第二章 計算機通信基礎(chǔ)

第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)通信技術(shù)是計算機網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它將計算機與通信技術(shù)相結(jié)合，完成數(shù)據(jù)的編解碼、傳輸和處理?，F(xiàn)代電子計算機主要處理數(shù)字數(shù)據(jù)為主，計算機之間的通信也以傳遞數(shù)字數(shù)據(jù)為主。因此，掌握和使用計算機網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)對數(shù)據(jù)通信相關(guān)的理論和基礎(chǔ)知識有一定的了解。本章將介紹數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。

2.1基本概念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)的主要構(gòu)成2.2信道及其主要特征2.2.1信道的分類2.2.2信道帶寬及容量、差錯率

2.2.3信道的通信方式2.2.4數(shù)字傳輸方式2.2.5數(shù)據(jù)同步方式2.3傳輸介質(zhì)2.3.1同軸電纜2.3.2雙絞線2.3.3光纖電纜2.3.4無線傳輸介質(zhì)2.3.5幾種傳輸介質(zhì)的比較2.4數(shù)據(jù)編碼2.4.1數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制編碼2.4.2數(shù)字傳輸?shù)臄?shù)字信號編碼2.4.3模擬數(shù)據(jù)采樣編碼2.5調(diào)制與解調(diào)2.6多路復(fù)用2.6.1頻分多路復(fù)用2.6.2時分多路復(fù)用2.7數(shù)據(jù)交換技術(shù)2.7.1線路交換2.7.2報文交換2.7.3分組交換●課時安排2.1基本概念教學進程2.1.1數(shù)據(jù)通信的基本概念●通信的目的就是傳遞信息。一次通信中產(chǎn)生和發(fā)送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。●信源和信宿之間要有通信線路稱為信道。信源和信宿之間的信息交換是通過信道進行的?！裥诺赖牟煌锢硇再|(zhì)對通信的速率和傳輸質(zhì)量的影響也不同?！裥畔⒃趥鬏斶^程中可能會受到外界的干擾，通常把這種干擾稱為噪聲。不同的物理信道對各種干擾的感受程度不同。2.1.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的主要構(gòu)成信源信道信宿反變換器噪聲源變換器通信系統(tǒng)主要構(gòu)成圖1教學進程●通信系統(tǒng)是指用電信號(或者光信號)傳輸信息的系統(tǒng)●按通信業(yè)務(wù)的不同——電話、電報、傳真和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；●按線路上傳輸?shù)男盘栃问健M通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)?！裢ㄐ畔到y(tǒng)的類型●對應(yīng)通信的三要素，無論何種通信系統(tǒng)都具有類似的基本組成部份：信源、信宿、變換器、反變換器和信道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)1、傳輸線路：信息的傳輸路徑，由各種傳輸介質(zhì)和中間通信設(shè)備組成。2、調(diào)制解調(diào)器：將計算機發(fā)出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能在電話線上傳輸?shù)哪M信號。接收時將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號3、多路復(fù)用器：將多個低速設(shè)備發(fā)來的信號調(diào)制到一條高速線路上進行傳輸4、交換機通信時連接有數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)1、終端設(shè)備用戶與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)之間的接口，通過它來取得數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的服務(wù)。2、計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的收集與處理，是數(shù)據(jù)處理的核心數(shù)據(jù)通信的過程1、建立通信線路由交換機建立雙方通信的物理信道2、建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路使雙方設(shè)備處于正確收發(fā)狀態(tài)3、傳送通信控制信號和數(shù)據(jù)4、雙方互相確認數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束5、由通信鏈路一方撤銷物理連接數(shù)據(jù)通信的主要技術(shù)指標1、傳輸速率碼元速率：(RB)每秒傳送的碼元數(shù)。單位波特對于M進制而言，碼元數(shù)＝log2M信息速率：(Rb)每秒傳送的信息量。單位bps一般而言，對于M進制信號，信息速率和碼元速率的關(guān)系是：

