1、 第第 3 章章 数据通信与通信网基础数据通信与通信网基础 现代通信网的基础是电信技术和计算机技术的结合，完成现代通信网的基础是电信技术和计算机技术的结合，完成计算机之间、计算机与终端之间和终端与终端之间的信息传输计算机之间、计算机与终端之间和终端与终端之间的信息传输的通信方式和通信业务就是数据通信。的通信方式和通信业务就是数据通信。3.1 数据通信的基本概念数据通信的基本概念 数据通信是指计算机或终端设备之间传输表示字符、数字、数据通信是指计算机或终端设备之间传输表示字符、数字、语音、图像的二进制代码语音、图像的二进制代码0、1比特序列的过程。比特序列的过程。信号是数据在传输过程中的电磁波信
2、号的表示形式，按传信号是数据在传输过程中的电磁波信号的表示形式，按传输方式它可以分为模拟信号和数字信号两类。输方式它可以分为模拟信号和数字信号两类。通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称作频带传输；通过调制解调器传输模拟数据信号的方法称作频带传输；直接传输数字数据信号的方法称作基带传输。直接传输数字数据信号的方法称作基带传输。3.1.1 数据、信息与信号数据、信息与信号 在数据通信技术中，信息、数据、信号是十分重要的。在数据通信技术中，信息、数据、信号是十分重要的。1、信息和数据、信息和数据 数据是信息的载体，是信息的表现形式；信息则是数据的数据是信息的载体，是信息的表现形式；信息则是数据的具
3、体含义，表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、具体含义，表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像及动画等。图像及动画等。2、信号、信号 在数据通信中，信息被转换为适合在通信信道上传输的电在数据通信中，信息被转换为适合在通信信道上传输的电编码，电磁编码或光编码。这种在信道上传输的光编码，电磁编码或光编码。这种在信道上传输的光/电编码叫信电编码叫信号。号。信号实际是电磁波，在通信设备之间通过有线介质或直接信号实际是电磁波，在通信设备之间通过有线介质或直接在空中传输。根据传输方式有模拟和数字通信。在空中传输。根据传输方式有模拟和数字通信。模拟通信是指信号的幅度随时间呈连续变化的信号。如
4、图模拟通信是指信号的幅度随时间呈连续变化的信号。如图3-1（a）所示。）所示。数字信号是在时间上不连续的、离散性的信号，一般由脉数字信号是在时间上不连续的、离散性的信号，一般由脉冲冲电源电源0和和1两种状态组成。如图两种状态组成。如图3-1（b）所示。）所示。图3-1 模拟信号与数字信号 3.1.2 数据通信系统数据通信系统 信息的传递是通过通信系统来实现的。如图信息的传递是通过通信系统来实现的。如图3-2所示。所示。它由发送设备、接收设备、发送机、信道和接收机五它由发送设备、接收设备、发送机、信道和接收机五部分组成。部分组成。信息传输系统由三个部分组成：信源（发送机）、信信息传输系统由三个部
5、分组成：信源（发送机）、信宿（接收机）和信道。宿（接收机）和信道。图3-2 通信系统基本模型 3.信号变换器信号变换器 信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号。对应不同的信源和信道，信号变换器有不同的组成和变换功能。如编码器、调制解调器等。编码器的功能是把信源或其它设备输入的二进制数字序列作相应的变换，使之成为其他形式的数字信号或不同形式的模拟信号。译码器是在接收端完成编码的反过程。调制器把信源或编码器输出的二进制脉冲信号变换成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输。解调器的作用是反调制，还原成原来的信号。4、噪声源 一个通信系统是不可避免的存在有噪声干扰，这些干扰分
6、布在数据传输过程的各部分，为分析和研究方便，通常把它等效为一个作用于信道上的噪声源。5、数据通信、数字通信与模拟通信 根据信号的不同，通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是数据通信子系统的子集，它主要提供数字数据服务，传输的是离散的二进制数字信号序列。模拟通道主要传输语音（如电台广播）、视频（如电视网）等模拟数据信号。数据传输是数据通信系统的基础，系统模型如图3-4所示：图3-4 数据传输系统模型 计算机网络中两台计算机之间的通信过程如图3-5所示。如果资源子网中的主机HA要与主机HB通信，必须要应用通信子网在HA与HB之间建立一条信息通道。图3-5 网络中两台计算机的通信过
