第3章 数据通信基础 本 章 内 容 简 介 概 述 数据通信中的基本概念 数据通信系统的几项技术指标 数据的三种传输类型 第3章 数据通信基础 本 章 内 容 简 介 概 述 数据通信中的基本概念 数据通信系统的几项技术指标 数据的三种传输类型 数据的两种传输方式 网络中的数据交换技术 数据传输中的差错检验和纠正

3.1 概 述 计算机网络是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。 3.1 概 述 计算机网络是计算机技术与现代通信技术相结合的产物。 从功能结构上计算机网络可看成是一个两层结构的系统。外层是由主计算机、I/O设备、各种软件资源和数据资源构成的资源子网，它负责全网的数据处理，并向网络用户提供各种共享的网络资源和相应的网络服务；而内层则是由通信控制处理机和高速通信线路等组成的通信子网，它负责全网的数据传输、交换、加工和变换等通信处理工作。

两层结构的计算机网络示意图 NC H 通信子网 资源子网 T 主机

开放系统互连参考模型 O S I 国际标准化组织（ISO）经过研究，于1984年公布了一种统一标准，进一步将通信子网内的有关活动内容细分为三层，将资源子网内的有关活动内容细分为四层，总共有七层，叫做七层网络系统结构参考模型，又叫“开放系统互连”模型，有人称它为“洋葱头”模型。

ISO的OSI参考 模型（七层） 主机A 主机B 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层协议 表示层协议 对话层 转送层 网络层 链路层 物理层 通信 媒质 1234567 (资源子网) (通信子网) 主机A 主机B 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层协议 表示层协议 会话层协议 传输层协议 网络层协议 链路层协议 物理层协议

网络层次是人为规定 在通常情况下，这种网络层次是不可见的，它们是人们对网络软件功能的分工和对各相邻两层之间的接口规定。 规定在每一层内都要完成规定的功能，称为该层内的协议，七个层次就要分别有七种协议；在层与层之间的过度，叫做接口，在接口处，规定下层要为上层服务，故层与层之间要规定有具体的服务内容，叫接口服务，所以七个层次又要有七种接口服务。

数据通信系统 1 下图为通过电话网实现计算机联网的数据通信系统模型（亦即计算机网络模型） 数字比特流 模拟信号 正文 正文 D/A ATL 1 下图为通过电话网实现计算机联网的数据通信系统模型（亦即计算机网络模型） 数字比特流 模拟信号 正文 正文 D/A ATL ATL A/D Modem Modem 公用电话网 源系统 传输系统 目的系统 输入信息 输入数据 发送信号 接收信号 输出数据 输出信息 信源 发送器 信道 接收器 信宿

上图中，除第一种形式外，其它都属于数据通信系统。它传输以(二进制)数字信息为主。 模拟数据(信号) 数字数据(信号) 是指数据的信号表现形式. 取决于信源和信宿、传输媒体的要求。学习计算机网络时，一定要搞清楚在某处的信号是数字的还是模拟的。 放大器 调制器 2 信号形式的转换 模拟数据 模拟信号 用于最早的电话系统 PCM 编码器 模拟数据 数字信号 适应于使用数字传输和交换设备. 调制器 数字数据 模拟信号 用于只适合于传送模拟信号的传输媒体 数字 发送器 数字数据 数字信号 转换设备简单. 上图中，除第一种形式外，其它都属于数据通信系统。它传输以(二进制)数字信息为主。

模拟数据与数字数据的传输形式 1．模拟数据在模拟信道上传输 这种传输的典型例子是话音信号在普通电话系统中传输。一般人的语音频率范围是300—3400Hz，为了进行传输，在线路上给它分配一定的带宽，国际标准取4KHz为一个标准话路所占用的频带宽度。在这个传输过程中：语音信号以300—3400Hz频率输入，发送方的电话机把这个语音信号转变成模拟信号，经过一个频分多路复用器进行变化，使得线路上可以同时传输多路模拟信号，当到达接收端以后再经过一个解频的过程把它恢复到原来的频率范围的模拟信号，再由接收方电话机把模拟信号转换成声音信号。

