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第2章
数据通信技术的发展与计算机网络技术密切相关，是促进计算机网络技术发展的重要因素之一。
因此，学习计算机网络，必然涉及许多关于数据通信的问题，数据通信的任务是利用通信媒体传输信息。
数据通信是两实体间的数据传输和交换，在计算机网络中占有十分重要的地位，它是通过各种不同的方式和传输介质，把处在不同地理位置的终端与主计算机或计算机与计算机连接起来，从而完成数据传输、信息交换和通信处理等任务。
本章重点介绍与计算机网络有关的数据通信的基本概念、数据传输方式、多路复用技术、数据交换技术和差错控制技术等内容，主要是为计算机网络的学习和实践打好基础。
2.1数据通信的基本概念
数据通信就是指计算机与计算机之间交换数据的过程。
数据通信系统就是指以计算机为中心，用通信线路连接分布在各地的数据终端设备而执行数据传输功能的系统。
2.1.1简单的通信模型
通信系统的基本作用是在发送方（信源）和接收方（信宿）之间传递和交换信息。
数据通信系统的基本组成有3个要素：
信源、信宿和信道，如图2-1所示，它就是一个简单的数据通信系统模型。
图2-1简单的数据通信系统模型
1．信源和信宿
信源就是信息的发送端，是发出待传送信息的设备；信宿就是信息的接收端，是接收所传送信息的设备。
大部分信源和信宿设备都是计算机或其他数据终端设备。
2．信号变换器
信号变换器的作用是将信源发出的信息变换成适合在信道上传输的信号，如图2-2所示。
图2-2信号变换器的作用
对应不同的信源和信宿，信号变换器有不同的组成和变换功能。
发送端的信号变换器可以是编码器或调制器，接收端的信号变换器相对应的就是译码器或解调器。
编码器的功能是把信源或其他设备输入的信息作相应的变换，使之成为适合在通信信道上传输的信号；译码器的功能是在接收端完成编码的反过程。
信源输入的信息可以是离散变化的数字信号也可以是连续变化的模拟信号。
调制器的作用是把信源输入的二进制脉冲信号变换（调制）成模拟信号，以便在模拟信道上进行远距离传输；解调器的作用是反调制，即把接收端接收的模拟信号还原成二进制脉冲数字信号。
由于网络中绝大多数信息都是双向传输的，所以在大多数情况下，信源也作为信宿，信宿也作为信源；编码器也具有译码功能，译码器也能编码，因此统称为编码译码器；同样调制器也能解调，解调器也能调制，因此统称为调制解调器。
2.1.2数据、信息和信号
1．数据与信息
数据是由数字、字符和符号等组成的，可以用来描述任何概念和事物，是传送信息的载体。
数据中的各种数字、字符和符号等在没有被定义前，是没有实际意义的，因此，数据是尚未组织起来的事实的集合，是抽象的。
信息则是数据的具体内容和解释，有具体的意义。
信息是数据经过加工处理后所得到的，即信息是按一定要求以一定格式组织起来的、具有一定意义的数据。
信息必须依赖于各种载体才有意义，才能被传递。
数据是信息的表示形式，是信息的载体，信息是数据形式的内涵，即数据是信息传送的形式，信息是数据表达的内涵。
2．信号
为了使数据可以在传输介质中传输，必须把数据变换成某种信号（电信号或光信号）的形式。
信号是数据的具体物理表示，具有确定的物理描述，是数据的电编码、电磁编码或其他编码等。
信号可以分为模拟信号和数字信号。
3．数字数据与模拟数据
表达数据的方式与承载数据的媒体是紧密相关的，不同的媒体能够表达数据的方式是有限的。
有两种基本的表达数据的方式，这就是模拟数据和数字数据。
当数据采用离散的电信号表示时，这样的数据就是数字数据。
数字数据是指有限个离散值，如字符串、整数数列。
当数据采用电波表示时，这样的数据就是模拟数据。
模拟数据是指在某个区间产生的连续值，如声音、视频、温度、压力。
4．模拟信号和数字信号
模拟信号是在一定范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号，它可以以不同的频率在介质上传输，如正弦波信号，如图2-3所示。
