第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)2.1數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)2.2數(shù)據(jù)信息的調(diào)制與編碼2.3數(shù)據(jù)的同步技術(shù)2.4多路復(fù)用技術(shù)2.5數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.6差錯(cuò)控制技術(shù)2.1數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)

通信的目的是單雙向傳遞信息，廣義上來(lái)說(shuō)，采用任何方法通過(guò)任何介質(zhì)將信息從一地傳送到另一地都可稱為通信。數(shù)據(jù)通信是指在兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間以二進(jìn)制形式進(jìn)行信息傳輸與交換的過(guò)程。2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.1.3數(shù)據(jù)通信的基本方式2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念1、信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)信息是客觀事物屬性和相互聯(lián)系特性的表征，它反映了客觀事物的存在形式和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)一般可以理解為“信息的數(shù)字化形式”和“數(shù)字化信息的形式”。狹義的“數(shù)據(jù)”通常是指具有一定數(shù)據(jù)特性的信息.信號(hào)簡(jiǎn)單地講就是攜帶信息的傳輸介質(zhì)，如電信號(hào)、光信號(hào)。信號(hào)的頻譜寬度就稱為該信號(hào)帶寬。

根據(jù)信號(hào)參量取值的不同，信號(hào)可分為數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，或稱為離散信號(hào)和連續(xù)信號(hào)。連續(xù)信號(hào)（模擬信號(hào)）和離散信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）2、基本概念（1）信道：傳輸信息的必經(jīng)之路稱為“信道”。在計(jì)算機(jī)中有所謂物理信道和邏輯信道之分。（2）碼元：編碼單元，如果編碼單元是1byte，即8位時(shí)，則碼元是1bit。（3）數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)可分為模擬數(shù)據(jù)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種。（4）調(diào)制解調(diào)器Modem：傳統(tǒng)的電話通信信道是傳輸語(yǔ)音一級(jí)的模擬信道，無(wú)法直接傳輸計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)。將數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)稱為調(diào)制，將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)稱為解調(diào)。MODEM具有調(diào)制和解調(diào)的功能。（5）數(shù)據(jù)傳輸速率：指通信線上傳輸信息的速度。有兩種表示方法，即信號(hào)速率s和調(diào)制速率B。S指單位時(shí)間內(nèi)所傳送的二制位代碼的有效位數(shù)，以每秒多少比特?cái)?shù)計(jì)，即bps。調(diào)制速率B是脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的傳輸速率，以波特（Baud）為單位，通常用于表示調(diào)制器之間傳輸信號(hào)的速率。（6）誤碼率：指信息傳輸?shù)腻e(cuò)誤率，是衡量系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)，小于10-6（7）信息容量：指信道能傳輸信息的最大能力，一般以單位時(shí)間內(nèi)最大可傳送信息的bit數(shù)表示（8）基帶傳輸：指在通信電纜上原封不動(dòng)地傳輸由計(jì)算機(jī)或終端產(chǎn)生的0或1數(shù)字脈沖信號(hào)。（9）頻帶傳輸：在遠(yuǎn)距離通信時(shí)，需要將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成音頻信號(hào)再發(fā)送和傳輸，接收端再將音頻信號(hào)解調(diào)成數(shù)字信號(hào)。（10）寬帶傳輸：指?jìng)鬏斀橘|(zhì)的頻帶寬度較寬的信息傳輸，一般在300-400MHz左右。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將此頻帶分割成幾個(gè)子頻帶，采用多路復(fù)用技術(shù)”。（11）串行傳輸：指一位一位地傳送數(shù)據(jù)，從發(fā)送端到接收端只要一根傳輸線即可。（12）并行傳輸：一次可以傳送一個(gè)字節(jié)(8位)，發(fā)端到收端用8根線。（13）數(shù)據(jù)交換方式：在網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)通常是經(jīng)過(guò)公用通信傳輸線路進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以提高傳輸設(shè)備的利用率（14）字符編碼：在信道上傳送的數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制位的形式出現(xiàn)的（15）差錯(cuò)校正：字符代碼在傳輸、接收過(guò)程中，難免發(fā)生錯(cuò)誤，如何及時(shí)自動(dòng)檢測(cè)差錯(cuò)并進(jìn)一步自動(dòng)校正（16）協(xié)議：即網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)則，它規(guī)定了兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的方式。最常見的是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如TCP/IP協(xié)議組。（17）同步傳輸：一種以報(bào)文和分組為單位進(jìn)行傳輸?shù)姆绞剑?8）異步傳輸：傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字符為單位，而且字符間的發(fā)送時(shí)間是異步的2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型圖2-2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的組成（1）數(shù)據(jù)終端設(shè)備即數(shù)據(jù)的生成者和使用者，它根據(jù)協(xié)議控制通信的功能（2）通信控制器它的功能除進(jìn)行通信狀態(tài)的連接、監(jiān)控和拆除等操作外，還可接收來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)終端設(shè)備的信息，并轉(zhuǎn)換信息格式，如網(wǎng)卡。（3）通信信道通信信道是信息在信號(hào)變換器之間傳輸?shù)耐ǖ溃?）信號(hào)變換器它的功能是把通信控制器提供的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合通信信道要求的信號(hào)形式2、數(shù)據(jù)通信的方向

