数据通信系统模型

第2章数据通信基础数据通信技术是网络技术发展的基础。学习本章的内容将会对最基本的数据通信技术、广域网中数据传输原理与实现方法的理解有很大帮助。

主要内容2.1数据通信的基本概念2.2数据通信方式2.3多路复用技术2.4数据交换技术2.5数据通信的主要性能指标2.6传输媒体2.7总结与习题2.1数据通信的基本概念2.1.1数据、信息与信号

通信的目的是交换信息（information），信息的载体可以是数字、文字、语音、图形或图像。计算机产生的信息一般是字母、数字、符号的组合。为了传送这些信息，首先要将每一个字母、数字或符号用二进制代码表示。数据通信是指在不同计算机之间传送表示字母、数字、符号的二进制代码0、1比特序列的过程。数据通信最引人注目的发展是在19世纪中期。美国人SamuelF.B.Morse完成了电报系统的设计，他设计了用一系列点、划的组合表示字符方法，即莫尔斯（Morse）电报码，并在1844年通过电线从华盛顿向巴尔的摩发送了第一条报文。1866年，通过美国、法国之间贯穿大西洋的电缆，电报将世界上的不同国家连接起来。莫尔斯电报的重要性在于它提出了一个完整的数据通信方法，即包括数据通信设备与数据编码的完整的方法。莫尔斯电报系统的某些术语，如传号(marker)、空号(space)，至今仍在使用。莫尔斯电报码只适用于电报操作员手工发报，而不适用于机器的编码与解码。1870年，法国人EmileBaudot发明了适用于机器编码、解码的博多（Baudot）码。由于博多码采用5位信息码元（即5位0、1比特序列），只能产生32种可能的组合，因此在用来表示26个字母、10个十进制数字、标点符号与空格时是远远不够的。为了弥补这个缺陷，博多码不得不增加两个转义字符。尽管博多码并不完善，但是博多码及其修订版在数据通信中几乎使用了半个世纪。目前应用最广泛的是美国信息交换标准编码ASCII码（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）。ASCII码本来是一个信息交换编码的国家标准，后来被国际标准化组织接受，成为国际标准ISO646，又称为国际5号码。因此，它被用于计算机内码，也是数据通信中的编码标准。ASCII码采用7位二进制比特编码，可以表示128个字符。字符分为图形字符与控制字符两类。二进制编码按高位到低位（b6b5b4b3b2b1b0）的顺序排列，而b7位一般用于字符的校验。那么，英文单词NETWORK（大写）的ASCII码编码的二进制比特序列（不考虑校验位）应该是“1001110100010110101001010111100111110100101001011”。如果要从主机A将这样的二进制比特序列准确地传送到主机B，并且主机A、B都使用ASCII编码，那么主机B就可以将接收的二进制比特序列解释为“NETWORK”。对于数据通信来说，被传输的二进制代码称之为“数据”（data）；数据是信息的载体。数据涉及对事物的表示形式，信息涉及对数据所表示内容的解释。数据通信的任务就是要传输二进制代码比特序列，而不需要解释代码所表示的内容。在数据通信中，人们习惯将被传输的二进制代码的0、1称为码元。随着计算机技术的发展，多媒体（multimedia）技术得到了广泛的应用。媒体（media）在计算机领域中有两种含义：一是指用以存储信息的实体，例如磁盘、光盘、磁带与半导体存储器；二是指信息的载体，例如数字、文字、语音、图形与图像。多媒体技术中的媒体是指后者。多媒体计算机技术就是要研究计算机交互式综合处理多种媒体信息（文本、图形、图像与语音）。利用数字通信系统来实现多媒体信息的传输，是通信技术研究的重要内容之一。