Data Communication Basics Revised 7/2005
Chapter 2
Data Communication Basics
该章主要介绍数据通信技术的基本概念、数据编码技术、数据通信方式、数据传输介质、多路复用技术、数据交换技术、差错控制技术等。初步了解数据通信的基本技术。
重点难点：
数据的四种传输方式； 数据的三种编码技术；
多路复用技术；数据的三种交换技术；差错控制技术
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2.1 Concept of Data Communication
2.1.1 Data,Signal & Information
通信的目的是传输信息如语言、文字、数码和图像。
（ 1） 数据（ Data）
数据是一种承载信息的实体，它涉及到事物的具体形式。
数据可分为模拟数据和数字数据两种形式。
模拟数据,是在某个区间内连续的值。例如，声音和视频就是频率和振幅连续改变的波形。大多数用传感器收集的数据，例如温度和压力都是模拟数据。
数字数据,是离散的值。它用一系列符号代表信息，而每个符号只可以取有限的值。例如文本信息和整数。
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（ 2） 信号（ Signal）
信号是数据的表示形式,或称数据的电磁或电子编码，
它使数据以适当的形式在介质上传输。按其编码机制信号也可分为模拟信号和数字信号两种。
模拟信号：连续变化的电信号数字信号：离散变化的电信号
（ 3）信息（ Information）
是对数据的解释，是数据的具体内容和含义
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2.1.2 Modes of Data Transmission
数据传输是指用电信号把数据从发送端传送到接收端的过程。
1.模拟信道：传输模拟信号的信道；
数字信道：传输数字信号的信道
2.模拟通信（传输）：用模拟信号传输数据的通信数字通信（传输）：用数字信号传输数据的通信模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来传输。在一定条件下，可以将模拟信号转变为数字信号，或将数字信号转变为模拟信号。有四种方式：
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（ 1）模拟数据用模拟信号传输 （ 2）模拟数据用数字信号传输
（ 3）数字数据用模拟信号传输 （ 4）数字数据用数字信号传输电 话模 拟 数 据 模 拟 信 号
（ a ） 模 拟 数 据 在 模 拟 信 道 上 传 输调 制 / 解 调 器数 字 数 据 模 拟 信 号
（ b ） 数 字 数 据 在 模 拟 信 道 上 传 输编 码 解 码 器
（ c ） 模 拟 数 据 在 数 字 信 道 上 传 输模 拟 数 据 数 字 信 号
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3,模拟信号和数字信号传输的差别
（ 1）模拟传输不考虑所传输信号的内容。其信号可以表示模拟数字，也可以表示数字数据。但无论如何，
由于模拟传输是在线路上直接传输模拟信号的方式，模拟信号传送一定距离后，信号都会发生衰减。因此长距离传送，都会使用放大器对信号进行放大。
（ 2）数字传输考虑所传输信号的内容。同样信号传送一定距离后，也会发生衰减。因此长距离传送，要用中继器。
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2.1.3 Structure of Data Communication Network
一个数据通信网络应由信源、信宿、信道、通信控制器和变换器等设备构成。 动画演示系 统 噪 声信 号变 换 器信 源 信 宿信 号变 换 器信 道
( a ) 数 据 通 信 系 统 基 本 模 型系 统 噪 声数 字 信 道
( b ) 数 字 数 据 通 信 系 统 基 本 模 型编 码信 源 信 宿 解 码系 统 噪 声模 拟 信 道
( c ) 模 拟 数 据 通 信 系 统 基 本 模 型模 / 数信 源 信 宿数 / 模
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各部件功能
数据终端设备（信源或信宿）,计算机、终端和其它生成数据的设备成为数据终端设备。在数据通信网络中如果是信息的发出者称其为信源。如果是信息的接收者称其为信宿。
通信控制器,是数据通信网络中很重要的一种设备，
它负责将数据终端设备与通信线路进行连接，并完成数据缓冲、速度匹配、串并转换等任务。
信道,是传送信号的一条通路，由传输介质和相应的附属设备组成。
变换器,是一种将原始信号转换成电信号使其适合于在信道上进行传输的装置。
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数据通信的过程
① 当计算机 A向计算机 B发送信息时，首先通过通信控制器取得信道的使用权；
② 计算机 A把要发送的信息并行传送给通信控制器；
③ 通信控制器根据发送端的要求，把报文分为报文组或传送帧，将其串行送入变换器；
④ 变换器把通信控制器送来的原始信号进行必要的转换，
再送入信道进行传输；
⑤ 接收端判别信息是属于自己的信息后，通过变换器信号恢复成原始信号。并送往接收端的通信控制器；
⑥通信控制器把收到的串行数据格式转换成并行数据格式，
并存入自己的缓冲器中，当所有的报文均收齐后，在并行的送入接收端计算机 B。
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2.1.4 Parameter of Data Communication Network
（ 1） 信道带宽信号是用特定的电磁波表示的，而电磁波都有一定的频谱范围，所以任何实际的信道所能传输的信号频率有一定的范围，这一范围称作该信道频带的宽度，即带宽。
（ 2） 信道容量信道容量或数据速率（ Data Rate）是指信道能传输信息的最大能力。以信道每秒所能传输比特为单位，常记作比,比特 /秒,或,位 /秒,简记为,bps”。
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（ 3） 传输速率传输速率是指传输线上传输信息的速度。数据传输速率有两种表示方法：信息速率和调制速率。
信息速率 S是指单位时间内所传送二进位代码的有效位数。单位用每秒比特数（ bit/s或 bps）表示。
调制率 B是指脉冲信号经过调制后的传输速率或者是信号在调制过程中信号状态变化的次数。通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。
两者关系,S=B3 log2n n 是调制电平数
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（ 4） 误码率误码率是指信息传输的错误率，是衡量传输系统可靠性的指标。误码率是接收码中错误码元数与传输总码元数之比。
即,Pe=误码元数（ Ne） /总码元数（ N）
通常应低于 10-6。
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2.2 Modes of Data Communication
2.2.1 Parallel Communication & Serial Communication
数据的传递和交换可以发生在计算机内部各部件之间，计算机与各种外部设备之间或者计算机与计算机之间。
数据的传递和交换有两种基本方式：并行通信和串行通信，
其工作方式如 动画演示 。
（ 1） 并行通信并行通信方式是将 8位,16位或 32位的数据按数位宽度同时进行传输，每一个数位都要有自己的数据传输线和发送、接收设备。
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（ 2） 串行通信串行通信方式是在一根数据传输线上，每次传送一位二进制数据，即数据一位接一位地传送。
（ 3） 数据的串 /并行转换数据的串 /并行转换方式是指由于计算机内部处理的都是并行数据，在进行串行传输之前，必须将并行数据转换成串行数据；在接收端要将串行数据转换成并行数据。
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一个通信系统至少应含有三部分：发送设备、传输介质、接收设备。其中发送设备用于产生数据，并通过传输介质将数据传送给接收设备，以完成两点之间的数据传送。按照数据传输方向及其时间关系可将通信方式分为单工、半双工和全双工三种。见 动画演示 。
2.2.2 Simplex Communication & Duplex Communication
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（ 1） 基带传输基带传输是指在线路上直接传输基带信号或略加整形后进行的传输。基带是原始信号所占用的基本频带，当终端把数字信息转换为适合于传送的电信号时，这个电信号所固有的频带即为基带。
数字信号的基带传输是以原来的,0”和,1”的形式直接用数字信号在信道上传输。是一种最简单的传输方式。
（ 2） 频带传输当进行远距离通信时，往往将数字数据转换成模拟信号后传输，在接收端再进行信号的恢复，当调制成频率信号的频率范围在音频范围（ 200Hz—3.4 kHz）内时，这种传输方式称为频带传输。其频率范围比音频范围宽时,则称之为宽带传输。
2.2.3 Baseband Transmission & Frequency Band Transmission
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2.2.3 synchronization Transmission & Asynchronism
Transmission
（ 1） 同步传输是指接收端要按照发送端所发送的每个数据的起止时间和重复频率来接收数据,既收发双方在时间上必须一致
。同步传输是以数据块为单位的数据传输。
（ 2） 异步传输异步传输是以字符为单位的数据传输。
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异步传输与同步传输的数据格式
（ a） 异步传输 （ b） 同步传输
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2.3 Technology of Data Coding
2.3.1 Coding of Digital Data
（ 1）不归零编码（ NRZ,Non Return to Zero ）
用高电平表示,1”,用低电平表示,0” ；编码简单，
不含同步时钟，抗干扰能力弱。
（ 2）曼彻斯特编码（ Manchester Encoding）
