2.1 数据通信基础

计算机网络 理论与实践
2.1.1 数据、信号与信息
数据、信号和信息是数据通信中的三个核心概念，它们之间存在着紧密的关系。 （1）数据（Data） 数据是指特定形式的符号或数字，它们对现实世界的观测、记录和测量结果的描述。 (2)信号（Signal） 信号是指用于在通信系统中传输数据的电信号、光信号或无线电信号，是数据的物理 表现形式。 （3）信息（Information） 信息是在接收方获取并理解数据后所带来的知识、理解或意义，它们的传递和交流需 要通过信号来实现。
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2.1.3 数据通信中的主要技术指标
电磁波在链路上的传播速率主要有以下三种： 1)电磁波在自由空间中的传播速率约为3×108m/s。 2)电磁波在铜线电缆中的传播速率约为2.3×108m/s。 3)电磁波在光纤中的传播速率约为2×108m/s。例如：1000 km长的光纤线路产生的传 播时延大约为5ms。
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第2章 数据通信基础
数据通信是指通过某种介质或网络，将数据从一个地方传输到另一个地方的过程。在 数据通信中，信息被转化为特定的格式，并通过物理或虚拟的通信通道进行传输。数 据通信可以是在计算机或设备之间进行的，也可以是在不同计算机网络之间进行的。 它是现代信息社会中信息传播和交流的基础，包括互联网、无线通信、电子邮件、即 时通信等各种技术和应用。
（1）单工、半双工与全双工通信 按信道上信号的传输方向与时间的关系，数据通信方式可分为单工通信、半双工通信 与全双工通信，如图所示。
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2.1.2 数据通信方式
<1>单工通信 在单工通信中，通信的一方只能发送数据，而另一方只能接收数据，无法进行同时的 发送和接收操作。常见的单工通信的例子包括广播电台和电视台向观众发送内容、无 线电等设备的发射端向接收端发送信号等。

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图2-2 通信信道连接类型 (a) 点对点式连接；(b) 点对多点式连接
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3．数据通信系统的主要技术指标 比特(bit)是二进制(Binary Digit)的缩写，即计算机中常用的术语“位”，在数据通信中用它来度量消息的信息量。 “码元”是对计算机网络中传送的二进制数字中每一位的通称，或称为“码位”。二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”，在7位ASCII码中，这个码字就是字母A。
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2.1.2 数据传输 1．数据传输方式 1) 并行传输与串行传输 (1) 并行传输。 如图2-3所示，两数据设备之间一次传输n位并行数据，每条连线对应一条信道，用于传输代码的对应位，n条信道组成了n位并行信号。
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图2-3 并行传输方式
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(2) 串行传输。串行传输时，数据一位一位地在一条信道上传输。如图2-4所示，数据发送端向数据接收端发出了“01001101”的串行数据。
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显然，模拟信号的取值可以有无限多个，图2-1 (a) 表示话音声压随时间连续变化的消息，图2-1(b) 表示与之相应的电流幅度随时间变化的电信号。数字信号是一种离散信号，它的取值是有限个，比如计算机及其外围设备产生和交换的信息都是由二进制代码表示的字母、数字或控制符号。
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图2-1 模拟信号
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任何通信信道都不是理想的，由于信道带宽的限制及信道干扰的存在，信道的数据传输速率总会有一个上限。1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出在具有理想低通矩形特性信道情况下的最高码元传输速率公式：理想低通信道每赫兹带宽的最高码元传输速率是2Baud每秒，我们称为奈氏准则。例如，话音电路的带宽为4kHz，则其最高码元传输速率是8000Baud每秒；假设1Baud携带3 bit的信息，则最高传输速率为24000b/s。对于具有理想带通矩形特性的信道，奈氏准则变为理想低通信道每赫兹带宽的最高码元传输速率是1Baud每秒。

