计算机网络原理及应用第2章 数据通信基

第2章

数据通信基础

2.1通信的相关概念

2.1.1通信系统模型1.通信的基本术语

通信是通过某种媒体进行的信息传递。信息是指数据中包含的有意义的内容。它是通过数据来表示的，数据是信息的载体。数据分为离散型数据和连续型数据。信号是指随时间变化的物理量。2.通信系统模型

3.通信系统的组成数据通信系统由以下几部分组成。（1)信源信源是发出信息的源，其作用是把各种可能数据转换成原始电信号。信源可分为模拟信源和数字信源。（2)变换器（3）信道信道是指传输信号的通道，可以是有线的，也可以是无线的，有线和无线均有多种传输媒质。（4）反变换器反变换器的基本功能是完成变换器的反变换，即进行解调、译码、解码等。（5）信宿信宿是传输信息的归宿，（6）噪声源2.1.2数据通信过程

整个通信过程分为以下5个阶段:（1）通信线路的建立（2）数据传输链路建立（3）数据及控制信息的传输（4）数据传输链路的拆除（5）通信线路的拆除2.1.3通信系统技术指标

用传输速率、信道容量、带宽以及可靠性等指标对数据传输系统进行定量分析。1.传输速率传输速率是指单位时间内传输信息的数量。它是衡量数据通信系统传输能力的重要指标，可分别用数据信号速率和调制速率两种方法来表示。（1）数据信号速率指单位时间内所传送的二进制代码的有效位数，单位为：位/秒，记作b/s。计算公式为：S=(1/T)log2N(b/s)（2）信号传输速率（调制速率）信号调制过程中，单位时间内通过信道传输的码元数，单位为：Baud。用于表示调制器之间信号传输的速率。2.带宽带宽是描述传输系统的一个重要的参数。信号是由特定的电磁波来传输的，而电磁波都有一定的频率范围，信号的带宽是指信号的频带宽度，在实际应用中指信号能量比较集中的那个频率范围。对模拟信道带宽的单位是：赫兹（Hz），对数字信道带宽的单位为：比特/秒（bps）。3.离散的信道容量4.数据的最大传输速率5.带宽、数据传输速率和信道容量的关系6.误码率7.传输延迟传输延迟=发送和接收处理时间+电信号响应时间+中间转发时间+通信传输延迟

2.2通信的基本方式

2.2.1并行通信与串行通信并行通信用于计算机内部各部件之间或近距离设备之间的数据传输，而串行通信常有用于计算机与计算机或计算机与终端设备之间远距离的数据传输。计算机与外部设备之间的并行通信通过计算机的并行接口（LPT）进行；串行通信则是通过串行接口（COM）进行。

1.并行通信所谓并行传输，是指至少有8个数据位同时在两台设备之间传输,发送端与接收端有8条数据线相连，发送端同时发送8个数据位（其中1位可以用作校检位），接收端同时接收8条数据位。计算机内部通过总线进行的通信就属于并行通信。2.串行通信所谓串行通信方式，是指发送端一次只发送或接收一位数据位。因此，所需数据线的数目大大减少，各数据位依次通过通信线路传输，如图2-3所示。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，因此，在发送端需把并行数据转换成串行数据，在接收端则需将串行数据再转换为并行数据。

2.2.2单工、半双工和全双工通信通信线路由一个或多个信道组成，根据信道在某一时间信息传输的方向，通信又可以分为单工、半双工和全双工3种通信方式。

1.单工通信

2.半双工通信3.全双工通信

图2-5半双工通信图2-6全双工通信

2.2.3点到点式与广播式通信1.广播式通信2.点到点式通信

2.2.4基带通信与宽带通信1.基带通信2.宽带通信

2.3通信中的编码技术

2.3.1编码概念与类型在计算机网络中，由于传输的需要，数据信号必须进行调制或编码，使得与传输介质和协议相适应。根据信源和信道的不同，数据的调制和编码有以下4种情况：（l）数字数据的模拟信号编码

（2）数字数据的数字信号编码（3）模拟数据的数字信号编码（4）模拟数据的模拟信号编码2.3.2模拟数据的编码1.取样取样是指在每隔固定长度的时间点上采取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。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。3.编码编码是将量化后的离散值转换为一定数位的二进制数。图2-7

脉冲编码调制(PCM)原理模拟信号数字化的三个步骤：

(1)采样：以采样频率Fs把模拟信号的值采出；

(2)量化：使连续模拟信号变为时间轴上的离散值；

(3)编码：将离散值转换成一定位数的二进制数码。2.3.3数字数据的编码1.数字数据的数字编码

数字数据的数字编码指用物理信号（如：电信号）的波形来表示数字数据。通常可以用不同形式的电信号波形来表示数字数据。数字信号是离散的、不连续的电压或电流的脉冲序图2-8不归零码图2-9曼彻斯特码及差分曼彻斯特码(3）差分曼彻斯特码

以上3种编码各有优缺点，选择时应注意：第一，脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大，这对于提高接收端的信噪比有利；第二，脉冲时间宽度与传输频带宽度成反比关系，因2.数字数据的模拟编码

使用模拟通信系统传输数字数据时，需要借助于调制解调装置，把数字信号（基带脉冲）调制成模拟信号，使其变为适合于模拟通信线路传输的信号。经过调制的信号称为已调信号，已调信号通过线路传输到接收端，在接收端经过解调恢复为原始基带脉冲信号。图2-10幅度键控图2-11频移键控图2-12绝对相移键控图2-13相对相移键控2.4多路复用与同步技术