每比特的 1/2周期处要发生跳变，由高电平跳到低电平表示,1”,由低电平跳到高电平表示,0” ；编码复杂，内部自含同步时钟,抗干扰能力强。
（ 3）差分曼彻斯特编码 （ Differential Manchester Encoding）
每比特的 1/2周期处要发生跳变，在每比特的起始位置发生跳变表示,0”,不发生跳变表示,1” ；编码复杂，内部自含同步时钟,抗干扰能力强。 动画演示
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2.3.2 Analog Coding of Digital Data
调制：由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为,调制,
解调：在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程称为,解调,
调制的方法：载波的表示,y=A(t)sin(wt+Ф)
由上式可知调制方法：振幅、频率、相位三种调制方法
（ 1）振幅调制 （ Amplitude Shift Keying-ASK）
也称为移幅键控法,调制原则：确定 w,Ф,改变 A表示数字信号的不同状态,,0”,用幅度值为 0的载波表示；
,1”,用具有一定幅度值的载波表示。
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（ 2）频率调制 （ Frequency Shift Keying— FSK）
也称频移键控法，调制原则：确定 A,Ф,改变 w
表示数字信号的不同状态。,0”,用频率为 w的载波表示；
,1”,用频率为 2w的载波表示。
（ 3）相位调制 （ Phase Shift Keying-PSK）
也称相移键控法，调制原则：确定 A,w,改变 Ф
表示数字信号的不同状态。,0”,用相位 180°的载波表示；,1”,用相位 0°的载波表示。
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2.3.3 Digital Coding of Analog Data
在数字化的电话交换和传输系统中，通常需要将模拟的话音数据编码成数字信号后再进行传输。这里常用的一种称为 PCM（ Pulse Code Modulation）的脉冲编码调制技术。
PCM基于以下的采样定理：
如果在规定的时间间隔内，以有效信号 f（ t）最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样的话，则这些采样值包含了无混叠而又便于分离的全部原始信号信息。利用低通滤波器可不失真地从这些采样值中重新构造出 f（ t）。
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信号数字化的转换过程信号数字化的转换过程可包括采样、量化和编码三个步骤。
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（ 1） 采样,每个固定的时间间隔，取出模拟数据的瞬时值，作为本次抽样到下次抽样之间该模拟数据的代表值。 X(n)就是采样处理后的脉冲调幅信号。
（ 2） 量化,把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换成对应的数字值，并取整数这样把连续的电平幅值转换成离散的数字 y(n)。
（ 3） 编码,它是将量化后的整数值表示为一定位数的二进制数 C (n)。
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2.4 Data Transmission Medium
2.4.1 Wire Line Medium
双绞线 （ Twisted Paired）,同轴电缆 （ Coaxial
Cable）,光纤 （ Optical fibre）
（ 1） Twisted Paired
双绞线是以螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成的 。
① 物理特性：双绞线一般是铜质的,能提供良好的传导率 。
② 传输特性：双绞线既可用于传输模拟信号,也可以用于传输数字信号
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③ 连通性,双绞线既可以用于点到点的连接，
也可以用于多点的连接。
④ 地理范围,双绞线可以很容易地在 I5KM或更大范围内提供数据传输。
⑤ 抗干扰性,在低频传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆，但在超过 10KHz 时，同轴电缆就比双绞线明显优越。
⑥ 价格,以每米的价格计算，双绞线比同轴电缆或光纤都要便宜得多。
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⑦ 分类,非屏蔽（ Unshielded Twisted Paired
－ UTP）和屏蔽（ Shielded Twisted Paired）。 UTP电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成，易受外部干扰，
包括来自环境噪音与附近的双绞线，但由于其价格低廉且易于安装和使用，所以应用非常广泛,UTP电缆的最大长度一般限制在 100米之内。 STP以铝箔屏蔽以减少干扰和串音。
1991年，美国电子工业协会（ EIA）颁布了 EIA-
568标准，即商业大楼的通信布线标准。 EIA-568-A有三种 UTP电缆。
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3类,UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为 16MHZ。
4类,UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为 20MHZ。
5类,UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为 100MHZ。
3类 UTP电缆对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆；在有限的距离内,经过适当的设计,数据速率可以达到 16Mbps（ 兆比特每秒 ） 。
5类是数字级电缆,现正成为新建大楼的预装设施；在一定的范围内,经过适当的设计,5类电缆可以达到
100Mbps速率 。
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3类和 5类 UTP的关键差别在于,单位距离上的螺旋的数目。 5类旋得较紧，一般为每英寸 3-4转，而 3类则一般是每英尺 3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。
超 5类双绞线,与５类双绞线结构基本相同，与普通５类 UTP相比，其衰减更小，串扰更少，同时具有更高的信噪比、更小的延时误差，性能得到了提高。
双绞线的质量鉴别,有无标识、绞合紧密程度、韧性好、颜色清晰、阻燃性良好、用测试仪进行测量双绞线质量参数
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屏蔽双绞线 （ STP） 非屏蔽双绞线 （ UTP）
以铝箔屏蔽以减少干扰和串音双绞线外没有任何附加屏蔽
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（ 2） Coaxial Cable
同轴电缆也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按
,同轴,形式构成线对。同轴电缆又分为基带同轴电缆（阻抗为
50欧姆）和宽带同轴电缆（阻抗为 75欧姆）。基带同轴电缆用来直接传输数字信号，宽带同轴电缆用于频分多路复用（ FDM）的模拟信号发送 。特性如下：
铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套
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① 物理特性：单根同轴电缆直径约为 1.02cm～
2.45cm。可在较宽的频率范围内工作。
② 传输特性,50欧姆同轴电线仅仅用于数字信号的传输。它又分为粗电缆和细电线两种。粗电缆抗干扰性能好，传输距离远；细电线便宜，传输距离较近。数据传输率最高可达 10M bps
③ 连通性：同轴电缆适用于点到点和多点连接。
基带 50欧姆电缆每段可支持几百台设备，在大系统中还可以用中继器把各段连接起来。宽带 75欧姆电缆可支持数千台设备。
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④ 地理范围：典型基带电缆的最大距离限制在几千米，宽带电线可以达到几十千米，这取决于传输的是模拟信号还是数字信号。
⑤ 抗干扰性：同轴电缆的抗干扰性能比双绞线强。
⑥ 价格：安装同轴电缆的费用比双绞线贵，但比光纤便宜。
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关于细缆
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细缆一般以总线型结构在网络中出现。连网时，
应注意以下几点：网卡要带有 BNC接口；每个用户通过
BNC-T型连接器接入网络；在干线的两端必须安装 50欧姆的终端电阻；如要拓宽网络范围，需使用中继器。细缆网络的每段干线长度最大为 185米，每段干线最多接入 30个用户，且相邻两用户之间的连线距离不能小于
0.5米。可采用 4个中继器连接 5个网段，使网络最大距离达到 925米。细缆安装较容易，而且造价较低，但因受网络布线结构的限制，其日常维护不甚方便，一旦一个用户出故障，便会影响其他用户的正常工作。
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BNC桶型接头：用于连接两段细同轴电缆
BNC连接器及插头终端匹配器
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关于粗缆
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粗缆 适用于比较大的局域网的布线，它的布线距离较长，
可靠性较好，安装时采用特殊的装置，不需切断电缆，两端头装有终端器。用粗缆组网时在硬件的设置上必须注意以下几点：若要直接与网卡相连，网卡必须带有 AUI接口（ Attachment Unit
Interface,连接单元接口，一种 15针 D型接口）；用户采用外部收发器与网络干线连接；用 AUI电缆连接工作站和外部收发器。
粗缆局域网中每段长度可达 500米，采用 4个中继器连接 5个网段后最大可达 2500米。用粗缆组建局域网虽然各项性能较高，具有较大的传输距离，但是网络安装、维护等方面比较困难，而且造价太高，同时细缆近年来的发展较快，所以计算机局域网中一般如无特殊要求都使用细缆组网。