图2-3正弦波信号
数字信号是一种离散的脉冲序列信号，它的取值是有限个数，它用恒定的正电压／负电压或正电压／0电压来表示“1”/“0”，它可以以不同的位速率在介质上传输，如脉冲信号，如图2-4所示。
图2-4脉冲信号
2.1.3数据通信的主要技术指标
衡量和评价一个系统的好坏，必须要涉及到系统的主要性能指标问题。
数据通信的主要技术指标是衡量数据传输的有效性和可靠性的参数。
有效性主要由数据传输的数据速率、调制速度、传输延迟、信道带宽和信道容量等指标来衡量；可靠性一般由数据传输的误码率指标来衡量。
常用的数据通信的技术指标有以下几种。
1．信道带宽和信道容量
信道是通信双方以传输介质为基础的传输信息的通道，它是建立在通信线路及其附属设备（如收发设备）上的。
表面上看，信道与传输介质好像差不多，但信道又不能等同于传输介质，同一条传输介质可以同时存在多条信号通道，即一条通信介质构成的线路上往往包含了多个信道。
与信号的分类相似，信道也可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。
但数字信号经过数／模变换后就可以在模拟信道上进行传送，而模拟信号经过模／数变换后也可以在数字信道上进行传送。
由有线传输介质（如双绞线、同轴电缆、光缆等）构成的通信信道叫有线信道；由无线传输介质（如微波、卫星）构成的通信信道叫无线信道。
信道带宽或信道容量是描述信道的主要指标之一，由信道的物理特性所决定。
信道带宽是指信道中能够传送的信号的频率范围。
当信号的带宽超过信道带宽时，信号就不能在该信道上传送，或者传送的信号将会失真。
为计算带宽，需要在频率范围内用最高频率减去最低频率。
例如：
最高频率为5000Hz，最低频率为1000Hz，则带宽即为4000Hz。
信道容量是指单位时间内信道所能传输的最大信息量，即一个信道能够达到的最大的传输速率，它表示信道的传输能力。
在通信领域中，信道容量常指信道在单位时间内可传输的最大码元数（码元是承载信息的基本信号单位，一个表示数据有效值状态的脉冲信号就是一个码元，其单位为波特），信道容量以码元速率（或波特）来表示。
由于数据通信主要是计算机与计算机之间内的数据传输，而这些数据最终又以二进制位的形式表示，因此，信道容量有时也表示为单位时间最多可传输的二进制的位数（也叫信道的数据传输速率），以位/秒（b/s）形式表示，简称为b/s。
按信道频率范围的不同，通常可将信道分为3类：
窄带信道（带宽为0～300Hz）、音频信道（带宽为300～3400Hz）和宽带信道（带宽为3400Hz以上）。
2．传输速率
（1）数据传输速率（Rate）。
数据传输速率是指通信系统单位时间内传送的二进制代码的位（比特）数，因此又称比特率，单位用比特/秒表示，记为b/s或b/s。
数据传输速率的高低，由每位数据所占的时间来决定，一位数据所占的时间宽度越小，其数据传输速率就越高。
设T为传输的电脉冲的宽度或周期，N为一个脉冲信号所有可能的状态数，则数据传输速率为：
RS=
log2N（b/s）
式中log2N是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数（比特数）。
如电信号的状态数N=2，即只有“0”和“1”两个状态，则每个电信号只传送1位二进制数据，此时，RS=1/T
（2）调制速率调制速率又称波特速率或码元速率，它是数字信号经过调制后的传输速率，表示每秒传输的电信号单元（码元）数，即调制后模拟电信号每秒钟的变化次数，它等于调制周期（即时间间隔）的倒数，单位为波特（Baud）。
若用T（秒）表示调制周期，则调制速率为Rb=1/T（Baud），即1波特表示每秒钟传送一个码元。
显然，上述两个指标有如下的数量关系：
RS=Rblog2N（b/s），即在数值上“波特”单位等于“比特”的log2N倍，只有当N=2（即双值调制）时，两个指标才在数值上相等。
但是，在概念上两者并不相同，Baud是码元的传输速率单位，表示单位时间传送的信号值（码元）个数，波特速率是调制速度，而b/s是单位时间内传输信息量的单位，表示单位时间传送的二进制数的个数。
