第二章数据通信基础

数据通信基础第二章本章学习要点1、掌握数据通信的基本方式、多路复用技术2、掌握数据交换技术、差错控制技术3、了解数字编码技术本章重难点1、掌握数据通信的基本方式、多路复用技术2、数据交换方式及各自特点计算机网络概述2.1数据通信系统概述2.2通信的基本方式2.3通信中的编码技术2.4同步技术与多路复用技术2.5数据交换技术2.6差错控制技术2.1数据通信系统概述现代意义上的数据通信是在电流发现之后产生的，可大致分为3个阶段：初级阶段、近代阶段和现代阶段数据通信的产生和发展2.11数据通信的产生和发展1.初级数据通信阶段1837年，莫尔斯展示了实用电报系统，在莫尔斯电报系统中，所有的传输都采用二进制信号形式，且所有的用户文本信息必须首先被转换成二进制数据形式，因此,莫尔斯电报系是现代数据通信系统的先驱。1876年，Bell发明了可以实时传输完整语音信号的有线电话。模拟原始语音的电信号直接通过电话线路传输,实现了语音信息的长距离传输。相对于电报系统,电话终端机使用更简单,不需要用户掌握任何专业知识。电话系统促使数据通信扩展到语音通信领域。1901年,马克尼((GuglielmoMarconi)发明了无线电报。无线电报为无线数据通信开辟了一个崭新的领域,1938年出现的电视广播,使数据通信中传输和交流的信息从单一的文本、语音发展到实时图像。2.近代数据通信阶段1946年,计算机的产生和数字化技术的快速崛起,对数据通信中数字传输的兴起、发展起到了至关重要的作用,计算机技术是现代数据通信产的基础。1960年,集成电路为数据通信中的各种电子设备提供了高速、微小、功能强的“心”,大大提高了数据传输系统的性能。20世纪70年代出现的光纤传输系统,使数据传输系统的传输速率性能得到了极大的提高;随后出现的卫星通信,将数据通信扩展到了外太空。20世纪80年代开始出现的蜂窝移动通信,使得人们可以随时随地进行数据信息交换。3.现代数据通信阶段20世纪90年代以来,随着计算机网络技术的发展及Intemetf的出现和快速普及,使得分布在世界各地的属于不同网络的计算机之间能够进行快速的数据通信,数据通信技术和应用进入了快速发展阶段。随着互联网从早期单纯的数字数据承载网演变成了集数据、语音和图像等多种信息格式的多媒体信息通信平台后,推动着数据通信进入了一个崭新的发展阶段数据通信在科技、商贸、金融、交通、军事等领域发挥着越来越重要的作用且应用日趋广泛,几乎渗透到人们生活的各个角落,如电子邮件、气象预报、异地会诊、远程教育、智能运输系统、金融结算、股票交易、网络游戏、电子商务、办公自动化等。2.1.2数据通信的信号简单地说,据通信是借助于电信号或光信号通过传输线路,在发送端和接收端之间进行数据信息的传输信号是数据信息的载体,是通过电压、电流、电荷及电磁波等物理量在强度上的变化来携载各种形式的数据信息(如语音、文本、图像和视频)进行传输的。（1）模拟信号和数字信号（2）基带信号和宽带信号（简单了解）2.11数据通信的信号（1）模拟信号和数字信号

①模拟信号模拟信号是一种连续变化的电信号,其波形为连续曲线,中间无断裂和不连信号的强度取值随时间变化连续变化,其波形如图所示

2.11数据通信的信号（1）模拟信号和数字信号

②数字信号数字信号是一种非连续变化的电信号,其波形为不连续曲线。信号的强度始终在有限个数的值之间变化,其波形如图所示

2.1.3数据通信系统模型和组成通信系统必须包括3个基本组成部分：信源、传输介质、信宿。信源产生的信息通过发送设备发送到传输介质，并以电磁信号形式在传输介质中传输。接受设备把从传输介质中接收到的信号复原成数据信息后递交给信宿。数据通信是计算机与计算机或计算机与终端设备之间的通信，它传输信息的目的不仅是为了交换数据信息，更主要是为了利用计算机来处理数据信息。数据通信系统由数据终端设备、数据通信设备和传输信道构成。