与文本本、图图形信信息传传输相相比较较，语语音、、图像像信息息传输输的特特点是是：要要求数数据通通信系系统具具有高高速率率与低低延时时的特特性。。以图图像信信息传传输为为例，，如果果每帧帧图像像由1024××768个个点阵阵组成成，图图像颜颜色有有256种种，每每个点点阵用用1字字节二二进制制数表表示，，每秒秒钟传传送30帧帧图像像，那那么每每秒钟钟需要要传送送23592960字节节。如如果传传送数数字化化的语语音信信号，，每秒秒钟对对语音音信号号进行行22050次次取取样，，每次次取样样值用用1字字节表表示，，那么么单声声道每每秒钟钟需要要传送送22050字字节；；双声声道立立体声声每秒秒钟需需要传传送44100字节节。多媒体体技术术在网网络中中的应应用，，将对对数据据通信信系统统提出出更高高的要要求。。对于计计算机机系统统来说说，它它关心心的是是信息息用什什么样样的编编码体体制表表示出出来。。例如如，如如何用用ASCII码码表示示字母母、数数字与与符号号，如如何用用双字字节去去表示示汉字字，如如何表表示图图形、、图像像与语语音。。对于数数据通通信技技术来来说，，它要要研究究的是是如何何将表表示各各类信信息的的二进进制比比特序序列通通过传传输介介质，，在不不同计计算机机之间间进行行传送送的问问题。。信号是是数据据在传传输过过程中中的电电信号号的表表示形形式。。电话话线上上传送送的按按照声声音的的强弱弱幅度度连续续变化化的电电信号号称为为模拟拟信号号（analogsignal）。。计算机机所产产生的的电信信号是是用两两种不不同的的电平平去表表示0、1比特特序列列的电电压脉脉冲信信号，，这种种电信信号称称为数数字信信号（（digitalsignal）。。按照在在传输输介质质上传传输的的信号号类型型，可可以相相应地地将通通信系系统分分为模模拟通通信系系统与与数字字通信信系统统两种种。2.1.2数数据据通信信系统统信息的的传递递是通通过通通信系系统来来实现现的，，通信信系统统的基基本模模型共共有五五个基基本组组件，，即发发送设设备、、接受受设备备、发发送机机、信信道和和接收收机。。其中中，把把除去去两端端设备备的部部分叫叫做信信息传传输系系统。。信息息传输输通信信系统统由三三个主主要部部分组组成信信源（（发送送机））、信信宿（（接收收机））和信信道。。1信信源和和信宿宿信源就就是信信息的的发送送端，，是发发出待待传送送信息息的人人或设设备；；信宿宿就是是信息息的接接收端端，是是接收收所传传送信信息的的人或或设备备。2信信道信道本本身也也可以以是模模拟的的或数数字方方式的的，用用以传传输模模拟信信号的的信道道叫做做模拟拟信道道，用用以传传输数数字信信号的的信道道叫做做数字字信道道。3信信号变变换器器信号变变换器器的作作用是是将信信源发发出的的信息息变换换成适适合在在信道道上传传输的的信号号。由于网网络中中绝大大多数数信息息都是是双向向传输输的，，所以以在大大多数数情况况下，，信源源也作作信宿宿，信信宿也也作信信源；；编码码器也也具有有译码码功能能，译译码器器也应应能编编码，，因此此合并并通称称为编编码译译码器器；同同样调调制器器也能能解调调，解解调器器也可可调制制，因因此合合并通通称为为调制制解调调器。。4噪噪声源源一个通通信系系统不不可避避免地地存在在噪声声干扰扰,为为了研研究问问题方方便,把它它们等等效与与一个个作用用于信信道上上的噪噪声源源。5数字通通信与与模拟拟通信信系统统根据信信号的的不同同，数数据通通信系系统可可以分分为数数字通通信系系统和和模拟拟通信信系统统。利利用数数字信信号传传递信信息的的通信信系统统叫做做数字字通信信系统统，利利用模模拟信信号传传递信信息的的通信信系统统叫做做模拟拟通信信系统统。