能指标问题.数据通信的主要技术指标是衡量数据传输的

7、有效性和可靠性的参数.有效性主要由数据传输的数据速率、调制速度、传输延迟、信道带宽和信道容量等指标来衡量;可靠性一般由数据传输的误码率指标来衡量.常用的数据通信的技术指标有以下几种.1信道带宽和信道容量信道是通信双方以传输介质为基础的传输信息的通道,它是建立在通信线路及其附属设备(如收发设备)上的.表面上看,信道与传输介质好像差不多,但信道又不能等同于传输介质,同一条传输介质可以同时存在多条信号通道,即一条通信介质构成的线路上往往包含了多个信道.与信号的分类相似,信道也可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类.但数字信号经过数模变换后就可以在模拟信道上进行传送,而模拟信号经过

8、模数变换后也可以在数字信道上进行传送.由有线传输介质(如双绞线、同轴电缆、光缆等)构成的通信信道叫有线信道;由无线传输介质(如微波、卫星)构成的通信信道叫无线信道.信道带宽或信道容量是描述信道的主要指标之一,由信道的物理特性所决定.信道带宽是指信道中能够传送的信号的频率范围.当信号的带宽超过信道带宽时,信号就不能在该信道上传送,或者传送的信号将会失真.为计算带宽,需要在频率范围内用最高频率减去最低频率.例如:最高频率为5000Hz,最低频率为1000Hz,则带宽即为4000Hz.信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量,即一个信道能够达到的最大的传输速率,它表示信道的传输能力.在通信领域

9、中,信道容量常指信道在单位时间内可传输的最大码元数(码元是承载信息的基本信号单位,一个表示数据有效值状态的脉冲信号就是一个码元,其单位为波特),信道容量以码元速率(或波特)来表示.由于数据通信主要是计算机与计算机之间内的数据传输,而这些数据最终又以二进制位的形式表示,因此,信道容量有时也表示为单位时间最多可传输的二进制的位数(也叫信道的数据传输速率),以位/秒(b/s)形式表示,简称为b/s.按信道频率范围的不同,通常可将信道分为3类:窄带信道(带宽为0300Hz)、音频信道(带宽为3003400Hz)和宽带信道(带宽为3400 Hz以上).2传输速率(1)数据传输速率(Rate).数据传输速

10、率是指通信系统单位时间内传送的二进制代码的位(比特)数,因此又称比特率,单位用比特/秒表示,记为b/s或b/s.数据传输速率的高低,由每位数据所占的时间来决定,一位数据所占的时间宽度越小,其数据传输速率就越高.设T为传输的电脉冲的宽度或周期,N为一个脉冲信号所有可能的状态数,则数据传输速率为:RS =log2 N (b/s)式中log2N是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数(比特数).如电信号的状态数N=2,即只有“0”和“1”两个状态,则每个电信号只传送1位二进制数据,此时,RS =1/T(2)调制速率 调制速率又称波特速率或码元速率,它是数字信号经过调制后的传输速率,表示每秒传输的电信

11、号单元(码元)数,即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数,它等于调制周期(即时间间隔)的倒数,单位为波特(Baud).若用T(秒)表示调制周期,则调制速率为Rb=1/T (Baud),即1波特表示每秒钟传送一个码元.显然,上述两个指标有如下的数量关系:RS =Rb log2 N (b/s),即在数值上“波特”单位等于“比特”的log2 N倍,只有当N=2(即双值调制)时,两个指标才在数值上相等.但是,在概念上两者并不相同,Baud是码元的传输速率单位,表示单位时间传送的信号值(码元)个数,波特速率是调制速度,而b/s是单位时间内传输信息量的单位,表示单位时间传送的二进制数的个数.3误码率误码率是衡

12、量通信系统在正常情况下传输可靠性的指标.误码率是指二进制码元在传输过程中被传错的概率.显然,它就是错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例.误码率的计算公式为:Pe=Ne/N.式中Pe表示误码率,Ne表示被传错的码元数,N表示传输的二进制码元总数.上式只有在N取值很大时才有效.在计算机网络通信系统中,要求误码率低于10-6.如果实际传输的不是二进制码元,需要折合成二进制码元来计算.在通信系统中,系统对误码率的要求应权衡通信的可靠性和有效性两方面的因素,误码率越低,设备要求就越高.需要指出的是:对于可靠性的要求,不同的通信系统要求是不同的.在实际应用中,常常由若干码元构成一个码字,所以可靠

13、性也常用误字率来表示,误字率就是码字错误的概率.有时一个码字中错两个或更多的码元,这和错一个码元是一样的,都会使这个码字发生错误,所以,误字率与误码率不是一定相等的.有时信息还用若干个码字组成一组,所以还要有误组率,它是传输中出现错误码组的概率,但常使用的还是误码率.4传输延迟信道的带宽是由硬件设备改变电信号的跳变响应时间决定的.尽管信号的传输速度为每秒300 000 千米,但由于发送和接收设备存在响应时间,特别是计算机网络系统中的通信子网还存在中间转发等待时间,以及计算机系统的发送和接收处理时间,所以,在系统的信息传输过程中存在着延迟(传输延迟).在计算机网络中由于不同的通信子网和不同的网络