2.1.4数据通信衡量标准（1）带宽,单位：赫兹Hz、千赫KHz、兆赫MHz、（2）数据传输速率，单位：比特/秒，b/s（3）信道容量（4）波特率，单位：码元/秒（5）吞吐量，单位：比特/秒，b/s（6）延迟（7）错误率

2.2通信的基本方式2.2通信的基本方式对于点到点之间的通信，按照数据传送的方向与时间的关系，通信方式可以分为单工通信、半双工通信和全双工通信。数字通信中，按照数字信号码元排列方法的不同，通信方式又可分为串行通信和并行通信两种。并行通信并行通信用于计算机内部与各部件之间或者近距离设备之间的数据传输。至少有8个数据位同时在两台设备之间传输，发送端与接收端有8条数据线相连，发送端同时发送8个数据位，接收端同时接收8个数据位。串行通信串行通信常用于计算机与计算机或计算机与终端设备之间远距离的数据传输。发送端一次只发送或接收一个数据位。传输速率要比并行通信慢得多，发送两端只需一根传输线，成本大大降低。单工通信单工通信是指传送得信息始终是一个方向的通信。发送端发信息发往接收端，根据信息流决定发送端和接收端。例如：收听广播电视、主机显示器等。半双工通信半双通信是指信息流可以在两个方向传输，但同时一个时刻只限于一个方向传输。通信的双方都具备发送和接收装置，每一端既可以是发送端也可以是接收端。例如：对讲机。全双工通信全双通信是指同时可以作双向的通信。通信的一方在发送信息的同时也能够接收信息。例如：电话和电话、计算机和计算机之间的通信。广播式通信若一台计算机用通信信道发送分组时，所有其他的计算机都能接收到改分组，这种通信方式称为广播式通信。发送的分组中带有目的地址和源地址，接收到分组的计算机检查目的地址是否与本地址相同，相同接收，不同丢弃。点到点式通信在点到点式网络中，每条物理线路连接一对计算机。两台计算机间可以直接通信，若没有直接连接的线路，它们的通信通过中间节点的接收、存储、转发直到目的节点。由于连接多台计算机之间的线路结构复杂，所以从源节点到目的节点可能存在多条路由。采用分组存储转发与路由选择是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。基带通信由于计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号通常呈矩形波形式，它占据的频率范围从直流和低频开始，这种电脉冲信号称为基带信号。占有固有的频率，只传输这一种信号，最简单、最基本的通信方式，适用于传输各种速率要求的数据、适合近距离通信。宽带通信利用带宽进行通信，能够在同一信道上进行数字和模拟信息的传输。可容纳全部广播信号，进行高速的数据传输。在局域网中存在基带和宽带两种通信方式，基带通信的数据速率比宽带通信低。宽带能够把声音、图像、数据等多媒体信息综合到一个物理信道上。2.3通信中的编码技术采样量化编码编码技术：根据传输系统和设备的不同，模拟数据和数字数据之间存在着相互转化的问题。编码/解码技术用于实现模拟信号和数字信号之间的转换。编码是将模拟信号转换为数字信号的过程。解码是将数字信号转换为模拟信号的逆过程。转换的过程包括3个步骤：采样、量化、编码。1.采样通过某种频率的采样脉冲将模拟信号等间隔取样，变连续的模拟信号为离散信号的过程称为采样。基于“香农采样原理”：只要采样频率大于或者等于有效最高频率的两倍，采样值可以基本包含原始信号的所有信息，被采样的信号可以不被失真的还原原始信号。2.量化量化的目的是确定采样出的模拟信号的数值，通过规定一定的量化级，对采样的离散值进行“取整”量化，得到离散信号的具体数值。所取得的量化级越高，表示离散信号的值精度越高。3.编码将量化后的数值编码成一定位数的二进制数值。当量化值为N时，对应的二进制位数为log2N。调制解调器（modem），是调制器和解调器的缩写，一种计算机硬件，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号，而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。