第2章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)和通信技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，計算機網(wǎng)絡(luò)能夠連接世界，把分布在地球上的各個信息點連成一片，使它們能夠隨時互通信息和交換數(shù)據(jù)。在我們的日常生活中，我們已經(jīng)深刻體會到了因特網(wǎng)的普及給我們帶來的方便，但是網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)是怎樣傳輸?shù)哪?？與我們平常使用的手機中的數(shù)據(jù)傳輸是一回事嗎？要了解這些知識，我們需要對數(shù)據(jù)通信的相關(guān)知識進行學(xué)習(xí)。引子【知識目標】1.學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)通信的基本概念和主要技術(shù)指標。2.學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)編碼的基本方法。3.學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)傳輸方式和數(shù)據(jù)交換技術(shù)的基本原理?！炯寄苣繕恕?.掌握數(shù)據(jù)傳輸速率、信號傳輸速率和誤碼率的計算。2.能夠理解數(shù)據(jù)通信的相關(guān)技術(shù)。【素養(yǎng)目標】1.培養(yǎng)探究科學(xué)規(guī)律的精神。2.培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和分析問題的能力。學(xué)習(xí)目標2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.1信息、數(shù)據(jù)與信號信息：是指事物發(fā)出的消息、指令、數(shù)據(jù)、符號等所包含的內(nèi)容。信息的載體可以是數(shù)字、文字、語音、圖形、以及圖像，計算機中的信息一般是字母、數(shù)字、語音、圖形或圖像的組合。

數(shù)據(jù)：信息的二進制代碼表示，稱為數(shù)據(jù)。

信號：是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的電信號表示形式。

模擬信號：時間上連續(xù)，包含無窮多個值。

數(shù)字信號：時間上離散，僅包含有限數(shù)目的預(yù)定值。模擬信號數(shù)字信號2.1.2數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式

1.通信方式—按使用的信道數(shù)(1)串行通信串行通信是指用一條數(shù)據(jù)線傳送比特流，一次只傳送一個比特。(2)并行通信并行通信是指同時有多條數(shù)據(jù)通道，可同時傳送多個比特。串行通信和并行通信2.1.2數(shù)據(jù)傳輸類型與通信方式

2.通信方式—按數(shù)據(jù)流動的方向?單工：數(shù)據(jù)單向傳輸（無線電廣播）?半雙工：數(shù)據(jù)可以雙向傳輸，但不能在同一時刻雙向傳輸（對講機）?全雙工：數(shù)據(jù)可同時雙向傳輸（電話）。兩個方向的信號共享鏈路帶寬：鏈路具有兩條物理上獨立的傳輸線路，或?qū)捯环譃槎謩e用于不同方向的信號傳輸單工、半雙工、全雙工通信2.1.3數(shù)據(jù)通信中的主要技術(shù)指標1.數(shù)據(jù)傳輸速率

指每秒能傳送的二進制信息位數(shù)，也叫比特率。單位：位/每秒，記作bps或bit/s。2.信號傳輸速率

單位時間里通過信道傳輸?shù)拇a元個數(shù)，也叫波特率。單位：波特，記作Baud。比特率和波特率的關(guān)系：Rbit=Rbaud*log2N

(其中N是信號的編碼級數(shù))3.信道容量

指1個信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。單位：位/每秒。4.誤碼率

指二進制數(shù)據(jù)位傳輸時出錯的概率，是衡量信道傳輸可靠性的指標。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，一般要求誤碼率低于10－6

。

P=錯誤的位數(shù)/傳輸?shù)目偽粩?shù)2.2數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.2.1

數(shù)據(jù)編碼類型1.數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼技術(shù)。2.數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼技術(shù)。（非歸0編碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼）3.模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼技術(shù)。2.2.2數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼三種常用的調(diào)制技術(shù)：

1）振幅鍵控ASK(AmplitudeShiftKeying)，調(diào)幅

2）移頻鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)，調(diào)頻

3）移相鍵控PSK(PhaseShiftKeying)，調(diào)相

基本原理：用數(shù)字信號對載波的不同參量進行調(diào)制。2.2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼1.非歸零碼(NRZ，Non-ReturntoZero)

