第2章 数据通信基础 本章学习目标 2.1 数据通信的基本概念 2.2 数据编码技术 2.3 多路复用技术 2.4 数据通信方式 第2章 数据通信基础 本章学习目标 2.1 数据通信的基本概念 2.2 数据编码技术 2.3 多路复用技术 2.4 数据通信方式 2.5 数据传输介质 2.6 差错控制与校验 2.7 信息交换技术 2.8 思考题

本章学习目标 本章主要介绍了数据通信的基本原理。通过本章的学习，读者应能够： l 了解模拟传输与数字传输的基本原理 掌握常用数据编码及多路复用技术 掌握常用的传输介质及使用 l 掌握信息交换技术

2.1 数据通信的基本概念 2.1.1 数据、信息和信号 2.1.2 数据通信系统的模型 2.1.3 数据通信系统的主要质量指标

2.1.1 数据、信息和信号 通信是为了交换信息（Information）。信息的载体可以是数字、文字、语音、图形和图像，常称为数据（Data）。数据是对客观事实进行描述与记载的物理符号。信息是数据的集合、含义与解释。如对一个企业当前生产各项经营指标的分析，可以得出企业生产经营状况的若干信息。显然，数据和信息的概念是相对的，甚至有时将两者等同起来。

2.1.1 数据、信息和信号 数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据取连续值，数字数据取离散值。在数据被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号：或是模拟信号，或是数字信号。所以，信号（signal）是数据的电磁波表示形式。模拟数据和数字数据都可用这两种信号来表示。模拟信号是随时间连续变化的信号。数字信号是离散信号，如计算机通信所使用的二进制代码信号。

2.1.1 数据、信息和信号 和信号的这种分类相似，信道也可以分成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。但是应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，而模拟信号在经过模数转换后也可以在数字信道上传送。

2.1.2 数据通信系统的模型

2.1.2 数据通信系统的模型 图2-1中，信源是信息的发出者，它把各种可能的信息转换成原始信号，为了使其能适合在信道上传输，就要通过某种变换器将原始信号转换成需要的信号。 在发送设备和接收设备之间用于传输信号的介质称为信道。 图2-1中的噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示。信号在传输过程中受到的干扰称为噪声，干扰可能来自外部，也可能由信号传输过程本身产生。

2.1.2 数据通信系统的模型 数字通信的主要优点如下： （1）抗干扰能力强。 （2）便于加密，有利于实现保密通信。 2.1.2 数据通信系统的模型 数字通信的主要优点如下： （1）抗干扰能力强。 （2）便于加密，有利于实现保密通信。 （3）易于实现集成化，使通信设备的体积小，功耗低。 （4）数字信号便于存储、处理、交换，也便于和计算机连接以及用计算机进行管理。

2．数据通信系统的模型

2．数据通信系统的模型 图2-2是通信系统的一个实例，工作站通过公共电话网PSTN与一个服务器进行通信。 数据通信系统要完成的一系列关键任务为：（1）接口规范（2）同步（3）传输系统利用率（4）差错检测和校验（5）灾难恢复（6）寻址和路由（7）网络安全（8）网络管理

2.1.2 数据通信系统的主要质量指标 从研究信息的传输来说，通信的有效性和可靠性是最重要的指标。有效性指的是传输一定的信息量所消耗的信道资源（带宽或时间），而可靠性指的是接收信息的准确程度。这两项指标体现了对通信系统最基本的要求。模拟通信和数据通信对这两个指标要求的具体内容有较大差异。 1．模拟通信系统的质量指标 2．数字通信系统的质量指标

1．模拟通信系统的质量指标 （1）有效性:模拟通信系统的有效性是用有效传输带宽来度量。同样的信息采用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。频带宽度越窄，有效性越好。 （2）可靠性:模拟通信系统的可靠性是用接收端最终的输出信噪比来度量。信噪比越大，通信质量越高。不同调制方式在同样信道条件下所得到的输出信噪比是不同的。

2．数字通信系统的质量指标 数字通信系统的有效性用传输速率来衡量，可靠性用差错率来衡量。 （1）传输速率：数据传输速率指的是单位时间内传送的信息量，它有多种表示方法。波特和比特是两个不同的概念，一般在二元制调相方式中，Rs和Rb相等；但在多元调相的情况下就不一定了。 （2）差错率：差错率即误码率，是衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，它的定义是：二进制码元被传输出错的概率。差错率越小，通信的可靠性越高。

2．数字通信系统的质量指标 （3）信道带宽 ： （4）信道容量 指信道中传输的信号在不失真的情况下所占据的频率范围，通常也被称为信道的通频带，它是由信道的物理特性所决定的。 （4）信道容量 是表示一个信道传输数字信号的能力，用信道中可以传输的最大数据率作为指标。当传输的信号速率超过信道的最大信号速率时，就会产生失真，因此，信道容量受带宽的制约。通常信道容量和信道带宽具有正比的关系，带宽越大，容量越大。要提高信号的传输率，信道就要有足够的带宽，目前人们也常用信道带宽来表示信道容量。

