第3章 數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

第3章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

本章內(nèi)容簡介概述數(shù)據(jù)通信中的基本概念數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標數(shù)據(jù)傳輸類型數(shù)據(jù)傳輸方式數(shù)據(jù)交換技術(shù)差錯檢驗和校正3.1概述計算機網(wǎng)絡(luò)是計算機技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。從功能結(jié)構(gòu)上，把計算機網(wǎng)絡(luò)看成是一個兩層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。外層是由主計算機、I/O設(shè)備、各種軟件資源和數(shù)據(jù)資源構(gòu)成的資源子網(wǎng)，它負責(zé)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理，并向網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種共享的網(wǎng)絡(luò)資源和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；而內(nèi)層則是由通信控制處理機和高速通信線路等組成的通信子網(wǎng)，它負責(zé)全網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、交換、加工和變換等通信處理工作。后來國際標準化組織（ISO）經(jīng)過研究，建立了一種統(tǒng)一標準，進一步將通信子網(wǎng)內(nèi)的有關(guān)活動內(nèi)容細分為三層，將資源子網(wǎng)內(nèi)的有關(guān)活動內(nèi)容細分為四層，總共有七層，叫做七層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參考模型，有人稱它為“洋蔥頭”模型，又叫“開放系統(tǒng)互連”模型。在通常情況下，網(wǎng)絡(luò)層次是不可見的，它們只是人們對網(wǎng)絡(luò)軟件功能的分工和對各相鄰兩層之間的接口規(guī)定。在每一層內(nèi)都要完成規(guī)定的功能，稱為該層內(nèi)的協(xié)議，七個層次就要分別有七種協(xié)議；在層與層之間的過渡，叫做接口，在接口處，規(guī)定下層要為上層服務(wù)，故層與層之間要規(guī)定有具體的服務(wù)內(nèi)容，叫接口服務(wù)，所以七個層次又要有七種接口服務(wù)。兩層結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)示意圖

NCNCNCNCNCHHHHHH通信子網(wǎng)資源子網(wǎng)TTTTTTTTTH主機3.2數(shù)據(jù)通信中的基本概念1．信息、數(shù)據(jù)及其編碼把計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩M制代碼稱為數(shù)據(jù)（data），它是傳遞信息（information）的載體，包括數(shù)字、文字、語言、圖形、圖像等。數(shù)據(jù)與信息的區(qū)別在于數(shù)據(jù)僅涉及事物的表示形式，而信息則涉及這些數(shù)據(jù)的內(nèi)容和解釋。信息是一種有意義的數(shù)據(jù)。目前世界上表示數(shù)據(jù)的二進制代碼是ASCII和EBCDIC碼等。2.信道

傳輸信息的通道稱為“信道”。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，有所謂物理信道和邏輯信道之分?！拔锢硇诺馈笔侵赣脕韨魉托盘柣驍?shù)據(jù)的物理通路，它由傳輸介質(zhì)及有關(guān)通信設(shè)備組成?！斑壿嬓诺馈币彩蔷W(wǎng)絡(luò)上的一種通路。在信號的發(fā)送與接收之間不僅存在一條物理上的傳輸介質(zhì)，而且在物理信道的基礎(chǔ)上，還存在可以通過結(jié)點內(nèi)部的連接來實現(xiàn)的邏輯信道。根據(jù)傳輸介質(zhì)是否有形，物理信道可以分為有線信道和無線信道。按照信道中傳輸不同類型的數(shù)據(jù)信號來分，物理信道又可以分為模擬信道和數(shù)字信道。按照信道的使用方式來分，又可以把信道分為專用信道和公共交換信道。專用信道是一種連接用戶之間設(shè)備的固定“專線”，用戶之間的通信，通過公共交換機之間的線路轉(zhuǎn)接，公共電話交換網(wǎng)就屬于公共交換信道。