14、体系结构采用不同的中转控制方式,因此,在通信子网中存在的中转延迟只能依据网络状态而定.由电信号响应带来的延迟时间则是固定的.显然,响应时间越小,延迟就越小.也就是说,信道的带宽越大,延迟就越小.传输延迟是指由于各种原因的影响,使得系统信息在传输过程中存在着不同程度的延迟或滞后的现象.信息的传输延迟时间包括发送和接受处理时间、电信号响应时间、中间转发时间和信道传输时间等.传输延迟通常又分为传输时延和传播时延.传输时延:是指发送一组信息所用的时间,该时间与信息传输速率和信息格式有关.传播时延:是指信号在物理媒体中传输一定距离所用的时间,它与信号传播速度和距离有关.人们都知道,在理想的情况下,电磁波

15、的传输速率为每秒300 000 千米(即光速).通常认为电磁波在光纤、卫星信道中的传播速度可达到光速,而在一般电缆中的传输速度约为光速的2/3.用下面的例题来更好地理解传输时延和传播时延.例:在相隔1000千米的两地传输3kb 的数据,可以通过电缆以20kb/s的速率传输或通过卫星信道以60kb/s的速率传输,问从发送方开始到接收方接收到全部数据用哪种方式时间较短？(假定信息在电缆中传输速度为200 000千米/s,而在卫星信道中的传输速度是300 000千米/s,卫星距离地面36 000千米).数据在电缆中的传输时延为3kb/20kb/s=150米s,而其传播时延为1000千米/(2105

16、千米/s)=5米s,因此使用电缆传输数据的总时延为150+5=155(米s);数据在卫星中的传输时延为3kb/60kb/s=50米s,而其传播时延为36 000千米2/(3105 千米/s)=240米s(注意:卫星传输数据不是地面直接传输,而是要通过空中的卫星转发器转发,因此,卫星传输的距离近似为卫星距离地面高度的2倍);因此使用卫星传输数据的总时延50+240=290(米s).因此本例使用电缆传输数据时间较短.2.1.4 网络通信过程数据从信源发出到被信宿正确接收,这是一个完整的通信过程.通信过程中的每次通信都包括传输数据和通信控制两方面的内容,其中,通信控制主要执行各种辅助操作,并不传输数

17、据,但这种辅助操作对传输数据是必不可少的.一般,通信过程包括以下5个阶段.1通信线路的建立在此阶段,通信系统中的交换设备根据发送端提供的接收端的地址等信息建立通信双方的物理通道,也称此阶段为建立物理连接阶段(它类似于打电话时的“拨号”阶段).2数据传输及控制链路的建立此阶段是通过双方确认同步关系的阶段,它使双方处于正确的发收状态,也称此阶段为建立逻辑连接阶段(它类似于打电话时的“确认通话对象”阶段).3数据及控制信息的传输 在此阶段,通信双方交换要传输的数据及控制信息,这才是通信的实质性阶段(它类似于打电话时的双方“通话”阶段).4数据传输链路的拆除 在此阶段,通信双方通知和确认数据传输的结束

18、,即拆除逻辑连接(它类似于打电话时的“证实通话结束”阶段).5通信线路的拆除 在此阶段,由通信双方之一通知系统中的交换设备拆除物理连接(它类似于打电话时的“挂机”阶段).在上述5个阶段中,第五阶段与第一阶段“互逆”,第四阶段与第二阶段“互逆”,第三阶段是通信的实质性阶段,是不可缺少的.其余各阶段根据通信环境和通信方式的不同,有时可以“省掉”,如当采用专用通信线路时,则通信过程只包括通信线路的建立、数据传输、通信线路的释放这3个阶段.2.2 数据传输方式在数据通信系统中,通信信道为数据的传输提供了各种不同的通路.对应于不同类型的信道,数据传输采用不同的方式,如并行传输和串行传输方式;单工、半双工

19、和全双工通信方式,基带传输和频带传输方式;异步传输和同步传输方式等.2.2.1 并行、串行传输在计算机内部各部件之间,计算机与各种外部设备之间以及计算机与计算机(或终端)之间都是以数据传输的方式实现通信的.依据传输线数目的多少,可以将数据传输方式分为并行传输和串行传输,并行传输用于短距离、高速率的通信,串行传输用于长距离、低速率的通信.1并行传输在并行传输中,一般至少有8个数据位同时在两台设备之间进行传输,如图2-5所示.并行传输是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上进行的传输,数据由多条数据线同时传送与接收,每个比特使用单独的一条线路.并行传输的优点在于传送速率快,发收双方间不存在字符同步

20、的问题;缺点是需要多个并行信道,增加了设备的成本,而且并行线路的电平相互干扰也会影响传输质量,不适合做较长距离的通信.并行传输主要用于计算机内部或同一系统设备间的通信.常见的并行传输如计算机与打印机之间的数据传输.2串行传输并行传输需要8条以上的数据线,这对于近距离的数据传输来说,其费用还可以负担,但当进行远距离数据传输时,采用这种方式费用就太高了.所以,在数据通信系统中,较远距离的通信采用的是另一种传输方式:串行传输方式.图2-5 并行传输串行传输就是将比特流逐位在一条信道上进行传送,如图2-6所示,源数据站向目的数据站发出“0010100101001011”的串行比特流.发收两端一次只能发

