第2章数据通信技术

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1、第2章 数据通信技术o 数据通信技术是计算机网络的数据交换基础。为了使计算机之间能够相互进行通信，进行数据传输，就需要将计算机处理的数字信号转换成可以在网上传输的光电信号，然后才能通过网络传输介质进行传输。本章将介绍与数据数据通信相关的技术，包括通信信道、编码、信道复用、数据交换、数据的安全性与完整性等内容。2.1.1 信息、数据、信号和信道o信息信息（information）：是用来辨别事物的符号，把事物的某些特征（或属性）按一定规则规范化后的一种表现形式。信息具有以下的特点：n各符号所表达的事物特性是固定不变的。n信息符号需要以某种媒体作为载体。2.1 数据及其表现形式数据及其表现形式 数

2、据数据：是信息的表现形式，将数据表现为电子或电气特性，称为信号，信号在传输过程中的通道称为信道。图2-1 数据与信息之间的关系2.1.1 信息、数据、信号和信道o 信号信号。是时间的函数，如果信号随时间的变化而连续变化，称为模拟信号；如果信号是时间的矩形波（有跳跃），称为数字信号。严格地讲，传输是对信号而言的，而通信是相对于数据而言的。图2-3 经电话线传送的计算机数据o 信道信道（channel）：就是通信双方以传输介质为基础的信号传递通道。从微观上讲，信道是指电信号在通过传输介质时所占用的一段频带，它在准许信号通过的同时，对信号的传输进行限制。一个完整的信道包括相关的传输介质和连接设备。o

3、 概括地讲，数据是信息的表现形式，将数据表现为电子或电气特性，称为信号。信号在传输过程中的通道称为信道。2.2 数据通信模型数据通信模型 通信的概念：通信就是将数据从一个地方传送到另一个地方的过程。传送数据的方式是多种多样的，但是要想顺利地传送数据，每种通信方式都必须包含信源信源、传输介质传输介质和信宿。信宿。图2-4 一个完整的通信模型信源：信源：是将要处理的原始数据转换成为原始电信号。信号转换（改变）设备：信号转换（改变）设备：是将原始电信号转换成适合信道传输的信号。因为信源发出的原始电信号需要进行信号转换，才能够在信道中传输。信号转换（复原）设备：信号转换（复原）设备：是将在传输介质另一

4、端接收到的信号还原为原始的电信号，然后交给信宿处理。信宿：信宿：是将接收到的信号转换成为数据。噪声源：噪声源：在数据信号的传输过程中，会出现各种噪声，噪声将会导致信号在传输中出错。2.2.1 数据通信的过程数据通信的过程o 所谓数据通信是指通信系统中所传输的是数据信息数据通信是指通信系统中所传输的是数据信息。o 数据通信过程就是数据从信源经过传输介质的传输到达数据通信过程就是数据从信源经过传输介质的传输到达信宿的过程信宿的过程。o 第一阶段：建立通信线路，通过网络设备为信源与信宿建立双方通信的物理通道。o 第二阶段：建立数据传输链路，使信源与信宿保持同步联系，保证双方均处于正确的收发状态。o

5、第三阶段：信源传送数据及相关的控制信息，信宿负责接收。o 第四阶段：数据传输结束后，信源与信宿通过通信控制信息确认通信结束。o 第五阶段：信源或信宿通知网络设备通信过程结束，网络设备清除通信通道，以供其他设备使用。当采用专用通信线路时，物理链接通道始终保持连接，不存在接通和中断过程，上述五个阶段中就可以省去第一阶段和第五阶段。2.2.2 数据通信的特点数据通信的特点o 计算机之间的通信过程需要定义出严格的通信协议和标准。o 通常情况下，语音和电视系统的误码率为10-2，而数据通信系统的要求为10-8。o 在数据通信系统中，由于采用的计算机和终端设备的类型多种多样，它们在通信速率、编码格式、同步

6、方式和通信规程等方面都存在较大的差别。o 数据通信的数据传输速率要求较高，且接续和传输的响应较快。数据通信中，数据信号的传输速率根据所使用信道的不同而不同。例如，一条128Kbit/s速率的ISDN数据线路，每分钟可以传960000个字符，即使是早期的2400bit/s速率的模拟电话信道，每分钟也可以传输18000个字符。这个速率对于使用模拟信号的传统电话通信来说是根本不可能实现的。o 模拟和数字信号可在适当的传输介质中传输。允许模拟信号在传输过程中有一定的衰减和噪声，或者说允许有一定程序的失真。而数字传输是和它的内容紧密相关的，信号传输过程中，数据位的任何差错，都可能影响对数据的正确理解。o

7、 在通信中，信号在传送过程中的衰减是不可避免的。因此在通信线路中有时需要设置将信号增强或复原的设备，在模拟通信系统中用放大器放大器，而在数字通信系统中则使用中继器中继器（重发器）。图2-5 数据通信系统模型一个完整的数据通信系统包括3个基本组成部分：数据终端设备数据终端设备（Data Terminal Equipment，DTE）、数据电路终端设备数据电路终端设备（Data Circuit-terminating Equipment，DCE）和通信信道通信信道。其中，将DCE之间的连接称为数据电路数据电路，将DTE之间的连接称为数据链数据链路路。o 通信信道主要有专用线路专用线路和交换网络交换