2．数字通信系统的质量指标 （5）数据延迟 ： （6）吞吐量 对信道而言，延迟用来表示网络中相距最远的两个站点之间的传播时间。对于网络上的某一站点来讲，延迟表示从接收信息到将该信息再转发出去的时间。 （6）吞吐量 吞吐量在数值上表示网络或交换设备在单位时间内成功传输或交换的总信息量，吞吐量的单位为bps。

2．数字通信系统的质量指标 （7）基带传输： 基带是指一个原始信号所占有的基本频带，若信号具有基本频带时，称为基带信号。通常情况下，没有经过调制的原始信号都是基带信号，可以是模拟的或者是数字的信号。基带传输是一种最简单的传输方式，它将基带信号直接送到信道上进行传输。基带信号所占有频带很宽，基带传输时需要独占信道的带宽，传输易于衰减，传输距离受到限制。 （8）频带传输：将基带信号调制后形成的模拟信号称为频带信号，将频带信号通过信道进行传输则称为频带传输。频带传输的优点是传输距离长，缺点是信道容量有限。 （9）宽带传输 ：将多路的基带信号、音频信号和视频信号通过调制后，利用一条电缆的不同频段来传输，其中各条信号互相不会干扰，这种传输方式称为宽带传输。宽带传输一般指传输介质的频带宽度为300MHz～400MHz。宽带传输提高了传输介质的利用率

2．数字通信系统的质量指标 奈氏准则：理想低通信道的最高码元传输速率(信道容量)＝2W(Baud)； 理想低通信道的最高数据传输速率(信道容量) =2WLog2L(bps)。 W:带宽，单位Hz； Baud:波特，是码元传输速率的单位，1波特表示每秒传送1个码元； L:信道上传输信号可取离散值个数。 Shannon定理（有噪声信道极限信息传输速率）： C=Wlog2(1+S/N)（bps） W:信道带宽 S:为信道内所传信号的平均功率 N:为信道内部的高斯噪声功率 S/N :信噪比（dB分贝）

2.2 数据编码技术 2.2.1 数字数据的数字信号编码 2.2.2 数字数据的模拟信号编码 2.2.3 模拟数据的数字信号编码 2.2 数据编码技术 2.2.1 数字数据的数字信号编码 2.2.2 数字数据的模拟信号编码 2.2.3 模拟数据的数字信号编码 2.2.4 模拟数据的模拟信号调制

2.2.1 数字数据的数字信号编码

2.2.1 数字数据的数字信号编码 不归零制，即用两个电平来表示两个二进制数字；用高电平（正电压）表示1，用低电平（负电压）表示0（如图2-3（a）所示）。不归零制有很多缺点，它难以判断一位的结束和另一位的开始，需要用某种方法来使发送器和接收器进行定时或同步。如果传输中都是“1”或“0”的话，那么在单位时间内将产生累积的直流分量，它能使设备连接点产生电腐蚀或其他损坏。

2.2.1 数字数据的数字信号编码 曼彻斯特编码（如图2-3（b）所示）。它是一种自同步编码方式，包括数据信息和时钟信息。它的编码方法是将每一个码元再分成两个相等的间隔，码元１是前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平；码元０则正好相反，从低电平变到高电平。这种编码的优点是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，对接收端提取位同步信号非常有利，而且当码元中间无跳变时，就形成违例码，这种违例的情况可形成帧标志。但是从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，这就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

2.2.1 数字数据的数字信号编码 差分曼彻斯特编码（如图2-3（c）所示），它的编码规则是：若码元为1，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平一样；但若码元为0，则其前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相反。不论码元是１或０，在每个码元的正中间时刻，一定要有一次电平的转换。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。

2.2.2 数字数据的模拟信号编码 数字设备（如计算机或终端）通过调制解调器接入电话网络进行通信是利用模拟信号传输数字数据的典型情况。模拟信号发送的基础就是一种称之为载波信号的连续的频率恒定的信号。通过调制振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码。最基本的数字数据→模拟信号调制方式有以下三种（如图2-4所示）。

2.2.2 数字数据的模拟信号编码

2.2.2 数字数据的模拟信号编码 （1）幅移键控方式（ASK）：载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于无载波输出，而“1”对应于有载波输出。 （2）频移键控方式（FSK）：载波的频率随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于频率f１，而“1”对应于频率f2。 （3）相移键控方式（PSK）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于相位0°，而“1”对应于180°。

2.2.2 数字数据的模拟信号编码 解调（即从模拟信号恢复出数字数据）的原理简述如下：对于ASK信号，可以用整流再滤波的方法检测出原始信号；对于FSK信号可以通过检查零交叉点的方法恢复出数据；对于一般PSK信号，例如相位不变代表0，相位移相180°代表1，可以把信号放大整形，延时一个信号单元时间，然后反相，再和原信号相异或，即可恢复出原始数据。

2.2.3 模拟数据的数字信号编码 脉冲编码调制（PCM）的过程主要由采样、量化与编码三个步骤组成。采样是把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的采样信号，量化是把幅度上连接的模拟信号转换成幅度上离散的量化信号，编码是把时间离散且幅度离散的量化信号用一个二进制码组表示。

2.2.4 模拟数据的模拟信号调制 在电话机和本地局交换机之间所传输的信号就是采用这种编码方式。模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。 无线语音广播是模拟信号传输模拟数据的另一个例子。有效的传输需要比较高的频率。对于无线传播，传送基带信号几乎是不可能的，因为那将需要直径为好几公里长的天线。另外，调制有助于频分复用。

