第二章

數據通信與網絡基礎

12.1.1一些基本概念

通信：信源與信宿之間的信息傳遞數字通信：在信道中采用數字信號傳輸離散化處理的模擬信息（例如語音、圖象）。數據通信：數字信源之間的通信。一般是指計算機之間、或計算機/終端之間的信息傳輸，更多地是指計算機數據的通信。信道：向通信的一方傳送信息的線路，一條通信線路往往包含多個信道。信道通常分成模擬信道和數字信道。基帶信號是將由不同電壓表示的數字信號1或0直接送到線路上傳輸，而頻帶信號則是將數字信號調制后形成的模擬信號送到線路上傳輸。2.1

數據通信基礎知識2.1.2數據傳輸介質傳輸介質指傳輸信息的載體，分成有線介質、無線介質。常見的有線傳輸介質主要有雙絞線（對稱電纜）及光纖等。常見的無線傳輸介質主要有超短波及微波視距傳播、衛星中繼等。雙絞線是由一對相互絕緣的金屬導線絞合而成。雙絞線廣泛用于市話中繼線、局域網和控制系統通信網中。雙絞線分為屏蔽雙絞線和無屏蔽雙絞線兩種。屏蔽雙絞線傳輸誤碼率約為10-6～10-8，無屏蔽雙絞線傳輸誤碼率約為10-5～10-6。目前，常用的雙絞線主要有5類線、超5類線和6類線。五類線（CAT5）：最高頻率帶寬為100MHz，最高傳輸率為100Mbps，用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數據傳輸，主要用于100BASE-T和1000BASE-T網絡，最大網段長為100m，采用RJ形式的連接器。超五類線（CAT5e）：主要用于千兆位以太網（1000Mbps）。六類線（CAT6）：六類布線的傳輸性能遠遠高于超五類標準，最適用于傳輸速率高于1Gbps的應用。（一）雙絞線光纖是以華人科學家、2009年諾貝爾物理學獎得主高錕提出的理論為基礎，1970年由美國康寧公司首先研制成功。光纖的結構呈圓柱形，內部是纖芯，外部是包層，纖芯采用二氧化硅，摻以鍺、磷等材料制成，直徑約5～75μm，包殼采用純二氧化硅制成，直徑100～150μm。光纖的最外層是塑料涂層，用以保護纖芯。纖芯的折射率比包殼的折射率高1%左右。因而可以使光聚集在纖芯與包殼的界面之間向前傳播，形成光波導。如果纖芯的直徑足夠細（5μm以內），則光在光波導內的傳播只有一種模式，這樣的光纖稱為單模光纖；如果纖芯比較粗，則在光波導內同時會有多種沿不同途徑傳播的模式，這樣的光纖稱為多模光纖。單模光纖比多模光纖具有更高的傳輸速率。（二）光導纖維（光纖）光纖的潛在頻帶寬度非常巨大，目前商用已達到2Gbps～40Gbps的速率傳輸，而采用密集波分復用（DWDM）技術時，單一光纖在100公里距離實現單向傳輸可利用數據吞吐量達10.2Tbit/s。單一光纖在7300公里距離實現單向傳輸可利用數據吞吐量3Tbit/s。光纖不會受外界電磁波的干擾。同時本身也不釋放能量，因此外界也不易竊取其數據。光纖還具有損耗低、線徑細、重量輕、不怕腐蝕、節省有色金屬等優點。光纖的主要缺點是不易分接線路，可彎曲半徑小也會增加安裝施工的難度。光纖通信誤碼率可低至10-10。光纖在進行通信時，首先在發送端經轉換系統，將電信號轉換成光信號，然后經光纖送至接收端，再經轉換系統，將光信號轉成電信號，完成整個通信過程。（二）光纖（續）無線信道通過電磁波在空氣中傳播，比較常用的有超短波和微波通信、衛星通信等，超短波信道誤碼率一般小于10-4，微波信道和衛星通信誤碼率一般小于10-6。超短波頻率介于30～300MHz之間，微波頻率介于300MHz～300GHz之間。當無線電波工作在超短波和微波波段時，電磁波基本上沿視線傳播，在地面上的傳輸距離有限，最大一般不超過60公里。衛星通信簡單地說就是地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信站間利用衛星作為中繼而進行的通信，主要使用微波波段。衛星通信系統由衛星和地球站兩部分組成，具有傳輸距離遠、覆蓋地域廣、傳播穩定可靠、傳輸容量大等突出的優點。