第3部分 数据通信系统与接口.ppt

1、第3讲 数据通信系统与接口,3.1 数据通信系统,典型的数据通信系统主要由数据电路和两侧的数据终 端设备所组成。如图3.1.1所示。 在ITU的系列建议中，数据终端设备(DTE)泛指智能终端(各类计算机系统、服务器)或简单终端设备(如打印机)，内含数据通信(或传输)控制单元。 数据电路包含传输介质及两端的数据电路终接设备 (DCE，Data Circuit Terminating Equipment)。,若传输信道采用专线方式，则计算机系统发送的数字数据通过通 信接口，经传输信道到达接收端的DCE，然后再经过通信接口传送 到服务器，反之亦然。 计算机与服务器间通信的过程中，需要考虑如下问题：

2、通信接口的规范性； 通信模式的选择； 数据链路的建立； 通信双方的协调，收、发数据缓冲，速率适配和串并转换等； 差错控制，检测与恢复在通信与传输过程中出现差错的数据； 传输代码的确定等。 若采用拨号呼叫方式，传输信道部分可由通信子网替代，此时要 考虑计算机如何寻找到所需的服务器这一问题，即数据电路的建 立、寻址和路由选择。,图3.1.1 传统的数据通信系统的基本构成,数据电路位于DTEDTE之间，为数据通信提供数字传输信道。DTE产生的数据信号可能有不同的形式，但都表现为数字脉冲信号。 DCE是DTE与传输信道(或通信子网)之间的接口设备，其主要作用是信号变换。当传输信道为模拟信道时，DCE为

3、调制解调器(Modem)，发送方DCE将DTE送来的数字信号进行调制(频谱搬移)变成模拟信号送往信道或进行相反的变换。 当传输信道是数字信道时，DCE实际是数字接口适配器，其中包含数据服务单元(DSU，Data Service Unit)与信道服务单元(CSU，Channel Service Unit)，前者执行码型和电平转换、定时、信号再生和同步等功能；后者则执行信道均衡、信号整形和环路检测等功能。,强调两个概念：数据电路和数据链路。 数据电路是一条连接通信双方的物理电路段，中间不包括任何交换节点。在进行数据通信时，两台计算机之间的通路往往是由许多物理电路链接而成的。 数据链路是一个逻辑上的

4、信道概念，采用复用技术时，一条物理电路可以构成多条数据链路。,3.1.1 通信方式 单工通信：即单方向通信,如电视广播、无线广播等，图3.1.2(a)所示。 半双工通信：即双向交替通信，双方不能同时通信；一方发送信息时，另一方只能接收信息，反之亦然，如图3.1.2(b)所示。 全双工通信：即双向同时通信，双方能同时收发信息，如图3.1.2(c)所示。,全双工分为四线全双工和二线全双工传输。 四线全双工有两条物理上独立的信道，一条发送，一条接收； 二线全双工把两个方向的信号采用频分复用或时分复用等方法将信道的带宽一分为二，或采用回波抵消技术使两个方向的数据共享信道带宽。,图3.1.2 三种基本通

5、信方式 (a)单工通信；(b)半双工通信；(c)全双工通信,3.1.2 异步通信和同步通信 在串行传输中，解决收、发端间字符传输的同步协调目前主要存在两种方式：异步通信和同步通信。 1、异步通信：又称称起止式同步通信。以字符为传输单位，不论字符所采用的代码为多少位，在发送每一个字符代码时，都要在前面加上一个起始位，该起始位的长度为1个码元，极性为“0”，表示一个字符的开始。在每个字符代码的后面还要加上一个终止位，长度可选为1、1.5或2个码元长度，极性为“1”，表示一个字符的结束。异步串行通信的字符如图3.1.3所示。,图3.1.3 异步串行通信的字符,字符可以连续发送，也可以单独发送。当不发

