作者：乔桂红 主编
出版社：人民邮电出版社
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数据通信与计算机网(第3版)试读：
前言
在当今的信息化时代，随着数据业务、特别是 IP 业务的快速发展，使得数据通信技术与计算机技术的结合更加紧密，这种不断融合的发展趋势，引领着世界进入信息与网络时代。为适应这一形势的发展，本书在原教材的基础上进行了修订。
本书以“十二五”规划教材精神为指导，精心组织编写队伍，在修订过程中注重教、学、做结合的一体化教学，设计了实训教学项目，使教学与实践有机结合，着重培养学生的实践能力和创新能力。将教材与岗位技术标准对接，注重实训操作，以突出技能、重在应用为主，同时适当增加新技术的内容。
本书在每章的开始明确本章的学习重点和难点，引导读者深入学习，在相关章节编写了实训项目，使得理论与实践紧密结合。本书力求基本概念简明扼要，基本原理描述准确清晰，轻理论推导，重实训技能操作，并且特别注意以形象直观的图表形式来配合文字的叙述，以帮助读者全面理解本书内容。全书内容共分7章。
第1章介绍数据通信系统的构成、数据传输方式、数据传输速率和复用技术等。
第2章介绍差错控制的基本方式、编码和滑窗协议，重点介绍循环码的编解码和ARQ原理。
第3章介绍数据通信的交换方式，包括电路交换、报文交换、分组交换、IP交换、MPLS技术与NGN技术等，重点介绍分组交换方式。
第4章介绍数据通信协议，包括 OSI 参考模型，TCP/IP 模型，物理层、数据链路层和网络层的通信协议。
第5章介绍Internet网络，主要有IPv4和IPv6地址，网络层、传输层和应用层协议，以及RIP、OSPF等路由选择协议和相应的实训项目。
第6章介绍局域网的基本概念、拓扑结构和参考模型，各种以太网的结构及组建，局域网设备，局域网规划设计，局域网配置命令，局域网仿真设计。
第7章介绍数据通信的接入技术，包括有线接入和无线接入技术，重点介绍xDSL接入技术、光纤接入技术和无线接入技术。
本书由石家庄邮电职业技术学院乔桂红负责修订第1章和第2章，赵艳春负责修订第4章和第5章，范兴娟负责修订第3章和第6章，张震强负责修订第7章。全书由乔桂红统稿。本书的修订得到了陕西通信职业技术学院刘省贤老师的全力指导与帮助，同时本书还得到了石家庄邮电职业技术学院教务处领导的大力支持和帮助，在此表示最诚挚的谢意！
由于通信技术发展迅猛，编者水平有限，加上时间仓促，书中难免有错误和不妥之处，敬请广大读者批评指正。编者
第1章 数据通信基础知识
【本章内容】数据通信的基本概念、特点和数据通信系统的构成。
数据传输代码、传输速率、信道容量。
数据通信的主要性能指标和传输方式。
数字数据信号的数字编码与调制。
数据通信的复用技术、传输介质和数据通信网。【本章重点、难点】
数据通信系统的构成。
数据传输速率、信道容量、传输方式和性能指标。
数据通信的数字编码和复用技术。【本章学习的目的和要求】
掌握数据通信的基本概念、数据通信系统的构成。
掌握数据通信的数据传输速率、传输方式、信道容量和性能指标。
掌握数据通信的传输方式、复用技术和数字编码。
了解数据传输介质、数据通信网的构成和分类。
1.1 数据通信概述
随着社会的进步，传统的电话、电报通信方式已不能满足大信息量的需要，以数据作为信息载体的通信手段已成为人们的迫切要求。计算机出现以后，为了实现远距离的资源共享，计算机技术与通信技术相结合，产生了数据通信，所以说数据通信是为了实现计算机与计算机之间或终端与计算机之间信息交互而产生的一种通信技术，是计算机与通信相结合的产物。
1.1.1 数据通信的基本概念
数据是信息的表示形式，是信息的物理表现。所有信息都要用某种形式的数据表示和传播。例如，“汽车”可以使用文字、声音、图画等数据形式表示。信息是数据表示的含义，是数据的逻辑抽象。信息不会因数据的表示形式不同而改变。但在一般情况下并不严格地区分信息与数据，比如把数据帧也叫信息帧，传递数据也叫传递信息。
数据通信主要研究二进制编码信息的通信过程。无论信息采用什么数据形式表示，在数据通信系统中都必须转化成二进制编码。例如，轿车可以使用“轿车”、“Car”等文字或轿车图片表示。在计算机网络中传递这个信息时，文字和图片对于计算机来说都是不可识别的形状，此时必须对图形或文字进行二进制编码。例如，文字“Car”可以使用“01000011 01100001 01110010”的ASCII编码表示。
数据通信中传递的是二进制编码数据。数据通信不能理解成是传递数字的通信。例如，需要传递数字“123”，在数据通信中不能直接传送这个数字，可以使用“00110001 00110010 00110011”ASCII 编码表示，也可以使用二进制数“1111011”表示。当然，具体采用哪种形式取决于通信双方约定的协议。数据通信可以传递数字，也可以传递表示信息的任何数据，包括文字、图像、数字和声音。
数据通信的严格定义是依照通信协议，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、计算机与终端或终端与终端之间的数据信息传递。
数据通信包括的内容有数据传输和数据传输前后的数据处理。数据传输指的是通过某种方式建立一个数据传输通道传输数据信号，它是数据通信的基础；数据处理是为了使数据更有效、可靠地传输，包括数据集中、数据交换、差错控制和传输规程等。
1.1.2 数据通信系统的构成
数据通信系统是指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。
典型的数据通信系统主要由中央计算机系统、数据终端设备和数据电路3部分构成，如图1-1所示。图1-1 数据通信系统的基本构成
1.数据终端设备（1）功能
数据终端设备（DTE）是产生数据的数据源或接收数据的数据宿。它把人可识别的信息变成以数字代码表示的数据，并把这些数据送到远端的计算机系统，同时可以接收远端计算机系统的数据，并将它变为人可以理解的信息，即完成数据的接收和发送。（2）组成
