第2章网络数据通信

第2章网络数据通信问题原由数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。本章重点讨论数据通信系统和常用通信信道类型、数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术和差错控制等技术。教学重点能力要求掌握:数据通信的基本概念,数据传输与编码技术.了解：数据传输技术的发展趋势。熟悉:多路复用技术、数据交换技术、差错控制技术等。

§2.1

数据通信的基本概念

§2.6网络数据传输差错控制

§2.5网络数据交换

§2.4网络多路复用

§2.2数据调制与编码

§2.3网络数据传输本章目录计算机网络基础知识结构网络数据通信数据通信的基本概念网络数据交换数据传输带宽数据传输介质数字传输的质量参数网络多路复用网络数据传输帧中继交换分组交换报文交换电路交换数据通信系统信息、数据与信号串行传输与并行传输数字数据的模拟调制模拟数据的模拟调制数字数据的数字编码数据调制与编码频分多路复用时分多路复用单向传输与双向传输同步传输与异步传输模拟数据的数字编码密集波分多路复用码分多路得用网络数据传输差错控制差错控制方法差错检测方法差错的产生于类型ATM交换§2.1

数据通信的基本概念1、信息信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。

2、数据数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。

⑴模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的,例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。

⑵数字数据：在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的,它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。2.1.1信息、数据与信号3、信号信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。图2-2模拟信号与数字信号波形ty（a）连续的模拟信号ty（b）离散的数字信号

⑴模拟信号：是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线，如图2-2（a）所示。2.1.1

信息、数据与信号

⑵数字信号：是离散的不连续的电信号,通常用“高”和“低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据,如图2-2(b)所示。2.1.2

数据通信系统

1、数据通信系统的基本结构

任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。我们把产生和发送信息的一端称为信源，把接收信息的一端称为信宿，把信源传送到信宿的通信线路称为信道。在实际通信系统中，难免受到外界电磁波等噪音源的干扰影响。因此，数据通信系统的基本结构如图2-3所示。图2-3通信系统的基本结构数据+噪音噪音源信源信道信宿2.1.2

数据通信系统

2、数据通信类型

在数据通信系统中，将传输模拟信号的系统称为模拟通信系统，将传输数字信号的系统称为数字通信系统。

(1)模拟通信系统：普通的电话、广播、电视等信号都属于模拟信号,由模拟信号所构成的通信系统属于模拟通信系统。模拟通信系统通常由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-4所示。图2-4模拟通信系统结构信源调制器解调器信宿信道噪音源2.1.2

数据通信系统

(2)数字通信系统：计算机通信、数字电话以及数字电视等信号都属于数字信号，由数字信号构成的通信系统属于数字通信系统。数字通信系统通常由信源、编码器、信道、解码器、信宿以及噪音源组成，其基本结构模型如图2-5所示。图2-5数字通信系统基本结构图2-5数字通信系统结构信源编码器解码器信宿信道噪音源由于数字信号不适合远距离传输，所以在传输前将其变为模拟信号。因此，数字通信系统通常由信源、信源编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器、信宿、噪音源组成，其结构模型如图2-6所示。2.1.2

数据通信系统在数字通信系统中，调制器用于将发送端数字信号变换成模拟信号；解调器用于将模拟信号还原成数字信号。我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器，它在数据通信系统中的连接如图2-7所示。图2-5数字通信系统基本结构信宿噪音源信道编码器信源译码器信源编码器信源解调器调制器信道信道译码器图2-6数字通信系统结构模型2.1.2

数据通信系统以上介绍了数据通信技术的基本概念。事实上，无论是实现模拟通信,还是实现数字通信,都涉及到一系列的技术问题，包括数据调制与编码技术、数据传输技术、多路复用技术、数据交换技术、数据传输的差错检测与控制技术等。图2-7调制解调器的功能作用电话线电话交换网计算机Modem电话机Modem电话机计算机电话线§2.2

数据调制与编码

在计算机中的数据是用二进制0、1比特序列表示的，在物理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适应不同的传输特性),在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码。在通信系统中,数据的调制和编码可分为4种基本形式：数字数据的模拟调制12模拟数据的模拟调制3数字数据的数字编码模拟数据的数字编码42.2.1数字数据的模拟调制

