第二章 计算机通信基础

第2章数据通信基础

数据通信技术是计算机网络的基础，它将计算机与通信技术相结合，完成数据的编解码、传输和处理。现代电子计算机主要处理数字数据为主，计算机之间的通信也以传递数字数据为主。因此，掌握和使用计算机网络，应对数据通信相关的理论和基础知识有一定的了解。本章将介绍数据通信的基础。

2.1基本概念2.1.1数据通信的基本概念2.1.2数据通信系统的主要构成2.2信道及其主要特征2.2.1信道的分类2.2.2信道带宽及容量、差错率

2.2.3信道的通信方式2.2.4数字传输方式2.2.5数据同步方式2.3传输介质2.3.1同轴电缆2.3.2双绞线2.3.3光纤电缆2.3.4无线传输介质2.3.5几种传输介质的比较2.4数据编码2.4.1数字数据调制编码2.4.2数字传输的数字信号编码2.4.3模拟数据采样编码2.5调制与解调2.6多路复用2.6.1频分多路复用2.6.2时分多路复用2.7数据交换技术2.7.1线路交换2.7.2报文交换2.7.3分组交换●课时安排2.1基本概念教学进程2.1.1数据通信的基本概念●通信的目的就是传递信息。一次通信中产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。●信源和信宿之间要有通信线路称为信道。信源和信宿之间的信息交换是通过信道进行的。●信道的不同物理性质对通信的速率和传输质量的影响也不同。●信息在传输过程中可能会受到外界的干扰，通常把这种干扰称为噪声。不同的物理信道对各种干扰的感受程度不同。2.1.2数据通信系统的主要构成信源信道信宿反变换器噪声源变换器通信系统主要构成图1教学进程●通信系统是指用电信号(或者光信号)传输信息的系统●按通信业务的不同——电话、电报、传真和数据通信系统；●按线路上传输的信号形式——模拟通信系统和数字通信系统。●通信系统的类型●对应通信的三要素，无论何种通信系统都具有类似的基本组成部份：信源、信宿、变换器、反变换器和信道数据传输系统1、传输线路：信息的传输路径，由各种传输介质和中间通信设备组成。2、调制解调器：将计算机发出的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号。接收时将模拟信号转换为数字信号3、多路复用器：将多个低速设备发来的信号调制到一条高速线路上进行传输4、交换机通信时连接有数据传输的中转设备数据处理系统1、终端设备用户与数据传输系统之间的接口，通过它来取得数据通信系统的服务。2、计算机系统进行数据的收集与处理，是数据处理的核心数据通信的过程1、建立通信线路由交换机建立双方通信的物理信道2、建立数据传输链路使双方设备处于正确收发状态3、传送通信控制信号和数据4、双方互相确认数据传输结束5、由通信链路一方撤销物理连接数据通信的主要技术指标1、传输速率码元速率：(RB)每秒传送的码元数。单位波特对于M进制而言，码元数＝log2M信息速率：(Rb)每秒传送的信息量。单位bps一般而言，对于M进制信号，信息速率和码元速率的关系是：

Rb=RBlog2M二进制与四进制波形图二进制波形四进制波形2、误码率1、误码率Pc＝错误接收码元数/传输总码元数2、误位率Pb＝错误接收位数/传输总位数3、误字符率Pw=接受的出错字符数/传输总字符数2.2信道及其主要特征2.2.1信道的分类信道(按传输的介质)无线信道有线信道信道(按所传输的内容)数字信道模拟信道教学进程模拟信号与数字信号波形图模拟信号波形数字信号波形图模拟信道与数字信道传输用模拟信号作为载频传输数字信号信源信道信宿反变换器噪声源变换器信道的最大传输速率1、无噪音情况无噪声环境下，通信速率仅与信道带宽（W)有关，给定带宽W,则能运载的最高信号速率为2W,在多个信号电平下信道带宽为：

