计算机网络技术教程

第1章计算机网络根底主要内容：l了解：计算机网络的形成与开展过程l掌握：计算机网络的定义、功能、分类、组成和网络拓扑结构l了解：计算机网络的典型应用l掌握：数据通信的根本概念和通信系统的常用指标l掌握：数据传输的类型及编码方法l了解：数据通信的方式及同步技术l

理解：多路复用技术的分类与特点l

理解：广域网中的数据交换技术l

掌握：过失控制的内容及技术

1.1

计算机网络的形成与开展

1.2

计算机网络的定义

1.3

计算机网络的分类

1.4

计算机网络的组成

1.5

计算机网络拓扑结构1.6

计算机网络的典型应用

1.7

数据通信的根本概念1.8

串行传输与并行传输1.9

数据传输类型与编码技术1.10

数据同步技术1.1

计算机网络的形成与开展

目前，人们通常认为将计算机网络的形成与开展进程分为4代。1.第一代－面向终端的计算机通信网络在20世纪50年代中期至60年代末期，计算机技术与通信技术初步结合，形成了计算机网络的雏形。此时的计算机网络，参见图1-1。图1-1面向终端的网络

2.

第二代－初级计算机网络在20世纪60年代末期至70年代后期，计算机网络在通信网络的根底上，完成了计算机网络体系结构与协议的研究，形成了计算机的初级网络，见图1-2。图1-2“计算机网络的资源子网和通信子网结构示意图〞3.

第三代－开放式的标准化计算机网络第三代是指20世纪70年代中期至90年代中期这个阶段。即“开放式的标准化计算机网络〞。在开放式网络中，所有的计算机和通信设备都遵循着共同认可的国际标准，从而可以保证不同厂商的网络产品可以在同一网络中顺利地进行通信。4.

第四代－综合性、智能化、宽带高速和平安的计算机网络在20世纪90年代中期直至现在，这个阶段计算机网络向全面互连、高速和智能化开展，并将得到广泛地应用。1.2

计算机网络的定义

人们通常对“计算机网络〞的定义是：为了实现计算机之间的通信交往、资源共享和协同工作。采用通信手段，将地理位置分散的、各自具备自主功能的一组计算机有机地联系起来，并且由网络操作系统进行管理的计算机复合系统就是计算机网络。1.

计算机网络涉及的3个要点①自主性：一个计算机网络可以包含有多台具有“自主〞功能的计算机。②

有机连接：所谓的“有机〞地连接是指连接时彼此必须遵循所规定的约定和规那么。这些约定和规那么就是通信协议。③

资源共享为根本目的：建立计算机网络的主要是为了实现通信的交往、信息资源的交流、计算机分布资源的共享，或者是协同工作。资源共享作为网络的最根本特征。2.

计算机网络的功能计算机网络的建立目的就是其应具有的功能，因此，它应当实现以下的根本功能：①

实现计算机之间和计算机用户之间的通信交往。②

实现资源共享，即实现计算机硬件资源、软件资源和数据与信息资源的共享。计算机之间或计算机用户之间的协同工作。1.3

计算机网络的分类

1.

按照网络的使用范围分类按照网络的使用范围可以将计算机网络分为以下2类：〔1〕公用网〔publicnetwork〕“公用网〞是指任何单位、部门或个人均可租用的网络。一般指由国家电信和邮电部门构建的网络。〔2〕

专用网〔privitenetwork〕“专用网〞是指单位、部门为了某种目的而构建的私有网络。2.

按照网络的作用范围分类本书按照网络作用的地理范围的大小，可以将网络分为以下3类：l

局域网〔LocalAreaNetwork，LAN〕l

城域网〔MetropolitanAreaNetwork，MAN〕l

广域网〔WideAreaNetwork，WAN〕表1-1各类计算机网络的特征参数

网络分类缩写作用范围大约处理机位于同一应用实例局域网LAN10m房间小型办公室网络、智能大厦、校园或园区网络100m建筑物1km校园城域网MAN10km城市城市网络广域网WAN100km或1000km国家或洲际公用广域网、专用广域网在表1-1中，大致给出了各类网络的作用范围。总的规律是作用范围越大，速率越低。如，局域网距离最短，因此，传输速率最高。一般来说，传输速率是关键因素，它极大地影响着计算机网络硬件技术的各个方面。〔1〕

局域网-LAN局域网〔localareanetwork，LAN〕就是局部区域的计算机网络。局域网的本质特征是作用范围短、数据传输速度快、延迟小、可靠性高。〔2〕

广域网-WAN广域网〔wideareanetwork，WAN〕也称远程网。一般，广域网是指作用在不同国家、地域、甚至全球范围内的远程计算机通信网络。用户构建的专用广域网的速率一般较低。〔3〕

城域网-MAN城域网〔metropolitanareanetwork，MAN〕的作用范围是从几公里到几十公里的城市。人们既可以使用广域网的技术去构建与城域网，也可以使用局域网的技术来构建城域网。1.4

计算机网络的组成

由于计算机网络的根本功能分为数据处理和数据通信两大局部，因此，它所对应的结构也可以分成相应的两个局部。其一，负责数据处理的计算机与终端设备；其二，负责数据通信的通信控制处理机和通信线路。图1-2表示了计算机网络的组成结构，即计算机网络按其逻辑功能上分为资源子网和通信子网。1.4.1

计算机资源子网

1.

资源子网的组成如图1-2所示，资源子网由拥有资源的主计算机系统、请求资源的用户终端、终端控制器、通信子网的接口设备、软件资源和数据资源组成。〔1〕

主计算机〔Host〕在计算机网络中“主计算机〞可以是大型机、中型机、小型机、终端工作站或者微型机〔PC〕。主计算机是本地用户访问网络共享资源，以及使用网络效劳的接口。〔2〕

终端〔Terminal〕终端一般是指没有存储与处理信息能力的简单输入、输出终端设备。2.

资源子网的根本功能资源子网负责全网的数据处理业务，并向网络客户提供各种网络资源和网络效劳。1.4.2

计算机通信子网

1.