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选则粗缆细缆的原则：
为了降低系统的造价，在保证一条混合干线段所能达到的最大长度的情况下，应尽可能使用细缆。可以用公式计算在一条混合干线段中能够使用的细缆最大长度：
t＝（ 5003 m－ l） /3.28
l 为干线段长度,t 为可使用的细缆最大长度
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（ 3） Optical Fiber
光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构成。
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多模光纤（ Multimode Fiber）
多模光纤使用的材料是发光二极管。发光二极管是一种固态器件，电流通过时就发光，价格较便宜，它产生的是可见光，但定向性较差，是通过在光纤石英玻璃媒体内不断反射而向前传播的。
单模光纤（ Single Mode Fiber）
单模光纤使用的材料是注入型二极管。 注入型二极管也是一种固态器件，产生的是激光。由于激光的定向性好，减少了折射和损耗，效率更高，传播距离更长。
但价格贵得多。
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光纤的各种特性如下：
① 物理特性：光纤在计算机网络中均采用两根光纤
（一来一去）组成传输系统。按波长范围可分为三种：
0.85μ m（波长区,0.8μ m-0.9μ m）,1.3μ m（波长区,1.25μ m -1.35μ m）和 1.55μ m（波长区,1.53μ m-
l.58μ m）。不同波长的光纤损耗特性不同。
② 传输特性：光纤通过内部的全反射传输一束经过编码的光信号。光纤的数据传输率可达几千 Mbps，传输距离达几十千米。
③ 连通性：光纤普遍用于点到点的链路。由于光纤功率损失小、衰减少、带宽较大，因此一段光纤能够支持的分接头数比双绞线或同轴电缆多得多。
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④ 地理范围：从目前的技术来看，可以在 6km-
8km的距离内不用中继器传输。因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络。
⑤ 抗干扰性：光纤具有不受电磁干扰或噪声影响的独有特征，适宜在长距离内保持高数据传输率，而且能够提供很好的安全性。
⑥ 价格：以每米的价格和所需附属设备部件（发送器、接收器、连接器等）比双绞线和同轴电缆要贵。
但光纤的价格将随着工程技术的进步会大大下降，并与同轴电缆的价格相竞争。
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2.4.2 Wireless Medium
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信号频率划分
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（ 1）微波（ Microwave）
微波通信是在对流层视线距离范围内利用无线电波进行传输的一种通信方式，频率范围为 2 GHz-40GHz。工作频率很高，与通常的无线电波不同，沿直线传播。由于地球表面是曲面，因此传播距离有限，直接传播距离与天线高度有关，天线越高距离越远。超过一定距离后要用中继站，两微波站的通信距离一般为 30km-50km，长途通信时必须建立多个中继站。中继站的功能是变频和放大，进行功率补偿。
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微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两种。模拟微波通信主要采用调频制，每个射频波道可开通 300～
3600个话路。数字微波通信大都采用相移键控（ PSK），目前国内长途干线使用的数字微波主要有 4GHz的 960路系统和
1800路系统。微波通信的传输质量比较稳定，影响质量的主要因素是雨雪天气对微波产生的吸收损耗，不利地形或环境对微波所造成的衰减现象
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（ 2）红外线和激光（ infrared & Laser）
红外通信和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线（ Line-of-sight）通路，有时统称这三者为视线媒体。所不同的是红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号，直接在空间传播。
这三种视线媒体，由于都不需要铺设电缆，对于连接不同建筑物内的局域网特别有用，这是因为很难在建筑物之间架设电缆这三种技术对环境气候较为敏感，例如雨、
雾和雷电。相对来说，微波一般对雨和雾的敏感度较低。
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（ 3）卫星通信卫星通信是以人造卫星为微波中继站，它是微波通信的特殊形式。卫星通信的优点是容量大、距离远，缺点是传播延迟时间长。从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间要花 270ms，这相对于地面电缆约 6μ s/km的传播延迟时间来说，要相差几个数量级。
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传输媒体小结传输媒体 速率 传输距离性能 ( 抗干扰性 )
价格 应用双绞线 1 0 - 1000 M b / s 几十 k M 可以 低 模拟 / 数字传输
50? 同轴电缆 10M b / s 3k M 内 较好 略高于双绞线基带数字信号
75? 同轴电缆 300 - 450M Hz 100k M 较好 较高 模拟传输电视、
数据及音频光纤 几十 G bps 30 k M u p 很好 较高 远距离传输短波 < 50M H z 全球 较差 较低 远程低速通信地面微波接力 4 - 6G H z 几百 k M 好 中等 远程通信卫星 500M Hz 1 8 000k M 很好 与距离无关远程通信
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2.5 Multiplexing Technology
2.5.1多路复用技术的原因及含义
（ 1） 减少远距离通信时的线路开支
（ 2） 降低单路信号通信时的线路带宽的浪费
（ 3）所谓的多路复用技术,是指将多路信号在单一的传输线路上同时传输
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2.5.2 FDM（ Frequency Division Multiplexing）
在物理信道能提供比单个原始信号宽的多的带宽情况下,把物理信道的总带宽划分成若干个与单个信号带宽相同 (一般略宽,以防相邻频带的串扰 )的频带 (段 ),用每个频段来传输一路信号。
特点,
① 发射端在发射之前先将原始信号,用频率调制到对应的频段,称为,频谱搬移,。
② 各频带的带宽中预留有,保护带,以防相邻频段信号的串扰 。
③一般用于,模拟信号,传输中。
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例如，假设传输介质的可用带宽为 80 MHZ，每路信号带宽为 12 MHZ。如果采用 FDM同时传输 6路信号，则各路信号带宽应进行以下分配：
f1= 0～ 12MHZ； f2=13～ 25MHZ ； f3=26～ 38MHZ
f4=39～ 51MHZ； f5=52～ 64MHZ； f6=65～ 77MHZ
其中各路信道之间的保护带宽为 1MHz。当携带多路信号的载波通过传输介质传送到另一端的多路复用器后，再还原成各个单路信号，输出到各自对应的输出线上。
应用 FDM技术的基本条件是传输介质的可用带宽必须超过各路给定信号所需带宽的总和。
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CH2
CH1
CH3
原带宽
CH1
CH2
CH3
移频后带宽
MUX
CH1 CH2 CH3
带宽复用
f
FDM适用于模拟信号传输
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2.5.3 TDM（ Time Division Multiplexing）
将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；
每个用户分得一个时间片；
在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。
TDM又分为同步 TDM和异步 TDM
同步 TDM：同步 TDM的每个时间片长度固定且预先指定
异步 TDM：异步 TDM允许动态地分配使用传输介质的时间工作原理动画演示
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2.6 Data Switching Technology
数据在通信子网中节点间的数据传输过程叫数据交换，对应的技术叫数据交换技术。在一个网络系统中通常采用的数据交换技术有 3种，即：电路交换、报文交换和分组交换。
2.6.1 Circuit Switching
基本工作原理：
在数据传输期间，源节点与目的节点之间有一条利用中间节点构成的专用的物理连接线路，在数据传输结束之前，一直保持这条线路。
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数据传输过程：
（ 1） 电路建立：在传输数据之前，要经过呼叫过程以建立一条端到端（站到站）的电路。
（ 2） 数据传输：
（ 3） 电路拆除：数据传输结束后，由通信的某一方发出拆除电路请求（信令），对方作出响应并释放链路。被拆除的信道空闲后，可被其他连接请求所使用。
工作时序动画演示工作过程动画演示
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电路交换的优点,数据传输可靠、迅速，不丢失且保持原来的序列。
电路交换的缺点,是通信双方占有一条信道后，即使不传送数据其他用户也不能使用，造成信道容量的浪费，而且当数据传输阶段的持续时间很短暂，电路建立和拆除所用的时间也得不偿失。
电路交换适用于数据传输要求质量高且批量大的情况。
电路交换的典型例子是电话通信网络。
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2.6.2 Message Switching
