网络技术基础(二)数据通信技术

零.简介

1.数据通信是以信息处理技术和计算机技术为基础等通信方式，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。

 

一.数据通信的基本概念

1.信息、数据与信号：

(1).信息：通信的目的是交换信息。一般认为信息是人们对现实世界事物存在方式或运动状态的某种认识。信息的载体可以是数值、文字、图形、声音、图像以及动画等。任何事物的存在都伴随着相应信息的存在，信息不仅能够反映事物的特征、运动和行为，还能够借助媒体传播和扩散。这里把“事物发出的消息、情报、数据、指令、信号等当中包含的意义”定义为信息。

(2).数据：数据是指把事件的某些属性规范化后的表现形式，可以被识别，也可以被描述。数据可分为模拟数据和数字数据两种。模拟数据：在时间和幅度上都是连续的，其取值随时间连续变化。数字数据：在时间上是离散的，在幅值上是经过量化的。一般是由“0”、“1”二进制代码组成的数字序列。

(3).信号：信号是数据的具体物理表现，是信息(数据)的一种电磁编码，具有确定的物理描述。信号中包含了所要传递的信息。信号一般为自变量，以表示信息(数据)的某个参量为因变量。信息一般是用数据来表示的，而表示信息的数据通常要转变为信号进行传递。

2.模拟信号和数字信号

(1).模拟信号是指波高和频率是连续变化的信号。在模拟线路上，模拟信号是通过电流和电压的变化进行传输的。

(2).数字信号是指离散的信号，如计算机所使用的由“0”和“1”组成的信号。数字信号在通信线路上传输时要借助电信号的状态来表示二进制代码的值。

3.基带信号和宽带信号：(1).基带信号是指将计算机发送的数字信号“0”或“1”用两种不同的电压表示后直接送到通信线路上传输的信号。(2).宽带信号是指基带信号经过解调后形成的频分复用模拟信号。

4. 信道及其分类：传输信息的必经之路称为信道，包括传输介质和通信设备。信道可以按不同的方法进行分类，常见的分类有：(1).有线信道和无线信道；(2).物理信道和逻辑信道；(3).数字信道和模拟信道。

5.数据通信的技术指标：理论分析证明，信道容量和信道带宽成正比，所以，有时用“带宽”来表示信道容量。

(1).传输速率：指信道上信息传送的速度，是描述数据传输的重要技术指标。一般有两种表示方式：信号速率(比特/秒)和调制速率(波特/秒)。

(2).信道带宽：信道中传输的信号在不失真的情况喜爱所占用的频率范围(赫兹)。

(3).信道容量：单位时间内信道上所能传输的最大比特数。

6.通信方式：是指通信双方的信息交互的方式。在设计一个通信系统时，需要考虑以下三个问题：

(1).单工、半双工还是全双工？

(2).串行还是并行？

(3).同步还是异步？

 

二.传输介质的主要特性和应用

1.传输介质：网络上数据的传输需要有“传输媒体”，就像车辆必须在公路上行驶一样。道路质量的好坏会影响到行车的安全舒适。同样，网络传输介质的质量好坏也会影响数据传输的质量。

2.传输介质的主要类型：常用的网络传输介质可分为两类：一类是有线的，一类是无线的。有线传输介质主要有双绞线(Twisted Pair，包括屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线)、同轴电缆(Coaxial Cable)及光纤(Optical Fiber)，无线传输介质有无线电和微波等。

 

3.双绞线：双绞线是由相互绝缘的两根铜线按一定扭距相互绞合在一起的类似于电话线的传输媒体，每根铜线的绝缘层都有颜色标记。

4.RJ-45和集线器：使用双绞线组网时，必须要使用RJ-45水晶头，同时还需要使用集线器。

5.同轴电缆：同轴电缆外层是金属丝编织的网状屏蔽层，里面是金属芯线，二者之间用绝缘体隔开。

6.光纤：纤由纤芯、包层和保护层组成。光束在玻璃纤维内传输，防磁防电，传输稳定，质量高。由于可见光的频率大约是10^14Hz，因而光传输系统可使用的带宽范围极大，多适用于高速网络和骨干网。

7.有线介质性能比较

 

三.无线与卫星通信技术

1.电磁波谱

2.频率和带宽的关系

3.无线通信：无线通信是指信号通过空间传输，不被约束在一个物理导体内。典型的无线传输系统包括无线电、微波和卫星通信等。无线电波的传输特性与频率有关。

4.微波通信：微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，使用频率范围一般在2～400GHz。

5.卫星通信：卫星通信是在地球站之间利用36,000km的同步卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星就是太空中无人值守的用于微波通信的中继器。

 

四.数据交换技术

1.数据交换技术：通信子网是由若干网络节点和链路，按照异地过的拓扑结构到连起来的网络。通信子网为所有进入子网的数据提供一条完整的传输路径的通路。实现这种数据通路的技术就称为数据交换技术。按照通信子网中的网络节点对进入子网的数据所实施的转发方式不同，可以将数据交换方式分为电路交换和存储转发交换两大类。常用的交换技术有：电路交换、报文交换和分组交换3种。

2.电路交换：两台计算机通过通信子网交换数据之前，首先要在通信子网中通过交换设备间的线路连接，建立一条实际的物理线路。电路交换方式最重要的特点是在一对主机之间建立起一条专用的数据通路。通信过程包括线路建立、数据传输和线路释放三个过程。