通信子网的组成通信子网由通信控制处理机、通信线路和其它通信设备组成。〔1〕

通信控制处理机〔communicationcontrolprocessor，CCP〕通信控制处理机是一种在数据通信系统中专门负责网络中数据通信、传输和控制的专门计算机或具有同等功能的计算机部件。〔2〕

通信线路通信线路，即通信介质，它和网络上的各种通信设备一起组成了通信信道。计算机网络中采用的通信线路的种类很多。如，架空明线、双绞线、同轴电缆、光导纤维电缆等有线通信线路组成通信信道；以及红外线、无线电、微波等无线通信线路组成通信信道。2.

通信子网的根本功能通信子网提供网络通信功能，完成全网主机之间的数据传输、交换、控制和变换等通信任务。负责全网的数据传输、转发及通信处理等工作。1.5

计算机网络拓扑结构1.5.1

计算机网络拓扑的定义1.

网络拓扑的定义通常，将通信子网中的通信处理机CCP和其它通信设备称为节点，通信线路称为链路，而将节点和链路连接而成的几何图形称为该网络的拓扑结构。2.

网络拓扑的用途网络拓扑的设计选型是计算机网络设计的第一步。网络拓扑结构的选择将直接关系到网络的性能、系统可靠性、通讯和投资费用等因素。1.5.2计算机网络拓扑结构的分类与通信子网的类型

〔1〕

播送信道通信子网在采用播送信道的通信子网中，一个公共通信信道被多个节点使用。在任一时间内只允许一个节点使用公共通信信道，其典型的代表就是“总线型〞拓扑结构，见图1-3(a)。利用播送通信信道完成网络通信任务时，必须解决的两个根本问题是：①

确定谁是通信对象。②解决多节点争用公用通信信道的问题。〔2〕

点-点线路通信子网在点-点线路通信子网中，每条物理线路连接一对节点。如果两个节点之间没有直接连接的物理线路，那么它们之间的通信只能通过其它节点转接。2.

根本拓扑结构类型常见的根本拓扑结构有：总线型、星型、环型、树型和网状型等，如图1-3所示。图1-3计算机网络根本拓扑结构〔1〕

总线型拓扑结构在总线逻辑拓扑结构中，使用单根传输线路〔总线〕作为传输介质，所有网络节点都通过接口，串接在总线上。〔2〕

环型拓扑结构环型拓扑结构如图1-3〔b〕所示。在环型拓扑结构中，各个节点通过点到点的通信线路首尾相接，形成闭合的环型。环路中的数据沿一个方向传递。由于信号单向传递，因此，适宜使用光纤，可以构成高速网络。〔3〕

星型拓扑结构星型拓扑结构如图1-3〔c〕所示。在星型拓扑结构中，每个节点都由一个单独的通信线路连接到中心节点上。中心节点控制全网的通信，任何两个节点的相互通信，都必须经过中心节点。〔4〕

树型拓扑结构树型拓扑结构如图1-3〔d〕所示，树型拓扑结构可以看成是星型拓扑结构的扩展。〔5〕

网状型拓扑结构网状结构拓扑结构如图1-3〔e〕所示。在网状拓扑结构中节点之间的连接是任意的、无规律的。每两个节点之间的通信链路可能有多条，因此，必须使用“路由选择〞算法进行路径选择。〔6〕

卫星通信网络的拓扑结构卫星通信网中，通信卫星就是一个中心交换站，通过分布在不同地理位置的地面站与各地区网络相互连接。1.6

计算机网络的典型应用

1.管理信息系统〔ManagementInformationSystem，MIS〕MIS是基于数据库的应用系统。是在网络的根底上建立的管理信息系统。2.

办公自动化系统〔OfficeAutomationsystem，OA〕办公自动化系统可以将一个机构的办公用的计算机和其它办公设备连接成网络。3.

信息检索系统〔InformationRetrieveSystem，IRS〕IRS检索与查询向公众开放信息和资源。IRS不仅可以进行网络上的查询，还可以实现网络购物、股票交易等网上贸易活动。4.

电子收款机系统〔PointOfSells，POS〕POS以电子自动收款机为根底，并与财务、方案、仓储等业务部门相连接。5.

计算机集成与制造系统〔ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS〕CIMS实际上是企业中的多个分系统在网络上的综合与集成。6.

电子数据交换系统〔ElectronicDataInterchangesystem，EDI〕EDI，即电子商务系统，其主要目标是实现无纸贸易。1.7

数据通信的根本概念1.7.1

信息、数据和信号在计算机网络中，通信的目的是为了交换信息。1.

信息〔Information〕信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像等。为了传送信息，必须对信息中所包含的每一个字符进行编码。因此，用二进制代码来表示信息中的每一个字符就是编码。2.

常用的二进制代码目前最常用的二进制编码标准为美国标准信息交换码。ASCII码用7位二进制数来表示一个字母、数字、控制字符或符号。任何信息都可以用ASCII码来表示。3.

数据〔data〕和信号〔Signal〕在二进制码代码的传输过程中，网络中所传输的二进制代码被称为数据〔data〕，它是传递信息的载体。数据仅涉及事物的表示形式，而信息那么涉及到这些数据的内容和解释。信号〔signal〕是数据在传输过程中的电磁波表示形式。通常，将数据的表示方式分为数字信号和模拟信号两种。图1-4〔a〕为数字信号；而图1-4〔b〕为模拟信号。

图1-4数字信号和模拟信号

1.7.2

信道及信道的分类

1.

信道〔channel〕及其组成“信道〞是数据信号传输的必经之路。一般，它由传输线路和传输设备组成。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。逻辑信道是在物理信道的根底上，实现的多路“连接〞。同一物理信道上可以提供多条逻辑信道；每一逻辑信道上只允许一路信号通过。3.

有线信道和无线信道根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。4.

模拟信道和数字信道模拟信道中传输的是模拟信号，因此，能够传输模拟信号的信道又被称为模拟信道。数字信道中传输的是离散方式的二进制数字脉冲信号。利用数字信道传输数字信号时，不需要进行变换。但在信道的两边需要安装用于数字编码的编码器和用于解码的解码器。5.

