第2章 网络数据通信基础

*1计算机网络应用技术教程第2章网络数据通信基础本章主要内容2.1数据通信的基本概念2.2时序与频率2.3信号数字化2.4数据编码2.5数据传输2.6信道复用技术2.7数据交换技术*32.1数据通信的基本概念

2.1.1信号（signal）信息（information）是事物现象及其属性标识的集合，它是对不确定性的消除。数据（data）是携带信息的载体。信号（signal）是数据的物理表现，如电气或电磁。根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可以分为两大类：（1）模拟信号：连续信号，代表消息的参数的取值是连续的。（2）数字信号：离散信号，代表消息的参数的取值是离散的。2.1.2频率（frequency）频率常用符号f或v表示，单位为赫兹（秒-1）。常用单位换算。1kHz=1000Hz1MHz=1000kHz1GHz=1000MHz2.1.3信号带宽（SignalBandwidth）信号带宽即信号频谱的宽度，是指信号中包含的频率范围，取值为信号的最高频率与最低频率之差。例如对绞铜线为传统的模拟电话提供300～3400Hz的频带，即电话信号带宽为3400-300=3100Hz。2.1.4数据通信系统（DataCommunicationSystem）数据通信系统实现信息的传递，一个完整的数据通信系统可划分为三大组成部分，如图2.1所示：（1）信源（源系统：发送端、发送方）（2）信道（传输系统：传输网络）（3）信宿（目的系统：接收端、接收方）2.1.5信道带宽（ChannelBandwidth）信道是指通信系统中传输信号的通道，信道包括通信线路和传输设备。根据信道使用的传输介质可分为有线信道和无线信道；根据适合传输的信号类型可分为模拟信道和数字信道。2.1.5信道带宽（ChannelBandwidth）（1）数据传输速率数据传输速率即单位时间内传输的bit位数R=log2N/T。R—数据传输速率T—信号码元周期（秒）N—信号码元状态数，也称相位数，log2N为需要的编码所需bit位数。对于二进制数据，N=2，所以数据的传输速率为：R=1/T(b/s)2.1.5信道带宽（ChannelBandwidth）（1）数据传输速率例：如果在通信信道上发送1bit比特的事0，1信号所需要的时间是的0.001ms，那么信道的数据传输速率为多少b/s？解：R=1/(0.001*1000)=1*106b/s2.1.5信道带宽（ChannelBandwidth）（2）信道容量遵循香农定理：C=B·log2（1+S/N）（bps）C为信道容量B为信道频带宽S为平均信号功率N为平均噪声功率S/N为信道的信噪功率比，信噪比一般用10lgS/N表示，单位为分贝（dB）。（2）信道容量遵循香农定理：例：如信道频带宽为3000HZ，当信噪比为10dB时，求其信道容量。(lg2=0.301)解：由信噪比为10dB，即10lgS/N=10，可得到S/N=10，代入信道容量公式得：C=3000log2(1+10)b/s=9967b/s2.1.5信道带宽（ChannelBandwidth）（2）信道容量遵循香农定理：练习：如信道频带宽为2000HZ，当信噪比为30dB时，求其信道容量。(lg2=0.301)解：由信噪比为30dB，即10lgS/N=30，可得到S/N=1000，代入信道容量公式得：C=2000log2(1+1000)b/s=19934b/s2.1.5信道带宽（ChannelBandwidth）2.1.5信道带宽（ChannelBandwidth）（3）信道容量的极限在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰问题。码间串扰就是前后码元由于信道中噪声的影响造成前一码元的拖尾过长与后一码元发生混叠，使得在接收端无法识别各个数字信号。理想低通信道下的最高码元传输速率＝2WBaud（1）W是理想低通信道的带宽，单位为赫兹；（2）Baud是波特，即码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。2.1.6基带与宽带（BasebandandBroadband）基带是指数字脉冲信号所固有的频带。宽带源于电话业，以固话工作频率（近似4kHz）为分界，携载信号频率超过固话工作频率的频带称为宽带。*162.2时序与频率