21、送或接收一个数据位,因此所需数据线的数目大大减少,各数据位依次串行地通过通信线路.由于在计算机内部总线上传输的是并行数据,要与外部设备进行串行通信,在发送端就需要把并行数据转换成串行数据,在接收端还需将串行数据转换成并行数据,计算机内部的串行通信适配器负责进行串行数据和并行数据的转换.在计算机局域网中,计算机之间也是串行传输,网卡就负责串行数据和并行数据的转换工作.图2-6 串行传输相对于并行传输,串行传输的效率低,传输速率慢,但由于只有一条信道,减少了设备的成本,且易于实现和维护.串行传输适用于覆盖面很广的公共电话网络系统,所以在现行的计算机网络通信中,串行通信应用非常广泛.2.2.2 单工

22、、半双工和全双工通信1单工通信单工通信是指在两个通信设备间,信息只能沿着一个方向被传输.采用单工通信时,在通信设备双方中,一方为发送设备,另一方为接收设备,如图2-7(a)所示.广播和电视节目的传送以及寻呼系统都属于单工通信的例子.2半双工通信半双工通信是指两个通信设备间的信息交换可以双向进行,但不能同时进行.也就是说,在同一时刻仅能使信息在一个方向上传输,如图2-7(b)所示.半双工通信设备的两端要求既要有发送设备,又要有接收设备,因此该方式需要具有信道转换能力,通常用软件控制换向,换向过程中存在换向的延迟时间问题,也可以采用人工操作机械开关的方法进行控制.典型的例子是对讲机或计算机与终端的

23、通信.3全双工通信全双工通信是指两个通信设备间可以同时进行两个方向上的信息传输,如图2-7(c)所示.通信双方应同时具有发送和接收的功能,与通信站相接的传输设备和传输控制协议必须提供全双工的工作方式,同时还应对缓存器作特殊的考虑,如想进行同时读写就要求在缓存器中也能同时释放和分配存储器.平时使用的手机类似于全双工通信.图2-7 3种通信方式2.2.3 异步传输与同步传输在数据通信中,有一个问题是必须要解决的,那就是同步问题.同步问题就是发送方发出数据后,接收方如何从接收到的连续不断的信号中识别出数据从哪开始到哪结束.目前在串行传输中所采用的同步方式有两种:一是异步传输方式,二是同步传输方式.1

24、异步传输方式异步传输方式又称为起止式同步方式,它是以字符为单位进行传输的,即每个字符都独立传输,且每一字符的起始时刻可以为任意.每个字符在传输时都在字符前加上起始位和在字符后加上结束位,以表示一个字符的开始和结束.一般起始位信号的长度规定为1位的宽度,极性为“0”,结束位信号可以为1位、1.5位或2位的宽度,极性为“1”,其长度的选取与所采用的传输代码类型有关.起始位和结束位的作用是实现字符的同步,字符之间的间距是任意的,但发送一个字符时,每个字符包含的位数都是相同的,且每一位占用的时间长度是双方约定好的,并且保持各位都恒定不变,如图2-8所示.在异步传输方式中字符可以被单独发送或连续发送,字

25、符与字符的间隔期间可以连续发送“1”状态,当不传字符时,不要求收发时钟同步,仅在传输字符时,收发时钟才需要在字符的每一位上同步.同步的具体过程是:若发送端有信息要发送时,即将信号从不发送信息的“1”状态转到起始态“0”,接收端检测出这种信号状态的改变时,就利用该信号的反转启动接收时钟,以实现收、发时钟的同步.同理,接收端一旦收到结束位,就将定时器复位以准备接收下一个字符.异步传输方式的优点是每一个字符本身就包括了本字符的同步信息,不需要在线路两端设置专门的同步设备;缺点是每发送一个字符就要添加一对起止信号,从而线路的开销增加,传输效率低.异步传输方式常用于1200b/s的低速率数据传输中,目前

26、仍在广泛使用.图2-8 异步传输方式2同步传输方式同步传输方式是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方法.在数字信息流中,各位的宽度相同,且字符顺序相连,字符之间没有间隙.为使接收方能够从连续不断的数据流中正确区分出每一位(比特),则需要先建立收发双方的同步时钟.实际上,在同步传输方式中,不管是否传送信息,要求收发两端的时钟都必须在每一位上保持一致.因此,同步传输方式又常被称为比特或位同步.在同步传输中,数据的发送一般是以一组字符或比特流为单位进行发送的.为了使接收方容易确定数据组的开始和结束,需要在每组数据的前后加上特定字符作为起始和结束标志,同时还可以用这些标志来区分和隔离连续传输

