数据通信技术

1.试比较不同数据传输方式的特点。数据是信息的一种存在形式，是对信息的解释，涉及到事物的存在形式，是关于事物的一组离散的客观的事实描述，是构成信息的原始材料。传输方式则定义了二进制数据流从一个设备到另一个设备的传送模式。数据传输方式，根据通信过程中所需的信道数量有并行传输与串行传输之分；根据通信过程中通信双方实现数据信号同步的方法可以对应为同步传输和异步传输；根据通信过程中数据信号的流向分为单工通信、半双工通信和全双工通信。（一）（1）串行传输是指在数据传输过程中，仅使用一个数字信道，一次仅传输一个二进制位数据。（2）并行传输是指同时使用多个数字信道实施数据的通信，一个信道也是一次传输一位二进制数据。二者的比较及图示见下：（二）（1）同步传输也称同步通信，它采用的是位同步技术，以固定的时钟频率来串行发送数字信号。在同步传输技术中，字符之间有一个固定的时间间隔，这个时间间隔由数字时钟确定，各字符中没有起始位和停止位。同步传输技术又分为外同步和自同步两种。外同步技术使用专门信道在通信双方间传输时钟信号，或传输数据前首先传输时钟信号，或通信双方采用相对独立但保持一致的时钟信号。自同步技术又称为内同步技术，它是指在发送方采用某种技术把时钟信号编码到所传输的数据信号中一并传输到接收方，接收方在接收数据信号过程中同时解码出时钟信号用作位同步控制。（2）异步传输方式也称为异步通信，它采用的是“群”同步的技术。在这种技术中，数据被分为数据量不同的各个群。它要求发送端与接收端在一个群内必须保持同步，发送端在数据的前面加上起始位，在数据的后面加上停止位。二者的比较见下表：传输模式数据单位系统实现速率效率辅助开销应用领域同步传输数据帧较复杂较高较高固定广泛传输方式信道数传输速度通信费用应用领域串行传输一个很慢较低远程数据传输、速度较慢的近距离传输并行传输多个很快昂贵计算机内部、计算机与外设之间异步传输字符简单较低较低较大较少（三）(1)单工通信是指在数据传输过程中数据始终沿着同一个方向传输。它有两个信道，其中一个主信道用于传输数据，另一个监测信道用于传送监测信号。（2）半双工通信是指在通信信道中，数据可以双向传输，但是在任一时刻，数据只能向一个方向传输。此外，在通信线路两端的设备轮流发送数据。（3）全双工通信是在同一时刻，位于通信线路两端的每台设备既是信源，又是信宿，即位于通信线路一端的设备可以在同一时刻既接收数据也发送数据。三者的比较见下表：通信类型优点缺点典型应用单工通信系统的实现简单，费用低信道利用率低，通信效率低传统的广播，电视系统半双工通信在投入不大的前提下实现准双向通信在数据传输方向协调上可能存在困难二哥大通信系统，早期计算机网络系统等全双工通信数据传输速率高通信效率高，信道的利用率高系统实现复杂费用较高，对信道带宽要求较高大哥大通信系统，现代移动通信系统，当今的计算机网络2.简要论述时分多路复用技术的实现原理。时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）是将时间划分为等长的片，然后各子通道按时间片轮流占用带宽。由于时间片的划分一般较短暂，可以想象成把整个物理信道划分成了多个逻辑信道交给各个不同的通信过程来使用，相互之间没有任何影响，相邻时间片之间没有重叠，一般也无须隔离，信道利用率更高。时分复用技术主要用于数字信号，在逻辑上将信号合并在一起，物理上却是独立的。按照子通道动态利用情况的不同，时分复用又分为同步时分复用和异步时分复用两种。同步时分复用技术的基本原理是信道在时间轴上按一定时间划分为一个个的通信周期，在每个周期内按一定的顺序划分出所需逻辑信道数量的时间片，每个时间片固定地分配给某个通信过程使用，不能改变，接收方按发送方给定的顺序就很容易地提取到各个逻辑信道中的数据。各路信号的区分是按固定的顺序区分。同步时分复用技术的系统实现简单，每个时间片内传输的信号无须添加标识信息，辅助开销较小，逻辑信道静态分配无须额外处理，系统通信效率较高；但是由于逻辑信道的静态分配，导致不论该逻辑信道是否有数据传输都被占用着，信道的利用率不能达到最高，有信道资源浪费的现象存在。