CH2-a数据通信与网络基础

第二章

数据通信与网络基础

12.1.1一些基本概念

通信：信源与信宿之间的信息传递数字通信：在信道中采用数字信号传输离散化处理的模拟信息（例如语音、图象）。数据通信：数字信源之间的通信。一般是指计算机之间、或计算机/终端之间的信息传输，更多地是指计算机数据的通信。信道：向通信的一方传送信息的线路，一条通信线路往往包含多个信道。信道通常分成模拟信道和数字信道。基带信号是将由不同电压表示的数字信号1或0直接送到线路上传输，而频带信号则是将数字信号调制后形成的模拟信号送到线路上传输。2.1

数据通信基础知识2.1.2数据传输介质传输介质指传输信息的载体，分成有线介质、无线介质。常见的有线传输介质主要有双绞线（对称电缆）及光纤等。常见的无线传输介质主要有超短波及微波视距传播、卫星中继等。双绞线是由一对相互绝缘的金属导线绞合而成。双绞线广泛用于市话中继线、局域网和控制系统通信网中。双绞线分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线两种。屏蔽双绞线传输误码率约为10-6～10-8，无屏蔽双绞线传输误码率约为10-5～10-6。目前，常用的双绞线主要有5类线、超5类线和6类线。五类线（CAT5）：最高频率带宽为100MHz，最高传输率为100Mbps，用于语音传输和最高传输速率为100Mbps的数据传输，主要用于100BASE-T和1000BASE-T网络，最大网段长为100m，采用RJ形式的连接器。超五类线（CAT5e）：主要用于千兆位以太网（1000Mbps）。六类线（CAT6）：六类布线的传输性能远远高于超五类标准，最适用于传输速率高于1Gbps的应用。（一）双绞线光纤是以华人科学家、2009年诺贝尔物理学奖得主高锟提出的理论为基础，1970年由美国康宁公司首先研制成功。光纤的结构呈圆柱形，内部是纤芯，外部是包层，纤芯采用二氧化硅，掺以锗、磷等材料制成，直径约5～75μm，包壳采用纯二氧化硅制成，直径100～150μm。光纤的最外层是塑料涂层，用以保护纤芯。纤芯的折射率比包壳的折射率高1%左右。因而可以使光聚集在纤芯与包壳的界面之间向前传播，形成光波导。如果纤芯的直径足够细（5μm以内），则光在光波导内的传播只有一种模式，这样的光纤称为单模光纤；如果纤芯比较粗，则在光波导内同时会有多种沿不同途径传播的模式，这样的光纤称为多模光纤。单模光纤比多模光纤具有更高的传输速率。（二）光导纤维（光纤）光纤的潜在频带宽度非常巨大，目前商用已达到2Gbps～40Gbps的速率传输，而采用密集波分复用（DWDM）技术时，单一光纤在100公里距离实现单向传输可利用数据吞吐量达10.2Tbit/s。单一光纤在7300公里距离实现单向传输可利用数据吞吐量3Tbit/s。光纤不会受外界电磁波的干扰。同时本身也不释放能量，因此外界也不易窃取其数据。光纤还具有损耗低、线径细、重量轻、不怕腐蚀、节省有色金属等优点。光纤的主要缺点是不易分接线路，可弯曲半径小也会增加安装施工的难度。光纤通信误码率可低至10-10。光纤在进行通信时，首先在发送端经转换系统，将电信号转换成光信号，然后经光纤送至接收端，再经转换系统，将光信号转成电信号，完成整个通信过程。（二）光纤（续）无线信道通过电磁波在空气中传播，比较常用的有超短波和微波通信、卫星通信等，超短波信道误码率一般小于10-4，微波信道和卫星通信误码率一般小于10-6。超短波频率介于30～300MHz之间，微波频率介于300MHz～300GHz之间。当无线电波工作在超短波和微波波段时，电磁波基本上沿视线传播，在地面上的传输距离有限，最大一般不超过60公里。卫星通信简单地说就是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信，主要使用微波波段。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成，具有传输距离远、覆盖地域广、传播稳定可靠、传输容量大等突出的优点。