二進制數(shù)字0、1分別用兩種電平來表示。

如：用低電平表示0，高電平表示1。

缺點：當0和1個數(shù)不相等時，存在直流分量；不具備自同步機制，必須使用外同步。2.曼徹斯特編碼(Manchestercode)

用電壓的變化表示0和1。

規(guī)定在每個碼元的中間發(fā)生跳變：低→高的跳變——0，高→低的跳變——1

每個碼元中間都要發(fā)生跳變，接收端可將此變化提取出來作為同步信號，使接收端的時鐘與發(fā)送設(shè)備的時鐘保持一致。

曼徹斯特編碼也稱為自同步碼（Self-SynchronizingCode）。它具有自同步機制，無需外同步信號。缺點：需要雙倍的傳輸帶寬（即信號速率是數(shù)據(jù)速率的2倍）。2.2.3數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼3.差分曼徹斯特編碼(DifferentialManchestercode)與曼徹斯特編碼相同的是，在每個碼元的中間，信號都會發(fā)生跳變，作同步之用；不同之處在于：用在碼元開始處有無跳變來表示0和1：

碼元開始處有跳變——0

碼元開始處無跳變——1數(shù)字數(shù)據(jù)信號的三種編碼波形2.2.4模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼奈奎斯特定理（采樣定理）：如果連續(xù)變化的模擬信號最高頻率為F，若以2F的采樣頻率對其采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復(fù)出原始信號。語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。需要經(jīng)過三個步驟：

1）采樣——按一定間隔對語音信號進行采樣每隔一定時間從連續(xù)變化的話音模擬信號中取出一個瞬時值，從而得到一系列電平幅度不同的脈沖信號，即脈幅調(diào)制(PAM)信號.2）量化——對每個樣本舍入到量化級別上

3）編碼——對每個舍入后的樣本進行編碼2.3數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)2.3.1傳輸方式1.基帶傳輸

人們把數(shù)字數(shù)據(jù)信號固有的頻帶稱為基帶，相應(yīng)的矩形脈沖信號稱為基帶信號。

基帶傳輸技術(shù)是指在數(shù)字信道上，直接傳送基帶信號的方法，它是最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式。大多數(shù)局域網(wǎng)都使用基帶傳輸，如以太網(wǎng)。2.頻帶傳輸利用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號的方法稱為頻帶傳輸。

它需要調(diào)制成模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。帶傳輸中，調(diào)制解調(diào)器是最典型的通信設(shè)備。例如：通過電話模擬信道傳輸2.3.1傳輸方式3.寬帶傳輸

寬帶指比音頻帶寬更寬的頻帶，指傳輸介質(zhì)的頻帶寬度較寬的信息傳輸，它可同時傳播多路信號，進行高速數(shù)據(jù)傳輸。4.調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理

（1）調(diào)制解調(diào)器的工作原理

通過調(diào)幅、調(diào)頻等技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號的轉(zhuǎn)換。（2）全雙工通信的工作原理

使用帶通濾波器將雙方的發(fā)送與接收通道分開，達到全雙工通信的目的。

調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)全雙工通信的工作原理2.3.2同步技術(shù)

所謂同步，就是要求通信的接收端要按照發(fā)送端所發(fā)送的每比特的重復(fù)頻率以及起止時間來接收數(shù)據(jù)，即收發(fā)雙方在時間基準上保持一致。

數(shù)據(jù)通信的同步包括：位同步、字符同步。

1.位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都與發(fā)送端保持同步。（1）外同步法：發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的同時，另外發(fā)送同步時鐘信號，接收方用它來校準自己的時鐘脈沖頻率。（2）內(nèi)同步法：通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），這些數(shù)據(jù)編碼信號本身包含了同步脈沖，接收方提取同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。

