第 二 章数据通信基础 2.1数据通信的基本概念数据通信的基本概念2.2 数据传输方式数据传输方式2.3 数据编码技术数据编码技术2.4 多路复用技术多路复用技术2.5 交换方式交换方式2.6 差错控制技术差错控制技术小结小结习题习题2.1数据通信的基本概念 数据通信技术的发展与计算机技术的发展密切数据通信技术的发展与计算机技术的发展密切相关、互相影响。相关、互相影响。 数据通信就是以信息处理技术和计算机技术为数据通信就是以信息处理技术和计算机技术为基础的通信方式，具体地说，它主要研究的是对基础的通信方式，具体地说，它主要研究的是对计算机中的二进制数据进行传输、交换和处理的计算机中的二进制数据进行传输、交换和处理的理论、方法以及实现技术。数据通信技术为计算理论、方法以及实现技术。数据通信技术为计算机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通机网络的应用和发展提供了技术支持和可靠的通信环境。信环境。信息、数据和信号信息、数据和信号v通信的目的是交换信息。通信的目的是交换信息。v信息是人脑对客观物质的反映，既可以是对物质是人脑对客观物质的反映，既可以是对物质的形态、大小、结构、性能等特性的描述，也可的形态、大小、结构、性能等特性的描述，也可以是物质与外部的联系。以是物质与外部的联系。v信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像等。像等。信息、数据和信号信息、数据和信号v数据是把事件的某些属性规范化后的表现形式，是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能够被识别，也可以被描述。它能够被识别，也可以被描述。v数据有数据有模拟数据和和数字数据之分。之分。v模拟数据是指在某个区间内连续变化的值。例如，模拟数据是指在某个区间内连续变化的值。例如，声音和视频是幅度连续变化的波形，温度和压力声音和视频是幅度连续变化的波形，温度和压力(传感器收集的数据传感器收集的数据)也是连续变化的值。也是连续变化的值。v数字数据在某个区间内是离散的值。例如，文本数字数据在某个区间内是离散的值。例如，文本信息和整数等。信息和整数等。 信息、数据和信号信息、数据和信号v数据和信息是两个不同的概念。数据是独立的，数据和信息是两个不同的概念。数据是独立的，是尚未组织起来的事实的集合，信息则是经过加是尚未组织起来的事实的集合，信息则是经过加工处理后的数据。工处理后的数据。 信息、数据和信号信息、数据和信号v信号是数据的具体的物理表现，具有确定的物理是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述，如电压、磁场强度等。描述，如电压、磁场强度等。v在计算机中，信息是用数据表示的并转换成信号在计算机中，信息是用数据表示的并转换成信号进行传送。进行传送。v信号有模拟信号和数字信号两种形式。信号有模拟信号和数字信号两种形式。信息、数据和信号信息、数据和信号 模拟信号是指时间上和空间上连续变化的信模拟信号是指时间上和空间上连续变化的信号；数字信号是指一系列在时间上离散的信号。号；数字信号是指一系列在时间上离散的信号。图图2.1给出了模拟信号和数字信号的表现形式。给出了模拟信号和数字信号的表现形式。模拟信号 数字信号图2.1 模拟信号和数字信号2.1.2 信道及信道类型信道及信道类型v信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附信道是传输信号的通路，由传输线路及相应的附属设备组成。同一条传输线路上可以有多个信道。属设备组成。同一条传输线路上可以有多个信道。例如，一条光缆可以同时供几千人通话，有几千例如，一条光缆可以同时供几千人通话，有几千条电话信道。条电话信道。v信道可以有以下几种分类方式。信道可以有以下几种分类方式。 2.1.2 信道及信道类型信道及信道类型1.物理信道和逻辑信道物理信道和逻辑信道v 在计算机网络中，有物理信道和逻辑信道之分。在计算机网络中，有物理信道和逻辑信道之分。v 物理信道是指用来传送信号或数据的实际物理通路，它由物理信道是指用来传送信号或数据的实际物理通路，它由传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一传输介质及有关通信设备组成。逻辑信道也是网络上的一种通路，当信号的接收者和发送者之间不仅存在一条物理种通路，当信号的接收者和发送者之间不仅存在一条物理信道，而且在此物理信道的基础上，还实现了其他多路连信道，而且在此物理信道的基础上，还实现了其他多路连接时，就把这些连接称为逻辑信道。接时，就把这些连接称为逻辑信道。v 逻辑信道在物理信道的基础上，根据需要增加一些必要逻辑信道在物理信道的基础上，根据需要增加一些必要的控制规程来控制数据的传输，即逻辑信道在物理信道上的控制规程来控制数据的传输，即逻辑信道在物理信道上增加软件或硬件规程，用以实现物理信道的可靠数据传输。增加软件或硬件规程，用以实现物理信道的可靠数据传输。 2.1.2 信道及信道类型信道及信道类型2.有线信道和无线信道有线信道和无线信道v根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线根据传输介质是否有形，物理信道可以分为有线信道和无线信道。信道和无线信道。v有线信道由双绞线、同轴电缆、光缆等有形传输有线信道由双绞线、同轴电缆、光缆等有形传输介质及设备组成。介质及设备组成。v而无线信道由无线电、微波和红外线等无形传输而无线信道由无线电、微波和红外线等无形传输介质及相关设备组成，无线信号以电磁波的形式介质及相关设备组成，无线信号以电磁波的形式在空间传播。在空间传播。2.1.2 信道及信道类型信道及信道类型3.模拟信道和数字信道模拟信道和数字信道v模拟信道中传输的是模拟信号。当在模拟信道上传输计算模拟信道中传输的是模拟信号。当在模拟信道上传输计算机直接输出的二进制数字脉冲信号时，就需要在信道两边机直接输出的二进制数字脉冲信号时，就需要在信道两边分别安装调制解调器，以完成模拟与数字信号（分别安装调制解调器，以完成模拟与数字信号（A/D）之）之间的变换。间的变换。v数字信道中传输的是离散方式的二进制数字脉冲信号。计数字信道中传输的是离散方式的二进制数字脉冲信号。计算机中产生的数字信号是由算机中产生的数字信号是由“”和和“”的二进制代码的二进制代码组成的离散方式的信号序列。利用数字信道传输数字信号组成的离散方式的信号序列。利用数字信道传输数字信号时，不需要进行变换。但是，在信道的两边通常需要安装时，不需要进行变换。但是，在信道的两边通常需要安装用于数字编码的编码器和用于解码的解码器，即调制解调用于数字编码的编码器和用于解码的解码器，即调制解调器。关于数据编码的内容将在器。关于数据编码的内容将在2.3节讨论。节讨论。 2.1.2 信道及信道类型信道及信道类型4.专用信道和公用信道专用信道和公用信道v专用信道又称专线，这是一种连接用户之间设备专用信道又称专线，这是一种连接用户之间设备的专有固定线路，它可以是自行架设的专门线路，的专有固定线路，它可以是自行架设的专门线路，也可以是向电信部门租用的专线。也可以是向电信部门租用的专线。v公用信道是一种公共交换信道，它是一种通过交公用信道是一种公共交换信道，它是一种通过交换机转接、为大量用户提供服务的共用信道，因换机转接、为大量用户提供服务的共用信道，因此又被称为公共交换信道。公共电话交换网就属此又被称为公共交换信道。公共电话交换网就属于公共交换信道。于公共交换信道。2.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标v 在数据通信系统中，为了描述数据传输速率的大在数据通信系统中，为了描述数据传输速率的大小和传输质量的好坏，需要运用下列技术指标。小和传输质量的好坏，需要运用下列技术指标。 v1.数据传输速率（）数据传输速率（）v2.调制速率（）调制速率（）v3.出错率出错率 v4.带宽带宽2.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标1.数据传输速率（）数据传输速率（）v数据传输速率就是指数据在信道中传输的速度。它是指在数据传输速率就是指数据在信道中传输的速度。它是指在有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位数。有效带宽上，单位时间内所传送的二进制代码的有效位数。