1計算機網絡基礎教程

2數據通信基礎本章要點數據通信的基本概念數據編碼技術數據傳輸類型數據通信的同步技術數據交換技術差錯控制編碼32.1數據通信基礎知識

通信具備3個基本要素：信源、信息傳輸介質和信宿。數據通信基礎42.1.1數據通信的基本概念1．數據通信的常用術語（1）信息和編碼信息的載體是數字、文字、語音、圖形和圖像等。計算機及其外圍設備產生和交換的信息都是由二進制代碼表示的字母、數字或控制符號的組合。為了傳送信息，必須對信息中所包含的每一個字符進行編碼。因此，用二進制代碼來表示信息中的每個字符就是編碼。

數據通信基礎52.1.1數據通信的基本概念1．數據通信的常用術語

（2）常用的二進制代碼在數據通信過程中，要進行編碼，就要采用一定的編碼標準，最常用的二進制代碼標準為美國標準信息交換碼（ASCII）。數據通信基礎62.1.1數據通信的基本概念1．數據通信的常用術語

（3）數據和信號數據:

數據被定義為有意義的實體，數據涉及事物形式，而信息是指數據的內容和解釋。數據通常分為模擬數據和數字數據兩種形式。模擬數據是指在某個區間內產生的連續的數值，例如：聲音、視頻等都是連續且變換的數值。數字數據是指產生離散的數值，例如二進制0、1等。數據通信基礎7信號:

是數據的表示形式，或稱為數據的電子編碼、電磁編碼，它使數據能以適當的形式在介質上傳輸。信號有模擬信號和數字信號兩種基本形式。2.1.1數據通信的定義和特點8(4)通信信道：指信號沿發送器到接收器的通路。(5)碼元和碼字在數據通信中，時間軸上的一個信號編碼單元被稱為碼元。習慣上，把計算機網絡傳輸的每一位二進制的代碼稱為“碼元”或“碼位”。例如，在7位ASCII碼的數據通信中，要傳輸的字符“A”的二進制代碼是“1000001”，其信號就是由7個碼元組成的序列，這個序列通常被稱為“碼字”，該碼字就代表了字符“A”。2.1.1數據通信的定義和特點9(6)數據包和數據幀在數據傳輸時，通常將較大的數據塊分割成較小的數據段，并在每一段上附加一些信息，這些附加信息通常包括序號、目標地址、源地址和差錯校驗碼等。這些數據段及其附加信息形成一個個邏輯數據單元，被稱為數據包。在實際傳輸時，還要將數據包進一步分割成更小的邏輯數據單元，這就是數據幀。(7)數據傳輸：指信號把數據從發送端傳送到接收端的過程。會使信號畸變和帶來噪聲和干擾，其結果是使數據在傳輸后造成差錯。2.1.1數據通信的定義和特點102．數據通信定義：依照通信協議，利用數據傳輸技術在兩個功能單元之間傳遞數據信息。3．數據通信特點：數據通信實現的是機與機或人與機之間的通信數據傳輸的準確性和可靠性要求高傳輸速率高，要求連續和傳輸響應時間快通信持續時間差異較大

具有靈活的接口能力2.1.1數據通信的定義和特點114．數據通信的主要技術指標（1）傳輸速率數據傳輸速率有兩種度量單位：“波特率”和“比特率”。①波特率波特率又稱為波形速率或碼元速率。是指數據通信系統中，線路上每秒傳送的波形個數。單位是“波特”（band）。②比特率比特率又稱為數據速率，是數字信號的傳輸速率，反映一個數據通信系統每秒所傳輸的二進制位數，單位是每秒比特（位），以bit／s或bps表示。2.1.1數據通信的定義和特點12(2）信道帶寬指信道中傳輸的信號在不失真的情況下所占據的頻率范圍，它是由信道的物理特性所決定的。(3）信道容量表示一個信道傳輸數字信號的能力，用信道中可以傳輸的最大數據率作為指標。2.1.1數據通信的定義和特點13(4）出錯率衡量數據通信系統或信道傳輸可靠性的一個指標。它一般指傳輸中出現錯誤碼元（或bit）的個數占傳輸總碼元（或bit）數的比例，即誤碼率。誤碼率（Pe