2.3 多路复用技术 2.3.1 频分多路复用 2.3.2 时分多路复用 2.3.3 波分多路复用 2.3.4 码分多路复用

2.3.1 频分多路复用

2.3.1 频分多路复用 多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按频率分割多路信号的方法划分为若干互不交叠的频段，每路信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道（如图2-5所示）；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用（FDM，Frequency Division Multiplexing） 。

2.3.1 频分多路复用

2.3.1 频分多路复用 FDM系统的原理示意图如图2-6所示，它假设有6个输入源，分别输入6路信号到频分多路器FDM-MUX，多路器将每路信号调制在不同的载波频率上（例如f1，f2，…，f6）。每路信号以其载波频率为中心，占用一定的带宽，此带宽范围称做一个通道，各通道之间通常用保护频带隔离，以保证各路信号的频带间不发生重叠。输入信号可以是模拟的，也可以是数字的。

2.3.1 频分多路复用 频分多路复用的优点是信道的利用率高，允许复用的路数多，分路也很方便，并且频带宽度越大，则在此频带宽度内所容纳的用户数就越多；缺点是设备复杂，不仅需要大量的调制器、解调器和带通滤波器，而且还要求接收端提供相干载波；此外，由于在传输过程中的非线性失真及频分复用信号抗干扰性能较差，不可避免地会产生路际串音干扰。为了减少载频的数量和所需设备部件的类型，一般都采用多级调制的方法。

2.3.2 时分多路复用 时分多路复用（TDM，Time Division Multiplexing）是将多路信号按一定的时间间隔相间传送以在一条传输线上实现“同时”传送多路信号。基本的TDM是同步时分多路复用技术，如果采用较复杂的措施以改善同步时分复用的性能，就成为统计时分多路复用（STDM，Statistical Time Division Multiplexing）或异步时分多路复用（ATDM，Asynchronous TDM）。

2.3.2 时分多路复用

2.3.2 时分多路复用 TDM是将传输时间划分为许多个短的互不重叠的时隙，而将若干个时隙组成时分复用帧，用每个时分复用帧中某一固定序号的时隙组成一个子信道，每个子信道所占用的带宽相同，每个时分复用帧所占的时间也是相同的（如图2-7所示），即在同步TDM中，各路时隙的分配是预先确定的时间且各信号源的传输定时是同步的。

2.3.2 时分多路复用

2.3.2 时分多路复用 对于TDM，时隙长度越短，则每个时分复用帧中所包含的时隙数就越多，所容纳的用户数也就越多，其原理如图2-8所示。每一个通道在时间上按照预先确定的时间错开一位、一个字节或一块数据的时间，以此来共享传输信道。

2.3.3 波分多路复用

2.3.3 波分多路复用 在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种就是波分多路复用（WDM，Wave-length Division Multiplexing）。如图2-9所示即是一种在光纤上获得WDM的简单方法。在这种方法中，两根光纤连到一个棱柱或衍射光栅，每根光纤里的光波处于不同的波段上，这样两束光通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上，到达目的地后，再将两束光分解开来。

2.3.4 码分多路复用 码分多路复用（CDMA，Coding Division Multiplexing Access）技术则是一种用于移动通信系统的新技术。笔记本电脑或个人数字助理（PDA，Personal Data Assistant）以及手提电脑（HPC，Handed Personal Computer）等移动计算机的连网通信将会大量用到码分复用技术。

2.3.4 码分多路复用

2.3.4 码分多路复用 CDMA的复用原理是基于码型分割信道的。每个用户分配有一个地址码，而这些码型互不重叠，其特点是频率和时间资源均为共享。因此，在频率和时间资源紧缺的环境下，CDMA将独具魅力，这也是CDMA受到人们普遍关注的缘故。图2-10显示了CDMA的信道连接方式，在该图中，前向/反向信道是采用频率划分的方式，即移动站对基站方向的载波频率为f’，基站对移动站方向的载波频率为f。

2.4 数据通信方式 2.4.1 并行通信与串行通信 2.4.2 单工通信与双工通信 2.4.3 基带传输与频带传输 2.4 数据通信方式 2.4.1 并行通信与串行通信 2.4.2 单工通信与双工通信 2.4.3 基带传输与频带传输 2.4.4 同步通信与异步通信

2.4.1 并行通信与串行通信 在计算机系统的各个部件之间以及计算机与计算机之间，数据信息都是以通信的方式进行交换的。这种通信有两种基本方式：串行和并行。一般说来，并行传输用于近距离，串行传输用于较远的距离。

2.4.1 并行通信与串行通信 如图2-12（a）所示，在并行传输中，至少有8个数据位在设备之间传输。发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备，还可以有1位用作数据检验位，接收设备可同时接收到这些数据。在计算机内部的数据通信通常都以并行方式进行，并且把并行的数据传送线称做总线，如并行传送8位数据就叫做8位总线，并行传送16位数据就叫做16位总线。