27、的数据.特定标志字符一般随不同的规程而有所不同.例如,在面向比特的高级数据链路控制规程HDLC中,采用比特串“01111110”作为起始和结束标志,如图2-9所示.在暂时没有信息传输时,连续发送“01111110”使接收端可以一直保持和发送端同步.图2-9 HDLC中的同步传输方式实现同步传输方式中的收发时钟同步的方法有两种:外同步法和自同步法.外同步法就是在传输线中增加一根时钟信号线以连接到接收设备的时钟上,在发送数据信号前,先向接收端发一串同步时钟脉冲,接收端则按照这个频率来调整自己的内部时钟,并把接收时钟重复频率锁定在同步频率上,该方法适用于近距离传输.自同步法是让接收方从接收的数据流中

28、直接提取同步信号,以获得与发送时钟完全相同的接收时钟,该方法常用于远距离传输.同步传输克服了异步传输方式中的每一个字符都要附加起始和结束信号的缺点,具有较高的效率,但实现较为复杂,常用于大于2400b/s速率的传输.2.2.4 基带传输与数字信号编码1基带传输在数据通信中,由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号通常呈矩形波形式,即表示计算机中二进制数据比特序列的数据信号是典型的矩形脉冲信号,这个矩形脉冲信号就是基带信号.基带信号所占有(固有)的频率范围称为基本频带,简称基带.在通信信道中直接传输这种基带信号的传输方式就是基带传输,它将占用线路的全部带宽,也称为数字

29、基带传输.2数字数据的数字信号编码数字数据的数字信号编码问题就是要解决数字数据的数字信号表示问题,数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示,数字信号是离散的电压或电流的脉冲序列,每个脉冲代表一个信号单元(或称码元).最普遍且最容易的方法是用两种码元分别表示二进制数字符号“0”和“1”,每位二进制符号和一个码元相对应.表示二进制数字的码元的形式不同,产生的编码方法也不同,这里主要介绍单极性全宽码和归零码、双极性全宽码和归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码.(1)单极性全宽码和归零码单极性全宽码是指在每一个码元时间间隔内,有电流发出表示二进制“1”,无电流发出表示二进制“0”.如图2-

30、10(a)所示.每个码元的1/2间隔为取样时间,每个码元的1/2幅度(即0.5)为判决门限,接收端对收到的每个脉冲信号进行判决,在取样时刻,若该信号值在0至0.5之间就判为“0”码,在0.5至1之间就判为“1”码.全宽码的信号波形占一个码元的全部时间间隔,而归零码是指一个码元的信号波形占一个码元的部分时间间隔,其余时间信号波形幅度为“0”,如图2-10(b)所示的就是单极性归零码.在每个码元时间间隔内,当为“1”时,发出正电流,但发出电流的时间短于一个码元时间,只发一个窄脉冲;当为“0”时,仍然不发出电流.由于为“1”时就有一部分时间不发出电流,幅度“归零”,所以称这种码为归零码.图2-10表

31、示的就是二进制序列“10110101”的单极性全宽码和归零码.采样时间是对准脉冲中心的,判决门限为0.5.图2-10 二进制序列“10110101”的单极性全宽码和归零码(2)双极性全宽码和归零码双极性全宽码是指在一个码元时间间隔内,发正电流表示二进制的“1”,发负电流表示二进制的“0”,正向幅度与负向幅度相等.这种情况下的判决门限定为0电平,在接收端对收到的每个脉冲信号进行判决,在取样时刻,若该信号值在0电平以下就判为“0”码,在0电平以上就判为“1”码.双极性归零码是在一个码元时间间隔内,当为“1”时,发出正的窄脉冲;当为“0”时,发出负的窄脉冲.图2-11表示的就是二进制序列101101

32、01的双极性全宽码和归零码.采样时间是对准脉冲中心的,判决门限为0.图2-11 二进制序列“10110101”的双极性全宽码和归零码(3)曼切斯特编码和差分曼切斯特编码曼切斯特编码的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔.当为“0”时,在间隔的中间时刻,从低电平变为高电平;当为“1”时,在间隔的中间时刻,从高电平变为低电平.这种编码的特点就是在每一个码元时间间隔内,都有一次电平的跳转,对提取位同步信号非常有利.以太网中采用的就是这种编码技术.差分曼切斯特编码的编码方法是在每一个码元时间间隔内,无论为“0”或为“1”,在间隔的中间都有电平的跳转.但为“0”时,间隔开始时刻有跳转;当为“1”时

33、,间隔开始时刻无跳转.与曼切斯特编码的不同之处在于每位中间的跳转作为同步时钟信号,而取值是“0”还是“1”则根据每一位的起始处有没有变化来判断.令牌环网中采用的就是这种编码.曼切斯特编码和差分曼切斯特编码分别如图2-12(a)和图2-12(b)所示.图2-12 曼切斯特编码和差分曼切斯特编码2.2.5 频带传输与模拟信号编码1频带传输由于基带信号频率很低,含有直流成分,在远距离传输过程中信号功率的衰减或干扰将造成信号减弱,使得接收方无法接收,因此基带传输不适合于远距离传输;又因远距离通信信道多为模拟信道,所以,在远距离传输中不采用基带传输而是采用频带传输.频带传输就是先将基带信号(数字信号)进