v用用bit/s（比特每秒，也即（比特每秒，也即bps）、）、K bit/s（千比特（千比特每秒，每秒， 1024bit/s103bit/s）、）、M bit/s（兆比特（兆比特每秒，每秒，10241024106bit/s）、）、G bit/s（吉比特（吉比特每秒，（每秒，（1024）3 bit/s109bit/s）或）或T bit/s（太（太比特每秒，（比特每秒，（1024）4 bit/s1012bit/s）等单位来）等单位来表示。表示。 2.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标2.调制速率（）调制速率（）v调制速率即波特率，也称为波形速率或码元速率。调制速率即波特率，也称为波形速率或码元速率。一个码元就是一个数字脉冲。是指经过调制后的一个码元就是一个数字脉冲。是指经过调制后的信号。所以调制速度特指在计算机网络的通信过信号。所以调制速度特指在计算机网络的通信过程中，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载程中，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波调制状态改变的次数。波调制状态改变的次数。 2.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标2.调制速率（）调制速率（）vB用波特（用波特（Baud）为单位。）为单位。1波特就表示每秒钟传送一个码元或一个波特就表示每秒钟传送一个码元或一个波形。波特率是脉冲数字信号经过调制后的传输速率。若以波形。波特率是脉冲数字信号经过调制后的传输速率。若以T（s）来）来表示每个波形的持续时间，则调制速率可以表示为表示每个波形的持续时间，则调制速率可以表示为B1/T（波特）（波特）比特率和波特率之间有下列关系：比特率和波特率之间有下列关系： 公式公式 SBlog2Nv其中，其中，N为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二进制中，一个脉为一个脉冲信号所表示的有效状态数。在二进制中，一个脉冲的有和无用冲的有和无用“”和和“”两个状态表示。对于多相调制来说，两个状态表示。对于多相调制来说，表示相的数目。在二相调制中，故表示相的数目。在二相调制中，故SB，即比特率与波特率，即比特率与波特率相等。但在更高相数的多相调制时，相等。但在更高相数的多相调制时，S与与B就不同了，参见表就不同了，参见表.所所示。示。 2.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标表2.1比特率和波特率的关系波特率波特率B B12001200120012001200120012001200多相调制相数多相调制相数二相调制（二相调制（n n =2=2）四相调制（四相调制（n n =4=4）八相调制（八相调制（n n =8=8）十六相调制（十六相调制（n n =16=16）比特率比特率S S（bitbits s-1）120012002400240036003600480048002.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标v波特率（调制速率）和比特速率（数据传输速率）是两个最容易混淆波特率（调制速率）和比特速率（数据传输速率）是两个最容易混淆的概念，但它们在数据通信中确实很重要。两者的区别与联系如图的概念，但它们在数据通信中确实很重要。两者的区别与联系如图2.2所示。所示。 图2.2比特率和波特率的区别2.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标3.出错率出错率 v出错率是指数据通信系统在正常工作情况下信息传输的错出错率是指数据通信系统在正常工作情况下信息传输的错误率，也称误码率。传输可靠性指标由于传输中信息的最误率，也称误码率。传输可靠性指标由于传输中信息的最小单位不同而不同。信息的单位可以是比特、码元、码字，小单位不同而不同。信息的单位可以是比特、码元、码字，因此，出错率有以下几种表示方法：因此，出错率有以下几种表示方法：v误比特率误比特率Pb：接收的错误比特数占传输总比特数的比例。：接收的错误比特数占传输总比特数的比例。v误码率误码率Pe：接收的错误码元数占传输总码元数的比例。：接收的错误码元数占传输总码元数的比例。v一般在计算机网络通信系统中，出错率应该低于一般在计算机网络通信系统中，出错率应该低于10-9。2.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标4.带宽带宽v带宽就是指通信信道的宽度，代表信道传输信息的能力。带宽就是指通信信道的宽度，代表信道传输信息的能力。v在模拟信道中，即传输信道的最高频率与最低频率的差，在模拟信道中，即传输信道的最高频率与最低频率的差，其单位为其单位为Hz。信道带宽是由信道的物理特性来决定的，如。信道带宽是由信道的物理特性来决定的，如电话线路的带宽范围在电话线路的带宽范围在3003 400 Hz之间。而在数字之间。而在数字信道中，人们常用数据传输速率（比特率）表示信道的传信道中，人们常用数据传输速率（比特率）表示信道的传输能力（带宽），即每秒传输的比特数，单位为输能力（带宽），即每秒传输的比特数，单位为bit例如，例如，双绞线以太网的传输速率为双绞线以太网的传输速率为10Mbit/s或或100Mbit/s等。等。 2.1.3 通信系统的主要技术指标通信系统的主要技术指标4.带宽带宽通常情况下，信道带宽和信道容量具有正比关系，通常情况下，信道带宽和信道容量具有正比关系，带宽越宽，容量就越大。但在实际情况下，由于带宽越宽，容量就越大。但在实际情况下，由于信道中存在噪声或干扰现象，因此，信道带宽的信道中存在噪声或干扰现象，因此，信道带宽的无限增加并不能使信道容量无限增加。无限增加并不能使信道容量无限增加。2.2 数据传输方式 在数据通信过程中需要解决的问题有：在数据通信过程中需要解决的问题有：v数据通信采用串行传输还是并行传输？数据通信采用串行传输还是并行传输？v是单向传输还是双向传输？是单向传输还是双向传输？v如何实现接收方与发送方的同步？如何实现接收方与发送方的同步？ 并行通信和串行通信1. 并行通信并行通信v 并行数据传输是指数据以成组的方式在多个并行数据传输是指数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，如图并行信道上同时进行传输，如图2.3所示是以并所示是以并行传输的方式将行传输的方式将1个字符代码的几位二进制比特个字符代码的几位二进制比特分别通过几个并行的信道同时传输，一次传送分别通过几个并行的信道同时传输，一次传送8个比特。个比特。 并行通信和串行通信图2.3并行数据传输并行通信和串行通信 并并行行数数据据传传输输的的优优点点是是速速度度快快，但但发发送送端端和和接接收收端端之之间间需需要要有有若若干干条条线线路路，费费用用高高，因因此此较较适适合合于于近近距距离离和和高高速速率率的的通通信信。通通常常计计算算机机与与计计算算机机、计计算算机机与与各各种种外外部部设设备备之之间间的的通通信信方方式式可可以以选选择择并并行行传传输输，计计算算机机内内部部的的通通信信通通常常都都是是并行传输。并行传输。 并行通信和串行通信2.串行通信串行通信v串行数据传输是指以串行方式在一条信道上传输串行数据传输是指以串行方式在一条信道上传输数据。对于一个由若干位二进制数表示的字符，数据。对于一个由若干位二进制数表示的字符，串行传输都是用一个传输信道，按位有序地对字串行传输都是用一个传输信道，按位有序地对字符进行传输。由于计算机内部都是采用并行数据符进行传输。由于计算机内部都是采用并行数据传输，因此数据在发送前，必须要进行并传输，因此数据在发送前，必须要进行并/串转串转换，在接收端再进行相反的变换，由此来实现串换，在接收端再进行相反的变换，由此来实现串行通信，如图行通信，如图2.4所示。所示。 并行通信和串行通信图2.4串行数据传输并行通信和串行通信 串串行行数数据据传传输输只只需需要要一一条条传传输输信信道道，成成本本低低，但但其其速速度度也也低低，串串行行数数据据传传输输常常用用于于计计算算机机的的串串口口上上，在在远远程程通通信信中中通通常常也也采采用用串串行行数数据据传传输方式。输方式。 2.2.2 同步传输和异步传输 数数字字通通信信中中必必须须解解决决的的一一个个重重要要问问题题就就是是数数据据的的发发送送方方和和接接收收方方如如何何在在时时间间基基准准上上保保持持步步调调一一致致。