8、网络两种。一般情况，交换网络多是指电信部门的广域网络，而专用线路则是本单位内部组建的局域网。o 在数据通信系统中，DTE发出和接收的都是数据，连接通信双方DTE的电路是用来传输DTE发出的数据。所以，把DTE之间的通路（包括DCE和通信信道）称之为数据数据电路电路。为了实现有序、有效的通信，当数据电路建立后，还需要按一定的规程对传输过程进行规范，这些规范工作是由通信控制设备来完成的。加了通信控制设备的数据电路称为数据链路数据链路（Data Link，DL）。通常，只有在数据链路建立起来后，通信双方（计算机或终端设备）之间才能进行真正有效的数据传输。o 在数据通信系统中，如果处于DCE之间的信号

9、是模拟信号，则称这个通信系统为模拟通信系统模拟通信系统。如果处于DCE之间的信号为数字信号，则称这个通信系统为数字通信数字通信系统系统。总之，一个数据通信系统是模拟通信系统还是数字通信系统是由信道中数据信号的类型决定的，而与系统信源发出的信号类型无关。2.2.4 数据电路连接方式数据电路连接方式o 数据电路、通信信道数据电路、通信信道和通信线路通信线路是三个不同的概念。其中：o 通信线路通信线路是用于传输数据信号所使用的物理线路；o 通信信道通信信道是通信线路中传递信号时所使用的通道；o 数据电路数据电路是由DCE和通信信道组成。在数据通信系统中，每一个数据电路数据电路构成一个通信信道通信信道

10、，占用通信线路通信线路的部分或全部资源。o 1 点对点连接点对点连接 点对点连接包括两台计算机之间的直接连接和计算机与终端之间的直接连接。这种连接方式既可以采用专用线路连接（如图2-6（a）所示），也可以利用交换网建立连接（如图2-6（b）所示）。o 2 点对多点连接点对多点连接 点对多点连接是在一条线路上同时连接2个以上的端点的连接方式。包括专用线路连接（如图2-6（c）所示）、交换网连接和集中连接（如图2-6（d）所示）三种方式。o 3 多点对多点复用连接多点对多点复用连接o 多点对多点复用连接如图2-6（e）所示，包括专线连接和交换网连接两种方式。图2-6 几种常见的数据电路连接方式 2

11、.3 傅里叶级数与信道特性傅里叶级数与信道特性o 对于如何传输复杂的数据信号，并使不同种类的信号能够实现介质共享，同时通过相同的数学模型来描述和分析信号特性，需要使用傅里叶级数傅里叶级数。图2-7 模拟信号的正弦函数表示o 图2-7（a）所描述的信号是一个简单的函数，虽然这种简单的正弦三解函数无法准确表示常见的模拟信号，但它却反应了一个模拟信号的特性：频率、振幅频率、振幅和相位相位。o 如果一个信号在连续的时间内会不断重复某一个模式，那么把其中一次循环所使用的时间称为一个周期周期，将描述此变化的函数称为周期函数周期函数。o 频率频率是单位时间内信号的振荡次数，其单位是HZ（赫兹）。如果频率为f

12、，周期为T，则f=1/T。o 振幅振幅表示信号的振荡峰值。因为函数的值域为-1，1，所以函数的值域为-A，A，如图2-7（c）所示，其振幅为-A和和A。o 改变一个信号的最后一种方式是改变它的相位。相位相位描述的是信号在一个周期中所处的不同阶段，在图像上相位表示了函数图形的水平移动距离，例如的图形便是将的图形向左移动k个单元的距离，如图2-7（d）所示。o 为了描述信号的共同特性，著名法国数学家吉傅里叶（Jean Baptiste Fourier）提出了一个定理：任何一个任何一个周期函数都可以表示成无数个具有不同振幅、频率和相周期函数都可以表示成无数个具有不同振幅、频率和相位的正弦函数的和位的

13、正弦函数的和，这个和称为傅里叶级数傅里叶级数（Fourier Series）。傅里叶级数的特点是：无论周期函数多么复杂，总可以表示为多个正弦函数的和。下面是傅里叶级数的一种表达形式（还有其他形式，但下面的形式更便于描述信号的特性）o 傅里叶级数告诉我们：任何一个可用周期函数表示的信号都是由具有不同的频率、振幅和相位的正弦函数（或余弦函数，因为正弦与余弦函数之间可以进行互换）相加后的和。从波形的合作来看，任何一个周期信号都是具有不同的频率和振幅的模拟信号的叠加。2.3.2 带宽带宽o 带宽带宽是指通信信道的容量。信道带宽也分为模拟信道带模拟信道带宽宽和数字信道带宽数字信道带宽两种。模拟信道的带宽

14、如图2-8所示，信道带宽W=f2f 1。图2-8 模拟信道的带宽o 数字信道的带宽决定了信道中不失真地传输脉冲序列时的最高速率。一个数字脉冲称为一个码元码元，这样我们就可以用单位时间内通信信道所传输的码元个数来表示单位时间内信号波形的变化次数，即码元速率。如果信号码元的宽度（传输时间）为T秒，则码元速率B=1/T。码元速率的单位为波特（Baud），所以码元速率也称为波波特率特率。o 尼奎斯特定理尼奎斯特定理 B=2W（单位为：Baud）o 尼奎斯特定理中提出的信道容量也称为尼奎斯特权限尼奎斯特权限。o 码元携带的信息量由码元所取的离散值的数量来确定 o 单位时间内在信道上传送的信息量（bit数

