第2章数据通信的基础知识教材

第2章

数据通信的基础知识#shocdpIP,IPX网络基础教程后一页返回目录3/19/2024主要学习内容数据通信的基本概念通信系统的常用指标数据传输类型与编码和调制技术数据通信方式和同步技术多路复用技术广域网中的数据交换技术差错控制技术前一页后一页网络基础教程3/19/2024数据通信的基本概念在网络中，通信的目的是两台计算机之间实现数据交换，其本质就是数据通信。

通信的目的是单双向传递信息。

广义上来说，采用任何方法通过任何介质将信息从一地传送到另一地都可称为通信。

数据通信是指在两点或多点之间以二进制形式进行信息传输与交换的过程。前一页后一页3/19/20241、信息、数据和信号1、信息：是人脑对客观物质的反应。

信息的载体是数字、文字、语音、图形和图像等。2、常用的二进制代码

美国标准信息交换码（ASCII码）

国际标准化组织（ISO）

国际电报电话咨询委员会（CCITT）

ASCII码由7位二进制数来表示一个字母、数字或符号的。例如：“A”的ASCII码是“1000001”“1”的ASCII码是“0110001”前一页后一页3/19/20241、信息、数据和信号3、数据：网络中传输的二进制代码被统称为数据。

数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。

信号：信号是数据在传输过程的电磁波表示形式。模拟信号:是随时间连续变化的信号

数字信号:离散式的电脉冲信号。前一页后一页3/19/20242、信道及信道的分类

1)、信道及其组成

信道是数据信号传输的通道，一般由传输介质和传输设备组成。

2)、物理信道和逻辑信道

物理信道是指用来传送信号或数据的实际物理通路，它由传输介质及通信设备组成。逻辑信道是建立在物理信道基础上的通过结点内部实现的“连接”。

同一条物理信道上可以提供多条逻辑信道；而每一逻辑信道上只允许一路信号通过。前一页后一页3/19/20242、信道及信道的分类

前一页后一页3)、有线信道和无线信道

根据信道中传输介质是否有形来划分4)、数据通信

数据通信就是指信源和信宿中的形式均为数字信号的通信方式。

l

信源：产生和发送信号的设备。

l

信宿：接收和处理信息的设备。

计算机网络中的数据传输系统也被称为“数据通信”系统。

3/19/20242、信道及信道的分类

前一页后一页5)、模拟信道和数字信道

根据信道中传输的数据信号类型的不同来划分

6)、专用信道和公共交换信道

信源信道信宿两种通信的四种情况：

a.模拟数据的模拟通信

b.模拟数据的数字通信

c.数字数据的模拟通信

d.数字信号的数字通信

3/19/20243、码元和码字前一页后一页在计算机网络传送的每一位二进制数字被称为“码元”或“码位”，由7个码元组成的二进制序列被称为“码字”。

例如二进制数字“1000001”就是一个码字，在7为ASCII的数据通信中，这个码字就代表ASCII码“A”。3/19/20244、数据单元

前一页后一页在数据传输时，通常将较大的数据块分割成较小的数据单元，并在每一个数据段上附加一些信息，这些信息通常包括单元的序号、地址及校验码等。数据包：小的数据分组及其附加信息一起称为“数据包”（即数据分组）。数据帧：有时还要将数据包进一步分割成更小的逻辑数据单单位，这就是“数据帧”

“数据包”和“数据帧”统称为“数据单元”。3/19/20245、通信系统的主要技术指标

前一页后一页1)、数据传输速率S（比特率）和波形调制速率B（波特率）(1)比特率S

是一种数字信号的传输速率，它是指在有效的带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效比特数(bps)：1Mbps=103kbps=106bps(2)波特率B

是一种调制速率，也称波形速率，它是指数字信号经过调制后的速率，即经调制后的模拟信号每秒钟变化的次数。3/19/20245、通信系统的主要技术指标

前一页后一页

T表示每个波形的持续时间，则调制速率可以表示为：

B=1/T

比特率和波特率之间有下列关系：

S=B×log2N

N为一个码元所取的有效离散值的个数，一般取2的方幂。

波特率和比特率是两个易混淆的概念，但它们在数据通信中却很重要。3/19/20245、通信系统的主要技术指标

前一页后一页3/19/20245、通信系统的主要技术指标

前一页后一页2)、带宽（F）

带宽是指物理信道的频带宽度，即信道允许传输信号的最高频率和最低频率之差。单位为赫兹（Hz）。

信道容量是一个极限参数，它是指物理信道上能够传输数据的最大能力。3)、信道容量（C）

Nyquist公式(无噪声)：

C=2F×log2NF——信道带宽

N——一个脉冲信号代表的有效状态数3/19/20245、通信系统的主要技术指标

前一页后一页

Shannon公式(有噪声)：

C=2F×log2(1+S/N)