3.信道容量信道容量是指信道能傳輸信息的最大能力，一般用單位時間內(nèi)最大可傳送的比特數(shù)來表示。信道容量由信道的帶寬、可使用的時間以及信道質(zhì)量（即信號功率與干擾功率之比）決定。實際應(yīng)用中的傳輸速率要小于信道容量。4.碼元和碼字所謂“碼元”，或稱為“碼位”，是對計算機網(wǎng)絡(luò)傳送的二進制數(shù)字中的每一位的通稱。而由若干個碼元序列表示的數(shù)據(jù)單元代碼通常稱為“碼字”。例如，二進制數(shù)字1000001是由7個碼元組成的序列，可以視為一個碼字。在7位ASCII碼中，這個碼字表示字母A。5．全雙工和半雙工

在一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，如果能夠同時發(fā)送和接收信息，則叫做全雙工（FDX）系統(tǒng)。若發(fā)送和接收需要先后錯開而不能同時進行，則叫做半雙工（HDX）系統(tǒng)。6.同步問題同步問題是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的一個重要問題，數(shù)據(jù)發(fā)送出去之后，在接收端能否正確地接收下來，關(guān)鍵就是解決同步問題。同步問題有兩類。一類是位同步，指在接收端需要知道每一位是從什么時候開始的，從而能在一連串的位流中把每一位都分辨出來；另一類就是字符同步，即在接收端需要知道什么地方是一個字符的開始位，從而能從一連串的位流中將每個字符按規(guī)定的編碼格式分離出來，然后再經(jīng)過解碼，得到所需要的字符。常用的處理方式有同步和異步兩種。采用起止式異步方式，可使每個字符本身都帶有所需的開始和停止的同步信息，所以在這樣的系統(tǒng)中，可以隨時發(fā)送字符，使用十分方便。采用同步方式，在所傳送的字符與字符之間，不再留有空隔，也不用停頓，可以連續(xù)不停地發(fā)送，所以速度較快。這種方式適用于大批量的數(shù)據(jù)傳送的情況。3.3數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，為了描述數(shù)據(jù)傳輸速率的大小和傳輸質(zhì)量的好壞，往往需要運用所謂比特率、波特率和出錯率等技術(shù)指標。1.比特率比特率（S）是一種數(shù)字信號傳輸速率，它表示單位時間內(nèi)所傳送的二進制代碼的有效位（bit）數(shù)，單位采用每秒比特數(shù)（bps）或每秒千比特數(shù)（Kbps）表示。2.波特率波特率（B）是一種調(diào)制速率，也稱波形速率。它是針對模擬信號傳輸過程中，從調(diào)制解調(diào)器輸出的調(diào)制信號，每秒鐘載波調(diào)制狀態(tài)改變的次數(shù)?；蛘哒f，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)就是波特率，其單位為波特（baud）。3．出錯率出錯率是指信息在傳輸中的錯誤率，也稱為“誤碼率”。它是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作狀況下，表達傳輸可靠性的指標。如果傳輸?shù)男畔⒁源a元為單位，則在計算機網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，要求誤碼率低于10-6

。波特率和比特率的區(qū)別與聯(lián)系

數(shù)字信號模擬信號模擬信道計算機計算機MODEMMODEM波特率比特率4.帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率在模擬信道中，人們一般采用“帶寬”表示信道傳輸信息的能力，即傳送信息信號的高頻率與低頻率之差，單位為Hz、kHz、MHz或GHz。例如，電話信道的帶寬為300～3400Hz。在數(shù)字信道中，人們通常用“數(shù)據(jù)傳輸速率”（比特率）表示信道傳輸信息的能力，即每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)，單位為bps、Kbps、Mbps或Gbps

。例如，調(diào)制解調(diào)器的傳輸速率為14.4Kbps、28.8Kbps或56Kbps等。由于帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速率這兩個術(shù)語都是用來度量網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的，所以，在一些論述計算機網(wǎng)絡(luò)的中外文書籍中，兩者經(jīng)常混用。但是，從技術(shù)角度來講，這是兩個完全不同的概念，希望讀者注意加以區(qū)別。3.4數(shù)據(jù)傳輸類型數(shù)據(jù)傳輸共有三種類型：基帶傳輸、頻帶傳輸和寬帶傳輸。3.4.1基帶傳輸