C=2Wlog2M2、有噪声的情况下：信噪比(S/N)dB=10lg(信号能量/噪声能量）

Shannon指出噪声，带宽之间关系为:C=Wlog2(1+S/N)2.2.2信道带宽、信道容量及差错率●信道带宽与信道容量是描述信道的主要指标。

信道带宽是指信道可以不失真地传输信号的频率范围，通常也称为信道的通频带。针对不同应用而设计的传输媒体具有不同的信道质量，所支持的带宽有所不同。

信道容量是指信道在单位时间内可以传输的最大信号量，表征信道的传输能力。在通信领域中，信道容量常指信道在单位时间内可以传输的符号的最大数目。

●差错率是描述信道或者数据通信系统(网络)质量的一个指标。

教学进程通信线路连接方式1、点－点连接方式一条线路两端连接两个站点的通信方式。2、分支连接方式多点线路连接方式，各站点都连接到一条公共通信线路上，如果有一个控制转接站，则为集中式控制，各站点通信必须经过转接站转接；如果没有控制站，则为分布式控制，各站点可互相通信。3、集中连接方式在距计算机很远的地方聚集多个终端设备且都要和计算机通信。2.2.3信道的通信方式信道的通信方式单工全双工半双工单工传输是指任意时刻只允许向一个方向进行信息传输，例如：广播方式的传输。半双工传输是指可以交替改变方向的单工传输，但在任一特定时刻，信息只能向一个方向传输，即半双工传输是一种可切换方向的单工传输，例如：对话方式的传播。全双工传输是指任意时刻信息都可进行双向的信息传输，也即全双工传输是两个单工传输的结合，要求收发设备都具有独立的收发能力。教学进程2.2.4数据传输方式●基带传输一般来说，要将信源的数据经过变换变为直接传输的数字基带信号，这项工作由编码器完成。在发送端，由编码器实现编码，在接收端由译码器进行解码，恢复发送端发送的数据。基带传输是一种最简单最基本的传输方式。●频带传输所谓频带传输是指数字信号调制成音频信号后在发送和传播，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号。

宽带传输常用于LAN中。这是利用频带宽度至少为1MHz~300MHz的宽带同轴电缆作为传输介质。●宽带传输教学进程2.2.4数字传输方式●一个重要的问题是数据的发送与接收之间要求同步，即发送端以某一种速率在一定的起止时间内发送数据，接收端也必须以同一种速率在相同的起止时间内接收数据，以便区分数据位、数据字节和报文。●常用的同步方法有两种：异步方式和同步方式。

教学进程发送时钟传输的字符接收时钟启动接收时钟一个字符起始位校验位7位信息位终止位位宽图2异步方式的同步过程●异步方式●同步方式●外同步法●自同步法2.3传输介质●传输介质是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路，信号在介质中以电磁波的形式进行传输。传输介质有线传输介质无线传输介质有线传输介质包括同轴电缆、双绞线和光纤；无线传输介质包括地面微波、卫星微波、红外等通信介质。教学进程●传输介质的特性对信道甚至整个传输系统设计有决定性的影响。

2.3.1同轴电缆图3同轴电缆的结构示意图内导体绝缘层外屏蔽层外部保护层●RG-8或RG­-11(50Ω)——粗缆

●RG-58/U或58C/U(50Ω)——细缆

●RG-59(75Ω)——CATV电缆

●RG-62(93Ω)——IBM3270系统使用

●常用的同轴电缆型号类型：教学进程●双绞线(TP,twistedpairwire)是最常用的一种传输介质，它由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。●把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，一根导线在传输中辐射的电波会被另一根导线上发送的电波抵消，这样就降低了信号干扰的程度。

●局域网中经常使用的双绞线有非屏蔽(UnshieldedTwistedPair,UTP)和屏蔽(ShieldedTwistedPair,STP)之分。●屏蔽双绞线由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。屏蔽双绞线用于远程中继线时，最大距离可以达到十几千米，●非屏蔽双绞线的传输距离一般为100m。屏蔽双绞线电缆的外层由铝箔包裹，以减小辐射，但并不能完全消除辐射。

2.3.2双绞线教学进程2.3.3光纤线缆图4光纤在纤芯中的传播折射角入射角在当前的通信系统中，光纤线缆广泛应用于市内电话局之间的光纤中继线路和长途干线网上宽带通信的基础。光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距离的通信，包括国内沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。