2.2.1数字逻辑电路数字电子电路中传递的是脉冲，这些脉冲是用来表示二进制数码的，例如用高电平表示1，低电平表示0。声音图像文字等信息经过数字化处理后变成了一串串电脉冲，它们被称为数字信号。能处理数字信号的电路就称为数字电路（DigitalCircuit）。这种电路除了能进行二进制算术运算外还能完成逻辑运算和具有逻辑推理能力，所以又把它叫做逻辑电路（LogicCircuit）。2.2.2计算机时序和处理器频率计算机系统工作需要统一步调，就像人们工作生活一样，参照一定的时间规律作息，计算机中也需要这样的时钟。计算机的石英时钟是由石英晶振与振荡集成电路共同产生时钟振荡，它是计算机的脉搏。这个晶振是32768Hz，即32.768KHz（千赫兹）。我们平时看到的电脑时间，就是由它分频产生的。CPU的主频表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，现在主流CPU主频都在2GHz左右。2.3信号数字化2.3.1采样把时域或空域的连续量转化成离散量的过程成为采样（sampling），也称抽样或取样。在使用时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。2.3.2信号采样多个信号在T的整数倍数时刻点上，它们可能有完全相同的值，即x1(kT)=x2(kT)=x3(kT)。

无限多个信号都可以产生一组给定的样本值。例如，当电影帧率不足24fps（即一秒钟拍摄的镜头不足24个）时，播放时将不流畅。帧间突变不能较好的复现原始影像，使观众感觉失真。

*212.4数据编码

2.4.1编码与译码从信号的样本来重建信号涉及到内插技术。内插也就是用一连续信号对一组样本值的拟合，是常用的由样本值来重建某一函数的过程。简单的内插包括零阶保持线性内插在更为复杂的内插方法中，样本点之间可以采用高阶多项式或其他的数学函数来拟合，这一过程属于数学建模的范畴。2.4.2调制与解调调制可分为两大类一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应，这类调制称为基带调制，变换后的信号仍然是基带信号。另一类则需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。2.4.2调制与解调接收一串数据位，并根据这些位串调制载波的硬件称为调制器（modulator或结合器）；接收载波并恢复调制在载波上的数据的各二进制位的硬件称为解调器（demodulator或分离器）；在全双工通信中，任何一端既需要发送调制也需要接收解调，因此往往合二为一为一个调制解调器（modem）。调制是一种信号嵌入合成技术；解调是调制的逆过程，对调制信号进行分离提取。2.4.3数字数据的数字信号编码数字信号一般只有2种状态，0或1，可使用开关变量（高低电压）或电压跳变（差分）来编码表示。1.非归零编码(NRZ)与归零编码(RZ)2.4.3数字数据的数字信号编码2.曼彻斯特编码（1）曼彻斯特编码（Manchester）

曼彻斯特编码又叫数字双相码。从高到低电平跳变表示数字0，从低到高电平跳变表示数字1。2.4.3数字数据的数字信号编码2.曼彻斯特编码（2）差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）差分曼彻斯特编码又叫条件双相码（CDP码）。如果下一位数字是0，码元之间要发生电平跳变；如果下一位数字是1，码元之间不发生电平跳变。

2.4.3数字数据的数字信号编码2.曼彻斯特编码（2）差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）差分曼彻斯特编码又叫条件双相码（CDP码）。如果下一位数字是0，码元之间要发生电平跳变；如果下一位数字是1，码元之间不发生电平跳变。

2.4.3数字数据的数字信号编码试画出数字数据001101的三种编码（NRZ、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码）2.4.3数字数据的数字信号编码其他常见的编码方案有以下几种。（1）非归零交替编码(NRZI)（2）4B/5B编码：IEEE802.3u100BASE-TX，IEEE802.3u100BASE-FX（3）8B/10B编码：100BASE－T4采用了8B/6T（6对3位8态）（4）4D-PAM5编码：千兆以太网1000BASE-T*312.5数据传输