专用信道和公用信道专用信道又称专线，这是一种连接用户之间设备的固定线路。公用信道是一种公共交换信道。公共交换网就属于公共交换信道。1.7.3

数据单元

在数据传输时通常将较大的数据块〔如报文〕分割成较小的数据单元〔如分组〕，并在每一段上附加一些信息。这就是数据单元，其中附加的信息通常是序号、地址及校验码等。1.7.4

通讯系统的主要技术指标

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比特率是指在有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位〔bit〕数。S用比特每秒为b/s、千比特每秒kb/s、兆比特每秒Mb/s、吉比特每秒Gb/s等单位来表示。〔2〕波特率B波特率是一种调制速率，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。在数据传输过程中，1Baud就表示每秒钟传送一个码元或一个波形。假设以T〔秒〕来表示每个波形的持续时间，那么调制速率可以表示为：=〔波特〕比特率和波特率之间有以下关系：其中，n为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二相调制中，n=2，故S=B，即比特率与波特率相等。但在更高相数的多相调制时，S与B就不相同了，参见表1-2。表1-2比特率和波特率之间的关系波特率B（Baud）1200120012001200多相调制的相数二相调制（n=2）四相调制（n=4）八相调制（n=8）十六相调制（n=16）比特率S（b/s）1200240036004800波特率〔调制速率〕和比特率〔数据传输速率〕的区别与联系，参见图1-5。图1-5比特率和波特率的区别

1.

带宽带宽是指物理信道的频带宽度，单位为赫兹〔Hz〕、千赫〔kHz〕和兆赫〔MHz〕。2.

信道容量信道容量一般是指物理信道上能够传输数据的最大能力。3.

带宽、数据传输速率和信道容量的关联带宽与数据传输速率这两个术语原来都是用来度量信号实际传输能力的指标。5.

误码率Pe〔1〕

误码率Pe的定义误码率是指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，又称为“出错率〞，其定义式如下：Pe式中：N为传输的二进制位的总数，Ne表示被传错的比特数。

Pe

〔1〕

误码率的性质、获取与实用意义①

性质：误码率Pe是数据通信系统在正常工作状况下，传输的可靠性指标。②

获取：人们通过对通信信道进行大量重复地测试，才能求出该信道的平均误码率。③

采用过失控制技术的意义：在计算机网络中使用普通通信信道时，必须采用过失控制技术才能满足计算机通信系统要求的可靠性指标。6.

时延时延是信道或网络性能的另一个参数，其数值是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一端所需要的时间，其单位是秒s、毫秒〔10-3〕ms、微秒〔10-6〕μs等。1.8

串行传输与并行传输在进行数据传输时，有并行传输和串行传输两种方式。1.8.1

并行传输

并行传输如图1-6所示，并行传输时，可以一次同时传输假设干比特的数据，从发送端到接收端的信道需要用相应的假设干根传输线。图1-6并行数据传输1.8.2

串行传输

串行传输是一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可，因此，可以节省设备，如图1-7所示。在实际采用的串行传输时，发送端需要使用并/串转换装置，将计算机输出的并行数据位流变为串行数据位流。在接收端，那么需要通过串/并转换装置，复原成并行数据位流。

图1-7串行数据传输

串行数据通信又有3种不同方式：即单工通信、半双工通信和全双工通信。1.

单工通信〔双线制〕在单工通信中，数据信号固定地从发送端A传送到接收端B，因此，又叫单向通信。在实际中，一般采用两个通信信道，一个传送数据，一个传送控制信号，如图1-8所示。图1-8单工通信2.

半双工通信〔双线制+开关〕半双工通信如图1-9所示。它允许数据信号双向传送，但不能同时进行。这种方式要求A、B端都有发送装置和接收装置。假设想改变信息的传输方向，需要利用开关进行切换。图1-9半双工通信1.

全双工通信〔四线制〕全双工通信中，允许双方同时在两个方向进行数据传输，因此也被称为双向同时通信。它相当于将两个方向相反的单工通信方式组合起来。因此一般采用四线制，如图1-10所示。图1-10全双工通信1.9

数据传输类型与编码技术1.9.1

数据通信系统的组成与类型1.

数据通信系统的组成一个数据通信系统由三大局部组成，即“信源系统〞〔发送端〕、“传输系统〞〔传输网络〕和“目的系统〞〔接收端〕。产生和发送信息的一端叫“信源〞，接收信息的一端叫“信宿〞。2.

信源数据与传输信号的关系类型在信源数据转变为信号传输时，有以下四种可能的关系，如图1-11所示：①

数字数据，数字信号传输：例如，10BASET以太网。②

数字数据，模拟信号传输：例如，使用调制解调器上网。③

模拟数据，数字信号传输：例如，数字电视传输系统。模拟数据，模拟信号传输：例如，早期的传输系统。图1-11信源数据与传输信号的关系类型

3.

通信系统的类型〔1〕

模拟通信系统在数据通信系统中，传输的信号为模拟信号时，被称为“模拟通信系统〞。模拟通信系统的特点如下：优点是信道利用率高。缺点是抗干扰能力差，信号易失真。〔2〕

数字通信系统当传输网络所传输的信号是数字信号时，此传输系统就被称为“数字通信系统〞。数字通信系统的特点：优点是信道利用率低。缺点是抗干扰能力强，数字电路集成化和微型化，因此，容易实现。4.

数字通信及其分类〔1〕

基带传输数字信号被称为“数字基带信号〞，简称为“基带信号〞。如果在线路上直接传输基带信号，就称为“数字信号基带传输〞，简称为“基带传输〞。在局域网中大都采用了基带传输方式，其优点是速率高、误码率低等。其缺点是占用的频带宽，不利于远程。〔2〕

频带传输和宽带传输①

频带传输：是指用线和交换网作为传输信道时采用的传输技术。②宽带传输：通常是指采用75Ω的CATV电视同轴电缆或光纤作为传输媒体时的传输技术。宽带传输中时，常将整个带宽划分为假设干个子频带，并分别利用各个子频带来传送音频信号、视频信号或数字信号。其优点是可以利于现有的大量模拟信道，价格廉价，容易实现。其缺点是速率低，误码率高。1.9.2

基带传输与数字信号编码

在基带传输中，数字数据的编码和解码工作由网络上的编码器和解码器的硬件完成。一般用不同电压极性或电平值的信号来代表数字数据“0〞和“1〞的过程被称为数字基带信号的编码；其反过程称为解码。1.