）

Pe=接收中錯誤的碼元數／傳輸的總碼元數誤bit率（Pb

）

Pb=接收中錯誤的bit數／傳輸的總bit數誤字符率（PW

）

PW=接收中錯誤的字符數／傳輸的總字符數誤組率（PB

）

PB=接收中錯誤的組數／傳輸的總組數2.1.1數據通信的定義和特點14(5）數據延遲表示網絡中相距最遠的兩個站點之間的傳播時間。(6）吞吐量在數值上表示網絡或交換設備在單位時間內成功傳輸或交換的總信息量，吞吐量的單位為bps。2.1.1數據通信的定義和特點152.1.2數據通信系統的模型

數據通信系統是指以計算機為中心，用通信線路連接分布在異地的數據終端設備而完成數據通信的系統，主要完成數據的傳輸、收集和分配的功能。數據通信系統由三部分組成：數據終端設備（DTE）數據電路終端設備（DCE）傳輸信道數據通信基礎1617DTE是對信息進行收集和處理的設備，通常指信源或信宿。DCE負責將準備傳輸的數據（即標準的二進制代碼信號）轉換為適合信道傳輸的信號，是DTE和通信信道的連接點。傳輸信道也叫傳輸媒介，它是兩地間傳輸數據信號的通路。2.1.2數據通信系統的模型182.1.3數字信號與傳輸代碼1．數字信號數字信號的特點是不僅在時間上離散，而且在幅度上也是離散的。2.1.3數字信號與傳輸代碼192．數字信號的基本形式數字信號是指在時間和幅度上均取有限離散數值的電信號，最簡單的數字信號是二元碼或稱二進制碼，這類電信號常用不同的電壓或電流的脈沖來代表數字信號的“0”或者“1”。

2.1.3數字信號與傳輸代碼20

3．數字信號的碼型（1）數字數據的數字信號編碼①單極不歸零碼（NRZ碼）：這是一種最簡單的碼型，該碼中用高電平代表符號“1”，用零電平代表符號“0”，電平在整個碼元中保持不變，如圖2-5（a）所示。NRZ碼的特點是方式簡單，但代碼易受線路特性改變，不宜長距離傳輸。②單極歸零碼（RZ碼）：如圖2-5（b）所示，這種碼與NRZ碼的根本區別在于它有小于１的占空比，也就是說，每個脈沖在碼元周期內總要回歸到零電平。2.1.3數字信號與傳輸代碼21

3．數字信號的碼型（1）數字數據的數字信號編碼③雙極性歸零碼：如圖2-5（c）所示，“1”碼發正的窄脈沖，“0”碼發負的窄脈沖，采用歸零形式，有利于保持收發雙方的位同步。④雙極性不歸零碼：如圖2-5（d）所示，用高電平表示信息“1”，負電平表示信息“0”，電平在整個碼元期間保持不變。從長時間傳輸的統計平均值來看，直流分量可近似為零，有利于有線信道傳輸。2.1.3數字信號與傳輸代碼22

3．數字信號的碼型（1）數字數據的數字信號編碼⑤差分編碼：如圖2-5（e）所示，用脈沖“極性有變化”表示數據“1”，用脈沖“極性無變化”表示數據“0”。這樣就保證了當線路極性發生反轉時不會影響對符號的判決。⑥雙相脈沖編碼：又稱曼徹斯特編碼（Manchester），如圖2-5（f）所示，從低電平跳變到高電平，表示數據“1”。從高電平跳變到低電平，表示數據“0”。該碼波形的優點較多，常用于數據通信中，是一種比較重要的碼型。2.1.3數字信號與傳輸代碼2324

