数据通信技术的发展与计算机网络技术密切相关

数据通信技术基础数据通信技术的发展与计算机网络技术密切相关，是促进计算机网络技术发展的重要因素之一。因此，学习计算机网络，必然涉及许多关于数据通信的问题，数据通信的任务是利用通信媒体传输信息。数据通信是两实体间的数据传输和交换，在计算机网络中占有十分重要的地位，它是通过各种不同的方式和传输介质，把处在不同地理位置的终端与主计算机或计算机与计算机连接起来，从而完成数据传输、信息交换和通信处理等任务。本章重点介绍与计算机网络有关的数据通信的基本概念、数据传输方式、多路复用技术、数据交换技术和差错控制技术等内容，主要是为计算机网络的学习和实践打好基础。2.12.12.12.1数据通信的基本概念数据通信就是指计算机与计算机之间交换数据的过程。数据通信系统就是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在各地的数据终端设备而执行数据传输功能的系统。2.1.12.1.12.1.12.1.1简单的通信模型通信系统的基本作用是在发送方（信源）和接收方（信宿）之间传递和交换信息。数据通信系统的基本组成有3个要素：信源、信宿和信道，如图2-1所示，它就是一个简单的数据通信系统模型。信道信源信宿信号变换器信号变换器噪声图2-1简单的数据通信系统模型1．信源和信宿信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备。2．信号变换器第2章第2章数据通信技术基础21信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号，如图2-2所示。数字信道信源信宿编码器译码器数字信道信源信宿编码器译码器信源信宿解调器调制器模拟信道图2-2信号变换器的作用对应不同的信源和信宿，信号变换器有不同的组成和变换功能。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。编码器的功能是把信源或其他设备输入的信息作相应的变换，使之成为适合在通信信道上传输的信号；译码器的功能是在接收端完成编码的反过程。信源输入的信息可以是离散变化的数字信号也可以是连续变化的模拟信号。调制器的作用是把信源输入的二进制脉冲信号变换（调制）成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输；解调器的作用是反调制，即把接收端接收的模拟信号还原成二进制脉冲数字信号。由于网络中绝大多数信息都是双向传输的，所以在大多数情况下，信源也作为信宿，信宿也作为信源；编码器也具有译码功能，译码器也能编码，因此统称为编码译码器；同样调制器也能解调，解调器也能调制，因此统称为调制解调器。2.1.22.1.22.1.22.1.2数据、信息和信号1．数据与信息数据是由数字、字符和符号等组成的，可以用来描述任何概念和事物，是传送信息的载体。数据中的各种数字、字符和符号等在没有被定义前，是没有实际意义的，因此，数据是尚未组织起来的事实的集合，是抽象的。信息则是数据的具体内容和解释，有具体的意义。信息是数据经过加工处理后所得到的，即信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。信息必须依赖于各种载体才有意义，才能被传递。数据是信息的表示形式，是信息的载体，信息是数据形式的内涵，即数据是信息传送的形式，信息是数据表达的内涵。2．信号为了使数据可以在传输介质中传输，必须把数据变换成某种信号（电信号或光信号）的形式。信号是数据的具体物理表示，具有确定的物理描述，是数据的电编码、电磁编码或其他编码等。信号可以分为模拟信号和数字信号。3．数字数据与模拟数据表达数据的方式与承载数据的媒体是紧密相关的，不同的媒体能够表达数据的方式是有计算机网络实用技术22限的。有两种基本的表达数据的方式，这就是模拟数据和数字数据。当数据采用离散的电信号表示时，这样的数据就是数字数据。数字数据是指有限个离散值，如字符串、整数数列。当数据采用电波表示时，这样的数据就是模拟数据。模拟数据是指在某个区间产生的连续值，如声音、视频、温度、压力。4．