2數據通信技術基礎-第1章計算機基礎知識(已修改)

　

【正文】 數據通信技術基礎第2章數據通信技術的發展與計算機網絡技術密切相關，是促進計算機網絡技術發展的重要因素之一。因此，學習計算機網絡，必然涉及許多關于數據通信的問題，數據通信的任務是利用通信媒體傳輸信息。數據通信是兩實體間的數據傳輸和交換，在計算機網絡中占有十分重要的地位，它是通過各種不同的方式和傳輸介質，把處在不同地理位置的終端與主計算機或計算機與計算機連接起來，從而完成數據傳輸、信息交換和通信處理等任務。本章重點介紹與計算機網絡有關的數據通信的基本概念、數據傳輸方式、多路復用技術、數據交換技術和差錯控制技術等內容，主要是為計算機網絡的學習和實踐打好基礎。 數據通信的基本概念數據通信就是指計算機與計算機之間交換數據的過程。數據通信系統就是指以計算機為中心，用通信線路連接分布在各地的數據終端設備而執行數據傳輸功能的系統。 簡單的通信模型通信系統的基本作用是在發送方（信源）和接收方（信宿）之間傳遞和交換信息。數據通信系統的基本組成有3個要素：信源、信宿和信道，如圖21所示，它就是一個簡單的數據通信系統模型。圖21 簡單的數據通信系統模型1．信源和信宿信源就是信息的發送端，是發出待傳送信息的設備；信宿就是信息的接收端，是接收所傳送信息的設備。大部分信源和信宿設備都是計算機或其他數據終端設備。2．信號變換器信號變換器的作用是將信源發出的信息變換成適合在信道上傳輸的信號，如圖22所示。圖22 信號變換器的作用對應不同的信源和信宿，信號變換器有不同的組成和變換功能。發送端的信號變換器可以是編碼器或調制器，接收端的信號變換器相對應的就是譯碼器或解調器。編碼器的功能是把信源或其他設備輸入的信息作相應的變換，使之成為適合在通信信道上傳輸的信號；譯碼器的功能是在接收端完成編碼的反過程。信源輸入的信息可以是離散變化的數字信號也可以是連續變化的模擬信號。調制器的作用是把信源輸入的二進制脈沖信號變換（調制）成模擬信號，以便在模擬信道上進行遠距離傳輸；解調器的作用是反調制，即把接收端接收的模擬信號還原成二進制脈沖數字信號。由于網絡中絕大多數信息都是雙向傳輸的，所以在大多數情況下，信源也作為信宿，信宿也作為信源；編碼器也具有譯碼功能，譯碼器也能編碼，因此統稱為編碼譯碼器；同樣調制器也能解調，解調器也能調制，因此統稱為調制解調器。 數據、信息和信號1．數據與信息數據是由數字、字符和符號等組成的，可以用來描述任何概念和事物，是傳送信息的載體。數據中的各種數字、字符和符號等在沒有被定義前，是沒有實際意義的，因此，數據是尚未組織起來的事實的集合，是抽象的。信息則是數據的具體內容和解釋，有具體的意義。信息是數據經過加工處理后所得到的，即信息是按一定要求以一定格式組織起來的、具有一定意義的數據。信息必須依賴于各種載體才有意義，才能被傳遞。數據是信息的表示形式，是信息的載體，信息是數據形式的內涵，即數據是信息傳送的形式，信息是數據表達的內涵。2．信號為了使數據可以在傳輸介質中傳輸，必須把數據變換成某種信號（電信號或光信號）的形式。信號是數據的具體物理表示，具有確定的物理描述，是數據的電編碼、電磁編碼或其他編碼等。信號可以分為模擬信號和數字信號。3．數字數據與模擬數據表達數據的方式與承載數據的媒體是緊密相關的，不同的媒體能夠表達數據的方式是有限的。有兩種基本的表達數據的方式，這就是模擬數據和數字數據。當數據采用離散的電信號表示時，這樣的數據就是數字數據。數字數據是指有限個離散值，如字符串、整數數列。當數據采用電波表示時，這樣的數據就是模擬數據。模擬數據是指在某個區間產生的連續值，如聲音、視頻、溫度、壓力。4．模擬信號和數字信號模擬信號是在一定范圍內可以連續取值的信號，是一種連續變化的電信號，它可以以不同的頻率在介質上傳輸，如正弦波信號，如圖23所示。圖23 正弦波信號數字信號是一種離散的脈沖序列信號，它的取值是有限個數，它用恒定的正電壓／負電壓或正電壓／0電壓來表示“1”/“0”，它可以以不同的位速率在介質上傳輸，如脈沖信號，如圖24所示。