2.5.1物理层接口的特性物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：1.机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。2.电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。3.功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。4.过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.5.2传输介质传输介质是真正承载数据流动的介质。传输介质可以是物理上可以看得到的介质，比如电缆、电话线或光纤，也可以是物理上看不见的无线介质，比如红外线、无线电波。

2.5.3单缆和双缆1.双缆系统双缆系统有两条并排铺设的完全相同的电缆。所有的计算机都通过电缆1发送，通过电缆2接收。2.单缆系统另一种方案是在每根电缆上为内、外通信分配不同的频段(上下行不对称)。低频段用于计算机到顶端器的上行通信，顶端器收到的下行信号移到高频段，向计算机广播。2.5.4常用传输介质1.双绞线（1）1类线（CAT1）适用于语音通信，而不适用于数据通信。（2）2类线（CAT2）用于语音传输和最高传输速率4Mbps的数据传输（3）3类线（CAT3）用于语音传输和最高传输速率10Mbps的数据传输（4）4类线（CAT4）用于语音传输和最高传输速率16Mbps的数据传输（5）5类线（CAT5）用于语音传输和最高传输速率100Mbps的数据传输，用于新网安装及更新到快速以太网的最流的UTP形式。（6）超5类非屏蔽双绞线（7）6类线（CAT6）我们今天在计算机通信网络中所用到的基本上都是“超五类非屏蔽双绞线缆”。2.5.4常用传输介质2.同轴电缆

同轴电缆以硬铜线为芯（内导体），外包一层绝缘材料（绝缘物）。这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料（保护套）。3.光纤

光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。2.5.4常用传输介质4.无线传输介质（1）无线电波通信主要用在广播通信中（2）红外传输主要用于同一房间中设备间的通信，比如遥控器等（3）卫星通信卫星通信是利用静止的地球与同步卫星作为中继站的通信系统。适用于全球通信、电视广播和地理环境恶劣的地区。*382.6信道复用技术2.6.1频分复用频分复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing）传输介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，把多路信号调制在不同频率的载波上，实现同一传输介质上同时传输多路信号的技术，如xDSL。使用频分多路复用的主要动机在于对高吞吐率的需求。2.6.2波分复用波分复用（WDM，WavelengthDivisionMultiplexing）波分复用是光纤信道的频分多路复用，在一根光纤上同时传输多个波长不同的光载波信号。在接收端，用一块玻璃棱镜来分开不同频率的光波。和一般的FDM类似，因为特定频率的光不会干扰另一频率的光，所以不同频率的载波可以合并在同一介质中传输。2.6.3时分复用时分复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）传输介质可以达到的数据传输速率超过被传输信号传输速率时，可以把多路信号按一定的时间间隔传送，即按时间片轮流实现在同一传输介质上“同时”传输多路信号。TDM的一个变种是在一个单频信道上进行发射和接收，称之为时分双工（TDD），其最简单的结构就是利用两个时隙，一个发一个收。2.6.4统计时分复用统计时分复用（STDM，StatisticTimeDivisionMultiplexing）统计时分复用STDM（StatisticTDM）是一种基于统计学改进的时分复用，它把公共信道的时隙实行“按需分配”，即只对那些需要传送信息或正在工作的终端才分配给时隙，这样就使所有的时隙都能饱和地得到使用，可以使服务的终端数大于时隙的个数，提高了媒质的利用率，从而起到了“复用”的作用。统计时分复用的传输效率比传统的时分复用提高了2到4倍。这种复用的主要特点是动态地分配信道时隙，所以统计复用又可叫做“动态复用”。

2.6.5码分复用码分复用（CDM，CodeDivisionMultiplexing）是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式。系统为一对通信用户分配一对唯一的0、1数据识别标识，通信的双方利用数据识别标识对传输的数据进行编码和解码，从而实现不同的用户在同一信道中使用不同的编码传送数据。