1）單工通信通常包括主信道和監(jiān)控信道（2）半雙工通信可以雙向通信，但某一時(shí)刻只能單向通信。（3）全雙工通信可同時(shí)雙向通信，適合于計(jì)算機(jī)之間的通信1、模擬數(shù)據(jù)通信與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信(1)、模擬數(shù)據(jù)通信

用來(lái)傳輸模擬數(shù)據(jù)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)。通常使用某一頻率的電磁波作為載波傳輸。(2)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信指直接利用數(shù)字傳輸技術(shù)在數(shù)字設(shè)備之間傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或模擬數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。2.1.3數(shù)據(jù)通信的基本方式數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信的優(yōu)點(diǎn)：來(lái)自聲音、視頻和其他數(shù)據(jù)源的各類數(shù)據(jù)均可統(tǒng)一為數(shù)字信號(hào)的形式，并通過(guò)數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸。以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，并通過(guò)檢錯(cuò)編碼和重發(fā)數(shù)據(jù)幀來(lái)發(fā)現(xiàn)與糾正通信錯(cuò)誤，從而有效保證通信的可靠性。在長(zhǎng)距離數(shù)字通信中可通過(guò)中繼器放大和整形來(lái)保證數(shù)字信號(hào)的完整及不累積噪音。使用加密技術(shù)可有效增強(qiáng)通信的安全性。數(shù)字技術(shù)比模擬技術(shù)發(fā)展更快，數(shù)字設(shè)備很容易通過(guò)集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，并與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，而由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字設(shè)備的體積與成本的下降速度大大超過(guò)模擬設(shè)備，性能/價(jià)格比高。多路光纖技術(shù)的發(fā)展大大提高了數(shù)字通信的效率。

2、數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標(biāo)（1）帶寬在模擬信道中，常用帶寬表示信道傳輸信息的能力，帶寬即傳輸信號(hào)的最高頻率與最低頻率之差（2）比特率在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號(hào)的傳輸速率，它用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位(bit)數(shù)來(lái)表示，常用單位：bps,kbps,mbps,gbps（3）波特率波特率指數(shù)據(jù)信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制速率，用單位時(shí)間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)改變次數(shù)來(lái)表示，其單位為波特（Baud）。波特率與比特率的關(guān)系為：比特率=波特率*單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)。兩相調(diào)制（單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)1個(gè)二進(jìn)制位）的比特率等于波特率；四相調(diào)制（單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)2個(gè)二進(jìn)制位）的比特率為波特率的兩倍；八相調(diào)制（單個(gè)調(diào)制狀態(tài)對(duì)應(yīng)3個(gè)二進(jìn)制位）的比特率為波特率的三倍，依次類推。（4）誤碼率誤碼率指在數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤率。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一般要求數(shù)字信號(hào)誤碼率低于10-6