圖24 脈沖信號 數據通信的主要技術指標衡量和評價一個系統的好壞，必須要涉及到系統的主要性能指標問題。數據通信的主要技術指標是衡量數據傳輸的有效性和可靠性的參數。有效性主要由數據傳輸的數據速率、調制速度、傳輸延遲、信道帶寬和信道容量等指標來衡量；可靠性一般由數據傳輸的誤碼率指標來衡量。常用的數據通信的技術指標有以下幾種。1．信道帶寬和信道容量信道是通信雙方以傳輸介質為基礎的傳輸信息的通道，它是建立在通信線路及其附屬設備（如收發設備）上的。表面上看，信道與傳輸介質好像差不多，但信道又不能等同于傳輸介質，同一條傳輸介質可以同時存在多條信號通道，即一條通信介質構成的線路上往往包含了多個信道。與信號的分類相似，信道也可分為傳送模擬信號的模擬信道和傳送數字信號的數字信道兩大類。但數字信號經過數／模變換后就可以在模擬信道上進行傳送，而模擬信號經過模／數變換后也可以在數字信道上進行傳送。由有線傳輸介質（如雙絞線、同軸電纜、光纜等）構成的通信信道叫有線信道；由無線傳輸介質（如微波、衛星）構成的通信信道叫無線信道。信道帶寬或信道容量是描述信道的主要指標之一，由信道的物理特性所決定。信道帶寬是指信道中能夠傳送的信號的頻率范圍。當信號的帶寬超過信道帶寬時，信號就不能在該信道上傳送，或者傳送的信號將會失真。為計算帶寬，需要在頻率范圍內用最高頻率減去最低頻率。例如：最高頻率為5000Hz，最低頻率為1000Hz，則帶寬即為4000Hz。信道容量是指單位時間內信道所能傳輸的最大信息量，即一個信道能夠達到的最大的傳輸速率，它表示信道的傳輸能力。在通信領域中，信道容量常指信道在單位時間內可傳輸的最大碼元數（碼元是承載信息的基本信號單位，一個表示數據有效值狀態的脈沖信號就是一個碼元，其單位為波特），信道容量以碼元速率（或波特）來表示。由于數據通信主要是計算機與計算機之間內的數據傳輸，而這些數據最終又以二進制位的形式表示，因此，信道容量有時也表示為單位時間最多可傳輸的二進制的位數（也叫信道的數據傳輸速率），以位/秒（b/s）形式表示，簡稱為b/s。按信道頻率范圍的不同，通?？蓪⑿诺婪譃?類：窄帶信道（帶寬為0～300Hz）、音頻信道（帶寬為300～3400Hz）和寬帶信道（帶寬為3400 Hz以上）。2．傳輸速率（1）數據傳輸速率（Rate）。數據傳輸速率是指通信系統單位時間內傳送的二進制代碼的位（比特）數，因此又稱比特率，單位用比特/秒表示，記為b/s或b/s。數據傳輸速率的高低，由每位數據所占的時間來決定，一位數據所占的時間寬度越小，其數據傳輸速率就越高。設T為傳輸的電脈沖的寬度或周期，N為一個脈沖信號所有可能的狀態數，則數據傳輸速率為：RS =log2 N (b/s)式中log2N是每個電脈沖信號所表示的二進制數據的位數（比特數）。如電信號的狀態數N=2，即只有“0”和“1”兩個狀態，則每個電信號只傳送1位二進制數據，此時，RS =1/T（2）調制速率 調制速率又稱波特速率或碼元速率，它是數字信號經過調制后的傳輸速率，表示每秒傳輸的電信號單元（碼元）數，即調制后模擬電信號每秒鐘的變化次數，它等于調制周期（即時間間隔）的倒數，單位為波特（Baud）。若用T（秒）表示調制周期，則調制速率為Rb=1/T (Baud)，即1波特表示每秒鐘傳送一個碼元。顯然，上述兩個指標有如下的數量關系：RS =Rb log2 N (b/s)，即在數值上“波特”單位等于“比特”的log2 N倍，只有當N=2（即雙值調制）時，兩個指標才在數值上相等。但是，在概念上兩者并不相同，Baud是碼元的傳輸速率單位，表示單位時間傳送的信號值（碼元）個數，波特速率是調制速度，而b/s是單位時間內傳輸信息量的單位，表示單位時間傳送的二進制數的個數。3．誤碼率誤碼率是衡量通信系統在正常情況下傳輸可靠性的指標。誤碼率是指二進制碼元在傳輸過程中被傳錯的概率。顯然，它就是錯誤接收的碼元數在所傳輸的總碼元數中所占的比例。