模拟信号和数字信号模拟信号是在一定范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号，它可以以不同的频率在介质上传输，如正弦波信号，如图2-3所示。时间信号值图2-3正弦波信号数字信号是一种离散的脉冲序列信号，它的取值是有限个数，它用恒定的正电压／负电压或正电压／0电压来表示“1”/“0”，它可以以不同的位速率在介质上传输，如脉冲信号，如图2-4所示。时间信号值图2-4脉冲信号2.1.32.1.32.1.32.1.3数据通信的主要技术指标衡量和评价一个系统的好坏，必须要涉及到系统的主要性能指标问题。数据通信的主要技术指标是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数。有效性主要由数据传输的数据速率、调制速度、传输延迟、信道带宽和信道容量等指标来衡量；可靠性一般由数据传输的误码率指标来衡量。常用的数据通信的技术指标有以下几种。1．信道带宽和信道容量信道是通信双方以传输介质为基础的传输信息的通道，它是建立在通信线路及其附属设备（如收发设备）上的。表面上看，信道与传输介质好像差不多，但信道又不能等同于传输介质，同一条传输介质可以同时存在多条信号通道，即一条通信介质构成的线路上往往包含了多个信道。与信号的分类相似，信道也可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。但数字信号经过数／模变换后就可以在模拟信道上进行传送，而模拟信号第2章数据通信技术基础23经过模／数变换后也可以在数字信道上进行传送。由有线传输介质（如双绞线、同轴电缆、光缆等）构成的通信信道叫有线信道；由无线传输介质（如微波、卫星）构成的通信信道叫无线信道。信道带宽或信道容量是描述信道的主要指标之一，由信道的物理特性所决定。信道带宽是指信道中能够传送的信号的频率范围。当信号的带宽超过信道带宽时，信号就不能在该信道上传送，或者传送的信号将会失真。为计算带宽，需要在频率范围内用最高频率减去最低频率。例如：最高频率为5000Hz，最低频率为1000Hz，则带宽即为4000Hz。信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，即一个信道能够达到的最大的传输速率，它表示信道的传输能力。在通信领域中，信道容量常指信道在单位时间内可传输的最大码元数（码元是承载信息的基本信号单位，一个表示数据有效值状态的脉冲信号就是一个码元，其单位为波特），信道容量以码元速率（或波特）来表示。由于数据通信主要是计算机与计算机之间内的数据传输，而这些数据最终又以二进制位的形式表示，因此，信道容量有时也表示为单位时间最多可传输的二进制的位数（也叫信道的数据传输速率），以位/秒（b/s）形式表示，简称为b/s。按信道频率范围的不同，通常可将信道分为3类：窄带信道（带宽为0～300Hz）、音频信道（带宽为300～3400Hz）和宽带信道（带宽为3400Hz以上）。2．传输速率（1）数据传输速率（Rate）。数据传输速率是指通信系统单位时间内传送的二进制代码的位（比特）数，因此又称比特率，单位用比特/秒表示，记为b/s或b/s。数据传输速率的高低，由每位数据所占的时间来决定，一位数据所占的时间宽度越小，其数据传输速率就越高。设T为传输的电脉冲的宽度或周期，N为一个脉冲信号所有可能的状态数，则数据传输速率为：RS=1Tlog2N(b/s)式中log2N是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特数）。如电信号的状态数N=2，即只有“0”和“1”两个状态，则每个电信号只传送1位二进制数据，此时，RS=1/T（2）调制速率调制速率又称波特速率或码元速率，它是数字信号经过调制后的传输速率，表示每秒传输的电信号单元（码元）数，即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数，它等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单位为波特（Baud）。若用T（秒）表示调制周期，则调制速率为Rb=1/T(Baud)，即1波特表示每秒钟传送一个码元。