15、）称为数据速数据速率（率（用R表示），），R=Bn。o 当波特率B确定时，如果要提高速率，就需要用1个码元携带更多的bit数。将公式R=Bn与尼奎斯特定理B=2W结合，便得出以下的公式：o 1948年，美国数学字、信息论的创始人香农（Shannon）研究表明，有噪声信道的权限数据速率可由下面的公式计算：这个公式称为香农定理 其中，W为信道带宽，S为信号的平均功率，N为噪声的平均功率，S/N叫做信噪比。由于在实际的使用中，S/N的值很大，所以通常取分贝数（dB）。分贝与信噪比的关系为：2.3.3 误码率o 数据在通信信道中传输中会受到噪声的干扰，如果要在有噪声的信道中提高数据速率，就可能产生差错

16、。2.3.4 信道延迟 o 信道时延是指信号从信源到信宿的传输时间。2.3.4 失真 在信号传输的频率范围（也称为频域）内，信号是由不同频率的分量构成的。当一个由多种频率分量构成的信号在介质或信道中传输时，不同频率的分量将在不同程度上受到衰减和延迟的影响，最终使得到达接收端的信号与发送端送出的初始信号之间产生差异。这种在传输过程中信号波形出现的变化称为失真。如图2-9所示，其中虚线表示初始信号的波形，实线表示失真后的波形。图2-9 初始信号与失真信号的波形 o 根据产生原因的不同，失真可以分为振幅失真和延迟失真两类。其中，振幅失真是由传输介质和设备中各频率分量振幅值发生的不同变化而引起的失真；

17、而延迟失真则是由各频率分量的传输速度不一致所造成的失真。o 引起信号失真的一个主要原因是衰减。信号在传输介质中传输时，将会有一部分能量转化为热能被传输介质吸收或被释放，从而造成信号强度不断减弱，这种现象称为衰减。衰减对信号的传输产生很大的影响，需要采取相应的措施来弥补，否则当信号在进行远距离的传输后接收端将可能无法检测到有用的信号。为了弥补衰减，在模拟系统中使用放大器增强信号的强度，而在数字系统中使用中继器增强信号的强度。2.4.1 基带传输o 网络上信号传输方式分为基带传输、频带传输基带传输、频带传输和宽带传宽带传输输，可传输数字信号数字信号和模拟信号模拟信号。o 基带是指调制前原始信号所占

18、用的频带，是原始电信号基带是指调制前原始信号所占用的频带，是原始电信号所固有的基本频带所固有的基本频带。在信道中直接传输基带信号时，称为基带传输，基带传输的信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号，具体类型由信源决定，目前主要是数字信号。采用基带传输技术的系统称为基带传输系统基带传输系统。2.4 信号传输方式2.4.2 频带传输o 频带传输就是把基带数字信号经过调制，变换成模拟信频带传输就是把基带数字信号经过调制，变换成模拟信号后在公共电话线上传输号后在公共电话线上传输。o 频带传输是一种模拟传输，但频带传输却与传统的模拟传输不同。2.4.3 宽带传输o 宽带是比音频带宽更宽的频带宽带是比音频带

19、宽更宽的频带。它包括了大部分的无线电频谱，可以容纳全部的广播信号，能够进行高速数据传输。o 对于局域网来说，宽带是指专门用于使用模拟信号传输的同轴电缆，通常还指可以在传输介质上进行频分多路多路复用复用方式的传输技术。由于数字信号的频带很宽，必须先将其转换成模拟信号后才能在宽带网络中传输。宽带宽带网络中的多条信道，通常采用频带传输技术，传输的是网络中的多条信道，通常采用频带传输技术，传输的是模拟信号，所以宽带传输系统属于模拟信号传输系统模拟信号，所以宽带传输系统属于模拟信号传输系统。o 一个宽带信道能够被划分成多个逻辑信道（或频率段），进行多路复用传输，这样可使信道容量大增，并可在同一信道内实现

20、对数据业务、模拟电视、语音等信号用单独的信道传输；o 能够在同一信道上进行数字信息或模拟信息的传输服务，宽带传输系统可以容纳全部的广播信号，并可进行高速数据的传输；o 宽带传输比基带传输的距离要远许多，这是因为在宽带传输中数字数据需要被模拟信号载运后传输（数字数据的波形加载在模拟信号的波形上进行传输），而模拟信号传输的距离要比数字信号远；o 宽带传输中的信号具有单向性，这是因为无法制造出可实现双向传输同一频率信号的放大器。如果要在宽带传输实现双向传输，则需要同时具备两条数据通路。宽带传输的主要特点：2.5 数据编码技术o 2.5.1 数字信号的基本表示方式o 2.5.2 数据信号的特点o 2.