（2）數字數據的調制對數字數據調制的基本方法有三種：幅移鍵控法（ASK，Amplitude-shiftkeying）、頻移鍵控法（FSK，Frequency-shiftkeying）、相移鍵控法（PSK，Phase-shiftkeying）。2.1.3數字信號與傳輸代碼25262.1.4數據傳輸類型根據被傳輸的數據信號的特點，數據傳輸可以分為四種方式：基帶信號傳輸、頻帶信號傳輸、寬帶傳輸和數字數據傳輸。數據通信基礎272.1.4數據傳輸類型1．基帶信號傳輸基帶信號，是指由計算機（或終端）直接輸出的二進制“1”或“0”的電壓（或電流）信號。利用數據傳輸系統直接傳輸基帶信號就稱之為基帶傳輸。282．頻帶傳輸方式頻帶傳輸是指將數字信號調制成模擬音頻信號后再發送和傳輸，到達接收端時再把音頻信號解調成原來的數字信號的傳輸方式。因此，在采用頻帶傳輸方式時，要求在發送端安裝調制器，在接收端安裝解調器。在實現全雙工通信時，則要求收發兩端都安裝調制解調器(Modem)。利用頻帶傳輸不僅解決了數字信號可利用電話系統傳輸的問題，而且可以實現多路復用，以提高傳輸信道的利用率。2.1.4數據傳輸類型293．寬帶傳輸方式寬帶是指比一般音頻帶寬更寬的頻帶，使用寬帶進行傳輸的系統，稱為寬帶傳輸系統。計算機局域網采用的數據傳輸系統有基帶傳輸和寬帶傳輸兩種方式，基帶傳輸和寬帶傳輸的主要區別在于數據傳輸速率不同。基帶數據的傳輸速率范圍為0～10Mbp/s，而寬帶數據的傳輸速率范圍為0～400Mbp/s。2.1.4數據傳輸類型304．數字數據傳輸方式數字數據傳輸是指利用數字線路來傳輸數據信號的一種方式。數字線路比模擬線路效率要高，傳輸質量也較模擬線路好。如果要傳輸的數據信號速率不高，可加裝一個數據時分復用器，將多路中、低速的數據信號經時分復用合成后，進入64kb／s的數字話路傳輸，以提高線路的利用率。2.1.4數據傳輸類型312.1.5信息的傳輸方式

1．串行通信和并行通信數據通信基礎32

在實際采用串行傳輸時，發送端需要使用并/串轉換裝置，將計算機輸出的并行數據位流變為串行數據位流，然后，送到信道上傳輸。在接收端，則需要通過串/并轉換裝置將串行數據位流還原成并行數據位流。2.1.5信息的傳輸方式332．單工通信、半雙工和全雙工通信單工通信半雙工通信全雙工通信2.1.5信息的傳輸方式343．同步技術所謂同步，就是要求收發信息的雙方在時間基準上保持一致性。通信系統中的同步問題涉及到位同步和字符同步兩方面。2.1.5信息的傳輸方式

（1）位同步位同步是指接收端和發送端的二進制位信號在時間上一致。因此，接收端要有一個位同步脈沖系列，作為位時鐘的定時信號。352.1.5信息的傳輸方式

（2）字符同步字符同步是指每個發送的字符由一個起始位，一個或兩個終止位，一個奇偶校驗位和字符的編碼組成來實現收發雙方同步的同步方式。

362.1.6數據電路數據電路是指在線路或信道上加接上信號變換設備（調制解調器或數字接口適配器）之后形成的二進制比特流通路，它由傳輸信道加數據電路終端設備組成。數據通信基礎371、數據電路的連接方式主要有下列五種：點到點專線連接；點至多點專線連接；點至多點集中連接；多點至多點復用連接；通過交換網連接。2.1.6數據電路382．通信媒體（傳輸介質）傳輸介質是用于網絡中各節點之間進行連接的物理通路或信道，它是信息傳遞的載體。計算機網絡中所采用的傳輸介質有多種，主要有同軸電纜、雙絞線和光纜等。2.1.6數據電路39同軸電纜粗同軸電纜（粗纜）：RG-11，阻抗為50歐，直徑為10mm，傳輸距離可達500m，使用AUI接口。細同軸電纜（細纜）：RG-58，阻抗為50歐，直徑為5mm，傳輸距離可達185m，使用BNC接口。有線電視電纜：RG-59，阻抗為75歐。（1）同軸電纜2.1.6數據電路40雙絞線非屏蔽雙絞線(UTP)使用RJ-45接口屏蔽雙絞線(STP)1類（CAT1）—用于電話通信。不適合傳輸數據。2類（CAT2）—用于傳輸數據，最大速度為4Mbit/s。3類（CAT3）—用于10M以太網，傳輸數據的最大速度為10Mbit/s。4類（CAT4）—用于令牌環網絡，傳輸數據的最大速度為16Mbit/s。5類（CAT5）—用于快速以太網，傳輸數據的最大速度為100Mbit/s。超5類（CAT5e）—用于最大傳輸速度為1000Mbit/s（1Gbit/s）的網絡，用于吉比特以太網（GigE）。6類（CAT6）—CAT6的規范是2003年2月3日新提出的，現已安裝和使用，用于吉比特以太網。

