第2章 数据通信基础知识

第2章数据通信基础知识计算机网络技术计算机网络是计算机技术和通信技术紧密结合的产物，计算机网络能够连接世界，把分布在地球上的各个信息点连成一片，使它们能够随时互通信息和交换数据。在我们的日常生活中，我们已经深刻体会到了因特网的普及给我们带来的方便，但是网络中的数据是怎样传输的呢？与我们平常使用的手机中的数据传输是一回事吗？要了解这些知识，我们需要对数据通信的相关知识进行学习。引子【知识目标】1.学习数据通信的基本概念和主要技术指标。2.学习数据编码的基本方法。3.学习数据传输方式和数据交换技术的基本原理。【技能目标】1.掌握数据传输速率、信号传输速率和误码率的计算。2.能够理解数据通信的相关技术。【素养目标】1.培养探究科学规律的精神。2.培养学生自主学习和分析问题的能力。学习目标2.1数据通信的基本概念2.1.1信息、数据与信号信息：是指事物发出的消息、指令、数据、符号等所包含的内容。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形、以及图像，计算机中的信息一般是字母、数字、语音、图形或图像的组合。

数据：信息的二进制代码表示，称为数据。

信号：是数据在传输过程中的电信号表示形式。

模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值。

数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值。模拟信号数字信号2.1.2数据传输类型与通信方式

1.通信方式—按使用的信道数(1)串行通信串行通信是指用一条数据线传送比特流，一次只传送一个比特。(2)并行通信并行通信是指同时有多条数据通道，可同时传送多个比特。串行通信和并行通信2.1.2数据传输类型与通信方式

2.通信方式—按数据流动的方向•单工：数据单向传输（无线电广播）•半双工：数据可以双向传输，但不能在同一时刻双向传输（对讲机）•全双工：数据可同时双向传输（电话）。两个方向的信号共享链路带宽：链路具有两条物理上独立的传输线路，或将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输单工、半双工、全双工通信2.1.3数据通信中的主要技术指标1.数据传输速率

指每秒能传送的二进制信息位数，也叫比特率。单位：位/每秒，记作bps或bit/s。2.信号传输速率

单位时间里通过信道传输的码元个数，也叫波特率。单位：波特，记作Baud。比特率和波特率的关系：Rbit=Rbaud*log2N

(其中N是信号的编码级数)3.信道容量

指1个信道的最大数据传输速率。单位：位/每秒。4.误码率

指二进制数据位传输时出错的概率，是衡量信道传输可靠性的指标。在计算机网络中，一般要求误码率低于10－6

。

P=错误的位数/传输的总位数2.2数据编码技术2.2.1

数据编码类型1.数字数据的模拟信号编码技术。2.数字数据的数字信号编码技术。（非归0编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码）3.模拟数据的数字信号编码技术。2.2.2数字数据的模拟信号编码三种常用的调制技术：

1）振幅键控ASK(AmplitudeShiftKeying)，调幅

2）移频键控FSK(FrequencyShiftKeying)，调频

3）移相键控PSK(PhaseShiftKeying)，调相

基本原理：用数字信号对载波的不同参量进行调制。2.2.3数字数据的数字信号编码1.非归零码(NRZ，Non-ReturntoZero)

二进制数字0、1分别用两种电平来表示。

如：用低电平表示0，高电平表示1。

缺点：当0和1个数不相等时，存在直流分量；不具备自同步机制，必须使用外同步。2.曼彻斯特编码(Manchestercode)

用电压的变化表示0和1。

规定在每个码元的中间发生跳变：低→高的跳变——0，高→低的跳变——1

每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。

曼彻斯特编码也称为自同步码（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步机制，无需外同步信号。缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍）。2.2.3数字数据的数字信号编码3.差分曼彻斯特编码(DifferentialManchestercode)与曼彻斯特编码相同的是，在每个码元的中间，信号都会发生跳变，作同步之用；不同之处在于：用在码元开始处有无跳变来表示0和1：

码元开始处有跳变——0

码元开始处无跳变——1数字数据信号的三种编码波形2.2.4模拟数据的数字信号编码奈奎斯特定理（采样定理）：如果连续变化的模拟信号最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。需要经过三个步骤：