其其方方法法一一般般有有两两种种，即即同同步步传传输输和和异异步步传输。传输。 2.2.2 同步传输和异步传输1.同步传输同步传输v同步传输采用的是按位传输的同步技术，即当数同步传输采用的是按位传输的同步技术，即当数据在进行同步传输时，字符间会有一个固定的时据在进行同步传输时，字符间会有一个固定的时间间隔，这个时间间隔由数字时钟来确定。发送间间隔，这个时间间隔由数字时钟来确定。发送方在发送数据前，首先向接收方发送一串同步的方在发送数据前，首先向接收方发送一串同步的时钟脉冲，接收方按照时钟脉冲信号进行频率锁时钟脉冲，接收方按照时钟脉冲信号进行频率锁定，然后接收数据信息，如图定，然后接收数据信息，如图2.5所示。所示。2.2.2 同步传输和异步传输图2.5同步传输2.2.2 同步传输和异步传输 例如，在发送一组字符或数据块之前，先发例如，在发送一组字符或数据块之前，先发送一个同步字符送一个同步字符SYN（01111110），用于接），用于接收方进行同步的检测，从而使收发双方都进入同收方进行同步的检测，从而使收发双方都进入同步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送步状态。在同步字符或字节之后，可以连续发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，发送任意多个字符或数据块，发送数据完毕后，发送方再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的方再使用同步字符或字节来标识整个发送过程的结束。结束。 2.2.2 同步传输和异步传输2.异步传输异步传输v异步传输采用的是群同步技术，传输的信息可以被分成若异步传输采用的是群同步技术，传输的信息可以被分成若干个干个“群群”，群中的比特数不是固定的，在发送端和接收，群中的比特数不是固定的，在发送端和接收端之间只需要保持一个端之间只需要保持一个“群群”内的同步。具体来说，异步内的同步。具体来说，异步传输方式传输一个字符时，每个字符前面有一个起始位，传输方式传输一个字符时，每个字符前面有一个起始位，后面有一个停止位，当没有数据要发送时，发送器就发出后面有一个停止位，当没有数据要发送时，发送器就发出连续的停止位，这样，接收器就可以根据从连续的停止位，这样，接收器就可以根据从1到到0的跳变来的跳变来识别一个新字符的开始。此外，异步传输要求每个字符增识别一个新字符的开始。此外，异步传输要求每个字符增加加23位校验码，如图位校验码，如图2.6所示。所示。 2.2.2 同步传输和异步传输v异步传输的主要特点是可以以不同速率发送，且实现异步传输的主要特点是可以以不同速率发送，且实现比较容易，比较适合于低速通信。比较容易，比较适合于低速通信。 图2.6异步传输单工、半双工和全双工 v按照数据在通信线路上传输的方向，可以将数据按照数据在通信线路上传输的方向，可以将数据的传输方式分为单工通信、半双工通信和全双工的传输方式分为单工通信、半双工通信和全双工通信通信3种。种。单工、半双工和全双工 1.单工通信单工通信v单工通信中的数据传输只能沿一个方向进行。任单工通信中的数据传输只能沿一个方向进行。任何时候都不能改变信号的传送方向，如无线电广何时候都不能改变信号的传送方向，如无线电广播和电视都属于单工通信。为了保证传送信息的播和电视都属于单工通信。为了保证传送信息的正确性，在单工通信中需要进行差错控制。正确性，在单工通信中需要进行差错控制。v单工通信的线路一般都是二线制，存在两个信道，单工通信的线路一般都是二线制，存在两个信道，分别为用来传输信息的主信道和监测信息的监测分别为用来传输信息的主信道和监测信息的监测信道。信道。 单工、半双工和全双工 2.半双工通信半双工通信 v半双工通信中的数据传输可以两个方向进行，但半双工通信中的数据传输可以两个方向进行，但同一时刻一个信道只允许单方向传送。信息流轮同一时刻一个信道只允许单方向传送。信息流轮流地使用发送和接收装置，传输监测信号通过两流地使用发送和接收装置，传输监测信号通过两种方式进行。种方式进行。v一种是在应答时转换传输信道；一种是在应答时转换传输信道；v另一种是把主信道和监测信道分开设立，供监测另一种是把主信道和监测信道分开设立，供监测信号使用。信号使用。 单工、半双工和全双工 3.全双工通信全双工通信 v全双工通信中的数据传输可以同时沿相反的两个全双工通信中的数据传输可以同时沿相反的两个方向进行。方向进行。v线路结构包括两个进行信息传输的信道和两个进线路结构包括两个进行信息传输的信道和两个进行监测的信道，这就保证了通信信道两端的发送、行监测的信道，这就保证了通信信道两端的发送、接收装置可以同时发送和接收信息。接收装置可以同时发送和接收信息。2.3.1 数据通信系统的组成与类型v一个数据通信系统由三大部分组成，即信源系一个数据通信系统由三大部分组成，即信源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）。统（接收端）。v在数据通信系统中，产生和发送信息的一端叫信在数据通信系统中，产生和发送信息的一端叫信源，接收信息的一端叫信宿。源，接收信息的一端叫信宿。v信源与信宿之间通过通信设备和传输介质进行通信源与信宿之间通过通信设备和传输介质进行通信。信。2.3.1 数据通信系统的组成与类型2.3.1 数据通信系统的组成与类型v信源发出的可以是模拟数据，也可以是数字数据；传输系统中有的信道信源发出的可以是模拟数据，也可以是数字数据；传输系统中有的信道为模拟信道，只能传输模拟信号，而有的为数字信道，只能传输数字信为模拟信道，只能传输模拟信号，而有的为数字信道，只能传输数字信号。因此有必要将信源传出的数据按照所要经过的信道类型进行相应的号。因此有必要将信源传出的数据按照所要经过的信道类型进行相应的编码变换。在信源数据转变为信号传输时，有以下种可能的关系，如编码变换。在信源数据转变为信号传输时，有以下种可能的关系，如图图2.7所示。所示。v数字数据，数字信号传输。例如，数字数据，数字信号传输。例如，10BaseT以太网。以太网。v数字数据，模拟信号传输。例如，使用调制解调器上网。数字数据，模拟信号传输。例如，使用调制解调器上网。v模拟数据，数字信号传输。例如，数字电视传输系统。模拟数据，数字信号传输。例如，数字电视传输系统。v模拟数据，模拟信号传输。例如，早期的电话传输系统。模拟数据，模拟信号传输。例如，早期的电话传输系统。 2.3.1 数据通信系统的组成与类型图2.7信源数据与传输信号的关系类型2.3.2 数字数据编码为数字信号v数字数据可以用高低电平的矩形脉冲来编码，常数字数据可以用高低电平的矩形脉冲来编码，常用的编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码和差用的编码方式有不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。分曼彻斯特编码。 2.3.2 数字数据编码为数字信号1.不归零编码不归零编码NRZ（Non Return to Zero）v不归零编码可以用负电压代表逻辑，用正电压代表逻辑不归零编码可以用负电压代表逻辑，用正电压代表逻辑。当然也可以有其他的表示方法。当然也可以有其他的表示方法。v不归零编码的优点是简单、容易实现；缺点是接收方和发不归零编码的优点是简单、容易实现；缺点是接收方和发送方无法保持同步。为了保证收、发双方同步，必须在发送方无法保持同步。为了保证收、发双方同步，必须在发送送NRZ码的同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号，码的同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号，见图见图2.8a。此外，如果信号中和的个数不等时，存在。此外，如果信号中和的个数不等时，存在着数据传输过程中不希望的直流分量。着数据传输过程中不希望的直流分量。 v计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中的不计算机串口与调制解调器之间使用的就是基带传输中的不归零编码技术。归零编码技术。2.3.2 数字数据编码为数字信号2.曼彻斯特编码（曼彻斯特编码（Manchester）v曼彻斯特编码是目前广泛使用的编码方法之一，其编码规曼彻斯特编码是目前广泛使用的编码方法之一，其编码规则如下。则如下。v(1)每比特的周期分为前后两个相等的部分。