数据终端设备由数据输入设备（产生数据的数据源）、数据输出设备（接收数据的数据宿）和传输控制器组成。
数据输入/输出设备。数据输入/输出设备是操作人员与终端之间的界面，它把人可以识别的信息变换成计算机可以处理的信息或者相反的过程。数据的输入/输出可以通过键盘、鼠标、手写、声、光等手段。最常见的输入设备是键盘、鼠标和扫描仪，输出设备可以是显示器、打印机、绘图机、磁带或磁盘的写入部分、传真机和各种记录仪等。
传输控制器。传输控制器主要执行与通信网络之间的通信过程控制，由软件实现，包括差错控制、流量控制、接续和传输等通信协议的实现。
2.数据电路（1）功能
数据电路位于数据终端设备和中央计算机系统之间，为数据通信提供一条传输通道。（2）组成
数据电路由传输信道及两端的数据电路终接设备（DCE）组成。
传输信道。传输信道由通信线路和通信设备组成。通信线路一般采用电缆、光缆、微波和卫星等。通信设备可分为模拟通信设备和数字通信设备，从而使传输信道分为模拟传输信道和数字传输信道。
DCE。DCE 是 DTE 与传输信道之间的接口设备，其主要作用是信号变换，即将DTE发出的数据信号变换成适合信道传输的信号，或完成相反的变换。
当传输信道为模拟传输信道时，发送方将DTE送来的数字信号进行调制（频谱搬移），使其变成模拟信号送往信道，或进行相反的变换，这时DCE是调制解调器（Modem）。
当传输信道是数字信道时，DCE 实际是数字接口适配器，包含数据服务单元（DSU）与信道服务单元（CSU）。其完成码型转换、定时、同步等功能，常见的 DCE 设备有基带Modem、数据终端单元（DTU）等。
3.中央计算机系统（1）功能
中央计算机系统处理从数据终端设备输入的数据信息，并将处理结果向相应数据终端设备输出。（2）组成
中央计算机系统由主机、通信控制器（又称前置处理机）及外围设备组成。
主机。主机又称中央处理机，由中央处理单元（CPU）、主存储器、输入/输出设备等组成，其主要功能是进行数据处理。
通信控制器。通信控制器是数据电路和计算机系统的接口，用于管理与数据终端相连接的所有通信线路，接收从远程DTE发来的数据信号，并向远程DTE发送数据信号。
当考察正在通信的一个 DTE 和中央计算机系统时，中央计算机系统等同于一个 DTE，这时通信控制器的作用与传输控制器相同。
一个中央计算机系统可通过通信线路连接多个数据终端，实现主机资源共享。在实际应用中数据通信系统的例子如图1-2所示。
4.数据线路、数据电路及数据链路的区别
数据线路（传输信道）：包括有线线路和无线线路，根据通信设备的不同有模拟信道和数字信道之分。图1-2 数据通信系统示例
数据电路：数据线路+DCE，是物理上的概念。
数据链路（Data Link）：数据电路+控制装置（传输控制器和通信控制器），是逻辑上的概念。
数据线路是指实际的物理线路，是传输的基础。数据电路是在数据线路的基础上加信号变换装置（DCE）构成的。数据链路是由控制装置（传输控制器和通信控制器）和数据电路所组成的，它是在数据电路建立后，为了进行有效的数据通信，通过传输控制器和通信控制器，按照事先约定的传输控制规程来对传输过程进行控制，以使双方能够协调和可靠地工作，包括收发方同步、工作方式选择、差错检测与纠正和流量控制等。一般来说，只有建立起数据链路以后，通信双方才能真正有效地进行数据通信。
1.2 数据传输代码
在各种计算机和终端设备构成的数据通信系统中，内部信息是用二进制数表示的，而数据终端设备或计算机发出的数据信息则是由各种字母、数字或符号的组合来表示的。因而，为了实现正确的数据通信，需将二进制数和字母、数字或符号的对应关系做统一的规定，这种规定称为传输代码或编码。目前常用的传输代码有：ASCII、国际电报 2 号码（ITA2码）、EBCDIC、信息交换用汉字代码等。
1.ASCII
ASCII（IA5）称为美国信息交换用标准代码，1963 年由美国国家标准学会（ANSI）最早提出，后被ISO和原CCITT采纳并发展成为国际通用的信息交换用标准代码。
ASCII也称为国际5号码（IA5），是一种7单位代码，即以7位二进制码来表示一个字母、数字或符号。7
7 位二进制共有2=128 种组合，可以表示128 个不同的数字、字母和符号，如表1-1 所示。其分配是：大、小写英文字母各26个，数字10个，图形符号33个，控制符号32个，还有一个DEL（删除）符号。表1-1中二进制为bbbbbbb，其中b为高位，b为低位。765432171
表1-1中第0列和第1列是32个控制字符集，称为C集（控制集）。C集不能被显示或打印，只产生控制功能，如回车、换行、移位等。C 集的 32 个控制字符从功能上可分为以下5大类。表1-1 ASCII（IA5）编码表（1）FE～FE为页面格式控制字符，用于控制所要打印或显示05字符的位置。（2）TC～TC 为传输控制字符，用于各种数据终端设备或系110统之间的基本数据传输控制。（3）DC～DC 为外围设备控制字符，用于控制同数据处理系统14或数据通信系统相联系的设备，而不能用于控制通信传输。（4）IS～IS为分隔字符，用于标识信息的构成。l4（5）其他特殊功能控制字符，用于特殊功能控制。
表中的第 2～7 列除 SP（Space，空格）和 DEL（Delete，删除）两个字符外，其余均为可显示或打印用的图形字符，简称 G 集（图形字符集），包括大、小写英文字母各 26个，数字10个，图形符号32个，共94个。例如，“A”的代码为“1000001”。
代码在顺序传输过程中一般以 b为第一位，b为最后一位。为17了提高可靠性，常在 b之后附加一位b用于奇偶校验。78
ASCII 是当前在数据通信中使用最普遍的一种代码，我国在 1980 年颁布的国家标准GBl988-80“信息处理交换用的七位编码字符集”也是根据ASCII制定的，它与ASCII的差别只在于2/4位置上，将国际通用货币符号“¤”改为“￥”，在国内通用。
2.国际电报2号码
