数据通信基础

计算机网络采用数据通信方式传输网络。主要讨论二进制数据传输、交换和处理的理论、方法以及实现技术，简单介绍数据通信的基础理论，包括数据的调制编码技术、多路复用技术、数据传输与交换方式等；同时介绍常见的传输媒体、物理层接口特性及标准、物理层质量参数（如信道极限容量等），并给出与数据传输相关的公式。

数据通信的理论基础

1.数据通信基本概念

数据通信系统

计算机—信号变换器 (噪声源)—信道—信号变换器—终端设备

1)信源和信宿

信源就是数据源，是发出待传数据的设备。（文本输入到PC，产生输出的数字比特流）
信宿就是数据宿，是从变换器获取传送来的信息，并将其转换为数据的设备。

2)信号变换器

发送端的信号变换器包括编码器和调制器，接收端的信号变换器包括译码器和解调器。
编码器的功能是在输入数字序列中加入多余码元，以便接收正确识别信号；译码器则为逆。（降低误码率）

调制器是把信源或编码器输出的二进制脉冲信号变换（调制）为模拟信号，以便在模拟信道上远距离传输。
通常信源也是信宿；编码器也是译码器，通常合称为编码/译码器；调制器也是解调器，故 调制解调器。

3)信道

通信领域中，通信线路称为信道，所以信源和信宿之间的信息交换是通过信道进行的。
有线信道：双绞线、同轴电缆和光纤
无线信道：微波、红外线、卫星通信等。（信道是发射机、接收机、中继器及非导向传输媒体【电磁波】的总称）

按照传输信号的类型，数据通信网中的信道也可分为数字信道和模拟信道两种。
模拟信道是具有通频带为300~3400 Hz的长途载波电话通路或有线通路。
数字信道是具有64kbps或较高速率的同步数字信号的传输通路。

2.数据通信的常用术语

1)信息

信息量的计算公式为： I=log21p

2)数据

数据是传递信息的实体，信息是数据的内容或解释。
数据编码的常用形式：ITU的国际5单位字符编码；扩充的二 /十禁止交换码（EBCDIC码）；美国信息交换标准编码（ASCII码），称为国际标准 ISO 646，又称为国际5号码。

3)信号

采用波形描述的模拟信号和数字信号。

4)码元、帧和分组

数据以不同形式在网络结构的不同层上尽心传输。
物理层传输信息的单位定义为码元（一个单位脉冲就表示一个码元）
数据链路层传输信息的单位定义为帧，它接收物理层传送来的码元信息，并按照一定的格式形成某种格式的帧
网络层进行数据传输的信息单位定义为分组，在与高层报文进行交换时，根据需要可进行分段和重组。

5)数据传输速率与信号传输速率

数据传输速率：简称数据率，即美妙传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps或bit/s。

S=1/T∗log2N (bps)

:T为一个数字脉冲信号的宽度（全码宽）或重复周期（归零码），单位为秒；N为一个码元所取的离散只个数。
通常 N=2k ,K为二进制信息的位数， K=log2N N=2时，S=1/T，表示数据传输速率等于码元的脉冲的重复频率。

信号传输速率 :单位时间内通过信道传输的码元数，单位为波特，记作Baud。
B=1/T (Baud)
T为信号码元的宽度，单位为秒。

6)带宽

由于电信号以光速3000 000 km/s 传播，对于一条物理信道来说，如果所传输的信号足够窄（即 δ 冲激信号），每秒内将传输无数个比特信号；若所传输的方波信号非常宽，如达到300 0000 km，则每秒中能传输一个比特信号。

带宽定义为：信道两端的发送和接收设备能够传送比特信号的最大速率，用Hz来表示。
（某信道的带宽是4000Hz，即表示该信道最多可以以每秒4000次的速率发送信号）。
习惯上仍将”带宽”作为数字信道的比特率来理解，所以常用的带宽单位是kbps和Mbps。

宽带即宽的带宽，高的传输速率。
宽带IP网，就是指以IP为核心协议的支持宽带业务的高速计算机网络。

7)时延

时延是指发送和接收过程的响应时间。

传输时延。又称发送时延，结点发送数据时使数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。
传输时延=数据帧长度/信道宽度

传播时延。电磁波在信道中传输一定距离花费的时间。
传播时延=信道长度 / 电磁波在信道中的传播速率 （1000米长的光纤线路产生的传播时延约为5ms）

处理时延。主机或网络结点（结点交换机或路由器）处理分组所话费的时间。（对分组首部的分析、从分组提取数据部分、进行差错检验和查找路由等）

排队时延。是指分组进入网络节点后，需要在输入队列中等待处理，以及处理完毕后在输出队列等待转发的时间。

总时延=传输+传播+处理+排队

8)时延带宽积

时延带宽积=传播时延 × 带宽，单位是比特。

例如，某一链路的传播时延为500us，带宽为 100Mbps，则时延带宽积为50 000 bit，这意味着，当发送端发送的第一个比特到达终点时，发送端已经发出了50 000bit，这50 000bit充满了中链路，正在连路上传输。
对于一条传输链路，当代表链路的通道在传输过程中充满了比特流，链路才能得到充分利用。

傅立叶分析与有限带宽信号

g(t)=12c+∑∞n=1ansin(2πnft)+∑∞n=1bncos(2πnft)

f=1T 是周期信号的基频， an和bn 分别是正弦函数和预先函数n次谐波的振幅。