2.2數(shù)據(jù)信息的調(diào)制與編碼通常，有四種數(shù)據(jù)的調(diào)制和編碼方法：

1）模擬數(shù)據(jù)的模擬調(diào)制。2）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的模擬調(diào)制。3）數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字編碼。4）模擬數(shù)據(jù)的數(shù)字編碼。2.3數(shù)據(jù)的同步技術(shù)2.3.1異步方式異步方式又稱起止同步方式，它把各個(gè)字符分開傳輸，字符之間插入同步信息

2．3．2同步方式同步式要求不管是否傳輸信息代碼，每個(gè)比特位必須在收發(fā)兩端始終保持同步，中間沒(méi)有間斷時(shí)間，即為比特位同步。

當(dāng)不傳送信息代碼時(shí)，在線路上傳送的是全1或其他特定代碼，在傳輸開始時(shí)用同步字符SYN（編碼為0010110）使收發(fā)雙方進(jìn)入同步。當(dāng)搜索到兩個(gè)以上SYN同步字符時(shí)，接收端開始接收信息，此后就從傳輸信息中檢測(cè)同步信息。在兩個(gè)連續(xù)的報(bào)文之間，應(yīng)插入兩個(gè)以上的SYN同步字符，一般在高速傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中采用同步方式傳輸。

2.4多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用就是在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，允許兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源共享同一個(gè)傳輸介質(zhì)，就像每個(gè)數(shù)據(jù)源都有自己的信道一樣。其基本方法是在發(fā)送端將若干個(gè)彼此無(wú)關(guān)的信號(hào)合并為一個(gè)能在一個(gè)共用信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)，在信號(hào)的接收端還能將復(fù)合信號(hào)分離出原來(lái)的若干個(gè)彼此無(wú)關(guān)的信號(hào)來(lái)。2．4．1頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用技術(shù)適用于模擬信號(hào)。例如，將FDM用在電話系統(tǒng)中，傳輸?shù)拿恳宦氛Z(yǔ)音信號(hào)的頻譜一般在300Hz～3000Hz，僅占用一根傳輸線的可用總帶寬的一部分，通常雙絞電纜的可用帶寬是100kHz，因此，在同一對(duì)雙絞電線上可采用頻分復(fù)用技術(shù)傳輸多達(dá)24路電話信號(hào)。2．4．2時(shí)分多路復(fù)用2．4．3統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用每個(gè)輸入端不管其狀態(tài)如何（空閑或發(fā)送），都固定分配一個(gè)時(shí)隙。2．4．4波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用的原理同頻分多路復(fù)用相似，主要用于光纖通信。它是利用不同波長(zhǎng)的光在一條光纖上同時(shí)傳輸多路信號(hào)。2．5數(shù)據(jù)交換技術(shù)網(wǎng)絡(luò)交換是指通過(guò)一定的設(shè)備，如交換機(jī)等，將不同的信號(hào)或者信號(hào)形式轉(zhuǎn)換為對(duì)方可識(shí)別的信號(hào)類型從而達(dá)到通信目的的一種交換形式在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，按照交換層次的不同，網(wǎng)絡(luò)交換可以分為物理層交換（如電話網(wǎng)）、鏈路層交換（二層交換，對(duì)MAC地址進(jìn)行變更）、網(wǎng)絡(luò)層交換（三層交換，對(duì)IP地址進(jìn)行變更）、傳輸層交換（四層交換，對(duì)端口進(jìn)行變更，比較少見）和應(yīng)用層交換（似乎可以理解為Web網(wǎng)關(guān)等）。交換網(wǎng)絡(luò)又可分為電路交換網(wǎng)、報(bào)文交換網(wǎng)和分組交換網(wǎng)2．5．1電路交換的工作原理

以電路聯(lián)接為目的的交換方式是電路交換方式。電話網(wǎng)中就是采用電路交換方式。1、電路交換的三個(gè)過(guò)程（1）電路建立：在傳輸任何數(shù)據(jù)之前，要先經(jīng)過(guò)呼叫過(guò)程建立一條端到端的電路。（2）數(shù)據(jù)傳輸（3）電路拆除交換網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2．5．2報(bào)文交換的工作原理

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)。圖2-23電路交換與報(bào)文交換比較2．5．3分組交換的工作原理

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。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

2．5．4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。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)。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。2．6