通信原理与通信技术（第五版）（张卫钢）第7-12章 第9章 数据通信与数据通信系统

1讲授：张卫钢通信原理与通信技术2024.8TEXTBOOK选用教材23微信公众号09数据通信与通信网4问题：（1）随着计算机和网络技术的飞速发展，“数据通信”应运而生。什么是“数据通信”？它与模拟通信、数字通信有何异同点？（2）多用户间的通信就构成了通信网，那么，什么是“通信网”？与之相关的知识有哪些？CONTENT目录通信网现代通信网的支撑技术通信网的发展历程9.29.39.49.1数据通信与数据通信系统5结语9.56数据通信与数据通信系统9.19.1.1数据通信的概念（1）从本质上讲，

数据是客观事物属性的记录表示。通常由数量有限的符号集构成，比如文字、阿拉伯数字、英文26个字母等。（2）从通信技术上看，

数据是消息的一种表现形式，是信息的一种形式载体。（3）从计算机技术上看，

数据是指能够由计算机或数字终端设备进行处理并以某种方式编制成二进制码（M进制码）的数字、字母和符号的集合。7数据通信与数据通信系统9.19.1.1数据通信的概念数据信号：携带0、1数据并具有两个或多个状态的电脉冲序列。数据的理论形式是0、1码序列，物理形式是二态或多态电脉冲串。据此，可定义：根据通信的定义，结合数据信号的概念，可定义：数据通信：通信双方（或多方）按照一定协议（或规程），以数字（基带

或调制）信号为数据载体，完成信息传输的过程或方法。通信协议：通信双方为了有效和可靠地传输信息而制定的必须共同遵守的规则。协议包括交换信息的格式、含义、过程中的连接和信息交换节拍等。简言之，数据通信就是用数字信号传输信息数据的过程或方法。8数据通信与数据通信系统9.19.1.1数据通信的概念

对于数据通信而言，最重要的协议应该是信息编、译码协议。最早的信息编码实例或二进制的起源可能就是《周易》记载的伏羲八卦图了，见图9-2（a）。我们的先人用符号“─”和“--”表示“阳”和“阴”两个元素，即“太极生二仪”；再用两组阴阳符号构成四种组合，即“二仪生四象”；最后，用三组阴阳符号的八种不同组合构成八卦图，即“四象生八卦”，并对“二仪”“四象”“八卦”赋予不同含义（信息编码）。显然，若用数据“1”替代“─”，“0”替代“--”，则“二仪”“四象”“八卦”分别可用1位、2位、3位二进制数表示，形成二进制码的八卦信息编码协议。不仅如此，八卦图还代表了早期中国的哲学思想，影响涉及中医、武术、音乐、数学等方面，是博大精深中国文化的重要组成部分。9数据通信与数据通信系统9.19.1.1数据通信的概念

最早的数据通信实例可以追溯到1837年莫尔斯发明的电报系统。莫尔斯将0~9十个数字、A~Z二十六个字母和常用标点符号用短电流脉冲（俗称“点”，短音，念作“滴”）和长电流脉冲（俗称“划”，长音，念作“答”）的不同组合表示，即进行信息（数据）编码，从而实现了“数据通信”。莫尔斯码见图9-2（c）（图中未列出常用符号）。显然，只要将莫尔斯码中的符号“点”、“划”用数据“0”、“1”代替，摩尔斯码就变成了我们熟悉的二进制码编码协议。可见，莫尔斯码与八卦码有“异曲同工”之妙。在计算机技术中，常见的信息编码协议是将常用的128个字符用一组7位二进制码表示，形成的ASCII编码表。图9-2（b）给出二、十、十六进制ASCII编码（部分）。10数据通信与数据通信系统9.19.1.1数据通信的概念11数据通信与数据通信系统9.19.1.1数据通信的概念数据通信与计算机密不可分，无论是大、中、小型机、PC机还是嵌入式系统，在它们内部或它们之间或它们与外部设备的连接中都存在着数据通信。因此，可以说数据通信是人与计算机或计算机与计算机之间的以数据信号进行的信息交换过程或方法，其标志是通信双方至少有一方是计算机类数字设备。简言之，数据通信也就是计算机通信。12数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点数据通信是基于模拟通信和数字通信技术发展起来的，三者之间有以下主要异同点。（1）信号定义不尽相同。模拟信号和数字信号是按照信号的表现形式定义的，而数据信号是根据携带消息的形式定义的。数据信号与模拟信号和数字信号不是一个范畴。（2）信号波形不尽相同。模拟信号是连续波形，数字和数据信号都是由计算机类终端设备产生的二进制脉冲序列。（3）信号携带信息方法不尽相同。模拟信号自带模拟信息，信号与信息不可分离，比如话筒输出的声音信号、摄像机输出的影像信号等；用于数字通信的数字信号携带的是经A/D转换后的离散信息，如数字化的声音信号和影像信号等；用于数据通信的数字信号，也就是数据信号需要按照编码协议人为赋予离散信息，如数字化的声音、影像、图片、数字、符号和字母等信息，即“数据”。13数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点（4）信号强调内容不尽相同。数字信号强调信号外在变化形式，数据信号强调信号内涵消息形式，数字信号可认为是去掉信息内涵的数据信号。若用一列火车类比一个数字信号的话，那么一列客车/货车就是一个数据信号。模拟信号“不分内外”，波形即信息。（5）信号传输方法不尽相同。模拟系统是“放大”信号，而数字系统和数据系统则是“再生”信号。若把以“放大”为主的信道称为模拟信道，把以“再生”为主的信道称为数字信道的话，那么，模拟通信系统就是以模拟信道传输模拟消息的系统，数字或数据通信系统就是以数字信道（有时还会有部分模拟信道）传输模拟消息或数据的系统。其信号与信息可分离，比如数据信号10110010可表示一个10进制数，也可代表一个字母，类似于一种载运工具可以装载不同的货物；而同一信息也可用不同的信号携带，比如“火警”电话，中国是“119”，新加坡是“995”，巴基斯坦是“16”，类似于一种货物可以被装载到不同的载运工具上。显然，数据信号具有多义性。14数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点（6）通信任务不尽相同。因模拟信号本身就是需要传输的信息，所以，模拟通信系统只要尽量不失真地将信号从信源传送到信宿即可完成通信任务。从传输角度上看，信宿接收的信号就是信源发出的信号，只不过有不同程度的变形（失真）；信号在传输过程中不能停顿，只有因电波传输而带来的时延（可忽略）。因此，模拟通信是实时通信。