Rb=RBlog2M二進制與四進制波形圖二進制波形四進制波形2、誤碼率1、誤碼率Pc＝錯誤接收碼元數(shù)/傳輸總碼元數(shù)2、誤位率Pb＝錯誤接收位數(shù)/傳輸總位數(shù)3、誤字符率Pw=接受的出錯字符數(shù)/傳輸總字符數(shù)2.2信道及其主要特征2.2.1信道的分類信道(按傳輸?shù)慕橘|(zhì))無線信道有線信道信道(按所傳輸?shù)膬?nèi)容)數(shù)字信道模擬信道教學進程模擬信號與數(shù)字信號波形圖模擬信號波形數(shù)字信號波形圖模擬信道與數(shù)字信道傳輸用模擬信號作為載頻傳輸數(shù)字信號信源信道信宿反變換器噪聲源變換器信道的最大傳輸速率1、無噪音情況無噪聲環(huán)境下，通信速率僅與信道帶寬（W)有關(guān)，給定帶寬W,則能運載的最高信號速率為2W,在多個信號電平下信道帶寬為：

C=2Wlog2M2、有噪聲的情況下：信噪比(S/N)dB=10lg(信號能量/噪聲能量）

Shannon指出噪聲，帶寬之間關(guān)系為:C=Wlog2(1+S/N)2.2.2信道帶寬、信道容量及差錯率●信道帶寬與信道容量是描述信道的主要指標。

信道帶寬是指信道可以不失真地傳輸信號的頻率范圍，通常也稱為信道的通頻帶。針對不同應(yīng)用而設(shè)計的傳輸媒體具有不同的信道質(zhì)量，所支持的帶寬有所不同。

信道容量是指信道在單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)淖畲笮盘柫?，表征信道的傳輸能力。在通信領(lǐng)域中，信道容量常指信道在單位時間內(nèi)可以傳輸?shù)姆柕淖畲髷?shù)目。

●差錯率是描述信道或者數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(網(wǎng)絡(luò))質(zhì)量的一個指標。

教學進程通信線路連接方式1、點－點連接方式一條線路兩端連接兩個站點的通信方式。2、分支連接方式多點線路連接方式，各站點都連接到一條公共通信線路上，如果有一個控制轉(zhuǎn)接站，則為集中式控制，各站點通信必須經(jīng)過轉(zhuǎn)接站轉(zhuǎn)接；如果沒有控制站，則為分布式控制，各站點可互相通信。3、集中連接方式在距計算機很遠的地方聚集多個終端設(shè)備且都要和計算機通信。2.2.3信道的通信方式信道的通信方式單工全雙工半雙工單工傳輸是指任意時刻只允許向一個方向進行信息傳輸，例如：廣播方式的傳輸。半雙工傳輸是指可以交替改變方向的單工傳輸，但在任一特定時刻，信息只能向一個方向傳輸，即半雙工傳輸是一種可切換方向的單工傳輸，例如：對話方式的傳播。全雙工傳輸是指任意時刻信息都可進行雙向的信息傳輸，也即全雙工傳輸是兩個單工傳輸?shù)慕Y(jié)合，要求收發(fā)設(shè)備都具有獨立的收發(fā)能力。教學進程2.2.4數(shù)據(jù)傳輸方式●基帶傳輸一般來說，要將信源的數(shù)據(jù)經(jīng)過變換變?yōu)橹苯觽鬏數(shù)臄?shù)字基帶信號，這項工作由編碼器完成。在發(fā)送端，由編碼器實現(xiàn)編碼，在接收端由譯碼器進行解碼，恢復(fù)發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)?；鶐鬏斒且环N最簡單最基本的傳輸方式?！耦l帶傳輸所謂頻帶傳輸是指數(shù)字信號調(diào)制成音頻信號后在發(fā)送和傳播，到達接收端時再把音頻信號解調(diào)成原來的數(shù)字信號。

寬帶傳輸常用于LAN中。這是利用頻帶寬度至少為1MHz~300MHz的寬帶同軸電纜作為傳輸介質(zhì)?！駥拵鬏斀虒W進程2.2.4數(shù)字傳輸方式●一個重要的問題是數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收之間要求同步，即發(fā)送端以某一種速率在一定的起止時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端也必須以同一種速率在相同的起止時間內(nèi)接收數(shù)據(jù)，以便區(qū)分數(shù)據(jù)位、數(shù)據(jù)字節(jié)和報文。●常用的同步方法有兩種：異步方式和同步方式。

