第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

本章內(nèi)容提要數(shù)據(jù)通信的基本概念、數(shù)據(jù)通信方式及數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸和模擬數(shù)據(jù)的傳輸位同步、異步傳輸及同步傳輸?shù)幕驹矶嗦窂?fù)用技術(shù)和數(shù)據(jù)交換技術(shù)的原理，ATM和幀中繼的基本技術(shù)差錯(cuò)的產(chǎn)生和控制方法，熟悉奇偶校驗(yàn)法和循環(huán)冗余碼

2.1基本概念

2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

1．?dāng)?shù)據(jù)通信的一般概念

如果信息的自然形態(tài)是模擬的，如語音、圖像，經(jīng)數(shù)字化處理后，用數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行傳送，稱為“數(shù)字通信”。如果信息的自然形態(tài)是數(shù)字的（離散的），如計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，則不管用哪種形式的信號(hào)進(jìn)行傳送都叫“數(shù)據(jù)通信”。

數(shù)據(jù)通信的最基本模型

計(jì)算機(jī)（或終端）為信源或信宿；通信控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸控制，以減輕主機(jī)負(fù)擔(dān)，在微機(jī)一側(cè)，它的功能一般由微機(jī)承擔(dān)；信號(hào)變換器完成數(shù)據(jù)與電信號(hào)之間的變換，以匹配通信線路的信道特性，依據(jù)通信線路的不同，信號(hào)變換器又稱為“波形變換器”或“調(diào)制解調(diào)器”；通信線路泛指各種實(shí)用的傳輸介質(zhì)，是傳輸信號(hào)的通路。2．幾個(gè)術(shù)語的解釋

（1）數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。模擬數(shù)據(jù)是在某區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化的值；數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)是離散的值。（2）信號(hào)：是數(shù)據(jù)的電子或電磁編碼。信號(hào)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)是隨時(shí)間連續(xù)變化的電流、電壓或電磁波；數(shù)字信號(hào)則是一系列離散的電脈沖?？蛇x擇適當(dāng)?shù)膮⒘縼肀硎疽獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)。（3）信息：是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。（4）信源：是通信過程中產(chǎn)生和發(fā)送信息的設(shè)備或計(jì)算機(jī)。（5）信宿：是通信過程中接收和處理信息的設(shè)備或計(jì)算機(jī)。（6）信道：是信源和信宿之間的通信路徑。3．模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的表示

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)可通過參量（幅度）來表示

(a)模擬信號(hào)(b)數(shù)字信號(hào)

4．模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的表示

（1）模擬數(shù)據(jù)可以用模擬信號(hào)來表示。（2）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以用模擬信號(hào)來表示。（3）模擬數(shù)據(jù)也可以用數(shù)字信號(hào)來表示。（4）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以用數(shù)字信號(hào)來表示。

5．?dāng)?shù)據(jù)通信的長(zhǎng)距離傳輸及信號(hào)衰減的克服

（1）模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)都可以在合適的傳輸媒體上進(jìn)行傳輸（2）模擬信號(hào)無論表示模擬數(shù)據(jù)還是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),在傳輸一定距離后都會(huì)衰減?？朔霓k法是用放大器來增強(qiáng)信號(hào)的能量，但噪音分量也會(huì)增強(qiáng)，以至引起信號(hào)畸變。（3）數(shù)字信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸也會(huì)衰減，克服的辦法是使用中繼器，把數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為“0、1”的標(biāo)準(zhǔn)電平后繼續(xù)傳輸。2.1.2通信方式

1．并行通信方式并行通信傳輸中有多個(gè)數(shù)據(jù)位，同時(shí)在兩個(gè)設(shè)備之間傳輸

2．串行通信方式

串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)是一位一位在通信線路上傳輸?shù)?/p>

3．串行通信的方向性結(jié)構(gòu)

串行數(shù)據(jù)通信的方向性結(jié)構(gòu)有三種，即單工、半雙工和全雙工

（a）單工通信（c）全雙工通信（b）半雙工通信2.1.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

1．?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率（1）比特率比特率是指數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，也叫信息速率，反映一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)每秒傳輸二進(jìn)制信息的位數(shù)，單位為位/秒，記作bps或bit/s。計(jì)算公式為

S=1/T×log2N（bps）（2）波特率波特率是一種調(diào)制速率，又稱碼元速率或波形速率，指單位時(shí)間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元數(shù)，單位為波特，記作Baud。計(jì)算公式為

B=1/T(Baud)

式中，T為信號(hào)碼元的寬度，單位為秒。比特率和波特率的關(guān)系

S=B×log2N（bps）或B=S/log2N(Baud)