3．误码率
误码率是衡量通信系统在正常情况下传输可靠性的指标。
误码率是指二进制码元在传输过程中被传错的概率。
显然，它就是错误接收的码元数在所传输的总码元数中所占的比例。
误码率的计算公式为：
Pe=Ne/N。
式中Pe表示误码率，Ne表示被传错的码元数，N表示传输的二进制码元总数。
上式只有在N取值很大时才有效。
在计算机网络通信系统中，要求误码率低于10-6。
如果实际传输的不是二进制码元，需要折合成二进制码元来计算。
在通信系统中，系统对误码率的要求应权衡通信的可靠性和有效性两方面的因素，误码率越低，设备要求就越高。
需要指出的是：
对于可靠性的要求，不同的通信系统要求是不同的。
在实际应用中，常常由若干码元构成一个码字，所以可靠性也常用误字率来表示，误字率就是码字错误的概率。
有时一个码字中错两个或更多的码元，这和错一个码元是一样的，都会使这个码字发生错误，所以，误字率与误码率不是一定相等的。
有时信息还用若干个码字组成一组，所以还要有误组率，它是传输中出现错误码组的概率，但常使用的还是误码率。
4．传输延迟
信道的带宽是由硬件设备改变电信号的跳变响应时间决定的。
尽管信号的传输速度为每秒300000km，但由于发送和接收设备存在响应时间，特别是计算机网络系统中的通信子网还存在中间转发等待时间，以及计算机系统的发送和接收处理时间，所以，在系统的信息传输过程中存在着延迟（传输延迟）。
在计算机网络中由于不同的通信子网和不同的网络体系结构采用不同的中转控制方式，因此，在通信子网中存在的中转延迟只能依据网络状态而定。
由电信号响应带来的延迟时间则是固定的。
显然，响应时间越小，延迟就越小。
也就是说，信道的带宽越大，延迟就越小。
传输延迟是指由于各种原因的影响，使得系统信息在传输过程中存在着不同程度的延迟或滞后的现象。
信息的传输延迟时间包括发送和接受处理时间、电信号响应时间、中间转发时间和信道传输时间等。
传输延迟通常又分为传输时延和传播时延。
传输时延：
是指发送一组信息所用的时间，该时间与信息传输速率和信息格式有关。
传播时延：
是指信号在物理媒体中传输一定距离所用的时间，它与信号传播速度和距离有关。
人们都知道，在理想的情况下，电磁波的传输速率为每秒300000km（即光速）。
通常认为电磁波在光纤、卫星信道中的传播速度可达到光速，而在一般电缆中的传输速度约为光速的2/3。
用下面的例题来更好地理解传输时延和传播时延。
例：
在相隔1000km的两地传输3kb的数据，可以通过电缆以20kb/s的速率传输或通过卫星信道以60kb/s的速率传输，问从发送方开始到接收方接收到全部数据用哪种方式时间较短？
（假定信息在电缆中传输速度为200000km/s，而在卫星信道中的传输速度是300000km/s，卫星距离地面36000km）。
数据在电缆中的传输时延为3kb/20kb/s=150ms，而其传播时延为1000km/（2×105km/s）=5ms，因此使用电缆传输数据的总时延为150+5=155（ms）；数据在卫星中的传输时延为3kb/60kb/s=50ms，而其传播时延为36000km×2/（3×105km/s）=240ms（注意：
卫星传输数据不是地面直接传输，而是要通过空中的卫星转发器转发，因此，卫星传输的距离近似为卫星距离地面高度的2倍）；因此使用卫星传输数据的总时延50+240=290（ms）。
因此本例使用电缆传输数据时间较短。
2.1.4网络通信过程
数据从信源发出到被信宿正确接收，这是一个完整的通信过程。
通信过程中的每次通信都包括传输数据和通信控制两方面的内容，其中，通信控制主要执行各种辅助操作，并不传输数据，但这种辅助操作对传输数据是必不可少的。
一般，通信过程包括以下5个阶段。
1．通信线路的建立
在此阶段，通信系统中的交换设备根据发送端提供的接收端的地址等信息建立通信双方的物理通道，也称此阶段为建立物理连接阶段（它类似于打电话时的“拨号”阶段）。