3.存储转发交换：存储转发交换是指网络节点(交换设备)先将途径的数据按传输单元接收并存储下来，然后选择一条适当的链路转发出去。根据转发的数据单元的不同，存储转发交换又分为报文交换和分组交换。

4.报文交换：报文交换是指网络中的每一个节点(交换设备)先将整个报文完整地接收并存储下来，然后选择合适的链路转发到下一个节点。每个节点都对报文进行存储转发，最终到达目的地。

5.分组交换：分组交换又称包交换。在分组交换网中，计算机之间要交换的数据不是作为一个整体进行传输，而是划分成大小相同的许多数据分组来进行传输，这些分组称为“包”。在分组交换中，根据网络中传输控制协议和传输路径不同，可分为两种方式：数据报文分组交换和虚电路分组交换。

6.数据报文分组交换：

7.虚电路分组交换：

 

五.数据传输技术

1.基带传输技术：基带传输是指在通信线路上原封不动地传输由计算机或终端产⽣的“0”或“1”数字脉冲信号。基带传输是⼀种最简单的传输⽅式，近距离通信的局域⽹⼀般都采⽤这种⽅式。基带传输系统的优点是安装简单、成本低；缺点是传输距离较短(⼀般不超过2km)，传输介质的整个带宽都被基带信号占⽤，并且任何时候只能传输⼀路基带信号，信道利⽤率低。

2.频带传输技术：频带传输也称为宽带传输，是指将数字信号调制成⾳频信号后在发送和传输，到达接收端时再把⾳频信号解调成原来的数字信号。将这种利⽤模拟信道传输数字信号的⽅法称为频带传输技术。

3.多路复用技术：多路复⽤是指在传输系统中，允许两个或多个数据源共享同⼀个传输介质，把若⼲个彼此⽆关的信号合并为⼀个在⼀个共⽤信道上进⾏传输。多路复⽤⼀般可分为以下3种基本形式：

(1).频分多路复⽤(FDM)：

(2).时分多路复⽤(TDM)：

(3).波分多路复⽤(WDM)：

 

六.数据编码技术

1.数据编码的类型：根据数据通信类型的不同，通信信道可分为两类：模拟信道和数字信道。相应的，数据编码的⽅法也分为两类：模拟数据编码和数字数据编码。

2.数字数据的模拟信号编码：为了利⽤公共电话交换⽹实现计算机之间的远程数据传输，就必须把数字数据和模拟信号相互转换。

3.数字数据的数字信号编码：

 

七.差错控制技术

1.差错产生的原因：我们通常将发送的数据与通过通信信道后接收到的数据不⼀致的现象称为传输差错，简称为差错。差错的产⽣是⽆法避免的。信号在物理信道中传输时，线路本身电⽓特性造成的随机噪声、信号幅度的衰减、频率和相位的畸变、电⽓信号在线路上产⽣的反射造成的回⾳效应、相邻线路间以串扰以及各种外界因素，都会造成信号的失真。

2.错误的类型：传输中的差错通常都是由噪声引起的。噪声有两⼤类，即随机热噪声和冲击噪声。热噪声由传输介质导体的电⼦热运动产⽣，是⼀种随机噪声，它引起的差错通常是孤⽴的，与前后码元没有关系。冲击噪声是由外界电磁⼲扰引起的，是引起传输噪声的主要原因。它引起的传输差错为突发差错，且前后码元的差错具有相关性。

3.误码率的定义：误码率是指⼆进制码元在数据传输系统中被传错的概率，数值上近似为Pe=Ne/N。误码率是衡量传输可靠性的参数。数据传输系统应根据实际传输需求提出误码率指标。对于实际传输系统，有可能需要进⾏必要的转换。

4.差错的控制：差错控制的⽅法有两种。第⼀种⽅法是，改善通信线路的性能，使错码出现的概率降低到满⾜系统要求的程度。第⼆种⽅法是采⽤抗⼲扰编码和纠错编码将传输中出现的某些错码检测出来，并纠正错码。第⼆种⽅法最为常⽤，⽬前⼴泛采⽤的有奇偶校验码，⽅块码和循环冗余码等。

(1).差错的控制-奇偶校验：奇偶校验⼜叫字符校验，其基本原理是：在每个字符编码的后⾯另外增加⼀个校验位，主要⽬的是使整个编码中1的个数成为奇数或偶数。在每个字符的数据位传输之前，先检测并计算奇偶校验位，根据采⽤的奇偶校验位是奇数还是偶数，推出⼀个字符包含“1”的数⽬，接收端重新计算收到字符的奇偶校验位，并确定该字符是否出现传输差错。

(2).差错的控制-方块校验：⽅块校验⼜叫报⽂校验，其基本原理是：在奇偶校验⽅法的基础上，在⼀批字符传送之后，另外再增加⼀个检验字符，该检验字符的编码⽅法是使每⼀位纵向代码中1的个数也成为奇数或偶数。采⽤这种⽅法 可以进⼀步⼤⼤降低数据传输的误码率，效果⾮常显著。

(3).差错的控制-循环冗余校验：循环冗余码(Cyclic Redundancy Code，CRC)是使⽤最⼴泛并且检错能⼒很强的⼀种检验码。 CRC的⼯作⽅法是：在发送端产⽣⼀个循环冗余码，附加在信息数据帧后⾯⼀起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进⾏除法运算，若余数为“0”，就表示接收的数据正确，若余数不为“0”，则表明数据在传输的过程中出错，发送端重传数据。