教學進程發(fā)送時鐘傳輸?shù)淖址邮諘r鐘啟動接收時鐘一個字符起始位校驗位7位信息位終止位位寬圖2異步方式的同步過程●異步方式●同步方式●外同步法●自同步法2.3傳輸介質(zhì)●傳輸介質(zhì)是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)送器和接收器之間的物理通路，信號在介質(zhì)中以電磁波的形式進行傳輸。傳輸介質(zhì)有線傳輸介質(zhì)無線傳輸介質(zhì)有線傳輸介質(zhì)包括同軸電纜、雙絞線和光纖；無線傳輸介質(zhì)包括地面微波、衛(wèi)星微波、紅外等通信介質(zhì)。教學進程●傳輸介質(zhì)的特性對信道甚至整個傳輸系統(tǒng)設(shè)計有決定性的影響。

2.3.1同軸電纜圖3同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)導(dǎo)體絕緣層外屏蔽層外部保護層●RG-8或RG--11(50Ω)——粗纜

●RG-58/U或58C/U(50Ω)——細纜

●RG-59(75Ω)——CATV電纜

●RG-62(93Ω)——IBM3270系統(tǒng)使用

●常用的同軸電纜型號類型：教學進程●雙絞線(TP,twistedpairwire)是最常用的一種傳輸介質(zhì)，它由兩根具有絕緣保護層的銅導(dǎo)線組成?！癜褍筛^緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起，一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會被另一根導(dǎo)線上發(fā)送的電波抵消，這樣就降低了信號干擾的程度。

●局域網(wǎng)中經(jīng)常使用的雙絞線有非屏蔽(UnshieldedTwistedPair,UTP)和屏蔽(ShieldedTwistedPair,STP)之分?！衿帘坞p絞線由于它較好的性能價格比，目前被廣泛使用。屏蔽雙絞線用于遠程中繼線時，最大距離可以達到十幾千米，●非屏蔽雙絞線的傳輸距離一般為100m。屏蔽雙絞線電纜的外層由鋁箔包裹，以減小輻射，但并不能完全消除輻射。

2.3.2雙絞線教學進程2.3.3光纖線纜圖4光纖在纖芯中的傳播折射角入射角在當前的通信系統(tǒng)中，光纖線纜廣泛應(yīng)用于市內(nèi)電話局之間的光纖中繼線路和長途干線網(wǎng)上寬帶通信的基礎(chǔ)。光纖通信尤其適用于國家之間大容量、遠距離的通信，包括國內(nèi)沿海通信和國際間長距離海底光纖通信系統(tǒng)。

教學進程2.3.4無線傳輸介質(zhì)●無線傳輸介質(zhì)指的是利用大氣和外層空間作為傳播電磁波的通路●根據(jù)信號頻譜和傳輸技術(shù)的不同，主要包括微波、衛(wèi)星微波、紅外等。教學進程●微波的頻率范圍為300MHz～300GHz，但主要是使用(2～40GHz)的頻率范圍。微波不能傳播到地面上很遠的地方，只能用于點到點的通信，速率也不高，一般為幾百Kbps。

●衛(wèi)星通信是在地球站之間利用位于36000km高空的人造同步衛(wèi)星作為中繼器的一種微波接力通信。通信衛(wèi)星發(fā)出的電磁波覆蓋范圍廣，跨度可達18000km，覆蓋了地球表面三分之一的面積?！裥l(wèi)星通信的特點適合于很長距離的傳輸，如國際之間，洲際之間傳輸延時較大，一般為500ms左右費用較高

2.3.5幾種傳輸介質(zhì)的比較●一般來說，影響傳輸介質(zhì)選擇的因素包括以下幾個：●拓撲結(jié)構(gòu)：拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響到拓撲結(jié)構(gòu)受到傳輸介質(zhì)的物理特性、網(wǎng)絡(luò)成本及應(yīng)用環(huán)境的需要等諸多因素制約

●應(yīng)用環(huán)境：包括傳輸距離、環(huán)境惡劣程度、信號強度等

●容量：介質(zhì)提供的傳輸速率應(yīng)能滿足要求●可靠性(查錯率)：在可能的情況下，盡量選擇可靠性高的介質(zhì)教學進程●目前常用的介質(zhì)使用方式為：