教学进程2.3.4无线传输介质●无线传输介质指的是利用大气和外层空间作为传播电磁波的通路●根据信号频谱和传输技术的不同，主要包括微波、卫星微波、红外等。教学进程●微波的频率范围为300MHz～300GHz，但主要是使用(2～40GHz)的频率范围。微波不能传播到地面上很远的地方，只能用于点到点的通信，速率也不高，一般为几百Kbps。

●卫星通信是在地球站之间利用位于36000km高空的人造同步卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星发出的电磁波覆盖范围广，跨度可达18000km，覆盖了地球表面三分之一的面积。●卫星通信的特点适合于很长距离的传输，如国际之间，洲际之间传输延时较大，一般为500ms左右费用较高

2.3.5几种传输介质的比较●一般来说，影响传输介质选择的因素包括以下几个：●拓扑结构：拓扑结构设计的好坏直接影响到拓扑结构受到传输介质的物理特性、网络成本及应用环境的需要等诸多因素制约

●应用环境：包括传输距离、环境恶劣程度、信号强度等

●容量：介质提供的传输速率应能满足要求●可靠性(查错率)：在可能的情况下，尽量选择可靠性高的介质教学进程●目前常用的介质使用方式为：

●局域网由双绞线连接到桌面

●光纤(包括单模和多模，视距离远近决定)作为通信干线

●卫星微波用于跨国界和对偏远地区传输

2.4数据编码2.4.1数字数据调制编码模拟信号传输的基础是载波，用于计算机通信的远距离线路一般为频带传输线路，不能直接传输基带信号(即原始的点脉冲信号)。因此，必须用基带脉冲对载波进行调制，变换成适合于远距离传输线路传输的模拟信号。●对数字数据的模拟信号进行调制的三种基本形式：

●幅移键控法ASK(Amplitude-shiftKeying),也称调幅

●频移键控法FSK(Frequency-shiftKeying),也称调频

●相移键控法(Phase-shiftKeying),也称调相

教学进程2.4.2数字传输的数字信号编码对于数字数据，需要解决其信号表示和信号同步两个方面的问题。对于传输数字信号而言，最简单最常用的方法是用两个电平来表示两个二进制数字，可以用两个电压电平来表示两个二进制数字，这也说明数字信号是有矩形脉冲组成的。

●一般有三种编码方式：

●不归零制NRZ(Non-returntozero)●曼彻斯特编码●差分曼彻斯特编码教学进程数字数据010110010a）NRZ编码a’）NRZ编码的同步时钟

b）曼彻斯特编码

c）差分曼彻斯特编码

数字数据的数字信号编码图52.4.3模拟数据采样编码●采样定理：

一个连续变化的模拟信号，假设有最高频率或带宽Fmax，若对它以T为周期进行周期采样，则采样频率为F＝1／T，若能满足F＝1／T≥2Fmax，即采样频率大于或等于模拟信号最高频率的2倍，那么采样后的离散序列就能无失真地恢复出原始的连续模拟信号。

●将模拟信号数字化的过程包括三个阶段：第一步是采样，根据采样定理得到的采样频率将模拟信号的值采出。

第二步是量化，该步骤使连续的模拟信号变成时间轴上的离散值，量化的级数越高，精度越高。第三步是编码，它是编成一定位数的二进制数码。如果取N个量化级，则编码需要的位数是log2N。教学进程2.5调制与解调典型的数字传输系统是借助于光纤技术进行信号传输的系统。光纤技术的应用使用使得数字信号的直接传输成为可能。但由于目前的光交换技术尚未成熟，交换机内部必须实现光－电－光的交换，这种交换制约了光纤的通信能力。因此有必要讨论利用模拟信道支持数据信息传输的技术，即调制／解调技术。

●调制是将数据信息变换成适合于模拟信道上传输的电磁波(称为载波)信号，并将频率限制在模拟信道支持的频率范围内。●解调是将从模拟信道上收取的载波信号还原成数据信息。