这一简单过程完成了两台计算机间的通信。调制解调器是Modulator（调制器）与Demodulator（解调器）的简称，中文称为调制解调器，根据Modem的谐音，亲昵地称之为“猫”，是一种能够实现通信所需的调制和解调功能的电子设备。一般由调制器和解调器组成。在发送端，将计算机串行口产生的数字信号调制成可以通过电话线传输的模拟信号；在接收端，调制解调器把输入计算机的模拟信号转换成相应的数字信号，送入计算机接口。在个人计算机中，调制解调器常被用来与别的计算机交换数据和程序，以及访问联机信息服务程序等。2.4同步技术和多路复用技术同步技术在数据通信系统中,接收端收到的信息应与发送端发出的信息完全一致,这就要求在通信中收发双方必须有统一的、协调一致的动作。若收发两端的动作互不联系不协调,则收发之间就会出现误差,随着时间的增加和误差的积累将导致收发“失步”,使系统不能正确传输信息。为了避免收发“失步”,使整个通信系统可靠地工作,需要采取“同步”技术，统一收发两端动作、保持收发步调一致的过程就称为“同步”。常用的同步方式有两种同步传输方式和异步传输方式。同步传输方式这种方式不以字符为单位,而以数据块(一组字符或比特流)为单位传输。在传输中，字符之间不加起始位和停止位。为了使接收方容易确定数据块的开始和结束,需要在每据块的前后加上起始和结束标志,以便使发送方和接收方之间能建立起一个同步的传输程,同时还可以用这些标志来区分与隔离连续传输的数据块。数据块起始和结束标志的特性取决于数据块是面向字符的还是面向比特的。（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，标记一个数据块的开始和结束，一般还要附加一个校验序列，以便对数据块进行差错控制。所谓同步传输是指数据块与数据块之间的时间间隔是固定的。）在面向字符的方式中,数据块的内容是由若干个字符组成的,起始和结束标志由特殊的字符(如SYN、EOT等)构成;在面向比特的方式中,其数据块的内容不再是字符流,而是一串比特流,相应的首尾标志可以是某一特殊的位模式,如在面向比特的高级数据链路控制规程HDLC中用位模01111作为数据块的起和结束标志。优点：传输效率高，开销小（费用少）。缺点：传输的数据中有一位出错，必须重新传输整个数据块，控制比较复杂。异步传输方式异步传输中，同一个字符内相邻两位的间隔是固定的，而两个字符之间的间隔是不固定的。即“字符内同步，字符间异步”。字符分为5位和8位二进制数，一般5位二进制数字符的停止位设为1.5位，8位二进制数的字符停止位设为2位，其中8位字符中包含1位校验位。异步传输方式中每个字符含相同的位数，字符每位的位宽相同，传送每个字符所需要的时间由字符的起始位和停止位之间的时间间隔决定，是一个固定值。异步传输方式缺点：附加了起始位和停止位，增加了传输开销，所以传输速率有所下降。优点：如果出现错误，只需重发一个字符。控制简单，实现容易，适用于低速率场合。多路复用技术为了节省通信系统的费用,提高通信系统的工作效率,人们希望一路传输介质能同时传输多路信息,即一条线路多个信道,于是多路复用技术应运而生。其基本原理是允许两个或多个数据源共享同一个传输介质,就像每个数据源都有自己的信道一样,在发送端将若干个彼此无关的信号合并为一个能在一个共用信道上传输的复合信号,在信号的接收端将复合信号分离出原来的若干个彼此无关的信号，不论一入或输出端的数量多少,都只需要一条传输线路。常用的多路复用技术有频分多路复用(FDM)、时分多路复用(TDM)、统计时分多路复用(STDM)和波分多路复用(WDM)等。频分多路复用(FDM)频分多路复用是按频率区分信号的方法,把传输频带分割成若干个较窄的频带,每个窄频带构成一个子信道，每个子信道独立地传输一路信息。适用于模拟信号。时分多路复用(TDM)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信道，只要各路数据在时间上能区分开。波分多路复用(WDM)波分多路复用原理和频分多路复用相似，只要用于光纤通信。利用不同波长的光在一条光纤上同时传输多路信号。