6、送字符时，保持“1”状态。因此，每个字符的起始时刻可以是任意的，从这一意义上，收发端的通信具有异步性，但在同一字符内部，各码元长度应是相同的。接收方可以根据字符之间从终止到起始的跳变，即由“1”变“0”的下降沿来识别一个字符的开始，然后从下降沿以后T2秒(T为接收方本地时钟周期)开始每隔T秒进行取样，直到取完整个字符，再来判断一个个字符。,异步通信方式的优点是实现字符同步比较简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步； 异步通信方式缺点是不适宜高速率的数据通信，且对每个字符都需加入起始位和终止位，因而传输效率低。如字符采用国际5号码，起始位为1位，终止位为1位，并采用1位奇/偶校验位，则传输利用率

7、仅为70。,2、同步通信：以固定的时钟发送数据信号，因此在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定(同步)的。 为保证数据同步发送接收，首发双方必须具有一致的时钟信号。 同步通信方式中，发送的数据一般以组(Block)或帧(Frame)为单位。通常一组(或帧)数据包含多个字符代码或多个比特，在其前、后分别加上控制字段和校验字段，如图4.1.4所示。,图3.1.4 同步串行通信的字符,同步方式有比特同步、字符同步和帧同步等。与异步通信方式相比，由于它发送每一字符时不需要单独加起始位和终止位，具有较高的传输效率，故现代数据通信，特别是高速环境下，主要采用同步通信。,3.1.3 数据传输代码

8、 由数据终端设备发出的数据信息一般都是字母、数字或符号的组合。为了传递这些信息，首先需将这些字母、数字或符号用二进制数“0”或“1”的组合，即二进制代码来表示(在OSI参考模型上位于表示层)。目前常用的传输代码有：国际5号码、国际电报2号码、EBCDIC码和信息交换用汉字代码。,1. 国际5号码 国际5号码是一种7单位代码，以7位二进制码来表示一个字母、数字或符号，最早是美国国家标准化协会在1963年提出的，称为美国信息交换用标准代码(ASCII，American Standard Code for Information Interchange)，后被ISO和ITUT采纳并发展成为国际通用的

9、信息交换用标准代码。表3.1.1列出了国际5号码编码表。,7位二进制共有128个代码，可表示128个不同的字母、符号和数字。其中，32个作为控制字符使用，它们只产生控制功能，不可被显示或打印；其余均为显示或打印用的图形字符，包括大、小写英文字母各26个，数字10个，以及其他图形符号33个。,2. 国际电报2号码 国际电报2号码(ITA2)是一种5单位代码，又称为博多(Baudot)码，是起止式电传电报通信中的标准代码，目前仍在采用普通电传机作终端的低速数据通信系统中使用。5单位码共有32种组合，另外还有两个转移控制码“字母(Letter)”和“数字(Figure)”使其随后的代码改变意义，用于

10、区分数字和字母。因此，国际电报2号码可表示64种字符，实际只用58个传输码字，包括字母、数字、符号和控制符。,3. EBCDIC码 EBCDIC码是扩充的二-十进制码的简称，是由IBM公司提出的一种8单位代码。由于第8位用于扩充功能，不能作奇偶校验，故这种码一般作为计算机的内部码使用。 4.信息交换用汉字代码 信息交换用汉字代码是汉字信息交换用的标准代码，它适用于一般的汉字处理、汉字通信等系统之间的信息交换。汉字用两个字节表示，每个字节均采用国家标准GB1988-80“信息处理交换用的七位编码字符集”的7单位代码。,3.2 数据通信接口（物理层接口）,数据通信接口（物理层接口）规范主要是屏蔽不

11、同传输介质、通信方式之间的差异。 常见的物理层接口规范有： ITU-T 的V系列建议(针对电话数据传输的接口标准） ITU-T 的X系列建议（针对全数字网的接口标准） ITU-T 的I系列建议（针对综合业务数字网的接口标准） 接口特性主要包括四个方面：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性,3.2.1 通信接口的机械特性,DTE和DCE之间的接口首先涉及用于多线互连的接插件的机械特性，它 规定了接插件的几何尺寸和引线数量及排列顺序等，如图3.2.1所示。几 种常用的接插件规格及其应用环境如表3.2.1所示。 ISO 2110，25芯连接器，EIA RS-232-C，EIA RS-366-A I