非归零编码〔NRZ，NonReturntoZero〕〔1〕

编码规那么〔2〕

非归零编码的特点与同步信号〔3〕

非归零编码的应用计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中的非归零码技术。2.

曼彻斯特编码〔manchester〕〔1〕

编码规那么①

每比特的周期T分为前后两个相等的局部。②

每一位二进制的中间都有跳变，其中间的这个电平跳变就作为双方的同步信号。③

每位二进制的前半周期传送该比特值的反码，后半周期传送该比特值的原码。典型的曼彻斯特编码波形，如图1-12〔b〕所示。〔2〕

曼彻斯特编码的特点和同步信号曼彻斯特编码中的中间电平跳跃，既代表了数字信号的取值，也作为自带的“时钟〞信号。因此，这是一种“自含时钟〞的编码方法。〔3〕

曼彻斯特编码的应用曼彻斯特编码是应用最为广泛的编码方法。典型以太网使用的就是曼彻斯特编码技术。3.

差分曼彻斯特编码〔differencemanchester〕〔1〕

编码规那么①

每个“比特值〞无论是“1〞还是“0〞中间都有一次电平跳变，这个跳变做同步之用。②

假设比特值为“0〞，那么前半个比特的电平与上一个比特的后半个比特的电平相反。假设比特值为“1〞，那么前半个比特的电平与上一个比特的后半个比特的电平相同。其典型波形如图1-12〔c〕。〔2〕

差分曼彻斯特编码的特点差分曼彻斯特编码的优点是收发双方可以根据编码自带的“时钟〞信号来保持同步、本钱低；降低了直流分量，抗干扰性能较好；缺点是实现技术复杂。图1-12数字数据信号编码波形1.9.3

频带传输与数字信号的调制

对于远距离通信来说，一般使用频带传输。我们将发送端的数字信号转换成模拟信号的过程称为“调制〞〔modulation〕，相应的调制设备称为“调制器〞〔modulator〕；在接收端把模拟信号复原为数字信号的过程称为“解调〞〔demodulation〕，相应的设备称为“解调器〞〔demodulator〕。同时具备调制和解调功能的设备称为“调制解调器〞〔modem〕。

在调制过程中，所选用的载波信号可以表示为：

其中，振幅A、角频率ω、相位ψ是载波信号的3个可变电参量。相应的调制方式分别称为“幅度调制〞、“频率调制〞和“相位调制〞。在三个参量中，每种技术应当变化一个参数，而固定另外两个参量。1.

幅度调制〔amplitudeshiftkeying,ASK〕〔1〕

ASK调制规那么幅度调制又称为“振幅键控〞ASK。在幅度调制中，频率和相位都是常数，振幅为变量，即载波的幅度随发送的数字信号的值而变化。图1-13〔a〕所示ASK的数学表达式为：数字“1〞数字“0〞〔2〕

ASK的特点幅度调制的技术比较简单，信号容易实现，但抗干扰的能力较差。2.

频率调制〔frequency-shiftkeying，FSK〕〔1〕

FSK编码规那么频率调制的波形如图1-13〔b〕所示。它通过改变载波信号的频率来表示数字数据信号0或1的调制技术。在频率调制中，振幅和相位应当定为常量，其数学表达式为：数字“1〞数字“0〞〔2〕

FSK的特点其电路简单，抗干扰能力强；频带利用率低，适用于传输速率较低的数字数据信号。3.

相位调制〔phase-shiftkeying，PSK〕

相位调制通过改变载波信号的相位来表示数字信号0或1的调制技术。在相位调制中，把振幅和频率定为常量，初始相位为变量。移相键控可以分为绝对调相和相对调相两种。〔1〕

PSK绝对调相在二元制绝对调相中，用相位的绝对值表示数字信号0、1。对应的绝对调相编码波形如图1-13〔c〕所示，数学表达式为：〔2〕

PSK相对调相相对调相用当前波形的初始相位相对于“前一个波形〞的初始相位的偏移值来表示数字信号“0〞、“1〞。两相PSK相对调相的调制波形如图1-13〔d〕所示。图1-13模拟信号编码方法

〔3〕多相调相

在模拟信号的通信系统中，人们经常采用多相调制的方法，以到达提高数据传输速率的目的。如，在四相调相中，可以将待发送的数字信号按两比特为一组进行编组，一共可以有4种组合，即00、01、10、11。每组传送一个双比特，对应于一个载波信号的相对相位偏移值，参见表1-2。四相调相的信号例如波形如图1-14所示。同理，在八相调相中，如果将待发送的数字信号按每三个比特组成一组，那么一共可以有8种组合。在调相信号传输过程中，载波调制状态每改变一次，便传送3个比特的数据。四相调相、八相调相、16相调相的编码表参见表1-3、表1-4和表1-5。

图1-14四相相对调相PSK信号波形

++++00101110总之，相位调制占用频带较窄，抗干扰性能好，其中相对相位调制节有更高的抗干扰性能，在实际中经常使用。还有在技术上更为复杂的多元振幅、相位混合调制方法。

表1-34相调相的相位变化值表1-516相调相的相位变化值

比特位相对相位的偏移量

000o

0190o

10180o

11270o

表1-34相调相的相位变化值表1-48相调相的相位变化值0000o00145o01090o011135o100180o101225o110270o111315o

比特位相对相位的偏移量00000o000122.5o001045o001167.5o010090o0101112.5o0110135o0111157.5o1000180o1001202.5o1010225o1011247.5o1100270o1101292.5o1110315o1111337.5o表1-516相调相的相位变化值4.

频带传输中的重要设备调制解调器

调制解调器〔Modem〕是一种数据通信设备〔DCE〕，其主要的功能是进行数字信号的调制和解调，在数据终端设备〔DTE〕和模拟传输线路之间起到数字信号与模拟信号之间的转换作用。调制解调器常见的分类方式有：按连接方式、按传送的数据速率、按使用的通信线路、按调制解调器的数据传输方式和按调制解调器的调制原理等多种分类方法。5.