其中S/N称为信噪比：db(分贝)=10×log10(S/N)

F——信道带宽

S——信号的功率

N——噪声功率

香农定理：信道的带宽和信噪比越高，则信道的容量就越大。3/19/20245、通信系统的主要技术指标

前一页后一页4)、带宽、数据传输速率和信道容量的关联

在模拟通信时，常用“带宽”来表示其传输信息的能力，单位为Hz、kHz、MHz或GHz。

在数字通信系统中，人们常用“数据传输速率”（比特率）来表示信道的传输能力，即每秒传输的比特数，单位为b/s、Kb/s、Mb/s或Gb/s.二进制码元在传输中出错的概率：

Pe=Ne/NN为二进制总位数，Ne为出错的位数。在计算机网络中一般要求数字信号误码率低于10-6。5)、误码率Pe3/19/20246、数据通信过程中涉及的主要技术问题前一页后一页网络的资源子网中两个的计算机主机之间的通信过程。CCP3/19/2024数据传输方式1、并行传输

即数据的每一位各占一条信号线，并行传输。是一次同时传送一个字节（字符）,即8个码元。

前一页后一页3/19/2024数据传输方式2、串形传输串行通信指数据流一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可，代码的若干位顺序按位串行排列成数据流，易于实现。

前一页后一页3/19/20241)、单工通信方式

在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收，接受方不能发送。例如，BP机只能接收寻呼台发送的信息，而不能发送信息给寻呼台。

前一页后一页串形传输3/19/20242)、半双工通信方式在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。例如，使用无线电对讲机。前一页后一页串形传输3/19/20243)、全双工通信方式

这是一种可同时进行信息的传递的通信方式。例如，日常生活中使用的电话或移动式电话。前一页后一页串形传输3/19/2024数据传输类型及相应技术数据通信就是专指信源和信宿中信号的形式均为数字信号的通信方式。因此将“数据通信”定义为：在不同的计算机和数字设备之间传送二进制代码“0”、“1”比特位的过程。这些二进制代码表示了各种字母、数字、符号和控制信息。计算机网络中的数据传输系统都是“数据通信”系统。前一页后一页

信号有数字信号和模拟信号两种信号表达方式，它们在信道传输过程中，分别使用编码和调制技术。

3/19/20241、基代传输与数字信号的编码前一页后一页1)、基带、基带信号和基带传输原始电信号所固有的频带，称为基本频带，简称为基带。在信道中直接以基带信号进行传送，称为基带传输。2)、数字基带信号的编码在基带传输中，用不同电压极性或电平值代表数字信号“0”和“1”的过程，称为基带信号的编码，其反过程称为解码。在基带传输中，常采用以下3种编码方法。

非归零编码（NRZ）

曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码3/19/2024前一页后一页（1）非归零编码（NRZ）

用负电压表示“0”，正电压表示“1”。

优点：

简单容易实现缺点：

接收方和发送方无法保持同步。

1、基代传输与数字信号的编码为了保证收发双方同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时发送时钟同步信号。3/19/2024前一页后一页（2）曼彻斯特编码每比特的周期T分为两个相等的部分，从高到低跳变表示“0”，从低到高跳变表示“1”，中间的电平跳变作为双方的同步信号。

优点：

收发信号的双方可以根据自带的“时钟”信号来保持同步，无须专门传递信号线路，因此成本较低。缺点：

效率较低1、基代传输与数字信号的编码中间的电平跳跃，既代表了数字信号的取值，也作为自带的“时钟”信号。3/19/2024前一页后一页（3）差分曼彻斯特编码每比特的周期T分为两个相等的部分，若码元值起始部分有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。

优点：“自含时钟”的编码技术，抗干扰性能较好缺点：

实现技术复杂1、基代传输与数字信号的编码每个码元值无论是“1”和“0”中间都有一次电平跳变，这个跳变可做同步之用。3/19/2024前一页后一页1、基代传输与数字信号的编码数字数据信号编码波形3/19/2024前一页后一页几种编码方式的性能对照表

1、基代传输与数字信号的编码非归零制编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码简单易于实现编码复杂编码复杂要求带宽很大有直流成分要求带宽不大无直流成分要求带宽不大无直流成分抗干扰能力差抗干扰能力强抗干扰能力更强

