通信系统数据通信技术

3.1数据通信概述3.1.1数据通信的特点数据通信有以下特点。（1）数据通信是人—计算机或计算机—计算机之间的通信，通信过程可能没有人的直接参与，为了保证通信的顺利进行，必须采用严格统一的传输控制规程（通信协议）。所谓“规程”就是在通信过程中计算机必须遵守的一系列“约定”。（2）数据通信的传输速率极高。（3）数据通信要求误码率≤10-7～10-9，而语音及电视业务仅要求误码率≤10-4，即数据通信可靠性要求高，因此必须采用严格的差错控制技术。（4）数据通信的突发度高。图3-1-1数据通信系统的构成1.数据终端设备（DTEDTE是计算机网中用于处理用户数据的设备，从简单的数据终端（甚至I/O设备）到复杂的中心计算机均称为DTE。2.数据电路终接设备（DCEDCE属于网络终接设备，调制解调器、线路接续控制设备及与线路连接的其他数据传输设备称为DCE。（1）调制解调器（Modem如果数据通信网由电话交换网构成，此时传输信道（电话用户线）是模拟信道，数据传输采用语音频带数据传输方式，DCE主要起（频带）调制解调器的作用，即把DTE送来的数字信号变换为模拟信号再送往信道，或把信道送来的模拟信号变换为数字信号再送往DTE。除以上功能外，调制解调器还有以下①同步：调制解调器有同步和异步两种。②双工方式：调制解调器可以按全双工或半双工方式工作。③自动拨号/自动应答：用户在键盘上敲入相应命令后可自动拨号/自动应答。（2）DSU与CSU如果信道是数字信道，DCE由数据服务单元（DataServiceUnit，DSU）和信道服务单元（ChannelServiceUnit，CSU）组成。DCE与信道一起构成数据电路。数据电路加上两端的传输控制器和通信控制器构成数据链路。链路（link）是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何的交换节点。3.1.51.数据传输时常用的同步方式有两种：异步传输方式和同步传输方式。异步传输方式也称为起止式同步方式。同步传输方式又称独立同步方式。这种方式收发双方要保证比特同步。字符同步是通过同步字符SYN来实现的，如图3-1-2（b）所示。图3-1-2数据传输的同步2.并行传输指的是数据以成组的方式在多条并行的信道上同时传输。串行传输是数字流以串行方式在一条信道上传输。3.1.61.在计算机与计算机之间传输数据时，误码率要求低于≤10-7～10-9。2.（1加入奇偶校验位实现奇偶校验的方法前面已有介绍。实现奇偶校验的方式还有水平冗余校验、垂直冗余校验、水平垂直冗余校验等多种，但基本原理相同，这里不再一一列举。（2）循环冗余（CRC）循环冗余校验码简称循环码或CRC码，是一种高效能的检错和纠错码。由于检错能力强，编、译码电路简单，因而在数据通信中应用甚广。3.1.7数字数据网（DDN1.与数字信号的传输一样，数据信号传输也有两种基本形式，即基带传输与频带传输。这里就数字数据传输方式（DDN）进行讨论。采用数字信道来传输数据信号时，有①DDN是利用数字信道向用户提供半永久性电路。②传输速率高。③传输质量好。④DDN是透明传输网。⑤传输距离远。2.数字数据传输系统组成方框图如图3-1-4所示，它包括本地传输系统、复用及交叉连接系统、局间传输系统和网络管理系统。（1）本地传输系统（2图3-1-4数字数据传输系统组成方框图（3局间中继传输指DDN节点间的数字信道，DDN的中继速率从4.8kbit/s到2Mbit/s,其中包括ISDN的基本速率和基群速率。（4网络管理系统的功能为网络监管和业务配置、监视网络运行、网络维护、故障测量和网络信息收集。所谓网络体系结构是对构成计算机网络的各个组成部分及计算机网络必须实现功能的一组精确定义。为简化设计，OSI将网络应完成的通信任务进行分解，分为七个功能层，自下而上为:物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层和应用层。