数字数据的调制基于调幅、调频、调相3种调制技术，分别称为振幅键控、移频键控和移相键控。图2-10显示了对数字数据“010010”进行不同调制方法的波形。图2-10数字数据的调制原理示意图2.2.1数字数据的模拟调制

1、振幅键控（Amplitude-ShiftKeying，ASK）

振幅键控是通过改变载波信号振幅来表示数字信号1、0。例如，我们可以用载波幅度Um表示数字1，用载波幅度0表示数字0。ASK信号波形如图2-10（a）所示。其数学表达式为：2、移频键控（Frequency-ShiftKeying，FSK）

移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号1、0。例如，我们可以用角频率ω1t表示数字l，用角频率ω2t表示数字0。FSK信号波形如图2-10（b）所示。u(t)＝Um•sin（ω1t＋φ）数字10数字0u(t)＝振幅键控ASK信号实现容易,技术简单,但抗干扰能力较差。2.2.1数字数据的模拟调制其数学表达式为：

由于移频键控FSK信号实现容易，技术简单，抗干扰能力较强，是目前最常用的调制方法之一。

3、移相键控（Phase-ShiftKeying，PSK）

移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1、0。如果用相位的绝对值表示数字信号1、0，则称为绝对调相。如果用相位的相对偏移值表示数字信号1、0，则称为相对调相。Um•sin（ω2t＋φ）

数字0Um•sin（ω1t＋φ）

数字1u(t)＝2.2.1数字数据的模拟调制Um•sin（ωt＋0）

数字1

接收端可以通过检测载波相位的方法来确定它所表示的数字信号值。绝对调相波形如图2-10（c）所示。

⑴绝对调相（AbsolutePSK）：在载波信号u(t)中,φ为载波信号的相位。当表示数字1时,取φ＝0；当表示数字0时,取φ＝π。这种最简单的绝对调相方法可以用下式表示：Um•sin（ωt＋π）

数字0u(t)＝

⑵相对调相（DifferentialPSK）：是用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波数字信号。最简单的相对调相方法是：两比特信号交接处遇0，载波信号相位不变；两比特信号交接处遇1，载波信号相位偏移π。相对调相波形如图2-10（d）所示。2.2.1数字数据的模拟调制

4、多相调制（MultiplePhaseModulation，MPM）在模拟数据通信中，为了提高数据传输速率，人们常采用多相调制方法，将待发送的数字信号按两个比特一组的方式组织，两位二进制比特可以有4种组合，即

00、01、10、11每组是一个双比特码元，我们可以用4个不同的相位值去表示这4组双比特码元。那么，在调相信号传输过程中，相位每改变一次，传送两个二进制比特。我们把这种调相方法称为4相调制。同理，如果将发送的数据每3个比特组成一个3比特码元组，3位二进制数共有八种组合，那么对应可以用八种不同的相位值去表示，我们把这种调相方法称为八相调制。2.2.2模拟数据的模拟调制对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调频和调相3种方法来实现，如图2-11所示。基带传输信号高频载波信号(a)振幅调制(b)频率调制(c)相位调制图2-11模拟信号的模拟凋制2.2.2模拟数据的模拟调制

1、振幅调制（Amplitudemodulation，AM）振幅调制是以原来的模拟数据为调制信号对载波的幅值按调制信号的幅值进行调制，调制后载波信号的频率和相位不变,幅值随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(a)所示。

2、频率调制（Frequencymodulation，FM）频率调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的频率按调制信号的频率进行调制,调制后载波信号的相位和幅值不变，频率随调制信号的幅值变化而变化，如图2-11(b)所示。

3、相位调制（Phasemodulation，PM）相位调制是以原来的模拟数据为调制信号,对载波的相位按调制信号的相位进行调制，调制后载波信号的频率和幅值不变,相位随调制信号的幅值变化而变化,如图2-11(c)所示。2.2.3数字数据的数字编码数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。常用的编码方式主要有3种：不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

1、不归零码（Non-ReturntoZero，NRZ）

不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归零码可分为单极性和双极性两种：

⑴单极性不归零码(SinglePolarityNRZ)：是以无电压（无电流）表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。