在數(shù)據(jù)通信中，表示計算機傳輸?shù)亩M制數(shù)字信號是典型的矩形電脈沖。由于這種未經(jīng)調(diào)制的電脈沖信號所占據(jù)的頻帶通常從直流和低頻開始，因而人們把這種矩形電脈沖信號的固有頻率稱為“基帶”，即電脈沖信號固有的基本頻帶，相應(yīng)的信號稱為“數(shù)字基帶信號”。3.4.2頻帶傳輸對于遠距離通信來說，目前經(jīng)常使用的仍然是普遍的電話線，因為它是當(dāng)今世界上覆蓋范圍最廣、應(yīng)用最普遍的一類通信信道。而且，無論計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)如何發(fā)展，電話通信信道仍然是現(xiàn)在與將來使用的一種基本的網(wǎng)絡(luò)通信手段。眾所周知，傳統(tǒng)的電話通信信道是為了傳輸語音信號而設(shè)計的，它只適用于傳輸音頻范圍（300～3400Hz）的模擬信號，不適用于直接傳輸計算機的數(shù)字基帶信號。為了利用電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機之間的數(shù)字信號傳輸，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。為此，需要在發(fā)送端選取音頻范圍的某一頻率的正（余）弦模擬信號作為載波，用它運載所要傳輸?shù)臄?shù)字信號，通過電話信道將其送至另一端；在接收端再將數(shù)字信號從載波上取出來，恢復(fù)為原來的信號波形。這種利用模擬信道實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸?shù)姆椒ǚQ為“頻帶傳輸”。3.4.3寬帶傳輸