①各层相对独立，每一层完成自身定义的功能，可以单独地开发、修改本层功能，而不影响其他层。②第n层完成自身定义的功能时，只利用（n-1）层所完成的功能（而不关心这些功能是怎样完成的）。③不同系统的同层实体间使用该层协议进行通信，只有最低层才发生直接数据传送，且最低层只提供服务。④除最低层外，其他层实体间没有直接物理连接不能直接交换信息，必须利用下一层实现的协议所提供的更为基本的服务来实现本层通信。⑤两种不同的协议可能对应同一层，但它们之间不能协同工作，只有执行相同协议的实体才能通信。⑥在需要不同的通信服务时，可在一层内设置两个或更多的子层。图3-2-2分层协议中数据传输示意图3.2.2物理层是OSI体系结构中最低的一层，其任务是为上一层（即数据链路层）提供一个物理连接，以便透明地传输比特流。1.物理层定义了网络的拓扑结构、DTE与DCE之间接口特性、位传输编码和计时规则。网络中各个节点相互连接的方法和型式称为网络的拓扑结构。常用的有：网状型（又称格型）、网孔型、星型、复合型、环型、总线型和树型。2.接口是指DTE与DCE之间的界面。原CCITT制定了两种接口标准：当信道为模拟信道（模拟电话网）时，接口标准为V系列建议；当信道为数字信道（公用数据网）时，接口标准为X系列建议。标准规定了接口的电气特性、功能特性、规程特性和机械特性。（1DTE与DCE之间有多条信号线，每一条信号线都有驱动器和接收器。（2功能特性定义DTE/DCE间各接口线路功能和相互间的操作关系。按功能划分，接口线可分为数据线、定时线、控制线和地线。（3规程特性规定了完成物理连接的建立、维持、交换信息及拆除连接时各接口线动作的先后顺序。（4机械特性主要是对所使用的接线器的形状、几何尺寸、插脚引线数和引线排列做了规定。7.物理信道由各类传输介质和中间设备组成。常用传输介质有以下几类。（1双绞线由两条相互绝缘的铜线像螺纹一样绕在一起构成，这样可以使各线之间电磁干扰最小。①无屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPair，UTP）：ＵＴＰ网线由一定长度的双绞线和Rj45水晶头组成。在计算机的局域网（LAN）中常用3类线（封皮印有CATⅢ标记），当传输速率为10Mbit/s时，传输距离可达100m。②屏蔽双绞线（ShieldedTwistedPair，STP）：这是在双绞线外面再包上一层网状金属线，用做屏蔽。使用屏蔽双绞线必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器和相应的安装技术。（2同轴电缆由两根导体组成，一根导线在中心，中间为绝缘材料，外面包一层同心圆筒形导体。①基带同轴电缆（basebandcoaxialcable）：这种同轴电缆的特性阻抗为50Ω，只用于基带数字信号的传输。基带同轴电缆又分为细缆和粗缆。细缆（常用为RG-58）,它的价格便宜，但传输距离较近。粗缆（常用为RG-11）抗干扰性能好，传输距离远。②宽带同轴（CATV）电缆：这是电视电缆，通常使用RG-59,其特性阻抗为75Ω，CATV电缆既可以用于模拟信号传输，也可以用于数字信号传输。双电缆系统的示意图如图3-2-4（a）所示。图3-2-4（b）所示为单电缆系统。图3-2-4宽带传输系统3.2.31.（1）帧控制：将信息流进行分割，按照一定的格式组成帧，以帧为单位发送、接收、校验和应答。（2）差错控制：当收端能正确接收信息时，则向发端送出确认信息；当检测到接收信息有差错时，收端要求发端重发该信息；发端还要进行帧编号，以免出现信息的重收、漏收。通常采用CRC方法的居多。（3）流量控制：计算机网络是由具有不同速率、存储空间和处理能力的设备组成的。（4）链路管理：协议应能控制信息流的传输方向；建立、维护、结束链路联接；显示站的工作状态。（5）区分数据和控制信息。（6）寻址：保证每一帧信息送达正确的目的站，且收方知道信息的发送站。2.