12、SO 2593，34芯连接器，V.35宽带MODEM ISO 4902，37芯和9芯连接器，EIA RS-449 ISO 4903，15芯连接器，X.20、X.21、X.22,图3.2.1 通信接口机械特性(接插件的几何尺寸和引线排列),表4.2.1 接插件规格和应用环境,3.2.2 通信接口的电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低、阻抗匹配、传输速率和距离限制。 早期的标准是在边界点定义电气特性，例如EIA RS-232-C、V.28；最近的标准则说明了发送器和接受器的电气特性，而且给出了有关对连接电缆的控制。 ITUT V系列建议的V

13、.28、V.10、V.11及X系列的X.26、X.27都是描述有关电气特性的，其中V.10与X.26，V.11与V.27具有相同的特性，参见表3.2.2。,表3.2.2 通信接口的电气特性,平衡接口：输入输出一根线，信号抗干扰能力差，传输距离较近。 不平衡接口：输出分两路，一路正向传输，一路反向传输，接受时 反向信号被倒向与正向信号叠加， 信号抗干扰能力强，传输距离较 远。 V.28为不平衡接口，通过其公共的信号地线构成回路引起的串音 会随工作速率增大而增加，所以V.28的传输速率限制在20kb/s(目前 已能达到33.6kb/s)之内。 V.10/X.26所规定的电气连接为准平衡双流接口电路

14、，发信器 G为不平衡驱动电路，而接收端为差动平衡输入电路。若DTE侧为不 平衡驱动，其公共回线为Ga；同样DCE侧的不平衡驱动电路，其公 共回线则为Gb。当电缆长度为10m时，其速率可达100kb/s，若电缆 长度为1000m时，则速率小于1kb/s。,V.11/V.27为平衡接口电路，即一对信号线对地平衡，当电缆长度为10m时，工作速率可达10Mb/s,而电缆长度为1000m时，工作速率可达100kb/s。发信器的输出电压Uaa0.3V时，则为二进制数据“0”或控制、定时端口为“ON”(连通)状态。,3.2.3 通信接口的功能特性 通信接口的功能特性描述了接口执行的功能，定义接插 件的每一引

15、线(针，Pin)的作用（或者是指明某条线上出现的 某一电平的电压表示何种意义）。按功能特性可将接口线通 常归为四类：数据线、控制线、定时线和地线。 ITUT V.24建议定义了V系列接口电路的名称及功能； X.24建议则定义了X系列接口电路的名称及功能。,表3.2.4 V.24(200系列)接口电路的名称及功能,200系列接口电路适用于DTE和并行自动呼叫器(ACE)间的接口电路。V.24建议为每一种控制功能定义了一系列接口电路，因此，其接口电路的数量很多，不利于增加新的功能。 X.24建议则采用了多重复用一条接口线的方法来减少接口线的数量，而且增加和修改接口的控制功能时不需要增加接口电路。X

16、.24接口控制功能是通过C、I、T、R四条线的接口电路的共同协作来完成的，因此，X.24接口要求DTE和DCE设备能够根据控制的要求，发送、接收和识别相应的字符串信号，比较复杂。,1.V.24 100系列接口电路 (1)信号地线和公共回线:V.24定义了四根信号地线或公共回线，即102、102a、102b、102c，其中102是最基本的，它为V.28非平衡接口电路建立信号公共回线，为V.10、V.11接口提供直流基准电位。102a(DTE公共回线)和102b(DCE公共回线)只是与V.10接口电路配合使用。 (2)数据电路:103为发送数据电路，104为接收数据电路；而118为发送反向信道数据

17、电路，119为接收反向信道数据电路。,(3)控制电路：V.24定义的控制电路较多，都是为实现通信规程的控制和测试的需求而建立的。107、108/2用于由DCE和DTE分别向对方通知本端所处的状态，108/1用于实现DTE对DCE的控制。105和106用于实现DTE和DCE之间开始或结束数据传输的过程控制。105为ON状态，表示DTE请求发送数据，若DCE同意DTE要求，它可以将106置为ON状态予以肯定回答。109线用于监视通信线路和DCE设备的工作状态。,(4)定时电路。在同步通信方式中，接口需要定时信号，以利于数据电路(收、发)保持同步，确保数据信息的正确识别和接收。在实际应用中，发送和接