调制解调器的标准调制解调器的早期标准为Bell，后来该标准被国际电报咨询委员会〔CCITT〕开展为国际标准。其名称为ITU-TV系列建议标准。ITU-T建议的调制解调器的标准有多种。1.10

数据同步技术在数据通信系统中，当收发双方采用串行通信方式时，双方应当采取高度协调的动作来交换数据。如，彼此间传输数据的速率、每个比特的持续时间和间隔都必须相同。在通信过程中，统一收端与发端动作的措施称为“同步技术〞。同步技术的两种类型如下：〔1〕

位同步只有保证接收端接收的每一个比特都与发送端保持一致，接收方才能正确的接收数据。①

目的：解决收发双方的时钟频率的一致性问题，旨在解决双方的比特位同步。②

思路：通信双方根据一方的时钟频率来校正自己本地的时钟频率。③

方法：如NRZ使用的是外同步法，而曼彻斯特和差分曼彻斯特使用的是内同步法。〔2〕

字符或帧数据的同步通信双方在还应解决数据同步的问题。如，字符数据或帧数据的同步。①

目的：旨在解决双方的字符或数据帧的同步。②

思路：接收方根据发送方的同步信号来开始接收或结束数据的传输。方法：异步式〔asynchronous〕和同步方式〔synchronous〕。1.10.1

异步传输方式

1.

什么是异步传输方式？在被传送的字符前后加起止位，实现字符数据的同步方式被称为异步传输方式。如图1-15所示，它以一个个字符为单位进行数据传输，并在每个字符代码的前后分别附加上起始位和停止位，这些标记数据起止的位又叫做成帧信息。异步传输方式的效率低、速度慢。异步传输方式一般适用于低速通信设备。图1-15异步传输方式

2.

异步传输的工作特点①

各个位以串行方式发送，并附有“起止位〞作为识别符。②

字符之间通过“空号〞来分割。3.

异步传输的应用特点①

优点：设备简单，技术容易，费用低。②缺点：由于每传输一个字符都需要2~3位的附加位，因此开销大浪费了传输时间。

4.

异步传输的应用场合异步传输适用于，低速〔10~1500字符/每秒〕的低速通信场合。例如，用在分时终端与计算机的通信，低速终端与主机之间的通信和对话等低速数据传输的场合。1.10.2

同步传输方式

1.

什么是同步传输方式？同步传输中，大的数据块是一起发送的，在块的前后使用一些特殊的字符作为成帧信息。而这些特殊的用于同步的控制字符使得发送端与接收端可以建立起一个同步的传输过程，如图1-16所示。此外，成帧信息还用来区分和隔离连续传输的数据块。

图1-16同步传输方式

2.

同步传输的工作特点①

在同步传输中，信息不是以字符而是以数据块的方式传输。②

在位流中采用同步字符来保证定时。③

同步传输的成帧信息〔同步信号〕的位数较异步方式少，因此效率比异步传输高。3.

同步传输的应用特点由于同步传输需要较高的时钟装置和高的传输速率，因此，同步装置比异步装置要贵。4.

同步传输的应用场合同步传输方式，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。5.

同步传输中的位同步技术同步传输要求严格的时序与时钟，以保证连续的数据块能正确地传输，否那么出错后重传的数量较大。为此，要求传输的双方能使用同一个时钟信号，进行发送与接收。实现收发双方的位同步有2种方法：“采用单独的数据线传输时钟信号〞和“采用信号编码的方法传输时钟信号〞。1.11

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。1.11.1

多路复用技术概述

1.

多路复用技术的实质和研究目的〔1〕

人们研究多路复用的主要原因和目的研究多路复用技术的目的就在于充分利用现有传输介质，减少新建工程的投资。〔2〕

多路复用技术的实质和工作原理

多路复用技术的实质是共享物理信道，更加有效地利用通信线路。多路复用技术的工作原理如图1-17所示，其工作原理是：先将一个区域的多路用户信息，通过多路复用器〔MUX〕聚集到一起；然后，将聚集起来的信息群通过一条物理线路传送到接收设备；最后，接收设备端的多路复用器〔MUX〕再将信息群别离成单个的信息，并将其一一发送给多个用户。图1-17多路复用技术的原理图1.11.2

频分多路复用FDM

在FDM中，单个信道的带宽与信道总带宽之间的关系式如下：①

单个信道的带宽：Fi=Fm+Fg②

多路复用系统的总带宽：F=N×Hi=N×〔Fm+Fg〕其中： Fg：为警戒信道带宽，又称“保护信道〞带宽；Fm：为单个信道的带宽；N：为频分多路复用信道的个数。采用频分多路复用技术时，将信道按频率划分为多个子信道，每个信道可以传送一路信号。如图1-18所示，FDM将具有较大带宽的线路带宽划分为假设干个频率范围，每个频带之间应当留出适当的频率范围，作为保护信道或警戒信道，以减少各段信号的相互干扰。图1-18所示系统共有3条逻辑信道。图1-18FDM原理图应用FDM技术的条件是物理信道的可用带宽比单个逻辑信道所需的信道带宽大的多的场合；而且，物理信道的频带越宽，在频带宽度内所能分的子信道就越多。1.11.3

时分多路复用〔TDM〕

TDM的工作原理：首先，将各路传输信号按时间进行分割，就是将每个单位传输时间都划分为相同数量的时间片〔即，时隙〕；其次，每路信号使用其中之一进行传输，我们将多个时隙组成的帧称为“时分复用帧〞。这样，就可以使多路输入信号在不同的时隙内轮流、交替地使用物理信道进行传输，如图1-19所示。说明：TDM不像FDM那样真正的同时传送多路信号；而是分时使用信道。

图1-19时分多路复用

应用TDM技术应用的条件是物理信道所允许的传输速率，比单个逻辑信道所需的传输速率大很多的场合。在TDM中，每路信号都可以使用信道的全部可用带宽，时分多路复用技术更加适用于传输占用信道带宽较宽的数字基带信号，所以常用于基带局域网中。1.11.4

