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计算机网络技术基础2第2章02数据通信基础章节导读计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物，因此，数据通信技术是计算机网络的基础。要研究计算机网络，首先要研究数据通信技术。数据通信就是指通过数据通信系统将数据以某种信号方式从一处传送到另一处。本章主要讲解与数据通信有关的基础知识，包括数据通信的基本概念、数据通信方式、数据传输技术、数据同步方式、信道复用技术、数据交换技术和差错控制技术等内容。学习目标理解数据通信系统中的基本概念。掌握数据通信系统模型的基本组成。掌握并行传输与串行传输，单工、半双工和全双工的数据通信方式。掌握电路交换、报文交换和分组交换3种数据交换技术。掌握奇偶校验码和循环冗余码两种差错控制技术。掌握数据传输技术、数据传输同步方式和数据编码技术。熟悉信道复用技术。52.1数据通信系统在当今信息社会中，通信是人们获取、传递和交换信息的重要手段。随着大规模集成电路技术、激光技术、空间技术等新型技术的不断发展以及计算机技术的广泛应用，现代通信中出现了如数字通信、卫星通信、光纤通信等具有代表性的新领域。而在这些新领域中，数字通信尤为重要，它是现代通信系统的基础。本节我们将简单介绍数字通信的基本概念和系统模型。62.1数据通信系统2.1.1数据通信的基本概念信息1信息是对客观事物的运动状态和存在形式的反映，可以是客观事物的形态、大小、结构、性能等描述，也可以是客观事物与外部之间的联系。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像等。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、数字或控制符号的组合。72.1数据通信系统数据2数据是传递信息的实体，是信息的一种表现形式。在计算机网络中，数据分为模拟数据和数字数据两种。其中，用于描述连续变化量的数据称为模拟数据，如声音、温度等；用于描述不连续变化量的数据称为数字数据，如文本信息、整数等。提示很多时候，数据和信息的概念并不加以区分，可认为是同一个概念。82.1数据通信系统信号3信号是携带信息的介质，是数据的一种电磁编码。信号一般以时间为自变量，以表示信息（或数据）的某个参量（振幅、频率或相位）为因变量。信号按其因变量的取值是否连续可分为模拟信号和数字信号。（a）模拟信号图2-1模拟信号和数字信号模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号，其因变量一定是连续的，如图2-1（a）所示。例如，电视图像信号、语音信号、温度压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号等都是模拟信号。92.1数据通信系统（b）数字信号图2-1模拟信号和数字信号虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但它们在一定条件下也是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、量化、编码等步骤变成数字信号，而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤变换为模拟信号。信息、数据和信号三者的关系是：信息一般用数据来表示，而数据通常需要转变为信号进行传输。数字信号是指表示消息的因变量是离散的，其自变量时间的取值也是离散的信号，如图2-1（b）所示。数字信号的因变量的状态是有限的，例如计算机数据信号、数字电话信号和数字电视信号等都是数字信号。102.1数据通信系统2.1.2数据通信系统模型数据通信系统的组成1信息的传递是通过数据通信系统来实现的，一个完整的数据通信系统一般由信源、信号变换器、通信信道、信宿等构成，如图2-2所示。图2-2数据通信系统模型111）信源和信宿信源就是信息的产生和发送端，是发出待传送信息的人或设备。信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的人或设备。