整个报文作为一个整体一起发送。
在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。
这种数据传输技术称为 存储 -转发 。
工作时序动画演示工作过程动画演示
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报文交换的优点,
线路效率较高。
目的节点可以为目的端系统暂存报文，可以对报文进行差错控制和码制转换。
在电路交换网络中，当通信量变得很大时，就不能接收某些呼叫，而在报文交换网络上，却仍然可以接收报文，只是传送延迟会增加。
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。
建立报文的优先权。优先级高的报文在节点可优先转发。
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报文交换的缺点：
经过网络的延迟相当长，而且有相当大的变化，
不能满足实时或交互式的通信要求
有时节点收到过多的数据而不得不丢弃报文，
同时也会阻止其它报文的传送。
对交换节点的存储容量有较高的要求。
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2.6.2 Packet Switching
为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（一个较长的报文分成若干个分组）。每个分组中包括数据和目的地址。其传输过程在表面上看与报文交换相类似，但由于限制了每个分组的长度，因此大大地改善了网络传输的性能。
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分组交换与报文交换的不同：
把数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，
这样每个节点所需要的存储量降低了。
分组是较小的传输单位，只有出错的分组才会被重发，因此大大降低了重发的比例，提高了交换速度。
源节点发出一个报文的第一个分组后，可以连续发出第二个、第三个分组，而第一个分组可能还在半路中，这些分组在各个节点中被同时接收、处理和发送，而且可以走不同的路径。这种并行性降低了整体传输时间，并随时利用网络中流量分布的变化而确定尽可能快的路径。
分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。
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虚电路分组交换和数据报分组交换
（ 1） 虚电路方式在虚电路方式中，仍然要经历三个过程：
建立虚电路 → 交换数据 → 拆除虚电路虚电路技术的主要特点是：在数据传送之前先建立站与站之间的一条路径。需注意的是，虚电路不像电路交换那样有一条专用通路。分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在输出线路上排队等待输出。
工作时序动画演示
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（ 2） 数据报方式在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的，就像报文交换中的报文一样也是独立处理的。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。一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一个节点。因此，当某一个站点要发送一个报文时，先把报文拆成若干个带有分组序号和地址信息的数据报，依次发送到网络节点。但以后，各个数据报所走的路径就可能不再相同，因为各个节点随时根据网络流量、故障等情况选择路由，从而各个数据报的到达也不保证是按顺序的，甚至有的数据报会丢失。整个过程中，没有虚电路建立；但要为每个数据报作路由选择。 工作时序动画演示 工作过程动画演示
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虚电路与数据报比较：
虚电路是面向连接的交换方式，适用于两端点之间数据交换量大的情况。能提供可靠的通信功能，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故障而彻底失效时，则所有经过故障点的虚电路将立即破坏。
数据报是面向无连接的交换方式，适用于交互式会话中每次传送的数据报很短的情况。可免去每个分组要携带地址的额外开销，省却了呼叫建立阶段，它传输少数几个分组的速度要比虚电路方式简便灵活。而且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。 但数据报不保证分组按序到达。
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2.7 Error Controlling Technology
2.7.1 差错产生的原因与差错类型
传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象 ;
差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；
通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；
由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；
冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；
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构成的。
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信源 通信信道 信宿数据 噪声 数据+噪声
(a)
0
0
1
1
0
0
1 1
1 1
0
0 0
1
1
1
1
1 0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0 1 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 1 0传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位
(b)
传输差错产生过程
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2.7.2 误码率
指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，数值上近似等于,Pe=Ne/N,N为传输的二进制码元总数,Ne为被传错的码元数；
它是衡量数据传输系统可靠性的参数之一；
对于实际的数据传输系统,不能笼统地说误码率越低越好,要根据实际传输要求提出误码率要求；
对于实际数据传输系统,如果传输的不是二进制比特,要折合成二进制比特来计算；
差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。
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2.7.3 差错控制在数据通信中，最常用的差错控制方法是在数据中加入差错控制编码。我们将要发送的数据称为信息位。
在向信道发送信息位之前，先按照某种规则加上一定的冗余位（称为差错控制编码过程），构成一个码字再发送。接收端收到码字后查看信息位和冗余位，并检查他们之间的关系是否正确，即进行校验，以确定传输过程中是否有差错发生。差错控制方法通常有反馈重传技术、
前向纠错技术
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（ 1）反馈重传技术信源送出信息序列，一方面经检错码编码器编码由发送机送入的信息，另一方面把它存入存储器以备重传。接收端经检错码译码器对接收到的数据进行译码，判断是否有错。如无错，则给出无错信号，经反馈信道送至发送端，同时通知信宿接收译码后的信息序列。如有错，则给出有错信号，经反馈控制器通知信宿拒收信息，并通过反馈信道送至发送端，发送端的判定信号检测器检测后，控制信源暂时停发新信息，并打开存储器将传输中出错的信息重发一遍，接收端收到重发信息序列后，若判定无错则通知信宿接收此数据。并经反馈信道通知发送端，可以发下一信道序列；若有错则重复上述过程，直到接收端内译码判定无错为止。 工作原理动画演示
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（ 2） 前向纠错技术差错控制的另一种方式称为前向纠错。前向纠错是发送端发送能够纠错的数据，接收端收到这些数据以后，通过错码译码器不仅能自动发现错误，并且能自动纠正传输中的错误，然后再把已纠正的数据送给接收者 。
其优点是无需反馈信道，但译码设备复杂而且所送纠错码必须与信道干扰情况紧密对应。如果为了纠正较多的错误，需要附加更多的冗余码，就会导致传输效率的降低。
工作原理动画演示由差错控制的上述两种方法引出来两种不同的差错控制编码：检错码和纠错码。
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2.7.4 常用的差错控制编码
（ 1） 寄偶校验码寄偶校验码是一种最简单的校验码，其编码规则：
先将所要要传送的数据码元分组，并在每组的数据后面附加一位冗余位即校验位，使该组包括冗余位在内的数据码元中,1”的个数保持为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。在接收端按照同样的规则检查，如发现不符，
说明有错误发生；只有,1”的个数仍然符合原定的规律时，认为传输正确。
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（ 2） 循环冗余校验码（ Cyclic Redundancy Code－
CRC ）
CRC采用一种多项式的编码方法。把要发送的数据位串看成是系数只能为,1”或为,0”的多项式。一个 k位的数据块可以看成 Xk-1到 X0的 k项多项式的系数序列。例如,,110001”
有 6位，表示多项式是,X5 + X4+ 1”。多项式的运算是模 2运算。
采用 CRC，发方和收方必须事先约定一个生成多项式 G
（ X）。其基本思想是：将校验和附加在该数据块的末尾，使这个带校验和的多项式能被 G（ X）除尽。当接收方收到带校验和的数据块时，用 G（ X）去除它，如果有余数，则传输有错误。
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习 题
2-1解释下列名词：
① 信号与数据
② 基带传输与频带传输
③ 同步传输与异步传输
④ 单工通信、半双工通信、和全双工通信