21、5.3 数字信号的编码o 2.5.4 数字信号的调制o 2.5.5 模拟信号的解调 数据通信中传输的是电信号或者光信号，这样就需要将数据转换成相应的光电信号，这就需要利用编码技术，数据编码是数据通信中最基本的一项工作。主要内容包括：主要内容包括：2.5.1 数字信号的基本表示方式 数字信号的特点是它的函数图形（正弦函数或余弦函数）的频率和振幅是离散的，最简单的数字信号是二元码（或称二进制码）。2.5.2 数据信号的特点o 二进制的数字信号有多种表现形式。根据函数的振幅取值的不同，可以分为单极性码单极性码和双极性码双极性码两种；如果根据信号电压或电流是否占满整个符号的持续时间可分为不归零码不归零

22、码和归零码归零码两种。o 1 单极性码和双极性码 单极性码是指在一个方向上，用有极性和无极性来分别表示0和1，如图2-9（a）所示。双极性码是指用两个不同方向的极性（如正、负两极）来分别表示0和1，如图2-9（b）所示。图2-9 单极性码和双极性码的波形o 2不归零码和归零码o 不归零码不归零码（Not Return to Zero，NRZ）是最简单的一种编码方案，可以用高、低电平来分别表示0和1。这种便可以通过高低电平之间的变化来传送0和1的编码序，如图2-10（a）所示的是NRZ的一种波形。o 归零码归零码（Return to Zero，RZ）是指一码元的信号波形不占码元的全部时间，即在码

23、元中间的信号要回到0电平，因此任意两个码元之间被0电平隔开，如图2-10（b）所示的是RZ的一种波形。图2-10 不归零码和归零码的波形2.5.3 数字信号的编码o 数字信号的编码就是将二进制数字数据用两个电平来表示，形成矩形脉冲电信号，这种矩形脉冲电信号组成的数字数据包括单极性不归零码、双极性不归零码、单极性归零码、双极性归零码等。o 1 单极性不归零码 单极性不归零码是以有无电压或电流来表示0和1，通常是以无电压表示0，用恒定的正电压表示1。这种脉冲的电压值大于或等于0，也就是说只有一个方向的电压极性（如图2-11（a）所示）。o 2双极性不归零码 顾名思义，这种脉冲有两个方向的电压极性。

24、双极性不归零码以恒定的负电压表示0，用恒定的正电压表示1，两种信号在全部传输时间内总是有电压或电流存在，只是电压的极性或者电流的方向发生变化（如图2-11（b）所示）。图2-11 单极性不归零码和双极性不归零码的波形o 3归零码 归零码就是一个单位脉冲的信号波形不占单位脉冲的全部时间，即在一个单位脉冲的时间内有电压或电流的时间短于一个单位脉冲的时间宽度，是窄脉冲，不论是否有电压或电流，每个单位脉冲的波形都会回到零位，因此形象地称作归零码。这种编码技术的取样时间也位于每一个单位脉冲时间的中间。由于归零码也分为单极性归零码和双极性归零码，所以判别电压也不同（与不归零码脉冲相对应），分别如图2-12

25、（a）和图2-12（b）所示。+0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1(a)单极性归零码+0-0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1(b)双极性归零码图2-12 单极性归零码和双极性归零码的波形o 4 曼彻斯特编码o 曼彻斯特编码就是把一个单位脉冲一分为二（即将一个码元一分为二），如果在前半个单位脉冲时间内，信号为高电平，将在这个单位脉冲时间的中间发生翻转，跳到低电平，则此信号的值就表示1；反之，如果在前半个单位脉冲时间内，信号为低电平，那么在这一单位脉冲时间的中间将发生电压翻转，跳到高电平，此时信号的值就表示0（如图2-13（a）所示）。o 5 差分曼彻斯特编码 差分曼彻

26、斯特编码技术类似于曼彻斯特编码，不过差分曼彻斯特编码的取样时间位于每一个单位脉冲的起始边界，如果信号在起始边界有翻转就表示0，如果信号在起始边界无翻转就表示1（如图2-13（b）所示）。差分曼彻斯特编码的特点总结如下：在每一个位（bit）发送时间的正中间，电平必须翻转一次。发送0或发送1，必须在发送每一个位的初始时间进行判断，判断的依据是前一个电平的后半部分和下一个要发送的数字。当发送0时，下一个电平与上一个电平的后半部分相反，却必须进行电平的翻转；而发送1时，保持下一电平与上一个电平相同，却不进行电平的翻转。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。图2-13 曼彻斯特编

27、码和差分曼彻斯特编码2.5.4 数字信号的调制o 1 移幅键控法（ASK）移幅键控法移幅键控法（Amplitude Shift Keying，ASK），也叫调幅法调幅法（Amplitude Modulation，AM），就是把模拟载波信号中的频率与相位定为常量，振幅定为变量。o 2移频键控法（FSK）移频键控法移频键控法（Frequency Shift Keying，FSK），也叫调频法调频法（Frequency Modulation，FM），就是把模拟载波信号中的振幅和相位定为常数，而将频率定为变量，用频率的不同来分别代表0和1.o 3 移相键控法（PSK）o 移相键控法移相键控法（Phas

28、e Shift Keying，PSK），也叫调相调相法法（Phase Modulation，PM），就是把模拟信号中的振幅和频率定为常数，而将起始相位定义为变量，以起始相位的不同来分别表示0和1。2.5.5 模拟信号的解调o 从模拟信号到数字信号的转换技术中最常见的是脉冲编脉冲编码调制码调制（Pluse Code Modulation，PCM）。PCM技术是一种脉冲调制，它是一个模拟信号转换为二进制数码脉冲序列的过程。PCM的基本编码过程分为采样采样、量量化化和编码编码三个过程。图2-16 脉冲编码调制o 1采样o 每隔一定的时间间隔，取模拟信号的当前值作为样本，该样本代表了模拟信号在某一时刻