2．数字数据在模拟信道上传输 计算机和终端设备都是数字设备，它们只能接收和发送数字数据，而电话系统只能传输模拟信号，所以这个数字数据要进入到模拟信道以前要有一个变换器进行数字信号到模拟信号的转换，以便它能在模拟信道上传输，这样的一个变换过程叫调制（注意：这个调制过程并不改变数据的内容，仅是把数据的表示形式进行了改变）。这个变换器又叫做调制器。当调制后的模拟信号传到接收端以后，在接收端也有一个变换器再把这个信号反变回数字信号，这样的一个变换过程叫解调。这个变换器又叫解调器。由于计算机和终端设备之间的数据通信一般是双向的，因此在数据通信的双方既有用于发送信号的调制器又有用于接收信号的解调器，把这两个设备合在一起，就形成通常所说的调制解调器（Modem）。调制解调器就是使用一条标准话路（3.1kHz的标准话路带宽）提供全双工的数字信道。

调制解调器最基本的调制方法有以下三种 （三种传输数据的波形示意图如下）： 　调制解调器最基本的调制方法有以下三种 （三种传输数据的波形示意图如下）： （1）调幅（AM） 即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）调频（FM） 即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）调相（PM） 即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度，而1对应于180度。

3．模拟数据在数字信道上传输 用数字信道传输模拟数据时，需要对模拟数据进行脉冲编码调制（PCM）。PCM最初设计的目的是为了能使电话局之间的一条中继线不只传送一路电话而是可以同时传送几十路电话所设计的。PCM是将模拟电话信号转变为数字信号，首先要对电话信号进行取样。根据取样定理，只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从取样的脉冲信号中无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4KHz，为方便起见，取最高频率为4KHz，那么取样频率就是8KHz，相当于取样周期为125μs，即每秒钟采样8000次。下一步是进行编码，在我国使用的PCM体制中，电话信号是采用8bit编码，也就是说，将取样后的模拟电话信号量化为256个不同等级中的一个。

4．数字数据在数字信道上传输 这种方式最典型的例子是在两个装有Windows 98操作系统的计算机上，利用Windows 98中自带的“直接电缆连接”功能把两个计算机通过串行口或并行口直接相连。在这种情况下通信的双方发出的数据和接收的数据以及在信道上所传输的全部都是数字信号。 对于数字数据在数字信道上传输来说，最普遍而且最容易的办法是用两个不同的电压电平来表示两个二进制数字。例如，无电压（也就是无电流）常用来表示0，而恒定的正电压用来表示1。另外，使用负电压（低）表示0，使用正电压（高）表示1也是很普遍的。后一种技术称为不归零制NRZ（Non—Return to Zero）。

使用这种不归零制NRZ信号的最大问题就是难以确定一位的结束和另一位的开始，并且当出现一长串连续的1或连续的0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。曼彻斯特编码则可解决这一问题。它的编码方法是将每个码元再分成两个相等的间隔，码元1是由高至低电平转换，即其前半个码元的电平为高电平，后半个码元的电平为低电平。码元0则正好相反，从低电平到高电平的变换，即其前半个码元的电平为低电平，后半个码元的电平为高电平。这种编码的好处是可以保证在每一个码元的正中间出现一次电平的转换，即这个位中间跳变提供了时钟定时，这对接收端提取同步信号是非常有利的。但是从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

曼彻斯特编码还有一个变种叫做差分曼彻斯特编码，这种差分曼彻斯特编码与上面讲的曼彻斯特编码有着共同的特点，即在每一个码元的正中间有一次电平的变换，这种编码在表示码元1时，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（见图中的实心箭头）；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（见图中的空心箭头），即用每位开始时有无电平的跳变来表示0或1的编码。不论码元是1或0，在每个码元的正中间的时刻，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。

3.2 数据通信中的基本概念 1．信息、数据、信号及其编码 3.2 数据通信中的基本概念 1．信息、数据、信号及其编码 计算机网络传输的二进制代码称为数据（Data），它是传递信息（Information）的载体，包括数字、文字、语言、图形、图像等。数据与信息的区别在于数据仅涉及事物的表示形式，而信息则涉及到这些数据的内容和解释。信息是一种有意义的数据，相反，数据又是信息的一种量化物理符号。 目前世界上表示数据的编码，即计算机中的二进制代码主要有ASCII和EBCDIC码等，用得最多的是ASCII 。 对于数据通信来说，它关心的是数据的表示方式和传输方式。通常，数据可用数字信号和模拟信号两种方式表示，而信号是数据在传输过程中的电磁波表示形式。数据可分为模拟数据和数字数据两类。模拟数据是指在某个区间连续变化的物理量，例如声音的大小和温度的变化等。数字数据是指离散的不连续的量，例如文本信息和整数。