波特率和比特率的區(qū)別和聯(lián)系【例2.1】采用八相調(diào)制方式，即N=8，且T=8.33×10-4秒，則S=1/T×log2N=1/（8.33×10-4）×log28=3600（bps）B=1/T=1/（8.33×10-4）=1200（Baud）2．信道容量

（1）信道容量信道容量表示一個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為位/秒（bps）。（2）離散信道的容量奈奎斯特（Nyquist）無噪聲下的碼元速率極限值B與信道帶寬H的關(guān)系如下：B=2×H(Baud)

離散無噪信道的容量計(jì)算公式（即奈奎斯特公式）為

C=2×H×log2N(bps)式中H為信道的帶寬，即信道傳輸上、下限頻率的差值，單位為Hz；N為一個(gè)碼元所取的離散值個(gè)數(shù)，C為信道容量。

信道容量的計(jì)算【例2.2】普通電話線路帶寬約3kHz，則碼元速率極限值B=2×H=2×3k=6kBaud，若碼元的離散值個(gè)數(shù)N=16，則最大數(shù)據(jù)傳輸速率C=2×3k×log216=24kbps。（3）連續(xù)信道的容量帶噪模擬信道容量公式（香農(nóng)公式）為

C=H×log2(1+S/N)(bps)

式中S為信號(hào)功率；N為噪聲功率；S/N為信噪比，通常把信噪比表示成10lg(S/N)，單位為分貝（dB）?！纠?.3】已知信噪比為30dB，帶寬為3kHz，求信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。因?yàn)?0lg(S/N)=30所以S/N=1030/10=1000所以C=3k×log2(1+1000)≈30kbps誤碼率誤碼率指二進(jìn)制數(shù)據(jù)位傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率。它是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下的傳輸可靠性的指標(biāo)。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般要求誤碼率低于10-6，若誤碼率達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)，可通過差錯(cuò)控制方法檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。計(jì)算誤碼率的公式為

Pe=Ne/N

式中，Ne為其中出錯(cuò)的位數(shù)；N為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總位數(shù)，Pe為誤碼率。2.2數(shù)據(jù)傳輸和編碼

2.2.1數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字傳輸

1．基帶傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以原來地0或1的形式原封不動(dòng)地在信道上傳送，稱為基帶傳輸。在基帶傳輸中，傳輸信號(hào)的頻率可以從0到幾兆赫，要求信道有較高的頻率特性。一般的電話通信線路滿足不了這個(gè)要求，需要根據(jù)傳輸信號(hào)的特性選擇專用的傳輸線路。基帶傳輸是一種最簡(jiǎn)單的傳輸方式，近距離通信的局域網(wǎng)都采用基帶傳輸?；鶐鬏敃r(shí)，需要解決的問題是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)表示。（1）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)表示

（a）單極性編碼

（b）雙極性編碼

（1）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)表示（c）單極性歸零編碼（d）雙極性歸零編碼

（2）歸零碼和不歸零碼、單極性碼

和雙極性碼的特點(diǎn)

不歸零碼在傳輸中難以確定一位的結(jié)束和另一位的開始，需要用某種方法使發(fā)送端和接收端之間進(jìn)行定時(shí)或同步；歸零碼的脈沖較窄，根據(jù)脈沖寬度與傳輸頻帶寬度成反比的關(guān)系，因而歸零碼在信道上占用的頻帶較寬。單極性碼會(huì)積累直流分量，這樣就不能使變壓器在數(shù)據(jù)通信設(shè)備和所處環(huán)境之間提供良好絕緣的交流耦合，直流分量還會(huì)損壞連接點(diǎn)的表面電鍍層；雙極性碼的直流分量大大減少，這對(duì)數(shù)據(jù)傳輸是很有利的。

2．頻帶傳輸

為了利用廉價(jià)的公共電話交換網(wǎng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信，必須將發(fā)送端的數(shù)字信號(hào)變換成能夠在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)囊纛l信號(hào)，經(jīng)傳輸后再在接收端將音頻信號(hào)逆變換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)

遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的調(diào)制解調(diào)器

數(shù)字信號(hào)的調(diào)制實(shí)際上是用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參數(shù)進(jìn)行控制，而模擬信號(hào)傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，載波具有三大要素：幅度、頻率和相位，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以針對(duì)載波的不同要素或它們的組合進(jìn)行調(diào)制。

數(shù)字調(diào)制的基本形式

2.2.2模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸

1．模擬數(shù)據(jù)的模擬傳輸2．模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字傳輸是利用數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)傳輸模擬信號(hào)。這就需要在發(fā)送端將模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化，即需要進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換；在接收端再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，即要進(jìn)行數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換。通常把A/D轉(zhuǎn)換器稱為編碼器，把D/A轉(zhuǎn)換器稱為解碼器。和調(diào)制解調(diào)器一樣，編碼器和解碼器也常在一個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，稱之為編碼解碼器CODEC（Code-DECode）。