每比特的周期分为前后两个相等的部分。v(2)每一位二进制的中间都有跳变，其中间的这个电平跳变每一位二进制的中间都有跳变，其中间的这个电平跳变就作为双方的同步信号。就作为双方的同步信号。v(3)当每位由低电平跳变到高电平时，就表示数字信号；当每位由低电平跳变到高电平时，就表示数字信号；每位由高电平跳变到低电平时，就表示数字信号。每位由高电平跳变到低电平时，就表示数字信号。v典型的曼彻斯特编码波形如图典型的曼彻斯特编码波形如图2.8所示。所示。 2.3.2 数字数据编码为数字信号3.差分曼彻斯特编码（差分曼彻斯特编码（Difference Manchester）v差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，它的编码规差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进，它的编码规则如下：则如下：v(1)每个比特值无论是还是，中间都有一次电平跳变，每个比特值无论是还是，中间都有一次电平跳变，这个跳变做同步之用。这个跳变做同步之用。v(2)若比特值为，则前半个比特的电平与上一个比特的后若比特值为，则前半个比特的电平与上一个比特的后半个比特的电平相反；若比特值为，则前半个比特的电半个比特的电平相反；若比特值为，则前半个比特的电平与上一个比特的后半个比特的电平相同。其典型波形如平与上一个比特的后半个比特的电平相同。其典型波形如图图2.8c所示。由图可见，若本位的比特值为，则开始处所示。由图可见，若本位的比特值为，则开始处出现电平跳变；反之，当本位的比特值为时，开始处不出现电平跳变；反之，当本位的比特值为时，开始处不发生电平跳变。发生电平跳变。 2.3.2 数字数据编码为数字信号 图2.8 数字数据信号编码波形数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号 v电话通信信道是典型的模拟通信信道，它是目前世界上覆电话通信信道是典型的模拟通信信道，它是目前世界上覆盖面最广、应用最普遍的一种通信信道。无论网络与通信盖面最广、应用最普遍的一种通信信道。无论网络与通信技术如何发展，电话仍然是一种基本的通信手段。传统的技术如何发展，电话仍然是一种基本的通信手段。传统的电话通信信道是为传输模拟语音信号设计的，只适用于传电话通信信道是为传输模拟语音信号设计的，只适用于传输音频范围（输音频范围（300Hz3400Hz）的模拟信号，无法直）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号。接传输计算机的数字信号。v为了利用电话交换网的模拟语音信道实现计算机数据信号为了利用电话交换网的模拟语音信道实现计算机数据信号的传输，必须将数字信号转化为模拟信号。的传输，必须将数字信号转化为模拟信号。数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号v在调制过程中，所选用的载波信号可以表示为正弦波形式：在调制过程中，所选用的载波信号可以表示为正弦波形式： （）（）（）（）（）v其中，幅度其中，幅度A、频率、频率和相位和相位的变化均影响信号波形。的变化均影响信号波形。它们是正弦波的控制参数，也称为调制参数。可以通过改它们是正弦波的控制参数，也称为调制参数。可以通过改变这个参量实现对模拟数据信号的编码。相应的调制方变这个参量实现对模拟数据信号的编码。相应的调制方式分别称为幅度调制、频率调制和相位调制，下面将分别式分别称为幅度调制、频率调制和相位调制，下面将分别介绍这几种调制技术。介绍这几种调制技术。数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号1.幅度调制幅度调制 v幅度调制简称调幅，也称为幅移键控，它的调制幅度调制简称调幅，也称为幅移键控，它的调制原理是用两个不同振幅的载波分别表示原理是用两个不同振幅的载波分别表示0和和1。例。例如，可以用幅度为如，可以用幅度为A1的载波信号表示数字，的载波信号表示数字，用幅度用幅度A的载波信号表示数字，波形图如图的载波信号表示数字，波形图如图2-9所示。所示。 数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号图2.9 幅度调制数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号2.频率调制频率调制 v 频率调制简称调频，也称为频移键控，它的调制频率调制简称调频，也称为频移键控，它的调制原理是用两个不同频率原理是用两个不同频率的载波分别表示二进制的载波分别表示二进制值值0和和1。 例如图例如图2-10所示。所示。数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号图2.10 频率调制数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号3.相位调制相位调制 v相位调制简称调相，也称为相移键控，它的调制相位调制简称调相，也称为相移键控，它的调制原理是用两个不同相位原理是用两个不同相位的载波分别表示二进制的载波分别表示二进制值值0和和1。相移键控按相位的变化情况分为。相移键控按相位的变化情况分为绝对相移键控和和相对相移键控两种形式。两种形式。 数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号v绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字0和和1，例如：相位偏移，例如：相位偏移1800如表示如表示0用相位用相位00表示表示1，如图，如图2-11所示。所示。图2.11 绝对相移键控数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号v相对相移键控用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示相对相移键控用载波在两位数字信号的交接处产生的相位偏移来表示载波所表示的数字信号。最简单的相对调相方法是：与前一个信号同载波所表示的数字信号。最简单的相对调相方法是：与前一个信号同相表示数字相表示数字0，相位偏移，相位偏移1800表示数字表示数字1，如图，如图2.12所示。这种方所示。这种方法具有较好的抗干扰性。法具有较好的抗干扰性。 图2.12 相对相移键控数字数据编码为模拟信号数字数据编码为模拟信号v利用调幅、调频和调相将发送端的数字信号转换成利用调幅、调频和调相将发送端的数字信号转换成模拟信号的过程称为调制，相应的调制设备称为调模拟信号的过程称为调制，相应的调制设备称为调制器；在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程制器；在接收端把模拟信号还原为数字信号的过程称为解调，相应的设备称为解调器。同时具备调制称为解调，相应的设备称为解调器。同时具备调制和解调功能的设备称为调制解调器（和解调功能的设备称为调制解调器（Modem）。）。 2.3.4 模拟数据编码为数字信号模拟数据编码为数字信号v在数字化的交换和传输系统中，通常需要将模拟在数字化的交换和传输系统中，通常需要将模拟的语音数据编码成数字信号后再进行传输。典型的语音数据编码成数字信号后再进行传输。典型的编码方法为脉冲调制的编码方法为脉冲调制PCM（Pulse Code Modulation），它是波形编码中最重要的一种），它是波形编码中最重要的一种方式，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等方式，在光纤通信、数字微波通信、卫星通信等方面均获得了极为广泛的应用，现在的数字传输方面均获得了极为广泛的应用，现在的数字传输系统大多采用系统大多采用PCM体制。如图体制。如图2.13所示。所示。 2.3.4 模拟数据编码为数字信号模拟数据编码为数字信号vPCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。 图2.13 PCM体制 2.4 多路复用技术多路复用技术v为了更加有效地利用通信线路，希望一个信道中为了更加有效地利用通信线路，希望一个信道中能够同时传输多路信息。人们把利用一条物理线能够同时传输多路信息。人们把利用一条物理线路同时传输多路信息的过程称为多路复用。路同时传输多路信息的过程称为多路复用。