国际电报 2 号码（ITA2）是一种 5 单位代码，又称波多码，是起止式电传电报通信中的标准代码。目前在采用普通电传机作为终端的低速数据通信系统中，仍使用这种代码。
3.EBCDIC
EBCDIC 是扩充的二——十进制码的简称，是一种 8 单位代码。由于第 8 位用于扩充功能，不能用于奇偶校验，故这种码一般不用于远距离传输，而用于计算机的内部码，尤其为IBM机采用。
4.信息交换用汉字代码
信息交换用汉字代码是汉字信息交换用的标准代码，它适用于一般的汉字处理、汉字通信等系统之间的信息交换。其对于任何一个图形字符都采用两个字节表示，每个字节均采用国家标准GBl988-80“信息处理交换用的七位编码字符集”的7单位代码。
1.3 数据传输速率
数据传输速率是衡量系统传输能力的主要指标，通常可用调制速率、数据传信速率描述。
1.调制速率
调制速率反映信号波形变换的频繁程度，其定义是每秒传输信号码元（波形）的个数，又称符号速率、码元速率或波特率，记为N，Bd单位为波特（baud）。
若一个信号码元的持续时间为 T （秒），则波特率N为Bd
其中，T为码元宽带或码元持续时间长度。-6-6
例如，若 T=833×10秒，则调制速率N=1/T=1/(833×10)≈1 Bd200baud。
图 1-3（a）所示为二电平信号码元，一个信号码元有两种状态，0 或 1；图 1-3（b）所示为四电平信号，一个码元有 4 种不同的状态，01、11、00 或10，因此每个信号码元可以是4种状态之一；图 1-3（c）所示为调频波，以 f 表示代码“1”，f表示代码“0”。10N=1/T （baud）Bd图1-3 数据信号举例
由此可见，对于调制速率，不论一个信号码元有多少状态，也不论一个信号码元用多少二进制代码表示，只计算一秒内所传输的信号码元（波形）的个数。这里的信号码元的持续时间长度 T 是信号码元中的最短时间长度。如图 1-3（a）所示的连续两个“1”代码，其信号正电压持续时间长度为2T，而不能以2T作为信号码元时间长度。
2.数据传信速率
数据传信速率是指每秒传输二进制码元的个数（或单位时间内传送的比特数），又称比特率，记为 R，单位为比特/秒（bit/s），有时用千比特/秒（kbit/s）、兆比特/秒（Mbit/s）、吉比特/秒（Gbit/s）等。它是反映传输速率的另一个指标。
比特一词是英文（binary digital）的缩写，在信息论中作为信息量的度量单位，其为最小的信息单位。在数字通信中习惯上用它来表征二进制代码中的位。在数据通信中，如果使用代码“1”或“0”的概率是相同的，则每个“1”或“0”含有 1bit 的信息量。因此传递了一个代码就相当于传递了1比特的信息，故数据传信速率又称信息传输速率。n
根据实际需要，数据传信速率已形成国际标准系列，一般按 2·150（bit/s）算式确定，式中 n 为整数。比如有 300bit/s、600bit/s、1 200bit/s、2 400bit/s……19 200bit/s 等速率，也有不按这一等式的速率，如14.4kbit/s、28.8kbit/s、33.6kbit/s、56kbit/s、64kbit/s等。
3.调制速率与传信速率的关系
以上所讲的调制速率和数据传信速率的物理意义是不同的，前者描述了单位时间内系统所传输的码元数，而后者说明系统在单位时间内所传输的信息量，两者具有不同的定义，不应混淆，但是它们之间有确定的关系。当数据信号是二进制脉冲（即二状态或二电平）时，调制速率和数据传信速率相同，当数据信号采用多进制（多电平制、多状态制）时，则两者的速率是不相同的。
例如，图1-3（b）与图1-3（a）相比，四进制中一个信号码元（T）包含2个代码。这样对于图 1-3（b）来说，它的调制速率 N=1/Bd-6-6T=1/(833×10)≈1 200baud（当 T=833×10s），但它的传信速率-6R=2N=2 400bit/s（当T=833×10s）。Bd
一般而言，对于四电平信号，需要 2 位二进制码元表示，可表2示 2 种不同的状态， R=2N（bit/s）。对于八电平信号，需要 3 位Bd3二进制码元表示，可表示 2 种不同的状态， R=3N（bit/s）。以此Bd类推，若一个信号波形有M个电平，则需要用logM个二进制码元表2示。调制速率与数据传信速率的关系为R=N logM （bit/s）Bd2
可见，在相同码元周期（T）的情况下，每个码元可以变化的状态数越多，传送的数据也越多。据此通常可用增加信号码元的可变状态数（M）来提高数据传信速率。但是信号码元的宽度 T 受到信道带宽的限制，码元的可变状态数的增加会引起接收方错误判决的增多，因此在一定信道的条件下数据传信速率不可以无限增加。
1.4 信道容量
信道容量是指在单位时间内所能传送的最大信息量，即信道的最大传信速率，单位是比特/秒（bit/s）。其与数据传信速率的区别是：前者表示信道的最大传信速率，是信道传输数据能力的极限，而后者是实际的数据传输速率，就像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。
1.模拟信道的信道容量
模拟信道的信道容量可以根据香农（Shannon）定律计算。香农定律指出：在信号平均功率受限的高斯白噪声信道中，信道的极限信息传输速率（信道容量）为
其中，S 为信号功率，N 为噪声功率，S/N 是平均信号噪声功率比，通常把信噪比表示成10log（S/N）分贝（dB），B为信道带宽，C为信道容量。【例1-1】 若信道带宽为3 000Hz，信号噪声功率比为30dB，求信道容量。30/10
解 因为 10log(S/N)=30，所以 S/N=10=1 000，即当信号噪2声功率比为 30dB时，信号功率比噪声功率大1 000倍，则该信道容量为
可见，信道容量是在一定S/N下信道能达到的最大传信速率，实际通信系统的传信速率要低于信道容量，但随着技术进步，可接近极限值。
2.数字信道的信道容量