●调制与解调概念教学进程●选购Modem的标准●内置还是外置Modem？

Modem通常分为内置于外置两种。内置Modem是指插在计算机扩展槽中的Modem卡。有以下缺点：占用一个主机板上的扩展槽，占用一个系统中断号与I/O地址，不能直接查看数据传输信号的变化，安装与设置也不太方便等。外置Modem是指通过串行口连接到计算机的Modem，安装比较简单。

●Modem的传输速率

传输速率是衡量Modem性能的重要指标。Modem的传输速率越高，传输数据花费的时间越少。Modem的传输速率主要有36.6Kbps与56Kbps两种。

●Modem是否有附加功能？

教学进程2.6多路复用在点－点通信方式中，两点间的通信线路是专用的，其利用率很低。一种提高线路利用率的卓有成效的方法是使多个数据源合用一条传输线。为此在通信系统中引入了多路复用技术(Multiplexing)。采用多路复用技术能把多个信号组合在以一条物理信道进行传输，这在远距离传输时，可大大节省电缆的安装和维护费用。●多路复用●频分多路复用

(FCM，FrequencyDivisionMultiplexing)

●时分多路复用(TDM，TimeDivisionMultiplexing)

教学进程2.6.1频分多路复用●频分多路复用，本质上就是在频率上并排地把几个信息通道合在一起，以便形成一个合成的信号，然后以某种调制方式用这个合成的频分多路复用信号来调制载波。●在物理信道的可用带宽超过单个原始信号带宽，就可以将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输的单个信号带宽相同(或略微宽一点)的自信道，每个子信道传输一路信号。

图6频分多路复用

频分多路复用器

MUX频分多路复用器

MUX信号源4信号源1信号源2信号源3信号源5信号源6信号源7信号源841235678通道4通道1通道2通道3通道5通道6通道7通道8教学进程2.6.2时分多路复用●时分多路复用方法，其信号分割的参量是信号占用的时间，因此，必须使复用的各路信号在时间上互不重叠。●在传输时把时间分成小的时间片，每一时间片由复用的一个信号占用，每一瞬间只有一个信号占用信道，而不像频分多路复用那样，在同一时间发送多路信号。●频分多路复用较合适于模拟信号，而时分多路复用则更适合于数字信号。●TDM与FDM不同的是，复用的多路信号不是“同时”传送，而是在时间上有所交叉，在一个时间周期内都获得被传送的机会。图7时分多路复用

时分多路复用器MUX

时分多路复用器MUX信号源4信号源1信号源2信号源3信号源5信号源6信号源7信号源84123567812345678教学进程2.7数据交换技术通过由多个中间结点组成的网络将数据从数据源发送到目的地。构成网络的中间结点仅起数据交换的功能，将数据从一个端口(输入端口)交换到另一个端口(输出端口)，继而通过传输媒体传输到另一台中间结点的输入端口，直至目的地。由于中间结点并不关心被传输的数据内容，仅执行交换的动作，所以中间结点常被称为交换设备，而整个数据传输的过程称为数据交换过程。

●数据交换技术●线路交换(CircuitSwitching)

●报文交换(MessageSwitching)

●分组交换(PacketSwitching)

教学进程2.7.1线路交换●线路建立阶段●数据通信阶段

●线路释放阶段

图8线路交换

释放应答数据传输线路释放请求线路建立阶段数据传输阶段线路释放阶段呼叫请求呼叫应答时间轴交换节点1交换节点2交换节点3交换节点4教学进程●线路交换的通信过程包括三个阶段：●线路交换方式与电话交换方式的工作过程很类似●线路交换网络结构包括用户分机：

●本地回路(用户回路)，即用户和网络之间的链路

●交换机，即网络的的交换中心

●主干线，即交换机之间的线路2.7.2报文交换

●报文交换不需要在两个站点之间建立一条专用通路。●若节点1想要想节点4发送一个报文(信息的一个逻辑单位)，它把节点4的地址(地址码)附加在要发送的报文上。然后把报文通过网络进行节点到节点的发送，在每个节点处(如果通过多哥节点才能发送到节点4)需要完整地接受整个报文且暂存这个报文，直到输出线路有空闲时，然后在发送到下一个节点