29、的瞬时值。一系列连续的样本可用来近似地代替模拟信号在某一区间随时间变化的值。采样值是一个近似值，它的精确度与采样的频率有关，奈奎斯特采样定理说明：如果采样速率大于模拟信号的最高频率的2倍，则可以用采样得到的样本值恢复原来的模拟信号。o 2量化o 因为采样后得到的样本在时间上虽是离散的，但在振幅上仍然是连接的，量化的过程就是把振幅上连续的抽样信号转化为离散信号。将模拟信号的样本用离散信号来代替必须考虑其精度，即对某一模拟信号的样本分成多少个时间段进行取值。假设将采样信号的振幅平分为八个等级，用00.7表示，这八个等级分别表示不同的电平幅度，如图2-16（a）所示。o 3编码o 把量化后的样本根据

30、已确定的分级可以变成相应的二进制代码序列，此过程称为编码。例如，对经量化后的八个等级，每个等级可能对应一个电平，每一个电平对应一组二进制序列，用000111表示，如图2-16（b）所示。o 从上述脉冲编码调制的原理可以看出，采样的速率决定于模拟信号的最高频率，而量化等级的多少则决定了采样的精度。在实际使用中，我们希望采样的速率不要太高，以免编码解码器的工作频率太高，不利于设备的正常工作；同时，我们也希望量化的等级不要太多，只要能够满足要求就可以了，以免得到的数据量太大。o 例如：将模拟电话信号转换为数字信号时，必须先对电话信号进行采样。根据奈奎斯特采样定理，只要采样的频率不低于电话信号频率的2

31、倍，就可以从采样脉冲信号中无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4kHz，从方便起见，可将采样频率定为8kHz。由于在我国电话信号采用8位编码，也就是将采样后的模拟电话信号量化为28=256个等级，这样每个样本用8位的二进制码表示。这样，一个模拟电话信号，经模数转化后，就变成了每秒8000个脉冲、每个脉冲信号再编为8位二进制码元的数字信号，再在数字信道上进行传输，其传输速率为80008=64kbit/s。64kbit/s的速率是最早制订出的语音编码的标准速率。o 现在的数字传输系统都采用脉冲编码调制（PCM）。PCM最早应用于电话局之间 的中继线路。由于历史原因，PCM存

32、在两个标准：o 一个是北美使用的T1标准，其速率为1.544Mbit/s，可同时传输24路PCM信号；o 另一个是欧洲的E1标准，其速率为2.048Mbit/s，可同时传输30路PCM信号。我国采用的是欧洲的E1标准。为了有效地利用资源，可将2.048Mbit/s的信道采用时分复用技术（关于时分复用技术将在本章随后的内容中进行介绍）划分为32个时隙，每个时隙为2.04832=64kbit/s，其中一个时隙用于信号同步，另一个时隙用于传输信令，其他的30个时隙用于传输PCM信号。这就是为什么一个E1信道可同时传输30路电话的原因。2.6 数据传输方式o 2.6.1 2.6.1 并行传输和串行传输

33、并行传输和串行传输o 1 并行传输o 并行传输（并行传输（Parallel Transmission）就是多个数据位（比特流）同时在设备之间进行传输，就像多车道高速公路上行驶的汽车一样（如图2-16（a）所示）。o 2 串行传输o 串行传输串行传输(Serial Transmission)中只有一条数据传输线，任一时刻只能传输一位二进制数（如图2-16（b）所示）。2.6.2 同步传输与异步传输o 1 同步传输o 同步传输（同步传输（Synchronous Transmission）也称同步通信，它采用的是位同步（即按位同步）技术，以固定的时钟频率来串行发送数字信号。o 外同步：就是发送端在发

34、送数据之前先向接收端发送一串用来进行同步的时钟脉冲，接收端在收到同步信号后对其进行频率锁定，然后以同步频率为准接收数据。o 自同步：就是发送端在发送数据时将时钟脉冲作为同步信号包含在数据流中同时传送给接收端，接收端从数据流中辨别同步信号，再据此接收数据。在自同步传输中，接收端是从接收到的信号波形中获得同步信号，所以称为自同步。o 2异步传输o 异步传输异步传输(Asynchronous Transmission)也称异步通信，它采用的是“群”同步的技术。在这种技术中，根据一定的规则，数据被分成不同的群，每一个群的大小是不确定的，也就是说每个群所包含的数据量是不确定的。这种技术是在位同步基础上进

35、行的同步，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，如图2-17所示。接收端通过识别起始位和停止位来接收数据。o 例如，当你在终端上输入数字123时，按照8位扩展的ASC编码，数字123分别表示为00110001、00110010和00110011。假设我们使用NRZ编码分别发送每个数字，传输信号如图2-18所示。2.6.3 单工、半双工和全双工通信o 1单工通信o 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，如图2-20（a）所示。为了保证数据能够被正确传输，就需要进行差错控制，因此单工通信采用二线制，也就是说有两个信道，

36、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，接收端在确定所接收的数据正确或错误后会通过反向监测信道向发送端发送监测 信号。o 单工通信多用于无线广播、有线广播和电视广播系统，在计算机网络中很少使用。o 2半双工通信o 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，如图2-20（b）所示。也就是说，在半双工通信中，通信线路一端的通信设备既可以是信源，也可以是信宿，不过在任一时刻，这台设备要么是信源，要么是信宿，不可能既是信源，又是信宿。在半双工通信中，在通信线路两端的设备轮流发送数据。同样，在半双工通信中也有监测信号的传输，传输方式有两种：