可以提取时钟实现自同步更方便提取时钟实现自同步3/19/2024前一页后一页1)、调制、解调与频带传输为了利用公共电话交换网实现远程通信，必须将发送端的数字信号变换成能够在公共电话网上传输的音频信号，经传输后再在接收端将音频信号逆变换成对应的数字信号。一般人的语音频率范围是300—3400Hz，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。

2、频带传输与模拟信号的调制这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。调制：将数字信号或非正弦波的模拟信号变成正弦波的模拟信号的过程。解调：将经过调制变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。

3/19/20242、频带传输与模拟信号的调制前一页后一页2)、模拟信号的调制原在调制过程中，选用的载波信号可以表示为：

U(t)=A(t)sin(wt+Ф)

其中振幅、角频率、相位是载波信号3个可变参

调制即利用载波信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号（调制信号）的过程。基于载波信号的三个主要参数，可把调制方式分为三种：振幅调制、简称为调幅频率调制、简称为调频相位调制，简称为调相3/19/20242、频带传输与模拟信号的调制前一页后一页(1)、幅度调制（ASK）:

用载波的两种不同幅度表示二进制的两种状态；

调制原则：确定w,Ф,改变A表示数字信号的不同状态；”0”：用幅度值为0的载波表示“1”：用具有一定幅度值的载波表示

优缺点：

实现简单，抗干扰能力弱。3/19/20242、频带传输与模拟信号的调制前一页后一页(2)、频率调制（FSK）:

用载波频率附近的两种不同频率表示二进制的两种状态；

调制原则：

确定A,Ф,改变w表示数字信号的不同状态”0”：用频率为w1的载波表示“1”：用频率为w2的载波表示优缺点：

电路简单，抗干扰能力较强，要求带宽大3/19/20242、频带传输与模拟信号的调制前一页后一页(3)、相位调制（PSK）:

用载波信号相位移动表示二进制的两种状态；

调制原则：

确定A,w,改变Ф表示数字信号的不同状态”0”：用相位180°的载波表示 “1”：用相位0°的载波表示优缺点：

抗干扰能力强，占用频带窄，技术复杂。3/19/20242、频带传输与模拟信号的调制前一页后一页模拟信号的编码方法3/19/20242、频带传输与模拟信号的调制前一页后一页3)、调制解调器的工作原理

（1）发送端的调制过程（2）接收端的解调过程

（3）在一对电话线上实现双向通信的过程

实际的频带传输系统3/19/20242、频带传输与模拟信号的调制前一页后一页4)、调制解调器的分类

按应用环境分为音频Modem、基带Modem、无线Modem。

按传输速率分为低速Modem、中速Modem、高速Modem。

按功能先进性分为人工拨号Modem、自动拨号/自由应答式Modem、智能Modem。

按调制方式分为频移键控Modem、相移键控Modem、相位幅度调制Modem。

按使用的通信线路分为普通电话线路的Modem和专用通信线路的Modem

按操作状态分为异步Modem和同步Modem3/19/2024数据传输中的同步技术在通信过程中，接收端根据发送端的起止时间和重复频率校正自己的基准时间与重复频率的过程称为同步过程。数据在传输线上传输时,为保证发送端发送的信息能够被接收端正确无误地接收,要求发送端和接收端动作的起始时间和频率保持一致的技术称为“同步技术”。

前一页后一页常用的同步技术方式有“异步传输方式”和“同步传输方式”两种。3/19/2024前一页后一页1)什么是异步传输方式？（起止式）

在被传送的字符前后加起止位，实现定时的传输方式，被称为异步传输方式。

1、异步传输方式异步传输方式3/19/2024前一页后一页

异步传输方式中，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。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"的跳变来判断一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。1、异步传输方式3/19/2024前一页后一页2）异步传输的工作特点、应用特点、应用场合

比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。优点：

设备简单，技术容易，费用低缺点：

一个字符需2-3位附加位，开销大，浪费了开销时间。异步传输被设计用于低速设备，比如键盘和某些打印机等。1、异步传输方式3/19/20241)什么是同步传输方式？同步传输是在高速数据传输过程中，所使用的定时方式。它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。我们称这些组合为数据帧，或简称为帧。2、同步传输方式前一页后一页3/19/2024前一页后一页2)同步传输的工作特点、应用特点、应用场合同步传输是指接收端和发送端的步调必须保持一致。接收端严格按照发送端发送信息的起始时刻和时间间隔来接收信息，并要求每一位的精确对位，即具有严格的时序。因此，同步传输方式用在较高速率数据传输的场合。2、同步传输方式由于同步传输需要较高的时钟装置和高的传输率，因此同步装置比异步装置要贵。例如同步调制解调器要比异步调制解调器贵的多。同步传输方式，通常主要用在计算机与计算机之间的通信，智能终端与主机之间的通信，以及网络通信等高速数据通信的场合。3/19/2024前一页后一页3)同步传输的时钟信号