数字通信系统传输的是携带A/D转换信息的数字信号，与模拟系统相似，数字系统只要尽量按正确状态将数字信号从信源传送到信宿，再经D/A转换，即可完成通信任务。信号在传输过程中一般也不停顿、不需要转换协议。数字通信也可认为是实时通信。15数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点

数据通信系统传输的是携带编码信息的数字信号，因此，数据系统只完成数字信号的正确传输还不够，还必须正确完成信息传输，即需要准确完成信源编/译码协议和各种传输协议的转换。因此，数据通信过程会有信号和信息的处理时延，需要转换协议，实时性较差。

模拟通信注重信号波形变化对通信质量的影响，以信噪比和系统带宽为主要性能指标；数字通信注重信号状态变化对通信质量的影响，以误码/信率和系统带宽为主要性能指标；数据通信注重通信过程中各种协议的转换问题，也以误码/信率和系统带宽为主要性能指标。

模拟通信和数字通信强调信号传输，研究对象是信号、电路和传输介质；而数据通信则强调信息传输，研究对象主要是各种协议。（7）实现条件不尽相同。模拟和数字通信系统基本上由纯硬件实现；而数据通信系统则必须由硬件和软件（协议及相关程序）共同实现。16数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点在了解了三种通信技术/系统的7大异同点之后，我们再详细讨论数据通信的特点。（1）数据通信过程可以分为上、下两个层面：下层是信号传输层，即由硬件和传输介质构成的传输系统或网络，负责信号传输；上层是信息传输层，即置于传输系统中或网络节点和终端上的通信协议，负责信息传输。图9-3给出了数据通信过程示意图。17数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点需要作如下说明：①信号传输层和信息传输层还可细化，比如OSI模型分七层、TCP/IP模型分四层。②通信协议可分为两类。一类是负责信息传输的协议，主要是编/译码协议；另一类是负责信号传输的协议，主要是信号的物理特性、帧格式，差错控制、路由等协议。OSI模型中的下三层协议基本上都是信号传输协议，上三层基本上都是信息传输协议。理解数据通信过程可分为信号和信息传输两个层面的概念，对学习“计算机网络”知识大有裨益，因为该课程的主要内容就是讨论各种协议。可以说，“计算机网络”课程以介绍“信息传输”为己任，而信息的载体——信号传输则是“通信原理”课程的专利。（2）数据通信系统在通信过程中有两个显著特点，一是在信息传输层面上的“化整为零”处理方法。二是在信号传输层面上的“存储-转发”处理方法。18数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点

从信息传输角度上看，发信端要对信息作“化整为零”处理，即将欲传输的全部信息分割成若干个“子信息”，形成若干个小“信息包”（分割打包），这类似于在货运站将一批苹果分装在若干个集装箱内或在邮局把一本书拆开分装在若干个信封里。由于每个信息包“体积”较小，传输起来更方便、灵活、快捷。而这正是数据通信的精髓所在。

这些信息包可以沿一条事先选定的链路依次传到收信端（面向连接的服务），也可以经过不同链路分别到达收信端（面向非连接的服务）。收信端根据每个信息包上的原始拆分信息将各信息包重新整理，“组装还原”成原始信息，从而完成一次信息传输过程。我爱你Iloveyou翻译器19数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点

从信号传输角度上看，系统不但需要对信号进行物理加工处理（放大、整形、解析、再生、复用等），还需要对不同的协议进行转换，因此，信号在每个传输节点都会有或多或少的停顿。正是这个“停顿”不但使数据通信达不到模拟通信那样的实时性（尽管现在网络可以提供视频点播、电视会议等实时业务，但它们不是模拟通信的那种“真实时”，只是时延较小可以忽略罢了），而且还需要在每个节点上将数据“暂存”起来，等完成各种处理后再转发出去，从而形成了“存储转发”的信号传输特点，见图9-4（a）。因此，可用“分割打包—存储转发—封装还原”三个步骤描述数据通信系统传输信号的全过程。