2．数据传输及控制链路的建立
此阶段是通过双方确认同步关系的阶段，它使双方处于正确的发收状态，也称此阶段为建立逻辑连接阶段（它类似于打电话时的“确认通话对象”阶段）。
3．数据及控制信息的传输
在此阶段，通信双方交换要传输的数据及控制信息，这才是通信的实质性阶段（它类似于打电话时的双方“通话”阶段）。
4．数据传输链路的拆除
在此阶段，通信双方通知和确认数据传输的结束，即拆除逻辑连接（它类似于打电话时的“证实通话结束”阶段）。
5．通信线路的拆除
在此阶段，由通信双方之一通知系统中的交换设备拆除物理连接（它类似于打电话时的“挂机”阶段）。
在上述5个阶段中，第五阶段与第一阶段“互逆”，第四阶段与第二阶段“互逆”，第三阶段是通信的实质性阶段，是不可缺少的。
其余各阶段根据通信环境和通信方式的不同，有时可以“省掉”，如当采用专用通信线路时，则通信过程只包括通信线路的建立、数据传输、通信线路的释放这3个阶段。
2.2数据传输方式
在数据通信系统中，通信信道为数据的传输提供了各种不同的通路。
对应于不同类型的信道，数据传输采用不同的方式，如并行传输和串行传输方式；单工、半双工和全双工通信方式，基带传输和频带传输方式；异步传输和同步传输方式等。
2.2.1并行、串行传输
在计算机内部各部件之间，计算机与各种外部设备之间以及计算机与计算机（或终端）之间都是以数据传输的方式实现通信的。
依据传输线数目的多少，可以将数据传输方式分为并行传输和串行传输，并行传输用于短距离、高速率的通信，串行传输用于长距离、低速率的通信。
1．并行传输
在并行传输中，一般至少有8个数据位同时在两台设备之间进行传输，如图2-5所示。
并行传输是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上进行的传输，数据由多条数据线同时传送与接收，每个比特使用单独的一条线路。
并行传输的优点在于传送速率快，发收双方间不存在字符同步的问题；缺点是需要多个并行信道，增加了设备的成本，而且并行线路的电平相互干扰也会影响传输质量，不适合做较长距离的通信。
并行传输主要用于计算机内部或同一系统设备间的通信。
常见的并行传输如计算机与打印机之间的数据传输。
2．串行传输
并行传输需要8条以上的数据线，这对于近距离的数据传输来说，其费用还可以负担，但当进行远距离数据传输时，采用这种方式费用就太高了。
所以，在数据通信系统中，较远距离的通信采用的是另一种传输方式：
串行传输方式。
图2-5并行传输
串行传输就是将比特流逐位在一条信道上进行传送，如图2-6所示，源数据站向目的数据站发出“0010100101001011”的串行比特流。
发收两端一次只能发送或接收一个数据位，因此所需数据线的数目大大减少，各数据位依次串行地通过通信线路。
由于在计算机内部总线上传输的是并行数据，要与外部设备进行串行通信，在发送端就需要把并行数据转换成串行数据，在接收端还需将串行数据转换成并行数据，计算机内部的串行通信适配器负责进行串行数据和并行数据的转换。
在计算机局域网中，计算机之间也是串行传输，网卡就负责串行数据和并行数据的转换工作。
图2-6串行传输
相对于并行传输，串行传输的效率低，传输速率慢，但由于只有一条信道，减少了设备的成本，且易于实现和维护。
串行传输适用于覆盖面很广的公共电话网络系统，所以在现行的计算机网络通信中，串行通信应用非常广泛。
2.2.2单工、半双工和全双工通信
1．单工通信
单工通信是指在两个通信设备间，信息只能沿着一个方向被传输。
采用单工通信时，在通信设备双方中，一方为发送设备，另一方为接收设备，如图2-7（a）所示。
广播和电视节目的传送以及寻呼系统都属于单工通信的例子。
2．半双工通信
半双工通信是指两个通信设备间的信息交换可以双向进行，但不能同时进行。
也就是说，在同一时刻仅能使信息在一个方向上传输，如图2-7（b）所示。
半双工通信设备的两端要求既要有发送设备，又要有接收设备，因此该方式需要具有信道转换能力，通常用软件控制换向，换向过程中存在换向的延迟时间问题，也可以采用人工操作机械开关的方法进行控制。