2、同步传输方式

（1）采用单独的数据线传输时钟信号

在传输双方之间，除数据传输线之外，还需要专门的时钟传输线，因此这种方法被称为“外同步”。

（2）采用信号编码的方法传输时钟信号假如数据传输的距离较远，为了降低投资，除数据传输线以外，不再专门铺设时钟传输线，因此这种方法被称为“内同步”。3/19/2024多路复用技术1、多路复用技术概述

1)什么是多路复用技术？

多路复用技术是指在同一传输介质上“同时”传送多路信号的技术。

前一页后一页多路复用技术也就是在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。多路复用技术是一种提高通信介质利用率的方法。3/19/2024

2)多路复用技术的实质和研究目的目的：充分利用现有传输介质，减少新建项目的投资。

实质：共享物理信道，更加有效地利用通信线路。

工作原理：前一页后一页1、多路复用技术概述3/19/2024

3)多路复用技术的分类前一页后一页1、多路复用技术概述常用的3种：频分多路复用（FDM）

时分多路复用（TDM）

波分多路复用（WDM）

其他还有：空分复用（SDM）

动态时分多路复用等。

3/19/2024频分多路复用(FDM)：

在物理信道能提供比单个原始信号宽的多的带宽情况下，把物理信道的总带宽划分成若干个与单个信号带宽相同(一般略宽，以防相邻频带的串扰)的频带(段)，用每个频段来传输一路信号。前一页后一页2、频分多路复用利用传输介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽这一优点。把每个要传输的信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即信号的带宽不会相互重叠，然后在传输介质上进行传输，这样在传输介质上就可以同时传输许多路信号。

3/19/2024典型应用：无线广播，无线(有线)电视。前一页后一页2、频分多路复用

特点:

①发射端在发射之前先将原始信号，用频率调制到对应的频段,称为”频谱搬移”。②各频带的带宽中预留有“保护带”以防相邻频段信号的串扰。③一般用于“模拟信号”传输中。

将多个信号调制在不同的载波频率上，例：各种宽带网。3/19/2024前一页后一页2、频分多路复用3/19/2024如果信号允许的传输速率大大超过每路信号需要的传输速率，就可以采用时分多路复用（TDM）技术。前一页后一页3、时分多路复用

时分多路复用是将物理信道按时间分成时间片，轮流分配给多个信源来使用公共线路。时分多路复用TDM正是利用了这一优点。利用每个信号在时间上交叉，可以在一个传输通路上传输多个数字信号，这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大量的信息。

与频分多路复用类似，专门用于一个信号源的时间片序列被称为是一条通道时间片的一个周期（每个信号源一个），称之为一帧。

3/19/2024

n

同步时分复用：将一条共享传输线路上的时隙按固定，预先决定好的形式分配给设备。前一页后一页3、时分多路复用注：此处的“同步”并非“同步传输”，而是指时间片预先分配给固定的数据源，不管数据源是否有数据要传送，其所对应的时间片都被传输出去。

n

异步时分复用：将一条共享传输路线上的时隙动态，按需分配给设备的一种时分复用技术。注：与同步时分复用相比可克服时隙的浪费，线路的容量可以小于所连接设备数据传输速率总和。3/19/2024将传输时间划分为多个短而不重叠的时隙。将线路分成若干个时间片，每个信道占用1个或几个时间片，各个信道周期性轮流共用该线路。例：共享以太网。

前一页后一页3、时分多路复用3/19/2024目前，光纤的应用越来越普及，波分多路复用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，不同波长的光载波同在一根光纤上传输，是光纤上的频分复用技术。用于光缆网络，不同信号被携载在不同的光的波长。前一页后一页4、波分多路复用3/19/2024广域网中的数据交换技术通常将数据在通信子网中节点间的数据传输过程统称为数据交换，其对应的技术为数据交换技术。目前广泛采用的交换方式按数据传送技术划分有两大类：