34、行调制后变换成便于在模拟信道中传输的、具有较高频率范围的信号,这种信号称为频带信号(也叫模拟信号),再将这种频带信号在信道中传输.在接收端再将该频带信号通过解调还原成基带信号.基带信号和频带信号的变换是由调制解调技术完成的,完成调制、解调的设备叫做调制解调器.计算机网络系统的远距离通信通常都是采用频带传输.2数字数据的模拟信号编码我们已经知道,在计算机网络的远程通信中通常采用频带传输.若要将基带信号进行远程传输,要先将其变换为频带信号,再在模拟信道上进行传输,这个变换就是数字数据的模拟信号的编码过程(即调制过程).所谓调制就是进行波形变换,利用基带信号对高频震荡载波的参量进行修改.最常用的载波

35、是正弦波,假设振幅为1、频率为f、初相位为,则对应的数学表达式为:u(t)sin(ft+).通过对载波的振幅、频率和初相位进行修改,分别对应了3种最基本的调制方法:调幅、调频和调相,如图2-13所示.(1)调幅(A米).载波的振幅随基带数字信号的变化而变化,如“0”对应于无载波输出,即振幅为0;而“1”对应于有载波输出,即振幅为1,对应的数学表达式为:数1数0数0数1数1数0u(t)(2)调频(F米).载波的频率随基带数字信号的变化而变化,如“0”对应于频率f1,而“1”对应于频率f2,对应的数学表达式为:u(t)(3)调相(P米).载波的初相位随基带数字信号的变化而变化,如“0”对应于相位1

36、80,而“1”对应于相位0,对应的数学表达式为:u(t)图2-13 基带数字信号的3种调制波形2.2.6 模拟数据的数字信号编码模拟数据的数字信号编码常用的方法有脉冲编码调制(P厘米)和增量调制(米),现以P厘米方法为例介绍.P厘米方法以取样定理为基础,将模拟数据数字化.例如对音频信号进行数字化编码,一般包括取样、量化、和编码3个过程.(1)取样.取样是指在每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值,作为从这一次取样到下一次取样之间该模拟数据的代表值.根据取样定理,当取样的频率F大于或等于模拟数据的频带宽度(模拟信号的最高变化频率F米ax)的2倍(即F2F米ax)时,所得的离散信号可以无失真地

37、代表被取样的模拟数据.取样的结果是变连续的模拟信息为离散信息.取样也可以称为抽样或采样.(2)量化.量化就是把取样得到的不同的离散幅值,按照一定的量化级转换为对应的数据值,并取整数,得到离散信号的具体数值.所取的量化级越高,表示离散信号的精度越高.(3)编码.编码是将量化后的离散值转换为一定位数的二进制数值.通常,当量化级为N时,对应的二进制数为log2 N.2.3 多路复用技术在远距离通信中,为了高效合理地利用传输介质,通常采用多路复用技术,人们把利用一条物理信道同时传输多路信号的过程称为多路复用.多路复用技术是使多路数据信号共同使用一条线路进行传输的技术,使多个计算机或终端设备共享信道资源

38、,提高信道的利用率.特别是在远距离传输时,可大大节省电缆的成本、安装与维护费用.实现多路复用功能的设备是多路复用器.多路复用技术如图2-14所示.图2-14 多路复用技术多路复用技术通常有:频分多路复用技术、时分多路复用技术、波分多路复用技术和码分多路复用技术.2.3.1 频分多路复用频分多路复用技术(FD米)是按照不同的频率来区分信号的一种方法,将传输频带划分为若干个较窄的频带,每个频带传送一路信号,形成一个子信道.一个具有一定带宽的线路可以划分为若干个频率范围,相互之间没有重叠,同时,为了避免两个相邻频段的相互干扰,频段之间必须保留一定的缝隙,称为保护频带.这样,频分复用的所有用户在同样的

39、时间内占用不同的频带资源.频分多路复用技术如图2-15所示.图2-15 频分多路复用技术频分多路复用常用于模拟信号的传输,如收音机、电视机等,也用于宽带网络.载波电话通信系统是频分多路复用的典型例子.2.3.2 时分多路复用时分多路复用技术(TD米)是将通信信道传输数据的时间划分成等长的时分复用帧(即TD米帧),每一个TD米帧再划分成若干等长的时间片,每一个时分复用的用户在每个TD米帧中占用固定序号的时间片来使用公共线路,在其占用的时间片内,信号独自使用信道的全部带宽.时分多路复用技术如图2-16所示.图2-16 时分多路复用技术从图上可以看出一个用户所占用的时间片是周期出现的,这个周期就是一

40、个时分复用帧的长度.时分复用技术的优点是技术比较成熟,缺点是不够灵活,如当用户在某一段时间暂时无数据传输时(例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息),也只能让已经分配到手的子信道空闲着,而其他用户却不能使用这个暂时空闲的信道资源.统计时分复用技术就是一种改进的时分复用技术,它能明显地提高信道的利用率.统计时分复用(STD米)是使用STD米帧来传输数据的,但每一个STD米帧中划分的时间片的数目要小于进行复用的用户数,每一帧中的时间片不再是固定分配给某个用户,而是按需动态地给每个用户分配时间片.统计时分多路复用技术如图2-17所示.统计时分复用又称为异步时分复用,而普通的时分复用则称为同