v多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道多路复用技术能把多个信号组合在一条物理信道内进行传输，使多台计算机或终端设备共享信道内进行传输，使多台计算机或终端设备共享信道资源，提高信道的利用率。特别是在远距离传输资源，提高信道的利用率。特别是在远距离传输时，可大大节省电缆的成本、安装与维护费用。时，可大大节省电缆的成本、安装与维护费用。 2.4 多路复用技术多路复用技术多路复用技术通常有多路复用技术通常有:v频分多路复用频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）、）、v时分多路复用时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）、）、v波分多路复用波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）、）、v码分多路复用码分多路复用CDMA（Code Division Multiplex Access ），等。），等。 2.4.1 频分多路复用频分多路复用 v 频分多路复用就是将一条物理信道可以传输的频带分割成频分多路复用就是将一条物理信道可以传输的频带分割成若干条较窄的频带，每个频带都可以分配给用户形成数据若干条较窄的频带，每个频带都可以分配给用户形成数据传输子路径。传输子路径。v事实上，介质的可用带宽往往超过每个用户信号所需的带事实上，介质的可用带宽往往超过每个用户信号所需的带宽。因此，我们就可以把该介质的总带宽分割成若干个和宽。因此，我们就可以把该介质的总带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同的子信道，然后每个信道传输一传输的单个信号带宽相同的子信道，然后每个信道传输一个信号。频分多路复用的一般情况如图个信号。频分多路复用的一般情况如图2.14所示。所示。 2.4.1 频分多路复用频分多路复用 图2.14 频分多路复用2.4.2 时分多路复用时分多路复用 时分多路复用即通过一个自动分配系统将一条传输信时分多路复用即通过一个自动分配系统将一条传输信道按照一定的时间间隔分割成多条独立的、速率较低的传道按照一定的时间间隔分割成多条独立的、速率较低的传输信道。输信道。 每一个时间间隔叫做一个时间片，每个时间片由复用每一个时间间隔叫做一个时间片，每个时间片由复用的一个信号占用。这样，利用每个信号在时间上的交叉，的一个信号占用。这样，利用每个信号在时间上的交叉，便可在同一物理信道上传输多个数字信号，这实际上是多便可在同一物理信道上传输多个数字信号，这实际上是多个信号轮流使用物理介质。个信号轮流使用物理介质。 时分多路复用技术又包括时分多路复用技术又包括同步时分多路复用和和异步时分多路复用两种。两种。 2.4.2 时分多路复用时分多路复用1.同步时分多路复用：同步时分多路复用：v同步时分多路复用就是对信道进行固定的时隙分同步时分多路复用就是对信道进行固定的时隙分配，不管终端是否有数据要发送，都会占用一个配，不管终端是否有数据要发送，都会占用一个时隙。由于在发送端每路信号都在他们固定的时时隙。由于在发送端每路信号都在他们固定的时隙，所以接收端可以根据时隙的位置判断出是哪隙，所以接收端可以根据时隙的位置判断出是哪路信号。如图路信号。如图2.15所示。所示。2.4.2 时分多路复用时分多路复用图2.15 同步时分多路复用2.4.2 时分多路复用时分多路复用2.异步时分多路复用：异步时分多路复用也称为智异步时分多路复用：异步时分多路复用也称为智能时分复用，它可以动态地按照需要来分配时隙，能时分复用，它可以动态地按照需要来分配时隙，从而避免了同步时分多路复用中出现的浪费时隙从而避免了同步时分多路复用中出现的浪费时隙的现象，从而提高了时隙的利用率，如图的现象，从而提高了时隙的利用率，如图2.16所所示。示。 2.4.2 时分多路复用时分多路复用 图图2.16异步时分多路复用异步时分多路复用2.4.3 波分多路复用波分多路复用v波分多路复用就是在光的频分复用。波分多路复波分多路复用就是在光的频分复用。波分多路复用的本质是在一条光纤中用不同颜色的光波来传用的本质是在一条光纤中用不同颜色的光波来传输多路信号，而不同的色光在光纤中传输彼此互输多路信号，而不同的色光在光纤中传输彼此互不干扰。波分多路复用是频分多路复用的一个变不干扰。波分多路复用是频分多路复用的一个变种，主要应用于全光纤网组成的通信系统中。如种，主要应用于全光纤网组成的通信系统中。如图图2.17所示所示.2.4.3 波分多路复用波分多路复用图2.17波分多路复用2.4.4 码分多路复用码分多路复用v码分多路复用常称为码分多址码分多路复用常称为码分多址CDMA，是另一种共享信道，是另一种共享信道的方法。每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信。的方法。每个用户可在同一时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成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。干扰。v码分多路复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的码分多路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，敌人发现。随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都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，大幅度下降，因而现在已广泛使用在民用的移动通信中，特别是在无线局域网中。特别是在无线局域网中。 2.5交换方式交换方式v在计算机网络中，常常需要通过有中间节点的线路来将数在计算机网络中，常常需要通过有中间节点的线路来将数据从源地发送到目的地，以此实现通信。而这些中间节点据从源地发送到目的地，以此实现通信。而这些中间节点并不关心数据内容，只是提供一种交换设备，将数据从一并不关心数据内容，只是提供一种交换设备，将数据从一个节点转接到另一个节点，直到最终到达目的地，这个过个节点转接到另一个节点，直到最终到达目的地，这个过程称为程称为交换。在考虑网络结构时，一个重要因素就是怎样。在考虑网络结构时，一个重要因素就是怎样进行信息交换，即采用何种交换方式。进行信息交换，即采用何种交换方式。v目前，通常使用的信息交换方式有三种：目前，通常使用的信息交换方式有三种：电路交换、报文交换和分组交换。2.5.1 电路交换电路交换v电路交换（电路交换（Circuit Switching）又称线路交换，是数）又称线路交换，是数据通信领域最早使用的交换方式。它是一种直接的交换方据通信领域最早使用的交换方式。它是一种直接的交换方式，通过网络结点在通信双方之间建立式，通过网络结点在通信双方之间建立专用的临时通信链的临时通信链路，即在两个工作站之间具有实际的物理连接。路，即在两个工作站之间具有实际的物理连接。v信道上的所有设备实际上只起开关作用，开关合即信道通，信道上的所有设备实际上只起开关作用，开关合即信道通，对信息传输没有额外的延时，而只有传播延时。在通信过对信息传输没有额外的延时，而只有传播延时。在通信过程中，交换设备对通信双方的通信内容不做任何干预，即程中，交换设备对通信双方的通信内容不做任何干预，即对信息的代码、格式和传输控制顺序等没有影响。最普通对信息的代码、格式和传输控制顺序等没有影响。最普通的电路交换的例子是电话通信系统。的电路交换的例子是电话通信系统。 2.5.1 电路交换电路交换电路交换过程包括电路交换过程包括3个阶段，即建立连接、数据传送和断开个阶段，即建立连接、数据传送和断开连接。连接。v1.建立连接。在进行任何信号传送之前，参与通信的两个建立连接。在进行任何信号传送之前，参与通信的两个站点间必须建立连接。其过程为：由主叫用户发出线路呼站点间必须建立连接。其过程为：由主叫用户发出线路呼叫请求，在交换节点建立一条物理线路，然后接收方发出叫请求，在交换节点建立一条物理线路，然后接收方发出应答信号，这样就建立一条通信线路的连接。应答信号，这样就建立一条通信线路的连接。v2.数据传送。建立好通信线路后，数据通信的双方便可以数据传送。建立好通信线路后，数据通信的双方便可以沿着已经建立好的线路传输数据了。沿着已经建立好的线路传输数据了。 v3.断开连接。在经过一段时间的数据传送后，通常由通信断开连接。