波分多路复用技术〔WDM〕对于使用光纤通道〔FiberOpticchannel〕的网络来说，波分多路复用技术〔WDM，WavelengthDivisionMultiplexing〕将是其最适合的多路复用技术。实际上，波分多路复用技术，所用的技术原理与前面介绍的频分多路复用技术大致相同。WDM技术的工作原理如图1-20所示。图1-20波分多路复用

综上所述，WDM与FDM使用的技术原理是一样的，只要每个信道使用的频率〔即波长〕范围各不相同，它们就可以使用波分多路复用技术，通过一条共享光纤进行远距离的传输。与电信号使用的FDM技术不同的是，在WDM技术中，是利用光学系统中的衍射光栅，来实现多路不同频率光波信号的合成与分解。1.12

广域网中的数据交换技术

在计算机广域网中，计算机通常使用公用通信信道进行数据交换。在通信子网中，从一台主机到另一台主机传送数据时，可能会经历由多个节点组成的路径。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〔switch〕，其对应的技术为数据交换技术。在传统的广域网的通信子网中，使用的数据交换技术可分为2大类：①

线路交换技术。②

存储转发交换技术：又可以分为“报文交换〞技术和“分组交换〞技术两种。1.12.1

线路交换〔circuitswitching〕

线路交换最典型的例子就是“通信〞，一百多年来，经过了屡次改革和更新，已经从交换机的人工转接，开展到了现代程控交换机的自动转接。然而，它们使用的交换方式却始终未变，这就是通过交换机实现线路的转接。在线路交换和转接过程中，通信的双方首先必须通过网络节点建立起专用的通信信道，也就是在两个网络节点之间建立起实际的物理线路连接；然后，双方使用这条端到端的线路进行数据传输。通信系统就是这种工作方式。线路交换的通信过程可以分为：电路建立阶段、数据传输阶段和撤除电路连接3个阶段。

以线路交换方式进行通信时，是由交换机负责在其间建立一条专用通道，即建立一条实际的物理连接。线路交换技术的主要特点是数据传输前需要建立一条端到端的通路。即先有两个节点的线路接通，然后才能通信，双方通信的内容不受交换机的约束，即传输信息的符号、编码、格式以及通信控制规程等均随用户的需要决定。由此不难看出，线路交换的外部表现是通信双方一旦接通，便独占一条实际的物理线路。线路交换的实质是在交换设备内部，由硬件开关接通输入线与输出线。但是，由于这种方式具有的特点，决定了该通信方式不适宜传送计算机与终端，或者计算机与计算机之间的数据。线路交换的特点如下。

线路交换技术的应用特点

〔1〕优点①

传输延迟小，唯一的延迟是电磁信号的传播时间。②

线路一旦接通，不会发生冲突。③

对于占用信道的用户来说，数据以固定的速率进行传输，可靠性和实时响应能力都很好。由于通信实时性强，适用于交互式会话类通信。〔2〕

缺点

①

电路交换建立线路所需的时间较长，有时需要10~20秒或更长。这对于通信来说并不算长，可是对于传送计算机的数据来说就太长了。另外，线路连接一旦建立就独占线路，因此线路的利用率低。②

对突发性通信不适应，系统效率低。与通信中使用的模拟信号不同的是计算机的数字信号是不连续的，并且具有突发性和间歇性，因此数字数据在传送过程中真正使用线路的时间不过1%~10%，而线路交换时，数据通信一旦接通，双方便独占线路，造成信道浪费，因此，系统消消耗用高，利用率低。③

对于计算机通信系统来说，可靠性的要求是很高的，而线路交换系统不具备过失控制的能力，无法发现并纠正传输过程中的错误。因此，线路交换方式达不到计算机通信系统要求的指标。④

线路交换方式不具有数据存储能力，不能改变数据的内容，因此，很难适应具有不同类型、规格、速率和编码格式的计算机之间，或计算机与计算机终端之间的通信。⑤

系统不具有存储数据的能力，因此不能平滑交通量。2.

线路交换技术的应用场合线路交换适用于高负荷的持续通信和实时性要求强的场合，尤其适用于会话式、语音、图像等交互式通信类；而不适合传输突发性、间断型数字信号的计算机与计算机、计算机与终端之间的通信。1.12.2

存储转发交换〔Store-and-ForwardExchanging〕1964年8月，巴兰〔Baran〕首先提出了使用存储转发技术的分组交换的概念；1969年12月美国的分组交换网络ARPANet投入运行，从此计算机网络技术的开展进入了一个新的时代，并标志着现代电信时代的开始。本节将介绍适宜计算机之间通信的存储转发技术的类型及其主要特点。1.

存储转发交换方式与线路交换方式的两个主要区别①

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、报文分组或数据帧等〕进入通信子网。②

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、过失校验、路径选择和转发工作。2.

存储转发交换方式的应用特点①

线路的利用率高：由于CCP具有存储功能，因此多个报文〔或报文分组〕可以共享通信信道。②

选择最正确传输路径：由于CCP具有路经选择功能，可以动态地选择报文〔或报文分组〕通过通信子网的最正确路径。③

提高信通效率：可以调整、控制平滑通信量，并提高系统效率。④

提高可靠性：由于CCP具有过失检查和纠错的功能，因此可以减少过失提高系统传输的可靠性。⑤

适用于不同速率和格式的系统之间的通信：通过CCP不但可以进行不同线路之间的不同通信速率的转换；还可以进行不同数据格式之间的变换。正是由于存储转发交换技术具有上述的明显优点，它才在计算机网络中得到了广泛的应用和开展。3.

存储转发交换方式的分类利用存储转发交换原理传送数据时，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〔messageexchanging〕和报文分组交换〔packetexchanging〕2类。1.12.3

报文交换

1.报文交换的数据单元在报文交换中，无论发送数据的尺寸的大小，都将其当作一个逻辑单元来传送。2.