典型的例子是对讲机或计算机与终端的通信。
3．全双工通信
全双工通信是指两个通信设备间可以同时进行两个方向上的信息传输，如图2-7（c）所示。
通信双方应同时具有发送和接收的功能，与通信站相接的传输设备和传输控制协议必须提供全双工的工作方式，同时还应对缓存器作特殊的考虑，如想进行同时读写就要求在缓存器中也能同时释放和分配存储器。
平时使用的手机类似于全双工通信。
图2-73种通信方式
2.2.3异步传输与同步传输
在数据通信中，有一个问题是必须要解决的，那就是同步问题。
同步问题就是发送方发出数据后，接收方如何从接收到的连续不断的信号中识别出数据从哪开始到哪结束。
目前在串行传输中所采用的同步方式有两种：
一是异步传输方式，二是同步传输方式。
1．异步传输方式
异步传输方式又称为起止式同步方式，它是以字符为单位进行传输的，即每个字符都独立传输，且每一字符的起始时刻可以为任意。
每个字符在传输时都在字符前加上起始位和在字符后加上结束位，以表示一个字符的开始和结束。
一般起始位信号的长度规定为1位的宽度，极性为“0”，结束位信号可以为1位、1.5位或2位的宽度，极性为“1”，其长度的选取与所采用的传输代码类型有关。
起始位和结束位的作用是实现字符的同步，字符之间的间距是任意的，但发送一个字符时，每个字符包含的位数都是相同的，且每一位占用的时间长度是双方约定好的，并且保持各位都恒定不变，如图2-8所示。
在异步传输方式中字符可以被单独发送或连续发送，字符与字符的间隔期间可以连续发送“1”状态，当不传字符时，不要求收发时钟同步，仅在传输字符时，收发时钟才需要在字符的每一位上同步。
同步的具体过程是：
若发送端有信息要发送时，即将信号从不发送信息的“1”状态转到起始态“0”，接收端检测出这种信号状态的改变时，就利用该信号的反转启动接收时钟，以实现收、发时钟的同步。
同理，接收端一旦收到结束位，就将定时器复位以准备接收下一个字符。
异步传输方式的优点是每一个字符本身就包括了本字符的同步信息，不需要在线路两端设置专门的同步设备；缺点是每发送一个字符就要添加一对起止信号，从而线路的开销增加，传输效率低。
异步传输方式常用于≤1200b/s的低速率数据传输中，目前仍在广泛使用。
图2-8异步传输方式
2．同步传输方式
同步传输方式是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方法。
在数字信息流中，各位的宽度相同，且字符顺序相连，字符之间没有间隙。
为使接收方能够从连续不断的数据流中正确区分出每一位（比特），则需要先建立收发双方的同步时钟。
实际上，在同步传输方式中，不管是否传送信息，要求收发两端的时钟都必须在每一位上保持一致。
因此，同步传输方式又常被称为比特或位同步。
在同步传输中，数据的发送一般是以一组字符或比特流为单位进行发送的。
为了使接收方容易确定数据组的开始和结束，需要在每组数据的前后加上特定字符作为起始和结束标志，同时还可以用这些标志来区分和隔离连续传输的数据。
特定标志字符一般随不同的规程而有所不同。
例如，在面向比特的高级数据链路控制规程HDLC中，采用比特串“01111110”作为起始和结束标志，如图2-9所示。
在暂时没有信息传输时，连续发送“01111110”使接收端可以一直保持和发送端同步。
图2-9HDLC中的同步传输方式
实现同步传输方式中的收发时钟同步的方法有两种：
外同步法和自同步法。
外同步法就是在传输线中增加一根时钟信号线以连接到接收设备的时钟上，在发送数据信号前，先向接收端发一串同步时钟脉冲，接收端则按照这个频率来调整自己的内部时钟，并把接收时钟重复频率锁定在同步频率上，该方法适用于近距离传输。
自同步法是让接收方从接收的数据流中直接提取同步信号，以获得与发送时钟完全相同的接收时钟，该方法常用于远距离传输。
同步传输克服了异步传输方式中的每一个字符都要附加起始和结束信号的缺点，具有较高的效率，但实现较为复杂，常用于大于2400b/s速率的传输。