2.4.1 并行通信与串行通信

2.4.1 并行通信与串行通信 串行传输方式是在一根数据传输线上，每次传送一位二进制数据，1位接1位地传送。串行传输的速度要慢得多，但由于串行传输节省了大量通信设备和通信线路，在技术上更适合远距离通信。因此，计算机网络普遍采用串行传输方式。 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。数据转换通常以字节为单位进行，用移位寄存器来完成，如图2-12（b）所示。

2.4.2 单工通信与双工通信 按照数据在线路上的流向，串行数据通信可分为三种类型：单工、半双工与全双工。 1．单工通信 2．半双工通信 2.4.2 单工通信与双工通信 按照数据在线路上的流向，串行数据通信可分为三种类型：单工、半双工与全双工。 1．单工通信 2．半双工通信 3．全双工通信

1．单工通信 在单工通信方式中，信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。如图2-13（a）所示，数据信息总是从发送端A传输到接收端B。这种情况与无线电广播相类似，信号只在一个方向上传播，电台发送，收音机接收。

2．半双工通信 如图2-13（b）所示，在半双工通信方式中，信号可以双向传送，但必须交替进行，一个时间只能向一个方向传送。可以双向传送信号，但必须交替进行的通信信道，只能用于半双工通信方式中。

3．全双工通信 全双工能同时在两个方向上进行通信，即有两个信道，如图2-l3（c）所示，数据同时在两个方向流动，它相当于把两个相反方向的单工通信组合起来。显然，全双工通信效率高，但构建系统的造价也高。 单工通信或半双工通信只需要一条信道，而全双工通信则需要两条信道（每个方向各一条）。显然，全双工通信的传输效率最高。

2.4.3 基带传输与频带传输 1．基带传输 2．频带传输

1．基带传输 通常把由计算机或终端产生的未经调制过的呈矩形的数字信号所固有的频率范围称做基本频带，简称基带。基带的范围可以从直流（0Hz）到数百千赫，甚至数兆赫，例如电视信号的基本频带为0Hz～6MHz。在数字通信信道上，直接传输基带信号，称为基带传输。

2．频带传输 一般通信线路在远距离传输时，只适合传输一定的频带信号，不适于传输基带信号。由于电话交换网是用于传输语音信号的模拟通信信道，并且是目前覆盖面最广的一种通信方式，因此利用模拟通信信道进行数据通信也是最普遍使用的通信方式之一。我们将利用模拟通信信道传输数据信号的方法称为频带传输。

2.4.4 同步通信与异步通信 比特的传送和接收是通过定时时钟来完成的。使这两个独立的时钟精确同步是不太可能的，从而引发错误。 2.4.4 同步通信与异步通信 比特的传送和接收是通过定时时钟来完成的。使这两个独立的时钟精确同步是不太可能的，从而引发错误。 解决上述同步问题的方法：1）并行传输是通过增加控制信号线来保证数据的同步（外同步法）；2）串行传输是通过严格的通信协议来保证数据的同步（自同步法：分为异步法、同步法）。 异步法：发送方和接收方独立地产生时钟，但定期同步。 同步法：接收端时钟完全由发送方时钟控制，严格同步。

2.4.4 同步通信与异步通信 串行数据传输时，由若干个比特位组合成字符，再由多个字符组合成报文。实际传输时，以比特流的形式按位传输，接收端与发送端需要正确地区分出数据位、数据字节和报文。为此，同步操作（异步传输或同步传输）必须解决位同步、字符同步和块同步3个问题。 位同步：接收端根据发送端发送数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时间基准与时钟频率，以确保区分信号中的每个比特。 字符同步：保证收发双方能够正确传输字符的过程称为字符同步，它能够正确区分信号中的每个字符。 块同步：保证收发双方能够正确传输数据块的过程称为块同步，它正确区分信号块（报文）。 1．异步传输 2．同步传输

1．异步传输 异步传输是基于这样的事实：在一定的比特数目内，时钟漂移的程度是有限的。它让接收方在某一个时间点上跟一个发送方时钟信号同步，并由此开始自己独立的时钟信号序列。由于偏移∑相对于一个比特时间来说是比较小的，故接收方可以在偏移积累到采样发生错误之前正确地接收若干个比特。

1．异步传输 以字符为单位独立传输是它的特点。在数据进行异步传输时，在每个字符的前后需要添加起始位和终止位，以此表示一个字符的开始和结束。在起始位和终止位之间是5～8位的字符数据。 在异步传输中，收发双方通过事先约定的一个传输速率来实现位同步；通过起始位和终止位实现字符同步；使用传送的特殊控制字符实现块（帧）同步。 异步传输的特点如下： 实现简单：每个字符的起始时刻任意，字符与字符间的时间间隔也是任意的，传送的数据中不需要包含时钟信号。 传输效率较低：每个字符都要加上起始位和终止位，因此造成了传输效率较低。 传输速率低：收发双方的传输速率总会有差异，常用于低速的终端操作。

2．同步传输 在同步传输中，以一种稳定的流方式传送比特块，不使用开启位和停止位编码。该数据块在长度上可以是多个比特。为了防止发送机和接收机之间的定时漂移，它们的时钟必须通过某种途径保持同步。一种可能性是在发送设备和接收设备之间提供单独的时钟线路。另一种替代的方法是在数据信号中嵌入时钟信息。