可见，数据通信系统与公路（铁路）运输和邮政系统非常相似。货物/信纸可类比数据；集装箱/信封或包裹可类比数据包；货运站/邮局可类比节点；分拣、编组可类比解析、复用；货车进站、出站可类比存储、转发。20数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点21数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点（3）数据通信与数字通信尽管是两个不同概念，但在信号传输层面有许多共同之处，比如调制、信道编码、差错控制、同步、多路复用、存储转发、再生中继等，显然数据通信是以数字通信为基础的。而在信息传输层面，数据通信过程通常存在更为复杂的协议转换问题，因此，可以说具有信息协议转换的数字通信就是数据通信。两者的关系见图9-4（b）。从宏观上看，三种通信系统在信号传输方面的主要区别可用图9-5说明。若用交通概念解释的话，可认为模拟和数字通信就是先设计、建设路网和设计、制造车辆，然后保证车辆可以准确、可靠、高效、完好地到达路网中的任何一个目的地；而数据通信则是基于已有的路网和车辆，制订和落实货物运输的各种方案（协议），比如选择运输路线、怎样上下货、如何转运等，从而保证货物可以准确、可靠、高效、完好地到达路网中的任何一个目的地。

三种通信的应用实例分别是普通电话（模拟）、数字电话（数字）和IP电话（数据）。所谓“IP电话”是一种利用互联网进行话音传输的技术，也称为网络电话。目前大家经常使用的微信和QQ音视频通话与IP电话原理相似，也是基于互联网的数据通信实例。22数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点23总之，数据通信（系统）最重要的特点可用图9-6描述并概括为：“分割打包”——“存储转发”——“协议转换”——“封装还原”。而计算机在其中的作用主要体现在“协议转换”上。因此，从宏观上看，可以认为数字通信负责信号传输，计算机负责信息（数据）传输。数据通信与数据通信系统9.19.1.2数据通信与模拟通信和数字通信的异同点24数据通信与数据通信系统9.19.1.3数据通信的特点数据通信主要有以下特点：（1）数据通信业务拥有比其他通信业务更为复杂、严格的通信协议。（2）数据通信业务比音视频业务的实时性要求要低，可采用存-储转发方式传输信号。（3）数据通信业务比音视频业务的差错率要求要高，必须采用严格的差错控制措施。（4）数据通信是进程间的通信，可在无人参与的情况下自动进行。25数据通信与数据通信系统9.1数据通信与传统的话音通信相比，有以下主要特点：（1）以计算机为主。通常是人（通过终端设备）与计算机或计算机与计算机的通信。（2）传输的数据信息通常由计算机或数字终端设备产生、加工和处理。（3）为了进行信息传递，要有严格的通信协议，对信息传输的准确性和可靠性要求高。（4）通信速度较高，可以同时处理大量数据。（5）数据呼叫（一次完整的通信过程）具有突发性和持续时间短的特点。（6）可采用存储-转发方式工作，且一般多采用这种方式。（7）必须采用差错控制措施。9.1.3数据通信的特点

目前，数据通信在各行各业已经发挥着越来越重要的作用且应用广泛，如电子邮件、气象预报、异地会诊、远程教育、智能交通、金融结算、股票交易、网络游戏、电子商务、办公自动化、农田耕作、军事打击、大数据、物联网等。26数据通信与数据通信系统9.19.1.4数据通信系统一个数据通信系统由7个部分构成，它们是：（1）信源数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment）；（2）信源数据终端设备和数据通信设备之间的接口；（3）信源的数据通信设备DCE（DataCommunicationEquipment）；（4）信源与信宿之间的传输信道（狭义信道）；（5）信宿的数据通信设备DCE；（6）信宿数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的接口；（7）信宿数据终端设备（DTE）。数据通信系统：以数字信号传输信息数据的系统。27数据通信与数据通信系统9.1DTE是显示器、电传打字机、个人计算机、打印机、主机的前端处理机或者能发送和接收数据的其他设备；DCE对于模拟信道可以是调制解调器，对于数据信道可以是数据服务单元DSU；传输信道可以是电缆、双绞线或光纤等；从形式上看，接口由DTE和DCE内部的输入输出电路以及连接它们的连接器和电缆组成。从功能上看，接口还应包含相应的协议标准，比如RS-232C接口除了规定计算机内部的输入/输出电路、D形插头/插座和电缆参数外，还有相应的通信协议。9.1.4数据通信系统28数据通信与数据通信系统9.19.1.5数据通信系统的主要性能指标数据通信系统的技术性能指标。（1）带宽。带宽有信道带宽和信号带宽之分。一个信道（广义信道）能够传送电磁波的有效频率范围就叫该信道的带宽。对信号而言，信号所占据的频率范围就是信号的带宽。（2）信号传播速度。信号传播速度是指信号在信道上每秒前进的距离，单位是m／s。由于我们所用的通信信号都是以电磁波的形式出现，所以其传播速度约等于（3）数据传输速率（比特率）。数据传输速率是指每秒能够传输多少位数据，单位是bps，它和第1章中的信息传输速率是一致的。（4）最大传输速率。信道数据传输速率的上限叫做最大传输速率，也就是信道容量。。29数据通信与数据通信系统9.1（5）码元传输速率（波特率）。波特率一般小于等于比特率。（6）吞吐量。吞吐量是信道在单位时间内成功传输的信息量。单位为bps。（7）利用率。利用率是吞吐量和最大数据传输速率之比。（8）延迟。延迟指从发信端发送第一位数据开始，到收信端成功地收到最后一位数据为止，所经历的时间。它又主要分为传输延迟、传播延迟两种。（9）抖动。延迟的实时变化叫做抖动（Jitter）。（10）差错率（包括比特差错率、码元差错率、分组差错率）。差错率是衡量通信系统可靠性的重要指标，在数据通信中常见的是比特差错率和分组差错率。9.1.5数据通信系统的主要性能指标30数据通信与数据通信系统9.1

