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第二章数据通信基础•任何两台计算机之间的数据交换都要借助通信手段来实现。•数据通信的基本概念、数据通信系统的组成以及相关计数2.1引言•数据通信技术完成数据的编码、传输和处理，为计算机网络的应用提供必要的技术支持和可靠的通信环境。那么，它是如何实现这些功能的呢？这就是本章所要讨论的问题。2．2数据通信的基本概念•1、信息•信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。•信息泛指那些通过各种方式传播的、可被感受的声音、文字、图像、符号等所表征的某一特定事物的消息、情报或知识。•2、数据•数据是对客观事物的符号表示，在计算机科学中是指所有输入到计算机中并被计算机程序处理的符号的总称。数据分为模拟数据和数字数据两种。•⑴模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的,例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器收集。•⑵数字数据：在时间上是离散的,在幅值上是经过量话的,它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。•3、信号•信号是数据的具体物理表现形式，它具有确定的物理描述,如电信号、光信号或磁场强度等。信号分为数字信号和模拟信号两种。•⑴模拟信号：是一种连续•变化的电脉冲序列，例如电话•语音信号、电视信号等，它是随•时间变化的函数曲线，如图2-2（a）•所示。•⑵数字信号：是离散的不连续的•电信号,通常用“高”和•“低”电平脉冲序列组成的编码来•表示数据,如图2-2(b)所示。信号的频谱和带宽•任何一个非周期信号都可以分解为一系列正弦波的组合。组成这个信号的所有正弦波的频率构成一个集合，称为信号的频谱。•最高频率和最低频率的差，称为信号的带宽。带宽即为频谱的宽度。•信道：信号传输的通道，由连接信号发送方和接收方的传输线路及相应的附属设备组成，包括铜缆、光纤和无线传输媒体。•包括物理信道和逻辑信道•逻辑信道通过许多条逻辑信道接续传递实现。2.1.3数据通信系统•任何一个通信系统都可以看作是由发送设备、传输信道和接收设备三大部分组成。•数据终端设备（DataTerminalEquipment,DTE):是指能够产生、接收和处理二进制数字数据的设备。•数据电路终端设备（DataCircuitTerminalEquipment,DCE)•典型的DCE是调制解调器•比特率和波特率•比特率：在数字信道中，表示信道的传输能力•波特率：在模拟信号的传输中，波特率是调制速率，也称波形速率。如：宽带IP网是以IP为核心协议的支持宽带业务的高速计算机网络通信领域计算机领域带宽信道的传输能力传输数字数据的能力，比特率宽带宽的频带高的信息传输速率吞吐量和信道容量•吞吐量也常用来表示信息传输速率。•信道容量表示物理信道上能够传输数据的最大能力。误码率和误比特率•表示计算机网络和数据通信系统的可靠性。数据传输方式•分类•基带传输、宽带传输•并行传输、串行传输•单工、半双工、全双工基带传输、宽带传输•基带传输：传输介质原封不动地传输由计算机或终端产生的0或1数字脉冲信号。•宽带传输：数字信号模拟化，借助于模拟的正弦载波信号，用数字数据调制载波，将数字数据寄生在载波的某个参数上，借助于模拟信道进行传输。串行传输与并行传输•串行传输（SerialTransmission）是指数据以串行方式，在一条信道上传输。在计算机中，通常是用8位的二进制代码来表示一个字符。在数据通信中，串行传输方式如图2-23所示。•并行传输（ParallelTransmission）是指数据以成组的方式在多个并行信道上传输。将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去，这种工作方式称为并行通信，单向传输与双向传输•数据在通信线路上传输是有方向的，根据信号传送的方向与时间关系，数据通信可分•为三种基本工作方式：单工通信、半双工通信与全双工通信。•单工数据传输指传送的信息始终是一个方向传送,没反方向的交互。其信道一般是二线制，一根用于传输数据,另一根用于监测信号。•半双工数据传输允许数据在两个方向上传输,但在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输,它实际上是一种切换方向的单工通信。•全双工数据传输允许数据同时在两个方向上传输,它是两个单工通信方式的结合,它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。同步传输与异步传输•在数据通信系统中，整个计算机通信系统能否正确有效地工作，在相当程度上依赖•于是否能很好地实现同步。目前,串行通信的传输按通信约定的格式分为两种，即•同步通信方式和异步通信方式。•异步传输（asynchronous）•异步传输一次只传输一个字符,每个字符用一位起始位引导、一位停止位结束。