⑵双极性不归零码(DoublePolarityNRZ)：是以负电压表示“0”，而用恒定的正电压表示“1”。以上反之亦然，即负电压表示“1”，正电压表示“0”。

2.2.3数字数据的数字编码

2、曼彻斯特编码曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。

3、差分曼彻斯特编码

是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信息的同时将时钟同步信号一起传输到对方，所以都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/2。

01101001tO曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码

01101001tO模拟信号PAM信号PAM信号数字信号2.2.4模拟数据的数字编码模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、传输速率高、便于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM),PCM的工作过程包括3个步骤：采样、量化与编码，其相应的波形信号如图2-13所示。图2-13PCM脉冲编码调制过程示意图采样速率8000t/s指定数值给对应的PAM信号将量化值进行编码2.2.4模拟数据的数字编码

1、采样（Sampling）

采样是模拟信号数字化的第一步。模拟信号是电平连续变化的信号,采样是隔一定的时间间隔,将模拟信号的电平幅度值取出来作为样本,让其表示原来的信号。采样频率f应为：f≥2B

或f＝l／T≥2·f式中：B为通信信道带宽；T为采样周期；f为信道允许通过的信号最高频率。

2、量化（Quantizing）量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程，经量化后的样本幅度为离散的量化级值已不是连续值。量化的目的是为每一个PAM信号设定一个信号值。2.2.4模拟数据的数字编码量化之前要将信号分为若干量化级,同时,要规定好每一级对应的幅度范围。若量化范围在0～127,则每个采样用7位二进制(27＝128)来表示,量化速率需要56000bps(8000×7)；若量化的范围在0～255,则每个采样用8位二进制（28＝256）来表示，量化速率需要64000bps（8000×8）。3、编码（Encoding）

编码是用相应位数的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。为了能精确地还原成原来的模拟信号，量化值编码在传送数字至数模转换器时，其速率必须和采样时一样。经过转换后，信号才会和原来模拟信号波形接近。【例2-2】声音的带宽为4000Hz，采用频率为8000次/s，用8位二进制编码，则信道的数据传输速率为：8×8000＝64000bps＝64kbps。

数据传输是网络通信的物质基础。数据传输技术涉及的内容很多，包括数据传输媒介、数据传输带宽、数据传输方式和数据传输质量参数等。数据传输涉及的主要内容数据传输质量参数传输方式传输带宽传输媒介§2.3网络数据传输

2.3.1数据传输介质数据传输介质是网络中连接收发双方的物理通路，是数据通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤、微波、卫星、红外线等。1、同轴电缆（CoaxialCable）

同轴电缆是局域网中最早使用而且应用十分广泛的传输介质，可以通过专用的中同轴电缆(俗称粗缆)或小同轴电缆(俗称细缆)来组网，并广泛应用于局域网中。同轴电缆由内导体、绝缘层、屏蔽层及外部保护层组成，其结构如图2-14所示。保护层、屏蔽层、绝缘层、导体图2-14同轴电缆结构示意图同轴电缆的最大优点是抗干扰性强,而且支持多点连接。缺点是物理可靠性不好，所以现在基本上已被双绞线所替代。2.3.1数据传输介质

2、双绞线（TwistedPair）

双绞线的物理结构是由按规则螺旋结构排列的2根、4根或8根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。双绞线是模拟和数字数据通信最普通的传输媒体，它的主要应用范围是电话系统中的模拟话音传输，最适合于较短距离的信息传输，当超过几千米时信号因衰减可能会产生畸变，这时就要使用中继器（Repeater）来放大信号和再生波形。双绞线的价格在传输媒体中是最便宜的，并且安装简单，所以得到广泛的使用。在局域网中一般也采用双绞线作为传输媒体。双绞线可分为非屏蔽双绞线UTP（UnshieldedTwistedPair）和屏蔽双绞线STP（ShieldedTwistedPair）。2.3.1数据传输介质单模光纤多模光纤3、光纤（Fiber）

光纤是光导纤维（FiberOptics）的简称，采用光导纤维作为传输介质，是网络传输介质领域中发展最快、性能最好、应用前途最广泛的一种。光纤分为单模（8.3/125um）和多模（50/125um，62.5/125um）两种。名称传输介质最大段长度每段节点数10Base5粗同轴电缆500米10010Base2细同轴电缆185米3010Base-TUTP100米102410Base-F光纤2000米1024100Base-T4UTP100米100Base-TXUTP100米100Base-FX光纤2000米1000Base-SX光纤550米1000Base-LX光纤5000米1000Base-CXSTP25米1000Base-TUTP100米2.3.1数据传输介质2.3.1数据传输介质4、微波通信（MicrowaveCommunication）