（1）脈碼調(diào)制PCM的概念

脈碼調(diào)制是以采樣定理為基礎(chǔ)，對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行周期性采樣，利用大于或等于有效信號(hào)最高頻率或其帶寬２倍的采樣頻率，通過低通濾波器從這些采樣中重新構(gòu)造出原始信號(hào)。采樣定理表達(dá)公式為Fs（=1/Ts）≥2Fmax

或Fs≥2Bs式中，Ts為采樣周期；Fs為采樣頻率；Fmax為原始信號(hào)的最高頻率；Bs(=Fmax-Fmin)為原始信號(hào)的帶寬。（2）脈碼調(diào)制PCM的步驟

模擬信號(hào)數(shù)字化的過程包括三個(gè)階段，即采樣、電平量化和編碼。①采樣。每隔一段時(shí)間對(duì)模擬信號(hào)取樣，取樣所得到的數(shù)值代表原始信號(hào)值。采樣頻率越高，根據(jù)采樣值恢復(fù)原始信號(hào)的精度就越高。以采樣頻率Fs把模擬信號(hào)的值采出。②電平量化。把采樣所得到的信號(hào)幅度按A/D轉(zhuǎn)換器的量級(jí)分級(jí)并取整，使連續(xù)模擬信號(hào)變?yōu)闀r(shí)間上和幅度上都離散的離散值。③編碼。用若干位二進(jìn)制組合表示已取整得到的信號(hào)幅值，將離散值變成一定位數(shù)的二進(jìn)制編碼。脈碼調(diào)制(PCM)原理

（a）采樣和電平量化（b）編碼PCM輸出為：001101101101111111010111010000012.3數(shù)據(jù)同步方式

2.3.1位同步位同步是使接收端對(duì)每一位數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持同步。實(shí)現(xiàn)位同步的方法可分為外同步法和自同步法兩種。在外同步法中，接收端的同步信號(hào)事先由發(fā)送端送來，而不是自己產(chǎn)生也不是從信號(hào)中提取出來。自同步法是指能從數(shù)據(jù)信號(hào)波形中提取同步信號(hào)的方法。典型例子就是著名的曼徹斯特編碼，常用于局域網(wǎng)傳輸。

數(shù)字信號(hào)的同步編碼方法-曼徹斯特編碼

兩種曼徹斯特編碼是將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)都包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時(shí)，也將時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸?shù)綄?duì)方，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。

2.3.2異步傳輸

異步傳輸也叫字符同步，每次傳送一個(gè)字符，具體做法是，每個(gè)字符的首末分別設(shè)1位起始位和1位或1.5位或2位停止位，分別表示字符的開始和結(jié)束。起始位是0，結(jié)束位是1，字符可以是5或8位，一般5位字符的停止位是1.5位，8位字符的停止位是2位。

異步傳輸方式2.3.3同步傳輸

同步傳輸也叫幀同步，是以字符塊為單位進(jìn)行傳輸，一個(gè)字符塊一般有幾千個(gè)數(shù)據(jù)位。為了防止發(fā)送端和接收端失步，發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘必須同步。目前一般采用自同步法，

為使接收端和發(fā)送端同步，除使雙方時(shí)鐘同步外，還必須使接收端能準(zhǔn)確判斷出數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束，一般的做法是在數(shù)據(jù)塊前加一個(gè)一定長(zhǎng)度的位模式，一般稱為同步信號(hào)或前文（SYN），數(shù)據(jù)結(jié)束后加上后同步信號(hào)（后文）。前文、后文加上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息構(gòu)成了一個(gè)完整的同步傳輸方式下的數(shù)據(jù)單位，稱為幀。幀是數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳輸單位。

2.4多路復(fù)用技術(shù)及數(shù)據(jù)交換技術(shù)

2.4.1多路復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用技術(shù)就是把許多個(gè)單個(gè)信號(hào)在一個(gè)信道上同時(shí)傳輸?shù)募夹g(shù)。多路復(fù)用系統(tǒng)可以將來自多個(gè)信息源的信息進(jìn)行合并，然后將這一合成的信息群經(jīng)單一的線路和傳輸設(shè)備進(jìn)行傳輸。在接收端，則設(shè)有能將信息群分離成單個(gè)信息的設(shè)備，因此，只用一套發(fā)送裝置和接收裝置就能替代多個(gè)設(shè)備，如圖所示。

常用的多路復(fù)用技術(shù)

主要有四種形式：頻分多路復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）、時(shí)分多路復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）、波分多路復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）碼分多路復(fù)用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）。1．頻分多路復(fù)用（FDM）技術(shù)

在物理信道的可用帶寬超過單個(gè)原始信號(hào)所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個(gè)與傳輸單個(gè)信號(hào)帶寬相同(或略寬)的子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)，這就是頻分多路復(fù)用。