2. 信 道 传输信息的通道称为“信道”。一般来说，一条通信线路至少包含两条信道，一条用于发送的信道和一条用于接收的信道。在计算机网络中，有所谓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”也是网络上一种通路。在信号的发送与接收之间不仅存在一条物理上的传输介质，而且在物理信道的基础上，还存在一条可以通过结点内部的连接来实现的逻辑信道。 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。有线信道包括电话线、双绞线、同轴电缆、光纤等各种有形线路传递信息的形式；无线信道包括无线电、微波、卫星通信、红外线和激光信道等以电磁波形式在空间传播信息的方式。

按照信道中传输不同类型的数据信号来划分，物理信道又可以分为模拟信道和数字信道。模拟信道传输模拟信号，而数字信道直接传输二进制数字脉冲信号。如果要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，就需要在信道两边分别安装调制解调器，用数字脉冲信号对模拟信号进行调制和解调。 按照信道的使用方式来划分，又可以把信道分为专用信道和公共交换信道。专用信道是一种连接用户之间设备的固定“专线”，用户之间的通信，通过公共交换机之间的线路转接，公共电话交换网就属于公共交换信道。 从复用技术上划分，还可把信道分为频分信道和时分信道。

3. 信道容量 信道容量是指信道能传输信息的最大能力，一般用单位时间内最大可传送的比特数来表示。信道容量由信道的带宽、可使用的时间以及信道质量（即信号功率与干扰功率之比）决定。实际应用中的传输速率要小于信道容量。 4. 码元和码字 所谓“码元”，或称为“码位”，是对计算机网络传送的二进制数字中的每一位的通称。而由若干个码元序列表示的数据单元代码通常称为“码字”。例如，二进制数字1000001是由7个码元组成的序列，可以视为一个码字。在7位ASCII码中，这个码字表示字母A。

5．全双工和半双工 数据通信的线路工作模式分为单工、半双工和全双工三种。 一个数据通信系统中，如果能够同时发送和接收信息，则叫做全双工（FDX）系统。若发送和接收需要先后错开而不能同时进行，则叫做半双工（HDX）系统。对通信设备来说，是工作于全双工方式还是半双工方式，则要根据具体条件而定。 从通常的通信线路来说，还有两线制和四线制的区别。所谓两线制，是指在两个通信调制解调器之间有两条物理连接线互相连接，两线制通常工作于半双工方式，只是在低速时可工作于全双工方式。 所谓四线制是指在两个调制解调器之间有四条物理连接线，其中两条用于发送信号，两条用于接收信号，故可以实现全双工操作，现在，两线制和四线制已成为半双工和全双工的代名词了。

四线制传送 到计算机 到终端 （传送服务） 调制解调器 调制解调器

6. 同步问题 同步问题是数据通信系统中的一个重要问题，数据发送出去之后，在接收端能否正确地接收下来，关键就是解决同步问题。 同步问题有两类。一类是位同步，指在接收端需要知道每一位是从什么时候开始的，从而能在一连串的位流中把每一位都分辨出来；另一类就是字符同步，即在接收端需要知道什么地方是一个字符的开始位，从而能从一连串的位流中将每个字符按规定的编码格式分离出来，然后再经过解码，得到所需要的字符。常用的处理方式有同步和异步两种。 采用起止式异步方式，可使每个字符本身都带有所需的开始和停止的同步信息，所以在这样的系统中，可以随时发送字符，使用十分方便。采用同步方式传送，在所传送的字符与字符之间，不再留有空隔，也不用停顿，可以连续不停地发送，所以速度较快。这种方式适用于大批量的数据传送的情况。

用起止方式传送一个ASCII字符编码 R（1010010）的情况 如图3.5所示 空号（逻辑1） 1 0 1 0 0 1 0 1 传号（逻辑0） 停止位 起始位 ———— R数据代码位————— 偶校验位 图3.5 起止式操作

异步串行通信的帧格式 异步串行通信的帧格式规定在传送字符的首末分别设置1位起始位和1位或1.5位或2位停止位，它们分别表示字符的开始和结束。起始位是低电平（数字“0”状态），停止位为高电平（数字“1”状态）。数据字符的长度可以是从5位到8位。一般5位字符的停止位是1.5位， 8位字符的停止位是2位。数据字符中包括1位校验位，可以是奇校验或偶校验。不传输字符时，传输线一直处于停止位状态，即高电平。待发送字符结束，发送端又使传输线处于高电平状态，直到发送下一个字符为止。