在经过一段时间的数据传送后，通常由通信双方中的一方来发出拆线的请求，另外一方同意后，原来双方中的一方来发出拆线的请求，另外一方同意后，原来的线路就可以被释放了。的线路就可以被释放了。2.5.1 电路交换电路交换图2.18电路交换的工作原理示意图2.5.1 电路交换电路交换电路交换的优点如下：电路交换的优点如下：(1)传输延迟小，惟一的延迟是电磁信号的传播时间。传输延迟小，惟一的延迟是电磁信号的传播时间。(2)线路一旦接通，不会发生冲突。线路一旦接通，不会发生冲突。(3)对于占用信道的用户来说，数据以固定的速率进对于占用信道的用户来说，数据以固定的速率进行传输，可靠性和实时响应能力都很好，适用于行传输，可靠性和实时响应能力都很好，适用于交互式会话类通信。交互式会话类通信。2.5.1 电路交换电路交换缺点：缺点：(1)电路交换建立线路所需的时间较长。另外，线路连接一旦电路交换建立线路所需的时间较长。另外，线路连接一旦建立就独占线路，因此线路的利用率低。建立就独占线路，因此线路的利用率低。(2)线路连接一旦建立就独占线路，因此线路的利用率低。线路连接一旦建立就独占线路，因此线路的利用率低。(3) 电路交换系统不具备差错控制的能力，无法发现并纠正电路交换系统不具备差错控制的能力，无法发现并纠正传输过程中的错误。传输过程中的错误。 (4)电路交换不具有数据存储能力，不能改变数据的内容。也电路交换不具有数据存储能力，不能改变数据的内容。也不能自动调整和均衡通信流量。不能自动调整和均衡通信流量。2.5.1 电路交换电路交换v因此根据电路交换的特点，它适用于高负荷的持因此根据电路交换的特点，它适用于高负荷的持续通信和实时性要求强的场合，尤其适用于会话、续通信和实时性要求强的场合，尤其适用于会话、语音、图像等交互式通信类；而不适合传输突发语音、图像等交互式通信类；而不适合传输突发性、间断型数字信号的计算机与计算机、计算机性、间断型数字信号的计算机与计算机、计算机与终端之间的通信。与终端之间的通信。2.5.2 报文交换报文交换v在中转结点把待传输的信息存储起来，然后通过缓冲器向在中转结点把待传输的信息存储起来，然后通过缓冲器向下一结点转发的交换方式称为存储交换或存储转发下一结点转发的交换方式称为存储交换或存储转发（Store and Forward）。）。v报文交换（报文交换（Message Switching），就是发送方先把），就是发送方先把待发送的信息分成多个报文正文，在报文正文上附加发送待发送的信息分成多个报文正文，在报文正文上附加发送站、接收站地址及其他控制信息，形成一份份完整的报文。站、接收站地址及其他控制信息，形成一份份完整的报文。然后，以报文为单位在交换网络的各结点间传送。结点在然后，以报文为单位在交换网络的各结点间传送。结点在接收整个报文后对报文进行缓存和必要的处理。等到指定接收整个报文后对报文进行缓存和必要的处理。等到指定输出端的线路和下一结点空闲时，再将报文转发出去，直输出端的线路和下一结点空闲时，再将报文转发出去，直到目的结点。到目的结点。 2.5.2 报文交换报文交换报文交换的优点如下：报文交换的优点如下：(1)电路利用率高。报文从源点传送到目的地采用电路利用率高。报文从源点传送到目的地采用“存储存储转发转发”方式，方式，在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。由于许多报文可以分时共在传送报文时，一个时刻仅占用一段通道。由于许多报文可以分时共享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输享两个节点之间的通道，所以对于同样的通信量来说，对电路的传输能力要求较低。能力要求较低。(2)在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫。而在电路交换网络上，当通信量变得很大时，就不能接受新的呼叫。而在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会在报文交换网络上，通信量大时仍然可以接收报文，不过传送延迟会增加。增加。(3)报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地，而电路交换网络很难做到这一点。难做到这一点。(4)报文交换网络可以进行速度和代码的转换。报文交换网络可以进行速度和代码的转换。2.5.2 报文交换报文交换缺点：缺点：(1)在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，报在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队，报文经过网络的延迟时间长且不定，所以不能满足文经过网络的延迟时间长且不定，所以不能满足实时或交互式的通信要求。实时或交互式的通信要求。(2)有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及有时节点收到过多的数据而无空间存储或不能及时转发时，就不得不丢弃报文。时转发时，就不得不丢弃报文。2.5.3 分组交换分组交换v报文交换对传输的数据块（报文）的大小不加限报文交换对传输的数据块（报文）的大小不加限制，当传输大报文时，单个报文可能占用一条线制，当传输大报文时，单个报文可能占用一条线路长达几分钟，这样显然不适合交互式通信。为路长达几分钟，这样显然不适合交互式通信。为了更好地利用信道容量，并降低节点中数据量的了更好地利用信道容量，并降低节点中数据量的突发性，可以将报文交换改进为分组交换。突发性，可以将报文交换改进为分组交换。 v分组交换将用户的大报文分成若干个更小的等长分组交换将用户的大报文分成若干个更小的等长的数据段，这数据段称为分组。如图的数据段，这数据段称为分组。如图2.19所示所示 。2.5.3 分组交换分组交换v图图2.19分组的示意图分组的示意图2.5.3 分组交换分组交换v分组交换包括两种，即数据报分组交换和虚电路分组交换。分组交换包括两种，即数据报分组交换和虚电路分组交换。 1.数据报分组交换数据报分组交换 v在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的，像报在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的，像报文交换中的报文一样。每个分组被称为一个数据报，每个文交换中的报文一样。每个分组被称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息，一个节点接收到数据报数据报自身携带足够的地址信息，一个节点接收到数据报后，将其原样地发送到下节点。因为各个节点随时根据网后，将其原样地发送到下节点。因为各个节点随时根据网络流量、故障等情况选择路径，从而各个数据报的到达也络流量、故障等情况选择路径，从而各个数据报的到达也不保证是按时的，甚至有的数据报会丢失。不保证是按时的，甚至有的数据报会丢失。 2.5.3 分组交换分组交换图2.20数据报工作方式示意图2.5.3 分组交换分组交换v这种分组交换方式简称为数据报方式，其基本传这种分组交换方式简称为数据报方式，其基本传输的数据单元是小报文。数据报的特点：同一个输的数据单元是小报文。数据报的特点：同一个报文的不同分组可以由不同的传输路径来传输；报文的不同分组可以由不同的传输路径来传输；不同分组到达目标节点时可能会出现乱序、重复不同分组到达目标节点时可能会出现乱序、重复或丢失现象；数据报传输的延迟较大，只适用于或丢失现象；数据报传输的延迟较大，只适用于突发性通信。突发性通信。 2.5.3 分组交换分组交换2.虚电路分组交换虚电路分组交换 v在虚电路分组交换方式中，在发送分组之前，需要在发送在虚电路分组交换方式中，在发送分组之前，需要在发送站和目的站之间建立一条逻辑连接（即虚电路）。它之所站和目的站之间建立一条逻辑连接（即虚电路）。它之所以是以是“虚虚”的，是因为这条电路不是专用的。此时每个分的，是因为这条电路不是专用的。此时每个分组除含有数据外，还有虚电路标识，所以在途经各节点时组除含有数据外，还有虚电路标识，所以在途经各节点时不进行路由选择，只需按照事先建立好的连接传输。数据不进行路由选择，只需按照事先建立好的连接传输。数据传输完毕，可由任何一方发出清除请求分组，以终止本次传输完毕，可由任何一方发出清除请求分组，以终止本次连接。但是这条路径与电路交换中的专用通道不同，分组连接。