用于中繼通信的衛星有軌道為圓形的低軌道衛星、中軌道衛星、同步靜止衛星和軌道為橢圓形的低軌道衛星。（三）無線信道2.1.3數據傳輸方式數據傳輸方式是指數據在信道上傳遞所采取的方式分類按數據傳輸的流向及時間關系：單工、半雙工、（全）雙工按數據代碼傳輸的順序：并行、串行按數據傳輸的同步關系：同步、異步（一）單工、半雙工和雙工數據傳輸單工通信：消息只能單方向傳輸的工作方式，如圖(a)所示。半雙工通信：通信雙方都能收發消息，但不能同時進行收發的工作方式，如圖(b)所示。全雙工通信：通信雙方能夠同時進行收發消息的工作方式，如圖(c)所示。（二）同步傳輸和異步傳輸異步傳輸每次傳送一個字符，因此也叫字符同步方式。接收時鐘不需要與發送時鐘同步，除非時鐘偏差超過50％（這是不太可能的），不會引起采樣出錯。異步通信方式簡單易實現，但傳輸效率較低。同步通信傳輸以字符塊或位塊為單位進行，一塊一般有幾千個數據位。發送時鐘和接收時鐘必須同步。目前一般采用自同步法，即從所接收的數據中提取時鐘特征。除使雙方時鐘同步外，還必須在數據塊前面加上前文，數據塊后面加上后文。前文、后文加上所傳輸的數據信息構成了一個完整的同步傳輸方式下的數據單位，稱為幀。（三）并行傳輸和串行傳輸串行傳輸是構成字符的二進制碼元在一條信道上以位（碼元）為單位、按時間順序逐位在信道上傳輸的方式。串行傳輸時，發送端按位發送，接收端逐位接收，同時還要對所傳輸的字符加以確認，所以收發雙方要采取同步措施，否則接收端將不能正確區分出所傳輸的字符，失去通信的意義。串行傳輸速度慢，但是只需要一條傳輸信道，線路投資少，易于順序，是計算機通信采用的主要形式。如圖(a)所示。并行傳輸是構成字符的二進制碼元在并行信道上同時傳輸的方式。并行傳輸是一次傳輸一個字符，如微機內部總線上的數據碼或地址碼，收發雙方不存在同步問題，而且速度快。但是并行傳輸需要并行信道，所以線路投資大，不適宜于遠距離傳輸。如圖(b)所示。2.1.4數據基帶傳輸與頻帶傳輸目前，用于傳輸數字數據的線路有兩類：一類是數字通信線路，其上可以直接傳輸數字數據；另一類是模擬通信線路，這時要想傳輸數字數據，必須經過調制和解調。因此，數字數據的傳輸有相應的兩種方式：基帶傳輸方式和頻帶傳輸方式。（一）基帶傳輸數字數據以攜帶離散或連續消息轉換成數字‘0’或‘l’信號形式在信道中傳輸，稱為基帶傳輸。在基帶傳輸中，傳輸信號的頻率范圍從0到幾兆赫，要求信道有較高的頻率特性。一般需要選擇專用的傳輸線路，必要時還需要對數字信號必須進行編碼才能進行傳輸，常用的編碼方法有非歸零碼NRZ、HDB3碼、曼徹斯特碼（雙相碼）等等。基帶傳輸由于信號頻率可以很低，甚至可能含有直流成份，因此也叫直流傳輸。傳輸線路的電容對傳輸信號的波形影響很大，因此傳輸距離受到限制，一般不超過2.5km。當超過此距離時，需要通過轉發器增加功率和信號整型來延長距離。（二）頻帶傳輸頻帶傳輸是指代表數據的二進制‘0’或‘l’通過調制解調器，變換成具有一定頻帶范圍的模擬數據信號進行傳輸。在數字頻帶傳輸中，數字調制可以利用數字基帶信號具有的特征（時間離散、幅度離散等）來控制正弦載波的振幅、頻率和相位，就可以獲得所謂的幅度鍵控、頻移鍵控和相移鍵控。完成調制功能的設備叫調制器，完成解調功能的設備叫解調器。在實際應用中調制技術和解調技術在一個設備中實現，這種設備稱為調制解調器。調制解調器提供了數字環境和模擬環境的接口。所以調制解調器又可以看成是模擬通路的數據電路終接設備。2.1.5 差錯控制編碼（一）差錯控制原理

噪聲或其他干擾信號導致差錯，差錯用誤碼率來衡量。隨機噪聲對數據傳輸影響很大，而其中的脈沖噪聲（如工業點火噪聲、閃電和電氣開關通斷產生的噪聲等）和起伏噪聲（熱噪聲、散彈噪聲和宇宙噪聲）對數據信號的影響將導致隨機差錯和突發差錯。一般來說，針對隨機差錯的編譯碼方法與設備比較簡單，成本較低，而效果顯著；而突發差錯的編譯碼方法與設備比較復雜，成本較高，而效果不如前者顯著。（一）差錯控制原理（續）