可以通过对一个信道的描述说明上述概念：有一条带宽3000Hz的信道，最大传输速率可以达到30Kbps，实际速率为28.8Kbps；信号的波特率为2400bps；其吞吐量为14Kbps，所以利用率约等于50%；延迟约为100ms；由于环境稳定，所以抖动很小，可忽略不计。9.1.5数据通信系统的主要性能指标31数据通信与数据通信系统9.19.1.6同步同步：使通信双方或多方在相应的通信操作上保持步调一致的过程或方法。

同步是保证通信系统有序、准确、可靠地传输或交换信息的前提。同步模块性能的好坏将直接影响通信系统的通信质量。因此，同步技术是实现数字/数据通信的关键所在。

在通信过程中保持同步的主要目的有二：（1）正确解调原始信号。例如，对2PSK、DSB、SSB等信号进行相干（同步）解调时，都需要在收信端产生一个同步载波（本地载波）。注意：这里的同步指收信端要产生一个与发信端载波同频、同相的载波（本地载波）。

可以用一个交通实例类比同步解调过程。比如一列客运火车在中途过站时不停顿，而是飞驰而过，那么如何使乘客下车呢？可以在中途站也开出一辆同向同速的接客火车与运客火车并行，乘客即可转移到接客车上，然后接客火车停下来，从而完成下客任务。如果失步，解调将无法完成，通信任务也就失败了。329.1.6同步数据通信与数据通信系统9.1（2）正确接收码元、码字和数据帧（包）。在数字/数据通信系统（无论是基带还是调制系统）的接收机中，因为接收的信号都是数字信号（多是具有高、低电平的码元序列），所以都需要利用一个位定时脉冲序列对接收到的码元序列进行抽样判决，实现“位同步”，保证接收序列与发送序列在时间上的一致性；在位同步基础上，还需要进行群（帧）同步，以正确区分每一码字、群（帧）的起止时刻，保证数据的正确性和完整性；此外，在有多个用户的通信网内，还必须实现网同步，以保证网内各用户之间可靠地进行数据传输和交换。简言之，同步的目的就是要保证通信过程的准确无误。如果失步，携带在数字信号中的信息将无法正确解读。339.1.6同步数据通信与数据通信系统9.1

在通信系统中，主要有以下几种同步方法。（1）载波同步：指相干解调器获取本地载波的过程或方法，又称为“载波提取”。主要有外同步和自同步两种实现方法。

外同步法：由发信端发送专门的同步信号（也称为导频信号），收信端把这个导频信号提取出来作为同步信号。

自同步法：收信端从接收信号中直接提取同步信号或信息的方法。与外同步法相比，自同步是比较理想的同步方法，因为它不需要发信端额外发送导频信号，即可以把发送功率和带宽全部分配给有用信号的传输。

这种方法需要在接收端设置一个载波恢复或提取电路，利用硬件从接收信号中提取载波。比如在ASK、PSK、FSK解调中所使用的平方环和科斯塔斯环等。349.1.6同步数据通信与数据通信系统9.1（2）位同步：指数字系统收信端获取码元定时脉冲序列的过程或方法，又称为“位定时”或“码元同步”。数字信号的基本构成是“位”或“码元”。为正确恢复发信端发送的码元序列，收信端需要知道每个码元的起止时刻，以便在恰当的时刻对码元进行抽样判决。这就要求收信端必须产生一个位定时脉冲序列（频率和相位与发送码元的一致）才能正确恢复码元序列。（3）群同步：指收信端产生与发信端的数据组、帧或群的起止时刻相一致的定时脉冲序列的过程或方法。群同步是字（符）同步、分路同步和帧同步的统称。359.1.6同步数据通信与数据通信系统9.1

在数字通信中，信息码（数据）是以“分组”“帧”或“包”的形式传输的，即信码流（携带信息的二进制脉冲序列）是被组织成一个个包含规定比特数的脉冲群进行传输的。因此，在接收这些数字信息时，必须知道每个群的起止时刻，否则，收信端就无法正确恢复信息。例如，在PCM30/32电话系统中，各路信码都安排在指定的时隙内传送（形成帧结构）并且周期性地在TS0（同步时隙）插入一组特殊比特作为每帧的起止标记，收信端若能识别出这一标志，就可实现帧同步。

若用交通类比的话，位同步相当于正确识别每节车皮（车厢），不能把发送的第二节车皮，在接收站判为第三节。群同步是对多列火车的正确识别，对连续发送出的4列火车，接收站就必须准确判断或识别出这4列火车各自的头部和尾部，不能出现混淆，即不能把前一列车的后面几节车皮和后一列车的前面几节判断成一列火车或根本识别不出来。