异步时分复用技术的基本原理是信道依然划分为多个时间片，但时间片的使用权不是固定地分配给某个通信过程，而是按照一定的策略动态按需分配，确保每个时间片都能使用而不会产生空闲，即某个通信过程不要传输数据时就不给它分配信道的使用权，可以设置优先权，优先权较高的通信过程可以优先获得信道的使用权。由于信道的使用权是动态获得的，为了使接收方准确知道哪个时间片内传输的是哪个通信过程的数据，发送方在发送的数据中必须加入双方认可的数据标识加以区分。各路信号的区分是依赖随同数据一起传输的数据标识（地址信息）。异步时分复用技术的信道利用率高，几乎没有空闲产生，也可实现优先级等额外功能，但是系统实现较复杂，数据标识的处理和信道的分配需要一定的辅助开销，系统效率稍低些。二者工作原理示意图见下图：（同步时分复用的工作原理）（异步时分复用的工作原理）3.试比较电路交换和存储转发交换技术。电路交换技术和存储转发交换技术是不同时期，不同形态的两种数据交换技术。（一）电路交换（CircuitSwitching）又称线路交换，是两个需要通信的节点在开始通信前由交换机为它建立一个专用的通信线路。通信双方之间的电路一旦建立成功便交给这两个节点独占使用以实施数据的传输与交换工作，直到一次通信过程结束才能结束这种独占状态。它是最古老而原始的数据交换技术，主要运用于传统的电话通信系统和早期的广域网中。电路交换技术的特点：（1）物理电路连接的建立通过网络中的中间交换节点完成，这些交换节点设备往往由机械或电子式的开关矩阵构成，接通某个开关就形成一个链路，打开就释放某个链路，链路开关的控制可以用手工方式也可用软件方式实现；（2）物理电路连接一旦建立成功就被独占使用直到被释放，即使通信过程中没有数据传输或交换数据量很小，整个系统的利用率较低；（3）各个中间交换节点仅参与连接的建立、释放与维持工作，对通信过程中传输的任何数据不做任何处理，不存储数据，不改变数据，也不做差错检测；（4）由于独占信道实施通信，可大幅度提高数据传输性能，通信可靠性较高，不会产生冲突，无须差错控制，适用于实时数据通信或交互性较强的通信系统中，又由于每次通信需要“漫长的”建立和释放连接，不适用于突发性较高的通信系统；（5）电路连接的建立和释放需要一定的时间，因而会产生延迟，有时可能有数秒的延迟，但连接一旦建立成功在数据传输的过程中，由于中间节点不做数据处理，因此不会产生额外的延迟，系统实时响应能力较强；（6）电路交换是面向（物理）连接的数据交换技术，线路利用率较低，通信系统总体效率不高，适用于低带宽模拟通信系统。（二）存储转发交换技术（Store-and-forwardSwitching），是数据在传输过程中要通过中间交换节点进行动态的路由选择，为此须在所传输的数据中加入必要的控制信息作为路由选择依据，这些控制信息中一般包含通信双方的网络地址，路由选择根据信宿的网络地址实现，而差错控制等需要信源的网络地址。存储转发交换技术的特点：（1）由于通信子网中的通信控制处理机可以存储数据，因此多个通信过程传输的数据可以共享通信信道，线路利用率高；（2）通信控制处理机具有路由选择功能，可动态选择数据通过通信子网的最佳路径，同时可平滑通信量，提高系统效率；（3）数据在通过通信子网的通信控制处理机时可以进行差错控制和纠错处理，由此可以减少传输错误，提高系统可靠性；（4）通过通信控制处理机的存储与转发，可以实现对不同通信速率的通信线路进行速率转换，也可以实现对不同数据代码格式的转换；（5）当通信量大时产生的通信延迟会越大，延迟时间达到一定的值也会造成网络堵塞，可以在网络中实施流量控制机制确保不会发生堵塞；（6）在存储转发交换网络中可以使用优先级控制机制，优先级主要通过通信处理机的有关数据处理策略来实现，当然在所传输的数据包中必须包含有关的优先级控制信息。