报文交换的工作过程在报文交换时，收发节点之间无需建立专用通道。当发送方有“数据块〞要发送时，先把数据块〔无论尺寸的大小〕加上目的地址、源地址与控制信息作为一个整体，再按一定的格式打包组成为报文〔message〕，并交给交换设备。交换设备将接收到的报文先存储起来；然后，便根据报文的目的地址，选择一条适宜的空闲线路将其传送出去。各级交换设备就这样将报文逐级地进行存储、中转，直至目的地。因此，这种数据传输技术被称为存储-转发技术。在上述的交换过程中，交换设备的输入线与输出线之间不必建立物理连接。与线路交换一样，报文在传输过程中，也可能经过假设干交换设备。在每一个交换设备处，报文首先被存储起来，并且在待发报文登记表中进行登记，等待报文前往的目的地址的路径空闲时再转发出去。3.

报文交换的应用特点报文交换的缺点如下：①

由于报文的大小不一，造成了缓冲区管理的复杂化。②

大报文导致的是存储转发的延时时间过长。③

出错后整个报文全部需要重发，效率低。综上所述，报文交换适用于长报文、无实时性通信要求的场合，不适合会话式通信。报文交换是我国公用电报网中采用的交换技术。

1.12.4

分组交换

1.

报文分组交换的数据单元在报文分组交换中，限制一次传输数据的最大尺寸，当所传输数据超过允许的最大长度时，发送结点就将其分成多个报文分组发送。2.

报文分组交换的工作过程由于报文交换对传输的数据块〔报文〕的大小不加限制。当传输大报文时，CCP通信控制处理机必须利用磁盘进行缓存，这样单个报文就可能占用一条线路长达几分钟，这样显然不适合交互式的通信。使用分组交换技术即可解决上述问题，它将用户的大报文分成假设干个报文分组〔包〕，每个分组限制为一千比特或几千比特，并以这种受限的报文分组为单位在网络中传输。每一个报文分组均含有数据和目的地址，同一个报文的不同分组可以在不同的路径中传输，到达终点以后，再将它们重新组装成完整的长报文。3.

报文分组交换的特点分组交换又称为包交换。报文分组交换的工作特点主要是：数据传输前不需要建立一条端到端的通路；有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能。〔1〕

优点：①

速度快：CCP的存储量要求较小，可以用内存来缓冲分组，因此转发速度快。②

效率高：某个分组出错时，仅重发该分组，因而效率高。③

可靠性高：各分组可通过不同路径传输，并具有过失校正，因此可靠性高。④

转发延时小：由于报文分组交换技术严格限制报文分组大小的上限，从而保证了任何用户独占线路的时间都小于几十毫秒，因此非常适合于交互式通信。⑤

在具有多个分组的报文中，各分组不必全部到齐，可以单独传送。这样就减少了时间延迟，提高了CCP的吞吐率。〔2〕

缺点：分组交换技术存在一些问题：例如，拥塞、大报文分组与重组、分组损失或失序等。4.

分组交换的数据报方式和虚电路两种4型〔1〕

数据报方式〔DG，Datagram〕数据报方式是面向无连接的。通信子网络把进入网络的每个分组都当作单独的“小报文〞来处理，而不管它属于哪个报文的分组。这种分组交换方式简称为数据报传输方式，其根本传输的数据单元是“小报文〞所以又被称为数据报〔datagram〕。其特点如下：①

存储转发技术：数据报是分组存储交换技术的一种形式。②

面向非连接的：在数据报方式的分组传送之前，无需在源主机与目的主机之间先建立起“连接〞。③

CCP对每个数据分组选择路径，因此同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网。④

同一报文的不同分组到达目的节点时，可能出现乱序、重复或丧失现象。⑤

每一个报文在传输过程中都会携带源节点地址和目的节点地址。⑥

使用数据报方式时，数据报文传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。〔2〕

虚电路方式〔VC，VirtualCircuit〕

虚电路就是两个用户的终端设备在开始互相发送和接收数据之前，需要通过通信网络先建立逻辑上的连接；此后，所有的数据分组都沿着事先建立的虚电路进行传输。由此可见，虚电路方式将数据报方式与线路交换方式结合了起来，到达了最正确数据交换的效果。由于虚电路方式充分发挥了两种方法的优点，因此，在计算机无论中得到了广泛的应用。虚电路的工作方式与线路交换方式类似，即整个通信过程分为以下三个阶段：虚电路建立、数据传输与虚电路释放阶段。其特点如下：①

面向连接：数据报方式在分组发送之前，发送方与接收方之间不需要预先建立连接。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的虚电路。②

一次通信的所有数据分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必携带目的地址、源地址等辅助信息；数据分组到达目的结点时，也不会出现丧失、重复与乱序的现象。③

分组通过虚电路上的每个结点时，结点只需要做过失检测，而不需要做路径选择，减少了结点的负担。④

通信子网中每个结点可以和任何结点建立多条虚电路连接，提高了线路的利用率。分组交换技术是我国邮电公用数据网〔PDN〕、中国分组交换网〔CHINAPAC〕，以及美国的TELENET、YMNET等网络中广泛采用的主要技术之一。综上所述，数据交换方式中的交换，其实质是在交换设备内部将数据从输入线切换到输出线的方式。线路交换方式是静态分配线路，存储转发方式那么是动态分配线路。局域网一般不采用报文分组式存储转发技术。1.1

3

过失控制技术人们总是希望，在通信线路中能够正确无误地传输数据。但是，由于来自信道内外的干扰与噪声，数据在传输与接收的过程中，难免会发生错误。通常，我们把通过通信信道接收到的数据与原来发送的数据不一致的现象称为“传输过失〞，简称为“过失〞。由于，过失的产生是不可防止的，因此，在网络通信技术中必须对此加以研究和解决。为了解决上述问题，需要研究几方面的问题：是否产生过失，产生的原因，以及纠正过失的方法。1.

