计算机数据通信

1、第2章 数据通信基础知识 2.1 数据通信的基本概念 2.2 数据的传输方式2.3 数据交换2.4 多路复用技术2.5 差错控制技术2.6 数据传输设备2.7 实训2.1 数据通信的基本概念数据通信是依据通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息的技术。用于实现计算机与计算机、计算机与终端、终端与终端之间的数据信息传递。基本的数据通信系统，如下图所示。 2.1.1 数据和数据通信通常数据定义为能够由计算机处理的数字、字母和符号等具有一定意义的实体。数据可分为模拟数据与数字数据两类。模拟数据在时间上和幅度取值上都是连续的，其电平随时间连续变化。数字数据在时间上是离散的，在幅值上是经

2、过量化的，它一般是由0，1的二进制代码组成的数字序列，如下图所示。2.1.2 码元码元是对于网络中传送的二进制数字中每一位的通称，也常称作“位”或bit。例如1010101，共有7个位。2.1.3 信息传输速率信息传输速率是指通信线路上传输信息的速度。有两种表示方法，即信号速率和调制速率。信号速率S：指单位时间内所传送的二进制代码的有效位数，以每秒多少比特数来计算，即bps。调制速率B：是脉冲信号经过调制后的传输速率，以波特（BAUD）为单位，通常用于表示调制器之间传输信号的速率。信号速率S与调制速率B有如下关系：S=Blog2N。其中N为一个脉冲信号所表示的有效状态。在二进制中脉冲只有0或1

3、两种状态，即N=2，也就是说，信号速率S与调制速率B是一致的。 2.1.4 信道容量、带宽与误码率信道：传输信息的必经之路称为“信道”。在计算机中有所谓物理信道和逻辑信道之分。物理信道是指用来传送信号或数据的物理通路，网络中两个节点之间的物理通路称为通信链路，物理信道由传输介质及有关设备组成。逻辑信道也是一种通道，但在信号收、发点之间并不存在一条物理上的传输介质，而是在物理信道基础上，由节点内部的边来实现。通常把逻辑信道称为“连接”。信道容量：指信道能传输信息的最大能力，一般以单位时间内最大可传送信息的位数表示。实际上，信道容量应大于传输速率，否则高的传输速率得不到充分利用。带宽：即是信息传输

4、率，以“字节/秒”为单位。误码率：指信息传输的错误率，是衡量系统可靠性的指标。它以接收信息中比特数占总传输比特数的比例来度量，通常应低于10-6。2.2 数据的传输方式2.2.1 串行传输和并行传输1. 串行通信计算机中的一个字节由一个8位二进制代码来表示。将准备传输的每个字节的二进制代码按照由低到高位的顺序，依次发送。这种数据传输方式称为串行传输。如下图所示。串行传输具有成本低，利用率高等优点，但是其速度慢。这种通信方式适合长距离的信号传输。常用的电话线传输就是串行传输方式。2. 并行传输并行传输是指同时传输一组比特，每个比特用一个线路通道。如下图所示。并行传输的优点是速度快，但是成功率不高

5、，信道利用率也不够。这种传输方式适合距离比较短的传输。计算机内的总线结构就是利用并行传输的。2.2.2 单向传输和双向传输根据传输方向与时间的不同，其可以分为三种传输方式：1. 单工传输单工传输是信号只按照一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向，如学图所示。为保证正确传送数据信号，接收方对数据进行校验，如果校验出错，则通过监控信道发送重发信号。电视广播和无线电广播都是典型的单工传输方式。2. 半双工传输半双工通信允许信号双向传输，但某一时刻只能允许一个信号存在于信道上，所以半双工实际上是一种可以切换方向的单工传输。传统的对讲机使用的就是半双工的传输方式。如下图所示。3. 全双工传输相对

6、单工和半双工，全双工可以同时进行两个方向的信号传输，即有两条信道，全双工通信是单工传输方式的综合，接收双方都能独立支配接收和发送。全双工传输具有通信效率高，控制简单等特点，但其造价高。计算机之间的传输是全双工方式。如下图所示。2.2.3 同步与异步传输1. 同步问题的重要性当以数据帧传输数据时，要求发送器应对所发送的信号采取以下两个措施：（1）在每个字符（或每帧数据）对应信号的前面和后面分别添加有别于数据信号的开始信号和停止信号。（2）在每个字符（或每帧数据）信号的前面添加时钟同步信号，以控制接收器的时钟同步。2. 异步传输与同步传输异步传输与同步传输均存在上述基本同步问题：一般采用字符同步或

