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计算机网络基础第二章,第二章数据通信基础,2.1数据通信的基本概念2.2数据传输方式2.3数据编码技术2.4多路复用技术2.5交换方式2.6差错控制技术小结习题,计算机网络基础第二章,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信环境。

计算机网络基础第二章,2.1.1信息、数据和信号,通信的目的是交换信息。

信息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，也可以是物质与外部的联系。

信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像等。

计算机网络基础第二章,2.1.1信息、数据和信号,数据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。

数据有模拟数据和数字数据之分。

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（传感器收集的数据）也是连续变化的值。

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。

计算机网络基础第二章,2.1.1信息、数据和信号,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，信息则是经过加工处理后的数据。

计算机网络基础第二章,2.1.1信息、数据和信号,信号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。

在计算机中，信息是用数据表示的并转换成信号进行传送。

信号有模拟信号和数字信号两种形式。

计算机网络基础第二章,2.1.1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号；数字信号是指一系列在时间上离散的信号。

图2.1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,计算机网络基础第二章,2.1.2信道及信道类型,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。

例如，一条光缆可以同时供几千人通话，有几千条电话信道。

信道可以有以下几种分类方式。

计算机网络基础第二章,2.1.2信道及信道类型,1.物理信道和逻辑信道在计算机网络中，有物理信道和逻辑信道之分。

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接时，就把这些连接称为逻辑信道。

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增加软件或硬件规程，用以实现物理信道的可靠数据传输。

计算机网络基础第二章,2.1.2信道及信道类型,2.有线信道和无线信道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。

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。

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在空间传播。

计算机网络基础第二章,2.1.2信道及信道类型,3.模拟信道和数字信道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，就需要在信道两边分别安装调制解调器，以完成模拟与数字信号（A/D）之间的变换。

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“”和“”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，即调制解调器。

关于数据编码的内容将在2.3节讨论。

计算机网络基础第二章,2.1.2信道及信道类型,4.专用信道和公用信道专用信道又称专线，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，也可以是向电信部门租用的专线。

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。

计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,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。

1.数据传输速率（）2.调制速率（）3.出错率4.带宽,计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,1.数据传输速率（）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。

用bit/s（比特每秒，也即bps）、Kbit/s（千比特每秒，1024bit/s103bit/s）、Mbit/s（兆比特每秒，10241024106bit/s）、Gbit/s（吉比特每秒，（1024）3bit/s109bit/s）或Tbit/s（太比特每秒，（1024）4bit/s1012bit/s）等单位来表示。

计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,2.调制速率（）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，每秒钟载波调制状态改变的次数。

计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,2.调制速率（）B用波特（Baud）为单位。

1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T（s）来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）比特率和波特率之间有下列关系：

公式SBlog2N其中，N为一个脉冲信号所表示的有效状态数。

在二进制中，一个脉冲的有和无用“”和“”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SB，即比特率与波特率相等。

但在更高相数的多相调制时，S与B就不同了，参见表.所示。

计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,表2.1比特率和波特率的关系,计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,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2.2所示。

图2.2比特率和波特率的区别,计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,3.出错率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：

误比特率Pb：

接收的错误比特数占传输总比特数的比例。

误码率Pe：

接收的错误码元数占传输总码元数的比例。

一般在计算机网络通信系统中，出错率应该低于10-9。

计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,4.带宽带宽就是指通信信道的宽度，代表信道传输信息的能力。

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Hz。

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3003400Hz之间。

而在数字信道中，人们常用数据传输速率（比特率）表示信道的传输能力（带宽），即每秒传输的比特数，单位为bit例如，双绞线以太网的传输速率为10Mbit/s或100Mbit/s等。

计算机网络基础第二章,2.1.3通信系统的主要技术指标,4.带宽通常情况下，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。

计算机网络基础第二章,2.2数据传输方式,在数据通信过程中需要解决的问题有：

数据通信采用串行传输还是并行传输？

是单向传输还是双向传输？

如何实现接收方与发送方的同步？

计算机网络基础第二章,2.2.1并行通信和串行通信,1.并行通信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2.3所示是以并行传输的方式将1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8个比特。

计算机网络基础第二章,2.2.1并行通信和串行通信,图2.3并行数据传输,计算机网络基础第二章,2.2.1并行通信和串行通信,并行数据传输的优点是速度快，但发送端和接收端之间需要有若干条线路，费用高，因此较适合于近距离和高速率的通信。

通常计算机与计算机、计算机与各种外部设备之间的通信方式可以选择并行传输，计算机内部的通信通常都是并行传输。

计算机网络基础第二章,2.2.1并行通信和串行通信,2.串行通信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，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传输，因此数据在发送前，必须要进行并/串转换，在接收端再进行相反的变换，由此来实现串行通信，如图2.4所示。

计算机网络基础第二章,2.2.1并行通信和串行通信,图2.4串行数据传输,计算机网络基础第二章,2.2.1并行通信和串行通信,串行数据传输只需要一条传输信道，成本低，但其速度也低，串行数据传输常用于计算机的串口上，在远程通信中通常也采用串行数据传输方式。

计算机网络基础第二章,2.2.2同步传输和异步传输,数字通信中必须解决的一个重要问题就是数据的发送方和接收方如何在时间基准上保持步调一致。

其方法一般有两种，即同步传输和异步传输。

计算机网络基础第二章,2.2.2同步传输和异步传输,1.同步传输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2.5所示。

计算机网络基础第二章,2.2.2同步传输和异步传输,图2.5同步传输,计算机网络基础第二章,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，先发送一个同步字符SYN（01111110），用于接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结束。

计算机网络基础第二章,2.2.2同步传输和异步传输,2.异步传输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“群”，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“群”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，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1到0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加23位校验码，如图2.6所示。