微波在空间主要是直线传播，并且能穿透电离层进入宇宙空间,其传播距离受到限制且与天线的高度有关,一般只有50km左右,长途通信时必须建立多个中继站,中继站把前一站发来的信号经过放大后再发往下一站,类似于“接力”,所以又把微波通信称为数字微波接力通信。如果中继站采用100m高的天线塔，则接力距离可增大到100km，如图2-19所示。地球视线传输视线传输微波中继站图2-19地面微波接力通信2.3.1数据传输介质5、卫星通信（SatelliteCommunication）

1945年,英国人阿塞·克拉克提出了利用卫星进行通信的设想。1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星Sputnik，使人们看到了实现卫星通信的希望。1962年，美国成功地发射了第一颗通信卫星Telsat，试验了横跨大西洋的电话和电视传输。由于卫星通信具有通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件的限制、通信信道带宽宽、可进行多址通信与移动通信等优点，因此它在最近的30多年里获得了迅速的发展，并成为现代主要的通信手段之一。

卫星通信是利用位于3万6千公里高空的人造地球卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。卫星通信能克服地面微波通信的距离限制,最大特点是通信距离远,且通信费用与距离无关。卫星通信的组成如图2-20所示。2.3.1数据传输介质20世纪80年代末发展了称为“甚小口径终端”(VSAT)的新一代数字卫星通信系统，90年代广泛应用于远程计算机网络中，如各国的大使馆与国内之间的通信都是通过VSAT来通信的。VSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的VSAT小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。VSAT网的基本组成如图2-21所示。卫星卫星地球站卫星地球站3.6χ104km地球图2-20卫星通信2.3.1数据传输介质图2-21VSAT网的组成2.3.1数据传输介质

VSAT的小站和主站通过卫星转发器构成星型拓扑结构,主站采用大口径天线，且发射功率大，小口径天线发射功率小，小站与大站之间可以直接通信。【例2-3】卫星通信有较大的传播延时，如果从地球站到卫星的距离为40000km，那么从一个地球站经过卫星到另一个地球站的传播时延有多大？解：在自由空间中,电磁拨的传输速度为300000km/s，从一个地球站经过卫星到另一个地球站的距离为40000km×2＝80000km所以传播延时为80000km÷300000km/s＝267ms。2.3.1数据传输介质传输介质带宽速率/工作频带性能传输距离价格应用双绞线宽带基带≤1Gb/s较好模拟：10km数字：500m低模拟/数字信号传输50Ω铜轴电缆75Ω铜轴电缆基带10Mb/s较好＜3km低基带数字信号宽带≤450MHz较好100km中模拟、数据、音频光纤宽带49Gb/s很好2km以上高高微波宽带4～6GHz好几百km中等中等卫星宽带1～10GHz很好18000km高高以上介绍了双绞线、同轴电缆、光纤、微波、卫星通信5种介质，其区别如下：2.3.2数据传输带宽基带传输频带传输宽带传输基带传输是指数字脉冲信号在传输介质上保持数据波形按原样进行传输。频带传输指把数字信号调制成模拟信号后再发送和传输，到达接收端再把音频信号解调成原来的数字信号。宽带传输指比音频更宽的频带，若是采用75Ω的CATV同轴电缆或光纤作传输介质，带宽为300MHz。在计算机网络中，根据传输介质的信道带宽可分为基带、频带和宽带。局域网中主要采用基带和频带传输,有线电视和无线局域网中主要采用宽带传输。2.3.2

数据传输带宽数据传输的质量参数是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数。有效性主要由数据传输速率、调制速率、信道带宽、通信容量、误码率、传输延迟等来衡量；可靠性一般用数据传输的误码率指标来衡量；比特率和波特率是用来描述系统传输率的参量。

1、数据传输单位（DataTransferUnit）数据传输单位通常可用比特、码元、码字、码字来表示。

⑴比特：是二进制的缩写，即计算机常用术语“位”，在数据通信中用来度量消息的信息量。

⑵码元：是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位的通称。例如二进制数字1000001是由7个码元组成的序列。