*442.7数据交换技术2.7.1交换技术从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。通信子网由传输线路和中间节点组成，当信源和信宿间没有线路直接相连时，信源发出的数据先到达与之相连的中间节点，再从该中间节点传到下一个中间节点，直至到信宿，这个过程称为交换。交换是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术统称。在通信系统中完成信息交换功能的设备称为交换机。2.7.2数据交换方式数据交换方式主要包括：电路交换（CircuitSwitching）和存储交换两类，“存储交换”又分为“报文交换（MessageSwitching）”和“分组交换（PacketSwitching）”两种。

2.7.2数据交换方式1.电路交换电路交换又称线路交换，它是面向连接的。电路交换在通信子网中建立一个实际的物理线路连接。电路交换分三个阶段：建立连接→通信→释放连接。2.7.2数据交换方式2.存储交换“存储交换”是指数据交换前，先通过缓冲存储器进行缓存，然后按队列进行处理。（1）报文交换报文交换的基本思想是先将用户的报文存储在交换机的存储器中，当所需要的输出电路空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。报文交换系统又称“存储—转发”系统。2.7.2数据交换方式2.存储交换（2）分组交换分组交换试图结合线路交换和报文交换的优点，而使缺点最少。分组交换非常像报文交换，但规定了交换机处理和传输的数据长度（称之为分组），不同用户的数据分组可以交织地在网络中的物理链路上传输。2.7.2数据交换方式2.存储交换（2）分组交换分组交换具有以下优点：①高效，动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。②灵活，以分组为传送单位和查找路由。③迅速，不必先建立连接就能向其他主机发送分组。④可靠，保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。2.7.2数据交换方式课后题1、ATM传输数据的单位是信元，每个信元净荷是

个字节。A）5 B）48 C）53 D）64C课后题2、把网络分为电路交换网、报文交换网、分组交换网属于按

进行分类。A）连接距离

B）服务对象

C）拓扑结构 D）数据交换方式D课后题3、数据只能沿一个固定方向传输的的通信方式是

。A）单工

B）半双工

C）全双工

D）混合A课后题4、计算机网络通信中传输的是

。A）数字信号

B）模拟信号

C）数字或模拟信号

D）数字脉冲信号C课后题5、在数据传输中，

的传输延迟最小。A）电路交换

B）分组交换

C）报文交换

D）信元交换A课后题6、分组交换还可以进一步分成

和虚电路两种交换类型A）永久虚电路

B）数据报

C）呼叫虚电路

D）包交换B7、数据在传输过程中所出现差错的类型主要有随机错和

。A）计算错

B）突发错

C）热噪声

D）CRC校验错B8、常说的ATM指的是

。A）光纤分布式数据接口

B）钢芯分布式数据接口C）异步传输模式

D）同步传输模式C9、目前公用电话网广泛使用的交换方式为

。A）电路交换

B）分组交换

C）数据报交换

D）报文交换A10、信源和信宿中数据的形式都是数字的传输称为

。A）模拟通信

B）数字通信

C）数据通信

D）信息通信C11、根据报文交换方式的基本原理，可以将其交换系统的功能概括为

。A）存储系统 B）转发系统

C）存储-转发系统 D）传输-控制系统C12、

在Internet中，各结点之间的数据交换采用

。A）分组交换 B）线路交换

C）报文交换 D）电子邮件A13、下列选项中，＿＿＿＿不适合于交互式通信，不能满足实时通信的要求。A）分组交换 B）报文交换

C）电路交换 D）信元交换B14、同步传输中数据传送单位是＿＿＿＿。A）比特 B）报文或分组

C）字符 D）帧D15、在数据传输中，需要建立连接的是＿＿＿＿。A）电路交换

B）信元交换

C）报文交换

D）数据报交换A16、在系统间需要高质量的大量传输数据的情况下，