数字信道的信道容量可以依据奈奎斯特（Nyquist）定理计算。奈奎斯特定理指出：带宽为BHz的信道，所能传送信号的最高码元速率（即调制速率）为2B波特。因此，数字信道的信道容量C可表示为C=2BlogM（bit/s）2
其中，M为码元符号所能取的离散值个数，即指M进制。【例1-2】 设数字信道的带宽为 3 000Hz，采用 16 进制传输，计算无噪声时该数字信道的通信容量。
解 C=2BlogM=2×3 000×log16=24 000（bit/s）22
当存在噪声时，传送将出现差错，从而造成信息的损失和信道容量的降低。
1.5 数据通信系统的主要性能指标
数据通信系统的性能指标主要有两个，可靠性指标和有效性指标。可靠性指标用于衡量系统的传输质量，有效性指标用于衡量系统的传输效率。
1.可靠性指标
由于数据信号在传输过程中不可避免地会受到外界的噪声干扰，信道的不理想也会带来信号畸变，当噪声干扰和信号畸变达到一定程度时就可能导致接收的差错。常用误码（比特）率（即指二进制码元在传输中出错的概率）来衡量数据通信系统可靠性的指标。从传统的理论讲，当所传送的数字序列无限长时，误码率等于被传错的二进制码元数与所传码元总数之比，即误码率（P）＝接收出现差错的比特数（N）/总的发送比特数（N）ee-6
在计算机网络通信系统中要求误码率低于 10。传统的铜线信道-6-9误码率在 10 以下，光纤信道误码率在10以下。
2.有效性指标
衡量系统有效性的主要指标是频带利用率。它反映了数据传输系统对频带资源的利用水平和有效程度。频带利用率是指单位频带内的调制速率或传信速率，即每赫兹的波特数（baud/Hz）或每赫兹每秒的比特数（bit/(s·Hz)）。用公式表示为η＝系统的调制速率（baud）/系统的频带宽度（Hz） （baud/Hz）η＝系统的传信速率（bit/s）/系统的频带宽度（Hz） （bit/(s·Hz)）
一般来说，数据传输系统所占的频带越宽，传输信号的能力就越大。若两个传输系统的传信速率相同，但所占频带不同，则它们的传输效率也不同。
1.6 数据信号的传输方式
数据传输方式是指数据在信道上传送所采取的方式。如按数据代码传输的顺序可以分为并行传输和串行传输，如按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输，如按数据传输的流向和时间关系可分为单工、半双工和全双工数据传输，如按数据传输的频带可分为基带传输和频带传输。
1.6.1 并行传输与串行传输
1.并行传输
并行传输指的是数据以成组的方式，在多条并行信道上同时进行传输。常用的是将构成一个字符的几位二进制码同时分别在几个并行的信道上传输，另外加一条“选通”线用来通知接收设备，以指示各条信道上已出现某一字符信息，可对各条信道上的信号进行取样了。图1-4给出了一个采用8 单位二进制码构成一个字符进行并行传输的示意图。图1-4 并行传输示意图
并行传输的主要优点是：①系统采用多个信道并行传输，一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符同步的问题，不需要额外的措施来实现收发双方的字符同步；②传输速度快，一位（比特）时间内可传输一个字符。
并行传输的主要缺点是：①通信成本高，每位传输要求一个单独的信道支持，因此如果一个字符包含8个二进制位，则并行传输要求8个独立的信道支持；②不支持长距离传输，由于信道之间的电容感应，远距离传输时，可靠性较低，适于设备之间的距离较近时采用，例如，计算机和打印机之间的数据传送。
2.串行传输
串行传输指的是组成字符的若干位二进制码排列成数据流以串行的方式在一条信道上传输。通常传输顺序为由高位到低位，传完一个字符再传下一个字符，因此收、发双方必须保持字符同步，以使接收方能够从接收的数据比特流中正确区分出与发送方相同的一个个字符。这就需要外加同步措施，这是串行传输必须解决的问题。
在铜线系统中，串行传输方式的一条信道总是使用两根信号线，而并行传输方式中的信号线数目和并行传输的数据位数有关。在远距离通信系统中，通信线路的成本是最高的，所以并行传输方式一般只在系统的内部或短距离的系统之间使用。计算机网络中的通信方式一般都是串行传输方式，通信课程中涉及的内容一般都是针对串行传输方式的。
1.6.2 异步传输与同步传输
在串行传输方式中，数据是按位传输的，发送方和接收方必须按照相同的时序发送和接收数据，才能够进行正确的数据传送。根据传输时序的控制技术可以分为异步传输方式和同步传输方式。
1.异步传输
异步传输方式是收、发双方不需要传输时钟同步信号的传输时序控制技术。RS-232C接口一般使用异步传输方式（RS-232C 的 9 针连接器只能使用异步传输方式）。异步传输方式的传输时序控制简单，一般用于字节（字符）数据传输。
异步传输方式一般以字符为单位传输，不论字符所采用的代码为多少位，在发送每一个字符代码时，都要在前面加上一个起始位，长度为1个码元长度，极性为“0”，表示一个字符的开始；后面加上一个终止位，长度为 1、1.5 或 2 个码元长度（对于国际电报 2 号码，终止位长度为1.5个码元长度；对于国际5号码或其他代码，终止位长度为1个或2个码元长度），极性为“1”，表示一个字符的结束。字符可以连续发送，也可以单独发送。当不发送字符时，连续发送“止”信号，即保持“1”状态。因此，每个字符的起始时刻可以是任意的（这正是称为异步传输的含义），但在同一字符内部各码元长度相等。接收方可以根据字符之间从终止位到起始位的跳变，即由“1”→“0”的下降沿来识别一个字符的开始，然后从下降沿以后T/2秒（T为接收方本地时钟周期）开始每隔T秒进行取样，直到取样完整个字符，从而正确地区分一个个字符，这种字符同步方法又称为起止式同步。图 1-5（a）表示异步传输的情况。
异步传输方式比较简单，收发双方的时钟信号不需要严格同步。缺点是对每个字符都需加入起始位和终止位（即增加了2～3bit），降低了传输效率。如字符采用国际5号码，起始位为1位，终止位为1位，并采用1位奇偶校验位，则传输效率η=7/(7＋1＋1＋1)=70%。