2.4.1同步技术

1.同步传输方式2.异步传输方式图2-14同步方式的同步结构异步方式由于附加了起始位和停止位，增加了传输开销，所以，传输效率有所下降。但如果出现错误，只需重发一个字符即可。这种方式控制简单，实现容易，适合于低速率场合。基本原理是允许两个或多个数据源共享同一个传输介质，就像每个数据源都有自己的信道一样，在发送端将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一个共用信道上传输的复合信号，在信号的接收端将复合信号分离出原来的若干个彼此无关的信号（如图2-16所示）。不论一个多路复用系统中输入或输出端的数量多少，都只需要一条传输线路。图2-16多路复用原理配置多路复用线路有多种不同方法，多路复用器的类型也各异。常用的多路复用技术有频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、统计时分多路复用（STDM）和波分多路复用（WDM）等。图2-17频分多路复用频分多路复用技术适用于模拟信号。例如，将FDM用在电话系统中，传输的每一路语音信号的频谱一般在300Hz～3000Hz，仅占用一根传输线的可用总带宽的一部分，通常双绞电缆的可用带宽是100kHz，1.频分多路复用

2.时分多路复用3.波分多路复用

波分多路复用（简称WDM）的原理同频分多路复用相似，主要用于光纤通信。它是利用不同波长的光在一条光纤上同时传输多路信号。

图2-18时分多路复用图2-19波分多路复用在波分多路复用系统中，从光纤1进入的光波将传送到光纤3，从光纤2进入的光波将传送到光纤4。由于这种波分复用系统是固定的，因此，从光纤1进入的光波就不能传送到光纤4。目前，常用的有以下3种数据交换技术。（1）电路交换（CircuitSwitching）；

（2）存储-转发交换（Store-and-ForwardSwitching）；

（3）快速分组交换（FastPacketSwitching）。

2.5数据交换技术

2.5.1电路交换电路交换是一种直接交换方式，它源于电话交换网，由交换机负责在两个通信站点之间建立一条物理专用线路。

2.5.2存储-转发交换存储-转发交换是源于传统的电报传输方式发展而来的一种数据交换技术，它不像电路交换那样需要通过呼叫建立起物理的传输通路，而是以接力方式，数据在网络的节点之间逐段传送，直到系统目的端。

图2-21存储-转发交换原理1.报文交换2.分组交换

报文分组交换简称“分组交换”或包交换。最早在APRANET上运用。这种方式是把报文分成若干个长度较短的分组（Packet），也称“包”，以分组为单位进行暂存、处理和转发。每个分组按格式须附加收发地址标志、分组编号、分组的起始、结束标志和差错校验信息等，以供存储转发之用。

2.5.3快速分组交换快速分组交换（（FastPacketSwitching，简称FPS）是一种协议简化、只有核心网络功能的交换技术，它提供高速、高吞吐量、低时延的服务。FPS往往是指ATM交换，但广义的FPS包括帧中继（FR）与信元中继（CR）。帧中继采用可变长度帧，适用于LAN互联。1.帧中继FR交换2.ATM信元交换所谓ATM（AsynchronousTransferModeSwitching）是异步传输模式的简称，它是CCITT为B-ISDN制定的信息传送标准。ATM采用异步时分复用数据传输技术，这种交换方式综合了分组交换和线路交换的优点，使网络的处理工作十分简单。与同步时分交换TDM（如数字程控交换）所不同的是，ATM用户信息与时隙的位置在不同的帧中，不是固定不变的，这就是“异步”的含义。

图2-22ATM远程网络2.6差错控制技术

2.6.1差错产生的原因与类型在数据通信过程中，由于干扰和设备故障的影响，难免存在传送的符号发生失真的情况。电信号在传输信道上由发送端传送到接收端的过程中,其所经过的信道为数据信号提供通路的同时，也会引入噪声和干扰，使数据传输出现差错。2.6.2差错控制的方法

在数字通信系统中，信源设备输出的数据信号是一串由二进制数字序列构成的比特流，当它通过信道传输时，干扰信号有可能使某个或某些比特的值发生变化，使接收时可能发生两种错误：将原来的“l”变成了“0”或使“0”变成了“l”，因而形成传输差错。任何一种可靠的通信系统都必须要有能力检出和纠正这些差错，实现这种能力的前提条件就是对传输的数据进行差错控制编码。

图2-23差错控制的工作方式2.6.3差错控制编码-----检错码与纠错码

差错控制编码的目的是为了使数据在传输之后能检测（纠正）已出现的差错。只具有检错能力的编码称为检错码；既能检错又具有自动纠错能力的编码则称为纠错码。在数据通信和计算机通信的有关标准中建议采用的几种编码有：奇偶校验码、海明码、循环冗余校验码等。其中，奇偶校验码和循环冗余校验码是单纯的检错码。1.奇偶校验码

奇偶校验是一种最基本的校验方法。它是简单地通过附加一个检验位来使得码字中“1”的个数保持为奇数或偶数的编码方法，它是一种能力很有限的检验码。图2-24奇偶校验码2.循环冗余码

循环冗余校验码CRC（CyclicRedundancyCode）又称多项式码。循环冗余检验的基本原理为：任何一个由二进制数位组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系。例如：信息位为1011001，则对应的多项式为x6+x4+x3+1，而多项式x5+