比如，你站在铁路边上，能正确数出刚才过去的一列火车有几个车皮，就实现了位同步。正确数出头尾相连几列火车的列数，就实现了群同步。369.1.6同步数据通信与数据通信系统9.1（4）网同步：指在通信网中保证多用户之间通信过程“步调一致”的过程或方法。

有了位同步和群同步，即可保证“点到点”数字基带通信过程的准确可靠。而获得了载波同步、位同步和群同步之后，“点到点”数字调制通信过程就可以有序、准确、可靠地进行了。但对于“多点到多点”的信息交换过程，即“网通信”而言，还必须实现网同步才能保证通信过程的准确和可靠。

具体地说，网同步是指通信网的时钟同步。一个数字通信网由许多交换局、复接设备、连接线路和终端机构成。为了保证各种不同数码率的数据流在同一通信网中进行正确的交换、复接、传输和接收，就必须使网内各节点的时钟频率与相位相互协调一致。

网同步可认为是全国铁路网必须统一时间、统一调度，这样才不至于出现铁路闲置问题或撞车事故。379.1.6同步数据通信与数据通信系统9.1

虽然同步信号本身不包含人们所要传送的信息，但只有收、发信两端建立了同步机制后才能开始传送信息。如果出现同步误差或失步，就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此，同步系统应具有比信息传输系统更高的可靠性和质量指标才行，比如同步误差要小、相位抖动要小、同步建立时间要短和同步保持时间要长等。

同步任务的完成要基于同步信息或信号的产生和获取。发信端要设法将同步信息或信号直接发送或添加到欲传输的数据信号中去，而收信端则要设法接收或从接收到的数据信号中提取同步信息或信号。因此，同步技术的关键是产生、传输和提取同步信号或信息。同步的本质是“同时”！38数据通信与数据通信系统9.19.1.7数据通信方式串行通信：将数字基带信号按码元出现顺序依次沿一条信道传输的过程或方法。

其优点是只需一条信道，通信线路简单、成本低廉，一般用于较长距离的通信，比如工控领域利用计算机串口进行的数据采集和系统控制。缺点是传输速度较慢，为解决收、发双方的码组或字符同步问题，需要采取同步措施。并行通信：将数字基带信号按码元个数分成n路（通常n为一个字长），

同时从n条信道传输的过程或方法。其优点是传输速率快且不需要外加同步措施就可实现码字或字符同步。缺点是需多条信道、通信线路复杂、成本较高。1．串行通信2．并行通信39数据通信与数据通信系统9.19.1.7数据通信方式

并行通信多用于短距离通信，比如计算机与打印机之间通过并行通信口的通信。

目前，生活中已经很难见到并行通信的应用了，并行通信更多地出现在计算机类设备内部。生活中常见的是串行通信应用，比如大家熟悉的USB通信。注意：“字节”与“码字”在形式上一样，都是若干位二进制数据串，比如，“10011010”可以是一个字节也可以是一个码字。但在概念上不同，字节是描述计算机技术性能的术语，而码字是描述编码结构的术语。40数据通信与数据通信系统9.13．异步串行通信与同步串行通信

串行通信时，数据是逐位从信源传到信宿，通常由若干个数据位组成一个字符，位与位之间、字符与字符之间没有停顿（没有时间间隙），这就给信宿在区分、确认字符时带来很大的困难，即信宿虽然收到了一大串数据，但不知它们多少位是一个字符或哪几位是一个字符，因此，这串数据对信宿来说毫无意义。为了解决这个问题，信源与信宿之间在通信时必须同步，也就是必须让信宿知道多少位数据是一个字符或一个字符何时开始何时结束。

在实际通信中有一个控制过程（发生在网络7层协议中的数据链路层）叫数据链路控制可实现两点间的同步。该控制过程要求通信硬件或软件给数据（位、字节、报文）加上同步信息，使得通信双方的硬件时钟保持一致，从而保证信宿正确地识别信源发过来的信息。9.1.7数据通信方式41数据通信与数据通信系统9.1根据同步信息添加方法的不同，串行通信可分成异步串行通信和同步串行通信两种。

一个字符由若干数据位（码元）组成，在异步串行通信中一般以一个字符为一个数据传输单位，而所谓的同步信息也是几个数据位，把一个数据传输单位（一个字符）的数据位与同步信息的数据位结合起来就构成一个数据帧。数据帧有自己的格式称为帧格式，通常由起始位、数据位、校验位和停止位四部分组成。

要想成功地进行异步通信，除了收、发端采用相同的数据帧格式外，还必须统一传输速率。计算机通信中常采用的典型速率有：300、600、1200、2400、4800、9600bps等。9.1.7数据通信方式

异步串行通信：同步信息由硬件加在每一个字符上并形成数据帧的串行通信。异步通信是一种面向字符的传输方式，其主要优点是简单、可靠、经济，常用于计算机与终端之间的数据传输（比如RS-232C、USB串行通信）。其主要缺点是速率较低。

