第3章 数据通信基础

第3章数据通信基础

本章内容简介概述数据通信中的基本概念数据通信系统的主要技术指标数据传输类型数据传输方式数据交换技术差错检验和校正3.1概述计算机网络是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。从功能结构上，把计算机网络看成是一个两层结构的系统。外层是由主计算机、I/O设备、各种软件资源和数据资源构成的资源子网，它负责全网的数据处理，并向网络用户提供各种共享的网络资源和相应的网络服务；而内层则是由通信控制处理机和高速通信线路等组成的通信子网，它负责全网的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作。后来国际标准化组织（ISO）经过研究，建立了一种统一标准，进一步将通信子网内的有关活动内容细分为三层，将资源子网内的有关活动内容细分为四层，总共有七层，叫做七层网络系统结构参考模型，有人称它为“洋葱头”模型，又叫“开放系统互连”模型。在通常情况下，网络层次是不可见的，它们只是人们对网络软件功能的分工和对各相邻两层之间的接口规定。在每一层内都要完成规定的功能，称为该层内的协议，七个层次就要分别有七种协议；在层与层之间的过渡，叫做接口，在接口处，规定下层要为上层服务，故层与层之间要规定有具体的服务内容，叫接口服务，所以七个层次又要有七种接口服务。两层结构的计算机网络示意图

NCNCNCNCNCHHHHHH通信子网资源子网TTTTTTTTTH主机3.2数据通信中的基本概念1．信息、数据及其编码把计算机网络传输的二进制代码称为数据（data），它是传递信息（information）的载体，包括数字、文字、语言、图形、图像等。数据与信息的区别在于数据仅涉及事物的表示形式，而信息则涉及这些数据的内容和解释。信息是一种有意义的数据。目前世界上表示数据的二进制代码是ASCII和EBCDIC码等。2.信道

传输信息的通道称为“信道”。在计算机网络中，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，它由传输介质及有关通信设备组成。“逻辑信道”也是网络上的一种通路。在信号的发送与接收之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在物理信道的基础上，还存在可以通过结点内部的连接来实现的逻辑信道。根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。按照信道中传输不同类型的数据信号来分，物理信道又可以分为模拟信道和数字信道。按照信道的使用方式来分，又可以把信道分为专用信道和公共交换信道。专用信道是一种连接用户之间设备的固定“专线”，用户之间的通信，通过公共交换机之间的线路转接，公共电话交换网就属于公共交换信道。

3.信道容量信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用单位时间内最大可传送的比特数来表示。信道容量由信道的带宽、可使用的时间以及信道质量（即信号功率与干扰功率之比）决定。实际应用中的传输速率要小于信道容量。4.码元和码字所谓“码元”，或称为“码位”，是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位的通称。而由若干个码元序列表示的数据单元代码通常称为“码字”。例如，二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，可以视为一个码字。在7位ASCII码中，这个码字表示字母A。5．全双工和半双工

在一个数据通信系统中，如果能够同时发送和接收信息，则叫做全双工（FDX）系统。若发送和接收需要先后错开而不能同时进行，则叫做半双工（HDX）系统。6.同步问题同步问题是数据通信系统中的一个重要问题，数据发送出去之后，在接收端能否正确地接收下来，关键就是解决同步问题。同步问题有两类。一类是位同步，指在接收端需要知道每一位是从什么时候开始的，从而能在一连串的位流中把每一位都分辨出来；另一类就是字符同步，即在接收端需要知道什么地方是一个字符的开始位，从而能从一连串的位流中将每个字符按规定的编码格式分离出来，然后再经过解码，得到所需要的字符。常用的处理方式有同步和异步两种。采用起止式异步方式，可使每个字符本身都带有所需的开始和停止的同步信息，所以在这样的系统中，可以随时发送字符，使用十分方便。采用同步方式，在所传送的字符与字符之间，不再留有空隔，也不用停顿，可以连续不停地发送，所以速度较快。这种方式适用于大批量的数据传送的情况。3.3数据通信系统的主要技术指标

在数据通信系统中，为了描述数据传输速率的大小和传输质量的好坏，往往需要运用所谓比特率、波特率和出错率等技术指标。1.比特率比特率（S）是一种数字信号传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数，单位采用每秒比特数（bps）或每秒千比特数（Kbps）表示。2.波特率波特率（B）是一种调制速率，也称波形速率。它是针对模拟信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波调制状态改变的次数。或者说，在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特（baud）。3．出错率出错率是指信息在传输中的错误率，也称为“误码率”。它是数据通信系统在正常工作状况下，表达传输可靠性的指标。如果传输的信息以码元为单位，则在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6