数据传传输是是数据据通信信系统统的基基础数据传传输系系统模模型网络中中两台台计算算机的的通信信过程程2.2通通信方方式在设计计一个个数据据通信信系统统时，，还要要回答答以下下三个个问题题：1.是是采采用串串行通通信方方式，，还是是采用用并行行通信信方式式？2.是是采采用单单工通通信方方式，，还是是采用用半双双工或或全双双工通通信方方式？？3.是是采采用同同步通通信方方式，，还是是采用用异步步通信信方式式？2.2.1串串行通通信与与并行行通信信数据通通信按按照字字节使使用的的信道道数，，可以以分为为两种种：串串行通通信、、并行行通信信。在计算算机中中，通通常是是用8位的的二进进制代代码来来表示示一个个字符符。在在数据据通信信中，，人们们可以以按图图（a）所所示的的方式式，将将待传传送的的每个个字符符的二二进制制代码码按由由低位位到高高位的的顺序序，依依次发发送。。这种种方式式称为为串行行通信信。在数据据通信信中，，人们们也可可以按按图（（b））所示示的方方式，，将表表示一一个字字符的的8位位二进进制代代码同同时通通过8条并并行的的通信信信道道发送送出去去，每每次发发送一一个字字符代代码，，这种种工作作方式式称为为并行行通信信。显然，，采用用串行行通信信方式式只需需要在在收发发双方方之间间建立立一条条通信信信道道；采采用并并行通通信方方式，，收发发双方方之间间必须须建立立并行行的多多条通通信信信道。。对于于远程程通信信来说说，在在同样样传输输速率率的情情况下下，并并行通通信在在单位位时间间内所所传送送的码码元数数是串串行通通信的的n倍倍（此此例中中n=8））。由由于需需要建建立多多个通通信信信道，，并行行通信信方式式的造造价较较高；；因此此在远远程通通信中中，人人们一一般采采用串串行通通信方方式。。2.2.2异步传传输与与同步步传输输数字通通信中中必须须解决决的一一个重重要问问题，，就是是要求求通信信的收收发双双方在在时间间基准准上保保持一一致。。即接收收方必必须知知道它它所接接收的的数据据每一一位的的开始始时间间与持持续时时间，，这样样才能能正确确地接接收发发送方方发来来的数数据。。1.异异步传传输方方式异步传传输的的工作作原理理是：：每个个字节节作为为一个个单元元独立立传输输，字字节之之间的的传输输间隔隔任意意。2.同同步传传输同步传传输方方式不不是对对每个个字节节单独独进行行同步步，而而是对对一组组字符符组成成的数数据块块进行行同步步。2.2.3数数据据传输输方向向数据通通信按按照信信号传传送方方向与与时间间的关关系，，可以以分为为三种种：单单工工通信信、半半双工工通信信、全全双工工通信信。如下图图（a）所所示，，在单单工通通信方方式中中，信信号只只能向向一个个方向向传输输，任任何时时候都都不能能改变变信号号的传传送方方向。。只能能向一一个方方向传传送的的通信信信道道，只只能用用于单单工通通信方方式中中。如图（（b））所示示，在在半双双工通通信方方式中中，信信号可可以双双向传传送，，但必必须是是交替替进行行，一一个时时间只只能向向一个个方向向传送送。可可以双双向传传送信信号，，但必必须交交替进进行的的通信信信道道，只只能用用于半半双工工通信信方式式中。。如图（（c））所示示，在在全双双工通通信方方式中中，信信号可可以同同时双双向传传送。。只有有可以以双向向同时时传送送信号号的通通信信信道，，才能能实现现全双双工通通信，，自然然也就就可以以用于于单工工或半半双工工通信信。2.2.4连连接接方方式式数据据通通信信的的连连接接方方法法有有两两种种，，即即点点对对点点连连接接方方式式和和多多点点连连接接方方式式。。