在局域網(wǎng)中，常用寬帶傳輸。所謂寬帶傳輸就是利用頻帶寬度至少為1000MHz的寬帶同軸電纜作為傳輸介質(zhì)。具體使用時通常把這種寬帶劃分成若干個子頻帶，分別用于傳輸數(shù)字、音頻和視頻信號。因此，人們可以利用寬帶傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)文字、聲音和圖像的一體化傳輸。不過由于寬帶同軸電纜原來是用于傳輸電視信號的，要用它來傳輸數(shù)字信號，就必須利用射頻調(diào)制解調(diào)器，把數(shù)字信號變換成頻率為幾十兆赫茲到幾百兆赫茲的模擬信號。3.5數(shù)據(jù)傳輸方式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，通信信道為數(shù)據(jù)的傳輸提供了各種不同的通路。對應(yīng)于不同類型的信道，數(shù)據(jù)傳輸采用不同的方式，可以分為串行傳輸方式和并行傳輸方式。并行傳輸是一次同時傳輸若干二進位（bit）的數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端的信道需要相應(yīng)的若干根傳輸線。而串行傳輸是一位一位地傳送，從發(fā)送端到接收端只要一根傳輸線即可。計算機內(nèi)部采用并行傳輸，計算機網(wǎng)絡(luò)中普遍采用串行傳輸，可節(jié)省設(shè)備。3.6數(shù)據(jù)交換技術(shù)在計算機網(wǎng)絡(luò)中，計算機通常使用公用通信的傳輸線路進行數(shù)據(jù)交換，以提高傳輸設(shè)備的利用率。在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換方式可分為線路交換和存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換兩大類，其中，存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換又可分為報文交換和分組交換。3.6.1線路交換交換（switch）的概念來源于電話系統(tǒng)。當(dāng)用戶發(fā)出通話呼叫時，電話系統(tǒng)中的交換機（telephoneswitch）在呼叫者電話與接收者電話之間尋找一條客觀存在的物理通道。一旦找到，通話便可建立起來。然后，兩端的電話便擁有這條線路，直到通話結(jié)束。這里，所謂“交換”體現(xiàn)在交換設(shè)備內(nèi)部，當(dāng)交換機從一條輸入線收到呼叫請求時，它首先根據(jù)被呼叫者的號碼尋找一條合適的空閑輸出線，然后，通過硬件開關(guān)（比如電磁繼電器）將二者連通。電話系統(tǒng)的這種交換方式就叫做“線路交換”(circuitswitching)。在計算機網(wǎng)絡(luò)中，計算機之間需要通信時，也是由交換機負責(zé)在其間建立一條實際的專用物理連接通道。其通信過程可以分為：電路建立階段、數(shù)據(jù)傳輸階段和拆除電路連接3個階段。其特點是先有兩個結(jié)點的線路接通然后才能通信，雙方通信的內(nèi)容不受交換機的約束，即傳輸信息的符號、編碼、格式以及通信控制規(guī)程等均隨用戶的需要決定。由此不難看出，線路交換的外部表現(xiàn)是通信雙方一旦接通，便獨占一條實際的物理線路。線路交換的實質(zhì)是：在交換設(shè)備內(nèi)部由硬件開關(guān)接通輸入線與輸出線。因此，線路交換技術(shù)的優(yōu)點是：傳輸延遲?。ㄎ┮坏难舆t是電磁信號的傳播時間）；線路一旦接通，不會發(fā)生沖突。對于占用信道的用戶來說，可靠性和實時響應(yīng)能力都很好。缺點是：建立通話線路所需時間較長（有時需要10秒或更長）；一旦接通就要獨占線路，造成信道浪費。3.6.2報文交換在報文交換（messageswitching）方式中，信息的交換是以報文（message）為單位的，通信的雙方之間無須建立專用通道。例如，當(dāng)計算機間通信時，發(fā)送機要先把準備發(fā)送的信息加上報文頭，包括目標地址、源地址等信息，并將形成的報文發(fā)送給交換設(shè)備。交換器把收到的報文信息存入緩沖區(qū)并輸送進隊列排隊等候處理，這個過程稱為“第一次排隊”。交換器依次對輸送進隊列排隊等候的報文信息做適當(dāng)處理以后，根據(jù)報文的目標地址，選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲦溌?。如果此時輸出鏈路中有空閑的線路，便啟動發(fā)送進程，把該報文發(fā)往下一個交換器，這樣通過多次轉(zhuǎn)發(fā)，一直把報文送到指定的目標。由此可見，在這個過程中，交換器的輸入線與輸出線之間不必建立物理連接。但是如果該輸出鏈路沒有空閑的線路，則需要將裝有報文信息的緩沖區(qū)送到該鏈路的輸出隊列排隊等候發(fā)送，這個過程稱為“第二次排隊”。也就是說，在交換器處，報文首先被存儲起來，并且在待發(fā)報文登記表中進行登記，等待報文前往的目標地址的線路空閑時再轉(zhuǎn)發(fā)出去。報文交換方式具有如下優(yōu)點：線路利用率高，信道可為多個報文共享；接收方和發(fā)送方無需同時工作，在接收方“忙”時，報文可以暫存交換器處；可同時向多個目標地址發(fā)送同一報文；能夠在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)報文的差錯控制和糾錯處理；報文交換網(wǎng)絡(luò)能進行速度和代碼轉(zhuǎn)換，例如，將ASCII碼轉(zhuǎn)換為EBCDIC碼。報文交換的主要缺點是：不適合實時通信或交互通信，也不適合用于交互式的“終端—主機”連接。另外，報文在傳輸過程中每經(jīng)過一個交換器，要經(jīng)過兩次排隊，造成較大的時間延遲。3.6.3分組交換報文交換方式要經(jīng)過兩次排隊，傳輸是按串行方式進行的，且對所傳輸?shù)膱笪拇笮〔患酉拗?，對很長的報文，會占用一條交換線路長達數(shù)分鐘，顯然不太適合于交互式通信。為了解決上述問題，人們便提出了一種稱為分組交換（packetswitching）的技術(shù)。就是將用戶的大報文分割成若干個具有固定長度的報文分組（稱為包，packet）。以報文分組為單位，在網(wǎng)絡(luò)中按照類似于流水線的方式進行傳輸，從而可以使各個交換器處于并行操作狀態(tài)，很顯然，這樣一來便可以大大縮短報文的傳輸時間。每一個報文分組均含有數(shù)據(jù)和目標地址，同一個報文的不同分組可以在不同的路徑中傳輸，到達指定目標以后，再將它們重新組裝成完整的報文。由于報文分組交換技術(shù)嚴格限制報文分組大小的上限，使分組可以在交換器的內(nèi)存中存放，保證任何用戶都不能獨占線路超過幾十毫秒，因此非常適合于交互式通信。另外，在具有多個分組的報文中，分組之間不必等待到齊就可以單獨傳送，這樣減少了時間延遲，提高了交換器的吞吐率，這是分組交換的另一個優(yōu)點。由此可見，數(shù)據(jù)交換方式中的交換，其實質(zhì)是在交換設(shè)備內(nèi)部將數(shù)據(jù)從輸入線切換到輸出線的方式。線路交換方式是靜態(tài)分配線路；存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式則是動態(tài)分配線路。3.7差錯檢驗和校正