•起始位为“0”,占一位;停止位为“1”,占1-2位。在没有数据发送时发送方可发送连续的停止位，接收方根据“1”至“0”的跳变来判别一个新字符的开始,然后接收字符中的所有位。异步传输方式如图所示。•同步传输（Synchronous）•⑴位同步：在数据通信过程中，接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率来校正自己的时间基准与时钟频率，这个过程就叫做位同步。实现位同步的方法主要有以下两种：•①外同步法。是在发送端发送一路数据信号的同时，另外发送一路同步时钟信号。接收端根据接收到的同步时钟信号来校正时间基准与时钟频率，实现收发双方的位同步。•②内同步法。是从自含时钟编码的发送数据中提取同步时钟的方法，曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都是自含时钟的编码方法。•⑵字符同步：为保证收发双方正确传输字符,将字符以组为单位传送，在每组字符之前加上一个用于同步控制的同步字符SYN，数据结束后加上后同步信号，接收•端根据SYN与后同步信号确定数据字符的起始与终止。同步传输方式如图2-25所示。•每一帧的开始和末位附加指定的位模式“01111110”•不特定数据字段携带用户数据，和异步传输方式相比，它可以传输大的数据块。调制解调技术•宽带传输必须将数字数据转化为模拟数据。数字模拟化称之为调制（Modulation）•将已调制信号还原为原来的数字数据称之为解调（Demodulation）。•我们将具备调制与解调功能的设备称为调制解调器•编码解码技术•常用的编码方式主要有3种：不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。•1、不归零码（Non-ReturntoZero，NRZ）•不归零码是一种全宽码，即信号波形在一个码元全部时间内发出或不发出电流，每一位码占全部码元的宽度。不归零码可分为单极性和双极性两种：•⑴单极性不归零码(SinglePolarityNRZ)：是以无电压（无电流）表示“0”，而•用恒定的正电压表示“1”。•⑵双极性不归零码(DoublePolarityNRZ)：是以负电压表示“0”，而用恒定的正•电压表示“1”。以上反之亦然，即负电压表示“1”，正电压表示“0”。•2、曼彻斯特编码•曼彻斯特编码是目前应用最广泛的编码方法之一。其编码规则是：每个比特的•周期T分为前T/2与后T/2两部分；通过前T/2传送该比特的反码，通过后T/2传送该比特的原码。在每个数据的中间位置都有一个跳变，正跳变表示0，负跳变表示1.•3、差分曼彻斯特编码•是对曼彻斯特编码的改进,它将时钟和数据包含在信号中,在传输代码信息的同时•将时钟同步信号一起传输到对方，所以都属于自同步编码，其数据传输速率只有调制速率的1/2。多路复用技术•传输信号要求的带宽与传输介质允许通过的带宽是不一样的，为了节省开销，应当•充分利用传输介质的带宽。在一条介质上同时传送多于一路以上信号的传输方式，叫•做该介质的多路复用。多路复用传输技术的基本原理如图2-30所示。•复用方式可分为：空分复用，频分复用，时分复用，波分复用，码分复用。2.3.5数据交换技术•各种数据经过编码后在通信线路上进行传输，实现数据通信。数据通信最简单的方式是利用传输介质将两个端点直接相连，但每个通信系统都采用把收发两端直接相连的形式是不可能的，通常通过一个由多个结点组成的中间网络，把数据从源结点转发到目的结点，实现相互通信。因此，数据交换是研究如何通过中间网络实现联网计算机之间的数据交换问题。•目前，常用的网络数据交换方式可归结为以下4种:•★电路交换•★报文交换•★分组交换•★快速交换•电路交换•1、电路交换概念•电路交换是根据电话交换原理发展起来的一种直接交换方式。在数字通信中，•电路交换传输主要是应用同步传输模式来实现的。电路交换的过程分为3个步骤：•电路建立在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。•数据传输在整个数据传输过程中，所建立的电路必须始终保持连接状态。•电路拆除数据传输结束后，由某一方发出拆除请求然后逐节拆除到对方节点。•电路交换原理如下图所示。•报文交换•1、报文交换的工作原理•报文交换类似于发送信件，是以报文为单位发送信息，不管发送数据的长度是多•少都把它当作一个逻辑单元，每个报文由报头、正文和报尾3部分组成，报头中包含•发送计算机的地址和接收信息的计算机地址。通信子网根据报头目的地址选择路径在•两个结点之间的一段链路上逐段传输，不需要在两个主机之间建立多个结点组成的通•道,报文交换过程如图2-39所示。•分组交换•分组交换是报文交换的改进，因而又称为报文分组交换。它将报文分成若干个分组,每•个分组的长度有一个上限,有限长度的分组使得每个节点所需的存储能力降低了，以提高交换速度。分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。