18、收码元的定时只需要由DTE或DCE一侧提供，例如，由DCE提供发信码元定时和收信码元定时可分别用114、115。 由表3.2.3可知，数据、控制和定时电路的每一线均有流向指示。上述的定义均是从DTE一侧作出的。如DTE的103表示从DTE向DCE发送数据的电路，相对来讲，在DCE侧，103实际上是接收数据电路，但仍称作“发送数据电路”，此时，103含义是指该端子应与DTE的103端相连接。,2. V.24 200系列接口电路 200系列接口电路用于DTE和带有ACE(自动呼叫设备)的DCE之间的接口电路，其接口电路功能如下： 201为信号地线或公共回线。 202为呼叫请求，DTE用此线控制DC

19、E中ACE与线路接通(202“ON”)或断开(202“OFF”)。 203为数据线路占线指示，由DCE告知DTE有关数据线路的状态。203为“ON”表示线路忙；203为“OFF”，则表示线路空闲，DTE可呼叫。,204指示远端站已接通，由DCE通知DTE表示远端站已接通。 205为放弃呼叫，由DCE通知DTE拨完号后超时而线路尚未接通，DTE应当放弃呼叫。 206209为DTE向DCE发送的拨号号码(十进制数)和控制字符的编码组合，如表3.2.5所示。,表3.2.5 呼叫数字编码,表中控制字符END表示拨号号码结束，使DCE等待呼叫数据站的应答。控制字符SEP表示使ACE插入适当的时间间隔，例

20、如，小交换机用户拨外线时，在“0”之后需有一个停顿时间，才允许拨下一串呼叫号码，此时可插入SEP来实现此停顿时间。 210表示呈现下一个数字，由DCE通知DTE，ACE已做好接收一个数字的准备。 211为数字呈现，由DTE通知DCE，拨号数字已经呈现在206209上，DCE可以读取数字。 213为电源指示。,3.X.24接口电路 表3.2.6给出了X.24(X.21、X.20)接口电路的功能。 (1)信号地线或公共回线(G、Ga、Gb)的含义与V.24的102、102a、102b相对应。 (2)数据电路中各线功能如下： 发送线T：DTE使用T向DCE发送用户的数据和控制信号，DCE监视和检测接

21、口的状态，并依据接口规程实现接口的过程控制。,表3.2.6 CCITTX.24(X.21、X.20)系列 接口电路的名称及功能,接收线R：DCE使用R向DTE发送来自远端DTE的数据，并依据规程向DTE发送控制信号。 DTE监视与检测该电路状态，并依据规程实现通信规程控制。 (3)控制电路中各线功能如下： 控制线C：DTE使用C的状态和T的编码，指示数据传输阶段和各种控制信号。 指示线I：DCE使用I的状态和R的编码，指示数据传输阶段和各种控制信号。,(4) 定时电路中各符号的功能如下： 信号码元定时S：DCE使用S向DTE提供比特定时信号，它是周期性信号。当S状态由OFF到ON跃变时，T、C

22、、R、I应处于稳定状态。 字节定时B：DCE使用B向DTE提供字节(8比特)定时信号。在字节的最后一个比特期间，S处于ON状态，B处于OFF状态；在其他所有时间，B为ON状态。,帧开始定时F：当连接多路复用的DTE/DCE接口时，由DCE向DTE提供F。在复用帧的最后1个比特期间，F处于OFF状态，其他时间为ON状态。 DTE信号码元定时X：DTE用X向DCE提供码元定时，X线也是周期性信号。当X由OFF到ON跃变时，T、C应处于稳定状态。,4. X.21建议 X.21建议定义了在公用数据网上提供同步通信的DTE/DCE之间的接口，它是X.24的一个子集。X.21建议接口的电气特性在DCE侧应

23、符合X.27建议，在DTE侧应符合X.27或X.26建议，且要求采用15芯接插件。当DTE和DCE用T、R、C、I发送二进制数“1”或“0”作控制状态时，其发送时间应至少持续24比特，而监测该状态的时间应是16个连续的“1”或“0”。,5. X.20建议 X.20建议定义了在公用数据网上提供异步通信的DTE和DCE之间的接口，它也是X.24的一个子集。X.20建议的电气特性在DCE侧应符合X.26建议，而在DTE侧应符合X.26或X.27建议，也可以是V.28建议的DTE。X.20建议中，接口的控制过程是由T和R传输控制字符的，这些用于呼叫控制的字符取自T.50建议规定的国际5号码(IA5)。