頻分多路復(fù)用

2．時(shí)分多路復(fù)用（TDM）技術(shù)

若媒體能達(dá)到的位傳輸速率超過傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，即將一條物理信道按時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片輪流地分配給多個(gè)信號(hào)使用。每一時(shí)間片由復(fù)用的一個(gè)信號(hào)占用，這樣，利用每個(gè)信號(hào)在時(shí)間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個(gè)數(shù)字信號(hào)。時(shí)分多路復(fù)用不僅局限于傳輸數(shù)字信號(hào)，也可同時(shí)交叉?zhèn)鬏斈M信號(hào)。TDM又分為同步時(shí)分復(fù)用（SynchronousDivisionMultiplexing，STDM）異步時(shí)分復(fù)用（AsynchronousDivisionMultiplexing，ATDM）

（1）同步時(shí)分多路復(fù)用

同步時(shí)分復(fù)用采用固定時(shí)間片分配方式，即將傳輸信號(hào)的時(shí)間按特定長(zhǎng)度連續(xù)地劃分成特定時(shí)間段（一個(gè)周期），再將每個(gè)時(shí)間段劃分成等長(zhǎng)度的多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙以固定的方式分配給各路信號(hào)，各路信號(hào)在每一時(shí)間段都順序分配到一個(gè)時(shí)隙

由于在同步時(shí)分復(fù)用方式中，時(shí)隙預(yù)先分配且固定不變，無論時(shí)隙擁有者是否傳輸數(shù)據(jù)都有一定時(shí)隙，這就造成時(shí)隙浪費(fèi)，其時(shí)隙的利用率很低，為了克服STDM的缺點(diǎn)，引入了異步時(shí)分復(fù)用技術(shù)（2）異步時(shí)分多路復(fù)用

異步時(shí)分多路復(fù)用又稱統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用技術(shù)，它能動(dòng)態(tài)地按需分配時(shí)隙，以避免每個(gè)時(shí)間段中出現(xiàn)空閑時(shí)隙。ATDM就是只有當(dāng)某一路用戶有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才把時(shí)隙分配給它；當(dāng)用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，則不給它分配時(shí)隙。電路的空閑可用于其他用戶的數(shù)據(jù)傳輸

異步時(shí)分多路復(fù)用

3．波分多路復(fù)用

波分多路復(fù)用在概念上與頻分多路復(fù)用相似，因此也稱其為光的頻分復(fù)用。所不同的是波分多路復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于全光纖組成的網(wǎng)絡(luò)中，傳輸?shù)氖枪庑盘?hào)，并按照光的波長(zhǎng)區(qū)分信號(hào)。WDM技術(shù)的工作原理如圖所示波分多路復(fù)用4．碼分多路復(fù)用

碼分多路復(fù)用也是一種共享信道的方法，每個(gè)用戶可在同一時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信，但使用的是基于碼型的分割信道的方法，即每個(gè)用戶分配一個(gè)地址碼，各個(gè)碼型互不重疊，通信各方之間不會(huì)互相干擾，且抗干擾能力強(qiáng)。2.4.2數(shù)據(jù)交換技術(shù)

按數(shù)據(jù)傳送技術(shù)劃分，交換網(wǎng)絡(luò)又可分為電路交換網(wǎng)報(bào)文交換網(wǎng)報(bào)文分組交換網(wǎng)

1．電路交換電路交換就像電話系統(tǒng)一樣，在通信期間，發(fā)送方和接受方之間一直保持一條專用的物理通路，而通路中間經(jīng)過了若干節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)接電路交換的通信過程包括3個(gè)階段：電路建立數(shù)據(jù)傳輸電路拆除（1）電路建立

在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，要先經(jīng)過呼叫過程建立一條專用的物理通路。若A站要與D站傳輸數(shù)據(jù)，需要在A～D之間建立一條物理連接。具體的方法是：站點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)1發(fā)出欲與站點(diǎn)D連接的請(qǐng)求，由于站點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)1已有直接連接，因此不必再建立連接。需要做的是在節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)4之間建立一條專用線路。從圖中我們可以看到，從1到4的通路由多條，比如1-2-3-4，1-6-5-4，1-6-3-4和1-2-5-4等，這時(shí)就需要根據(jù)一定的路由選擇算法，從中選擇一條，如1-6-3-4。節(jié)點(diǎn)4再利用直接連接與站點(diǎn)D連通。至此就完成了A～D之間的線路建立。