但是这条路径与电路交换中的专用通道不同，分组在每个节点仍需要缓冲，并排队等待转发。在每个节点仍需要缓冲，并排队等待转发。2.5.3 分组交换分组交换图2.21虚电路的工作原理示意图2.5.3 分组交换分组交换v虚电路分组交换适用于两端之间的长时间数据交换，尤其是在交互式虚电路分组交换适用于两端之间的长时间数据交换，尤其是在交互式会话中每次传送的数据很短的情况下，可免去每个分组要有地址信息会话中每次传送的数据很短的情况下，可免去每个分组要有地址信息的额外开销。它提供了更可靠的通信功能，保证每个分组正确到达，的额外开销。它提供了更可靠的通信功能，保证每个分组正确到达，且保持原来顺序。还可对两个数据端点的流量进行控制，接收方在来且保持原来顺序。还可对两个数据端点的流量进行控制，接收方在来不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送分组。但虚电路有一个弱不及接收数据时，可以通知发送方暂缓发送分组。但虚电路有一个弱点，当某个节点或某条链路出现故障而彻底失效时，则所有经过故障点，当某个节点或某条链路出现故障而彻底失效时，则所有经过故障点的虚电路将立即被破坏。点的虚电路将立即被破坏。v数据报分组交换省去了呼叫建立阶段，它传输少数几个分组的速度要数据报分组交换省去了呼叫建立阶段，它传输少数几个分组的速度要比虚电路方式简便灵活。在数据报方式中，分组可以绕开故障区而到比虚电路方式简便灵活。在数据报方式中，分组可以绕开故障区而到达目的地，因此故障的影响面要比虚电路方式小得多。但数据报不保达目的地，因此故障的影响面要比虚电路方式小得多。但数据报不保证分组的按序到达，数据的丢失也不会立即知道。证分组的按序到达，数据的丢失也不会立即知道。交换技术的比较交换技术的比较 图2.22几种交换技术的工作时序图 交换技术的比较交换技术的比较简单总结一下种技术的主要特点。简单总结一下种技术的主要特点。(1)电路交换：在数据传送之前必须先设置一条通路，在线路释放之前，电路交换：在数据传送之前必须先设置一条通路，在线路释放之前，该通路将由一对用户独占，对于间歇式的通信电路交换效率不高。该通路将由一对用户独占，对于间歇式的通信电路交换效率不高。(2)报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，在传送报报文交换：报文从源点传送到目的地采用存储转发的方式，在传送报文时，同时只占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储，报文需要文时，同时只占用一段通道。在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，报文交换不能满足实时通信的要求。排队。因此，报文交换不能满足实时通信的要求。(3)分组交换：交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，分组交换：交换方式和报文交换方式类似，但报文被分成分组传送，并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中，目的地需要重新组并规定了最大的分组长度。在数据报分组交换中，目的地需要重新组装报文。在虚电路分组交换中，在数据传送之前必须通过虚呼叫设置装报文。在虚电路分组交换中，在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路。分组交换技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技一条虚电路。分组交换技术是在数据网络中最广泛使用的一种交换技术。术。 2.6 差错控制技术差错控制技术v通常，我们把通过通信信道接收到的数据与原来通常，我们把通过通信信道接收到的数据与原来发送的数据不一致的现象称为传输差错，简称为发送的数据不一致的现象称为传输差错，简称为差错。差错。v由于差错的产生是不可避免的，因此，在网络通由于差错的产生是不可避免的，因此，在网络通信技术中必须对此加以研究和解决。信技术中必须对此加以研究和解决。v通常差错控制技术包括两个主要内容：差错的检通常差错控制技术包括两个主要内容：差错的检查和差错的纠正。查和差错的纠正。2.6.1 差错的分类与差错出现的可能原因差错的分类与差错出现的可能原因v热噪声差错热噪声差错v冲击噪声差错冲击噪声差错 在通信过程中产生的传输差错是由随机差错与在通信过程中产生的传输差错是由随机差错与突发差错共同组成的。计算机网络通信系统对平突发差错共同组成的。计算机网络通信系统对平均误码率的要求是介于均误码率的要求是介于10-9与与10-6之间，若想之间，若想达到这项要求，必须解决好自动检测差错以及自达到这项要求，必须解决好自动检测差错以及自动校正差错的问题。动校正差错的问题。 差错控制的方法差错控制的方法在数据通信系统中，差错控制包括差错检测和差错在数据通信系统中，差错控制包括差错检测和差错纠正两部分，常见差错控制的方法主要有以下三纠正两部分，常见差错控制的方法主要有以下三种。种。1.反馈重发检错方法反馈重发检错方法2.前向纠错方法前向纠错方法3.混合纠错方法混合纠错方法差错控制的方法差错控制的方法在数据通信系统中，差错控制包括差错检测和差错在数据通信系统中，差错控制包括差错检测和差错纠正两部分，常见差错控制的方法主要有以下三纠正两部分，常见差错控制的方法主要有以下三种。种。1.反馈重发检错方法反馈重发检错方法2.前向纠错方法前向纠错方法3.混合纠错方法混合纠错方法差错控制的方法差错控制的方法1.反馈重发检错方法反馈重发检错方法 反馈重发检错方法又称自动请求重发反馈重发检错方法又称自动请求重发ARQ（Automatic Repeat reQuest ）方）方法，如图法，如图2.23所示。所示。图2.23 ARQ方法原理图差错控制的方法差错控制的方法2.前向纠错方法前向纠错方法v前向纠错方法前向纠错方法FEC（Forward Error Correcting）是由发送端发）是由发送端发出能纠错的编码，接收端收到这些编码后，通过纠错译码器不仅能自出能纠错的编码，接收端收到这些编码后，通过纠错译码器不仅能自动地发现错误，而且能自动地纠正传输中的错误，然后把纠错后的数动地发现错误，而且能自动地纠正传输中的错误，然后把纠错后的数据送到接收端高层处理，如图据送到接收端高层处理，如图2.24所示所示。 图2.24 FEC方法原理图差错控制的方法差错控制的方法3.混合纠错方法混合纠错方法v混合纠错方法就是反馈重发检错和前向纠错两种混合纠错方法就是反馈重发检错和前向纠错两种方法的结合。混合纠错方法是由发送端发出同时方法的结合。混合纠错方法是由发送端发出同时具有检错和纠错能力的编码，接收端收到编码后具有检错和纠错能力的编码，接收端收到编码后检查差错情况，如差错在可纠正范围内，则自动检查差错情况，如差错在可纠正范围内，则自动纠正之；如差错很多，超出了纠错能力，则经反纠正之；如差错很多，超出了纠错能力，则经反馈信道送回发送端要求重发。馈信道送回发送端要求重发。 2.6.3 差错控制编码差错控制编码 为了让接收方能自行纠错就必须携带更多的纠为了让接收方能自行纠错就必须携带更多的纠错码，因而传输效率不高。在当今的网络中出错错码，因而传输效率不高。在当今的网络中出错率其实并不高，因而网络中通常采用反馈重发检率其实并不高，因而网络中通常采用反馈重发检错方法。错方法。 下面是常用的三种添加检错码的差错控制编码下面是常用的三种添加检错码的差错控制编码方法：方法： 1.奇偶校验奇偶校验 2.方块校验方块校验 3.循环冗余校验循环冗余校验2.6.3 差错控制编码差错控制编码1.奇偶校验奇偶校验v奇偶校验（奇偶校验（Parity Checking）是以字符为单位的校验）是以字符为单位的校验方法，也称垂直冗余校验（方法，也称垂直冗余校验（VRC）。一个字符由）。一个字符由8位组成，位组成，低低7位是信息字符的位是信息字符的ASCII，最高位（附加位）为奇偶校，最高位（附加位）为奇偶校验码位。验码位。v奇偶校验又分为奇校验和偶校验两种。在偶校验时，发送奇偶校验又分为奇校验和偶校验两种。在偶校验时，发送方通过检验位的取值不同，从而保证传输字符代码中方通过检验位的取值不同，从而保证传输字符代码中“”的个数为偶数个。同理，奇校验时，发送方必须保证传的个数为偶数个。同理，奇校验时，发送方必须保证传输字符代码中输字符代码中“”的个数为奇数个。接收端收到信号之的个数为奇数个。