7、帧同步信号来识别传输字符信号或数据帧信号的开始和结束。两者之间的主要区别在于发送器或接收器之一是否向对方发送时钟同步信号。异步传输（Asynchronous Transmission）以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器具有相互独立的时钟（频率相差不能太多），并且两者中任一方都不向对方提供时钟同步信号。异步传输的发送器与接收器双方在数据可以传送之前不需要协调：发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。 图2-8 异步传输同步传输（Synchronous Transmission）以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信

8、号（后者的传输效率和可靠性高），由发送器或接收器提供专用于同步的时钟信号。在短距离的高速传输中，该时钟信号可由专门的时钟线路传输；在计算机网络中采用同步传输方式传送数据帧时，常将时钟同步标志加入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步。同步传输如下图所示。2.3 数据交换图2-10 数据交换类型 2.3.1 电路交换在数据通信网发展初期，人们根据电话交换原理，发展了电路交换方式，如下图所示。 1. 电路交换的三个过程（1）电路建立。在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。（2）数据传输。电路ABC建立以后，数据就可以从A发送到B，再由B交换到C；C也可以经B向A发送数据。

9、在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。（3）电路拆除。数据传输结束后，由某一方（A或C）发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。2. 电路交换的主要特点（1）呼叫建立时间长。在电路建立阶段，需要花费一段时间在两站间建立一条专用通路，这段时间叫呼叫建立时间。在传统的公用电话网中，这段建立时间较长。在先进的程控交换机中建立时间较短。（2）存在呼损。在电路建立过程中，由于交换网繁忙等原因而有可能使建立失败。对于交换网来说要拆除已建立的部分电路，用户则需要挂断重拨，这称为呼损。这种情况在平时的电话通信中经常发生。（3）站与站双方的收发速度、编码方法、信息格式、传输控制等要一致才能完成通

10、信。也就是说，交换网对用户信息的编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不加限制，但是，对用户终端来说，互相通信的站必须是同类型的，否则不能直接通信。（4）信号和数据的传输时延短且时延固定不变，适用于实时大批量连续的数据和信号传输。（5）信道的利用率低。由于电路建立以后，信道是专用的，只能供通信双方使用。在两个通信站传输的间歇期间，尽管该电路上没有信息传送，但也只能空闲着，所以利用效率较低。但对于信道的用户来说，其可靠性和实际响应能力得到了保证。 2.3.2 报文交换1. 报文交换原理报文交换方式的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。当一个站要发送报文时，它将

11、一个目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，逐个节点一直转送到目的节点。每个节点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个节点的地址，再把整个报文传送给下一个节点。因此，端与端之间无须先通过呼叫建立连接。一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。2. 报文交换的优点 （a）电路交换 （b）报文交换报文交换方式的优点有：（1）传输效率高。报文交换方式由于不用建立一条专用的数据通路，节点间可以根据链路情况选择不同的速度传输，所以能高效地传输数据。（2）信道利用率较高。这是因为多

12、个报文可以分时共享一条节点到节点的信道。（3）不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。（4）在线路交换网上，当通信量变得很大时，就不能接收某些呼叫，但是仍然可以接收报文。不过，传送延迟会增加。（5）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。（6）能够建立报文的优先权。（7）数据传输的可靠性高。这是因为每个节点在存储转发中，都进行了差错控制。3. 报文交换的缺点虽然报文交换在传输上比电路交换要更加优越，但是，报文交换方式的缺点也是明显的，如：（1）它不具有实时性和交互性的通信要求，而且要求节点具备足够的报文数据存储能力。（2）由于采用了对完整报文的存

13、储/转发，每个节点都要把报文完整地接收、存储、检错、纠错、转发，会产生节点延迟。（3）报文交换对报文长度没有限制，这样就有可能使报文长时间占用某两节点之间的链路，不利于实时交互通信。2.3.3 分组交换分组交换是把电路交换和报文交换的优点结合起来产生的一种交换技术。分组交换与报文交换都是采用存储转发交换方式，即首先把来自用户的信息报文暂存于存储装置中，并划分为多个一定长度的分组，每个分组前边都加上固定格式的分组标题，用于指明该分组的发送端地址、接收端地址及分组序号等。数据报文方式其优点是传输可靠性高、传输时延短，由于PSE上的存储器容量减小，所以提高了经济性。缺点是每个分组附加的控制信息多，增

