数据通信技术-第1章

第1章数据通信概论1.1数据通信的发展及数据通信业务1.2数据通信系统1.3数据通信的特点与主要内容1.4数据通信的信号表示1.5数据通信的传输代码1.6数据通信系统的主要性能指标1.7数据通信的传输信道1.8国际通信技术的标准化组织简介1.1数据通信的发展及数据通信业务1.1.1数据通信的发展历史1．数据通信发展概况数据通信的发展较晚，它是从20世纪50年代开始，随着计算机网络的发展而发展起来的一种新的通信方式。早期的计算机网都是一些面向终端的网络，以一台或几台主机为中心，通过通信线路与多个远程终端相连，构成一种集中式的网络，这是数据通信的初级形式。2．数据通信网的发展阶段数据通信网的发展大体可以分为以下五个阶段。（1）第一阶段（50年代）这一阶段是数据通信网发展的初期阶段。该阶段的特点是用户租用专线构成集中式专用系统，应用范围主要是进行数据收集和处理。（2）第二阶段（60年代）这一阶段主要利用原有的用户电报网和电话交换网进行数据通信。为了解决利用用户电报网和电话交换网络进行数据通信的技术问题，研制出了关键设备调制解调器（MODEM）和线路均衡器。（3）第三阶段（70年代）这一阶段主要任务是研究和建设专门用于数据通信的数据通信网。（4）第四阶段（80年代）这一阶段的特点是发展局域网和综合业务数字网（ISDN）。综合业务数字网强调用户业务接入的综合化。（5）第五阶段（90年代）这一阶段的数据通信网发展的方向和目标是使业务综合化、网络宽带化。提出并实现了宽带综合业务数字网（B-ISDN），其核心技术是ATM技术。1.1.2数据通信业务数据通信技术的发展是离不开它所支持和提供的业务的。从信息载体的角度说，数据业务就是由计算机进行运算、处理和存储的数据为信息载体的业务。1．基础数据业务基础数据业务主要指公共数据传送业务和移动数据业务。公共数据传送业务是利用电路交换、分组交换或租用电路组成的固定公共数据通信网上开发的以传送数据为目的的业务。利用公用陆地移动蜂窝通信网作为承载网提供的数据业务称为移动数据业务。具体可以包括短消息业务、速率可达64kbit/s的中速移动数据业务、速率在128kbit/s以上的移动多媒体业务。2．增值数据业务增值数据业务的概念最开始就是从数据业务引入的。它是指在原基础网络设施的基础上增加必要的设备构成增值网后，向用户提供新的业务，大大提高原基础网络设施的使用价值。1.2数据通信系统1.2.1数据的概念数据，人们几乎每天都要接触到它，例如各种实验数据、各类统计报表等。尽管人们经常处理数据，但对数据还没有统一的定义。通常意义上的“数据”是指在传输时可用离散的数字信号逐一准确地表示的，并赋予一定的意义，可以代表文字、符号和数码等。在数据通信中所说的“数据”，可以认为是预先约定的、具有某种含义的任何一个数字或一个字母（符号）以及它们的组合，并能被计算机所接收的形式。因此，数据就是能被计算机处理的一种信息编码（或消息）形式。1.2.2数据通信的概念1．什么是数据通信？简单地说，数据通信通常是以传送数据信息为主的通信。数据通信传递数据的目的不仅是为了交换，而主要是为了利用计算机能够对数据进行处理。“数据通信”一词是在远程联机系统出现时才开始使用的，就是在计算机上设置一个通信装置使其增加通信功能，将远程用户的输入输出装置通过通信线路（模拟或数字的）直接与计算机的通信控制装置相连，如图1-1所示，最后的处理结果也经过通信线路直接送回到远程的用户终端设备，这是较早的计算机与通信结合的例子。用户终端Modem通信设备计算机系统图1-1最简单的远程联机数据通信数据通信可以这样定义：依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据信息，它可实现计算机与计算机、计算机与终端以及终端与终端之间的数据信息传递。2．与数据通信相关联的几个概念（1）数据传输与数据通信为了传递数据信息，首先需要将二进制数据用一定的信号形式来代表，可以采用不同极性的电压或电流脉冲表示，如图1-2所示。