1）采样——按一定间隔对语音信号进行采样每隔一定时间从连续变化的话音模拟信号中取出一个瞬时值，从而得到一系列电平幅度不同的脉冲信号，即脉幅调制(PAM)信号.2）量化——对每个样本舍入到量化级别上

3）编码——对每个舍入后的样本进行编码2.3数据传输技术2.3.1传输方式1.基带传输

人们把数字数据信号固有的频带称为基带，相应的矩形脉冲信号称为基带信号。

基带传输技术是指在数字信道上，直接传送基带信号的方法，它是最基本的数据传输方式。大多数局域网都使用基带传输，如以太网。2.频带传输利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输。

它需要调制成模拟信号后再传送，接收方需要解调。带传输中，调制解调器是最典型的通信设备。例如：通过电话模拟信道传输2.3.1传输方式3.宽带传输

宽带指比音频带宽更宽的频带，指传输介质的频带宽度较宽的信息传输，它可同时传播多路信号，进行高速数据传输。4.调制解调器的基本工作原理

（1）调制解调器的工作原理

通过调幅、调频等技术实现数字信号和模拟信号的转换。（2）全双工通信的工作原理

使用带通滤波器将双方的发送与接收通道分开，达到全双工通信的目的。

调制解调器实现全双工通信的工作原理2.3.2同步技术

所谓同步，就是要求通信的接收端要按照发送端所发送的每比特的重复频率以及起止时间来接收数据，即收发双方在时间基准上保持一致。

数据通信的同步包括：位同步、字符同步。

1.位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步。（1）外同步法：发送端发送数据的同时，另外发送同步时钟信号，接收方用它来校准自己的时钟脉冲频率。（2）内同步法：通过特殊编码（如曼彻斯特编码），这些数据编码信号本身包含了同步脉冲，接收方提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。

2.字符同步：保证收发双方正确传输字符。（1）同步式：由同步控制字符领先，以组为单位连续传送。（2）异步式：每个字符独立传送，各字符间的时间间隔可以任意。需添加冗余位以确认字符的开始和结束。2.3.3多路复用技术多路复用技术指在一条物理线路上建立多条通信信道的技术。发送方通过复用器将多个用户的数据汇集，经一条物理线路传送到接收设备，接收设备再通过分用器将数据分离成单独的数据，分发给接收方的多个用户。多路复用的基本原理2.3.3多路复用技术多路复用一般可以分为以下3种基本形式。（1）频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）。（2）波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）。（3）时分复用（TimedivisionMultiplexing，TDM）。2.3.3多路复用技术1.频分多路复用(FrequencyDivisionMultiplexing)原理：整个传输频带被划分为若干个频率通道，每个用户占用一个频率通道。频率通道之间留有防护频带，适用于模拟信号传输。频分多路复用的特点是：每个用户终端的数据通过专门分配给它的子信道传输，在用户没有数据传输时，别的用户也不能使用。频分多路复用的基本工作原理2.3.3多路复用技术2.波分多路复用(WaveDivisionMultiplexing)原理：整个波长频带被划分为若干个波长范围，每个用户占用一个波长范围进行传输。波分多路复用的基本原理2.3.3多路复用技术3.时分多路复用(TimeDivisionMultiplexing)(1)工作原理：

以信道传输时间作为分割对象，把时间分割成小的时间片，通过为多个用户分配不同的时间片的方法来实现多路复用。适合于数字信号的传输。

T1载波：复用24路信号，速率1.544Mbps（北美标准）

E1载波：复用30路信号，速率2.048Mbps（欧洲标准）(2)时分多路复用技术的分类：

同步时分多路复用（STDM）将时间片固定分配给各个信道，不考虑信道是否有数据发送，这要求收发双方必须同步，当某用户无数据发送时，其他用户也不能占用其时间片，将会造成带宽浪费。2.3.3多路复用技术