2.1.6數據電路41（2）雙絞線2.1.6數據電路42

光纖即為光導纖維的簡稱，具有傳輸距離遠、速度快的顯著特點。光纖由光纖芯、包層和涂覆層三部分組成。最里面的是光纖芯，包層將光纖芯圍裹起來，使光纖芯與外界隔離，以防止與其他相鄰的光導纖維相互干擾。包層的外面涂覆一層很薄的涂覆層，涂覆層的外面套塑(或稱二次涂覆)。（3）光纖2.1.6數據電路432.1.6數據電路443．電路類型（1）二線與四線電路一般來說，用戶（語音或數據的）終端和市內端局之間的用戶環路是二線電路，這種電路結構有平衡型的，也有非平衡型的。（2）交換電路交換電路是指在公用電話網、公用電報網或公用數據網上所提供的電路。應用交換電路時，每次呼叫均需通過撥號使之自動轉接到目的端的用戶，且每次呼叫均可能選擇不同路由，通信結束后線路被釋放以備下次呼叫使用。（3）專線電路專線電路是指通信網中專供某個部門、某個單位或某個人使用的永久性電路，既可以是在兩端之間構建的直通線，也可以是租用電信部門的線路。其最大優點是通信時可以節省建立呼叫和拆除鏈路的時間，故當通信量很大時是很經濟合算的。2.1.6數據電路452.1.7資源分配與共享

1.點─點式信道的共享固定式分配按需分配按排隊方式分配數據通信基礎462.1.7資源分配與共享

2.網絡鏈路的共享基于信道的共享基于排隊的共享3.廣播信道的共享

廣播信道可以將地理上相隔很遠的很多用戶互聯起來，任何用戶都可以向信道發送數據，然后根據所傳的數據的情況決定由全體用戶接收或由指定用戶接收。數據通信基礎472.2差錯控制方法2.2.1差錯產生的原因及其特點傳輸中的差錯主要是由噪聲引起的。噪聲有兩大類，一類是信道固有的、持續存在的隨機熱噪聲；另一類是由外界特定的短暫原因所造成的沖擊噪聲。熱噪聲：傳輸電路中的電子熱運動產生的。沖擊噪聲：外界干擾造成的。數據通信基礎482.2.2差錯控制主要目的是減少通信信道的傳輸錯誤，差錯控制的具體方法時提出了兩種策略：糾錯：讓每個傳輸的分組帶上足夠的冗余信息，以便在接收端能發現并自動糾正傳輸差錯，即糾錯碼方案。檢錯：讓分組僅包含足以使接收端發現差錯的冗余信息，但不能確定哪一比特是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯，即檢錯碼方案。2.2差錯控制方法491．反饋重發糾錯方式它的工作原理是：發送端對發送序列進行差錯編碼校驗，接收端根據校驗序列的編碼規則判斷是否傳錯，并把判決的結果通過反饋信道傳回給發送端。2．前向糾錯方式在前向糾錯方式中，發送端對數據進行檢錯和糾錯編碼，接收端收到這些編碼后，根據約定的規則進行譯碼。譯碼時不但可以發現錯誤，而且還能夠自動地進行糾錯。