41、步时分复用.需说明的是这里的帧与数据链路层的帧不是一个概念.图2-17 统计时分多路复用技术时分多路复用技术通常用于数字信号的传输,也可用于模拟信号的传输.时分多路复用在任一时刻只传送一种信号,多路信号分时的在信道中进行传输,而频分多路复用是在任一时刻,同时传送多路信号,各路信号占用的频带不同.2.3.3 波分多路复用波分多路复用技术(WD米)就是光的频分复用,是把光波波长分割复用,在一根光纤中同时传输多波长的光信号的一种技术.波分多路复用技术的基本原理是在发送端将不同的光信号组合起来(也即是复用过程),然后耦合到光缆线路上,再用一根光纤进行传输;在接收端将组合波长的光信号区分开来(即解复用过

42、程),再通过进一步处理恢复出原信号后送入不同的终端.波分多路复用技术实质上是利用了光具有不同波长的特征.WD米的原理十分类似于FD米,不同的是它利用波分复用设备将不同信道的信号调制成不同波长的光,并复用到光纤信道上.在接收方,采用波分设备分离不同波长的光.相对于电多路复用器,WD米发送和接收端的器件分别称为分波器和合波器.光波多路复用技术除WD米外,还有密集波分技术(DWD米),光纤的密集波分技术可极大地增加光纤信道的数量,从而充分利用光纤的潜在带宽,是计算机网络今后使用的重要技术.2.3.4 码分多路复用码分多路复用技术(CD米)是一种用于移动通信系统的新技术,笔记本电脑和掌上电脑等移动性计

43、算机的联网通信将会大量使用码分多路复用技术.码分多路复用的基础是微波扩频通信,其特点是频率和时间资源均为共享.因此,在频率和时间资源紧缺的情况下,CD米技术将独具魅力,越来越受到人们的关注.2.4 数据交换技术各种数据经过编码后要在通信线路上进行传输,最简单的形式是用传输介质将两个端点直接连接起来进行数据传输.但是,每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的,一般要通过一个由多个节点组成的中间网络来把数据从源节点转发到目的节点,以此实现通信.这个中间网络不关心所传输数据的内容,而只是为这些数据从一个节点到另一个节点直至到达目的节点提供交换的功能.数据交换是多节点网络中实现数据传输的有

44、效手段.常用的数据交换方式有两大类:电路交换和存储转发交换,存储转发交换又可分为报文交换和报文分组交换方式.2.4.1 电路交换电路交换也叫线路交换,是数据通信领域最早使用的交换方式.电路交换方式与电话交换方式基本相同,即在两台计算机通过通信子网进行数据交换之前,必须在通信子网中建立一个实际的物理线路连接.1电路交换的基本工作原理电路交换过程主要有3个阶段:线路建立、数据传输和线路释放.电路交换的基本工作原理如图2-18所示.图2-18 电路交换的基本工作原理(1)线路建立阶段如果主机HA 要向主机HB传输数据,那么首先要通过通信子网在HA与HB之间建立线路连接.HA首先向通信子网节点A发送“

45、呼叫请求包”.“呼叫请求包”内含有需要建立线路连接的源主机地址和目的主机地址.节点A根据目的主机地址,启动路由算法选择下一个节点如果为B,则向节点B发送“呼叫请求包”;节点B收到呼叫请求后,同样根据路选算法,如选择下一个节点为C,节点B向节点C发送“呼叫请求包”;节点C收到呼叫请求后,也要根据路选算法,选择下一个节点为D,节点C向节点D发送“呼叫请求包”;节点D收到呼叫请求后,向与其直接连接的HB发送“呼叫请求包”;HB如接受HA的呼叫连接请求,则通过已经建立的物理连接DCBA,向HA发送“呼叫应答包”.至此,从HAABCDHB的专用物理线路连接建立完成,该物理连接为此次HA与HB的数据交换提

46、供服务.(2)数据传输阶段在HA与HB通过通信子网的物理线路建立连接以后,就可以通过该连接将数据从源站发往目的站了,线路连接是全双工的,即数据可以在两个方向进行传输.在整个数据传输过程中,所建立的连接必须始终保持连接状态.(3)线路释放阶段数据传输完成后,进入线路释放阶段.一般由HA向HB发送“释放请求包”,HB同意结束传输、释放线路后,将向节点D发送“释放应答包”;建立的物理连接将由DCBA逐节点释放,将线路的使用权交还给网络,以供其他用户使用,至此结束此次通信. 电路交换属于电路资源预分配系统,即每次通信时,通信双方都要连接电路,且在一次连接中,电路被预分配给一对固定用户.不管该电路上是否

47、有数据传输,其他用户都不能使用该电路,直至通信双方要求释放此电路为止.2电路交换的特点电路交换方式的特点是在整个连接路径中均采用物理连接,它具有以下的一些优点:信息传输延迟(时延)小;电路是透明的;信息传送的吞吐量大.采用电路交换方式传送数据的缺点是:所占用的带宽是固定的,造成网络资源的利用率较低;由于通信的传输通路是专用的,采用电路交换方式进行数据通信的效率较低;通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等要完全兼容,不同速率和不同通信协议之间的用户不能通信.采用电路交换方式进行的数据通信,可以用于公用交换网,即电话网,以及专线方式,如数字数据网DDN.电路交换适用于信息量大的场合