2.字符同步：保證收發(fā)雙方正確傳輸字符。（1）同步式：由同步控制字符領(lǐng)先，以組為單位連續(xù)傳送。（2）異步式：每個字符獨立傳送，各字符間的時間間隔可以任意。需添加冗余位以確認字符的開始和結(jié)束。2.3.3多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)指在一條物理線路上建立多條通信信道的技術(shù)。發(fā)送方通過復(fù)用器將多個用戶的數(shù)據(jù)匯集，經(jīng)一條物理線路傳送到接收設(shè)備，接收設(shè)備再通過分用器將數(shù)據(jù)分離成單獨的數(shù)據(jù)，分發(fā)給接收方的多個用戶。多路復(fù)用的基本原理2.3.3多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用一般可以分為以下3種基本形式。（1）頻分復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）。（2）波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）。（3）時分復(fù)用（TimedivisionMultiplexing，TDM）。2.3.3多路復(fù)用技術(shù)1.頻分多路復(fù)用(FrequencyDivisionMultiplexing)原理：整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每個用戶占用一個頻率通道。頻率通道之間留有防護頻帶，適用于模擬信號傳輸。頻分多路復(fù)用的特點是：每個用戶終端的數(shù)據(jù)通過專門分配給它的子信道傳輸，在用戶沒有數(shù)據(jù)傳輸時，別的用戶也不能使用。頻分多路復(fù)用的基本工作原理2.3.3多路復(fù)用技術(shù)2.波分多路復(fù)用(WaveDivisionMultiplexing)原理：整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每個用戶占用一個波長范圍進行傳輸。波分多路復(fù)用的基本原理2.3.3多路復(fù)用技術(shù)3.時分多路復(fù)用(TimeDivisionMultiplexing)(1)工作原理：

以信道傳輸時間作為分割對象，把時間分割成小的時間片，通過為多個用戶分配不同的時間片的方法來實現(xiàn)多路復(fù)用。適合于數(shù)字信號的傳輸。

T1載波：復(fù)用24路信號，速率1.544Mbps（北美標準）

E1載波：復(fù)用30路信號，速率2.048Mbps（歐洲標準）(2)時分多路復(fù)用技術(shù)的分類：

同步時分多路復(fù)用（STDM）將時間片固定分配給各個信道，不考慮信道是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，這要求收發(fā)雙方必須同步，當某用戶無數(shù)據(jù)發(fā)送時，其他用戶也不能占用其時間片，將會造成帶寬浪費。2.3.3多路復(fù)用技術(shù)

統(tǒng)計時分多路復(fù)用（ATDM）－也叫異步時分多路復(fù)用

根據(jù)用戶對時間片的需要來分配時間片，沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩舨环峙鋾r間片，同時，對每一個時間片加上用戶標識，以區(qū)別該時間片屬于哪一個用戶。提高了通信線路利用率。該技術(shù)為異步傳輸模式ATM的研究奠定了理論基礎(chǔ)。時分多路復(fù)用的基本工作原理2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.4數(shù)據(jù)交換技術(shù)

為降低通信線路造價，大型網(wǎng)絡(luò)主要采用部分連接的拓撲結(jié)構(gòu),兩個端節(jié)點之間的通信連接一般都要通過中間節(jié)點的轉(zhuǎn)接，中間節(jié)點要在它所連接幾條線路中選擇一條進行接續(xù),就像電話交換機為通話雙方接續(xù)線路一樣，這個過程被稱為交換。

實現(xiàn)交換的方法主要有：電路交換、報文交換和分組交換。報文交換和分組交換均采用的是存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式。