2．同步传输 有两种方式，一种是面向字符的同步传输，另一种是面向比特的同步传输。 在面向比特的同步传输方式中，实现数据帧同步的方法是通过在数据块前后加上帧头和帧尾标记，接收端根据这个标记来正确判定数据块（帧）的开始和结束位置。

2.5 数据传输介质 传输介质是通信网络中连接计算机的具体物理设备和数据传输物理通路。传输介质的特性包括物理描述、传输特性、信号发送形式、调制技术、传输带宽容量、频率范围、连通性、抗干扰性、性能价格比、连接距离、地理范围等。 2.5.1 有线介质 2.5.2 无线介质

2.5.1 有线介质 1．双绞线 2．同轴电缆 3．光纤

1．双绞线 无论是对模拟数据传输还是数字数据传输，最普通的传输介质就是双绞线。它是由按一定规则螺旋结构排列并扭在一起的多根绝缘导线所组成，芯内大多是铜线，外部裹着塑橡绝缘外层，线对扭绞在一起可以减少相互间的幅射电磁干扰。计算机网络中常用的双绞电缆是由4对线（8芯制，RJ-45接头）按一定密度相互扭绞在一起的。

1．双绞线 按照其外部包裹的是金属编织层还是塑橡外皮，可分为屏蔽双绞线电缆（STP）和非屏蔽双绞线电缆（UTP）。UTP电缆每对线的绞矩与所能抵抗的电磁辐射干扰成正比，并采用了滤波及对称性等技术，具有体积小、安装简便等特点。STP只不过在护套层内增加了金属屏蔽层，可有效减少串音及电磁干扰EMI、射频干扰RFI，它大多是一种屏蔽金属铝箔双绞电缆。STP电缆还有一根漏电线，主要用来连接到接地装置上，泄放掉金属屏蔽的电荷，解除线间的干扰问题。

1．双绞线 如表2-1所示是UTP电缆的常见类型。10BaseT局域网中主要使用3类和5类线，它们的有效传输距离一般在100m左右。另外还有超5类双绞线电缆，通过对其进行“信道”性能测试，结果表明，与普通5类双绞线电缆比较，它的近端串扰、衰减和结构回波等主要性能指标都有很大提高。综合近端串扰是电缆中所有线对对被测线对产生的近端串扰之和。一个能够满足PSNT要求的综合布线5类双绞电缆能够支持多种MAC信号形式的应用。

1．双绞线

1．双绞线 双绞线的制作分为工作站至工作站和工作站至集线器两种。工作站至集线器的双绞线，其8芯线一一对应；工作站至工作站的双绞线，按照如图2-15所示的连线制作。

1．双绞线 图2-15 双绞电缆

2．同轴电缆 典型的同轴电缆由一根内导体铜质芯线，外加绝缘层、密集网状编织导电金属屏蔽层以及外包装保护塑橡材料组成，其结构如图2-16所示。在10Base2网络中，如果要将计算机网卡连接到同轴电缆上，还需要一个T型接头和BNC接插件。用户在安装时不能把不同类型的电缆混合使用，原因是不同型号的同轴电缆其特征阻抗值是不同的，会导致网络连接失败。

2．同轴电缆

2．同轴电缆 同轴电缆分为两类：基带同轴电缆和宽带同轴电缆。计算机网络一般选用基带同轴电缆进行数据传输，其屏蔽层是用铜做成网状形，特征阻抗为50W，如RG-8（粗缆）、RG-58（细缆）等。宽带电缆是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆，其屏蔽层通常是用铝冲压成的，特征阻抗为75W，如RG-59有线电视CATV标准传输电缆。对于细同轴电缆，其主要用于10Mbps速率的10Base2以太局域网络中，平均特征阻抗为50±2W，阻抗的周期性变化为正弦波，中心平均值为±3W，最低传播速率约为0.77c（c为光速）。

2．同轴电缆

3．光纤 光导纤维是光纤通信的传输媒体，通常是由能传导光波的非常透明的石英玻璃拉成纤维细丝线芯，外加抗拉保护包层构成。

3．光纤 光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，有光脉冲相当于“1”，没有光脉冲相当于“0”；在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生光脉冲，在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

3．光纤 在光纤中，包层较线芯有较低的折射率，当光纤从高折射率的介质射向低折射率介质时，其折射角将大于入射角，如果入射角足够大，就会出现全反射，此时光线碰到包层时就会折射回线芯，这个过程不断重复，光也就会沿着光纤传输下去。

3．光纤 实际上，只要射到光纤表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可以产生全反射，并且可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，这种光纤就称为多模光纤（Multimode Fiber），如图2-17所示。发光二极管（LED，Light-Emitting Diode）是一种固态器件，电流通过时就产生一种定向性较差的可见光，并通过在光纤线芯内不断全反射而向前传播，这种光纤一般是多模光纤。

3．光纤

2.5.2 无线介质 1．无线电短波通信 2．地面微波接力通信 3．红外线和激光 4．卫星通信 5．VSAT卫星通信

1．无线电短波通信 在一些电缆光纤难于通过或施工困难的场合，例如，高山、湖泊或岛屿等，即使在城市中挖开马路敷设电缆有时也很不划算，特别是通信距离很远，对通信安全性要求不高，铺设电缆或光纤既昂贵又费时，若利用无线电波等无线传输介质在自由空间传播，就会有较大的机动灵活性，可以轻松实现多种通信，抗自然灾害能力和可靠性也较高。