过失的分类与过失出现的可能原因〔1〕

热噪声过失热噪声过失是指：由传输介质的内部因素引起的过失，如噪声脉冲、衰减、延迟失真等引起的过失。热噪声的特点是：时刻存在、幅度较小、强度与频率无关，但频谱很宽。因此，热噪声是随机类噪声，其引起的过失被称为“随机过失〞。上述的线路传输过失是不可防止的，但应当尽量减小其影响。〔2〕

冲击噪声过失冲击噪声过失是指：由外部因素引起的过失，如电磁干扰、太阳噪声、工业噪声等引起的过失。与热噪声相比，冲击噪声具有幅度大、持续时间较长等特点，因此，冲击噪声是产生过失的主要原因。由于，冲击噪声可能引起多个相邻数据位的突发性错误，因此，它引起的传输过失被称为“突发过失〞。综上，在通信过程中产生的传输过失是由“随机过失〞与“突发过失〞共同组成的。计算机网络通信系统对平均误码率的要求是10-9～10-6，假设想到达这项要求，必须解决好自动检测过失，以及自动校正过失的问题。为此，过失控制是数字通信系统研究的重要课题之一。〔1〕

检错法①

检错法与检错码：就是通过在发送方的数据中增加一些用于检查过失的附加位，从而到达无过失传输的目的。这些用于检查过失的附加位被称为检错码。当接收方根据接收到的检错码检测到过失时，就会通知对方进行重发。这也是经典的“肯定应答/否认应答〞〔ACK/NAK〕式的反响重发过失控制技术。其工作原理是：当接收方收到数据并检测无误时，便向发送方发回一个肯定应答；而检测有误时，那么向发送方返回一个否认的应答。②

检错法的特点：是使用重传机制到达纠正过失的目的；原理简单，容易实现，编码和解码的速度较快，因此，目前被广泛使用。③常用的检错码有：奇偶校验码、方块码和循环冗余码等。〔2〕

纠错法〔又称为正向纠错法〕①

纠错法与纠错码：就是在待发送数据中增加足够多的附加位，从而使得接收方能够准确地检测到过失，并且可以自动地纠正过失。这些足以使接收方发现错误的冗余信息被称为纠错码。②

纠错法的特点：使用纠错法时，要发送数据中含有大量的“附加位〞〔又称“非信息〞位〕，因此，传输效率较低。纠错法虽然有其优越性；但是，实现起来复杂，编码和解码的速度慢，造价高，费时，因此，一般通信场合不易使用。如，汉明码使用的就是一种正向纠错法技术。通常，纠错法仅适用于以下场合。③

纠错法的适用场合l

没有反向信道，无法发回ACK或NAK〔肯定应答/否认应答〕信息的场合，如单线制的单工传输。线路传输时间长，要求重发不经济的场合，例如，在卫星通信时延迟较大〔可高达0.5秒〕，而且重发费用较高。

奇偶校验的概念奇偶校验〔ParityChecking〕是以字符为单位的校验方法，也称垂直冗余校验。一个字符由8位组成，低7位是信息字符的ASCII代码，最高位〔附加位〕为“奇偶校验码〞位，接收方用这个附加位来检验传输的正确性。奇偶校验又分为“奇校验〞和“偶校验〞2种。在“偶校验〞时，必须保证传输字符代码中“1〞的个数为偶数个，例如，如果传输字符的编码中有奇数个“1〞，那么该最高位的值应为“1〞，从而使得整个8位中的“1〞的个数为偶数；反之，奇校验时，这个最高位〔附加位〕就为“0〞，正是通过该附加位的设置，保证了传输数据中“1〞的个数为奇数个。表1-6就是“偶校验〞和“奇校验〞的应用例如。表中字符“Y〞的7位ASCII代码为1011001，其中有4〔偶数〕个“1〞。当采用“偶校验〞时，为了保证整个二进制字符代码中“1〞的个数为偶数，校验位应为“0〞。这样，整个被发送的8位二进制字符代码为“01011001〞。当采用“奇校验〞时，为了保证整个字符代码中“1〞的个数为奇数，那么校验位应为“1〞，即整个被发送的8位二进制代码为“11011001〞。表1-6奇偶校验位的设置校验方式校验位ASCII代码的位7654321ASCII代码十进制代表的字符偶校验0101100189Y奇检验1101100189Y2.

奇偶校验的工作原理当接收方收到含有附加位的数据之后，它会对收到的数据进行与发送端一致的“奇检验〞或“偶校验〞校验，并将结果与原来的奇偶校验位核对，如果有错，就要求对方重发。表1-7奇偶校验位的工作方式方式序号发送方接收方奇检验结果第1种方式1100000111000001奇数个1，检验正确第2种方式1100000110000001一个位出错，偶数个1，检验错误第3种方式1100000110000011两个位出错，奇数个1，检验正确第4种方式1100000110000111三个位出错，偶数个1，检验错误由表1-7可知，第2种方式下，传输过程中只有1位出错时，接收方可以正确拒收数据；而在第3种方式下，传输过程中有两位出错，由于奇偶检验结果为正确，因此，接收方错误地接收了数据。由此可见，奇偶校验只能检测出奇数个比特位的错误，对偶数个比特位的错误那么无能为力。奇偶检验技术虽然简单，但并不是一种平安的过失控制方法。一般，在低速传输时，出错概率较低，效果还可以另人满意。而当传输数据速率很高时，过失检验的结果很可能是错误的。因此，在通过普通线和Modem与ISP〔Internet效劳者〕进行低速连接时，常采用奇偶校验法，因此需要设置传输方式〔异步〕中的奇偶检验位。而在进行高速数据传输时，那么需要采用以下更复杂的过失控制技术。1.13.2

方块校验LRC方块校验：也称水平垂直冗余校验LRC，其工作原理的实质仍然是奇偶检验。LRC是一种对行和列都进行上述“奇偶校验〞的方法。它是在VRC校验的根底上，进一步加强校验的方法，它的工作原理同VRC法十分相似。它在传送一批字符〔如7个〕之后，增加了一个称为“方块校验字符〞〔LRC〕的检验字符。例如，传送7个字符代码及其“偶校验〞位和“LRC〞字符的工作方式表示在表1-8中。LRC字符在发送端产生并传输，接收方也产生同样的校验字符，并与从发送端收到的校验字符相比较，如果相同，就认为传输正确，否那么通知对方重发。采用这种校验方法，如果有两位传输出错，那么不仅从每个字符中的VRC校验位中反映出来，同时，也在LRC校验位中得到反映。因此，这种方法有较强的检错能力，根本能发现所有一位、两位或三位的错误，从而