14、加了传输信息的长度和处理时间，增大了额外开销。分组交换的另一种方式叫虚电路方式。所谓虚电路，就是两个用户终端设备在开始互相发送和接收数据之前，需要通过网络建立逻辑上的连接，一旦这种连接建立之后，就在网络中保持已建立的数据通路，用户发送的数据（以分组为单位）将按顺序通过网络到达终点。当用户不需要发送和接收数据时，可以清除这种连接。虚电路方式有几个特点：（1）一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除三个阶段。数据分组中不需要包含终点地址，对于数据量较大的通信传输效率高。（2）数据分组按建立的路径顺序通过网络，在网络终点不需要对数据重新排序，分组传输时延短，而且不容易产生数据分组的丢失。（3）当网络

15、中由于线路或设备故障时，可能导致虚电路的中断，需要呼叫，建立新的连接。但是，现在许多采用虚电路方式的网络，已能提供呼叫重新连接的功能。当网络出现故障时，将由网络自动选择并建立新的虚电路，不需要用户重新呼叫，并且不丢失用户数据。2.4 多路复用技术图2-14 多路复用技术人们研究和应用多路复用技术的原因主要有如下两点：（1）通信工程中用于通信线路架设的费用相当高，需要充分利用通信线路的容量。（2）无论是在广域网还是在局域网中，传输截止的传输容量往往都超过了单一信道传输的容量。为了充分地利用传输介质，人们研究和应用了在一条物理线路上建立多条通信信道的多路复用技术。在实际应用中，多路复用一般可以分为

16、三种基本形式，如下图所示。 2.4.1 频分多路复用在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽的情况下，可将该物理信道的总带宽分成若干个与传输单个信号带宽相同（或略宽）的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用（Frequency Division Multiplexing，FDM），如下图所示。2.4.2 波分多路复用在这种方法中，两根光纤连到一个棱柱（或衍射光栅），每根光纤里的光波处于不同的波段上，这样两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上，到达目的地后，再将两束光分解开来。它是光纤通信中采用的一种频分复用技术。波分多路复用（Wave Division Multiplex

17、ing，WDM）的本质是在一条光纤中用不同颜色的光波进行信号传输，而不同的色光在光纤中传输，但彼此不干涉，所以，一条光纤就变成了几条光纤的容量，光纤中一单色光传输信号的频率达到几GHz，而使用波分复用后一根光纤的总带宽大约是25000GHz，因此可以将很多信道复用到长距离光纤上，但需要解决光入和光出的合并分离问题，世界上许多国家已经采用波分复用技术对已铺设的光纤线路进行扩容。图2-17 波分多路复用它与电信号的频分多路复用技术的不同之处在于：波分复用是在光学系统中采用衍射光栅来实现多路不同频率光波信号的合成和分解的。2.4.3 时分多路复用时分多路复用（Time Division Multip

18、lexing，TDM）是将一条物理信道按时间分成若干时间片（即时隙）轮流地分配给每个用户，每个时间片由复用的一个用户占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。数据时分复用可分为同步时分复用和统计时分复用。同步时分复用是指复用器把时隙固定地分配给各个数据终端，通过时隙交织形成多路复用信号，从而把各低速数据终端信号复用成较高速率的数据信号。统计时分复用也称异步时分复用。统计时分复用中，把时隙动态地分配给各个终端，即当终端的数据要传送时，才会分配到时隙，因此每个用户的数据传输速率可以高于平均传输速率，最高可以达到线路总的传输能力。 所谓时分多路复用就是将一条物理的传输线按时间分成若干时间片，

19、轮换地为多个信号使用。每一个时间片由复用的一个信号占用，而不像FDM那样同时发送多路信号。时分多路复用如下图所示。 2.5 差错控制技术2.5.1 差错控制技术差错控制就是指在数据通信过程中，发现、检测错误，对错误进行纠正，从而把差错限制在数据传输所允许的尽可能小的范围内。在数据传输过程中，没有差错控制的传输通常是不可靠的。1. 差错产生的原因及其特点要想提高传输质量，要在以下两个方面着手：第一，改善传输信道的传输特性；第二，采取差错控制技术，以抵消来自外界的干扰。外界的干扰也称为噪声干扰，它是引起传输差错的主要因素。噪声可以分为两类：（1）热噪声。热噪声是传输电路中的电子热运动产生的，它的特