同步传送操作 … 图3.6 同步传送操作 第 1 数 据 块 第 2 数 据 块 SYN 第 1 数 据 块 第 2 数 据 块 SYN 字符 字符 字符 SYN SYN 字符 字符 字符 1 2 n 1 2 m 图3.6 同步传送操作 SYN …

以太网的帧结构

7.信道多路复用技术 信道多路复用技术是使用宽带介质支持在同一时间、同一链路上发送多个不同信息流的数据通道技术。在同一信道上同时传输多路不同信号而互不干扰，可提高通信线路的利用率。常用的多路复用技术有： 频分多路复用技术(FDM)、 时分多路复用技术(TDM) ， 在计算机网络的信道中还广泛使用 统计时分复用(STDM) 、 密集波分复用(DWDM) 码分多址(CDMA)技术.

1．频分多路复用（FDM） 频分多路复用FDM利用了传输介质的可用带宽超过给定信号所需的带宽这一优点。频分多路复用技术FDM是将可用的总带宽分割成若干子信道（各子信道间略留一个宽度），每个子信道上被分配给不同的频率传输信号。又把每个要传输的信号以不同的载波频率进行调制，而且各个载波频率是完全独立的，即信号的带宽不会相互重叠，然后在传输介质的若干子信道上进行传输，这样在传输介质上就可以同时传输许多路信号。

2．时分多路复用（TDM） 时分多路复用技术TDM将一条物理信道按时间分成若干时间片轮流给多个信号源使用，每一个时间片由复用的一个信号源占用。专门用于一个信号源的时间片序列被称为是一条通道时间片的一个周期（每个信号源一个），称之为一帧。如果时间片固定，则是同步TDM；如果动态地分配传输媒体的时间片，则是异步TDM。 时分多路复用TDM利用每个信号在时间上交叉，可以在一个传输通路上传输多个数字信号，这种交叉可以是位一级的，也可以是由字节组成的块或更大量的信息。 时分多路复用TDM不局限于传输数字信号，模拟信号也可以同时交叉传输。另外，对于模拟信号，时分多路复用TDM和频分多路复用FDM结合起来使用也是可能的。一个传输系统可以频分许多条通道，每条通道再用时分多路复用来细分。

3. 统计时分复用 FDM和TDM在技术上比较成熟。频分复用标准FDM用于防止通信频率冲突。 TDM 则更有利于数字信号的传输，但缺点是不灵活，当用户暂停使用某信道或时隙时，造成资源的浪费。 统计时分复用是集中扫描用户缓存，有则将数据放入STDM帧中，并在该时隙加上一控制域（地址信息），按需动态分配时隙，从而提高了线路利用率。

4.波分复用 即光波的频分复用.指在同一根光纤上同时传送多个波长不同的光载波,光载波间隔仅0.8 或1.6nm, 这样,第二代波分复用系统(DWDM) 已做到在一根光纤上复用80~160个光载波信号,每个波道的数据传输速率高达10Mbps.在工程上,一根光缆中可捆扎100根以上的光纤,得到的总数据率达4Tbps。波分复用（WDM）：用于光缆传输的网络，不同的信号被携载在光的不同波长上。 波分复用原理：右图中,光纤1和光纤1’ 、光纤2和光纤2’的波谱范围相同，光纤1和光纤2的波谱范围不同且不重叠，共享光纤的波谱范围是光纤1 与2 的总和。 光载波信号被数字信号调幅传输一段距离后就会衰减,一般用掺铒光纤放大器(EDFA)放大,两光纤放大器之间的线路长度可达120km。 光纤1 共享光纤 光纤1’ EDFA 120km 光纤2’ 光纤2 光柵 光柵

5. 码分多址 CDMA广泛用于民用的移动通信，特别是在无线局域网中。 CDMA基本原理：将每一个比特时间再划分为m个间隔，(称码片chip,m=2n)；CDMA为一个站分配一个唯一的m bit 码片序列，指定信息”0”和”1”的m位二进制代码(互为反码)。 如：8bit码片系列分配给S站的码片系列：0---11100100， 1---00011011。 利用全球定位系统(GPS)可方便地解决多站同时通信的问题，CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率，已广泛用于无线通信中。