誤碼率的計算公式為：Pe=Ne/N。式中Pe表示誤碼率，Ne表示被傳錯的碼元數，N表示傳輸的二進制碼元總數。上式只有在N取值很大時才有效。在計算機網絡通信系統中，要求誤碼率低于106。如果實際傳輸的不是二進制碼元，需要折合成二進制碼元來計算。在通信系統中，系統對誤碼率的要求應權衡通信的可靠性和有效性兩方面的因素，誤碼率越低，設備要求就越高。需要指出的是：對于可靠性的要求，不同的通信系統要求是不同的。在實際應用中，常常由若干碼元構成一個碼字，所以可靠性也常用誤字率來表示，誤字率就是碼字錯誤的概率。有時一個碼字中錯兩個或更多的碼元，這和錯一個碼元是一樣的，都會使這個碼字發生錯誤，所以，誤字率與誤碼率不是一定相等的。有時信息還用若干個碼字組成一組，所以還要有誤組率，它是傳輸中出現錯誤碼組的概率，但常使用的還是誤碼率。4．傳輸延遲信道的帶寬是由硬件設備改變電信號的跳變響應時間決定的。盡管信號的傳輸速度為每秒300 000 km，但由于發送和接收設備存在響應時間，特別是計算機網絡系統中的通信子網還存在中間轉發等待時間，以及計算機系統的發送和接收處理時間，所以，在系統的信息傳輸過程中存在著延遲（傳輸延遲）。在計算機網絡中由于不同的通信子網和不同的網絡體系結構采用不同的中轉控制方式，因此，在通信子網中存在的中轉延遲只能依據網絡狀態而定。由電信號響應帶來的延遲時間則是固定的。顯然，響應時間越小，延遲就越小。也就是說，信道的帶寬越大，延遲就越小。傳輸延遲是指由于各種原因的影響，使得系統信息在傳輸過程中存在著不同程度的延遲或滯后的現象。信息的傳輸延遲時間包括發送和接受處理時間、電信號響應時間、中間轉發時間和信道傳輸時間等。傳輸延遲通常又分為傳輸時延和傳播時延。傳輸時延：是指發送一組信息所用的時間，該時間與信息傳輸速率和信息格式有關。傳播時延：是指信號在物理媒體中傳輸一定距離所用的時間，它與信號傳播速度和距離有關。人們都知道，在理想的情況下，電磁波的傳輸速率為每秒300 000 km（即光速）。通常認為電磁波在光纖、衛星信道中的傳播速度可達到光速，而在一般電纜中的傳輸速度約為光速的2/3。用下面的例題來更好地理解傳輸時延和傳播時延。例：在相隔1000km的兩地傳輸3kb 的數據，可以通過電纜以20kb/s的速率傳輸或通過衛星信道以60kb/s的速率傳輸，問從發送方開始到接收方接收到全部數據用哪種方式時間較短？（假定信息在電纜中傳輸速度為200 000km/s，而在衛星信道中的傳輸速度是300 000km/s，衛星距離地面36 000km）。數據在電纜中的傳輸時延為3kb/20kb/s=150ms，而其傳播時延為1000km/(2105 km/s)=5ms，因此使用電纜傳輸數據的總時延為150+5=155(ms)；數據在衛星中的傳輸時延為3kb/60kb/s=50ms，而其傳播時延為36 000km2/(3105 km/s)=240ms（注意：衛星傳輸數據不是地面直接傳輸，而是要通過空中的衛星轉發器轉發，因此，衛星傳輸的距離近似為衛星距離地面高度的2倍）；因此使用衛星傳輸數據的總時延50+240=290（ms）。因此本例使用電纜傳輸數據時間較短。 網絡通信過程數據從信源發出到被信宿正確接收，這是一個完整的通信過程。通信過程中的每次通信都包括傳輸數據和通信控制兩方面的內容，其中，通信控制主要執行各種輔助操作，并不傳輸數據，但這種輔助操作對傳輸數據是必不可少的。一般，通信過程包括以下5個階段。1．通信線路的建立在此階段，通信系統中的交換設備根據發送端提供的接收端的地址等信息建立通信雙方的物理通道，也稱此階段為建立物理連接階段（它類似于打電話時的“撥號”階段）。2．數據傳輸及控制鏈路的建立此階段是通過雙方確認同步關系的階段，它使雙方處于正確的發收狀態，也稱此階段為建立邏輯連接階段（它類似于打電話時的“確認通話對象”階段）。3．數據及控制信息的傳輸 在此階段，通信雙方交換要傳輸的數據及控制信息，這才是通信的實質性階段（它類似于打電話