⑶码字：在7位ASCII码中，1000001这7个码元组成的序列代表字母A，通常将这个字母A称为“码字”。2.3.2数据传输带宽

2、数据传输速率（DataTransferSpeed）数据传输速率是指每秒能传输的二进制信息位数，又称为比特率，用bps标记，表示每秒传输的二进制位数，单位用比特/每秒表示，它可由下式确定：

式中：T为数字信号脉冲重复周期；N为一个脉冲信号代表的有效状态数，是2的整数倍。例如二进制的一个脉冲可以表示“0”和“1”两个状态，故N＝2。Log2N为单位脉冲能表示的比特数，如N＝4时表示一个单位脉冲为2bit。一个数字脉冲也称为一个码元，N为一个码元所取的有效离散值个数,若一个码元仅可取0和1两种离散值,则N＝2；若一个码元可取00、01、10、11四种离散值，则N＝4。2.3.2数据传输带宽【例2-4】脉码调制系统PCM每秒钟测量取样8000次，量化电平为256个，求数据传输率。解：信号周期T＝l／8000，量化电平数N＝256＝282.3.3数据传输的质量参数

3、调制速率（ModulationSpeed）调制速率也称为波形速率或码元速率，它是数字信号经过调制后的传输速率，表示数据传输过程中线路上每秒钟传送的波形个数。显然，波形持续时间越短，单位时间内传输的波形数就越多，则数据传输速率也越高。数据传输速率与调制速率的区别与联系如图2-22所示。模拟信道解调器调制速率传输速率计算机调制器计算机图2-22数据传输速率与调制速率的区别2.3.3数据传输的质量参数

4、信道带宽（ChannelBroadband）信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，通常称为信道的通频带，单位用赫兹（调制速率）表示。信道带宽由信道的物理特性所决定，例如电话线路的频率范围在300～3400Hz，那么，它的带宽范围也在300～3400Hz。信道宽度用W表示。

5、信道容量（ChannelCapacity）信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用时间内最大可传送的字节数来表示。信道容量由信道带宽F、可使用的时间T以及信道质量决定。信道容量和信道带宽具有正比关系，带宽越宽，则容量越大，传输效率也就越高。关于信道容量的计算有两条著名的定理。2.3.3数据传输的质量参数

6、误码率（ErrorRates）误码率也称为出错率，是指数据通信系统在正常工作情况下信息传输的错误率。在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。误码率可以用以下几种表示方法：误比特率Pb＝b1(接收的错误比特数)/b0(传输总比特数接收的错误比特数)误码率Pe＝e1(接收码元中错误码元数)/e2(传输总码元数)误字率Pw＝w1(接收的错误码字)/w0(传输总码字数)误组率PBw＝bw1(接收的错误组数)/bw0(传输信息总组数)2.3.3数据传输的质量参数

7、时延（Delay）时延是指一个报文或分组从一条链路的一端传送到另一端所需的时间，它包括3部分：时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延

⑴发送时延：发送数据时使数据块(分组或报文)从结点进入到传输媒体所需要的时间。发送时延（传输时延）＝数据块长度／信道宽度

⑵传播时延：电磁波在信道上的传播一定的距离所需要花费的时间速度传播时延＝信道长度/电磁波在信道上的传播速度(m/s)

⑶处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行一些必要处理所花费的时间。处理时延的长短取决于数据通信系统中当时的通信量。当通信量很大时,还会发生溢出,使分组丢失。2.3.3数据传输的质量参数【例2-10】若A、B两台计算机之间的距离为1000km,假设在电缆内信号的传播速度是2×108m/s,试对下列两种链路分别计算发送时延和传播时延。⑴数据块长度为108bit，数据发送速率为1Mbps；⑵数据块长度为1000bit，数据发送速率为1Gbps；解：根据上述计算发送时延公式和计算传播时延公式，分别求出不同链路的不同时延。⑴发送时延＝108bit/(1Mbps)＝100s传播时延＝1000km

/(2×108m/s)＝5ms⑵发送时延＝1000bit/(1Gbps)＝1μs传播时延＝1000km/(2×108m/s)＝5ms通过此例说明，并非信道带宽越宽，数据在信道上跑的速度越快。2.3.4串行传输与并行传输