（2）數(shù)據(jù)傳輸

電路1-6-3-4建立以后，數(shù)據(jù)就可以從站點(diǎn)A傳輸?shù)秸军c(diǎn)D。數(shù)據(jù)既可以是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，也可以是模擬數(shù)據(jù)，在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程中，所建立的電路必須始終保持連接狀態(tài)。（3）電路拆除數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，由某一方（A或D）發(fā)出拆除請(qǐng)求，然后逐節(jié)拆除到對(duì)方節(jié)點(diǎn)。就像電話系統(tǒng)中，通話雙方的任何一方都可以先掛機(jī)。

電路交換技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其特點(diǎn)

①優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸可靠、迅速，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失且保持原來的順序。②缺點(diǎn)：在某些情況下，電路空閑時(shí)的信道容易被浪費(fèi)，在短時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸時(shí)電路建立和拆除所用的時(shí)間得不償失。因此，它適用于系統(tǒng)間要求高質(zhì)量的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r。③特點(diǎn)：在數(shù)據(jù)傳送開始之前必須先設(shè)置一條專用的通路。在線路釋放之前，該通路由一對(duì)用戶完全占用。對(duì)于猝發(fā)式的通信，電路交換效率不高。

報(bào)文交換的原理和特點(diǎn)1）報(bào)文交換原理報(bào)文交換方式的數(shù)據(jù)傳輸單位是報(bào)文，報(bào)文就是站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊，其長(zhǎng)度不限且可變。當(dāng)一個(gè)站要發(fā)送報(bào)文時(shí)，它將一個(gè)目的地址附加到報(bào)文上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文上的目的地址信息，把報(bào)文發(fā)送到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一直逐個(gè)節(jié)點(diǎn)地轉(zhuǎn)送到目的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到整個(gè)報(bào)文并檢查無誤后，就暫存這個(gè)報(bào)文，然后利用路由信息找出下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址，再把整個(gè)報(bào)文傳送給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，端與端之間無需先通過呼叫建立連接。2）報(bào)文交換的特點(diǎn)①報(bào)文從源點(diǎn)傳送到目的地采用“存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”方式，在傳送報(bào)文時(shí)，一個(gè)時(shí)刻僅占用一段通道。②在交換節(jié)點(diǎn)中需要緩沖存儲(chǔ)，報(bào)文需要排隊(duì)，故報(bào)文交換不能滿足實(shí)時(shí)通信的要求。

報(bào)文交換的優(yōu)缺點(diǎn)3）報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)①電路利用率高。由于許多報(bào)文可以分時(shí)共享兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通道，所以對(duì)于同樣的通信量來說，對(duì)電路的傳輸能力要求較低。②在電路交換網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)通信量變得很大時(shí)，就不能接受新的呼叫。而在報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)上，通信量大時(shí)仍然可以接收?qǐng)?bào)文，不過傳送延遲會(huì)增加。③報(bào)文交換系統(tǒng)可以把一個(gè)報(bào)文發(fā)送到多個(gè)目的地，而電路交換網(wǎng)絡(luò)很難做到這一點(diǎn)。④報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行速度和代碼的轉(zhuǎn)換。4）報(bào)文交換的缺點(diǎn)①不能滿足實(shí)時(shí)或交互式的通信要求，報(bào)文經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的延遲時(shí)間長(zhǎng)且不定。②有時(shí)節(jié)點(diǎn)收到過多的數(shù)據(jù)而無空間存儲(chǔ)或不能及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，就不得不丟棄報(bào)文，而且發(fā)出的報(bào)文不按順序到達(dá)目的地。

3．報(bào)文分組交換

報(bào)文分組交換是報(bào)文交換的一種改進(jìn)，它將報(bào)文分成若干個(gè)分組，每個(gè)分組的長(zhǎng)度有一個(gè)上限，有限長(zhǎng)度的分組使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的存儲(chǔ)能力降低了，分組可以存儲(chǔ)到內(nèi)存中，提高了交換速度。它適用于交互式通信，如終端與主機(jī)通信。分組交換有虛電路分組交換和數(shù)據(jù)報(bào)分組交換兩種。它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的一種交換技術(shù)。（1）虛電路分組交換

在虛電路分組交換中，為了進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間要先建一條邏輯通路。每個(gè)分組除了包含數(shù)據(jù)之外還包含一個(gè)虛電路標(biāo)識(shí)符。在預(yù)先建好的路徑上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道把這些分組引導(dǎo)到哪里去，不再需要路由選擇判定。最后，由某一個(gè)站用清除請(qǐng)求分組來結(jié)束這次連接。它之所以是“虛”的，是因?yàn)檫@條電路不是專用的。圖2.21顯示了虛電路分組交換方式的傳輸過程。例如站點(diǎn)A要向站點(diǎn)D傳送一個(gè)報(bào)文，報(bào)文在交換節(jié)點(diǎn)1被分割成4個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，數(shù)據(jù)報(bào)1、2、3和4，沿一條邏輯鏈路1-6-3-4，按順序發(fā)送。（2）數(shù)據(jù)報(bào)分組交換