线路交换技术存储转发交换技术

前一页后一页报文交换技术分组交换技术随着网络应用技术的迅速发展，传统的数据交换技术已经不能适应新型的宽带综合业务的需要。因此，一种崭新的交换技术应运而生，这就是异步传输模式ATM.。

3/19/2024原理：

通过呼叫(拨号)在通信的双方之间建立起一条传输信息的实际的物理通路,并且在整个通信过程中，这条通路被通信双方独占而不能被其它站使用，直到数据传输结束。

前一页后一页1、线路交换线路交换最典型的例子就是“电话通信”。3/19/2024线路交换的三个过程：

前一页后一页1、线路交换①线路建立阶段：通过呼叫完成逐个结点的接续过程，建立起一条端到端的直通线路。②数据传输阶段：在端到端的直通线路上建立数据链路连接并传输数据。③线路拆除阶段：数据传输完成后，拆除线路连接，释放结点和信道资源。3/19/2024线路交换优缺点：前一页后一页1、线路交换优点：

数据传输可靠、速度快、延迟小、且按序传送缺点：一旦建立连接就独占线路，线路利用率低；电路建立和拆除的时间较长，通信量较小时,为建立和拆除电路所花费的时间得不偿失。无纠错机制；不具备数据存储能力，不能改变数据的内容。线路交换技术的应用场合：

适用于高负荷的持续通信和实时性要强的场合。3/19/20241)存储转发交换方式和线路交换方式的两个主要区别:前一页后一页2、存储转发交换拟发送的数据与目的地址、源地址、控制信息等一起，按照一定的格式组成一个数据单元（报文或报文分组）进入通信子网。作为通信子网节点的通信控制处理机CCP，负责完成数据单元的接收、存储、差错校验、路径选择和转发工作。3/19/20242)存储转发交换方式的应用特点：前一页后一页CCP具有存储功能CCP具有路径选择功能CCP具有差错检查和纠错功能CCP具有存储功能通过CCP可以进行不同线路的不同通信速率的转换3)存储转发交换方式的分类：利用存储转发交换原理发送数据时，被传送的数据单元可以分为“报文”和“分组”两类，因此对应的交换方式可以分为报文交换和分组交换两类。2、存储转发交换3/19/2024（1）报文交换前一页后一页报文交换的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限。当一个站要发送报文时，它将一个目的地址附加到报文上，网络结点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个结点，一直逐个结点地转送到目的结点。每个结点在收到整个报文并检查无误后，就暂存这个报文，然后利用路由信息找出下一个结点的地址，再把整个报文传送给下一个结点。

2、存储转发交换--存储转发交换方式的分类：

报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，报文需要排队。

3/19/2024（1）报文交换前一页后一页2、存储转发交换--存储转发交换方式的分类：

其特点：报文从源点传送到目的地采用"存储—转发"方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道；在交换结点中需要缓冲存储，报文需要排队，故报文交换不能满足实时通信的要求。3/19/2024（1）报文交换前一页后一页优点:

无需建立专用通道,传送的报文可分时共享通路,从而提高线路利用率；可以进行不同速率、码型的交换,从而实现不同种类的终端间的数据传送；可以实现把一个报文送到多个目的站点2、存储转发交换--存储转发交换方式的分类：

报文大小不一，报文不按顺序到达，造成缓冲区管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长；

出错后整个报文全部重发。

缺点:

3/19/2024（2）分组交换前一页后一页分组交换又称为包交换。分组交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大长度。在数据报分组交换中，每个分组的传送是被单独处理的。

每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。一个结点收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和结点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一结点。2、存储转发交换--存储转发交换方式的分类：

3/19/2024（2）分组交换前一页后一页基本思想：限制信息的长度,以分组为单位进行存储转发，在接收端再将各分组重新组装成一个完整的报文。2、存储转发交换--存储转发交换方式的分类：

3/19/2024（2）分组交换前一页后一页优点:2、存储转发交换--存储转发交换方式的分类：

缩短报文整体传播时间，出错重发率降低，提高了传输效率。缺点:实现复杂。适合:计算机间联网通信，是目前数据网络中最广泛使用的一种交换技术。分组交换在实际应用中有两类类型：数据报方式（面向无连接的）虚电路方式（面向连接的）3/19/2024（2）分组交换前一页后一页u

数据报分组交换

数据报：指每个独立处理的报文分组。

2、存储转发交换--存储转发交换方式的分类：

特点：没有建立连接的过程；以数据报为信息单元来处理；接收节点割据网络中的实际情况等来选择路由；每个数据报经过的路径可能不同，到达时可能不按序，甚至有的