用于中继通信的卫星有轨道为圆形的低轨道卫星、中轨道卫星、同步静止卫星和轨道为椭圆形的低轨道卫星。（三）无线信道2.1.3数据传输方式数据传输方式是指数据在信道上传递所采取的方式分类按数据传输的流向及时间关系：单工、半双工、（全）双工按数据代码传输的顺序：并行、串行按数据传输的同步关系：同步、异步（一）单工、半双工和双工数据传输单工通信：消息只能单方向传输的工作方式，如图(a)所示。半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发的工作方式，如图(b)所示。全双工通信：通信双方能够同时进行收发消息的工作方式，如图(c)所示。（二）同步传输和异步传输异步传输每次传送一个字符，因此也叫字符同步方式。接收时钟不需要与发送时钟同步，除非时钟偏差超过50％（这是不太可能的），不会引起采样出错。异步通信方式简单易实现，但传输效率较低。同步通信传输以字符块或位块为单位进行，一块一般有几千个数据位。发送时钟和接收时钟必须同步。目前一般采用自同步法，即从所接收的数据中提取时钟特征。除使双方时钟同步外，还必须在数据块前面加上前文，数据块后面加上后文。前文、后文加上所传输的数据信息构成了一个完整的同步传输方式下的数据单位，称为帧。（三）并行传输和串行传输串行传输是构成字符的二进制码元在一条信道上以位（码元）为单位、按时间顺序逐位在信道上传输的方式。串行传输时，发送端按位发送，接收端逐位接收，同时还要对所传输的字符加以确认，所以收发双方要采取同步措施，否则接收端将不能正确区分出所传输的字符，失去通信的意义。串行传输速度慢，但是只需要一条传输信道，线路投资少，易于顺序，是计算机通信采用的主要形式。如图(a)所示。并行传输是构成字符的二进制码元在并行信道上同时传输的方式。并行传输是一次传输一个字符，如微机内部总线上的数据码或地址码，收发双方不存在同步问题，而且速度快。但是并行传输需要并行信道，所以线路投资大，不适宜于远距离传输。如图(b)所示。2.1.4数据基带传输与频带传输目前，用于传输数字数据的线路有两类：一类是数字通信线路，其上可以直接传输数字数据；另一类是模拟通信线路，这时要想传输数字数据，必须经过调制和解调。因此，数字数据的传输有相应的两种方式：基带传输方式和频带传输方式。（一）基带传输数字数据以携带离散或连续消息转换成数字‘0’或‘l’信号形式在信道中传输，称为基带传输。在基带传输中，传输信号的频率范围从0到几兆赫，要求信道有较高的频率特性。一般需要选择专用的传输线路，必要时还需要对数字信号必须进行编码才能进行传输，常用的编码方法有非归零码NRZ、HDB3码、曼彻斯特码（双相码）等等。基带传输由于信号频率可以很低，甚至可能含有直流成份，因此也叫直流传输。传输线路的电容对传输信号的波形影响很大，因此传输距离受到限制，一般不超过2.5km。当超过此距离时，需要通过转发器增加功率和信号整型来延长距离。（二）频带传输频带传输是指代表数据的二进制‘0’或‘l’通过调制解调器，变换成具有一定频带范围的模拟数据信号进行传输。在数字频带传输中，数字调制可以利用数字基带信号具有的特征（时间离散、幅度离散等）来控制正弦载波的振幅、频率和相位，就可以获得所谓的幅度键控、频移键控和相移键控。完成调制功能的设备叫调制器，完成解调功能的设备叫解调器。在实际应用中调制技术和解调技术在一个设备中实现，这种设备称为调制解调器。调制解调器提供了数字环境和模拟环境的接口。所以调制解调器又可以看成是模拟通路的数据电路终接设备。2.1.5 差错控制编码（一）差错控制原理

噪声或其他干扰信号导致差错，差错用误码率来衡量。随机噪声对数据传输影响很大，而其中的脉冲噪声（如工业点火噪声、闪电和电气开关通断产生的噪声等）和起伏噪声（热噪声、散弹噪声和宇宙噪声）对数据信号的影响将导致随机差错和突发差错。一般来说，针对随机差错的编译码方法与设备比较简单，成本较低，而效果显著；而突发差错的编译码方法与设备比较复杂，成本较高，而效果不如前者显著。（一）差错控制原理（续）