3.3 数据通信系统的几项技术指标 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，往往需要运用所谓比特率、波特率和出错率等技术指标。 1. 比特率 S 比特率是一种数字信号传输速率，它表示单位时间内所传送的二进制代码的有效位（bit）数，单位采用每秒比特数（b/s）或每秒千比特数（K b/s）、每秒兆比特数（M b/s）表示 。

2. 波特率 B 波特率是一种调制速率，也称波形速率。它是针对模拟信号传输过程中，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。或者说，在数据传输过程中，线路上每秒钟传送的波形个数就是波特率，其单位为波特（baud）。 3．出错率 出错率是指信息在传输中的错误率，也称为“误码率”。它是数据通信系统在正常工作状况下，表达传输可靠性的指标。如果传输的信息以码元为单位，则在计算机网络通信系统中，要求误码率低于 10-8～ 10-10 。

波特率和比特率的区别与联系 模拟信道 计算机 MODEM 波特率 （baud） 比特率 （b/s）

4. 带宽与数据传输速率 在模拟信道中，人们一般采用“带宽”表示信道传输信息的能力，即传送信息信号的高频率与低频率之差，单位为Hz、KHz、MHz或GHz 。例如电话信道的带宽为300Hz～3400Hz 。 在数字信道中，人们通常用“数据传输速率”（比特率）表示信道传输信息的能力，即每秒传输的比特数，单位为b/s、Kb/s、Mb/s或Gb/s 。例如调制解调器的传输速率为14.4 Kb/s、28.8 Kb/s或56Kb/s等。 由于带宽与数据传输速率这两个术语都是用来度量网络传输能力的，所以，在一些论述计算机网络的中文外文书籍中，两者经常混用。但是，从技术角度来讲， 这是两个完全不同的概念，希望读者注意加以区别。

3.4 数据的三种传输类型 3.4.1 基带传输 共有三种类型：基带传输、频带传输和宽带传输。 3.4 数据的三种传输类型 共有三种类型：基带传输、频带传输和宽带传输。 3.4.1 基带传输 在数据通信中，表示计算机传输的二进制数字信号是典型的矩形电脉冲。由于这种未经调制的电脉冲信号所占据的频带通常从直流和低频开始，因而人们把这种矩形电脉冲信号的固有频率称为“基带”，也即电脉冲信号固有的基本频带，相应的信号称为“数字基带信号”。

3.4.2 频带传输 对于远距离通信来说，目前经常使用的仍然是普遍的电话线，因为它是当今世界上覆盖范围最广、应用最普遍的一类通信信道。而且，无论计算机网络技术和通信技术如何发展，电话通信信道仍然是现在与将来使用的一种基本的网络通信手段。 众所周知，传统的电话通信信道是为了传输语音信号而设计的，它只适用于传输音频范围（300Hz～3400Hz）的模拟信号，不适用于直接传输计算机的数字基带信号。为了利用电话交换网实现计算机之间的数字信号传输，必须将数字信号转换成模拟信号。为此，需要在发送端选取音频范围的某一频率的正（余）弦模拟信号作为载波，用它运载所要传输的数字信号，通过电话信道将其送至另一端；在接收端再将数字信号从载波上取出来，恢复为原来的信号波形。这种利用模拟信道实现数字信号传输的方法称为“频带传输”。

3.4.3 宽带传输 在局域网中，常用宽带传输。所谓宽带传输就是利用频带宽度至少为1000MHz的宽带同轴电缆或光缆作为传输介质。具体使用时通常把这种宽带划分成若干个子频带，分别用于传输数字、音频和视频信号。因此，人们可以利用宽带传输系统实现文字、声音和图像的一体化传输。不过由于宽带同轴电缆原来是用于传输电视信号的，要用它来传输数字信号，就必须利用射频调制解调器，把数字信号变换成频率为几十兆赫兹到几百赫兹的模拟信号。

3.5 数据的两种传输方式 在数据通信系统中，通信信道为数据的传输提供了各种不同的通路。对应于不同类型的信道，数据传输采用不同的方式，可以分为串行传输方式和并行传输方式。 并行传输是一次同时传输若干二进制位（bit）的数据，从发送端到接收端的信道需要用相应的若干根传输线。而串行传输是一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可。如后面的图所示。 计算机内部是采用并行传输，计算机网络中普遍采用串行传输，可节省设备。