42数据通信与数据通信系统9.1

与异步通信不同，同步通信不是对每个字符单独同步，而是以数据块为传输单位并对其进行同步。每个数据块的头部和尾部都要附加一个特殊的字符或比特序列，以标志数据块的开始与结束。所谓数据块就是一批字符或二进制位串组成的数据。图9-6（b）是其数据帧格式。

同步通信可分为面向字符和面向位流两种传输方式。在面向字符的方式中，每个数据块的头部用一个或多个同步字符SYN来表示数据块的开始；而尾部用另一个字符ETX代表数据块的结束。在面向位流的传输方式中，每个数据块的头部和尾部都用一个特殊的比特序列（如01111110）来标记数据块的开始与结束。

同步通信的特点是开销少、效率高，适合于较高速率的数据传输；缺点是整个数据块一旦有一位误传，就必须重传整个数据块。9.1.7数据通信方式同步串行通信：同步信息加在数据块上并形成传输单位的串行通信。43数据通信与数据通信系统9.19.1.7数据通信方式44数据通信与数据通信系统9.1简言之，开销就是非信息码的码元集合。比如上述的“起始位”、“校验位”和“停止位”等。9.1.7数据通信方式

注意：“字符”具有两个含义，一个是只包含数据位（消息）的数据段，比如电报码的五位字符、ASCII码的七位字符和汉字码的八位字符等；另一个是除数据位之外还包括起始位、停止位、校验位等开销码在内的数据段，也就是异步通信中的一个传输单位或数据帧。开销码：为保证信息码可靠准确传输而附加的其他功能码元的集合。

一般地说，“帧”是一个或多个字符及开销的一种码元排列，主要用于描述一个数据传输单元中消息及开销码的构成形式。45通信网9.29.2.1通信网及其体系结构通信网：由多个通信终端、传输设备、交换设备、传输介质和信令或协议

构成的可实现各终端之间信息传输的系统。根据不同标准，通信网有多种分类。

（1）按业务类型可分为电话通信网（如PSTN、移动通信网等）、数据通信网（如X.25、互联网、帧中继网FR等）和广播电视网等。

（2）按空间距离可分为广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN和个域网PAN。

（3）按信号传输方式可分为模拟通信网和数字（数据）通信网。

（4）按运营方式可分为公用通信网和专用通信网。显然，点到点通信是通信网的基础，通信网是多个互相连接的点到点通信支路的集合。46通信网9.29.2.1通信网及其体系结构

目前，传统电话网、广播电视网和以互联网为代表的数据网正以不可逆转之势向着“三网合一”的目标演进，形成以数据通信为时代特征、无所不能的现代通信网。因此，可认为：现代通信网是指一种能够提供各种人们所需通信服务的全球通信网络。

现代通信网要能够传输声音、图像、影像、文字、数字、符号等信息，通信范围可覆盖全球。显然，互联网技术是现代通信网的核心技术。（1）从信号传输技术上看，现代通信网主要由光纤通信、卫星通信和无线电通信技术支撑。（2）从信号传输方法上看，现代通信网的基本手段是分割打包、存储转发、分组交换、路由寻址、封装还原。47通信网9.29.2.1通信网及其体系结构

计算机网络可认为是由资源子网（由各种计算机终端组成）和通信子网（由传输介质和各种通信设备组成）共同组成的一种数据通信网，如图9-11所示。

参照OSI七层网络模型，可把通信网从下到上依次分为传输网、业务网和应用层三个层次，见图9-12。其中，应用层表示各种信息应用；业务网表示传送各种信息的业务网；传输网表示支持业务网的传送手段和基础设施；支撑网包括信令网、同步网和电信管理网，承担三个层面的支持工作，提供保证网络有效正常运行的各种控制和管理能力。

随着技术的发展，现代通信网和支撑技术还会出现变化，如增加控制层等功能层。而网络分层的变化将主要体现在应用层面和业务层面上，网络的基础层即传输网将保持相对稳定。48通信网9.29.2.2通信网拓扑结构拓扑结构：通信网中各终端和节点设备与传输介质相互连接而构成的几何图形。通信网的拓扑结构分为总线型、环型、星型、树型、网状型、网孔型和复合型7种，如图9-13所示。49通信网9.2表9-2常用的网络拓扑结构特性拓扑结构特性适用场合总线型具有良好的扩充性和可靠性，利于分布式控制，总线的故障将会对系统产生重要的影响。局域网星型便于扩充，利于集中式控制，中心节点的故障将会对系统产生致命的影响。局域网环型利于分布式控制和实时通信，介质访问控制方法简单，环路故障将会对系统产生致命的影响。局域网和城域网树型具有良好的扩充性和可靠性，利于分布式控制，通信路径选择算法的好坏将直接影响通信的性能。广域网网状型可靠性高、灵活性大，利于分布式控制，管理复杂。广域网复合型经济性好、稳定性好广域网9.2.2通信网拓扑结构从概念和结构上看，通信网的拓扑结构与计算机网络拓扑基本上是一样的。

显然，每种拓扑结构各有千秋，在实际应用中，应该根据环境、条件、介质、要求和技术的不同选择合适的拓扑结构。509.2.3通信网服务质量通信网9.2对通信网的服务质量一般用可访问性、透明性和可靠性这三个方面的性能来衡量。