2.同步传输
同步传输是以固定的时钟节拍来发送数据信号的，因此在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的（即同步）。接收方为了从接收到的数据流中正确地区分一个个信号码元，必须建立准确的时钟信号。
在同步传输中，数据的发送一般以组（或帧）为单位，一组或一帧数据包含多个字符代码或多个比特，在组或帧的开始和结束需加上预先规定的起始序列和结束序列作为标志。起始序列和结束序列的形式根据所采用的传输控制规程而定，有两种同步方式，即字符同步和帧同步，分别如图1-5（b）和图1-5（c）所示。图1-5 异步传输和同步传输示意图
字符同步在ASCII中用SYN（码型为“0010110”）作为“同步字符”，通知接收设备表示一帧的开始，用EOT（码型为“0000100”）作为“传输结束字符”，以表示一帧的结束。
帧同步用标志字节 FLAG（码型为“01111110”）来表示一帧的开始或结束。由于帧的发送长度可变，且不能预先确定何时开始帧的发送，故用标志字节表示一帧的开始和结束。
同步传输与异步传输相比，由于它发送每个字符时不需要对每个字符单独加起始位和终止位，只是在一串字符的前后加上标志字节，故具有较高的传输效率，但实现起来比较复杂，通常用于速率为2.4kbit/s及以上的数据传输。
1.6.3 单工、半双工和全双工传输
数据传输是有方向的，根据数据电路的传输能力，有单工、半双工和全双工3种不同的传输方式或通信方式，如图1-6所示。图1-6 单工、半双工、全双工传输
1.单工传输
单工传输是指传输系统的两数据站之间只能沿单一方向进行数据传输，如图 1-6（a）所示的数据只能由 A 传送到 B，而不能由 B 传送到 A，但是允许由B向A传送一些简单的控制信号（联络信号）。由A到B的信道称为正向信道，由B向A的信道称为反向信道。
这种传输方式，系统的一端固定为发送端，另一端固定为接收端。一般正向信道传输速率较高，反向信道的传输速率较低，为 5～75bit/s。在实际应用中可用反向信道，也可不用。气象数据的收集，计算机与监视器及键盘与计算机之间的数据传输就是单工传输的例子。
2.半双工传输
半双工传输是指系统两端可以在两个方向上进行数据传输，但两个方向的传输不能同时进行，当其中一端发送时，另一端只能接收，反之亦然，如图 1-6（b）所示。无论哪一方开始传输，都使用信道的整个带宽。对讲机、民用无线电和总线型局域网都是半双工传输。
3.全双工传输
全双工传输是指系统两端可以在两个方向上同时进行数据传输，即两端都可同时发送和接收数据，如图1-6（c）所示，适用于计算机之间的高速数据通信系统。
通常在四线线路上实现全双工数据传输，在二线线路上实现单工或半双工数据传输。当采用频分复用、时间压缩法（TCM）或回波抵消（EC）技术时，在二线线路上也可实现全双工数据传输。
1.6.4 基带传输和频带传输
数据信号在信道中的传输形式有基带传输和频带传输。
1.基带传输
在数据通信中传输的都是二进制编码数据信号，数据终端设备把数据转换成数字脉冲信号。数字脉冲信号所固有的基本频带，简称基带。未经调制的电脉冲信号呈现方波形式，所占据的频带通常从直流和低频开始，因而称为基带信号。在信道中直接传送基带信号称为基带传输。
基带传输可以理解为直接传输数字信号，由于数字信号中包含从直流到数百兆赫的频率成分，信号带宽较大。采用基带传输数据时，数字信号将占用较大的信道带宽，适应短距离传输的场合。由于基带传输系统比较简单，且传输速率较高，在近距离的局域网中一般采用基带传输方式。
2.频带传输
基带传输方式虽然简单，但不适合长距离传输，而且不适合在模拟信道上传输数字信号。例如，在电话语音信道上不能传输基带数字信号，因为电话语音信道只有 4kHz 的带宽，远远小于数字脉冲信号的带宽，不适于直接传输频带很宽，但能量集中在低频段的数字基带信号。
为了利用模拟信道长距离传输数字信号，需要把基带数字信号利用某一频率正弦（或余弦）波的参量表示出来，这个正弦（或余弦）波称为载波，利用载波参量传输数字信号的方法称为频带传输。把数字信号用载波参量表示的过程叫做调制，在接收端把数字信号从载波信号中分离出来的过程叫做解调。实现信号调制和解调的设备称为调制解调器（Modem）。
信号调制的目的是为了更好地适应信号传输通道的频率特性，传输信号经过调制处理也能克服基带传输占用频带过宽的缺点，提高线路的利用率。远距离通信时通常采用频带传输。
1.7 数字数据信号的编码
1.数字数据信号的数字编码
在基带传输系统中，直接传输 DTE 产生的数字信号。为了正确无误地传输数字数据，一般需要在 DCE 中对数字数据进行编码。数字数据的数字信号编码的目标是：经过编码，使二进制“1”和“0”的特性有利于传输。在基带传输系统中常用的数字信号编码方式如图1-7所示。（1）传号交替反转（AMI）码。在AMI码中，二进制信息“0”变换为三码元信号序列中的“0”，二进制信息“1”交替地变换为“ + 1”和“-1”的归零码，通常脉冲宽度为码元周期之半，其波形如图1-7（a）所示。
这种码型在“1”、“0”码不等概率的情况下也无直流成分，且零频附近低频分量小，因此，对具有变压器或其他交流耦合的传输信道来说，不易受隔直流特性的影响；若接收端收到的码元极性与发送端的完全相反，也能正确判决，便于观察误码情况；此外，AMI 码还有编译码电路简单等优点，是一种基本的线路码，得到广泛使用。（2）CMI 码。CMI 码是传号反转码的简称，其编码规则为：“1”码交替用“00”和“11”表示，“0”码用“01”表示。图 1-7（b）给出其编码的例子。CMI 码的优点是没有直流分量，且又频繁出现波形跳变，便于定时信息提取，具有误码监测能力，且编、译码电路简单，容易实现，因此，在高次群脉冲编码调制终端设备中广泛用作接口码型。（3）双相码（曼彻斯特码）。双相码又称分相码或曼彻斯特码。该码型的特点是每个码元用两个连续极性相反的脉冲来表示。例如，“1”码用正、负脉冲表示，“0”码用负、正脉冲表示，如图 1-7（c）所示。由于双相码的每位信号中间都发生电平跳变，所以不含直流分量。另外，可以从位中间的跳变点获取时钟信号，两个跳变点之间为一个信号周期，所以双相码中不需要传输同步时钟信号，信号编码中自带同步时钟信号。