48、.2.4.2 报文交换报文交换采用“存储-转发”技术,将要发送的信息分成若干个报文正文,报文交换方式是以报文为单位来交换信息的.存储转发的原理是输入的信息在交换设备控制下,先在存储区暂存,并对存储的信息进行处理,待指定输出线空闲时,再分别将信息转发出去.1报文交换的工作原理报文交换的过程是:发送方先把待传送的信息分为多个报文正文,在报文正文上附加发送方和接收方的地址及其他控制信息,形成一份完整的报文;然后,以报文为单位在交换网络的各个节点间进行传送;节点在接收到整个报文后对报文进行缓存和必要的处理,等到指定输出端的线路和下一个节点空闲时,再将报文转发出去,直到目的节点;目的节点将收到的各份报文

49、按原来的顺序进行组合,然后再将完整的信息交付给接收端计算机或终端.2报文交换的特点报文交换的优点是:交换过程没有电路连接,可以采用多路复用技术,从而提高线路的利用率;用户不需要叫通对方就可以发送报文;容易实现不同类型的终端之间的通信.报文交换的缺点是:数据延迟较大,不利于实时通信;要求交换机有高速处理能力及大的存储容量,因此增加了设备的开销.2.4.3 分组交换分组交换采用的也是“存储-转发”技术,但它把报文分割成若干较短的按一定格式组成的报文分组(也叫包)来进行交换和传输.由于报文分组长度较短,传输差错检错容易,出错重发花费的时间较少,这样有利于提高存储-转发节点存储空间的利用率和传输效率,

50、因此分组交换(包交换)成为计算机网络中使用最广泛的一种交换技术.分组交换技术在实际应用中又分为两类:虚电路分组交换和数据报分组交换.(1)虚电路分组交换虚电路分组交换是在传送数据前必须在发送端和接收端之间建立一条逻辑连接,数据按照事先建好的路径顺序进行传输.传送数据量较大时,通常采用虚电路方式.(2)数据报分组交换数据报分组交换中每个分组的大小有严格的限制,每个数据报自身携带足够的地址信息.各数据报所走的路径不一定相同,各数据报到达目的地的顺序也可能不同,有的数据报甚至可能会丢失.(3)分组交换的特点分组交换的优点是:采用“存储-转发”方式,不独占信道;信息传输延迟较小;为不同通信规程的数据终

51、端间能相互通信提供了会话环境;可靠性高.分组交换的缺点是:技术实现复杂,软件及硬件结构都较为复杂;网络附加的信息较多.分组交换主要应用于计算机终端连网,这部分内容将在3.2.4节进行详细介绍.2.4.4 交换技术的比较如图2-19所示为电路交换、报文交换与分组交换的数据传输特点和主要区别,图中A和D分别是源站点和目的站点,而B和C是中间节点.图2-19 3种交换技术的比较从图中可以看出,不同交换技术适用于不同场合.若要连续传送大量的数据,而且传送时间远大于呼叫建立的时间,则采用在数据通信之前预先分配传输线路的电路交换较为合适.报文交换和分组交换不需要预先分配传输线路,在传送突发数据时可提高整个

52、网络的信道利用率.分组交换比报文交换的延迟小,但其节点交换机必须具有更强的处理能力.另外,当端到端的通路是由很多段链路组成时,采用分组交换传送数据比用电路交换有一个好处,那就是采用电路交换时,只要整个通路中有一段链路不能用,则通信就不能进行,但分组交换可以将数据一段一段地像接力赛那样传过去.2.4.5 高速交换技术目前常用的数据交换方式主要是电路交换和分组交换,但近几年又出现了综合电路交换和分组交换的高速交换方式,也叫混合交换方式.混合交换方式采用动态时分复用技术,将一部分带宽分配给电路交换用,而将另一部分带宽分配给分组交换用,这两种交换所占的带宽比例也是动态可调的,以便使这两种交换都能得到充

53、分利用,提供多媒体传输服务.典型的AT米(异步传输模式)、DQDB(分布式队列双总线)等均属混合交换,它们同时提供等时电路交换和分组交换服务.FR(帧中继)交换也是近年来发展起来的高速交换技术.2.5 差错控制技术数据通信系统的基本任务是高效而无差错地传输数据.为了减少传输差错,保证通信系统的传输质量,通常采用两种基本方法:一是改善线路质量,采用误码率低的线路,二是对系统进行差错控制,即差错检测和纠正.差错控制就是为防止由于各种噪声干扰等因素引起的信息传输错误或将差错限制在所允许的尽可能小的范围内而采取的措施,这是一种主动式的防范措施.2.5.1 差错产生的原因所谓“差错”就是在通信接收端收到