并行传送方式 8 7 6 5 4 3 2 1 发 送 端 接 收 端

串行传送方式 并 串 转 换 接 收 端 发 送 端 并 串转换 8 8 7 7 6 6 5 8 7 6 5 4 3 2 1 5 4 4 8 8 7 7 6 6 5 8 7 6 5 4 3 2 1 5 4 4 3 3 2 2 1 1 并 串 转 换 接 收 端 发 送 端 并 串转换

3.6 网络中的数据交换技术 在计算机网络中，计算机通常使用公用通信的传输线路进行数据交换，以提高传输设备的利用率。在网络中的数据交换方式可分为线路（电路）交换和存储转发交换两大类，其中存储转发交换又可分为报文交换和分组交换两种。

3.6.1 线路交换 交换（switch）的概念来源于电话系统。当用户发出通话呼叫时，电话系统中的交换机（telephone switch）在呼叫者电话与接收者电话之间寻找一条客观存在的物理通道。一旦找到，通话便可建立起来。然后，两端的电话便拥有这条线路，直到通话结束。这里，所谓“交换”体现在交换设备内部，当交换机从一条输入线收到呼叫请求时，它首先根据被呼叫者的号码寻找一条合适的空闲输出线，然后，通过硬件开关（比如电磁继电器）将二者连通。电话系统的这种交换方式就叫做“线路交换”(circuit switching)。

计算机网络中的线路交换 在计算机网络中，计算机之间需要通信时，也是由交换机负责在其间建立一条实际的专用物理连接通道。其通信过程可以分为：电路建立阶段、数据传输阶段和拆除电路连接3个阶段。其特点是先有两个结点的线路接通然后才能通信，双方通信的内容不受交换机的约束，即传输信息的符号、编码、格式以及通信控制规程等均随用户的需要决定。

线路交换的实质、优缺点 不难看出，线路交换的外部表现是通信双方一旦接通，便独占一条实际的物理线路。线路交换的实质是：在交换设备内部由硬件开关接通输入线与输出线。 线路交换技术的优点：传输延迟小（惟一的延迟是电磁信号的传播时间）；线路一旦接通，不会发生冲突。对于占用信道的用户来说，可靠性和实时响应能力都很好。 缺点：建立通话线路所需时间较长（有时需要10秒或更长）；一旦接通就要独占线路，造成信道浪费。

3.6.2 报文交换 在报文交换（message switching）方式中，信息的交换是以报文（message）为单位的，通信的双方之间无需建立专用通道。例如，当计算机间通信时，发送机要先把准备发送的信息加上报文头，包括目标地址、源地址等信息，并将形成的报文发送给交换设备。交换器把收到的报文信息存入缓冲区并输送进队列排队等候处理，这个过程称为“第一次排队”。 交换器依次对输送进队列排队等候的报文信息做适当处理以后，根据报文的目标地址，选择适当的输出链路。如果此时输出链路中有空闲的线路，便启动发送进程，把该报文发往下一个交换器，这样通过多次转发，一直把报文送到指定的目标。由此可见，在这个过程中，交换器的输入线与输出线之间不必建立物理连接。但是如果该输出链路没有空闲的线路，则需要将报文信息从缓冲区送到该链路的输出队列排队等候发送，这个过程称为“第二次排队”。也就是说，在交换器处，报文首先被存储起来，并且在待发报文登记表中进行登记，等待报文前往的目标地址的线路空闲时再转发出去。

报文交换方式的优缺点 报文交换方式具有如下优点：线路利用率高，信道可为多个报文共享；接收方和发送方无需同时工作，在接收方“忙”时，报文可以暂存交换器处；可同时向多个目标地址发送同一报文；能够在网络上实现报文的差错控制和纠错处理；报文交换网络能进行速度和代码转换，例如，将ASCII码转换为EBCDIC码。 报文交换的主要缺点是：不适合实时通信或交互通信，也不适合用于交互式的“终端-主机”连接。另外，报文在传输过程中每经过一个交换器，要经过两次排队，造成较大的时间延迟。

3.6.3 分组交换 报文交换方式要经过两次排队，传输还是按串行方式进行的，且对所传输的报文大小不加限制，对很长的报文，会占用一条交换线路长达数分钟，显然不太适合于交互式通信。 为了解决上述问题，人们便提出了一种称为分组交换（packet switching）的技术。就是将用户的大报文分割成若干个具有固定长度的报文分组（称为包，packet）。以报文分组为单位，在网络中按照类似于流水线的方式进行传输，从而可以使各个交换器处于并行操作状态，很显然这样一来便可以大大缩短报文的传输时间。每一个报文分组均含有数据和目标地址，同一个报文的不同分组可以在不同的路径中传输，到达指定目标以后，再将它们重新组装成完整的报文。