⑤ FDM与 TDM
⑥ 并行传输与串行传输
2-2请画出比特流,0011011001”的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形。
2-3叙述几种数据编码的方式与所适用的场合
Chapter 2
Data Communication Basics
该章主要介绍数据通信技术的基本概念、数据编码技术、数据通信方式、数据传输介质、多路复用技术、数据交换技术、差错控制技术等。初步了解数据通信的基本技术。
重点难点：
数据的四种传输方式； 数据的三种编码技术；
多路复用技术；数据的三种交换技术；差错控制技术
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2.1 Concept of Data Communication
2.1.1 Data,Signal & Information
通信的目的是传输信息如语言、文字、数码和图像。
（ 1） 数据（ Data）
数据是一种承载信息的实体，它涉及到事物的具体形式。
数据可分为模拟数据和数字数据两种形式。
模拟数据,是在某个区间内连续的值。例如，声音和视频就是频率和振幅连续改变的波形。大多数用传感器收集的数据，例如温度和压力都是模拟数据。
数字数据,是离散的值。它用一系列符号代表信息，而每个符号只可以取有限的值。例如文本信息和整数。
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（ 2） 信号（ Signal）
信号是数据的表示形式,或称数据的电磁或电子编码，
它使数据以适当的形式在介质上传输。按其编码机制信号也可分为模拟信号和数字信号两种。
模拟信号：连续变化的电信号数字信号：离散变化的电信号
（ 3）信息（ Information）
是对数据的解释，是数据的具体内容和含义
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2.1.2 Modes of Data Transmission
数据传输是指用电信号把数据从发送端传送到接收端的过程。
1.模拟信道：传输模拟信号的信道；
数字信道：传输数字信号的信道
2.模拟通信（传输）：用模拟信号传输数据的通信数字通信（传输）：用数字信号传输数据的通信模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来传输。在一定条件下，可以将模拟信号转变为数字信号，或将数字信号转变为模拟信号。有四种方式：
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（ 1）模拟数据用模拟信号传输 （ 2）模拟数据用数字信号传输
（ 3）数字数据用模拟信号传输 （ 4）数字数据用数字信号传输电 话模 拟 数 据 模 拟 信 号
（ a ） 模 拟 数 据 在 模 拟 信 道 上 传 输调 制 / 解 调 器数 字 数 据 模 拟 信 号
（ b ） 数 字 数 据 在 模 拟 信 道 上 传 输编 码 解 码 器
（ c ） 模 拟 数 据 在 数 字 信 道 上 传 输模 拟 数 据 数 字 信 号
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3,模拟信号和数字信号传输的差别
（ 1）模拟传输不考虑所传输信号的内容。其信号可以表示模拟数字，也可以表示数字数据。但无论如何，
由于模拟传输是在线路上直接传输模拟信号的方式，模拟信号传送一定距离后，信号都会发生衰减。因此长距离传送，都会使用放大器对信号进行放大。
（ 2）数字传输考虑所传输信号的内容。同样信号传送一定距离后，也会发生衰减。因此长距离传送，要用中继器。
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2.1.3 Structure of Data Communication Network
一个数据通信网络应由信源、信宿、信道、通信控制器和变换器等设备构成。 动画演示系 统 噪 声信 号变 换 器信 源 信 宿信 号变 换 器信 道
( a ) 数 据 通 信 系 统 基 本 模 型系 统 噪 声数 字 信 道
( b ) 数 字 数 据 通 信 系 统 基 本 模 型编 码信 源 信 宿 解 码系 统 噪 声模 拟 信 道
( c ) 模 拟 数 据 通 信 系 统 基 本 模 型模 / 数信 源 信 宿数 / 模
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各部件功能
数据终端设备（信源或信宿）,计算机、终端和其它生成数据的设备成为数据终端设备。在数据通信网络中如果是信息的发出者称其为信源。如果是信息的接收者称其为信宿。
通信控制器,是数据通信网络中很重要的一种设备，
它负责将数据终端设备与通信线路进行连接，并完成数据缓冲、速度匹配、串并转换等任务。
信道,是传送信号的一条通路，由传输介质和相应的附属设备组成。
变换器,是一种将原始信号转换成电信号使其适合于在信道上进行传输的装置。
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数据通信的过程
① 当计算机 A向计算机 B发送信息时，首先通过通信控制器取得信道的使用权；
② 计算机 A把要发送的信息并行传送给通信控制器；
③ 通信控制器根据发送端的要求，把报文分为报文组或传送帧，将其串行送入变换器；
④ 变换器把通信控制器送来的原始信号进行必要的转换，
再送入信道进行传输；
⑤ 接收端判别信息是属于自己的信息后，通过变换器信号恢复成原始信号。并送往接收端的通信控制器；
⑥通信控制器把收到的串行数据格式转换成并行数据格式，
并存入自己的缓冲器中，当所有的报文均收齐后，在并行的送入接收端计算机 B。
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2.1.4 Parameter of Data Communication Network
（ 1） 信道带宽信号是用特定的电磁波表示的，而电磁波都有一定的频谱范围，所以任何实际的信道所能传输的信号频率有一定的范围，这一范围称作该信道频带的宽度，即带宽。
（ 2） 信道容量信道容量或数据速率（ Data Rate）是指信道能传输信息的最大能力。以信道每秒所能传输比特为单位，常记作比,比特 /秒,或,位 /秒,简记为,bps”。
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（ 3） 传输速率传输速率是指传输线上传输信息的速度。数据传输速率有两种表示方法：信息速率和调制速率。
信息速率 S是指单位时间内所传送二进位代码的有效位数。单位用每秒比特数（ bit/s或 bps）表示。
调制率 B是指脉冲信号经过调制后的传输速率或者是信号在调制过程中信号状态变化的次数。通常用于表示调制解调器之间传输信号的速率。
两者关系,S=B3 log2n n 是调制电平数
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（ 4） 误码率误码率是指信息传输的错误率，是衡量传输系统可靠性的指标。误码率是接收码中错误码元数与传输总码元数之比。
即,Pe=误码元数（ Ne） /总码元数（ N）
通常应低于 10-6。
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2.2 Modes of Data Communication
2.2.1 Parallel Communication & Serial Communication
数据的传递和交换可以发生在计算机内部各部件之间，计算机与各种外部设备之间或者计算机与计算机之间。
数据的传递和交换有两种基本方式：并行通信和串行通信，
其工作方式如 动画演示 。
（ 1） 并行通信并行通信方式是将 8位,16位或 32位的数据按数位宽度同时进行传输，每一个数位都要有自己的数据传输线和发送、接收设备。
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（ 2） 串行通信串行通信方式是在一根数据传输线上，每次传送一位二进制数据，即数据一位接一位地传送。
（ 3） 数据的串 /并行转换数据的串 /并行转换方式是指由于计算机内部处理的都是并行数据，在进行串行传输之前，必须将并行数据转换成串行数据；在接收端要将串行数据转换成并行数据。
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一个通信系统至少应含有三部分：发送设备、传输介质、接收设备。其中发送设备用于产生数据，并通过传输介质将数据传送给接收设备，以完成两点之间的数据传送。按照数据传输方向及其时间关系可将通信方式分为单工、半双工和全双工三种。见 动画演示 。
2.2.2 Simplex Communication & Duplex Communication
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（ 1） 基带传输基带传输是指在线路上直接传输基带信号或略加整形后进行的传输。基带是原始信号所占用的基本频带，当终端把数字信息转换为适合于传送的电信号时，这个电信号所固有的频带即为基带。
数字信号的基带传输是以原来的,0”和,1”的形式直接用数字信号在信道上传输。是一种最简单的传输方式。
（ 2） 频带传输当进行远距离通信时，往往将数字数据转换成模拟信号后传输，在接收端再进行信号的恢复，当调制成频率信号的频率范围在音频范围（ 200Hz—3.4 kHz）内时，这种传输方式称为频带传输。其频率范围比音频范围宽时,则称之为宽带传输。
2.2.3 Baseband Transmission & Frequency Band Transmission
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2.2.3 synchronization Transmission & Asynchronism
Transmission
（ 1） 同步传输是指接收端要按照发送端所发送的每个数据的起止时间和重复频率来接收数据,既收发双方在时间上必须一致
。同步传输是以数据块为单位的数据传输。
（ 2） 异步传输异步传输是以字符为单位的数据传输。
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异步传输与同步传输的数据格式
（ a） 异步传输 （ b） 同步传输
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2.3 Technology of Data Coding
2.3.1 Coding of Digital Data
（ 1）不归零编码（ NRZ,Non Return to Zero ）
用高电平表示,1”,用低电平表示,0” ；编码简单，
不含同步时钟，抗干扰能力弱。