●局域網(wǎng)由雙絞線連接到桌面

●光纖(包括單模和多模，視距離遠近決定)作為通信干線

●衛(wèi)星微波用于跨國界和對偏遠地區(qū)傳輸

2.4數(shù)據(jù)編碼2.4.1數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制編碼模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，用于計算機通信的遠距離線路一般為頻帶傳輸線路，不能直接傳輸基帶信號(即原始的點脈沖信號)。因此，必須用基帶脈沖對載波進行調(diào)制，變換成適合于遠距離傳輸線路傳輸?shù)哪M信號?！駥?shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號進行調(diào)制的三種基本形式：

●幅移鍵控法ASK(Amplitude-shiftKeying),也稱調(diào)幅

●頻移鍵控法FSK(Frequency-shiftKeying),也稱調(diào)頻

●相移鍵控法(Phase-shiftKeying),也稱調(diào)相

教學進程2.4.2數(shù)字傳輸?shù)臄?shù)字信號編碼對于數(shù)字數(shù)據(jù)，需要解決其信號表示和信號同步兩個方面的問題。對于傳輸數(shù)字信號而言，最簡單最常用的方法是用兩個電平來表示兩個二進制數(shù)字，可以用兩個電壓電平來表示兩個二進制數(shù)字，這也說明數(shù)字信號是有矩形脈沖組成的。

●一般有三種編碼方式：

●不歸零制NRZ(Non-returntozero)●曼徹斯特編碼●差分曼徹斯特編碼教學進程數(shù)字數(shù)據(jù)010110010a）NRZ編碼a’）NRZ編碼的同步時鐘

b）曼徹斯特編碼

c）差分曼徹斯特編碼

數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼圖52.4.3模擬數(shù)據(jù)采樣編碼●采樣定理：

一個連續(xù)變化的模擬信號，假設(shè)有最高頻率或帶寬Fmax，若對它以T為周期進行周期采樣，則采樣頻率為F＝1／T，若能滿足F＝1／T≥2Fmax，即采樣頻率大于或等于模擬信號最高頻率的2倍，那么采樣后的離散序列就能無失真地恢復(fù)出原始的連續(xù)模擬信號。

●將模擬信號數(shù)字化的過程包括三個階段：第一步是采樣，根據(jù)采樣定理得到的采樣頻率將模擬信號的值采出。

第二步是量化，該步驟使連續(xù)的模擬信號變成時間軸上的離散值，量化的級數(shù)越高，精度越高。第三步是編碼，它是編成一定位數(shù)的二進制數(shù)碼。如果取N個量化級，則編碼需要的位數(shù)是log2N。教學進程2.5調(diào)制與解調(diào)典型的數(shù)字傳輸系統(tǒng)是借助于光纖技術(shù)進行信號傳輸?shù)南到y(tǒng)。光纖技術(shù)的應(yīng)用使用使得數(shù)字信號的直接傳輸成為可能。但由于目前的光交換技術(shù)尚未成熟，交換機內(nèi)部必須實現(xiàn)光－電－光的交換，這種交換制約了光纖的通信能力。因此有必要討論利用模擬信道支持數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)募夹g(shù)，即調(diào)制／解調(diào)技術(shù)。

●調(diào)制是將數(shù)據(jù)信息變換成適合于模擬信道上傳輸?shù)碾姶挪?稱為載波)信號，并將頻率限制在模擬信道支持的頻率范圍內(nèi)。●解調(diào)是將從模擬信道上收取的載波信號還原成數(shù)據(jù)信息。

●調(diào)制與解調(diào)概念教學進程●選購Modem的標準●內(nèi)置還是外置Modem？

Modem通常分為內(nèi)置于外置兩種。內(nèi)置Modem是指插在計算機擴展槽中的Modem卡。有以下缺點：占用一個主機板上的擴展槽，占用一個系統(tǒng)中斷號與I/O地址，不能直接查看數(shù)據(jù)傳輸信號的變化，安裝與設(shè)置也不太方便等。外置Modem是指通過串行口連接到計算機的Modem，安裝比較簡單。

●Modem的傳輸速率

傳輸速率是衡量Modem性能的重要指標。Modem的傳輸速率越高，傳輸數(shù)據(jù)花費的時間越少。Modem的傳輸速率主要有36.6Kbps與56Kbps兩種。