1、串行传输（SerialTransmission）

串行传输是指数据以串行方式，在一条信道上传输。在计算机中，通常是用8位的二进制代码来表示一个字符。在数据通信中，串行传输方式如图2-23所示。接收设备发送设备1234567812387645并行到串行的转换串行到并行的转换图2-23串行传输示意图2.3.4串行传输与并行传输接收设备发送设备12345678校验数据位1数据线

2、并行传输（ParallelTransmission）

并行传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上传输。将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去，这种工作方式称为并行通信，如图图2-24所示。图2-24并行传输示意图2.3.5同步传输与异步传输

在数据通信系统中，整个计算机通信系统能否正确有效地工作，在相当程度上依赖于是否能很好地实现同步。目前,串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即同步通信方式和异步通信方式。

1、同步传输（Synchronous）

⑴位同步：在数据通信过程中，接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率，这个过程就叫做位同步。实现位同步的方法主要有以下两种：

①外同步法。是在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。2.3.5同步传输与异步传输

②内同步法。是从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法，曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟的编码方法。

⑵字符同步：为保证收发双方正确传输字符,将字符以组为单位传送，在每组字符之前加上一个用于同步控制的同步字符SYN，数据结束后加上后同步信号，接收端根据SYN与后同步信号确定数据字符的起始与终止。同步传输方式如图2-25所示。图2-25同步传输方式示意图1011010101101100...11110101101101000111111001111110同步字节数据帧同步字节2.3.5同步传输与异步传输2.异步传输（asynchronous）

异步传输一次只传输一个字符,每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。起始位为“0”,占一位;停止位为“1”,占1-2位。在没有数据发送时发送方可发送连续的停止位，接收方根据“1”至“0”的跳变来判别一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。异步传输方式如图2-26所示。11011010101001101100100010110101101100数据传输方向停止位数据位起始位图2-26同步传输方式示意图

指传送的信息始终是一个方向传送,没反方向的交互。其信道一般是二线制，一根用于传输数据,另一根用于监测信号。

允许数据在两个方向上传输,但在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信。

允许数据同时在两个方向上传输,它是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。2.3.6单向传输与双向传输单工数据传输半双工数据传输全双工数据传输数据在通信线路上传输是有方向的，根据信号传送的方向与时间关系，数据通信可分为三种基本工作方式：单工通信、半双工通信与全双工通信。§2.4网络多路复用传输多路复用器多路复用器一条传输线路传输多路信号计算机计算机传输信号要求的带宽与传输介质允许通过的带宽是不一样的，为了节省开销，应当充分利用传输介质的带宽。在一条介质上同时传送多于一路以上信号的传输方式，叫做该介质的多路复用。多路复用传输技术的基本原理如图2-30所示。图2-30多路复用基本原理示意图2.4.1频分多路复用

1、频分多路复用的概念

在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。频分多路复用的基本工作原理如图2-31所示。图2-31频分多路复用原理示意图信道（1）f1信道（2）f2信道（3）f3信道（4）f4信道（5）f5信道（6）f6多路复用器多路复用器源1源2源3源4源5源6目标1目标2目标3目标4目标5目标6信道带宽Bm警戒频带Bg2.4.1频分多路复用图2-32频分多路技术实现示意图104～108kHz108kHz0～4Hz60～64kHz64kHz0～4Hz100～104kHz104kHz0～4Hz0～4Hz108kHz104～108kHz0～4Hz104kHz100～104kHz电话机1电话机n电话机20～4Hz64kHz60～64kHz低通调制器带通多路复用器低通调制器带通调制器带通低通带通调制器低通带通调制器低通调制器低通带通多路复用器

2、频分多路复用的技术实现

频分多路复用主要用于电话模拟信号的传输。频分多路复用技术用于模拟信号的频分传输，主要用于电话和电视系统。一根CATV电缆的带宽大约是500MHz，可传送80个频道的电视节目。每个频道6MHz的带宽中又进一步划分为声音子通道、视频子通道以及彩色子通道，并留有警戒频带。2.4.2时分多路复用