2．地面微波接力通信 无线电数字微波通信系统在长途大容量的数据通信中占有及其重要的地位，其频率范围为300MHz～300GHz。微波通信主要有两种方式：地面微波接力通信和卫星通信。

3．红外线和激光 红外线通信和激光通信就是把要传输的信号分别转换成红外光信号和激光信号直接在自由空间中沿直线进行传播，它比微波通信具有更强的方向性，难以窃听、插入数据和进行干扰，但红外线和激光对雨雾等环境干扰特别敏感。红外线链路由一对发送/接收器组成，这对收发器调制不相干的红外光，收发器必须处于视线范围内，可以安装在屋顶或建筑物内部；对于短距离、中低速率数据传输非常实用。

4．卫星通信 卫星通信就是利用位于3万6千公里高空的人造地球同步卫星作为太空无人值守的微波中继站的一种特殊形式的微波接力通信。卫星通信可以克服地面微波通信的距离限制，其最大特点就是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步卫星发射出的电磁波可以辐射到地球三分之一以上的表面，只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗卫星，就能基本上实现全球通信。卫星通信的频带比微波接力通信更宽，通信容量更大，信号所受到的干扰较小，误码率也较小，通信比较稳定可靠。

5．VSAT卫星通信 VSAT是20世纪80年代末发展起来并于20世纪90年代得到广泛应用的新一代数字卫星通信系统。VSAT网通常由一个卫星转发器、一个大型主站和大量的VSAT小站组成，能单双向传输数据、语音、图像、视频等多媒体综合业务。VSAT具有很多优点，尤其适用于大量分散的业务量较小的用户共享主站，所以许多部门和企业多使用VSAT网来建设内部专用网。VSAT网络组成如图2-20所示。

5．VSAT卫星通信

2.6 差错控制与校验 2.6.1 差错控制方法 2.6.2 常用的差错控制编码

2.6.1 差错控制方法 差错控制编码就是对网络中传输的数字信号进行抗干扰编码，目的是为了提高数字通信系统的容错性和可靠性，它在发送端被传输的信息码元序列中，以一定的编码规则附加一些校验码元，接收端利用该规则进行相应的译码，译码的结果有可能发现差错或纠正差错。在差错控制码中，检错码是指能自动发现出现差错的编码，纠错码是指不仅能发现差错而且能够自动纠正差错的编码。当然，检错和纠错能力是用信息量的冗余和降低系统的效率为代价来换取的。

2.6.2 常用的差错控制编码 1．奇偶校验码 2．循环冗余码

1．奇偶校验码 奇偶校验码是一种最简单也是最基本的检错码，一维奇偶校验码的编码规则是把信息码元先分组，在每组最后加一位校验码元，使该码中1的数目为奇数或偶数，奇数时称为奇校验码，偶数时称为偶校验码。

1．奇偶校验码 例如信息码元每两位一组，加一位校验位使码组中1的总数为0或2，即构成偶校验码。这时许用码组为000，011，101，110；禁用码组为001，010，100，111。接收端译码时，对各码元进行模2加运算，其结果应为0，如果传输过程中码组任何一位发生了错误，则收到的码组必定不再符合偶校验的条件，因此就能发现错误。设码组长度为n，记为an-1an-2an-3…a0，其中前n-1位为信息位，第n位为校验位，则偶校验时有a0a1…an-1= 0；奇校验时有a0a1 … an-1=1。不难看出，这种奇偶校验只能发现单个和奇数个错误，而不能检测出偶数个错误，因此它的检错能力不高，只适用于检测随机的零星错码。

2．循环冗余码 循环冗余码（CRC）校验是目前在计算机网络通信及存储器中应用最广泛的一种校验编码方法，它所约定的校验规则是：让校验码能为某一约定代码所除尽；如果除得尽，表明代码正确；如果除不尽，余数将指明出错位所在位置。CRC是一种线性分组码，具有较强的纠错能力并有许多特殊的代数性质，前k位为信息码元，后r位为校验码元，它除了具有线性分组码的封闭性之外，还具有循环性。其编码和译码电路很容易用移位寄存器实现，因而在FEC系统中得到了广泛的应用。

2．循环冗余码 1）码多项式：运算时，首先需要将二进制位串中的各位数值看作一个m阶多项式的系数，然后将此系数构成的多项式M(x)称为该二进制位串的码多项式M(X) 2）模2运算：多项式进行模2运算时，加减法运算以2为模，加减时不进位、不错位，这如同逻辑运算的异或运算。而除法运算要求被除数和除数有同样位数即可。 例：若生成多项式为1011，请将4位有效信息1100编成7位循环冗余校验码。 解：K(x)= x3+x2 即1100 冗余位数r = 7-4 = 3 K(x)·xr = x6+x5，即1100000 所以7位循环冗余校验码为 T(x)= K(x)·x3 + R(x) = 1100000 + 010 = 1100010，这个编好的循环校验码就称为（7，4）码。