37、一种是监测与数据传输共用一条信道，在相互应答时转换信道的功能；另一种是数据传输信道与监测信道分开，有一条专门的信道供监测信号使用。例如计算机与外设的通信就是一种半双工通信。o 3全双工通信o 全双工通信就是在同一时刻，位于通信线路两端的每台设备既是信源，又是信宿，也就是说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，如图 2-19（c）所示。o 全双工通信系统中既包括两个数据传输信道，还包括两个监测信道，这样通信线路两端的设备才可以同时接收和发送数据。o 信道复用技术要用到两个设备：多路复用器和多路分配器。其中，多路复用器多路复用器（Multiplexer）在发送端根据某种已约定

38、的规则把多个低速（低带宽）的信号合成一个高速（高带宽）的信号；多路分配器多路分配器（Demultiplexer）在接收端根据同一规划把高速信号分解成多个低速信号。多路复用器和多路分配器统称为多路器多路器（MUX），多路复用系统如图2-20所示。2.7 信道复用技术2.7.1 频分复用o 频分复用频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）是在一条传输介质上使用多个频率不同的模拟载波信号进行多路传输，每一个载波信号形成一个信道。每个子信道形成一个子通路，分配给用户使用。2.7.2 时分复用o 时分复用（时分复用（Time Division Multiplex

39、ing，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。时间片的大小可以按一次传送一个位、一个字节或一个固定大小的数据块所需要的时间来确定。时分复用又分为同步时分复用同步时分复用和异步时分复用异步时分复用两种。o 1 同步时分复用o 同步时分复用同步时分复用传输采用固定分配信道的技术。在同步时分传输中，整个传输时间划分为固定大小的时间片，每个时间片称为一个时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占有固定序列的时隙，即将每一个TDM帧的时隙以固定方式预先分配给各路数字信号。o 2 异步时分复用o 同步时分复用是一种普通的时分复用技术。在同步时分复用中，由于

40、数据发送的突发性，当一个用户在占有了子信道时，由于不见得一定有数据要发送，所以就会产生信道的空闭，所以降低了信道的利用率。而异步时分复用正好解决了这一问题。异步时分复用异步时分复用也称统计时分统计时分复用复用或智能时分复用智能时分复用，它能够动态地按需分配时隙，避免出现空闭时隙而造成时隙的浪费。在异步时分复用中，将MUX称为集中器集中器或智能集中器智能集中器。2.7.3 波分复用o 波分复用波分复用（Wave Division Multiplexing，WDM）是指光的频分复用光的频分复用，用于光纤通信中，它是指用不同波长的光波来承载不同的通信子信道，多路复用信道同时传输所有子信道的波长，如图

41、2-24所示（其中，单位nm为“纳米”，即10-9m）。o 根据通信系统设计的不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用密集波分复用）。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.21.2nm。CWDM和DWDM的区别主要有二点：一是CWDM载波通道间距较宽，因此同一根光纤上只能复用56个不同波长的光波；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度较大，成本也

42、较高。2.7.4 码分复用o 码分复用码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是根据不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术。蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积覆盖的特点。在移动通信环境的电波覆盖区内，如何建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法解决多址接入问题的方法叫多址接入技术叫多址接入技术。2.8 数据交换技术o 数据在一个网络中两个通信节点

43、之间传输，一般情况下不是采用两点之间直接占用某条固定线路的方式，而是根据需要和网络的条件来安排两个通信节点的通信线路，这种操作就是交换，交换可以提高整个网络的利用率。o 常用的交换方式有三种：电路交换、报文交换和分组交换。2.8.1 电路交换电路交换（circuit switching）就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。两个通信节点在开始通信后一直到通信结束之前都占用这条通信线路，数据在通信过程中始终在这条通信线中传输，只有当通信结束后才会释放该通信线路。人们最常使用的电话系统采用的就是这种电路交换方式。电路交换是一种直接交换方式，是多个输入线和多个输出线之

44、间直接形成传输信息的物理链路，如图2-26所示。电路交换过程包含三个阶段：o 在网络上两个通信节点开始通信前，交换机必须为两个通信节点建立一条通信线路，而且这条线路要从通信开始保持到通信结束；o 当通信线路建立后，两个通信节点通过这条线路传输数据，此时线路可以全双工工作（即可以同时发送和接收数据）；o 当通信节点中的任何一方结束通信时释放这条通信线路。2.8.2 报文交换o 报文交换报文交换（message switching）指在通信过程中不需要在信源和信宿之间建立一条专用线路，而是当信源在发送数据时，将信宿的目标地址添加到原始数据（报文）上，然后这个经过处理的数据传向网络中的下一个中间节点

45、，中间节点会储存所有的数据再转发到另一个中间节点，另一个中间节点重复这个储存转发的过程，直到中间节点与信宿建立联系后数据才会传输到信宿，这种存储存储-转发转发（store and forward）的传输方式就是报文交换方式报文交换方式。2.8.3 分组交换o 分组交换分组交换（packet switching）就是数据在传输之前被分成多个很小的有一定长度的数据单元，这种数据单元称为分组，每个分组上都有信源和信宿的地址，并且会按照在原数据中的位置进行编号。o 报文通常是指要发送的整块数据；o 由于一个报文的数据量较大，不便于计算机网络的传输，所以报文在计算机网络中发送之前首先分成一个个更小的大小