统计时分多路复用（ATDM）－也叫异步时分多路复用

根据用户对时间片的需要来分配时间片，没有数据传输的用户不分配时间片，同时，对每一个时间片加上用户标识，以区别该时间片属于哪一个用户。提高了通信线路利用率。该技术为异步传输模式ATM的研究奠定了理论基础。时分多路复用的基本工作原理2.4数据交换技术2.4数据交换技术

为降低通信线路造价，大型网络主要采用部分连接的拓扑结构,两个端节点之间的通信连接一般都要通过中间节点的转接，中间节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续,就像电话交换机为通话双方接续线路一样，这个过程被称为交换。

实现交换的方法主要有：电路交换、报文交换和分组交换。报文交换和分组交换均采用的是存储转发方式。

2.4.1电路交换1）原理:（与电话交换方式类似）交换数据前，先建立实际的物理线路连接。2）通信过程：

线路建立阶段－－数据传输阶段－－线路释放阶段3）特点：

建立连接的时间长，建立连接后，传输延迟小，

连接独占线路，线路利用率低，

无差错控制能力。电路交换方式的工作原理2.4.2存储转发交换1.存储转发交换的概念和特点在交换过程中，交换设备将接收到的数据单元先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。这种数据传输技术称为存储-转发。可以实现信道的资源共享，提高线路利用率；有路选功能，可以均衡流量；有差错控制功能，可以提高系统可靠性；可以实现不同通信速率线路之间的数据传送。因此，存储转发方式在计算机网络中得到了广泛的应用。2.存储转发的分类(1)报文交换将待传数据作为一个单元，打包后形成报文，不管报文大小作为整体一起发送。特点：报文大小不一，造成缓冲区管理复杂；大报文造成存储转发的延时过长；出错后整个报文需全部重发。2.4.2存储转发交换(2)报文分组交换（分组交换）发送方将长报文划分成多个报文分组进行存储转发，接收方再将各报文分组按顺序重组成报文，这就是报文分组交换，常称为分组交换。特点：对转发设备存储容量要求较小，可以用内存来缓冲分组——速度快；转发延时小——适用于交互式通信；某个分组出错仅重发该分组——效率高；各分组可通过不同路径传输——可靠性高。在实际应用中，分组交换有数据报和虚电路两种方式。2.4.2存储转发交换3.数据报的工作原理1）工作原理：数据报是报文分组存储转发的一种形式。在数据报方式中，分组传送之间不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。源主机所发送的每一个分组都可以独立地选择一条传输路径。每个分组在通信子网中可能是通过不同的传输路径到达目的主机。数据报方式的数据交换过程2.4.2存储转发交换2）数据报特点：

同一报文的各分组独立进行路由选择；同一报文的分组到达目的结点时可能出现乱序、丢失等现象；每一个分组都需带有足够的地址信息；传输延迟较大，不适于长报文、会话式通信。2.4.2存储转发交换4.虚电路的工作原理

1）工作原理虚电路方式在分组发送之前，需要在发送方和接收方建立一条逻辑连接即虚电路连接。在这一点上，虚电路方式与电路交换方式类似，整个通信过程分为3个阶段：①虚电路建立阶段；②数据传输阶段；③虚电路拆除阶段。

虚电路交换方式的工作工程2.4.2存储转发交换2）虚电路特点：

发送数据前，先建立逻辑连接，有一定时间延迟；各分组沿虚电路传送，不需做路由选择，不需带全地址信息；分组到达目的地不会出现乱序、丢失等现象；每结点可以和任何结点建立多条虚电路连接，可共享带宽。项目数据报虚电路目标地址每个分组都需要建立连接时需要初始化设置不需要需要分组顺序通信子网不负责通信子网负责保证差错控制由主机负责通信子网负责对主机透明流量控制网络层不提供通信子网提供连接的建立和释放不需要需要数据报和虚电路的对比2.4.3其他高速交换技术1.帧中继