●Modem是否有附加功能？

教學進程2.6多路復(fù)用在點－點通信方式中，兩點間的通信線路是專用的，其利用率很低。一種提高線路利用率的卓有成效的方法是使多個數(shù)據(jù)源合用一條傳輸線。為此在通信系統(tǒng)中引入了多路復(fù)用技術(shù)(Multiplexing)。采用多路復(fù)用技術(shù)能把多個信號組合在以一條物理信道進行傳輸，這在遠距離傳輸時，可大大節(jié)省電纜的安裝和維護費用?！穸嗦窂?fù)用●頻分多路復(fù)用

(FCM，F(xiàn)requencyDivisionMultiplexing)

●時分多路復(fù)用(TDM，TimeDivisionMultiplexing)

教學進程2.6.1頻分多路復(fù)用●頻分多路復(fù)用，本質(zhì)上就是在頻率上并排地把幾個信息通道合在一起，以便形成一個合成的信號，然后以某種調(diào)制方式用這個合成的頻分多路復(fù)用信號來調(diào)制載波?！裨谖锢硇诺赖目捎脦挸^單個原始信號帶寬，就可以將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸?shù)膯蝹€信號帶寬相同(或略微寬一點)的自信道，每個子信道傳輸一路信號。

圖6頻分多路復(fù)用

頻分多路復(fù)用器

MUX頻分多路復(fù)用器

MUX信號源4信號源1信號源2信號源3信號源5信號源6信號源7信號源841235678通道4通道1通道2通道3通道5通道6通道7通道8教學進程2.6.2時分多路復(fù)用●時分多路復(fù)用方法，其信號分割的參量是信號占用的時間，因此，必須使復(fù)用的各路信號在時間上互不重疊?！裨趥鬏敃r把時間分成小的時間片，每一時間片由復(fù)用的一個信號占用，每一瞬間只有一個信號占用信道，而不像頻分多路復(fù)用那樣，在同一時間發(fā)送多路信號?！耦l分多路復(fù)用較合適于模擬信號，而時分多路復(fù)用則更適合于數(shù)字信號?！馮DM與FDM不同的是，復(fù)用的多路信號不是“同時”傳送，而是在時間上有所交叉，在一個時間周期內(nèi)都獲得被傳送的機會。圖7時分多路復(fù)用

時分多路復(fù)用器MUX

時分多路復(fù)用器MUX信號源4信號源1信號源2信號源3信號源5信號源6信號源7信號源84123567812345678教學進程2.7數(shù)據(jù)交換技術(shù)通過由多個中間結(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源發(fā)送到目的地。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的中間結(jié)點僅起數(shù)據(jù)交換的功能，將數(shù)據(jù)從一個端口(輸入端口)交換到另一個端口(輸出端口)，繼而通過傳輸媒體傳輸?shù)搅硪慌_中間結(jié)點的輸入端口，直至目的地。由于中間結(jié)點并不關(guān)心被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，僅執(zhí)行交換的動作，所以中間結(jié)點常被稱為交換設(shè)備，而整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程稱為數(shù)據(jù)交換過程。

●數(shù)據(jù)交換技術(shù)●線路交換(CircuitSwitching)

●報文交換(MessageSwitching)

●分組交換(PacketSwitching)

教學進程2.7.1線路交換●線路建立階段●數(shù)據(jù)通信階段

●線路釋放階段

圖8線路交換

釋放應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸線路釋放請求線路建立階段數(shù)據(jù)傳輸階段線路釋放階段呼叫請求呼叫應(yīng)答時間軸交換節(jié)點1交換節(jié)點2交換節(jié)點3交換節(jié)點4教學進程●線路交換的通信過程包括三個階段：●線路交換方式與電話交換方式的工作過程很類似●線路交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括用戶分機：

●本地回路(用戶回路)，即用戶和網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路

●交換機，即網(wǎng)絡(luò)的的交換中心

●主干線，即交換機之間的線路2.7.2報文交換

●報文交換不需要在兩個站點之間建立一條專用通路?！袢艄?jié)點1想要想節(jié)點4發(fā)送一個報文(信息的一個邏輯單位)，它把節(jié)點4的地址(地址碼)附加在要發(fā)送的報文上。然后把報文通過網(wǎng)絡(luò)進行節(jié)點到節(jié)點的發(fā)送，在每個節(jié)點處(如果通過多哥節(jié)點才能發(fā)送到節(jié)點4)需要完整地接受整個報文且暫存這個報文，直到輸出線路有空閑時，然后在發(fā)送到下一個節(jié)點