（ 2）曼彻斯特编码（ Manchester Encoding）
每比特的 1/2周期处要发生跳变，由高电平跳到低电平表示,1”,由低电平跳到高电平表示,0” ；编码复杂，内部自含同步时钟,抗干扰能力强。
（ 3）差分曼彻斯特编码 （ Differential Manchester Encoding）
每比特的 1/2周期处要发生跳变，在每比特的起始位置发生跳变表示,0”,不发生跳变表示,1” ；编码复杂，内部自含同步时钟,抗干扰能力强。 动画演示
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2.3.2 Analog Coding of Digital Data
调制：由发送端将数字数据信号转换成模拟数据信号的过程称为,调制,
解调：在接收端把模拟数据信号还原为数字数据信号的过程称为,解调,
调制的方法：载波的表示,y=A(t)sin(wt+Ф)
由上式可知调制方法：振幅、频率、相位三种调制方法
（ 1）振幅调制 （ Amplitude Shift Keying-ASK）
也称为移幅键控法,调制原则：确定 w,Ф,改变 A表示数字信号的不同状态,,0”,用幅度值为 0的载波表示；
,1”,用具有一定幅度值的载波表示。
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（ 2）频率调制 （ Frequency Shift Keying— FSK）
也称频移键控法，调制原则：确定 A,Ф,改变 w
表示数字信号的不同状态。,0”,用频率为 w的载波表示；
,1”,用频率为 2w的载波表示。
（ 3）相位调制 （ Phase Shift Keying-PSK）
也称相移键控法，调制原则：确定 A,w,改变 Ф
表示数字信号的不同状态。,0”,用相位 180°的载波表示；,1”,用相位 0°的载波表示。
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2.3.3 Digital Coding of Analog Data
在数字化的电话交换和传输系统中，通常需要将模拟的话音数据编码成数字信号后再进行传输。这里常用的一种称为 PCM（ Pulse Code Modulation）的脉冲编码调制技术。
PCM基于以下的采样定理：
如果在规定的时间间隔内，以有效信号 f（ t）最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样的话，则这些采样值包含了无混叠而又便于分离的全部原始信号信息。利用低通滤波器可不失真地从这些采样值中重新构造出 f（ t）。
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信号数字化的转换过程信号数字化的转换过程可包括采样、量化和编码三个步骤。
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（ 1） 采样,每个固定的时间间隔，取出模拟数据的瞬时值，作为本次抽样到下次抽样之间该模拟数据的代表值。 X(n)就是采样处理后的脉冲调幅信号。
（ 2） 量化,把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换成对应的数字值，并取整数这样把连续的电平幅值转换成离散的数字 y(n)。
（ 3） 编码,它是将量化后的整数值表示为一定位数的二进制数 C (n)。
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2.4 Data Transmission Medium
2.4.1 Wire Line Medium
双绞线 （ Twisted Paired）,同轴电缆 （ Coaxial
Cable）,光纤 （ Optical fibre）
（ 1） Twisted Paired
双绞线是以螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成的 。
① 物理特性：双绞线一般是铜质的,能提供良好的传导率 。
② 传输特性：双绞线既可用于传输模拟信号,也可以用于传输数字信号
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③ 连通性,双绞线既可以用于点到点的连接，
也可以用于多点的连接。
④ 地理范围,双绞线可以很容易地在 I5KM或更大范围内提供数据传输。
⑤ 抗干扰性,在低频传输时，双绞线的抗干扰性相当于或高于同轴电缆，但在超过 10KHz 时，同轴电缆就比双绞线明显优越。
⑥ 价格,以每米的价格计算，双绞线比同轴电缆或光纤都要便宜得多。
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⑦ 分类,非屏蔽（ Unshielded Twisted Paired
－ UTP）和屏蔽（ Shielded Twisted Paired）。 UTP电缆由多对双绞线和一个塑料外皮构成，易受外部干扰，
包括来自环境噪音与附近的双绞线，但由于其价格低廉且易于安装和使用，所以应用非常广泛,UTP电缆的最大长度一般限制在 100米之内。 STP以铝箔屏蔽以减少干扰和串音。
1991年，美国电子工业协会（ EIA）颁布了 EIA-
568标准，即商业大楼的通信布线标准。 EIA-568-A有三种 UTP电缆。
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3类,UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为 16MHZ。
4类,UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为 20MHZ。
5类,UTP电缆及其端接设备的传输特性定义为 100MHZ。
3类 UTP电缆对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆；在有限的距离内,经过适当的设计,数据速率可以达到 16Mbps（ 兆比特每秒 ） 。
5类是数字级电缆,现正成为新建大楼的预装设施；在一定的范围内,经过适当的设计,5类电缆可以达到
100Mbps速率 。
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3类和 5类 UTP的关键差别在于,单位距离上的螺旋的数目。 5类旋得较紧，一般为每英寸 3-4转，而 3类则一般是每英尺 3-4转；旋得越紧，价格越贵，但性能也好得多。
超 5类双绞线,与５类双绞线结构基本相同，与普通５类 UTP相比，其衰减更小，串扰更少，同时具有更高的信噪比、更小的延时误差，性能得到了提高。
双绞线的质量鉴别,有无标识、绞合紧密程度、韧性好、颜色清晰、阻燃性良好、用测试仪进行测量双绞线质量参数
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屏蔽双绞线 （ STP） 非屏蔽双绞线 （ UTP）
以铝箔屏蔽以减少干扰和串音双绞线外没有任何附加屏蔽
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（ 2） Coaxial Cable
同轴电缆也像双绞线那样由一对导体组成，但它们是按
,同轴,形式构成线对。同轴电缆又分为基带同轴电缆（阻抗为
50欧姆）和宽带同轴电缆（阻抗为 75欧姆）。基带同轴电缆用来直接传输数字信号，宽带同轴电缆用于频分多路复用（ FDM）的模拟信号发送 。特性如下：
铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套
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① 物理特性：单根同轴电缆直径约为 1.02cm～
2.45cm。可在较宽的频率范围内工作。
② 传输特性,50欧姆同轴电线仅仅用于数字信号的传输。它又分为粗电缆和细电线两种。粗电缆抗干扰性能好，传输距离远；细电线便宜，传输距离较近。数据传输率最高可达 10M bps
③ 连通性：同轴电缆适用于点到点和多点连接。
基带 50欧姆电缆每段可支持几百台设备，在大系统中还可以用中继器把各段连接起来。宽带 75欧姆电缆可支持数千台设备。
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④ 地理范围：典型基带电缆的最大距离限制在几千米，宽带电线可以达到几十千米，这取决于传输的是模拟信号还是数字信号。
⑤ 抗干扰性：同轴电缆的抗干扰性能比双绞线强。
⑥ 价格：安装同轴电缆的费用比双绞线贵，但比光纤便宜。
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关于细缆
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细缆一般以总线型结构在网络中出现。连网时，
应注意以下几点：网卡要带有 BNC接口；每个用户通过
BNC-T型连接器接入网络；在干线的两端必须安装 50欧姆的终端电阻；如要拓宽网络范围，需使用中继器。细缆网络的每段干线长度最大为 185米，每段干线最多接入 30个用户，且相邻两用户之间的连线距离不能小于
0.5米。可采用 4个中继器连接 5个网段，使网络最大距离达到 925米。细缆安装较容易，而且造价较低，但因受网络布线结构的限制，其日常维护不甚方便，一旦一个用户出故障，便会影响其他用户的正常工作。
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BNC桶型接头：用于连接两段细同轴电缆
BNC连接器及插头终端匹配器
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关于粗缆
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粗缆 适用于比较大的局域网的布线，它的布线距离较长，
可靠性较好，安装时采用特殊的装置，不需切断电缆，两端头装有终端器。用粗缆组网时在硬件的设置上必须注意以下几点：若要直接与网卡相连，网卡必须带有 AUI接口（ Attachment Unit
Interface,连接单元接口，一种 15针 D型接口）；用户采用外部收发器与网络干线连接；用 AUI电缆连接工作站和外部收发器。
粗缆局域网中每段长度可达 500米，采用 4个中继器连接 5个网段后最大可达 2500米。用粗缆组建局域网虽然各项性能较高，具有较大的传输距离，但是网络安装、维护等方面比较困难，而且造价太高，同时细缆近年来的发展较快，所以计算机局域网中一般如无特殊要求都使用细缆组网。
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选则粗缆细缆的原则：
为了降低系统的造价，在保证一条混合干线段所能达到的最大长度的情况下，应尽可能使用细缆。可以用公式计算在一条混合干线段中能够使用的细缆最大长度：