每个信道有各自的频率范围且互不重叠，通过共享光纤进行远距离传输。2.5数据交换技术数据交换技术数据通信最简单的形式是两个站点直接用线路连接进行通信，如果两个站点相距遥远或要进行多站点之间的通信，采用直接连接显然不合适。缺点：专线连接不方便，费用昂贵。解决上述问题的方法就是设置交换节点。各通信站点和交换节点相连，再把各交换节点用通信线路相连，组成通信网络。任意两个站点之间的通信线路是通过网络的若干节点转接而成，每个通信站点只用一条线路和通信网络的节点相连，这样组成的网络称为交换网络。小圆圈表示站点，小方框表示交换节点。三种交换技术：电路交换、存储-转发交换、快速分组交换。电路交换电路交换技术是一种直接交换方式，由交换机负责在两个通信站点之间建立一条物理专用通道。它的特点是在开始正式数据传输之前，首先由一段通信站点发起呼叫，交换网建立连接，直到两端通信站点间建立起一条转接式数据通路，然后开始数据传输。在整个传输期间，该通路一直为通信双方占用，直到通信结束才释放，包括线路连接、数据传输和线路拆除三个阶段。存储-转发交换存储转发交换是源于传统的电报传输方式发展而来的一种数据交换技术,它不像交换那样需要通过呼叫建立起物理的传输通路,而是以接力方式,数据在网络的节点段传送,直到系统目的端。输入的信息在交换设备控制下先在存储区暂存,并对存储的信息进行处理,待指定输出线路空时再将信息转发出去,此处交换设备起开关作用。交换设备可控制输入信息存入缓冲区等待出口的空闲，接通输出并传送信息。优点：均衡色荷、建立电路延小、可进行差错控制等点,缺点：实时性不够好,输延退较大。在一些实时性要求不是很高的场合(如计算机网络),可采用这种交换方式使数据在中间节点先作存储,再转发出去,在存储等待时间内可对数据进行必要的处理。根据被交换数据单元长度的不同,存储一转发交换技术主要有两种实现形式,即报文交换和分组交换。报文交换报文交换过程是发送方先把待传送的信息分为多个报文正文,在报文正文上附加发、收站地址及其他控制信息,形成一份完整的报文,然后以报文为单位在交换网的各节点间传送,节点在接收整个报文后对报文进缓存和必要的处理。等到指定输出端线路和下一节点空闲时再将报文转发出去;直到目的节点。目的节点将收到的各份报文按来的顺序进行组合,然后再将完整的信息交付给接收端计算机。报文交换方式是以报文为单位交换信息,每个报文包括报头、报文和报尾三部分。报头由发送端地址、接收端地址及其他辅助信息组成。有时报尾可省去,但此时单个报文必须有统一的固定长度。文交换方式没有拨号呼叫,由文的报头控制其到达目的地。电路交换相比,报文交换具有线路利用率高的特点,因为有许多报文可以分时共享条节点到节点的通道;不需要同时启动发送机和接收机来传输数据,网络可以在接收机启之前暂存报文信息在通信容量很大时,交换网络仍可接收报文,只是传输延迟会增加,可以实现群发、代码转换等功能。分组交换这种方式是把报文分成若干个长度较短的分组(Packet),也称“包”,以分组为位进行暂存、处理和转发。每个分组按格式须附加收发地址标志、分组编号、分组的起始结束标志和差错校验信息等,以供存储转发之用。它规定了分组的长度。一方面大大降低了对网节点存储容量的要求,另一方面可以利用节点设备的主存储器进行存储转发处理,不需访问外存,加快了处理速度,降低了传输延迟。同时,较短信息分组的下一节点和线路的响应时间也较短,从而可提高传输速率。又由于分组较短,在传输中出错的概率减小,即使有差错,重发的信息也只是一个分组而非整个报文,因而也提高了效率。此外,在分组交换过程中多个分组可在网络中的不同链路上并发传送,因此,这又可提高传输效率和线路的利用率,但报文分组交换在发送端要对报文进行分组(组包),在接收端要对报文分组进行重装(拆包并组成报文),这将增加信息的处理时间。分组交换

分组交换实现的关键是分组长度的选择。分组越短,冗余信息(分组中的控制信息)的比例越大,将影响信息传输效率;分组越大,传输中出错的概率也越大,增加重发次数同样也影响传输效率。（1B/1字节=8位二进制数）分组交换的主要特点如下:(1)线路利用率高。(2)信息传输可