1、时分多路复用的概念时分多路复用（TDM）是将一条物理信道的传输时间划分为若干个时间片，每个用户分得一个时间片，在其占有的时间片内用户使用通信信道的全部带宽。如果与FDM相比较,由于FDM是以信道频带作为分割对象,通过为多个信道分配互不重叠的频率范围的方法来实现多路复用，因此频分多路复用更适于模拟数据信号的传输，而TDM则以信道传输时间作为分割对象，通过为多个信道分配互不重叠的时间片的方法来实现多路复用，因此更适合于数字数据信号的传输。

2、时分多路复用的实现时分多路复用在技术实现上，可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种方式。2.4.2时分多路复用

(1)同步时分：指发送端的多台计算机通过一条线路向接收端发送数据时进行分时处理，它们以固定的时隙进行分配。

(2)异步时分：又被称为统计时分复用技术，它能动态地按需分配时隙，以避免每个时隙段中出现空闲时隙。异步时分在分配时隙时是不固定的，而是只给想发送数据的发送端分配其时隙段，当用户暂停发送数据时，则不给它分配时隙。要接收的数据AAAABBCDDDBCDABDADAAAAAABBCDDD复用器解复器要发送的数据时隙浪费,信道资源利用率底一个周期的数据块(帧)在不同时刻，开关切换到不同的输入设备2.4.3密集波分多路复用

1、波分多路复用（WDM）

采用的是波长分隔多路复用技术,在同一传输信道内传输多路不同波长的光信号。WDM和FDM基本上都基于相同原理,所不同的是WDM应用于光纤信道上的光波传输过程,而FDM应用于电模拟传输。波分多路复用原理如图2-34所示。图2-34波分多路复用原理2.4.3密集波分多路复用

2、密集波分多路复用密集波分多路复用(DWDM)是在WDM上发展起来的。最初，在一根光纤上只能传送两路光波信号，CIENA首先推出了16路信道系统，现在已能做到在一根光纤上复用80路甚至更多路数的光载波信号。

DWDM的工作原理如图2-35所示。

图2-35密集波分多路复用原理示意图复用器012345671550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm1550nm1551mn1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm0123456720GbpsEDFA120km分用器§2.5网络数据交换

各种数据经过编码后在通信线路上进行传输，实现数据通信。数据通信最简单的方式是利用传输介质将两个端点直接相连，但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，通常通过一个由多个结点组成的中间网络，把数据从源结点转发到目的结点，实现相互通信。因此，数据交换是研究如何通过中间网络实现联网计算机之间的数据交换问题。目前，常用的网络数据交换方式可归结为以下4种:

★电路交换★报文交换★分组交换★快速交换2.5.1电路交换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。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。

数据传输结束后，由某一方发出拆除请求然后逐节拆除到对方节点。(1)电路建立(2)数据传输(3)电路拆除

1、电路交换概念电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种直接交换方式。在数字通信中，电路交换传输主要是应用同步传输模式来实现的。电路交换的过程分为3个步骤：电路交换原理如下图所示。2.5.1电路交换源节点A交换节点1交换节点6呼叫请求呼叫应答数据数据释放请求释放应答目的节点B电路建立数据传输电路拆除源节点A目的节点B公用电话交换网1234562.5.1电路交换2、电路交换的优点(1)

连接建立后,数据以固定的传输率传输,传输延迟小。(2)

由于物理线路被单独占用,故不可能发生冲突;(3)

适用于实时大批量连续的数据传输。3、电路交换的缺点(1)

建立连接将跨多个设备或线缆，则会需要花费很长的时间。(2)

连接建立后，由于线路是专用的，即使空闲，也不能被其它设备使用造成一定的浪费。(3)

对通信双方而言，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式和传输控制等一致才能完成通信。2.5.2报文交换1、报文交换的工作原理报文交换类似于发送信件，是以报文为单位发送信息，不管发送数据的长度是多少都把它当作一个逻辑单元，每个报文由报头、正文和报尾3部分组成，报头中包含发送计算机的地址和接收信息的计算机地址。通信子网根据报头目的地址选择路径在两个结点之间的一段链路上逐段传输，不需要在两个主机之间建立多个结点组成的通道,报文交换过程如图2-39所示。主机A主机BCCCDCGCA通信子网CFCBCE图2-39报文交换过程2.5.2报文交换

2、报文交换的优点

⑴

电路利用率高。报文可以分时共享交换设备间的线路。

⑵

在电路交换网络上，当通信量变得很大时,就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上,通信量大时仍然可以接收报文,不过传送延迟会增加。