停—等（stop-and-wait）协议规定发送端每发送一数据帧，必须停下来，等待收到接收端的应答信息后，才能进行下一步的操作。3.连续ARQ停—等协议实现方法简单，但信道利用率低。若使发送端在发送完一帧数据后，不等对方应答，再继续发送若干帧，这样就提高了通信的吞吐量。③报文数据和控制信息都采用检错能力强的循环冗余（CRC）校验方式，可靠性高。④在通信中不必等到对方应答就可发送下一帧，信息连续发送，传输效率高。（2）HDLC三种类型的站HDLC规定数据站分为主站、从站和组合站三种类型。①主站:主站（primarystation）控制整个链路的工作,负责链路的初始化、链路的建立和释放，以及差错恢复等。主站发出的帧叫做命令（command）。②从站:受控的各站叫做从站或次站（secondarystation）。从站发出的帧叫做响应（response）。③复合站:复合站（combinedstation）同时具有主站与从站的功能，每个复合站都可以发出命令和响应。3.2.4网络层1.网络层的功能数据链路层协议只能解决相邻节点间的数据传输问题，不能解决两个主机之间的数据传输问题，因为两个主机之间的通信通常包括多段链路，涉及到路由选择、流量控制等问题。网络层的功能包括：①为传输层提供建立、维持和拆除网络连接的手段；②完成选定交换方式、路由选择、流量控制、顺序控制、差错控制、阻塞与非正常情况处理等；③当信息在不同网络之间传输时，完成不同网络层之间的协议转换；④根据传输层要求选择网络服务质量；⑤向传输层提供虚电路服务或数据报服务。2.交换方式数据交换方式可分为以下几种：（1）线路交换线路交换是通过交换机的接续在交换网中使主叫用户终端和被叫用户终端之间建立一条物理的数据传输通路，为两个终端提供通信通道。（2）存储—转发交换对一些实时性要求不高的信息采用存储—转发交换方式较合适。（3）分组交换分组交换是把报文分成若干较短的报文分组（packet），以分组为单位进行发送、暂存和转发。数据报方式的特点是：不需经历呼叫建立和呼叫清除阶段，对短报文传输效率高；由于各分组单独选路，导致分组传输时延较大，且时延与路径有关，随机性高；适应网络故障能力强。3.4TCP／IP3.4.1TCP/IP简介网络互连是指将不同的子网连接起来，以解决子网间的数据流通，从而达到共享子网内资源的目的。局域网互连分为相同类型局域网互连、不同类型局域网互连、通过主干网（如FDDI）将局域网互连、通过广域网将局域网互连、局域网访问外部计算机系统。TCP/IP是传输控制协议和网际协议（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol）的简称，是目前使用最广泛、推广最快的网络互连协议。3.4.2TCP/IP的优点（1）TCP/IP适用于各种硬件平台，从微机到巨型机，从LAN（局域网）到WAN（广域网）均可使用。与众多知名的操作系统兼容；TCP/IP还有丰富的软件产品，许多著名的网络产品和网络数据库（如Oracle）都提供了TCP/IP接口；（2）TCP/IP的通信效率高，TCP/IP为四层结构，较OSI的七层结构在层次上作了简化，大大提高了通信效率；（3）技术和协议文本都是公开的；（4）TCP/IP对用户屏蔽网络的低层结构，用户和应用程序不必了解网络的硬件连接细节，使用户使用网络和进行程序设计极为方便；（5）TCP/IP对网络的拓扑结构没有限制，因而网络容易扩充。3.4.3TCP/IP的组成TCP/IP模型共有四层：（1）应用层：对应于OSI的应用层、表示层和会话层。（2）运输层：对应于OSI的运输层。（3）网际层（Internet层）：网际层（IP协议）负责计算机之间的通信，又称点对点的通信。（4）网络接口层（网络访问层）：对应于OSI的数据链路层和物理层，由各设备之间的物理链接构成，又称“物理网”。（5）TCP/IP数据格式数据从一层传到另一层时，每一层都要按照较低层协议要求的格式对数据进行封装。各层协议封装格式如图3-4-2所示。图3-4-2TCP/IP协议数据格式