7、程 3.2 数据通信方式 在设计一个数据通信系统时，首先要确定采用串行还是并行通信方式。串行只需在收发双方之间建立一条通信信道；并行需在收发双方之间建立多条并行的通信信道。数据通信按照信号传输方向与时间的关系可以分为单工通信、半工通信和全双工通信三种。3.2.1 并行传输与串行传输 串行传输：将待传输的每个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送，如图3-6（a)所示。并行传输：将表示一个字符的8位二进制代码通过8条并行的通信信道同时发送，如图3-6（b）所示。图3-6 串行通信与并行通信 3.2.2 异步传输与同步传输 数据通信的一个基本要求是接收方必须知道它所接收的每一位的开始时间和持
8、续时间，这样才能正确地接收发送方发来的数据。1、异步传输方式 工作原理：每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的间隔任意。为了标志字节的开始和结尾，在每个字节的开始处加一位起始位，结尾加1位、1.5位或2位停止位。如图3-7.图3-7 异步传输 异步传输的特点：1）每个字符代码前后的起始和停止位标识字符的开始和 结束。2）起始和停止位兼作线路两端的同步时钟，不再需要额 外的时钟同步。3）字符之间间隔任意。速率较低，用于要求不高的线路。2、同步传输 它是对一组字符组成的数据块进行同步。在数据块的前面加 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
9、数据块中的数据不会与同步字符混淆。上述同步传输技术叫做字符同步，如图3-8所示。这种传输方式在每一位还要进行同步。位同步有内同步和外同步两种。内同步指某些编码技术内含时钟信号。外同步指由通信线路设备提供同步时钟信号，并与数据编码一同传输，以保证线路两端数据传输同步。图3-8 同步传输 3.2.3 数据传输方向 数据通信按照信号传输方向和时间关系，可分为：单工通信：在任何时候信号只能向一个方向传输。图3-9(a)半双工通信：可双向传输，但必须交替进行。如图3-9(b);全双工通信：信号可同时双向传输，但须提供同时传输的双向通信信道。如图3-9（c)所示。图3-9 单工、半双工与全双工通信 3.2
10、.4 连接方式 数据通信的连接方法有两种：点对点连接方式：图3-10所示是典型的点对点的连接方式，Modem一旦拨号连通后，这条线路就被通信双方占用，不会有第三者再插进来。图3-10 点对点连接方式 多点连接方式：如图3-11所示，它是一个多通信终端共用一条通信主线路的通信方式。节省线路，但解决线路争用问题。图3-11 多点连接 3.2.5 基带传输与频带传输 数据信号的传输方法有基带传输和频带传输两种。1、基带传输 人们把矩形脉冲信号的固有频带称作基本频带（简称基带）。基带传输是一种最基本的数据传输方式，它在发送端把信源数据经过编码器变换，变为直接传输的基带信号，在接受端由解码器恢复成与发送
11、端相同的数据。2、频带传输 应用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输。最常用的方式是使用电话交换网，通过通信设备调制/解调器对传输信号进行转换的通信。优点：价格便宜，易于实现；确定：速率低、误码率高。3.3 数据编码技术 计算机数据在传输过程中的数据编码类型，主要取决于它采用的通信信道所支持的数据通信类型。根据数据通信类型，计算机网络中常用的通信信道有：模拟通信信道与数字通信信道两种，如下图所示：3.3.1 模拟数据编码方法 模拟数据编码方法，即数字数据转换为模拟信号的编码方法。将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程成为调制。在调制过程中，首先要选择音频范围内的某一角频率的正（余）弦信
12、号作为载波。u(t)=umsin(t+0)式中有三个可改变的电参量，振幅um，角频率，初相位0。1、调幅（ASK）调幅又称振幅键控。2、调频（FSK）：调频又称移频键控。3、调相（PSK）：调相又称移相键控。图3-12 模拟数据信号的编码方法 3.3.2数字数据编码方法 数字数据编码方法，即数字数据转换为数字信号编码的方法。在基带传输中数字数据信号的编码方法有以下几种：1、非归零编码 非归零编码是用低电平表示逻辑“0”，用高电平表示逻辑“1”的编码方式，如图3-13(a)所示。2、曼彻斯特编码 如图3-13(b)所示，每比特的中间有一次跳变，有两个作用：一是作为位同步方式的内带时钟；二是用于表
13、示二进制数据信号，可以把“0”定义为由低电平跳到高电平，“1”定义为由高电平跳到低电平，位于位之间有或没有跳变都不代表实际的意义。3、差分曼彻特编码 如图3-13(c)所示，每比特之间有一次跳变，数据的“0”和“1”是根据两比特之间有没有跳变来区分，如果下一个数据是“0”的话，则在两比特中间有一次电平跳变；如果下一个数据是“1”的话，则在两比特中间没有电平跳变。图3-13 数字数据到数字信号的编码方法 3.3.3 脉冲编码调制方法 脉冲编码调制方法，即模拟数据转换为数字信号的编码方法。1、采样 采样是按一定的时间间隔对连续变化的模拟信号电平幅度值进行采集。采样的工作原理如图3-14(a)所示。