。波特率和比特率的区别与联系

数字信号模拟信号模拟信道计算机计算机MODEMMODEM波特率比特率4.带宽与数据传输速率在模拟信道中，人们一般采用“带宽”表示信道传输信息的能力，即传送信息信号的高频率与低频率之差，单位为Hz、kHz、MHz或GHz。例如，电话信道的带宽为300～3400Hz。在数字信道中，人们通常用“数据传输速率”（比特率）表示信道传输信息的能力，即每秒传输的比特数，单位为bps、Kbps、Mbps或Gbps

。例如，调制解调器的传输速率为14.4Kbps、28.8Kbps或56Kbps等。由于带宽与数据传输速率这两个术语都是用来度量网络传输能力的，所以，在一些论述计算机网络的中外文书籍中，两者经常混用。但是，从技术角度来讲，这是两个完全不同的概念，希望读者注意加以区别。3.4数据传输类型数据传输共有三种类型：基带传输、频带传输和宽带传输。3.4.1基带传输

在数据通信中，表示计算机传输的二进制数字信号是典型的矩形电脉冲。由于这种未经调制的电脉冲信号所占据的频带通常从直流和低频开始，因而人们把这种矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带”，即电脉冲信号固有的基本频带，相应的信号称为“数字基带信号”。3.4.2频带传输对于远距离通信来说，目前经常使用的仍然是普遍的电话线，因为它是当今世界上覆盖范围最广、应用最普遍的一类通信信道。而且，无论计算机网络技术和通信技术如何发展，电话通信信道仍然是现在与将来使用的一种基本的网络通信手段。众所周知，传统的电话通信信道是为了传输语音信号而设计的，它只适用于传输音频范围（300～3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输计算机的数字基带信号。为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模拟信号。为此，需要在发送端选取音频范围的某一频率的正（余）弦模拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道将其送至另一端；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的信号波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。3.4.3宽带传输

在局域网中，常用宽带传输。所谓宽带传输就是利用频带宽度至少为1000MHz的宽带同轴电缆作为传输介质。具体使用时通常把这种宽带划分成若干个子频带，分别用于传输数字、音频和视频信号。因此，人们可以利用宽带传输系统实现文字、声音和图像的一体化传输。不过由于宽带同轴电缆原来是用于传输电视信号的，要用它来传输数字信号，就必须利用射频调制解调器，把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百兆赫兹的模拟信号。3.5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，可以分为串行传输方式和并行传输方式。并行传输是一次同时传输若干二进位（bit）的数据，从发送端到接收端的信道需要相应的若干根传输线。而串行传输是一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可。计算机内部采用并行传输，计算机网络中普遍采用串行传输，可节省设备。3.6数据交换技术在计算机网络中，计算机通常使用公用通信的传输线路进行数据交换，以提高传输设备的利用率。在网络中的数据交换方式可分为线路交换和存储转发交换两大类，其中，存储转发交换又可分为报文交换和分组交换。3.6.1线路交换交换（switch）的概念来源于电话系统。当用户发出通话呼叫时，电话系统中的交换机（telephoneswitch）在呼叫者电话与接收者电话之间寻找一条客观存在的物理通道。一旦找到，通话便可建立起来。然后，两端的电话便拥有这条线路，直到通话结束。这里，所谓“交换”体现在交换设备内部，当交换机从一条输入线收到呼叫请求时，它首先根据被呼叫者的号码寻找一条合适的空闲输出线，然后，通过硬件开关（比如电磁继电器）将二者连通。电话系统的这种交换方式就叫做“线路交换”(circuitswitching)。在计算机网络中，计算机之间需要通信时，也是由交换机负责在其间建立一条实际的专用物理连接通道。其通信过程可以分为：电路建立阶段、数据传输阶段和拆除电路连接3个阶段。其特点是先有两个结点的线路接通然后才能通信，双方通信的内容不受交换机的约束，即传输信息的符号、编码、格式以及通信控制规程等均随用户的需要决定。由此不难看出，线路交换的外部表现是通信双方一旦接通，便独占一条实际的物理线路。线路交换的实质是：在交换设备内部由硬件开关接通输入线与输出线。因此，线路交换技术的优点是：传输延迟小（惟一的延迟是电磁信号的传播时间）；线路一旦接通，不会发生冲突。对于占用信道的用户来说，可靠性和实时响应能力都很好。缺点是：建立通话线路所需时间较长（有时需要10秒或更长）；一旦接通就要独占线路，造成信道浪费。3.6.2报文交换在报文交换（messageswitching）方式中，信息的交换是以报文（message）为单位的，通信的双方之间无须建立专用通道。例如，当计算机间通信时，发送机要先把准备发送的信息加上报文头，包括目标地址、源地址等信息，并将形成的报文发送给交换设备。交换器把收到的报文信息存入缓冲区并输送进队列排队等候处理，这个过程称为“第一次排队”。交换器依次对输送进队列排队等候的报文信息做适当处理以后，根据报文的目标地址，选择适当的输出链路。如果此时输出链路中有空闲的线路，便启动发送进程，把该报文发往下一个交换器，这样通过多次转发，一直把报文送到指定的目标。由此可见，在这个过程中，交换器的输入线与输出线之间不必建立物理连接。但是如果该输出链路没有空闲的线路，则需要将装有报文信息的缓冲区送到该链路的输出队列排队等候发送，这个过程称为“第二次排队”。也就是说，在交换器处，报文首先被存储起来，并且在待发报文登记表中进行登记，等待报文前往的目标地址的线路空闲时再转发出去。报文交换方式具有如下优点：线路利用率高，信道可为多个报文共享；接收方和发送方无需同时工作，在接收方“忙”时，报文可以暂存交换器处；可同时向多个目标地址发送同一报文；能够在网络上实现报文的差错控制和纠错处理；报文交换网络能进行速度和代码转换，例如，将ASCII码转换为EBCDIC码。报文交换的主要缺点是：不适合实时通信或交互通信，也不适合用于交互式的“终端—主机”连接。另外，报文在传输过程中每经过一个交换器，要经过两次排队，造成较大的时间延迟。3.6.3分组交换报文交换方式要经过两次排队，传输是按串行方式进行的，且对所传输的报文大小不加限制，对很长的报文，会占用一条交换线路长达数分钟，显然不太适合于交互式通信。为了解决上述问题，人们便提出了一种称为分组交换（packetswitching）的技术。就是将用户的大报文分割成若干个具有固定长度的报文分组（称为包，packet）。以报文分组为单位，在网络中按照类似于流水线的方式进行传输，从而可以使各个交换器处于并行操作状态，很显然，这样一来便可以大大缩短报文的传输时间。每一个报文分组均含有数据和目标地址，同一个报文的不同分组可以在不同的路径中传输，到达指定目标以后，再将它们重新组装成完整的报文。由于报文分组交换技术严格限制报文分组大小的上限，使分组可以在交换器的内存中存放，保证任何用户都不能独占线路超过几十毫秒，因此非常适合于交互式通信。另外，在具有多个分组的报文中，分组之间不必等待到齐就可以单独传送，这样减少了时间延迟，提高了交换器的吞吐率，这是分组交换的另一个优点。由此可见，数据交换方式中的交换，其实质是在交换设备内部将数据从输入线切换到输出线的方式。线路交换方式是静态分配线路；存储转发方式则是动态分配线路。3.7差错检验和校正