可靠性是指整个通信网连续、不间断地稳定运行的能力，它一般由组成通信网的各系统、设备、部件等的可靠性来确定。网络可靠性设计不是追求绝对可靠，而是在一定的经济性、合理性前提下，满足业务服务质量要求即可。

可访问性是指网络保证合法用户随时能够快速、有保证地接入到网络以获得信息服务，并在规定的时延内传递信息的能力。它反映了网络保证有效通信的能力。

透明性是指网络保证用户业务信息准确、无差错传送的能力。它反映了网络保证用户信息具有可靠传输质量的能力。实际中常用用户满意度和信号的传输质量来评定。51通信网9.2可靠性指标主要有以下几种：（1）失效率：系统在单位时间内发生故障的概率，一般用表示。（2）平均故障间隔时间(MTBF)：相邻两个故障发生的间隔时间的平均值，MTBF＝1/。（3）平均修复时间(MTTR)：修复一个故障的平均处理时间，表示修复率，MTTR=1/。（4）系统不可利用度(U)：在规定的时间和条件内，系统丧失规定功能的概率。9.2.3通信网服务质量52通信网9.2对于我们熟悉的电话通信网，可以从以下三个方面定义服务质量要求。（1）接续质量：它反映的是电话网接续用户通话的速度和难易程度，通常用接续损失(呼叫损失率，简称呼损)和接续时延来度量。（2）传输质量：它反映的是电话网传输话音信号的准确程度，通常用响度、清晰度、逼真度这三个指标来衡量。实际中对上述三个指标一般由用户主观来评定。

（3）稳定性质量：它反映电话网的可靠性，主要指标与上述一般通信网的可靠性指标相同，如平均故障间隔时间、平均修复时间、系统不可利用度等。数据网的服务质量与前面所述的“数据通信的主要性能指标”基本相同，不再赘述。9.2.3通信网服务质量53通信网9.29.2.4网络服务性能保障机制在网络运行中时常要面对以下问题：（1）数据传输中的差错和丢失（2）网络拥塞（3）交换节点和物理线路故障（1）差错控制：差错控制机制负责将信源端和信宿端之间传送的数据所发生的丢失和损坏恢复过来。通常控制机制包括差错检测和差错校正两部分。（2）拥塞控制：拥塞一般发生在网络传输的数据量开始接近网络的数据处理能力时。拥塞控制的目标是将网络中的数据量控制在一定水平之下，否则，网络性能就会急剧恶化。“网络拥塞”可以类比为“交通拥堵”。（3）路由选择：该技术可帮助信号绕开发生故障或拥塞的节点，从而提高通信可靠性。（4）流量控制：流量控制是一种使目的端通信实体可以调节信源端通信实体发出的数据流量的协议机制，可以调节数据发送的数量和速率。“路由选择”可以类比“交通指挥”和“路径诱导”。目前网络采用的服务性能保障机制主要有四类。54通信网9.29.2.4网络服务性能保障机制

在电话通信网中，网络体系结构保证通话双方工作在同步方式下，并以恒定的速率交换数据，因而无需再提供流量控制机制。而在分组数据网中，必须进行流量控制，其原因是：①在信宿端必须对每个收到的分组头部进行一定的协议处理，因为收发双方工作在异步方式下，信源端可能试图以比信宿端处理速度更快的速度发送分组。②信宿端也可能将收到的分组先缓存起来，然后重新在另一个I/O端口进行转发，此时它可能需要限制进入的流量以便与转发端口的流量相匹配。

与差错控制一样，流量控制也可以在多个协议层面实现。55现代通信网的支撑技术9.39.3.1应用层技术1.应用层业务

在现代通信网中，不管采用何种传送网结构及业务网承载，最终目的是要为用户提供各类通信服务，满足他们对不同业务服务质量的需求。因此，应用层业务是直接面向用户的，主要包括模拟与数字视音频业务（如普通电话、智能网、IP电话、广播电视业务等），数据通信业务（如网络商务、电子邮件）和多媒体通信业务（如分配型业务和交互型业务）等。2.终端技术

终端设备是用户与通信网之间的接口，具有3项主要功能：①完成信源或信宿信息与信号之间的相互转换。②将信号与信道相匹配。③完成信令的产生和识别，即用来产生和识别网内所需的信令，以完成一系列控制功能或操作。56现代通信网的支撑技术9.3

终端技术主要包括以下几种：

（1）音频终端技术。音频终端是通信系统中应用最为广泛的一类通信终端，它可以是普通电话交换网络PSTN中的普通模拟电话机、录音电话机、投币电话机、磁卡电话机、IC卡电话机，也可以是ISDN网络中的数字电话机，以及移动通信网中的无线手机。（2）图形图像终端技术。图形图像终端，如传真机，它是把纸介质所记录的文字、图表、照片等信息，通过光电扫描方法变为电信号，经公共电话交换网络传输后，在接收端以硬拷贝的方式得到与发端相同（或相类似）的纸介质信息。

（3）视频终端技术：视频终端，如各种电视摄像机、多媒体计算机用摄像头、视频监视器以及计算机显示器等。

（4）数据终端技术。数据终端，如调制解调器、ISDN终端设备、多媒体计算机终端、机顶盒、可视电话终端等。9.3.1应用层技术57现代通信网的支撑技术9.39.3.2业务网技术