分组交换的优点 由于报文分组交换技术严格限制报文分组大小的上限，使分组可以在交换器的内存中存放，保证任何用户都不能独占线路超过几十毫秒，因此非常适合于交互式通信。另外，在具有多个分组的报文中，分组之间不必等齐就可以单独传送，这样减少了时间延迟，提高了交换器的吞吐率，这是分组交换的另一个优点。报文分组交换能根据网络的流量，自行选择路径到达目的地，因此能够最有效地利用网络带宽。 由此可见，数据交换方式中的交换，其实质是在交换设备内部将数据从输入线切换到输出线的方式。线路交换方式是静态分配线路；存储转发方式则是动态分配线路。

3.7 数据传输中的差错检验和纠正 字符代码沿着传输线路向外传送时，由于电路设备的质量不好，或线路上的电磁耦合噪声干扰等，难免发生差错。如何及时地自动检验差错，并进一步做到自动校正，这是数字通信系统中一个重要的研究课题（称为差错控制技术）。通常，其解决办法就是采用抗干扰编码或纠错编码。

纠错码 纠错码是指在发送每一组信息时发送足够的附加位，接收端通过这些附加位在接收译码器的控制下不仅可以发现错误，而且还能自动地纠正错误。如果采用这种编码，传输系统中不需反馈信道就可以实现一个对多个用户的通信，但译码器设备比较复杂，且因所选用的纠错码与信道干扰情况有关。某些情况为了纠正差错，要求附加的冗余码较多，这将会降低传输的效率。现在比较常见的纠错编码有：海明纠错码、正反纠错码等。

检错码 检错码是指在发送每一组信息时发送一些附加位，接收端通过这些附加位可以对所接收的数据进行判断看其是否正确，如果存在错误，它不能纠正错误而是通过反馈信道传送一个应答帧把这个错误的结果告诉给发送端，让发送端重新发送该信息，直至接收端收到正确的数据为止。目前广泛采用的检错码有奇偶校验码，方块码和循环冗余码等。

3.7.1 奇偶校验(VRC) 奇偶校验又叫字符校验，或叫垂直冗余校验VRC（vertical redundancy code）。这是最简单的一种校验方法。它是在每个字符编码的后面，另外增加一个二进位。该位叫做校验位，其主要目的是使整个编码中的“1”或“0”的个数成为奇数或偶数。如果使编码中“1”的个数成为奇数则叫做奇校验，反之，则叫做偶校验。例如： 字符R的ASCII编码为 1 0 1 0 0 1 0 后面增加一位进行奇校验 1 0 1 0 0 1 0 0 （使“1”的个数为奇数） 传送时，其中一位出差错 1 0 1 1 0 1 0 0 （奇校验检查出错） 传送时有两位出差错 1 0 1 1 1 1 0 0 （奇校验不能检错） 由此可见，采用一位奇校验（或偶校验）只能检验出编码中的一位差错或奇数位差错，而不能检验出两位或偶数位同时出错。事实上，在传输过程中，偶然一位出错的机会最多，故这种简单的检验方法还是很有用的。但这种办法只能检验错误而不能纠正错误。接收端检测该校验位以确定是否有差错发生。奇偶校验并不是一种十分安全可靠的检错方法，如果有偶数个数据位在传输中同时出错，接收端无法检测出差错的数据，所以其检错概率最多为50%。对于低速传输来说，奇偶校验是一种令人满意的检错法。通常偶校验常用于异步传输或低速传输，而奇校验常用于同步传输。