计算机网络基础第二章,2.2.2同步传输和异步传输,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。

图2.6异步传输,计算机网络基础第二章,2.2.3单工、半双工和全双工,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通信3种。

计算机网络基础第二章,2.2.3单工、半双工和全双工,1.单工通信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。

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信道。

计算机网络基础第二章,2.2.3单工、半双工和全双工,2.半双工通信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。

一种是在应答时转换传输信道；另一种是把主信道和监测信道分开设立，供监测信号使用。

计算机网络基础第二章,2.2.3单工、半双工和全双工,3.全双工通信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。

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、接收装置可以同时发送和接收信息。

计算机网络基础第二章,2.3.1数据通信系统的组成与类型,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（接收端）。

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。

信源与信宿之间通过通信设备和传输介质进行通信。

计算机网络基础第二章,2.3.1数据通信系统的组成与类型,计算机网络基础第二章,2.3.1数据通信系统的组成与类型,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，如图2.7所示。

数字数据，数字信号传输。

例如，10BaseT以太网。

数字数据，模拟信号传输。

例如，使用调制解调器上网。

模拟数据，数字信号传输。

例如，数字电视传输系统。

模拟数据，模拟信号传输。

例如，早期的电话传输系统。

计算机网络基础第二章,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,计算机网络基础第二章,2.3.2数字数据编码为数字信号,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、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

计算机网络基础第二章,2.3.2数字数据编码为数字信号,1.不归零编码NRZ（NonReturntoZero）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。

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NRZ码的同时，用另一个信道同时发送同步时钟信号，见图2.8a。

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。

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。

计算机网络基础第二章,2.3.2数字数据编码为数字信号,2.曼彻斯特编码（Manchester）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。

（1）每比特的周期分为前后两个相等的部分。

（2）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。

（3）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。

典型的曼彻斯特编码波形如图2.8所示。

计算机网络基础第二章,2.3.2数字数据编码为数字信号,3.差分曼彻斯特编码（DifferenceManchester）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：

（1）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。

（2）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2.8c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，开始处不发生电平跳变。

计算机网络基础第二章,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,计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,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，只适用于传输音频范围（300Hz3400Hz）的模拟信号，无法直接传输计算机的数字信号。

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。

计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,在调制过程中，所选用的载波信号可以表示为正弦波形式：

（）（）（）其中，幅度A、频率和相位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，下面将分别介绍这几种调制技术。

计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,1.幅度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0和1。

例如，可以用幅度为A1的载波信号表示数字，用幅度A的载波信号表示数字，波形图如图2-9所示。

计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,图2.9幅度调制,计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,2.频率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的载波分别表示二进制值0和1。

例如图2-10所示。

计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,图2.10频率调制,计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,3.相位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的载波分别表示二进制值0和1。

相移键控按相位的变化情况分为绝对相移键控和相对相移键控两种形式。

计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,绝对相移键控用两个固定的不同相位表示数字0和1，例如：

相位偏移1800如表示0用相位00表示1，如图2-11所示。

图2.11绝对相移键控,计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,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：

与前一个信号同相表示数字0，相位偏移1800表示数字1，如图2.12所示。

这种方法具有较好的抗干扰性。

图2.12相对相移键控,计算机网络基础第二章,2.3.3数字数据编码为模拟信号,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。

同时具备调制和解调功能的设备称为调制解调器（Modem）。

计算机网络基础第二章,2.3.4模拟数据编码为数字信号,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。

典型的编码方法为脉冲调制PCM（PulseCodeModulation），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PCM体制。

如图2.13所示。

计算机网络基础第二章,2.3.4模拟数据编码为数字信号,PCM过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。

图2.13PCM体制,计算机网络基础第二章,2.4多路复用技术,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路同时传输多路信息的过程称为多路复用。

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。

计算机网络基础第二章,2.4多路复用技术,多路复用技术通常有:

频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）、时分多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）、波分多路复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）、码分多路复用CDMA（CodeDivisionMultiplexAccess），等。

计算机网络基础第二章,2.4.1频分多路复用,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传输子路径。

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2.14所示。

计算机网络基础第二章,2.4.1频分多路复用,图2.14频分多路复用,计算机网络基础第二章,2.4.2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。

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，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。

时分多路复用技术又包括同步时分多路复用和异步时分多路复用两种。

计算机网络基础第二章,2.4.2时分多路复用,1.同步时分多路复用：

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路信号。

如图2.15所示。

计算机网络基础第二章,2.4.2时分多路复用,图2.15同步时分多路复用,计算机网络基础第二章,2.4.2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的现象，从而提高了时隙的利用率，如图2.16所示。

计算机网络基础第二章,2.4.2时分多路复用,图2.16异步时分多路复用,计算机网络基础第二章,2.4.3波分多路复用,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种，主要应用于全光纤网组成的通信系统中。

如图2.17所示.,计算机网络基础第二章,2.4.3波分多路复用,图2.17波分多路复用,计算机网络基础第二章,2.4.4码分多路复用,码分多路复用常称为码分多址CDMA，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。

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，特别是在无线局域网中。

计算机网络基础第二章,2.5交换方式,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，这个过程称为交换。

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。

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。

计算机网络基础第二章,2.5.1电路交换,电路交换（CircuitSwitching）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式，通过网络结点在通信双方之间建立专用的临时通信链路，即在两个工作站之间具有实际的物理连接。

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。

最普通的电路交换的例子是电话通信系统。

计算机网络基础第二章,2.5.1电路交换,电路交换过程包括3个阶段，即建立连接、数据传送和断开连接。

1.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。

2.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。

3.断开连接。

在经过一