46、相等的数据段（例如，每个数据段为1024bit）。o 为了便于接收方数据的恢复，所以在每个数据段的前面都要加上一个首部首部（header），这样便构成了一个分组分组（packet），如图2-27所示；分组又称为包包，分组的首部也称为包头包头，分组交换也称为包交换包交换。o分组交换是基于标记基于标记（label-based）的数据交换方式。另外，在分组交换网络中，通信时不必事先建立一条连接，而是随时将分组传送到网络进行传输，所以分组交换是非面向连接非面向连接的。2.8.4 电路交换、报文交换及分组交换的比较o 三种交换的比较 o 在计算机网络中，所有的设备共享介质，这就需要有一个行之有效的方法或

47、规则来规范和控制转输介质的使用权，这种功能称为介质访问控制协议介质访问控制协议。2.9 介质访问控制（MAC）技术2.9.1 随机访问（ALOHA）o 随机访问的特点是所有的用户都可以随机地发送信息。这样，当两个或两个以上的用户同时发送信息时，由于大家都要争用唯一的共享信道，便会产生冲突冲突（collision），其结果是任何一方发送信息都将失败。在计算机网络中，冲突又称为碰撞碰撞。o ALOHA是美国夏威夷大学的校园网，是最早采用随机访问方式进行通信的无线网络。ALOHA无线网络的工作方式是共享信道，一个站点所发送的信息可同时被其他的多个站点接收到，每个站点的信息是随机发送，大家相互竞争使用

48、信道，是一种典型的随机访问式系统。本节将讨论ALOHA的两个版本：纯ALOHA和时隙ALOHA，两者的主要区别是纯ALOHA无需全局时间同步，而时隙ALOHA则必须进行时间同步。o 1纯ALOHAo 纯ALOHA是一种最原始的ALOHA系统，其设计思想是：只要有户要发送信息就让其发送，即每一个端点可以自由地发送数据帧数据帧。o 一个帧发送成功的条件是：帧与帧发送时间的间隔应大帧与帧发送时间的间隔应大于或等于于或等于T0。o 或帧到达帧到达ALOHA网络信道的时间间隔应大于或等网络信道的时间间隔应大于或等T0。o 2 时隙ALOHAo 由于纯ALOHA系统的最大数据吞吐量只有0.184，为了提高

49、纯ALOHA的信道利用率，参照时分多路复用中时隙的概念，提出了时隙时隙ALOHAALOHA（Slotted ALOHA）或S-ALOHAS-ALOHA，又称作时间片时间片ALOHAALOHA。o 在时隙ALOHA中，一个帧能够成功发送的条件为不存在两个或两个以上的帧在同一时隙内到达缓冲区。时隙ALOHA的工作原理如下图所示.2.9.2 载波监听多路访问（CSMA）o 1971年，夏威夷大学的Wax提出了载波监听多路访问载波监听多路访问（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）协议，又称为载波侦听多点访问载波侦听多点访问协议。“载波监听”是指当发送站点在向网络发送数

50、据之前先要监听网络上是否有其他站点正在传输数据，如果有则继续监听，如果没有则开始向网络发送帧。CSMA采用的是“讲前先听讲前先听”（listen before talk）的方式。“多路访问”是指有多个发送或接收站点同时连在网络上时，能同时检测通信信道，当信道空闲时任何一个站点都可以发送数据。2.9.3 载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）o CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）协议不仅保留了CSMA协议“讲前先听讲前先听”的功能，而且增加了一项“边讲边听边讲边听”（listen while talk）的功能

51、，即CD-在发送过程中同时进行冲突检测。o CSMA/CD协议的冲突发生示意图如下所示二进制指数退避算法o 当站点发现冲突后便会发送一个干扰信号，然后后退（退避）一段时间再重新发送。后退时间的多少对网络的稳定性起着十分重要的作用，这时可以使用二进制指数退避算法二进制指数退避算法来决定后退时间（重传数据的时延）。o 基本工作原理为：先确定基本退避时间（如2），再定义k=Min重传次数，10，然后从正整数集合0，1，2，2k-1中随机取出一个数，计作r。重传所需的后退时延就是r倍的基本退避时间（如2r）。2.9.4 令牌传递（Token Passing）o 令牌是一个很小、特殊的共享数据包，既无源

52、地址，也无目标地址，在网络上没有数据传输时，它沿着环形网络不停地循环传递，从一个站点到下一个站点。o 令牌传递（Token Passing）方式又分为两种类似：令牌环传递方式和令牌总线传递方式。o1 令牌环传递o 2 令牌总线传递o 令牌总线网络从物理连接上看起来像一个总线型网络，但实际上它是一个逻辑环的结构，如图2-39所示。数据帧在网络上的传输路径是一个有严格次序的环，也就是说网络上的站点在逻辑上构成了一个环形的拓扑结构，网络上的每个站点都有自己固定的先行站点和后继站点，也就是说数据帧只能从先行站点传到本站点，再从本站点传到后继站点，而不是网络上的所有站点同时都能监听到数据帧。2.10 差

53、错控制方法o 在数据传输过程中数据有可能出错，这样信宿就会收到错误数据，也就是说信宿接收到的数据与信源实际发出的数据出现不一致的现象，这就是差错现象。差错现象包括数据的丢失；发出的数据与接收到的数据不一致（即发出的数据在传输过程中被修改）等。o 2.10.1 热噪声与差错的产生o 2.10.2 差错控制方法o 2.10.3 奇偶校验码o 2.10.4 海明码o 2.10.5 循环冗余校验2.10.1 热噪声与差错的产生 热噪声热噪声是指影响数据在通信介质中正常传输的各种因素。数据通信中的热噪声主要包括：o 信号在通信线路上的受介质自带电气特性影响而产生的信号畸变和衰减；o 电气信号在线路上产生