24、X.20建议的功能特性参见表3.2.6，接插件也采用15芯(ISO4903)。,ITUT还定义了X.21bis和X.20bis。X.21bis是指在公用数据网(PDN)上与同步V系列Modem接口的DTE操作规程，而X.20bis是在PDN上与异步全双工V系列Modem接口的DTE操作规程，它们都是V.24的子集。,4.2.4 通信接口的规程特性 通信接口的规程特性描述接口控制线的使用顺序，即通信接口上传输时间与控制需要执行的事件顺序。 1. V.24接口电路的规程特性 V.24建议的通信过程控制是由许多控制线的状态变化来实现的，它还规定了各条控制线的定时关系。现讨论下列两组控制电路。 (1)

25、107(数据设备准备好)和108/1(数据设备可接至线路)或108/2(数据终端准备好)。这组电路用于控制DCE与通信媒体的连通。108/1或108/2表示由DTE发送控制命令，107则表示由DCE对控制命令作出响应。,108/1用于人工呼叫/应答站，而108/2用于自动呼叫/应答站，DTE只能选用其中一种。108/1从OFF到ON状态，要求DCE(调制解调器)立即与线路接续；而108/2从OFF到ON状态，还须有125处于ON状态，表示自动呼叫/应答站已准备好，才能使调制解调器与线路接续。107为ON状态，表示DCE已接通线路，并准备好与DTE进一步交换控制信号。108/1或108/2线一旦

26、为OFF状态，表示DTE要求拆线，且在107线断开之前，不能再次转为接通状态。,图4.2.2 V.24接口的规程特性,(2)105(请求发送)和106(准备发送)。这一组电路用于线路接续完成之后控制DTE和DCE之间数据的发送和接收过程。DTE通过置105为ON状态，表示它要求发送数据。DCE检测到105为ON状态后就进入发送方式，且通知远地的DCE，调整到它可以接收数据的状态。DCE置106为ON状态，向DTE表明它已做好发送数据的准备。DTE通过将105置为OFF状态，表示要求终止发送数据，DCE则置106为OFF状态，予以响应，并且在106为OFF状态之前，105不能再次被置为ON状态。

27、,下面以一个调制解调器半双工通信为例，说明其操作顺序，如图3.2.2所示。当107线为ON状态时，若105也处于ON状态，DCE向对方发送载频，经过时延t1(约数十至数百毫秒)后，将106置为ON状态，DTE就可以用103发送数据。当107接通后，若105仍处于OFF状态，则DCE开始检测线路上输入的载频信号。一旦测到载频信号，表示远端要求发送数据，经过一定时延后，由DCE将109置为ON状态，通知DTE准备在104上接收数据。图中省略了呼叫的拨号过程。,2. X.21接口电路的规程特性 X.21接口电路是X.24的一个子集，在电路交换数据网、分组交换数据网中用得较多，其规程特性规定了DTE/

28、DCE的T、R、C、I接口线的使用方法，以及接口的静止状态和转移状态。 (1) 静止状态:DTE有3种静止状态，它取决于T、C的状态。当T“1“、C“OFF”时，表示DTE准备好；当T“0”、C“OFF”时，表示DTE未准备好；当T“01”、C“OFF”时，即T上出现连续的01比特，则表明DTE可工作，但暂不能接入呼叫。,DCE有2种静止状态，它取决于R、I的状态。当R“1”、I“OFF”时，表示DCE准备好；当R“0”、I“OFF”时，则表示DCE未准备好。 (2)转移状态：根据DTE、DCE转移状态的组合，ITUT规定的X.21转移状态如图3.2.3所示。图中圆圈表示状态，圆的上半部表示状态名，下半部列出了T、C、R、I。由此可见，X.21状态转移图共有6个状态:,A状态 11:DTE、DCE准备好； B状态 10:DTE准备好，DCE未准备好； C状态 011:DTE受控未准备好，DCE准备好； D状态 01:DTE未准备好，DCE未准备好； E状态 010:DTE受控未准备好，DCE