大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）。2）通信信道2.1数据通信系统通信信道是传送信号的一条通路，由传输线路和传输设备组成。同一个传输介质上可以同时存在多条信号通路，即一条传输线路上可以有多个通信信道。信道类型是由所传输的信号决定的，用来传输模拟信号的信道称为模拟信道，用来传输数字信号的信道称为数字信道。123）信号变换器信号变换器的作用是将信源发出的数据变换成适合在信道上传输的信号，或将信道上传来的信号变换成可供信宿接收的数据。发送端的信号变换器可以是编码器或调制器，接收端的信号变换器相对应的就是译码器或解调器。4）噪声2.1数据通信系统信号在传输过程中受到的干扰称为噪声。噪声可能来自外部，也可能由信号传输过程本身产生。噪声虽然不算严格意义上的通信系统组成部分，但噪声过大将影响被传送的信号的真实性或正确性。132.1数据通信系统数据通信系统的主要技术指标2描述数据通信系统数据传输速率的大小和传输质量的好坏，往往需要运用信道带宽、比特率、波特率、信道容量和误码率等技术指标。1）信道带宽信道带宽是指信道中传输的信号在不失真的情况下所占用的频率范围，即传输信号的最高频率与最低频率之差。例如，若某通信线路可以不失真地传送2MHz～10MHz的信号，则该通信线路的信道带宽为8MHz。142）波特率波特率又称作波形速率或调制速率。它是指数据传输过程中，在线路上每秒钟传送的波形个数。其单位是波特，记作baud。设一个波形的持续周期为T，则波特率B可按下式计算：B=1/T（baud）2.1数据通信系统3）比特率比特率又称数据传输速率，是指数字信号的传输速率，用每秒钟所传输的二进制代码的有效位数表示，单位为比特/秒（记作b/s或bps）。比特率S可按下式计算：S=Blog2N（bps）式中B是波特率，N是一个波形代表的有效状态数。152.1数据通信系统提示需要注意的是，波特率和比特率的概念是不同的，因此500baud和500bps的含义不同。只有当一个波形代表的有效状态数为2时，二者在数值上才相等。4）信道容量信道容量一般是指物理信道能够传输信息的最大能力，它的大小由信道的带宽、可使用的时间、传输速率以及信道质量（即信号功率与干扰功率之比）等因素决定。162.1数据通信系统5）误码率误码率，也称出错率，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的重要指标。误码率等于传输出错的码元数占传输总码元数的比例。在计算机网络中一般要求数字信号误码率低于10-6。6）信道的传播延迟信号在信道中的传输，从信源到信宿需要一定的时间，这个时间叫做传播延迟（也叫时延）。传播延迟与信源和信宿间的距离有关，也与具体的通信信道中的信号传播速度有关。172.1数据通信系统7）信噪比在信道中，信号功率与噪声功率的比值称为信噪比（Signal-to-NoiseRatio）。如果用S表示信号功率，用N表示噪声功率，则信噪比应被表示为S/N。在实际传输中，更多地使用10lg10（S/N）来表示信噪比，单位是分贝（dB）。对于S/N等于10的信道，则称其信噪比为10dB；同样的道理，如果信道的S/N等于100，则称其信噪比为20dB；以此类推。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小，因此信噪比应该越高越好。182.2数据通信方式设计一个通信系统时，首先要确定的是采用串行通信方式，还是采用并行通信方式。采用串行通信方式只需要在收发双方之间建立一条通信信道；采用并行通信方式时，收发双方之间必须建立多条并行的通信信道。信号在通信信道上的传输是有方向的，根据数据在某一时间信息传输的方向和特点，数据通信方式可分为单工通信、半双工通信和全双工通信。192.2数据通信方式2.2.1并行传输与串行传输数据的传输方式有并行传输和串行传输两种。并行传输串行传输20并行传输12.2数据通信方式（a）图2-3并行传输与串行传输在计算机中，通常使用8个字节来表示一个字符。在进行近距离传输时，为获得较高的传输速率，使每个代码的传输延时尽量少，常采用并行传输方式，即数据的每一位二进制数据位各占一条信号线，通过几个并行的信道同时传输，如图2-3（a）所示。