下下图图所所示示的的是是典典型型的的点点对对点点的的连连接接方方式式，，modem一一旦旦拨拨号号连连通通之之后后，，这这条条线线路路就就被被通通信信双双方方占占用用，，不不会会有有第第三三者者再再插插进进来来。。如如果果通通信信双双方方采采用用专专线线连连接接，，还还可可以以省省去去用用modem拨拨号号的的过过程程。。各个个通通信信终终端端公公用用一一条条通通信信主主线线路路的的通通信信方方式式叫叫做做多多点点连连接接。。这这种种方方式式的的特特点点是是节节省省线线路路，，缺缺点点是是需需要要解解决决多多个个终终端端同同时时通通信信时时产产生生的的线线路路争争用用问问题题。。2.2.5基带带传传输输与与频频带带传传输输数据据信信号号的的传传输输方方法法有有基基带带传传输输和和频频带带传传输输（（又又称称宽宽带带传传输输））两两种种。。在在计计算算机机网网络络中中，，频频带带传传输输是是指指计计算算机机信信息息的的模模拟拟传传输输，，基基带带传传输输是是指指计计算算机机信信息息的的数数字字传传输输。。1.基基带带传传输输在数数据据通通信信中中，，表表示示计计算算机机二二进进制制比比特特序序列列的的数数字字数数据据信信号号是是典典型型的的矩矩形形脉脉冲冲信信号号。。人人们们把把矩矩形形脉脉冲冲信信号号的的固固有有频频带带称称作作基基本本频频带带（（简简称称为为基基带带））。。这这种种矩矩形形脉脉冲冲信信号号就就叫叫做做基基带带信信号号。。在在数数字字通通信信信信道道上上直直接接传传送送基基带带信信号号的的方方法法称称为为基基带带传传输输。。基带带传传输输在在基基本本不不改改变变数数字字数数据据信信号号波波形形的的情情况况下下直直接接传传输输数数字字信信号号，，具具有有速速率率高高和和误误码码率率底底等等优优点点，，在在计计算算机机网网络络通通信信中中被被广广泛泛采采用用。。2.频频带带传传输输电话话交交换换网网是是用用于于传传输输语语音音信信号号的的模模拟拟通通信信信信道道，，并并且且是是目目前前覆覆盖盖面面最最广广的的一一种种通通信信方方式式。。因因此此，，利利用用模模拟拟通通信信信信道道进进行行数数据据通通信信也也是是最最普普遍遍使使用用的的通通信信方方式式之之一一。。为为了了利利用用模模拟拟语语音音通通信信的的电电话话交交换换网网实实现现计计算算机机的的数数字字数数据据信信号号的的传传输输，，必必须须首首先先将将数数字字信信号号转转换换成成模模拟拟信信号号。。2.3数数据据编编码码技技术术1.数数据据编编码码类类型型在计计算算机机中中数数据据是是以以离离散散的的二二进进制制0、、1比比特特序序列列方方式式表表示示的的。。计计算算机机数数据据在在传传输输过过程程中中的的数数据据编编码码类类型型，，主主要要取取决决于于它它采采用用的的通通信信信信道道所所支支持持的的数数据据通通信信类类型型。。根据据数数据据通通信信类类型型，，网网络络中中常常用用的的通通信信信信道道分分为为两两类类：：模模拟拟通通信信信信道道与与数数字字通通信信信信道道。。相相应应的的用用于于数数据据通通信信的的数数据据编编码码方方式式也也分分为为两两类类：：模模拟拟数数据据编编码码与与数数字字数数据据编编码码。。2.模模拟拟数数据据编编码码方方法法电话话通通信信信信道道是是典典型型的的模模拟拟通通信信信信道道，，它它是是目目前前世世界界上上覆覆盖盖面面最最广广、、应应用用最最普普遍遍的的一一类类通通信信信信道道。。无无论论网网络络与与通通信信技技术术如如何何发发展展，，电电话话仍仍然然是是一一种种基基本本的的通通信信手手段段。。传传统统的的电电话话通通信信信信道道是是为为传传输输语语音音信信号号设设计计的的，，只只适适用用于于传传输输音音频频范范围围为为300～～3400Hz的的模模拟拟信信号号，，无无法法直直接接传传输输计计算算机机的的数数字字信信号号。。