1000110（1）你就必须加1了这样原来有3个1要想1的个数为偶数就只能添1了。
三、 循环冗余码校验（CRC）。
循环冗余码 （Cyclic Redundancy Code， CRC），又称为多项式码。CRC的工作方法是在发送端产生一个冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循冗余码同样的算法进行校验，如果发现错误，则通知发送端重发。
*调制技术
1、调制：发送端根据数据内容命令调制器(modulator)改变载波的物理特性使其能够携带信息。
“调制”常通过改变载波的“振幅、频率、相位”三种物理特性来完成。控制载波振幅的技术称为“振幅调制”技术；控制载波频率的技术则为“频率调制”技术；控制载波相位的技术便是“相位调制”技术。
2、振幅调制技术
B为信道带宽，S为接受端信号的平均功率，N为信道内噪声平均功率，C为信道容量。
三、 码元和码字
在数字传输中，有时把一个数字脉冲称为一个码元，是构成信息编码的最小单位。
计算机网络传送中的每一位二进制数字称为“码元”或“码位”，例如二进制数字10000001是由7个码元组成的序列，通常称为“码字”。
四、 数据通信系统主要技术指标
电路交换必定是面向连接的，电话系统就是这种方式。
电路交换的三个阶段：
（1）电路建立阶段
（2）数据传输阶段
（3）拆除电路阶段
三、 报文交换
报文是一个带有目的端信息和控制信息的数据包。报文交换采取的是“存储—转发”（Store-and-Forward）方式，不需要在通信的两个节点之间建立专用的物理线路。
带宽越大，所能达到的传输速率就越大，所以通道的带宽是衡量传输系统的一个重要指标。
2.数据传输率
数据传输率是指单位时间信道内传输的信息量，即比特率，单位为比特/秒。

节点要在它所连接几条线路中选择一条进行接续。 交换网络有多条信道供多个终端共用，网络的交换设备能够按照
终端的需要分配信道并将它们连接起来。
– 本任务主要学习电路交换、存储转发交换和高速交换 技术。
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电路交换
电路交换
一般定义：交换机负责在两个通信站点之间建立一条 物理的固定传输通路，直到通信完毕后再拆除。
图 2-3 通信系统的基本结构
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数据通信系统主要技术指标
• 比特率
是一种数字信号的传输速率。是指每秒传送的二 进制代码的有效位数（比特数(bit) ）。单位为 bps(Bit Per Second)，比特率越高，传送数据速 度越快。
• 波特率（码元速率）
是一种调制速率，也称波形速率。在数据传输过 程中，线路上每秒载波调制状态改变的次数就 是波特率，其单位是波特（Baud）
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• 比特率是测量每秒可传输数据比特位(0和1)数 量的单位。例如，每秒2,400位的比特率是指 每一秒钟传输了2,400个1和0。
• 波特率表示每秒钟一个信号(从0变为1或从1 变为0)或符号(连接的电压、频率或相位)在信 道中改变状态或发生变化的次数。例如， 2,400波特率是指该通道每秒钟最多改变状态 2,400次。在这个例子中，波特率和比特率是 相同的数值：2,400bps，1比特率等于1波特率。
通信的三个阶段：
建立连接--通信--释放连接
特点：数据传输前需要先建立一条临时的端到端的通 道，通信双方在通信过程中自始自终占用该条链路。
应用：
– 服务质量要求较高-电话网，实时数据-音频、视 频
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电路交换
1. 电路交换
把“建立连接--通信--释放连接”三个步骤的连网

2.2 数据通信的传输介质
信道是指以传输介质为为基础的信号通路，它是传输数据的物理基础。 有线传输介质：包括双绞线、同轴电缆和光纤。 无线传输介质：包括无线电、微波、卫星、移动通信等各种通信介质。 2.2.1 双绞线（twisted pair) 每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根铜线组成，每根铜线的直径大约1mm。 减少电磁干扰，提高传输质量。电话线就是双绞线。 双绞线可以用于传输模拟传输或数字传输。 计算机局域网中经常使用的双绞线有屏蔽和非屏蔽之分。 屏蔽双绞线(STP，Shielded Twisted Pair)： 抗干扰性好，性能高，用于远程中继线时，最大距离可以达到十几公里。但成本也较高， 所以一直没有广泛使用。 非屏蔽双绞线(UTP，Unshielded Twisted Pair)： 非屏蔽双绞线的传输距离一般为100米由于它较好的性能价格比，目前被广泛使用。 非屏蔽双绞线有1、2、3、4、5五类，常用的是3类线和5类线，5类线既可支持 100Mbps的快速以太网连接，又可支持到150Mbps的ATM数据传输，是连接桌面设备的首选传输介质。
6、信道容量定理（香农定理） C=Blog(1+S/N) （B/s） R≦C 0000 0
并行传输(parallel)与串行传输(serial)
01
并行传输：局域网 距离近，至少有8位数据同时传输，如图(a)。计算机内部的数据多是并行传输。
2.2.5 几种传输介质的比较
异步传输的工作原理是：每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间
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4
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同步传输 (synchronous)
同步传输方式不是对每个字符单独进行同步，而是对一组字符组成的数据块进行同步。同步的方法不是加一位停止位，而是在数据块前面加特殊模式的位组合(如01111110)或同步字符(SYN)，并且通过位填充或字符填充技术保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。