在數(shù)據(jù)報(bào)分組交換中，每個(gè)分組的傳送是被單獨(dú)處理的。每個(gè)分組稱為一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)自身攜帶足夠的地址信息。一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)后，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)中的地址信息和節(jié)點(diǎn)所儲(chǔ)存的路由信息，找出一個(gè)合適的出路，把數(shù)據(jù)報(bào)原樣地發(fā)送到下一節(jié)點(diǎn)。由于各數(shù)據(jù)報(bào)所走的路徑不一定相同，因此不能保證各個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)按順序到達(dá)目的地，有的數(shù)據(jù)報(bào)甚至?xí)型緛G失。整個(gè)過程中，沒有虛電路建立，但要為每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)做路由選擇。

（2）數(shù)據(jù)報(bào)分組交換例如站點(diǎn)A要向站點(diǎn)D傳送一個(gè)報(bào)文，報(bào)文在交換節(jié)點(diǎn)1被分割成4個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，它們分別經(jīng)過不同的路徑到達(dá)站點(diǎn)D，數(shù)據(jù)報(bào)1的傳送路徑是1-6-3-4，數(shù)據(jù)報(bào)2的傳送路徑是1-2-3-4，數(shù)據(jù)報(bào)3的傳送路徑是1-6-5-4，數(shù)據(jù)報(bào)4傳送的路徑是1-2-5-4。由于4個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)所經(jīng)的路徑不同，從而導(dǎo)致它們的到達(dá)失去了順序（2、1、4、3）。

4．各種數(shù)據(jù)交換技術(shù)的性能比較

（1）電路交換：在數(shù)據(jù)傳輸之前必須先設(shè)置一條完全的通路。在線路拆除(釋放)之前，該通路由一對(duì)用戶完全占用。電路交換效率不高。（2）報(bào)文交換：報(bào)文從源點(diǎn)傳送到目的地采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，報(bào)文需要排隊(duì)。因此報(bào)文交換不適合于交互式通信，不能滿足實(shí)時(shí)通信的要求。（3）分組交換：分組交換方式和報(bào)文交換方式類似，但報(bào)文被分成分組傳送，并規(guī)定了最大長(zhǎng)度。分組交換技術(shù)是在數(shù)據(jù)網(wǎng)中最廣泛使用的一種交換技術(shù)，適用于交換中等或大量數(shù)據(jù)的情況。2.4.3ATM技術(shù)

在異步傳輸模式（ATM）中，其信元傳輸所占用的時(shí)隙并不固定,這也是所謂的統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用。另外，在一幀中占用的時(shí)隙數(shù)也不固定,可以有1至多個(gè)時(shí)隙，完全根據(jù)當(dāng)時(shí)用戶通信的情況而定。而且各時(shí)隙之間并不要求連續(xù)，純粹是“見縫插針”。在交換時(shí)，也是類似的。這個(gè)過程如圖所示。

（2）ATM的信元格式

CCITT的研究組在作了深入的研究和協(xié)商后，將ATM的數(shù)據(jù)分組取為固定長(zhǎng)度，并將其稱為ATM信元。另外,信元的長(zhǎng)度也確定為53個(gè)字節(jié)。信頭由5個(gè)字節(jié)的內(nèi)容組成，主要用來標(biāo)明在異步時(shí)分復(fù)用上屬于同一虛擬通路的信元，并完成適當(dāng)?shù)倪x路功能。具體來說，信頭中包括這樣一些內(nèi)容，即：一般流量控制（GFC）、虛擬通道標(biāo)識(shí)（VPI）、虛擬通路標(biāo)識(shí)（VCI）、凈荷類型標(biāo)識(shí)（PTI）、信元丟失優(yōu)先等級(jí)（CLP）、信頭差錯(cuò)控制（HEC）。剩余的48字節(jié)的信息段則是凈荷的數(shù)據(jù)。

2．ATM交換技術(shù)

1）虛信道和虛通道

虛信道(VC)就是兩個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)之間運(yùn)送ATM信元的信道，與分組交換的虛電路相似。虛信道由信頭中的虛信道標(biāo)識(shí)符（VCI）來標(biāo)識(shí)。虛通道(VP)是指鏈路端點(diǎn)之間虛信道的邏輯聯(lián)系。在傳輸過程中，虛通道就是在給定的參考點(diǎn)上具有同一虛通道標(biāo)識(shí)符(VPI)的一群虛信道。虛信道與虛通道的關(guān)系如圖所示。

（2）ATM交換的特點(diǎn)