双相码适用于数据终端设备在中速短距离上传输，如以太网采用双相码作为线路传输码。双相码的每个信号周期需要占用两个系统时钟周期，其编码效率为 50%，编码效率低。如在10Mbit/s的局域网中，为了达到10Mbit/s的传输速率，系统必须提供20MHz以上的时钟频率。（4）差分双相码（差分曼彻斯特码）。双相码当极性反转时会引起译码错误，为解决此问题，可以采用差分双相码。
差分双相码是将双相码中用绝对电平表示的波形改用电平的相对变化来表示，从而解决双相码因极性反转引起的译码错误。
在差分双相码中，每个信号编码位中间的跳变只起携带时钟信号的作用，与信号表示数据无关。数字“1”和“0”用数据位之间的跳变表示。如果下一位数字是“0”，码元之间要发生电平跳变；如果下一位数字是“1”，码元之间不发生电平跳变，如图 1-7（d）所示。差分双相码提高了抗干扰能力，在信号极性发生翻转时并不影响信号的接收判决，其编码效率仍然是50%。（5）非归零交替码。双相码虽然有很多优点，但编码效率太低，影响信道的数据传输速率。非归零交替编码的编码效率为 100%，但存在着直流分量大，难以提取同步时钟信号的缺点。非归零交替编码采用电平跳变表示数字“1”，无电平变化表示数字“0”，如图 1-7（e）所示。图1-7 基带传输系统中常用的数字信号编码
非归零交替编码提高了编码的抗干扰能力，信号极性翻转不影响接收判决。同步时钟信号可以在包含连续几个“1”的同步字符中提取。但非归零交替编码中如果包含的数字“0”的个数较多时，电路中的直流分量依然较大。（6）其他编码。为了解决非归零交替编码中直流分量较大的问题，在IEEE 802.3u标准（100Base-TX）中使用了4B/5B编码。5B编码使用5位二进制进行编码，可以得到32组编码，4B/5B 表示使用 5B 编码传送 4 位二进制数据。4 位二进制数只需使用 16 组编码，在32组编码中挑选16组包含多个“1”的编码是容易做到的。
4B/5B 编码在 5 个时钟周期内传送 4 位有效数据，其编码效率为 80%。在 100Base-TX局域网中，时钟频率为125MHz，每5个时钟周期为一组，每组发送4位数据，传输速率为100Mbit/s。这种码型输出虽比输入增加 20%的码速，但却换来了便于提取定时、低频分量小、同步迅速等优点。
另外，还有8B/10B编码，它是在Gbit/s以太网和10Gbit/s以太网中使用的数据编码。
2.数字数据信号的调制编码
数字信号调制过程是利用数字信号控制载波信号的参量变化的过程。在实际通信中有不少信道都不能直接传送基带信号，必须进行调制。所谓调制就是用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化。用以调制的基带信号是数字信号，所以又称为数字调制。数字调制有幅度调制、相位调制和频率调制3种基本形式，并可派生出多种其他形式。（1）幅度调制编码
幅度调制编码使用数字信号控制载波的幅度，通过载波幅度变化表示二进制数字“0”或“1”，又称数字调幅或幅移键控（ASK），图1-8所示为2ASK信号波形。图1-8 2ASK信号波形
幅度调制编码使用信号幅度的大小表示数据，调制方法简单，容易实现，但信号中的直流成分较大，而且容易受外界电磁波干扰，一般较少使用。（2）频率调制编码
频率调制编码使用数字信号控制载波的频率，通过载波频率变化表示二进制数字“0”或“1”，又称数字调频或频移键控（FSK）。图1-9所示为2FSK信号波形。图1-9 2FSK信号波形
频率调制编码方式比较简单，而且抗干扰能力较强。频率调制需要使用两个或多个频率的载波。使用频率调制时，各个载波之间为了避免干扰，必须留出一定的频率间隔，所以频率调制信号占用的频带较宽，特别是使用多个载波频率时，占用信道的频率更宽。（3）相位调制编码
相位调制编码使用数字信号控制载波的相位，通过载波相位变化表示二进制数字“0”或“1”，又称为数字调相或相移键控（PSK）。
图 1-10 所示给出了二相数字调相波形。其中，图 1-10（a）所示为数据信号序列；图 1-10 （b）所示为未调载波信号；图 1-10（c）所示为二相绝对调相信号，记为 2PSK；图 1-10（d）所示为二相相对调相信号，或称二相差分调相信号，记为2DPSK。
以载波的不同相位直接表示相应数字信息的相移键控，称为“绝对调相”。绝对调相信号的变换规则是：数据信号 S(t)的“1”都对应于已调信号 e(t)中的载波 0°相位；数据信号S(t)的“0”都对应于已调信号e(t)的载波π相位，或反之。
这种绝对调相方式，在接收端必须用相干载波来解调，存在相干载波相位模糊问题，即在二相绝对调相接收中可能出现“倒π”现象或“反向”工作现象。实际中一般不采用 2PSK方式，而采用一种相对（差分）调相方式，如图 1-10（d）中所示波形。图中每一个码元载波相位的变化都不是以未调载波信号的相位作参考，而是以前一码元载波的相位作参考。图1-10 2PSK信号波形
相对调相方式是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。相对调相信号的变换规则是：数据信号S(t)的“0”使已调信号的相位变化0°相位；数据信号S(t)的“1”使已调信号的相位变化π相位，或反之。这里的0°和π的变化是相对于已调信号的前一码元的相位，或者说，这里的变化是以已调信号的前一码元相位作参考相位的。图 1-10中的（a）和（d）的调相称为二相相对调相（2DPSK）。
需要说明一点：图 1-10 中的（c）和（d），从波形上看并不能区别是 2PSK 还是2DPSK，只有与S(t)联系起来看才能确定。