54、反射造成的回音效应；o 相邻通信线路之间的信号串扰；o 各类自然现象的影响（如闪电、地磁的变化）；o 供电系统故障。o 热噪声的分类o 热噪声通常分为两大类：随机热噪声和冲击热噪声。其中：o 随机热噪声随机热噪声是指通信线路上固有的、持续存在的热噪声，由于它的出现时刻不固定，因而称作随机热噪声；o 冲击热噪声冲击热噪声是由于外界某种原因突发产生的热噪声，这种热噪声是无法预料的。2.10.2 差错控制方法o 差错控制需要采用差错控制编码，差错控制编码是差错控制的核心，它的基本设计思想是信源对信息序列进行某种变换，使原来彼此不相关、独立的二进制数序列，经过变换后使之产生某种相关性，信宿接收到差错控

55、制编码后用它来检查、纠正接收到的数据序列中的差错。不同的变换方法构成不同的差错控制编码。差错控制编码分为检错码和纠错码两种。其中，检错码是能够发现错误的编码，而纠错码是既能发现错误又能纠正错误的编码。o 常见的差错控制技术有：自动请求重发、向前纠错和反馈检验。2.10.2 差错控制方法o 1 自动请求重发（ARQ）o 自动请求重发（Automatic Repeat Request System，ARQ）又称作检错重发。信宿采用编码的方法检测差错，当检测出差错后，就设法通知信源重发数据，直到接收到的数据无差错为止。自动请求重发只能检测出接收到的哪些码中的差错码，但是确定不出错码的准确位置；而且采

56、用自动请求重发技术需要通信系统有双向通信信道。o 2 向前纠错o 所谓向前纠错向前纠错（Forward Error Correct，FEC）技术，就是信宿利用编码的方法不仅对接收到的数据进行检测，而且检测出差错后能自动纠正差错。o 3 反馈检验o 反馈检验反馈检验就是信宿将接收到的数据再传回信源，与信源中的原始数据进行比较，如果发现错误，信源就会重发该数据。2.10.3 奇偶校验码o 奇偶校验奇偶校验是最常用的差错检测方法，也是其他差错检测方法的基础。其原理是在7bit的ASC代码的最后一位增加1bit的校验位，使新组成的8bit单位中的“1”的个数成奇数（奇校验）或成偶数（偶校验）。经过传输

57、后，如果其中一位（包括校验位）出错，则接收端按同样的规则就能发现错误。o 奇偶校验分为水平奇偶校验、垂直奇偶校验和水平垂直奇偶校验三种。o 1 垂直奇偶校验o 垂直奇偶校验是以字符字符为单位的一种校验方法。使用ASC编码的一个字符由8bit组成，其中低7bit为信息位，最高1bit为校验位。o 假设某一字符的ASC编码为0011000，根据奇偶校验规则，如果采用奇校验，则校验位应为1（这样字符中1的个数才能为奇数），即00110001；如果采用偶校验，校验位应为0，即00110000。o 2 水平奇偶校验o 水平奇偶校验是以字符组字符组为单位，对一组字符中的相同位进行校验。数据传输还是以字符为

58、单位传输，传输按字符顺序一个个的进行，最后进行校验。o 3 水平垂直奇偶校验o 水平垂直奇偶校验是同时进行水平和垂直奇偶校验的差错检测方法。2.10.4 海明码o 1950年，海明海明（Hamming）发明了从待发送的数据位中生成一定数量的特殊码字，并通过此特殊码字来检测和纠正差错代码的理论和方法。o 按照海明的理论，如果对于m位的数据，当增加k位的校验位后，就组成n=m+k位的码字。o 海明码提出了一个能够直接指出错位的方案：首先把码字的位从1到n进行编号，并把这个编号用2的幂相加的形式表示成二进制数，然后对2的每一个幂设置一个奇偶位。例如，对于5（二进制数为101）号位置，将表示为：o 海

59、明码将校验位分配在1，2，4和8等位置上，其他位置存放数据.o 发送端(采用偶校验)o 接收端(采用偶校验)2.10.5 循环冗余校验o 循环冗余校验码循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）是一类重要的线性分组码，又称为多项式码多项式码。o 利用CRC进行检错的过程可简单描述为：在发送端根据要传送的k位二进制码序列，以一定的规则产生一个校验用的r位监督码(CRC码)，附在原始信息后边，构成一个新的二进制码序列数共k+r位，然后发送出去。在接收端，根据信息码和CRC码之间所遵循的规则进行检验，以确定传送中是否出错。o 1 CRC的硬件实现o 如图所示的是可以实现CRC的移位寄存器移位寄存器，它由k位组成，还有几个异或门和一条反馈回路。o 2 CRC的数学算法和分析o 假设，要发送的数据为k位，其多项式为（k-1）次多项式，记作K（x）；冗余校验位为r位，其多项式为（r-1）次多项式，记作R（x）。例如，要发送的数据为1011001，冗余校验位为1010，则k=7，r=4，对应的k-1次和r-1次多项式分别为：