ATM交換兼有電路交換和分組交換的優(yōu)點(diǎn)，交換時(shí)延很小，通路速率靈活，信道利用率高。它既支持恒定比特率（信元周期地出現(xiàn)）的連續(xù)型業(yè)務(wù)，又支持（信元非周期地出現(xiàn)）突發(fā)型業(yè)務(wù)；既支持低速業(yè)務(wù)，又支持高速業(yè)務(wù)，還能支持變速（信元出現(xiàn)密度不同）業(yè)務(wù)，既支持實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，又支持非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。因此，ATM交換是實(shí)現(xiàn)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）的一種較好的寬帶交換技術(shù)。

2.4.4幀中繼

幀中繼是八十年代初發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)通信技術(shù)，其英文名為FrameRelay，簡(jiǎn)稱FR。它是從X.25分組通信技術(shù)演變而來的。幀中繼（FrameRelay，F(xiàn)R）技術(shù)是在OSI（開放系統(tǒng)互連）數(shù)據(jù)鏈路層上用簡(jiǎn)化的方法傳送和交換數(shù)據(jù)單元的一種技術(shù)。幀中繼技術(shù)是在分組技術(shù)充分發(fā)展，數(shù)字與光纖傳輸線路逐漸替代已有的模擬線路，用戶終端日益智能化的條件下產(chǎn)生并發(fā)展起來的。幀中繼僅完成OSI物理層和數(shù)據(jù)鏈路層核心層的功能，將流量控制、糾錯(cuò)等留給智能終端去完成，大大簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)機(jī)之間的協(xié)議；同時(shí)，幀中繼采用虛電路技術(shù)，能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，因而幀中繼具有吞吐量高、時(shí)延低、適合突發(fā)性業(yè)務(wù)等特點(diǎn)。幀中繼對(duì)于基于信元交換的異步轉(zhuǎn)移模式（ATM）網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)重要的接入可選項(xiàng)。作為一種新的承載業(yè)務(wù)，幀中繼具有很大的潛力，主要應(yīng)用在廣域網(wǎng)（WAN）中，支持多種數(shù)據(jù)型業(yè)務(wù)，如局域網(wǎng)（LAN）互連、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、文件傳送、圖像查詢業(yè)務(wù)、圖像監(jiān)視等。

2.5差錯(cuò)控制和校驗(yàn)碼

2.5.1差錯(cuò)的產(chǎn)生原因及其控制方法信號(hào)在物理信道中傳輸時(shí)，線路本身電器特性造成的隨機(jī)噪聲、信號(hào)幅度的衰減、頻率和相位的畸變、信號(hào)在線路上產(chǎn)生反射造成的回音效應(yīng)、相鄰線路間的串?dāng)_以及各種外界因素（如大氣中的閃電、開關(guān)的跳火、外界強(qiáng)磁場(chǎng)的變化、電源的波動(dòng)等）都會(huì)造成信號(hào)的失真。在數(shù)據(jù)通信中，將會(huì)使接收端收到的二進(jìn)制數(shù)位和發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)位不一致，從而造成由0變成1或由1變成0的差錯(cuò)。差錯(cuò)控制是在數(shù)據(jù)通信過程中能發(fā)現(xiàn)或糾正差錯(cuò)，把差錯(cuò)限制在盡可能小的允許范圍內(nèi)的技術(shù)和方法。

差錯(cuò)的控制編碼

最常用的差錯(cuò)控制方法是差錯(cuò)控制編碼。數(shù)據(jù)信息位在向信道發(fā)送之前，先按照某種關(guān)系附加上一定的冗余位，構(gòu)成一個(gè)碼字后再發(fā)送，這個(gè)過程稱為差錯(cuò)控制編碼過程。接收端收到該碼字后，檢查信息位和附加的冗余位之間的關(guān)系，以檢查傳輸過程中是否有差錯(cuò)發(fā)生，這個(gè)過程稱為檢驗(yàn)過程。差錯(cuò)控制編碼可分為檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。①檢錯(cuò)碼：能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的編碼；②糾錯(cuò)碼：不僅能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)而且能自動(dòng)糾正差錯(cuò)的編碼。

差錯(cuò)控制方法

差錯(cuò)控制方法分兩類：一類是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（ARQ）；另一類是前向糾錯(cuò)（FEC）。在ARQ方式中，當(dāng)接收端發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，就設(shè)法通知發(fā)送端重發(fā)，直到收到正確的碼字為止。ARQ方式只使用檢錯(cuò)碼。在FEC方式中，接收端不但能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，而且能確定二進(jìn)制碼元發(fā)生錯(cuò)誤的位置，從而加以糾正。FEC方式必須使用糾錯(cuò)碼。

3．編碼效率

衡量編碼性能好壞的一個(gè)重要參數(shù)是編碼效率R，它是碼字中信息位所占的比例。編碼效率越高，即R越大，信道中用來傳送信息碼元的有效利用率就越高。編碼效率計(jì)算公式為R=k/n=k/(k+r)