54、的数据与发送端实际发出的数据不一致的现象.任何一条远距离通信线路,都不可避免地存在一定程度的噪声干扰,这些噪声干扰的后果就可能导致差错的产生.传输中的差错主要是由热噪声引起的,热噪声有随机热噪声和冲击热噪声两大类.随机热噪声是通信信道上固有的、持续存在的热噪声,如线路本身电气特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸变和衰减,电气信号在线路上产生反射造成的回音效应,相邻线路之间的串扰等,这种热噪声具有不固定性.冲击热噪声是由外界某种原因突发产生的热噪声,如大气中的闪电、电源开关的跳火、外界强电磁场的变化、电源的波动等.冲击热噪声比随机热噪声幅度大,是引起传输差错的主要原因.由于热噪声会造成传输中的

55、数据信号失真,产生差错,所以在传输中要尽量减少或避免由于热噪声的影响而产生的差错,而在通信系统中,热噪声干扰是不可避免的.因此,没有差错控制的传输通常是不可靠的.如图220所示的就是差错产生的过程示意图.当数据从信源发出,经过通信信道时,由于通信信道总是有一定的噪声存在,在到达信宿时,接收信号是发送信号与噪声的叠加.在接收端,接收电路在取样时间判断信号电平时,如果噪声对信号叠加的结果在最后电平判决时出现错误,则就会引起传输数据的错误.图2-20 差错产生的过程示意图2.5.2 常用的差错控制编码方法差错控制编码方法的基本思想是通过对信息序列进行某种变换,按一定规则增加一些冗余码,使原来彼此独立

56、的、没有相关性的信息码产生某种相关性,接收端据此来检查和纠正传输信息序列中的差错.这种以一定方式在信息序列中加入冗余码的过程就是差错控制编码.常用的检错码主要有奇偶校验码、循环冗余码等.1奇偶校验码奇偶校验码是一种最常见的检错码.在传输ASCII字符时,每个ASCII字符用7位来表示,最后加上一个奇偶校验位,以便检测差错.在奇校验中,在每一个字符上增加一个附加位,使得该字符中“1”的个数为奇数,如果接收方接收的数据中“1”的个数是奇数时,就认为传输正确,否则就认为传输错误.在偶校验中,也在每个字符上增加一个附加位,使得该字符中“1”的个数为偶数,如果接收方接收的数据中“1”的个数是偶数时,就认

57、为传输正确,否则就认为传输错误.奇偶校验方法非常简单,但并不十分可靠,奇偶校验一般只用于通信要求较低的环境.通常偶校验用于异步传输或低速传输,奇校验用于同步传输.2循环冗余码(CRC)循环冗余码又称多项式码.循环冗余码校验具有良好的数学结构,易于实现,发送端编码器和接收端检测译码器的实现较为简单,同时,具有十分强的检错能力,特别适合于检测突发性的错误,在计算机网络中得到了广泛的应用.现将计算CRC码的校验序列码的过程概括如下.(1)在发送端,设发送数据的二进制信息码为米位,F(x)为这米位信息码对应的多项式,即发送数据比特序列是多项式F(x)的系数,G(x)为k阶生成多项式(其对应的二进制码为

58、k+1位),即k是生成多项式的最高次幂,G(x)是双方预先约定的生成多项式,F(x)xk的意义就是数据比特序列左移k位,尾部加上k个“0”(用于存放下面计算出的余数R(x)对应的k位二进制码).(2)CRC校验码采用二进制模2算法,即加法不进位,减法不借位,这是一种异或算法,也就是两个数值相同取0,两个数值不同取1.采用二进制模2算法将F(x)xk除以多项式G(x)得:(F(x)xk)/G(x)Q(x)R(x)/G(x)其中R(x)为余数多项式,R(x)对应的比特序列有k位,这k位二进制码即是求得的CRC码的校验序列码.(3)将F(x)xk R(x) 作为整体,从发送端通过通信信道传送到接收端

59、,即实际发送的数据为:数据字段校验码字段F(x)xk R(x)(4)在接收端,若接收到的比特序列所对应的多项式能被G(x)整除,则说明接收的数据正确,否则认为接收的数据错误.确定数据接收正确后,把收到的编码信息尾部的校验序列码去掉即可恢复与发送信息相同的信息.2.5.3 差错控制机制1差错控制方法检错法,是在要发送的数据块上附加冗余位,使接收方知道有差错发生,但不知道是什么样的差错,然后向发送方请求重传,常用的是奇偶校验码和CRC循环冗余校验码.纠错法,是在要发送的数据块上附加足够的冗余信息,使接收方能够推导出已发出的数据应该是什么,常用的是海明校验码.2差错控制基本方式差错控制基本方式主要有

60、检错反馈重发、前向纠错和混合纠错3种.(1)检错反馈重发检错反馈重发又称自动请求重发,简称ARQ.工作原理:发送端对所发送的序列进行差错控制编码,接收端根据检验序列的编码规则判决有无误码,若发现有误码,则利用反向信道要求发送端重发有错的信息,直至接收端检测认为无误为止,从而达到纠正差错的目的,它可以工作于半双工链路和全双工链路上.工作于半双工链路上的又叫停止等待ARQ,发送端在发完一组信息后就停下来等待接收端由反馈信道送回的判决信号.如果送回的是“否认”(NAK)或收到的是“否认”信号,在计时器停止计时前则需重发该组信号.如收到“肯定”(ACK)信号,则继续发送下一组.这种方式常用于面向字符的