2．循环冗余码 生成多项式作用非常重要，目前国际上推荐使用的生成多项式有如下几个： CRCl2＝X12+X11+X3+X2+X+1 CRC16＝X16+X15+X2+1 CRCCCITT＝X16+X12+X5+1 CRC32=X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1

2.7 信息交换技术 通常使用的数据交换技术有三种：线路交换、报文交换、分组交换

2.7 信息交换技术 2.7.1 线路交换 2.7.2 报文交换 2.7.3 分组交换 2.7.4 三种数据交换技术的比较 2.7 信息交换技术 2.7.1 线路交换 2.7.2 报文交换 2.7.3 分组交换 2.7.4 三种数据交换技术的比较 2.7.5 其他数据交换技术

2.7.1 线路交换 使用线路（电路）交换（Circuit Switching）方式，就是通过网络中的节点在两个站之间建立一条专用的通信线路。最普通的线路交换例子是电话系统。 通过线路交换进行通信，指的是在两个站之间有一个实际的物理连接。这种连接是节点之间的连接序列。在每条线路上，通道专用于连接。

2.7.1 线路交换 线路交换方式的通信包括三种状态： （1）线路建立：在传输任何数据之前，都必须建立端到端（站到站）的线路。 2.7.1 线路交换 线路交换方式的通信包括三种状态： （1）线路建立：在传输任何数据之前，都必须建立端到端（站到站）的线路。 （2）数据传送：所传输的数据可以是数字的也可以是模拟的。 （3）线路拆除：在某个数据传送周期结束以后，就要结束连接，通常由两个站中的一个来完成这个动作。

2.7.1 线路交换 这种方式使用的设备及操作简单，特别适合于交互式通信以及远距离成批处理，建立一次连接就可以传送大量数据。因为在数据传输开始以前必须建立连接通路，因此通路中的每对节点之间的通道容量必须是可用的，而且每个节点必须有内部交换能力来处理连接。交换节点必须具有智能以进行分配和求出通过网络的路径。

2.7.1 线路交换 线路交换可能效率很低，因为通道容量在连接期间是专用的，即使没有数据传送，别人也不能用。就性能而言，在数据传送以前，为了呼叫建立，有一个延迟，然而一旦建立了线路，网络对于用户实际上是透明的，用户可以用固定的数据传输速率来传输数据，除了通过传输链路时的传输延迟外，不再有别的延迟。在每个节点上的延迟是很小的。

2.7.2 报文交换 另一种网络通信的方法是报文交换（Message Switching）。在报文交换中不需要在两个站之间建立一条专用通路。如果一个站想要发送一个报文（信息的一个逻辑单位），只需要把一个目的地址附加在报文上，然后把报文通过网络从节点到节点地进行传送。在每个节点中，接收整个报文，暂存这个报文，然后发送到下一个节点。

2.7.2 报文交换 在线路交换的网络中，每个节点是一个电子的或机电结合的交换设备。这种设备发送二进制位同接收二进制位一样快。报文交换节点通常是一台通用的小型计算机。它具有足够的存储容量来缓存进入的报文。一个报文在每个节点的延迟时间等于接收报文的所有位所需的时间加上等待时间和重传到下一个节点所需的排队延迟时间。

2.7.2 报文交换 这种方法与线路交换相比有以下优点： （1）线路效率较高，因为许多报文可以分时共享一条节点到节点的通道。 2.7.2 报文交换 这种方法与线路交换相比有以下优点： （1）线路效率较高，因为许多报文可以分时共享一条节点到节点的通道。 （2）不需要同时使用发送器和接收器来传输数据，网络可以在接收器可用之前，暂时存储这个报文。 （3）在线路交换网上，当通信量变得很大时，就不能接收某些呼叫。而在报文交换网上，却仍然可以接收报文，这时报文被缓冲导致传送延迟增加，但不会引起阻塞。

2.7.2 报文交换 （4）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。 2.7.2 报文交换 （4）报文交换系统可以把一个报文发送到多个目的地。 （5）根据报文的长短或其他特征能够建立报文的优先权，使得一些短的、重要的报文优先传递。 （6）报文交换网可以进行速度和代码的转换。因为每个站都可以用它特有的数据传输率连接到其他节点，所以两个不同传输率的站也可以连接。

2.7.3 分组交换 分组交换试图兼有报文交换和线路交换的优点，而使两者的缺点最少。分组交换与报文交换的工作方式基本相同，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度。典型的最大长度是1千位至几千位，称为包（Packets）。报文交换系统却适应更长的报文。

2.7.3 分组交换 从一个站的观点来看，把超过最大长度的报文的数据块按限定的大小分割成一个个小段，为每个小段加上有关的地址信息以及段的分割信息并组成一个数据包，然后依次发送。为了区分这两种技术，分组交换系统中的数据单位通常称为分组。与报文交换的区别是，分组通常不归档，分组拷贝暂存起来的目的是为了纠正错误。

2.7.3 分组交换 从表面看，分组交换与报文交换相比没有什么特殊优点。值得注意的是，把数据单位的最大长度限制在较小的范围内，这种简单的方法会在性能上有一个引人注目的结果。一个站要发送一个报文，若其长度比最大分组长度还长，它先把该报文分成组，再把这些组发送到节点上。这种交换方式必须解决的问题是根据网络当前的状况为各个数据包选择不同的传输路径，以便网络中各信道的流量趋于平衡。问题是网络将如何管理这些分组流呢?目前有两种方法：数据报和虚电路。