t＝（ 5003 m－ l） /3.28
l 为干线段长度,t 为可使用的细缆最大长度
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（ 3） Optical Fiber
光纤是光导纤维的简称，它由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构成。
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多模光纤（ Multimode Fiber）
多模光纤使用的材料是发光二极管。发光二极管是一种固态器件，电流通过时就发光，价格较便宜，它产生的是可见光，但定向性较差，是通过在光纤石英玻璃媒体内不断反射而向前传播的。
单模光纤（ Single Mode Fiber）
单模光纤使用的材料是注入型二极管。 注入型二极管也是一种固态器件，产生的是激光。由于激光的定向性好，减少了折射和损耗，效率更高，传播距离更长。
但价格贵得多。
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光纤的各种特性如下：
① 物理特性：光纤在计算机网络中均采用两根光纤
（一来一去）组成传输系统。按波长范围可分为三种：
0.85μ m（波长区,0.8μ m-0.9μ m）,1.3μ m（波长区,1.25μ m -1.35μ m）和 1.55μ m（波长区,1.53μ m-
l.58μ m）。不同波长的光纤损耗特性不同。
② 传输特性：光纤通过内部的全反射传输一束经过编码的光信号。光纤的数据传输率可达几千 Mbps，传输距离达几十千米。
③ 连通性：光纤普遍用于点到点的链路。由于光纤功率损失小、衰减少、带宽较大，因此一段光纤能够支持的分接头数比双绞线或同轴电缆多得多。
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④ 地理范围：从目前的技术来看，可以在 6km-
8km的距离内不用中继器传输。因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络。
⑤ 抗干扰性：光纤具有不受电磁干扰或噪声影响的独有特征，适宜在长距离内保持高数据传输率，而且能够提供很好的安全性。
⑥ 价格：以每米的价格和所需附属设备部件（发送器、接收器、连接器等）比双绞线和同轴电缆要贵。
但光纤的价格将随着工程技术的进步会大大下降，并与同轴电缆的价格相竞争。
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2.4.2 Wireless Medium
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0
10
2
10
4
10
6
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8
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信号频率划分
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（ 1）微波（ Microwave）
微波通信是在对流层视线距离范围内利用无线电波进行传输的一种通信方式，频率范围为 2 GHz-40GHz。工作频率很高，与通常的无线电波不同，沿直线传播。由于地球表面是曲面，因此传播距离有限，直接传播距离与天线高度有关，天线越高距离越远。超过一定距离后要用中继站，两微波站的通信距离一般为 30km-50km，长途通信时必须建立多个中继站。中继站的功能是变频和放大，进行功率补偿。
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微波通信分为模拟微波通信和数字微波通信两种。模拟微波通信主要采用调频制，每个射频波道可开通 300～
3600个话路。数字微波通信大都采用相移键控（ PSK），目前国内长途干线使用的数字微波主要有 4GHz的 960路系统和
1800路系统。微波通信的传输质量比较稳定，影响质量的主要因素是雨雪天气对微波产生的吸收损耗，不利地形或环境对微波所造成的衰减现象
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（ 2）红外线和激光（ infrared & Laser）
红外通信和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线（ Line-of-sight）通路，有时统称这三者为视线媒体。所不同的是红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号，直接在空间传播。
这三种视线媒体，由于都不需要铺设电缆，对于连接不同建筑物内的局域网特别有用，这是因为很难在建筑物之间架设电缆这三种技术对环境气候较为敏感，例如雨、
雾和雷电。相对来说，微波一般对雨和雾的敏感度较低。
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（ 3）卫星通信卫星通信是以人造卫星为微波中继站，它是微波通信的特殊形式。卫星通信的优点是容量大、距离远，缺点是传播延迟时间长。从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间要花 270ms，这相对于地面电缆约 6μ s/km的传播延迟时间来说，要相差几个数量级。
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传输媒体小结传输媒体 速率 传输距离性能 ( 抗干扰性 )
价格 应用双绞线 1 0 - 1000 M b / s 几十 k M 可以 低 模拟 / 数字传输
50? 同轴电缆 10M b / s 3k M 内 较好 略高于双绞线基带数字信号
75? 同轴电缆 300 - 450M Hz 100k M 较好 较高 模拟传输电视、
数据及音频光纤 几十 G bps 30 k M u p 很好 较高 远距离传输短波 < 50M H z 全球 较差 较低 远程低速通信地面微波接力 4 - 6G H z 几百 k M 好 中等 远程通信卫星 500M Hz 1 8 000k M 很好 与距离无关远程通信
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2.5 Multiplexing Technology
2.5.1多路复用技术的原因及含义
（ 1） 减少远距离通信时的线路开支
（ 2） 降低单路信号通信时的线路带宽的浪费
（ 3）所谓的多路复用技术,是指将多路信号在单一的传输线路上同时传输
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2.5.2 FDM（ Frequency Division Multiplexing）
在物理信道能提供比单个原始信号宽的多的带宽情况下,把物理信道的总带宽划分成若干个与单个信号带宽相同 (一般略宽,以防相邻频带的串扰 )的频带 (段 ),用每个频段来传输一路信号。
特点,
① 发射端在发射之前先将原始信号,用频率调制到对应的频段,称为,频谱搬移,。
② 各频带的带宽中预留有,保护带,以防相邻频段信号的串扰 。
③一般用于,模拟信号,传输中。
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例如，假设传输介质的可用带宽为 80 MHZ，每路信号带宽为 12 MHZ。如果采用 FDM同时传输 6路信号，则各路信号带宽应进行以下分配：
f1= 0～ 12MHZ； f2=13～ 25MHZ ； f3=26～ 38MHZ
f4=39～ 51MHZ； f5=52～ 64MHZ； f6=65～ 77MHZ
其中各路信道之间的保护带宽为 1MHz。当携带多路信号的载波通过传输介质传送到另一端的多路复用器后，再还原成各个单路信号，输出到各自对应的输出线上。
应用 FDM技术的基本条件是传输介质的可用带宽必须超过各路给定信号所需带宽的总和。
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CH2
CH1
CH3
原带宽
CH1
CH2
CH3
移频后带宽
MUX
CH1 CH2 CH3
带宽复用
f
FDM适用于模拟信号传输
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2.5.3 TDM（ Time Division Multiplexing）
将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；
每个用户分得一个时间片；
在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。
TDM又分为同步 TDM和异步 TDM
同步 TDM：同步 TDM的每个时间片长度固定且预先指定
异步 TDM：异步 TDM允许动态地分配使用传输介质的时间工作原理动画演示
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2.6 Data Switching Technology
数据在通信子网中节点间的数据传输过程叫数据交换，对应的技术叫数据交换技术。在一个网络系统中通常采用的数据交换技术有 3种，即：电路交换、报文交换和分组交换。
2.6.1 Circuit Switching
基本工作原理：
在数据传输期间，源节点与目的节点之间有一条利用中间节点构成的专用的物理连接线路，在数据传输结束之前，一直保持这条线路。
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数据传输过程：
（ 1） 电路建立：在传输数据之前，要经过呼叫过程以建立一条端到端（站到站）的电路。
（ 2） 数据传输：
（ 3） 电路拆除：数据传输结束后，由通信的某一方发出拆除电路请求（信令），对方作出响应并释放链路。被拆除的信道空闲后，可被其他连接请求所使用。
工作时序动画演示工作过程动画演示
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电路交换的优点,数据传输可靠、迅速，不丢失且保持原来的序列。
电路交换的缺点,是通信双方占有一条信道后，即使不传送数据其他用户也不能使用，造成信道容量的浪费，而且当数据传输阶段的持续时间很短暂，电路建立和拆除所用的时间也得不偿失。
电路交换适用于数据传输要求质量高且批量大的情况。
电路交换的典型例子是电话通信网络。
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2.6.2 Message Switching
整个报文作为一个整体一起发送。
在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储，待信道空闲时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。