数字调相是在数据通信中应用最多的调制技术。数字调相的信号带宽小，占用信道带宽小。数字调相在实际应用中多使用四相位、八相位和十六相位调制，在一个信号码元中可以传输2位、3位和4位二进制数据。表1-2所示为八相位绝对相位调制的信号编码表。表1-2 八相位绝对相位调制信号编码表（4）混合调制编码
多相位调制在一个信号码元中可以包含多比特数据信息，但如果相位差太小，接收方就难以识别不同的信号码元，所以不能无限制地增加调制相位。为了进一步提高码元表示的数据比特数，在频带传输中还采用幅度——相位、频率——相位混合调制编码技术。
幅度——相位调制使用不同的幅度和不同的相位值表示数字数据。例如，在十六相位调制中，每个码元包含 4bit 二进制数字，这时假定载波信号的幅度值是 A，在同样的相位编码信号中，使用幅1度是 A的载波信号，就可以得到另一组包含 4bit 二进制数字的编码2信号，两组信号合起来相当于每个信号码元中包含了5bit二进制数字。表1-3所示是八相位两幅度混合调制编码举例。表1-3 八相位两幅度混合调制信号编码表
1.8 多路复用技术
多路复用技术就是使多路单个信号复用在一起在一个信道上进行传输的技术。在实际的数据通信系统中，传输介质的传输能力几乎总是比传输单个信号所需的容量大得多。使用多路复用技术的目的就是为了充分发挥传输介质的效益，提高线路的利用率。常用的多路复用技术有电信号传输中的频分复用、时分复用、统计时分复用，光信号传输中的波分复用，无线移动通信中的码分复用等。在计算机网络中主要采用统计时分复用技术，在无线局域网中主要采用码分多址复用技术。
1.8.1 频分复用
频分复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）是在传输介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，把多路信号调制在不同频率的载波上，实现在同一传输介质上同时传输多路信号的技术。
图 1-11 所示为频分复用示意图。可见，频分复用技术对整个物理信道的可用带宽进行分割，并利用载波调制技术，实现原始信号的频谱搬移，使得多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内，实现频谱上的不重叠，从而共用一个信道。为了防止多路信号之间的相互干扰，使用隔离频带来隔离每个子信道。图1-11 频分复用示意图
FDM 主要适用于传输模拟信号的频分制信道，无线调频广播就是频分复用最简单的例子。非对称数字环路（ADSL）和电话共用一条电话线路利用的就是频分复用技术。
虽然 FDM 可使多个用户共享一条传输线路资源，但由于 FDM 给每个用户预分配好子频带，各用户独占子频带，因而使得线路的传输能力不能充分利用。
1.8.2 时分复用
时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）是一种当传输介质可以达到的数据传输速率超过被传输信号的传输速率时，把多路信号按一定的时间间隔传送的方法，是实现在同一传输介质上“同时”传输多路信号的技术。通过时分复用技术，多路低速数字信号可复用到一条高速数据信道中进行传输。例如，数据传输速率为48kbit/s的信道可传输5路传输速率为9.6kbit/s的信号，也可传输20路传输速率为2.4kbit/s的信号。
图 1-12 给出了一个同步时分复用器的示意图。我们可以把复用器比做一个旋转开关，开关的每个接点与一个低速信道相连，当开关的刀旋转到某一接点时，发送端就对该信道的数据抽样，然后送到复用信道上去。接收端开关的刀和发送端开关的刀同步旋转，把复用信道中的数据分别传到相应的低速信道上去。PCM30/32 路系统就是 TDM 的一个典型例子。图1-12 同步时分复用示意图
在 TDM 方式中可使多个用户共享一条传输线路资源，但是 TDM 方式的时隙是预先分配的，且是固定的，每个用户独占时隙，不是所有终端在每个时隙内都有数据输出，所以时隙的利用率较低，线路的传输能力不能充分利用，这样就出现了统计时分复用。
1.8.3 统计时分复用
在前面讨论的 TDM（又称静态时分复用，或同步时分复用）中，每个低速数据信道固定分配到高速集合信道的一个时隙，集合信道的传输速率等于各低速数据信道速率之和。由于一般数据用户的数据量比较小，而且使用的频率较低，因此，当一个或几个用户终端没有有效数据传输时，在集合帧中仍要插入无用字符。这样，空闲信道（时隙）就浪费了，这使得信道利用率不高。这种固定时隙分配的 TDM 系统，接入的用户终端数目及速率受集合信道传输速率的限制。
统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing，STDM）针对TDM的缺点，根据用户实际需要动态地分配线路资源，因此也叫动态时分复用。也就是当某一路用户有数据要传输时才给他分配资源，若用户暂停发送数据，则不给其分配线路资源，线路的传输能力可用于为其他用户传输更多的数据，从而提高了线路利用率。这种根据用户的实际需要分配线路资源的方法称为统计时分复用。
图 1-13 所示给出了 TDM 和 STDM 复用原理的基本差别示意图。可见，采用 TDM时，虽然在第一个扫描周期中的C、D时隙，11第二扫描周期中的A时隙，第三个扫描周期中的 A、B、C时隙中2333无待发送的数据信息，但仍占用固定时隙，这样，等于白白浪费信道的资源，降低了传输效率。而 STDM 是按需分配时隙的，各路输入数据信息并不占用固定的时隙，所以就不会发送空的时隙。如在第一个周期（时间段）中，只有来自 A 和 B 的时隙被发送，使时隙得到充分利用，从而提高传输效率。因此，在 STDM 系统中，集合信道的传输速率可以大于各低速数据信道速率之和。图1-13 TDM与STDM复用原理的基本差别示意图
由此可见，统计时分复用方式可以提高线路传输的利用率，计算机通信多采用此种方式，IP电话就是STDM的一种应用。