2.7.3 分组交换 在数据报中，每个数据包被独立处理，就像在报文交换中每个报文被独立处理那样，每个节点根据一个路由选择算法，为每个数据包选择一条路径，使它们的目的地相同。一个节点在发送多个发往同一地址的数据包时，可以根据线路的拥挤情况为各个包选择不同的转发节点，所以一个大数据段的各个数据包可能是从不同的路径到达目的地的，并且到达的先后顺序也不一定是分割时的顺序，这要根据网络中当时的具体流量等情况而定。每个数据包都有相应的分割信息，接收端可以根据这些信息把它们重新组合起来，恢复原来的数据块。

2.7.3 分组交换 在虚电路中，数据在传送以前，发送和接收双方在网络中建立起一条逻辑上的连接，但它并不是像电路交换中那样有一条专用的物理通路，该路径上各个节点都有缓冲装置，服从于这条逻辑线路的安排，也就是按照逻辑连接的方向和接收的次序进行输出排队和转发，这样每个节点就不需要为每个数据包作路径选择判断，就好像收发双方有一条专用信道一样。发送方依次发出的每个数据包经过若干次存储转发，按顺序到达接收方。双方完成数据交换后，拆除掉这条虚电路。

2.7.4 三种数据交换技术的 比较 三种数据交换技术总结如下： 2.7.4 三种数据交换技术的 比较 三种数据交换技术总结如下： （1）线路交换：在数据传送之前需建立一条物理通路，在线路被释放之前，该通路将一直被一对用户完全占有。 （2）报文交换：报文从发送方传送到接收方采用存储转发的方式。在传送报文时，只占用一段通路；在交换节点中需要缓冲存储，报文需要排队。因此，这种方式不满足实时通信的要求。 （3）分组交换：此方式与报文交换类似，但报文被分成组传送，并规定了分组的最大长度，到达目的地后需重新将分组组装成报文。这是网络中最广泛采用的一种交换技术。

2.7.4 三种数据交换技术的 比较 三种数据交换方式各有其特点，对于实时性强的交互式传输，电路交换最合适，不宜采用报文方式；对于网络中较轻的或间歇式负载，报文交换方式较合算；对于中等或稍重的负载，分组交换方式有较好的效果。

2.7.5 其他数据交换技术 随着通信和网络应用的发展，传统的交换技术已经不能满足需要。例如，交互式的会话通信对实时性要求很高，延时要小；高清晰度（HDTV）图像及高速数据的传送要求高速宽带的通信网。目前提高数据交换速度的方案有很多，主要有DSI，Frame Relay和ATM等。

2.7.5 其他数据交换技术 （1）利用数字语音插空技术DSI（Digital Speech Interpolation）能提高线路交换的传输能力。传统的线路交换技术在接通到通路后，该通路被一对用户完全占用。但是在传输语音信号时，通路并不始终处于忙的状态，而是有很多空闲的状态。DSI技术的原理是仅当传输语音信号时，才向通话用户分配通道，其余时刻可把通道分配给数据通信。

2.7.5 其他数据交换技术 （2）帧中继（Frame Relay）是对目前广泛使用的X.25分组交换通信协议的简化和改进，它在链路上无差错控制功能和流量控制功能，并且帧中继采用面向连接的模式，是一种简化的面向连接的分组交换。因为光纤通信具有低误码率的特性，无需在链路层进行差错控制，可采用端对端检错重发控制方式，采用固定长度的分组。这种简化了的协议，可以方便地用VLSI技术实现。这种高速分组交换技术有很多优点：可灵活设置信号的传输速率；充分利用网络资源，提高传输效率；可对分组呼叫进行带宽的动态分配。因此可获得低延时、高吞吐率的网络特性。

2.7.5 其他数据交换技术 （3）异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是线路交换与分组交换技术的结合，能最大限度地发挥线路交换与分组交换技术的优点，具有从实时的语音信号到高清晰度电视图像等各种高速综合业务的传输能力。

2.8 思考题 1．什么是比特率?什么是波特率?请举例说明两者的联系和区别? 2．什么是信号?在数据通信系统中有几种信号形式? 2.8 思考题 1．什么是比特率?什么是波特率?请举例说明两者的联系和区别? 2．什么是信号?在数据通信系统中有几种信号形式? 3．什么是基带传输?什么是频带传输?在基带传输中采用哪几种编码方法? 4．何谓单工、半双工、全双工通信?请举例说明它们的应用场合? 5．什么是多路复用?有几种常用的多路复用技术?

2.8 思考题 6．在计算机网络中，数据交换的方式有哪几种?各有什么优缺点? 7．有哪几种常用的传输介质?各有什么特性? 8．条件： 2.8 思考题 6．在计算机网络中，数据交换的方式有哪几种?各有什么优缺点? 7．有哪几种常用的传输介质?各有什么特性? 8．条件： ① CRC校验中的生成多项式为发送数据的比特序列为110101； ② 生成多项式为G(x)=x5+x4+x2+1； ③ 数据的比特序列为100010010111。 试计算求出其CRC校验码的比特序列。