这种数据传输技术称为 存储 -转发 。
工作时序动画演示工作过程动画演示
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报文交换的优点,
线路效率较高。
目的节点可以为目的端系统暂存报文，可以对报文进行差错控制和码制转换。
在电路交换网络中，当通信量变得很大时，就不能接收某些呼叫，而在报文交换网络上，却仍然可以接收报文，只是传送延迟会增加。
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。
建立报文的优先权。优先级高的报文在节点可优先转发。
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报文交换的缺点：
经过网络的延迟相当长，而且有相当大的变化，
不能满足实时或交互式的通信要求
有时节点收到过多的数据而不得不丢弃报文，
同时也会阻止其它报文的传送。
对交换节点的存储容量有较高的要求。
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2.6.2 Packet Switching
为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（一个较长的报文分成若干个分组）。每个分组中包括数据和目的地址。其传输过程在表面上看与报文交换相类似，但由于限制了每个分组的长度，因此大大地改善了网络传输的性能。
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分组交换与报文交换的不同：
把数据传送单位的最大长度限制在较小的范围内，
这样每个节点所需要的存储量降低了。
分组是较小的传输单位，只有出错的分组才会被重发，因此大大降低了重发的比例，提高了交换速度。
源节点发出一个报文的第一个分组后，可以连续发出第二个、第三个分组，而第一个分组可能还在半路中，这些分组在各个节点中被同时接收、处理和发送，而且可以走不同的路径。这种并行性降低了整体传输时间，并随时利用网络中流量分布的变化而确定尽可能快的路径。
分组交换适用于交互式通信，如终端与主机通信。
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虚电路分组交换和数据报分组交换
（ 1） 虚电路方式在虚电路方式中，仍然要经历三个过程：
建立虚电路 → 交换数据 → 拆除虚电路虚电路技术的主要特点是：在数据传送之前先建立站与站之间的一条路径。需注意的是，虚电路不像电路交换那样有一条专用通路。分组在每个节点上仍然需要缓冲，并在输出线路上排队等待输出。
工作时序动画演示
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（ 2） 数据报方式在数据报方式中，每个分组的传送是被单独处理的，就像报文交换中的报文一样也是独立处理的。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。一个节点接收到一个数据报后，根据数据报中的地址信息和节点所储存的路由信息，找出一个合适的出路，把数据报原样地发送到下一个节点。因此，当某一个站点要发送一个报文时，先把报文拆成若干个带有分组序号和地址信息的数据报，依次发送到网络节点。但以后，各个数据报所走的路径就可能不再相同，因为各个节点随时根据网络流量、故障等情况选择路由，从而各个数据报的到达也不保证是按顺序的，甚至有的数据报会丢失。整个过程中，没有虚电路建立；但要为每个数据报作路由选择。 工作时序动画演示 工作过程动画演示
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虚电路与数据报比较：
虚电路是面向连接的交换方式，适用于两端点之间数据交换量大的情况。能提供可靠的通信功能，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故障而彻底失效时，则所有经过故障点的虚电路将立即破坏。
数据报是面向无连接的交换方式，适用于交互式会话中每次传送的数据报很短的情况。可免去每个分组要携带地址的额外开销，省却了呼叫建立阶段，它传输少数几个分组的速度要比虚电路方式简便灵活。而且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。 但数据报不保证分组按序到达。
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2.7 Error Controlling Technology
2.7.1 差错产生的原因与差错类型
传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象 ;
差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；
通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；
由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；
冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；
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构成的。
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信源 通信信道 信宿数据 噪声 数据+噪声
(a)
0
0
1
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0
0
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0 1 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 1 0传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位
(b)
传输差错产生过程
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2.7.2 误码率
指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，数值上近似等于,Pe=Ne/N,N为传输的二进制码元总数,Ne为被传错的码元数；
它是衡量数据传输系统可靠性的参数之一；
对于实际的数据传输系统,不能笼统地说误码率越低越好,要根据实际传输要求提出误码率要求；
对于实际数据传输系统,如果传输的不是二进制比特,要折合成二进制比特来计算；
差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。
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2.7.3 差错控制在数据通信中，最常用的差错控制方法是在数据中加入差错控制编码。我们将要发送的数据称为信息位。
在向信道发送信息位之前，先按照某种规则加上一定的冗余位（称为差错控制编码过程），构成一个码字再发送。接收端收到码字后查看信息位和冗余位，并检查他们之间的关系是否正确，即进行校验，以确定传输过程中是否有差错发生。差错控制方法通常有反馈重传技术、
前向纠错技术
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（ 1）反馈重传技术信源送出信息序列，一方面经检错码编码器编码由发送机送入的信息，另一方面把它存入存储器以备重传。接收端经检错码译码器对接收到的数据进行译码，判断是否有错。如无错，则给出无错信号，经反馈信道送至发送端，同时通知信宿接收译码后的信息序列。如有错，则给出有错信号，经反馈控制器通知信宿拒收信息，并通过反馈信道送至发送端，发送端的判定信号检测器检测后，控制信源暂时停发新信息，并打开存储器将传输中出错的信息重发一遍，接收端收到重发信息序列后，若判定无错则通知信宿接收此数据。并经反馈信道通知发送端，可以发下一信道序列；若有错则重复上述过程，直到接收端内译码判定无错为止。 工作原理动画演示
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（ 2） 前向纠错技术差错控制的另一种方式称为前向纠错。前向纠错是发送端发送能够纠错的数据，接收端收到这些数据以后，通过错码译码器不仅能自动发现错误，并且能自动纠正传输中的错误，然后再把已纠正的数据送给接收者 。
其优点是无需反馈信道，但译码设备复杂而且所送纠错码必须与信道干扰情况紧密对应。如果为了纠正较多的错误，需要附加更多的冗余码，就会导致传输效率的降低。
工作原理动画演示由差错控制的上述两种方法引出来两种不同的差错控制编码：检错码和纠错码。
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2.7.4 常用的差错控制编码
（ 1） 寄偶校验码寄偶校验码是一种最简单的校验码，其编码规则：
先将所要要传送的数据码元分组，并在每组的数据后面附加一位冗余位即校验位，使该组包括冗余位在内的数据码元中,1”的个数保持为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。在接收端按照同样的规则检查，如发现不符，
说明有错误发生；只有,1”的个数仍然符合原定的规律时，认为传输正确。
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（ 2） 循环冗余校验码（ Cyclic Redundancy Code－
CRC ）
CRC采用一种多项式的编码方法。把要发送的数据位串看成是系数只能为,1”或为,0”的多项式。一个 k位的数据块可以看成 Xk-1到 X0的 k项多项式的系数序列。例如,,110001”
有 6位，表示多项式是,X5 + X4+ 1”。多项式的运算是模 2运算。
采用 CRC，发方和收方必须事先约定一个生成多项式 G
（ X）。其基本思想是：将校验和附加在该数据块的末尾，使这个带校验和的多项式能被 G（ X）除尽。当接收方收到带校验和的数据块时，用 G（ X）去除它，如果有余数，则传输有错误。
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习 题
2-1解释下列名词：
① 信号与数据
② 基带传输与频带传输
③ 同步传输与异步传输
④ 单工通信、半双工通信、和全双工通信
⑤ FDM与 TDM
⑥ 并行传输与串行传输
2-2请画出比特流,0011011001”的曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的波形。
2-3叙述几种数据编码的方式与所适用的场合