图1-2二进制数据的信号表示（2）数据通信与计算机通信、数字通信广义地讲，数据通信是指两个数据终端（DTE）之间的通信。计算机属于智能化程度较高的数据终端，因此计算机通信应归入数据通信的范畴。1.2.3数据通信系统模型和基本类型1．一般数据通信系统模型数据通信系统是通过数据电路将分布在远端的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。（1）数据终端设备（DTE）数据终端设备由数据输入设备（如键盘、鼠标和扫描仪等）、数据输出设备（CRT显示器、打印机和传真机等）和传输控制器组成。（2）传输控制器传输控制器按照约定的数据通信控制规程，控制数据的传输过程。（3）数据电路终接设备（DCE）数据电路终接设备位于数据电路两端，是数据电路的组成部分，其作用是将数据终端设备输出的数据信号变换成适合在传输信道中传输的信号。（4）接口接口是数据终端设备和数据电路之间的公共界面。（5）数据电路（DataCircuit）数据电路连接两个数据终端设备，负责将数据信号从一个数据终端设备传输到另一个数据终端设备。（6）数据链路（DataLink）数据电路加上数据传输控制功能后就构成了数据链路。（7）通信控制器通信控制器又称为前置处理机，用于管理与数据终端相连接的所有通信线路。（8）中央处理机中央处理机又称为主机，由中央处理单元（CPU）、主存储器、输入/输出设备及其他外围设备组成，其功能主要是进行数据处理。2．数据通信系统的基本类型（1）数据处理/查询系统在中央处理机的文件中存有可查阅的大量数据，当数据终端查询时，终端首先与中央处理机建立数据链路，然后发送查询命令；中央处理机收到查询命令（输入数据）进行检查，根据检查结果调出相应的程序和数据进行处理，并将处理结果进行必要的编辑以适应线路传送和终端接收的形式；最后发送回终端，作为对查询的响应。（2）信息交换系统（3）数据收集和分配系统数据收集和分配系统的信息流如图1-6所示。作为数据收集系统，从很多数据终端发来的数据被中央处理机收集，收集的数据被存入文件中，以备进一步处理，例如气象观测系统。这种系统也可以作为分配系统。数据收集输入数据检查处理并修改数据DTE数据分配编辑处理结果查询处理文件及数据文件中央处理机(CPU)图1-6数据收集和分配系统1.2.4数据通信网与计算机网络1．数据通信网数据通信是由数据终端、传输、交换和处理等设备组成的系统，其功能是对数据进行传输、交换、处理以及共享网内资源（包括通信线路、硬件和软件等）。因此，数据通信网是由分布在各处的数据传输设备、数据交换设备及通信线路等组成的通信网，通过网络协议的支持完成网中各设备之间的数据通信。（1）交换网在交换网中，数据从信源出发经过一系列中间节点传送到信宿。交换网又分为电路交换和存储—转发交换网两种。（2）广播网广播网的特点是从任一数据站发出的信号可被所有的其他数据站接收。2．计算机网络计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物；是独立式计算机互连的集合。对于计算机网络通常可以表述为：计算机网络是用通信线路和网络连接设备将分布在不同地点的多台独立式计算机系统互相连接，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享，为用户提供各种应用服务的信息系统。1.3数据通信的特点与主要内容1.3.1数据通信的特点数据通信作为一种通信业务方式，具有不同于其他通信业务方式的特点。这些特点主要表现在以下几个方面。需要建立通信控制规程，也就是要制定出严格的通信协议或标准。数据传输的可靠性要求高，即误码率要低。数据通信的业务量呈突发性，即数据通信速率的平均值和高峰值差异较大。数据通信要求要有灵活的接口能力。不同的数据通信业务对通信时延的要求也不同，且时延要求的变化范围大。数据通信每次呼叫平均持续时间短，因此，数据通信要求接续和传输响应时间快。