例如，计算机内的数据总线就是采用并行传输，根据信道数量不同可分为8位、16位、32位和64位等。212.2数据通信方式串行传输指的是代码的若干位按顺序一位一位地传送数据，从发送端到接收端只要一条传输信道即可，如图2-3（b）所示。代码采取串行传输时的传输速度与并行传输相比要低得多。（b）图2-3并行传输与串行传输并行传输的速率高，但传输线路和设备都需要增加若干倍，一般用于短距离并要求快速传输的地方。串行传输可以节省线路和设备，利于远程传输，所以广泛用于远程数据传输中，通信网和计算机网络中数据传输都是以串行方式进行的。串行传输2222.2数据通信方式2.2.2单工、半双工和全双工通信根据信号在信道上的传输方向，数据通信分为单工通信、半双工通信和全双工通信。数据通信双全工通信半双工通信单工通信232.2数据通信方式单工通信1单工通信又称为单向通信。在单工通信中，数据信号固定地从发送端传送到接收端，即信息流仅沿一个方向流动，如图2-4所示。如无线电广播采用的就是单工通信。数据发送端接收端图2-4单工通信242.2数据通信方式半双工通信2半双工通信又称为双向交替通信。在半双工通信中，数据信号可双向传送，但不能在两个方向上同时进行。通信双方都具有发送器和接收器，但在同一时刻信道只能容纳一个方向的信息传输，如图2-5所示。例如，无线电对讲机采用的就是半双工通信，当甲方讲话时，乙方无法讲话；等甲方讲完后，乙方才能开始讲话。图2-5半双工通信数据发送端/接收端接收端/发送端252.2数据通信方式全双工通信3全双工通信又称为双向同时通信。在全双工通信中，同一时刻双方能在两个方向上传输数据信息，它相当于把两个相反方向的单工通信方式组合起来，如图2-6所示。例如，打电话时，双方可以同时讲话。全双工通信效率高，但结构复杂，成本较高。图2-6全双工通信数据发送端接收端262.3数据传输技术2.3.1数据传输同步方式当发送端将数据发送出去后，为保证数据传输的正确性，收发双方要同步处理数据。所谓同步，就是指接收端按照发送端所发送的每个码元的重复频率以及起止时间来接收数据，也就是通信双方在发、收时间上必须保持一致；否则，数据传输就会发生丢包或重复读取等错误。根据通信双方协调方式不同，同步方式有两种：异步传输和同步传输。27异步传输12.3数据传输技术异步传输又称为起止式传输。发送端可以在任何时刻向接收端发送数据，且将每个字符（5～8位）作为一个独立的整体进行发送，字符间的间隔时间可以任意变化。为了便于接收端识别这些字符，发送端需要在每个字符的前后分别加上一位或多位信息作为它的起始位和停止位，如图2-7（a）所示。（a）图2-7异步传输方式282.3数据传输技术如图2-7（b）所示，如果传送的字符由7位二进制位组成，那么在其前后各附加起始位和停止位，甚至还有校验位，其字符长度将达10位。很显然，由于辅助位多，这种同步方式传输效率较低，适用于低速通信。（b）图2-7异步传输方式292.3数据传输技术同步传输2同步传输要求数据的发送端和接收端始终保持时钟同步。同步传输具体又分为面向字符的同步和面向位的同步，如图2-8所示。（a）面向字符的同步帧格式（b）面向位的同步帧格式图2-8同步传输方式302.3数据传输技术面向字符的同步•发送端将字符分成组进行连续发送，并在每组字符前后各加一个同步字符（SYN）。当接收端接收到同步字符时开始接收数据，直到再次收到同步字符时停止接收，然后进入等待状态，准备下一次通信。面向位的同步•发送端每次发送一个二进制位序列，并在发送过程的前后分别使用一个特殊的8位位串（01111110）作为同步字节来表示发送的开始和结束。312.3数据传输技术在同步传输中将整个字符组作为一个单位进行传送，且附加位比较少，从而提高了数据传输效率。这种方式一般用于高速传输数据的系统中。但是要求收发双方的时钟严格同步，加重了数据通信设备的负担。如果传输的数据中出现与同步字符（或同步字节）相同的数据，则需要额外的技术来解决；如果一次传输有错，则需要将该次传输的整个数据块进行重传。322.3数据传输技术2.3.2数字信号的传输技术在数据通信中，计算机等产生的信号是二进制数字信号，即“1”和“0”。若要在相应的信道中传输，需转