2.2.4基带传输与数字信号编码
1．基带传输
在数据通信中，由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号通常呈矩形波形式，即表示计算机中二进制数据比特序列的数据信号是典型的矩形脉冲信号，这个矩形脉冲信号就是基带信号。
基带信号所占有（固有）的频率范围称为基本频带，简称基带。
在通信信道中直接传输这种基带信号的传输方式就是基带传输，它将占用线路的全部带宽，也称为数字基带传输。
2．数字数据的数字信号编码
数字数据的数字信号编码问题就是要解决数字数据的数字信号表示问题，数字数据可以由多种不同形式的电脉冲信号的波形来表示，数字信号是离散的电压或电流的脉冲序列，每个脉冲代表一个信号单元（或称码元）。
最普遍且最容易的方法是用两种码元分别表示二进制数字符号“0”和“1”，每位二进制符号和一个码元相对应。
表示二进制数字的码元的形式不同，产生的编码方法也不同，这里主要介绍单极性全宽码和归零码、双极性全宽码和归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
（1）单极性全宽码和归零码
单极性全宽码是指在每一个码元时间间隔内，有电流发出表示二进制“1”，无电流发出表示二进制“0”。
如图2-10（a）所示。
每个码元的1/2间隔为取样时间，每个码元的1/2幅度（即0.5）为判决门限，接收端对收到的每个脉冲信号进行判决，在取样时刻，若该信号值在0至0.5之间就判为“0”码，在0.5至1之间就判为“1”码。
全宽码的信号波形占一个码元的全部时间间隔，而归零码是指一个码元的信号波形占一个码元的部分时间间隔，其余时间信号波形幅度为“0”，如图2-10（b）所示的就是单极性归零码。
在每个码元时间间隔内，当为“1”时，发出正电流，但发出电流的时间短于一个码元时间，只发一个窄脉冲；当为“0”时，仍然不发出电流。
由于为“1”时就有一部分时间不发出电流，幅度“归零”，所以称这种码为归零码。
图2-10表示的就是二进制序列“10110101”的单极性全宽码和归零码。
采样时间是对准脉冲中心的，判决门限为0.5。
图2-10二进制序列“10110101”的单极性全宽码和归零码
（2）双极性全宽码和归零码
双极性全宽码是指在一个码元时间间隔内，发正电流表示二进制的“1”，发负电流表示二进制的“0”，正向幅度与负向幅度相等。
这种情况下的判决门限定为0电平，在接收端对收到的每个脉冲信号进行判决，在取样时刻，若该信号值在0电平以下就判为“0”码，在0电平以上就判为“1”码。
双极性归零码是在一个码元时间间隔内，当为“1”时，发出正的窄脉冲；当为“0”时，发出负的窄脉冲。
图2-11表示的就是二进制序列10110101的双极性全宽码和归零码。
采样时间是对准脉冲中心的，判决门限为0。
图2-11二进制序列“10110101”的双极性全宽码和归零码
（3）曼切斯特编码和差分曼切斯特编码
曼切斯特编码的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔。
当为“0”时，在间隔的中间时刻，从低电平变为高电平；当为“1”时，在间隔的中间时刻，从高电平变为低电平。
这种编码的特点就是在每一个码元时间间隔内，都有一次电平的跳转，对提取位同步信号非常有利。
以太网中采用的就是这种编码技术。
差分曼切斯特编码的编码方法是在每一个码元时间间隔内，无论为“0”或为“1”，在间隔的中间都有电平的跳转。
但为“0”时，间隔开始时刻有跳转；当为“1”时，间隔开始时刻无跳转。
与曼切斯特编码的不同之处在于每位中间的跳转作为同步时钟信号，而取值是“0”还是“1”则根据每一位的起始处有没有变化来判断。
令牌环网中采用的就是这种编码。
曼切斯特编码和差分曼切斯特编码分别如图2-12（a）和图2-12（b）所示。
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