差錯控制的基本思想是通過對信息序列作某種變換，使原來彼此獨立、相關性很小的信息碼元序列產生某種相關性，從而在接收端有可能依據這種相關的規律來檢查，進而識別或糾正傳輸信息序列的差錯。糾錯編碼方法大多是按照某種規律在用戶信息序列中插入一定數量的新碼元，這些新碼元稱為監督碼元。它們不受用戶的控制，最終也不送給接收用戶，只是系統在傳輸過程中為了減少傳輸差錯而采用的一種處理過程。由于監督碼元的加入，信道傳輸速率就要高于原始信息序列速率，若信道所允許的傳輸速率一定的話，則為了引入糾錯編碼，就要降低用戶輸入的信息速率。由此可見，通過抗干擾編碼來提高傳輸的可靠性，是以犧牲傳輸的有效性（速率）為代價換取的。（二）幾種常用的簡單差錯控制編碼1、奇偶校驗碼在計算機數據傳輸中得到廣泛應用。規則：發送端將所要傳輸的數據碼元分組，在每組數據后面附加一位監督位，使得該碼組連同監督位在內的“1”的個數為偶數（稱為偶校驗）或奇數（稱為奇校驗）。接收端按同樣規律檢查。只能發現單個或奇數個錯誤，而不能檢測出偶數個錯誤，也不能糾錯。設碼組長度為n，表示為（an-1an-2...a1a0），其中前n-l位為信息碼元，第n位為監督位，則：2、水平奇偶校驗碼將經過奇偶監督編碼的碼元序列排成矩陣，每行為一組奇偶監督碼，但發送時則按列的順序傳輸，接收端仍將碼元排列成發送時的矩陣形式，然后按行進行奇偶校驗。由于行按進行奇偶校驗，因此稱為水平奇偶校驗碼。采用這種方法可以發現某一行上所有奇數個錯誤以及所有長度不大于方陣中行數的突發錯誤。3、水平垂直奇偶校驗碼水平垂直奇偶校驗碼，是將水平奇偶校驗碼推廣到二維奇偶校驗碼，又稱行列校驗碼和方陣碼。方法：是對水平校驗方陣中的每一列再進行奇偶校驗。這種碼比水平奇偶校驗碼有更強的檢錯能力，它能發現某行或某列上的奇數個錯誤和長度不大于行數（或列數）的突發錯誤；還有可能檢測出偶數個錯碼，因為如果每行的監督位不能在本行檢出偶數個錯誤時，則在列的方向上有可能檢出；還能糾正一些錯碼。（三）循環冗余檢驗碼循環冗余檢驗（CyclicRedundaryChecks，CRC）碼是一種循環碼，只能檢錯而不能糾錯。CRC碼具有很強的檢錯能力，而且編碼器及譯碼器都很容易實現，因而在數據通信中得到廣泛應用。CRC校驗碼通過給信息報文加上一些檢查位，構成一個特定的待傳報文，使它所對應的多項式能夠被生成多項式G(x)除盡（模2運算）,接收方收到報文后，用來檢查收到的報文。如果用

G(x)去除收到的報文多項式，可以除盡表示傳輸無誤，否則說明收到的報文不正確。碼多項式是指用一個多項式p(x)表示一個n位的信息：式中為二進制信息1或0，例如二進制信息10110101有八位，可用系數為1，0、1、1、0、1、0、1的八項多項式表示為：（三）循環冗余檢驗碼 設M(x)表示信息報文的多項式，G(x)為指定的生成多項式，T(x)表示附加了檢查位以后的實際傳輸報文的多項式，那么T(x)應該被G(x)除盡。得到T(x)的步驟如下： ①構成多項式，即在信息報文低位端附加r個0，使它包含m+r位。其中m是M(x)的位數，r是G(x)的最高次數。比如M(x)＝101101101001，，m＝12，r＝4。＝10110110010000。 ②求G(x)去除的余數R(x)。 本例中R(x)＝10110110010000／10101的余數＝0001。計算余數是一個模2除法運算。 ③構成一個能被G(x)除盡的T(x)， 本例中T(x)＝1011011010010000＋0001＝1011011010010001。

假定接收端收到的報文為，如果余數為0，傳輸無錯，否則有錯。常用CRC碼常用CRC碼有CRC－16、CRC－CCITT和CRC－32碼，其生成多項式分別為：CRC