⑶

报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。

⑷

报文交换网络可以进行速度和代码的转换。3、报文交换的缺点

⑴

数据的传输延迟比较长，且延迟时间长短不一，因此不适用于实时或交互式的通信系统。

⑵

当报文传输错误时，必须重传整个报文。2.5.3分组交换分组交换是报文交换的改进，因而又称为报文分组交换。它将报文分成若干个分组,每个分组的长度有一个上限,有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，以提高交换速度。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。报文分组的结构如图2-40所示。1010010101…0110011010首部数据首部数据首部数据报文报文图2-40报文分组的组成报文分组交换是在电路交换和报文交换的基础上发展起来的,因而结合了两者的优点,并且有数据报方式和虚电路方式。2.5.3分组交换

1、数据报方式在数据报方式中子网接收主机A发送的报文经编址、拆卸后分成若干分组,设有3个分组P1、P2、P3。CA将根据子网当前的通路情况及通信量情况,将分组P1、P2、P3沿不同的子网路径发送出去,接收端将接收的分组重新组装成报文。这类服务没有建立链路和拆除链路的过程，如图2-42所示。图2-42数据报方式交换过程主机ACCCDCGCA通信子网CFCBCEP1P2P3P3P2P1P2P1P1P2P3P3P1P3主机B2.5.3分组交换

2、虚电路方式

虚电路方式是试图将数据报方式与电路交换方式结合起来，发挥两种方法的优点,达到最佳的数据交换效果。与电路交换方式类似，虚电路方式在数据传输前也要建立一条传输通路，但这条通络是逻辑的而非物理的。虚电路方式两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前需要通过通信网络建立逻辑上的连接，用户不需要在发送和接收时清除连接。虚电路可以通过呼叫请求建立，并要赋予虚电路号。子网中的结点之间就是通过虚电路号将分组沿子网中的结点逐站传递。虚电路的工作方式如图2-43所示。2.5.3分组交换A1一B1虚电路：VC1＝LCl(3)＋LC2(2)＋LC3(1)A2一C1虚电路：VC2＝LCl(2)＋LC2(1)＋LC4(3)A3一Dl虚电路：VC3＝LC1(1)＋LC5(4)用户A1与用户B1建立的虚电路为VCl＝LCl(3)+LC2(2)+LC3(1)用户A2与用户C1建立的虚电路为VC2＝LCl(2)+LC2(1)+LC4(3)用户A3与用户D1建立的虚电路为VC3＝LCl(1)＋LC5(4)3LC32用户B1用户C1用户A1用户A2用户A3用户D1结点B结点C结点A结点D中继结点1中继结点2传输媒体411213LC1LC5LC2LC4图2-43虚电路的工作方式2.5.3分组交换对比的内容虚电路数据报连接的建立必须有不要目的站地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路信号每个分组都有目的站的全地址路由选择在虚电路建立时进行，所有分组均按同一路由每个分组都有独立选择的路由路由器出现故障所有通过出故障的路由器的虚电路均不能工作出故障的路由器可能对丢失分组，一些路由会发生变化分组的顺序总是按发送顺序到达目的站到达目的站时可能不按发送顺序端到端的差错控制由通信子网负责由主机负责端到端的流量控制由通信子网负责由主机负责由于虚电路方式具有电路交换与分组交换技术的优点，因此在计算机网络中得到了广泛的应用。虚电路服务与数据报服务的主要区别如下表：§2.6网络数据传输差错控制编码器数据打包处理自适应码率控制自适应非均匀纠错控制反馈控制解码器传输网络Feedbackinformationpacketsbitstreamspackets在数据通信系统中，差错的产生是不可避免的，差错控制技术是分析差错产生的原因与差错类型、研究发现差错、纠正差错，把差错控制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。2.6.1差错的产生与类型图2-52差错产生的过程1、差错的产生

在数据通信过程中，由于信号的衰减、噪音的干扰，通信线路上的数据信号与干扰信号叠加在一起，会造成接收端接收到发生差错的数据。例如，把“1变为0”和把“0变为1”。我们把通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象称为传输差错，通常简称为差错。产生差错的过程如图2-52所示。(b)实际环境(a)理想状态01011010010信源信宿0101101001001011010010信源信宿噪音干扰01010010110出错2.