数据通信从面向终端发展到今天的面向网络，而且数据通信总是与远程信息处理相联系的，包括科学计算、过程控制和信息检索等广义的信息处理。1.3.2数据通信的主要研究内容数据通信作为一门新兴的学科，还没有一个严格的范围限制。一个典型的数据通信系统，可用下面的等式描述：数据通信=数据处理+数据传输1．传输传输解决如何为信息载体提供通路，研究适合传输的信号形式及相应的各种传输设备。2．通信接口通信接口解决怎样把发送端的信号变换为适合于传输的形式，或把传输到终点的信号变换为适合接收端设备接收的形式。3．交换交换是数据通信的重要内容，主要包括数据交换的原理和概念。4．通信处理通信处理是数据通信最复杂的部分。这部分内容较多，除其中一部分内容在本书中介绍外，其余大部分内容在计算机网络课程中讲述。5．传输控制规程传输控制规程也即数据通信协议，主要研究如何有效地实现数据通信。1.4数据通信的信号表示1.4.1消息、信息与信号信号是消息的载体，一般表现为随时间变化的某种物理量，而消息是信号的具体内容。信号的特性可以从时间特性和频率特性两个方面描述。信号可写成数学表达式，即信号是时间的函数，它具有一定的波形，因而，表现出一定波形的时间特性，如出现时间的先后、持续时间的长短、重复周期的大小及随时间变化的快慢等。1.4.2模拟信号与数字信号1．模拟信号模拟信号的特点是其幅度连续变化。这里“连续”的含义是在某一取值范围内可以取无数多个数值。2．数字信号如图1-12所示的是一数字信号的波形。数字信号的特点为：其幅度值是有限值，不是连续的，而是离散的。数字信号与模拟信号的区别是根据幅度取值上是否离散而定。在一定条件下，模拟信号与数字信号可以互相转换。图1-12数字信号1.4.3调制速率、比特率和数据传送速率在衡量数据通信系统的传输能力时，主要用到数据传输速率。数据传输速率通常使用几种不同的定义：调制速率、比特率和数据传送速率。1．调制速率调制速率表示信号的一个变化过程，信号的改变是指信号电压和方向的变化，即每秒信号变化的次数。因此，调制速率定义为：数据传输过程中，在信道上每秒钟传送的信号波形个数，其单位是波特（Baud）。假设一个信号码元持续时间为Tb，则调制速率为NBd2．比特率比特一词的英文书写为binarydigit，其含义是信息论中定义信源发出信息量的度量单位。在数据通信中，比特率定义为：每秒钟传输二进制码元的个数，单位为比特/秒（bit/s或bps），记为Rb。3．调制速率和比特率的关系比特率和调制速率的意义是不同的，它们是数据通信中非常重要的两个概念，但往往会将两者混淆。4．数据传送速率数据传送速率通常定义为单位时间内在数据传输系统中的相应设备之间成功传送的比特、字符（或符号）或码组平均数。数据传信速率与数据传送速率不同，前者是传输数据的速率，后者是相应设备之间实际能达到的平均数据转移速率。1.4.4数据通信信号的带宽需求1．带宽概念带宽（Bandwidth）在模拟通信时代，它是指传送模拟信号时的信号频带宽度。（1）信号带宽模拟通信中的信号带宽指的是信号频率的范围，它的大小等于最高频率与最低频率之差，单位为“赫兹（Hz）”。（2）线路带宽（线路传输速率）在数字通信中，线路带宽又指通信介质的线路传输速率，也就是传输介质每秒所能传输的数据量，用来描述在一个给定的时间内有多少信息从一个地方传输到另一个地方。2．介质带宽与有效带宽在模拟通信和数字通信中，带宽都是一个很有用的概念。但无论采用什么样的物理介质，带宽都是有限的，这是由传输介质的物理特性和目前技术的发展所共同决定的。3．比特率与有效带宽的关系当比特率上升时，有效带宽也变宽，在数据通信中称之为帕金森定律。也就是说，用数据速率填充有效带宽。4．与数字带宽相关的数据吞吐量吞吐量（Throughput）又称为通过量，指的是每单位时间内在一个方向上穿越一个连接段（或虚连接段），成功地传送的数据比特数。5．传输数字信号所需要的带宽传输二进制信号要比传输等效的模拟信号需要多得多的