综上所述，存储转发交换技术与电路交换技术之间的区别主要有：（1）电路交换技术的通信过程主要由通信双方节点实施，中间节点仅负责建立、维护与释放通信使用的信道连接，而存储转发交换技术中，不仅通信双方的节点要积极参与通信的整个过程，而且中间交换节点（组成通信路径的节点）也要参与整个通信过程；（2）在电路交换技术中，通信控制信息仅在电路连接的建立与释放阶段使用，在数据传输阶段是不需要任何控制信息，而存储转发交换技术中，数据在传输过程中要通过中间交换节点进行动态的路由选择，为此须在所传输的数据中加入必要的控制信息作为路由选择依据，这些控制信息中一般包含通信双方的网络地址；（3）电路交换系统中，当通信量较大时很易导致某个通信所需的连接不能建立从而产生堵塞现象，使某个通信过程不能进行，而存储转发交换系统的通信过程似乎总能实施，当通信量大时产生的通信延迟会越大，延迟时间达到一定的值也会造成网络堵塞，可以在网络中实施流量控制机制确保不会发生堵塞。4.试比较数据报交换和虚电路交换技术。在存储转发交换技术中，一次通信过程所需传输和交换的数据（用户载荷数据）加上通信控制数据共同组成通信过程实际传输和交换的数据包，在技术上这个数据包一般称为报文。但是当一个报文包含的数据量太多不适合在某网络系统中传输时，可把报文按一定原则切割成多个较小的组成单元，每个单元各自加上必要的通信控制信息，这样组成一个称为分组的传输单元在网络系统传输。则在实际应用中，存储转发交换技术又可分为报文交换技术和分组交换技术。而分组交换技术，根据连接的性质，可分为数据报交换技术和虚电路交换技术。在报文交换技术中，如果信宿与信源需要通过中间节点连接，则信源启动通信过程后，首先通过一定的路由机制把报文投递给与之相邻的中间节点，该节点接收数据报文并存储，在此基础上对该报文做必要的处理，根据报文中的相关数据和路由机制为该报文选择下一个合适的投递节点后把报文转发给该节点。依此类推，直至把报文最终投递到信宿。数据报交换技术的实现原理与报文交换技术类似，唯一不同的是前者每次传输的数据包是分组即数据报，后者是整个报文。数据报交换技术，首先是一种无连接的交换技术，它根据一定的路由算法动态选择数据报的传输路径；其次，它是无序传输，同一信源的不同数据报可能经过不同的路径到达同一信宿；最后，报文重组是在信宿正确接收到所有的报文分组后才进行，信源和信宿方各自有分组的缓冲器用于分组的发送与接收。它的特点主要有：（1）同一报文的不同分组可以由不同的传输路径通过通信子网；（2）同一报文的不同分组到达目的节点时可能会出现乱序、重复和丢失现象；（3）每个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址用于中间结点的路由工作，即每个分组在中间节点各自选路转发；（4）数据报方式传输延迟较大，适用于突发性的通信，不适用于长报文、会话式的通信。虚电路交换技术是一种面向连接的交换技术。在数据传输之前，通信双方必须通过中间交换节点建立一条专用的类似于电路交换技术所用物理电路连接的逻辑电路连接，称之为虚电路。它结合了数据报分组交换技术和电路交换技术的优点，达到了数据交换的最佳效果。虚电路的建立是通过路由机制实现的，每条建立成功的虚电路都必须为之分配一个识别号码，并把这个识别号码编码到每个传输与交换的数据分组之中；虚电路建立成功后，把通信所需交换的分组送到这个专用通道中进行有序传输，此时中间节点就不再参与分组的处理。它的特点主要有：（1）在分组发送之前，必须在发送方与接收方之间建立一条专用的逻辑连接（虚电路）；（2）一次通信的所有分组都通过这条虚电路顺序传送，因此报文分组不必带目的地址、源地址等辅助信息。分组到达目的节点时不会出现丢失、重复与乱序的现象；（3）分组通过虚电路上的每个中间节点时，中间节点只需、要做差错检测，而不需要做路径选择；（4）在数据存储的基础上，通信子网中每个节点可以和任何节点建立多条虚电路连接。5.试比较CSMA和CSMA/CD技术。CSMA，即载波监听多路访问（CarrierSense