2.4.1電路交換1）原理:（與電話交換方式類似）交換數(shù)據(jù)前，先建立實際的物理線路連接。2）通信過程：

線路建立階段－－數(shù)據(jù)傳輸階段－－線路釋放階段3）特點：

建立連接的時間長，建立連接后，傳輸延遲小，

連接獨占線路，線路利用率低，

無差錯控制能力。電路交換方式的工作原理2.4.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換1.存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換的概念和特點在交換過程中，交換設(shè)備將接收到的數(shù)據(jù)單元先存儲，待信道空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)出去，一級一級中轉(zhuǎn)，直到目的地。這種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)稱為存儲-轉(zhuǎn)發(fā)?？梢詫崿F(xiàn)信道的資源共享，提高線路利用率；有路選功能，可以均衡流量；有差錯控制功能，可以提高系統(tǒng)可靠性；可以實現(xiàn)不同通信速率線路之間的數(shù)據(jù)傳送。因此，存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式在計算機網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。2.存儲轉(zhuǎn)發(fā)的分類(1)報文交換將待傳數(shù)據(jù)作為一個單元，打包后形成報文，不管報文大小作為整體一起發(fā)送。特點：報文大小不一，造成緩沖區(qū)管理復(fù)雜；大報文造成存儲轉(zhuǎn)發(fā)的延時過長；出錯后整個報文需全部重發(fā)。2.4.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換(2)報文分組交換（分組交換）發(fā)送方將長報文劃分成多個報文分組進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)，接收方再將各報文分組按順序重組成報文，這就是報文分組交換，常稱為分組交換。特點：對轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備存儲容量要求較小，可以用內(nèi)存來緩沖分組——速度快；轉(zhuǎn)發(fā)延時小——適用于交互式通信；某個分組出錯僅重發(fā)該分組——效率高；各分組可通過不同路徑傳輸——可靠性高。在實際應(yīng)用中，分組交換有數(shù)據(jù)報和虛電路兩種方式。2.4.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換3.數(shù)據(jù)報的工作原理1）工作原理：數(shù)據(jù)報是報文分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)的一種形式。在數(shù)據(jù)報方式中，分組傳送之間不需要預(yù)先在源主機與目的主機之間建立“線路連接”。源主機所發(fā)送的每一個分組都可以獨立地選擇一條傳輸路徑。每個分組在通信子網(wǎng)中可能是通過不同的傳輸路徑到達目的主機。數(shù)據(jù)報方式的數(shù)據(jù)交換過程2.4.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換2）數(shù)據(jù)報特點：

同一報文的各分組獨立進行路由選擇；同一報文的分組到達目的結(jié)點時可能出現(xiàn)亂序、丟失等現(xiàn)象；每一個分組都需帶有足夠的地址信息；傳輸延遲較大，不適于長報文、會話式通信。2.4.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換4.虛電路的工作原理

1）工作原理虛電路方式在分組發(fā)送之前，需要在發(fā)送方和接收方建立一條邏輯連接即虛電路連接。在這一點上，虛電路方式與電路交換方式類似，整個通信過程分為3個階段：①虛電路建立階段；②數(shù)據(jù)傳輸階段；③虛電路拆除階段。

虛電路交換方式的工作工程2.4.2存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換2）虛電路特點：

發(fā)送數(shù)據(jù)前，先建立邏輯連接，有一定時間延遲；各分組沿虛電路傳送，不需做路由選擇，不需帶全地址信息；分組到達目的地不會出現(xiàn)亂序、丟失等現(xiàn)象；每結(jié)點可以和任何結(jié)點建立多條虛電路連接，可共享帶寬。項目數(shù)據(jù)報虛電路目標地址每個分組都需要建立連接時需要初始化設(shè)置不需要需要分組順序通信子網(wǎng)不負責通信子網(wǎng)負責保證差錯控制由主機負責通信子網(wǎng)負責對主機透明流量控制網(wǎng)絡(luò)層不提供通信子網(wǎng)提供連接的建立和釋放不需要需要數(shù)據(jù)報和虛電路的對比2.4.3其他高速交換技術(shù)1.幀中繼

早期典型分組交換網(wǎng)是X.25網(wǎng)，它著眼于可靠性，每個中間結(jié)點都差錯檢測。

幀中繼是在X.25的基礎(chǔ)上簡化了差錯控制、流量控制和路由選擇功能而形成的一種新型交換技術(shù)。2.ATM交換

ATM是一種高速分組交換技術(shù)，采用了以信元為單位的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，故又稱為信元交換。

ATM將話音、數(shù)據(jù)和圖像等數(shù)據(jù)分解成長度固定的數(shù)據(jù)塊，并在各數(shù)據(jù)塊前裝配地址、優(yōu)先級等控制信息構(gòu)成信元。ATM信元由一個5字節(jié)信元頭（Header）與一個48字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)（UserData），信元長度為53字節(jié)。2.4.3其他高速交換技術(shù)3.同步數(shù)字體系SDH