14、2、量化 量化是将采样样本幅度按量化级决定取值的过程。3、编码是用相应位的二进制代码表示量化后的采样样本的量级。图3-14 PCM工作原理示意图 3.4 多路复用技术 多路复用技术就是把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提供信道的利用率。如图3-15所示：图3-15 多路复用示意图 1、频分多路复用 频分多路复用(FDM)就是将一定带宽的信道分割为若干个有较小频带的子信道，每个子信道供一个用户使用。2、时分多路复用 时分多路复用(TDM)是将一条物理信道的传输时间分成若干个时间片轮流地给多个信号源使用，每个时间片被复用的一路信号占用。如图3-17所示。3
15、、波分多路复用 波分多路复用(WDM)是指在一根光纤上同时传输多个不同波长的光载波的复用技术。通过WDM，可使原来在一根光纤上只能传输光载波的单一光信道，变为可传输多个不同波长光载波的光信道，使得光纤的传输能力成倍增加。有点见书64-65页。4、码分多路复用 码分多路复用（CDM）是一种用于移动通信系统的新技术，主要用在移动设备（笔记本等）上。它的基础是微波扩频通信，扩频通信的特征是使用比发送的数据速率高许多倍的伪随机吗对载荷数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带低功率频谱密度的信号来发射。如图3-18所示。图3-18 扩频通信原理图 3.5 数据交换技术 各种数据通过编码后要在通信线路上进行
16、传输，它一般通过一个由多个结点组成的中间网络来把数据从源点转发到目的点，这个中间网络也叫交换网，组成交换网的结点叫交换结点，结构如图3-19所示。数据交换有两大类：电路交换方式和存储交换方式，存储交换又分为报文交换和报文分组交换方式。图3-19 一般的数据交换网络 3.5.1 电路交换 电路交换也叫线路交换，它就是通过中间交换节点在两个通信点之间建立一条专用的通信线路。最常用的是电话系统。应用电路交换进行通信的过程（如图3-20所示）有：1、建立电路 在数据传输前，须通过网路结点建立一条端到端的物理连接。图3-20 通信双方物理信道的建立 2、传输数据 被传输的数据可以是数字数据，也可以是模拟
17、数据的传输。3、撤除电路 数据传输结束后，可由任意一端点发送撤除物理链路的信号，此信号将传输到电路所经过的所有结点，释放资源。3.5.2 报文交换和报文分组交换 存储交换也叫存储转发，其原理如图3-21所示。输入的信息在交换设备控制下，先在存储区暂存，并对存储的信息处理，待指定输出线空出后，在分别将信息转发出去。存储交换又可分为报文交换和报文分组交换两种方式：3、报文交换 报文交换的过程是：发送方先将待传的信息分为多个报文，并在报文上附加发、收站地址及及其它控制信息，形成一份份完整的报文，然后，以报文为单位在交换网络的各点间传输。每个报文包括三部分：报头，报文和报尾。与电路交换相比，报文交换有
18、一些特点：见书68页所示。2、报文分组交换 报文分组交换方式是把报文分成若干个分组，以报文分组为单位进行暂存、处理和转发。每个报文分组按格式附加收、发站图3-21 存储转发原理图 地址、分组编号、分组的起始、结束标志和错误校验信息等。报文和报文分组交换各有其特点，类似于信件和邮包。3.5.3 高速交换技术 近年出现了综合电路交换和分组交换的高速交换方式，也叫混合交换方式。3.6 数据通信的主要性能指标 数据通信的主要性能指标是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数。3.6.1 数据传输速率和信道带宽 1、基本概念 1）信道带宽 2）数据传输率与信道最大传输率 3.6.2 误码率 误码率是衡量通信系
19、统在正常工作情况下的传输可靠性的指标。它是指二进制码 元在传输过程中被传错的概率。计算公式：3.6.3 影响信道质量的其它因素 影响信道质量的其他因素有误码率、利用率、延迟和抖动。NNePe 3.7 通信网简介 3.7.1 公用交换电话网（PSTN）3.7.2 公用分组交换网（X.25)3.7.3 数字数据网（DDN）3.7.4 帧中继（FR）帧中继面向的是需要高带宽、低费用、额外开销的的用户群。它采用了两种关键技术，一是虚拟租用线路，二是“流水线”方式。3.7.5 综合业务数字网（ISDN）它以公用电话交换网作为通信网，应用电话线进行数据传输，它提供端到端的数字连接承载包括语音和非语音在内的多种电信业务。在用户之间实现以64kbps或128kbps速率为基础的透明传输。优点：1）速率很快。2）可靠性强。3）可处理语音、文本、图像、视频等信息。4）可适用的范围宽。5）可同时执行多个通信任务。6)它既可与ISDN用户也可以与模拟环境中的人们通信。3.7.6 非对称数字用户环路（ADSL）它是一种调制技术，应用普通电话线进行高速数据传输。它在现有电话线上传输高带宽数据以及多媒体和视频信息，并允许数据和语音在一根电话线上同时传输。它是单个计算机高速接入网络的最新技术。