3．混合糾錯方式混合糾錯方式是上述反饋重發糾錯和前向糾錯兩種糾錯方式的結合。在這種糾錯方式中，發送端編碼本身具有一定的糾錯能力，接收端收到編碼后進行檢測。如果發現有錯誤但是沒有超過糾錯能力的，則自動進行糾錯；如果超過糾錯能力，則發出反饋信息，命令發送端重發。2.2差錯控制方法502.2.3幾種常用的校驗碼1.奇偶檢驗碼2.方陣校驗碼3.循環冗余校驗碼2.2差錯控制方法51

1.奇偶檢驗碼在字符上附加奇偶檢驗位偶檢驗：整個字符中有偶數個1奇檢驗：整個字符中有奇數個1如果有偶數位出錯，檢測不到2.2差錯控制方法522.方陣檢驗碼垂直冗余校驗VRC：就是字符奇偶校驗；水平冗余校驗LRC：就是對數據塊中每個字符的對應位進行奇偶校驗。2.2差錯控制方法533.CRC循環冗余校驗碼這是一種較為復雜的校驗方法，它不產生奇偶校驗碼，而是將整個數據塊當成一個連續的二進制數據，在數據后面附加上用于差錯校驗的冗余碼。冗余碼的位數常用的有12、16和32位，一般附加的用于校驗的冗余碼的位數越多，檢錯能力就越強，但傳輸的額外的開銷也越大。采用CRC校驗，它們能查出所有的單位錯和雙位錯，以及所有具有奇數位的差錯和所有長度小于16位的突發錯誤，能查出99%以上17位、18位或更長位的突發性錯誤。其誤碼率比方陣校驗碼還可降低1～3個數量級，故被廣泛采用。2.2差錯控制方法542.3數據交換方式

在實際通信中，通常要經過多個中間結點才能將數據從信源傳送到信宿，數據在中間結點間的傳輸過程稱為數據交換。交換方式有電路交換和存儲轉發交換兩種，通常使用最基本的三種交換技術：電路交換、報文交換和分組交換。數據通信基礎55

1.電路交換電路交換方式，就是通過網絡中的結點在兩個站之間建立一條專用的通信線路。其通信過程可分為三個階段：電路建立階段、信號傳輸階段和電路拆除階段。2.3數據交換方式56

通過電路交換實現通信有三個階段：（1）電路建立階段：在傳輸任何的數據之前，都必須建立端到端的連接。這個階段通過源站請求完成交換網中對應的逐個結點的連接過程，以建立起一條由源站到目的站的傳輸通道；（2）信號傳輸階段：這個階段中，源站和目的站沿已建立的傳輸通道進行數據或信號傳輸，這種傳輸通常為雙工傳輸；（3）電路拆除階段：在完成數據或信號的傳輸后，就要結束連接。通常是由源站或目的站提出終止通信，各結點相應拆除該電路的對應連接，釋放由該電路占用的結點和信道資源。57電路交換具有以下特點：（1）呼叫建立時間長。在電路建立階段，需要花費一段時間在兩站間建立一條專用通路，這段時間稱為呼叫建立時間。在傳統公用電話網中，這段建立時間較長（幾秒～幾十秒），在先進的程控交換機中建立時間較短（在幾十毫秒數量級）。（2）存在呼損。在電路建立過程中，由于交換網繁忙等原因而有可能使建立失敗。對于交換網來說則要拆除已建立的部分電路，用戶則需要掛斷重撥，這稱為呼損。這種情況在平時的電話通信中經常發生。（3）站與站雙方的收發速度、編碼方法、信息格式、傳輸控制等要一致才能完成通信。也就是說，交換網對用戶信息的編碼方法、信息格式以及傳輸控制程序等都不加限制，但是，對用戶終端來說，互相通信的站必須是同類型的，否則不能直接通信。（4）信道的利用率低。由于電路建立以后，信道是專用的，只能供通信雙方使用。在兩個通信站傳輸的間歇期間，盡管該電路上沒有信息傳送，但也只能空閑著，所以利用效率較低。（5）信號和數據的傳輸時延短且時延固定不變，適用于實時大批量連續的數據和信號傳輸。582.報文交換在報文交換方式中，不需要在兩個端點之間建立一條專用的通信線路，相反地，它將用戶需要的數據分割成一定大小的報文，并在每個報文