3.7.2 方块校验(LRC) (VRC) 字符1 1 0 1 0 0 1 0 R 0 字符2 1 0 0 0 0 0 1 A 1 又叫报文校验或纵向（水平）冗余校验LRC（level redundancy code）。这种方法是在垂直校验的基础上，在一批字符传送之后，另外增加一个检验字符，该字符的编码方法是使每一位纵向代码中“1”的个数成为奇数（或偶数）。例如： 奇偶校验位(奇) (VRC) 字符1 1 0 1 0 0 1 0 R 0 字符2 1 0 0 0 0 0 1 A 1 字符3 1 0 0 1 1 0 0 L 0 字符4 1 0 1 0 0 0 0 P 1 字符5 1 0 0 1 0 0 0 H 1 字符6 1 0 0 0 0 1 0 B 1 方块校验符（奇）1 1 1 1 0 1 0 Z 1 (LRC) 采用这种校验之后，如果其中有一个二进位出错，不仅从一横行中的VRC校验位中反映出来，同时从一纵列的LRC校验位中也反映出来，概括垂直和水平两个校验位的反映，可以确知出错的位置，从而加以校正。采用这种办法之后，不仅可以检验出一位出错，而且可以自动纠正一位差错，使误码率能降低2～4个数量级，纠错效果十分显著。

3.7.3 循环冗余校验(CRC） 循环冗余校验法（CRC，circular redundancy code）不产生奇偶校验码，而是把整个数据块当作一个连续的二进制数据。从代数结构来说，将数据位串看成是系数为0或1的多项式，一个k位帧可以看成是从xk-1到x0的k次多项式的系数序列，这个多项式的阶数为k-1。高位（最左边）是xk-1项系数，下一位是xk-2的系数，以此类推。例如，110001有6位，表示成多项式是x5+x4+x0。它的6个多项式系数分别是1，1，0，0，0，和1。 多项式的运算法则是模2运算。按照它的运算法则，加法不进位，减法不借位。加法和减法两者都与异或运算相同。这里可以看作是一报文码多项式。在网络中发送数据块多项式时，发送方和接收方必须事先商定一个“生成多项式” G(x) ，生成多项式的最高位和最低位必须是1。要计算m位的数据帧M(x)的校验和，生成多项式必须比该校验和的多项式短。基本思想是：将校验和加在数据帧的末尾，使这个带校验和的数据帧的多项式能被生成多项式G(x)除尽。当接收方收到带有校验和的帧时，用G(x)去除它，如果在传送过程中无差错，则也应该除尽，即余数应为0；如果有余数，则传输出错，应要求对方重新发送一次。

计算校验和的算法 ① 设生成多项式G(x)为n阶，在帧的末尾附加n个零，使帧为m +n 位，则相应的多项式是2n M(x)。 ②  按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于2n M(x)的位串。 ③  按模2减法从对应于2n M(x)的位串中减去余数。结果就是要传送带校验和的帧，叫多项式T(x)。 后面的计算图表示帧1101011011和G(x)=x4+x+1的算法。 很清楚，T(x)能被G(x)除尽。在任何除法问题中，如果用被除数减去余数，则剩下的部分是肯定能够被除数除尽。例如，如果你用100除以7，余数为2；如果先用100减去2 ，剩下的98就能被7除尽。可以认为这种方法除了是G(x)整数倍数据的多项式差错检测不到外，其他错误均能捕捉到，由此可看出它的检错率是非常高的。

循环冗余校验（CRC）码

国际电报电话咨询委员会（CCITT）推荐的“生成多项式”为 G(x)=x16+x10+x5+1。 目前常见的生成多项式G(x)的国际标准还有以下两种： CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1 CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1 采用循环冗余校验之后，其误码率比方块码的误码率可以再降低1～3个数量级，所以这种循环冗余校验法在数据通信系统中被广泛应用。

总 结 掌握基本的有关概念 了解几个主要技术指标 了解数据传输有三种类型 数据的传输方式 掌握数据的几种交换技术 了解差错检验和校正方法

习 题 3 1．什么叫做信道？物理信道有哪几种连接方式？ 2．什么叫做“码元”和“码字”？请举例说明。 习 题 3 1．什么叫做信道？物理信道有哪几种连接方式？ 2．什么叫做“码元”和“码字”？请举例说明。 3．什么是比特率？什么是波特率？请举例说明两者的联系和区别。 4．什么是带宽？什么是数据传输速率？二者有什么区别？ 各有哪些计量单位？ 5．什么是基带传输？什么是频带传输？ 6．什么是宽带传输？有什么用途？ 7．什么是串行传输？什么是并行传输？请举例加以说明。 8．在计算机网络数据交换的方式中，何谓线路交换？ 有什么优缺点？ 9．何谓报文交换？有什么优缺点？ 10．何谓分组交换？有什么优缺点？ 11．何谓数据报？ 12．何谓误码率？ 13．有哪些差错检验方法？它们的特点是什么？