字符代碼沿著傳輸線路向外傳送時，由于電路設(shè)備的質(zhì)量不好，或線路上的電磁耦合噪聲干擾等，難免發(fā)生差錯。如何及時性地自動檢驗差錯，并進一步做到自動校正，這是數(shù)字通信系統(tǒng)中一個重要的研究課題（稱為差錯控制技術(shù)）。通常，其解決辦法就是采用抗干擾編碼或糾錯編碼。目前廣泛采用的有奇偶校驗碼、方塊碼和循環(huán)冗余碼等。3.7.1奇偶校驗奇偶校驗又叫字符校驗，或叫垂直冗余校驗（verticalredundancycode，VRC）。這是最簡單的一種校驗方法。它是在每個字符編碼的后面，另外增加一個二進位。該位叫做校驗位，其主要目的是使整個編碼中的“1”或“0”的個數(shù)成為奇數(shù)或偶數(shù)。如果使編碼中“1”的個數(shù)成為奇數(shù)則叫做奇校驗；反之，則叫做偶校驗。例如：字符R的ASCII編碼為1010010

后面增加一位進行奇校驗10100100

（使“1”的個數(shù)為奇數(shù)）傳送時，其中一位出差錯10110100（奇校驗檢查出錯）傳送時有兩位出差錯10111100（奇校驗不能檢錯）由此可見，采用一位奇校驗（或偶校驗）只能檢驗出編碼中的一位差錯或奇數(shù)位差錯，而不能檢驗出兩位同時出錯或偶數(shù)位出錯。事實上，在傳輸過程中，偶然一位出錯的機會最多，故這種簡單的檢驗方法還是很有用的。但這種辦法只能檢驗錯誤而不能糾正錯誤。3.7.2方塊校驗方塊校驗又叫報文校驗或縱向（水平）冗余校驗（levelredundancycode，LRC）。這種方法是在垂直校驗的基礎(chǔ)上，在一批字符傳送之后，另外增加一個檢驗字符，該字符的編碼方法是使每一位縱向代碼中“1”的個數(shù)成為奇數(shù)（或偶數(shù)）。例如：奇偶校驗位(奇)(VRC)

字符11010010R0

字符21000001A1

字符31001100L0

字符41010000P1

字符51001000H1

字符61000010B1

方塊校驗符（奇）1111010Z1(LRC)采用這種校驗之后，如果其中有一個二進位出錯，不僅從一行中的VRC校驗位中反映出來，同時從一縱列的LRC校驗位中也反映出來，概括垂直和水平兩個校驗位的反映，可以確知出錯的位置，從而加以校正。采用這種辦法之后，不僅可以檢驗出一位出錯，而且可以自動糾正一位差錯，使誤碼率降低2～4個數(shù)量