接收端收到信号之后，对每个码组检查其中后，对每个码组检查其中“”的个数是否为偶数（偶校的个数是否为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），从而判断收到的数据是否出错。验）或奇数（奇校验），从而判断收到的数据是否出错。 2.6.3 差错控制编码差错控制编码偶校验和奇校验的应用示例。 表2.2奇偶校验位的设置校验校验方式方式校验校验位位ASCII的位的位7 6 5 4 3 2 1ASCII代码代码的字的字符符偶校偶校验验01 0 1 1 0 0 189Y奇校奇校验验11 0 1 1 0 0 189Y2.6.3 差错控制编码差错控制编码v奇偶检验虽然简单，但并不是一种安全的差错控奇偶检验虽然简单，但并不是一种安全的差错控制方法。奇偶校验只能检测出奇数个比特位的错制方法。奇偶校验只能检测出奇数个比特位的错误，对偶数个比特位的错误则无能为力。误，对偶数个比特位的错误则无能为力。v一般地，在低速传输时，出错概率较低，效果还一般地，在低速传输时，出错概率较低，效果还可以令人满意。而当传输数据速率很高时，噪声可以令人满意。而当传输数据速率很高时，噪声脉冲很可能破坏位以上的数据位，差错检验的脉冲很可能破坏位以上的数据位，差错检验的结果很可能是错误的。结果很可能是错误的。 2.6.3 差错控制编码差错控制编码2.方块校验方块校验方块校验也称水平垂直冗余校验（方块校验也称水平垂直冗余校验（LRC），其工作），其工作原理的实质仍然是奇偶检验。原理的实质仍然是奇偶检验。LRC是一种对行和是一种对行和列都进行上述奇偶校验的方法。它是一种在列都进行上述奇偶校验的方法。它是一种在VRC校验法的基础上，进一步加强校验的方法，它的校验法的基础上，进一步加强校验的方法，它的工作原理同工作原理同VRC法十分相似。它在传送一批字符法十分相似。它在传送一批字符（如（如7个）之后，增加了一个称为方块校验字符的个）之后，增加了一个称为方块校验字符的检验字符。检验字符。2.6.3 差错控制编码差错控制编码表2.3 LRC的工作方式字符字符N字符字符 1E字符字符 2T字符字符 3w字符字符 4O字符字符 5R字符字符 6K字符字符 7LRC字字符符 （偶）（偶）位位 111111111位位 200000000位位 300110101位位 410001011位位 511111001位位 610011111位位 701011010校验位校验位 （偶）（偶）011111012.6.3 差错控制编码差错控制编码v采用这种校验方法，如果有两位传输出错，则不采用这种校验方法，如果有两位传输出错，则不仅从每个字符中的奇偶校验位中反映出来，同时，仅从每个字符中的奇偶校验位中反映出来，同时，也在方块校验字符校验位中得到反映。因此，这也在方块校验字符校验位中得到反映。因此，这种方法有较强的检错能力，基本能发现所有一位、种方法有较强的检错能力，基本能发现所有一位、两位或三位的错误，从而使误码率降低个两位或三位的错误，从而使误码率降低个数量级。数量级。2.6.3 差错控制编码差错控制编码3.循环冗余校验循环冗余校验v目前，最精确和最常用的差错控制技术是循环冗余校验目前，最精确和最常用的差错控制技术是循环冗余校验CRC（Cyclic Redundancy Check）。）。CRC是一种是一种较复杂的校验方法，它是一种通过多项式除法检测差错的较复杂的校验方法，它是一种通过多项式除法检测差错的方法。方法。CRC的检错原理：收发双方用约定一个生成多项式的检错原理：收发双方用约定一个生成多项式G(x)对信息码对信息码M(x)做多项式除法，求出余数即做多项式除法，求出余数即CRC校校验码；发送方在数据帧的末尾加上验码；发送方在数据帧的末尾加上CRC校验码；这个带有校验码；这个带有校验码的帧的多项式一定能够被校验码的帧的多项式一定能够被G(x)整除。接收方收到整除。接收方收到后，用同样的后，用同样的G(x)除收到的序列，若有余数，则传输有除收到的序列，若有余数，则传输有错。错。2.6.3 差错控制编码差错控制编码CRC的工作过程如下：的工作过程如下：(1)设设M(x)为位信息码多项式，为位信息码多项式，G(x)为阶生成码多项为阶生成码多项式，则式，则R(x)为位校验码；为位校验码；(2)用模除法进行（用模除法进行（2rM(x)）G(x)，得到余，得到余R(x)；(3)发送形成的比特序列：（发送形成的比特序列：（2rM(x)）R(x)。(4)接收方收到后，用同样的接收方收到后，用同样的G(x)除收到的比特序列。若能除收到的比特序列。若能被其整除，则表示传输无误；反之，表示传输有误，通知被其整除，则表示传输无误；反之，表示传输有误，通知发送端重发数据，直至传输正确为止。发送端重发数据，直至传输正确为止。 2.6.3 差错控制编码差错控制编码v例如，若要传输的信息码为例如，若要传输的信息码为110011，则信息码，则信息码多项式多项式M(x)54；选用生成多；选用生成多项式项式G(x)43（r），则生成码），则生成码为为11001。按照步骤。按照步骤可得出余式可得出余式R(x)的代码的代码为为1001，计算方法如图，计算方法如图2.25所示。所示。 2.6.3 差错控制编码差错控制编码图2.25 CRC校验计算方法2.6.3 差错控制编码差错控制编码v由上可知最终传输的码字为由上可知最终传输的码字为1100111001。如。如接收端接收到信息接收端接收到信息1100111001后，除以同样后，除以同样的生成多项式的生成多项式G(x)43，若余式，若余式R(x)为，则证明信息传输正确；若余式为，则证明信息传输正确；若余式R(x)不为，则证明信息传输有误。不为，则证明信息传输有误。2.6.3 差错控制编码差错控制编码v使用使用CRC校验，可查出所有的单位错和双位错、校验，可查出所有的单位错和双位错、所有具有奇数位的差错和所有长度少于生成多项所有具有奇数位的差错和所有长度少于生成多项式串长度的实发错误，能查出式串长度的实发错误，能查出99以上更长位的以上更长位的突发性错误，由于误码率低，因此得到广泛的应突发性错误，由于误码率低，因此得到广泛的应用。但用。但CRC校验码的生成和差错检测需要用到复校验码的生成和差错检测需要用到复杂的计算，用软件实现比较麻烦，而且速度慢，杂的计算，用软件实现比较麻烦，而且速度慢，目前已有相应的硬件来实现这一功能。目前已有相应的硬件来实现这一功能。小结v计算机网络是现代通信技术与计算机技术紧密相计算机网络是现代通信技术与计算机技术紧密相结合的产物，数据通信技术为计算机网络发展提结合的产物，数据通信技术为计算机网络发展提供可靠的保障和基础，掌握相关的通信技术对我供可靠的保障和基础，掌握相关的通信技术对我们更好的掌握计算机网络提供很好的帮助。们更好的掌握计算机网络提供很好的帮助。v在数据通信技术中，数据编码技术、多路复用技在数据通信技术中，数据编码技术、多路复用技术、数据交换技术和差错控制技术是我们需要重术、数据交换技术和差错控制技术是我们需要重点掌握的通信技术。点掌握的通信技术。 习题习题v1什么是数据通信技术，数据通信系统的基本组成部分。什么是数据通信技术，数据通信系统的基本组成部分。 v2简述数据通信的几种交换方式和数据通信网络的主要特征。简述数据通信的几种交换方式和数据通信网络的主要特征。 v4简述模拟信号和数字信号的差异。简述模拟信号和数字信号的差异。 v5什么是数据编码技术，比较数字数据的模拟信号调制技术和数字信号编码什么是数据编码技术，比较数字数据的模拟信号调制技术和数字信号编码技术。技术。 v6请用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码来表示数字数据请用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码来表示数字数据00110101。 v7什么是多路复用技术，多路复用的基本原理是什么？什么是多路复用技术，多路复用的基本原理是什么？ v8多路复用常用的技术有哪几种，试分析它们不同的特点和使用范围。多路复用常用的技术有哪几种，试分析它们不同的特点和使用范围。 v9有哪几种数据交换技术？请列举这些交换技术的实际应用。有哪几种数据交换技术？请列举这些交换技术的实际应用。 v10比较线路交换和报文交换的特点和使用范围。比较线路交换和报文交换的特点和使用范围。v11在数据传输过程中，采用循环冗余检验码，生成多项式为在数据传输过程中，采用循环冗余检验码，生成多项式为P（X），发送方要发送的信息为，发送方要发送的信息为1010001101，求出实际发送的，求出实际发送的码元，假设传输过程中无差错，写出接收方的检错过程。码元，假设传输过程中无差错，写出接收方的检错过程。