为为了了利利用用模模拟拟语语音音通通信信的的电电话话交交换换网网实实现现计计算算机机的的数数字字数数据据信信号号的的传传输输，，必必须须首首先先将将数数字字信信号号转转换换成成模模拟拟信信号号。。我们将发送送端数字数数据信号变变换成模拟拟数据信号号的过程称称为调制（（modulation），，将调制设设备称为调调制器（modulator）；将接接收端把模模拟数据信信号还原成成数字数据据信号的过过程称为解解调（demodulation），，将解调设设备称为解解调器（demodulator）。。因此，同同时具备调调制与解调调功能的设设备，就被被称为调制制解调器（（modem）。3.数字字数据编码码方法在数据通信信技术中，，我们将利利用模拟通通信信道通通过调制解解调器传输输模拟数据据信号的方方法称为频频带传输，，将利用数数字通信信信道直接传传输数字数数据信号的的方法称为为基带传输输。频带传输的的优点是可可以利用目目前覆盖面面最广、普普遍应用的的模拟语音音通信信道道。用于语语音通信的的电话交换网技术成成熟并且造造价较低，，但其缺点点是数据传传输速率与与系统效率率较低。基基带传输在在基本不改改变数字数数据信号频频带（即波波形）的情情况下直接接传输数字字信号，可可以达到很很高的数据据传输速率率和系统效效率。因此此，基带传传输是目前前迅速发展展与广泛应应用的数据据通信方式式。在基带传输输中，数字字数据信号号的编码方方式主要有有以下几种种：(1)非非归零码非归零码（（NRZ，，nonreturntozero））NRZ码码可以规规定用负电电平表示逻逻辑“0””，用正电电平表示逻逻辑“1””；也可以以有其他表表示方法。。(2)曼曼彻斯特（（Manchester）编编码每个比特的的中间有一一次电平跳跳变，可可以把“0”定义为为由高电平平到低电平平的跳变,“1”定定义为由低低电平到高高电平的跳跳变。(3)差差分曼彻斯斯特（differenceManchester））编码差分曼彻斯斯特编码是是对曼彻斯斯特编码的的改进。““0”和““1”是根根据两比特特之间有没没有跳变来来区分的。。如果下一一个数是““0”，则则在两比特特中间有一一次跳变；；如果下一一个数据是是“1”，，则在两比比特中间没没有电平跳跳变。2.4多多路复复用技技术当传输输介质质的带带宽超超过了了传输输单个个信号号所需需的带带宽，，人们们就通通过在在一条条媒体体上同同时携携带多多个传传输信信号的的方法法来提提高传传输系系统的的利用用率，，这就就是所所谓的的多路路复用用（multiplexing））。多多路复复用技技术能能把多多个信信号组组合在在一条条物理理信道道上进进行传传输，，使多多个计计算机机或终终端设设备共共享信信道资资源，，提高高信道道的利利用率率。特特别是是在远远距离离传输输时，，可大大大节节省电电缆的的成本本、安安装与与维护护费用用。多路复复用技技术通通常有有频分分多路路复用用、时时分多多路复复用、、波分分多路路复用用和码码分多多路复复用等等。1频频分多多路复复用频分多多路复复用（（frequencydivisionmultiplexing，，FDX））就是是将具具有一一定带带宽的的信道道分割割为若若干个个有较较小频频带的的子信信道，，每个个子信信道供供一个个用户户使用用。这这样在在信道道中就就可同同时传传送多多个不不同频频率的的信号号。采用频频分多多路复复用时时数据据在各各子信信道上上是并并行传传输的的。由由于各各子信信道相相互独独立，，故一一个信信道发发生故故障时时不影影响其其他信信道。。2时时分多多路复复用时分多多路复复用（（timedivisionmultiplexing，TDM）是是将一一条物物理信信道的的