式中，k為碼字中的信息位位數(shù)；r為編碼時(shí)外加冗余位位數(shù)；n為編碼后的碼字長(zhǎng)度。

2.5.2奇偶校驗(yàn)碼

奇偶校驗(yàn)碼是一種通過增加冗余位使得碼字中１的個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法，它是一種檢錯(cuò)碼。

1．垂直奇偶校驗(yàn)在面向字符的數(shù)據(jù)傳輸中，在每個(gè)字符的7位信息碼后附加一個(gè)校驗(yàn)位0或1，使整個(gè)字符中1的個(gè)數(shù)構(gòu)成奇數(shù)個(gè)（稱為奇校驗(yàn)）或者偶數(shù)個(gè)（稱為偶校驗(yàn)）。接收端收到數(shù)據(jù)后，檢查每個(gè)字符中1的個(gè)數(shù)是否為奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)），符合則認(rèn)為傳輸正確。垂直奇偶校驗(yàn)的編碼規(guī)則偶校驗(yàn)：ri=I1iI2i…Ipi（i=1，2，…，q，為異或運(yùn)算）奇校驗(yàn)：ri=I1iI2i…Ipi

1

（i=1，2，…，q，為異或運(yùn)算）式中，p為碼字的定長(zhǎng)位數(shù)；q為碼字的個(gè)數(shù)。垂直奇偶校驗(yàn)的編碼效率為R=p/（p+1）。

垂直奇偶校驗(yàn)舉例例如發(fā)送方要發(fā)送字符“hello”，按照ASCII編碼，其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制比特串為：11010001100101110110011011001101111

hello先把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度劃分成小組，此處以一個(gè)字符的ASCII碼為一組。然后按照字母順序一列一列地排列起來，形成一個(gè)表。最后在表的列方向上附加一個(gè)奇偶校驗(yàn)位，此處以偶校驗(yàn)為例，如表2.1所示。傳送時(shí)發(fā)送的二進(jìn)制序列為1101000111001010110110001101100011011110

位字符helloC101001C200001C301111C410111C500000

C611111C711111

偶校驗(yàn)C0100002．水平奇偶校驗(yàn)

在發(fā)送字符塊末尾附加一個(gè)校驗(yàn)字符，該校驗(yàn)字符的第i位是對(duì)字符塊中所有字符的第i位進(jìn)行奇（或偶）校驗(yàn)的結(jié)果。（1）編碼規(guī)則為：

偶校驗(yàn)：ri=Ii1Ii2…Iiq

（i=1，2，…，p）奇校驗(yàn)：ri=Ii1Ii2…Iiq1（i=1，2，…，p）式中，p為碼字的定長(zhǎng)位數(shù)q為碼字的個(gè)數(shù)水平奇偶校驗(yàn)的編碼效率為R=q/(q+1)。

水平奇偶校驗(yàn)

使用水平奇偶校驗(yàn)發(fā)送字符“hello”，其編碼如表2.2所示。發(fā)送序列為110100011001011101100110110011011111100010。

位字符偶校驗(yàn)helloC1010010C200001

1C3011110C410111

0C5000000C6111111C71111113．垂直水平奇偶校驗(yàn)

垂直水平奇偶校驗(yàn)是垂直奇偶校驗(yàn)和水平奇偶校驗(yàn)的綜合，即對(duì)字符塊中每個(gè)字符做垂直奇（或偶）校驗(yàn)，再對(duì)整個(gè)字符塊做水平奇（偶）校驗(yàn)。（1）編碼規(guī)則如下

若垂直水平都用偶校驗(yàn)，則ri,q+1=Ii1Ii2…Iiq（i=1，2，…，p）rp+1,j=I1jI2j…Ipj（j=1，2，…，q）rp+1,q+1=rp+1,1rp+1,2…rp+1,q=r1,q+1r2,q+1…rp,q+1垂直水平奇偶校驗(yàn)的編碼效率為R=pq/[(p+1)(q+1)]。

2.5.3循環(huán)冗余碼（CRC）

1．CRC的工作方法在數(shù)據(jù)通信中得到廣泛應(yīng)用的循環(huán)冗余碼CRC（CycleRedundancyCode）是另一種校驗(yàn)碼，它以二進(jìn)制信息的多項(xiàng)式表示為基礎(chǔ)。一個(gè)二進(jìn)制信息可以用系數(shù)為0或1的一個(gè)多項(xiàng)式來表示，例如，用一個(gè)多項(xiàng)式K(X)表示一個(gè)n位的信息，可以表示為

K(X)＝an-1Xn-1＋…＋a2X2＋a1X＋a0式中ai(i=0,1,…,n-1)為二進(jìn)制信息1或0。比如二進(jìn)制信息110011，可用系數(shù)為1，1，0，0，1，1的多項(xiàng)式表示為：K(X)