显然，上述两个指标有如下的数量关系：RS=Rblog2N(b/s)，即在数值上“波特”单位等于“比特”的log2N倍，只有当N=2（即双值调制）时，两个指标才在数值上相等。但是，在概念上两者并不相同，Baud是码元的传输速率单位，表示单位时间传送的信号值（码元）个数，波特速率是调制速度，而b/s是单位时间内传输信息量的单位，表示单位时间传送的二进制数的个数。3．误码率误码率是衡量通信系统在正常情况下传输可靠性的指标。误码率是指二进制码元在传输过程中被传错的概率。显然，它就是错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例。误码率的计算公式为：Pe=Ne/N。式中Pe表示误码率，Ne表示被传错的码元数，N表示传输的二进制码元总数。上式只有在N取值很大时才有效。计算机网络实用技术24在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。如果实际传输的不是二进制码元，需要折合成二进制码元来计算。在通信系统中，系统对误码率的要求应权衡通信的可靠性和有效性两方面的因素，误码率越低，设备要求就越高。需要指出的是：对于可靠性的要求，不同的通信系统要求是不同的。在实际应用中，常常由若干码元构成一个码字，所以可靠性也常用误字率来表示，误字率就是码字错误的概率。有时一个码字中错两个或更多的码元，这和错一个码元是一样的，都会使这个码字发生错误，所以，误字率与误码率不是一定相等的。有时信息还用若干个码字组成一组，所以还要有误组率，它是传输中出现错误码组的概率，但常使用的还是误码率。4．传输延迟信道的带宽是由硬件设备改变电信号的跳变响应时间决定的。尽管信号的传输速度为每秒300000km，但由于发送和接收设备存在响应时间，特别是计算机网络系统中的通信子网还存在中间转发等待时间，以及计算机系统的发送和接收处理时间，所以，在系统的信息传输过程中存在着延迟（传输延迟）。在计算机网络中由于不同的通信子网和不同的网络体系结构采用不同的中转控制方式，因此，在通信子网中存在的中转延迟只能依据网络状态而定。由电信号响应带来的延迟时间则是固定的。显然，响应时间越小，延迟就越小。也就是说，信道的带宽越大，延迟就越小。传输延迟是指由于各种原因的影响，使得系统信息在传输过程中存在着不同程度的延迟或滞后的现象。信息的传输延迟时间包括发送和接受处理时间、电信号响应时间、中间转发时间和信道传输时间等。传输延迟通常又分为传输时延和传播时延。传输时延：是指发送一组信息所用的时间，该时间与信息传输速率和信息格式有关。传播时延：是指信号在物理媒体中传输一定距离所用的时间，它与信号传播速度和距离有关。人们都知道，在理想的情况下，电磁波的传输速率为每秒300000km（即光速）。通常认为电磁波在光纤、卫星信道中的传播速度可达到光速，而在一般电缆中的传输速度约为光速的2/3。用下面的例题来更好地理解传输时延和传播时延。例：在相隔1000km的两地传输3kb的数据，可以通过电缆以20kb/s的速率传输或通过卫星信道以60kb/s的速率传输，问从发送方开始到接收方接收到全部数据用哪种方式时间较短？（假定信息在电缆中传输速度为200000km/s，而在卫星信道中的传输速度是300000km/s，卫星距离地面36000km）。数据在电缆中的传输时延为3kb/20kb/s=150ms，而其传播时延为1000km/(2×105km/s)=5ms，因此使用电缆传输数据的总时延为150+5=155(ms)；数据在卫星中的传输时延为3kb/60kb/s=50ms，而其传播时延为36000km×2/(3×105km/s)=240ms（注意：卫星传输数据不是地面直接传输，而是要通过空中的卫星转发器转发，因此，卫星传输的距离近似为卫星距离地面高度的2倍）；因此使用卫星传输数据的总时延50+240=290（ms）。因此本例使用电缆传输数据时间较短。2.1.42.1.42.1.42.1.4网络通信过程数据从信源发出到被信宿正确接收，这是一个完整的通信过程。通信过程中的每次通信都包括传输数据和通信控制两方面的内容，其中，通信控制主要执行各种辅助操作，并不传输数据，但这种辅助操作对传输数据是必不可少的。一般，通信过程包括以下5个阶段。第2章数据通信技术基础251．通信线路的建立在