数据传输以信号传输为基础，数据传输质 量的好坏，除了与发送和接收设备的性能 有关外，还取决于： • 传输信号本身的质量 • 传输信道的特性
2.1.3 通信方式
2.1.3.1 并行传输和串行传输
按照计算机系统各部件之间同时传送的 位数，可以分为并行传输和串行传输。 并行传输
• 串行传输
2.1.3.2 信道的通信方式
冗余（校验码）产生方法 ----即已知k(x)求R(x)的过程 生成多项式G(x):根据多项式理论求得的具 有某种特殊属性的多项式 生成多项式的国际标准： CRC-12=x12+x11+x3+x2+x+x0 CRC-16=x16+x15+x2+1 CRC-CCITT=x16+x12+x5+1 利用生成多项式，就可以通过k(x)求得R(x)
2.3 数据传输技术
2.3.1 多路复用技术
当信道带宽大于各路信号的总带宽时，可 以将信道分割成若干个子信道，每个子信 道用来传输一种信号。 1.频分多路复用----FDM：频分多路复用要通 过频谱搬移技术，保证各路信号的频谱在 传输过程中在传输过程中不相干扰
2.时分多路复用----TDM 将使用信道的时间分成一个个的时间片， 每一路信号只能在自己的时间片内独占信 道进行传输。 · 同步TDM：时间片的分配是事先约定的，且 固定不变。 · 异步TDM：时间片是按需分配，事先申请。
5. 误码率：传输出错的码元数占传输总码元 数的比例。用来衡量数据通信系统在正常工 作情况下传输的可靠性。 Pe=Ne/N 意义：决定传输数据单元大小的一个重要依据。
6.吞吐量：单位时间传输的总信息量（bps） • 受网络拥挤程度影响 7.延迟时间：网络中相距最远的两个节点的 传输时间。 如:500m的同轴电缆，延迟时间是2.5us 卫星信道延迟时间是270ms

传送所有的比特。它比较便宜， 用在长距离连接中也比并行传 输更加可靠。因为它每次只能 发送一个比特位，所以其速度 比较慢。
（2）并行数据传输
并行传输指可以同时传输
一组比特，每个比特使用单独
一条线路（导线）。这些线路
通常被捆扎在一条电缆里。并
行传输非常普遍，特别是应用
于两个短距离和设备之间。
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2.3 数据通信方式-பைடு நூலகம்步与同步
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2.1 数据通信的基本概念
4、信道
在数据通信系统中，信道是传输信号的通道。 逻辑上，信道一般都是用来表示向某一个方向 传送信息的“介质”。一般来说，一条通信线路至 少包含两条信道，一条用于发送的信道和一条用于 接收的信道。 信道可分为适合传送模拟信号的模拟信道和适 合传送数字信号的数字信道。
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2.1 数据通信的基本概念
半双工通信由要频繁调换信道方向，故效率低，但可节省 传输线路。
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2.3 数据通信方式-传输方向
3．全双工通信（双向同时通信 ） 全双工通信是指能同时做双向通信。如图所示。这种方
式适用于普通电话、手机以及计算机——计算机间高速数据 通信。
全双工与半双工比较,全双工通信效率高，控制简单，但 是结构较复杂，成本较高。
例如，一般不发字符时线路保持“1”状态，当发送一个 字符代码时，字符前面要加一个起始信号，极性为“0”，即 空号极性，预告字符的信息代码即将开始。在数据位和校验 位结束后面要加一个终止符号，极性为“1”，即传号极性， 表示该字符已结束。
异步方式实现起来简单容易，每个字符都为该字符的位同步
提供了时间基准，对线路和收发器要求较低。缺点是通信开销较
(2)如果不是二进制码元，必须折合成二进制来计算。 传输延迟 数据从信源（源计算机）到信宿（目的计算机）所花 费的时间。