20、点是时刻存在、幅值较小、幅度与频率无关，也较均匀，但频带很宽，它具有随机性。由热噪声引起的差错是随机差错。（2）冲击噪声。冲击噪声是由外界干扰造成的。与热噪声相比，冲击噪声的幅度较大，持续时间较短。这类噪声可以波及相邻的多个数据位，从而产生差错。它是网络数据传输中引起传输差错的主要原因。由冲击噪声所引起的传输差错是突发差错。在通信过程中所产生的传输差错是由随机差错和突发差错共同构成的。此外，信号的幅度、传播的速率、相邻两通信线路的串音等因素也会引发传输差错。 2. 差错控制的基本方式（1）反馈纠错。这种方式是在发送端采用某种能发现一定程度传输差错的简单编码方法对所传信息进行编码，加入少量监督码

21、元，在接收端则根据编码规则对收到的编码信号进行检测，一旦检测出错码，即向发送端发出重发的信号。发送端收到重发信号后，立即重发已发生传输差错的那部分信息，直到正确收到为止。所谓发现差错是指在若干接收码元中检测到一个或一些是错的，但不一定知道错误的准确位置。（2）前向纠错。这种方式是发送端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到信码中不仅能发现错码，还能够纠正错码。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较复杂。（3）混合纠错。这种方式是少量差错在接收端自动纠正，差错较严重，超出自行纠正能力时，就向发送端发出重

22、发信号，要求重发。因此，混合纠错是前向纠错及反馈纠错两种方式的混合。 2.5.2 检错码1. 奇偶校验在面向字节的数据通信中，在每个字节的尾部都加上一个校验位，构成一个带有校验位的码组，使得码组中“1”的个数成为偶数（称为偶校验）或使得码组中“1”的个数成为奇数（称为奇校验），并把整个码组一起发送出去。接收端在收到信号之后，对每个码组检查其中“1”的个数是否为偶数（偶校验）或码组中“1”的个数是否为奇数（奇校验），如果检查通过就认为收到的数据正确，否则要求重发该数据。2. 循环冗余校验循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）是一种比较复杂的校验方法。此方法将整个数

23、据块看成一个连续的二进制数据，从代数的角度看是一个报文码多项式除以另一个称为“生成多项式”的多项式。2.5.3 纠错码汉明码（也叫海明码）是一种可以纠正一位错的高效率线性分码组。其基本思想是：将待传信息码元分成许多长度为k的组，其后附加r个用于监督的冗余码元（也称校验位），构成长为n=k+r位的分组码。分组码中每个校验位和某几个特定的信息位构成偶检验关系。用r个监督关系式产生的r个校正因子来区分无错和在码字中的n个不同位置的一位错。汉明码是一种具有纠错功能的纠错码，它能将无效码字恢复成距离它最近的有效码字，但不是百分之百正确。两个码字的对应位取值不同的位数称为这两个码字的汉明距离。一个有效编码

24、集中，任意两个码字的汉明距离的最小值称为该编码集的汉明距离。如果要纠正d个错误，则编码集的汉明距离至少应为2d+1。2.6 数据传输设备2.6.1 传输模型数据的传输主要包含以下五个部分：（1）数据源（Data Source）。（2）发送器（Transmitter）。（3）通信信道（Communication Channel）。（4）接收器（Receiver）。（5）数据槽（Data Sink）。图2-19 数据传输的模型 数据通信设备（Data Communication Equipment，DCE）：“发送器”与“接收器”。通过通信通道建立通信双方的实体网络连接。数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）：“数据源”与“数据槽”。根据数据传输时DTE之间的同步形式，数据传输又可以分为同步传输和异步传输；根据通信线路的复用手段，又可以分为频分多路复用FDM和时分多路复用TDM等。 2.6.2 传输硬件设备1. 调制解调器调制解调器是一种计算机硬件，它将人们的电脑通过电话线连接到另一台电脑或一个网络。按调制解调器与计算机连接方式可分为内置式与外置式。内置式调制解调器体积小，使用时插入主机板的插槽，不能单独携带；外置式调制解调器体积大，使用时与计算机的通信接口