在统计时分复用方式中，时隙位置失去了意义，因此当用户数据到达接收端时，由于它们不是以固定的顺序出现的，接收端就不知道应该将哪一个时隙内的数据送到哪一个用户。为了解决这个问题，必须在所传数据单元前附加地址信息，并对所传数据单元加上编号。这种机理就像把传输信道分成了若干子信道，称之为逻辑信道，每个子信道可用相应的号码表示，称做逻辑信道号，逻辑信道号作为传输线路的一种资源。逻辑信道为用户提供了独立的数据流通路，对同一个用户，每次通信可分配不同的逻辑信道号。
1.8.4 波分复用
波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的信号复合起来（复用），送入到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将复合波长的光信号分开（解复用），并做进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。也就是说利用波分复用设备，在发端将不同波长的光信号复用到一条光纤上进行传输，在收端采用波分解复用设备分离不同波长的光信号。
WDM 系统的基本构成主要有两种形式，即双纤单向（也称双纤双向）传输和单纤双向传输。双纤单向传输是指采用两根光纤实现两个方向的信号传输，完成全双工通信。如图 1-14 所示，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的、已调制的光信号 λ，λ…λ通过12n波分复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输，在接收端通过波分解复用器将不同波长的光信号分开，分别送入不同的光接收机，完成多路光信号传输的任务，反方向通过另一根光纤传输，其原理相同。图1-14 WDM的双纤单向传输示意图
单纤双向传输是指光通路在一根光纤中同时沿着两个不同的方向传输，此时，双向传输的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信。
由此可见，WDM技术使n个波长复用起来在单根光纤中传输，并且可以实现单根光纤的双向传输，充分利用了光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，从而增加了光纤的传输容量，节省大量的线路投资。
1.8.5 码分复用
码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，常称为码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），是另一种共享信道的方法。码分复用在移动通信中主要解决多用户使用相同频率同时传送数据的问题。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。随着技术的进步，CDMA 设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中，无线局域网也采用 CDMA 技术。采用CDMA 可提高通信的语音质量和数据传输的可靠性，减小干扰对通信的影响，增大通信系统的容量。
1.9 数据传输介质
数据传输介质是在数据通信中实际传送信息的载体。数据通信中采用的物理传输介质可分为有线和无线两大类。双绞线、同轴电缆和光纤属于有线传输介质，而无线电波、微波和红外线等属于无线传输介质。
1.有线传输介质
有线传输介质包括双绞线、同轴电缆和光纤，下面分别介绍。（1）双绞线。双绞线（Twisted Pair，TP）是一种最经常使用的数据传输介质，是由两根具有绝缘保护层的铜导线互绞在一起构成的，并由此而得名。相对于其他有线传输介质（同轴电缆和光纤）来说，双绞线价格便宜，也易于安装和使用，是综合布线工程中最常用的一种传输介质，但是其性能（如传输距离、信道带宽和数据传输速率等）也较差。
把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。若将一对或多对双绞线放在一个绝缘套管中便成了双绞线电缆。粗的电缆可以包括数百对双绞线。
根据组成双绞线的两根铜导线是否屏蔽，可将双绞线分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）和非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）两种，如图1-15所示。前者抗干扰性能好，能够提供较好的传输质量，但价格较贵，安装困难。随着工艺提高，UTP也能提供较好的传输质量，且易安装，适用于结构化综合布线。一般在保密性能要求不高的场合使用非屏蔽双绞线，屏蔽双绞线通常用于安全性能要求极高的场合。图1-15 双绞线示意图
UTP有1类线、2类线、3类线、4类线、5类线、超5类线、6类线和7类线等，其主要区别在于单位距离上的旋绞次数。旋绞得越紧则价格越贵，但是性能也越好。目前3类线主要用于语音传输及最高传输速率为 10Mbit/s 的数据传输，如 10base-T 网络，线缆包括从2 对到 100 对等类型。5 类线增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为100MHz，用于语音传输和最高传输速率为100Mbit/s的数据传输，如100base-T网络，这是最常用的以太网电缆。超5类线主要用于高速数据传输，如1 000Mbit/s以太网。6类线和7类线主要用于超高速数据传输。（2）同轴电缆。同轴电缆（Coaxial Cable）由内部导体、环绕绝缘层以及绝缘层外的金属屏蔽网和最外层的护套组成，如图1-16所示。这种结构的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号。同轴电缆在传输频率增高时，由于外导体的屏蔽作用增强，所受外界干扰和同轴管间串音都将减小，因而适用于高频传输。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]