差错控制的基本思想是通过对信息序列作某种变换，使原来彼此独立、相关性很小的信息码元序列产生某种相关性，从而在接收端有可能依据这种相关的规律来检查，进而识别或纠正传输信息序列的差错。纠错编码方法大多是按照某种规律在用户信息序列中插入一定数量的新码元，这些新码元称为监督码元。它们不受用户的控制，最终也不送给接收用户，只是系统在传输过程中为了减少传输差错而采用的一种处理过程。由于监督码元的加入，信道传输速率就要高于原始信息序列速率，若信道所允许的传输速率一定的话，则为了引入纠错编码，就要降低用户输入的信息速率。由此可见，通过抗干扰编码来提高传输的可靠性，是以牺牲传输的有效性（速率）为代价换取的。（二）几种常用的简单差错控制编码1、奇偶校验码在计算机数据传输中得到广泛应用。规则：发送端将所要传输的数据码元分组，在每组数据后面附加一位监督位，使得该码组连同监督位在内的“1”的个数为偶数（称为偶校验）或奇数（称为奇校验）。接收端按同样规律检查。只能发现单个或奇数个错误，而不能检测出偶数个错误，也不能纠错。设码组长度为n，表示为（an-1an-2...a1a0），其中前n-l位为信息码元，第n位为监督位，则：2、水平奇偶校验码将经过奇偶监督编码的码元序列排成矩阵，每行为一组奇偶监督码，但发送时则按列的顺序传输，接收端仍将码元排列成发送时的矩阵形式，然后按行进行奇偶校验。由于行按进行奇偶校验，因此称为水平奇偶校验码。采用这种方法可以发现某一行上所有奇数个错误以及所有长度不大于方阵中行数的突发错误。3、水平垂直奇偶校验码水平垂直奇偶校验码，是将水平奇偶校验码推广到二维奇偶校验码，又称行列校验码和方阵码。方法：是对水平校验方阵中的每一列再进行奇偶校验。这种码比水平奇偶校验码有更强的检错能力，它能发现某行或某列上的奇数个错误和长度不大于行数（或列数）的突发错误；还有可能检测出偶数个错码，因为如果每行的监督位不能在本行检出偶数个错误时，则在列的方向上有可能检出；还能纠正一些错码。（三）循环冗余检验码循环冗余检验（CyclicRedundaryChecks，CRC）码是一种循环码，只能检错而不能纠错。CRC码具有很强的检错能力，而且编码器及译码器都很容易实现，因而在数据通信中得到广泛应用。CRC校验码通过给信息报文加上一些检查位，构成一个特定的待传报文，使它所对应的多项式能够被生成多项式G(x)除尽（模2运算）,接收方收到报文后，用来检查收到的报文。如果用

G(x)去除收到的报文多项式，可以除尽表示传输无误，否则说明收到的报文不正确。码多项式是指用一个多项式p(x)表示一个n位的信息：式中为二进制信息1或0，例如二进制信息10110101有八位，可用系数为1，0、1、1、0、1、0、1的八项多项式表示为：（三）循环冗余检验码 设M(x)表示信息报文的多项式，G(x)为指定的生成多项式，T(x)表示附加了检查位以后的实际传输报文的多项式，那么T(x)应该被G(x)除尽。得到T(x)的步骤如下： ①构成多项式，即在信息报文低位端附加r个0，使它包含m+r位。其中m是M(x)的位数，r是G(x)的最高次数。比如M(x)＝101101101001，，m＝12，r＝4。＝10110110010000。 ②求G(x)去除的余数R(x)。 本例中R(x)＝10110110010000／10101的余数＝0001。计算余数是一个模2除法运算。 ③构成一个能被G(x)除尽的T(x)， 本例中T(x)＝1011011010010000＋0001＝1011011010010001。

假定接收端收到的报文为，如果余数为0，传输无错，否则有错。常用CRC码常用CRC码有CRC－16、CRC－CCITT和CRC－32码，其生成多项式分别为：CRC