字符代码沿着传输线路向外传送时，由于电路设备的质量不好，或线路上的电磁耦合噪声干扰等，难免发生差错。如何及时性地自动检验差错，并进一步做到自动校正，这是数字通信系统中一个重要的研究课题（称为差错控制技术）。通常，其解决办法就是采用抗干扰编码或纠错编码。目前广泛采用的有奇偶校验码、方块码和循环冗余码等。3.7.1奇偶校验奇偶校验又叫字符校验，或叫垂直冗余校验（verticalredundancycode，VRC）。这是最简单的一种校验方法。它是在每个字符编码的后面，另外增加一个二进位。该位叫做校验位，其主要目的是使整个编码中的“1”或“0”的个数成为奇数或偶数。如果使编码中“1”的个数成为奇数则叫做奇校验；反之，则叫做偶校验。例如：字符R的ASCII编码为1010010

后面增加一位进行奇校验10100100

（使“1”的个数为奇数）传送时，其中一位出差错10110100（奇校验检查出错）传送时有两位出差错10111100（奇校验不能检错）由此可见，采用一位奇校验（或偶校验）只能检验出编码中的一位差错或奇数位差错，而不能检验出两位同时出错或偶数位出错。事实上，在传输过程中，偶然一位出错的机会最多，故这种简单的检验方法还是很有用的。但这种办法只能检验错误而不能纠正错误。3.7.2方块校验方块校验又叫报文校验或纵向（水平）冗余校验（levelredundancycode，LRC）。这种方法是在垂直校验的基础上，在一批字符传送之后，另外增加一个检验字符，该字符的编码方法是使每一位纵向代码中“1”的个数成为奇数（或偶数）。例如：奇偶校验位(奇)(VRC)

字符11010010R0

字符21000001A1

字符31001100L0

字符41010000P1

字符51001000H1

字符61000010B1

方块校验符（奇）1111010Z1(LRC)采用这种校验之后，如果其中有一个二进位出错，不仅从一行中的VRC校验位中反映出来，同时从一纵列的LRC校验位中也反映出来，概括垂直和水平两个校验位的反映，可以确知出错的位置，从而加以校正。采用这种办法之后，不仅可以检验出一位出错，而且可以自动纠正一位差错，使误码率降低2～4个数量