早期典型分组交换网是X.25网，它着眼于可靠性，每个中间结点都差错检测。

帧中继是在X.25的基础上简化了差错控制、流量控制和路由选择功能而形成的一种新型交换技术。2.ATM交换

ATM是一种高速分组交换技术，采用了以信元为单位的存储转发方式，故又称为信元交换。

ATM将话音、数据和图像等数据分解成长度固定的数据块，并在各数据块前装配地址、优先级等控制信息构成信元。ATM信元由一个5字节信元头（Header）与一个48字节的用户数据（UserData），信元长度为53字节。2.4.3其他高速交换技术3.同步数字体系SDH

ITU（国际电信联盟）以美国标准SONET（同步光纤网）为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH。SDH具有以下主要特点：（1）实现了数字传输体制上的国际性标准（2）SDH网还有兼容光纤分布式数据接口FDDI、分布式队列双总线DQDB以及ATM信元（3）采用同步复用方式，降低了复用设备的复杂性（4）增强了网络管理能力（5）标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现不同公司光接口设备的互连，降低了组网成本。2.5广域网连接技术2.5.1专线方式在专线连接的方式中，通信运营商利用其通信网络中的传输设备和线路，为用户配置一条专用的通信线路，专线既可以是数字的，也可以是模拟的，其连接方式和结构如图所示。用户通过自身设备的串口短距离连接到接入设备，再通过接入设备跨越一定距离连接到运营商通信网络。专线方式连接示意图2.5.1专线方式

DTE（DataCircuit-terminatingEquipment，数据电路终止设备）DCE（DataTerminalEquipment，数据终端设备）DCE这种设备通常处于主动位置，为用户提供网络通信服务的接口，并且提供用于同步数据通信的时钟信号；客户端的用户设备被称为DTE，通常处于被动位置，接收线路时钟，获得网络通信服务。专线方式的特点包括：（1）用户独占一条永久性、点对点专用线路。（2）线路速率固定，由客户向运营商租用，并独享带宽。（3）部署简单，通信可靠，传输延迟小。（4）资源利用率低，费用昂贵。（5）点对点的结构不够灵活。2.5.2电路交换方式由于专线方式的费用过于昂贵，用户希望能够使用一种按需建立连接的通信方式来实现不同地域局域网的连接，这就是电路交换方式。电路交换方式的结构与专线方式类似，只是运营商提供的是广域网交换机，从而让用户设备接入电路交换网络。典型的电路交换网是PSTN（PublicSwitchTelephoneNetwork，公共电话交换网）。

PSTN是以电路交换技术为基础的用于传输模拟话音的网络。这个网络中拥有数以亿计的电话机和各种交换设备，为了使庞大的电话网能够正常工作，PSTN采用分级交换方式工作。通常情况下PSTN主要由三个部分组成：本地回路、干线和交换机。本地回路（用户电话机到局级交换机之间）基本上采用模拟线路，干线和交换机是PSTN的主干部分，一般采用数字传输和交换技术。2.5.2电路交换方式缺点：不具有存储转发的能力线路利用率较低数据传输时带宽很小优点：廉价使用场合：最常使用普通拨号电话线的场合是商场中常见的刷卡消费时使用的POS机，对于商场来讲每次刷卡，只是相当于打了一个市内电话，费用相当低廉。电话专线通常是作为备份线路使用的，比如银行的储蓄所为了防止主干线路出现问题，而租用电话专线为主干线路进行备份。

2.5.3数据链路层协议

专线方式和电路交换方式的点到点连接中，运营商提供的线路属于物理层，要想很好的利用这些物理资源，需要在数据链路层提供一些协议，建立端到端的数据链路。常见链路层协议：HDLC（高级数据链路控制）SLIP（串行线路网际协议）SDLC（同步数据链路控制）PPP（点对点协议）2.5.3数据链路层协议

HDLC协议20世纪70年代初，IBM公司率先提出了面向比特的SDLC（SynchronousDataLinkControl，同步数据链路控制）。随后，ANSI和ISO均采纳并发展了SDLC，并分别提出了自己的标准：ANSI的ADCCP（AdvancedDataControlProcedure，高级通信控制）、ISO的HDLC（High-levelDataLinkControl，高级数据链路控制）。2.5.3数据链路层协议

作为面向比特的数据链路控制协议的典型，HDLC具有如下特点：（1）协议不依赖于任何一