❖ 编码：将数字数据转换成数字信号的过程。 ❖ 解码：将数字信号还原(huán yuán)为数字数据的过
程。 ❖ 调制：将数字数据转换成模拟信号。 ❖ 解调：将调制后的模拟信号还原为数字数据
的过程。
第十页，共五十七页。
常用 编码方法 (chánɡ yònɡ)
❖ 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0 ❖ 不归零制：正电平代表1，负电平代表0
❖ 实现(shíxiàn)收发之间的同步技术是数据传输中的关键技术 之一，通常使用的同步技术有两种：
异步方式 同步方式
第二十八页，共五十七页。
异步传输方式
❖ 在异步传输方式中，每传送1个字符（7位或8位）都要在每个字 符码前加1个起始位，以表示字符代码的开始，在字符代码和校验 码后面(hòu mian)加1或2个停止位，表示字符结束。接收方根据起始 位和停止位来判断一个新字符的开始。从而起到通信双方的同步 作用。
量越多，那么(nà me)就可以用更高的速率传送码元而不 出现码间串扰。
第十八页，共五十七页。
理想(lǐxiǎng)低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想(lǐxiǎng)低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
能通过
0
W (Hz)
不能通过
频率(Hz)
❖ 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输 速率是每秒 2 个码元。
❖ 曼彻斯特编码：位周期中心的上跳变表示0，下跳 变表示1
❖ 差分曼彻斯特编码：位的开始边界有跳变上跳 变表示0，无跳变表示1
❖ 曼彻斯特编码产生的信号频率(pínlǜ)比不归零制高， 但曼彻斯特编码有自同步能力。
第十一页，共五十七页。
数据
0
1
00101 Nhomakorabea1

数据与信息的区别：数据是装载信息的实体，信息则是数据的内 在含义或解释。
数据有两种类型：数字数据和模拟数据，前者的值是离散，如电 话号码、邮政编码等；而后者的值则是连续变化的量，如身高、体重 等。
3、信号
信号简单地说就是携带信息的传输介质。数据通信中信号是 数据在传输过程中的电磁波的表示形式。根据信号参量取值不同， 信号有两种表示形式：模拟信号(Analog Signal)与数字信号 (Digital Signal)
(2)调制速率 调制速率又称为码元速率，所谓码元是承载信息的基本
信号单位。码元速率是指单位时间内信号波形的变换次数， 即通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T，则码元 速率B=1/T。码元速率也叫波特率，通常用来表示调制解调 器之间传输信号的速率。
R=Blog2n (bps)
其中：R表示信号速率，B表示调制率，n为一个码元所携带的 信息量。当在二元调制方式中，码元所携带的信息量n =2， 即只有0和1两个离散值时，信号速率和调制速率相等( R=B)。
2.2 数据传输 介质
一般的，物理介质可大致分为有线介质（铜 线和光纤）和无线介质（电波和光波）。
有线介质是最常用也最简便的通信介质，一 直有大量的铜线和光纤应用于电话系统中。在广 域网领域，利用现成的电话系统线路进行通信传 输几乎是最实际也最简便的方式，而在局域网领 域，利用改进的专用线缆进行通信传输也简便易 行。常见的有线介质有双绞线、同轴电缆、光纤 等。
光纤和同轴电缆外形相似只是没有网状屏蔽层，光 纤由纤芯、封套及外套组成。纤芯由一玻璃或塑料组成， 封套是玻璃的，使光信号可以反射回去，沿着光纤进行 传输，外套则由塑料组成，用于防止外界的伤害和干扰。
根据传输点模数的不同，光纤分为单模 光纤（single-mode fiber）和多模光纤 （multi-mode fiber）两种(“模”是指以 一定角速度进入光纤的一束光)。单模光 纤采用激光二极管LD作为光源，而多模光 纤采用发光二极管LED为光源。