在传送网的节点上安装不同类型的节点设备，就形成不同类型的业务网。业务节点设备主要包括各种交换机（电路交换、X.25、以太网、帧中继、ATM等交换机）、路由器和数字交叉连接设备（DXC）等。DXC既可作为通信基础网的节点设备，也可以作为DDN和各种非拨号专网的业务节点设备。

交换设备是构成业务网的核心要素，其基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接、接续和分配，实现一个呼叫终端（用户）和它所要求的另一个或多个用户终端之间的路由选择和连接。交换设备的交换方式可以分为两大类：电路交换方式和分组交换方式。业务网：向用户提供电话、电报、传真、数据、图像等电信业务的网络。58现代通信网的支撑技术9.31.电话网与电路交换技术

两部电话之间的通信只需用一对导线将两部话机直接相连即可。若有成千上万部电话需要互相通话，就需要将每一部话机通过一对用户线连到交换机上。交换机根据用户信号（摘机、挂机、拨号等）自动进行话路的接通与拆除。通常，一个城市需建立多个电话分局，分局间使用局间中继线互连。与用户线不同，中继线是由各用户共用的。分局数量太多时，就需要建立汇接局，汇接局与所属分局以星型连接，汇接局间是全互连的。分局间通话需经汇接局转接。为了使不同城市用户能互相通话，城市内还需建立长话局，长话局与市话分局（或市话汇接局）间以长市中继线相连。不同城市的长话局、长话汇接局间用长途中继线相连。9.3.2业务网技术59现代通信网的支撑技术9.32.数据网与分组交换技术

公共数据网指X.25分组交换网、帧中继网（FR）、数字数据网（DDN）、智能网（IN）、综合业务数字网（ISDN）、异步转移模式（ATM）网等根据数据通信的突发性和允许一定时延的特点，采用存储-转发分组（包）交换技术的通信网。为了改变目前多种数据网并存的复杂局面，人们正试图用以TCP／IP协议为核心的互联网（Internet或IP网）一统天下。

3.智能网技术

智能网依靠先进的信令技术和大型集中数据库技术，将网络的交换与控制功能相分离，把电话网中原来位于各个端局交换机中的网络智能集中到了业务控制点的大型计算机上，而原有的交换机仅完成基本的接续功能。未来的功能强大的智能网可配备有完善的业务生成环境，客户可以根据自己的特殊需要定义自己的个人业务。这对电信业的发展无疑是一次革命。9.3.2业务网技术60现代通信网的支撑技术9.34.移动通信网技术

所谓移动通信是指通信双方或至少有一方是在运动中的信息交换过程。例如，固定点与移动体（汽车、轮船、飞机）之间，移动体与移动体之间、人与人或人与移动体之间的通信，都属于移动通信。显然，移动通信必须使用无线信道，即靠无线电波传送信息。

移动通信网依靠先进的移动通信技术可为用户提供灵活的移动业务，如：蜂窝公用陆地移动通信、集群调度移动通信、无绳电话、无线电寻呼、卫星移动通信等系统。9.3.2业务网技术61

传输网：主要完成传输线路调度、故障切换、业务分离等任务的网络。现代通信网的支撑技术9.39.3.3传输网技术传输网（传送网）包括传输介质、传输系统和传输节点设备三部分。（1）传输系统：包括传输设备和复用设备。基带信号一般不能直接在传输介质上传输，需要利用传输设备转换为适合在传输介质上传输的信号。

传输设备主要有微波收发信机、卫星地面站收发信机和光端机等。为了提高信道利用率，需要用频分复用（波分复用）、时分复用或码分复用设备将多路信号进行复用传输。（2）传输节点设备：包括配线架、电分插复用器ADM、电交叉连接器DXC、光分插复用器OADM和光交叉连接器OXC等。（3）传输介质：主要是铜线、光纤和传输无线电波的大气空间。

另外，不同类型的业务节点可以使用一个公共的用户接入网实现由业务节点到用户驻地网的信息传送。因此，可将接入网看成传输网的一个组成部分。62现代通信网的支撑技术9.39.3.4支撑网技术支撑网内部传送的是相应的控制和检测信号。支撑网包括信令网、同步网和电信管理网。（1）信令网技术：在采用公共信道信令系统之后，除原有的用户业务之外，还有一个起支撑作用的、专门传送信令的网络——信令网。信令网的功能是实现网络节点间（包括交换局、网络管理中心等）信令的传输和转接。（2）同步网技术：实现数字传输后，在数字交换局之间、数字交换局和传输设备之间均需要实现信号时钟的同步。同步网的功能就是实现这些设备之间的信号时钟同步。（3）电信管理网技术：电信管理网是为提高全网质量和充分利用网络设备而设置的。网络管理是实时或准实时地监视电信网络的运行，必要时采取控制措施，以达到任何情况下，最大限度地使用网络中一切可以利用的设备，使尽可能多的通信业务得以实现。支撑网：能使业务网正常运行、增强功能、提供全网服务质量和满足用户要求的网络。63通信网的发展历程9.4

若将1878年第一台交换机投入使用作为通信网发展起点的话，那么它已经有了近140年的历史。这期间由于交换技术、信令技术、传输技术、业务实现方式的发展和变化，通信网大致经历了三个发展阶段。

第一阶段（1880～1970年），是典型的模