ITU（國際電信聯(lián)盟）以美國標準SONET（同步光纖網(wǎng)）為基礎(chǔ)，制定出國際標準同步數(shù)字系列SDH。SDH具有以下主要特點：（1）實現(xiàn)了數(shù)字傳輸體制上的國際性標準（2）SDH網(wǎng)還有兼容光纖分布式數(shù)據(jù)接口FDDI、分布式隊列雙總線DQDB以及ATM信元（3）采用同步復(fù)用方式，降低了復(fù)用設(shè)備的復(fù)雜性（4）增強了網(wǎng)絡(luò)管理能力（5）標準的開放型光接口可以在基本光纜段上實現(xiàn)不同公司光接口設(shè)備的互連，降低了組網(wǎng)成本。2.5廣域網(wǎng)連接技術(shù)2.5.1專線方式在專線連接的方式中，通信運營商利用其通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸設(shè)備和線路，為用戶配置一條專用的通信線路，專線既可以是數(shù)字的，也可以是模擬的，其連接方式和結(jié)構(gòu)如圖所示。用戶通過自身設(shè)備的串口短距離連接到接入設(shè)備，再通過接入設(shè)備跨越一定距離連接到運營商通信網(wǎng)絡(luò)。專線方式連接示意圖2.5.1專線方式

DTE（DataCircuit-terminatingEquipment，數(shù)據(jù)電路終止設(shè)備）DCE（DataTerminalEquipment，數(shù)據(jù)終端設(shè)備）DCE這種設(shè)備通常處于主動位置，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)的接口，并且提供用于同步數(shù)據(jù)通信的時鐘信號；客戶端的用戶設(shè)備被稱為DTE，通常處于被動位置，接收線路時鐘，獲得網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。專線方式的特點包括：（1）用戶獨占一條永久性、點對點專用線路。（2）線路速率固定，由客戶向運營商租用，并獨享帶寬。（3）部署簡單，通信可靠，傳輸延遲小。（4）資源利用率低，費用昂貴。（5）點對點的結(jié)構(gòu)不夠靈活。2.5.2電路交換方式由于專線方式的費用過于昂貴，用戶希望能夠使用一種按需建立連接的通信方式來實現(xiàn)不同地域局域網(wǎng)的連接，這就是電路交換方式。電路交換方式的結(jié)構(gòu)與專線方式類似，只是運營商提供的是廣域網(wǎng)交換機，從而讓用戶設(shè)備接入電路交換網(wǎng)絡(luò)。典型的電路交換網(wǎng)是PSTN（PublicSwitchTelephoneNetwork，公共電話交換網(wǎng)）。

PSTN是以電路交換技術(shù)為基礎(chǔ)的用于傳輸模擬話音的網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)中擁有數(shù)以億計的電話機和各種交換設(shè)備，為了使龐大的電話網(wǎng)能夠正常工作，PSTN采用分級交換方式工作。通常情況下PSTN主要由三個部分組成：本地回路、干線和交換機。本地回路（用戶電話機到局級交換機之間）基本上采用模擬線路，干線和交換機是PSTN的主干部分，一般采用數(shù)字傳輸和交換技術(shù)。2.5.2電路交換方式缺點：不具有存儲轉(zhuǎn)發(fā)的能力線路利用率較低數(shù)據(jù)傳輸時帶寬很小優(yōu)點：廉價使用場合：最常使用普通撥號電話線的場合是商場中常見的刷卡消費時使用的POS機，對于商場來講每次刷卡，只是相當于打了一個市內(nèi)電話，費用相當?shù)土ｋ娫拰＞€通常是作為備份線路使用的，比如銀行的儲蓄所為了防止主干線路出現(xiàn)問題，而租用電話專線為主干線路進行備份。

2.5.3數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

專線方式和電路交換方式的點到點連接中，運營商提供的線路屬于物理層，要想很好的利用這些物理資源，需要在數(shù)據(jù)鏈路層提供一些協(xié)議，建立端到端的數(shù)據(jù)鏈路。常見鏈路層協(xié)議：HDLC（高級數(shù)據(jù)鏈路控制）SLIP（串行線路網(wǎng)際協(xié)議）SDLC（同步數(shù)據(jù)鏈路控制）PPP（點對點協(xié)議）2.5.3數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

HDLC協(xié)議20世紀70年代初，IBM公司率先提出了面向比特的SDLC（SynchronousDataLinkControl，同步數(shù)據(jù)鏈路控制）。隨后，ANSI和ISO均采納并發(fā)展了SDLC，并分別提出了自己的標準：ANSI的ADCCP（AdvancedDataControlProcedure，高級通信控制）、ISO的HDLC（High-levelDataLinkControl，高級數(shù)據(jù)鏈路控制）。2.5.3數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

作為面向比特的數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議的典型，HDLC具有如下特點：（1）協(xié)議不依賴于任何一